无线传感网智能组网设计实践实验指导书样本

无线传感网智能组网设计实验指导书( 实验类)

实验 1.Zigbee基本通信实验

1.1实验目的

➢了解实Zigbee的原理及在软件上如何方便使用;

➢掌握在Windows CE 6.0下进行UART编程的方法。

1.2实验设备

➢硬件: EduKit-IV嵌入式教学实验平台、 Mini270核心子板、Zigbee模块、 PC 机;

➢软件: Windows /NT/XP 以及Windows 平台下的VS 开发环境。

1.3实验内容

➢利用Microsoft Visual Studio 编写一个可运行于EduKit-IV型实验箱Windows CE 6.0操作系统上的应用程

序;

➢学习和掌握EduKit-IV教学实验平台中经过UART与Zigbee 模块通信, 实现对Zigbee模块的配置和对等网模式下的通

信。

1.4实验原理

1.4.1Zigbee起源

无线网络系统源自美国军方的”电子尘埃(eMote)”技术, 是当前国内、外研究的热点技术之一。该系统基于IEEE802.15.4规范的无线技术, 工作在2.4 GHz或868／928 MHz, 用于个人区域网和对等网状网络。ZigBee是一种新兴的近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的无线网络技术。它是一种介于红外无线技术和蓝牙之间的技术提案。主要用于近距离无线连接。它依据802.15.4标准。在数千个微小的传感器之间相互协调实现通信。这些传感器只需要很少的能量, 以接力的方式经过无线电波将数据从一个传感器传到另一个传感器, 因此它们的通信效率非常高。相对于现有的各种无线通信技术, 无线ZigBee网络技术将是近距离通信最低功耗和成本的技术。这一技术当前正向工业、民用方向推广和发展, 市场前景广阔。包括国家863计划等项目都在进行相关的研究工作。因此, 本文介绍的基于ZigBee技术的嵌入式无线网络平台, 这一无线网络平台可应用于工业控制、信息家电、安保系统、环境监测、港务运输、煤矿安全、农业自动化和医疗监护设备等许多行业和设备。具有广泛的适应性。并能弥补其它无线通信技术的不足, 保证其安全性, 降低服务成本。

1.4.2ZigBee网络配置

1.网络设备组成。

ZigBee网络设备主要包括网络协调器、全功能设备和精简功能设备3类。

●网络协调器:

包含所有的网络消息, 是3种设备类型中最复杂的一种, 存储容量最大、计算能力最强。功能是发送网络信标、建立一个网络、管理网络节点、存储网络节点信息、寻找一对节点间的路由消息、不断地接收信息。

●全功能设备:

全功能设备( Full-Function Device, FFD) 能够担任网络协调者, 形成网络, 让其它的FFD或精简功能装置( RFD) 联结。FFD 具备控制器的功能, 可提供信息双向传输。其设备特性有: 附带由标准指定的全部IEEE 802.15.4功能和所有特征; 更强的存储能力和计算能力可使其在空闲时起网络路由器作用; 也能用作终端设备。

●精简功能设备:

精简功能设备( Reduced-Function Device, RFD) 只能传送信息给FFD或从FFD接收信息, 其设备特性有: 附带有限的功能来控制成本和复杂性; 在网络中一般见作终端设备; RFD由于省掉了内存和其它电路, 降低了ZigBee部件的成本, 而简单的8位处理器和小协议栈也有助于降低成本。

2.网络节点类型。

从网络配置上, ZigBee网络中有3种类型的节点: ZigBee协调点、 ZigBee路由节点和ZigBee终端节点。

●ZigBee协调点:

ZigBee协调点在IEEE 802.15.4中也称为PAN( Personal Area Network) 协调点( ZigBee Coordinator, ZC) , 在无线传感器网络中能够作为汇聚节点。ZigBee协调点必须是FFD, 一个ZigBee 网络只有一个ZigBee协调点, 它往往比网络中其它节点的功能更强大, 是整个网络的主控节点。它负责发起建立新的网络、设定网络参数、管理网络中的节点以及存储网络中节点信息等, 网络形成后也能够执行路由器的功能。ZigBee协调点是3种类型ZigBee 节点最为复杂的一种, 一般由交流电源持续供电。

●ZigBee路由节点:

ZigBee路由节点( ZigBee Router, ZR) 也必须是FFD。ZigBee 路由节点能够参与路由发现、消息转发, 经过连接别的节点来扩展网络的覆盖范围等。另外, ZigBee路由节点还能够在它的个人操作空间( POS, Personal Operating Space) 中充当普通协调点( IEEE 802.15.4称为协调点) 。普通协调点与ZigBee协调点不同, 它依然受ZigBee协调点的控制。

●ZigBee终端节点:

ZigBee终端节点( ZigBee EndDevice, ZE) 能够是FFD或者RFD, 它经过ZigBee协凋点或者ZigBee路由节点连接到网络, 但不允许

其它任何节点经过它加入网络, ZigBee终端节点能够以非常低的功率运行。

3.网络工作模式。

ZigBee网络的工作模式能够分为信标( Beacon) 和非信标( Non-beacon) 2种模式, 信标模式实现了网络中所有设备的同步工作和同步休眠, 以达到最大限度的功耗节省, 而非信标模式则只允许ZE进行周期性休眠, ZC和所有ZR设备必须长期处于工作状态。

信标模式下, ZC负责以一定的间隔时间( 一般在15ms～4min) 向网络广播信标帧, 2个信标帧发送之间有16个相同的时槽, 这些时槽分为网络休眠区和网络活动区2个部分, 消息只能在网络活动区的各时槽内发送。

非信标模式下, ZigBee标准采用父节点为ZE子节点缓存数据, ZE主动向其父节点提取数据的机制, 实现ZE的周期性( 周期可设置) 休眠。网络中所有父节点需为自己的ZE子节点缓存数据帧, 所有ZE子节点的大多数时间都处于休眠模式, 周期性的醒来与父节点握手以确认自己仍处于网络中, 其从休眠模式转入数据传输模式一般只需要15ms。

1.4.3ZigBee的网络拓扑结构

ZigBee主要采用了3种组网方式: 星型网、网状网和簇状网。其中网络协调器相当于本试验中的中心节点, 全功能设备相当于