无线传感网智能组网设计实践--实验指导书

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 下进行UART编程的方法。

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 2000/NT/XP 以及Windows 平台下的VS2005开发环境。

实验内容利用Microsoft Visual Studio 2005编写一个可运行于EduKit-IV型实验箱Windows CE 操作系统上的应用程序；学习和掌握EduKit-IV教学实验平台中通过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。

实验原理Zigbee起源无线网络系统源自美国军方的“电子尘埃(eMote)”技术，是目前国内、外研究的热点技术之一。

该系统基于规范的无线技术，工作在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，以接力的方式通过无线电波将数据从一个传感器传到另一个传感器，所以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。

这一技术目前正向工业、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。

并能弥补其他无线通信技术的不足，保证其安全性，降低服务成本。

ZigBee网络配置网络设备组成。

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）可以担任网络协调者，形成网络，让其他的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 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；在网络中通常用作终端设备；RFD由于省掉了内存和其他电路，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。

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 中也称为PAN（Personal Area Network）协调点（ZigBee Coordinator，ZC），在无线传感器网络中可以作为汇聚节点。

ZigBee协调点必须是FFD，一个ZigBee网络只有一个ZigBee协调点，它往往比网络中其他节点的功能更强大，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，网络形成后也可以执行路由器的功能。

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路由节点可以参与路由发现、消息转发，通过连接别的节点来扩展网络的覆盖范围等。

此外，ZigBee路由节点还可以在它的个人操作空间（POS，Personal Operating Space）中充当普通协调点（IEEE 称为协调点）。

普通协调点与ZigBee协调点不同，它仍然受ZigBee协调点的控制。

ZigBee终端节点：ZigBee终端节点（ZigBee EndDevice，ZE）可以是FFD或者RFD，它通过ZigBee协凋点或者ZigBee路由节点连接到网络，但不允许其他任何节点通过它加入网络，ZigBee终端节点能够以非常低的功率运行。

网络工作模式。

ZigBee网络的工作模式可以分为信标（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。

ZigBee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，全功能设备相当于本试验中的路由节点，精简功能设备相当于本试验中的终端节点。

如图1所示在星型网中，一个功能强大的主器件位于网络的中心，作为网络协调者，其它的主器件或从器件分布在其覆盖范围内。

由于网络协调者定义了整个网络的时分复用和多址接人方式，因此星型网的控制和同步都比较简单，通常用在设备薯莨比较少的场合。

图1 星型网如图2所示，网状网是由主器件连接在一起形成的，网状网络拓扑结构的网络具有强大的功能，网络可以通过“多级跳”的方式来通信；该拓扑结构还可以组成极为复杂的网络；网络还具备自组织、自愈功能；图2 网状网星型网和网状网相结合则形成了簇状网，如图3所示。

各个子网内部都以星型网连接。

其主器件又以对等的方式连接在一起。

信息流首先传到同一个子网内的主节点。

通过网关节点达到更高层的子网，随后继续上传，直至到达中心采集设备。

中心采集设备与普通的WPAN 设备相比具有更强的处理能力。

簇状网可以用于覆盖范围较大的区域，图3 簇状网在上述网络拓扑结构中，网络的形成和维护通过设备间的通信自动实现，不需要人32干预网络的建立、扩展或者减小。

ZigBee网络中的所有设备都被动态分配到IEEE地址。

SZ05-ZBEE嵌入式无线通信模块介绍顺舟科技SZ05系列嵌入式无线通信模块，集成了符合ZIGBEE协议标准的射频收发器和微处理器，它具有通讯距离远、抗干扰能力强、组网灵活、性能可靠稳定等优点和特性；可实现点对点、一点对多点、多点对多点之间的设备间数据的透明传输；可组成星型、树型和蜂窝型网状网络结构。

SZ05系列无线通信模块数据接口为TTL电平收发接口。

可以实现数据的广播方式发送、按照目标地址发送模式，除可实现一般的点对点数据通信功能外，还可实现多点之间的数据通讯，串口通信使用方法简单便利，可以大大简短模块的嵌入匹配时间进程。

SZ05系列无线通信模块分为中心协调器、路由器和终端节点，这三类设备具备不同的网络功能，中心协调器是网络的中心节点，负责网络的发起组织、网络维护和管理功能；路由器负责数据的路由中继转发，终端节点只进行本节点数据的发送和接收。

中心协调器、路由器和终端节点这三种类型的设备在硬件结构上完全一致，只是设备嵌入软件不同，只需通过跳线设置或软件配置即可实现不同的设备功能。

表1描述了模块左侧引脚相应标识表1 模块左侧引脚说明表2描述了模块右侧引脚相应标识表Zigbee模块配置SZ05-ZBEE 无线通信模块复位后，CONFIG引脚进入低电平状态3 秒，系统进入配置状态；高电平或悬空状态则进入工作状态。

配置接口是用于对本产品的某些参数进行配置的接口，串口信号为RS232配置如表3所示：表3设备配置选项如下所示：通信信道CHANNEL设置如表4所示。

表4 通信信道参数配置网络类NET_TYPE设置如表5所示。

设备类型NODE_TYPE设置如表6所示。

表6网络号NET_ID设置如表7所示。

表7 网络号参数配置数据发送模式TX_TYPE设置如表8所示。

设备地址MAC_ADDR设置如表9所示。

表9 设备地址参数配置数据类型DATA_TYPE设置如表10所示。

表10数据位表数据校验DATA_PARITY设置如表12所示。

表12 数据校验参数配置串口超时TIME_OUT设置。

数据源地址SRC_ADDR设置如表13所示。

表1316 进制方式输出源地址格式：2 字节源地址+有效数据；ASCII 方式输出源地址格式：4 字节源地址+有效数据。

数据发送格式说明数据发送模式如表14所示。

数据发送帧格式如表15所示。

表15硬件连接图4 Zigbee与Min270之间的硬件连接其中引脚11和10分别连到主板的地和电源；引脚12和13分别连接到主板Extern B1区的TXD和RXD；引脚9和18分别连接到主板Extern B1区的SP1TXD和SP1RXD。

实验步骤1）准备实验环境。

将mini270核心子板插到主板接口槽上，将实验平台上电运行。

2）按照基于《Xscale270 嵌入式Windows CE开发实验与实践》中所讲的将对应驱动ZGB添加到系统映像中。

将此映像烧写到Min270中。

3）将两个Zigbee模块分别插到两个试验箱的Extern B区，打开主板电源，等待Windows CE 系统运行起来。

启动后，将（通过编译应用程序工程得到）通过SD卡拷贝到已经运行了Windows CE 的EduKit-IV实验平台中运行（也可以通过同步软件ActiveSync将程序直接传送到实验平台）。

双击运行，出现如下图界面：图5 Embest_Zigbee应用程序初始界面4）单击上图中的Open按钮，来打开对应串口驱动。

若打开成功出现如图6所示界面。

图6 打开串口驱动成功后的界面5）在单击Configure按钮进入配置界面，如图7所示。

界面左边为默认配置选项，可以改变成自己希望的配置。