北理工_數(shù)據(jù)分析_實(shí)驗(yàn)7_資料檢索

1、(封皮頁)北京理工大學(xué)現(xiàn)代數(shù)據(jù)分析實(shí)驗(yàn)7實(shí)驗(yàn)報(bào)告主講:李明學(xué)生:李經(jīng)2012/11/217(目錄頁)實(shí)驗(yàn)7資料檢索17.1實(shí)驗(yàn)?zāi)康?7.2實(shí)驗(yàn)內(nèi)容17.3說明17.4設(shè)計(jì)方案17.4.1引言17.4.2Zigbee技術(shù)簡介17.4.3ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建57.4.4結(jié)束語7實(shí)驗(yàn)7 資料檢索7.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖煜べY料檢索7.2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容提出一種傳感器網(wǎng)絡(luò)的組成方案,包括硬件組成及軟件架構(gòu)7.3 說明掌握基本的檢索技巧,通過檢索,了解無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本概念,并提出一種傳感器網(wǎng)絡(luò)的組成方案7.4 設(shè)計(jì)方案7.4.1 引言隨著網(wǎng)絡(luò)和通信技術(shù)的發(fā)展,人們對無線通信的要求也越來越高短程低速廉價(jià)

2、的無線通信技術(shù)正成為關(guān)注的焦點(diǎn)目前,一種新的無線通信技術(shù)引起了人們的關(guān)注,這就是所謂的“Zigbee”技術(shù)Zigbee技術(shù)的出現(xiàn),正好滿足了傳感器網(wǎng)絡(luò)低端的面向控制的應(yīng)用簡單的專用標(biāo)準(zhǔn)ZigBee以其高通信效率低復(fù)雜度低功耗低速率低成本高安全性以及全數(shù)字化等諸多優(yōu)點(diǎn),使其和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)完美地結(jié)合在一起目前,基于ZigBee技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究和開發(fā)已得到越來越多的關(guān)注7.4.2 Zigbee技術(shù)簡介ZigBee技術(shù)是HomeRF的一個(gè)分支,是一種近距離低復(fù)雜度低功耗低數(shù)據(jù)速率低成本的雙向無線通信技術(shù)或無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù),同時(shí)又是一組基于IEEE的802.15.4無線標(biāo)準(zhǔn)研制開發(fā)的有關(guān)組網(wǎng)安全

3、和應(yīng)用軟件方面的技術(shù),適合于承載數(shù)據(jù)流量較小的業(yè)務(wù),并可方便地嵌入各種設(shè)備中,同時(shí)支持地理定位功能其目標(biāo)市場是工業(yè)家庭以及醫(yī)學(xué)等需要低功耗低成本的無線通信應(yīng)用相對于現(xiàn)有的各種無線通信技術(shù),ZigBee技術(shù)是最低功耗和成本的技術(shù)其依賴的IEEE802.15.4規(guī)范也是一種經(jīng)濟(jì)高效低數(shù)據(jù)速率(<250kbps)可工作在2.4GHz和868/92MHz的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)它的網(wǎng)絡(luò)層以上協(xié)議由ZigBee聯(lián)盟制定,IEEE802.15.4負(fù)責(zé)物理層和鏈路層標(biāo)準(zhǔn)一個(gè)完整的ZigBee協(xié)議套件由高層應(yīng)用規(guī)范應(yīng)用會聚層網(wǎng)絡(luò)層以及數(shù)據(jù)鏈路層和物理層組成7.4.2.1 ZigBee協(xié)議隨著無線網(wǎng)絡(luò)通信新技術(shù)日新

4、月異的發(fā)展,至2001年8月,支持ZigBee的主要公司(如飛利浦三菱摩托羅拉和Invensys等)組成了一個(gè)非營利性質(zhì)的聯(lián)盟ZigBee聯(lián)盟,該聯(lián)盟旨在推動ZigBee技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)用目前已有大約25家成員企業(yè),其中包括一些主要的半導(dǎo)體生產(chǎn)商IP業(yè)務(wù)提供商及原始設(shè)備制造商(OEM)等該組織的主要目標(biāo)是提供從網(wǎng)絡(luò)層到應(yīng)用層的上層協(xié)議堆棧它的網(wǎng)絡(luò)層以上協(xié)議由ZigBee聯(lián)盟制定,其中IEEE802.15.4負(fù)責(zé)物理層和鏈路層標(biāo)準(zhǔn)在一個(gè)由高層應(yīng)用規(guī)范應(yīng)用會聚層網(wǎng)絡(luò)層以及數(shù)據(jù)鏈路層和物理層組成的完整的ZigBee協(xié)議套件中,其物理層MAC層數(shù)據(jù)鏈路層以及傳輸過程中的資料加密機(jī)制等均由IEEE所

5、主導(dǎo)ZigBee的協(xié)議棧結(jié)構(gòu)如圖1所示(1)物理層由于使用的2.4GHz915MHz和868MHz頻段是免費(fèi)開放的,故已有多種無線通信技術(shù)使用為避免被干擾,ZigBee在各個(gè)頻段皆采用直接序列展頻(DSSS,DirectSequenceSpreadSpectrum)技術(shù),以化整為零方式將一個(gè)信號分為多個(gè)信號,再經(jīng)由編碼方式傳送信號以避免干擾,這對大部分較低端的實(shí)現(xiàn)來說,直接序列展頻技術(shù)的應(yīng)用可使模擬電路變得簡單,并具有更高的容錯(cuò)性能(2)MAC層MAC層即媒體接入控制層,應(yīng)遵循IEEE802.15.4協(xié)議,負(fù)責(zé)設(shè)備間無線數(shù)據(jù)鏈路的建立維護(hù)和結(jié)束,并可確認(rèn)模式數(shù)據(jù)的傳送和接收,同時(shí)支持各種網(wǎng)絡(luò)拓

6、撲結(jié)構(gòu)IEEE802系列標(biāo)準(zhǔn)把數(shù)據(jù)鏈路層分為媒質(zhì)接入層MAC(Me-diaAccessControl)和邏輯鏈路控制層LLC(Logi-calLinkControl)兩種IEEE802.15.4在媒體存取控制(MAC)層方面主要沿用的是無線局域網(wǎng)(WLAN)中IEEE802.11系列標(biāo)準(zhǔn)的CSMA/CA方式,以提高系統(tǒng)兼容性(3)網(wǎng)絡(luò)層網(wǎng)絡(luò)層的主要功能是提供IEEE802.15.4-MAC子層的正確操作,并通過SAP(服務(wù)接入點(diǎn))為應(yīng)用層提供適當(dāng)?shù)姆?wù)接口為了與應(yīng)用層進(jìn)行接口,網(wǎng)絡(luò)層從概念上包含有兩種具備所需功能的服務(wù)實(shí)體其中數(shù)據(jù)實(shí)體(NLDE)主要通過其相應(yīng)的SAP(即NLDE-SAP)來提

7、供數(shù)據(jù)傳輸服務(wù);而管理實(shí)體(NLME)則主要通過NLME-SAP來提供訪問內(nèi)部層參數(shù)配置和管理數(shù)據(jù)的機(jī)制(4)應(yīng)用層應(yīng)用層主要有3個(gè)部分:與網(wǎng)絡(luò)層連接的APS(ApplicationSupport)ZDO(ZigBeeDeviceOb-ject)以及裝置應(yīng)用ProfileZigBee的應(yīng)用層架構(gòu),最重要的是已涵蓋了服務(wù)(Service)的觀念,所謂的服務(wù),簡單來看就是功能對于ZigBee裝置而言,當(dāng)加入到一個(gè)WPAN后,應(yīng)用層的ZDO會發(fā)動一系列初始化的動作首先通過APS做裝置搜尋(DeviceDiscovery)以及服務(wù)搜尋(ServiceDiscovery),然后根據(jù)事先定義好的描述信息(

8、Description)將與自己相關(guān)的裝置或是服務(wù)記錄在APS里的綁定表(BindingTable)中,之后,所有服務(wù)的使用都要通過這個(gè)綁定表來查詢裝置的資料或行規(guī)而裝置應(yīng)用Profile則是根據(jù)不同的產(chǎn)品設(shè)計(jì)出不同的描述信息(Description)以及ZigBee各層協(xié)議的參數(shù)7.4.2.2 IEEE802.15.4/ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)功能是ZigBee最重要的特點(diǎn),也是與其它無線局域網(wǎng)(WPAN)標(biāo)準(zhǔn)不同的地方在網(wǎng)絡(luò)層方面,ZigBee的主要工作在于負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)機(jī)制的建立與管理,并具有自我組態(tài)與自我修復(fù)功能在組建無線網(wǎng)絡(luò)中ZigBee定義了3種角色:第一個(gè)是網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)者,負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的建

9、立以及網(wǎng)絡(luò)位置的分配;第二個(gè)是路由器,主要負(fù)責(zé)找尋建立以及修復(fù)信息包的路由路徑,并負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)送信息包;第三個(gè)是末端裝置,該裝置只能選擇加入他人已經(jīng)形成的網(wǎng)絡(luò),它可以收發(fā)信息,但不能轉(zhuǎn)發(fā)信息,也不具備路由功能此外,為了降低系統(tǒng)成本,IEEE還定義了兩種類型的裝置:全功能裝置(FFD)和簡化功能裝置(RFD),可用于構(gòu)成多種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在組網(wǎng)方式上,ZigBee主要采用圖2所示的3種組網(wǎng)方式一種為星型網(wǎng),為主從結(jié)構(gòu),通常一個(gè)網(wǎng)絡(luò)有一個(gè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)者和最多可達(dá)65535個(gè)從屬裝置,而網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)者必須是FFD,由它來負(fù)責(zé)管理和維護(hù)網(wǎng)絡(luò);另一種為簇狀形網(wǎng),可以是擴(kuò)展的單個(gè)星型網(wǎng)或互聯(lián)兩個(gè)星型網(wǎng)絡(luò);再有一種為網(wǎng)狀網(wǎng)

10、,網(wǎng)絡(luò)中的每一個(gè)FFD可同時(shí)作為路由器,并可根據(jù)ADhoc網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議來優(yōu)化最短和最可靠的路徑網(wǎng)絡(luò)功能是ZigBee最重要的特點(diǎn),也是與其它無線局域網(wǎng)(WPAN)標(biāo)準(zhǔn)不同的地方在網(wǎng)絡(luò)層方面,ZigBee的主要工作在于負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)機(jī)制的建立與管理,并具有自我組態(tài)與自我修復(fù)功能在組建無線網(wǎng)絡(luò)中ZigBee定義了3種角色:第一個(gè)是網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)者,負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的建立以及網(wǎng)絡(luò)位置的分配;第二個(gè)是路由器,主要負(fù)責(zé)找尋建立以及修復(fù)信息包的路由路徑,并負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)送信息包;第三個(gè)是末端裝置,該裝置只能選擇加入他人已經(jīng)形成的網(wǎng)絡(luò),它可以收發(fā)信息,但不能轉(zhuǎn)發(fā)信息,也不具備路由功能此外,為了降低系統(tǒng)成本,IEEE還定義了兩種類型的裝

11、置:全功能裝置(FFD)和簡化功能裝置(RFD),可用于構(gòu)成多種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在組網(wǎng)方式上,ZigBee主要采用圖2所示的3種組網(wǎng)方式一種為星型網(wǎng),為主從結(jié)構(gòu),通常一個(gè)網(wǎng)絡(luò)有一個(gè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)者和最多可達(dá)65535個(gè)從屬裝置,而網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)者必須是FFD,由它來負(fù)責(zé)管理和維護(hù)網(wǎng)絡(luò);另一種為簇狀形網(wǎng),可以是擴(kuò)展的單個(gè)星型網(wǎng)或互聯(lián)兩個(gè)星型網(wǎng)絡(luò);再有一種為網(wǎng)狀網(wǎng),網(wǎng)絡(luò)中的每一個(gè)FFD可同時(shí)作為路由器,并可根據(jù)ADhoc網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議來優(yōu)化最短和最可靠的路徑(1)星型網(wǎng)星型網(wǎng)絡(luò)以網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器為中心,所有設(shè)備只能與網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器進(jìn)行通信,因此,星型網(wǎng)絡(luò)形成過程的第一步就是建立網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器任何一個(gè)FFD設(shè)備都有成為網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的

12、可能,一個(gè)網(wǎng)絡(luò)如何確定自己的網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器由上層協(xié)議決定一種簡單的策略是:當(dāng)一個(gè)FFD設(shè)備在第一次被激活后,首先廣播查詢網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的請求,如果接收到回應(yīng),就說明網(wǎng)絡(luò)中己經(jīng)存在網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器,這樣,再通過一系列認(rèn)證過程,該設(shè)備就可成為了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的普通設(shè)備而如果沒有收到回應(yīng),或者認(rèn)證過程不成功,那么,這個(gè)FFD設(shè)備就應(yīng)建立自己的網(wǎng)絡(luò),并成為這個(gè)網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器(2)網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)中的任意兩個(gè)設(shè)備只要能夠彼此收到對方的信號,就可以進(jìn)行直接通信,而不需要其他設(shè)備的轉(zhuǎn)發(fā)但在點(diǎn)對點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)中,仍然需要一個(gè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器不過,該協(xié)調(diào)器的功能不再是為其他設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù),而是完成設(shè)備注冊和訪問控制等基本的網(wǎng)絡(luò)管理功能網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)

13、器的產(chǎn)生同樣要由上層協(xié)議規(guī)定,實(shí)際操作時(shí),可以把某個(gè)信道上第一個(gè)開始通信的設(shè)備作為該信道上的網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器(3)簇樹網(wǎng)絡(luò)簇樹網(wǎng)絡(luò)也可以看作是特殊的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)在簇樹網(wǎng)絡(luò)中,絕大多數(shù)設(shè)備都是FFD設(shè)備,而RFD設(shè)備總是作為簇樹的葉子設(shè)備連接到網(wǎng)絡(luò)中,任意一個(gè)FFD都可以充當(dāng)RFD協(xié)調(diào)器或者網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器,來為其它設(shè)備提供同步信息在這些協(xié)調(diào)器中,只有一個(gè)可以充當(dāng)整個(gè)簇樹網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器首先要將自己設(shè)置為簇頭(clusterheadCH),并將簇標(biāo)識符(clusteridentifier,CID)設(shè)置為0,同時(shí)為該簇選擇一個(gè)未被使用的PAN網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識符,以形成網(wǎng)絡(luò)中的第一個(gè)簇接著,網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器開始廣播信標(biāo)幀鄰

14、近設(shè)備收到信標(biāo)幀后,就可以申請加入該簇可否成為簇成員,可由網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器決定如果請求被允許,則該設(shè)備將作為簇的子設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的鄰居列表新加入的設(shè)備會將簇頭作為它的父設(shè)備加入到自己的鄰居列表中7.4.3 ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建7.4.3.1 無線網(wǎng)絡(luò)的硬件結(jié)構(gòu)整個(gè)ZigBee系統(tǒng)主要由傳感器節(jié)點(diǎn)路由器和網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器來構(gòu)成混合網(wǎng)絡(luò)其結(jié)構(gòu)如圖3所示當(dāng)傳感器節(jié)點(diǎn)采集到信息后,經(jīng)路由器按照一定的路由協(xié)議傳輸給協(xié)調(diào)器,最終由協(xié)調(diào)器把數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇C機(jī)上進(jìn)行處理本設(shè)計(jì)中的路由器與網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器均采用Jennic公司的JN5121芯片,JN5121這種主控芯片內(nèi)部集成有4路12位ADC2路11位DAC比較

15、器2個(gè)應(yīng)用計(jì)時(shí)器以及2個(gè)UART等,因此,在開發(fā)過程中,需要添加的外圍硬件電路較少,并可顯著減少開發(fā)的工作量JENNIC公司的JN5121是一種全集成單芯片ZigBee解決方案通過單個(gè)JN5121芯片即可構(gòu)成標(biāo)準(zhǔn)的ZigBee終端產(chǎn)品JN5121的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4所示該設(shè)備集成了32位RISC核心以及完全兼容2.4GHzIEEE802.15.4收發(fā)器,同時(shí)集成有64kBROM和96kBRAM,可為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)提供低成本的解決方案一般來說,ROM集成有點(diǎn)對點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧,而RAM則支持路由和控制器功能,這些特性使得應(yīng)用系統(tǒng)無需配備附加的儲存JN5121的使用可使硬件MAC和高度安全的AES加密加

16、速器具有低功耗功能,同時(shí)可保證處理器的最小工作負(fù)荷集成的休眠振蕩器和節(jié)電功能也可以保證整個(gè)系統(tǒng)的低功耗此外,該設(shè)備還提供了豐富的開關(guān)量和模擬量接口而JENNIC提供的硬件電路符合IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)議棧軟件,可實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的PHY/MAC層功能,完全符合研究組網(wǎng)方式和路由算法的需求7.4.3.2 無線網(wǎng)絡(luò)的軟件系統(tǒng)圖5所示是節(jié)點(diǎn)的組網(wǎng)流程下面結(jié)合流程圖詳細(xì)闡述其組網(wǎng)過程首先,當(dāng)一個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)形成之后,節(jié)點(diǎn)一般處于休眠狀態(tài)而當(dāng)某個(gè)節(jié)點(diǎn)在一個(gè)隨機(jī)時(shí)間醒來或被某事件喚醒后,其第一個(gè)步驟就是搜索其通信范圍內(nèi)已存在的網(wǎng)絡(luò)如果找到網(wǎng)絡(luò),本節(jié)點(diǎn)將根據(jù)所獲得的網(wǎng)絡(luò)信息選定一個(gè)父節(jié)點(diǎn)并提出入網(wǎng)申

17、請,同時(shí)等待父節(jié)點(diǎn)的請求響應(yīng)此時(shí)如果沒有找到任何網(wǎng)絡(luò),節(jié)點(diǎn)將申明自己為PAN網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器并建立網(wǎng)絡(luò),并作為父節(jié)點(diǎn)接收入網(wǎng)申請當(dāng)父節(jié)點(diǎn)收到一個(gè)入網(wǎng)申請后,將根據(jù)請求信息作出是否允許加入網(wǎng)絡(luò)的判斷,若允許加入,父節(jié)點(diǎn)將發(fā)出請求響應(yīng)并告知子節(jié)點(diǎn)子節(jié)點(diǎn)收到請求響應(yīng)后,將獲得父節(jié)點(diǎn)分配給它的一個(gè)網(wǎng)絡(luò)地址(也稱為短地址)作為在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)唯一的身份標(biāo)識至此,節(jié)點(diǎn)將成功加入網(wǎng)絡(luò)加入網(wǎng)絡(luò)后,節(jié)點(diǎn)將作為協(xié)調(diào)器廣播信標(biāo)幀,同時(shí)接受新節(jié)點(diǎn)的入網(wǎng)請求這樣,通過一級一級的短地址分配,傳感區(qū)域內(nèi)的所有節(jié)點(diǎn)將組成簇樹的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)根據(jù)上述分析可知,簇樹結(jié)構(gòu)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點(diǎn)均為FFD任何一個(gè)節(jié)點(diǎn)都有建立網(wǎng)絡(luò)的能力,建立網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)即PAN網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器對應(yīng)著無線