毕业设计（论文）基于ZigBee的无线温度传感器网络的设计

1、 西南科技大学城市学院本科生毕业论文 基于zigbee的无线温度传感器网络的设计 摘要：本文提出了一种基于zigbee技术的用于测量温度的无线传感器网络的 设计方案。该网络由一个协调器充当中心节点和一个传感器节点充当从节点 组成。协调器负责向终端节点查询温度信息，从节点负责将温度传感器所采 集到的信息反馈给协调器，从而达到对一块区域进行温度监控的目的。该方 案利用片内温度传感器检测环境温度、从节点温度数据的发送、主节点对温度数据 的接收及上传给上位机显示。随着计算机网络和通讯技术的不断进步，新的理 论、标准和技术层出不穷，使得 网络变得无处不在，它和我们的生活也越 来越密切，它使人们解除电缆的

2、束缚。而在众多的无线网络技术中，基于 zigbee的无线网络技术以低功耗，低成本，低复杂度等特点受到越来越多企 业和个人的青睐。 zigbee技术特别适合于数据吞吐量小、网络建设投资少、 网络安全要求较高、不便频繁更换电池或充电的场合。预计将在消费类电子 设备、家庭智能化、工控、医用设备控制、农业自动化等领域获得广泛应用。 关键词： zigbee; 无线传感器 ; 温度 ; cc2430 无线芯片 西南科技大学城市学院本科生毕业论文 i based on zigbee wireless temperature sensor network design abstract: this paper

3、 puts forward a method based on zigbee technology used to measure -ing temperature of wireless sensor network design. the network is a tuner acts as center nodes and a sensor node acts as from node component. responsible to end nodes and tuner, from node temperature information query is also respons

4、ible for temperature sensor collected by the feedback and tuner to a region, so as to achieve the purpose of temperature monitoring. the scheme using slice of temperature sensor test environment temperature, temperature data sent from node to node temperature data, lord of receiving and to pc dis -p

5、lay. along with the computer networking and communication technology advances, the new theory, standards and technical emerge in endlessly, the internet becomes ubiquitous, it and our life also more and more close, it makes people lifted cable bondage. and in numerous wireless network technology, an

6、d based on the zigbee wireless network tech -nology with low power consumption, low cost, low complexity, etc by more and more enterprises and individuals favor. zigbee technology particularly suitable for small data throughput, network construction less investment, network security the demand is hi

7、gher, inconvenience frequent change batteries or charging occasion. is expected on consumer electronic equipment, household intelligent, industrial, medical equipments control, agri -cultural automation fields of application. keywords: zigbee, wireless sensor, the temperature, cc2430 wireless chip 西

8、南科技大学城市学院本科生毕业论文 ii 目 录 第一章 绪 论.1 1.1 选题背景及意义1 1.2 zigbee技术的发展概况3 1.3 无线传感器网络的发展概况4 1.3.1 国内外研究现状4 1.4 zigbee的应用及特点6 1.5 课题研究的主要内容及目的6 第二章 zigbee 技术的概述.8 2.1 zigbee网络的构成8 2.2 几种短距离无线通信技术比较8 2.3 zigbee协议的概念12 2.4 zigbee协议架构12 2.4.1 总体架构12 2.4.2 物理层主要功能13 2.4.3 mac 层主要功能14 2.4.4 网络层主要功能15 2.4.5 应用层主要功

9、能15 2.5 zigbee堆栈15 2.6 zigbee堆栈容量和 zigbee设备16 2.7 zigbee通信的优势17 2.8 zigbee技术应用前景及场合17 第三章 无线传感器网络及温度传感器的概述.19 3.1 无线传感器网络的概述19 3.1.1 无线传感器网络的简介19 3.1.2 无线传感器网络的特点19 3.1.3 无线传感器网络的性能评价20 3.2 无线传感器网络的主要研究方向21 3.2.1 新型智能传感器关键技术和传感系统21 3.2.2 传感器网络的网络协议研究22 西南科技大学城市学院本科生毕业论文 iii 3.3 温度传感器的简介24 3.4 温度传感器的

10、发展趋势24 3.5 无线温度传感器的基本原理25 第四章 系统的软硬件设计.26 4.1 cc2430 无线芯片简介26 4.2 cc2430 芯片主要特点28 4.3 无线通信模块30 4.3.1 主协调器设计31 4.3.2 传感器节点设计32 4.4 系统的实现方案32 4.5 系统软件设计34 4.5.1 iar 开发环境的介绍34 4.5.2 软件模块介绍35 4.5.3 z-stack 协议栈36 4.6 程序代码的实现37 4.6.1 从节点检测环境温度37 4.6.2 从节点温度数据的发送38 4.6.3 主节点对温度数据的接收38 4.6.4 主节点将温度数据上传给 pc

11、机38 4.7 实现的主要操作步骤:40 结 论.41 致 谢.42 参考文献.43 附 录.45 西南科技大学城市学院本科生毕业论文 0 第一章 绪 论 无线传感器网络 (wsn)是一种特殊的ad-hoc 网络 ,是由部署在监测区 域内大量的微型传感器节点组成, 无线传感器网络节点可随机或特定地布 置在目标环境中，它们之间通信通过特定的协议自组织起来，能够获取周围 环境的信息并且相互协同工作完成特定任务。它可应用于布线和电源供给困 难或人员不能到达的区域以及一些临时场合等。无线传感器网络所采用的协 议取决于网络具体的应用范围。其中zigbee 协议具有功耗低、成本低、 网络容量大、可靠、安全

12、等特点,是无线传感器网络的最佳之选。本文设计 一种基于 zigbee 协议的温度传感器网络，可用于矿井下环境温度检测, 系统小，可随身携带，实时监测矿工周围温度，彻底消除有线系统探头固定， 探测范围有限的缺点。无线传感器网络应用广泛,能够广泛应用于工业、 环境监测和预报、大型车间和仓库管理等领域。该系统只需要在被测地点放 置一个温传感器节点, 就可以快速形成网络。为了检验该无线温度传感器的 性能 , 将温度传感器节点置于高精度的温度试验箱中, 试验箱的温度精度 为0.l。通过测量试验 ,实际测量数据与标准数据误差较小, 满足使用要 求。测量值与实际值之间的误差主要是传感器自身测量误差,网络传输

13、过 程中几乎不会引入误差。 1.1 选题背景及意义 随着传感器技术、嵌入式技术以及通信和半导体技术的飞速发展，已经由 pc时代和网络时代，进入后pc时代。更小、更方便的低功耗计算设备冲破 了传统台式计算机和高性能服务器的设计模式微机电系统的迅速发展 (mems)迅速发展奠定了设计和实现片上系统(system on chip，soc)基础。 传感器网络就是上述技术高度集成而形成的新信息获取及处理技术的一种。 目前无线传感器网络已成为计算机科学领域一个活跃的研究分支，已经引起 学术界和工业界的高度重视，被认为是将对2l世纪产生巨大影响力的技术 之一。 无线传感器网络是由大量无处不在的、具有通信与计

14、算能力的微小传感 器节点，密集布设在无人值守的监控区域，构成的能够根据环境自主完成制 西南科技大学城市学院本科生毕业论文 1 定任务的 “智能 ”自治测控网络系统。如果说因特网改变了人与人之间交流、 沟通的方式，那么，wsns 则将逻辑上的信息世界与真实物理世界融合在 一起，将改变人与自然交互的方式。为此，mit 技术评论在预测未来技术 发展的报告中，将其列为改变世界的十大新兴技术之一。传统有线网络，在 实际应用中因为布线不便、安装繁琐、管理复杂等种种弊端给用户带来了诸 多的不便。为了摆脱线路束缚、提高网络的灵活性与便携性，将无线网络取 代有线的网络成为不错的选择。无线网络可以实现这一目标，特

15、别对于短距 离室内环境来说，无线足以覆盖整个房屋，可以达到非常好的效果。无线网 络的最大特点就是布网和建网灵活，考虑到工程实施，其整体成本有着非常 好的竞争优势。围绕无线个域网这一应用场景，先后出现了红外技术、家用 射频技术、蓝牙技术、超宽带技术和zigbee 技术等。近几年， zigbee 技术脱颖而出，成为争相研究的焦点。 新一代的无线传感器网络将采用802.15.4 (zigbee)协议。 zigbee 是 一种供廉价的固定、便携或移动设备使用的极低复杂度、成本和功耗的低速 率无线连接技术，主要适合于自动控制和远程控制领域，可以嵌入在各种设 备中，同时支持地理定位功能。zigbee 技术

16、弥补了低成本、低功耗和低速 率无线通信市场的空缺，其成功的关键在于丰富而便捷的应用。与传统的系 统体系不同，基于无线网络的监控系统具有鲜明的特点和优势：高度的灵活 性、便捷性、移动性、低成本等，因此无线测控应用已广泛成功应用在智能 建筑、军事领域、工业自动化、医疗设备、智能家居及各种监察系统等，丰 富的经验积累为无线网络构建室内温度监控系统提供了强有力的支持。 无线传感器的应用前景十分诱人。传统应用有军事、监控、应急、环境 监测、防空等领域，新兴应用将涉及家用、企业管理、保健、交通等领域。 可以预计，将来无线传感器网路将无处不在。但现在无线传感器网络才刚刚 兴起 ，它的技术和应用都还不十分成熟

17、，其终端要达到希望的要求还会有很 长的一段发展历程。目前，无线传感器网络的希望和要求主要集中在尽量节 省的系统能量消耗、尽量节省的信息处理以及简易的信号收发。对于无线传 感器网络的网络协议的期待是：用简洁的协议栈支持无线传感器网络的有效 运行，到处存在接入的可能；利用广播信息，避免交互应答；简化的协议层 次、简练的信令方式；节省的系统开销等。正是基于无线传感器网络终端的 西南科技大学城市学院本科生毕业论文 2 要求， zigbee协议应运而生。 zigbee协议专用于无线传感器网络的通信协 议，能最大可能的节省网络中能量，可以随时接入大量节点，高容错性，强 鲁棒性，逐渐成为了无线传感网络的首选

18、协议。 1.2 zigbee 技术的发展概况 zigbee 是 ieee 802.15.4 协议的代名词。根据这个协议规定的技术是一 种短距离、低功耗的无线通信技术。这一名称来源于蜜蜂的八字舞，由于蜜 蜂(bee)是靠飞翔和 “嗡嗡 ”(zig)地抖动翅膀的 “舞蹈 ”来与同伴传递花粉所在 方位信息，也就是说蜜蜂依靠这样的方式构成了群体中的通信网络。其特点 是近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低数据速率、低成本。主要适合用 于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备。简而言之，zigbee 就 是一种便宜的，低功耗的近距离无线组网通讯技术。 zigbee标准的制定不是用来与蓝牙及其它已经存在的

19、标准竞争的，它的 出发点是希望能够实现一种易布建的低成本无线网络。在产品发展初期，以 工业或企业市场的感应式网络为主，提供感应辨识、灯光和安全控制等功能， 慢慢地逐渐将市场拓展至家庭应用领域。通常zigbee技术适用的场合主要 有：要求设备成本低，数据传输量少的应用；要求设备体积小、功耗低，长 时间无需更换电池的场合：需要大范围的通信覆盖，网络中设备非常多的远 程监控中。 由于 zigbee标准还制定了能使不同制造商之间共享网络资源的应用框架， 其露标定位在现存的系统还不能满足产品需求于特定的市场，有着广阔的应 用前景。其应用领域主要包括以下几个方面：家庭和楼字网络中涉及到的空 调温度的监控、

20、照明设备的自动控制、电表和水表的计量控制、窗帘的自动 控制、家用电器的远程控制等；工业控制中涉及到的各种监控器、传感器的 自动化控制等；商业领域的智能标签等；公共场所的烟雾探测器等；农业控 制上收集各种土壤信息和气候信息等；以及老人与行动不便者的紧急呼器唾 器和医疗传感器等等。无论学术界还是实业界，人们看重zigbee还有更 重要的一点 . 1.3 无线传感器网络的发展概况 无线传感器网络 (wirelesssensornetw0rk，wsn)是一种特殊的 ad一 西南科技大学城市学院本科生毕业论文 3 hoc网络，是由许多无线传感器节点协同组织起来的，这些微型节点具有无线 通讯、数据采集和协

21、同合作能力，可以应用于布线和电源供给困难或人员不 能到达的区域 (如受到污染、环境不能被破坏或敌对区域)和一些临时场合 等。无线传感器网络节点可以随机或特定地布置在目标环境中，它们之间通 讯通过特定的协议自组织起来，能够获取周围环境的信息并且相互协同工作 完成特定任务。在军事、国防、工农业、城市管理、生物医疗、环境监测、 抢险救灾、防恐反恐、危险区域远程控制等许多重要领域都有潜在的使用价 值，具有十分广阔的应用前景。开发无线传感器网络所采用的协议取决于网 络具体的应用范围。zigbee协议是为家庭控制、安全系统、建筑自动化等 方面设计的传感器网络协议。本文将会分析zigbee协议的结构并基于

22、zigbee协议实现一种温度传感器网络。 20世纪 90年代末问世的无线传感器网络正在以人们难以预测的速度迅猛 发展，国际上一些重要机构预测其为改变世界的新事物。与无线传感器网络 有关的各种新技术及无线传感器网络在军、民各个领域的应用研究工作已经 在发达国家轰轰烈烈地展开，大有引发一场新技术革命的势头。无线传感器 网络是从民用领域发展起来的，它由数量巨大的传感器节点组成，这些节点 密集部署在所要观测或监视的对象的内部或者非常靠近这种对象的地方。由 于传感器网络具有许多其它网络所没有的特征，其应用范围已经深入到了人 类社会的每一个角落，从收集家庭、建筑物、船舶、交通运输系统、工业自 动化系统内部

23、及其周围环境的信息并实施监控的民用/商用应用领域，一 直到数字化战场全谱战斗空间的监视、检测与跟踪等军事作战领域。 1.3.1 国内外研究现状 传感器网络系统是当今前沿性的热点研究方向之一，有着巨大的科学意 义和应用前景，被认为是将对21世纪产生巨大影响力的高技术之一。 2003年2月份的美国 技术评论 杂志评选出对人类未来生活产生深远影响 的十大新兴技术，传感器网络即被列为第一。美国商业周刊 在2003 年8月的技术评论中，已经将传感器网络定位成21世纪高新技术领域的四 大支柱型产业之一，其潜在的市场需求十分巨大引起了世界各国学术界、军 事部门和工业界的极大关注。美国自然科学基金委员会200

24、3年制定了传 感器网络研究计划，投资3400万美元支持相关基础理论的研究。美国国防 西南科技大学城市学院本科生毕业论文 4 部和各军事部门也对传感器网络给予了高度重视，在c4isr的基础上提出 了c4kisr计划，把传感器网络作为一个重要研究领域。该计划将各类武器平 台，即 “射手 ”的杀伤、摧毁能力加入了系统c4isr。这样，地 (海)面、空 中和太空的各种传感器、指挥控制中心和武器平台，就通过信息网络集成为 一体化的系统，从而大大提高了反应速度，实现了从传感器到射手的无缝链 接。美国英特尔公司提出了“智能灰尘 ”的概念，“智能灰尘 ”设备是微小的 无线式微型机电组件传感器(mems)，它能

25、探测从光线到震动的任何东西。 由于硅和制造技术的最新突破，这些“无线遥感收发信机 ”终将能做成沙 粒大小，而每个里面包含了传感器、计算电路、双向无线通信技术和电源。 它们收集大量的数据，进行计算，并在相距1000英尺的无线遥感收发信机 之间利用双向无线电交流信息。 信息工业界巨头如微软公司等也开始了传感器网络方面的工作，纷纷设 立或启动相应的行动计划。欧盟2002年开始实施为期三年的eyes(自组 织和协作有效能量的传感器网络)计划。 2004年3月，日本总务省成立“泛 在传感器网络 (ubiqultoussenso:network)”调查研究会。国外的一些著名大 学，如加州大学洛杉矶分校、康

26、奈尔大学、麻省理工学院和加州大学伯克利 分校等也先后开展了传感器网络方面的研究工作。加州大学洛杉矶分校在生 态监控方面研究了小气候传感器和视频传感器网络技术，在地震监控和响应 结构方面研究了数据通信控制器和网络时间同步、传感器可靠部署、宽带震 网络、结构检测的无线地震监控网络。加州大学伯克利分校实施了 wins项目，项目包括 nest(网络嵌入系统技术 )，为网络嵌入系统开发了 一系列的软硬件实验平台，包括在小型传感器器上运行的tinyos操作系 统， tossim模拟器，数据查询系统tinydb，以及在 tiny os上运行的编 译器 nesc，用于传感器网络的定位系统calamari，链路

27、层加密算法 tinysec;还包括 sensorwebs、smartnust、pieoradio等部分。麻省理工学 院研究了传感器网络的数据流管理系统集成框架，查询优化技术，网络节约 能量的拥塞控制等，中间件技术比如定位、追踪和联网等，大型传感器网络 可扩展算法，还研究了传感器网和移动装置网的分布算法，这些研究获得了 nsf、darpa和空军太空实验室的支持。在国内传感器网络系统方面的研究 起步较晚，近两年才受到广泛关注。“传感器网络系统的基础软件及数据管 西南科技大学城市学院本科生毕业论文 5 理关键技术的研究 ”己被列为国家自然科学基金委员会信息科学部与微软亚 洲研究院正式签署的第二期联合

28、资助项目之一，国家“十五 ”科技攻关项 目把传感器网络列为重大研究项目。对传感器网络系统信息获取与处理相关 技术的研究，符合国家的整体科技发展计划，对国防科学技术和国家经济建 设具有重要的战略意义。在国防技术方面，传感器网络信息获取与处理系统 可以将大量地理上分散的战区传感器、指挥控制中心、主战武器平台以及处 于动态移动的目标等联系起来，从而提高综合战斗能力和预防能力。在民用 方面，在环境监测、生态保护、交通、工业控制等方面，传感器网络可以为 我们及时准确的提供全方位的监测手段和监测信息。 1.4 zigbee 的应用及特点 zigbee技术首次提供了一个从理论走向现实的技术平台。zigbee

29、标 准的普及，可以说是计算技术第四次浪潮的第一波。随着微电子技术、计算 枧技术的不断发展进步，微处理芯片的组网功能会进一步加强，使褥智能传 感器与无线通信网络的结合将会变的更加容易。应用高性能的嵌入式处理器 可以使信息网络的功能越来越强，相信在不久的将来，我们周围的生活环境 将是无所不在的网络。根据这个协议规定的技术是一种短距离、低功耗的无 线通信技术。简而言之，zigbee就是一种便宜的，低功耗的近距离无线组 网通讯技术。 主要具有以下几个方面的特点： （1）低功耗 （2）低成本 （3）低速率 （4）近距离 （5）短时延 （6）高容量 （7）高安全 （8）免执照频段 1.5 课题研究的主要内

30、容及目的 环境条件中的温度指标是许多工业场合的重要参数, 研制可靠且实用 的温度监测系统显得非常重要。通常, 采用有线网络实现温度监测,具有 布线麻烦、设备随意移动性不强等缺点。随着射频技术、集成电路技术的发 展, 无线通信功能的实现越来越容易, 数据传输速率也越来越快, 并且逐 渐达到可以与有线网络相媲美的水平。本文提出的基于zigbee 技术的无 线温度监测的方案 , 不必铺设电缆 , 可以节省费用和时间。而且, 改变温 西南科技大学城市学院本科生毕业论文 6 度传感器节点测量位置和增加或减少传感器节点数目都非常方便。设计应用 于温度的无线传感器网络在需要测量的部位放置传感器节点, 由监测

31、中 心对网络采集的数据统一管理和分析。该无线传感器网络具有快速展开、稳 定可靠、可维护性好等特点。 西南科技大学城市学院本科生毕业论文 7 第二章 zigbee 技术的概述 2.1 zigbee 网络的构成 zigbee网络层支持三种网络拓扑结构，分别为：星状网络拓扑、树状网络拓扑 以及网状网络拓扑结构。在星状网络中，网络主要由zigbee协调器控制，它主要负 责网络中设备的初始化和维护工作。星状网中的其他设备叫做终端设备，直接和协 调器进行通信。在树状和网状网络中，zigbee协调器主要负责形成网络和选择网络 主要参数，然后通过路由节点扩张网络。在树状网络中，路由节点使用等级路由机 制进行数

32、据的传输和控制信息，树状网络可以使用信标使能的通信。网状网络允许 全对等通信，但是网状网络中的路由节点发送的不是标准信标帧。但是从功能上主 要分为星状网络拓扑结构和对等网络拓扑结构两种类型。其中树状网络和网状网络 同属于对等网络拓扑结构。下面分别对这两种网络拓扑结构进行介绍。在介绍具体 网络拓扑结构之前先介绍两个概念：全功能设备(full functiondevice，ffd)和精简 功能设备(reduced fun ction device，rfd)。ffd的特点有：支持任何网络拓扑结构、 可以成为网络协调器或路由器、可以充当网络中的任何设备以及能和任何设备通信； rfd的特点有：不能成为网

33、络协调器、不能有子节点、只能和自己的父节点通信。 2.2 几种短距离无线通信技术比较 目前，短距离无线通信技术，除zigbee技术外，还存在许多其他技术，它们各 有各的特色，下文将zigbee技术与这些相关技术作简单的分析比较，可以更好的了 解它们各自的技术性能和应用领域。这些技术分别是红外、家庭无线射频技术、蓝 牙、超带宽、ieee802.llx和无线射频识别技术。 1993年，由20多个大厂商发起成立了红外数据协会，统一了红外通信标准，该 标准采用850mm的红外光传输数据信息，红外信号要求设备之间必须具有无障碍的 直线信道，通信距离通常最大不超过10m，并且，通信角度不能超过30。红外的

34、 数据传输速率较快，最初为4mbps，目前己经能够达到16mbps。红外线数据协 irda(infrared data association)成立于1993年。起初，采用irda标准的无线设备仅能 在lm范围内以1152 kbs速率传输数据，很快发展到4mbs以及16mbs的速率。 irda是一种利用红外线进行点对点通信的技术，是第一个实现无线个人局域网(pan)的 技术。目前它的软硬件技术都很成熟，在小型移动设备，如pda、手机上广泛使用。 西南科技大学城市学院本科生毕业论文 8 irda的主要优点是无需申请频率的使用权，因而红外通信成本低廉。并且还具有移 动通信所需的体积小、功耗低、连接

35、方便、简单易用的特点。此外，红外线发射角 度较小，传输上安全性高。irda的不足在于它是一种视距传输，两个相互通信的设 备之间必须对准，中间不能被其它物体阻隔，因而该技术只能用于2台(非多台)设备 之间的连接。而蓝牙就没有此限制，且不受墙壁的阻隔。irda目前的研究方向是如 何解决视距传输问题及提高数据传输率。 家庭无线射频技术(homerf)无线联网标准是由proxim、西门子、摩托罗拉、康 柏电脑等技术巨头于1998年发起组建的home盯工作组负责研发的，其研发初衷旨在 为家庭无线联网提供一种组网方便、易用、成本低廉的通用性标准。它汲取了 ieee802，11等无线标准的优势，能够有效降低

36、话音和数据传输的成本，可提供1一 zmbps的数据传输带宽，新的homerf 2.x标准的最高数据传输带宽可以达到 10mbps，该技术的工作频率为2.4ghz，可以连接127个设备。 1998年5月瑞典爱立信、芬兰诺基亚、日本东芝、美国ibm和intel等5家公司联 合提出了蓝牙(bluetooth)技术。1999年下半年，业界巨头微软、摩托罗拉、3com、 朗讯和蓝牙特别兴趣小组5家公司共同发起成立了蓝牙技术推广组织，从而在全球范 围内掀起了一股蓝牙潮。蓝牙技术是一种用于代替便携或固定电子设备上所有使用 的电缆或连线的短距离无线通信技术。它工作在2.4ghz的ism频段上，采用每秒 160

37、0次的扩频技术，发射功率为3类，即lmw、iomw和100mw，通信距离为10一 100m，传输速率己从720kbps发展到3mbps;在传输数据信息的同时，还可以传输一 路话音信息，这是蓝牙技术的一个重要的特点之一。蓝牙技术诞生于1994年， ericsson当时决定开发一种低功耗、低成本的无线接口，以建立手机及其附件间的通 信。蓝牙技术是一种无线数据与语音通信的开放性全球规范，其实质内容是为固定 设备或移动设备之间的通信环境建立通用的近距无线接口，将通信技术与计算机技 术进一步结合起来，使各种设备在没有电线或电缆相互连接的情况下，能在近距离 范围内实现相互通信或操作。其传输频段为全球公众通

38、用的24ghzism频段，提 供1mbps的传输速率和10m的传输距离。蓝牙协议的标准版本为802151，由蓝牙 小组(sig)负责开发。802151的最初标准基于蓝牙11实现，后者己构建到现行 很多蓝牙设备中。新版8021 51 a基本等同于蓝牙12标准，具备一定的qos特 性，并完整保持后向兼容性。蓝牙技术遭遇的最大的障碍是过于昂贵。突出表现在 芯片大小和价格难以下调、抗干扰能力不强、传输距离太短、信息安全问题等等。 西南科技大学城市学院本科生毕业论文 9 这就使得许多用户不愿意花大价钱来购买这种无线设备。因此，业内专家认为，蓝 牙的市场前景取决于蓝牙价格和基于蓝牙的应用是否能达到一定的规

39、模。 超带宽无线通信技术是一种新型的无线通信技术，根据2002年2月14日美国fcc (federalconununieationcommission，联邦通信委员会)从信号带宽的角度的确切定义: uwb信号是指“10db功率点处的相对带宽大于25%或射频的绝对带宽大1.5ghz”的信 号。该技术的工作频段范围为3.1一10.6ghz，工作带宽为7.5ghz，数据传输速率可 达1.5gbps，传输距离为l0m。由于这项技术存在信号带宽宽，数据传输速率高，而 且，功耗低、隐蔽性好、抗信号多径效果好等优点，因此，这项技术受到了各方面 的关注。 internet网络的迅速发展，进一步加速了无线网络技

40、术的应用和发展，特别是 ieee802.llx技术标准经过了十几年的发展，其技术性能指标得到了极大的提高，其 技术性能指标由于所采用的技术和工作的频段不同，它们之间也存在许多差异。 ieee 802，1lb，其工作频段为2.4ghz的ism频段，采用直接序列扩频技术，传输速 率为、11mbps。ieee802.lla，其工作频段为5.2ghz，采用ofdm调制技术，具有较 好的抗多径干扰能力，可提供8个信道，可采用 6，9，12，18，24，36，48，54mbps等速率来传输数据。ieee802.11.g，工作在 2.4ghz频段上，该技术提出两种调制方式:一种方式为cck一ofdm调制方式

41、，另一 种为pbcc一22(也称cck一pbcc)调制方式，其中pbcc一22方式保持了对802.llb的 完全兼容，并使其最高传输速率达到了22mbps，又称802.llb+标准。而cck一ofdm 则作为802.219的强制54mbps模式。 无线射频识别(即id:radiofrequeneyidentifleation)是一种非接触式的自动识别技 术。最简单的rfro系统由标签(tag)、阅读器(reader)和天线(anienna)3部分组成，在 实际应用中还需要其他硬件和软件的支持。其工作原理并不复杂:标签进入磁场后， 接收阅读器发出的射频信号，凭借从感应电流中所获得的能量发送储存在

42、芯片中的 产品信息(passivetag，无源标签)，或者主动发送某一频率的信号(active7 tag，有源 标签)，阅读器读取信息并经过解码后，送至中央信息系统进行相关的数据处理。在 零售业中，认为盯id是条形码的终结者。 为了更加直观表述和比较这几种短距离无线通信技术的性能，下面通过下表2-1 和表2-2来分别进行说明表2-1给出了zigbee技术与其他几种短距离无线通信技术在通 信距离、传输速率上的差别。表2-2为几种短距离无线通信技术的性能比较。从中， 西南科技大学城市学院本科生毕业论文 10 低高传输速率 我们不难看出，无论是zigbee技术、蓝牙技术、home盯技术、红外技术、超

43、宽带技 术还是ieee802.n技术以及rfid技术，它们都具有各自的特点，适用在不同的应用 场合，它们之间存在着相互竞争、相互补充的关系，谁也不能完全替代另外一种。 表表2-1 几种短距离无线通信技术传输距离和速率的比较几种短距离无线通信技术传输距离和速率的比较 表表2-2 几种短距离无线通信技术的性能你比较几种短距离无线通信技术的性能你比较 规范工作频段传输速率 （mbps） 最大功耗连接设 备数 安全设施主要用途 zig bee 868/915mhz 2.4ghz 0.02, 0.04, 0.25 1-3mw216-264 32,64,128为密 钥 家庭控制传感器 网络 红外850mm

44、1.521, 4,16 数mw2 靠短距离、小 角度传输保证 安全 透明可见范围内 数据传输、近距 离遥控 home rf 2.4ghz1, 2100mw12750次/秒跳频家庭无线局域网 蓝牙 2.4ghz1,2,3,1-100mw7 1600次/秒跳频， 128为密钥个人网络 802.11.b 2.4ghz11100mw255wep加密无线局域网 802.11.a 5.2ghz6,9,12, 18,24,36 100mw255wep加密无线局域网 文本互联网/音频视频多信道数视频 zigbee bluetooth1 bluetooth2 802.11b 802.11 a/g 802.15.

45、3/wimedia 远 近 传 输 距 离 西南科技大学城市学院本科生毕业论文 11 802.11.g 2.4ghz54100mw255wep加密无线局域网 rfid5.8ghz0.212不需供电2密钥超市、物流管理 2.3 zigbee 协议的概念 无线传感器网络节点要进行相互的数据交流就要有相应的无线网络协议 (包括mac层、路由、网络层、应用层等 )，传统的无线协议很难适应无线传感 器的低花费、低能量、高容错性等的要求，这种情况下，zigbee协议应运而生。 zigbee的基础是ieee 802.15.但ieee仅处理低级 mac层和物理层协议，因此 zig -bee联盟扩展了ieee，

46、对其网络层协议和 api进行了标准化。 zigbee是一种新 兴的短距离、低速率的无线网络技术。主要用于近距离无线连接。它有自己的协 议标准，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。 zigbee是一个由可多到 65000个无线数传模块组成的 一个无线数传网络平台，十分类似现有的移动通信的cdma网或gsm网，每一 个zigbee网络数传模块类似移动网络的一个基站，在整个网络范围内，它们之间 可以进行相互通信；每个网络节点间的距离可以从标准的75米，到扩展后的几 百米，甚至几

47、公里；另外整个 zigbee网络还可以与现有的其它的各种网络连接。 通常，符合如下条件之一的应用，就可以考虑采用 zigbee技术做无线传输：需 要数据采集或监控的网点多；要求传输的数据量不大，而要求设备成本低；要求 数据传输可性高，安全性高； 设备体积很小，不便放置较大的充电电池或者电 源模块；电池供电；地形复杂，监测点多，需要较大的网络覆盖；现有移动网络 的覆盖盲区；使用现存移动网络进行低数据量传输的遥测遥控系统；使用gps 效果差，或成本太高的局部区域移动目标的定位应用。值得注意的是，在已经发 布的zigbee v1.0中并没有规定具体的路由协议，具体协议由协议栈实现。 2.4 zigb

48、ee 协议架构 2.4.1 总体架构 zigbee 协议与其他网络通信协议一样采用了分层模型，对各层所实现的功能 和在整个协议中所起的作用做出了明确的划分。 zigbee 协议套件由高层应用规 范、应用会聚层、网络层、数据链路层和物理层组成，如表2-3 所示。 表表 2-3 zigbee 协协议议架架构构 西南科技大学城市学院本科生毕业论文 12 application framework 应用层（af） applicationsupport sublayer 应用支持层 (aps) network layer 网络层（nwk） medium access controllayer 数据链路层

49、（mac） physical layer 物理层（phy） 其中物理层 phy 定义 zigbee 设备的工作频段为 2.4ghz。数据链路层 mac 层负责相邻设备间的单跳数据通信。 sap 是为某一特定层提供的服务与上 层之间的接口。 zigbee 的不同层与 mac 就是通过服务接入点 (sap)进行连接。 应用层 af 由用户开发提供功能服务函数。安全服务提供层提供信息安全加锁服 务。其中各层的详细介绍如下： （1）物理层：遵循 ieee802.15.4 协议，是协议的最底层，承担着与外界直 接作用的任务，控制 rf 收发器工作，采用扩频通信。 （2）mac 层：遵循 ieee802.

50、15.4 协议，负责设备间无线数据链路的建立、 维护和结束，确认模式的数据传送和接收，可选时隙，实现低延迟传输，支持各 种网络拓扑结构，网络中每个设备为16 位地址寻址。 （3）网络层：建立新的网络，处理节点的进人和离开网络，根据网络类型 设置节点的协议堆栈，使网络协调器对节点分配地址，保证节点之间的同步，提 供网络的路由，保证数据的完整性，使用可选的aes 对通信加密。 （4）应用层：应用支持层维持器件的功能属性，发现该器件工作空间中其 他器件的工作，根据服务和需求使多个器件之间进行通信，根据具体应用由用开 发。 2.4.2 物理层主要功能 物理层定义了物理无线信道和 mac 子层之间的接口

51、，提供物理层数据服 西南科技大学城市学院本科生毕业论文 13 务和物理层管理服务。物理层数据服务从无线物理信道上收发数据，物理层管理 服务维护一个由物理层相关数据组成的数据库。物理层数据服务包括以下五方面 的功能： （1）激活和休眠射频收发器； （2）信道能量检测（ energy detect）； （3）检测接收数据包的链路质量指示（ link quality indication,lqi）； （4）空闲信道评估（ clear channel assessment,cca）； （5）收发数据。 信道能量检测为网络层提供信道选择依据。它主要测量目标信道中接收信号 的功率强度，由于这个检测本身不进

52、行解码操作，所以检测结果是有效信号功率 和噪声信号功率之和。链路质量指示为网络层或应用层提供接收数据帧时无线信 号的强度和质量信息，与信道能量检测不同的是，它要对信号进行解码，生成的 是一个信噪比指标。这个信噪比指标和物理层数据单元一道提交给上层处理。空 闲信道评估判断信道是否空闲。 ieee 802.15.4 定义了三种空闲信道评估模式： 第一种简单判断信道的信号能量，当信号能量低于某一门限值就认为信道空闲； 第二种是通过判断无线信号的特征，这个特征主要包括两方面，即扩频信号特征 和载波频率；第三种模式是前两种模式的综合，同时检测信号强度和信号特征， 给出信道空闲判断。 2.4.3 mac

53、层主要功能 mac 子层提供两种服务： mac 层数据服务和 mac 层管理服务 （macsublayer management entity,mlme）。前者保证 mac 协议数据单元在物 理层数据服务中的正确收发，后者维护一个存储mac 子层协议状态相关信息 的数据库。 mac 子层主要功能包括下面六个方面： （1）协调器产生并发送信标帧，普通设备根据协调器的信标帧与协议器同 步； （2）支持 pan 网络的关联（ association）和取消关联（ disassociation）操 作； （3）支持无线信道通信安全； （4）使用 csma-ca 机制访问信道； 西南科技大学城市学院本科

54、生毕业论文 14 （5）支持时槽保障（ guaranteed time slot,gts）机制； （6）支持不同设备的 mac 层间可靠传输。关联操作是指一个设备在加入 一个特定网络时，向协调器注册以及身证的过程。 lr-wpan 网络中的设备有 可能从一个网络切换到另一个网络，这时就需要进行关联和取消关联操作。时槽 保障机制和时分复用（ time division multiple access,tdma）机制相似，但它可 以动态地为有收发请求的设备分配时槽。使用时槽保障机制需要设备间的时间同 步，ieee 802.15.4 中的时间同步通过下面介绍的 “超帧”机制实现。 2.4.4 网络层

55、主要功能 网络层在 mac 层与应用层之间提供合适的接口，通过激发mac 层的动 作 执行寻址和路由功能。主要任务包括 : （1）发起一个网络并且分配网络地址 (网络协调器 ); （2）向网络中添加设备或者从网络中移除设备 ; （3）将消息路由到目的节点 ; （4）对发送的数据进行加密 ; （5）在网状网络中执行路由寻址并且储存路由表。 2.4.5 应用层主要功能 zigbee 应用层包含应用程序支持子层（ aps）、应用程序架构（ af）、 zigbee 装置管控对象（ zdo）与各厂商定义的应用程序对象。此外， zigbee 还定义了 应用规格（application profile），它

56、针对各种不同的应用情境定义出概略的行为 蓝图，让特定应用中采用此规格的装置之间能够互相操作，例如只要家庭控制照 明（home control lighting，hcl）的应用规格，不同厂商的灯光开关也能用来 控制各种的照明灯具。 2.5 zigbee 堆栈 每个 zigbee 设备都与一个特定模板有关，可能是公共模板或私有模板。这 些模板定义了设备的应用环境、设备类型以及用于设备间通信的簇。公共模板可 以确保不同供应商的设备在相同应用领域中的互操作性。 西南科技大学城市学院本科生毕业论文 15 设备是由模板定义的，并以应用对象 (application objects)的形式实现。每 个应用对

57、象通过一个端点连接到 zigbee 堆栈的余下部分，它们都是器件中可寻 址的组件。 从应用角度看，通信的本质就是端点到端点的连接 (例如，一个带开关组件 的设备与带一个或多个灯组件的远端设备进行通信，目的是将这些灯点亮)。 端点之间的通信是通过称之为簇的数据结构实现的。这些簇是应用对象之间 共享信息所需的全部属性的容器，在特殊应用中使用的簇在模板中有定义。 每个接口都能接收 (用于输入)或发送(用于输出)簇格式的数据。一共有两个特殊 的端点，即端点 0 和端点 255。端点 0 用于整个 zigbee 设备的配置和管理。应 用程序可以通过端点 0 与 zigbee 堆栈的其它层通信，从而实现对

58、这些层的初始 化和配置。附属在端点 0 的对象被称为 zigbee 设备对象(zd0)。端点 255 用于 向所有端点的广播。端点 241 到 254 是保留端点。 所有端点都使用应用支持子层 (aps)提供的服务。 aps 通过网络层和安全服 务提供层与端点相接，并为数据传送、安全和绑定提供服务，因此能够适配不同 但兼容的设备，比如带灯的开关。 aps 使用网络层 (nwk)提供的服务。 nwk 负责设备到设备的通信，并负责 网络中设备初始化所包含的活动、消息路由和网络发现。应用层可以通过 zigbee 设备对象(zd0)对网络层参数进行配置和访问。 2.6 zigbee 堆栈容量和 zig

59、bee 设备 根据 zigbee 堆栈规定的所有功能和支持，我们很容易推测zigbee 堆栈实 现需要用到设备中的大量存储器资源。 不过 zigbee 规范定义了三种类型的设备，每种都有自己的功能要求： zigbee 协调器是启动和配置网络的一种设备。协调器可以保持间接寻址用的绑定 表格，支持关联，同时还能设计信任中心和执行其它活动。一个zigbee 网络 只允许有一个 zigbee 协调器。 zigbee 路由器是一种支持关联的设备，能够将消息转发到其它设备。 zigbee 网格或树型网络可以有多个 zigbee 路由器。zigbee 星型网络不支持 zigbee 路由器。 zigbee 端

60、终设备可以执行它的相关功能，并使用zigbee 网络到达其它需 要与其通信的设备。它的存储器容量要求最少。 西南科技大学城市学院本科生毕业论文 16 然而需要特别注意的是，网络的特定架构会戏剧性地影响设备所需的资源。 nwk 支持的网络拓扑有星型、树型和网格型。在这几种网络拓扑中，星型网络 对资源的要求最低。 2.7 zigbee 通信的优势 zigbee是随着工业自动化对无线通信和数据传输的需求而开发的，是在 ieee 802154无线标准基础上制定的一个低功耗、低成本的无线网络通 信技术标准，拥有下列独特的技术优势： (1)省电 发射功率约为 1 mw，两节五号电池支持长达6个月到两年 的