杨盛培无线传感网期末论文

2013-2014 学年第一学期 计算机 学院期末考试卷无线传感器网络技术 学号: 201171060138 姓名: 杨盛培 班级: 11 级物联网 1 班 成绩：评语：（考试题目及要求）1. 以本学期授课内容为基础，在 J9-C501 实验室的博创实验箱上完成如下要求：1）由协调器创建一个网络，PANID 末三位为个人学号的末三位。2）以实验箱的 1 号 ZigBee 模块为基础，加入前述网络，完成采集温度信息的过程，并发送给协调器；3）抽签抽到的题号是 2 ，以实验箱上的该 ZigBee 模块为基础，加入前述网络，完成相关信息的采集并发送给协调器；4）包括上述两个 ZogBee 模块在内，至少组织 8 个 ZigBee 模块加入前述 ZigBee 网络，获取各自节点的网络地址，并发送给协调器；5）协调器通过串口和 PC 上位机进行联系，将收集到的传感器信息和网络地址信息发送给上位机6）根据各节点网络地址信息进行网络拓扑分析；2. 以上述过程为基础，撰写课程设计论文。参考格式包含论文题目、摘要、关键字、正文和参考文献等。正文部分包含但不限于问题分析、实现思路、核心数据结构分析、设计与调试过程中遇到的问题及解决办法等。以上内容要求至少 1500 字，不得直接以代码充作文字叙述。以 WORD 软件的DOC 文档格式保存，文件名为个人的姓名或者学号。2. 除上述内容外，课程设计论文另添加两部分内容：对本学期该课程学习的总结和对教师的教学建议。3. 上述各文件，包括实验所用的工程文件和源代码文件，以 EMAIL 邮件附件的形式，统一发送到任课教师信箱： 。4.课程论文含本封面打印一份上交任课老师处。装 订 线无线传感器网络技术期末论文【题目】 基于 ZigBee 的无线传感器组网实验1. 基本要求： 由协调器创建一个网络号 PANID 末 3 位为 138 的网络； 以实验箱的 1 号 ZigBee 模块为基础，加入前述网络，完成采集温度信息的过程，并发送给协调器； 以实验箱上 2 号 ZigBee 模块为基础，加入前述网络，完成光谱气体信息的采集并当气体溶度超过一定限度时发送一个警告信息给协调器； 包括上述两个 ZogBee 模块在内，至少组织 8 个 ZigBee 模块加入前述 ZigBee 网络，获取各自节点的网络地址，并发送给协调器； 协调器通过串口和 PC 上位机进行联系，将收集到的传感器信息和网络地址信息发送给上位机； 根据各节点网络地址信息进行网络拓扑分析。2. 实验环境： 物联网嵌入式实验箱（型号 UP-CUP IOT-6410-） 2 台（ 1 个 ZigBee 协调器模块 8 个 ZigBee 终端模块 ）上位机 1 台（ 软件：IAR Embedded Workbench IDE 和 串口助手 ）【前言】互联网是现代社会重要的信息基础设施，对经济社会发展和国家安全具有战略意义，与构建和谐社会、建设创新型国家和走新型工业化道路等重大战略的实施紧密相关。但随着人类文明的不断进步，科技的不断发展，互联网在一些方面已经无法满足人们的需求，所以下一代互联网 物联网的诞生势在必行。物联网是在互联网基础上的延伸和扩展的网络，将是新一代信息技术的核心部分。物联网通过各种信息传感设备，实时采集任何需要监控、连接、互动的物体或过程等各种需要的信息，与互联网结合形成的一个巨大网络，用户端延伸和扩展到了任何物品与物品之间，进行信息交换和通信，其目的是实现物与物、物与人，所有的物品与网络的连接，方便识别、管理和控制。物联网要实现物与物之间的感知、识别、通信等功能需要有大量先进技术的支持，传感器技术就是其中一项关键性的技术。传感器技术，作为信息获取最重要和最基本的技术，已 经从 过 去 的 单一化向集成化、微型化和网络化方向发展，这就是无线传感器网络技术。无线传感器网络技术综合了多种领域，也是当前计算机网络研究的热点，具有巨大应用价值。因而已经引起了世界许多国家的军事部门、工业界和学术界的广泛关注，被广泛地应用于军事，工业过程控制、国家安全、环境监测和现代农业等领域。由此可见，无线传感器网络技术是物联网发展与应用的基础技术及重要组成部分；因此，作为物联网方向专业的一名本科学生，学好本学期学校所开设的无线传感器网络技术是一件十分重要的事情，无论是以后的继续深入的学习还是工作，我们都将获益匪浅。【摘要】ZigBee 是无线传感器网络技术中一种新兴的专为低速率无线个域 N(LRWPAN)-而设计的低成本、低功耗的短距离无线通信协议，能够广泛的应用于军事，工业，智能家居等领域。但由于 ZigBee 技术出现较晚，其规范及应用仍在不断的完善和发展之中。本次课程期末实验由一个 ZigBee 协调器创建一个网络，实验箱的 1 号 ZigBee 模块，加入前述网络，完成采集温度信息的过程，并将信息发送给协调器；实验箱的 2 号 ZigBee 模块，加入前述网络，完成可燃气体或烟雾溶度的监测工作，当检测到可燃性气体或烟雾时发送一个警告信息“可燃性气体超标！请注意！”给协调器；实验箱的 3 号，4 号以及另一试验箱的 1,2,3,4 号 ZigBee 模块，也都加入前述网络但并不要其完成相关的信息采集工作，只需将其网络 ID 发送给协调器。通过此次对 Zigbee 协议的无线网络组网方案的学习及相关课程的设计，我们初步认识并了解了 ZigBee 及其协议栈的内容，意义以及它的应用前景。【关键词】无线传感器网络 ZigBee技术 ZigBee2007协议栈 传感器节点 CC2530芯片【正文】1. 在实验之前所先要掌握的知识1.1 无线传感器网络是什么？1.1.1 定义：无线传感器网络（即WirelessSensorNetworks，简称WSN）是指由一组随机分布的集成有传感器、数据处理单元和通信模块的传感器以自组织方式构成的无线网络，用于实时监测网络覆盖区域的各类监测对象的信息。WSN综合了传感器技术、无线通信技术、嵌入式系统技术、分布式信息处理等技术，是一项集成了多学科的技术领域，已成为构建无线物联网的重要技术。1.1.2 特点：无线传感器网络有大规模，自组织，动态性，可靠性，以数据为中心，集成化，具有密集的节点布置，协作方式执行任务等特点。1.1.3 结构：传感器网络系统通常包括传感器节点（EndDevice）、汇聚节点（Router）和管理节点（Coordinator）。大量传感器节点随机部署在监测区域内部或附近，能够通过自组织方式构成网络。传感器节点监测的数据沿着其他传感器节点逐跳地进行传输，在传输过程中监测数据可能被多个节点处理，经过多跳后路由到汇聚节点，最后通过互联网或卫星到达管理节点。用户通过管理节点对传感器网络进行配置和管理，发布监测任务以及收集监测数据。传感器节点传感器节点处理能力、存储能力和通信能力相对较弱，通过小容量电池供电。从网络功能上看，每个传感器节点除了进行本地信息收集和数据处理外，还要对其他节点转发来的数据进行存储、管理和融合，并与其他节点协作完成一些特定任务。汇聚节点汇聚节点的处理能力、存储能力和通信能力相对较强，它是连接传感器网络与Internet 等外部网络的网关，实现两种协议间的转换，同时向传感器节点发布来自管理节点的监测任务，并把WSN收集到的数据转发到外部网络上。汇聚节点既可以是一个具有增强功能的传感器节点，有足够的能量供给和更多的、Flash和SRAM中的所有信息传输到计算机中，通过汇编软件，可很方便地把获取的信息转换成汇编文件格式，从而分析出传感节点所存储的程序代码、路由协议及密钥等机密信息，同时还可以修改程序代码，并加载到传感节点中。管理节点管理节点用于动态地管理整个无线传感器网络。传感器网络的所有者通过管理节点访问无线传感器网络的资源。1.2 什么是ZigBee技术？1.2.1 ZigBee技术的简介：ZigBee技术是一种新兴的短距离、低速率无线网络技术,是基于IEEE802.15.4 无线标准研制开发的,关于组网、安全和应用软件的技术标准。其目标是建立一个无所不在的传感器网络(Ubiquitous Sensor Network)，主要适用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入到各种设备中，同时支持地理定位的功能。1.2.2 ZigBee技术的特点：1数据传输可靠：ZigBee的MAC层采用CSMACA的碰撞避免机制，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙，避免了发送数据时的竞争和冲突；同时，MAC层采用了完全确认的数据传输机制，每个发送的数据包都必须等到接收方的确认信息。同时ZigBee采用较短的帧格式(128字节)和CRC校验机制来减少无线通信的误码率。2功耗低：Zigbee技术采用了多种节电的工作模式，可以确保两节电池支持长达6个月到两年的试用时间。而蓝牙能工作数周、WiFi可工作数小时。3成本低：ZigBee数据传输速率低，协议简单，所以大大降低了成本。且免收专利费，目前低速低功耗的UWB芯片组价格至少为20美元，而Zigbee的价格仅为几美分。4网络容量大：每个ZigBee网络最多可支持255个节点，加上网络的协调器可以互相连接，整个Zigbee网络节点的数目将十分可观。一个区域内可以同时存在最多100个Zigbee网络，理论上可容纳65535个节点。5安全：ZigBee提供了数据完整性检查和鉴权功能，采用AES128加密算法。6有效范围小：有效覆盖范围10-75米之间，具体依据实际发射功率的大小和各种不同的应用模式而定，基本上能够覆盖普通的家庭或办公室环境。7兼容性：ZigBee技术与现有的控制网络标准无缝集成。通过网络协调器自动建立网络，采用载波侦听冲突检测(CSMACA)方式进行信道接入。为了可靠传递，还提供全握手协议。1.2.3 ZigBee节点类型：1. ZigBee 协调者(Coordinator)- 每各ZigBee网络必须有一个.初始化网络信息.2. ZigBee 路由器(Router)路由信息.3. ZigBee 终端节点(EndDevice)没有路由功能低价格1.2.4 ZigBee具有多种网络拓扑：1.3 什么是ZigBee2007协议栈？1.3.1 ZigBee2007协议栈简介：ZigBee2007协议栈定义了通信硬件和软件在不同层次如何协调工作。在网络通信领域，在每个协议层的实体通过对信息打包与对等实体通信。在通信的发送方，用户需要传递的数据包按照从高层到低层的顺序依次通过各个协议层，每一层的实体按照最初预定消息格式在数据信息中加入自己的信息，比如每一层的头信息和校验等，最终抵达最低层的物理层，变成数据位流，在物理连接间传递。在通信的接收方数据包依次向上通过协议栈，每一层的实体能够根据预定的格式准确的提取需要在本层处理的数据信息，最终用户应用程序得到最终的数据信息并进行处理。1.3.2 ZigBee 2007协议栈中使用的各个层次：APP：应用层目录，这是用户创建各种不同工程的区域，在这个目录中包含了应用层的内容和这个项目的主要内容，在协议栈里面一般是以操作系统的任务实现的。在APP目录下添加三个文件即可完成一个新的任务项目(1、主文件：存放具体的任务事件处理函数；2、主文件的头文件；3、操作系统接口文件：以Osal开头，专门存放任务处理函数数组tasksArr)。HAL：硬件层目录，包含有与硬件相关的配置和驱动及操作函数。 Common目录下为公用文件，基本与硬件无关。 Hal_assert.c ：断言文件，用于调试； Hal_drivers.c ：驱动文件 ；Including目录下包含各个硬件模块头文件 ；Target目录下文件与硬件平台相关。MAC：MAC 层目录，包含了 MAC 层的参数配置文件及其 MAC 的 LIB 库的函数接口文件。MAC 层分高层和底层，include 目录下包括 MAC 层参数配置文件及其 mac 的 lib 库函数接口文件 。MT：监控调试层目录，实现通过串口调试各层，与各层进行直接交互。NWK：网络层目录，含网络层配置参数文件及网络层库的函数接口文件，APS 层库的函数接口。OSAL：协议栈的操作系统。Profile：AF 层目录，包含 AF 层处理函数文件。 Security：安全层目录，安全层处理函数，比如加密函数等。 Services：地址处理函数目录，包括着地址模式的定义及地址处理函数。 Tools：工程配置目录，包括空间划分及 ZStack 相关配置信息。 ZDO：ZDO 目录。 ZigBee 设备对象，方便用户用自定义的对象调用 aps 子层的服务和nwk 层的服务。 ZMac： MAC 层目录，包括 MAC 层参数配置及 MAC 层 LIB 库函数回调处理函数。 Zmac.c 是 z-stack mac 导出层接口文件 Zmac_cb.c 是 zmac 需要调用的网络层函数。ZMain：主函数目录，包括入口函数及硬件配置文件。 在 onboard.c 包含对硬件开发平台各类外设进行控制的接口函数。 Output：输出文件目录，这个 EW8051 IDE 自动生成的。1.3.3 ZigBee 系统初始化流程：Z-Stack 的 main 函数在 ZMain.c 中：系统初始化、执行操作系统实体； Osal_int_disable(INTS_ALL):关闭所有中断 HAL_BOARD_INIT():初始化系统时钟； Zmain_vdd_check():检测芯片电压是否正常 Zmain_ram_init():初始化堆栈； InitBoard(OB_COLD):初始化 LED，配置系统定时器 HalDriverInit():初始化芯片各个硬件模块；Osal_nv_init():初始化 FLASH 存储；Zmain_ext_addr():形成节点 MAC 地址；zgInit():初始化一些非易失变量； zmacInit():初始化 mac 层； Afinit():初始化应用框架层； Osal_init_system():初始化操作系统； Osal_int_enabled(inis_all):使能全部中断； Initboard(ob_ready):初始化按键； Zmain_dev_info():在液晶上显示设备信息； Osal_start_system():执行操作系统。2. 本次期末实验的内容及过程分析2.1 ZigBee协调器无线组网2.1.1 协调器创建一个网络号末3位为138的网络：打开C:Texas InstrumensZStack-CC2530-2.3.0-1.4.0ProjectszstackSamplesGenericAppCC2530DBGenericAPP.eww IAR工程，手动更改本工程下的Tools目录下的f8wConfig.cfg文件，将其中默认的ZDAPP_CONFIG_PAN_ID=0xFFFF宏，更改为杨盛培同学的学号末3位0x0138。则协调器即可创建一个网络号为138的网络。2.1.2 协调器组网过程：在协调器程序Coordinator.c中添加：选择CoordinatorEB工程，编译下载到1号实验箱的ZIGBEE 协调器模块中，经过上述过程，协调器则自动组建了一个可以接入多个终端节点的广播网！2.2 ZigBee路由器和终端节点连接网络1号实验箱的1号ZigBee模块（作为终端，编号END1）上有温湿度传感器，当END1接入协调器组建的138号网络后，温湿度传感器将采集的C501实验室的温度和湿度信息发送给协调器；如果他的父节点连的是路由器的话，则将信息发送给路由器，再经路由器发送给协调器。1号实验箱的2号ZigBee模块（作为