zigbee网络自组织结构的研究

毕业论文（设计）Zigbee 传感器网络自组织结构研究学 生 姓 名： 朱伟 指 导 教 师 ： 张妍（讲师） 专 业 名 称 ： 通信工程 所 在 学 院 ： 信息工程学院 2012 年 6 月目 录摘要 .IAbstract .II第一章 前言 .11.1 研究目的和意义 .11.2 国内外研究现状 .11.3 研究内容和方法 .1第二章 ZigBee 技术 .22.1 Zigbee 技术 .22.2 Zigbee 节能技术探讨 .32.3 Zigbee 协议栈 .42.4 原语概念 .72.5 Zigbee 网络数据传递机制 .7第三章 Zigbee 传感器自组织网络节点通信 .103.1 Zigbee 自组织网络优点 .103.2 Zigbee 自组织网络多跳路由通信流程 .103.3 通信实现的流程 .15第四章 Zigbee 网络组网方案 .174.1 组网方案概述 .174.2 Zigbee 网络拓扑 .174.3 Zigbee 组网流程 .204.4 Zigbee 树路由算法 .22第五章 ZigBee 传感器自组织网络在机电监测系统中的应用 .265.1 基于 Zigbee 传感器网络的机电监测系统的构建 .265.2 Zigbee 传感器节点的设计和测量点的选择 .285.3 基于 Zigbee 传感器的机电监控系统自组织网络拓扑结构 .285.4 Zigbee 传感器节点数据传输流程 .29第六章 结论与建议 .31致谢 .32参考文献 .33大连海洋大学本科毕业论文（设计） 摘要I摘要由于Zigbee技术具有低功耗、低成本、低速率、近距离和网络容量大等特点，Zigbee 技术在近年来得到了快速的发展。Zigbee 网络包含两种功能类型的设备：全功能设备 FFD(Full Function Device)和精简功能设备RFD(Reduced Function Device) ，支持星状网 (Star Network)、树状网(Cluster tree Network)和网状网 (Mesh Network)三种网络拓扑结构。本论文前两章主要介绍了Zigbee 技术的概念、由来、特点，并对 Zigbee技术协议架构和Zigbee无线传感网络体系结构进行了较为深入的研究分析。第三章主要介绍了Zigbee 传感器自组织网络节点通信的原理。第四章从网络拓扑结构、组网算法方面介绍了基于Zigbee技术的运用。第五章将基于Zigbee传感器自组织网格网络具体应用于机电监测系统中，构建了一个分层分布式监测网络。关键词：Zigbee，组网方案，组网算法，网格网络大连海洋大学本科毕业论文（设计） AbstractIIAbstractZigbee is developing at a high speed as it has the following key features：low power, low cost，low data rate，short distance and large network capacityZigbee network contains 2 kinds of function devices：full function device(FFD) and reduced function device(RFD)，supports 3 kinds of network topology：Star network, Cluster tree network and mesh networkIn the first two chapters, this paper has a introduction of the characteristics, the origin and the concept of Zigbee technology ,and has a more in-depth analysis about Zigbee technology architecture and the structure of Zigbee protocol wireless sensor networkIn the third chapter ,the node communication of self-organizing Zigbee network is givenIn the fourth chapter, it will introduce the application of Zigbee technology based on the network topology and network algorithmIn Chapter five the mesh network technology based on Zigbee will be used in mechanical and electrical specific monitoring system, building a hierarchical distributed monitoring networkKeywords: Zigbee, network topology, network algorithm, mesh network大连海洋大学本科毕业论文（设计） 第一章 前言1第一章 前言1.1 研究目的和意义Zigbee网络具有低成本、低功耗、低速率、近距离、短时延、高容量、高安全及免执照频段等特点。在短距离、低功耗且传输速率要求不高的各种电子设备之间，完成周期性数据、间歇性数据和低反应时间数据的传输，比较适合采用Zigbee 网络来实现。Zigbee作为一种如此有生命力的短距离通信技术，根据 Zigbee联盟所定义的标准，如果能够实现协议库的封装及模块化，使得协议在不同的硬件平台间，不同的应用系统间的能够便捷移植，是一件非常有意义的事情，这将给我们解决Zigbee 实际应用中的问题带来更大的自由度和选择性。1.2 国内外研究现状Zigbee作为一种新兴的国际标准短距离无线通信协议，协议栈体系结构是基于标准七层开放式系统互联参考模型(OSI)， IEEE802.15.4-2003标准定义了下面的两层：物理层和媒体接入控制子层；网络层、应用汇聚层、应用层由Zigbee 联盟制订。联盟所制订的规范也得到了广泛的应用。在工业领域，利用传感器和Zigbee 网络，使得数据的自动采集、 分析和处理变得更加容易。例如危险化学成分的检测，火警的早期检测和预报。在农业领域，采用了传感器和Zigbee 网络以后，农业将可以逐渐地转向以信息和软件为中心的生产模式，使用更多的自动化、网络化、智能化和远程控制的设备来耕种。传感器可能收集包括土壤湿度、氮浓度、空气湿度和气压等信息 1。这样农民能够及早而且准确地发现问题，从而有助于保持并提高农作物的产量。消费和家用自动化市场是Zigbee 技术最有潜力的市场。据估测，每个家庭需要 100到150个Zigbee设备 2。可以联网的家用设备包括电视、录像机、门禁系统、窗户和窗帘、照明设备、空调系统和其他家用电器等。 1.3 研究内容和方法论文结构安排如下：第一章 介绍了Zigbee技术概况和目前国内外研究概况。第二章 讲述了Zigbee技术的概念、由来、特点，并对 Zigbee技术协议架构和Zigbee无线传感网络体系结构进行了较为深入的研究分析。第三章 主要分析了Zigbee传感器自组织网络节点通信的原理。第四章 从网络拓扑结构、组网算法方面介绍了基于Zigbee技术的运用。大连海洋大学本科毕业论文（设计） 第一章 前言2第五章 将基于Zigbee传感器自组织网格网络具体应用于机电监测系统中，构建了一个分层分布式监测网络。第六章 结论与建议：对本文工作做出总结，并展望今后的工作。大连海洋大学本科毕业论文（设计） 第二章 Zigbee 技术3第二章 ZigBee 技术2.1 Zigbee技术2.1.1 Zigbee技术由来现在，有许多的协议标准来定义声音、视频以及PC局域网等领域的数据传输，然而却没有一个协议能适合无线网络中传感和控制设备通信的特定的需求。传感和控制设备的通信并不需要高的带宽，但是他们要求低的反应时间，非常低的能量消耗，以及大范围的设备分布。许多无线设备生产者已开始致力于解决无线网络的问题，出现了许多的通信协议，但这些协议并不能完全适应无线传感器网络的要求。Zigbee 协议正是继承了以往协议的优势，为无线网络中传感和控制设备之间的通信提供了一个极好的解决标准。2.1.2 Zigbee联盟Zigbee联盟成立于2001年8月。 2002年下半年英国Invensys公司、日本三菱电气公司、美国摩托罗拉公司以及荷兰飞利浦半导体公司四大巨头共同宣布，它们将加盟“Zigbee联盟”，研发名为“Zigbee”的下一代无线通信标准，这一事件成为该项技术发展过程中的里程碑。2.1.3三种无线协议的比较(1)Zigbee与IEEE802.11b 及蓝牙技术的比较：表1 三种通信协议的比较特征 IEEE802.11b Bluetooth Zigbee能量持续 数小时 1 星期 1 年以上复杂程度 复杂 非常复杂 简单节点数 32 7 64000反应时间 3 秒 10 秒 30 毫秒有效范围 100 米 10 米 70 米扩展能力 可能 不能 可以数据传输率 11Mbps 1Mbps 250Kbps(2)Zigbee与蓝牙技术的具体比较 3：Bluetooth：中等的任务周期，较短的电池寿命(电池持续时间和控制单元相同)，半静态星型网络( 接近 7个节点)，主要针对需要中等数据传输率的仪器，高服务质量 (QOS)，以及低反应时间的无线网络。Zigbee：非常低的任务周期，很长的电池寿命，静态及动态的星型及网状结构，可以有非常多的节点单元（65534个），在没有网络间通信时能够保持长时间静止状态。大连海洋大学本科毕业论文（设计） 第二章 Zigbee 技术4总而言之，蓝牙主要应用于高QOS，多样的任务周期，中等数据传输率的平等静态，且具有有限活跃节点的无线网络中。而Zigbee 则主要是应用在非常低的任务周期，低能耗，低花费的静态及动态的具有很多活跃节点的无线网络中。2.1.4 Zigbee技术的特点Zigbee技术的主要特点包括以下几个部分： 数据传输速率低。只有10k 字节秒到250k字节秒，专注于低传输应用。 功耗低。在低耗电待机模式下，两节普通5号干电池可使用 6个月到2年，免去了充电或者频繁更换电池的麻烦。这也是Zigbee 的支持者一直引以为豪的独特优势。 Zigbee成本低。因为Zigbee数据传输速率低，协议简单，所以大大降低了成本。且Zigbee协议免收专利费。 网络容量大。每个Zigbee网络最多可支持255个设备，也就是说，每个 Zigbee设备可以与另外254台设备相连接。 时延短。通常时延都在15毫秒至 30毫秒之间。 安全。Zigbee提供了数据完整性检查和鉴权功能，加密算法采用 AES128，同时可以灵活确定其安全属性。 有效范围小。有效覆盖范围1075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。 工作频段灵活。使用的频段分别为2.4GHz、868MHz( 欧洲 )及915MHz(美国)，均为免执照频段。随着研究的进一步深入，传感器将变得更小，而且功能会越来越多，最终它们的体积可能会微缩到尘埃大小，届时数以千计的微小传感器或者称为“智能尘埃”将被释放到大气中来检测任何东西。2.2 Zigbee节能技术探讨由于Zigbee应用的低带宽要求， Zigbee节点可以在大部分时间内睡眠，以节省电池能量，然后苏醒并迅速发送数据，然后再去睡眠。Zigbee 节点可以在 15毫秒或更短的时间内由睡眠模式进入活动模式，因此即使睡眠的节点也可以取得合适的低时延。同时Zigbee节省的大部分能量归功于IEEE802.15.4技术，后者本身就是为低功率而设计的。例如，IEEE802.15.4采用DSSS(直接序列扩谱) 技术取代FHSS(跳频扩谱)。因为FHSS技术为了尽可能多地节省能量而采用同步跳频，这样会消耗较多的功率。Zigbee采用一种“准备好才发送 ”的通信策略，它只在有数据要发送时才发送数据，然后再等待自动确认。“准备好才发送”是一种“面对面”式(inyourface)的方案，是一种能量效率非常高的方案。而且这种“面对面”式策略导致RF干扰非常低，这主要是由于 Zigbee节点具有非常低的占空因数，只偶尔发射信号且只发送小量的数据。不过Zigbee的“准备好才发送”方大连海洋大学本科毕业论文（设计） 第二章 Zigbee 技术5案并不是万能的。例如，在一个监视敌军动向的微型传感器构成的网络中，这种方案节省的能量仍可能不够用。由于每个网络节点都定期发送数据，而且数据必须经过附近其他网格式分布的节点反复传送，才能到达网络控制器。然而大量的数据包冲突和重复传送会浪费能量，大大缩短传感器节点的电池寿命。如果传感器电池能量非常小，这就会造成很大问题。但Zigbee仍有很多的节能秘技。 Zigbee通过减少相关处理的方式进一步节省能量。一个简单的8位处理器就可以轻松地完成Zigbee 的任务，而且Zigbee协议栈占用很少内存。例如，一个功能更强的全功能设备(Full Function Device ，FFD)栈需要占用大约32