低功耗Zigbee无线传感器网络通信研究

西安工业大学北方信息工程学院本科毕业设计(论文)题目：低功耗 Zigbee无线传感器网络通信研究系 （部）： 光电信息系 专 业： 光电信息工程 班 级： B060106 学 生： 毋晓野 学 号： B06010621 指导教师： 吕 宏 2010年 05 月i低功耗 ZIGBEE 无线传感器网络通信研究摘 要随着无线网络技术的快速发展和传感器技术的日益成熟，无线传感器网络应运而生。无线传感器网络就是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息，发送给观察者。近年来，无线传感器网络被广泛的应用在预防医学、环境监测、森林灭火乃至车辆检测、行星探测等领域，成为国内外广泛讨论的焦点。IEEE802.15.4 标准主要针对于低速无线个人区域网(low-rate wireless personal area network,LR-WPAN)，把低能量消耗、低速率传输、低成本作为重点目标，可为个人或者家庭范围内不同设备之间低速互连提供统一的标准。IEEE802.15.4/ZigBee协议是由 IEEE802.15.4 标准的 PHY 和 MAC 层再加上 ZigBee 的网络层和应用支持层所组成的，其突出的特点是网络系统支持极低成本、易实现、可靠的数据传输、短距离操作、极低功耗、各层次的安全性等。本文首先详细介绍了 ZigBee 技术产生的背景、特点以及优势，经过分析比较几种典型的网络拓扑结构，采取星型网的组网方式，构建了 ZigBee 协议硬件开发平台，软件实现了 Zigbee 协议栈和节点间的通信。本课题采用 C8051F 单片机作为网络终端节点和网络协调器的 MCU，采用CC2430 为射频芯片，搭建了一个基于 Zigbee 的无线传感器网络。主控 MCU 通过SPI 接口与无线收发模块的 CC2430 芯片进行通信。在系统软件设计方而，利用现有协议、相关函数和源代码，进行了相关网络模拟通信。最后对论文进行了总结，并在现有基础上对今后的扩展与开发进行了展望。关键词：无线传感器网络；IEEE 802.15.4；ZigBee；C8051F；CC2430 iiLow-power Wireless Sensor Network Communication of ZigbeeAbstractWith the rapid growth of the wireless network technology and increasing ripesensor technology, Wireless sensor network comes. Wireless sensor network(WSN)ismade up of a great deal of low-cost subminiature sensor nodes, which are set in themonitoring area. It can make a many jumps network by the wireless communications by itself.The purpose is to apperceiving, collecting and processing the objects which are in the network system, and sending the information to the observer. Recently years,Wireless sensor network has been applied in various fields such as preventive medical, monitoring environment,putting out forest fire,researching benthonic boards,exploring planet,etc.It is becoming the hot topic in domestic and abroad.The IEEE802.15.4 standard for the low-rate wireless personal area network (LR-WPAN) takes up with low wastage,low rate and low cost for purpose,And it can supply a uniform standard for personal different facilities in family area.IEEE802.15.4/ZigBee protocol is constituted of IEEE802.15.4s PHY layer and MAC layer,ZigBee network layer and application support layer.Its outstanding characteristic is that the system support low cost operation,easy realization of the dependable data,short-distance operation,the very low power consumption and the different layers safety,etc.This thesis begins with introducing ZigBees originate background、characteres and prevalences , After analyzing three typical networks topology architecture, I adopt star topology to design a hardware platform which could be used to develop with ZigBee, and design system software that enable sensors communication.It uses the C8051F as the MCU, uses the CC2430 chip as the RF module and then establishes a platform for WSN. The MCU communicate with the RF module by the SPI interface. On the system software design aspect, I use current protocol, API function and source code to code a SPI interface software, data transmit program, system test program and configuring software on PC. Finally，I summarize the thesis, prospect and extension in the future has been proceeded based on current groundwork.Keywords: Wireless sensor network ;IEEE 802.15.4;ZigBee;C8051F;CC2430iii目 录主要符号表1 绪 论 .11.1 研究背景 .11.1.1 无线传感器网络 .11.1.2 ZigBee技术 .21.2研究现状 .21.2.1国内研究现状 .31.2.2国外研究现状 .31.3研究目的 .41.3.1无线传感器网络的难点 .41.3.2 ZigBee协议与无线传感器网络的融合 .51.4 论文结构 .62 无线传感器网络 .72.1无线传感器网络的系统构架 .72.2无线传感器网络的体系结构 .82.3无线传感器网络的关键技术 .102.4无线传感器网络的设计原则 .113 ZIGBEE 技术 .133.1 ZIGBEE技术概述 .133.1.1 ZigBee技术的特点 .133.1.2 ZigBee与其他无线通信协议的比较 .153.2 ZIGBEE协议栈结构 .163.2.1 IEEE802.15.4物理层(PHY) .183.2.2 IEEE802.15.4媒介接入控制层(MAC) .203.2.3 ZigBee网络层(NWK) .213.2.4 ZigBee应用层(API) .223.3 ZIGBEE无线网络的组网 .233.3.1网络管理服务 .243.3.2数据传输服务 .263.4 ZIGBEE技术应用简介 .284 基于 ZIGBEE 技术的无线传感器网络平台硬件概述 .314.1传感器节点设计方案 .31iv4.2主控模块的选择 .314.3传感器节点功能模块选择 .324.3.1射频通信模块 .324.3.2电源模块 .334.3.3接口和传感器模块 .345 ZIGBEE 技术的无线传感器网络平台软件设计 .355.1传感器节点软件设计方案 .355.2 ZIGBEE协议栈构架 .375.3网络通信过程模拟 .395.3.1 无线测试 .395.3.2 AES加密解密测试 .435.3.3 串口测试 .436 结 论 .43参考文献 .46致 谢 .48毕业设计（论文）知识产权声明 .51毕业设计（论文）独创性声明 .52附录 源程序清单 .531 绪论11 绪 论1.1 研究背景1.1.1 无线传感器网络随着无线通信、集成电路、传感器以及微机电系统等技术的飞速发展和日益成熟，传感器信息获取技术已经从过去的单一化逐渐向集成化、微型化和网络化的方向发展，无线传感器网络(Wireless Sensor Network,WSN)因此孕育而生。它是由部署在检测区域内大量的微型传感器节点通过无线电通信形成的一个多跳的自组织系统，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域里检测对象的信息，并发送给观察者。无线传感器网络的出现引起了全世界范围的广泛关注。最早开始无线传感器网络技术研究的是美国军方，此后美国国家自然基金委员会设立了大量与其相关的项目，英特尔、波音、摩托罗拉以及西门子等在内的许多公司也都较早加入了无线传感器网络的研究。随着无线传感器网络理论与技术的不断成熟，其应用已经由国防军事领域扩展到环境监测、交通管理、理疗健康、工商服务、反恐抗灾等诸多领域，使人们在任何时间、任何地点和任何环境条件下都能够获取大量详实可靠的信息，最终成为一种“ 无处不在”的传感技术。无线传感器网络是一种无中心节点的全分布网络。通过随机投放的方式，众多传感器节点被密集部署在监控区域。这些传感器节点集成有传感器、数据处理单元和通信模块，它们通过无线信道相连，自组织地构成网络系统。传感器节点利用其内置的形式多样的传感器，测量所在周边环境的热、红外、声纳、雷达和地震波信号，检测包括温度、湿度、噪声、光强度、压力、土壤成分、移动物体的大小、速度和方向等众多人们感兴趣的物理现象。传感器节点间具有良好的协作能力，通过局部的数据交换来完成全局任务。由于传感器节点的节能要求，多跳、对等的通信方式较之传统的单跳、主从通信方式更适合于无线传感器网络，同时还可有效避免在长距离无线信号传播过程中所遇到的信号衰落和干扰等各种问题。通过网关，传感器网络还可以连接到现有的网络基础设施上，从而将采集到的信息回传给远程的终端用户使用。早在上世纪 70 年代，就出现了将传统传感器采用点对点传输、连接传感控制器而构成传感器网络雏形，我们把它归之为第一代传感器网络。随着相关学科的不断发展和进步，传感器网络同时还具有了获取多种信息的综合处理能力，并通过与传感控制器的相连，组成了有信息综合和处理能力的传感器网络，这是第二代传感器网络。而从上世纪末开始，现场总线技术开始应用于传感器网络，人们用其组建智能化传感西安工业大学北方信息工程学院毕业设计（论文）2器网络，大量多功能传感器被运用，并使用无线技术连接，无线传感器网络逐渐形成。无线传感器网络就是将逻辑上的信息世界与客观上的物理世界融合在一起，改变了人类与自然界的交互方式。人们可以通过传感器网络直接感知客观世界，从而极大地扩展现有网络的功能和人类认识世界的能力。美国商业周刊和 MIT 技术评论在预测未来技术发展的报告中，分别将无线传感器网络列为 21 世纪最有影响的21 项技术和改变世界的 10 大技术之一。无线传感器网络、塑料电子学和仿生人体器官又被称为全球未来的三大高科技产业 1。1.1.2 ZigBee 技术ZigBee 是一种新兴的短距离、低速率无线网络技术，它是一种介于无线标记技术和蓝牙技术之间的技术提案。它有自己的无线电标准，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，所以它们之间的通信效率非常高。最后，这些数据可以进入计算机用于分析或是被另外一种无线技术收集。目前，ZigBee 是部署无线传感器网络的新技术。ZigBee 一词源自蜜蜂群在发现花粉位置时，通过跳 ZigBee 形舞蹈告知同伴，达到交换信息的目的。可以说是一种小的动物通过简捷的方式实现“无线”的沟通。人们借此称呼一种专注于低功耗、低成本、低复杂度、低速短距离无线网络通信技术。完整的 ZigBee 协议栈由物理层、介质链路层、网络层、安全层和应用层。其物理层和介质链路层协议为 IEEE 802.15.4 协议标准，网络层和安全层由 ZigBee 联盟制定，实现节点加入或离开网络、路由查找及数据通信等功能，应用层的开发应用根据用户自己的应用需要，对其进行开发利用。与其它无线协议相比，ZigBee 协议具有以下特点：数据传输速率低、功耗低、成本低、网络容量大、时延短、网络的自组织、自愈能力强、通信可靠。在标准规范的制订方面，主要是 IEEE 802.15.4 小组与 ZigBee 联盟(ZigBeeAlliance)两个组织，两者分别制订硬件与软件标准，两者的角色分工就如同IEEE 802.11 小组与 Wi-Fi 之间的关系。在 IEEE 802.15.4 方面，2000 年 12 月 IEEE成立了 IEEE 802.15.4 小组，负责制订介质链路层(MAC)与物理层(PHY)规范，在2003 年 5 月通过 802.15.4 标准，802.15.4 任务小组目前在着手制订 802.15.4b 标准，此标准主要是加强 802.15.4 标准，包括：解决标准有争议的地方、降低复杂度、提高适应性并考虑新频段的分配等。ZigBee 建立在 802.15.4 标准之上，它确定了可以在不同制造商之间共享的应用纲要。802.15.4 仅定义了物理层和介质链路层，并不足以保证不同的设备之间可以对话，于是便有了 ZigBee 联盟。为推动 ZigBee 技术的发展，Chipcon、Ember、Freescale、Honeywell、Mistubishi、Motorala、Philips 和 Samsung等共同成立了 ZigBee 联盟。目前该联盟已经包含 150 多家会员。根据市场研究机构西安工业大学北方信息工程学院毕业设计（论文）3预测，低功耗、低成本的 ZigBee 技术将在未来两年内得到快速增长，2005 年全球ZigBee 器件的出货量将达到 100 万个，2006 年底将超过 8000 万个，2008 年将超过1.5 亿个 2。1.2 研究现状1.2.1 国内研究现状我国现代意义的无线传感网络及其应用研究几乎与发达国家同步启动，1999 年首次正式出现于中国科学院知识创新工程试点领域方向研究的信息与自动化领域研究报告中，作为该领域提出的五个重大项目之一。随着知识创新工程试点工作的深入，2001 年中科院依托上海微系统所成立微系统研究与发展中心引领院内的相关工作，并通过该中心在无线传感网络的方向上陆续部署了若干重大研究项目和方向性项目，参加单位包括上海微系统所、声学所、微电子所、半导体所、电子所、软件所等十余个研究所，初步建立传感网络系统研究平台，在无线智能传感网络通信技术、微型传感器、传感器节点、簇点和应用系统等方面取得很大的进展。近几年来，国家发改委、科技部、信息产业部等均启动了在无线传感器网络及自组织网络领域的研发项目。 国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020 年)将“传感器网络及智能信息处理“作为未来信息产业及现代服务业的重点方向” 。由于受到了学术界及产业界的普遍关注，无线传感器网络技术正以前所未有的速度发展。国内的许多高校也掀起了无线传感器网络的研究热潮。清华大学、中国科技大学、浙江大学、华中科技大学、天津大学、南开大学、北京邮电大学、东北大学、西北工业大学和西南交通大学等单位纷纷开展了有关无线传感器网络方面的基础研究工作。一些企业如华为技术、中兴通讯公司等单位也加入无线传感器网络研究的行列。1.2.2 国外研究现状在美国自然科学基金委员会的推动下，美国加州大学伯克力分校、麻省理工学院、康奈尔大学和加州大学洛杉矶分校等学校开始了传感器网络的基础理论和关键技术的研究。英国、日本、意大利等国家的一些大学和研究机构也纷纷开展了该领域的研究工作。目前的研究主要集中在传感器网络技术和通信协议的研究上，也开展了一些感知数据查询处理技术的研究，并取得了一些初步研究结果。(1)传感器网络方面的研究加州大学伯克力分校提出了应用网络连通性重构传感器位置的方法，并研制了一个传感器操作系统TinyOS。加州大学洛杉矶分校开发了一个无线传感器网络和西安工业大学北方信息工程学院毕业设计（论文）4一个无线传感器网络模拟环境，用于考察传感器网络各方面的问题。南加州大学提出了在生疏环境部署移动传感器的方法、传感器网络监视结构及其聚集函数计算方法、节省能源的计算聚集的树构造算法等。麻省理工学院开始研究超低能源无线传感器网络的问题，试图解决超低能源无线传感器系统的方法学和技术问题。(2)传感器网络通信协议的研究人们首先对已有的因特网和自组织无线网络的通信协议进行了研究，发现这些协议不适用于传感器网络。康奈尔大学、南加州大学等很多大学开展了传感器网络通信协议的研究，先后提出了几类新的通信协议，包括基于谈判类协议(如 SPINPP 协议、SPINEC 协议、SPINBC 协议、SPINRL 协议)、定向发布类协议、能源敏感类协议、多路径类协议、传播路由类协议、介质存取控制类协议、基于Cluster 的协议和以数据为中心的路由算法。(3)感知数据查询处理技术研究康奈尔大学在感知数据查询处理技术方面开展的研究工作较多。他们研制了一个测试感知数据查询技术性能的 COUGAR 系统，探讨了如何把分布式查询处理技术应用于感知数据查询的处理。加州大学伯克力分校研究了传感器网络的数据查询技术，提出了实现可动态调整的连续查询的处理方法和管理传感器网络上多查询的方法，并研制了一个感知数据库系统 TinyDB。南加州大学研究了传感器网络上的聚集函数的计算方法，提出了节省能源的计算聚集的树构造算法，并通过实验证明了无线通信机制对聚集计算的性能有很大的影响 3。1.3 研究目的1.3.1 无线传感器网络的难点传感器网络是由大量体积小、成本低，具有无线通信、传感、数据处理等能力的传感器节点组成的，传感器节点一般由传感单元、处理单元、收发单元、电源单元等功能模块组成。除此之外根据具体应用的需要，可能还会有定位系统、电源再生单元和移动单元等。在传感器网络中，每个节点的功能都是相同的，大量传感器节点被布置在整个观测区域中，各个传感器节点将所探测到的有用信息通过初步的数据处理和信息融合之后传送给用户，数据传送的过程是通过相邻节点接力传送的方式传送回基站，然后再通过基站以卫星信道或者有线网络连接的方式传送给最终用户。传感器网络与其它传统的网络相比有一些独有的特点，正是由于这些特点使得传感器网络存在很多新问题，提出了很多新的挑战。传感器网络的主要特点有：网络的节点数量大、密度高、节点有一定的故障率；节点在电池能量、计算能力和存储容量等方面有限制；网络的拓扑结构变化很快，以数据为中心。就目前的技术水平来说，让无线传西安工业大学北方信息工程学院毕业设计（论文）5感器网络正常运行并大量投入使用还面临着许多问题：(1)网络内通信问题。无线传感器网络正常通信联系中，信号可能被一些障碍物或其它电子信号干扰而受到影响，而且在同一信道中可能出现数据冲突，怎么安全有效的通信是