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基于ZigBee技术的无线传感器网络的研究 电子信息工程学院 08通信2班 金广浩 主要内容 1. WSN简介 2. 几种常用的无线通信技术 3.ZigBee/IEEE802.15.4技术标准 4.总结与展望 背景概述 无线传感器网络有着十分广泛的应用前景，它不仅在工业、农业、 环境、军事、医疗等传统领域有着巨大的应用价值，在未来许多新兴 领域也有着不可想象的优越性，例如家用、保健、城市交通等。在将 来，无线传感器网络甚至能够渗入到我们生活的角角落落，我们可以 将手机、笔记本电脑、PDA(Personal Digital Assistant,个人数码处理 )等便携装置随时组成网络，构成一个WLAN（Wireless Local Area Network,无线局域网），充分享受“信息随身化、便利走天下”的理想 境界。将WSN用于城市路灯控制，通过布设在道路两侧的无线传感 器网络，来控制路灯的亮度、开关等。将WSN应用到空调系统，来 控制空调的功率和开关，从而能达到节能省电的目的。将WSN应用 到地震、泥石流或滑坡等灾害多发地，能够更好、更安全地协助环境 监测，预报地质灾害。总之，在不久的将来，无线传感器网络必将能 够布满于我们的生活，给我们的生活带来无尽的舒适与便捷。 WSN简介 无线传感器网络是一种特殊的Ad-hoc3网 络，它是一种以数据为中心、自组织多跳 的无线网络。它具有规模大、自组织、部 署方便、以数据为中心、动态网络、通信 灵活等特点。 图1-1是典型的无线传感器网络的体系结构图。完整的WSN体系结构应包 括传感器节点群、sink节点、互联网和用户终端等。大量体积小、成本低 、具有数据采集、处理、融合和无线通信功能的节点通过飞机播撒、人工 布置等方式被部署在监测区域，每个节点都可以感测监测区域内的环境信 息，并以无线、自组织、多跳的方式在相互之间进行通信，并将数据信息 传送到汇聚节点（sink节点），最终由汇聚节点通过Internet、卫星或者 移动通信等方式将数据信息传送到用户终端。如果距离较远，为了提高通 信可靠性，可在sink节点附近增设基站，通过基站与Internet进行连接。 WSN的协议栈结构 典型的WSN协议栈结构图如图1-3所示。该协议栈包括物理层（physical layer）、数据链路层（data link layer）、网络层（network layer）、传输层 （transport layer）和应用层（application layer），分别与互联网协议栈4的 五层协议相对应。同时，WSN协议栈还包括能量管理平台、移动管理平台和 任务管理平台。这些管理平台使得传感器节点能够按照能源高效的方式协同 工作，在节点移动的传感器网络中转发数据，并支持多任务和资源共享。 WSN特点 无线传感器网络是新一代传感器网络，有着鲜明的特点： （1）电源能量有限。节点一般采用自带电源供电，由于它体积 小，所带电能有限，一旦耗完，节点就失去了工作能力。所以， 在硬件设计方面应尽量选用低功耗的器件，在软件方面应采用优 化的程序和通信协议，以保证电能的充足，延长节点的寿命。 （2）无中心、动态拓扑。WSN没有明确的中心，各个节点之间 是对等的；任何节点都可以随时加入或退出网络，而不会影响其 它节点的有效性，只是整个网络的拓扑结构会随之而动态变化。 （3）多跳、自组织。WSN中无需借助于其它辅助设备，完全由 各个节点通过预设的协议和算法自行组织，在相互之间进行多跳 转发数据，快速形成通信网络。同时，节点间通信采用短距离多 跳方式比长距离少跳方式省电，对整个网络的性能更有利。 （4）节点数量多，分布范围广。为了满足探测的需要，需要在 被探测区域投入大量的节点，来监测环境信息。只有这样才能在 监测范围内尽可能多、尽可能准确地获取有价值信息。因而，一 般WSN包含的节点数量非常之多，分布范围之广。 几种常用的无线通信技术 蓝牙技术 红外技术 ZigBee技术 Wi-Fi技术 RFID技术 HomeRF技术 UWB技术 几种无线通信技术对比 技术名称工作频段 传输 范围 (米) 传输 速 率（Mbps） 功 耗(mW) 主要应用 蓝牙2.4GHz1011 -100个人网络 红外0.85mm1016几毫瓦 透明的点到点传 输 ZigBee 2.4GHz/868/ 928MHz 10-100 （加 强型达几千米 ） 0.25/0.04/0.021-3传感器网络 Wi-Fi2.4GHz10011100 个人网络 传感器网络 RFID 135KHz/ 13.56MHz/ 860M/960 MHz/2.4G/ 5.8G 距离多样0.2 无需 供电 识别 、计时 、图 书馆 管理、快 递管理、公路 自动收费等 HomeRF10GHz501-2 1000 以下 家庭网络 UWB3.1 - 10.6 GHz小于10 数百Mbps 至数Gbps 1以下 家庭、检测 、定 位、探距等 ZigBee/IEEE802.15.4技术概述 ZigBee技术是一种具有统一标准的短距离无线通信技术， 其物理层(PHY)和媒体接入控制（MAC）协议为 IEEE802.15.4协议标准，网络层、安全层和应用层由 ZigBee联盟7制定。根据IEEE802.15.4标准，ZigBee的 工作频段分为3个频段，分别为868MHz，915MHz和 2.4GHz。其中2.4GHz频段，分为16个频段，该频段为全 球通用的工业、科学、医学（ISM，Industrial Scientific and Medical）频段，该频段为免费、免申请的无线电频 段，数据传输速率为250kbps，采用偏移四相相移键控调 制技术（OQPSK）；另外两个频段868、915MHz分别适 用于欧洲和美国，其相应的信道个数分别为1个信道和10 个信道，传输速率分别为20kbps和40kbps，分别采用直 接序列扩频技术(DSSS)和二进制相移键控(BPSK)调制技 术。 ZigBee技术特点 相对其它无线通信技术，ZigBee技术有着鲜明的特点： 低功耗。这是ZigBee技术最为显著的一个特点，由于它采用了休眠-唤醒机制，大大减 少能量消耗，两节5号电池可支持一个节点6-24个小时。现在，TI公司和德国的 Micropelt公司共同推出新能源的Zigbee节点，该节点采用Micropelt公司的热电发电机 给TI公司的Zigbee提供电源。 低成本。ZigBee作为WSN的一种重要技术，成本低是它的一大优势，每个 ZigBee芯 片的成本最低能达到十几元人民币，并且ZigBee免协议专利费，这为ZigBee技术的开 发研究和发展奠定了很好的基础。 传输速率低。Zigbee工作在20250 kbps的较低传输速率,分别提供250 kbps(2.4GHz) 、40kbps (915 MHz)和20kbps(868 MHz) 的原始数据吞吐率,满足低速率传输数据的应 用需求。 短距离。传输范围一般介于10100 m 之间,在增大射频功率后,可达到13 km。这指 的是相邻节点间的距离，如果通过路由和节点间通信的接力,传输距离将可以更远。 短时延。Zigbee 的响应速度较快,一般从睡眠转入工作状态只需15 ms ,节点连接进入 网络只需30 ms ,进一步节省了电能。相比较,蓝牙需要310 s、WiFi 需要3 s。 高容量:。ZigBee可采用星型、树型和Mesh网络拓扑结构，由一个主节点管理若千个 子节点，一个主节点最多可以管理254个子节点，同时主节点还可由上一层网络节点管 理，最多可组成65536个节点的网络。 高安全。Zigbee 提供了三级安全模式,包括无安全设定、使用接入控制清单防止非法获 取数据以及采用高级加密标准(AES 128) 的对称密码,以灵活确定其安全属性。 免执照频段。采用工业科学医疗( ISM) 频段,2. 4 GHz (全球) 、915 MHz(美国) 和868 MHz(欧洲) 。 ZigBee技术的体系结构 ZigBee协议栈的体系结构如图3-1所示，物理层和MAC层采用 IEEE802.15.4协议标准，网络层、加密层和应用层由ZigBee联盟制 定。 图3-1 ZigBee协议栈的体系结构 ZigBee技术的网络配置 Zigbee网络中包含两种功能设备，三种节点类型，三种 拓扑结构以及两种工作模式。有了这些基本的知识和功能 单元，我们就可以对ZigBee进行组网。 两种功能设备 ZigBee网络含全功能设备FFD(Full Function Device)和 精简功能设备RFD(Reduced Function Device)两种功能类 型的设备。 三种节点类型 ZigBee网络含三种类型的节点：协调器ZC(ZigBee Coordinator)、路由器ZR(ZigBee Router)和终端设备 ZE(ZigBee EndDevice)，其中协调器和路由器均为全功能 设备(FFD)，而终端设备选用精简功能设备(RFD)。 三种拓扑结构 ZigBee网络拓扑有星形，网形和簇形三种结构 ZigBee组网 ZigBee标准提供了两个必须的功能服务实体，它 们分别为管理服务实体和数据服务实体。管理服 务实体通过网络管理实体服务接入点(NLME- SAP)提供网络管理服务，并允许应用和堆栈相互 作用。数据服务实体生成协议数据单元(PDU)， 并通过数据实体服务接入点(NLDE-SAP)提供数 据传输服务。 ZigBee 路由 路由协议 ZigBee的网络层定义了两种路由方式树形路由（ Tree Routing，TR）和ZigBee距离矢量路由协议（ ZigBee Ad-hoc On-demand Distance Vector Routing， Z