（信号与信息处理专业论文）基于zigbee无线传感器网络的远程数据监测的设计与实现.pdf

摘要 无线传感器网络( w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ，w s n ) 是一种集成了计算机技术、 通信技术、传感器技术的新型智能监控网络，己成为当前无线通信领域研究的 热点。无线传感器网络具有以数据为中心、自组织、可快速部署等特点，非常 适合一些特殊场合的应用。 z i g a e e 技术是一种新兴的基于i e e e8 0 2 1 5 4 无线标准研制开发的有关组 网、安全和应用软件方面的无线通信技术，其典型特点是近距离、低复杂度、低 功耗、低速率、低成本等。z i g b e e 技术的出现，为无线传感器网络的发展提供 了契机。 本文重点研究了如何采用z i g b e e 技术来搭建无线传感器网络，并且利用 z i g b e e 无线传感器网络实现远程数据监测。论文首先介绍了无线传感器网络体 系结构。接着，论文阐述了z i g b e e 技术的优点，本文采用z i g b e e 技术作为无线 传感器网络的传输载体。以这个思路为基础，论文详细分析了z i g b e e 无线传感 器网络的架构，包括网络节点类型和网络拓扑结构等，并对z i g b e e 技术的组网 原理作了详细的研究。 论文采用从j e n n i c e 公司的j n 5 1 2 1 无线通信模块及相关的软硬件开发包， 设计了整个网络的流程，并编写相应的程序，实现了z i g b e e 无线网络的组建与 测试。最后，为了说明z i g b e e 无线传感器网络的应用前景，本文给出了具体的 应用实例，论文利用所组建的无线传感器网络，设计了一个远程数据监测系统， 实现了远程数据的采集和传输。传感器节点通过集成在节点上的传感器模块， 采集温湿度和电压数据，并把这些数据通过z i g b e e 网络传输到协调器节点，协 调器节点负责收集网络上传输过来的数据，通过串口将数据直接发送给上位机， 或者通过g p r s 网、i n t e m e t 等实现远程数据传输。文中还利用v c 语言和a c e s s 数据库等技术，开发了一个简单的数据管理中心软件，数据中心在接收到传感 器网络发送的数据后，完成对数据的解析和存储。论文很好地融合了z i g b e e 技 术、无线传感器网络技术和数据监测技术，实现了远程数据监测系统的设计。 关键词：无线传感器网络( w s n ) ，z i g b e e ，j n 5 1 2 1 模块，远程数据监测 a b s t r a c t w s n ( w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ) i san e wi n t e l l i g e n tc o n t r o la n dm o n i t o r i n g n e t w o r kc o m b i n i n gs e n s o r t e c h n o l o g y w i t h c o m p u t e r a n dc o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g y ，i th a sb e c o m eah o ts p o ti nt h ef i e l do fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n w s n h a sm a n yf e a t u r e ss u c ha sd a t a - o r i g e n t e d 、s e l f - o r g a n i z i n g 、f a s t - d e p l o y e da n ds oo n i t i sv e r ys u i t a b l ef o ra p p l i c a t o n si ns o m es p e c i a lo c c a s i o n t h ez i g b e et e c h n o l o g yi san e ww i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yo nn e t w o r k o r g a n i z i n g 、s e c u r i t ya n ds o f t w a r ea p p l i c a t i o n i ti sb a s e do nt h ei e e e8 0 2 15 4 w i r e l e s ss t a n d a r d a sas h o r td i s t a n c e ，l o wc o m p l e x i t y , l o wp o w e r , l o w - s p e e d , l o w - c o s t t e c h n o l o g y , i t sa p p e a r a n c eh a sp r o v i d e dab i gc h a n c ef o rt h ew i r e l e s ss e n s o r n e t w o r k sd e v e l o p m e n t t h i sp a p e rm a i n l yd e s c r i p e dh o wt ou s ez i g b e et e c h n o l o g yt ob u i l daw i r e l e s s s a t l s o rn e t w o r k ，t h e nu s e dt h ez i g b e ew i r e l e s ss e n s o rn e t w o r kt or e a l i z er e m o t e d a t am o n i t o r i n g f i r s t l y , t h ep a p e ra n a l y z e dt h ew i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k sa r c h i t e c t u r e , a n dm a d ead e t a i l e di n t r o d u c t i o nt ot h ez i g b e et e c h n o l o g y sn e t w o r kp r i n c i p l e t h e n , t h ep a p e rd e s c r i b e dt h ea d v a n t a g e so fz i g b e et e c h n o l o g y ，t h a t sw h yt h ep a p e r a d o p t e dz i g b e et e c h n o l o g ya st h et r a n s m i s s i o nv e c t o ro ft h ew i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k t e c h n o l o g y a f t e rk n o w i n gt h i sb a s i ci d e a , t h ep a p e ra n a l y z e d t h es t r u c t u r eo f z i g b e ew i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s ，i n c l u d i n gn e t w o r kn o d et y p e sa n dn e t w o r k t o p o l o g ys t r u c t u r e ，a n dm a d ead e t a i l e ds t u d y o nt h ep r i n c i p l eo fz i g , b e en e t w o r k i n g t e c h n o l o g y t h ep a p e ru s e dt h ej n 5121w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nm o d u l ew i t ht h er e l a t e d s o f t w a r ea n dh a r d w a r ed e v e l o p m e n tp a c k a g ew h i c hi sp u r c h a s e df r o mj e n n i c e c o r p o r a t i o n ，d e s i g n e dt h ee n t i r en e t w o r kf l o w ,c o m p i l e dt h ec o r r e s p o n d i n gc o d e ， r e a l i z e dt h eo r g n i z i n ga n dt e s t i n go fz i g b e ew i r e l e s sn e t w o r k f i n a l l y , a st oi l l u s t r a t e t h ea p p l i c a t i o np r o s p e c to ft h ez i g b e ew i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ，t h i sp a p e rp r e s e n t s t h ea p p l i c a t i o no fs p e c i f i ce x a m p l e s t h ep a p e rd e s i g n e dar e m o t ed a t am o n i t o r i n g s y s t e mb yu s i n gt h ew i r e l e s ss e n s o rn e t w o r kb u i l db e f o r e , r e a l i z e dar e m o t ed a t a u a c q u i s i t i o na n dt r a n s m i s s i o n t h es e n s o rn o d ec o u l dc o l l e c tt e m p e r a t u r e ，h u m i d i t y a n dv o l t a g ed a t ab yu s i n gt h es e n s o rm o d u l ei n t e g r a t e do nt h en o d e ，t h e nt h es e n s o r n o d et r a n s m i t e dt h e s ed a t at ot h ec o o r d i n a t o rt h r o u g ht h ez i g b e en e t w o r k , t h e c o o r d i n a t o rn o d ew a sr e s p o n s i b l ef o rc o l l e c t i n gt h ed a t ae v e l t h en e t w o r k , a n dt h e n t r a n s m i t e dt h ed a t at ot h eh o s tm a c h i n ev i at h es e r i a lp o r t ，o r t h r o u g ht h eg p r s n e t w o r ka n di n t e m e t , r e a l i z e dt h er e m o t et r a n s m i s s i o no fd a t a t h ep a p e ra l s ou s e d v cl a n g u a g ea n da c e s sd a t a b a s e t e c h n o l o g y , d e v e l o p e da s i m p l ed a t a m a n a g e m e n te o n t e rs o f t w a r e , t h ed a t am a n a g e m e n tc e n t e rc o u l dc o m p l e t ed a t a a n a l y s i sa n ds t o r a g ea f t e rr e c e i v i n g t h ed a t as e n to v e rt h es e n s o rn e t w o r k t h ep a p e r p e r f e c t l yc o n b i n e dz i g b e et e c h n o l o g y , t w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r kt e c h n o l o g ya n dd a t a m o n i t o r i n gt e c h n o l o g y , r e a l i z e dt h ed e s i g no fr e m o t ed a t am o m t o r i n gs y s t e m k e yw o r d s ：w s n ，z i g s e e ，i e e e 8 0 2 15 4 ，j n 5 121 ，r e m o t ed a t am o n i t o r i n g i i i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 武汉理工大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示了谢意。 签名：鱼盘日期：趁险：! 乜 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息 服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ： g 导师( 签名) ：至! 垄? 日期：狲 ：f 口 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 论文研究背景及研究意义 无线传感器网络【1 ( w i r e l e s ss e n s o r n e t w o r k ，w s n ) 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，其目的是协作和感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信 息，并发送给观察者。如果说i n t e r n e t 构成了逻辑上的信息世界，改变了人与人 之间的沟通方式，那么，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，从而极大的扩展现有网络的功能和人类认知世界的能力。 z i g b e e 技术【2 】是一种基于i e e e 8 0 2 1 5 4 协议标准而产生的新兴无线通行技 术。相对于现有的其它无线通信技术，z i g b e e 技术具有短距离、低复杂度、低功 耗、低数据速率、低成本等显著特点。由于z i g b e e 技术的特性，决定t z i g b e e 技术适合于承载数据流量较小的业务。而这些特点正符合无线传感器网络的要 求。z i g b e e 技术可协调数千个微小的传感器节点之间的相互通信。这些传感器节 点只需要很少的能量，以接力的方式通过无线电波将数据从一个传感器节点传 到另一个传感器节点，通信效率高。因此，z i g b e e 技术是实现无线传感器网络的 最佳选择，z i g b e e 技术的出现为无线传感器网络的发展提供了契机。 无线传感器网络以其自组织性、体积小、成本低、灵活性等优点，在军事、 环境科学、医疗、商业等领域都有着广泛的应用。z i g b e e 技术也是近年来新兴的 一种技术，具有其独特的优点。利用z i g b e e 技术作为无线传感器网络的传输载体， 将会使无线传感器网络更能充分发挥其优势。为了与实际应用向结合，本文在 z i g b e e 无线传感器网络的基础上，设计实现了远程数据监测系统。远程数据监测 系统就是利用传感器节点采集数据，并通过z i g b e e i 网络传输数据，实现数据的远 程监测。所以，z i g b e e 技术、无线传感器网络技术、远程数据监测技术，这三个 技术将是本文重点研究的三种技术。本论文很好的将这三个技术融合在了一起， 实现了基于z i g b e e 无线传感器网络的远程数据监测的研究与设计。本文以实际应 用为出发点，充分展现t z i g b e e 无线传感器网络的优点及其广阔的应用前景。 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 国内外研究现状 传感器网络的研究【3 】起步于2 0 世纪9 0 年代末期。国际上，1 9 9 9 年和2 0 0 3 年著 名的美国商业周刊和m i t 技术评论t e e h n o l o g y r e v i e w 在预测未来技术发展的报 告中，分别将其列为2 1 世纪最具影响的2 l 项技术和改变世界的l o 大新技术之一。 国际上许多著名的大学和公司纷纷从不同的层次、不同的角度对传感器网络进 行了研究和开发。国内关于传感器网络的研究起步晚，这方面的工作也很少， 但目前已越来越受重视。国家发展改革委办公厅下发的“关于组织实施下一代互 联网示范工程2 0 0 5 年研究开发，产业化及应用试验的通知”中己将传感器网络及 家庭网络列为了支持的重点。 z i g b e e 技术是刚刚发展起来的很有市场潜力的一种技术。它是为了满足低功 耗、低成本的无线网络要求而诞生的。i e e e 标准委员会【4 】在2 0 0 0 年1 2 月份正式批 准并成立了8 0 2 1 5 4 工作组，任务就是开发一个低数据率的w a n ( l r w p a n ) 标 准。目前，各大国外i c 厂商纷纷推出自己的z i g b e e 解决方案，国内在z i g b e e 产品 的开发上起步较晚，但是进展很快，已有多家公司开发出来自己的z i g b e e 模块， 同时，国内的很多学校和研究所也相继开始y z i g b c c 产品的研究。 随着计算机技术、多媒体技术和网络技术的发展，远程数据监测【5 】系统已广 泛应用在电信、电力、交通、银行、宾馆、智能住宅小区等领域，在保障人民 生命安全、提高工作效率方面起到了举足轻重的作用。它成功地实现了图像信 号的数字化，以数据传输网络为载体，如电话网、光纤、以太网、5 a t c m c t 、g p r s 等，更利于实现集中监视、统一调度、优化管理。因此，远程数据监测系统在 现代社会中所扮演的角色越来越重要。 远程数据监测系统的主要目的就是将采集到的数据传输到监测中心，实现 方式有多种，其本质上的差异是它们所采取的通信方式不同。随着电信技术的 迅猛发展，主要的通信方式大体分为两种：有线方式一如电话固网传输方式， i n t e r n e t 网传输方式。无线方式一如无线电台数据传输方式、无线集群通信方式、 g s m 短消息通信方式、g s m ( c d m a ) 通信方式和g p r s 通信方式。 基于这些技术，目前市场上已有很多的远程数据监测产品，但它们有很多 的局限性。如：信息中心与各节点之间的数据通信【6 】主要采用手工抄录或者是有 线传输。采用有线传输时，会存在速度慢，费用高，网络受限等缺点。同时， 由于各采集点分布范围广、数量多、距离远，个别采集点地处偏僻，有些采集点有 2 武汉理工大学硕士学位论文 线线路难以到达。采用无线传输时，也会存在费用较高，现有无线网络覆盖不 到等弊端。鉴于此，本文所设计的基于z i g b e e 无线传感器网络的远程数据监测系 统就可以很好的解决这些难题。本系统采用z i g b e e 无线网络作为传输手段， z i g a e e 无线网络是一种自组织网络，大量的节点可自动的组建成无线网络，无需 布线，节点位置可自由移动，组网灵活，而且无需承担通信费用。所以，本文 结合z i g a e e f 专感器网络所设计的远程数据监测系统，不仅具有很强的研究价值， 而且具有很广阔的应用前景。 1 3 论文结构及主要内容 根据目前无线传感器网络技术和z i g b e e 技术的发展状况、研究热点，结合 国内外研究现状，本文深入研究了z i g b e e 技术的工作原理，并利用z i g b 技术 实现了无线传感器网络的组建和测试。最后，论文结合远程数据监测系统的设 计，重点分析了基于z i g b e e 技术的无线传感器网络的应用。本论文共分为六章， 各章内容简介如下： 第1 章绪论 介绍了无线传感器网络的研究背景、研究现状，课题的研究意义。 第2 章无线传感器网络技术及z i g b e e 技术简介 分析了无线传感器网络体系结构，并研究了z i g b e e 技术的基本原理。 第3 章基于z i g b e e 技术的无线传感器网络节点开发环境 分析了本文中用于无线传感器网络节点开发的硬件开发环境和软件开发环 境，给出了节点的硬件结构图。 第4 章无线传感器网络节点软件设计 本章是论文的重点，在节点软件和硬件开发环境下，本章给出了节点程序 的详细设计过程，实现了基于z i g b e e 技术的无线传感器网络的组建。 第5 章远程数据监测系统设计与实现 前面章节给出了z i g b e e 无线传感器网络设计与组网，本章结合实际的应用， 设计并实现了基于传感器网络的远程数据检测应用系统 第6 章总结与展望 对本文的研究工作进行了总结，指出了论文的优点和有待改进之处，并对 后续工作进行了展望。 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章无线传感器网络技术及z i g b e e 技术概述 2 1 无线传感器网络技术简介 无线传感器网络就是在监测区域内，通过飞机布撒r 7 】或人工布置等方式，随 机部署很多的传感器节点，这些节点通过自组织的方式自动构建成无线网络， 通过节点上集成的各种传感器，以协作的方式感知、采集和传输监测区中的特 定信息，实现对监测区域内任意地点信息在任意时间的采集、处理和分析。 无线传感器网络由大量的传感器节点组成，这些传感器节点同时把传感器 模块、数据处理模块和无线通信模块集成在一起，构成了一个同时具有数据处 理功能和无线通信功能的传感器互连系统，该系统能完成各种复杂的监控任务。 无线传感网络具有自组织、低功耗、廉价、可快速部署和可扩张性强等优点， 非常适合在特殊时刻、特殊环境中快速构建信息基础设施，因此具有广阔的应 用前景。 无线传感器网络无论是在国家安全，还是国民经济诸方面均有着广泛的应 用前景。未来，传感器网络将向天、空、海、陆、地下一体化综合传感器网络 的方向发展，最终将成为现实世界和数字世界的接口，深入到人们生活的各个 层面，像互联网一样改变人们的生活方式。微型、高可靠、多功能、集成化的 传感器，低功耗、高性能的专用集成电路，微型、大容量的能源，高效、高可 靠的网络协议和操作系统，面向应用、低计算量的模式识别和数据融合算法， 低功耗、自适应的网络结构，以及在现实环境的各种应用模式等课题是研究的 重点。 2 2 无线传感器网络体系结构 2 2 1 传感器网络结构 在一个典型的无线传感器网络中，通常包括传感器节, 点( s e n s o rn o d e ) 、汇聚 节点( s i n kn o d e ) 、任务管理节点( t a s k m a n a g e rn o d e ) 。无线传感器网络体系结构 如图2 1 所示。根据节点自身的位置是否已知，传感器节点可分为锚节点( a n c h o r 4 武汉理工大学硕士学位论文 n o d e ) 或信标节点( b e a c o nn o d e ) 和未知节点( u n k n o w nn o d e ) 。锚节点的位置已 知，未知节点通过测算与锚节点的距离，再通过相关计算，或者使用其他的定 位算法，可得知自己的位置。这种以自组织形式构成的网络，通过多跳中继方 式将数据传输到汇聚节点，最后借助互联网或卫星将整个区域内的数据传送到 远程任务管理节点进行集中处理，用户也可以通过管理节点对传感器网络进行 配置和管理。 图2 1 无线传感器网络体系结构 在传感器网络中绝大多数的传感器节点通常是一个微型的嵌入式系统【8 】，它 的计算能力、存储能力和通信能力相对较弱，通过携带能量有限的电池供电。 从网络功能上看，每个传感器节点兼顾传统网络中终端和路由器的双重功能， 除了进行本地信息采集和数据处理外，还要对其他节点转发来的数据进行存储、 管理、融合和转发等处理，同时与其它节点协作完成一些特定任务。普通传感 器节点中有一类比较特殊的节点一信标节点，信标节点配备了全球定位系统， 或者由人工布置在检测区域，因而己知自身位置。此外，因为具有定位未知节 点的任务，信标节点相对于未知节点还具有一些特殊的软、硬件性能。汇聚节 点的处理能力、存储能力和通信能力相对较强，具有较高的电能。它连接传感 器网络与外部公共网络，实现两种协议栈之间的通信协议转换，同时发布管理 节点的监测任务。 2 2 2 传感器节点构成 传感器节点一般由传感器模块、处理器模块、无线通信模块和能量供应模 块四部分构成，传感器模块负责监测区域内信息的采集和数据转换；处理器模 武汉理工大学硕士学位论文 块负责控件整个传感器节点的操作，存储和处理本身采集的数据以及其它节点 发送来的数据；无线通信模块负责与其他传感器节点进行无线通信，交换控制 信息和收发采集数据；能量供应模块为传感器节点提供运行所需的能量，通常 采用微型电池供电。传感器节点体系结构如图2 - 2 所示。 镗感器模块兰窖唑。 无线通信模块 ；i i 副离h 压丽丽 r 一一一一一jj 掣；：= = = 乙一一jc 一一一一- 一一一i 一一一一一i l能曩供应模块 图2 2 传感器网络节点体系结构 2 3z i g b e e 技术简介 z i g b e e 技术是一种短距离、低速率的无线通信技术【9 】或无线网络技术，是一 组基于i e e e8 0 2 1 5 4 无线标准研制开发的有关组网、安全和应用软件方面的通信 技术。 z i g b e e 技术的特点： z i g b e e 技术主要具有低速率、低功耗、低成本、短时延和高安全性等特点。 ( 1 ) 低速率，z i g b e e 技术的数据传输速率只有2 0 2 5 0 k b s ( 2 4 g h z ) 、 4 0 k b s ( 9 1 5 m h z ) 和2 0 k b s ( 8 6 8 m h z ) 的原始数据吞吐率，主要适用于低速率传输数 据的应用场景。 ( 2 ) 低功耗，z i g b e e 节点一般使用电池供电，在低功耗待机模式下，两节普 通5 号电池可使用6 2 4 个月，免去了充电或者频繁更换电池的麻烦。 ( 3 ) 低成本，l 酗z i g b e e 数据传输速率低，协议简单，所以大大降低了开发 成本，并r z i g b e e 协议免收专利费用。z i g b e e 网络节点的硬件成本一般可控制在 1 0 0 0 元以下。 ( 4 ) 短时延，z i g b e e 的响应速度较快，一般从睡眠状态唤醒到工作状态只需 要1 5 m s ，节点连接进入网络只需要3 0 m s ，进一步节约了能源。 ( 5 ) 安全性高，z i g b e e 提供了三级安全模式。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( a s e 一1 2 8 ) 的对称密码，以灵活地确定其安全 6 武汉理工大学硕士学位论文 性。 z i g b e e 与其他几种无线通信技术，如w i - f i 和蓝牙技术相比，突出特点是 应用简单，电池寿命长，有组网能力，可靠性高以及成本低。z i g b e e 技术拥有 低数据速率和通信范围较小的特点，这也决定了z i g b e e 技术适合于承载数据流 量较小的业务。z i g b e e 技术的目标就是针对工业、家庭自动化、遥测遥控、汽 车自动化、农业自动化和医疗护理等，例如灯光自动化控制，传感器的无线数 据采集和监控n 们，油田、电力、矿山和物流管理等应用领域。 2 4z i g b e e 网络结构 2 4 1z i g b e e 网络节点类型 z i g b e e 网络中的节点按通信能力可分为两种：全功能设备( f u l l f u n c t i o n d e v i c e ，f f d ) 和精简功能设备( r e d u c e d - f u n c t i o nd e v i c e ，r f d ) 。 ( 1 ) 全功能设备( f f d ) ：全功能设备具有z i g b e e 协议规定的所有功能及特 性，具有足够的计算能力和存储容量，能够在网络中充当协调器、路由器，当 然也能够作为终端节点工作。 ( 2 ) 精简功能设备( r f d ) ：精简功能设备功能受限，只能作为终端节点工 作，精简功能设备降低了节点的复杂度和成本。 f f d 设备之间以及f f d 设备与r f d 设备【1 1 】之间都可以通信，r f d 设备之 间不能直接通信，只能与f f d 设备通信，或者通过一个f f d 设备向外转发数据。 上文提到的全功能设备( f f d ) 和精简功能设备( i 强d ) 是按节点的通信能 力划分。实际上，从节点的功能角度出发，z i g b e e 标准规定了三种类型的网络 节点：协调器( c o o r d i n a t o r ) 、路由器( r o u t e r ) 、终端节点( e n dd e v i c e ) 。这三 种节点类型的定义如下： ( 1 ) 协调器( c o o r d i n a t o r ) 协调器是全功能设备( f f d ) 。不论z i g b e e 网络采用何种拓扑方式【1 2 1 ，网 络中都需要有一个并且只能有一个协调器节点。协调器是整个网络的核心，协 调器在网络层的任务是：选择网络所使用的频率通道：建立网络并允许其它节 点加入网络；提供信息路由，安全管理和其它的服务。在建立了网络并完成了 整个网络的初始化后，即使关闭协调器节点，网络仍然可以正常工作。 7 武汉理工大学硕士学位论文 ( 2 ) 路由器( r o u t e r ) 路由器也是全功能设备( f f d ) 。如果z i g b e e 网络采用了树形【1 3 】或者是星形 拓扑结构，就需要用到路由器这种类型的节点。路由器节点负责数据的路由与 转发功能。一个z i g b e e 网络可以有多个路由器，路由器节点是z i g b e e 网络远距 离延伸的关键部件。路由器节点的主要功能就是：发送和接收节点自身信息； 在节点之间转发数据；容许子节点通过它加入网络。 ( 3 ) 终端设备( e n dd e v i c e ) 终端设备可以是精简功能设备( r f d ) 。终端设备节点的主要任务就是发送 和接收信息 2 4 j 。通常一个终端设备节点是由电池供电的，并且当它不在数据收 发状态的时候它通常都是处于休眠状态以节省电能。需要说明的是终端节点不 能够转发信息也不能够让其它节点加入网络。 z i g b o e 标准规定一个单一的网络中最多可以容纳【1 4 1 6 5 5 3 5 个节点，z i g b e e 网络的所有节点都属于三种节点中的一种，实际上三种节点类型都是网络层的 概念，它们决定了网络的拓扑结构。关于网络拓扑结构的概念将在下一节中详 细的介绍。 2 4 2z i g b e e 网络拓扑结构 ( 1 ) 星形拓扑 9 q o e 一掀 、；，o e n d d e v i c e 、o o 一：疋o 图2 3 星状拓扑结构 星形拓扑结构如图2 3 所示。这种拓扑结构是最简单的一种拓扑结构。星形 拓扑【1 5 1 包含一个协调器节点和一系列的终端节点。每一个终端节点都只能和协 、b 武汉理工大学硕士学位论文 调罂节点传输数据。如果需要在两个终端节点之问进行通讯必须通过协调器节 点进行信息的转发。这种拓扑结构的缺点是节点之问的数据路由只有唯一路径 协调器有可能成为整个网络的瓶颈，但其结构简单。 ( 2 ) 树形拓扑 树形拓扑结构包括一个协调器以及一系列的路由器和终端节点。协调器连 接一系列的路由器和终端节点。其子节点的路由器也可以连接一系列的路由器和 终端节点，这样可以重复多千层级。树形拓扑的结构如图2 - 4 所示。 ，一、 r 了77 、p c t ” i 。m ：。 ， 、 o “”m ” 一7j 、烹、 i ，奄 ；| 。j j cc l 固。 图2 _ 4 树状拓扑结构 树形拓扑中的通讯规则：每一个节点都只能和他的父节点和予节点之间通 讯；如果需要从一个节点向另一个节点发送数据，那么信息将沿着树的路径向 上传递到最近韵祖先节点然后再向下传递到目标节点。这种拓扑方式的缺点是 信息只有唯一路由通道。 ( 3 ) 网状拓扑 网状拓扑包含个协调器和一系列的路由器和终端节点。网状网络拓扑具 有更加灵活的信息路由规则，通讯更有效率，某个路由路径出现问题，信息可 自动沿其它路由路径进行传输。任两个节点可相互传输数据e 2 5 ，数据可直接传 送或在传输过程中经多级路由转发。在路由过程中，网络会自动按照z i 窟b 钟协 议算法选择较好的路由路径作为数据传输通道，以使得网络更稳定。在z i g b 无线信号覆盖范围之内，路由级数越少，数据传输延时越小。网络层会提供相 应的路由探索功能，这一特性使得网络层可以找到信息传输的最优化路径，应 用层不需要任何参与。网状拓扑结构如图2 - 5 所示。 武汉理工大学硕士学位论文 ，、 一7 、o 。* 一 ， 、。x 一 厂、，叠o “m c g 7 ，、曩、 ，、i0i 、， 一 一 图2 - 5 网状拓扑结构 需要特别指出的是，z i g b e c 网络的拓捧结构是由网络层1 ”来实现的，应用 层不作参与，通常来说z i 班网络采用任何一种拓扑形式只是为了实现网络中 信息高效稳定的传输，在实际的应用中是不必关心z i g b e e 网络的组织形式1 7 l 的。 2 5z i 【g b e e 协议栈架构简介 z i 曲标准定义了一种网络协议，这种协议能够确保无线设备在低成本、 低功耗和低据速率网络中的互操作性【i ”。z i g b e e 协议栈构建在i e e e8 0 2 1 5 4 标 准基础之上，i e e e8 0 21 5 4 标准定义了m a c 和p h y 层的协议标准。m a c 和 p h y 层定义了射频以及相邻的网络设各之间的通讯标准。而z i 妒协议栈则定 义了网络层，应用层和安全服务层的标准。z i 妒协议的层次架构例如图2 - 6 所示。越向下越贴近硬件越向上越贴近应用程序。 图2 - 6 z i 邱e e 协议框架 武汉理工大学硕士学位论文 本文中节点程序程序开发所使用的是由j e n n i c 公司开发的协议栈， j e n n i c 公司的z i g b e e 协议栈提供以下四类开发接口a p i ： ( 1 ) a p p l i c a t i o nd e v e l o p m e n t ( a d ) a p i ( 2 ) a p p l i c a t i o nf r a m e w o r k ( a f ) a p i s ( 3 ) z i g b e ed e v i c ep r o f i l e ( z d p ) a p i s ( 4 ) b a s i co p e r a t i n gs y s t e m ( b o s ) a p i a da p i 使应用框架和节点设备对象【1 8 】进行交互，设置节点类型，和解析应 用接收到的数据帧；a f a p i s 用来创建和发送数据请求和添加、修改、删除设备 的描述；z d p a p i s 用于和远程节点的z i g b c c 设备对象进行交互，获取网络中其 他节点的信息。节点地址，网络设备信息，绑定或解除绑定网络设备获取一些 管理信息比如路由表和绑定表，在网络节点间建立直接【1 9 1 的通信关系；b o sa p i 用于与运行j e n n i ez i g b e c 协议栈的b o s 进行交互，提供的功能有：注册用户 任务、处理应用程序和b o s 间的时间和消息、中断管理【2 0 】和内存管理。图2 7 显示了这些a p i 函数在软件层次上如何交互。 2 6 本章小结 图2 7z i g , b e e 协议栈架构 本章主要介绍了无线传感器网络技术及z i g b e e 技术的相关理论和概念，阐 述了无线传感器网络的体系结构，并分析了z i g b e e 协议栈的架构。一个典型的 武汉理工大学硕士学位论文 无线传感器网络一般由很多的传感器节点组成，这些传感器节点协同的完成工 作。各传感器节点通过集成在其上的微型传感器采集数据，并通过无线传感器 网络传输到中心节点，中心节点完成与外部网络的数据交互。z i g b e e 协议栈构 建在i e e e8 0 2 1 5 4 标准基础之上，z i g b e e 协议栈为用户提供了很多的a p i 接1 2 1 函数，方便用户在此基础上开发z i g b e e 节点程序。z i g b e e 网络节点主要分为协 调器、路由器、终端设备三种类型，任何z i g b e e 网络节点都是这三种类型中的 一种。z i g , b e e 网络主要分为三种网络拓扑结构：星形拓扑、树形拓扑、网状拓 扑。每一种拓扑结构都有其自身的优点和缺点，在具体应用中，应根据实际情 况，选择适当的网络拓扑结构。本章内容主要是为下文的研究打下基础。 1 2 武汉理_ 【= 大学硕士学位论文 第3 章基于z i g b e e 技术的传感器网络节点开发环境 3 1 节点开发硬件环境 无线传感器网络节点一般应由以下几个部分：数据处理单元( 包括微控制 器、存储器等) 、射频收发单元( 包括射频收发器、天线等) 、传感器单元( 各种 传感器件) 以及电源。在实际的应用中，我们应根据具体的应用场合选择相应 的器件，组装成适合特殊应用场合的传感器网络节点。本文旨在研究传感器网 络的整体结构，为了缩短开发周期降低开发成本，选择使用由j e n n i c 公司开 发的j n 5 1 2 1 一m 一2 ”无线射频收发模块，该模块是由j e n n i c 公司生产的高度集 成化产品，本人所做的研究工作主要就是基于此丌发模块的。 3 11j n 5 1 2 1 - - m 0 模块结构及特性 j n 5 1 2 1 - m 0 模块是基于j n 5 1 2 1 芯片所开发的模块产品图，泼模块集成了所有 的射频组件和无线微控制器。j n 5 1 2 1 芯片是j e n n i c 公司生产的第一款支持8 0 2 1 5 4 协议的低功耗无线微控制器。该芯片内置一款3 2 位的r i s c 处理器，配有2 4 g h z 频 段的1 e e e s 0 2 1 5 4 标准的无线收发器，6 4 k b 的r o m 和9 6 k b 的r a m 。芯片的r o m 中固化了i e e e 8 0 21 5 4 协议，芯片还有极其丰富的外围接口和器件，大大降低了用户 开发z i 妇无线网络的难度。控制器结构如图3 - 1 所示。 一隋翠 l 一专豳 赫徽 图3 - 1j n 5 1 2 1 控制器结构图 晒 武汉理工太学硕士学位论文 j n 5 1 2 1 - - m 0 模块包含一颗j n 5 1 2 1 无线微控制器、一片陶瓷天线、一个 1 6 m h z 的晶体振荡器、一片容量为1 m 的f l a s h 存储器 纠以及少量的寄存器和 电容器，j n 5 1 2 1 - - m 0 模块的外形图如图3 - 2 所示。 图3 - 2j n 5 1 2 1m 0 模块的外形图 模块的管脚图如图3 - 3 所示。模块提供如下接口： ( 1 ) 五个s p i 接口： ( 2 1 两个u a r t 串口； ( 3 1 两个可编程定时计时器； ( 4 ) 两线的1 2 c 口： ( 5 ) 2 1 个通用的i o 口( 部分和u a r t 复用) ： ( 6 ) 四路1 2 b i t ，1 0 0 k b p s 的a d c ； ( 7 ) 两路1 1 位的d a c ： ( 8 ) 一个比较器： ( 9 】内部的温湿度和电压传感器。 武汉理工大学硕士学位论文 d c o a c t2 o a c z3 m p + o d f k5 s p i c l kt s p i m l s o7 s p l m o s ；8 s p f s s z0 d k ) o 虑p l s e l o o l o 愿p l 链l 2 ” 0 ) ：! 鹰p l s l s 2 s p f s s m ，3 s p l s w p ， o k x l ，8 r 、1 8 c l 4 ， 耋薹薹耋萋茎量。萋室塞委 图3 - 3j n 5 1 2 1 一m 0 模块管脚图 3 1 2 小5 1 2 l 传感器板 4 a o c 3 0a d c 2 3 a d c 3 0n c 3 7n c 3 jo k x o ，r 期b l 3 5d k m9 厂r x d l 3 d 0 r8 ，r t s ，3d l c m7 ，c t s 3