（测试计量技术及仪器专业论文）基于zigbee技术的无线自组网传感器网络设计.pdf

基于z i g b e e 技术的无线自组网传感器网络设计 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 s ，w s n s ) 被广泛应用于环境探 测、天气预报、安全、监控，以及分布式计算和目标区域成像等领域，在军事、 医疗和民用等方面的应用具有深远意义。传感器网络系统集采集、传输、融合 分析于一体，对于庞大的测控系统，过多的线路连接会使系统成本较高且不易 维护，尤其是在现场装置空间位置不固定的情况下，采用无线传感器技术能够 解决这方面的问题。 当前，温度检测有三个主要的研究方向：一是由点到线、由线到面，实现 对温度场的检测；二是由表及里，通过表面检测物体内部的温度；三是由有线 到无线，方便对运动物体的检测。 本文根据温度检测的研究方向，在对几种近距离无线通信协议进行分析和 比较的基础上，选用z i g b e e 技术作为基本通讯协议，并基于该协议设计并实现 了无线测温系统。 首先，对温度测量系统进行了概述，其中重点介绍了无线网络在温度测量 系统中的特点和优势，接着介绍了无线传感网络的相关知识。 其次，对z i g b e e 协议进行了介绍，并在众多方案的基础上，提出了基于射 频一体化芯片c c 2 4 3 0 的无线传感器网络节点和基于a r m 7 内核的$ 3 c 4 4 8 0 芯 片的网关设计方案。并在此方案的基础上组建了无线测温平台。 最后，以区域温度测量为实际应用对象，搭建了一个简单的测试平台，验 证该平台作为测控系统组成部分的可实现性和自组网性。 关键词：z i g b e e 测温平台无线传感器网络 t h e d e s i g no fs e l f - o r g a n i z i n gw i r e l e s sn e t w o r k b a s e do n z i g b e et e c h n o l o g y a b s t r a c t w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k si su s e dw i d e l yi ne n v i r o n m e n te x p l o r a t i o n ，w e a t h e r f o r e c a s t ，s a f e t y ，m o n i t o r ，d i s t r i b u t e dc o m p u t i n ga n dt a r g e ti m a g i n g ，a n di ta l s oh a s p r o f o u n ds i g n i f i c a n c ei nm i l i t a r y ，h e a l t h c a r e a n dc i v i lf i e l d s s e n s o rn e t w o r k s c o n t a i n sa c q u i s i t i o n ，t r a n s m i s s i o na n df u s i o na n a l y s i s ，w h i c hi sg a t h e ri ni n t e g r a l w h o l e f o rah u g em e a s u r i n ga n dc o n t r o l l i n gs y s t e m ，m o r el i n ec o n n e c t i o nw i l l m a k et h eh i g h e rc o s tt h es y s t e mt h eu n e a s em a i n t e n a n c e ，e s p e c i a l l yi nt h ec o n d i t i o n o fn o n f i x i n gp o s i t i o n ，u s i n gt h ew i r e l e s ss e n s o r n e t w o r k sc a ns o l v i n gt h e p r o b l e m s c u r r e n t l y ，t h e r eh a st h r e er e s e a r c hd i r e c t i o ni nt e m p e r a t u r ed e t e c t i o n ：o n ei s f r o mp o i n tt ol i n e ，f r o ml i n et os u r f a c e ，r e a l i z e dt h em e a s u r e m e n to ft e m p e r a t u r e f i e l d ；s e c o n d ，f r o ms u r f a c et oi n s i d e ，m e a s u r et h ei n n e rt e m p e r a t u r ef r o ms u r f a c e ； t h i r d ，f r o mw i r et ow i r e l e s s ，e a s yt om e a s u r em o v i n go b j e c t a c c o r d i n gt ot h er e s e a r c hd i r e c t i o no ft e m p e r a t u r ed e t e c t i o n ，t h i sp a p e ru s e z i g b e et e c h n o l o g y a st h eb a s i cc o m m u n i c a t i o np r o t o c o l ，w h i c hb a s e do nt h e a n a l y s i sa n dc o m p a r i s o no fs e v e r a lc o m m u n i c a t i o np r o t o c o l s f i r s t ，t h i sp a p e rs u m m a r yt h et e m p e r a t u r ed e t e c t i o ns y s t e m ，a n de m p h a t i c a l l y i n t r o d u c e sa d v a n t a g e so fw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r ki nt e m p e r a t u r ed e t e c t i o n ，t h e n i n t r o d u c et h er e l a t e dk n o w l e d g ea b o u tw i r e l e s sn e t w o r k s e c o n d ，t h i sp a p e ri si n t r o d u c e dt h ez i g b e ep r o t o c o l ，a n dt h e np r o p o s et h e d e s i g ns c h e m eb a s e do nc c 2 4 3 0a n d $ 3 c 4 4 8 0 f i n a l l y , b yu s i n gr e g i o n a lt e m p e r a t u r ed e t e c t i o nf o rp r a c t i c a la p p l i c a t i o n ，t h i s p a p e rc o n s i s tat e s tp l a t f o r m ，p r o v e dt h er e a l i z a b i l i t ya n ds e l f - o r g a n i z i n go ft h e c o m p o n e n to fm e a s u r i n ga n dc o n t r o l l i n gs y s t e m k e y w o r d s ：z i g b e e ；t e m p e r a t u r ed e t e c t i o n ；p l a t f o r m w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s ； 插图清单 图1 1 模拟温度测量系统框图l 图1 2 数字温度测量系统框图1 图1 3 典型的无线传感器网络2 图2 1z i g b e e 网络拓扑结构8 图2 2z i g b e e 协议架构10 图3 1 温度测量系统结构图1 4 图4 1 节点功能框图16 图4 2 节点原理框图1 6 图4 3c c 2 4 3 0 外围电路图1 8 图4 4s h t ll 尺寸图19 图4 5s h t ll 接口电路图2 0 图4 6 倒f 天线模型图2 0 图4 7 天线的s1 1 参数图2 l 图4 8 天线阻抗图2 1 图4 9 天线驻波比2 1 图4 10 天线二维增益图2 2 图4 1 1 天线三维增益图2 2 图4 1 2 完整功能节点供电原理图2 3 图4 一l3 简化功能节点p c b 图2 3 图4 1 4 简化功能节点实物图2 3 图4 15 网关原理结构图2 4 图4 16 处理器原理图2 5 图4 1 7u s b 接口电路图一2 6 图4 18 以太网接口电路图2 7 图4 19f l a s h 和s d r a m 接口电路图2 9 图4 2 0 网关设计p c b 图2 9 图4 2 1 网关设计实物图2 9 图5 1 节点接收程序流程图 3 0 图5 2 节点发送程序流程图 3 0 图5 3 建立网络流程图 3 2 图5 4 加入网络流程图 3 3 图5 5s h t ll 程序流程图 3 6 图5 - 6u b o o t 第一次运行图 3 7 图5 7u b o o t 再次启动图3 8 图5 8p i n g 通板子示意图3 9 图5 - 9p i n g 虚拟机示意图3 9 图5 一l0p i n g 主机示意图3 9 图5 1 1 调试系统硬件连接示意图4 0 图5 一1 2s d r a m 测试图4 l 图5 1 3f l a s h 测试图 4 2 图6 1 数据传输组成部分图4 3 图6 2 节点测量部分图4 3 图6 3 第一次实验测量数据处理图4 4 图6 4 第一次实验测量数据处理图4 4 表5 1 程序文件结构31 表6 1 实验结果数据1 4 3 表6 2 实验结果数据2 4 3 独创性声明 本人声明所呈交的学位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。据我所 知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得金g 巴些太堂 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谢意。 学位论文作者签字：彦吠建 签字日期：弘6 1 7 年4 月叫日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金目墨王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权金月旦王些盍 三l 可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文者签名：彦矽q 蔓 签字日期沙1 年4 月少日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名 签字日期 电话： 邮编： 致谢 本论文是在导师张辉教授的悉心指导下完成的。张老师渊博的知识、创新 的思维、严于律己宽以待人的品质影响着我，教育着我，不仅开拓了我的思路， 增长了我的学识，也使我在今后的学习、工作中受益匪浅。 感谢我的家人在我求学期间无私的帮助与鼓励。在此祝他们生活幸福，健 康长寿! 感谢实验室同学牛学虎、孙承文、倪勇对我的支持与鼓励。他们忘我的工 作态度以及营造出浓厚的科研氛围使我受益匪浅。能够认识他们将是我一生的 财富。 还有许许多多关心帮助过我的老师、同学和朋友们，在这里无法将他们的 名字一一列出，在此谨表我衷心的谢意! 作者：李武建 2 0 0 9 年3 月2 9 日 第一章绪论 1 1 温度测量系统概述 1 1 1 温度测量系统组成概述 随着现代化信息技术的飞速发展和传统工业改造的逐步实现，温度是生产 过程中最普通的检测参数之一，因此温度检测系统已广泛应用于诸多的领域。 温度测量系统一般分为模拟温度检测系统和数字温度检测系统。 在模拟温度检测系统中，目前比较成熟的方案是利用模拟式温度传感器和 模数转换芯片把温度模拟量转换成数字量，然后送入单片机进行处理，并根据 处理的结果来控制相应的设备，如图1 1 所示。 图1 - 1 模拟温度测量系统框图 当系统进行多点温度测量时，所用模拟温度传感器增多，使系统变的复杂。 随着传感器技术的发展，出现了数字式温度传感器，有效地解决了模拟式温度 传感器外围电路复杂及抗干扰能力差的弊病，降低了对系统的要求【l 】，于是产 生了数字测量系统。如图1 2 所示，数字式温度传感器中集成了温度传感器， 模数转换器，温度寄存器等。传感器将温度转换成电压，再由转换器转换成数 字量送到温度寄存器，然后单片机通过直接读耿温度寄存器中的值来获取温度 数字量，从而进行分析和控制。 图1 2 数字温度测量系统框图 1 1 2 无线网络在温度测量系统中的特点和优势 当前，温度检测有三个主要的研究方向：一是由点到线、由线到面，实现 对温度场的检测；二是由表及里，通过表面检测物体内部的温度；三是由有线 到无线，方便对运动物体的检测。 随着工业环境中对温度的要求越来越高，传统的温度控制系统的弊端越来 越明显，已经不能适应人们生产生活的需要。为满足社会的需求，设计出无线 温度测量与控制系统已经成为很迫切的问题之一【2 j 。 无线温度测量就是用来对现场的温度进行无线检测的，它非常适用于运动 物体和不方便铺设线路场所，或危险、有毒、有害场所的温度检测，例如：转 炉、隧道窑、加工中的工件、酸碱浓度较高的化工场所等。它是将测量单元置 于检测的现场，把测得的温度信号由无线发射机通过电波发射出去。显示单元 设在另一地，比如工作室、监控室等，由无线接收机将测量结果接收下来，并 把测量结果显示给监控人员，实现检测与测量结果的无线连结。 1 2 无线传感器网络简介 1 2 1 无线传感器网络组成与特点 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 ) 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被感知对象 的信息，并发送给观察者。图1 - 3 为一个典型的无线传感器网络结构【3 】。 图1 3 典型的无线传感器网络结构 因为节点的数量巨大，而且还处在随时变化的环境中，这就使它有着不同 于普通传感器网络的独特“个性”。首先是无中心和自组网特性。在无线传感器 网络中，所有节点的地位都是平等的，没有预先指定的中心，各节点通过分布 式算法来相互协调，在无人值守的情况下，节点就能自动组织起一个测量网络。 而正因为没有中心，网络便不会因为单个节点的脱离而受到损害。 其次是网络拓扑的动态变化性。网络中的节点是处于不断变化的环境中， 它的状态也在相应地发生变化，加之无线通信信道的不稳定性，网络拓扑因此 2 也在不断地调整变化，而这种变化方式是无人能准确预测出来的。 第三是传输能力的有限性。无线传感器网络通过无线电波进行数据传输， 虽然省去了布线的烦恼，但是相对于有线网络，低带宽则成为它的天生缺陷。 同时，信号之间还存在相互干扰，信号自身也在不断地衰减，诸如此类。不过 因为单个节点传输的数据量并不算大，这个缺点还是能忍受的。 第四是能量的限制。为了测量真实世界的具体值，各个节点会密集地分布 于待测区域内，人工补充能量的方法已经不再适用。每个节点都要储备可供长 期使用的能量，或者自己从外汲取能量( 太阳能) 。 第五是安全性的问题。无线信道、有限的能量以及分布式控制都使得无线 传感器网络更容易受到攻击。被动窃听、主动入侵、拒绝服务则是这些攻击的 常见方式。因此，安全性在网络的设计中至关重要。1 4 j 1 2 2 无线传感器网络发展历程 早在上世纪7 0 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信号的综合处理 能力，并通过与传感控制器的相联，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。 无线传感器网络是新一代的传感器网络，具有非常广泛的应用前景，其发 展和应用，将会给人类的生活和生产的各个领域带来深远影响。发达国家如美 国，非常重视无线传感器网络的发展，i e e e 正在努力推进无线传感器网络的应 用和发展，波士顿大学( b o s t o nu n i v e r s i t y ) 创办了传感器网络协会( s e n s o r n e t w o r kc o n s o r t i u m ) ，期望能促进传感器联网技术开发。除了波士顿大学，该 协会还包括b p 、霍尼韦尔( h o n e y w e l l ) 、i n e t os y s t e m s 、i n v e n s y s 、l 一3 c o m m u n i c a t i o n s 、m i l l e n n i a ln e t 、r a d i a n s e 、s e n s i c a s ts y s t e m s 及t e x t r o ns y s t e m s 。 美国的技术评论杂志在论述未来新兴十大技术时，更是将无线传感器网络 列为第一项未来新兴技术，商业周刊预测的未来四大新技术中，无线传感器 网络也列入其中。可以预计，无线传感器网络的广泛是一种必然趋势，它的出 现将会给人类社会带来极大的变革。 1 3 几种短距离无线通信技术比较 目前使用较广泛的近距无线通信技术是蓝牙( b l u e t o o t h ) 、无线局域网 8 0 2 11 ( w i f i ) 、红外线数据通讯( i r d a ) 、超宽带通信( u w b ) 、近场通信( n f c ) 、 z i g b e e 等。它们都有其立足的特点，或基于传输速度、距离、耗电量的特殊要 求；或着眼于功能的扩充性；或符合某些单一应用的特别要求；或建立竞争技 3 术的差异化等。但是没有一种技术可以完美到足以满足所有的需求。 ( 1 ) 蓝牙技术 蓝牙技术诞生于1 9 9 4 年，e r i c s s o n 当时决定开发一种低功耗、低成本的无 线接口，以建立手机及其附件间的通信。19 9 8 年，蓝牙技术协议由e r i c s s o n 、 i b m 、i n t e l 、n o k i a 、t o s h i b a 等5 家公司达成一致。 蓝牙技术是一种无线数据与语音通信的开放性全球规范，其实质内容是为 固定设备或移动设备之间的通信环境建立通用的近距无线接口，将通信技术与 计算机技术进一步结合起来，使各种设备在没有电线或电缆相互连接的情况下， 能在近距离范围内实现相互通信或操作。其传输频段为全球公众通用的2 4 g h z i s m 频段，提供1 m b p s 的传输速率和1 0 m 的传输距离。 蓝牙协议的标准版本为8 0 2 1 5 1 ，由蓝牙小组( s i g ) 负责开发。8 0 2 1 5 1 的最初标准基于蓝牙1 1 实现，后者己构建到现行很多蓝牙设备中。新版 8 0 2 15 1a 基本等同于蓝牙1 2 标准，具备一定的q o s 特性，并完整保持后向兼 容性。 蓝牙技术遭遇的最大的障碍是过于昂贵。突出表现在芯片大小和价格难以 下调、抗干扰能力不强、传输距离太短、信息安全问题等等。这就使得许多用 户不愿意花大价钱来购买这种无线设备。因此，业内专家认为，蓝牙的市场前 景取决于蓝牙价格和基于蓝牙的应用是否能达到一定的规模。 ( 2 ) w i f i 技术 w i f i ( w i r e l e s sf i d e l i t y ，无线高保真) 也是一种无线通信协议，正式名称 是i e e e s 0 2 1 1 b ，与蓝牙一样，同属于短距离无线通信技术。w i f i 速率最高可 达1 1 m b s 。虽然在数据安全性方面比蓝牙技术要差一些，但在电波的覆盖范围 方面却略胜一筹，可达1 0 0m 左右。 w i f i 是以太网的一种无线扩展，理论上只要用户位于一个接入点四周的 一定区域内，就能以最高约1 1m b s 的速度接入w e b 。但实际上，如果有多个 用户同时通过一个点接入，带宽被多个用户分享，w i f i 的连接速度一般将只 有几百k b s 的信号不受墙壁阻隔，但在建筑物内的有效传输距离小于户外。 w l a n 未来最具潜力的应用将主要在s o h o 、家庭无线网络以及不便安装 电缆的建筑物或场所。目前这一技术的用户主要来自机场、酒店、商场等公共 热点场所。w i f i 技术可将w i f i 与基于x m l 或j a v a 的w e b 服务融合起来， 可以大幅度减少企业的成本。例如企业选择在每一层楼或每一个部门配备 8 0 2 1 1 b 的接入点，而不是采用电缆线把整幢建筑物连接起来。这样一来，可以 节省大量铺设电缆所需花费的资金。，、 最初的i e e e 8 0 2 1 1 规范是在1 9 9 7 年提出的，称为8 0 2 1 1 b ，主要目的是提 供w l a n 接入，也是目前w l a n 的主要技术标准，它的工作频率也是2 4 g h z ， 与无绳电话、蓝牙等许多不需频率使用许可证的无线设备共享同一频段。随着 4 w i f i 协议新版本如8 0 2 1 1 a 和8 0 2 1 1 9 的先后推出，w i f i 的应用将越来越广 泛。速度更快的8 0 2 1 1g 使用与8 0 2 1 l b 相同的正交频分多路复用调制技术。 它工作在2 4 g h z 频段，速率达5 4 m b s 。根据最近国际消费电子产品的发展趋 势判断，8 0 2 1 1 9 将有可能被大多数无线网络产品制造商选择作为产品标准。 ( 3 ) i r d a 技术 红外线数据协会i r d a ( i n f r a r e dd a t aa s s o c i a t i o n ) 成立于1 9 9 3 年。起初， 采用i r d a 标准的无线设备仅能在l m 范围内以1 1 5 2k b s 速率传输数据，很快 发展到4 m b s 以及1 6 m b s 的速率。 i r d a 是一种利用红外线进行点对点通信的技术，是第一个实现无线个人局 域网( p a n ) 的技术。目前它的软硬件技术都很成熟，在小型移动设备，如p d a 、 手机上广泛使用。 i r d a 的主要优点是无需申请频率的使用权，因而红外通信成本低廉。并且 还具有移动通信所需的体积小、功耗低、连接方便、简单易用的特点。此外， 红外线发射角度较小，传输上安全性高。 i r d a 的不足在于它是一种视距传输，两个相互通信的设备之间必须对准， 中间不能被其它物体阻隔，因而该技术只能用于2 台( 非多台) 设备之间的连 接。而蓝牙就没有此限制，且不受墙壁的阻隔。i r d a 目前的研究方向是如何解 决视距传输问题及提高数据传输率。 ( 4 ) n f c 技术 n f c ( n e a rf i e l dc o m m u n i c a t i o n ，近距离无线传输) 是由p h i l i p s 、n o k i a 和s o n y 主推的一种类似于r f i d ( 非接触式射频识别) 的短距离无线通信技术 标准。和r f i d 不同，n f c 采用了双向的识别和连接。在2 0 c m 距离内工作于 1 3 5 6 m h z 频率范围。 n f c 最初仅仅是遥控识别和网络技术的合并，但现在已发展成无线连接技 术。它能快速自动地建立无线网络，为蜂窝设备、蓝牙设备、w i f i 设备提供 一个“虚拟连接”，使电子设备可以在短距离范围进行通讯。n f c 的短距离交互 大大简化了整个认证识别过程，使电子设备间互相访问更直接、更安全和更清 楚，不用再听到各种电子杂音。 n f c 通过在单一设备上组合所有的身份识别应用和服务，帮助解决记忆多 个密码的麻烦，同时也保证了数据的安全保护。有了n f c ，多个设备如数码相 机、p d a 、机顶盒、电脑、手机等之间的无线互连，彼此交换数据或服务都将 有可能实现。 此外n f c 还可以将其它类型无线通讯( 如w i f i 和蓝牙) “加速 ，实现更 快和更远距离的数据传输。每个电子设备都有自己的专用应用菜单，而n f c 可 以创建快速安全的连接，而无需在众多接口的菜单中进行选择。与知名的蓝牙 等短距离无线通讯标准不同的是，n f c 的作用距离进一步缩短且不像蓝牙那样 5 需要有对应的加密设备。 同样，构建w i f i 家族无线网络需要多台具有无线网卡的电脑、打印机和 其它设备。除此之外，还得有一定技术的专业人员才能胜任这一工作。而n f c 被置入接入点之后，只要将其中两个靠近就可以实现交流，比配置w i f i 连结 容易得多。 ( 5 ) u w b 技术 超宽带技术u w b ( u l t r aw i d e b a n d ) 是一种无线载波通信技术，它不采用 正弦载波，而是利用纳秒级的非正弦波窄脉冲传输数据，因此其所占的频谱范 围很宽。 u w b 可在非常宽的带宽上传输信号，美国f c c 对u w b 的规定为：在3 1 1 0 6 g h z 频段中占用5 0 0 m h z 以上的带宽。由于u w b 可以利用低功耗、低复 杂度发射接收机实现高速数据传输，在近年来得到了迅速发展。它在非常宽的 频谱范围内采用低功率脉冲传送数据而不会对常规窄带无线通信系统造成大的 干扰，并可充分利用频谱资源。基于u w b 技术而构建的高速率数据收发机有 着广泛的用途。 u w b 技术具有系统复杂度低，发射信号功率谱密度低，对信道衰落不敏 感，低截获能力，定位精度高等优点，尤其适用于室内等密集多径场所的高速 无线接入，非常适于建立一个高效的无线局域网或无线个域网( w p a n ) 。 u w b 主要应用在小范围、高分辨率、能够穿透墙壁、地面和身体的雷达 和图像系统中。除此之外，这种新技术适用于对速率要求非常高( 大于10 0m b s ) 的l a n s 或p a n s 。 u w b 最具特色的应用将是视频消费娱乐方面的无线个人局域网( p a n s ) 。 现有的无线通信方式，8 0 2 11b 和蓝牙的速率太慢，不适合传输视频数据；5 4 m b s 速率的8 0 2 1 1 a 标准可以处理视频数据，但费用昂贵。而u w b 有可能在 1 0m 范围内，支持高达1 1 0m b s 的数据传输率，不需要压缩数据，可以快速、 简单、经济地完成视频数据处理。 ( 6 ) z i g b e e 技术 z i g b e e 技术是最近发展起来的一种近距离无线通讯技术，它低功耗、低成 本、易应用，以2 4 g h z 为主要频段，采用扩频技术。z i g b e e 被业界认为是最 有可能应用在工业监控、传感器网络、家庭监控、安全系统等领域的无线技术。 【5 1 1 4 文章研究内容及论文结构 本论文主要以区域温度检测系统为研究对象，重点在温度测量领域，在已 有技术的基础上进行了下面内容的研究与设计： ( 1 ) 对温度测量系统进行总体设计，给出系统总体架构方案。 6 ( 2 ) 对系统进行硬件设计，包括节点和网关。 ( 3 ) 对系统进行软件设计，包括在z i g b e e 协议的基础上的通讯软件。 ( 4 ) 对设计的硬件和软件进行调试，取得实验数据。 ( 5 ) 对z i g b e e 技术在测控领域的应用做出探讨和展望。 论文第一章介绍了温度测量系统和无线传感网的基本知识，突出了无线传 感网络在测量系统中的应用；论文第二章介绍了z i g b e e 的相关知识，包括技术 特点和发展历程，以及z i g b e e 协议的架构；论文第三章介绍了整个温度控制系 统的架构和功能分析；第四章和第五章分别介绍了系统硬件和软件设计；第六 章对设计进行实验性验证并得出验证结果；第七章对无线温度测量系统未来的 发展做出了总结和展望。 1 5 本章小结 本章对温度测量系统和无线传感器网络分别进行了介绍，并分析了无线传 感器网络在温度测量中应用的特点和优势，并简单介绍了几种常见的无线通讯 技术。 7 第二章 z i g b e e 技术及协议架构 2 1z i g b e e 技术简介 z i g b e e 这个字源自于蜜蜂跳z i g z a g 形状的舞蹈，来通知其他蜜蜂有关花 粉位置等资讯，以达到彼此沟通信息之目的，故以此作为新一代无线通讯技术 之命名【6 1 。 z i g b e e 是一种短距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的无线通 信新技术，它依据i e e e8 0 2 15 4 标准，协调数千个微小的传感器之间的相互通 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，通信效率高。图2 1 所示为z i g b e e 网络拓扑结构。 器币点 图2 1 z i g b e e 网络拓扑结构 由图2 1 可以看出，根据设备功能的不同，网络中的设备可以分为完整功 能设备( f f d ) 和简化功能设备( r f d ) 。f f d 实现了i e e e8 0 2 1 5 4 协议的全 集，而r f d 则根据特定的应用需要只实现了i e e e8 0 2 15 4 协议中的一部分。 一个f f d 可以和r f d 通信，也可以和其它的f f d 通信，而r f d 只能和f f d 通信7 1 。 2 2z i g b e e 技术特点 z i g b e e 的技术特性决定它将是无线传感器网络的理想选择。 ( 1 ) 数据传输速率低。只有1 0 k b s - - 2 5 0 k b s ，专注于低传输应用。无线 传感器网络不传输语音、视频之类的大数据量的采集数据，仅仅传输一些采集 到的温度、湿度之类的数据，所以w s n 对传输速率的需要不是那么高。 ( 2 ) 功耗低。在休眠状态下耗电量仅仅只有l 肛w ，通信距离短的情况下 工作状态的耗电为3 0 m w ，在低耗电待机模式下，两节普通5 号干电池可使用 6 个月以上。这也是z i g b e e 的支持者所一直引以为豪的独特优势。w s n 的节 点对功耗的需求极其苛刻，传感器节点需要在危险( 比如战场、核辐射) 的区 域持续工作数年而不更换供电单元。z i g b e e 的耗电符合这一需求。 8 ( 3 ) 成本低。因为z i g b e e 数据传输速率低，协议简单，所以大大降低了 成本，这也正是蓝牙系统所不具备的。无线传感器网络中可以具有成千上万的 节点，如果不能严格地控制节点的成本，那么网络的规模必将受到严重的制约， 从而将严重地制约w s n 的强大功能。 ( 4 ) 网络容量大。每个z i g b e e 网络最多可支持6 5 0 0 0 个节点，也就是说 每个z i g b e e 节点可以与数万节点相连接。由于w s n 的能力很大程度上取决于 节点的多少，也就是说可容纳的传感器节点越多，w s n 的功能越强大。所以 z i g b e e 的网络容量大的特点非常符合w s n 的需要。 ( 5 ) 有效覆盖范围在1 0 7 5 m 之间。但是可以扩展到数百米，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。降低w s n 节点的能量消耗和平衡所有节点的能量，有必要缩 小节点r f 模块的覆盖范围。 ( 6 ) 工作频段灵活。使用的频段分别为2 4 g h z 、8 6 8 m h z ( 欧洲) 及9 1 5 m h z ( 美国) ，均为免执照频段，具有1 6 个扩频通信信道。相应的，w s n 采取2 4 g h z 工作频段的特性将会更有利于w s n 的发展。 ( 7 ) 安全。z i g b e e 提供了数据完整性检查和鉴权功能，硬件本身支持c r c 和a e s 1 2 8 。这一安全特性能很好地适应军事需要的无线传感器网络。 ( 8 ) 自动动态组网、自主路由。w s n 网络是动态变化的，无论是节点的 能量耗尽，或者节点被敌人俘获，都能使节点退出网络，而且网络的使用者也 希望能在需要的时候向已有的网络中加入新的传感器节点。这就希望w s n 能 具有动态组网、自主路由的功能，而z i g b e e 技术就正好能解决了w s n 的这一 需要。 2 3z i g b e e 技术发展历程 z i g b e e 是基于i e e e8 0 2 1 5 4 标准的应用于无线监测与控制应用的全球性 无线通信标准，强调简单易用、近距离、低速率、低功耗且极廉价的市场定位， 可以广泛应用于工业控制、家庭自动化、医疗护理、智能农业、消费类电子和 远程控制等领域，将拥有广阔的应用前景。 z i g b e e 技术的核心，是运行于微控制器内部的一套软件，我们也称之为软件 协议栈，负责该协议规范制定的，是z i g b e e 联盟，z i g b e e 联盟是一个高速增长 的非牟利业界组织，成员包括国际著名半导体生产商、技术提供者、代工生产 商以及最终使用者。成员正制定一个基于i e e e 8 0 2 15 4 、可靠、高性价比、低 功耗的网络应用规格。目前超过6 8 家成员公司正积极进行z i g b e e 规格的制定 工作。当中包括7 位推广委员，半导体生产商、无线技术供应商及代工生产商。 7 位推广委员分别为：h o n e y w e l l ，i n v e n s y s ，m i t s u b i s h i ，m o t o r o l a ，p h i l i p s ， s a m s u n g 。 9 z i g b e e 联盟于2 0 0 4 年1 2 月通过了z i g b e e1 0 ( 也称z i g b e e 2 0 0 4 ) 标准， 之后于2 0 0 5 年9 月公布并提供下载。 2 0 0 6 年1 2 月z i g b e e 联盟又推出z i g b e e1 1 ( 也称z i g b e e 2 0 0 6 ) 版。z i g b e e 1 1 较原有z i g b e e1 0 作了若干修改，例如新增z c l ( z i g b e ec l u s t e rl i b r a r y ) 、 集团装置( g r o u pd e v i c e ) 、多播( m u l t i c a s t ) 功效、并且可以直接透过无线方 式( o v e rt h ea i r ；o t a ) 进行组态配置和软件更新，此外也移除了k v p ( k e y v a l u ep a i r ) 的讯息格式。 2 0 0 7 年l o 月，z i g b e e 联盟推出z i g b e e 2 0 0 7 ，订立出z i g b e ep r of e a t u r es e t ( 简称：z i g b e ep r o ) 的新标准，对z i g b e e 协议栈进行了重大升级，加强了 对家庭自动化( h o m ea u t o m a t i o n ；h a ) 、建筑商业大楼自动化( b u i l d i n g a u t o m a t i o n ；b a ) 、高级抄表结构( a d v a n c e dm e t e ri n f r a s t r u c t u r e ；a m i ) 3 种 应用剖面的支持。同时在自动跳频，支持更大的网络，更高级的路由算法等方 面的改进和提高，将z i g b e e 协议栈的可用性和可靠性，提高到一个全新的阶 段。 2 4z i g b e e 协议架构 2 4 1 总体架构 z i g b e e 协议与其他网络通信协议一样采用了分层模型，对各层所实现的功 能和在整个协议中所起的作用做出了明确的划分。z i g b e e 协议套件由高层应用 规范、应用会聚层、网络层、数据链路层和物理层组成，如图2 2 所示。 应用层 jl 应用汇聚层 网络层 z 蜒 j 盔 m a c 层 i e e e 物理层 制定 、 ，、 ， b e e 联 制定 图2 - 2z i g b e e 协议架构 1 ) 物理层：遵循i e e e 8 0 2 1 5 4 协议，是协议的最底层，承担着与外界直 接作用的任务，控制r f 收发器工作，采用扩频通信。 2 ) m a c 层：遵循i e e e 8 0 2 1 5 4 协议，负责设备间无线数据链路的建立、 维护和结束，确认模式的数据传送和接收，可选时隙，实现低延迟传输，支持 各种网络拓扑结构，网络中每个设备为1 6 位地址寻址。 3 ) 网络层：建立新的网络，处理节点的进人和离开网络，根据网络类型设 置节点的协议堆栈，使网络协调器对节点分配地址，保证节点之间的同步，提 供网络的路由，保证数据的完整性，使用可选的a e s 对通信加密。 4 ) 应用层：应用支持层维持器件的功能属性，发现该器件工作空间中其他 器件的工作，根据服务和需求使多个器件之间进行通信，根据具体应用由用户 开发【8 1 。 2 4 2 物理层主要功能 物理层定义了物理无线信道和m a c 子层之间的接口，提供物理层数据服 务和物理层管理服务。物理层数据服务从无线物理信道上收发数据，物理层管 理服务维护一个由物理层相关数据组成的数据库。 物理层数据服务包括以下五方面的功能： ( 1 ) 激活和休眠射频收发器； ( 2 ) 信道能量检测( e n e r g yd e t e c t ) ； ( 3 ) 检测接收数据包的链路质量指示( 1 i n kq u a l i t yi n d i c a t i o n ，l q i ) ； ( 4 ) 空闲信道评估( c l e a rc h a n n e la s s e s s m e n t ，c c a ) ； ( 5 ) 收发数据。 信道能量检测为网络层提供信道选择依据。它主要测量目标信道中接收信号 的功率强度，由于这个检测本身不进行解码操作，所以检测结果是有效信号功 率和噪声信号功率之和。 链路质量指示为网络层或应用层提供接收数据帧时无线信号的强度和质量 信息，与信道能量检测不同的是，它要对信号进行解码，生成的是一个信噪比 指标。这个信噪比指标和物理层数据单元一道提交给上层处理。 空闲信道评估判断信道是否空闲。i e e e8 0 2 15 4 定义了三种空闲信道评估 模式：第一种简单判断信道的信号能量，当信号能量低于某一门限值就认为信 道空闲；第二种是通过判断无线信号的特征，这个特征主要包括两方面，即扩 频信号特征和载波频率；第三种模式是前两种模式的综合，同时检测信号强度 和信号特征，给出信道空闲判断。 2 4 3m a c 层主要功能 m a c 子层提供两种服务：m a c 层数据服务和m a c 层管理服务( m a c s u b l a y e rm a n a g e m e n te n t i t y ，m l m e ) 。前者保证m