（通信与信息系统专业论文）基于zigbee的环境监控网络路由协议研究.pdf

摘要 摘要 无线传感器网络是由大规模的低功耗传感器节点组成的无线自组织网络，作 为一项新型的信息获取处理技术，无线传感器网络可以广泛应用于环境监控、医 疗、军事、家庭网络等应用中。在环境监控应用中，通过布置传感器节点在预定 区域内，并通过其采集相关数据进行处理后通过多条路由传送到远方的监控主机 平台，从而使得远方监控人员可以实时的监控目标区域的具体情况。 i e e e8 0 2 1 5 4 z i g b e e 作为一种专门应用于无线传感器网络领域的无线短距离 通信技术标准，已经越来越多的应用于实际生活中。然而，也正因为无线传感器 网络的应用领域太广泛，使得z i g b e e 标准的通用性高，而在具体的应用环境上效 果却差强人意。因此，针对具体应用设计专门的高效路由协议是目前的研究热点 之一。 本文首先概述了无线传感器网络体系结构特点及研究现状，以及无线传感器 网络中的各项关键技术。接下来介绍了目前无线传感器网络路由协议的国内外研 究现状。然后分析了目前的无线传感器网络技术标准i e e e8 0 2 1 5 4 z i g b e e ；第三 章是对目前无线传感器网络领域内各种路由协议的分类与研究，接下来，我们分 析了环境监控应用中的特点并评估了现有z i g b e e 路由协议在环境监控应用中的适 应性，结合环境监控应用能量受限、数据流向规律性等特点，我们提出了一种改 进现有z i g b e e 路由协议的方法，该方法通过能量分级、优化z i g b e e 网络的组网、 能量自适应策略使之专门应用于环境监控领域。然后在o p n e t 仿真软件上搭建 i e e e8 0 2 1 5 4 乃g b e e 仿真平台，并分别将改进的协议与原协议在仿真平台上实现， 通过对其性能比较可以发现，改进后的协议显著的提高了网络生存时间，分组投 递率也更高；而在其他方面如路由控制开销、端到端延时等方面付出的代价却很 小，达到了预期目标。 最后我们在基于c c 2 4 3 0 硬件平台上移植了商业z i g b e e 协议栈z s t a c k 。并在 此平台上成功的实现了z i g b e e 网络组网，并对其基本组网方式、网络地址分配方 式等方面进行了测试验证。 关键词：无线传感器网络，z i g b e e ，路由协议，网络生存时间，o p n e t a bs t r a c t w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r ki s al a r g c - s c a l el o w - p o w e rw i r e l e s ss e n s o rn o d e s s e l f - o r g a n i z i n gn e t w o r k ，a san e w t y p eo fa c c e s st oi n f o r m a t i o np r o c e s s i n gt e c h n o l o g y , w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k sc a l lb ew i d e l yu s e di ne n v i r o n m e n t a lm o n i t o r i n g ，m e d i c a l ， m i l i t a r y , h o m en e t w o r k i n ga n do t h e ra p p l i c a t i o n s i ne n v i r o n m e n t a lm o n i t o r i n g a p p l i c a t i o n s ，t h r o u g ht h ea r r a n g e m e n to fs e n s o rn o d e si n t h es c h e d u l e da r e a , a n d t h r o u g hi t sa c q u i s i t i o n r e l a t e dd a t ai sp r o c e s s e dt h r o u g ha n u m b e ro fr o u t e ss e n tt ot h e 玎m l o t em o n i t o r i n ga n dc o n t r o lp l a t f o r m ，a l l o w i n g r e a l - t i m er e m o t em o n i t o r i n g p e r s o n n e lt om o n i t o rt h es p e c i f i cc i r c u m s t a n c e s o ft h et a r g e ta r e a i e e e8 0 2 15 4 z i g b e eu s e da sas p e c i a l i z e df i e l do fw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k sf o r w i r e l e s ss h o r t - r a n g ec o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g ys t a n d a r d sh a sb e e nm o r ea n d m o r eu s e d i np r a c t i c a la p p l i c a t i o n s h o w e v e r , i ti sp r e c i s e l yb e c a u s eo ft h ew i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k a p p l i c a t i o n si st o ow i d e ，m a k i n gz i g b e es t a n d a r dg e n e r a l - p u r p o s eh i g h ，a n d i nt h e s p e t i f f ca p p l i c a t i o ne n v i r o n m e n tt h er e s u l ti sn o tv e r ys a t i s f a c t o r y t h e r e f o r e ，s p e c i f i c a p p l i c a t i o nd e s i g ns p e c i a l i z e da n de f f i c i e n tr o u t i n gp r o t o c o li s o n eo ft h eh o tc u r r e n t r e s e a r c h t h i sp a p e rf i r s to u t l i n e st h ec h a r a c t e r i s t i c so fw i r e l e s ss e n 嘶n e t w o r ka r c h i t e c t u r e a n dr e s e a r c hs t a t u s ，a n dw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k si nt h ev a r i o u sk e yt e c h n o l o g i e s t h e n p r e s e n t st h ec u r r e n tr o u t i n gp r o t o c o l sf o rw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k sa th o m e a n da b r o a d r e i e w e d t h e na n a l y s i so ft h ec u r r e n tt e c h n i c a ls t a n d a r d sf o rw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s i e e e8 0 2 15 4 z i g b e ea n dad e t a i l e da n a l y s i so fi t sr o u t i n gp r o t o c o l s ；t h i r dc h a p t e r o n m ea 】n e n tf i e l do fw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k sav a r i e t yo fs t u d ya n dc l a s s i f i c a t i o n o f r o u t i n gp r o t o c o l s ，o nt h i sb a s i s ，t h ei n t e g r a t i o no f e n v i r o n m e n t a lm o n i t o r i n ga p p l i c a t i o n o fe n e r g y - c o n s t r a i n e d ，d a t a f l o wr e g u l a r i t ya n do t h e rc h a r a c t e r i s t i c s ，w ep r o p o s ea n i m p r o v e dm e t h o do ft h ee x i s t i n gz i g b e er o u t i n gp r o t o c o l ，t h em e t h o db ye n e r g y c l a s s i f i c a t i o n ，o p t i m i z a t i o no fz i g b e en e t w o r k ，n e t w o r k i n g ，i m p r o v e dr o u t i n gm e t h o d u s e dt om a k ei ts p e c i a lt h ef i e l do fe n v i r o n m e n t a lm o n i t o r i n g t h e ni nt h eo p n e t s i m u l a t i o ns o f t w a r et ob u i l di e e e8 0 2 15 4 z i g b e es i m u l a t i o np l a t f o r m ，r e s p e c t i v e l y , t h ea g r e e m e n tw i l li m p r o v et h eo r i g i n a lp r o t o c o li ns i m u l a t i o np l a t f o r mt oa c h i e v e ，b y c o m p a r i s o no ft h e i rp e r f o r m a n c e ，w ec 锄s e et h a tt h ei m p r o v e ds u r v i v a lt i m ei nt h e n e t w o r kp r o t o c o l 。c o m m u n i c a t i o nd e l a y 晒鲫t h ek e yf a c t o r so ft h ep e r f o r m a n c ei s m o r e s u p e r i o rt h a nt h eo r i g i n a la g r e e m e n t i m p r o v e m e n ti sf e a s i b l e f i n a l l y , w ec c 2 4 3 0 - b a s e dh a r d w a r ep l a t f o r mt r a n s p l a n tt h ec o m m e r c i a lz i g b e e p r o t o c o ls t a c kz s t a c k a n ds u c c e s s f u li m p l e m e n t a t i o no f t h i sp l a t f o r mn e t w o r kg r o u p o ft h ez i g b e en e t w o r k ，a n di t sn e t w o r ko fd i s t r i b u t i o n ，r o u t i n ga n do t h e ra s p e c t so ft e s t v a l i d a t i o n k e y w o r d s ：w s n ，z i g b e e ，r o u t i n gp r o t o c o l ，l i f eo f n e t w o r k ，o p n e t i i i 图目录 图目录 图1 1 无线传感器网络体系结构1 图1 2 无线传感器网络节点结构2 图2 1z i g b e e 协议体系架构。7 图2 2z i g b e e 的信道与相应频段分布11 图2 3 三种网络拓扑结构1 4 图2 - 4 协调器建立新网络过程1 5 图2 5 节点加入与离开网络1 6 图2 - 6 网络地址分配结构1 8 图3 1l e a c h 协议结构2 3 图4 1 树形路由算法演示31 图4 2 接收r r e q 处理流程3 3 图4 3 路由发现过程3 4 图4 4 典型环境监控网络拓扑结构。3 6 图4 5 节点入网处理过程3 7 图4 6 辅助父节点发现过程3 9 图4 7 路由器处理辅助父节点发现处理流程4 0 图4 8 接受r r e p 的处理流程4 2 图5 1z i g b e e 无线信道参数设置4 4 图5 2 无线收发机属性设置4 5 图5 3z i g b e e 节点模型4 5 图5 4 网络层状态机4 6 图5 5 不同规模网络生存时间比较4 9 图5 - 6 网络生存时间稳定性比较4 9 图5 7 不同网络规模下控制开销比较5 0 图5 8 大规模网络下控制开销比较5 l 图5 - 9 不同网络规模分组投递率比较5 1 图5 1 0 大规模网络分组投递率变化比较。5 2 图5 1 1 不同网络规模下的端到端时延比较5 2 v i i i 图目录 图5 1 2 大规模网络下端对端时延比较。5 3 图6 1 测试平台系统框图5 4 图6 2 节点硬件实物5 5 图6 3h f z s m r f e v 5 6 图6 4s m a r t r f 0 4f l a s hp r o g r a m m e r 软件5 7 图6 5 上位机监控软件界面5 7 图6 6 三种网络拓扑组网5 8 图6 7 树形网络拓扑结构5 9 图6 8 树形拓扑节点网络地址6 0 i x 表目录 表目录 表2 1 几种短距离通信技术比较9 表2 2 各频段相关参数比较l0 表2 3 通用网络层帧格式1 2 表3 1 不同协议优化能耗方式比较2 5 表4 1 路由表结构2 9 表4 2 邻节点表结构2 9 表4 。3 路由发现表结构。2 9 表4 4r r e q 分组结构3 0 表4 5r r e p 分组结构3 0 表4 6r e r r 分组结构3 0 表4 7 节点能量等级3 9 表4 8 能量通知分组结构3 9 表4 9 改进的r r e q 分组结构4 1 表4 1 0 改进的r r e p 分组格式。4 1 表5 1 仿真网络节点数量与尺寸表4 7 表5 2 仿真参数设定表4 8 x 缩略词表 缩略词表 英文缩写 英文全写中文注释 w s n w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s 无线传感器网络 啪 f u uf u n c t i o nd e v i c e 全功能设备 l u dr e d u c e d f u n c t i o nd e v i c e 半功能设备 l e a c h l o w - e n e r g ya d a p t i v ec l u s t e r i n gh i e r a r c h y 低能量白适应簇类层次协议 m b c rm i n i m u mb a t t e r yc o s tr o u t i n g 最小电量耗费选择 m i n i m u mt o t a lt r a n s m i s s i o np o w e r m r n r 最小化总体传播能量路由算法 r o u t i n g o p n e t o p t i m i z e dn e t w o r ke n g i n e e e i n gt o o l s优化网络工程工具 i d e i n t e g r a t e dd e v e l o pe n v i r o n m e n t 集成开发工具 x i 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 为获得龟子科技大学或其它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。 签名：主篮 习脸日期：沙p 年多月午日 论文使用授权 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、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，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分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应遵守此规定) 签名：丝虱照导师签名：么当幽么 日期：勿，口年f 月日 第一章绪论 第一章绪论 随着无线通信技术、现代微电子技术、嵌入式计算机技术的迅猛发展，极大 的推动着传感器信息获取技术往集成微型、无线智能的方向发展 1 】。即所谓的无线 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 技术。目前一种被普遍接受的无线传感 器网络定义为：大量随机分布的集成微节点通过无线自组织的方式构成的一种无 基础设施的无线网络，这类节点一般来说结构基本相同，并且成本低、体积小， 而且一般来说是不可移动的。美国的商业周刊预测无线传感器网络技术将引起新 的产业潮流【l 】。无线传感器网络的前景令人振奋，它几乎可以应用于日常生产生 活中的军事应用、工业控制、环境监测等各个领域。 1 1 无线传感器网络概述 1 1 1 无线传感器网络的体系结构 一个典型的无线传感器网络的体系结构圆如图1 1 所示。大量的微型节点单元 通过自己集成的传感器收集感兴趣的数据，并通过多跳传输的无线自组织网络将 数据发送到中心节点。由中心网关节点通过不同的方式与远程控制平台联系：如 以太网、移动网络等从而达到既定目的 3 1 。 监视区域 图1 1 无线传感器网络体系结构 电子科技大学硕士学位论文 普通的节点单元专注于数据采集，数目较多，必须严格控制其体积、功耗、 电池量，所以其单跳通信距离一般来说不是很长，为了将自己采集的数据传送到 网络中心节点，一般来说要通过中间节点的传输中继，通过多跳的方式网关s i n k 节点建立无线连接。 汇集s i n k 节点的硬件一般来说比普通节点要更复杂，能实现的功能也更多， 一般来说无线传感器网络的数据都是通过s i n k 节点发送到远程控制平台的，因此 s i n k 节点一般都充当两种通信协议的变换，可以说。s i n k 节点既是无线传感器网 络的中心，又担当了网关功能。 一般来说，针对不同的应用，无线传感器网络的节点不尽相同，但一般都包 含了数据收集、数据处理、数据传输、电源模块这几个组成部分【。很显然数据传 输是整个结构的核心。为了实现无线网络功能，一般都是通过一个微型操作系统 来实现网络协议栈。图1 2 即为一个典型的无线传感器网络节点结构。 存储器 - a d 转换 i无线 传感器处理器 l 网络 陟 n 队cn 收发 l 层层 机 jl jl 应用接口 一r 一 t 电源模块 图1 2 无线传感器网络节点结构 1 1 2 无线传感器网络的关键技术 路由协议 作为无线传感器网络中的关键技术之一，路由协议主要负责无线网络中的数 据传输问题，路由策略的选择对整个网络的性能影响非常大，由于无线传感器网 络是自组织网络，传统的i n t e r n e t 网络并不适合无线传感器网络【6 1 ，同时，由于节 点能量受限，a dh o e 网络中的路由协议也不完全适用于无线传感器网络。一般来 2 第一章绪论 说无线传感器网络的路由协议应该有下列特点：能分布式运行、充分考虑了具体 的需求，有一定安全考虑、能尽量考虑网络的能量状况。 数据融合技术 w s n 中节点分布一般具有冗余性，以满足网络覆盖度以及网络功能的保证。 但这也带来了网络中数据的冗余，因此，采用数据融合技术来减少网络中不必要 的数据传输是目前的研究热点，在能量受限的w s n 中，这种数据融合技术尤其显 得重要，同时，在数据融合的过程中也提高了数据的可靠性。数据融合技术虽然 带来了能量高效，数据可靠性提高的优点，但对节点硬件也带来了更高的要求， 这主要体现在节点处理能力和存储空间的要求方面，此外由于数据采取了融合操 作，对无线网络的延时也有一定影响。 网络拓扑技术 在w s n 中，网络拓扑控制 2 】【3 1 非常重要。由于网络是自动生成的，所以网络 的组网算法直接关系着网络的拓扑结构，合理的网络结构可以提高网络的传输效 率，节省网络的真题能量，同时也为传输中的数据融合带来了可能，目前网络拓 扑控制的研究热点为：通过功率控制在优化网络的节点分布、利用拓扑控制来优 化路由协议和m a c 层协议的设计以及网络拓扑的自适应性。 时间同步技术 w s n 作为一个分布式自组织网络，时间同步是一个重要问题，特别是大量节 点情况下的时间同步可能性。同时在一些需要采用随眠机制的w s n 中，节点间的 时间同步直接关系着睡眠机制的性能。这些都是目前的研究热点。 1 1 3 环境监控网络的研究现状 国外的的环境监控系统发展的很早，比较简单的监控系统在五十年代就已经 出现了，九十年代，美、日、德等国的自动化控制系统已经达到了非常高的水平。 目前先进的分布式环境监控系统已被应用于许多大型企业里面【_ 7 1 。 目前，无线网络环境监控系统使用开放的分布式技术，实时智能等技术使得 整个监控网络的信息集成化，其全数字化网络结构也使得实时控制变得简单。特 别是嵌入式网络监控系统使用t c p i p 协议使得网络生成更为容易，同时数据传输 速度快，而监控载体的体积确变小，成本也越来越便宜【8 】，在这种趋势的带动下， 使得通过网络远程计算机控制监视系统越来越可行。 3 电子科技大学硕士学位论文 二十世纪六七十年代嵌入式系统开始应用于工业控, d t 9 j 。嵌入式系统是将先进 的计算机技术、半导体技术和电子技术和各个行业的具体应用相结合后的产物， 这一点就决定了它必须是一个非常分散、技术集中、资金集中、一直创新的技术 知识集成系统【l0 1 。随着工业，民用和军事领域的越来越多的应用，嵌入式系统的 性能要求和嵌入式系统应用的不断扩大，在计算速度，可靠性，集成，功耗嵌入 式微处理器都大大提高。随着数字消费产品和信息技术，嵌入式系统的独特优势 使得其广泛应用于手持通信终端，消费类电子，国防军事等各个领域。无线网络 技术，嵌入式技术，使得环境监控系统向体积小，集成度高的方向发展。 中国的环境监控系统相对国外来说发展较慢。从八十年代起，国内对环境监 控的研究逐渐多了起来。目前，我国大多数的环境监控设备的技术水平都不高， 而且功能不够强大，容易失效，而且很多时候都是是耗费大量的人力资源来进行 人工监控，即使是采用的自动监控的应用，一般也都是采用有线链路来传送数据 信息，到监控中心，这样监控实时性肯定不能保证，而且效率低、监控数据不准 确，很难及时有效的队监控区域进行监控，由于自然环境的日益恶化，我们越来 越重视环境监控，例如现在提出的“数字环保 概念。国内目前也引进不少国外 的监控技术与相关设备，这些先进的技术设备对我国的环境监控事业起到了很好 的作用，比如信息资源共享，环境监控应急以及重大突发环境污染事件报警体系 等等。 虽然我国目前在环境监控领域取得了不少成绩，但在环境监控网络方面的理 论研究却还比较匮乏，特别是针对特定的应用，没有深入有效的研究，因此，针 对特定的环境监控系统的相关理论研究是很有必要的。 1 2 无线传感器网络路由协议研究现状 w s n 作为一种没有基础设施的网络，其数据分组往往需要通过中间节点的转 发才能到达目的节点，这样就形成了多跳网络。因此，如何选择合理的路径来传 输数据分组就成一个关键问题，不同的路由算法对网络的整体性能影响非常大， 因此，路由协议w s n 的核心技术之一。这也是国内外无线传感器领域研究的热点 之一。 由于w s n 节点能量受限、网络自组织、数据冗余等特点，传统的i n t e f n e t 路 由协议以及a dh o c 网络路由协议都不能直接应用于w s n 中， 路由协议主要负责保证将数据通过合理的传输路径传送到目的节点，传统路 4 第一章绪论 由协议主要注重于提高无线通信的服务质量( q o s ) ，而在w s n 中由于节点能量受 限，能量高效成为路由协议设计中重点关注的问题【3 1 ，同时w s n 的普通节点非常 多，所以节点一般来说不可能获取网络全部拓扑结构信息，这就注定了w s n 必须 是分布式的算法。此外，w s n 的应用型特别强，不同应用中的要求各不一样，因 此因针对不同应用必须要设计专用的路由协议，最后，由于网络中的数据冗余， w s n 的路由协议可能还会采用数据融合的策略来精简网络的数据量，从而节省了 整个网络的能量。 作为w s n 的研究热点，目前相关路由协议的设计策略各有侧重，主流的有以 下一些研究方向【l j ： 以数据为中心出发，将网络中的感知数据配以属性，对相同属性的数据进 行数据融合的操作。这类协议可以说同时考虑了网络层与应用层的任务。 从网络整体功能出发，采用触发式的机制来采集和发送数据，这种机制可 以大大减少不必要的数据的发送。 基于分层的思想，通过将网络中的节点分层来达到优化网络路由机制的目 的，这类协议一般来说对时间同步要求较高 基于地理位置已知的路由策略考虑，这类协议假设节点知道全部或者部分 网络节点的信息，通过地理位置信息这个辅助条件来达到优化路由算法的 目的。 1 3 课题背景与意义 z i g b e e 是一种短距离、低功耗、低数据率的新型无线通信技术。这一名字源 自蜜蜂的八字舞。它的应用范围非常广阔，例如工业监控、车载系统、家庭娱乐 控制、环境监控以及医疗设施等等。2 0 0 2 年成立的z i g b e e 联盟( z i g b e ea l l i a n c e ) 成员主要为一些大规模的半导体生产公司。目前z i g b e e 联盟的成员越来越多，其 中有m m 、飞立浦、三星、e m b c e r 公司等，在z i g b e e 标准问世后不久，就有不少 支持该协议标准的芯片投入市场。从目前的情况来看，z i g b e e 技术标准是现有的 最适合应用于w s n 的技术标准【l o 】。 如今环境监控中已经有一些无线通信技术应用了，采用无线通信技术和传统 的有线网络相比优势明显，在保证网络整体功能的情况下，没有有线网络的布线 问题，而且无线网络更为灵活，甚至节点还能移动，这就给用户提供了更多的解 决方案，可以说，无线环境监控网络是目前的一个大的方向，在无线监控网络设 电子科技大学硕士学位论文 计中要考虑的问题很多，例如网络的组网方式、路由机制、数据传输的可靠性， 和系统效率优化问题等。 在无线自组织监控网络设计中的几个关键技术中，路由协议的性能将直接关 系到整个网络的性能，特别在路由协议设计中要充分考虑应用环境，这样才能做 到有的放矢。 本文是对作者硕士研究生期间研究成果的总结。将z i g b e e 这样一种短距低速 低成本低功耗的无线通信组网技术应用到环境监控系统中，并在此基础上研究了 z i g b e e 标准中的路由协议在环境监控系统中的应用情况，并提出了一种改进的方 式应用于环境监控领域，从而为w s n 以及z i g b e e 技术在监控系统中的进一步应 用和推广提供了思路和一些评估依据。 1 4 本文的内容安排 本文的核心内容是对z i g , b e e 标准中的路由策略机制的研究与改进。具体内容 分布如下：在第一章中主要介绍了w s n 的发展历史及其在环境监控领域的应用， 并介绍了目前的w s n 中路由协议的研究概况。第二章主要介绍 i e e e 8 0 2 1 5 4 z i g b e e 技术的相关标准，在第三章中，重点研究了目前无线传感器 领域的路由协议研究现状，并对主流的路由协议的思想及其性能进行了相关分析， 第四章在分析了现有z i g b e e 路由协议在环境监控领域的应用情况，并从环境监控 的具体的需求出发提出了一种完整的改进体制，第五章对改进前后的协议在 o p n e t 平台上进行了功能和性能的测试，并详细分析和比较了实验结果，在第六 章中，将z i g b e e 协议栈移植到c c 2 4 3 0 平台上，并对z i g , b e e 网络的协议的基本功 能进行了测试。最后一章对本文进行了总结，并提出进一步的工作方向。 6 第二章i e e e8 0 2 1 5 4 z i g b 标准 第二章i e e e8 0 2 15 4 z i g b e e 标准 本章首先简要介绍了i e e e8 0 2 1 5 4 z i g b e e 标准极其技术特点与应用，并比较 了其与另外几种短距离通信技术的优缺点，随后简单介绍了z i g b e e 标准的各个子 层，并分析了其网络结构。 2 1i e e e8 0 2 15 4 z i g b e e 2 0 0 6 协议概述 当前，w s n 虽然已经成为研究热点，但大多数研究还处于理论阶段，随着无 线网络市场对网络高效性及标准化的需求发展，z i g , b e e 的低功耗、低数据传输率 等特性使得它成为目前w s n 领域里的唯一一种标准化技术，。 z i g b e e 协议基于标准的七层开放式系统互连( o s d 模型，主要包括四个子层【1 1 1 ， 其体系如图2 1 所示。i e e e8 0 2 1 5 4 2 0 0 6 标准定义了最下面的两层：物理层( p n v ) 和介质接入控制子层( m a c ) ；而网络层( n w k ) 与应用层( a p e ) 的规范则由z i g b e e 联盟给出。 图2 - 1z i g b e e 协议体系架构 2 1 2z i g b e e 技术特点 作为一种新型的短距离无线通信技术，z i g b e e 标准具有非常明显的个人特点 【l o 】 7 电子科技大学硕士学位论文 传输功耗低，节省电量 z i g b e e 在设计之初就重点考虑了节省能量问题，支持睡眠模式使得z i g b e e 节 点仅仅使用普通电池就可以工作数个月。 网络延时短 z i g b e e 协议中不管是数据传输时延还是休眠唤醒的速度都非常快，这使得 z i g b e e 也可以应用于家庭控制领域。 硬件要求低，成本低廉 实现z i g b e e 标准对节点设备的要求并不高，这样可以降低节点的成本，从而 给大规模应用带来了可能。 网络配置灵活 z i g b e e 网络配置极为灵活，按照不同的应用要求，z i g b e e 网络可以分别配置 成星型、树型、网型网络结构，其分布式的入网方式使得网络可以随时拓展。 可靠性高 z i g b e e 的m a c 层采用了冲突避免机制，而且组网时自动评估选择性能最好 的物理信道，这样保证了z i g b e e 网络的传输可靠性。 安全保密好 在z i g b e e 中提供了可选的加密算法以及鉴权功能，这使得z i g b e e 标准也有了 一定的安全性。 2 1 3z i g b e e 技术的应用前景 z i g b e e 技术标准制定的目标是网络构建简单的低成本无线自组织网络。因此， 只要是要求低功耗长时间工作而数据传输速率要求又不是很高的场合均可以应用 z i g b e e 技术，目前来说，主要有下列应用： 家庭娱乐自动化 工业控制 智能楼宇 行动不便人体辅助跟踪 环境监控 医疗设备控制 随着z i g b e e 技术的日益成熟，其应用领域也将日益扩展，同时专用性也会越 来越强。 第二章i e e e8 0 2 1 5 4 z i g b e e 标准 2 1 4 短距离无线通信技术比较 除了z i g b e e 外，目前还有几种比较热门的短距离无线数据通信技术，如无线 局域n ( w i f i ) 、红外技术、蓝牙技术( b l u e t o o m ) 等等 1 0 】，每种短距离通信聚焦的重 点都不一样，应用的范围也各不一样。 w 卜fi w i f i 是i e e e 规定的无线局域网工业标准，它的最大优势是数据传输速度特 别快，此外，它的无线电波覆盖范围特别大，最大半径可以达到3 0 0 英尺以上， 此外，w i f i 的移动性能出色，这些优点使得w i f i 的发展前景非常广阔。 红外技术 红外技术一般应用在端到端的直接数据传输，使用红外技术的硬件要求低， 由于是采用红外线传输，因此不容易受到普通的电磁波的干扰。 蓝牙技术 蓝牙是一种小范围的无线通信技术规范，它的协议架构简单，无需基础设施 即可灵活组网，并且实现成本与功耗均很低。 这几种短距离通信协议的特点性能比较如下： 表2 1 几种短距离通信技术比较 各项性能w i f i红外b l u e t o o t h z i g b e e 功率1 0 0 m w 以上1 0 m w 左右1 0 0 m w 以内2 m w 左右 网络容量5 0点对点86 5 0 0 0 最大传输速 窒 1 5 0 n r b s1 6 m b s1 m b s2 5 0 k b s 8 6 8 n m z 通信频段2 4 g h z波长8 2 0 n m2 4 g h z 2 4 眦 入网延时3 so 0 1 s1 0 s0 0 3 s 协议复杂度很复杂简单比较复杂简单 实现成本普通低廉低廉低廉 9 电子科技大学硕士学位论文 2 2 z i g b e e 标准分层简介 2 2 1 物理层 i e e e8 0 2 1 5 4 定义了z i g b e e 协议的物理层，它的主要功能有： 通信频段与通信信道的选取 为上层提供数据收发的功能 空闲通信信道估计( c l e a rc h a n n e la s s e s s m e n t ，c c a ) 射频收发机的开关控制 接受物理层数据帧的时候读取链路质量状况( l i n kq u a l i t yi n d i c a t i o n ，l q i ) 。 在i e e e 8 0 2 1 5 4 2 0 0 6 中定义了2 4 g h z 和8 6 8 9 1 5 m h z 两个物理层标准， 2 4 g h z 频段是全世界同样的i s m ( i n d u s t r i a ls c i e n t i f i cm e d i c a l ) ) 频段，8 6 8 m h z 和 9 1 5 m h z 则分别是欧洲和美国附加的i s m 频段。由于都采用直接序列扩频( d i r e c t s e q u e n c es p r e a ds p e c t r u m ，d s s s ) 的技术，使得z i g b e e 物理层数据传输的抗干扰 能力得到增强，但这两种标准的数据传输速率、数据调制模式扩频参数都不相同， 具体参数如表2 2 所示： 表2 2 各频段相关参数比较 数据传输速波特率 频段h z码片长度调制方式符号进制 度k b p s k b d 8 6 8 m 2 02 0 1 5b p s k二进制 9 1 5 m 4 04 0 1 6 相位正 2 4 g 8 o - q p s k 2 5 06 2 5 交 z i g b e e 的信道以及对应的频段如图2 2 所示。在z i g b e e 的所有2 7 个频段中，： 在信道0 位于8 6 8 m h z 频段；信道1 至信道1 0 均匀分布于9 0 2 m h z 到9 2 8 m h z ， 每个信道带宽为2 m h z ；剩余1 6 个信道则分布在2 4 g h z 附近，每个信道带宽为 5 n i z 。 1 0 第二章i e e e8 0 2 1 5 4 z i g b e e 标准 c h a n n e l oc h a n n e l1 1 0 叫卜- 2 m h z 2 4 g h zp h yc h 锄e l11 - 2 6- q卜_5 h 册乜 鱼璺璺鱼鱼璺鱼鱼璺鱼璺鱼鱼鱼鱼鱼 2 4 g h z2 4 8 3 5 g h z 图2 - 2z i g b e e 的信道与相应频段分布 2 2 2m a c 层 在i e e e8 0 2 标准系列中，数据链路层由逻辑链路控制子层l l c 和介质接入控 制子层m a c 两个子层组成。l l c 子层在所有8 0 2 系列标准中都一样；而m a c 子 层协议则随着不同的物理层各有区别。l l c 子层的主要用于数据的分段和重组， 保证数据的传输顺序正确。而i e e e8 0 2 1 5 4 m a c 子层组要负责实现对应的物理层 的信道接入。它主要负责以下几方面： 无线链路的建立、维护 采用避免冲突的载波检测多址方式( c s m a - c a ) 接入无线信道 提供安全时隙( g u a r a n t e e dt i m es l o t ，g t s ) 机制 产生用于网络同步的网络信标 为对等的m a c 层实体提供安全可靠的通信链路 为了实现相应的功能，在m a c 层中一共有下列四种帧： 数据帧：传输数据的载体 应答帧：保证可靠的数据传输 命令帧：用于保证m a c 层的功能实现 信标帧：实现设备间的时间同步。 2 2 3 网络层 网络层构建在m a c 层之上，其主要功能如下： 由协调器发起的网络建立及其维护 设备网络地址管理 路由相关操作，包括启动路由发现、建立路由路径等 电子科技大学硕士学位论文 将网络层数据通过适当的路由路径发送到目的地址 设备周围的邻居信息管理 为了实现上述功能，网络层中有两种类型的帧结构t 数据帧：用于网络层数据的发送 命令帧：保证网络层的功能正确实现的控制帧 网络层帧格式通常由一个网络层报头和一个网络层有效载荷组成。典型的网 络层协议数据单元( n p d u ) 由以下部分： 网络层帧头：主要是控制信息与地址信息。 网络层净荷。 其通用格式如表2 3 ： 表2 3 通用网络层帧格式 b y t e ：2 2211长度可变 目标地址源地址广播半径广播号码 帧控制域n p d u 路由帧 网络层帧头网络层净荷 2 2 4 应用层 z i