（通信与信息系统专业论文）基于zigbee技术的无线传感器网络网关研究与实现.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 随着我国国民经济的发展，无线传感器网络技术在科学研究、环境监测、日常生活 等领域的作用越来越重要。近几年，为填补低速率端无线通信技术的空缺而提出的 z i g b e e 技术由于其功耗低、自愈能力强等特点成为当前研究的热点，可广泛应用于低速 无线传感器网络中。 在某些无线传感器网路的应用场合，如智能家居，对网络进行延伸或远程监控成为 了一种需求，而i n t e r a c t 则是完成这项功能的最佳选择。本文作为整个无线传感器网络 系统课题的一部分，设计并实现了以太网接入z i g b c e 网络的网关系统。 在1 1 公司公开的z i g b e e 解决方案基础上，分析当今流行的嵌入式i n t e r n c t 技术， 综合考虑成本、功能要求等因素，设计了基于z i g l k e 技术的无线传感器网络网关系统 的整体方案。以低功耗、资源丰富的m s p 4 3 0 f g 4 6 1 8 单片机为核心，通过网络芯片 c s 8 9 0 0 a 和符合i e e e 8 0 2 1 5 4 协议的芯片c c 2 4 2 0 ，分别接入以太网和z i g b 网络， 设计并制作了微控制器电路、以太网接入电路、辅助电路和c c 2 4 2 0 射频模块。移植精 简的嵌入式t c p i p 协议，实现了进行网络通信所需的a r p 、i p 、l c m p 以及t c p 协议； 研究实现1 r i 提供的z i g b e e 协议z - s t a c k ，建立了z i g b e e 节点。然后对嵌入式t c p i p 协议以及z - s t a c k 进行协议融合，提出了基于z i g b c c 技术的无线传感器网络网关的协议 模型，即在同一个m c u 中实现了两个不同的协议栈，使用嵌入式c 语言在应用层编写 程序交换报文。 论文最后使用v c n e t 语言编写上位机程序，以w i n d o w s 套接字方式与网关系统进 行通信，验证整个系统的设计方案并给出了调试的结果。测试表明：该方案完成了以太 网简单接入z i g b e c 网络的功能，达到了论文最初设计的要求，也为后面的研究提供了 一种新的思路。 关键词：无线传感器网络；z i g b e e ；z - s t a c k ；嵌入式i n t e r n e t ；网关 大连理工大学硕士学位论文 t h er e s e a r c ha n di m p l e m e n t a t i o no ft h eg a t e w a yo f z i g b e eb a s e dw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fo a rn a t i o n a le c o n o m y w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r ki s b e c o m i n gm o r ei m p o r t a n ti ns c i e n t i f i cr e s e a r c h , e n v i r o n m e n td e t e c t i o n ，d a i l yl i f ea n ds oo i l i nr e c e n ty e a r s ，b e c a u s eo fi t sc h a r a c t e ro fl o wp o w e rc o n s u m p t i o n , h i g hs e r f - h e a l i n ga b i f i t y e t c , z i g l k et e c h n o l o g y ，r a i s e df o rl o w r a t ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n , i sw i d e l yu s e di n w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r ka n db e c o m e sar e s e a r c hf o c u s i ns o m ec i r c u m s t a n c el i k es m a r th o m e ，i ti sad e m a n dt oe x p a n dn e t w o r ko rt om o n i t o r t h en e t w o r kr e m o t e l y a n de m b e d d e di n t e r a c ti st h eb e s tc h o i c e a sap a r to ft h ew h o l e w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r ks y s t e m , t h i sp a p e rd e s i g n e da n di m p l e m e n t c lt h eg a t e w a yb e 腑湖 i n t e m e ta n dz i g b e e b a s e do nz i g b e es o l u t i o n sp r o v i d e db yt ic o m p a n y , a n da n a l y s i so fp o p u l a re m b e d d e d i n t e m c tt e c h n o l o g y ，t a k i n gc o s t 、d e m a n di n t oa c c o u n t ，t h i sp a p e rd e s i g n e daz i g b e eb a s e d g a t e w a ys o l u t i o n ：t a k i n gm s p 4 3 0 f g 4 6 1 8 勰m c u c o n n e c t i n g l u t e r n c ta n dz i g b e e n e t w o r k 砌m d u a l l yt h r o u g hc s 8 9 0 0 aa n dc c 2 4 2 0 m c uc i r c u i t 、i n t e m e ti n t e r f a c ec i r c u i t 、 a u x i l i a r yc i r c u i ta n dc c 2 4 2 0r fm o d u l ea l em a d e t r a n s p l a n t i n ge m b e d d e di n t e m e t , i m p l e m e n t i n ga r p 、口、i c m p 、t c pp r o t o c o l sa n dz - s t a c k 1 1 l i sp a p e ra l s os e t u paz i g s e e n o d e a f t e ra n a l y z i n gt h ei m p l e m e n t a t i o no f1 c p 忍 a n dz - s t a c k t h i sp a p e rr a i s e dt h e g a t e w a yp r o t o c o lm o d e lo fz i g b e eb a s e dw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r kw h i c hm e a nt oh i l lt w o p r o t o c o l si no n es i m p l em c u 。a n dp r o g r a m m e di ne m b e d d e dct oe x c h a n g ep a c k e to nt h e a p p l i c a t i o nl a y e r i nt h ee n d , ap r o c e s sp r o g r a m m e di nv c n e ti nt h ew a yo fw i n d o w ss o c ki su s e dt ot e s t g a t e w a ys y s t e m sc o m m u n i c a t i o nb e t w e e ni n t e m e ta n dz i g b e e t h r o u g hd e b u ga n dt e s t , t h i s g a t e w a ys y s t e mc o u l ds a t i s f yt h er e q u i r e m e n t , i m p l e m e n t st h ec o n n e c t i o nb e t w e e ni n t e r a c t a n dz i g b e es i m p l ya n da l s op r o v i d e san o wi d e af o rt h en e x t k e yw o r d s ：w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ；z i g b c c ；z - s t a c k ：e m b e d d e di n t e r n e t ；g a t e w a y 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特另l 】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的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意 作者签名：查毽 日期：叠2 。堡! 兰 f 大连理丁大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位 论文版权使用规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送 交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理 工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也 可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名：垄褒 导师签名：仁苎互2 颦 监越日 大魍工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 课题背景 微电子技术、计算机技术和无线通信等技术的进步，推动了低功耗多功能传感器的 快速发展，使其在微小体积内能够集成信息采集、数据处理和无线通信等多种功能。无 线传感器网络( w i r e l e s s s 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 作地感知、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。传感器、感 知对象和观察者构成了传感器网络的三个要素。如果说i n t e m e t 构成了逻辑上的信息世 界，改变了人与人之闻的沟通方式，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。 传感器网络在科学研究、环境监测、日常生活等领域具有非常广阔的应用前景，将 使整个社会又发生一次变革。在科学研究领域，传感器网络提供了一种新型的研究手段， 可以揭示以往无法或难以观察的现象，可以应用在地震、火山活动过程，生态系统微观 行为的观察等研究中；传感器网络能够监测温度、湿度、亮度、压力、噪声等多种环境 状态，可用于森林火警检测、城市空气质量监测、洪水监测等应用；在城市的每个车辆 上附加一个或多个传感器，检测车辆、位置、速度、道路状况和车辆密集度等信息，在 车辆行驶过程中，这些传感器和其他车辆相互交换信息，驾驶员可以根据交换的信息选 择道路等。无线传感器网络还可以应用于武器装备、工农业生产等，可以毫不夸张地讲， 传感器网络应用的广度与深度，将更多的取决于应用者的想象力 美国商业周刊和m r r 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2 1 世纪最有影响的2 1 项技术和改变世界的1 0 大技术之一传感器网络、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。 在一些传感器网络应用中，为了实现多个m c u 之间的信息交流，以及实现远程的 监控，利用c a n 、r s 4 8 5 以及r s 2 3 2 等总线组网，但这种组网的半径比较有限、相关 的协议也比较少，这难以满足复杂、远程( 异地) 和较大范围内的测控任务的需求0 1 。以 i n t e m e t 为代表的网络技术不仅已将智能网技术引进入们的生活，并且为网络远程监控 提供了新的方案。当前，i n t e r n e t 已经成为社会重要的基础信息设施，是信息交流的重 要通道，如果将无线传感器网络内传感器节点信息接入到i n t e r n e t 网络，则可以将信息 方便廉价的传到世界的每一个角落。这种方案中以太网的接入点可以采用p c 机也可以 基于z i g b e e 技术的无线传感器网络网关研究与实现 使用日益成熟的嵌入式t c 驯口技术。在一些简单的应用场合，嵌入式系统与网络技术 的结合顺应着低成本、高性能、网络化的时代潮流，是嵌入式系统迅速发展的方向嘲。 本文的研究就是以此为出发点，研究并实现基于z i g b e e 技术的无线传感器网络与嵌入 式i n t e r n e t 进行信息交换的网关系统。 1 2z i g b e e 技术起源 在无线通信领域，针对语音、视频、计算机局域网等领域，具有中高数据率的应用 都有相应的国际标准。从图1 1 中看，主要的无线技术都集中在1m b p s 以上的速率，新 的标准还在追求更快的速率，而i e e e8 0 2 1 5 a z i g , b e e 恰恰是填补低速率端无线通信技 术的空缺，与其他标准在应用上几乎无交叉“。 儿o 1 0 巨480 喜 加 嗣 l 0 i f 2 - 0 2 5 1 01 0 0a * 1 0 0矿l 咖 匝富j m 图1 1 几种无线通信技术速率和距离比较 f i g 1 1 t h er a l ea n dd i s t a n c ec a p a r i s o n sa m o n gs e v e r a l w 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 y z i g b e e 是基于i e e e 8 0 2 1 5 4 标准的短距离无线通信技术。z i g b e e 无线传感器网络 是指组网协议使用i e e e 8 0 2 1 5 4 z i g b e e 协议的无线传感器网络。通常把 i e e e 8 0 2 1 5 4 z i g b e e 协议称为z i g b e e 协议。i e e e 8 0 2 1 5 4 标准是针对低速率无线个人 局域网( w i r e l e s sp e r s o n a la r e an e t w o r k ，w p a n ) 的通信标准，把低功耗、低成本作为设 计的目标，旨在为个人或者家庭范围内的不同设备之间提供统一的标准。z i g b e e 协议在 i e e e 8 0 2 1 5 4 标准的基础上制定了网络层、应用层和安全层，是一个完整的标准协议， 已经成为无线传感器网络的国际标准协议。 z i g b e e 技术的命名源自蜜蜂采蜜的过程，蜜蜂在采蜜过程中飞行的轨迹像跳“z ” 字型的舞蹈每一只蜜蜂类似于一个网络节点，在蜂王的统一组织下工作，而且根据需 大连理工大学硕士学位论文 要蜜蜂也有不同的分工，有的蜜蜂负责采蜜，相当于传感器网络节点，有的蜜蜂负责传 送信息，相当于路由器，蜂王就相当于网络协调器。蜜蜂的自身体积小，所需要的能量 少，飞行的距离也不是很远，一次采集的花粉也很少，恰好对应了z i g k e 网络节点的 特点，因此有的译者把z i g b c e 技术称为。紫蜂”技术。 z i g b e e 联盟成立于2 0 0 1 年8 月，z i g b e c 技术的发展非常迅速。2 0 0 2 年下半年，英 国i n v c n s y s 公司、日本三菱电气公司、美国摩托罗拉公司以及荷兰飞利浦半导体公司四 大巨头共同宣布，他们将加盟z i g s e e 联盟，研发名为z i g b e e 的下一代无线通信标准， 这一事件成为该项技术发展过程中的里程碑。到目前为止，除了以上提及的国际知名大 公司外，该联盟大约已有1 5 0 家成员企业，并在迅速发展壮大( 华为技术有限公司和m m 也加入其中) ，其中涵盖了半导体生产商、口服务提供商、消费类电子厂商及o e m 商 等，例如h o n e y w e l l 、e a t o n 和i n v e n s y sm e t e r i n gs y s t e m s 等工业控制和家用自动化公司， 甚至还有像m a t t e l 之类的玩具公司。所有这些公司都参加了负责开发z i g b e e 技术的物 理层和m a c 层技术标准的l e e s 0 2 1 5 4 工作组。到2 0 0 5 年4 月，该联盟制定了z i g b e e 规范1 0 版，可以作为国际通用的标准版本。随着时间的推移，该协议规范还在进一步 的完善和发展当中。 随着规范的制定，7 _ , i g b e e 的发展方兴未艾。目前很多大型的知名的公司纷纷推出自 己的z i g b e e 解决方案，比较著名的有f r e e s c a l e 公司、m i c r o c h i p 公司、c h i p c o n 公司( 现 为1 r i 公司子公司) 等。美国和欧洲引领z i g b e e 技术的发展前沿，韩国、日本也纷纷研 制出相应的开发套件和解决方案。 1 3 论文研究的内容以及结构安排 如图1 2 所示是无线传感器网络整体结构。传感器网络系统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 ) 和管理节点。大量的传感器节点部署在监测区域 ( s e n s o rf i e l d ) 内部或附近，能够通过自组织方式构成网络。传感器节点监测的数据沿着 其它传感器节点逐跳地进行传输，经过多跳后路由到汇聚节点，最后通过互联网到达管 理节点。用户通过管理节点对传感器网网络进行配置和管理，发布监测任务以及收集监 测数据。 本课题的目标是实现如图1 2 所示的基于z i g b 技术的无线传感器网络系统。基于 z i g b e e 技术的无线传感器网路系统主要包括三个方面的内容：采集节点数据，建立 z i g b e e 网络以及传输数据，设计z i g b e e 网络接入以太网的网关系统”1 。其中节点数据 的采集、z i g e e e 网络的建立以及数据的传输由同组其他同学完成，本论文的目标是实现 无线传感器网络接入以太网的网关。 基于z i g b e e 技术的无线传感器网络网关研究与实现 图1 2 无线传感器网络系统示意图 f i g 1 2s y s t e ms k e t c ho f w i r e l e s ss e n s o r n e t w o r k 论文一共分为五章，具体的内容及结构安排如下： 第一章：绪论。介绍无线传感器网络的背景知识、发展应用情况以及z i g e e e 技术的起 源。提出论文的意义，列出了整个课题组的目标并指出了本文在整个系统中需 要完成的工作； 第二章：z i g e e e 网络网关系统方案设计。仔细分析z i g e e e 协议的框架、网络拓扑以及 技术特点，综合目前市场上流行的z i g b e e 网络实现方式以及现有的嵌入式 t c i i p 的实现方法，设计了网关系统的整体方案； 第三章：z i g a 网络网关系统硬件电路设计。在第二章整体方案的基础上，设计了基于 z i g l k 的无线传感器网络的网关硬件电路：以m s p 4 3 0 f g 4 6 1 8 单片机为核心 设计微控制器电路、辅助电路、以太网接入电路以及c c 2 4 2 0 射频模块，并 分别介绍了m c u 对以太网接入芯片和o c 2 4 2 0 射频模块的访问方法以及硬件 p c b 制作时的注意事项： 第四章：z i g b e e 网络网关软件移植及设计。分析、裁剪、移植t c p i p 协议，分别给出 了a r p 、i p 、i c m p 和t c p 的实现步骤和实现方式；研究并实现了1 1 公司提 供的协议栈z - s t a c k ，在o s a l 层进行了应用程序开发；提出了z i g b e e 网络接 入以太网的协议层次模型，与其他同学一起制定了z i g b e e 网络通信格式并编 写报文交换程序； 第五章：z i g b e e 网络网关系统测试。在远程p c 机上利用v c n e t 的w i n d o w ss o c k e t 编 程控件，编写上位机的测试程序，简单测试在远程监控传感器网络数据的功能， 并给出了测试的结果。 一4 大连理工大学硕士学位论文 2zig b e e 网络网关系统方案设计 2 1 z i g a e e 协议概述 随着无线网络技术的快速发展，许多本来存在的网络服务逐渐走向成熟。目前，基 于i e e e 8 0 2 1 5 4 协议的无线传感器网络，已经成为被广泛讨论和研究的课题之一。 i e e e 8 0 2 1 5 4 是一个新兴的无线通讯协议，是i e e e 确定的低速个人区域网络的标 准。这个标准定义了物理层和介质访问层。物理层规范规定无线网络的工作频段以及该 频道上传输数据的基准传输率。介质访问层规范定义了在同一工作区域内工作的多个 8 0 2 1 5 4 无线信号如何共享空中频段。 但是，仅仅定义物理层和介质访问层并不能完全解决问题，因为没有统一的规范， 不同厂家生产的设备存在兼容性问题，于是z i g b c c 联盟应运而生：众多厂家一起，推 出了一套标准化的平台。z i g b c e 从i e e e s 0 2 1 5 4 标准开始着手，定义了允许不同厂商 制造的相互兼容的应用规范州 2 1 1 z i g b e e 协议框架 z i g b c c 标准采用分层结构，每一层为上层提供一系列特殊的服务：数据实体提供数 据传输服务，管理实体则提供所有其他的服务。所有的服务实体都通过服务接入点( s a p ) 为上层提供一个接口，每个s a p 都支持一定数量的服务原语来实现所需的功能。 z i g b c c 标准堆栈架构是在o s i 七层模型的基础上根据市场和实际需要定义的。整 个z i g b e e 协议栈的结构如图2 1 所示埘。 图2 1z i g b e e 协议栈结构 h g 2 1z i g b c es t a c ks t r u c i u r e 基于z i g b 技术的无线传感器网络网关研究与实现 i e e e s 0 2 1 5 4 - 2 0 0 3 标准定义了底层：物理层( p h y s i c a ll a y e r ，p h n 和媒体访问控制 层( m e d i u ma c c e s sc o n t r o ls u b l a y e r ，m a c ) 层。i e e e s 0 2 1 5 4 定义的物理层( p h y ) 分别 工作在两个频段上：8 6 8 9 1 5 m h z 和2 4 g h z 。其中低频段物理层覆盖了8 6 8 m h z 的欧洲 频段和9 1 5 m h z 的美国与澳大利亚等国的频段，高频段则全球通用。i e e e 8 0 2 1 5 4m a c 层采用c s m a - c a 机制来控制信道接入，主要负责传输信标帧，同步以及提供可信赖的 传输机制“。 z i g b e e 联盟在此基础上定义了网络层( n e t w o r kl a y e r ，n w 硒，应用层( a p p l i c a t i o n l a y e r ，a p l ) 架构。网络层的主要职责包括提供设备用来加入网络和离开网络的机制， 提供数据帧传输的安全机制和路由机制。另外，发现并保持设备间的路由，发现一跳邻 居并存储潜在邻居信息也是有网络层( n w l ( ) 完成的。z i g b e e 协调器的n w k 层还必须负 责启动一个新的网络，给新的关联设备分配地址等工作。 应用会聚层将主要负责把不同的应用映射到z i g b e e 网络上，具体而言包括：安全 与鉴权、多个业务数据流的会聚、设备发现、业务发现。z i g b e e 应用层包括应用支持子 层( a p s ) ，z i g b e e 设备对象( z d o ) 以及用户定义应用对象。应用支持子层( a p s ) 负责维护 设备绑定表，以及传输在绑定的设备问传输数据。设备绑定表用于根据设备间提供的服 务和需求来匹配设备并储存相关设备信息的。z i g b e e 设备对象( z d o ) 负责定义设备在网 络中的角色( 如z i g b e e 协调器或中断设备) ，提出或响应绑定请求，以及建立网络设备 间的安全关系。z i g b e e 设备对象( z 【 o ) 还要负责网络设备的发现及判定对方提供服务类 别。 2 1 2z i g b e e 网络设备和网络拓扑 z i g b c c 定义了两种物理设备类型：全功能设备肿o u nf u n c t i o nd e v i c e ) 和精简功 能设备g f d ( r e d u c e df u n c t i o nd e v i c e ) 。一般来说，f f d 支持任何拓扑结构，可以充当 网络协调器( c o o r d i n a t o r ) 或者路由器( r o u t e r ) ，能和任何设备通信。r f d 通常只用于网络 终端节点，且只能与f f d 通信。r f d 占用的资源比较小，成本也比较低。 z i g b e e 网络支持3 种功能设备：网络协调器( n e t w o r kc o o r d i n a t o r ) 、路由器( n e t w o a r o u t e r ) 及终端节点( e n d - d e v i c e ) 。顾名思义，网络协调器的主要功能是协调建立网络，它 是网络中的第一个设备。协调器选择一个信道和网络d 号( p a ni d ) 建立网络并且辅助 建立安全机制和应用层的绑定。此外，网络协调器要存储一些基本信息，如节点数据设 备、数据转发表及设备关联表等。一旦网络建立，协调器节点的功能与路由器相当，甚 至可以移出。路由节点的功能有1 ) 允许其他设备加入网络；2 ) 多跳路由；3 ) 协助电池供 电的终端设备通信。路由器能够为终端节点保存消息直到终端节点从休眠中唤醒或者主 一6 一 大连理工大学硕士学位论文 动索取信息，当终端节点需要发送信息时，从休眠状态唤醒，将信息发送给自己父节点 的路由器，本身可以返回休眠状态，又路由器处理数据传输，包括重传以及确认等。通 过路由器路由信息。终端设备的功能相对简单，例如在传感器网络中，它们只负责将采 集的数据信息发送给他的协调点，并不具备数据转发、路由发现和路由维护等功能，因 此它本身可以将自己大部分的时间设置成休眠状态。 在能量管理方面，网络协调器与路由器需要突发的处理一些请求，包括入网、退出 网络以及数据中转等功能，一般情况下，使用永久性电源；若终端节点在大部分的时间 里都处于休眠状态就可以采用电池供电。若对电池供电没有要求，网络中可以全部采用 f f d 设备。 网络层支持三种网络拓扑结构，星型结构( s t a r ) 、簇状结构( c l u s t e rt r e e ) 和网状结构 ( m ”。其中簇状结构和网状结构都是属于点对点的拓扑结构，它们是点对点拓扑结构 的复杂化形式”“。 如图2 2 中( a ) 所示，星形网络是一个辐射状系统，数据和网络命令都是通过中心节 点传输。如果用通信模块构造星形网络，只需要一个模块配置成协调器节点，其他模块 可以配置成终端节点。星状拓扑结构最大的优点就是结构简单，这种简单带来的是很少 有上层协议需要执行、较低的设备成本、较少的上层路由信息和管理方便。中心节点需 要承担更多的管理工作。由于把每个终端节点放在中心节点的通信范围之内，这必然会 限制无线网络的覆盖范围，并且星形拓扑很难实现高密度的扩展。集中的信息涌向中心 节点，容易造成网络堵塞、丢包、性能下降等。到目前为止，星形拓扑是最常见的网络 配置结构，被大量的应用在远程检测和控制中。 树形拓扑是多个星形拓扑的集合，如图2 2 中的所示。若干个星形拓扑连接在一 起，扩展到更广阔的区域。树形拓扑是可以实现网络范围内“多跳”信息服务的最简单 的拓扑结构，树形拓扑最值得注意的地方就是它保持了星形拓扑的简单性：较少的上层 路由信息、较低的存储器需求。但是树形结构不能很好的适应外部的动态环境。从图中 可以看出，信息源与目的之间，有且只有一条传输路径，任何一个节点的中断或故障将 会使部分节点脱离网络。树形拓扑的最佳应用是在稳定的无线电射频环境中，也可以很 好的用在一些简单的低数据量的大规模集合的应用之中。 如图2 2 所示的( c ) 中，网形网络是一个自由设计的拓扑，具有很高的适应环境能力。 网络中的每个节点都是一个小的路由器，都具有重新路由选择的能力以确保网络最大限 度的可靠性，可以看出网络中任意两个节点的通讯路径不是唯一的。网形拓扑与星形、 树形相比，更加复杂，其路由拓扑是动态的，不存在一个固定的路由模式。这样信息传 输的时间更加依赖瞬时网络连接质量，因而难以预计。 基于z i g b e c 技术的无线传感器网络网关研究与实现 图2 2z i g b e e 网络拓扑结构 f i g 2 2z i g b e * n e t w o r kt o p o l o g y 2 1 3 z i g b e e 技术特点 i e e e 8 0 2 1 5 委员会制定了三种不同的w p a n 标准，区别在于通信速率、q o s 能力 等。8 0 2 1 5 3 标准是高速率的w p a n 标准，适合于多媒体应用，有较高的q o s 保证。 8 0 2 1 5 1 标准即蓝牙技术，具有中等速率，适合于从蜂窝电话到p d a 的通信，其q o s 机制适合于话音业务。8 0 2 1 5 4 标准也就是z i g b c c 技术，目标市场是工业、家庭以及医 学等需要低功耗、低成本无线通信的应用，对数据速率和o o s 的要求不高。 z i e 业e 的主要技术特征如表2 1 所示： 表2 1z i g b e e 的主要技术特征 t a b 2 1t h e m a i n t e c h n o l o g y c h a r a c t e r o f z i g b e e 特性取值 数据速率 通信范围 通信延时 信道数 频段 寻址方式 信道接入 网络拓扑 8 6 8 m h z ：2 0 k b p s 9 1 5 m h z ：4 2k b p s 2 4 g h z ：2 5 0k l , p s 1 0 1 7 5 m 1 5 - 3 0 m s 8 6 b ，9 1 5 h k ：1 1 2 4 g h z ：1 6 8 6 8 9 1 5 加 z 和2 4 g h z 6 4 b i t i e e e 地址，1 6 b i t 网络地址 c s m a c a 和时隙化的c s m a c a 星形，树状，网状 大连理工大学硕士学位论文 基于z i g l k e 技术的无线传感器网络具有以下特点“”： ( 1 ) 数据传输速率低。z i g b e e 技术的最大传输速率只有2 5 0 s 3 ) p s ，专注于低速率传输 应用。 ( 2 ) 设备省电，功耗极低。z i g b e e 技术采用了多种节电的工作模式，可以确保两节 a a 电池支持长达6 个月到2 年左右的使用时间。 ( 3 ) 通信可靠性高，数据安全。z i g b e e 采用了c s m a - c a 的避免碰撞机制，同时为 需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙，避免了发送数据时的竞争和冲突；m a c 层 采用了完全确认的数据传输机制，每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息，因 此通信可靠性高。z i g b e e 提供了数据完整性检查和鉴权功能，加密算法采用a e s 1 2 8 ， 同时协议栈的各层可以灵活确定其安全属性。 ( 4 ) 网络的自组织、自愈能力强。z i g s e e 网络无需人工干预，网络节点能够感知其 它节点的存在，并确定连接关系，构成结构化的网络。z i g b e e 网络增加或者删除一个节 点、节点位置发生变动、节点发生故障等，网络都能够自我修复，并对网络拓扑结构进 行相应地调整，无需人工干预，保证整个系统仍然能正常工作。 ( 5 ) 时延短，设备接入网络快。通常时延都在1 5 m s 到3 0 m s 之间，因此设备接入网 络和数据传送的延时时间很短，适合实时的监测和控制应用 ( 6 ) 成本低廉，工作频段灵活。设备的复杂程度低，且z i g b e e 协议是免专利费的， 可以有效地降低设备成本。z i g l k e 的工作频段灵活，使用的频段分别为2 4 g m ( 全球) 、 8 6 8 m h z ( 欧洲) 及9 1 5 m h z ( 美国) ，均为免执照频段。 网络容量大。在每一个信道上最大能存在1 0 0 个网络，而每一个网络可以容纳最 多可达2 5 5 个网络设备，可以说网络容量极其庞大，尤其适用大规模无线传感器网络o ”。 2 1 4z i g e e e 实现方案 目前市场上主要z i g b e e 芯片提供商( 2 4 g h z ) ，主要有t i c h i p c o n 、e m b e r ( s t ) 、 l e n l 叮c ( 捷力) 、f r e e s c a l e 和m i c r o c h i p 四家。z i g e e e 技术的提供方式有三种： ( 1 ) z i g b e er f + m c u ：例如：1 1c c 2 4 2 0 + m s p 4 3 0 、f r e e s c a l em c l 3 x x4 - g t 6 0 m i c r o c 哪m j 2 4 4 04 - p i c m c u 。 ( 2 ) 单芯片集成的s o c 如：i ic c 2 4 3 0 c c 2 4 3 1 ( 8 0 5 1 内核) 、f r e e s c a i e m c l 3 2 1 x 、e m 2 5 0 。 ( 3 )单芯片内置z i g b e e 协议栈+ 外挂芯片j e n n i cs o c + e e p r o m 、 e m b e r 2 6 0 + m c u 。 基于z j g , e e e 技术的无线传感器网络网关研究与实现 目前1 r i 提供z i g b e e 2 0 0 6 协议栈z - s t a c k ，包括c c 2 4 3 0 m s p 4 3 0 + c c 2 4 2 0 方案的全 套协议栈原来报价1 0 万人民币，目前已经开放免费下载，这是一个惊人之举。虽然开 放下载的协议栈是库文件，但是全功能，包括网状网络拓扑的全功能协议栈，从1 0 万 到零，将其他对手远远抛在后面。 2 2 嵌入式i n t e r n e t 嵌入式i n t e m e t 是随着计算机网络技术的普及而发展起来的一项新兴概念和技术。 它通过为现有嵌入式系统增加因特网接入能力来扩展其功能，一般指设备通过嵌入式模 块而非p c 系统直接接入i n t e r a c t ，而i n t e r a c t 为介质实现信息交互的过程，通常又称为 非p c i n t e r n e t 接入。嵌入式互联的目标是嵌入式设备工作在以网络为中心的环境中，把 孤立的目标系统相互连接起来。为适应嵌入式分布处理结构和应用的上网需求，嵌入式 系统必须配有一种或多种网络接口，使嵌入式处理器不仅执行传统的控制功能，而且还 能执行与连接因特网相关的功能，从而把标准网路技术( 删 ) 一直扩展到嵌入式设备。 嵌入式i n t e m e t 技术主要解决的问题是实现从不同子网、不同的物理区域对接入到 i n t e m e t 的设备和灵异子网进行监控、诊断、测试、管理及维护等功能，从而使接入到 l n l e m e t 的各种设备或其它类型的子网具有远程监控、诊断和管理的功能。 就嵌入式研究现状得知，目前嵌入式接入网络的方法由以下几种“”： ( 1 ) 通过专用的w e b 服务器实现。首先利用轻网络通讯技术( 如：c a n 、r s 2 3 2 、 r s 4 8 5 、射频等) 将m c u 组网构成一个子网，再通过专用的w e b 服务器作为子网设备 路由器来转换实现嵌入式系统与外部网的通信。 ( 2 ) 通过专用的嵌入式网关连接。即嵌入式系统使用轻网络通讯技术与专用嵌入式 网关连接，运行t c p i p 协议，并提供t c 肌p 到用户的轻型网络的连接和路由功能。 ( 3 ) 把标准网络技术t c p i p 一直扩展到嵌入设备，由嵌入式系统自身实现w e b 服务器功能，是解决问题的最佳方案。 三种方案相比而言，第三种方案是基于嵌入式处理器的网络设备，硬件设计最为简 单，而前两种方案都需要在p c 的辅助下才能实现i n t e m e t 的功能。实现第三类方案时， 在嵌入式系统中m c u 运算速度和存储器容量的限制下，占用大量系统资源的t c p i p 协议的实现较为困难。因此在实现时的设计思路的不同，又有以下几种类型：对于高档 m c u 片上系统，如a r m 7 或3 8 6 e x 等嵌入式系统中比较高档的m c u ，可运行嵌入式 实时操作系统，实现较完整的t c p i p 协议；对于低档的8 1 6 位的嵌入式系统。考虑到 大连理工大学硕士学位论文 其系统速度和内存的限制，要想一些办法实现简化，但要保持最基本的东西，即嵌入式 设备一定要转变为w e b 服务器，一定要加上t ( 珊旧网络协议。 嵌入式t c 呼的实现又有硬件固化和软件两种方式。硬件方式指将t c i 肿协议栈 用硬件方法予以实现，嵌入式系统直接与t c p 门呼协议栈硬件芯片连接，由它实现协议 的转换，从而使之与互联网连接。但这无疑增加了硬件成本，对一些功能单一的嵌入式 设备，连接一个完整的t c p a p 硬协议栈，是一个极大的浪费，而且所增加的成本费用 是难以接受的。对于大量的低档的嵌入式系统，利用1 6 位甚至8 位单片机用软件实现 嵌入式t c p i p 协议，再通过网络芯片接入h t c m c t 网络具有更大的意义 2 3 基于z i g b e e 技术的无线传感器网关系统整体方案 分析以上z i g b e e 网络以及嵌入式h t e m e t 实现的方法，根据课题的要求，以1 1 公 司提供的z i g b e e 解决方案m c u + c c 2 4 2 0 为基础，设计了本文的实现方案“”：在控制核 心m c u 中运行乙s t a c k 和精简的t c i i p 协议栈、完成z i g e e e 报文和b t e m e t 报文交换 的功能，然后通过网络芯片与r f 射频芯片分别接入以太网和z i g b e c 网络。整个网关系 统框图如图2 3 所示 图2 3 网关系统结构框图 f i 参2 js 咖c t u r e 弘t e w a ys y s t e m 基于z i 班技术的无线传感器网络网关研究与实现 3 z i g b e e 网络网关节点硬件设计 如图3 1 所示是硬件电路的基本框图，网关系统以m s p 4 3 0 f g 4 6 1 8 单片机为核心， 用c s 8 9 0 0 a 网络芯片与符合8 0 2 1 5 4 协议的2 4 g h z 芯片c c 2 4 2 0 分别接入以太网和 z i g b 网络，在加上简单的外围辅助电路，完成了整个硬件电路的设计。 l 撼l i c c 砌 变压器l s o l 时钟电路k ： i s c l k l 图3 1 硬件框图 历9 3 1 i i a _ d w a md i a g r a m 本章将根据论文方案的特点，从四个方面介绍硬件的设计：微控制器电路、辅助电 路、以太网接入电路以及c c 2 4 2 0 射频模块。 3 1微控制器m s p 4 3 0 f g 4 6 18 及辅助电路设计 3 1 1 微控制器电路设计 m s p 4 3 0 系列单片机是美国1 r i 公司开发的1 6 位单片机，其突出优点是低电源 ( 1 8 - 3 6 v ) 、超低功耗，有多个系列和型号。该系列单片机具有f l a s h 型存储器，在系 统设计、开发调试以及实际应用中都表现出较明显的优点。 为设计方便，微控制的核心选择m s p 4 3 0 f g 4 6 1 8 型单片机，该单片机是z i g b e ct i 方案m c u + c c 2 4 2 0 的控制核心，它有丰富的资源能够满足系统的要求，又便于进行扩 展。 m s p 4 3 0 f g 4 6 1 8 具有1 1 6 k b 闪存能够存储庞大的z i g b e e 协议栈和精简的t c p i p 协议栈，8 k br a m ，采用