（模式识别与智能系统专业论文）基于zigbee技术的数据无线传输系统的设计与实现.pdf

摘娶 摘要 随着现代通信技术的发展，无线通信技术在许多领域得到了广泛的应用。与 有线设备相比，它具有携带方便，无需布线的优势，特别适用于机动性要求较强， 或者工作受到内部线路限制的通信设备。 本文在考虑项目背景以及目前主要的短距离无线通信技术的基础上，针对有 线数据传输方式成本高、移动性差等缺陷，设计并实现了一套基于z i g b e e 技术 的数据无线传输系统。z i g b c c 是一种新兴的短距离无线通信技术标准，用于构 建近距离、低功耗、低复杂度、低数据速率、低成本的无线通信网络。将z i g b e c 技术与数据采集技术相结合，具有广泛的应用前景。 本文的主要工作是基于通信系统和嵌入式系统的一般设计原则，选择合适的 软硬件开发平台，并着重于软件系统的设计与实现。在硬件方面，详细阐述系统 节点的功能特征，根据模块化的设计思路，完成了数据处理模块、数据采集模块、 电源供应模块、r s 2 3 2 串口通信模块和无线通信模块的硬件设计，并预留处理 器芯片的i o 引脚以供扩展传感器接口，满足野外监测系统多种参数监测的需求。 在软件方面，分析z i g b e e 通信协议规范设计了系统组网方式、数据采集和无线 通信等功能模块，重点研究了终端节点和网络协调器的通信算法，解决了终端节 点与网络协调器的数据传输问题。最后利用本文设计的系统构建一个试验平台， 进行了数据无线传输系统的功能测试。 测试结果表明，本文设计的基于z i g b e e 技术的数据无线传输系统能够实时 可靠地无线通信，满足了野外环境多参数监测系统的设计要求，而且为今后智能 化的无线数据采集与传输系统的实现提供了一种新的解决方案。 关键词：z i g b e c 技术；数据采集；无线传感器网络；c c 2 4 3 0 ；a r m 9 a b s t r a c t a b s tr a c t w i t ht h e d e v e l o p m e n t o fm o d e mc o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g y , w i r e l e s s c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yh a sb e e na p p l i e dw i d e l yi nm a n yf i e l d s c o m p a r e dw i t h t h ew i r e dd e v i c e s ，i ti se a s yt ot a k ew i t h ，h a sn on e e dt ow i r e ，e s p e c i a l ya p p l i c a b l et o t h es t r o n gm o b i l i t yr e q u i r e m e n t s ，o rf 0 rt l i ec o m m u n i c a t i o nd e v i c et h a tr e s t r i c t e db y t h ei n t e r n a lc i t e u i t s c o n s i d e r i n gt h ep r o j e c tb a c k g r o u n da n dt h em a i ns h o r t - r a n g ew i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n st e c h n o l o g yi np r e s e n t , c o n t r a r yt ot h eh i g hc o s ta n d p o o rm o b i l i t yo f t h ew i r e dc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，t h i sp a p e rd e s i g n sa n dr e s e a r c h saw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o ns y s t e mb a s e do nz i g b e et e c h n o l o g y z i g b e ei sas h o r t - r a n g ew i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n st e c h n o l o g ys t a n d a r d i ti s m a i n l yu s e di nc o n s t r u c t i n gw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o nn e t w o r kw i t hs h o r td i s t a n c e ，l o wp o w e r , l o w c o m p l e x i t y , a n dl o wd a t a r a t e , l o wc o s t c o m b i n e dt h ed a t aa c q u i s i t i o nt e c h n o l o g y , z i g b e eh a sb r o a dp r o s p e c t s b a s e do nt h ed e s i g np i n c e p l eo fc o m m u n i c a t i o ns y s t e ma n de m b e d d e ds y s t e m s ， t h ep a p e rc h o o s e sp r o p e rh a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e v e l o p m e n tp l a t f o r m ，a n df o c u s e s o ns o f t w a r ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o n i nh a r d w a r ed e s i g n ，t h i st h e s i sh a sd e s c r i b e d t h ef u n c t i o n a lf e a t u r e so fp o w e r - s a v i n gi nd e t a i l s ，h a sf i n i s h e dh a r d w a r ed e s i g no ft h e d a t ap r o c e s s i n gm o d u l e ，d a t aa c q u i s i t i o nm o d u l e ，p o w e rs u p p l ym o d u l e s ，r s 2 3 2 s e r i a lc o m m u n i c a t i o nm o d u l e & w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nm o d u l e ，m e e t e dt h ed e m a n d o fm o n i t o r i n gs y s t e ma p p l i e do u t s i d e ，w h i c hn e e dm o n i t o rav a r i e t yo fp a r a m e t e r s i n s o 脚a g ed e s i g n ，t h et h e s i sh a sa n a l y s i s e dt h ez i g b e ep r o t o c o ls p e c i f i c a t i o n ，a n dh a s d e s i g n e ds y s t e mn e t w o r kf o r m a t i o n ，d a t aa c q u i s i t i o n & w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n m o d u l e s ，i th a sr e s e a r c h e dt e r m i n a ln o d ea n dn e t w o r kc o o r d i n a t o ro fc o m m u n i c a t i o n a l g o r i t h m s ，h a ss o l v e dt h ed a t at r a n s m i s s i o np r o b l e mb e t w e e n t h et e r m i n a ln o d e sa n d t h en e t w o r ko o o r d i n a t o r i nt h ee n d , t h i st h e s i sh a st e s t e dt h ed a t aw i r e l e s s t r a n s m i s s i o ns y s t e m sf u n c t i o n t h et e s t i n gr e s u l ts h o w st h ed e s i g nc a l lc o m m u n i c a t er e l i a b l ya n dp u n c t u a l l y i t n o to n l ym e e t st h ed e m a n do fm o n i t o r i n gs y s t e ma p p l i e do u t s i d e ，b u ta l s op r o v i d e sa n e wm e t h o df o r t h ed e s i g no ff u t u r e i n t e l l i g e n tw i r e l e s s d a t ac o l l e c t i o na n d t r a n s m i s s i o ns y s t e m k e y w o = 。d s ：z i g b e e ；d a t aa c q u i s i t i o n ；w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ；c c 2 4 3 0 ；a r m 9 i i i 中国科学技术大学学位论文原创性声明 本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作所取得的成 果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任何他人已经发表或撰写 过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了明确 的说明。 作者签名： 签字日期： 中国科学技术大学学位论文授权使用声明 作为申请学位的条件之一，学位论文著作权拥有者授权中国科学技术大学拥 有学位论文的部分使用权，即：学校有权按有关规定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，可以将学位论文编入有关数据 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。本人 提交的电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 口公开口保密( 年) 作者签名： 签字日期： 导师签名： 签字日期： 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题背景与研究意义 1 1 1 课题研究背景 目前，相当大部分数据采集设计方案特别是工业应用中，现场各个部件参数 均采用电缆连接的设计方式进行信息通讯和数据获取，最终实现各个仪器之间的 互动控制1 。但是，在现实具体应用中，有线电缆传输方式具有很多弊端，如： 布线繁琐，电缆线泛滥：安装成本和维护成本高；设备移动性差；扩充性较弱等 等，因此，在一些条件比较恶劣的环境中，切实需要一种高效的无线传输方案来 代替有线电缆传输方案。 从上世纪末始，无线通信技术逐渐渗透到人们的日常生活中。尤其是随着传 感器技术、分布式信息处理技术、网络技术、嵌入式计算机技术、射频技术、微 机电系统技术和集成电路技术的迅猛发展，无线通信技术，特别是短距离无线通 信技术取得了跨越式发展，无线通信实施成本逐步降低、数据传输速率大幅提升、 鲁棒性越来越好，并且逐步可以和有线电缆网络相媲美的层次。 在工农业环境下的无线通信技术是近年来比较热门的发展形势，把无线通信 技术与数据采集技术融合，可以解决大面积不易布线的数据采集问题，有效的克 服有线电缆技术的缺陷。在国际上，无线通信网络已经成为继现场总线和工业以 太网之后的又一个发展热点。 2 0 0 3 年，美国技术评论杂志论述未来十大新兴技术时，第一项即为无 线传感器网络。同年，美国商业周刊的未来技术专版，在论述四大新技术时， 无线传感器网络技术也占据一席之地。2 0 0 4 年i e e es p c o t r u m 杂志发表一期专 集：传感器的国度，论述无线传感器网络的深入发展和广泛领域内的应用。 在“中国未来2 0 年技术预见研究”中总共1 5 7 个技术课题，其中有7 项是 直接论述传感网络的。2 0 0 6 年初发布的国家中长期科学与技术发展规划纲要 为信息技术确定了三个前沿方向，其中两个与无线传感网络的研究具有直接联 系，即自组织网络技术和智能感知技术。 可以预计，无线传感器网络的广泛应用和全力发展，将对人们的社会、经济、 生活和产业变革产生巨大的推动和带来极大的影响。 目前，从农田数据采集手段上看，主要包括遥感和传感器两种方式，而基于 传感器的农田现场数据采集包含有线和无线两种模式。无线模式又分为长距离无 第1 章绪论 线通信( g s m g p r s 等) 和短距离无线通信( b l u e z i g b e e 等) ，无线通信模式由于其 自身组网方便、适应性强等特点，在农业生产现场数据采集方面具有很大的应用 空间。本文设计的无线传感器网络正是农田数据采集与传输方面的典型应用。 1 1 2 课题研究意义 当前，国际上农业信息技术已经由试用期进入应用期，我国在起步上晚了5 1 0 年，但在研究基础及关键技术上与国际的差异不是很大，关键在农业信息的 实际应用和用户受益度上比较滞后；农业生产实地的数据可用性、时效性差；专 家决策时的数据来源混乱，准确性很低；农业专家与生产第一线的终端用户( 农 民) 缺乏有效、便捷的信息交互渠道和方式。产生这些现象的主要原因一方面由 于农业的客观条件( 野外开放不可控的生产环境) ，对信息技术在农业上的应用 提出了比较严格的限制，抬高了应用成本和门槛：二是还没有充分利用和集成数 据获取、数据处理、数据( 知识) 利用的技术手段，从而造成大量的信息与知识 在生产实际中被忽视。 本课题实施的目的是：通过“系统”对生产环境中数据的多点自动采集、无 线公共频段传输、短信接受与发送、虚拟专家在线分析决策等方法，为生产者、 决策者提供及时准确的信息，帮助他们不在现场的情况下，随时掌握作物的病虫 害、营养状况、生长情况、解决方法以及相关的增值服务( 销售、购买) 渠道。 切实做到信息技术快速、准确地贴近最终用户，解决农业信息服务的最后一公里 问题。 由此可以预见，本文研究的无线传感器网络作为数据采集技术的一种，有着 十分广泛的应用前景，特别是在农业领域具有巨大的运用价值，对精准农业系统 的研究具有很大的推动与促进作用。 本课题依托国家科技部农业科技成果转化项目，是针对无线传感器网络在农 业中的应用而提出来的，通过无线传感器网络对野外作物环境参数的精准获取， 建立一套完整的决策解决方案，对我们国家的农业信息化具有举足轻重的意义。 1 2 目前研究现状 1 2 1国外研究现状 2 0 世纪7 0 年代，为了满足军备的生存需求，美国国防部高级研究计划局资 助了一项特别的研究分组无线网络，此项工作让报文交换技术能够在不受有 线或固定的基础设施限制的环境下运行，开辟了移动自组织网研究的先河n 1 。 2 第1 章绪论 至此，越来越多的国家在无线传感器网络投入大量的人力、物力、财力，致 力于无线传感器网络的研究。 在农业领域，无线传感器网络利用其卓越的技术优势，在监视农作物灌溉情 况、土壤空气变化、牲畜和家禽的环境状况以及大面积的地表检测方面有着广泛 应用，对农作物的优质高产具有重大意义乜m 】。 2 0 0 2 年，世界上第一个无线葡萄园由英特尔公司率先在俄勒冈建立。葡萄 园每个角落处的传感器节点对土壤温度、湿度或该区域有害物的数量每隔一分钟 检测一次，从而保证葡萄健康生长。经过长年的数据记录以及相关分析，人们就 能准确的掌握葡萄生长过程中的日照、温度、湿度与葡萄园的质地的确定关系。 d i g i t a ls u n 公司开发的自动洒水系统( s s e n s ew i r e l e s ss e n s o r ) 受到了国际媒 体的广泛好评。它利用无线传感器可以感应土壤中的水分，并在必要时与接收器 通信，从而控制灌溉系统的阀门打开关闭，达到自动节水灌溉的目的。 2 0 0 5 年a b a g g i o 把无线传感器网络布置在土豆田，通过测量土壤和空气温 湿度、地下水位及气象信息等参数，来预测土豆的病虫害的发生。 2 0 0 7 年，澳大利亚的t i mw a r k 等在牧场布置无线传感器，用以指导牧场灌 溉、施肥以及放牧，并且将无线传感器节点安置在动物身上对动物吃革情况及相 互交流的行为进行检测，有效的避免了有线线路对动物生活的干扰。 2 0 0 8 年，印度的j a o q u e sp a n o h a r d 利用s h o o k f i s h 公司的t i n y n o d e 为传感器 节点，m a m a b o a r d 为基站组建了无线传感器网络，传感器节点间的距离为2 0 0 m ， 在农业现场不需要设置便携式计算机，利用g p r s 无线通信技术和i n t e r n e t 直接 连接至远程的数据库服务器。 1 2 2 国内研究现状 相对国外用于信息采集的产品已经有了较为成熟的体系而言，国内在数据采 集的研究和应用起步较晚，发展较慢。近年来，国内各科研院所和一些有实力的 公司相继投入了大量的人力、物力、财力致力于远程数据采集和传输的仪器和装 置的研发嘲。 我国是农业大国，提高农作物的产量和质量对国家的经济发展意义重大。人 们可以根据需要在待测区域安放不同功能的传感器并组成网络，这样可以长期大 面积地监测微小的气候变化，包括温度、湿度、风力、大气、降雨量，收集土地 的相关信息如湿度、氮浓缩量和土壤p h 值等，从而进行科学预测，帮助农民抗 灾、减灾以及科学种植，提高农作物产量。在“九五 计划中，“工厂高效农业 工程”已经把传感器网络化和智能传感器的研制列为国家重点项目。 在实际的应用中，北京市科委计划项目“蔬菜生产智能网络传感器体系研究 3 第1 章绪论 与应用 已正式把农用无线传感器网络示范应用于温室蔬菜生产。其主要工作原 理是在温室环境里单个温室即可成为无线传感器网络的一个测量控制区，通过不 同的传感器节点构成无线网络来监测土壤湿度、土壤成分、p h 值、降水量、温 度、空气湿度和气压、光照强度、c 0 2 浓度等，这样可以获得农作物生长的最 佳条件，从而为温室精准调控提供科学依据。最终使温室中执行机构标准化、数 字化、网络化，达到增加农作物产量、提高经济效益的目的。 北京清远华程公司为安徽农垦定制了一套农作物生长环境监控系统平台，将 无线传感器网络布设于农田、园林、温室等目标区域，网络节点大量实时地收集 温度、湿度、光照、气体浓度等物理量，精准地获取土壤水分、电导率、p h 值、 氮素等土壤信息，这些信息在数据汇聚节点汇集，为精确调控提供了可靠依据。 2 0 0 5 年谭龙口 设计了一个环境监测系统，系统根据传感器节点不同的选择， 可以实现自动监测水、大气、污染源、生态环境等环境因子。 2 0 0 8 年刘卉，汪懋华1 等人组建m e s h 网络，所有节点数据路由到网关节点， 通过g p r s 无线通信方式将全部数据由网关节点转发到远程数据中心。 2 0 0 9 年高峰h 伽等人设计了基于无线传感器网络的作物水分状况检测系统 ( w s n - c w s m ) ，利用g s m 网关将采集的传感器节点数据远程传输到服务器， 实现了在温室大棚中对作物生长环境、作物茎直径微变化等参数信息的全覆盖检 测。 1 3 论文主要研究内容 虽然短距离无线通信网络在日常生活中已经相当广泛应用，但目前国内短距 离无线通信网络技术与农业领域相结合的应用却还处于比较低的研究与发展水 平。目前z i g b c e 作为一项新兴的极具有发展潜力的短距离无线通信技术，将对 无线实时的数据采集起到很大的推动作用，特别是在目前炙手可热的物联网中具 有举足轻重的地位。 本课题依托于国家科技部农业科技成果转化项目，本项目旨在建立一个从数 据采集端到服务器端到客户端的完整的传感器网络平台，在这个平台上，用户能 够通过i n t e r n e t 网从服务端获取传感器采集的数据信息。本课题在项目中的任务 是建立无线传感器数据采集网络，将传感器采集到的数据信息送入服务端数据 库，以备用户将来查询。本文结合成都无线龙有限公司的s t r 9 1 1 c c l l 0 0 开发 套件，以i e e e 8 0 2 1 5 4 z i g b c c 通信协议为支撑，搭建了一个小型数据采集无线 传感器网络。本人主要任务是基于z i g b c e 技术的数据无线传输系统的设计与实 现，包括： 4 第l 章绪论 ( 1 ) 系统方案的设计和器件选型 ( 2 ) 系统通信通信协议设计 ( 3 ) 节点硬件原理图设计 ( 4 ) 节点硬件p c b 电路板制作 ( 5 ) 节点功能软件设计 ( 6 ) 硬件电路的调试 ( 7 ) 软件调试 ( 8 ) 系统运行与实验分析 1 4 论文组织结构 本论文共有七章，具体内容安排如下： 第一章绪论：介绍了论文选题的研究背景和研究意义，以及短距离无线通信 技术的国内外现状，阐述了论文研究的重点，并且最后给出了论文的结构安排。 第二章无线传感器网络与z i g b e o 技术：介绍了无线传感器网络的特点、应 用，并对z i g b c e 技术进行深入的分析，比较了目前比较流行的短距离无线通信 技术。 第三章数据无线传输系统总体设计：从整体上把握系统的需求和设计原则， 对系统的总体结构进行详细的规划，并对系统实现过程中可能出现的重点和难点 进行了预测和分析。 第四章数据无线传输系统的硬件设计方案：首先针对系统总体设计方案进行 硬件器件的选型，完成硬件各个模块的设计和总电路的设计，并对各部分电路的 原理极其在系统中所完成的功能作详细的介绍。 第五章数据无线传输系统的软件设计方案：根据系统设计要求，选择星型网 络拓扑作为应用的底层网络。首先介绍星型网络的组建过程极其具体实现，其次 详细阐述z i g b c e 终端节点以及z i g b c c 协调器节点的软件的具体实现。 第六章数据无线传输系统的功能测试与应用：主要对所设计的系统进行全面 的功能性的测试，并进行实地的示范应用。 第七章总结与展望：对本文工作进行总结，并对后续工作进行了展望。 1 5 本章小结 本章首先介绍了本文的研究背景和意义，随后阐述了目前国内外无线传感器 网络的研究发展现状，最后给出了本文的主要研究内容和论文的组织结构。 5 第2 章无线传感器网络与z i g b e e 技术 第2 章无线传感器网络与z i g b o e 技术 2 1 无线传感器网络简介 无线传感器网络( w s n ) 哺1 是一种融合了微电子、嵌入式计算、现代网络及 无线通信、分布式信息处理等先进技术的网络，它由大量廉价的无线传感器组成。 由于这种网络不采用基站或交换机作为中转，又常常被人们称为a dh o q 网络， 是一种特殊的多跳移动无线网络。它在协同地实时监测、感知和采集网络覆盖区 域中各种环境或监测对象的信息之后，对所采集的信息( 如温度、声音、振动、 压力等) 进行处理，然后将处理后的信息以无线方式发送，并以自组多跳的网络 方式传递给观察者。 2 2 无线传感器网络体系结构 网络系统结构是指网络的协议分层以及网络协议的集合，定义并描述了网络 及其部件所应完成功能阳】。与传统的计算机网络和通信网络相比，无线传感器网 络的网络体系结构相异。 典型的传感器网络体系由分布式传感器节点、接收发送器( s i n k ) 、互联网 或通信卫星、任务管理节点等组成。在传感器网络中，在指定的感知区域内部或 者附近会部署大量的传感器节点。由这些节点通过自组织方式构成的无线网络以 协作的方式感测、采集和处理网络覆盖区域中的信息，能够对任意点的信息在任 意时间进行采集、处理和分析，收集到的数据信息会以多跳中继方式传送到s i n k 节点。最后，远程控制中心会借助s i n k 链路将整个区域内的数据信息采集到并 进行集中处理。s i n k 直接与i n t c r n e t 或通信卫星链接，通过i n t e r a c t 或通信卫星 实现任务管理节点与传感器之间的通信。下图描述了一般形式的传感器网络体系 结构。 7 第2 章无线传感器网络与z i g b c c 技术 图2 1 无线传感器网络体系结构 2 3 无线传感器网络的特点以及应用 目前常见的无线网络包括移动通信网、无线局域网c s v l a n s ) 、无线个域网 ( w p a n s ) 、无线自组网( a dh o o ) 口1 叫，无线传感器网络与它们相比具有以下特点n 町： ( 1 ) 硬件资源有限。由于受价格、体积和功耗的限制，节点的计算能力不强， 存储能力较弱。有限的硬件资源使得在节点操作系统设计中协议层次不能太复 杂。 ( 2 ) 电源能量有限。节点一般由电池供电，但电池能量有限。在特殊应用领 域中由于部署区域广、环境复杂，会出现不能给电池充电或更换电池的状况。因 此节能是传感器网络面临的首要问题。 ( 3 ) 无中心。在无线传感器网络中所有结点地位平等，不存在严格的控制中 心，因此它是一个对等式的网络。结点可以随时加入或离开网络，任何结点的故 障对整个网络的运行不存在影响。所以这种网络抗毁性很强。 ( 4 ) 自组织。网络的布设和展开不需要依赖于任何预设的网络设施，节点通 过分层协议和分布式算法协调各自的行为，开机后就能够快速、自动地组成一个 独立的网络。 ( 5 ) 多跳路由。网络中节点通信距离有限，节点只能与它的邻节点直接通信。 与其射频覆盖范围之外的节点的通信需要使用中间节点进行路由。固定网络使用 网关和路由器来实现多跳路由，而无线传感器网络中不设置专门的路由设备，其 多跳路由能够通过普通网络节点完成。这样每个节点既能充当信息的发起者，也 可以是信息的转发者。 ( 6 ) 动态拓扑。无线传感器网络可以随处移动节点，是一个动态的：有时， 一个节点可能会因为电池能量耗尽或其他故障，退出网络运行；也可能由于工作 8 第2 章无线传感器网络与z i g b e e 技术 的需要而临时添加新的节点到网络中。这些都会随时改变网络的拓扑结构，因此 网络必须具备动态拓扑组织功能。 ( 7 ) 节点数量众多，分布密集。为了对一个区域执行监测任务，往往有成千 上万传感器节点空投到该区域。传感器节点分布非常密集，节点之间的高度连接 性可以保证系统的容错性和抗毁性。 监测区域内部或附近部署大量的廉价的、具有通信、感测及计算能力的微型 传感器节点，这些节点通过自组织构成“智能测控网络，这就是无线传感器网 络。无论是在军事、空间探索、农业、环境监测、医疗卫生方面，还是在智能交 通、智能家居、仓库物流管理、建筑物监测领域，无线传感器网络都有着广阔的 应用前景和巨大的应用价值，被认为是未来改变世界的十大技术之一、全球未来 四大高技术产业之一。但是，在实际应用过程中，无线传感器网络仍然存在以下 几点主要的制约因素： ( 1 ) 成本：大规模广泛应用的重要因素受制于传感器网络节点的成本，需根 据具体应用的要求均衡数据精度、系统成本及能量供应时间。 ( 2 ) 能耗：网络采用一次性独立供电系统在大部分的应用领域中被广泛要求， 因此网络工作能耗低，网络的生命周期延长，是广泛应用的重要因素。 ( 3 ) 微型化：在某些领域中，节点的体积要求微型化，对目标本身不具有任 何影响作用，或者不被发现以完成特殊的指定任务。 ( 4 ) 定位性能：目标定位的精度和周围环境、硬件资源、网络规模、锚点个 数等因素有关，目标定位技术是目前无线传感器网络研究的热点之一。 ( 5 ) 移动性：在某些特定应用中，节点或网关需要移动，导致在网络快速自 组上存在困难，该因素也是影响其应用的主要问题之一。 ( 6 ) 硬件安全：在某些特殊环境应用中，例如化学污染区、海洋、动物身上、 水流中等，对节点的硬件要求很高，需防止受外界的腐蚀、破坏等。 2 4 i e e e 8 0 2 1 5 4 z i g b e e 标准介绍 2 4 1ie e e s 0 2 1 5 4 与z ig b e e 的区别 i e e e8 0 2 1 5 4 埘n 1 3 是在2 0 0 4 年提出的基于无线标准的安全网络技术，主要 定义了m a c 层和物理层的协议，其他协议均主要采用和参考已有的技术标准， 其主要应用场合是无线传感器网络、自动化控制和读表自动化。i e e e s 0 2 1 5 4 针 对的就是低数据速率、低功耗和低复杂度的短距离网络，目的是将普通干电池的 使用寿命延长到几年。当无线芯片批量生产时，每个8 0 2 1 5 4 设备的销售价格最 9 弟2 草尢线传j ! 跫；器嘲珞与z i g b e c 及不 终不超过3 0 元人民币，这将会非常好地满足无线传感器网络的成本要求。 i e e e 8 0 2 1 5 4 定义了两个物理层标准，即8 6 8 9 1 5 m h z 物理层和2 4 g h z 物理层。 这两个物理层都采用直接序列扩频d s s s 技术，区别在于扩频码片长度、调制技 术、工作频率和传输速率。2 4 g h z 波段为全球统一、免执照的i s m 频段。2 4 g h z 的物理层提供的传输速率为2 5 0 k b s ，有助于获得更短的通信时延、更高的吞吐 量和工作周期。9 1 5 m h z 是美国的i s m 频段，8 6 8m h z 是欧洲的i s m 频段，2 4 g h z 附近无线通信设备无法干扰这两个频段。9 1 5m h z 是4 0k b s ，8 6 8 m h z 的传输速 率为2 0 k b s 。由于这两个频段上无线信号传播损耗较低，可以降低接收机的灵敏 度，获得较远的有效通信距离，从而可以用较少的设备覆盖比较大的区域，这些 特点使其非常适应无线传感器网络的应用要求。 z i g b e e 协议的基础是i e e e 8 0 2 1 5 4 标准，它确定了可以在不同制造商之间 共享的应用纲要。但i e e e 只处理低级物理层协议和m a c 层协议，因此z i g b e e 联盟扩展了i e e e 协议，对其a p i 和网络层协议进行了标准化。z i g b e e 联盟还制 定了安全层协议，其他节点无法侦听到这种利用网络的远距离无线传输。 2 4 2zig b e e 技术简介 z i g b e e 是一种低功耗、价格低廉的短距离无线网络通信技术。其突出的特 点是支持低成本、低功耗、可靠的数据传输、短距离操作、各层次的安全性、易 于实现等。一般只要符合以下条件之一就可以使用z i g b e e 作为无线通信技术瞳御： ( 1 ) 监控的网点或数据采集点比较多： ( 2 ) 传输数据量比较小，但装置价格低； ( 3 ) 装置体积微小，不允许放置较大的充电模块； ( 4 ) 普通干电池供电； ( 5 ) 移动通信覆盖盲点： ( 6 ) 数据传输安全性和鲁棒性高： ( 7 ) g p s 效果不佳，或成本较低的小范围内移动目标的定位。 因此在家庭自动控制、工业以及远程控制领域，z i g b e e 具有广泛的应用价值， 这样小型廉价设备的无线联网和控制要求就得到了满足。 z i g b e e 技术标准包括两个物理层：一个是全球通用的通信信道为1 6 个的 2 4 g h z 频段，其传输速率为2 5 0 k b p s 另一个是美国的9 15 m h z 和欧洲的8 6 8 m i - i z 频段频段，信道分别为1 0 个和1 个，传输速率分别为4 0 k b p s 和2 0 k b p s 。z i g b e e 所使用的频段都是免许可的i s m ( i 业、科学、医疗) 频段。 z i g b e e 主要的技术特点包含以下几个方面汹3 ： ( 1 ) 低功耗：在正常运行模式下，由于z i g b e e 技术传送的数据量不大，传输 1 0 第2 章无线传感器网络与z i g b e e 技术 速率低，因此信号收发耗时很短；在非运行模式下，z i g b e e 节点处于睡眠状态。 普通情况下两节五号干电池可以持续供电6 个月到1 年左右。 ( 2 ) 可靠性：z i g b e e 的媒体接入控制层使用了免碰撞机制和重发机制，同时 预留了专用时隙满足需要固定带宽的通信业务，避免了数据传输时的冲突。只有 确定的数据传输模式被m a c 层支持，每个数据包都必须等到接收方的确认信息 后再发送出去，这样建立了可靠的通信模式。 ( 3 ) 时延短：唤醒休眠状态和通信时延的时延都很短。装置搜索时延为3 0 m s ， 唤醒休眠状态时延为1 5 m s ，活动装置网络接入时延为1 5 m s 。这样既降低了能耗， 也更适应于对时延要求高的情况。 ( 4 ) 网络容量大：z i g b e e 可采用星状、串状和网状等网络结构，z i g b e e 是一 个由可多到6 5 0 0 0 个无线数据传输模块组成的一个无线数据传输网络平台，在整 个网络范围内，每一个z i g b e e 无线数据传输模块之间可以相互通信。 ( 5 ) 安全性：z i g b e e 加密算法使用a e s 1 2 8 。 2 4 3 z ig b e e 网络拓扑结构和路由 z i g b e e 网络b 们依托一个个单独的工作节点，利用无线网络技术组成星状、 串状或网状网络，但每个节点的功能并不都是一样。为节约系统成本，系统中大 部分节点均为子节点，这些子节点只负责其中一部分的系统功能，称为半功能设 备( r f d ) ，另外还有少部分节点，负责与所控制的子节点通信，汇集数据和发 布控制，还能担当通信路由的作用，称为全功能设备( f f d ) ，如图2 2 所示。 o 协骶 撇隹ao 伽幢节点 垒礁- ao 节点 弟2 覃尢线传悬器网殆与z 1 9 b c e 玟不 图2 2z i g b e e 无线网络拓扑结构 每个网络中都有唯一的一个网关节点( 即路由器) ，具有对本无线通信网络的 管理与控制能力。网络中的全功能节点可作为路由器、协调器以及终端节点来使 用，而半功能节点只能由终端节点使用。 在星状网络中，路由器能与所有的网络节点进行互联通信，而自节点之间的 相互通信是绝对不允许的。在网状网络中，全功能节点之间是可以互相通信的， 每个全功能节点都具有路由功能，半功能节点只可与附近的全功能节点进行互联 通信。 在路由选择和路由维护时，z i g b e e 的路由算法使用了路由成本的度量方法 来比较路由的好坏。 路由选择是在网络中的设备相互合作条件下的选择，并建立路由的一个流 程，该流程通常与特定的源地址和目的地址相对应。路由选择包括如下的一个流 程捌： ( 1 ) 路由搜索的初始化。 ( 2 ) 接收路由请求命令帧。 ( 3 ) 接收路由应答命令帧。 z i g b e o 基本的路由算法如图2 3 所示。 1 2 o 第2 章无线传感器网络与z i g b e c 技术 图2 3z i g b e e 路由算法 2 4 4z i g b e e 协议体系结构 z i g b e e 的协议构架n 7 m 8 瑚3 2 9 3 是建立在i e e e 8 0 2 1 5 4 标准之上的。 i e e e 8 0 2 1 5 4 标准满足国际标准组织开放系统互连参考模式，定义了z i g b c e 的 物理层删) 和媒体访问控制层0 池妃) ：z i g b e e 联盟则定义了z i g b e e 协议的网 络层( n w k ) 、应用层( a p l ) 和安全服务规范。 z i g b e e 协议栈结构见图2 4 ，由具备不同功能的协议层组成，下层负责向上 层提供具体的服务，数据单元提供数据传输服务，管理单元提供管理服务。每一 层都通过一个服务访问点( s a p ) 作为接口来允许上层对其进行访问，每一个s a p 都支持一系列的服务单元来实现上层的特定要求。 1 3 第2 章无线传感器网络与z i g b e e 技术 图2 4z i g b e e 协议栈结构 ( 1 ) 物理层 物理层负责提供一个从m a c 层到物理层无线信道的接口。从图2 5 可以看 到，物理层通过以下两个服务接入点提供如下服务：通过数据服务接入点a 田s a p ) 为同等的m a c 层实体提供数据包传输服务；通过管理实体服务接入点 ( p l m e s a p ) 为m a c 层提供管理服务。 物理层的帧结构设计在保持低复杂度的同时保证了在包含噪声信道中传输 时足够的鲁棒性。 1 4 第2 章无线传感器网络与z i g b e e 技术 图2 5 物理层结构模型 物理层协议数据单元( p p d u ) 包含三部分：同步头( s q ：物理层帧头( p h r ) ； 物理层服务数据单元p s d u 。 p p d u 的格式如表2 1 所示。 表2 1 物理层数据帧结构 4 字节 1 字节1 字节变量 前导码 帧开始符 帧长度( 7 位)保留位( 1 位) 物理层数据服务单元 同步头 物理层帧头物理层有效载荷 前导码：包括前导码序列和帧起始定界符。 帧开始符：表示一个数据包的开始。 帧长度：表示物理帧负载的长度，故物理帧负载的长度不会超过( 2 7 - 1 ) 即 1 2 7 个字节。 物理层数据服务单元p s d u ：可变长度的字段，它是m a c 层向物理层传递 的数据，即m p d u 。 ( 2 ) m a c 层 如图2 6 可以看出m a c 层在服务协议汇聚层( s s c s ) 和物理层之间提供了一 个接口。m a c 层包括一个管理实体，该实体提供一个服务接口使得上层可以调 用m a c 层管理功能，并负责维护m a c 层特定的管理对象的数据库。 1 5 弟2 覃尢线1 专懋器网殆匀i g o e e 投小 图2 6m a c 层参考模型 m a c 帧，即m a c 协议数据单元( m p d u ) ，通常包括三个部分：m a c 帧头、 m a c 有效载荷和m a c 帧尾，具体结构如表2 2 所示。 表2 2m a c 层数据帧结构 字节数：10 20 2 8o 2q | 2 f s可变2 2 长度 帧控制帧序号目的目的源w 必源地址帧有效f c s p a n 标地址 标识符载荷 识符 地址信息 m a c 帧头( m h r )m a c 有 m 埝c 效载荷帧尾 q 母r ) ( 3 ) 网络层 z i g b e o 网络层的主要功能就是提供一系列函数来保证z i g b e om a c 层正确 工作，同时为应用层提供合适的服务接口。网络层提供了两个必要的功能服务实 体来向应用层提供其接口，两个实体分别是数据服务实体和管理服务实体。网络 层数据实体( n l d e ) 通过网络层数据服务实体服务接入点( n l d e s a p ) 提供数据 传输服务，网络层管理实体( n l m e ) 通过网络层管理实体服务接) k 点( n u m e s a p ) 提供网络管理服务。网络层管理实体使用网络层数据实体完成部分网络管理任 务，同时维护和管理网络信息库( n i b ) 。网络层参考模型如图2 7 所示。 1 6 簦互掌无线传感器网络与z i g b e c 技术 图2 7 网络层参考模型 网络层管理实体必须提供网络管理服务来允许应用程序与协议栈之间的交 互。网络层管理实体应该提供以下服务： ( 1 ) 配置一个新的设备：设备应配置足够的堆栈来保证设备正常工作的需要。 ( 2 ) 初始化一个网络：使之具备建立一个新的网络的能力。 ( 3 ) 连接和断开网络：具备加入、重新加入和断开一个网络的能力，以及作 为z i g b e e 协调器或者路由器时具有要求设备同网络断开的能力。 ( 4 ) 寻址：z i g b e e 协调器和路由器具备为新加入的网络设各分配地址的能力。 ( 5 ) 邻居设备发现：具备发现、记载和报告有关一跳邻居设备信息的能力。 ( 6 ) 路由发现：具有发现和记载能够有效地传送信息的网络路由的能力。 ( 7 ) 接收控制：具有控制设备接收状态的能力，即控制接收机什么时间被激 活、m a c 层同步时间和直接传送所需时间的长短。 网络层数据实体必须允许应用程序在同一个网络中的两个或多个设备之间 传送数据时提供数据服务，并将按照应用协议数据单元( a p 7 ) 的格式进行传送。 一个网络帧( u pn p d u ) 包含两个基本部分：n w k 头和n w k 有效载荷。n w k 帧的一般格式如表2 3 所示。 表2 3网络层数据帧结构 字节数：222ll 可变长度 帧控制目的地址源地址 半径序号帧有效载荷 路由字段 n w k 头n w k 有效载荷 ( 4 ) 应用层 z i g b e e 应用层由a p s 子层、z d o ( 包含z d o 管理平台) 和制造商自定义的应 用程序对象。其中应用支持子层通过使用z i g b e e 设备对象和制造商自定义的应 1 7 弟z 覃兀珑传懋葡网殆与l l g b c c 技不 用对象的一组服务向网络层和应用层提供接口。a p s 子层参考模型如图2 8 所示。 其中a p s 数据实体( a p s d e ) 通过应用支持子层数据实体服务访问接入点 a p s d e s a p 提供数据传输服务。a p s 管理实体( a p s m e ) 通应用支持子层管理实 体服务访问接入点a p