（计算机应用技术专业论文）基于zigbee的简单无线传感器网络设计与实现.pdf

摘要 摘要 无线传感器网络( w s n ，w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ) 是综合传感器技术、嵌 入式计算技术、分布式信息技术及无线通信技术的新型网络，它实时监测、感 知和采集网络分布区域内各种监测对象的信息，通过嵌入式系统对信息进行处 理，以自组织网络多跳中继方式将信息传送到终端用户，成为当前国际上备受 关注的多学科交叉研究热点领域。 随着无线传感器网络的不断发展，其应用涉及社会生活的各个方面。同时， 提出了更小功耗、更低成本、更可靠、更方便使用的要求，在此情况下，z i g b e e 技术应运而生。作为新兴的近距离、低功耗、低速率、低成本无线网络技术， z i g b e e 具有自动选择、连接网络及自我恢复等功能，物理层和m a c 层遵循i e e e 8 0 2 1 5 4 标准，网络层和应用层由z i g b e e 联盟制定。基于z i g b e e 的无线传感器 网络将传感器技术、通讯技术及计算机技术相结合，具有采集、传输和处理信 息的能力，在家用系统控制、楼宇自动化、工业监控等领域有广阔的市场前景。 本文结合基于z i g b e e 技术的无线传感器网络相关研究，通过分析i e e e 8 0 2 1 5 4 z i g b e e 标准和s o c 技术，应用z i g b e e 协议、传感技术及无线收发技 术构成短距离简单无线传感网络。系统以c h i p c o n 公司嵌入5 1 内核的s o c 射频 收发芯片c c 2 4 3 0 为核心，符合i e e e8 0 2 1 5 4 标准，工作在免授权2 4 g h z 频段， 只需较少外围元件即可构成z i g b e e 无线通信节点；同时，选择d a l l a s 公司单总 线数字温度传感器d s l 8 8 2 0 作为传感元件进行无线传感器网络节点的设计。 文中详尽介绍了无线传感器网络设计的总体思想，分模块电路设计过程以 及相关软件实现，利用p r o t e ld x p 绘制了无线模块和传感器底板的印制电路板。 经过试验调试实现了无线测温网络，终端传感节点在进行温度实时采集显示的 同时可将数据以无线形式发送，协调节点通过液晶显示收到的信息，并通过 r s 。2 3 2 串口与个人计算机之间进行通信，初步实现了无线测温系统的数据采集 和无线传输。通过设计实践，对基于z i g b e e 技术的无线传感器网络系统进行了 初步的研究，为下一步工作打下了基础。 关键字：无线传感器网络；i e e e8 0 2 1 5 4 标准；z i g b e e 协议；c c 2 4 3 0 ； d s l 8 8 2 0 a b s t r a c t 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 ( 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 w - t y p e n e t w o r kw h i c hi n v o l v e ss e n s o rt e c h n o l o g y , e r n b e d d e dc o m p u t i n gt e c h n o l o g y , d i s t r i b u t e di n f o r m a t i o nt e c h n o l o g ya n dw 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 i ti sa b l e t om o n i t o r , a p p e r c e i v ea n dc o l l e c ta l lk i n d so fi n f o r m a t i o na b o u te n v i r o n m e n ta n d m o n i t o r e dt h i n g si nt h en e t w o r kd i s t r i b u t e df i e l dm o m e n t a r i l y d u r i n gt h ep r o c e s s i o n , t h ei n f o r m a t i o ni sp r o c e s s e db ye m b e d d e ds y s t e ma n ds e n tt ot e r m i n a lu s e rv i a r a n d o ma u t o n o m o u sw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nn e t w o r kw i t hm u l t i - h o pr c l a ym a n n e r i t i st h ea d v a n c e dr e s e a r c hh o t s p o tf i e l do fr e c e n ti n t e r n a t i o n a la t t e n t i o n 。珏t l lt h ed e v e l o p m e n to ft h ew i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k , i tu s e di na l m o s ta l lo ft h e f i e l d se v e n t u a l l y a tt h es a m et i m e ，l a r g e rb a t t e r yl i f e ，l o w e rc o s t ，m o r er e l i a b l ea n d c o n v e n i e n tc o m m u n i c a t i o n si sr e q u i r e d u n d e rt h e s ec i r c u m s t a n c e s ，z i g b e ep r o t o c o l c a m ei n t ob e i n g z i g b e ei saw i r e l e s sn e t w o r kt e c h n o l o g yf o c u s i n go ns h o r td i s t a n c e ， l o wp o w e rc o n s u m p t i o n ，l o wd a t ar a t e ，l o wc o s t i th a st h ef u n c t i o n so fw a yc h o i c e ， a u t o m a t i c a l l yl i n kt h en e t w o r ka n ds e l f - r e c o v e r y 砀ep h y s i c a l ( p a y ) l a y e ra n dt h e m e d i u ma c c e s sc o n t r o l ( m a c ) s u b - l a y e rc o n f o r mt ot h ei e e e 8 0 2 15 4s t a n d a r d ，a n d t h en e t w o r k ( n w k ) l a y e ra n da p p l i c a t i o nl a y e ra r ef r a m e db yt h ez i g b e ea l l i a n c e z i g b e ew i r e l e s s s e n s o rn e t w o r kc o m b i n e ss e n s o rt e c h n o l o g y ,c o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g ya n dc o m p u t e rt e c h n o l o g yt o g e t h e r i t h a st h e a b i l i t yo fc o l l e c t i n g , t r a n s f e r r i n ga n dp r o c e s s i n gd a t a , a n dh a sab r o a dm a r k e ti nt h ef i e l d so fd o m e s t i c s y s t e mc o n t r o l ，b u i l d i n ga u t o m a t i o n , i n d u s t r i a lm o n i t o r i n g i nt h i st h e s i s ，t h es t u d yo fw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r kb a s e do nz i g b e ep r o t o c o li s i n t r o d u c e d ，a sw e l la st h ei e e e8 0 2 15 4 z i g b e es t a n d a r da n ds o ct e c h n o l o g yi s a n a l y z e d b a s e do nt h i s ，as y s t e mo fw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r ka b o u tt e m p e r a t u r ei s d e s i g n e dw i t hz i g b e ep r o t o c o l ， s e n s o r t e c h n o l o g y , w i r e l e s s r e c e i v i n g a n d t r a n s m i s s i o nt e c h n o l o g y t h ef o u n d a t i o no ft h es y s t e mi st h es o c c h i pc c 2 4 3 0w i t h t h ek e r n e lo f51 m c u ，a l li e e e8 0 2 15 4c o m p l i a n tc h i pp r o v i d e db yc h i p c o n c o r p o r a t i o n sr ft r a n s c e i v e r t h ec h i pw o r k sa tt h ef r e q u e n c yb a n d so f 2 4 g h z w h i c h i sf r e eo fc h a r g e c c 2 4 3 0n e e d saf e we x t e r n a lc o m p o n e n t st oc o n s t i t u t eaw i r e l e s s a b s t r a c t c o m m u n i c a t i o nn o d e m e a n w h i l e ，w eu s et h es e n s o rw i t hd si8 8 2 0 ，l - w i r ed i g i t a l t h e r m o m e t e rp r o v i d e db yd a l l a sc o r p o r a t i o n s ，a n dd e s i g nt h en o d eo fw i r e l e s ss e n s o r n e t w o r k w ei n t r o d u c et h ea r c h i t e c t u r a lt h o u g h to ft h es y s t e m ，t h ec i r c u i tp r o c e s s e so ft h e m o d u l e so fn o d e s ，a n dr e l a t i o n a ls o f t w a r ei nd e t a i l 。w ec h a r tc i r c u i td i a g r a m ，a n d w o r ko u tt h ep r i n t e dc i r c u i tb o a r d ( p c b ) w i mt h ec o m p u t e ra i d e dd e s i g ns o f t w a r e ： p r o t e ld x p a f t e ral o to fd e b u g g i n gw o r k , t h er f dt e r m i n a ls e n s o rn o d ec a nc o l l e c t , d i s p l a yt e m p e r a t u r ei nr e a l - t i m ea n ds e n dd a t at oc o o r d i n a t o rw i t hw i r e l e s sf o r m w h e nt h eu n i v e r s a ls e r i a lp o r ti sc o n n e c t e dt or s 2 3 2i n t e r f a c e ，t h ec o o r d i n a t o rc a n c o m m u n i c a t e 谢也p e r s o n a lc o m p u t e ra n dd i s p l a yt h en e t w o r ki n f o r m a t i o ni nl c d t h u s ，t h ew i r e l e s sn e t w o r ko fd a t ac o l l e c t i o na n dt r a n s m i s s i o ni si m p l e m e n t e d t h r o u g ht h ed e s i g np r a c t i c e , i tm a k e st h ep r e l i m i n a r ys t u d yf o rt h ew i r e l e s s s e n s o rs y s t e mb a s e do nz i g b e et e c h n o l o g y i ti st h eb a s eo ft h ef u t u r ew o r k 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 ；i e e e8 0 2 15 4s t a n d a r d ；z i g b e ep r o t o c o l ； c c 2 4 3 0 ；d si8 8 2 0 南开大学学位论文版权使用授权书 本入完全了解南开大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供晷录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名： 习张 矽够年，月乡日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 鳃密时间：年月 日 各密级的最长保密年限及书写格式规定如下： 南开大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：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。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含 任何他人创作的、己公开发表或者没有公开发表的作品的内容。对本论文所涉 及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本学 位论文原创性声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名：司祝 、 纠年r 月矽日 第一章绪论 第一章绪论 现代信息技术的三大支柱是传感器技术、通信技术和计算机技术，分别完 成对信息的采集、传输和处理，构成了信息系统的“感官、“神经 和“大脑 。 传感器网络将以上技术相结合，实现了信息处理过程中各环节的真正统一，促 进了信息化的进程，被认为是2 1 世纪最重要的技术之一【l 】【2 】。2 0 0 3 年2 月，美 国著名的技术评论( t e c h n o l o g yr e v i e w ) ) ) 杂志将其列为未来新型十大技术 之首p j 。由此可见，传感器网络对未来人类生产生活将产生深远的意义和影响。 第一节无线传感器网络概述 微电子技术、计算机技术和无线通信技术的进步，推动了低成本、低功耗、 多功能微型传感器的快速发展，使其在微小体积内集成信息采集、数据处理和 无线通信等多种功能。而传感器网络通过各类集成化传感器的协作，以有线、 无线等多种通信方式，将感知对象的信息传送到观察者。 一般认为，短距离低功率无线通信技术最适合传感器网络使用，采用这类 通信技术的传感器网络被称作无线传感器网络( w s n ，w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ) ， 它由部署在监测区域内大量具有特定功能的微型传感器节点组成，通过自组织 无线通信方式，相互传递信息，协同完成特定功能【4 】。无线传感器网络涉及传感 器技术、嵌入式计算技术、现代网络及无线通信技术、分布式信息处理等多种 技术领域，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， 发送给终端用户。由于微型传感器体积小、重量轻，甚至可以像灰尘一样在空 气中浮动，因此，无线传感器网络也被称为“智能尘埃【5 】，。 1 1 1 无线传感器网络的起源及发展 对无线传感器网络技术的研究源自美国军方，美国国防部高级研究计划局 的分布式传感器网络项目( d s n ，d i s t r i b u t e ds e n s o rn e t w o r k s ) 【6 】利用网络节点 价格低廉、隐蔽性强等特点，将其投放到指定监控区域，实现无人职守条件下 对预定目标的监控，开启了现代传感器网络研究的先河。到目前为止，出现了 很多无线传感器网络节点试验平台，根据时间先后和技术特点，可将无线传感 器网络的发展大致分为四个时期： 第一章绪论 1 ) 第一代：点对点传输的传感器网络雏形。 2 )第二代：具有获取多种信息及综合处理能力的传感器网络。 3 ) 第三代：加入现场总线技术的智能化传感器网络。 4 ) 第四代：大量多功能传感器与无线技术结合，逐渐形成无线传感器网络。 2 0 世纪8 0 至9 0 年代，对无线传感器网络的研究主要集中在军事领域。1 9 9 4 年，u c l a 的w i l l i a mj k a i s e r 教授向d a r p a 提交了研究建议书“l o wp o w e r w i r e l e s si n t e g r a t e dm i c r o s e n s o m ”，对推动无线传感器网络的研究具有里程碑的意 义【_ 7 1 。1 9 9 8 年，qj p o t t i e 从网络研究的角度重新阐释了无线传感器网络的科学 意义【8 】，d a r p a 巨资启动了s c n s i t 研究计划，目标是实现战场监测，建立快速 任务分配和查询的反应式网络系统。2 0 0 1 年美国陆军提出了“灵巧传感器网络 通信计划( s s w ) ，将无人值守式弹药、传感器和战斗系统所用的机器人系统 联成网络，改进未来战斗系统的生存能力【9 】。 同时，商业领域也逐渐认识到无线传感器网络的重要作用。2 0 0 1 年1 月， m i t 技术评论将无线传感器网络列于十种改变未来世界新兴技术之首【1 0 1 。 2 0 0 3 年8 月，商业周刊预测无线传感器网络和其他三项信息技术将在未来掀 起新的产业浪潮【l 。2 0 0 6 年国家中长期科学与技术发展规划纲要为信息技 术确定了3 个前沿方向，其中两个与无线传感器网络的研究直接相关，即智能 感知技术和自组织网络技术。 由此可见，近年来随着对无线传感器网络研究的逐步深入，它越来越多地 应用到社会各个方面，引起广泛关注，取得了重大进展。 1 1 2 无线传感器网络结构组成 1 1 2 1 无线传感器网络系统结构 无线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 k n o d e ) 和管理节点( m a n a g e rn o d e ) ，如图1 1 所示。 大量具有射频功能的传感器节点随机部署在监测区域内，通过自组织方式 构成网络。节点对监测到的信息进行初步处理后，数据沿其他节点逐跳传输。 在此过程中，监测数据可能被多个节点处理，经过多跳后路由到汇聚节点( 网 关或者基站) ，通过公共网络( 如互联网、卫星或移动通信网络等) 到达管理节 点。用户可以通过管理节点对传感器网络进行配置和管理，发布监测任务及收 集监测数据。 2 第一章绪论 终端用户 图1 1 无线传感器网络系统结构 传感器节点具有传统网络节点终端和路由的双重功能，除进行本地信息收 集和处理外，还对其他节点转发来的数据进行存储、管理和融合，与其他节点 协作完成一些特定任务。 汇聚节点的处理能力、存储能力和通信能力相对较强，它既可以是具有增 强功能的传感器节点，有足够的能量和更多的内存与计算能力，也可以是带有 无线通信接口的特殊网关设备。它连接传感器网络与i n t c r n c t 等外部网络，通过 协议转换实现管理节点与传感器网络之间的通信，发布管理节点的监测任务， 同时将收集的数据转发到外部网络。 1 1 2 2 无线传感器网络节点结构 无线传感器网络节点一般由数据采集单元、处理单元、传输单元、电源及 其他组件构成【1 2 1 ，如图1 2 所示。 图1 2 无线传感器网络节点结构 第一章绪论 1 ) 数据采集单元：包括传感器和a d 转换模块，用于感知、获取监测区域 不同传感形态的信息，将其转换为数字信号。 2 ) 数据处理单元：包括处理器、存储器等，负责控制和协调节点各部分的 工作，存储和处理自身采集以及其他节点发送的数据。 3 ) 数据传输单元：由无线通信模块组成，负责与其他传感器节点进行通信， 交换控制信息和收发采集数据。 4 ) 电源单元：通常采用微型电池，为节点提供工作能源。 此外，传感器节点还可以包括辅助单元，如定位系统、执行或移动机构。 1 1 2 3 无线传感器网络体系结构 无线传感器网络由分层网络通信协议、网络管理平台以及应用支撑平台三 部分组成。 l 、分层网络通信协议 相对于传统的t c p i p 协议体系，无线传感器网络的分层网络通信协议主要 由物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层组成【1 3 】【1 4 1 。 1 ) 物理层：提供简单健壮的信号调制和无线收发技术。 2 ) 数据链路层：负责数据成帧、帧检测、媒体访问和差错控制。 3 ) 网络层：大多数节点无法直接与网关通信，需经由中间节点以多跳路由 方式将数据传送到汇聚节点。网络层起到路由生成与维护的作用。 4 ) 传输层：将无线传感器网络内以数据为基础的寻址方式变为外部网络的 寻址方式，负责数据流的传输控制，是保证通信服务质量的重要部分。 5 ) 应用层：根据用户不同需要采用一系列基于监测任务的应用层软件，实 现无线传感器网络专门的应用目的。 2 、网络管理平台 。 网络管理平台主要针对传感器节点自身管理以及用户对传感器网络的管理 两方面，主要包括以下几部分： 1 ) 拓扑控制：利用数据链路层、网络层完成拓扑生成，同时提供基础信息 支持，优化m a c 协议和路由协议，管理各个节点状态的转换，保证网络通畅。 2 ) 服务质量管理( q o s ) ：网络与用户之间关于信息传输与共享的质量约定。 3 ) 能量管理：传感器网络需合理、有效地控制节点能量，保证网络有效性。 因此，各协议层都应增加能量控制代码，提供给操作系统进行能量分配决策。 4 第一章绪论 4 ) 网络管理：要求协议各层嵌入各种信息接口，定时收集协议运行信息， 是对无线传感器网络设备及传输系统进行有效监视、控制、测试的技术方法。 5 ) 移动控制：监测和控制应用环境中节点的移动，维护到汇聚节点的路由， 使传感器节点能够动态跟踪其邻居节点的位置。 6 ) 安全管理：由于节点随机部署、动态网络拓扑等因素的存在，无线传感 器网络需要采用扩频通信、接入认证鉴权、数据加密等技术对其进行安全管理。 3 、应用支撑平台 应用支撑平台包括一系列基于监测任务的应用层软件，通过应用服务接口 和网络管理接口为终端用户提供各种具体应用支持。 1 ) 时间同步和定位：同步和定位信息至关重要【l5 1 ，为网络协议各层提供信 息支持。时间同步使多个节点相互配合工作，确保节点的休眠和唤醒。节点定 位决定节点的相对位置和绝对位置，在军事侦察、环境检测等应用中尤为重要。 2 ) 应用服务接口：针对无线传感器网络不同的应用环境，有各种应用层协 议，如任务安排和数据分发协议、节点查询和数据分发协议等。 3 ) 网络管理接口：主要指传感器管理协议，用于将数据传输到应用层。 1 1 3 无线传感器网络的特点 无线传感器网络具有以下特剧1 6 j ： 1 、节点数量大、密度高、分布范围广 为保证无线传感器网络的可用性和生存能力，获取尽可能精确、完整的信 息，通常在广泛的监测区域内部署大量传感器节点。 2 、节点能力有限 无线传感器网络实现各种网络协议和应用系统时，节点能力存在以下限制： 1 ) 电源能量有限：传感器节点主要由电池供能，在某些使用环境中难以更 换电池，引起节点的失效或废弃。因此，节点电源能量约束是无线传感器网络 设计的瓶颈，直接决定了网络的工作寿命。 2 ) 通信能力有限：无线通信能耗e 与通信距离d 有如下关系：通常取n 为 3 ，即通信能耗与距离的立方成正比。所以，随着通信距离增加，能耗急剧增加。 e = k d ( 1 1 ) 无线传感器网络的覆盖范围只有几十到几百米。同时，受到自然环境和地 势地貌的影响，节点可能长期脱离网络、引起拓扑结构的变化。所以，应采用 第一章绪论 多跳路由的通信机制，尽量减少单跳通信距离，节约能量，提高通信能力和传 输距离，高质量地完成感知信息的处理与传输。 3 ) 计算能力和存储容量有限：无线传感器网络节点具有一定的计算能力， 可以完成一些信息处理工作。但是，由于其处理器的计算能力和存储器的存储 容量有限，使其不能进行复杂的计算和数据存储。 。3 、以数据为中心，节点具有数据融合能力 无线传感器网络以数据为中心，关注监测区域中某项指标，并非具体某节 点的观测数据。因此，要求脱离传统网络的寻址过程，对多个节点采集的数据 进行融合，减少冗余，提取有用信息进行传送，减少能量消耗，延长网络寿命。 4 、传感器节点通常不具备全球唯一地址标识 由于无线传感器网络中的节点数目极多，有些节点不能被回收，所以不可 能为每个节点分配类似于p 地址的全球唯一标识，使得无线传感器网络的网络 层和传输层相对于一般网络有所简化。 5 、应用相关 就无线传感器网络而言，不同应用对应不同的物理量，对网络系统的要求、 硬件平台、软件系统和通信协议也有所差异。针对具体应用开展设计工作，实 现高效、可靠的系统目标，是无线传感器网络区别与传统网络的显著特征。 1 1 4 无线传感器网络的应用 微型传感器技术和节点间的无线通信能力为无线传感器网络赋予了广泛的 应用前景，范围涵盖军事、环境、医疗、家庭等领域。同时，在空间探索、反 恐、救灾等特殊方向，也表现出得天独厚的技术优势m j 。 l 、军事领域 由于快速部署、密集型随机分布及容错等特性，使无线传感器网络成为 c 4 i s r t ( c o m m a n d ，c o n t r o l ，c o m m u n i c a t i o n ，c o m p u t i n g ，i n t e l l i g e n c e ，s u r v e i l l a n c e ， r e c o n n a i s s a n c ea n dt a r g e t i n g ) o s 】系统中的重要组成部分，在恶劣战场环境下，及 时、准确地为战场指挥系统提供高可靠军事信息，受到军事发达国家普遍重视。 2 、环境监测 由于部署简单、成本低廉、节点密集、无需现场维护，无线传感器网络广 泛应用于气象地理研究、灾害监测、土壤空气监测等方面。同时，可通过跟踪 鸟类、小型动物进行种群复杂度、濒危种群的研究以及生物群落微观观测等【l 引。 6 第一章绪论 3 、医疗护理 在医疗护理领域，无线传感器网络的用途涉及无线监护、药品管理、老年 人健康状况监控、远程医疗、辅助残障病人等方面。如在s s i m ( s m a r ts e n s o r sa n d i n t e g r a t e dm i c r o s y s t e m s ) 【2 0 】计划中，替代视网膜的芯片由1 0 0 个微型的传感器 组成，将其植入人眼中，使失明或视力极差者能够获得一定程度的视觉。 4 、建筑安全 通过在建筑物中放置温度、湿度、压力等传感器节点并进行长期监测，可 使管理部门及时进行相关修复工作。如s e n e r a 公司研发的桥梁安全监控系统， 利用传感器搜集温湿度、被侵蚀程度等数据，可及时发现隐患，进行修缮【2 1 1 。 5 、智能家居 利用无线传感器网络将各种家居设备相互联系形成智能家庭网络，可自动 运行，相互协作，实现远距离跟踪，提供更加舒适、便捷的智能家居环境瞄】。 6 、空间探测 在太空探索方面，借助于航天器撤播传感器节点，可对星球表面进行长期 大范围、近距离的监测及探索。如美国国家航空与航天局( n a s a ) 的j p l 实验 室研制的s e i l s o r w 曲s 【2 3 】计划即为火星探测技术进行准备，并在佛罗里达宇航中 心周围的环境监测项目中进行测试和完善。 1 1 5 无线传感器网络的性能评价 作为设计传输协议或节点结构的依据，下述无线传感器网络的性能及可用 性标准至关重要【2 4 1 。 1 ) 能源有效性：网络在有限的能源条件下能够处理的请求数量，是无线传 感器网络的重要性能指标。、 2 ) 生命周期：网络启动到不能为观察者提供信息为止所持续的时间。 3 ) 时间延迟：从观察者发出请求到收到回答信息所需要的时间。 4 ) 感知精度：观察者接收到的感知信息的精度。传感器灵敏度、信息处理 方法、网络通信协议等对感知精度都有所影响。 5 ) 可扩展性：可扩展性表现在传感器数量、网络覆盖区域、生命周期、时 间延迟、感知精度等方面的可扩展极限。 6 ) 容错性：某些情况下，由于环境或其他因素，对失效传感器节点的维护 或替换十分困难。所以，无线传感器网络的软硬件必须具有很强的容错性。 7 第一章绪论 第二节无线传感器网络的研究现状 1 2 1 国外无线传感器网络的研究现状 2 0 0 0 年起，国际上开始出现关于无线传感器网络研究的报道，多个组织相 继启动相关研究。目前比较成功的实例是2 0 0 2 年i n t e l 实验室和大西洋学院联合 进行的大鸭岛环境监测项目 2 5 1 ，通过部署传感器网络并进行监控，为实现更加 准确、数据量大、对环境影响更小的生态监测提供了全新手段。 许多大学和研究机构如u c b e r k d e y 、u c l a 和m i t 等都有丰富的研究成果。 其中，u c b e r k d e y 和i n t e l 联合成立的智能尘埃实验室【2 6 】具有代表性；u c l a 的 w i n s 实验室对如何为嵌入式系统提供分布式网络和互联访问进行了大量研究， 提供了在同一系统中综合微型传感器技术、低功耗信号处理、低功耗计算、低 成本无线网络等技术的解决方案【2 刀；m i t 以节能、自组织、可重构的无线传感 器网络为目标，设计了低功耗的p 仙l p s 捌传感器节点，提出了成组递阶网络通 信协议l e a c h 。 与此同时，国外有很多专门从事无线传感器网络及相关产业的公司。例如 由u c b e r k d e y 技术发展而来的c r o s s b o w 公司和d u s t 公司，前者针对航空电子、 交通运输、环境监控、测控测量等具体应用定制相应无线传感器网络节点和应 用方案：后者提供可靠、可管理和易于安装的s m a r t m e 矗传感器互联方案， 被r e dh e r r i n g 组织评为2 0 0 4 年度t o p l 0 0 发明奖1 2 引。 1 2 2 国内无线传感器网络的研究现状 国内有关无线传感器网络的正式研究及应用始于1 9 9 9 年中国科学院知识 创新工程试点领域方向研究中的“信息与自动化领域研究报告”，作为该领域 五个重大项目之一被提出【3 0 1 。 2 0 0 1 年，中国科学院依托上海微系统所成立了微系统研究与发展中心，初 步建立了传感器网络系统研究平台，在无线智能传感器网络通信技术、微型传 感器、移动机站和应用系统等方面取得了很大进展，2 0 0 5 年起有更多院校和科 研机构陆续加入到该领域的研究工作中。 就产品而言，国内市场推广应用较多为z i g b e e 模块，对整个系统的研究深 度和投入力量相对落后，缺少创新性研究，要向一体化综合传感器网络方向发 展，使无线传感器网络能够深入到生活的各个层面，还需要更多的研究和实践。 8 第一章绪论 第三节课题研究的背景和意义 目前，随着大量、廉价、高集成度无线模块的普及和无线通信技术的发展， 无线传感器网络得到了广泛应用，受到国内外普遍关注。同时，作为一种新兴 的短距离无线通信技术，基于i e e e8 0 2 1 5 4 标准的z i g b o 巳满足小型、经济设备 的无线互联与通信，面向家庭、自动控制等领域，工作在2 4 g h z 免许可i s m 频 段，可与其他网络结合，支持互通互用，扩展能力强，弥补了低成本、低功耗、 低复杂度和低速率无线通信网络的空缺，提高了数据传输的抗干扰性，减少了 现场布线带来的各种问题，对节点的管理也比较方便，在无线传感器网络的应 用方面有很好的发展前景，未来将有越来越多基于z i g b e e 技术的无线设备进入 我们的生活，使生活方式得到极大改善。 本课题通过对i e e e8 0 2 1 5 4 z i g b e e 标准进行相关分析和研究，基于z i g b e e 技术进行网络节点的设计，实现了简单无线传感器网络的组建。在此基础上， 以温度传感器为例加以验证，实时采集传感器节点周围环境信息的同时，以无 线方式与协调节点进行通信，经过串口实现人机交互。整个系统设计具有一定 的通用性，可作为硬件平台，在其他传感控制过程中加以应用。 第四节论文组织结构 本论文内容分为以下六个部分： 第一章简要介绍了无线传感器网络的概念、特点、应用、研究现状以及课 题研究的背景和意义。 第二章对i e e e8 0 2 1 5 4 z i g b e e 技术标准进行了相关介绍。 第三章介绍了z i g b e e 系统设计的基本要求，分模块进行了系统分析及芯片 选择，给出总体设计方案。 第四章采用c c 2 4 3 0s o c 芯片作为网络终端节点及协调节点的核心芯片， d s l 8 8 2 0 作为温度传感器搭建了无线传感器网络，分模块介绍了硬件设计及具 体的软件实现。 第五章对系统可靠性进行相关分析，取得实验数据，对系统进行了验证。 第六章对本文所阐述的内容进行总结，并提出进一步工作建议。 9 第二章i e e e8 0 2 1 5 4 z i g b e e 技术概述 第二章ie e e8 0 、2 15 4 zig b e e 技术概述 日常生活中，很多应用传输数据为小量突发信号，具有实时性。若采用传 统无线技术，设备成本高、体积大、能耗高，因此，具有低成本、低功耗、低 速率的短距离无线通信要求被提出，已发展成为无线通信技术的一个重要分支。 第一节ie e e8 0 2 15 4 与z ig b e e 2 1 1ie e e8 0 2 15 4 标准 随着各种短距离无线通信的发展，无线个域网( w p a n ，w i r e l e s sp e r s o n a l a r e an e t w o r k ) 应运而生。在i e e e8 0 2 1 5 工作组 3 1 】制定的w p a n 和短距离无线 网络相关标准中，包括了针对低速率无线个域网( l r w 蝌) 的通信标准i e e e 8 0 2 1 5 4 t 3 2 1 ，实现在低成本设备( 固定、便携或移动) 之间进行低速率数据的无 线传输。 i e e e8 0 2 1 5 4 标准主要针对物理层和m a c 子层进行规范，确定了以 2 5 0 k b p s 为传输率的2 4 g h z 频段和以更低传输率工作的8 6 8 9 15 m h z 频段两个 物理层。m a c 子层定义了同一区域工作的多个8 0 2 1 5 4 无线电信号如何共享空 中通道，为高层提供访问物理信道的服务接口。 2 1 2zig b e e 技术标准化 作为l r - w p a n 技术标准，i e e e8 0 2 1 5 4 仅定义了物理层和m a c 子层，不 足以保证不同设备间的对话。在此基础上，z i g b e e 联盟 3 3 】对网络层协议和a p i 进行标准化，确定了设备间相互兼容的应用纲要，形成了z i g b e e 技术标准。 在z i g b e e 技术中，物理层、m a c 层、数据链路层及资料加密机制等由i e e e 主导，网络层、应用汇聚层及高层应用规范由z i g b e e 联盟制订。网络层采用基 于a dh o c 的路由协议，除具有通用网络层功能外，要求功耗小，可实现网络自 组织与自维护；应用汇聚层把不同应用映射到z i g b e e 网络上，主要包括安全属 性设置、设备发现等功能。 2 1 3zig b e e 技术优势 1 0 第二章i e e e8 0 2 1 5 4 z i g b e e 技术概述 如图2 1 所示，主要无线通信技术的速率都集中在1 m b p s 以上，而z i g b e e 技术填补了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。 l l n 速釉 m p l 0 鼯离，m 图2 1 几种无线传输技术的速率、距离比较 同时，表2 1 列出了几种典型无线通信技术的性能对比，从中可以看出 z i g b e e 相对其他无线通信技术的优势所在3 4 】： 表2 1 典型短距离无线通信技术的比较 技术指标b l u e t o o t hw i f ir f i r d ai 肿 z i g b e e 5 0 k h z 3 1 工作频段 2 4 g h z2 4 g h z8 2 0 r i m2 4 g h z 5 8 g h z1 0 6 g h z 传输速率 ( b p s ) 1 0 m1 1 m2 1 2 k1 6 m1 g最高2 5 0 k 距离m 1 01 0 0 511 01 0 7 5 数据话音语音、数据数据数据数据数据数据 最大功耗 l 1 0 0 m w1 0 0 m w 不需供电数m w亚毫瓦级 l 3 m w 传输方式点到多点点到多点 点到点 点到点点到多点 点到多点 动态互操 无线局域超市、物可见范 军事、商 家庭网络， 作网络、多网数据传流管理围的数业多媒控制网络， 使用领域 路接入点、输据传输体、家庭传感器网 流媒体与遥控数字娱乐 络 1 ) 低功耗：z i g b e e 技术最具优势所在。一般z i g b e e 节点电池工作时间达6 2 4 个月，可避免频繁更换电源，减轻网络维护负担。工作模式下，传输速率低， 数据量小，收发功率仅为几毫瓦；非工作模式下，节点处于休眠状态。 第二章i e e e8 0 2 1 5 4 z i g b e e 技术概述 2 ) 短时延：z i g b e e 节点通信时，典型设备搜索时延为3 0 m s ，休眠激活时 延为1 5 m s ，设备信道接入时延为1 5 m s ，适合于对时延要求苛刻的无线控制应用。 3 ) 低速率：z i g b e e 数据传输速率在各个频段都比较低。2 4 g h z 频段速率 为2 5 0 k b p s ；9 1 5 m h z 频段速率为4 0 k b p s ；8 6 8 m h z 频段速率为2 0 k b p s 。 钔高容量：一个z i g b e e 子网最多包含2 5 5 个网络节点设备，一个是m a s t e r 设备，其余为s l a v e 设备。同时，最多可以有2 5 5 个z i g b e e 子网。所以，在一 个z i g b e e 网络中，可存在6 5 5 3 6 个网络节点，适合需铺设大量传感节点的应用。 5 ) 低成本：通过大幅简化协议( 不到蓝牙的1 1 0 ) ，降低了对通信控制器 的要求。普通网络节点硬件只需8 位微处理器，最小4 k b ，最大3 2 k b 的r o m ， 且z i g b e e 协议免专利费。随着产品的产业化，通信模块的价格会逐渐降低。 6 ) 近距离：传输范围一般为1 0 - - 一1 0 0 m ，若增加r f 发射功率，相邻节点间 传输距离可增至l - 3 k m 。若通过路由和节点间通信接力，传输距离仍可提高。 7 ) 高可靠性：z i g b e e 采用了c s m a c a 碰撞避免机制，同时为需要固定带 宽的通信业务预留了专用时隙，有效避免了发送数据的竞争和冲突。m a c 层支 持确认数据传输模式，要求每个发送的数据包必须等待接收方的确认信息，若 出现问题，可进行重发，从而建立可靠的数据通信模式。 8 ) 自组织：z i g b