（检测技术与自动化装置专业论文）基于zigbee技术的无线传感器网络的研究和应用.pdf

摘要 摘要 无线传感器网络( w i r e l e s ss e n s o r n e t w o r k s w s n ) 由部署在监测区域内大 量的廉价微型传感器节点组成，是通过无线通信方式形成的一个多跳自组织网 络。它集成了计算机技术、通信技术和传感器技术，已成为当前无线通信领域 研究的热点。同传统监控网络相比，无线传感器网络具有低功耗、低成本、分 布式和自组织的特点。 现代监控网络对功耗、成本、安全、互操作性等方面提出更加严格的要求， z i g b e e 技术应运而生，为无线传感器网络的发展提供了契机。本文从功能、成 本、开发复杂性等多方面考虑，选择j e n n i e 公司的j n 5 1 2 1 m 0 无线微控制器模 块，设计了网络节点的硬件平台；分析了z i g b e e 协议的架构和各层规范，在此 基础上基于j e n n i c 提供的的z i g b e e 协议栈，设计了网络协调器和终端路由节 点的应用程序，实现了环境数据的采集。并且设计了一个基于a r m 的嵌入式 以太网网关，实现了数据的远传。最后通过上位机p c 的程序，对采集数据进 行了处理。 本文设计的网络系统具有成本低、体积小的特点，测试结果表明，网络支 持网状拓扑结构，支持多跳传输，可以快速组网，有较强的容错性，可以顺利 读取环境的温度、湿度、光强等信息，可广泛应用于家庭、农业、楼宇环境监 控等领域。 最后，给出了本论文的工作总结以及对进一步的工作方向进行了简要的讨 论。 关键字g 环境监控，z i g b e e ，w s n ，网关，i _ t c o s i i a b s t r a c t a bs t r a c t w s n ( w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s ) i sc o m p o s e do fm a n yc h e a pm i n i a t u r es e n s o r n o d e sd i s t r i b u t e di n m o n i t o r i n ga r e a , w h i c hf o r m as e l f - o r g a n i z i n gm u l t i h o p n e t w o r kt h r o u g hw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nw a y i tc o m b i n e ss e n s o rt e c h n o l o g yw i t h c o m p u t e ra n dc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , a n dh a sb e c o m eah o ts p o ti nt h ef i e l do f w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n c o m p a r e dw i t ht r a d i t i o n a lc o n t r o la n dm o n i t o r i n gn e t w o r k ， w s nh a st h ec h a r a c t e r i s t i c so fl o wc o n s u m p t i o n ，l o wc o s t ，d i s t r i b u t e da n d s e l f o r g a i l i z i n g t h ez i g b e et e c h n o l o g yc o m e si n t oe x i s t e n c ea sm o d e mc o n t r o la n d m o n i t o r i n g n e t w o r kr e q u i r e sl o wp o w e rc o n s u m p t i o n , l o wc o s t ，s a f e t ya n di n t e r o p e r a b i l i t y , w h i c ho f f e r sg o o do p p o r t u n i t yf o rw s n t h i sp a p e rs e l e c t sj e n n i ej n 5121 一m 0 w i r e l e s sm c u ( m i c r oc o n t r o l l e ru n i om o d u l ea st h em a i np a r tt od e s i g nn o d e h a r d w a r ei nt h en e t w o r ko nt h ec o n s i d e r a t i o no ff u n c t i o na n dd e v e l o p i n gc o m p l e x i t y t h ea r c h i t e c t u r ea n dc r i t e r i ao fz i g b e ep r o t o c o la r ea n a l y z e d ，o nt h eb a s eo fw h i c h s o f t w a r ei n c l u d e sc o o r d i n a t o ra n de n dd e v i c ep r o g r a m sa l ed e s i g n e db a s e du p o n j e n n i ez i g b e ep r o t o c o lt oc o l l e c te n v i r o n m e n t a ld a t a b e s i d e s ，ab u i l t - i ne t h e r n e t g a t e w a yb a s e do na r m i sd e s i g n e dt or e a l i z el o n g - w a yt r a n s p o r to fd a t a a tl a s t ， c o l l e c t e dd a t ai sp r o c e s s e d b yt h ep r o g r a mo fu p p e rp cc o m p u t e r t h er e a l i z e dn e t w o r kh a st h ea d v a n t a g e ss u c ha sl o wi m p l e m e n t a t i o nc o s ta n d s m a l ls c a l e t e s t sr e s u l t si n d i c a t et h a tt h ew s ni sc o m p a t i b l ew i t hm e s ht o p o l o g y a n ds u p p o r t sm u l t i - h o pt r a n s p o r tw i t hg o o df a u l tt o l e r a n c e p a r a m e t e r ss u c ha s t e m p e r a t u r e ，h u m i d i t ya n db r i g h t n e s sa r ec o l l e c t e da f t e rt h en e t w o r kw o r k s t h e n e t w o r kc a nb ea p p l i e di nt h ef i e l d ss u c ha sd o m e s t i c ，a g r i c u l t u r a la n db u i l d i n g e n v i r o n m e n tc o n t r o la n dm o n i t o r i n g i nt h ee n d ，t h ea u t h o rm a k e sac o n c l u s i o na n dg i v e sab r i e fd i s c u s s i o na b o u t f u r t h e rw o r k i n gd i r e c t i o n k e y w o r d s ：e n v i r o n m e n tc o n t r o la n dm o n i t o r i n g ，z i g b e e ? w s n ，g a t e w a y ， i i a b s t r a c t g c o s i i i l l 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、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；学校有权提供目录检索以及提 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： 彩车嗨、 哆川跆 同济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、已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： 善 - 2 1 0 刁年 1 让土 弓月俘日 第1 章绪论 1 1 课题背景 1 1 1 无线传感器网络简介 第1 章绪论 随着微机电系统( m i c r o e l e c t r o m e c h a n i s ms y s t e m ，m e m s ) 、片上系统 ( s o c ，s y s t e mo nc h i p ) 、无线通信和低功耗嵌入式技术的飞速发展，孕育出 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 ) ，并以其低功耗、低成本、分 布式和自组织的特点带来了信息感知的一场变革。无线传感器网络就是由部署 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 多跳自组织网络。 传感器网络是当前国际上备受关注的、由多学科高度交叉的新兴前沿热点 研究领域。它是由一组传感器以a dh o c 方式构成的有线或无线网络，其目的 是协作地感知、采集和处理网络覆盖的地理区域中感知对象的信息，并发布给 观察者。传感器网络综合了传感器技术、嵌入式计算技术、现代网络及无线通 信技术、分布式信息处理技术等，能够通过各类集成化的微型传感器协作地实 时监测、感知和采集各种环境或监测对象的信息，极大的扩展了人们获取信息 的能力，具有十分广阔的应用前景。 很多人都认为，这项技术的重要性可与因特网相媲美：正如因特网使得计 算机能够访问各种数字信息而可以不管其保存在什么地方，传感器网络将能扩 展人们与现实世界进行远程交互的能力。它甚至被人称为一种全新类型的计算 机系统，这就是因为它区别于过去硬件的可到处散布的特点以及集体分析能力。 然而从很多方面来说，现在的无线传感器网络就如同远在1 9 7 0 年的因特网，那 时因特网仅仅连接了不到2 0 0 所大学和军事实验室，并且研究者还在试验各种 通讯协议和寻址方案。而现在，大多数传感器网络只连接了不到1 0 0 个节点， 更多的节点以及通讯线路会使其变得十分复杂难缠而无法正常工作。另外一个 原因是单个传感器节点的价格目前还并不低廉，而且电池寿命在最好的情况下 也只能维持几个月。不过这些问题并不是不可逾越的，一些无线传感器网络的 第1 章绪论 产品已经上市，并且具备引人入胜的功能的新产品也会在几年之内出现。 无线传感器网络所具有的众多类型的传感器，可探测包括地震、电磁、温 度、湿度、噪声、光强度、压力、土壤成分、移动物体的大小、速度和方向等 周边环境中多种多样的现象。基于m e m s 的微传感技术和无线联网技术为无线 传感器网络赋予了广阔的应用前景。这些潜在的应用领域可以归纳为：军事、 航空、反恐、防爆、救灾、环境、医疗、保健、家居、工业、商业等领域。 无线传感器网络是种全新的信息获取平台，能够实时监测和采集网络分 布区域内的各种检测对象的信息，并将这些信息发送到网关节点，以实现复杂 的指定范围内目标检测与跟踪，具有快速展开、抗毁性强等特点，有着广阔的 应用前景。 1 1 2 无线传感器网络的体系结构 l 、传感器网络结构 典型的传感器网络结构如图1 1 所示。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。大量传感器节点随机部署在 监测区域( s e n s o rf i l e d ) 内部或附近，能够通过自组织方式构成网络。传感器节点 监测的数据沿着其他传感器节点逐跳地进行传输，在传输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，最后通过互联网或卫星到达管 理节点。用户通过管理节点对传感器网络进行配置和管理，发布监测任务以及 收集监测数据。 图1 1 无线传感器网络体系结构图 2 第1 章绪论 2 、传感器节点结构 传感器节点由数据采集模块、控制模块、无线通信模块和供电模块四部分 组成，如图1 2 所示。传感器模块负责监测区域内信息的采集和数据转换：控 制模块负责控制整个传感器节点的操作，存储和处理本身采集的数据以及其他 节点发来的数据；无线通信模块负责与其他传感器节点进行无线通信，交换控 制信息和收发采集数据；供电模块为传感器节点提供运行所需的能量，通常采 用微型电池。 图1 2 无线传感器节点体系结构图 i 1 3 无线传感器网络的特点【1 9 】 无线传感器网络除了具有a d h o c 网络的移动性、容错性、电源能力局限 性等共同特征以外，还具有很多其他鲜明的特点。 1 大规模网络 为了获取精确信息，在监测区域通常部署大量传感器节点，传感器节点数 量可能达到成千上万，甚至更多。通过不同空间视角获得的信息具有更大的信 噪比；通过分布式处理大量采集的信息能够提高监测的精确度，降低对单个节 点传感器的精度要求；大量冗余节点的存在，使得系统具有很强的容错性能； 大量节点能够增大覆盖的监测区域，减少盲区。 2 自组织网络 在无线传感器网络应用中，通常情况下传感器节点被放置在没有基础设备 的地方。传感器节点的位置不能预先精确设定。节点之间的相互邻居关系也不 3 第1 章绪论 能预先知道，如通过飞机撒播大量传感器节点到面积广阔的原始森林中，或随 意放置到人不可到达或危险的区域。这样就要求传感器节点具有自组织的能力， 能够自动进行配置和管理，通过拓扑控制机制和网络协议自动形成转发监测数 据的多跳无线网络系统。在无线传感器网络使用过程中，部分传感器节点由于 能量耗尽或环境因素造成失效，也有一些传感器节点为了弥补失效节点、增加 监测精度而补充到网络中，这样在无线传感器网络中的节点个数就动态的增加 或减少，从而使网络的拓扑结构随之动态变化。无线传感器网络的自组织性要 能够适应这种网络拓扑结构的动态变化。 3 多跳路由 网络中节点通信距离有限，一般在几十到几百米范围内，节点只能与它的 邻居直接通信。如果希望与其射频覆盖范围之外的节点进行通信，则需要通过 中间节点进行路由。无线传感器网络中的多跳路由是由普通网络节点完成的， 没有专门的路由设备。这样每个节点既可以是信息的发起者，也可以是信息的 转发者。 4 动态性网络 无线传感器网络是一个动态的网络，节点可以随处移动；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；一个节点也可能由于工作的需 要而被添加到网络中。无线传感器网络的拓扑结构可能因为下列因素而改变： 环境因素或电能耗尽造成的传感器节点出现故障或失效。环境条件变化 可能造成无线通信链路的带宽变化，甚至时断时通。 无线传感器网络的传感器、感知对象和观察者这三要素都可能具有移动 性。 新节点的加入。 5 以数据为中心的网络 传感器网络是一个任务型的网络，脱离传感器网络谈论传感器节点没有任 何意义。传感器网络中的节点采用编号标识，节点编号是否需要全网唯一取决 于网络通信协议的设计。由于传感器节点随机部署，构成的传感器与节点编号 之间的关系是完全动态的，表现为节点编号与节点位置没有必然联系。用户使 用传感器网络查询事件时，直接将所关心的事件通告给网络，而不是通告给某 个确定编号的节点。网络在获得指定事件的信息后汇报给用户。这种以数据本 身作为查询或者传输线索的思想更接近于自然语言交流的习惯。所以通常说传 4 第1 章绪论 感器是一个以数据为中心的网络。 例如，在应用于目标跟踪的传感器网络中，跟踪目标可能出现在任何地方， 对目标感兴趣的用户只关心目标出现的位置和时间，并不关心哪个节点监测到 了目标。事实上，在目标移动的过程中，必然是由不同的节点提供目标的位置 信息。 6 应用相关的网络 传感器用来感知客观物理世界，获取物理世界的信息量。客观世界的物理 量多种多样，不可穷尽。不同的传感器应用关心不同的物理量，因此对传感器 的应用系统也有多种多样的要求。 不同的应用背景对传感器网络的要求不同，其硬件平台、软件系统和网络 协议必然会有很大差异。所以传感器网络不能像i n t e r n e t 一样，有统一的通信协 议平台。对于不同的传感器网络应用虽然存在一些共性问题，但在开发传感器 更高效的目标系统。针对每一个具体应用来研究传感器网络技术，这是传感器 网络设计不同于传统网络的显著特征。 无线传感器网络特别适合部署在恶劣环境或人类不宜到达的区域，传感器 节点可能工作在露天环境中，遭受太阳的暴晒或者风吹雨淋，甚至遭到无关人 员或动物的破坏。由于监测区域环境的限制以及传感器节点数量巨大，人工不 能“照顾 每个传感器节点，网络的维护十分困难甚至不可维护。无线传感器 网络的通信保密性和安全性也十分必要，要防止监测数据被盗取和获取伪造的 监测数据。因此，无线传感器网络的软硬件必须具有鲁棒性和容错性。 1 1 4 无线传感器网络的性能指标 无线传感器网络的性能直接影响其可用性，至关重要。如何评价一个无线 传感器网络的性能是一个需要深入研究的问题。下面，我们讨论几个评价无线 传感器网络性能的标准。 ( 1 ) 能源有效性 无线传感器网络的能源有效性是指该网络在有限的能源条件下能够处理的 请求数量。能源有效性是无线传感器网络的重要性能指标。到目前为止，无线 传感器网络的能源有效性还没有被模型化和量化，还不具有有被普遍接受的标 准，需要进行深入研究。 5 第l 章绪论 ( 2 ) 生命周期 无线传感器网络的生命周期是指从网络启动到不能为观察者提供需要的信 息为止所持续的时间。影响传感器网络生命周期的因素很多，既包括硬件因素 也包括软件因素，需要进行深入研究。在设计无线传感器网络的软、硬件时， 我们必须充分考虑能源有效性，最大化网络的生命周期。 ( 3 ) 时间延迟 无线传感器网络的延迟时间是指当观察者发出请求到其接收到回答信息所 需要的时间。影响无线传感器网络时间延迟的因素也有很多。时间延迟与应用 密切相关，直接影响传感器网络的可用性和应用范围。 ( 4 ) 感知精度 无线传感器网络的感知精度是指观察者接收到的感知信息的精度。传感器 的精度、信息处理方法、网络通信协议等都对感知精度有所影响。感知精度、 时间延迟和能量消耗之间具有密切的关系。在无线传感器网络设计中，我们需 要权衡三者的得失，使系统能在最小能源开销条件下最大限度地提高感知精度、 降低时间延迟。 ( 5 ) 可扩展性 传感器网络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。给定可扩展性级别，无线传感器网络必 须提供支持该可扩展性级别的机制和方法。 ( 6 ) 容错性 无线传感器网络中的传感器经常会由于周围环境或电源耗尽等原因而失 效。由于环境或其他原因，物理地维护或替换失效传感器常常是十分困难或不 可能的。这样，无线传感器网络的软、硬件必须具有很强的容错性，以保证系 统具有高强壮性。当网络的软、硬件出现故障时，系统能够通过自动调整或自 动重构纠正错误，保证网络正常工作。无线传感器网络容错性需要进一步地模 型化和定量化。容错性和能源有效性之间存在着密切关系。 。 上述6 个传感器网络的性能指标不仅是评价无线传感器网络的标准，也是 无线传感器网络设计的优化目标。 6 第1 章绪论 1 1 5 无线传感器网络的研究现状【- 。1 无线传感器网络具有十分广阔的应用前景，在军事国防、工农业、城市管 理、生物医疗、环境监测、抢险救灾、防恐反恐、危险区域远程控制等许多领 域都有重要的科研价值和巨大实用价值，成为进入2 0 0 0 年以来公认的新兴前沿 热点研究领域，被认为是将对二十一世纪产生巨大影响力的技术之一。 传感器技术、微机电系统、现代网络和无线通信等技术的进步，推动了具 有现代意义的无线传感器网络的产生和发展。无线传感器网络涉及众多学科， 成为i t 领域中的研究热点之一。现在，互联网络为人们提供快捷的通信平台， 极大地方便了人们的信息交流。无线传感器网络扩展了人们的信息获取能力， 将客观世界的物理信息同传输网络连接在一起，在下一代互联网络中将为人们 提供最直接、最有效、最真实的信息。 在国外，美国在2 0 世纪9 0 年代就开始了传感器网络的研究工作，并首先 在军方应用和推广，”w i r e l e s ss e n s o r n e t w o r k s ”最开始在美国的加州大学伯克利 分校、；b r k f i 大学洛杉矶分校和康奈尔大学等几所大学开始有很丰富的研究结果。 ( 1 ) 军事领域的研究进展情况 美国陆军2 0 0 1 年提出了“灵巧传感器网络通信 计划，已被批准为2 0 0 1 财政年度的一项科学技术研究计划，并在2 0 0 1 2 0 0 5 财政年度期间实施。灵巧 传感器网络通信的目标是建设一个通用通信基础设施，支援前方部署，将无人 值守式弹药、传感器和未来战斗系统所用的机器入系统连成网络，成倍地提高 单一传感器的能力，使作战指挥员能更好、更快地作出决策，从而改进未来战 斗系统的生存能力。美国陆军最近还确立了“战场环境侦察与监视系统”项目。 该系统是一个智能化传感器网络，可以更为详尽、准确地探测到精确信息，如 一些特殊地形地域的特种信息( 登陆作战中敌方岸滩的翔实地理特征信息，丛 林地带的地面坚硬度、千湿度) 等。为更准确地制定战斗行动方案提供情报依 据。它通过“数字化路标”作为传输工具，为各作战平台与单位提供“各取所 需的情报服务，使情报侦察与获取能力产生质的飞跃。该系统组由撤布型微 传感器网络系统、机载和车载型侦察与探测设备等构成。 2 0 0 0 年，美国国防部把s m a r ts e n s o rw e b 定为国防部科学技术5 个尖端研 究领域之一。s m a r ts e n s o rw e b 的基本思想是在整个作战空间中放置大量的传 感器节点来收集、传递信息，并且将信息汇集到融合点，在那里综合成一张图 7 第1 章绪论 片，并分发给需要该信息的作战者。s m a r ts e n s o rw e b 将为军队提供大覆盖面、 及时、高分辨率信息的能力。s m a r ts e n s o rw 曲是智能、安全、以w e b 为中心 的传感器信息分发和融合网络，可以提高军队的敏感度。 ( 2 ) 民用领域的研究进展情况 1 9 9 5 年，美国交通部提出了“国家智能交通系统项目规划 ，预计到2 0 2 5 年全面投入使用。该计划试图把先进的信息技术、数据通信技术、传感器技术、 控制技术及计算机处理技术有效地集成运用于整个地面交通管理，建立一个在 大范围内、实时、准确、高效的综合交通运输管理系统。这种新型系统将有效 地使用传感器网络进行交通管理，不仅可以使汽车按照一定的速度行驶、前后 车距自动地保持一定的距离，而且还可以提供有关道路堵塞的最新消息，推荐 最佳行车路线以及提醒驾驶员避免交通事故等。由于该系统将应用大量的传感 器与各种车辆保持联系，人们可以利用计算机来监视每一辆汽车的运行状况， 自动进行调整，使车辆保持在高效低耗的最佳运行状态，并就潜在的故障发出 警告，或直接与事故抢救中心取得联系。 2 0 0 2 年夏天，”i n s i t u ”研究组在大鸭岛上部署了由4 3 个传感器接点组成的 传感器网络。传感器节点用了b e r k e l e y 的m o t e 节点，节点上运行的软件是 b e r k e l e y 开发的t i n y o s 。节点上装有多种传感器以监测海岛上不同类型的数据。 使用光敏传感器、数字湿度传感器和压力传感器监测海燕地下巢穴的微观环境； 使用低能耗的被动红外传感器监测巢穴的使用情况。为了将节点放置在海燕的 巢穴中，需要严格控制节点的体积。传感器都集成在传感器板上，从而大大减 少节点的体积以满足监控要求。传感器板还包含一个1 2 位a d 转换器，以减 少或消除模拟测量值中的噪声，得到精度更高的传感数据。 目前比较系统地利用无线传感器网络的实例是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。大鸭岛是一个对外来监控设备十分敏 感的生态环境。i n t e l 实验室和大西洋学院在大鸭岛上部署了传感器网络并进行 了9 个月左右的监控，得到了大量第一手数据。实验表明传感器网络在这样的 应用环境中有非常明显的优势。生态环境监测是无线传感器网络在应用上的一 个方面，也是一个跨学科的课题。传感器网络为实现更加准确、数据量更大、 对环境影响更小的生态监测提供一个全新的手段。 在国内，现代意义的无线传感器网络及其应用研究几乎与发达国家同时启 动，首次正式出现于1 9 9 9 年中国科学院知识创新工程试点领域方向研究的 第1 章绪论 “信息与自动化领域研究报告”中，作为该领域提出的五个重大项目之一，项 目名称：重点地区灾害实时监测、预警和决策支持示范系统。 2 0 0 1 年中国科学院依托上海微系统所成立微系统研究与发展中心，在无线 传感器网络方向上陆续部署了若干重大研究项目，初步建立了传感器网络系统 的研究平台。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 系统等方面取得很大进展。 无线传感器网络技术涉及计算机、半导体、网络、通信、光学、微机械、 化学、生物、航空、医学、农业等众多领域。对该技术的深入研究将推动我国 的信息化建设，并极大地带动相关产业和学科的发展，从而为国民经济带来新 的增长点。 1 1 6zig b o e 技术 z i g b e e 是一种供廉价的固定、便携或移动设备使用的极低复杂度、成本和 功耗的低速率无线连接技术，这个名字来源于蜂群使用的赖以生存和发展的通 信方式，蜜蜂通过跳z i g z a g 形状的舞蹈来分享新发现的食物源的位置、距离和 方向等信息。 该技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无 线通信技术，主要适合于自动控制和远程控制领域，可以嵌入在各种设备中， 同时支持地理定位功能，十分适合用作于无线传感器网络的通信协议。 在标准化方面，i e e e 8 0 2 1 5 4 工作组主要负责制定物理( p h y ) 层和媒体控制 ( m a c ) 层的协议，其余协议主要参照和采用现有的标准，高层应用、测试和市 场推广等方面的工作将由z i g b e e 联盟( z i g b e ea l l i a n c e ) 负责。z i g b e e 联盟成立 于2 0 0 2 年8 月，由英国i n v e n s y s 公司、日本三菱电气公司、美国摩托罗拉( 现 f r e e s e a l e ) 公司以及荷兰飞利浦半导体公司组成，如今已经吸引了上百家芯片 公司、无线设备公司和开发商的加入。 z i g b e e 技术的主要优点有： 省电：由于工作周期很短、收发信息功耗较低、并且采用了休眠模式， z i g b e e 技术可以确保用两节五号电池支持节点工作长达6 个月到2 年左右的时 间，当然不同的应用功耗是不同的； 可靠：采用了碰撞避免机制，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专 9 第1 章绪论 用时隙，避免了发送数据时的竞争和冲突。m a c 层可以采用完全确认的数据传 输机制，每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息； 成本低：模块的初始成本估计在6 美元左右，很快就能降到1 5 美元到 2 5 美元之间，且z i g b e e 协议是免专利费的。 时延短：针对时延敏感的应用做了优化，通信时延和从休眠状态激活的 时延都非常短。设备搜索时延典型值为3 0 m s ，休眠激活时延典型值是1 5 m s ， 活动设备信道接入时延为1 5 m s 。 网络容量大：一个z i g b e e 网络可以容纳最多2 4 5 个从设备和一个主设 备，一个区域内可以同时存在最多1 0 个z i g b e e 网络； 安全：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 ，同时各个应用可以灵活确定其安全属性。 完整的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 层和物理层组成网络层以上协议由z i g b e e 联盟制定，i e e e 负责物理层和链路 层标准。 z i g b e e 应用领域广泛，主要包括：灯光控制、环境控制、自动读表系统、 窗帘控制、烟雾传感器、医疗监控系统、大型空调系统、内置家居控制的遥控 器、暖气控制、家庭安防、工业和楼宇自动化等。 在工业领域，利用传感器和z i g b e e 网络，使得数据的自动采集、分析和处 理变得更加容易，可以作为决策辅助系统的重要组成部分。有助于改进公共设 施和能源管理、物流和库存追踪、安全性和访问控制，它也能够跟踪其他系统 以实现预防性维护和性能监控。 采用传感器和z i g a e e 网络以后，农业将可以逐渐地转向以信息和软件为中 心的生产模式，使用更多的自动化、网络化、智能化和远程控制的设备来耕种。 医学领域，借助于各种传感器和z i g b e e 网络，准确而且实时地监测病人的 血压、体温和心跳速度等信息，减少医生查房的工作负担，有助于医生对患者 的监护和治疗。 在家庭和楼宇自动化领域，家庭自动化系统作为电子技术的集成得到迅速 扩展。简单和廉价的安装成本已成为驱动家居和建筑应用无线技术的动因，未 来的家庭可以有5 0 - - 1 5 0 个支持z i g a e e 的模块被安装在电视、灯具、遥控器、 门禁系统、空调系统、抄表系统、无线报警、安保系统、暖通系统等产品中， 通过z i g b e e 收集各种信息，传送到控制装置，或通过遥控达到远程控制的目的， ，第1 章绪论 使家居生活向网络化与智能化发展，有效提高人们居住环境的方便性与舒适度。 1 2 论文组织 本文主要阐述了基于z i g b e e 的无线传感器网络的设计与实现。全文由以下 五个章节组成： 第l 章绪论。主要介绍课题的背景，分析了无线传感器网络的发展现状与 研究意义，并依此总结了提出该课题的必要性和本课题的主要工作。 第2 章z i g b e e 协议。详细阐述了z i g b e e 协议以及z i g b e e 无线传感器网络 的基本概念。 第3 章z i g b e e 无线环境监测网络的设计与实现。介绍了z i g b e e 无线环境 监测网络的整体设计，详细讨论了z i g b e e 无线传感器节点的硬件设计和软件设 计，最后讨论了z i g b e e 网络组建方面的技术关键点。 第4 章以太网网关模块的设计与实现。详细阐述了硬件设计及以太网控制 器驱动程序设计，然后讨论了i - t c o s i i 系统的移植，t c p i p 协议的实现等。 第5 章系统运行结果与总结。介绍了系统的整合运行情况，对结果进行了 一定的测试分析，并对系统的进一步改进提出了一些设想和建议。 第2 章z i g b e e 协议 第2 章z ig b e e 协议 2 1zig b e e 基本概念和协议栈结构 z i g b e e 技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双 向无线网络通信技术，是一组基于i e e e 批准的8 0 2 1 5 4 无线标准研制开发的 有关组网、安全和应用软件方面的技术，主要适合于承载数据流量较小的业务， 可嵌入各种设备中，同时支持地理定位功能。其目标市场是工业、家庭以及医 学等需要低功耗、低成本无线通信的应用。相对于现有的各种无线通信技术， z i g b c e 技术是最低功耗和成本的技术。本节将着重介绍z i g b c e 技术的基本概 念和其协议栈结构，为下文的应用打下理论基础。 2 1 1zig b e o 基本概念 ( 1 ) z i g b c c “z i g b c c 是一个协议的名称，这一协议基于i e e e8 0 2 1 5 4 标准，其目的 是为了适用于低功耗，无线连接的监测和控制系统。这一协议标准由z i g b c c 联 盟维护。 ( 2 ) i e e e8 0 2 1 5 4 标准 i e e e 8 0 2 1 5 4 是z i g b c c 协议的底层标准，主要规范了物理层和m a c 层的 协议，其标准由国际电工学协会i e e e 组织制定并推广。 ( 3 ) 2 4 g 免费频段 免费频段，是指各个国家根据各自的实际情况，并考虑尽可能与世界其他 国家规定的一致性，而划分出来的一个频段，专门用于工业，医疗以及科学研 究使用的，不需申请就可以免费使用的频段。我们国家的2 4 g 频段就是这样一 个频段。 ( 4 ) p a n p e r s o n a l a r e a n e t w o r k 的缩写，用于区别同一c h a n n e l 中，不同的节点群组， 只有属于同一个p a n 的节点之间才能相互通讯。 ( 5 ) c h a n n e l 1 2 第2 章z i g b e e 协议 通常翻译成通道，z i g b e e 所使用的频率范围从2 4 0 0 m h z 到2 4 8 3 5 m h z 共 1 6 个通道，同一个网络的设备必须位于同一个通道中。 ( 6 ) m a c 地址e x t e n d e da d d r e s s 这是一种6 4 位的地址。m a c 地址是网络设备的一个唯一标识码，这一编 码具有全球唯一性，由i e e e 进行管理。在z i g b e e 网络中，m a c 地址和e x t e n d e d a d d r e s s ，即扩展地址，是一个概念。 ( 7 ) 短地址n e t w o r ka d d r e s s 当z i g b e e 装置加入一个p a n 中时，会由上一层父节点分配一个1 6 位地址， 用于网络内节点之间的标识和通讯，以减小包的大小。如果是处于不同的网络 中可能具有相同的短地址。 ( 8 ) z i g b e c 节点 z i g b e e 标准规定可以在一个单一的网络中容纳6 5 5 3 5 个节点，所有的 z i g b e e 网络节点都属于以下三种类型中的一种，c o o r d i n a t o r 、r o u t e r 和e n d d e v i c e 。这三种节点类型都是网络层的概念，他们的部署决定了网络拓扑形式， 而通常来说z i g b e e 网络采用任何一种拓扑形式只是为了实现网络中信息高效 稳定的传输。要注意的是，节点类型定义和节点在应用中所起到的功能并不相 关。 ( 9 ) 协调器( c o o r d i n a t o r ) z i g b e e 网络中一种网络设备的角色定义，用以控制整个p a n 。不论z i g b e e 网络采用何种拓扑方式，网络中都需要有一个并且只能有个c o o r d i n a t o r 节点。 在网络层，c o o r d i n a t o r 通常只在系统初始化时起到重要作用。在一些应用中， 网络初始化完成后，即便是关闭了c o o r d i n a t o r 节点，网络仍然可以正常工作。 但是如果c o o r d i n a t o r 还负责提供路由路径，比如说在星形网络拓扑结构中， c o o r d i n a t o r 就不能被关闭，而必须持续处于工作状态。同样如果c o o r d i a n t o r 在 应用层提供一些服务，比如c o o r d i n a t o rb i n d i n g ，c o o r d i n a t o r 也必须持续处于工 作状态。 c o o r d i n a t o r 在网络层的任务是： 选择网络所使用的频率通道，通常应该是最安静的频率通道； 开启网络； 将其它节点加入网络； c o o r d i n a t o r 通常还会提供信息路由，安全管理和其它服务。 第2 章z i g b e e 协议 ( 1 0 ) r o u t e r z i g b e e 网络中一种网络设备的角色定义，用以转发数据，延伸z i g b e e 网 络规模。主要用于树型和网状拓扑中。需要注意的是，通常r o u t e r 节点不能够 休眠。 r o u t e r 类型节点的主要功能是： 在节点之间转发信息； 容许子节点通过它加入网络。 ( 11 ) e n d - d e v i c e z i g b e e 网络中一种网络设备的角色定义，作为网络的最终端节点。e n d d e v i c e 节点的主要任务是发送和接收信息。通常一个e n dd e v i c e 节点由电池供 电，并且当它不在数据收发状态时通常处于休眠状态以节省电能。需要说明的 是，e n dd e v i c e 节点不能够转发信息也不能够让其它节点加入网络。 ( 1 2 ) 网络拓扑形式 z i g b e e 网络可以实现下面三种网络拓扑形式：星形，树型和网状。 ( 1 3 ) 星形拓扑 这种拓扑形式是最简单的一种拓扑形式。星形拓扑包含一个c o o r d i n a t o r 节 点和一系列的e n dd e v i c e 节点。每一个e n dd e v i c e 节点只能和c o o r d i n a t o r 节 点进行通讯。如果需要在两个e n dd e v i c e 节点之间进行通讯必须通过 c o o r d i n a t o r 节点进行信息转发。图2 。1 表示星型拓扑结构示意图。 图2 1 星型拓扑图 该拓扑形式缺点是节点之间数据路由只有唯一一个路径。c o o r d i n a t o r 有可 能成为整个网络的瓶颈。实现星形网络拓扑不需要使用z i g , b e e 的网绍层协议， 因为本身i e e e8 0 2 1 5 4 协议层就已经实现了星形拓扑形式，但是这需要开发者 1 4 第2 章z i g b e e 协议 在应用层作更多的工作，包括自己处理信息转发。 ( 1 4 ) 树型拓扑 树型拓扑包括一个c o o r d i n a t o r 以及一系列的r o u t e r 和e n dd e v i c e 节点。 c o o r d i n a t o r 连接一系列的r o u t e r 和e n dd e v i c e , 其子节点的r o u t e r 也可以 连接一系列的r o u t e r 和e n dd e v i c e 这样可以重复多个层级。树型拓扑的结构 如图2 2 所示。 图2 2 树型拓扑图 d e v i c e 需要注意的是：c o o r d i n a t o r 和r o u t e r 节点可以包含自己的子节点；e n d d e v i c e 不能有自己的子节点；有同一个父节点的节点之间称为兄弟节点；有同 一个祖父节点的节点之间称为堂兄弟节点。 树型拓扑通讯规则：每一个节点都只能和它的父节点和子节点通讯。如果 需要从一个节点向另一个节点发送数据，那么信息将沿着树的路径向上传递到 最近的祖先节点然后再向下传递到目标节点。这种拓扑方式的缺点就是信息只 有唯一的路由通道。另外，信息路由是由协议栈层处理的，整个路由过程对于 应用层完全透明。 ( 1 5 ) m e s h 拓扑( 网状拓扑) m e s h 拓扑包含一个c o o r d i n a t o r 和一系列的r o u t e r 和e n dd e v i c e 。这种网 络拓扑形式和树型拓扑相同。请参考上面所提到的树型网络拓扑。但是，网状 网络拓扑具有更加灵活的信息路由规则，在可能的情况下，路由节点之间可以 直接通讯。这种路由机制使得信息通讯变得更有效率，而且意味着一旦一个路 由路径出现了问题，信息可以自动沿着其它路由路径进行传输。网状拓扑示意 1 5 第2 章z i g b e e 协议 图如图2 3 所示。 e n d e n dd e v i c e 图2 3 网型拓扑图 ( 1 5 ) p r o f i l e 规约 每一个z i g b e e 网络设备都应该使用一个p r o f i l e 规约，它定义了设备的应 用场景，如家庭自动化或者无线传感器网络，还定义了设备类型以及设备之间 信息交换规范。p r o f i l e 分为两种，一种是公共的p r o f i l e ，这种p r o f i l e 通常由某 个组织发布，用于实现不同厂商生产的z i g b e e 设备之间可以互相通讯。私有 p r o f i l e 通常只是在公司内部或者项目内部使用的一个默认标准。 ( 1 6 ) e n dp o i n t e n dp o i n t 类似于端口号的概念，它是一个数据交换的接口。在j e n n i e 开发 中，它表现为一个整形数值，设备之间通讯实际上表现为e n dp o i n t 和e n dp o i