zigbee网络自组织结构的研究.doc

毕业论文（设计）Zigbee传感器网络自组织结构研究学 生 姓 名： 朱伟 指导教师： 张妍（讲师） 专业名称： 通信工程 所在学院： 信息工程学院 2012年 6 月目 录摘要IAbstractII第一章 前言11.1 研究目的和意义11.2 国内外研究现状11.3 研究内容和方法1第二章 ZigBee技术22.1 Zigbee技术22.2 Zigbee节能技术探讨32.3 Zigbee协议栈42.4 原语概念72.5 Zigbee网络数据传递机制7第三章 Zigbee传感器自组织网络节点通信103.1 Zigbee自组织网络优点103.2 Zigbee自组织网络多跳路由通信流程103.3 通信实现的流程15第四章 Zigbee网络组网方案174.1 组网方案概述174.2 Zigbee网络拓扑174.3 Zigbee组网流程204.4 Zigbee树路由算法22第五章 ZigBee传感器自组织网络在机电监测系统中的应用265.1 基于Zigbee传感器网络的机电监测系统的构建265.2 Zigbee传感器节点的设计和测量点的选择285.3 基于Zigbee传感器的机电监控系统自组织网络拓扑结构285.4 Zigbee传感器节点数据传输流程29第六章 结论与建议31致谢32参考文献33大连海洋大学本科毕业论文（设计） 摘要摘要由于Zigbee技术具有低功耗、低成本、低速率、近距离和网络容量大等特点，Zigbee技术在近年来得到了快速的发展。Zigbee网络包含两种功能类型的设备：全功能设备FFD(Full Function Device)和精简功能设备RFD(Reduced Function Device)，支持星状网(Star Network)、树状网(Cluster tree Network)和网状网(Mesh Network)三种网络拓扑结构。本论文前两章主要介绍了Zigbee技术的概念、由来、特点，并对Zigbee技术协议架构和Zigbee无线传感网络体系结构进行了较为深入的研究分析。第三章主要介绍了Zigbee传感器自组织网络节点通信的原理。第四章从网络拓扑结构、组网算法方面介绍了基于Zigbee技术的运用。第五章将基于Zigbee传感器自组织网格网络具体应用于机电监测系统中，构建了一个分层分布式监测网络。关键词：Zigbee，组网方案，组网算法，网格网络II大连海洋大学本科毕业论文（设计） AbstractAbstractZigbee is developing at a high speed as it has the following key features：low power, low cost，low data rate，short distance and large network capacityZigbee network contains 2 kinds of function devices：full function device(FFD) and reduced function device(RFD)，supports 3 kinds of network topology：Star network, Cluster tree network and mesh networkIn the first two chapters, this paper has a introduction of the characteristics, the origin and the concept of Zigbee technology ,and has a more in-depth analysis about Zigbee technology architecture and the structure of Zigbee protocol wireless sensor networkIn the third chapter ,the node communication of self-organizing Zigbee network is givenIn the fourth chapter, it will introduce the application of Zigbee technology based on the network topology and network algorithmIn Chapter five the mesh network technology based on Zigbee will be used in mechanical and electrical specific monitoring system, building a hierarchical distributed monitoring networkKeywords: Zigbee, network topology, network algorithm, mesh network大连海洋大学本科毕业论文（设计） 第一章 前言第一章 前言1.1 研究目的和意义Zigbee网络具有低成本、低功耗、低速率、近距离、短时延、高容量、高安全及免执照频段等特点。在短距离、低功耗且传输速率要求不高的各种电子设备之间，完成周期性数据、间歇性数据和低反应时间数据的传输，比较适合采用Zigbee网络来实现。Zigbee作为一种如此有生命力的短距离通信技术，根据Zigbee联盟所定义的标准，如果能够实现协议库的封装及模块化，使得协议在不同的硬件平台间，不同的应用系统间的能够便捷移植，是一件非常有意义的事情，这将给我们解决Zigbee实际应用中的问题带来更大的自由度和选择性。1.2 国内外研究现状Zigbee作为一种新兴的国际标准短距离无线通信协议，协议栈体系结构是基于标准七层开放式系统互联参考模型(OSI)，IEEE802.15.4-2003标准定义了下面的两层：物理层和媒体接入控制子层；网络层、应用汇聚层、应用层由Zigbee联盟制订。联盟所制订的规范也得到了广泛的应用。在工业领域，利用传感器和Zigbee网络，使得数据的自动采集、分析和处理变得更加容易。例如危险化学成分的检测，火警的早期检测和预报。在农业领域，采用了传感器和Zigbee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。传感器可能收集包括土壤湿度、氮浓度、空气湿度和气压等信息1。这样农民能够及早而且准确地发现问题，从而有助于保持并提高农作物的产量。消费和家用自动化市场是Zigbee技术最有潜力的市场。据估测，每个家庭需要100到150个Zigbee设备2。可以联网的家用设备包括电视、录像机、门禁系统、窗户和窗帘、照明设备、空调系统和其他家用电器等。 1.3 研究内容和方法论文结构安排如下：第一章 介绍了Zigbee技术概况和目前国内外研究概况。第二章 讲述了Zigbee技术的概念、由来、特点，并对Zigbee技术协议架构和Zigbee无线传感网络体系结构进行了较为深入的研究分析。第三章 主要分析了Zigbee传感器自组织网络节点通信的原理。第四章 从网络拓扑结构、组网算法方面介绍了基于Zigbee技术的运用。第五章 将基于Zigbee传感器自组织网格网络具体应用于机电监测系统中，构建了一个分层分布式监测网络。第六章 结论与建议：对本文工作做出总结，并展望今后的工作。36大连海洋大学本科毕业论文（设计） 第二章 Zigbee技术第二章 ZigBee技术2.1 Zigbee技术2.1.1 Zigbee技术由来现在，有许多的协议标准来定义声音、视频以及PC局域网等领域的数据传输，然而却没有一个协议能适合无线网络中传感和控制设备通信的特定的需求。传感和控制设备的通信并不需要高的带宽，但是他们要求低的反应时间，非常低的能量消耗，以及大范围的设备分布。许多无线设备生产者已开始致力于解决无线网络的问题，出现了许多的通信协议，但这些协议并不能完全适应无线传感器网络的要求。Zigbee协议正是继承了以往协议的优势，为无线网络中传感和控制设备之间的通信提供了一个极好的解决标准。2.1.2 Zigbee联盟Zigbee联盟成立于2001年8月。2002年下半年英国Invensys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，它们将加盟“Zigbee联盟”，研发名为“Zigbee”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。2.1.3三种无线协议的比较(1)Zigbee与IEEE802.11b及蓝牙技术的比较：表1 三种通信协议的比较特征IEEE802.11bBluetooth Zigbee能量持续 数小时 1星期 1年以上复杂程度 复杂 非常复杂 简单节点数 32 7 64000反应时间 3秒 10秒 30毫秒有效范围 100米 10米 70米 扩展能力 可能 不能 可以数据传输率 11Mbps 1Mbps 250Kbps(2)Zigbee与蓝牙技术的具体比较3：Bluetooth：中等的任务周期，较短的电池寿命(电池持续时间和控制单元相同)，半静态星型网络(接近7个节点)，主要针对需要中等数据传输率的仪器，高服务质量(QOS)，以及低反应时间的无线网络。Zigbee：非常低的任务周期，很长的电池寿命，静态及动态的星型及网状结构，可以有非常多的节点单元（65534个），在没有网络间通信时能够保持长时间静止状态。总而言之，蓝牙主要应用于高QOS，多样的任务周期，中等数据传输率的平等静态，且具有有限活跃节点的无线网络中。而Zigbee则主要是应用在非常低的任务周期，低能耗，低花费的静态及动态的具有很多活跃节点的无线网络中。2.1.4 Zigbee技术的特点Zigbee技术的主要特点包括以下几个部分： 数据传输速率低。只有10k字节秒到250k字节秒，专注于低传输应用。 功耗低。在低耗电待机模式下，两节普通5号干电池可使用6个月到2年，免去了充电或者频繁更换电池的麻烦。这也是Zigbee的支持者一直引以为豪的独特优势。 Zigbee成本低。因为Zigbee数据传输速率低，协议简单，所以大大降低了成本。且Zigbee协议免收专利费。 网络容量大。每个Zigbee网络最多可支持255个设备，也就是说，每个Zigbee设备可以与另外254台设备相连接。 时延短。通常时延都在15毫秒至30毫秒之间。 安全。Zigbee提供了数据完整性检查和鉴权功能，加密算法采用AES128，同时可以灵活确定其安全属性。 有效范围小。有效覆盖范围1075米之间，具体依据实际发射功率的大小和各种不同的应用模式而定，基本上能够覆盖普通的家庭或办公室环境。 工作频段灵活。使用的频段分别为2.4GHz、868MHz(欧洲)及915MHz(美国)，均为免执照频段。随着研究的进一步深入，传感器将变得更小，而且功能会越来越多，最终它们的体积可能会微缩到尘埃大小，届时数以千计的微小传感器或者称为“智能尘埃”将被释放到大气中来检测任何东西。2.2 Zigbee节能技术探讨由于Zigbee应用的低带宽要求，Zigbee节点可以在大部分时间内睡眠，以节省电池能量，然后苏醒并迅速发送数据，然后再去睡眠。Zigbee节点可以在15毫秒或更短的时间内由睡眠模式进入活动模式，因此即使睡眠的节点也可以取得合适的低时延。同时Zigbee节省的大部分能量归功于IEEE802.15.4技术，后者本身就是为低功率而设计的。例如，IEEE802.15.4采用DSSS(直接序列扩谱)技术取代FHSS(跳频扩谱)。因为FHSS技术为了尽可能多地节省能量而采用同步跳频，这样会消耗较多的功率。Zigbee采用一种“准备好才发送”的通信策略，它只在有数据要发送时才发送数据，然后再等待自动确认。“准备好才发送”是一种“面对面”式(inyourface)的方案，是一种能量效率非常高的方案。而且这种“面对面”式策略导致RF干扰非常低，这主要是由于Zigbee节点具有非常低的占空因数，只偶尔发射信号且只发送小量的数据。不过Zigbee的“准备好才发送”方案并不是万能的。例如，在一个监视敌军动向的微型传感器构成的网络中，这种方案节省的能量仍可能不够用。由于每个网络节点都定期发送数据，而且数据必须经过附近其他网格式分布的节点反复传送，才能到达网络控制器。然而大量的数据包冲突和重复传送会浪费能量，大大缩短传感器节点的电池寿命。如果传感器电池能量非常小，这就会造成很大问题。但Zigbee仍有很多的节能秘技。Zigbee通过减少相关处理的方式进一步节省能量。一个简单的8位处理器就可以轻松地完成Zigbee的任务，而且Zigbee协议栈占用很少内存。例如，一个功能更强的全功能设备(Full Function Device，FFD)栈需要占用大约32kb内存，然而一个精简功能设备(Reduced Function Device，RFD)栈只需要4kb内存，比它们复杂得多的蓝牙技术则需要占用大约250kb内存。Zigbee相对简单的实现也节省了费用，例如，RFD由于省掉了内存和其他电路，自然降低了Zigbee部件的成本，而简单的8位处理器和小协议栈也有助于降低成本。2.3 Zigbee协议栈Zigbee协议栈结构是由一些层所构成。每个层都有一套特定的服务方法和上一层连接：数据实体(Data Entity)提供数据的传输服务，而管理实体(Management Entity)提供所有别的服务类型。每个层的服务实体通过服务接入点(Service Access Point，SAP)和上一层相接。每个SAP提供大量的服务方法完成这些操作。Zigbee协议栈是基于标准的0SI七层模型，但只是在相关的范围内定义一些相应层用来完成特定的任务。IEEE802.15.4-2003标准定义了下面的两个层：物理层(PHY层)和媒介层(MAC层)。Zigbee联盟在此基础上建立起了网络层(NWK层)以及应用层(APL层)的框架（Framework)。APL层又包括应用支持子层(application support sublayer，APS)、Zigbee的设备对象(Zigbee Device Objects，ZDO)以及制造商定义的应用对象。Zigbee完整的协议栈结构如图1所示：应用层（APL层）安全服务提供者ZDO管理平台应用对象240终端240应用支持子层数据服务接入应用对象1终端1应用支持子层数据服务接入应用层框架ZDO公用接L1Zigbee设备对象（ZDO）终端0应用支持子层数据服务接入应用支持子层管理服务接入MAC子层管理服务接入应用支持子层（APS层）APS安全管理APS信息管理数据反应管理网络层数据服务接入网络层（NWK层）NWK安全管理NWK信息管理路由管理网络层管理MAC子层数据服务接入MAC子层管理服务接入媒介层（MAC层）PHY数据服务接入PHY数据服务接入868/915Mhz2.4Ghz物理层（PHY层）图1 Zigbee协议栈的完整示意图2.3.1 IEEE802.15.4的PHY层IEEE802.15.4-2003有两个PHY层，提供两个独立的频率段：868915MHz和2.4GHz。868915MHz频段包括欧洲使用的868MHz的频段以及美国和澳大利亚使用的915MHz频段，2.4GHz频段则在全世界范围内使用。2.3.2 IEEE802.15.4的MAC层Zigbee协议栈的基础是IEEE802.15.4。IEEE802.15.4典型的数据通信类型有三种：周期性的数据（如传感器数据）、间歇性的数据（如灯开关）、重复的低反应数据（如鼠标数据）。IEEE802.15.4的MAC层足够灵活来处理这些通信数据。MAC层有两种信道访问机制：无标识(non beacon)网络和标识使能(beaconenabled)网络。无标识网络采用标准的ALOHACSMACA方式，节点成功接收到信息包后能产生一个积极的回应。标识使能网络采用超帧结构，一方面有专用的带宽和低的反应时间，另一方面可在网络协调器设定的预定时间间隔内传输标识(beacons)。MAC层使用标识使能功能处理周期性数据，当有标识时，传感节点就会被唤醒来检测信息，然后再返回睡眠状态。而间歇性数据可以在无标识网络中被处理或是以不连贯的方式被处理。当以不连贯方式处理时，通信则需要节省大量能量才可加入网络。低反应时间可用于保证时间分割(Guaranteed Time Slot，GTS)操作顺利进行。GTS是高服务质量(QOS)的一种方法。它允许每个设备有一个特定的间隔时间，这样每个反应帧就可自由传输而不需要反应时间。2.3.3网络层(NWK层)Zigbee的网络层被要求提供功能以确保IEEE802.15.42003的MAC子层的正确操作，并为应用层提供一个合适的服务接口。为了给应用层提供合适的接口，网络层有两个服务实体来提供必需的功能。这两个服务实体就是数据实体和管理实体。网络层数据实体(NLDE)通过相关的服务接入点(SAP)提供数据传输服务，即NLDESAP。网络层管理实体(NLME)通过相关的服务接入点(SAP)提供管理服务，即NLMESAP。NLME利用HLDE完成一些管理任务和维护管理对象的数据库，通常称作网络信息库（Network Information Base，NIB)。2.3.4应用层(APL层)Zigbee的应用层是由应用子层（APS sublayer）、设备对象(ZDO)(包括ZDO管理平台)以及制造商定义的应用设备对象组成。APS子层的作用是维护绑定表（绑定表作用是基于两个设备的服务和需要把它们绑定在一起，在绑定的设备之问来传输信息）。ZDO的作用是：在网络中定义一个设备的作用(如定义设备为协调器或路由器或终端设备)，发现网络中的设备并确定它们能提供何种应用服务；起始或回应绑定需求以及在网络设备中建立一个安全的连接。2.3.5 Zigbee安全管理Zigbee安全体系提供的安全管理主要是相称密匙保护、应用保护机制、合适的密码机制以及相关的保密措施。安全协议的执行（如密匙建立）要以Zigbee整个协议栈正确运行且不遗漏任何一步为前提。MAC层、NWK层和APS层都有可靠的安全传输机制用于它们自己的数据帧。APS层提供建立和维护安全联系的服务。而ZDO管理设备的安全政策和安全配置。2.4 原语概念从上面的介绍中，我们不难得知Zigbee设备在工作时，各种不同的任务在不同的层次上执行。通过层的服务，完成所要执行的任务。每一层的服务主要完成两种功能：根据它的下层服务请求，为上层提供相应的服务；另一种是根据上层的服务请求，对它的下层提供相应的服务。各项服务通过服务原语来实现。图2描述了原语基本概念：在一个具有N个用户的网络中，两个对等用户以及它们与M层(或子层)对等协议实体间建立起连接的服务原语。服务用户（N1-User） 服务提供者（M-layer）服务用户（N2-User）请求 确认指示响应图2 服务原语服务是由N用户和M层之间信息流的描述来指定的。该信息流由离散的瞬时事件构成，以提供服务为特征。每个事件由服务原语组成，它将在一个用户的某一层，并通过该层的服务接入点(SAP)与建立对等连接的用户的相同层之间传送。服务原语通过提供一种特定的服务来传输必需的信息。这些服务原语是一个抽象的概念，它们仅仅指出提供的服务内容，而没有指出由谁来提供这些服务。它的定义与其他任何接口的实现无关。由代表其特点的服务原语和参数的描述来指定一种服务。一种服务可能有一个或多个相关的原语，这些原语构成了与具体服务相关的执行命令。每种服务原语提供服务时，根据具体的服务类型，可能不带有传输信息参数，也可能带有多个必须传输信息参数。原语通常分为如下4种类型：(1)请求原语(request)：请求原语是从第N1用户发送到它的第M层，请求服务开始。(2)指示原语(indication)：指示原语是从第N1用户的第M层向第N2用户发送，指出对于第N2用户有重要意义的内部M层的事件。该事件可能与一个遥远的服务有关，或者可能是由一个M层的内部事件引起。(3)响应原语(response)：响应原语是从第N2用户向它的第M层发送，用来表示对用户执行上一条原语调用过程的响应。(4)确认原语(confirm)：确认原语是由第M层向第N1用户发送，用来传送一个或多个前面服务请求原语的执行结果。2.5 Zigbee网络数据传递机制2.5.1网络寻址规定无线网络中的数据包不但要有合乎规定的数据格式，还应该有规定的传播方式。这也就是被传输数据中所包含的目的地址设置方式。如果没有统一的寻址规定将导致网络上数据包发送和接收的混乱。在ZigbeeIEEE802.15.4中有三种形式的数据传播方式，单播(unicast)，广播(broadcast)和组播(multicast)三种。单播(unicast)方式，在unicast寻址的数据包中，该帧的目标地址出现在数据包的MAC层头部信息中。unicast寻址指定了目标节点的地址，即目标节点是被确定的唯一节点。单播数据过程中可以采用两种数据单播方式：直接消息传输和间接消息传输。在直接消息传输模式下，当前节点已知目的节点地址也即消息中包含目的节点的地址。而网络中消息的传递就是基于该地址来进行传输的；在间接消息传输模式下，当前转发节点对初始转发的消息目的地址是未知的，但该消息包含了其源地址、端点及中心节点（协调器）群集D，然后使用该源地址端点通过查找中心节点内的绑定表以获取该消息的目的地址端点。由此可见间接消息的传递必须经过中心节点即协调器。广播(broadcast)方式4，在广播数据帧初始阶段中，首先将APS层数据帧中的目的地址初始化为0xffff，然后通过NWK层将MAC层的目的地址设置成0xffff。这样网络中任何处于接收使能状态的射频收发芯片都会接收该帧。在Zigbee网络中，广播业务的发起者会将广播帧传给它所有的邻居，并且在其邻居中拥有广播功能的节点将复制该广播帧，同时该广播帧传给自己的其他邻居。在广播数据帧的过程中采用了一种叫被动应答(passive-acknowledge)数据传输机制。也即具有广播能力的设备在转发广播帧的同时必须向广播发起者回复应答。该机制能够确保路由器或协调器的邻居是否转发了广播帧。组播(multicast)方式，组播数据传输也即多点对多点的数据传输，组播方式采用16位的组代码寻址，对于组播消息，具有相同组播的所有成员设备均能接收到该组播消息。组播包含两种传播模式：成员模式与非成员模式，由组播数据帧模式标志位来区分。成员模式即组成员与组成员设备间的数据传输，非成员模式即非组成员与组成员设备问的数据传输。在目的组成员之间进行的组播传送均为成员模式。组播方式仅用于数据帧的传输而不用于命令帧的传输。在IEEE802.15.4标准中网络寻址规定定义了两种地址模式：长地址模式，即64位的网络地址，该地址具有全球唯一性；短地址模式，即是16位的网络地址，该地址用于区域网内部通信以减少数据包的负载长度，节省传输带宽。单播、广播以及组播数据过程中均采用短地址模式。同时在MSSTATE_LRWPAN协议栈中数据传递采用的寻址方式也为单播寻址，采用的地址模式为16位短地址模式。2.5.2网络中的数据传递机制传输数据到终端设备和从终端设备传输数据的机制随网络类型不同而不同。在无信标的星形网络中，当终端设备想要发送数据帧时，它只需等待信道变为空闲。在检测到空闲信道条件时，它将数据帧发送到协调器。如果协调器想要将此数据发送到终端设备，它会将数据帧保存在其发送缓冲器中，直到目标终端设备明确地来查询该数据为止。此方法确保终端设备的接收器是被开启的，而且可从协调器接收数据。在点对点网络中，每个节点必须一直保持它们的接收器为开启状态或者同意在一个时间段内开启它们的接收器。这将允许节点发送数据帧并确保数据帧会被其它节点接收。终端设备必须查询协调器以获取其数据，而不是保持接收器开启，从而允许终端设备降低其功耗要求。根据应用的要求，在绝大部分时间内终端设备都处于休眠状态，而仅定期地唤醒设备来发送或接收数据。此方法的一个缺点就是协调器必须将所有数据帧保存在内部缓冲器中，直到目标终端设备唤醒并查询数据。如果网络包含很多休眠时间很长的终端设备，协调器就必须将数据帧保存很长时间。根据节点的数量和交换数据帧的速率，这将大幅增加协调器对RAM的需求。协调器可以根据终端设备的设备描述符有选择地决定将一个特定的数据帧保持一段长时间或短时间。根据Zigbee规范及实际的应用，我们将消息数据传递方式分为直接消息传输与间接消息传输。在直接消息传输中，节点知道目的节点短地址，也即节点消息中指定了目的节点地址，并且带路由器的网络根据该目的地址来传递消息。在间接消息传输中，节点不知道消息的目的地址，但是节点消息中包含有标识中心节点（协调器节点）的源地址、源端点、CID，根据该标识通过绑定表来查找目的地址，以此来向目的地传递控制消息。举例来说，这就允许通过绑定的形式来建立灯与开关之间的逻辑连接，采用开关来控制灯。通过修改绑定表，协调器可以改变灯与开关之间的逻辑连接也即控制关系，这样开关可以与节点中的多个端点（灯）建立逻辑连接，也即一个开关可以控制多个灯。在MSSTATERWPAN协议栈中，协调器完成所有绑定关系的处理，这样树型网络中节点产生的任何间接消息总是先传递给协调器节点，然后协调器节点再根据绑定表将该消息转发到其预定的目标节点上。再需要注意的一点是在节点入网之后以及发送间接消息之前，节点必须执行节点信息通告过程，以通知协调器节点说明该节点已经加入网络，以及确保协调器节点为该入网节点在地址映射表中建立其长地址与短地址的地址映射表项。当然如果RFD本身就是协调器节点的直接邻居，由于协调器节点中已经存在该RFD节点的地址映射表项，所以该RFD不需要执行节点通告过程，除此之外所有的其它节点必须执行该通告过程。另外，对于不是采用间接消息机制进行数据传输的节点也不用执行该节点入网通告过程。大连海洋大学本科毕业论文（设计） 第三章 Zigbee传感器自组织网络节点通信第三章 Zigbee传感器自组织网络节点通信3.1 Zigbee自组织网络优点在自组织Zigbee网络中56，每个节点只和其临近的节点通信，从一个节点发出的数据包将根据相关协议的配置通过多跳传递方式到达目的节点，这种结构与传统网络结构相比具有较多的优势：可靠性提高，冲突减轻，维护方便，具有自组织性，多跳通信，动态性等等。自组织Zigbee网络7具有一定的动态性，网络中的传感器、感知对象和观察者这三要素都可能具有移动性，并且经常有新节点加入或已有节点失效。因此网络的拓扑结构会经常动态变化，传感器、感知对象和观察者三者之间的路径也随之变化，另外无线传感器网络必须具有可重构性和自调整性。网络中节点通信距离有限，一般在几百米范围内。如果希望与其射频覆盖范围之外的节点进行通信8，则需要通过中间节点进行路由。固定网络的多跳路由使用网关和路由器来实现，而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。3.2 Zigbee自组织网络多跳路由通信流程Zigbee网络含三种类型的节点，即协调器ZC(Zigbee Coordinator)、路由器ZR(Zigbee Router)和终端设备ZE(Zigbee End Device)，其中协调器和路由器均为全功能设备(FFD)，而终端设备选用精简功能设备(RFD)。网关：完成通过计算机发送的指令发送或接收路由节点或者传感器节点数据，并将接收到的数据发送给计算机。协调器：一个Zigbee7网络仅有一个协调器，该设备负责启动网络，配置网络成员地址，维护网络，维护节点的绑定关系表等，需要最多的存储空间和计算能力。路由器：主要实现扩展网络及路由消息的功能，扩展网络，即作为网络中潜在的父节点，在网关不能和所有的终端节点通信时，允许更多的设备接入网络，路由节点作为一种中介使网关和传感器节点通信，实现路由通信功能9，同时路由器具有采集传感器数据功能。路由节点只有在树状网络和网状网络中存在。终端设备：不具备成为父节点或路由器的能力，一般作为网络的边缘设备，负责与实际的监控对象相连，这种设备只与自己的父节点主动通讯10，具体的信息路由则全部交由其父节点及网络中具有路由功能的协调器和路由器完成。不含网关的网络示意图如图3。图3 自组织Zigbee网络简略网络节点组件PAN协调器：系统每个WSN均有一个PAN协调器，允许连接所有其他形式的Zigbee器件以形成网络。路由器：路由数据；允许终端设备与其他路由器自动接入。终端设备：连接到协调器或路由器，仅将数据发送至相关的器件，不能由其他器件自动加入，不发送数据。（1）网络形成和节点应用绑定：建立协调器P并上电，启动网络。路由设备分别为：R1，R2，R3，R4，R5，R6。终端设备对应为：P1，P2Pn；R11，R12R1n；R21，R22R2n；R31，R32R3n；R41，R42R4n；R51，R52R5n；R61，R62R6n，(n=255)。协调器发送信标，组建网络，并将P绑定至R3，见图4；将R1绑定至R2，见图5。R4nP2 PPnP1R2P2R22R2nR21R5R51R52R5nR6R3R1R4R3nR11R12R1nR41R42R32R31R61R62R6n图4 网络形成R4nP2 PPnP1R2P2R22R2nR21R5R51R52R5nR6R3R1R4R3nR11R12R1nR41R42R32R31R61R62R6n图5 节点应用绑定（2）节点间多跳路由通信：R4通过多跳和R5进行路由通信，见图6；R6通过多跳和R3进行路由通信，见图7。R4nP2PPnP1R2P2R22R2nR21R5R51R52R5nR6R3R1R4R3nR11R12R1nR41R42R32R31R61R62R6n图6 节点R4通过多调和R5通信R4nP2PPnP1R2P2R22R2nR21R5R51R52R5nR6R3R1R4R3nR11R12R1nR41R42R32R31R61R62R6n图7 节点R6通过多跳和R3通信（3）节点R2移动下的动态网络和节点R2故障下的Zigbee自组织网络，见图8和图9。R4nP2 PPnP1R2移动P2R22R2nR21R5R51R52R5nR6R3R1R4R3nR11R12R1nR41R42R32R31R61R62R6n图8 节点R2移动时的动态自组织网络R4nP2PPnP1R2故障P2R22R2nR21R5R51R52R5nR6R3R1R4R3nR11R12R1nR41R42R32R31R61R62R6n图9 节点R2故障下的Zigbee自组织网络（4）R2故障情况下的节点通信自恢复，见图10和图11。R4nP2PPnP1R2故障P2R22R2nR21R5R51R52R5nR6R3R1R4R3nR11R12R1nR41R42R32R31R61R62R6n图10 节点R2故障时，节点R4和R5自恢复通信R4nP2PPnP1R2故障P2R22R2nR21R5R51R52R5nR6R3R1R4R3nR11R12R1nR41R42R32R31R61R62R6n图11节点R2故障时，节点R6和R3自恢复通信 3.3 通信实现的流程自组织Zigbee网络流程如图12（图中省略网关和终端设备）：通信实现的流程为了增强网络的信息采集和获取能力，融合了传感器技术、信息处理技术和网络通信技术的定位感知技术应运而生，进而成为Zigbee无线传感器网络。它是由大量传感器结点通过无线通信技术自组织构成的网络，可实现数据的采集量化、处理融合和传输应用。采集系统通过传感器采集车辆和路面信息，策略控制系统根据设定的目标（如通行量最大、或平均候车时间最短等）运用计算方法(例如模糊控制、遗传算法等计算出最佳通行路线方案，并进行实时通行导航，通过提高对交通信息的有效使用和管理来提高交通系统的效率。R1,R2,R3,R4,R5,R6上电初始化进入无线监控激活并建一个新网络允许加入激活的网络P上电初始化监视空气中无线信号激活监测接收到R1,R2,R3向P发送的加入请求Zigbee网络形成允许加入并分配NWK地址R4加入R1，R5加入R2,R6加入R5P广播绑定表信息P和R3绑定R1和R2绑定节点向多跳通信R4通过多跳向R6传送数据R6通过多跳向R3传送数据R6收到R4发送的数据包R3收到R6发送的数据包R2移动时，Zigbee网络形成R2故障时，Zigbee网络自组织形成R2移动时，恢复通信R2故障情况下的通信自恢复R2故障时，R4和R5通信自恢复R2故障时，R6和R3通信自恢复R1,R2,R3,R4,R5,R6上电初始化图12 Zigbee网络通信流程大连海洋大学本科毕业论文（设计） 第四章 Zigbee网络组网方案第四章 Zigbee网络组网方案4.1 组网方案概述在Zigbee网络中，网络组织结构大致可以分为以下三类：基于链的线状网络结构，在这种结构下，节点被串联在一条或多条链路上，链尾与协调器节点相连，在各节点的无线范围内(POS)仅存在两个节点，且均为FFD节点，每个FFD节点只接收一个子节点，只有末端节点可为RFD节点；基于树状的分层网络结构，每个FFD节点可接收多个子节点，该子节点可以是FFD节点或RFD节点。这种结构具有天然的分布处理能力，簇头就是分布式处理中心，每个簇成员均把数据传给簇头，在簇头里完成数据处理和融合，然后由其它簇头多跳转发或直接传给协调器节点。由于簇头的通信和计算任务比较繁忙，能量会很快消耗完，为了避免这种情况发生，簇中的成员是轮流或者每次选择剩余能量最多的成员做簇头；在基于网格型的平面立体结构中，Zigbee网络连成一张网，网络伸缩性好。在个别链路或节点失效时，不会引起网络的分离。且可以同时通过多条信源信宿路由传输数据，传输可靠性高。4.2 Zigbee网络拓扑4.2.1 Zigbee网络拓扑概述我们利用Zigbee技术组成的无线个人区域网(WPAN)是一种低速个人区域网络(LR-WPAN)，这种低速率无线个人区域网的网络结构简单、成本低廉，具有有限的功率和灵活的吞吐量等特点。LR-WPAN主要目标是实现安装容易、数据传输可靠、短距离通信、非常低的成本以及功耗，并拥有一个简单而灵活的通信网络协议。在一个LR-WPAN网络中，它可同时存在两种不同类型的设备，一种是具有完整功能的设备(FFD)，另一种是简化功能的设备(RFD)。在网络中，FFD通常有3种工作状态：(1)作为个人区域网络(PAN)的主协调器；(2)作为一个路由器设备；(3)作为一个终端设备。一个FFD可以同时和多个RFD或多个其它的FFD通信，而对于一个RFD来说，它只能和一个FFD进行通信。RFD的应用非常简单、容易实现，就好像一个电灯的开关或者一个红外线传感器，由于RFD不需要发送大量的数据，并且一次只能同一个FFD连接通信，因此RFD仅需要使用较小的资源和存储空间，这样就可以非常容易地组建一个低成本和低功耗的无线通信网络。在Zigbee网络拓扑结构中，最基本的组成单元是设备，这个设备可以是一个RFD也可以是一个FFD；在同一个物理信道的POS(Personal Operating Scope，个人工作范围)通信范围内，两个或者两个以上的设备就可构成一个WPAN。但是，在一个网络中至少要求有一个FFD作为PAN主协调器。LR-WPAN属于WPAN家庭标准的一部分，其覆盖范围可能超出WPAN所规定的POS范围。对于无线媒体而言，其传播特性具有动态的和不确定的特性，因此不存在一个精确的覆盖范围，仅仅是位置或方向的一个小小变化都可能导致信号强度或者链路通信质量的巨大变化。无论是静止设备，还是移动设备，这些变化都会对站和站之间的无线传播造成影响。4.2.2 Zigbee网络拓扑结构根据应用的需求，Zigbee网络有两种网络拓扑结构：星型拓扑结构和对等拓扑结构，这两种结构如图13所示。 图13 星型和网格拓扑结构图星型拓扑网络结构由一个叫做PAN主协调器的中央控制器和多个从设备组成，主协调器必须为全功能设备(FFD)，从设备既可为全功能设备也可为缩简功能设备(RFD)。在网络通信中，通常将这些设备分为起始设备或者终端设备，PAN主协调器既可作为起始设备、终端设备，也可作为路由器，它是PAN网络的主要控制器。在任何一个拓扑网络上，所有设备都有唯一的64位的长地址码，该地址码可以在PAN中用于直接通信，或者当各设备之间已经存在连接时，可以将其转变为16位的短地址码分配给PAN设备。因此在设备发起连接时，采用64位的长地址码，只有连接成功后，系统分配了PAN的标识符后，才能采用16位的短地址码进行连接。因此短地址码是一个相对地址码，长地址码是一个绝对地址码。在Zigbee技术应用中，PAN主协调器是主要的耗能设备，而其他从设备均采用电池供电。当一个全功能设备(FFD)第一次被激活后，它就会建立一个自己的网络，将自身设置成为一个PAN主协调器。所有星型网络的操作独立于当前其他星型网络的操作，也就是说在星型网络结构中只有一个唯一的PAN主协调器，通过选择一个PAN标识符确保网络的唯一性。目前，其他无线通信技术的星型网络没有采用这种方式。因此一旦选定了一个PAN标识符，PAN主协调器就会允许其他从设备加入到它的网络中，无论是全功能设备，还是缩减功能设备都可以加入到这个网络中。在对等的拓扑网络结构中，同样也存在一个PAN主设备，但该网络不同于星型拓扑网络结构，在该网络中的任何一个设备只要是在它的通信范围之内，就可以和其他设备进行通信。对等拓扑网络结构能够构成较为复杂的网络结构，例如网状网拓扑结构，这种对等拓扑网络结构在工业监测和控制、无线传感器网络、供应物资跟踪、农业智能化以及安全监控等方面都有广泛的应用。一个对等网络的路由协议可以是基于Adhoc技术的，也可以是自组织式的和自恢复式的。并且在网络中各个设备之间发送消息时，可通过多个中间设备中继的传输方式进行传输，即通常称为多跳的传输方式，以增大网络的覆盖范围。在对等拓扑结构中，每一个设备都可以与在无线通信范围内的其它任何设备进行通信。任何一个设备都可定义为PAN主协调器。例如，可将信道中第一个通信的设备定义成PAN主协调器。簇树拓扑结构其实是对等网络拓扑结构豹一种应用形式，它的另一种典型的应用形式也即为网状网络(Mesh)拓扑结构。在对等网络中的设备可以为全功能设备，也可以为简化功能设备。而在簇树中的大部分设备为FFD，RFD只能作为树枝末尾处的叶节点，这主要是由于RFD一次只能连接一个FFD。任何一个FFD都可以作为主协调器，并且可为其它从设备或主设备提供同步服务。在整个PAN中，只要该设备相对于PAN中的其他设备具有更多计算资源，比如具有更快的计算处理能力、更大的存储空间以及更多的供电能力等等。这样的设备都可以成为该PAN的主协调器，通常称该设备为