低功耗Zigbee无线传感器网络通信研究毕业论文.doc

低功耗低功耗 ZigbeeZigbee 无线传感器网络通信研究毕业论文无线传感器网络通信研究毕业论文 目 录 主要符号表 1 绪 论 1 1 1 研究背景 1 1 1 1 无线传感器网络 1 1 1 2 ZigBee 技术 2 1 2 研究现状 2 1 2 1 国内研究现状 3 1 2 2 国外研究现状 3 1 3 研究目的 4 1 3 1 无线传感器网络的难点 4 1 3 2 ZigBee 协议与无线传感器网络的融合 5 1 4 论文结构 6 2 无线传感器网络 7 2 1 无线传感器网络的系统构架 7 2 2 无线传感器网络的体系结构 8 2 3 无线传感器网络的关键技术 10 2 4 无线传感器网络的设计原则 11 3 ZIGBEE 技术 13 3 1 ZIGBEE技术概述 13 3 1 1 ZigBee 技术的特点 13 3 1 2 ZigBee 与其他无线通信协议的比较 15 3 2 ZIGBEE协议栈结构 16 3 2 1 IEEE802 15 4 物理层 PHY 18 3 2 2 IEEE802 15 4 媒介接入控制层 MAC 20 3 2 3 ZigBee 网络层 NWK 21 3 2 4 ZigBee 应用层 API 22 3 3 ZIGBEE无线网络的组网 23 3 3 1 网络管理服务 24 3 3 2 数据传输服务 26 3 4 ZIGBEE技术应用简介 28 4 基于 ZIGBEE 技术的无线传感器网络平台硬件概述 31 i 4 1 传感器节点设计方案 31 4 2 主控模块的选择 31 4 3 传感器节点功能模块选择 32 4 3 1 射频通信模块 32 4 3 2 电源模块 33 4 3 3 接口和传感器模块 34 5 ZIGBEE 技术的无线传感器网络平台软件设计 35 5 1 传感器节点软件设计方案 35 5 2 ZIGBEE协议栈构架 37 5 3 网络通信过程模拟 39 5 3 1 无线测试 39 5 3 2 AES 加密解密测试 43 5 3 3 串口测试 43 6 6 结结 论论 43 参考文献参考文献 46 致致 谢谢 48 毕业设计 论文 知识产权声明毕业设计 论文 知识产权声明 51 毕业设计 论文 独创性声明毕业设计 论文 独创性声明 52 附录附录 源程序清单源程序清单 53 1 绪论 0 1 绪 论 1 1 研究背景 1 1 1 无线传感器网络 随着无线通信 集成电路 传感器以及微机电系统等技术的飞速发展和日益成 熟 传感器信息获取技术已经从过去的单一化逐渐向集成化 微型化和网络化的方 向发展 无线传感器网络 Wireless Sensor Network WSN 因此孕育而生 它是由部署 在检测区域内大量的微型传感器节点通过无线电通信形成的一个多跳的自组织系统 其目的是协作地感知 采集和处理网络覆盖区域里检测对象的信息 并发送给观察 者 无线传感器网络的出现引起了全世界范围的广泛关注 最早开始无线传感器网 络技术研究的是美国军方 此后美国国家自然基金委员会设立了大量与其相关的项 目 英特尔 波音 摩托罗拉以及西门子等在内的许多公司也都较早加入了无线传 感器网络的研究 随着无线传感器网络理论与技术的不断成熟 其应用已经由国防 军事领域扩展到环境监测 交通管理 理疗健康 工商服务 反恐抗灾等诸多领域 使人们在任何时间 任何地点和任何环境条件下都能够获取大量详实可靠的信息 最终成为一种 无处不在 的传感技术 无线传感器网络是一种无中心节点的全分布网络 通过随机投放的方式 众多 传感器节点被密集部署在监控区域 这些传感器节点集成有传感器 数据处理单元 和通信模块 它们通过无线信道相连 自组织地构成网络系统 传感器节点利用其 内置的形式多样的传感器 测量所在周边环境的热 红外 声纳 雷达和地震波信 号 检测包括温度 湿度 噪声 光强度 压力 土壤成分 移动物体的大小 速 度和方向等众多人们感兴趣的物理现象 传感器节点间具有良好的协作能力 通过 局部的数据交换来完成全局任务 由于传感器节点的节能要求 多跳 对等的通信 方式较之传统的单跳 主从通信方式更适合于无线传感器网络 同时还可有效避免 在长距离无线信号传播过程中所遇到的信号衰落和干扰等各种问题 通过网关 传 感器网络还可以连接到现有的网络基础设施上 从而将采集到的信息回传给远程的 终端用户使用 早在上世纪 70 年代 就出现了将传统传感器采用点对点传输 连接传感控制器 而构成传感器网络雏形 我们把它归之为第一代传感器网络 随着相关学科的不断 发展和进步 传感器网络同时还具有了获取多种信息的综合处理能力 并通过与传 感控制器的相连 组成了有信息综合和处理能力的传感器网络 这是第二代传感器 网络 而从上世纪末开始 现场总线技术开始应用于传感器网络 人们用其组建智 能化传感 西安工业大学北方信息工程学院毕业设计 论文 0 器网络 大量多功能传感器被运用 并使用无线技术连接 无线传感器网络逐 渐形成 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 改变了人类与自然界的交互方式 人们可以通过传感器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 美国商业周刊和 MIT 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 21 世纪最有影响的 21 项技术和改变世界的 10 大技术之一 无线传感器网络 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 1 1 1 2 ZigBee 技术 ZigBee 是一种新兴的短距离 低速率无线网络技术 它是一种介于无线标记技 术和蓝牙技术之间的技术提案 它有自己的无线电标准 在数千个微小的传感器之 间相互协调实现通信 这些传感器只需要很少的能量 以接力的方式通过无线电波 将数据从一个传感器传到另一个传感器 所以它们之间的通信效率非常高 最后 这些数据可以进入计算机用于分析或是被另外一种无线技术收集 目前 ZigBee 是部署无线传感器网络的新技术 ZigBee 一词源自蜜蜂群在发现 花粉位置时 通过跳 ZigBee 形舞蹈告知同伴 达到交换信息的目的 可以说是一种 小的动物通过简捷的方式实现 无线 的沟通 人们借此称呼一种专注于低功耗 低成本 低复杂度 低速短距离无线网络通信技术 完整的 ZigBee 协议栈由物理层 介质链路层 网络层 安全层和应用层 其物 理层和介质链路层协议为 IEEE 802 15 4 协议标准 网络层和安全层由 ZigBee 联盟 制定 实现节点加入或离开网络 路由查找及数据通信等功能 应用层的开发应用 根据用户自己的应用需要 对其进行开发利用 与其它无线协议相比 ZigBee 协议具有以下特点 数据传输速率低 功耗低 成本低 网络容量大 时延短 网络的自组织 自愈能力强 通信可靠 在标准规范的制订方面 主要是 IEEE 802 15 4 小组与 ZigBee 联盟 ZigBeeAlliance 两个组织 两者分别制订硬件与软件标准 两者的角色分工就如同 IEEE 802 11 小组与 Wi Fi 之间的关系 在 IEEE 802 15 4 方面 2000 年 12 月 IEEE 成立了 IEEE 802 15 4 小组 负责制订介质链路层 MAC 与物理层 PHY 规范 在 2003 年 5 月通过 802 15 4 标准 802 15 4 任务小组目前在着手制订 802 15 4b 标准 此标准主要是加强 802 15 4 标准 包括 解决标准有争议的地方 降低复杂度 提 高适应性并考虑新频段的分配等 ZigBee 建立在 802 15 4 标准之上 它确定了可以 在不同制造商之间共享的应用纲要 802 15 4 仅定义了物理层和介质链路层 并不 足以保证不同的设备之间可以对话 于是便有了 ZigBee 联盟 为推动 ZigBee 技术的发展 Chipcon Ember Freescale Honeywell Mistubishi Motorala Philips 和 Samsung 等共同成立了 ZigBee 联盟 目前该联盟已经包含 150 多家会员 根据市场研究机构 西安工业大学北方信息工程学院毕业设计 论文 1 预测 低功耗 低成本的 ZigBee 技术将在未来两年内得到快速增长 2005 年全球 ZigBee 器件的出货量将达到 100 万个 2006 年底将超过 8000 万个 2008 年将超过 1 5 亿个 2 1 2 研究现状 1 2 1 国内研究现状 我国现代意义的无线传感网络及其应用研究几乎与发达国家同步启动 1999 年 首次正式出现于中国科学院 知识创新工程试点领域方向研究 的信息与自动化领 域研究报告中 作为该领域提出的五个重大项目之一 随着知识创新工程试点工作 的深入 2001 年中科院依托上海微系统所成立微系统研究与发展中心引领院内的相 关工作 并通过该中心在无线传感网络的方向上陆续部署了若干重大研究项目和方 向性项目 参加单位包括上海微系统所 声学所 微电子所 半导体所 电子所 软件所等十余个研究所 初步建立传感网络系统研究平台 在无线智能传感网络通 信技术 微型传感器 传感器节点 簇点和应用系统等方面取得很大的进展 近几年来 国家发改委 科技部 信息产业部等均启动了在无线传感器网络及 自组织网络领域的研发项目 国家中长期科学和技术发展规划纲要 2006 2020 年 将 传感器网络及智能信息处理 作为未来信息产业及现代服务业的重点方向 由 于受到了学术界及产业界的普遍关注 无线传感器网络技术正以前所未有的速度发 展 国内的许多高校也掀起了无线传感器网络的研究热潮 清华大学 中国科技大 学 浙江大学 华中科技大学 天津大学 南开大学 北京邮电大学 东北大学 西北工业大学和西南交通大学等单位纷纷开展了有关无线传感器网络方面的基础研 究工作 一些企业如华为技术 中兴通讯公司等单位也加入无线传感器网络研究的 行列 1 2 2 国外研究现状 在美国自然科学基金委员会的推动下 美国加州大学伯克力分校 麻省理工学 院 康奈尔大学和加州大学洛杉矶分校等学校开始了传感器网络的基础理论和关键 技术的研究 英国 日本 意大利等国家的一些大学和研究机构也纷纷开展了该领 域的研究工作 目前的研究主要集中在传感器网络技术和通信协议的研究上 也开 展了一些感知数据查询处理技术的研究 并取得了一些初步研究结果 1 传感器网络方面的研究 加州大学伯克力分校提出了应用网络连通性重构传感器位置的方法 并研制了 一个传感器操作系统 TinyOS 加州大学洛杉矶分校开发了一个无线传感器网络和 西安工业大学北方信息工程学院毕业设计 论文 2 一个无线传感器网络模拟环境 用于考察传感器网络各方面的问题 南加州大学提 出了在生疏环境部署移动传感器的方法 传感器网络监视结构及其聚集函数计算方 法 节省能源的计算聚集的树构造算法等 麻省理工学院开始研究超低能源无线传 感器网络的问题 试图解决超低能源无线传感器系统的方法学和技术问题 2 传感器网络通信协议的研究 人们首先对已有的因特网和自组织无线网络的通信协议进行了研究 发现这些 协议不适用于传感器网络 康奈尔大学 南加州大学等很多大学开展了传感器网络 通信协议的研究 先后提出了几类新的通信协议 包括基于谈判类协议 如 SPIN PP 协议 SPIN EC 协议 SPIN BC 协议 SPIN RL 协议 定向发布类协议 能源敏感类协议 多路径类协议 传播路由类协议 介质存取控制类协议 基于 Cluster 的协议和以数据为中心的路由算法 3 感知数据查询处理技术研究 康奈尔大学在感知数据查询处理技术方面开展的研究工作较多 他们研制了一 个测试感知数据查询技术性能的 COUGAR 系统 探讨了如何把分布式查询处理技 术应用于感知数据查询的处理 加州大学伯克力分校研究了传感器网络的数据查询 技术 提出了实现可动态调整的连续查询的处理方法和管理传感器网络上多查询的 方法 并研制了一个感知数据库系统 TinyDB 南加州大学研究了传感器网络上的聚 集函数的计算方法 提出了节省能源的计算聚集的树构造算法 并通过实验证明了 无线通信机制对聚集计算的性能有很大的影响 3 1 3 研究目的 1 3 1 无线传感器网络的难点 传感器网络是由大量体积小 成本低 具有无线通信 传感 数据处理等能力 的传感器节点组成的 传感器节点一般由传感单元 处理单元 收发单元 电源单 元等功能模块组成 除此之外根据具体应用的需要 可能还会有定位系统 电源再 生单元和移动单元等 在传感器网络中 每个节点的功能都是相同的 大量传感器节点被布置在整个 观测区域中 各个传感器节点将所探测到的有用信息通过初步的数据处理和信息融 合之后传送给用户 数据传送的过程是通过相邻节点接力传送的方式传送回基站 然后再通过基站以卫星信道或者有线网络连接的方式传送给最终用户 传感器网络 与其它传统的网络相比有一些独有的特点 正是由于这些特点使得传感器网络存在 很多新问题 提出了很多新的挑战 传感器网络的主要特点有 网络的节点数量大 密度高 节点有一定的故障率 节点在电池能量 计算能力和存储容量等方面有限 制 网络的拓扑结构变化很快 以数据为中心 就目前的技术水平来说 让无线传 西安工业大学北方信息工程学院毕业设计 论文 3 感器网络正常运行并大量投入使用还面临着许多问题 1 网络内通信问题 无线传感器网络正常通信联系中 信号可能被一些障碍物 或其它电子信号干扰而受到影响 而且在同一信道中可能出现数据冲突 怎么安全 有效的通信是个有待研究的问题 2 成本问题 在一个无线传感器网络里面 需要使用数量庞大的微型传感器 成本会制约其发展 3 系统能量供应问题 目前主要的解决方案有 使用高能电池 降低节点功率 此外还有传感器网络的自我能量收集技术和电池无线充电技术 其中后两者备受关 注 4 高效的无线传感器网络结构 无线传感器网络的网络结构是自组织无线传感 器的成网技术 有多种形态和方式 在这里面 还包括网络安全协议问题和大规模 传感器网络中的节点移动性管理等诸多问题有待解决 本课题围绕着 IEEE 802 15 4 标准和 ZigBee 技术 研究如何将 ZigBee 技术用于 无线传感器网络平台 如何设计出无线传感器网络中的节点 如何搭建一个无线传 感器网络硬件平台 并使用 ZigBee 技术来作为传感器网络的通信协议 主要在以下 几个方面作一定的研究 1 无线传感器网络的体系结构和特点 无线传感器网络是集成了监测 控制和无线通信的网络系统 节点数目庞大 分布密集 环境干扰和节点故障容易造成网络拓扑结构的变化 另外 传感器节点 具有的能量 处理能力 存储能力和通信能力等都十分有限 传统无线网络的首要 设计目标是提供高服务质量和高效带宽利用 其次考虑节约能源 而传感器网络的 首要设计目标是能源的高效使用 2 ZigBee 协议的结构和各层规范 ZigBee 是一种可靠性高 功耗低的无线通信技术 其体系结构通常由层来量化 它的各个简化标准 ZigBee 技术的体系结构主要由物理层 介质链路层 网络层 安全层以及应用框架层组成 在 ZigBee 技术中 PHY 层和 MAC 层采用 IEEE 802 15 4 协议标准 网络层和安全层由 ZigBee 联盟定义 ZigBee 协议还规定网络拓扑结构和数据传输策略 这些定义使得 ZigBee 协议 具有以下特点 数据传输速率低 功耗低 成本低 网络容量大 时延短 网络的 自组织 自愈能力强和通信可靠 3 ZigBee 无线传感器网络平台设计 由于 ZigBee 协议的低功耗 低速率等特点 在设计无线传感器网络平台的时候 必须考虑到硬件的兼容性和软件的可开发性 本文提出了 ZigBee 无线传感网络平台 的设计要求 设计并建立一个星型的无线传感器通信网络 为无线传感器网络的实 际应用打下基础 西安工业大学北方信息工程学院毕业设计 论文 4 1 3 2 ZigBee 协议与无线传感器网络的融合 无线传感器网络并不需要较高的传输带宽 但却需要较低的传输延时和极低的 功率消耗 以使用户能拥有较长的电池寿命和较多的器件阵列 目前迫切需要一种 符合传感器和低端的 面向控制的 应用简单的专用标准 而 ZigBee 的出现正好解 决了这一问题 ZigBee 有高通信效率 低功耗 低速率 低成本 高安全性以及全 数字化等诸多优点 这些优点使得 ZigBee 和无线传感器网络完美地结合在一起 1 4 论文结构 本论文共分为六章 具体章节如下 第一章绪论 首先引入了课题的研究背景 然后介绍了无线传感器网络的国内 外研究概况 最后指出课题的研究目的和意义以及本文的主要研究内容 第二章介绍无线传感器网络技术 首先介绍无线传感器网络特征和关键技术等 其次提出了无线传感器网络的设计原则 第三章介绍 ZigBee 技术的概念和特点 协议栈结构 与其它无线网络的区别 ZigBee 无线网络的组网和路由研究 最后介绍 ZigBee 技术的应用 第四章为基于 ZigBee 技术的无线传感器网络平台的硬件概述 硬件部分分别介 绍了各个模块的功能和特点 第五章为基于 ZigBee 技术的无线传感器网络平台的软件设计 首先介绍了各种 软件环境 其次研究了实际中关键问题的处理方法 第六章为结论与展望 并提出进一步的研究工作 2 无线传感器网络 0 2 无线传感器网络 2 1 无线传感器网络的系统构架 无线传感器网络的系统构架如图 2 1 所示 通常包括传感器节点 sensor node 汇聚节 sink node 和管理节点 manager node 4 图 2 1 无线传感器网络系统构架 在图 2 1 中 大量传感器节点密布于整个被观测区域中 通过自组织的方式构 成网络 传感器节点在对所探测到的信息进行初步处理之后 以多跳中继的方式将 其传送给汇聚节点 然后经卫星 互联网等途径到达最终用户所在的管理节点 最 终用户也可以通过管理节点对无线传感器网络进行管理和配置 发送检测任务或是 收集回传数据 传感器节点通常是一个嵌入式系统 由于受到体积 价格 电源供给等因素的 限制 它的处理能力 存储能力相对较弱 通常距离也很有限 通常只与自身通信 范围内的邻居节点交换信息 访问通信范围以外的节点 必须使用多跳路由 为了 保证采集到的信息能够通过多跳送到汇聚节点 节点的分布要相当密集 从网络功 能上看 每个传感器节点都具有信息采集和路由双重功能 除了进行本地信息收集 与处理外 还要存储 管理和融合其它节点转发过来的数据 同时与其它节点协作 完成一些特殊任务 汇聚节点通常具有较强的处理 存储和通信能力 它既可以是一个具有足够能 量供给和更多内存资源与计算能力的增强型传感器节点 也可以是一个带有无线通 信接口的特殊网关设备 汇聚节点连接传感器节点与外部节点 通过协议转换实现 2 无线传感器网络 1 管理 西安工业大学北方信息工程学院毕业设计 论文 0 节点与传感器网络之间的通信 把收集到的数据信息转发到外部网络上 同时发布 管理节点提交的任务 2 2 无线传感器网络的体系结构 无线传感器网络的体系结构由分层的网路通信协议 网络管理平台以及应用支 撑平台 3 个部分组成 如图 2 2 所示 4 图 2 2 无线传感器网络的体系结构 1 分层的网络通信协议 类似于传统 Internet 网络中的 TCP IP 协议体系 它由物理层 数据链路层 网 络层 传输层和应用层组成 1 物理层 无线传感器网络的物理层负责信号的调制和数据的收发 所采用的 传输介质有无线电 红外线和光波等 2 数据链路层 无线传感器网络的数据链路层负责数据成帧 帧检测 媒体访 问和差错控制 其中 媒体访问协议保证可靠的点对点和点对多点通信 差错控制 则保证源节点发出的信息可以完整无误的到达目标节点 3 网络层 无线传感器网络的网络层负责路由发现和维护 通常 大多数节点 无法直接和网关通信 需要通过中间节点通过多跳路由的方式将数据传送至汇聚节 点 4 传输层 无线传感器网络的传输层负责数据流的传输控制 主要通过汇聚节 点采集传感器节点中的数据信息 并使用卫星 移动通信网络 Internet 或者其它的 西安工业大学北方信息工程学院毕业设计 论文 1 链路与外部网络通信 2 网络管理平台 主要是对传感器节点自身的管理以及用户对传感器网络的管理 它包括的拓扑 控制 服务质量管理 能量管理 安全管理 移动管理和网络管理等 1 拓扑控制 为了节约能源 某些传感器节点会在某些时刻进入休眠状态 这 导致网络拓扑结构不断变化 因为需要通过拓扑控制技术管理各节点状态的转换 使网络保持畅通 数据能够有效传输 拓扑控制利用链路层 路由层完成拓扑生成 反过来又为它们提供基础信息支持 优化 MAC 协议和路由协议 降低能耗 2 服务质量管理 服务质量 QoS 管理在各协议层设计队列管理 优先级机制或 者宽带预留等机制 并对特定应用的数据进行特别处理 它是网络与用户之间以及 网络上互相通信的用户之间关于信息传输与共享的质量约定 为满足用户的要求 无线传感器网络必须能够为用户提供足够的资源 以用户可接收的性能指标工作 3 能量管理 在无线传感器网络中 电源能量是各个节点最宝贵的资源 为了 使无线传感器网络的使用时间尽可能的长 需要合理 有效的控制节点对能量的使 用 每个协议层中都要增加能量控制代码 并提供给操作系统进行能量分配决策 4 安全管理 由于节点随机部署 网络拓扑的动态性以及无线信道的不稳定 传统的安全机制无法在无线传感器网络中适用 因此需要设计新型的无线传感器网 络安全机制 这需要采用扩频通信 接入认证 鉴权 数字水印和数据加密等技术 5 移动管理 在某些无线传感器网络应用环境中节点可以移动 移动管理用来 检测和控制节点的移动 维护到汇聚节点的路由 还可以使传感器节点跟踪其邻居 节点 6 网络管理 网络管理是对无线传感器上的设备及传输系统进行有效监视 控 制 诊断和测试所采用的技术和方法 它要求协议各层嵌入各种信息接口 并定时 收集协议运行状态和流量信息 协调控制网络中各个协议组件的运行 3 应用支持平台 建立在分层网络通信协议和网络管理技术的基础之上 它包括一系列基于检测 任务的应用层软件 通过应用服务接口和网络管理接口来为终端用户提供具体的应 用支持 1 时间同步 无线传感器网络的通信协议和应用要求各节点间的时钟必须保持 同步 这样多个传感器节点才能相互配合工作 此外 节点的休眠和唤醒也需要时 钟同步 2 定位 节点定位是确定每个传感器节点的相对位置或绝对位置 节点定位在 军事侦察 环境监测 紧急救援等环境中尤为重要 3 应用服务接口 无线传感器网络的应用是多种多样的 针对不同的应用环境 西安工业大学北方信息工程学院毕业设计 论文 2 有各种应用层的协议 如任务安排和数据分发协议 节点查询和数据分发协议等 4 网络管理接口 主要是传感器管理协议 用来将数据传输到应用层 2 3 无线传感器网络的关键技术 无线传感器网络作为当今信息领域的研究热点 涉及多学科交叉 所需要研究 的内容可分为 4 个部分 网络通信协议 核心支撑技术 自组织管理和开发与应用 每个部分都有许多关键技术需要研究和解决 4 1 网络通信协议 由于传感器节点能源能量的限制 其计算 存储和通信能力十分有限 每个节 点只能获取到局部网络的信息 因而节点上运行的网络协议不能太复杂 同时 无 线传感器网络的拓扑结构和外界环境的不断变化 也对网络通信协议的设计提出了 更高要求 传感器网络的通信协议包括物理层 数据链路层 网络层和传输层 4 个层次 它们相互配合运行 使得若干个独立的传感器节点能够形成一个多跳的动态的数据 收集网络 2 核心支撑技术 无线传感器网络里的核心支撑技术使用网络通信协议提供的服务 并通过服务 接口来屏蔽底层网络的细节 使终端用户可以方便的对无线传感器网络进行操作 无线传感器网络依靠这些丰富的核心支撑技术构成了一个具体的面向应用的网络系 统 无线传感器网络的核心支撑技术包括拓扑控制 节点定位 时间同步 网内信 息处理和网络安全等 3 自组织管理 多变的网络状况及环境要求无线传感器网络具有自组织的能力 能够自动组网 运行 自行配置维护 适时转发检测数据 自组织网络技术使用网络通信协议提够 的服务 通过网络管理接口来屏蔽底层网络的细节 使终端用户可以方便的管理配 置无线传感器网络 无线传感器网络的自组织管理技术包括节点管理 资源与任务 管理 数据管理 初始化与系统维护管理等 4 开发与应用 作为一种服务于实际应用的网络技术 无线传感器网络还有有一套现实可行的 软硬件设计原则 高效的开发平台以及一系列别具特色的应用实例 2 4 无线传感器网络的设计原则 一个传感器网络的设计是受到很多因素影响 其中包括容错性 伸缩性 生产 西安工业大学北方信息工程学院毕业设计 论文 3 成本 部署环境 网络拓扑结构 硬件的限制 传输介质 功耗等 这些因素都是 在设计一个无线传感器网络协议或算法时应该考虑的重要因素 5 1 容错性 传感器节点可能由于电池耗尽 物理损害或环境干扰等因素导致不能正常工作 无线传感器网络要求不能因为某个或某些传感器节点出现故障而导致整个网络瘫痪 这就是无线传感器网络的可靠性或容错性问题 传感器节点的可靠性或者容错性满 足泊松分布 因此 在无线传感器网络协议和算法设计时必须考虑容错性需求 如 果传感器节点部署的环境干预比较小 那么对容错性的要求相对比较低 例如 如 果传感器节点被部署在房子追踪湿度和温度水平 由于这种无线传感器网络不易受 干扰或破坏 所以容错的要求低 如果传感器节点被部署在战场侦察 探测战场信 息 因为在这种情形下 数据非常重要 而且传感器节点可能被人为破坏 所以对 容错的要求就非常高 2 伸缩性 部署在监测区域附件的传感器可能成百上千 在有些应用中甚至更多 因此无 线传感器网络设计的协议或算法必须能够处理大量节点的情况 另外 还要求能利 用无线传感器网络这种高密度的特性来优化 在部署传感器节点时 可能在直径不 到 10M 的区域内 传感器节点的少则几个节点 多则几百个节点 如在机器诊断的 应用中 传感器节点密度大约是在 5x5 平方米区域内有 300 个传感器节点 而对车 辆跟踪应用中 节点密度大约为一个监测区域内有 10 个传感器节点 动物栖息地监 测应用中 每个监测区域的传感器节点数目从 25 至 100 个不等 6 3 网络拓扑控制 在无线传感器网络中 传感器节点是体积微小的嵌入式设备 采用能量有限的 电池供电 它的计算能力和通信能力都十分有限 所以除了要设计能量高效的 MAC 协议 路由协议以及应用层协议外 还要设计优化的网络拓扑控制机制 对于自组 织的无线传感器网络而言 网络拓扑控制对网络性能的影响很大 良好的网络拓扑 结构控制机制能够提高路由协议和 MAC 协议的效率 为数据融合 时间同步和目 标定位等很多方面提供基础 有利于延长整个网络的生存时间 因此 网络拓扑控 制是无线传感器网络中的一个基本问题 在无线传感器网络中 网络拓扑结构控制 和优化有着十分重要的意义 主要表现在以下几个方面 1 影响整个网络的生存时间 无线传感器网络的节点一般采用电池供电 节省 能量是网络设计主要考虑的问题之一 网络拓扑控制的一个重要目标就是在保证网 络连通性和覆盖度的情况下 尽量合理高效地使用网络能量 延长整个网络的生存 时间 2 减小节点间通信干扰 提高网络通信效率 无线传感器网络中节点通常密集 部署 如果每个节点都以大功率进行通信 会加剧节点之间的干扰 降低通信效率 西安工业大学北方信息工程学院毕业设计 论文 4 并造成节点能量的浪费 另一方面 如果发射功率选择太小 会影响网络的连通性 因此 网络拓扑控制中的功率控制技术是解决整个矛盾的重要途径之一 3 为路由协议提供基础 在无线传感器网络中 只有活动的节点才能够进行数 据转发 而网络拓扑控制可以确定由哪些节点作为转发节点 同时确定节点之间的 邻居关系 4 影响数据融合 无线传感器网络中的数据融合是指传感器节点将采集的数据 发送给骨干节点 骨干节点进行数据融合 并把融合结果发送给数据收集节点 而 骨干节点的选择是网络拓扑控制的一项重要内容 5 弥补节点失效的影响 传感器节点可能部署在恶劣环境中 在军事应用中甚 至部署在敌方区域中 所以很容易遭到破坏而失效 这就要求网络拓扑结构具有鲁 棒性以适应这种情况 无线传感器网络拓扑控制主要研究的问题是在满足网络覆盖度和连通度的前提 下 通过功率控制和骨干节点选择 剔除节点之间不必要的通信链路 形成一个数 据转发的优化网络结构 具体地讲 无线传感器网络中拓扑控制按照研究方向可以 分为两大类 节点功耗控制和层次性拓扑结构组织 目前在功率控制方面 已经提 出了 COMpow 等一系列功率分配算法 LINT LILT 和 LMN LMA 等基于节点密度 的算法 CBTC LMST RNG DRNG 和 DLSS 等基于临近图的近似算法 在层次 型拓扑控制方面 提出了 TopDisc 成簇算法 改进的 GAF 虚拟地理网格分簇算法 以及 LEACH 和 HEED 等自组织成簇算法 但是 这些算法往往考虑不够全面 只是 针对网络拓扑的某一方而进行优化设计 4 功耗 在无线传感器网络中 传感器节点是体积微小的嵌入式设备 采用能量有限的 电池供电 在某些应用中 电池是不可更换的 所以 传感器节点的寿命很大程度 上依赖于电池的寿命 在一个多跳的无线传感器网络中 每个节点同时充当采集数 据和转发数据双重角色 少数几个节点出现故障可能导致网络拓扑结构的变化 从 而引起重新计算路由和重新组织网络拓扑 因此 节能和能量管理是无线传感器网 络非常重要的研究课题 目前很多研究人员在研究能量敏感的无线传感器网络协议 和算法 7 3 Zigbee 技术 5 3 ZigBee 技术 3 1 ZigBee 技术概述 ZigBee 技术是一种具有统一技术标准的短距离无线通信技术 其物理层和数据 链路层协议为 IEEE 802 15 4 协议标准 网络层和安全层由 ZigBee 联盟制定 应用 层的开发应用根据用户自己的应用需要 对其进行开发利用 因此该技术能够为用 户提供机动 灵活的组网方式 根据 IEEE 802 15 4 协议标准 ZigBee 的工作频段分为 3 个频段 这 3 个工作 频段相距较大 而且在各个频段的信道数据不同 因而 该项技术标准中 各频段 上的调制方式和传输速率不同 它们分别为 868MHz 915MHz 和 2 4GHz 其中在 2 4GHz 频段上分为 16 个信道 该频段为全球通用的工业 科学 医学 ISM Industial Scientific and Meducal 频段 该频段为免付费 免申请的无线电频 段 在该频段上 数据传输速率为 250kbps 另外两个频段为 915MHz 和 868MHz 其相应的信道个数分别为 10 个和 1 个 传输速率分别为 40kbps 和 20kbps 868MHz 和 915MHz 无线电使用直接序列扩频技术 DSSS 和二进制相移键控 BPSK 调制技术 2 4GHz 无线电使用 DSSS 和偏移正交相移键控 OQPSK 在组网性能上 ZigBee 可以构造为星形网络或者点对点对等网络 在每一个 ZigBee 组成的无线网络中 连接地址码分为 16bit 短地址或者 64bit 长地址 可容纳 的最大设备个数分别为 2 16 个和 2 64 个 具有较大的网络容量 在无线通信技术上 采用载波侦听多路接入 冲突避免 CSMA CA 方式 有效 的避免了无线电载波之间的冲突 此外 为保证传输数据的可靠性 建立了完整的 应答通信协议 为保证 ZigBee 设备之间通信数据的安全保密性 ZigBee 技术采用 了密钥长度为 128 位的加密算法 对所传输的数据信息进行加密处理 5 3 1 1 ZigBee 技术的特点 ZigBee 技术致力于提供一种廉价的 固定的 便携或者移动设备使用的极低复 杂度 低成本和低功耗的无线通信技术 这种无线通信技术具有如下特点 1 数据传输速率低 只有 10kbps 250kbps 专注于低传输速率应用 无线传感器 网络不传输语音 视频之类的大数据量的采集数据 仅仅传输一些采集到的温度 湿度之类的简单数据 2 功耗低 工作模式情况下 ZigBee 技术传输速率低 传输数据量很小 因 此 西安工业大学北方信息工程学院毕业设计 论文 0 信号的收发时间很短 其次在非工作模式时 ZigBee 节点处于休眠模式 耗电量仅仅 只有 1uW 设备搜索时延一般为 30ms 休眠激活时延为 15ms 活动设备信道接入 时延为 15ms 由于工作时间较短 收发信息功耗较低且采用了休眠模式 使得 ZigBee 设备非常省电 ZigBee 节点的电池工作时间可以长达 6 个月到 2 年左右 同 时 由于电池时间取决于很多因素 例如电池种类 容量和应用场合 ZigBee 技术 在协议上对电池使用也作了优化 对于典型应用 碱性电池可以使用数年 对于某 些工作时间和总时间 工作时间 休眠时间 之比小 1 的情况 电池的寿命甚至可以 超过 10 年 3 数据传输可靠 ZigBee 的介质链路层 MAC 层 采用 CSMA CA 碰撞避免机制 在这种完全确认的数据传输机制下 当有数据传送需求时 立刻传送 发送的每个 数据包都必须等待接收方的确认信息 并进行确认信息回复 若没有得到确认信息 的回复就表示发生了碰撞 将再传一次 采用这种方法可以提高系统信息传输的可 靠性 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 同时 ZigBee 针对时延敏感的应用做了优化 通信时延和休眠状态激活的时 延都非常短 4 网络容量大 ZigBee 的低速率 低功耗和短距离传输的特点使它非常适宜 支持简单器件 ZigBee 定义了两种器件 全功能器件 FFD 和简化功能器件 RFD 网络协调器 Coordinator 是一种全功能器件 而网络节点通常为简化功能器件 如果 通过网络协调器组建无线传感器网络 整个网络最多可以支持超过 65000 个 ZigBee 网络节点 再加上各个网络协调器可互相连接 整个 ZigBee 网络节点的数目将十分 可观 5 自动动态组网 自主路由 无线传感器网络是动态变化的 无论是节点的能 量耗尽 或者节点被敌人俘获 都能使节点退出网络 而且网络的使用者也希望能 在需要的时候向已有的网络中加入新的传感器节点 6 兼容性 ZigBee 技术与现有的控制网络标准无缝集成 通过网络协调器自 动建立网络 采用载波侦听多路接入 冲突避免 CSMA CA 方式进行信道接入 为了 可靠传递 还提供全握手协议 7 安全性 ZigBee 提供了数据完整性检查和鉴权功能 在数据传输中提供了 三级安全性 第一级实际是无安全方式 对于某种应用 如果安全并不重要或者上 层已经提供足够的安全保护 器件就可以选择这种方式来转移数据 对于第二级安 全级别 器件可以使用接入控制清单 ACL 来防止非法器件获取数据 在这一级不 采取加密措施 第三级安全级别在数据转移中采用属于高级加密标准 AES 的对称密 码 AES 可以用来保护数据净荷 防止攻击者冒充合法器件 8 实现成本低 模块的初始成本估计在 6 美元左右 很快就能降到 1 5 到 2 5 美元 且 ZigBee 协议免专利费用 无线传感器网络中可以具有成千上万的节点 如 西安工业大学北方信息工程学院毕业设计 论文 1 果不能严格地控制节点的成本 那么网络的规模必将受到严重的制约 从而将严重 地制约无线传感器网络的强大功能 3 1 2 ZigBee 与其他无线通信协议的比较 在 ZigBee 无线通信协议出现之前 就已经有很多的为大家熟知的无线通信协 议 如蓝牙 Wi Fi 3G IrDA UWB ISM 等等 但是这几种无线通信协议各有 特点 应用的领域也不相同 特别是本课题研究的新型的 Zigbee 无线通信协议 在 很多方面都有着显著的优势 一 蓝牙 BlueTooth 最早是爱立信在 1994 年开始研究的一种能使手机与其附件 如耳机 之间互 相通信的无线模块 1998 年 爱立信 诺基亚 IBM 等公司共同推出了蓝牙技术 主要用于通信和信息设备的无线连接 它的工作频率为 2 4GHz 有效范围大约在 10m 半径内 Bluetooth 列入了 IEEE802 15 1 规定了包括 PHY MAC 网络和应 用层等集成协议栈 为对语音和特定网络提供支持 需要协议栈提供 250kB 系统开 销 从而增加了系统成本和集成复杂性 另外 Bluetooth 对每个 Piconet 有只能配 置 7 个节点的限制 制约了其在大型传感器网络开发中的应用 二 Wi Fi Wi Fi Wireless Fidelity 无线高保真 也是一种无线通信协议 IEEE802 11 的最初规范是在 1997 年提出的 主要目的是提供 WLAN 接入 也是目前 WLAN 的 主要技术标准 其工作频率也是 2 4GHz 目前 IEEE 802 11 标准还没有被工业界 广泛接受 IEEE 802 11 流行的几个版本包括 a 在 5 8GHz 波段带宽为 54MBps b 波段 2 4GHz 带宽为 11MBps g 波段 2 4GHz 带宽为 22MBps 这种复杂 性为用户选择标准化无线平台增加了困难 Wi Fi 规定了协议的物理 PHY 层和 媒体接入控制 MAC 层 并依赖 TCP IP 作为网络层 由于其优异的带宽是以大 的功耗为代价 因此大多数便携 Wi Fi 装置都需要常规充电 这些特点限制了它在工 业场合的推广和应用 三 3G 第三代移动通信 第三代移动通信与前两代的主要区别是在传输声音和数据的速度上的提升 它 能够处理图像 音乐 视频流等多种媒体形式 提供包括网页浏览 电话会议 电 子商务等多种信息服务 主要的协议有 W CDMA CDMA2000 TD SCDMA 工 作在 2GHz 频段附近 速率最高达 2Mbp 四 ZigBee ZigBee IEEE 802 15 4 技术是最近发展起来的一种短距离无线通信技术 它 具有低功耗 低成本低复杂度等特点 被业界认为是最有可能应用在工控场合的无 线方式 它同样使用 2 4GHz 波段 采用跳频技术和扩频技术 另外 它可与 254 西安工业大学北方信息工程学院毕业设计 论文 2 个节点联网 节点可以包括仪器和家庭自动化应用设备 它本身的特点使得其在工 业监控 传感器网络 家庭监控 安全系统等领域有很大的发展空间 如表 3 1 所 示短距离无线通信的比较 表 3 1 几种常用无线传输方式的主要性能比较 市场名 GPRS GSM Wifi Bletooth Zigbee 标准 1xRTT CDMA 802 11b 802 15 1 802 15 4 应用重点 广阔范围 Web Email 电缆替代品 监测 BYTE sendBuffer Hello BOOL res while TRUE if lcdMenu singleMenu 1 0 YLED LED ON res radioSend sendBuffer sizeof sendBuffer remoteAddr DO ACK YLED LED OFF if res TRUE GLED LED ON lcdUpdateLine LINE1 char OK else GLED LED OFF lcdUpdateLine LINE1 char Failed waitVisible CLEARLY VISIBLE GLED LED OFF 附录 7 Else exit is selected return 2 连续模式 void contionuousMode void BOOL res BYTE sendBuffer Hello showState while stopApplication GLED LED OFF YLED LED ON res radioSend sendBuffer sizeof sendBuffer remoteAddr DO ACK YLED LED OFF if res TRUE GLED LED ON lcdUpdateLine LINE1 char OK printRSSI else GLED LED OFF lcdUpdateLine LINE1 char Failed waitVisible CLEARLY VISIBLE 附录 8 3 乒乓模式 void pingPongMode void BOOL res BYTE sendBuffer PING PONG REQUEST BYTE buffer BYTE length BYTE sender showState pingPongInit while stopApplication YLED LED ON res radioSend sendBall ORIENTED RIGHT YLED LED OFF if res TRUE res radioReceive else res FALSE if res TRUE receiveBall ORIENTED RIGHT 附录 9 GLED LED ON lcdUpdateLine LINE1 OK lcdUpdate char OK char printRSSI buffer length else GLED LED OFF lcdUpdateLine LINE1 Failed lcdUpdate char Failed char waitVisible CLEARLY VISIBLE waitVisible CLEARLY VISIBLE GLED LED OFF 4 误码率测试 void perTestMode void BYTE sendBuffer PER TEST REQUEST char number 16 BYTE receiveBuffer BYTE length BYTE res BYTE sender WORD lastPacketNumber 0 WORD thisPacketNumber WORD failed 0 YLED LED ON 附录 10 res radioSend YLED LED OFF if res TRUE while lastPacketNumber PER TOTAL PACKET NUMBER res radioReceive if res TRUE thisPacketNumber WORD receiveBuffer failed thisPacketNumber lastPacketNumber 1 lastPacketNumber thisPacketNumber GLED LED ON else GLED LED OFF failed PER TOTAL PACKET NUMBER lastPacketNumber la