zigbee无线传感器网络研究及仿真

广东工业大学硕士学位论文ZigBee无线传感器网络研究及仿真姓名：张顺扬申请学位级别：硕士专业：电力电子与电力传动指导教师：徐杜20080501ZigBee无线通信技术是一种新兴的短距离无线通信技术，具有低功耗、低速 率、低时延等特性，具有强大的组网能力与超大的网络容量，可以广泛应用在消 费电子品、家居与楼宇自动化、工业控制、医疗设备等领域。由于其独有的特性, ZigBee无线技术也是无线传感器网络的首选技术，具有广阔的发展前景。ZigBee 协议标准采用开放系统接口（OSI）分层结构，其中物理层和媒体接入层由IEEE 802.15.4工作小组制定，而网络层，安全层和应用框架层由ZigBee联盟制定。本文首先介绍了 ZigBee的发展前景与研究意义，并列举了一些ZigBee的应 用例子与国内外对ZigBee的研究状况;接着根据IEEE 802.15.4标准规范与ZigBee 标准规范，简单扼要地阐述了 ZigBee协议栈的物理层、媒体接入层、网络层、安 全层和应用框架层等各层的功能以及各层间的接口。本文着重详细描述了 ZigBee无线传感器网络网关与网络节点的研发、ZigBee 无线传感器网络网关与因特网的连接、通过因特网访问与控制远程的ZigBee无线 传感器网络节点等实现方法，从而实现无线传感器网络节点对各种传感器信息的 采集、传输和远程控制功能。此外，整个无线传感器网络包括网关与网络节点已 通过实验验证。本文量后使用NS2网络仿真软件对ZigBee无线网络进行仿真研究。首先利 用NS2仿真小型网络，并与真实的ZigBee小型网络作对比，包JS网络协调器的 启动过程，网络节点加入网络的过程，与丢包率等因素的对比。之后使用NS2仿 真大型ZigBee无线网络，并分析了路由协议，丢包率，端到端延迟，网络抖动率 等，获得仿真结果。关键词：ZigBee；无线传感器网络；NS2；网络仿真I广东丄业大学工学硕七学位论丈AbstractZigBee wireless technology is a new short-distance wireless communications technology, and it is a low-power, low speed and low latency wireless standard. ZigBee has strong net work capability and large net work capacity and it can be widely used in consumer electronics, home and building automation, industrial controlst medical sensor application and other fields. For its special feature, ZigBee is the best choice for wireless sensor network ZigBee stack ar chi tec ture is based on the standard Open Systems Interconnection (OSI) seven-layer mode. The IEEE 80215. 4 standard defines the two lower layers: the physical (PHY) layer and the medium access control (MAC) sub-layer. The ZigBee Alliance builds on this foundation by providing the work (NWK) layer and the framework for the application layer.First of all, the paper irrtroduces the development and research significance of ZigBee, also lists some application examples of ZigBee and describes the development status of ZigBee in China and other counties. Then, chapter 2 describes the functions of all layers and the interface of each layer shortly according to IEEE 802. 15.4 standard and ZigBee specification.The article describes the realization of some importarrt processes in detail, including the realization of ZigBee wireless sensor network gateway, the connection of Internet and ZigBee wireless network, and the realization of ZigBee network node device which can be accessed by Internets Upon these research and realization, the wireless sensor network has functions such as collecting connected sensors in format i on, transmitting the sensors information and realizing remote control. Besides, wireless network gateway and node device have been certified by experiment successfully.Finally, the article describes the simulation of ZigBee wirelessAbstractnetwork using NS2, a sort of network simulation software. First, using NS2 Simulates a small ZigBee network and with the comparison to the real ZigBee small network, including the start process of network coordinator, the join network process of node device and factors such as packet drop rate- After the large-scale ZigBee wireless network simulation using NS2 and analysis of the routing protocol, packet drop rate, end-to-end time delay and network jitter, access to the significant simulation results. Keywords: ZigBee; Wireless sensor network; NS2; Network simulationin广东丁业大学T：学硕士学仅论文独创性声明秉承学校严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了中文特别加以 标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表和撰写过的研究成果，不包 含本人和其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中作了明确的说明，并表示了谢意。本学位论文成果是本人在广东工业大学读书期间在导师的指导下取得的，论 文成果归广东工业大学所有。申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任，特此声明。指导教师签名:论文作者签名:2008年4月15日第一章绪论第一章绪论1.1本章概述本章概述了 ZigBee无线通信技术作为一种新兴的无线通信技术的研究背景 与意义，同时介绍了国内外ZigBee技术的研究状况与发展趋势，并且列举了一些 ZigBee技术的应用例子。1.2研究的背景和意义微电子技术、计算机技术和无线通信等技术的进步，推动了低功耗多功能传 感器的快速发展，使其在微小体积内能够集成信息采集、数据处理和无线通信等 多种功能。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的自组织的网络系统。其目的是协作地 感知、采集和处理网络覆盖区域中的感知对象的信息，并发送给观察者。传感器、 感知对象和观察者构成了传感器网络的三个要素。如果说Internet构成了逻辑上 的信息世界，改变了人与人之间的沟通方式，那么，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。传感器节点由传感器模块、信息处理器模块、无线通信模块和能量供应模块 四部分组成。传感器节点在实现各种网络协议和应用系统时，存在一些现实约束: 电源能量有限、通信能力有限、计算和存储能力有限。传感器网络有以下的特点: 大规模网络、自组织网络、动态性网络、可靠的网络、应用相关的网络、以数据 为中心的网络。ZigBee技术是一种新兴的短距离的、低速率无线通信网络技术，它是一种介 于无线标记技术和蓝牙技术之间的技术方案，主要用于近距离无线连接，其技术 标准由IEEE8O2.15.4工作小组制订。ZigBee协议在2003年通过后，于2004年正广东工业大学工学硕士学位论文式问世。ZigBee无线技术以其短距离、低速率、低时延、低功耗、低成本等优点 弥补了无线通信技术的空缺，也满足了以传感器和自组织网络为代表的无线传感 器网络的耍求。无线传感器网络并不要求较高的带宽，但要求较低的时延与较低 的功耗。正如ZigBee联盟主席所说的，ZigBee是无线传感网络最好的选择。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。无线传感器网络能够获取大范围内客观世界各种物理信息，因而具有十分 广阔的应用前景，能够广泛应用于军事、环境监测和预报、健康护理、智能家居、 建筑物状态监控、复杂机械监控、城市交通、空间探索、大型车间和仓库管理， 以及机场、大型工业园区的安全监测和其他公共安全等诸多领域。随着传感器网 络的深入研究和广泛应用，传感器网络将逐渐深入到人类生活的各个方面。1.3同类研究在国内外的研究现状和发展趋势ZigBee作为一种新兴的国际标准短距离无线通信协议,其协议栈体系结构是 基于标准的七层开放式系统互联（OSI）模型，IEEE 802,15.4-2003标准定义了下 面的两层：物理层和媒介质接入层。网络层、应用会聚层、应用层由ZigBee联盟 制订。非营利组织ZigBee联盟由当初开发基本IEEE标准的同一批专家在2002 年组建而成。时至今日，ZigBee联盟已经拥有包括芯片制造商、软件开发者.终 端制造商以及服务提供商等在内的一条完整的产业链。摩托罗拉.三菱电子、飞 利浦、西门子、三星、德州仪器、华为等，都是联盟的成员。联盟所制订的规范 也得到了广泛的应用。进入2006年以来，市场上已经陆续出现了各种基于ZigBee 技术的产品。据美国ZigBee联盟主席Bob HeUe博士介绍，ZigBee应用领域主要 有移动增值、家庭自动化、家庭安全、工业与环境控制与个人医疗看护等，应用 产品则有移动终端、家电产品、消费性电子、PC周边产品与感测器等。国内华为公司与意大利电信合作，在为其提供的终端SIM卡中置入ZigBee 技术，从而可以使运营商能够为用户提供更多的增值业务，如手机购物、手机遥 控等功能，这大大增强了运营商的业务提供能力和竞争实力。北京赫立讯公司推 出的无线定位方案已开始在煤矿行业中打开了市场，该公司利用其ZigBee无线 网络模块，运用区域定位技术，通过定位网络中的参考节点接收目标节点（矿工广东丁业人学丁学硕士学位论文第一章绪论随身携带）的无线信号强度RSSI和无线信号质量LQI等信息，从而随时了解矿 工的工作位置，同时还可以通过矿工身上的传感器，接收并上报该区域瓦斯浓 度变化等信息。基于ZigBee无线传输的自动抄表系统、智能建筑和楼宇自动化 系统等的解决方案也陆续得到市场的认可。北京辰森伟业软件开发有限公司选用赫立讯的ZigBee无线模块成功推出了 一套餐饮手持点菜系统。该系统现已被广泛应用于全国超过100家高级酒店。餐 馆无线/有线点菜系统由服务员手持内嵌有ZigBee无线收发模块的PDA和同时在 餐馆的墙壁上安装的多个内嵌有ZigBee无线收发模块的无线收发端口组成，这些 移动的PDA和固定的无线收发端口构成了一个无线网络。PDA里采集到的信息 将被传送到无线收发端口，通过无线收发端口相连的Internet或RS485网络，将 所有信息都汇总到餐馆的主控电脑内。主控电脑统一对这些信息进行处理和归类, 将不同的指令发送到不同的操作区域，例如厨房、酒吧台和收银台。这些无线网 络支持双向通信方式，任何厨房、酒吧和收银台的反馈或从主控电脑传岀的指令 和查询都将很容易的通过无线或有线网络传送到不同的服务器上。韩国三星先进技术研究院（SAIT）试制了配备ZigBee无线通信功能的手机, 并在CES会场进行了展示。ZigBee收发模块封装在机壳背面，利用ZigBee的近 距离无线通信功能，用户之间可以在半径100m左右的范围内进行本地连接，可 用于游戏等用途。SAIT的解说员说：“使用ZigBee近距离无线通信功能，手机用 户可进行网状连接，以进行射击游戏等。韩国用户大都喜欢在线游戏，也对近距 离的用户之间的游戏抱有兴趣。”作为唯一的面向无线传感器网络的技术标准，ZigBee的目标是建立一个无所 不在的传感器网络。从成立到现在，ZigBee联盟已经从最初的13家公司发展到 100多家知名企业加盟的商业团体，在众多企业的追棒下，ZigBee技术呈现出蓬 勃的发展趋势。同时，为了增强ZigBee标准的易用性和对大型网络的支持,ZigBee 联盟已经批准在最初的协议栈规范中增加高级功能和更髙灵活性能的ZigBee PRO框架堆栈，它在最初规范的基础上增加了网络可伸缩性、分解片段（分解较 长消息和实现与其它协议和系统交互的能力）、频率捷变和自动设备寻址管理能 力。未来的ZigBee除了增强自身功能外，将向着更廉价、更省电、与IPV6结合 的方面发展。根据最新的信息，一节电池工作3年的ZigBee产品已经面世，在日 本的神户机场，所有ZigBee节点仅仅依靠一小块太阳能电池板供电。而随着应用 的不断增加，更大的产量必然形成更低廉的价格；IPV6拥有巨大的地址空间，可 以为每一个ZigBee节点分配一个全球唯一的网络地址，同时提供安全的通信保障 和优良的QoS保证。IPV6和ZigBee的结合是一个必然趋势。1.4本章小结ZigBee技术弥补了低功耗、低速率、短距离应用的无线技术标准空缺，有广 阔的发展空间与广泛的应用前景，特别适用于构建无所不在的传感器网络。本章 对ZigBee的研究意义与发展前景作了简单的概述,体现了 ZigBee技术的优越性。#第二章ZigBce无线通信技术第二章ZigBee无线通信技术|呃2.1本章概述ZigBee技术协议标准采用的是OSI的分层结构，其中物理层和媒体接入层由 IEEE 802.154工作小组制定，而路由层和应用层则由ZigBee联盟制定。ZigBee 技术规范至今已公布了两个版本，后一个版本是对前一个版的补充和更新，使得 ZigBee技术更易于广泛应用。本章对ZigBee无线通信技术的概貌和ZigBee协议 栈进行简要的概述。标准文档请参考ZigBee联盟发布的最新协议标准规范。2.2 Z i gBee无线通信技术的概貌ZigBee技术是一种具有统一技术标准的短矩离无线通信技术，其PHY层和 MAC层协议为IEEE 802.15.4协议标准，网络层和应用框架层由ZigBee技术联 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标准协议，ZigBee的工作频段为3个频段，这3个工作 频段相距较大，而且在各频段上的信道数日不同，因而，在该项技术标准中，各 频段上的调制方式和传输速率不同。它们分别为868 MHz、915 MHz和24GHz, 其中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250 kbps；另外两个频段为915/868 MHz,其相应的信道个数分别为10个信道和1个 信道，传输速率分别为40 kbps和20 kbpso在组网性能上，ZigBee设备可构造为星型网络或者点对点网络，在每一个 ZigBee组成的无线网络内，连接地址码分为16 bit短地址或者64 bit长地址，可 容纳的最大设备个数分别为2个和个，具有较大的网络容量。在无线通信技术上，采用免冲突多载波信道接入（CSMA-CA）方式，有效 地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。ZigBee设备为低功耗设备，其发射输出为036dBm,通信距离为30-70m,第二章ZigBcc无线通信技术12广东.匚业大学工学硕I:学位论文具有能量检测和链路质量指示能力，根据这些检测结果，设备可自动调整设备的 发射功率，在保证通信链路质量的条件下，最小地消耗设备能量。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。2.3 ZigBee协议栈ZigBee技术是一种可靠性高、功耗低的无线通信技术，在ZigBee协议栈中, 其体系结构是通过层来量化它的各个简化标准。每一层负责完成所规定的任务， 并且向上层提供服务。各层之间的接口通过所定义的逻辑链路来提供服务o ZigBee 协议栈的体系结构主要由物理层(PHY)、媒体接入控制层(MAC)、网络/安全 层以及应用框架层组成，其各层的分布如图2.1所示。从图2.1不难看出，ZigBee协议栈的体系结构比较简单，其中物理层(PHY)和媒体接入控制层(MAC)采用IEEE802.15.4协议标准，而网络/安全层和应用层则由ZigBee国际联盟制定，各层之间均有数据服务接口和管理实体接口。下面 对ZigBee协议栈各层协议的功能进行简单的介绍。App240;App Obf 1KElgSAR网 IftJg(NWK)图2-1 ZigBee协议栈Fig.2-1 ZigBee Protocol Stack23.1 ZigBee物理层协议规范ZigBee物理层不仅规定了信号的工作频率范围、调制方式和传输速率，而且 还规定了物理层功能和为上层提供的服务。ZigBee技术对于不同的国家和地区提供的工作频率范围不同，IEEE 802.15.4 规范标准对于不同的频率范围也规定了不同的调制方式，因而其数据传输速率也 不同。如表21所示。表2-1不同地区的ZigBee标准Table 2-1 ZigBee Standard of Different Areas工作频率范围/MHz国家和地区调制比特速率/kbps868-868.6欧洲BPSK20902-928北美BPSK402400-2483.5全球O-QPSK250ZigBee物理层通过射频固件和射频硬件提供了一个从媒体接入层(MAC)到 物理层(PHY)无线信道的接口。在物理层中，存在有数据服务接入点和物理层 实体服务接入点。数据服务接入点支持在对等连接MAC层的实体之间传输MAC 层协议数据单元，提供数据传输和接收服务；物理层实体服务接入点通过调用物 理层的管理功能函数，为物理层管理服务提供其接口，同时，还负责维护由物理 层所管理的目标数据库，该数据库包含有物理层个域网的基本信息，物理层提供 的管理服务包括检测当前信道的能量、接收链路服务质量信息和选择信道频率等。232 ZigBee媒体接入层协议规范ZigBee媒体接入层釆用的是IEEE 802.15.4标准的MAC层协议规范，MAC 层处理所有物理层无线信道的接入。它通过两个不同的服务接入点提供两种不同 的MAC服务，即MAC层通过它的公共部分子层服务接入点提供数据服务，通 过管理实体服务接入点提供管理服务。MAC层的主要功能为：网络协调器产生 网络信标.与信标同步、支持个域网链路的建立和断开、为设备的安全性提供支 持、信道接入方式采用免冲突载波检测多址接入(CSMA-CA)机制、处理和维 护保护时隙(GTS)机制、在两个对等的MAC实体之间提供一个可靠的通信链 路。广东工业大学工学硕士学位论文MAC层的数据服务是公共部分子层服务接入点提供的数据传输服务，它为 上层协议和物理层之间的数据传输提供-个接口，实现数据发送、数据接收、清 除MAC层的事务处理排列表的一个数据单元等服务。MAC层的管理服务是允许上层与MAC层管理实体之间传输管理指令，其功 能分别为设备通信链路的连接与断开管理、信标管理、个域网信息库管理、孤点 管理、复位管理、接收管理、信道扫描管理、通信状态管理、设备的状态设置和 启动、网络同步、轮询管理等。2.3.3 ZigBee网络层协议规范ZigBee网络层的主要功能就是提供一些必要的函数，确保ZigBee的MAC层 正常工作，并且为应用层提供合适的服务接口。为了向应用层提供其接口，网络 层提供了两个必须的功能服务实体，它们分别为数据服务实体和管理服务实体。 网络层数据实体通过网络层数据实体服务接入点提供数据传输服务，网络层管理 实体通过网络层管理实体服务接入点提供网络管理服务。网络层管理实体利用网 络层数据实体完成一些网络的管理工作，并且，网络管理实体完成对网络信息库 的维护和管理。网络层数据实体为数据提供服务，在两个或者更多的设备之间传送数据时， 将按照应用协议数据单元的格式进行传送，并且这些设备必须在同一个网络中， 即在同一个内部个域网中。网络层数拡实体提供如下服务包括有生成网络协议数 据单元，网络层数拯实体通过增加一个适当的协议头，从应用支持层协议数据单 元中生成网络层的协议数据单元；指定拓扑传输路由，网络层数据实体能够发送 一个网络层的协议数据单元到一个合适的设备,该设备可能是最终目的通信设备, 也可能是在通信链路中的一个中间通信设备。网络层管理实体提供网络管理服务，允许应用与堆栈相互作用。网络层管理 实体应该提供的服务包括：配置一个新的设备，为保证设备正常工作的需要，设 备应具有足够堆栈，以满足配置的需要，配置选项包括对一个ZigBee协调器和连 接一个现有网络设备的初始化操作；初始化一个网络，使之具有建立一个新网络 的能力；连接和断开网络，具有连接或者断开一个网络的能力，以及为建立一个 ZigBee协调器或者ZigBee路由器，具有要求设备同网络断开的能力；ZigBee协 7广东匸业大学工学硕士学位论文调器和ZigBee路由器具有为新加入网络的设备分配地址的能力；邻居设备发现, 具有发现、记录和汇报有关一步邻居设备路由的能力；路由发现，具有发现和记 录有效地传送信息的网络路由的能力；接收控制，具有控制设备接收机接收状态 的能力，即控制接收机什么时间接收、接收时间的长短，以保证MAC层的同步 或者正常接收等。ZigBee网络层支持星型、树型和网状型拓扑结构。在星型拓扑结构中，整个 网络由一个称为ZigBee协调器的设备来控制。ZigBee协调器负责发起和维持网 络正常工作，保持同网络终端设备通信。在网状型和树状型拓扑结构中，ZigBee 协调器负责启动网络以及选择关键的网络参数，同时，也可以使用ZigBee路由器 来扩展网络结构。在树型网络中，路由器采用分级路由策略来传送数据和控制信 息。树型网络可以采用基于信标的方式进行通信，网状型网络中，设备之间使用 完全对等的通信方式，在网状网络中，ZigBee路由器将不发送通信信标。网络层的地址分配算法。加入ZigBee网络的节点通过MAC层提供的关联过 程组成一棵逻辑树，当网络中的节点允许一个新节点通过它加入网络时，它们之 间就形成了父子关系，每个进入网络的节点都会得到父节点为其分配的一个在网 络中唯一的16 bit网络地址。ZigBee协调器决定在其网络内允许连接的子设备的 最大个数，这些子设备由路由器和终端设备组成，每一个设备具有一个网络深度, 即连接深度表示仅仅采用父子关系的网络中，一个传送帧传送到ZigBee协调器所 传递的最小跳数。ZigBee协调器自身深度为0,而它的子设备深度为1。对应多 跳网络，其深度大于1。ZigBee协调器决定网络的最大深度。假定父设备拥有子 设备数的最大值为Cm,网络的最大深度为Lm,父设备将路由器作为它的子设备 的最大数为 皿，则可计算函数Cskip(d),该函数为在给定网络深度和路由器以及 子设备个数的条件下，父设备所能分配子区段地址数为：Cskip 22 严,ifRm=l1土6 二助半丁加加,othenvise )i-Rm如果一个设备的Cskip(d)值为0,由于它没有接收子设备连接的能力，并且 将这样的设备看作为一个ZigBee网络的终端设备。如果父设备的Cskip(d)值大于 0,则可以接受子设备，并且将根据子设备是否具有路由器能力来向子设备分配不 同的地址。利用Cskip(d)作为偏移，向具有路由器能力的子设备分配网络地址， 父设备为它的第一个路由器子设备分配一个比它自己更大的地址，随后所分配给 路由器子设备的地址将以Cskip(d)为间隔，依此类推为所有的路由器分配地址。 假设父节点的地址为Aparent,则第n个终端设备的网络地址将按照如下公式进行 分配：An=Aparent + Cskip(d) Rm + n, 1 nCm-Rm)(2.2 )ZigBee网络层釆用两种路由算法：Cluster-Tree (簇-树)路由协议和AODVjr 路由算法。Cluster-Tree (簇树)路由协议是一种由网络协调器展开生成树状网络 的拓扑结构，适合于节点静止或者移动较少的场合，属于静态路由，不需要存储 路由表。而AODVjr路由算法是针对AODV (Ad hoc按需距离矢量路由协议) 算法的改进，考虑到节能、应用方便性等因素，简化了 AODV的一些特点，但是 仍然保持AODV的原始功能。Cluster-Tree (簇树)路由算法与ZigBee路由层采用的分布式地址分配网络 地址的算法密切相关，该地址分配方案为每一个父设备分配一个有限的网络地址 段。这些地址在每一个特殊的网络是唯一的，并且由父设备分配给它的子设备。 在Cluster-Tree算法中，节点根据分组目的节点的网络地址计算分组的下一跳。 对于地址为A,深度为d的ZigBee路由节点，如果满足下述表达式AD A + Rm Cskip(d),则说明目的节点是它的一个终端 子节点，这时下一跳节点地址N为：N = D,否则N=A+1+ (D(A+1)/Cskip(d) Cskip(d)o如果目的节点不是接收节点的一个后代，则将分组发送给它的父节点。AODVjr路由算法具有AODV的主要功能，但考虑到降低成本、节能、使用 的方便性等因素，对AODV作了一些简化：(1) 为了减少控制开销和简化路由发现的过程，AODVjr中并没有使用目的 节点序列号。AODV协议使用目的节点序列号确保了所有路径在任何时间无环路, 为了保证路由无环路，AODVjr中规定只有分组的目的节点可以回复路由应答命 令帧(RREP),即使中间节点存有通往目的节点的路由也不能回复路由应答命令 帧。(2) AODVjr不存在AODV中的先驱节点列表”，从而简化了路由表结构。 #第二章ZigBee无线通信技术山囚在AODV中节点如果探测到下一跳链路中断则通过上游节点转发路由错误命令 帧(RERR),通知所有受到影响的源节点。在AODVjr中，路由错误命令帧仅转 发给传输失败的数据分组的源节点，因而不需要先驱节点列表。(3) 在数据传输中如果发生链路中断，AODVjr采用本地修复，在路由修复 的过程中，同样由于没有使用目的节点序列号而仅允许目的节点回复路由应答命 令帧。如果本地修复失败，则发送路由错误命令帧至数据分组的源节点，通知它 由于链路中断而引起目的节点不可达。路由错误命令帧的格式也被简化至仅包含 一个不可到达的目的节点，而AODV的路由错误命令帧中包含多个不可到达的目 的节点。(4) AODV中节点周期性地发送HELLO分组，为其它节点提供连通性信息; 而AODVjr中节点不发送HELLO分组，仅根据收到的分组或者MAC层提供的 信息更新邻居节点列表。ZigBee的路由节点可以分为两类：RN+和RN其中RN+是指具有足够的存 储空间和能力执行AODVjr路由协议的节点，RN是指其存储空间受限，不具有 执行AODVjr路由协议的能力的节点，RN收到一个分组后只能用Cluster-Tree算 法处理。Cluster-Tree算法中，节点收到分组后可以立即将分组传输给下一跳节点，没 有路由发现过程，而且节点不需要维护路由表，从而减少了路由协议的控制开销 和节点能量消耗，并且降低了对节点存储能力的要求；但由于Cluster-Tree建立 的路由不一定是最优的，会造成分组传输时延较高，而且较小深度的节点往往业 务量较大，相对较大深度的节点业务量又比较小，这样就容易造成网络中通信流 量分配不均衡。因而，ZigBee中允许RN+节点使用AODVjr去发现最优路径 RN+节点收到分组后，可以发起AODvjr中的路由发现过程，找到一条通往目 的节点的最短路径，当存在两条相同跳数的最短路径时，节点可以根据802.15.4 MAC层提供的LQI(链路质量)指标，选择LQI较高的那条路径；路由建立过程结束 后，节点沿着刚刚建立的路由发送分组；如果某条链路发生中断，RN+节点将发 起本地修复过程修复路由。由于AODVjr的使用，降低了分组传输时延，提高了可 靠性。11广东丁业大学工学硕上学位论文2.3.4 ZigBee安全层协议规范ZigBee技术协议支持几种安全服务，包括访问控制、数据加密、帧完整性、 序列更新等，协议中还提供了三种安全模式，包括非安全模式、接入控制列表 （ACL）模式、安全模式。非安全模式为缺省安全模式，该模式下，MAC层不提供安全服务。工作在非 安全模式下的设备将不使用ACL实体,并且对接收帧不执行任何与安全相关的操 作。接入控制列表（ACL）模式为MAC层提供了一种机制，用来向上层通报所 接收到的帧是否是来自接入控制列表中的设备。工作在接入控制列表模式下的设 备不对MAC帧进行任何修改，也不执行任何密码操作。接入控制列表模式只提 供了一种方法让设备根据帧中的源地址对接收帧进行过滤，但这种方法不能安全 地确定由哪个设备发送该帧。安全模式为MAC层提供了一种机制，在输入和输出帧上既使用ACL功能， 又提供密码保护。设备在安全模式下工作时，可能使用安全方案。安全方案由一 组在MAC层的帧上所执行的操作组成，以提供安全服务。安全方案的名称表明 对称加密算法、模式和完整性码的位长度。完整性码的位长度应小于或等于对称 算法的块长度，它决定了随机正确猜测完整性码的概率。对于ZigBee技术标准中 的所有安全方案，将使用高级加密标准（AES算法。每一个实现安全的设备都 支持AES-CCM-64安全方案，并且可附加不附加其他安全方案，每一个安全方案 都由一个字节表示。ZigBee使用的安全方案包括AESCTR, AES-CCM-128, AES-CCM-64, AES-CCM-32, AESCBCMAC128, AES-CBC-MAC-64, AES-CBC-MAC-32等。在ZigBee技术规定的安全方案中，将使用的方法包括位 顺序、串接、整数编码和计时器增加、计数模式加密、密码链块信息鉴权码的加 密和验证、高级加密标准加密和个域网信息库的安全要素。235 ZigBee应用层协议规范ZigBee应用层由三个部分组成，应用支持子层、应用层框架和ZigBee应用 对象（ZDO）o应用支持子层给网络层和应用层通过ZigBee设备对象和制造商定义的应用 广东丁.业大学工学硕士学位论文对象使用的一组服务提供了接口，该接口提供了 ZigBee设备对象和制造商定义的 应用对象使用的一组服务。通过两个实体提供这些服务：数据服务和管理服务。 应用支持子层数据实体(APSDE)通过与之连接的服务接入点，即APSDE-SAP提 供数据传输服务。应用支持子层管理实体(APSME)通过与之连接的服务接入点， 即APSME-SAP提供管理服务，并且维护一个管理实体数据库，即应用支持子层 信息库(NIB)。ZigBee中的应用框架是为驻扎在ZigBee设备中的应用对象提供活动的环境。 最多可以定义240个相对独立的应用程序对象，任何一个对象的端点编号从1到 240。还有两个附加的终端节点为APSDE-SAP的使用：端点号0固定用于ZDO 数据接口；另外一个端点255固定用于所有应用对象广播数据的数拯接口功能。 端点241-254保留(用于扩展使用)。ZigBee设备对象(ZDO),描述了一个基本的功能函数，这个功能在应用对 象.设备profile和APS之间的提供了一个接口。ZDO位于应用框架和应用支持 子层之间。它满足所有在ZigBee协议栈中应用操作的一般需要。ZDO还有以下 作用：(1) 初始化应用支持子层(APS),网络层(NWK),安全服务规范(SSS)o(2) 从终端应用中集合配置信息来确定和执行发现、安全管理、网络管理、 以及绑定管理。ZDO描述了应用框架层的应用对象的公用接口，以控制设备和应用对象的网 络功能。在终端节点0, ZD0提供了与协议栈中低一层相接的接口，如果是数据 就通过APSDE-SAP,如果是控制信息则通过APSME-SAPo在ZigBee协议栈的 应用框架中，ZD0公用接口提供设备、发现、绑定、以及安全等功能的地址管理。2. 4本章小结本章对ZigBee协议栈的各层协议规范进行简单扼要的阐述，包括物理层的功 能与编码技术、媒体接入层的接口与功能、路由层的路由算法、安全层的加密算 法和应用层的规范。对ZigBee协议栈各层规范的深入理解与研究，是应用ZigBee 无线技术开发的首要步骤与关键。第三章ZigBee无线传感器网络的研究与实现3.1本章概述ZigBee无线技术是无线传感器网络的首选技术，将无线传感器网络应用于智 能家居也是当前发展的一个热点，本章详细描述了 ZigBee无线传感器网络网关与 带传感器的网络节点的研发与实现，包括对网关和网络节点硬件平台的搭建和软 件的研发实现，以及网络拓扑的选择与实现。3.2 ZigBee无线网关的功能与作用基于ZigBee的无线网关是智能家居无线网络的一个重要部分。家居ZigBee 无线网络是指在家庭范围内（可扩展至住宅小区），通过ZigBee无线网络技术将 家电、安全、照明、娱乐、医疗监护系统互连，实现数据共享和管理，并以广域 互联网为接口与外界交互信息的一种新兴的无线网络系统。家庭网关是将单个家 庭网络与外部世界（如局域网、Internet网或智能小区的子网络）沟通起来的关键 部件。智能家居无线网络是计算机和网络技术紧密结合的产物，随着无线网络技 术与嵌入式技术的成熟，家居网络的市场份量在未来几年将成倍增长，标志着家 居无线网络时代即将到来。无线网络可以很好地满足了用户对家庭网络的灵活性、 可靠性以及便捷性等需求，解决了有线系统的高成本和不便连线问题，消费者还 能够远程通过互联网及家庭无线网络方便、快捷地管理家务，监测家居环境、遥 控家用电器等，基于ZigBee的传感器网络网关实现低功耗和无线控制家电的功 能，具有环保、节能等特点。示意图如图31所示。#第三章ZigBee无线传感器网络的研究与实现VL家电节点2图3-1网关连接示意图Fig.3l Network Gateway Connection Sketch Map3.3 ZigBee无线网关与无线传感器网络的硬件平台ZigBee无线网关担任两种角色：Internet网络服务器与ZigBee无线网络的网 络协调器的角色，它不仅负责处理来自互联网的访问，而且还是ZigBee无线网络 的网络中心，它负责的功能包括建立、维持和管理网络、分配网络地址等，由 于它负责许多的任务，因此无线网关对中央处理器的性能及储存能力等硬件性 能要求比较高，为了达到理想的实验效果，本论文采用的硬件平台配置如下：(1) 中央处理器(CPU)： S3C44B0X(Samsung), ARM7TDMI(2) 外部存储器：aml91vl60(2M Bytes Nor Flash)和 K4S281632F/D(16M Bytes SDRAM)(3) 网口芯片：RTL8019AS(10M网关芯片)(4) 串口芯片：MAX3232(5) 增强型单片M: MC9S08GT60(Freescale)(6) ZigBee 收发芯片：MC13192(Freescale)17ZigBee无线网关的结构图如图3-2所示。图3-2网关硬件结构图Fig.3-2 Network Gateway Hardware Structure ChartZigBee无线网关的实物图如图3-3所示。a图3-3网关实物图A Fig3-3 Network Gateway Hardware Platform3.4 ZigBee无线网关软件研发采用ZigBee的无线网关作为计算机互联网络与ZigBee的无线局域网络的转接口，它实现了嵌入式Web服务器和ZigBee网络协调器。下面分别详细地介绍 嵌入式Web服务器以及ZigBee网络协调器的软件实现。341嵌入式Web服务器的软件研发与实现嵌入式Web服务器采用了 UCOS嵌入式操作系统，移植了 LWIP协议栈，并 基于LWIP协议栈实现了 Httpd Web服务器以及应用程序的编写。3. 4.1.1嵌入式操作系统Ucos在S3C44B0的移植Ucos是一种多任务、实时、基于优先级调度、实用性强和可靠性高的嵌入式 操作系统，该系统的作者是Jean J.Labrosse,操作系统的内核的源代码完全公开， 且可读性强，作者把操作系统中与硬件无关的内核代码和与硬件相关的底层代码 分开了，便于用户在不同硬件平台上的移植。基于Ucos的内核结构，我们只需 要修改与硬件相关的底层代码就可以成功的把Ucos移植到S3C44B0平台上。所谓移植，就是使Ucos操作系统内核能在某个微处理器或微控制器上运行。 本论文实现的Ucos在S3C44B0硬件平台上的移植采用的编译器是CodeWarrior for ARM Developer Suite.移植的主要工作是修改文件，包括OS_CPU.H, OS_CPU.C, OS_CPU_A.ASM问CJ9。在0S_CPU.H里定义与处理器相关类型、允许中断宏与关闭中断宏、任务切 换宏以及堆栈增长方向为从上往下长。在OS_CPUC文件里，主要是对()函数进行编写，该函数是被创建任务函数 OSTaskCreate()和OSTaskCreateExt()调用来初始化任务的堆栈结构。该堆栈必须 被设计成看起来刚发生过中断并将所有的寄存器保存到堆栈中的情形一样，中断 现场保护的堆栈结构必须与该初始化函数的堆栈结构一致。以下是对 OSTaskStklnit函数进行改写的源代码。OS_STK *OSTaskStklnit(void (*task)(void *pd), void *pdata, OS_STK *ptos, INT16U opt)unsigned int *stk;opt = opt;广东工业大学工学硕丄学位论文stk= (unsigned int *)ptos;/读入堆栈指针*stk = (unsigned int) task;/* pc */*stk = (unsigned int)