[硕士论文精品]基于zigbee技术的无线传感器网络的研究与实现

摘要摘要集成智能传感器技术、微机电系统技术和网络通讯技术三大技术而形成的无线传感器网络是一种全新的信息获取和处理技术任丰原等，2003，具有非常广阔的应用前景，是当前国际上备受关注的、多学科高度交叉的新兴前沿研究热点之一。无线传感器网络一般由大量廉价的微型传感器节点组成，因此如何在有限的硬件条件下实现大规模自组织网络的高效通信为无线传感器网络协议提出了新的挑战。IEEE802154标准是IEEE针对低速率无线个人区域网络LOWRATEWIRELESSPERSONALAREANETWORK，LRWPAN带O定的标准，旨在为低功耗的通信设备提供一种经济、高效的无线网络。ZIGBEE协议采用IEEE802154标准的物理层和链路层，并在其上增加了网络层、安全模块和应用支持子层等模块，从而实现了大区域网络覆盖。ZIGBEE由于其在低功耗、低复杂度、自组织等方面的优势，逐渐成为了无线传感器网络的首选通信协议。本文主要研究基于无线传感器网络的机器人导航应用中ZIGBEE协议的相关技术。首先分析无线传感器网络的特点，探讨无线传感器网络的体系结构及其相关应用，并介绍ZIGBEE各层网络协议。随后，针对ZIGBEE路由发现方法需要消耗大量通信代价的缺点，提出一种基于受限泛洪的路由发现方法，仿真实验结果表明该方法能够有效的降低路由发现的通信代价。另外，本文还针对ZIGBEE路由协议在机器人导航应用中的不适应性，提出一种改进的树形路由协议TR4MRN，它采用一种基于代理节点的方法实现移动节点的动态路由，同时采用单向连接树形拓扑方法，增大了网络覆盖面，提高了网络自愈能力。最后，在本实验室研制的CC2431无线传感器网络节点平台上实现一个ZIGBEE协议栈，并通过协议性能和功能测试以及机器人导航系统的搭建，验证了该协议栈可行性。本文的研究内容得到了国家自然科学基金项目的资助，项目编号60535010。关键词ZIGBEE无线传感器网络移动机器人导航IEEE802154网络协议ABSTRACTABSTRACTWIRELESSSENSORNETWORKISANEMERGINGINFORMATIONACQUISTIONANDPROCESSINGTECHNOLOGYWHICHINTERGRATESSERLSORTECHNOLOGY,MEMSTECHNOLOGYANDCOMMUNICATIONTECHNOLOGYITSHOWSEXTENSIVEAPPLICATIONPROSPECTDIFFERENTAREA,THUSBC颞咄AFOCUSININTERNATIONALRESEARCHWLRELESSSENSORNETWORKSARETTSUALLYCONSISTOFALARGENUMBEROFLOWCOST,LOWPOWERSENSERNODES,WHICHAREGENEMUYEQUIPPEDWITHSENSING,DATAPROCESSINGANDCOMMUNICATINGCAPABILITIESASARESULT,THEHARDWARECONSWAINTSCOMBINEDWITHTHEDEPLOYMENTOFLARGENUMBEROFSENSORNODESHAVEPOSEDMANYCHALLENGESTOTHENETWORKPROTOCOLFORWIRELESSSENSORNETWORKSZIGBEEISAWIRELESSNETWORKINGSTANDARDDEVELOPEDBYZIGBEEALLIANCETOADDRESSTHEUNIQUENEEDOFLOWCOST,LOWPOWERANDLOWRATE，PANCOMPAREDTOOTHERWIRELESSCOMMTMICATIONTECHNIQUES,ZIGBEEPROCESSESTHEFOLLOWINGADVANTAGESLOWPOWERCONSUMPTION,LOWCOST,FLEXIBLE，RELIABLE，FASTANDEASYDEPLOYMENTANDSOONW弛THEDLA】瓢JCERSDESCRIBEDABOVE,ZIGBEEISWELLSUITEDTOWIRELESSSENSORNETWORKSANDBEC咄THEFIRSTCHOICEMSDISSERTATIONSTUDIESTHERELATEDTECHNOLOGIESABOUTZIGBEEPROTOCOLSFORWIRELESSSELLSORNETWORKS硼1EBACKGROUNDOFWSNANDZIGBEEISINTRODUCEDFIRSTAROUTEDISCOVERYMETHODBASEDONLIMITEDFLOODINGISPROPOSEDTOREDUCETHECOMMUNICATIONOVERHEADOFZI庐EEROUTEDISCOVERYSUBSEQUENTLY,ANOVELTREEMUTINGPROTOCOLTR4MRN,BASEDONZIGBEETREEROUT吨ISPROPOSEDFORMOBILEROBOTNAVIGATIONAPPLICATIONSANIMPROVEDVERSIONZIGBEESTACKWITHTR4MRNISALSOIMPLEMENTEDONCC2431TOSTUDYTHEPERFORMANCEOFTHEPROTOCOLSATLAST,AMOBILEROBOTNAVIGATIONSYSTEMISBUILT,ANDTHEEXPERIMENTALRESULTSDEMO僦VALIDITYOFTHISZIGBEESTACKNLISDISSEFFATIONISSUPPORTEDBYNATIONALNATURALSCIENCEFOUNDATIONOFCHINAUNDERGRANTNO60535010KEYWORDSZIGBEE,W孺LESSSENSORNETWORKS,MOBILEROBOTNAVIGATION,IEEE802。15A，NETWORKPROTOCOL,中国科学技术大学学位论文原创性声明本人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。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任何他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了明确的说明。作者签名签字嗍翌尘中国科学技术大学学位论文授权使用声明作为申请学位的条件之，学位论文著作权拥有者授权中国科学技术大学拥有学位论文的部分使用权，即学校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。本人提交的电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。保密的学位论文在解密后也遵守此规定。口公开口保密年作者签名碰丞导师签名签字嘲玺签字日期第1章绪论11课题背景与研究意义第1章绪论微机电系统MICROELECTROMECHANISMSYSTEM，MEMS、片上系统SYSTEMONCHIP，SOC、无线通信和低功耗嵌入式技术的飞速发展，孕育出了无线传感器网络WIRELESSSENSORNETWORKS，WSN。无线传感器网络以其低功耗、低成本、分布式和自组织的优点带来了信息感知领域的一场变革，被认为是将对2L世纪产生巨大影响的高新技术之一。2003年2月份的美国技术评论杂志评选出对人类未来生活产生深远影响的十大新兴技术，无线传感器网络被列为第一。美国商业周刊在2003年8月的技术评论中，将传感器网络定位成21世纪高技术领域的四大支柱型产业之一于海斌，曾鹏等2006，其潜在的市场需求巨大。目前，无线传感器网络系统已引起了世界各国学术界、军事部门和工业界的极大关注。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。它是一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监控中心，以实现复杂的指定范围内目标检测与跟踪。无线传感器网络具有快速展开、抗毁性强等特点，在军事、航空、反恐、防爆、救灾、环境、医疗、保健、家居、工业、商业等领域均有着巨大的应用前景。组成无线传感器网络的传感器节点通常体积小、成本低，具有无线通信、传感和数据处理能力。传感器节点一般包括传感单元、处理单元、通信单元以及电源单元等模块组成，除此之外根据应用的需要还可能有定位系统、移动单元等模块。在传感器网络中，大量传感器节点被布置在整个观测区域中，各个传感器节点将起所探测到的信息通过初步的数据处理和信息融合之后传送给监控中心，数据传送的过程是通过相邻节点转发的方式传送给监控中心。传感器网络与其他网络相比具有其独有的特点，包括网络节点数量大、密度高，节点有一定的故障率，节点在电池能量、计算能力、通信带宽、数据存储等方面有限制，网络拓扑结构变化快，以数据为中心等。正是由于这些特点使得传感器网络存在很多新的问题，提出了很多新的挑战。就目前的技术水品来说，让无线传感器网络正常运行并大量投入试用还面临着许多问题网络通信问题无线传感器网络内的通信过程中，信号可能由于恶劣第1章绪论环境而受到一定的影响，而且在同一信道中可能出现数据冲突，怎么安全有效的进行通信是个亟待研究解决的问题。系统能量供应问题。目前主要的解决方案有使用高能电池、降低节点功率通过采用数据融合减少节点通信量；通过节点休眠方式降低能耗。成本问题。一个无线传感器网络里面需要试用数量庞大的微型传感器，如何在保证其功能的前提下降低传感器节点的成本也备受关注。高效的无线传感器网络结构。无线传感器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，如何提高网络的自组织、自愈能力以及安全性能方面有诸多问题有待解决。在通信方面，无线传感器网络的这些问题表现在不需要高的带宽，但却需要较低的功率消耗和较低的传输时延；简单而高效的通信协议以保证在有效通信过程中节约能耗，降低成本；较强的网络自组织能力和安全性能。ZIGBEE具有通信效率、低复杂度、低功耗、低成本、低速率、高安全性和网络自组织等方面的优点，这使ZIGBEE和无线传感器网络能够完美的结合在一起，目前，ZIGBEE已逐渐成为了无线传感器网络的首选通信协议。然而由于ZIGBEE协议是2005年才正式提出的一种无线通信协议，目前仍然缺乏比较完善而通用的ZIGBEE协议栈。同时ZIGBEE协议在某些细节方面仍然有待改善，比如其网络层的两种路由协议树形路由TREEROUTING，TR和路由发现ROUTEDISCOVERY分别具有路径不够优化和能耗过多的缺点。因此，在ZIGBEE协议方面仍然需要研究者来进一步完善和实现。本研究组在孟庆虎研究员的指导下，于2005年开始了无线传感器网络领域的研究。研究内容源于本实验室承担的国家自然科学基金重点项目“月球探测系统的建模、传感、导航和控制基础理论及关键技术研究60535010“。该项目的一个重要内容就是研究基于无线传感器网络的月球车辅助定位导航。这部分的研究目标是逐步实现无线传感器网络的硬件平台设计与完善，同时在节点平台上搭建相应的操作系统、通信协议栈及其他软件模块，实现大规模网络的有效组网、通信、定位，最终搭建出一套完整高效的基于无线传感器网络的月球车辅助定位导航系统。本人主要负责通信协议方面的研究工作。首先在理论上研究分析ZIGBEE各层协议，同时针对其相应的不足之处进行相应改进。最后，在实验室研制的CC2431传感器节点硬件平台上实现一套完整高效的ZIGBEE协议栈，为基于无线传感器网络的月球车辅助导航系统提供通信保障。本论文主要围绕着以上及部分的工作展开，是对本人工作的总结。2第1章绪论12研究现状121国外研究现状上个世纪末，在美国自然科学基金委员会的推动下，美国多所大学如加州大学伯克利分校、麻省理工学院、康奈尔大学、加州大学洛杉矶分校等纷纷开始了无线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通信协议和组网技术方面的研究，取得了一些初步的研究结果。目前，无线传感器网络的通信协议研究领域主要的研究重点是网络层协议和链路层协议。网络层的路由协议决定监测信息的传输路径；链路层的介质访问控制用来构建底层的基础结构，控制传感器节点的通信过程和工作模式。目前提出了多种类型的传感器网络路由协议，如多个能量感知的路由协议，定向扩桑和谣传路由等基于查询的路由协议，GEARYYU，2000和GEMJNEWSOME，2003等基于地理位置的路由协议，SPEEDTHE，2003等支持QOS的路由协议。在链路层提出了SMACWYE，2004、TMACTVDAM，2003和SIFTKJAMIESON，2003等基于竞争的MAC协议，TRAMAVRAJENDRAN，2003、DMACGLU，2004等分时复用的MAC协议以及CSMACA和CDMA相结合、TDMA和FDMA相结合的MAC协议。2003年IEEE针对低速率无线个人区域网络LOWRATEWIRELESSPERSONALAREANETWORK，LRWPAN制定了IEEE802154标准IEEE802154，2003，旨在为低功耗的通信设备提供一种经济、高效的无线网络。随后ZIGBEE联盟制定了ZIGBEE协议ZIGBEEALLIANCE，2005，它采用IEEE802154标准包括物理层和链路层，并在其上增加了网络层、安全模块和应用支持子层等相关模块，从而实现了大区域网络覆盖。ZIGL3EE由于其在低功耗、低复杂度、自组织等方面的优势，逐渐成为了无线传感器网络的首选通信协议。完整的ZIGBEE协议栈有物理层、链路层、网络层、安全模块和应用支持子层组成。其物理层和链路层采用IEEE802154协议标准，网络层、安全模块和应用支持子层则由ZIGBEE联盟制定，实现组网，路由查找以及安全等功能。与其他无线协议相比，ZIGBEE协议具有以下特点数据传输速率低、传输距离低、功耗低、成本低、网络容量大、时延短、网络自组织和自愈能力强、通信可靠。IEEE802154小组和ZIGBEE联盟ZIGBEEALLIANCE两个组织分别定制了ZIGBEE的硬件与软件标准，其角色分工就如同IEEE80211小组与WIFI之间3第1章绪论的关系。在IEEE802154方面，2000年12月IEEE成立了802154小组，负责制定链路层MAC和物理层PHY规范，2003年5月通过802154标准。802154小组目前在着手制定802154B标准，此标准主要是加强802154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。802154仅仅制定了网络协议的物理层和链路层，并不足以保证不同设备之间可以对话，于是便有了ZIGBEE联盟。由ZIGBEE联盟制定的ZIGBEE标准建立在802154标准之上，它确定了可以在不同制造商之间共享的纲要。ZIGBEE联盟由CHIPCON、EMBER、FREESCALE、HONEYWELL、MISTUBISHI、MOTOROLA、PHILIPS和SAMSUNG等公司组成，正吸引着越来越多的会员加入，目前该联盟已经包含150以上家会员。122国内研究现状我国现代意义的无线传感器网络研究几乎与发达国家同步启动，1999年首次正式出现于中科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，引领院内相关传感器网络研究工作，并通过该中心在无线传感器网络的方向上陆续部署了若干重点研究项目和方向性项目，参加单位包括上海为系统所、声学所、微电子所、半导体所、电子所、软件所等十余个科研单位。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、传感器节点、簇点和应用系统等方面均取得很大的进展。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年_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，我国的无线传感器网络技术正以前所未有的速度发展着。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、中国科学技术大学、浙江人学、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、西南交通大学、沈阳理工大学和上海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。一些企业如中兴通讯公司等单位也加入了无线传感器网络研究的行列。4第1章绪论13本论文的主要研究内容本论文的工作是围绕着无线传感器网络的ZIGBEE协议研究与设计这一课题进行的。主要介绍了新型无线传感器网络的相关关键技术及其应用，ZIGBEE协议栈的各模块功能，改进了ZIGBEE的网络层路由协议，最后在传感器节点平台上设计出一套ZIGBEE协议栈。本论文共由六章组成，具体组织如下第一章绪论介绍本论文的选题背景、研究现状、研究意义以及作者从事的研究工作及研究内容。第二章无线传感器网络介绍了无线传感器网络的体系结构、主要特征、关键技术等，随后介绍了无线传感器网络的应用场合，阐述了无线传感器网络的设计原则。第三章IEEE802154ZIGBEE协议介绍了IEEE802154标准包括的物理层和链路层，ZIGBEE标准的网络层、安全层和应用支持子层等模块的功能。第四章ZIGBEE路由协议研究与改进分析了ZIGBEE网络层的两种路由协议，改进了路由发现方法，并通过仿真实验验证了新方法的效率。第五章ZIGBEE协议栈设计与实现介绍了无线传感器网络ZIGBEE协议栈的设计与实现，进行了网络组网及相关性能测试实验，验证了系统的稳定性和功能。第六章总结和展望对全文工作做出总结，并对以后的工作的进行了展望。第2章无线传感器网络与ZIGBEE协议第2章无线传感器网络与ZIGBEE协议无线传感器网络WIRELESSSENSORNETWORK，WSN就是由部署在监测区域内的大量廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成一个多跳的自组织网络系统，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息并发送给观察者孙利民等，2005。通过无线传感器网络，人们可以更方便、高效的直接感知客观世界，从而大大的提高人类认识世界的能力。作为一种特定的网络形态，无线传感器网络的最根本的技术就是其网络协议。如何在极其有限的硬件条件下实现高效、安全、低功耗的无线通信成为了无线传感器网络至关重要的问题。IEEE802154标准是针对低速率无线个人区域网络制定的标准，旨在为低功耗的通信设备提供一种经济、高效的无线网络。ZIGBEE协议采用IEEE802154标准的物理层和链路层，并在其上增加了网络层、安全模块和应用支持子层等相关模块，从而实现了大区域网络覆盖。ZIGBEE由于其在低功耗、低复杂度、自组织等方面的优势，逐渐成为了无线传感器网络的首选通信协议。21无线传感器网络211无线传感器网络的结构FIG21无线传感器网络体系结构图传媾嚣节点使用无线传感器网络的目的是协作的感知、采集和处理网络覆盖区域中的6第2章无线传感器网络与ZIGBEE协议感知对象信息，并发送给观察者。感知对象、传感器网络系统和观察者构成了无线传感器网络的三个要素。无线传感器网络体系结构如图21所示。无线传感器网络系统通常包括传感器节点SENSORNODE、汇聚节点SINKNODE和管理节点MANAGERNODEIFAKYILDIZ，2002。大量的传感器节点随机布撒在监测区域内，通过自组织的方式构成网络。大量传感器节点监测的数据沿着其他传感器节点逐跳的传递，在传输过程中监测数据可能被处理和融合，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，发布检测任务以及收集检测数据。传感器节点通常是一个微型的嵌入式系统，它的处理、存储、通讯能力较弱，通过自身携带的能量有限的电池供电。从网络功能上看每个节点兼顾传统传感器及路由器双重功能，除了进行本地信息收集和数据处理外，还要对其他节点转发来的数据进行存储、管理、融合和转发等处理，并与网络中其他节点协作完成一些特定任务。汇聚节点的处理、存储、通讯能力相对较强，有足够的能量供应。它一方面与传感器节点通讯，收集环境信息，另一方面通过互联网或卫星等方式与管理节点通讯，向用户提供监测数据。汇聚节点连接传感器网络与INTERNET等外部网络，必须具有两种网络协议之间的通信协议转换功能，它可以是一个具有增强功能的传感器节点有足够的能量供给和更多的内存与计算资源，也可以是没有监测功能仅带有无线通信接口的特殊网关设备。传感器节点主要由传感单元、处理单元、无线通讯单元和电源单元四个基本单元组成。根据应用的需要，传感器节点还可以包括定位单元、移动单元和能量发生单元等扩展单元。无线传感器网络节点结构如图22所示。FIG22传感器网络节点结构图7第2章无线传感器网络与ZIGBEE协议传感单元通常由传感器和AD转换模块组成，负责监测环境中物理信号的采集和模拟信号到数字信号的转换。处理单元负责传感器节点的管理，存储、处理和发送传感单元采集的数据，并负责与其他传感器节点的协调，转发、处理其他节点发来的数据。无线通讯单元负责与其它其他传感器节点进行无线通讯，交换控制信息、收发采集数据。电源单元是传感器节点最重要的单元之一，负责传感器节点中各单元的电源供应。越来越多的无线传感器网络应用需要传感器节点的位置信息，定位单元负责传感器节点的位置检测。有的应用需要传感器节点具有可移动性，移动单元为传感器节点提供移动能力。能量发生单元可以为传感器节点提供能量补充，有利于延长传感器节点的使用寿命。2，13无线传感器网络的特点无线传感器网络与传统的无线ADHOE网有很多相似之处和共同特点。但深入的研究表明，二者之间存在一些本质的区别。无线ADHOC网的目的是通过动态路由和移动管理技术，为用户提供高质量的数据传输服务，本质上是种数据网，节点的计算、通讯能量较强，并有持续的能量供给。无线传感器网络以监控物理世界为主要目标，是一种监控网络，节点的计算、通讯能力和能量供给严重受限。归纳起来，无线传感器网络具有如下一些特点孙利民等，2005规模大、密度高为了实现对监测区域的精确感知，通常需要部署大量的传感器节点，传感器节点的数量可能成千上万，形成大砸积、高密度的空间分布。这样，一方面大覆盖面可以增大检测区域，从而更好的多角度、全方位的观察监控区域；另一方面，大量冗余的节点，能够提高系统的容错能力。无中心、自组织无线传感器网络和无线ADHOC网络一样，无需基础设施，所有传感器节点地位平等，节点之间通过分布式算法协调彼此的行为。同时，无线传感器网络中节点问的关系预先并不知道，节点往往是通过飞机播撒等方法，随机布置到人不可到达的危险检测区域。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通信协议自动形成多跳网络系统。节点资源受限由于受到现实条件的约束，传感器节点在计算、存储和通讯能力以及电源能量方面受到严格的限制。特别是能量严格受限，使能量高效成为无线传感器网络的首要设计目标，这也是WSN和传统网络最重要的区别之一。动态性、可靠性不同于无线ADHOC网络由于节点移动引起网络结构的变化，无线传感器网络的节点则较少移动。但是无线传感器网络的第2章无线传感器网络与ZIGBEE协议拓扑结构可能会因为节点故障失效、环境变化导致通信链路变化、信号干扰、节点电源耗尽、新节点加入等因素影响而发生拓扑结构的变化。这就要求传感器网络系统要能够适应这种变化，具有动态的系统可重构性。传感器网络特别适合部署在恶劣环境或人类不一到达的区域，节点可能工作在极其恶劣的环境中。另一方面，由于监测区域环境的限制以及节点数量巨大，不可能人工“照顾“每个传感器节点，网络的维护十分困难。因此，还需要传感器网络的软硬件具有很强的鲁棒性和容错性。应用相关、以数据为中心无线传感器网络是用来感知客观世界，获取物理世界信息的，不同的应用环境对网络的需求不同。另外，不同于传统的以地址为中心的互联网，无线传感器网络以数据本身作为查询与传输的线索，而不是地址。如，用户使用无线传感器网络查询数据时，直接将所关心的事件告诉网络，而不是通知某个确定的节点。所以通常说无线传感器网络是一个以数据为中心的网络。22ZIGBEE网络协议2000年12月IEEE成立了IEEE802154工作组，目标是制定一种提供廉价的固定、便携或移动设备使用的极低复杂度、低成本、低功耗、低速率的无线连接技术。IEEE802154标准于2003年正式发布，它定义了物理层PHYSICALLAYER,PHY和数据链路层MEDIUMACCESSLAYER,MAC。根据开放网络互联OPENSYSTEMINTERCONNECTION，OSI七层协议模型，物理层和链路层是网络协议中硬件相关的两个最底层协议。但是，仅仅定义物理层和链路层并不能解决问题。不同厂家如果想解决设备兼容与互通，还需要一套基于IEEE802154之上的统一规范，于是ZIGBEE应运而生ZIGBEEALLIANCE，2005。2005年，由英国INVENSYS、日本三菱、美国摩托罗拉、荷兰飞利浦等公司组成的ZIGBEE联盟发布了正式版本的ZIGBEE标准。ZIGBEE标准基于IEEE80215。4，并在其上定义了网络层、安全层和应用层。ZIGBEE协议符合OSI七层协议模型，从下往上具有物理层、数据链路层、网络层、应用支持子层和应用层，同时还具有一个安全模块以提供网络安全功能。图23为ZIGBEE协议栈模型示意图。9第2章无线传感器网络与ZL曲EE协议APPLICATIONCUSTOMERAPISECURITY3264一128BITENCRYPTIONNETVORKSTYMESHCLUSTERTREE1。|JM随OJ|I谢Y一。868M垃，915MH“24GITZFIG23ZIGBEE协议栈ZIGBEEALLIANCEIEEE802154ZIGBEE标准具有以下特点传输速率低ZIGBEE专注于低传输速率应用，数据传输速度只有LOKBPS250KBPS。适合传输一些采集到的温度、湿度之类的简单数据。功耗低由于ZIGBEE的传输速率低，加上协议特有的简洁特性和休眠功能，使得ZIGBEE设备的功耗极低。ZIGBEE设备的电池工作时间可达到6个月甚至两年。网络容量大ZIGBEE网络层为每个节点分配一个两字节的网络地址，整个网络可以支持超过65000个节点。数量巨大的网络节点可以根据需要组成星形、树形和网状的网络。自动动态组网ZIGBEE协议层的网络层标准制订了网络的动态组网方法，支持节点动态的加入和离开网络，使得网络的可扩展性和可修复性得到了极大的加强。数据传输可靠ZIGBEE的MAC层和网络层分别具有点到点和端到端的数据传输确认机制，保证了系统信息传输的可靠性。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，可以用来防止攻击者冒充合法器件窃取数据。实现成本低ZIGBEE协议免专利费用，同时对通信设备的硬件要求极低，因此设备成本极低。正是由于ZIGBEE以上的特点使得ZIGBEE协议非常适合无线传感器网络，引起了许多研究单位和标准化组织的注意，许多研究者纷纷开始对基于ZIGBEE第2章无线传感器阿络与ZIGBEE协议的无线传感器网络展开相关研究。ZI啦EE的物理层和MAC采用IEEE802154标准，它们分别定义了RF控制机制以及信道接入方式。一物理层物理层是协议的最底层，担负着和步卜界直接作用的任务。IEEE802154的物理层定义了RF收发器的控制标准。无线信号采用扩频通信的调制方式。信号传输距离为几米到几十米之间。可供使用的频段有三个，如图24所示。ZIGBCE在中国采用24GILZ的ISM频段，是免费申请和免费使用的频段，具有16个信道，带宽为250K。堑董篮脚盈撼接箍壅篮道塾24GHZ868MHZ塑鍪塑隧璧塑燧鋈塑鹜爱琵透霪羹FIG24ZIGBEE使用频段物理层提供两种服务数据服务和管理服务。数据服务通过RF收发器进行数据比特流的收发。物理层管理服务则提供了以下服务能量检测ENERGYDETECTION。EDED检测当前信道的能量，为信道选择提供依据。链路质量指示LINKQUALITYINDICATOR,LQI；通过估算信嗓比来指示接收到的数据包的品质。信道选择可以在提供的多个可用信道之间进行选择与切换。信遒空闲监测CLEARCHANNELASSESSMENT，CCA通过一定的方法估算当前信道是否空闲，为数据的发送时机提供依据。F数据链路层物理层之上的数据链路层MAC层基于物理层所提供的服务，负责设备问无线数据链路的建立、维护和结束。同物理层一样，MAC层也分为两个模块，数据模块和管理模块。他们提供的服务包括信道接入、信标管理、OTS管理、第2章无线传感器网络与ZIGBEE协议帧确认与重传机制等。IEEE802154的MAC层定义了两种设备全功能设备FULLFUNCTIONDEVICE，FFD可工作于所有网络结构，可作为网络中的协调器、路由器，可以和网络中的任何节点通信。简化功能设备REDUCEDFUNCTIONDEVICE，RFD一些功能简单的设备，仅能与FFD通信，无法作为网络的协调器或路由器。1、超帧结构IEEE802154引入了一种叫做超帧SUPERFRAME的节点通信管理周期。每个超帧由FFD广播的信标帧BEACONFRAME分隔，ZIGBEE网络可以选择是否采用信标模式，在信标使能的情况下设备根据超帧来控制自己的信道接入，而在非信标使能模式下FFD并不周期性发送信标，设备通过自由竞争来进行信道接入。在使用信标的网络中，在每个FFD在确定了超帧的相应参数后，周期性的广播信标帧以通知附近的RFD，而RFD的MAC层在收到信标帧后控制收发器以保持一个和FFD同步的超帧。如图25所示，一个超帧包括一个活跃期ACTIVEPORTION和一个休眠期INACTIVEPORTION。设备在休眠期期间关闭RF收发器，进入通信休眠的低功耗期。而活跃期又分为竞争接入期COMPETITIONACCESSPERIOD，CAP和非竞争接入期COMPETITIONFREEPERIOD，CFP。在CAP期间，设备采用传统的避免碰撞冲突的CSMCA机制竞争信道的使用权。对于一些低时延的应用，某些特殊的设备需要一段专用的带宽来实现低时延传输。CFP期间被分为多个GTS，这些GTS就是用来来被分配给这些特殊的设备的。在某个GTS期间，只有被协调器指定的相应设备能够进行通信，因此是无竞争的接入方式。BCACONIILI一IK一K一CAP一一CFP叫L；IGTSGTSLNAXIVELII8L9LOLI12一OL23456L7JJJ4152、数据发送、接受与确认FIG25超帧结构12第2章无线传感器网络与ZIGBEE协议正如其他网络协议一样，ZIGBEE的每个层都在数据包中添加自己的控制域。MAC层的帧头信息包括帧控制字、序列号、目的地址、源地址及FCS校验域如下图字节2L0202802QI2|毽可变2帧控制序列目的地址源地址帧净FCS域号地址域载荷MHR载荷MFRFIG26MAC层数据帧格式MAC子层发送的帧包括数据帧、确认帧、信标帧和MAC命令帧，每种不同的帧根据需要对帧格式进行相应的设置。每当产生一个数据帧时，MAC子层将控制信息填满，并且根据需要的方式或采用CSMACA方式或在CFP非竞争期采用GTS方式，将数据传输到物理层进行发送。当MAC层从物理层接收到一个数据包时，首先进行FCS校验，随后验证目的地址是否为自己，帧其他控制域是否合法等。当这些验证都通过时，MAC子层才进一步处理该帧，否则就丢弃。在PAN网络中，RFD往往经常处于休眠的状态，因此从FFD到RFD的通信采用一种间接发送的方式。当FFD有数据要发送给RFD时，FFD将数据缓存在自己的存储器中，并在自己的信标帧中加入了相关信息以标示有某个RFD的数据现在缓存着。每个RFD在醒来的时候通过被动监听在信标使能网络中或者发送信标索取帧在非信标使能网络中来获取信标并确定是否有自己的数据缓存在FFD中。如果有，则向FFD索取并获得该数据帧。在发送数据帧、MAC命令帧的时候需要在帧控制域的确认请求子域进行相应设置，而应答帧和信标帧不用设置。所有用来广播的帧均不能设置确认请求子域。当接收方MAC成功共的接收到了给自己的帧，且确认请求域设置了，则它将立即产生一个一个确认帧并发送。发送段在发送出需要确认的帧之后的一段时间等待确认帧，如果规定时间内未收到确认帧，则认为发送失败设备将重传数据，依次类推直到重传次数超过规定的次数为止。222ZIGBEE一网络层MAC层上面的网络层由ZIGBEE标准规定，它确保正确的操作IEEE802154MAC子层和应用层提供服务接口。网络层提供的服务包括网络层数据单元NETWORKLAYERPROTOCOLDATAUNIT，NPDU的产生与接第2章无线传感器网络与ZIGBEE协议收网络层在收到应用支持子层的PDU后通过添加一个额外的协议帧头来产生NPDU。网络的自组织和维护支持网络的自组织。设备能够根据需要以不同的身份如协调器、路由器或终端设备动态的加入和离开网络。基于拓扑的路由网络层能够在一定的拓扑网络结构中充当路由的作用，将NPDU通过中继传向目的设备。1数据的传输和接收只有那些已经连接到网络中的设备，其网络层才能接收来自应用支持子层的数据单元。网络层在接收来自应用层的数据单元之后，根据网络层帧格式将需要的信息添加到帧头中，并且依靠MAC子层的数据服务单元来传输该帧。网络层帧格式如图27。可以看到网络层帧头和MAC帧头一样也有目的地址和源地址，可是它们的功能是不一样的。MAC层目的地址和源地址指定传输过程中点到点的地址信息，而NWK层的目的地址和源地址则指定整个路径的端到端的地址信息。也就是说，如果某数据从A发送到B再到C，那么MAC层源目的地址分别为AB和BC，而NWK层的源目的地址则一直为AC。字节22211变量目的地址源地址半径域序列号帧控制域载荷路由域NWK帧头载荷FIG27网络层帧格式路由域的半径域控制帧在网络中的传播最大跳数。当设备发送数据帧的时候，NWK层根据应用层的需要设置一个半径域，并将数据帧发送出去。数据帧将通过网络中的一些中继设备而路由向目的设备。中继设备在收到数据帧的时候将半径域减一，如果半径域等于零则丢弃数据帧，否则将帧继续转发给下一跳。这样，帧被限制在一定的跳数范围内就可以防止一些数据在网络中的环路现象。在加入到网络之后，网络层从MAC层接收帧，并根据网络层帧头的信息进行相应的处理。如果收到数据帧，网络层帧头目的地址是自己或着该帧为广播帧，则将数据帧传给上层处理。如果收到的数据帧目的地址不是自己且不是广播帧，同时该设备具有路由功能的话，则将半径域减一并根据相应的路由方式将数据帧转发给下一跳。对于那些不具有路由功能的设备，如果收到了目的地址不匹配的数据帧，默认的处理方式是丢弃。14第2章无线传感器网络与ZIGBEE协议2网络的自组织和维护ZIGBEE网络的设备分为三个类型协调器COORDINATOR、路由器ROUTER和终端设备ENDDEVICE，ED。他们的功能为协调器负责建立网络。协调器和路由器接受其他设备加入或离开网络。协调器和路由器负责为其子节点分配网络地址，同时需要维护邻居表。网络中的所有设备都具有加入和离开网络的功能。在初始化网络的时候，协调器首先进行信道的能量监测，选择噪声较小的信道工作，并根据需要设置相应的网络参数且开始接受其它节点加入网络的请求。在协调器开始接受其他设备加入之后，路由器和终端设备相继加入网络之中。节点加入网络的步骤如下拟加入网络的设备进行网络扫描寻找可用网络主动扫描或被动扫描，并确定合适的候选父节点。在确定需要加入的网络PANID和父节点之后，向候选父节点发送加入网络的请求帧。候选父节点在收到请求帧之后，回复请求帧，如果同意的话，回复的帧里面将包括分配给子节点的网络地址。在收到回复帧之后，子节点回复确认帧。如果回复帧拒绝节点加入网络则节点回到步骤1继续寻找可用网络，否则加入网络的过程结束。以路由器身份加入网络的节点，具有接收其他节点加入网络并为其分配地址的能力，而终端设备则不具有这种能力。在网络发生某些事件的情况下，设备还可以主动的或者被动的退出网络。协调器和路由器有权利强制其子节点退出网络。3基于拓扑的路由ZIGBEE提供了星形网络、树状网络和网状网络三种拓扑结构。星形网络路由网络中包括一个协调器和若干个终端设备。只存在协调器和终端设备的通信，终端设备之间的通信必须通过协调器中继。星形网络的优点是路由方案简单，无需其他路由信息，一切数据包均通过唯一的协调器中继。缺点是网络规模小，最多支持两跳网络，仅适用于小型网络。树形网络路由网络包括一个协调器和若干个路由器及终端设备。整个网络以协调器为根组成一个树状网络，终端设备只能作为树状网络的叶子。节点在转发消息时通过计算与目标设备的关系，从而决定向自己的父节点转发还是向某个子节点转发。树形路由的优点是路由方案简单，代价小。缺点是路径往第2章无线传感器网络与ZIGBEE协议往不是最优。网状网络路由整个网络组成网状结构，没有父子节点之分，路由的时候不把下一跳候选局限在父节点或子节点。ZIGBEE的网状路由机制是一种路由发现机制，从源节点向网络广播一个路由发现请求帧，该帧通过泛洪方式传递给网络中的各个节点。当路由发现请求帧到达目的节点时，目的节点选择一条最优路径并沿着这条路径往源节点发送路由发现应答帧。随着源节点收到应答帧，从源节点到目的节点的最优路径便建立起来了。路由发现的优点是其发现的路径是最优的，缺点是路由发现的过程中通信代价过大。二应用层ZIGBEE应用层包括应用支持子层APPLICATIONSUPPORTSUBLAYER,APS，应用框架APPLICATIONFRAMEWORK，AF和ZIGBEE设备对象ZIGBEEDEVICEOBJECT，ZDO。APS主要负责数据单元的处理和传输以及应用对象的绑定。ZDO是一个公共服务接口，提供了一个公共的功能集，为用户自定义的应用对象提供一个调用APS和NWK层的接口。AF为用户自定义的应用程序提供一个模板式的活动空间，通过键值对KVP和报文MSG两种服务方式。1应用支持子层在ZIGBEE网络中，除了64为的IEEE地址和16位的网络地址，每个节点还提供了8位的应用层入口地址对应于每个应用对象，即端点ENDPOINT。端点的概念类似于TCPIP协议中的端口。APS层对应于OSI七层协议模型中的运输层，它为数据提供一种端点到端点源节点应用对象到目的节点应用对象的可靠传输服务。APS帧格式如下图所示，由APS帧头和APS载荷组成。其中控制域包括了帧类型、传输模式和是否需要确认等信息。地址域则包含了目标端点和源端点等地址信息。目的节点在收到帧之后根据帧中目标端点的值将帧交给对应的应用对象。当控制域中的应答标示为1时，目的节点在收到帧之后还需要往源节点发送一个确认帧，从而实现网络中点到点的可靠传输。APS计数器用来实现帧的唯一标示。字节L01O202O2011VARIABLE目标端组地址事务配置文源端点APS控制域点ID件ID计数载荷地址域器APS帧头载荷FIG28APS层帧格式16第2章无线传感器网络与ZIGBEE协议APS层还支持一种间接传输的传输方式。首先通过一种应用对象绑定机制将一对发送和接收的设备绑定，由网络协调器负责维护绑定消息。在间接发送的时候，源节点通过控制域指定简介传输方式，并在地址域中省略掉目的地址信息。此时帧将首先被发往协调器，然后有协调器根据设备绑定表再转发到目的节点的应用对象。2ZIGBEE设备对象ZDO是一个公共服务接口，提供了一个公共的功能集，为用户自定义的应用对象提供一个调用APS和NWK层的接口。其中ZDO的一项主要功能是设备发现与服务发现。设备发现可以使设备对象根据IEEE地址获取对应设备的网络地址，或者是根据网络地址获得对应设备的IEEE地址。这项服务类似与TCPIP中的ARP和RARP协议。当已知网络地址，则单播IEEE地址请求。若己知IEEE地址，则通过广播方式查询网络地址。ZIGBEE终端设备只反馈自己的地址，协调器和路由器除了反馈自己的地址，还可以再附上其所有的接入设备的网络地址。服务发现，即获取目标设备所支持的服务内容。比如设备当前活动的端点、端点支持的事务、端点的简单描述、节点描述和设备能量描述等等。3应用框架应用框架AF为用户自定义的应用对象提供一个模板式的空间，它涉及的内容包括键值对KVP和报文MSG两种用户数据格式服务，用于定义APDU中具体应用数据的格式。应用框架的通用帧格式如下图所示，包括4位交易个数，4位帧服务类型和若干个交易数据域。位44长度可变长度可变长度可变交易个数帧服务类型交易1交易NFIG29应用框架通用帧格式交易数据域的格式目前有键值域和报文两种类型。键值域采用了专门的比较规范的信息格式，通常用于对特定属性值的读取或设置等操作，格式固定，传送数据量少。报文帧则采用自定义的用户格式，通常用于专用的数据流和文件数据等数据较大的传输。应用对象可以根据不同应用的需要选择交易数据域的格式类型。17第3章ZIGBEE路由协议的研究与改进第3章ZIGBEE路由协议的研究与改进前面章节中就无线传感器网路的相关问题和ZIGBEE协议做了详细介绍。正如前面所提到的，ZIGBEE由于其低功耗、低成本、自组织等方面的优势与无线传感器网络的要求不谋而合，因此ZIGBEE逐渐成为了无线传感器网络的首选协议。然而，ZIGBEE在无线传感器方面尚有许多问题有待改进。其网络层的所提供的两种路由协议树形路由和路由发现分别有效率方面和能耗方面的不足之处。同时，无线传感器网络是一种基于应用的网络，不同的应用对网络协议提出了不同的要求。因此在不同的应用中，往往需要对ZIGBEE协议做出适当的修改以更有效的提供基于应用的功能。本章首先提出了一种基于受限泛洪的ZIGBEE路由发现方法，结合了ZIGBEE的两种路由协议的优点，有效降低了路由发现的通信代价。随后，提出了一种面向于机器人导航应用的ZIGBEE树形路由精简版，在满足应用需求的前提下极大的降低了组网复杂度，提高了组网效率与网络维护能力，降低了网络能耗。31ZIGBEE路由在OSI七层协议模型中，网络层的最主要功能就是路由功能。根据WIKIPEDIA描述，路由就是通过互联的网络把信息从源地址传输到目的地址的活动。路由的关键就是找出从源地址到目的地址的有效的且优化的路径。ZIGBEE的网络层定义了两种路由方式