基于zigbee技术的无线传感器网络的研究与设计本科生毕业论文设计(编辑修改稿)

基于zigbee技术的无线传感器网络的研究与设计本科生毕业论文设计(编辑修改稿)内容摘要：

技术，为了更好的分析对比它们各自的优缺点，表11列举了它们的主要参数：由列表数据对比得出结论：对于无线传感器网络试验性研究来说，WiFi优势明显，但是这项应用才刚起步，而且造价比较昂贵，一般性研究支付不起。 UWB传输速率高，功耗低，但是也是价格昂贵；红外由于传输定向性强特点，不太适合；蓝牙也是比较昂贵，并且传输距离太小；RFID技术已经比较成熟，但是与WSN结合还没有开展开，仍需等待；HomeRF更适合于家庭网络；而对于ZigBee技术来说，最适合于WSN，成本不是很高，而且硬件产品、模型、协议等都比较简单，易于开发。 本文将对基于ZigBee的无线传感器网络进行初步研究，下文将对ZigBee技术和WSN方案进行叙述。 表11 几种短距离无线通信技术的比较技术名称工作频段传输范围(米)传输速率（Mbps）功耗(mW)主要应用蓝牙1011 100个人网络红外1016几毫瓦透明的点到点传输ZigBee928MHz10100 （加强型达几千米）13传感器网络WiFi10011100个人网络传感器网络RFID135KHz/距离多样无需供电识别、计时、图书馆管理、快递管理、公路自动收费等HomeRF10GHz50121000以下家庭网络UWB GHz小于10数百Mbps至数Gbps1以下家庭、检测、定位、探距等 本文结构组织 第一章对无线传感器网络的背景、体系结构、协议栈、特点等方面进行了介绍，并比较了几种重要的无线通信技术。 第二章对ZigBee/、体系结构、网络配置、组网、路由等方面进行了介绍。 第三章对基于ZigBee的无线传感器网络的硬件部分进行了设计。 第四章对基于ZigBee的无线传感器网络的软件部分进行了设计，并通过两个实验，来验证所设计系统的可靠性和可行性。 第五章提出了几种基于ZigBee的无线传感器网络的应用，并对全文进行总结和展望。 本章小结 本章首先对无线传感器网络的起源、应用前景和发展状况进行了简单介绍。 接着从体系结构、协议栈结构、特点及其关键问题等方面对无线传感器网络进行了概述。 另外，本章还介绍了几种重要的短距离无线通信技术，并对它们做了对比分析。 最后，本章对全文的文章组织和结构进行了介绍，对全文起到了提纲挈领的作用，使文章的内容更加清晰、一目了然。 第二章 ZigBee/ ZigBee/ZigBee技术的名字源自蜂群（Bee）在发现花粉时，通过跳ZigZag形舞蹈来告知同伴，达到交换信息的目的，也就是说蜜蜂依靠这样的方式构成了群体中的通信网络。 后来人们就将这种低功耗、低成本、低复杂度、低速率的近距离无线网络通信技术成为ZigBee技术。 ZigBee技术是一种具有统一标准的短距离无线通信技术，其物理层(PHY)和媒体接入控制（MAC），网络层、安全层和应用层由ZigBee联盟[7]制定。 ，ZigBee的工作频段分为3个频段，分别为868MHz。 ，分为16个频段，该频段为全球通用的工业、科学、医学（ISM，Industrial Scientific and Medical）频段，该频段为免费、免申请的无线电频段，数据传输速率为250kbps，采用偏移四相相移键控调制技术（OQPSK）；另外两个频段86915MHz分别适用于欧洲和美国，其相应的信道个数分别为1个信道和10个信道，传输速率分别为20kbps和40kbps，分别采用直接序列扩频技术(DSSS)和二进制相移键控(BPSK)调制技术。 在组网性能上，ZigBee可以构造成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16位短地址或者64位长地址，可容纳的最大设备个数分别为216个和264个，具有较大的网络容量。 ZigBee采用载波侦听多路访问/冲突避免 (CSMA/CA)方式，有效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技术采用了三级安全性措施，对所传输的数据信息进行加密处理。 ZigBee技术特点相对其它无线通信技术，ZigBee技术有着鲜明的特点：l 低功耗。 这是ZigBee技术最为显著的一个特点，由于它采用了休眠唤醒机制，大大减少能量消耗，两节5号电池可支持一个节点624个小时。 现在，TI公司和德国的Micropelt公司共同推出新能源的Zigbee节点，该节点采用Micropelt公司的热电发电机给TI公司的Zigbee提供电源。 l 低成本。 ZigBee作为WSN的一种重要技术，成本低是它的一大优势，每个 ZigBee芯片的成本最低能达到十几元人民币，并且ZigBee免协议专利费，这为ZigBee技术的开发研究和发展奠定了很好的基础。 l 传输速率低。 Zigbee工作在20～250 kbps的较低传输速率,分别提供250 kbps()、40kbps (915 MHz)和20kbps(868 MHz) 的原始数据吞吐率,满足低速率传输数据的应用需求。 l 短距离。 传输范围一般介于10～100 m 之间,在增大射频功率后,可达到1～3 km。 这指的是相邻节点间的距离，如果通过路由和节点间通信的接力,传输距离将可以更远。 l 短时延。 Zigbee 的响应速度较快,一般从睡眠转入工作状态只需15 ms ,节点连接进入网络只需30 ms ,进一步节省了电能。 相比较,蓝牙需要3～10 s、WiFi 需要3 s。 l 高容量:。 ZigBee可采用星型、树型和Mesh网络拓扑结构，由一个主节点管理若千个子节点，一个主节点最多可以管理254个子节点，同时主节点还可由上一层网络节点管理，最多可组成65536个节点的网络。 l 高安全。 Zigbee 提供了三级安全模式,包括无安全设定、使用接入控制清单防止非法获取数据以及采用高级加密标准(AES 128) 的对称密码,以灵活确定其安全属性。 l 免执照频段。 采用工业科学医疗( ISM) 频段,2. 4 GHz (全球) 、915 MHz(美国) 和868 MHz(欧洲)。 基于ZigBee这些特点（前面我们已经对几种无线通信技术做过比较），目前ZigBee技术最适合于无线传感器网络的应用。 ZigBee技术的体系结构ZigBee协议栈的体系结构如图21所示，网络层、加密层和应用层由ZigBee联盟制定。 图21 ZigBee协议栈的体系结构 l 物理层：ZigBee PHY提供了两种类型的服务，即通过物理层管理实体接口对PHY层数据和PHY层管理提供服务。 图22是ZigBee物理层的结构模型。 PHY层的具体功能是：激活和关闭射频收发器；对信道的能量进行检测；对收到的数据包有链路质量指示；空闲信道评估；载波侦听多路访问/冲突避免(CSMA/CA)协议；信道频率选择；数据的发送和接收等。 图22 ZigBee物理层结构模型[8] l MAC层。 ZigBee MAC层也提供了两种类型的服务：通过MAC层管理实体服务接入点向MAC层数据和MAC层管理提供服务。 MAC层的具体功能是：信标管理；信道接入；时隙连接请求；使用载波侦听多路访问/冲突避免(CSMA/CA)信道访问机制；为两个对等MAC实体提供可靠的连接。 l 网络层。 ZigBee网络层的具体功能是：设备连接和断开网络时所采用的机制；在帧信息传输过程中所采用的安全性机制；设备之间的路由发现和路由维护和转交；对一跳（onehop）邻居设备的发现和相关结点信息的存储。 l 应用层。 ZigBee应用层包括应用支持子层（Application Support SubLayer,APS），应用框架（Application Framework,AF）和ZigBee设备对象（ZigBee Device Object,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和网络层的接口。 AF为用户自定义的应用程序提供一个模板式的活动空间，通过键值对和报文两种服务方式。 应用层包含在网络节点上运行的应用程序，赋予节点自己的功能，应用层的主要功能是将输入转化为数字数据，或者将数字数据转化为输出。 ZigBee技术的网络配置 Zigbee网络中包含两种功能设备，三种节点类型，三种拓扑结构以及两种工作模式。 有了这些基本的知识和功能单元，我们就可以对ZigBee进行组网。 两种功能设备ZigBee网络含全功能设备FFD(Full Function Device)和精简功能设备RFD(Reduced Function Device)两种功能类型的设备。 l 全功能设备(FFD)：可以担任网络协调者，形成网络，让其它的FFD或是精简功能装置（RFD）连结，FFD具备控制器的功能，可提供信息双向传输。 ，更多的存储器、计算能力可使其在空闲时起网络路由器作用，也能用作终端设备。 l 精简功能设备(RFD)：RFD却只能与FFD通讯附带有限的功能来控制成本和复杂性，在网络中通常用作终端设备。 RFD由于省掉了内存和其他电路，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。 三种节点类型 ZigBee网络含三种类型的节点：协调器ZC(ZigBee Coordinator)、路由器ZR(ZigBee Router)和终端设备ZE(ZigBee EndDevice)，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)。 l 协调器ZC：一个ZigBee网络PAN(Personal Area Network)有且仅有一个协调器，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、计算能力和电能。 l 路由器ZR：主要实现扩展网络及路由消息的功能，扩展网络，即作为网络中的潜在父节点，允许更多的设备接入网络，路由节点只有在树状网络和网状网络中存在。 l 终端设备ZE：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，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。 三种拓扑结构ZigBee网络拓扑有星形，网形和簇形三种结构，如图23所示，从左到右依次是星形，网形和簇形。 图23 ZigBee网络拓扑结构l 星形网络。 所有的设备都与中心网络协调设备通信，实际上在这种网络结构中路由器是没有路由作用的。 在这种网络结构中，网络协调设备一般由电力系统供电，而其他设备采用电池供电。 星型网络适合家庭自动化、个人机外设以及个人健康护理等小范围的室内应用。 l 网形网络(Mesh)。 在对方的无线辐射范围内，任何两个FFD设备之间直接通信，在Mesh网络中每一个FFD设备都可以认为是网络路由器，都可现对网络报文的路由转发功能，Mesh网在构建时比较复杂，节点所要维护的较多。 l 簇形网络。 它实际上可以看做是一个复杂的星形网络，一个扩展的星形拓扑或是个简单的星形网络组成的拓扑结构。 在簇形网络中，网络协调设备、器由设备和终端设备的功能清晰，相对于Mesh网络，构建簇形网络比较简单，所需的资源相对较少，并且可以实现网络的路由转发功能，从而也扩大了网络的通信范围。 两种工作模式 ZigBee网络的工作模式可以分为信标(Beacon)和非信标(Nonbeacon)两种模式。 信标模式实现了网络中所有设备的同步工作和同步休眠，以达到最大限度的功耗节省，而非信标模式则只允许终端设备ZE进行周期性休眠，协调器ZC和所有路由器ZR设备必须长期处于工作状态。 信标模式下，ZC负责以一定的间隔时间(一般在15ms4mins之间)向网络广播信标帧，两个信标帧发送间隔之间有16个相同的时槽，这些时槽分为网络休眠区和网络活动区两个部分，消息只能在网络活动区的各时槽内发送。 非信标模式下，ZigBee标准采用父节点为ZE子节点缓存数据，ZE主动向其父节点提取数据的机制，实现ZE的周期性(周期可设置)休眠。 网络中所有父节点需为自己的ZE子节点缓存数据帧，所有ZE子节点的大多数时间都处于休眠模式，周期性的醒来与父节点握手以确认自己仍处于网络中，其从休眠模式转入数据传输模式一般只需要15ms。 ZigBee组网 基本通信原语ZigBee协议是分层的通信协议，层与层之间是通过服务接入点SAP相连接的。 每一层都可以通过本层和下一层的SAP调用下层所提供的服务，同时通过与上层的SAP通信，为上层提供相应服务。 SAP是层与层之间的唯一接口，而具体的服务是以通信原语的形式供层与层之间调用。 在调用下层服务时，只需要遵循统一的原语规范，并不需要去了解如何处理原语。 这样就做到了数据层与层之间的透明传输。 层与层之间的通信原语分为以下四种,它们之间的关系图如图24所示：图24 通信原语之间的关系Request：请求原语，用于上层向本层请求指定的服务。 Confirm：确认原语，用于本层响应上层发出的请求原语。 Indication：指示原语，本层发给上层，用来指示本层的某一内部事件。 Response：响应原语，用于上层响应本层发出的指示原语。 原语遵循“”的规则，比如“”表示物理层数据请求原语。 另外，ZigBee/：协议数据单元（Protocol Data Unit,PDU）和服务数据单元（Service Data Unit,SDU）。 PDU是在不同节点的各层对等实体之间用来实现该层协议所交换的信息单元。 SDU是为了完成上层用户的请求，本层所传送的本层数据净荷。 ZigBe。