毕业设计（论文）基于ZIGBEE无限传感器网络的设计

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1、四川理工学院毕业设计（论文）传感器无线网络技术的下位机实现学 生：学 号：06011050227专 业：测控技术与仪器班 级：2006级2班指导教师： 四川理工学院机械工程学院二O一O六月四 川 理 工 学 院毕业设计（论文）任务书设计（论文）题目： 传感器无线网络技术的下位机实现 系： 机械工程学院 专业： 测控技术与仪器 班级： 2006级2班 学号： 06011050227 学生： 指导教师： 接受任务时间 教研室主任 （签名）系主任 （签名）1 毕业设计（论文）的主要内容及基本要求主要内容：基于ZigBee协议完成传感器无线网络点对点通信的程序设计。基本要求：（1）了解本次课题研究的背

2、景和意义。（2）对无线传感器网络和ZigBee技术的基本了解。（3）对本次设计使用芯片CC2430和C51-RF-3-CS系统做初步了解。 （4）完成实现点对点通信的系统程序设计2指定查阅的主要参考文献及说明1 王殊等无线传感器网络的理论及应用M北京航空航天大学出版社，20072CC2430/CC2431 中文使用说明手册.成都无线龙通讯科技有限公司，2008.63马永强等.基于ZigBee技术的射频芯片CC2430J.单片机及嵌入式系统应用，2007.63进度安排设计（论文）各阶段名称起 止 日 期1查阅资料，学习无线传感器及AD转换的基本知识。2010-3-1至2010-3-212初步完成

3、下位机的软件设计2010-3-22至2010-4-183协助上位机实现对串口的调试2010-4-19至2010-5-164完成论文的撰写2010-5-17至2010-6-15毕业论文的修改、答辩准备工作及毕业答辩2010-6-2至2010-6-13摘 要人类进入2l世纪以来，微电子机械系统、计算机、通信、自动控制和人工智能等学科的飞速发展孕育了一种新型测控网络无线传感器网络。无线传感器网络是由大量无处不在的微小传感器节点，随机布设在无人值守的监控区域而构成的，能够根据环境主要完成指定任务的自治监控网络系统。它已经引起了学术界和工业界的高度重视，是对2l世纪产生巨大影响力的技术之一，在各个领域具

4、有广阔的应用前景。正是基于这种考虑，本文采用ZigBee技术提出了一种无线传感器网络系统方案，设计和实现了ZigBee无线数据传输平台，并对无线传感器网络在信号采集以及接收和发送显示方面的应用进行了初步研究。本文主要工作有以下方面：(1)在对无线传感器网络国内外技术发展状况、短距离通信技术及IEEE802.15.4Zigbee协议分析研究的基础上，本文提出了无线传感器网络的系统结构及传感器节点的设计方案。(2)本文采用射频芯片CC2430设计了传感器节点的数据采集模块、电源和无线通信模块，建立了工作频率为24GHz的完全符合ZigBee协议的无线数据传输平台；在IAR7.3开发环境下编写和编译

5、了传感器节点程序，实现了无线传感器网络采集正弦信号及传感器节点之间的数据传输功能。关键词：传感器网络；传感器节点；ZigBee协议；无线通信芯片CC2430。ABSTRACTSince the mankind enters the 21st century，the rapid development of relevant disciplines such as microelectronic mechanical system， computer, communication，automatic control and artificial intelligence engenders a

6、new kind of monitoring and control networkswireless sensor networks (commonly abbreviated to WSN)Wireless sensor networks is an autonomous monitoring network system composed of a large number of small ubiquitous sensor node switch are randomly deployed in unattended surveillance areas and are capabl

7、e of automatically completing the tasks assigned according to the environmental conditionsWireless sensor networks is one of enormous influence technology to the 2 1st century ,which has wide application in each domain，SO wireless sensor networks is attempted to apply to the mechanical and electrica

8、l monitoring systemConsidering this thought，the scheme of wireless sensor networks system is presented based on ZigBee technology，ZigBee wireless data transmissionplatform is designed and realized and application of wireless sensor networks on the signal acquisition and sending and receiving display

9、 applications is studied preliminarily In this thesis，the main work is as follows(1)On the basis of analysis and research on development situation of wireless sensor networks technology at home and abroad to study，shortdistance communication technologies and IEEE 802154Zigbee protocol，the architectu

10、re of wireless sensor network system and the design scheme of sensor node are proposed in this thesis(2)In this thesis，the radio frequency chip CC2430 is adopted to design each component of sensor node including data acquisition module，power supply and wireless communication moduleWireless data tran

11、smission platform working at 24GHz is established and conforms to the ZigBee protocol completelyThe procedures of sensor node are programmed and compiled in IAR7.3 development environmentThe collection function of the sine signals in wireless sensor networks is not only realized，data Can be also acc

12、urately transmitted between sensor nodesKEY WORDS：wireless sensor networks; sensor nodes; ZigBee protocol; radio frequency chip CC2430I目 录摘 要IABSTRACTII第一章 绪 论11.1 研究背景及意义11.1.1无线传感器网络11.1.2 Zigbee技术21.2 研究现状31.2.1 国内研究现状31.2.2 国外研究现状41.3 研究目的51.3.1 无限传感器网络的难点51.3.2 Zigbee协议与无限传感器网络的融合61.4 研究内容61.5

13、论文结构6第二章 无线传感器网络82.1 无线传感器网络的系统构架822 无线传感器网络的体系结构92.3 无线传感器网络技术的关键技术112.4 无线传感器网络的设计原则122.5 本章小结14第三章 ZigBee技术153.1 ZigBee技术概述153.1.1 ZigBee技术的特点153.1.2 ZigBee技术和其它无线网络的比较173.2 ZigBee协议栈结构183.2.1 IEEE802.15.4物理层（PHY）20322 IEEE802154媒介接入控制层(MAC)213.2.3 ZigBee网络层（NWK）233.2.4 ZigBee应用层（API）243.3 ZigBee

14、技术应用简介253.4 本章小结27第4章 ZigBee硬件CC2430284.1 CC2430简介284.2 CC2430/CC2431 片上系统主要特性（下面怎么空这么多？）294.3引脚和I/O口配置314.4 节点的硬件设计324.5 节点的软件设计344.6 无线通信模块364.6.1无线通信的数据格式和通信频率364.6.2无线通信的原理364.7 本章小结37第五章C51-RF-3-CS系统介绍385.1 C51-RF-3-CS系统硬件介绍385.2 本章小结41第六章 基于ZigBee2006的WSN系统软件设计426.1 IAR7.3开发环境介绍426.1. 1 IAR7.3

15、安装426.1.2 打开一个文件476.2 点对点通信的软件设计496.2.1 主函数496.2.2 芯片组件初始化和参数的设定496.2.3 A/D转换程序设计506.2.4 存储器访问程序设计526.2.5 IEEE802.15.4点对点无线收发程序设计536.3 编译、连接、下载以及仿真调试586.3.1 编译、连接、下载586.3.2 仿真和调试596.4 本章小结64第7章 总结与展望657.1 总结657.2 未来展望66参考文献68致谢69附录A 软件测试结果分析701 串口接收测试702曲线绘制测试71附录B 函数主程序73附录C 接收发送程序76iii附录C 接收发送程序 第

16、一章 绪 论1.1 研究背景及意义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

17、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

18、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

19、，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

20、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

21、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IEEE802154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IEEE802.15.

22、4小组与ZigBee联盟(ZigBee Alliance)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IEEE802.11小组与WiFi之间的关系。在IEEE8021.5.4方面，2000年12月IEEE成立了IEEE802.15.4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

23、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

24、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

25、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

26、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

27、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SPINPP协议、SPINEC协议、SPINBC协议、SPINRL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

28、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 无限传感器网络的难点传感器网络是由大量体积小、成本

29、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

30、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

31、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。1.3.2 Zigbee协议与无限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

32、点使得ZigBee和无线传感器网络完美地结合在一起。1.4 研究内容本文的研究内容主要包括以下几个方面：（1）本次设计的无线网络主要是在基于C51RF-3-CS经济ZigBee开发平台，利用发射器接入的信号通过单片机的处理后通过天线以2.4GHz的频率发射出去，接收器的天线以相同的频率接收到数据，实现两个无线单片机模块的点对点通信，再通过一系列的处理将接收到的数据再通过串口发送的计算机上。（2）本人承担的任务主要集中在外部接入信号数据的处理接收以及通过天线发射到接收模块，在IAR7.3开发环境下编写和编译了传感器节点程序，实现了无线传感器网络采集正弦信号及传感器节点之间的数据传输功能。以便于下

33、位机实时接受和显示。1.5 论文结构第一章 绪论论述了课题研究背景和意义，ZigBee技术发展情况和国内发展情况，并介绍ZigBee联盟发展情况和ZigBee协议的开发进程，以及介绍本论文主要研究内容。第二章 无线传感器网络论述了无线传感器网络节点结构，协议栈结构，以及无线传感器网络的特点和关键技术，通过这些对无线传感器网络有一定的初步了解，为设计打下基础。第三章 ZigBee技术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IEEE802.15.4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。

34、第四章 ZigBee节点CC2430主要介绍了无线传感器网络中的点对点通信实现使用的硬件无线单片机CC2430，以及在实现点对点通信的原理，软件方面介绍了通信的数据格式和接收和发送的流程图。第五章 C51-RF-3-CS系统介绍本章主要介绍此次的无线点对点通信的实现硬件平台，是基于成都无限龙公司提供的C51-RF-3-CS平台。第六章 基于ZigBee2006的WSN系统软件设计本章详细介绍了本设计的主要内容，即是根据设计要对应用层做具体的修改，包括A/D装换，信号的接收和发送的程序框图，以及设计程序。第七章 总结与展望对本论文进行了总结，提出了未来展望。第二章 无线传感器网络2.1 无线传感

35、器网络的系统构架无线传感器网络的系统构架如图21所示，通常包括传感器节点(sensor node)、汇聚节点(sink node)和管理节点(manager node)4。D C E B A A卫星互联网移动通信网络汇聚节点管理节点 传感器节点 监测区域终端用户图21无线传感器网络系统构架在图21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

36、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

37、节点连接传感器节点与外部节点，通过协议转换实现管理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。22 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22所示4。应用支撑平台网络管理接口应用服务平台 网 络 管 理安 全 / 移 动 / 能 量定位时间同步应用层服 务 质 量传 输 控 制 传输层拓 扑 控 制路 由 网络层MAC 数据链路层声、光、电、磁 物理层22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TCPIP协议体系，它由物理层、数

38、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

39、网络、Interact或者其它的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，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，反过来又为他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

40、进行特别处理。他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，用户可接受的性能指标工作。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，传统的完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

41、密等技术。5）移动管理。在某些无线传感器网络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，还可以使用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

42、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和绝对位置，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）应用管理接口。无线传感器网络的网络的应用时多种多样的，针对不同的应用环境，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 无线传感器网络技术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

43、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

44、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

45、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

46、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

47、密度大约是在55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

48、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，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

49、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

50、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TCOMpow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

51、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。2.5 本章小结通过对无线传感器各个方面的了解， 传感器作为人们感官的延伸, 在现代社会中得到了越来越广泛的应用。随着

52、通信技术、嵌入式技术、传感器技术的发展,传感器正逐渐向智能化、微型化、无线网络化发展。本文以温度传感器为例, 使用模块化设计思路, 实现了一个无线传感器网络。这种传感器网络综合了嵌入式技术、传感器技术、短程无线通信技术, 在实际中有着广泛的应用。第三章 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IEEE802.15.4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IEEE802.15.4协议标准

53、，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、Scientificand 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

54、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216个和264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（CSMACA）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

55、，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

56、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）之比小于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

57、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

58、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，

59、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 ZigBe

60、e技术和其它无线网络的比较 目前短距离无线通信技术，除了ZigBee技术外，还存在有许多其他短距离无线无线技术，例如蓝牙技术（Bluetooth）、超宽带无线通信技术（UWB:Ultra-WaveBand）、Wi-Fi技术等，其中大部分已经发展到标准级的网络技术，比较见表3.1。红外技术：这是所有技术中成本最低的，但它的工作距离也最短，只能在视距以内，而且中间不能有障碍物。其数据率为115200bps。ISM无线技术：这些廉价的芯片工作在315、433和902到928MHz频段。还要大量同样价廉的模组，但没有标准协议。对真正的简单应用而言，这是最佳选择。蓝牙技术：这种快速（3Mbps）低成本技

61、术的典型使用距离在10到100米间。其技术高度成熟，具有多种规范，并能提供PAN ad-hoc（非网状结构）联网能力6。Wi-Fi:也叫做802.11a/b/g,它的应用领域广泛。尽管比较昂贵，但Wi-Fi具有达54Mbps的极高数据率和最大的覆盖范围（100米）。Wi-Fi收发器的功耗较大，集成到网状也比较困难。UWB:超宽带，现在已有芯片和模组产品。它的速度极高（100到480Mbps）,但覆盖距离很短（小于10米），这决定了它往往被用作消费产品中的视频和高速数据（USB）解决方案。目前没有网状网络能力。ZigBee:这是最新技术。它选择了低速率（250kbps）来换取低功耗和固有网状能力。随着批量的逐步增加，其价格下降。在所有无线技术中，它的潜力最大。表3.1 短距离无线通信的比较种类ZigBee蓝牙Wi-Fi现有移动通信单点覆盖距离50-300M（几公里）10M50M可达几公里网络扩展性自动扩展无无依靠现有网络覆盖电池寿命数年数天数小时数天传输速率250Kbps可达1Mbps1-11Mbps可达38.4Kbps频段868/915MHz、2.4GHz2.4GHz2.4GHz0.8-1GHz网络节点数65000850网络使用费无无无有安全性128bitAES或用户在应用层定义64bit、128bitService Set ID (SSID)使用成