【正文】 源程序清單 .......................................................531 緒 論 研究背景 無線傳感器網(wǎng)絡隨著無線通信、集成電路、傳感器以及微機電系統(tǒng)等技術的飛速發(fā)展和日益成熟，傳感器信息獲取技術已經(jīng)從過去的單一化逐漸向集成化、微型化和網(wǎng)絡化的方向發(fā)展，無線傳感器網(wǎng)絡(Wireless Sensor Network,WSN)因此孕育而生。它是由部署在檢測區(qū)域內(nèi)大量的微型傳感器節(jié)點通過無線電通信形成的一個多跳的自組織系統(tǒng)，其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡覆蓋區(qū)域里檢測對象的信息，并發(fā)送給觀察者。無線傳感器網(wǎng)絡的出現(xiàn)引起了全世界范圍的廣泛關注。最早開始無線傳感器網(wǎng)絡技術研究的是美國軍方，此后美國國家自然基金委員會設立了大量與其相關的項目，英特爾、波音、摩托羅拉以及西門子等在內(nèi)的許多公司也都較早加入了無線傳感器網(wǎng)絡的研究。隨著無線傳感器網(wǎng)絡理論與技術的不斷成熟，其應用已經(jīng)由國防軍事領域擴展到環(huán)境監(jiān)測、交通管理、理療健康、工商服務、反恐抗災等諸多領域，使人們在任何時間、任何地點和任何環(huán)境條件下都能夠獲取大量詳實可靠的信息，最終成為一種“ 無處不在”的傳感技術。無線傳感器網(wǎng)絡是一種無中心節(jié)點的全分布網(wǎng)絡。通過隨機投放的方式，眾多傳感器節(jié)點被密集部署在監(jiān)控區(qū)域。這些傳感器節(jié)點集成有傳感器、數(shù)據(jù)處理單元和通信模塊，它們通過無線信道相連，自組織地構成網(wǎng)絡系統(tǒng)。傳感器節(jié)點利用其內(nèi)置的形式多樣的傳感器，測量所在周邊環(huán)境的熱、紅外、聲納、雷達和地震波信號，檢測包括溫度、濕度、噪聲、光強度、壓力、土壤成分、移動物體的大小、速度和方向等眾多人們感興趣的物理現(xiàn)象。傳感器節(jié)點間具有良好的協(xié)作能力，通過局部的數(shù)據(jù)交換來完成全局任務。由于傳感器節(jié)點的節(jié)能要求，多跳、對等的通信方式較之傳統(tǒng)的單跳、主從通信方式更適合于無線傳感器網(wǎng)絡，同時還可有效避免在長距離無線信號傳播過程中所遇到的信號衰落和干擾等各種問題。通過網(wǎng)關，傳感器網(wǎng)絡還可以連接到現(xiàn)有的網(wǎng)絡基礎設施上，從而將采集到的信息回傳給遠程的終端用戶使用。早在上世紀 70 年代，就出現(xiàn)了將傳統(tǒng)傳感器采用點對點傳輸、連接傳感控制器而構成傳感器網(wǎng)絡雛形，我們把它歸之為第一代傳感器網(wǎng)絡。隨著相關學科的不斷發(fā)展和進步，傳感器網(wǎng)絡同時還具有了獲取多種信息的綜合處理能力，并通過與傳感控制器的相連，組成了有信息綜合和處理能力的傳感器網(wǎng)絡，這是第二代傳感器網(wǎng)絡。而從上世紀末開始，現(xiàn)場總線技術開始應用于傳感器網(wǎng)絡，人們用其組建智能化傳感器網(wǎng)絡，大量多功能傳感器被運用，并使用無線技術連接，無線傳感器網(wǎng)絡逐漸形成。無線傳感器網(wǎng)絡就是將邏輯上的信息世界與客觀上的物理世界融合在一起，改變了人類與自然界的交互方式。人們可以通過傳感器網(wǎng)絡直接感知客觀世界，從而極大地擴展現(xiàn)有網(wǎng)絡的功能和人類認識世界的能力。美國商業(yè)周刊和 MIT 技術評論在預測未來技術發(fā)展的報告中，分別將無線傳感器網(wǎng)絡列為 21 世紀最有影響的21 項技術和改變世界的 10 大技術之一。無線傳感器網(wǎng)絡、塑料電子學和仿生人體器官又被稱為全球未來的三大高科技產(chǎn)業(yè) [1]。 ZigBee 技術ZigBee 是一種新興的短距離、低速率無線網(wǎng)絡技術，它是一種介于無線標記技術和藍牙技術之間的技術提案。它有自己的無線電標準，在數(shù)千個微小的傳感器之間相互協(xié)調(diào)實現(xiàn)通信。這些傳感器只需要很少的能量，以接力的方式通過無線電波將數(shù)據(jù)從一個傳感器傳到另一個傳感器，所以它們之間的通信效率非常高。最后，這些數(shù)據(jù)可以進入計算機用于分析或是被另外一種無線技術收集。目前，ZigBee 是部署無線傳感器網(wǎng)絡的新技術。ZigBee 一詞源自蜜蜂群在發(fā)現(xiàn)花粉位置時，通過跳 ZigBee 形舞蹈告知同伴，達到交換信息的目的?？梢哉f是一種小的動物通過簡捷的方式實現(xiàn)“無線”的溝通。人們借此稱呼一種專注于低功耗、低成本、低復雜度、低速短距離無線網(wǎng)絡通信技術。完整的 ZigBee 協(xié)議棧由物理層、介質(zhì)鏈路層、網(wǎng)絡層、安全層和應用層。其物理層和介質(zhì)鏈路層協(xié)議為 IEEE 協(xié)議標準，網(wǎng)絡層和安全層由 ZigBee 聯(lián)盟制定，實現(xiàn)節(jié)點加入或離開網(wǎng)絡、路由查找及數(shù)據(jù)通信等功能，應用層的開發(fā)應用根據(jù)用戶自己的應用需要，對其進行開發(fā)利用。與其它無線協(xié)議相比，ZigBee 協(xié)議具有以下特點：數(shù)據(jù)傳輸速率低、功耗低、成本低、網(wǎng)絡容量大、時延短、網(wǎng)絡的自組織、自愈能力強、通信可靠。在標準規(guī)范的制訂方面，主要是 IEEE 小組與 ZigBee 聯(lián)盟(ZigBeeAlliance)兩個組織，兩者分別制訂硬件與軟件標準，兩者的角色分工就如同IEEE 小組與 WiFi 之間的關系。在 IEEE 方面，2022 年 12 月 IEEE成立了 IEEE 小組，負責制訂介質(zhì)鏈路層(MAC)與物理層(PHY)規(guī)范，在2022 年 5 月通過 標準， 任務小組目前在著手制訂 標準，此標準主要是加強 標準，包括：解決標準有爭議的地方、降低復雜度、提高適應性并考慮新頻段的分配等。ZigBee 建立在 標準之上，它確定了可以在不同制造商之間共享的應用綱要。 僅定義了物理層和介質(zhì)鏈路層，并不足以保證不同的設備之間可以對話，于是便有了 ZigBee 聯(lián)盟。為推動 ZigBee 技術的發(fā)展，Chipcon、Ember、Freescale、Honeywell、Mistubishi、Motorala、Philips 和 Samsung等共同成立了 ZigBee 聯(lián)盟。目前該聯(lián)盟已經(jīng)包含 150 多家會員。根據(jù)市場研究機構預測，低功耗、低成本的 ZigBee 技術將在未來兩年內(nèi)得到快速增長，2022 年全球ZigBee 器件的出貨量將達到 100 萬個，2022 年底將超過 8000 萬個，2022 年將超過 億個 [2]。 研究現(xiàn)狀 國內(nèi)研究現(xiàn)狀我國現(xiàn)代意義的無線傳感網(wǎng)絡及其應用研究幾乎與發(fā)達國家同步啟動，1999 年首次正式出現(xiàn)于中國科學院《知識創(chuàng)新工程試點領域方向研究》的信息與自動化領域研究報告中，作為該領域提出的五個重大項目之一。隨著知識創(chuàng)新工程試點工作的深入，2022 年中科院依托上海微系統(tǒng)所成立微系統(tǒng)研究與發(fā)展中心引領院內(nèi)的相關工作，并通過該中心在無線傳感網(wǎng)絡的方向上陸續(xù)部署了若干重大研究項目和方向性項目，參加單位包括上海微系統(tǒng)所、聲學所、微電子所、半導體所、電子所、軟件所等十余個研究所，初步建立傳感網(wǎng)絡系統(tǒng)研究平臺，在無線智能傳感網(wǎng)絡通信技術、微型傳感器、傳感器節(jié)點、簇點和應用系統(tǒng)等方面取得很大的進展。近幾年來，國家發(fā)改委、科技部、信息產(chǎn)業(yè)部等均啟動了在無線傳感器網(wǎng)絡及自組織網(wǎng)絡領域的研發(fā)項目。 《國家中長期科學和技術發(fā)展規(guī)劃綱要(20222020 年)》將“傳感器網(wǎng)絡及智能信息處理“作為未來信息產(chǎn)業(yè)及現(xiàn)代服務業(yè)的重點方向” 。由于受到了學術界及產(chǎn)業(yè)界的普遍關注，無線傳感器網(wǎng)絡技術正以前所未有的速度發(fā)展。國內(nèi)的許多高校也掀起了無線傳感器網(wǎng)絡的研究熱潮。清華大學、中國科技大學、浙江大學、華中科技大學、天津大學、南開大學、北京郵電大學、東北大學、西北工業(yè)大學和西南交通大學等單位紛紛開展了有關無線傳感器網(wǎng)絡方面的基礎研究工作。一些企業(yè)如華為技術、中興通訊公司等單位也加入無線傳感器網(wǎng)絡研究的行列。 國外研究現(xiàn)狀在美國自然科學基金委員會的推動下，美國加州大學伯克力分校、麻省理工學院、康奈爾大學和加州大學洛杉磯分校等學校開始了傳感器網(wǎng)絡的基礎理論和關鍵技術的研究。英國、日本、意大利等國家的一些大學和研究機構也紛紛開展了該領域的研究工作。目前的研究主要集中在傳感器網(wǎng)絡技術和通信協(xié)議的研究上，也開展了一些感知數(shù)據(jù)查詢處理技術的研究，并取得了一些初步研究結(jié)果。(1)傳感器網(wǎng)絡方面的研究加州大學伯克力分校提出了應用網(wǎng)絡連通性重構傳感器位置的方法，并研制了一個傳感器操作系統(tǒng)—TinyOS。加州大學洛杉磯分校開發(fā)了一個無線傳感器網(wǎng)絡和一個無線傳感器網(wǎng)絡模擬環(huán)境，用于考察傳感器網(wǎng)絡各方面的問題。南加州大學提出了在生疏環(huán)境部署移動傳感器的方法、傳感器網(wǎng)絡監(jiān)視結(jié)構及其聚集函數(shù)計算方法、節(jié)省能源的計算聚集的樹構造算法等。麻省理工學院開始研究超低能源無線傳感器網(wǎng)絡的問題，試圖解決超低能源無線傳感器系統(tǒng)的方法學和技術問題。(2)傳感器網(wǎng)絡通信協(xié)議的研究人們首先對已有的因特網(wǎng)和自組織無線網(wǎng)絡的通信協(xié)議進行了研究，發(fā)現(xiàn)這些協(xié)議不適用于傳感器網(wǎng)絡。康奈爾大學、南加州大學等很多大學開展了傳感器網(wǎng)絡通信協(xié)議的研究，先后提出了幾類新的通信協(xié)議，包括基于談判類協(xié)議(如 SPIN—PP 協(xié)議、SPIN—EC 協(xié)議、SPIN—BC 協(xié)議、SPIN—RL 協(xié)議)、定向發(fā)布類協(xié)議、能源敏感類協(xié)議、多路徑類協(xié)議、傳播路由類協(xié)議、介質(zhì)存取控制類協(xié)議、基于Cluster 的協(xié)議和以數(shù)據(jù)為中心的路由算法。(3)感知數(shù)據(jù)查詢處理技術研究康奈爾大學在感知數(shù)據(jù)查詢處理技術方面開展的研究工作較多。他們研制了一個測試感知數(shù)據(jù)查詢技術性能的 COUGAR 系統(tǒng)，探討了如何把分布式查詢處理技術應用于感知數(shù)據(jù)查詢的處理。加州大學伯克力分校研究了傳感器網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)查詢技術，提出了實現(xiàn)可動態(tài)調(diào)整的連續(xù)查詢的處理方法和管理傳感器網(wǎng)絡上多查詢的方法，并研制了一個感知數(shù)據(jù)庫系統(tǒng) TinyDB。南加州大學研究了傳感器網(wǎng)絡上的聚集函數(shù)的計算方法，提出了節(jié)省能源的計算聚集的樹構造算法，并通過實驗證明了無線通信機制對聚集計算的性能有很大的影響 [3]。 研究目的 無線傳感器網(wǎng)絡的難點傳感器網(wǎng)絡是由大量體積小、成本低，具有無線通信、傳感、數(shù)據(jù)處理等能力的傳感器節(jié)點組成的，傳感器節(jié)點一般由傳感單元、處理單元、收發(fā)單元、電源單元等功能模塊組成。除此之外根據(jù)具體應用的需要，可能還會有定位系統(tǒng)、電源再生單元和移動單元等。在傳感器網(wǎng)絡中，每個節(jié)點的功能都是相同的，大量傳感器節(jié)點被布置在整個觀測區(qū)域中，各個傳感器節(jié)點將所探測到的有用信息通過初步的數(shù)據(jù)處理和信息融合之后傳送給用戶，數(shù)據(jù)傳送的過程是通過相鄰節(jié)點接力傳送的方式傳送回基站，然后再通過基站以衛(wèi)星信道或者有線網(wǎng)絡連接的方式傳送給最終用戶。傳感器網(wǎng)絡與其它傳統(tǒng)的網(wǎng)絡相比有一些獨有的特點，正是由于這些特點使得傳感器網(wǎng)絡存在很多新問題，提出了很多新的挑戰(zhàn)。傳感器網(wǎng)絡的主要特點有：網(wǎng)絡的節(jié)點數(shù)量大、密度高、節(jié)點有一定的故障率；節(jié)點在電池能量、計算能力和存儲容量等方面有限制；網(wǎng)絡的拓撲結(jié)構變化很快，以數(shù)據(jù)為中心。就目前的技術水平來說，讓無線傳感器網(wǎng)絡正常運行并大量投入使用還面臨著許多問題：(1)網(wǎng)絡內(nèi)通信問題。無線傳感器網(wǎng)絡正常通信聯(lián)系中，信號可能被一些障礙物或其它電子信號干擾而受到影響，而且在同一信道中可能出現(xiàn)數(shù)據(jù)沖突，怎么安全有效的通信是個有待研究的問題。(2)成本問題。在一個無線傳感器網(wǎng)絡里面，需要使用數(shù)量龐大的微型傳感器，成本會制約其發(fā)展。(3)系統(tǒng)能量供應問題。目前主要的解決方案有：使用高能電池、降低節(jié)點功率。此外還有傳感器網(wǎng)絡的自我能量收集技術和電池無線充電技術。其中后兩者備受關注。(4)高效的無線傳感器網(wǎng)絡結(jié)構。無線傳感器網(wǎng)絡的網(wǎng)絡結(jié)構是自組織無線傳感器的成網(wǎng)技術，有多種形態(tài)和方式。在這里面，還包括網(wǎng)絡安全協(xié)議問題和大規(guī)模傳感器網(wǎng)絡中的節(jié)點移動性管理等諸多問題有待解決。本課題圍繞著 IEEE 標準和 ZigBee 技術，研究如何將 ZigBee 技術用于無線傳感器網(wǎng)絡平臺，如何設計出無線傳感器網(wǎng)絡中的節(jié)點，如何搭建一個無線傳感器網(wǎng)絡硬件平臺，并使用 ZigBee 技術來作為傳感器網(wǎng)絡的通信協(xié)議。主要在以下幾個方面作一定的研究:(1)無線傳感器網(wǎng)絡的體系結(jié)構和特點無線傳感器網(wǎng)絡是集成了監(jiān)測、控制和無線通信的網(wǎng)絡系統(tǒng)，節(jié)點數(shù)目龐大、分布密集，環(huán)境干擾和節(jié)點故障容易造成網(wǎng)絡拓撲結(jié)構的變化。另外，傳感器節(jié)點具有的能量、處理能力、存儲能力和通信能力等都十分有限。傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡的首要設計目標是提供高服務質(zhì)量和高效帶寬利用，其次考慮節(jié)約能源。而傳感器網(wǎng)絡的首要設計目標是能源的高效使用。(2)ZigBee 協(xié)議的結(jié)構和各層規(guī)范ZigBee 是一種可靠性高、功耗低的無線通信技術，其體系結(jié)構通常由層來量化它的各個簡化標準。ZigBee 技術的體系結(jié)構主要由物理層、介質(zhì)鏈路層、網(wǎng)絡層、安全層以及應用框架層組成。 在 ZigBee 技術中，PHY 層和 MAC 層采用 IEEE 協(xié)議標準。網(wǎng)絡層和安全層由 ZigBee 聯(lián)盟定義。ZigBee 協(xié)議還規(guī)定網(wǎng)絡拓撲結(jié)構和數(shù)據(jù)傳輸策略。這些定義使得 ZigBee 協(xié)議具有以下特點：數(shù)據(jù)傳輸速率低、功耗低、成本低、網(wǎng)絡容量大、時延短、網(wǎng)絡的自組織、自愈能力強和通信可靠。(3)ZigBee 無線傳感器網(wǎng)絡平臺設計由于 ZigBee 協(xié)議的低功耗、低速率等特點，在設計無線傳感器網(wǎng)絡平臺的時候必須考慮到硬件的兼容性和軟件的可開發(fā)性。本文提出了 ZigBee 無線傳感網(wǎng)絡平臺的設計要求，設計并建立一個星型的無線傳感器通信網(wǎng)絡，為無線傳感器網(wǎng)絡的實際應用打下基礎。 ZigBee 協(xié)議與無線傳感器網(wǎng)絡的融合無線傳感器網(wǎng)絡并不需要較高的傳輸帶寬，但卻需要較低的傳輸延時和極低的功率消耗，以使用戶能擁有較長的電池壽命和較多的器件陣列。目前迫切需要一種符合傳感器和低端的、面向控制的、應用簡單的專用標準，而 ZigBee 的出現(xiàn)正好解決了這一問題。ZigBee 有高通信效率、低功耗、低速率、低成本、高安全性以及全數(shù)字化等諸多優(yōu)點。這些優(yōu)點使得 ZigBee 和無線傳感器網(wǎng)絡完美地結(jié)合在一起。 論文結(jié)構本論文共分為六章，具體章節(jié)如下：第一章緒論。首先引入了課題的研究背景，然后介紹了無線傳感器網(wǎng)絡的國內(nèi)