【正文】 的設(shè)備之間可以對話，于是便有了 ZigBee 聯(lián)盟。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(luò)容量大、時延短、網(wǎng)絡(luò)的自組織、自愈能力強(qiáng)、通信可靠?？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。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。美國商業(yè)周刊和 MIT 技術(shù)評論在預(yù)測未來技術(shù)發(fā)展的報告中，分別將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)列為 21 世紀(jì)最有影響的21 項技術(shù)和改變世界的 10 大技術(shù)之一。隨著相關(guān)學(xué)科的不斷發(fā)展和進(jìn)步，傳感器網(wǎng)絡(luò)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(luò)，這是第二代傳感器網(wǎng)絡(luò)。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(wù)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種無中心節(jié)點的全分布網(wǎng)絡(luò)。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(luò)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(luò)的出現(xiàn)引起了全世界范圍的廣泛關(guān)注。通過隨機(jī)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。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(luò)，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。而從上世紀(jì)末開始，現(xiàn)場總線技術(shù)開始應(yīng)用于傳感器網(wǎng)絡(luò)，人們用其組建智能化傳感西安工業(yè)大學(xué)北方信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）0器網(wǎng)絡(luò)，大量多功能傳感器被運用，并使用無線技術(shù)連接，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)逐漸形成。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、塑料電子學(xué)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]。最后，這些數(shù)據(jù)可以進(jìn)入計算機(jī)用于分析或是被另外一種無線技術(shù)收集。人們借此稱呼一種專注于低功耗、低成本、低復(fù)雜度、低速短距離無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)。在標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)，兩者的角色分工就如同IEEE 小組與 WiFi 之間的關(guān)系。為推動 ZigBee 技術(shù)的發(fā)展，Chipcon、Ember、Freescale、Honeywell、Mistubishi、Motorala、Philips 和 Samsung等共同成立了 ZigBee 聯(lián)盟。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(lǐng)院內(nèi)的相關(guān)工作，并通過該中心在無線傳感網(wǎng)絡(luò)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(xué)所、微電子所、半導(dǎo)體所、電子所、軟件所等十余個研究所，初步建立傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)研究平臺，在無線智能傳感網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、微型傳感器、傳感器節(jié)點、簇點和應(yīng)用系統(tǒng)等方面取得很大的進(jìn)展。國內(nèi)的許多高校也掀起了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究熱潮。英國、日本、意大利等國家的一些大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)也紛紛開展了該領(lǐng)域的研究工作。南加州大學(xué)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(luò)監(jiān)視結(jié)構(gòu)及其聚集函數(shù)計算方法、節(jié)省能源的計算聚集的樹構(gòu)造算法等。(3)感知數(shù)據(jù)查詢處理技術(shù)研究康奈爾大學(xué)在感知數(shù)據(jù)查詢處理技術(shù)方面開展的研究工作較多。 研究目的 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的難點傳感器網(wǎng)絡(luò)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。傳感器網(wǎng)絡(luò)的主要特點有：網(wǎng)絡(luò)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(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化很快，以數(shù)據(jù)為中心。在一個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)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。其中后兩者備受關(guān)注。本課題圍繞著 IEEE 標(biāo)準(zhǔn)和 ZigBee 技術(shù)，研究如何將 ZigBee 技術(shù)用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)平臺，如何設(shè)計出無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點，如何搭建一個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)硬件平臺，并使用 ZigBee 技術(shù)來作為傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信協(xié)議。而傳感器網(wǎng)絡(luò)的首要設(shè)計目標(biāo)是能源的高效使用。網(wǎng)絡(luò)層和安全層由 ZigBee 聯(lián)盟定義。本文提出了 ZigBee 無線傳感網(wǎng)絡(luò)平臺的設(shè)計要求，設(shè)計并建立一個星型的無線傳感器通信網(wǎng)絡(luò)，為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的實際應(yīng)用打下基礎(chǔ)。這些優(yōu)點使得 ZigBee 和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)完美地結(jié)合在一起。首先介紹無線傳感器網(wǎng)絡(luò)特征和關(guān)鍵技術(shù)等。硬件部分分別介紹了各個模塊的功能和特點。2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)02 無線傳感器網(wǎng)絡(luò) 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)構(gòu)架無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)構(gòu)架如圖 所示，通常包括傳感器節(jié)點(sensor node)、匯聚節(jié)(sink node)和管理節(jié)點 (manager node)【4】 。傳感器節(jié)點通常是一個嵌入式系統(tǒng)，由于受到體積、價格、電源供給等因素的限制，它的處理能力、存儲能力相對較弱，通常距離也很有限，通常只與自身通信范圍內(nèi)的鄰居節(jié)點交換信息。匯聚節(jié)點通常具有較強(qiáng)的處理、存儲和通信能力，它既可以是一個具有足夠能量供給和更多內(nèi)存資源與計算能力的增強(qiáng)型傳感器節(jié)點，也可以是一個帶有無線通信接口的特殊網(wǎng)關(guān)設(shè)備。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的物理層負(fù)責(zé)信號的調(diào)制和數(shù)據(jù)的收發(fā)，所采用的傳輸介質(zhì)有無線電、紅外線和光波等。3)網(wǎng)絡(luò)層。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的傳輸層負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)流的傳輸控制。1)拓?fù)淇刂?。服?wù)質(zhì)量(QoS)管理在各協(xié)議層設(shè)計隊列管理、優(yōu)先級機(jī)制或者寬帶預(yù)留等機(jī)制，并對特定應(yīng)用的數(shù)據(jù)進(jìn)行特別處理。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，電源能量是各個節(jié)點最寶貴的資源。由于節(jié)點隨機(jī)部署、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞膭討B(tài)性以及無線信道的不穩(wěn)定，傳統(tǒng)的安全機(jī)制無法在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中適用，因此需要設(shè)計新型的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)安全機(jī)制，這需要采用擴(kuò)頻通信、接入認(rèn)證、鑒權(quán)、數(shù)字水印和數(shù)據(jù)加密等技術(shù)。網(wǎng)絡(luò)管理是對無線傳感器上的設(shè)備及傳輸系統(tǒng)進(jìn)行有效監(jiān)視、控制、診斷和測試所采用的技術(shù)和方法。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信協(xié)議和應(yīng)用要求各節(jié)點間的時鐘必須保持同步，這樣多個傳感器節(jié)點才能相互配合工作。3)應(yīng)用服務(wù)接口。 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為當(dāng)今信息領(lǐng)域的研究熱點，涉及多學(xué)科交叉，所需要研究的內(nèi)容可分為 4個部分：網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議、核心支撐技術(shù)、自組織管理和開發(fā)與應(yīng)用。傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信協(xié)議包括物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層 4 個層次。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的核心支撐技術(shù)包括拓?fù)淇刂?、?jié)點定位、時間同步、網(wǎng)內(nèi)信息處理和網(wǎng)絡(luò)安全等。(4)開發(fā)與應(yīng)用作為一種服務(wù)于實際應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)還有有一套現(xiàn)實可行的軟硬件設(shè)計原則、高效的開發(fā)平臺以及一系列別具特色的應(yīng)用實例。傳感器節(jié)點的可靠性或者容錯性滿足泊松分布，因此，在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和算法設(shè)計時必須考慮容錯性需求。(2)伸縮性部署在監(jiān)測區(qū)域附件的傳感器可能成百上千，在有些應(yīng)用中甚至更多。如在機(jī)器診斷的應(yīng)用中，傳感器節(jié)點密度大約是在 5x5 平方米區(qū)域內(nèi)有 300 個傳感器節(jié)點，而對車輛跟蹤應(yīng)用中，節(jié)點密度大約為一個監(jiān)測區(qū)域內(nèi)有 10 個傳感器節(jié)點。對于自組織的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)而言，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂茖W(wǎng)絡(luò)性能的影響很大。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點一般采用電池供電，節(jié)省能量是網(wǎng)絡(luò)設(shè)計主要考慮的問題之一。另一方面，如果發(fā)射功率選擇太小，會影響網(wǎng)絡(luò)的連通性。4)影響數(shù)據(jù)融合。傳感器節(jié)點可能部署在惡劣環(huán)境中，在軍事應(yīng)用中甚至部署在敵方區(qū)域中，所以很容易遭到破壞而失效。目前在功率控制方面，已經(jīng)提出了 COMpow 等一系列功率分配算法，LINT/LILT 和 LMN/LMA 等基于節(jié)點密度的算法，CBTC 、LMST 、 RNG、DRNG 和 DLSS 等基于臨近圖的近似算法。在某些應(yīng)用中，電池是不可更換的。3 Zigbee 技術(shù) 53 ZigBee 技術(shù) ZigBee 技術(shù)概述ZigBee 技術(shù)是一種具有統(tǒng)一技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的短距離無線通信技術(shù)，其物理層和數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議為 IEEE 協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，網(wǎng)絡(luò)層和安全層由 ZigBee 聯(lián)盟制定，應(yīng)用層的開發(fā)應(yīng)用根據(jù)用戶自己的應(yīng)用需要，對其進(jìn)行開發(fā)利用。它們分別為 868MHz、915MHz 和 。在組網(wǎng)性能上，ZigBee 可以構(gòu)造為星形網(wǎng)絡(luò)或者點對點對等網(wǎng)絡(luò)，在每一個ZigBee 組成的無線網(wǎng)絡(luò)中，連接地址碼分為 16bit 短地址或者 64bit 長地址，可容納的最大設(shè)備個數(shù)分別為 2～16 個和 2～64 個，具有較大的網(wǎng)絡(luò)容量。 ZigBee 技術(shù)的特點ZigBee 技術(shù)致力于提供一種廉價的、固定的、便攜或者移動設(shè)備使用的極低復(fù)雜度、低成本和低功耗的無線通信技術(shù)。(2)功耗低。由于工作時間較短、收發(fā)信息功耗較低且采用了休眠模式，使得ZigBee 設(shè)備非常省電，ZigBee 節(jié)點的電池工作時間可以長達(dá) 6 個月到 2 年左右。在這種完全確認(rèn)的數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制下，當(dāng)有數(shù)據(jù)傳送需求時，立刻傳送。同時為需要固定帶寬的通信業(yè)務(wù)預(yù)留了專用時隙，避免了發(fā)送數(shù)據(jù)時的競爭和沖突。ZigBee 定義了兩種器件：全功能器件(FFD) 和簡化功能器件(RFD)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是動態(tài)變化的，無論是節(jié)點的能量耗盡，或者節(jié)點被敵人俘獲，都能使節(jié)點退出網(wǎng)絡(luò)，而且網(wǎng)絡(luò)的使用者也希望能在需要的時候向已有的網(wǎng)絡(luò)中加入新的傳感器節(jié)點。為了可靠傳遞，還提供全握手協(xié)議。對于第二級安全級別，器件可以使用接入控制清單(ACL)來防止非法器件獲取數(shù)據(jù)。(8)實現(xiàn)成本低。 （一）藍(lán)牙（BlueTooth）最早是愛立信在 1994 年開始研究的一種能使手機(jī)與其附件（如耳機(jī)）之間互相通信的無線模塊。為對語音和特定網(wǎng)絡(luò)提供支持，需要協(xié)議棧提供 250kB 系統(tǒng)開銷，從而增加了系統(tǒng)成本和集成復(fù)雜性。主要目的是提供 WLAN 接入，也是目前 WLAN 的主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，其工作頻率也是 。WiFi 規(guī)定了協(xié)議的物理（PHY）層和媒體接入控制（MAC）層，并依賴 TCP/IP 作為網(wǎng)絡(luò)層。主要的協(xié)議有 WCDMA、CDMA202TDSCDMA，工作在 2GHz 頻段附近，速率最高達(dá) 2Mbp。節(jié)點可以包括儀器和家庭自動化應(yīng)用設(shè)備。數(shù)據(jù) 圖像系統(tǒng)資源 16MB+ 1MB+ 250KB+ 4KB32KB電池壽命 1 至 7 至 5 1 至 7 100 至 1000+網(wǎng)絡(luò)大小 1 32 7 255/65，000帶寬（KB/S） 64128+ 11，000+ 720 20250傳輸距離（米） 1，000+ 1100 110+ 1100+成功尺度 覆蓋面大，質(zhì)量 速度、靈活性 價格便宜 可靠、低功耗 方便 價格便宜 ZigBee 協(xié)議棧結(jié)構(gòu)ZigBee 協(xié)議棧由一組子層構(gòu)成。它雖然是基于標(biāo)準(zhǔn)的 7 層開放式系統(tǒng)互聯(lián)模型(OSI) ，但僅對涉及 ZigBee 的層予以定義。相對于常見的無線通信標(biāo)準(zhǔn)，ZigBee 協(xié)議套件緊湊而簡單，具體實現(xiàn)要求很低。因此， IPv6 與 IEEE 結(jié)合是西安工業(yè)大學(xué)北方信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）3傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展趨勢。具有幾十個節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)將很快耗盡已不夠用的 IPv4 地址空間。物理層與物理傳輸媒介(這里主要指無線電波)相關(guān)，負(fù)責(zé)物理媒介與數(shù)據(jù)比特的相互轉(zhuǎn)化，以及數(shù)據(jù)比特與上層(數(shù)據(jù)鏈路層)數(shù)據(jù)幀的相互轉(zhuǎn)化。應(yīng)用層包含在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點上運行的應(yīng)用程序，賦予節(jié)點自己的功能。兩個物理層都基于直接序列擴(kuò)頻(DSSS，Direct Sequence Spread Spectrum)技術(shù)，使用相同的物理層數(shù)據(jù)包格式。868MHz 上的傳輸速率為 20kbps，916MHz 上的傳輸速率則是40kbps。在 的物理層，數(shù)據(jù)傳輸速率為 250kbps，采用的是 16 相位正交調(diào)制技術(shù) (OQPSK)；在915MHz 的物理層，數(shù)據(jù)傳輸速率為 40kbps，采用的是帶有二進(jìn)制移耜鍵控(BPSK)的直接序列擴(kuò)頻(DSSS)技術(shù)；在 868MHz 的物理層，數(shù)據(jù)傳輸速率為 20kbps，采用的是帶有二進(jìn)制移相鍵控(BPSK)的直接序列擴(kuò)頻(DSSS)技術(shù)。數(shù)據(jù)服務(wù)接入點物理層實體服務(wù)接入點物理層個體網(wǎng)絡(luò)基本信息無線射頻服務(wù)接入點物理層物理層管理實體圖 物理層結(jié)構(gòu)模型表 給出了物理層數(shù)據(jù)包的格式。西安工業(yè)大學(xué)北方信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）6表３．２物理層數(shù)據(jù)包格式4 字節(jié) 1 字節(jié) 1 字節(jié) 變量前同步碼 幀定界符 真長度（7 位） 預(yù)留位（1 位） ＰＳＤＵ同步包頭 物理層包頭 物理層凈荷 IEEE 媒介接入控制層(MAC)在 IEEE 802 系列中，OSI 參考模型的數(shù)據(jù)鏈路層又被分力 MAC 和 LLC 兩個子層。MAC 子層處理所有物理層無線信道的接入，其主要工作有：? 網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器產(chǎn)生并發(fā)送網(wǎng)絡(luò)信標(biāo)幀；? 支持個域網(wǎng)(PAN)關(guān)聯(lián)和取消關(guān)聯(lián)；? 為設(shè)備的安全提供支持；? 與網(wǎng)絡(luò)信標(biāo)同步；? 信道接入方式采用載波監(jiān)聽多址接入—沖突避免(CSMA/CA)機(jī)制? 處理和維護(hù)保護(hù)時隙(GTS)機(jī)制；? 在兩個對等的 MAC 實體之間提供一個可靠的通信鏈路。MAC 子層數(shù)據(jù)包由 MAC 子層幀頭(MHR， MAC Header)、MAC 子層載荷和 MAC 子層幀