【正文】 改進(jìn)方 案的優(yōu)勢(shì) ......................................................................................................... 53 第三節(jié) 本章小結(jié) ..................................................................................................................... 53 第五章 AODV 路由協(xié)議的實(shí)現(xiàn)與測(cè)試 ....................................................................................... 54 第一節(jié) 驗(yàn)證與測(cè)試環(huán)境的搭建 ............................................................................................. 54 第二節(jié) AODV 路由協(xié)議的測(cè)試 ............................................................................................ 55 第三節(jié) 測(cè)試結(jié)果分析 ............................................................................................................. 57 第四節(jié) 本章小結(jié) ..................................................................................................................... 58 結(jié) 論 ................................................................................................................................................ 59 致 謝 ................................................................................................................................................ 60 參考文獻(xiàn) ............................................................................................................................................ 61 附 錄 ................................................................................................................................................ 62 一、英文原文 ...................................................................................................................... 62 二、英文翻譯 ...................................................................................................................... 74 三、工程設(shè)計(jì)圖紙： .......................................................................................................... 85 重慶郵電大學(xué)本科 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 1 前 言 隨著無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的逐步推廣， ZigBee 技術(shù)憑借其低功耗、低成本、短時(shí)延、高可靠性等諸多優(yōu)勢(shì)得到了越來(lái)越多的關(guān)注。 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)層的作用是保證 MAC 子層的正常工作，并為應(yīng)用層提供合適的接口。當(dāng)沒有數(shù)據(jù)發(fā)送請(qǐng)求時(shí)并不執(zhí)行。 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)大多采用電池供電，特別是當(dāng)節(jié)點(diǎn)分布的環(huán)境比較復(fù)雜，節(jié)點(diǎn)數(shù)量繁多的時(shí)候，更換電池很難的情況下，如何保證網(wǎng)絡(luò)存在周期最長(zhǎng)，節(jié)點(diǎn)功耗降到最低就顯得尤為重要。傳感器是隨機(jī)分布的，組網(wǎng)方式是自組織。 表 幾種短距離無(wú)線通信技術(shù)的比較 規(guī)范 工作頻段 傳輸速率 （ Mbps） 最大功耗 傳輸方式 連接設(shè)備數(shù) 主要用途 ZigBee 868/915MHz , 1~3nW 點(diǎn)對(duì)多點(diǎn) 162 ~ 642 家庭網(wǎng)絡(luò)、控制 網(wǎng)絡(luò)、傳感網(wǎng)絡(luò) 紅外 820mm , 幾 個(gè) mW 點(diǎn)對(duì)點(diǎn) 2 透明可見范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)傳輸，近距離遙控 DECT ~ 1152 幾個(gè) mW 點(diǎn)對(duì)多點(diǎn) 12 家庭語(yǔ)音與數(shù) 據(jù)無(wú)線連接 HomeRF 1,2 100pW 點(diǎn)對(duì)多點(diǎn) 127 家庭無(wú)線局域 網(wǎng) 藍(lán)牙 1,2,3 1~100mW 點(diǎn)對(duì)多點(diǎn) 7 個(gè)人網(wǎng)絡(luò) 11 100mW 點(diǎn)對(duì)多點(diǎn) 255 無(wú)線局域網(wǎng) 6,9,12,18,24,36 100mW 點(diǎn)對(duì)多點(diǎn) 255 無(wú)線局域網(wǎng) 54 100mW 點(diǎn)對(duì)多點(diǎn) 255 無(wú)線局域網(wǎng) RFID 無(wú)需供電 點(diǎn)對(duì)點(diǎn) 2 超市、物流管理 重慶郵電大學(xué)本科 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的 在 軍事、環(huán)境檢測(cè)和預(yù)報(bào)、健康護(hù)理、智能家居、建筑物狀態(tài)監(jiān)控、復(fù)雜機(jī)械監(jiān)控、城市交通、空間探索、大型車間管理，以 及機(jī)場(chǎng)、大型工業(yè)園區(qū)的安全檢測(cè)等方面都得到了廣泛的應(yīng)用， 吸引了來(lái)自政府部門、軍方、 企業(yè)及科研機(jī)構(gòu)的高度關(guān)注，成為目前工業(yè)界、學(xué)術(shù)界的研究熱點(diǎn)之一 。由于系統(tǒng)所使用的設(shè)備一般是電池供電的嵌入式設(shè)備，所以無(wú)線傳感網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸 要求傳輸設(shè)備具有成本低、功耗小的特點(diǎn)。 ZigBee 的目標(biāo)是建立一個(gè) “ 無(wú)所不在的傳感器網(wǎng)絡(luò) ” (Ubiquitous Sensor Network)[3]。應(yīng)用層包括應(yīng)用支持子層（ APS， Application Support Sublayer ）、 ZigBee 設(shè)備對(duì)象（ ZDO,ZigBee Device Object）以及設(shè)備商自定義的醫(yī) 用組件。設(shè)備的發(fā)射 功率在 以下。不過可以通過節(jié)點(diǎn)的傳遞通信來(lái)增加傳輸?shù)木嚯x。因此一是節(jié)省了能量的消耗，二是更加適用于對(duì)時(shí)間敏感的場(chǎng)所。 MAC 層中 通過采用 每個(gè) 待發(fā)送的 數(shù)據(jù)信息必須 在 接收方傳回的確認(rèn)信息 之后方可發(fā)送的機(jī)制，有效地 保證節(jié)點(diǎn)之間在信息傳輸中的可靠性。目前， ZigBee 網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用領(lǐng)域 有以下幾方面 [7]： ① 在傳感器網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域 傳感器網(wǎng)絡(luò)被稱作未來(lái)十大技術(shù)之一， 它是 由 不同種類的傳感器以及ZigBee 裝置構(gòu)成 的一種用來(lái)監(jiān)測(cè)控制的網(wǎng)絡(luò)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集、分析處理等工作， 適用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)學(xué)、軍事等需要數(shù)據(jù)自動(dòng)采集并進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)念I(lǐng)域。 ③ 在汽車上 這主要是傳遞 消息 的通用傳感器。 ④ 在家庭和樓宇自動(dòng)化 智 能建設(shè)上 隨著智能家居的關(guān)注度提高，家庭和樓宇自動(dòng)化在無(wú)線通信方面的應(yīng)用越來(lái)越多。基于 ZigBee 通信的大量的傳感器的組成的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò) ，將收集到包括土壤 的 濕度、 土壤中 氮 的含量 、 土壤 酸堿度 、空氣 溫 濕度等在內(nèi)的各種和作物生長(zhǎng)密切相關(guān)的數(shù)據(jù)。 這些結(jié)合創(chuàng)造出了巨大的市場(chǎng)前景。 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)不需要架設(shè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)施、可以 快速 的 展開、 抗 摧毀能力很強(qiáng)，這些特點(diǎn)都為 ZigBee 技術(shù) 在 復(fù)雜戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境中通信 創(chuàng)造了優(yōu)勢(shì) 。 從安全方面來(lái)看， 無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)有容易被攻擊和 難以追蹤的缺陷，這主要是 無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò) 所使用的 共享無(wú)線信道存在 的 安全隱患 所導(dǎo)致的。 總之 ， 中國(guó) 關(guān)于傳感器網(wǎng)絡(luò)以及 ZigBee 協(xié)議的研究 剛開始 ， 但是，該技術(shù)屬于新興技術(shù)，國(guó)外的發(fā)展并沒有超前很多，所以 及時(shí)開展 對(duì)該技術(shù)的 前沿科學(xué)研究， 對(duì)以后的發(fā)展大有裨益。然后利用 matlab 中的 工具箱搭建了仿真平臺(tái)，在此基礎(chǔ)上，詳細(xì)介紹了 AODV 路由協(xié)議的設(shè)計(jì)思路。 第二章 ZigBee 的路由協(xié)議分析：簡(jiǎn)要介紹 了 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)層、組網(wǎng)過程、數(shù)據(jù)的收發(fā)過程、 常用路由算法的原理及實(shí)現(xiàn)過程。 第五章 AODV 路由算法的實(shí)現(xiàn)與測(cè)試：本章主要對(duì)仿真的結(jié)果進(jìn)行了測(cè)試，并對(duì)測(cè)試結(jié)果和本次實(shí)驗(yàn)中的 不足進(jìn)行了詳細(xì)的分析。 要和應(yīng)用層通信，網(wǎng)絡(luò)層的概念 包括兩個(gè)服務(wù)實(shí)體，數(shù)據(jù)實(shí)體（ NLDE,Network Layer Data Entity）和管理實(shí)體（ NLME,Network Layer Mannger Entity）。 NIME 使用 NLDE 來(lái) 獲得它的一些管理任務(wù)，而且還維護(hù)一 個(gè) 叫做網(wǎng)絡(luò)信息庫(kù)（ NIB） 的 數(shù)據(jù)庫(kù)。 二、 網(wǎng)絡(luò)層管理實(shí)體 網(wǎng)絡(luò)層的管理實(shí)體控制著網(wǎng)絡(luò)層，維護(hù)其網(wǎng)絡(luò)信息庫(kù)，為應(yīng)用層提供接入點(diǎn)，可以說(shuō)這是 是網(wǎng)絡(luò)層的關(guān)鍵所在。定義協(xié)調(diào)器（ Coordinator） 用來(lái)建立新的網(wǎng)絡(luò) 。 ④ 地址分配。 ⑥ 路由發(fā)現(xiàn)。 圖 、圖 和圖 分別給出了各種設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)層功能模塊 [1]。 重慶郵電大學(xué)本科 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 網(wǎng) 絡(luò) 層 初 始 化建 立網(wǎng) 絡(luò)處 理 加 入 網(wǎng) 絡(luò)地 址 分 配 鄰 居 列表 維 護(hù) 路 由 表 維護(hù) 路 由 算 法路 由發(fā) 現(xiàn)路 由維 護(hù)數(shù) 據(jù) 收 發(fā) 圖 Coordinator功能模塊示意圖 網(wǎng) 絡(luò) 層 初 始 化建 立網(wǎng) 絡(luò)處 理 加 入 網(wǎng) 絡(luò)地 址 分 配 鄰 居 列 表 維護(hù) 路 由 表 維 護(hù) 路 由 算法路 由發(fā) 現(xiàn)路 由維 護(hù)數(shù) 據(jù) 收 發(fā)發(fā) 現(xiàn)網(wǎng) 絡(luò)加 入網(wǎng) 絡(luò)離 開網(wǎng) 絡(luò) 圖 Router的 功能模塊示意圖 重慶郵電大學(xué)本科 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 網(wǎng) 絡(luò) 層 初 始 化建 立網(wǎng) 絡(luò)鄰 居 列 表 維 護(hù)路 由發(fā) 現(xiàn)路 由維 護(hù)數(shù) 據(jù) 收 發(fā)發(fā) 現(xiàn)網(wǎng) 絡(luò)加 入網(wǎng) 絡(luò)離 開網(wǎng) 絡(luò) 圖 End device功能模塊示意圖 第 三 節(jié) 組網(wǎng)過程 在 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)中， 每個(gè)網(wǎng)絡(luò)只有一個(gè)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，建立新的網(wǎng)絡(luò)只能 由沒有加入其它網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)調(diào) 器 點(diǎn)發(fā)起， ZigBee 網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)過程如圖 。 如圖 所示為一個(gè)節(jié)點(diǎn)加入當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)和脫離當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)的過程示意圖 [4]。如果節(jié)點(diǎn)有能力作為父節(jié)點(diǎn)，則它在 收到關(guān)聯(lián)請(qǐng)求以后，則發(fā)出關(guān)聯(lián)應(yīng)答，并為待加入節(jié)重慶郵電大學(xué)本科 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 13 點(diǎn)分配一個(gè)唯一的 16 位網(wǎng)絡(luò)地址，待加入節(jié)點(diǎn)在收到關(guān)聯(lián)應(yīng)答后，成功加入網(wǎng)絡(luò)中。當(dāng)一個(gè)子節(jié)點(diǎn)收到來(lái)高層的離開請(qǐng)求后，先要求自己的子節(jié)點(diǎn)離開，待所有子節(jié)點(diǎn)離開后通過 MAC層的取消關(guān)聯(lián)的操作再向其父節(jié)點(diǎn)發(fā)送離開網(wǎng)絡(luò)的申請(qǐng)。樹中的大部分設(shè)備為 全功能設(shè)備（ FFD） ，具有轉(zhuǎn)發(fā)功能，而終端節(jié)點(diǎn) 是精簡(jiǎn)功能設(shè)備 (RFD)，它只能 作為樹枝末尾處的葉節(jié)點(diǎn)，一次只能連接到一個(gè) 全功能設(shè)備 上 。但是，使用ClusterTree 算法建立的路由不一定是最佳 的路徑， 這可能 會(huì)造成 數(shù)據(jù) 分組 在傳輸過程中時(shí)延的增加。其特點(diǎn)是路由路徑最佳，缺點(diǎn)是單個(gè)節(jié)點(diǎn)需要路由表，整體路由代價(jià)高。 ② 路由表 的 結(jié)構(gòu)不同：在 AODV 中，如果節(jié)點(diǎn)檢測(cè)到鏈路中斷則通過上游節(jié)點(diǎn) 廣播 RERR 分組 來(lái) 通知所有受到影響的源節(jié)點(diǎn)。所發(fā)送的 RERR 分組被簡(jiǎn)化為只含有一個(gè)不可達(dá)目的節(jié)點(diǎn)。如果數(shù)據(jù)量是單向的，那么將定期發(fā)送信息，以維護(hù)該路徑 (如圖 所示 )。如圖 所示，節(jié)點(diǎn) 4 離開路徑，一段時(shí)間后，源節(jié)點(diǎn)將偵測(cè)到路徑鏈路中斷 ，因?yàn)樵垂?jié)點(diǎn)不能收到來(lái)自目的節(jié)點(diǎn)的信息。這就是 ClusterTreeamp。 其中 Coordinator ，及協(xié)調(diào)器 和 RN+節(jié)點(diǎn) 的路由算法相同 ，Coordinator、 RN+、 RN是全功能節(jié)點(diǎn) ， 能充當(dāng)其他節(jié)點(diǎn)的路由節(jié)點(diǎn)； RFD 是精簡(jiǎn)功能節(jié)點(diǎn)， 只能充當(dāng) ClusterTree 的葉子（ LeafNode ）。AODVjr算法的路由流程圖 重慶郵電大學(xué)本科 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 18 第 五 節(jié) 本章小結(jié) 本章主要對(duì) ZigBee 網(wǎng)絡(luò)層進(jìn)行了介紹。 重點(diǎn)介紹了ZigBee 的路由機(jī)制。 一、初始化 重慶郵電大學(xué)本科 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 20 本程序中的初始化涉及到兩個(gè)子函數(shù)， 節(jié)點(diǎn)初始化和變量初始化，即node_init 和 initsm。 其中的參數(shù) nbrInp,表示輸入通道的數(shù)目， nbrOutp,表示輸出通道的數(shù)目， prioF 表