【正文】 等一系列功率分配算法，LINT/LILT 和 LMN/LMA 等基于節(jié)點(diǎn)密度的算法，CBTC 、LMST 、 RNG、DRNG 和 DLSS 等基于臨近圖的近似算法。3 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(wú)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(duì)其進(jìn)行開發(fā)利用。在組網(wǎng)性能上，ZigBee 可以構(gòu)造為星形網(wǎng)絡(luò)或者點(diǎn)對(duì)點(diǎn)對(duì)等網(wǎng)絡(luò)，在每一個(gè)ZigBee 組成的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中，連接地址碼分為 16bit 短地址或者 64bit 長(zhǎng)地址，可容納的最大設(shè)備個(gè)數(shù)分別為 2～16 個(gè)和 2～64 個(gè)，具有較大的網(wǎng)絡(luò)容量。(2)功耗低。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(shí)，立刻傳送。ZigBee 定義了兩種器件：全功能器件(FFD) 和簡(jiǎn)化功能器件(RFD)。為了可靠傳遞，還提供全握手協(xié)議。(8)實(shí)現(xiàn)成本低。為對(duì)語(yǔ)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。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。節(jié)點(diǎn)可以包括儀器和家庭自動(dòng)化應(yīng)用設(shè)備。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(duì)涉及 ZigBee 的層予以定義。因此， IPv6 與 IEEE 結(jié)合是傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展趨勢(shì)。物理層與物理傳輸媒介(這里主要指無(wú)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。兩個(gè)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。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)。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(zhǎng)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(gè)子層。MAC 子層數(shù)據(jù)包由 MAC 子層幀頭(MHR， MAC Header)、MAC 子層載荷和 MAC 子層幀尾(MFR，MAC Footer)組成。網(wǎng)絡(luò)層管理實(shí)體提供網(wǎng)絡(luò)管理服務(wù)，允許應(yīng)用與協(xié)議棧相互作用。有的 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議中也定義了數(shù)據(jù)幀和網(wǎng)絡(luò)層命令幀。綁定表能把源地址和源端點(diǎn)映射到一個(gè)或多個(gè)目標(biāo)地址和目標(biāo)端點(diǎn)。每個(gè)應(yīng)用對(duì)象通過相應(yīng)的端點(diǎn)尋址，端點(diǎn)號(hào)范圍從 1 號(hào)到 240 號(hào)。(如果設(shè)備是協(xié)調(diào)器或路由器的子節(jié)點(diǎn)，設(shè)備就會(huì)關(guān)聯(lián)協(xié)調(diào)器或路由器。公共層面由 ZigBee 聯(lián)盟管理，私立層面由 ZigBee 產(chǎn)品賣主定義，進(jìn)行使用的限制。圖 服務(wù)原語(yǔ)Request：請(qǐng)求原語(yǔ)，用于上層向本層請(qǐng)求指定的服務(wù)。只有那些可以成為 ZigBee 協(xié)調(diào)器并且當(dāng)前沒有加入任何網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備才能建立新網(wǎng)絡(luò)。為了選取建立新網(wǎng)絡(luò)的最佳信道，網(wǎng)絡(luò)層管理實(shí)體需要尋找現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)數(shù)量最少的第一個(gè)信道。如果該網(wǎng)絡(luò)地址被選定，網(wǎng)絡(luò)層管理實(shí)體發(fā)送 原語(yǔ)給 MAC 層以設(shè)定網(wǎng)絡(luò)幀格式。如果該程序己經(jīng)在其他任意設(shè)備上被運(yùn)行，網(wǎng)絡(luò)層。一旦網(wǎng)絡(luò)層管理實(shí)體做出選擇，它就要通過發(fā)送 原語(yǔ)把 MAC 層的 macPANID 屬性設(shè)置為該值。網(wǎng)絡(luò)層管理實(shí)體根據(jù)能量檢測(cè)來(lái)對(duì)這些信道進(jìn)行排序，并忽略一些能量值低于某一可接受水平的信道。數(shù)據(jù)服務(wù)實(shí)體生成協(xié)議數(shù)據(jù)單元(PDU)，并通過數(shù)據(jù)實(shí)體服務(wù)接入點(diǎn)(NLDESAP)提供數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)。這樣就做到了數(shù)據(jù)層與層之間的透明傳輸。例如，家庭燈光配置文件方便了一家制造商生產(chǎn)的無(wú)線開關(guān)去控制另一家制造商生產(chǎn)的照明設(shè)備。終端設(shè)備響應(yīng)設(shè)備發(fā)現(xiàn)查詢后，根據(jù)請(qǐng)求發(fā)送自己的 IEEE 地址或網(wǎng)絡(luò)地址。應(yīng)用對(duì)象可以是燈泡、燈開關(guān)、LED、I/O 線等。需求水平和服務(wù)水平接口的關(guān)鍵是設(shè)備的綁定。網(wǎng)絡(luò)協(xié)議數(shù)據(jù)單元結(jié)構(gòu)( 幀結(jié)構(gòu) )的基本組成部分是：網(wǎng)絡(luò)層幀報(bào)頭，包含幀控制、地址和序列信息；網(wǎng)絡(luò)層幀的可變長(zhǎng)有效載荷，包含幀類型所指定的信息。網(wǎng)絡(luò)層管理實(shí)體利用網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)實(shí)體完成一些網(wǎng)絡(luò)的管理工作，并且網(wǎng)絡(luò)層管理實(shí)體完成對(duì)網(wǎng)絡(luò)信息庫(kù)的維護(hù)和管理。從圖 可以看出，在MAC 層兩個(gè)不同服務(wù)的接入點(diǎn)提供了兩個(gè)不同的 MAC 層服務(wù)：MAC 層通過它的公共部分子層服務(wù)接入點(diǎn)為它提供數(shù)據(jù)服務(wù)；MAC 層通過它的管理實(shí)體服務(wù)接入點(diǎn)為它提供管理服務(wù)。同步包頭由前同步碼(前導(dǎo)碼)和數(shù)據(jù)包(幀)定界符組成，用于獲取符號(hào)同步、擴(kuò)頻碼同步和幀同步，也有助于粗略的頻率調(diào)整；物理層包頭指示載荷部分的長(zhǎng)度，物理層載荷部分含有 MAC 層數(shù)據(jù)包，載荷部分的最大長(zhǎng)度是 127 字節(jié)。PHY 數(shù)據(jù)服務(wù)：在物理無(wú)線信道上接收和發(fā)送 PHY 協(xié)議數(shù)據(jù)單元(PPDUs) ，物理層負(fù)責(zé)下面的任務(wù)：? 無(wú)線收發(fā)信機(jī)的激活和去激活；? 在當(dāng)前信道上的能量監(jiān)測(cè)(ED)；鏈路質(zhì)量指示(LQI) ，用在接收的數(shù)據(jù)上；? 清除信道估計(jì)(CCA)算法用在 CSMA/CA 技術(shù)中；? 信道頻率選擇；? 數(shù)據(jù)發(fā)送和接收。圖 Zigbee 協(xié)議結(jié)構(gòu)體系 物理層(PHY)ZigBee 的物理層規(guī)范了通信頻率，ZigBee 所使用的頻率范闌分別為 和868/915MHz。ZigBee 協(xié)議比較緊湊、簡(jiǎn)單，從總體框架來(lái)看，可以分為三個(gè)基本層次：物理層（PHY）／介質(zhì)接入控制層（MAC） 、ZigBee 堆棧層和應(yīng)用層。ZigBee 聯(lián)盟希望建立一種可以連接每個(gè)電子設(shè)備的無(wú)線網(wǎng)，它預(yù)言 ZigBee 將很快成為全球高端的無(wú)線技術(shù)，2022 年 ZigBee 節(jié)點(diǎn)達(dá)到 30 億個(gè)。每個(gè)服務(wù)實(shí)體通過一個(gè)服務(wù)接入點(diǎn)(SAP)為其上層提供服務(wù)接口，并且每個(gè) SAP 提供了一系列的基本服務(wù)指令來(lái)完成相應(yīng)的功能。它同樣使用 波段，采用跳頻技術(shù)和擴(kuò)頻技術(shù)。IEEE 流行的幾個(gè)版本包括“a”（在 波段帶寬為 54MBps） 、“b”（波段 帶寬為 11MBps） 、 “g”（波段 帶寬為 22MBps） 。它的工作頻率為 ，有效范圍大約在10m 半徑內(nèi)。第三級(jí)安全級(jí)別在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移中采用屬于高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn)(AES)的對(duì)稱密碼。ZigBee 技術(shù)與現(xiàn)有的控制網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)無(wú)縫集成。(4)網(wǎng)絡(luò)容量大。對(duì)于典型應(yīng)用，堿性電池可以使用數(shù)年，對(duì)于某些工作時(shí)間和總時(shí)間(工作時(shí)間+休眠時(shí)間) 之比小 1%的情況，電池的壽命甚至可以超過 10 年。只有 10kbps250kbps,專注于低傳輸速率應(yīng)用。在該頻段上，數(shù)據(jù)傳輸速率為 250kbps；另外兩個(gè)頻段為 915MHz 和 868MHz，其相應(yīng)的信道個(gè)數(shù)分別為 10 個(gè)和 1 個(gè)，傳輸速率分別為 40kbps 和 20kbps。在一個(gè)多跳的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)充當(dāng)采集數(shù)據(jù)和轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)雙重角色，少數(shù)幾個(gè)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障可能導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化，從而引起重新計(jì)算路由和重新組織網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹o(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂浦饕芯康膯栴}是在滿足網(wǎng)絡(luò)覆蓋度和連通度的前提下，通過功率控制和骨干節(jié)點(diǎn)選擇，剔除節(jié)點(diǎn)之間不必要的通信鏈路，形成一個(gè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。3)為路由協(xié)議提供基礎(chǔ)。因此，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂剖菬o(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)基本問題。另外，還要求能利用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)這種高密度的特性來(lái)優(yōu)化。這些因素都是在設(shè)計(jì)一個(gè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議或算法時(shí)應(yīng)該考慮的重要因素 【5】 。(2)核心支撐技術(shù)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)里的核心支撐技術(shù)使用網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議提供的服務(wù)，并通過服務(wù)接口來(lái)屏蔽底層網(wǎng)絡(luò)的細(xì)節(jié)，使終端用戶可以方便的對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行操作。4)網(wǎng)絡(luò)管理接口。(3)應(yīng)用支持平臺(tái)建立在分層網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)管理技術(shù)的基礎(chǔ)之上，它包括一系列基于檢測(cè)任務(wù)的應(yīng)用層軟件，通過應(yīng)用服務(wù)接口和網(wǎng)絡(luò)管理接口來(lái)為終端用戶提供具體的應(yīng)用支持。每個(gè)協(xié)議層中都要增加能量控制代碼，并提供給操作系統(tǒng)進(jìn)行能量分配決策。拓?fù)淇刂评面溌穼印⒙酚蓪油瓿赏負(fù)渖?，反過來(lái)又為它們提供基礎(chǔ)信息支持，優(yōu)化 MAC 協(xié)議和路由協(xié)議，降低能耗。通常，大多數(shù)節(jié)點(diǎn)無(wú)法直接和網(wǎng)關(guān)通信，需要通過中間節(jié)點(diǎn)通過多跳路由的方式將數(shù)據(jù)傳送至匯聚節(jié)點(diǎn)。 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)由分層的網(wǎng)路通信協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)管理平臺(tái)以及應(yīng)用支撐平臺(tái) 3 個(gè)部分組成，如圖 所示 [4]。傳感器節(jié)點(diǎn)在對(duì)所探測(cè)到的信息進(jìn)行初步處理之后，以多跳中繼的方式將其傳送給匯聚節(jié)點(diǎn)，然后經(jīng)衛(wèi)星、互聯(lián)網(wǎng)等途徑到達(dá)最終用戶所在的管理節(jié)點(diǎn)。第三章介紹 ZigBee 技術(shù)的概念和特點(diǎn)，協(xié)議棧結(jié)構(gòu)，與其它無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的區(qū)別，ZigBee 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)和路由研究，最后介紹 ZigBee 技術(shù)的應(yīng)用。目前迫切需要一種符合傳感器和低端的、面向控制的、應(yīng)用簡(jiǎn)單的專用標(biāo)準(zhǔn)，而 ZigBee 的出現(xiàn)正好解決了這一問題。ZigBee 技術(shù)的體系結(jié)構(gòu)主要由物理層、介質(zhì)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、安全層以及應(yīng)用框架層組成。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是自組織無(wú)線傳感器的成網(wǎng)技術(shù)，有多種形態(tài)和方式。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)正常通信聯(lián)系中，信號(hào)可能被一些障礙物或其它電子信號(hào)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(gè)有待研究的問題。加州大學(xué)伯克力分校研究了傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)查詢技術(shù)，提出了實(shí)現(xiàn)可動(dòng)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(luò)上多查詢的方法，并研制了一個(gè)感知數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng) TinyDB。(1)傳感器網(wǎng)絡(luò)方面的研究加州大學(xué)伯克力分校提出了應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)連通性重構(gòu)傳感器位置的方法，并研制了一個(gè)傳感器操作系統(tǒng)—TinyOS。 《國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要(20222020 年)》將“傳感器網(wǎng)絡(luò)及智能信息處理“作為未來(lái)信息產(chǎn)業(yè)及現(xiàn)代服務(wù)業(yè)的重點(diǎn)方向” 。ZigBee 建立在 標(biāo)準(zhǔn)之上，它確定了可以在不同制造商之間共享的應(yīng)用綱要。ZigBee 一詞源自蜜蜂群在發(fā)現(xiàn)花粉位置時(shí)，通過跳 ZigBee 形舞蹈告知同伴，達(dá)到交換信息的目的。人們可以通過傳感器網(wǎng)絡(luò)直接感知客觀世界，從而極大地?cái)U(kuò)展現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的功能和人類認(rèn)識(shí)世界的能力。傳感器節(jié)點(diǎn)利用其內(nèi)置的形式多樣的傳感器，測(cè)量所在周邊環(huán)境的熱、紅外、聲納、雷達(dá)和地震波信號(hào)，檢測(cè)包括溫度、濕度、噪聲、光強(qiáng)度、壓力、土壤成分、移動(dòng)物體的大小、速度和方向等眾多人們感興趣的物理現(xiàn)象。CC2430目 錄主要符號(hào)表1 緒 論 ................................................................1 研究背景 ........................................................1 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò) .............................................1 ZigBee技術(shù) ................................................2 .........................................................2 ...............................................3 ...............................................3 .........................................................4 .......................................4 ZigBee協(xié)議與無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的融合 ..........................5 論文結(jié)構(gòu) ........................................................62 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò) ........................................................7 .........................................7 .........................................8 ........................................10 ........................................113 ZIGBEE 技術(shù) ..........................................................13 ZIGBEE技術(shù)概述 ..................................................13 ZigBee技術(shù)的特點(diǎn) .........................................13 ZigBee與其他無(wú)線通信協(xié)議的比較 ...........................15 ZIGBEE協(xié)議棧結(jié)構(gòu) ................................................16 (PHY) ..................................18 (MAC) ................