【正文】 PAN 標(biāo)識(shí)符被選定后，網(wǎng)絡(luò)層管理實(shí)體就要選擇一個(gè) 16 位的網(wǎng)絡(luò)地址并設(shè)置 MAC層的 maeShortAddress 屬性與該網(wǎng)絡(luò)地址一致。 網(wǎng)絡(luò)管理服務(wù) (1)ZigBee 網(wǎng)絡(luò)的建立建立一個(gè)新網(wǎng)絡(luò)的過(guò)程從 原語(yǔ)的使用開(kāi)始。配置文件分為三種：公共層面(或標(biāo)準(zhǔn)層面)、私立層面和出版層面。應(yīng)用層面由應(yīng)用對(duì)象運(yùn)行。下圖表示的是網(wǎng)絡(luò)層的通用幀結(jié)構(gòu)，不是所有的幀都包含地址和序列域。M A C 公共部分子層服務(wù)接入點(diǎn)物理層數(shù)據(jù)服務(wù)接入點(diǎn) 物理層管理實(shí)體接入點(diǎn)M A C 管理實(shí)體服務(wù)節(jié)點(diǎn)M A C 層個(gè)域網(wǎng)信息庫(kù)M A C 公共部分子層M A C 層管理實(shí)體圖 ?。停粒脤咏Y(jié)構(gòu)模型表 給出了 MAC 子層的數(shù)據(jù)包格式。IEEE 在物理層中還規(guī)范了傳輸速率以及調(diào)制方式等相關(guān)要求。 PHY 層/MAC 層位于最底層，應(yīng)用層位于最高層，協(xié)議棧的結(jié)構(gòu)體系如圖 所示。ZigBee 協(xié)議棧的結(jié)構(gòu)模型如圖 所示。這種復(fù)雜性為用戶選擇標(biāo)準(zhǔn)化無(wú)線平臺(tái)增加了困難。AES 可以用來(lái)保護(hù)數(shù)據(jù)凈荷，防止攻擊者冒充合法器件。ZigBee 的低速率、低功耗和短距離傳輸?shù)奶攸c(diǎn)使它非常適宜支持簡(jiǎn)單器件。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)不傳輸語(yǔ)音、視頻之類的大數(shù)據(jù)量的采集數(shù)據(jù)，僅僅傳輸一些采集到的溫度、濕度之類的簡(jiǎn)單數(shù)據(jù)。因此，節(jié)能和能量管理是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)非常重要的研究課題，目前很多研究人員在研究能量敏感的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和算法 [7]。在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，只有活動(dòng)的節(jié)點(diǎn)才能夠進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，而網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂瓶梢源_定由哪些節(jié)點(diǎn)作為轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，同時(shí)確定節(jié)點(diǎn)之間的鄰居關(guān)系。在部署傳感器節(jié)點(diǎn)時(shí)，可能在直徑不到 10M 的區(qū)域內(nèi)，傳感器節(jié)點(diǎn)的少則幾個(gè)節(jié)點(diǎn)，多則幾百個(gè)節(jié)點(diǎn)。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)依靠這些豐富的核心支撐技術(shù)構(gòu)成了一個(gè)具體的面向應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。1)時(shí)間同步。2)服務(wù)質(zhì)量管理。圖 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)(1)分層的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議類似于傳統(tǒng) Inter 網(wǎng)絡(luò)中的 TCP/IP 協(xié)議體系，它由物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層和應(yīng)用層組成：1)物理層。第四章為基于 ZigBee 技術(shù)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的硬件概述。 在 ZigBee 技術(shù)中，PHY 層和 MAC 層采用 IEEE 協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。(2)成本問(wèn)題。加州大學(xué)洛杉磯分校開(kāi)發(fā)了一個(gè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)和一個(gè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)模擬環(huán)境，用于考察傳感器網(wǎng)絡(luò)各方面的問(wèn)題。 僅定義了物理層和介質(zhì)鏈路層，并不足以保證不同的設(shè)備之間可以對(duì)話，于是便有了 ZigBee 聯(lián)盟。美國(guó)商業(yè)周刊和 MIT 技術(shù)評(píng)論在預(yù)測(cè)未來(lái)技術(shù)發(fā)展的報(bào)告中，分別將無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)列為 21 世紀(jì)最有影響的21 項(xiàng)技術(shù)和改變世界的 10 大技術(shù)之一。它是由部署在檢測(cè)區(qū)域內(nèi)大量的微型傳感器節(jié)點(diǎn)通過(guò)無(wú)線電通信形成的一個(gè)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(cè)對(duì)象的信息，并發(fā)送給觀察者。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)就是由部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)大量的廉價(jià)微型傳感器節(jié)點(diǎn)組成，通過(guò)無(wú)線通信方式形成的一個(gè)多跳的自組織的網(wǎng)絡(luò)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)域中感知對(duì)象的信息，發(fā)送給觀察者。ZigBee。而從上世紀(jì)末開(kāi)始，現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)開(kāi)始應(yīng)用于傳感器網(wǎng)絡(luò)，人們用其組建智能化傳感器網(wǎng)絡(luò)，大量多功能傳感器被運(yùn)用，并使用無(wú)線技術(shù)連接，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)逐漸形成。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(gè)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。英國(guó)、日本、意大利等國(guó)家的一些大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)也紛紛開(kāi)展了該領(lǐng)域的研究工作。傳感器網(wǎng)絡(luò)的主要特點(diǎn)有：網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)數(shù)量大、密度高、節(jié)點(diǎn)有一定的故障率；節(jié)點(diǎn)在電池能量、計(jì)算能力和存儲(chǔ)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。而傳感器網(wǎng)絡(luò)的首要設(shè)計(jì)目標(biāo)是能源的高效使用。首先介紹無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)特征和關(guān)鍵技術(shù)等。匯聚節(jié)點(diǎn)通常具有較強(qiáng)的處理、存儲(chǔ)和通信能力，它既可以是一個(gè)具有足夠能量供給和更多內(nèi)存資源與計(jì)算能力的增強(qiáng)型傳感器節(jié)點(diǎn)，也可以是一個(gè)帶有無(wú)線通信接口的特殊網(wǎng)關(guān)設(shè)備。1)拓?fù)淇刂啤＞W(wǎng)絡(luò)管理是對(duì)無(wú)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(cè)試所采用的技術(shù)和方法。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(gè)層次。(2)伸縮性部署在監(jiān)測(cè)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。另一方面，如果發(fā)射功率選擇太小，會(huì)影響網(wǎng)絡(luò)的連通性。在某些應(yīng)用中，電池是不可更換的。 ZigBee 技術(shù)的特點(diǎn)ZigBee 技術(shù)致力于提供一種廉價(jià)的、固定的、便攜或者移動(dòng)設(shè)備使用的極低復(fù)雜度、低成本和低功耗的無(wú)線通信技術(shù)。同時(shí)為需要固定帶寬的通信業(yè)務(wù)預(yù)留了專用時(shí)隙，避免了發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)的競(jìng)爭(zhēng)和沖突。對(duì)于第二級(jí)安全級(jí)別，器件可以使用接入控制清單(ACL)來(lái)防止非法器件獲取數(shù)據(jù)。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 。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(jià)格便宜 可靠、低功耗 方便 價(jià)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。具有幾十個(gè)節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)將很快耗盡已不夠用的 IPv4 地址空間。868MHz 上的傳輸速率為 20kbps，916MHz 上的傳輸速率則是40kbps。MAC 子層處理所有物理層無(wú)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(gè)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(tīng)多址接入—沖突避免(CSMA/CA)機(jī)制? 處理和維護(hù)保護(hù)時(shí)隙(GTS)機(jī)制；? 在兩個(gè)對(duì)等的 MAC 實(shí)體之間提供一個(gè)可靠的通信鏈路。網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)實(shí)體提供如下服務(wù)：生成網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議數(shù)據(jù)單元(NPDU)；指定拓?fù)鋫鬏斅酚?。?yīng)用對(duì)象處于應(yīng)用層的頂部，由設(shè)備制造商所決定。4．ZigBee 配置文件ZigBee 配置文件，也稱為層面，是不同設(shè)備上應(yīng)用之間信息處理的協(xié)定，是應(yīng)用領(lǐng)域和應(yīng)用領(lǐng)域接口所需要的設(shè)備描述。ZigBee 標(biāo)準(zhǔn)提供了兩個(gè)必須的功能服務(wù)實(shí)體，它們分別為管理服務(wù)實(shí)體和數(shù)據(jù)服務(wù)實(shí)體。如果存在并且沒(méi)有與現(xiàn)有的 PANID 沖突，這個(gè)值就成為新網(wǎng)絡(luò)的PANID。PAN 狀態(tài)通過(guò) 原語(yǔ)傳回網(wǎng)絡(luò)層。這一過(guò)程通過(guò)發(fā)送 原語(yǔ)，并設(shè)置其狀態(tài)參數(shù)為 來(lái)實(shí)現(xiàn)。 ZigBee 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)ZigBee 協(xié)議是分層的通信協(xié)議，層與層之間是通過(guò)服務(wù)接入點(diǎn) SAP 相連接的。241 號(hào)—254 號(hào)端點(diǎn)預(yù)留作未來(lái)使用。應(yīng)用支持層的功能包括維持綁定表、在綁定的設(shè)備之間傳送信息。幀控制域指明了 MAC 幀的類型、地址域的格式以及是否需要接收方確認(rèn)等控制信息；幀序號(hào)域包含了發(fā)送方對(duì)幀的順序編號(hào)，用于匹配確認(rèn)幀，實(shí)現(xiàn) MAC 子層的可靠傳輸；地址域采用的尋址方式可以是 64 位的 IEEE MAC 地址或者 8 位的ZigBee 網(wǎng)絡(luò)地址。從圖 可以看到，在物理層中存在數(shù)據(jù)服務(wù)接入點(diǎn)和物理層管理實(shí)體服務(wù)的接入點(diǎn)。此外也負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)包或數(shù)據(jù)幀的裝配以及接收到的數(shù)據(jù)幀的解析。ZigBee 聯(lián)盟提供了網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層(APL)框架的設(shè)計(jì)。這些特點(diǎn)限制了它在工業(yè)場(chǎng)合的推廣和應(yīng)用。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中可以具有成千上萬(wàn)的節(jié)點(diǎn)，如果不能嚴(yán)格地控制節(jié)點(diǎn)的成本，那么網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模必將受到嚴(yán)重的制約，從而將嚴(yán)重地制約無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的強(qiáng)大功能。如果通過(guò)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器組建無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)最多可以支持超過(guò) 65000 個(gè) ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，再加上各個(gè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器可互相連接，整個(gè) ZigBee 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的數(shù)目將十分可觀。其次在非工作模式時(shí) ZigBee 節(jié)點(diǎn)處于休眠模式，耗電量?jī)H僅只有 1uW。根據(jù) IEEE 協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)， ZigBee 的工作頻段分為 3 個(gè)頻段，這 3 個(gè)工作頻段相距較大，而且在各個(gè)頻段的信道數(shù)據(jù)不同。而骨干節(jié)點(diǎn)的選擇是網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂频囊豁?xiàng)重要內(nèi)容。(3)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂圃跓o(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，傳感器節(jié)點(diǎn)是體積微小的嵌入式設(shè)備，采用能量有限的電池供電，它的計(jì)算能力和通信能力都十分有限。自組織網(wǎng)絡(luò)技術(shù)使用網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議提夠的服務(wù)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)管理接口來(lái)屏蔽底層網(wǎng)絡(luò)的細(xì)節(jié)，使終端用戶可以方便的管理配置無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。2)定位。為滿足用戶的要求，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)必須能夠?yàn)橛脩籼峁┳銐虻馁Y源，以用戶可接收的性能指標(biāo)工作。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)鏈路層負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)成幀、幀檢測(cè)、媒體訪問(wèn)和差錯(cuò)控制。首先介紹了各種軟件環(huán)境，其次研究了實(shí)際中關(guān)鍵問(wèn)題的處理方法。這些定義使得 ZigBee 協(xié)議具有以下特點(diǎn)：數(shù)據(jù)傳輸速率低、功耗低、成本低、網(wǎng)絡(luò)容量大、時(shí)延短、網(wǎng)絡(luò)的自組織、自愈能力強(qiáng)和通信可靠。目前主要的解決方案有：使用高能電池、降低節(jié)點(diǎn)功率。(2)傳感器網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議的研究人們首先對(duì)已有的因特網(wǎng)和自組織無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的通信協(xié)議進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)這些協(xié)議不適用于傳感器網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)市場(chǎng)研究機(jī)構(gòu)預(yù)測(cè)，低功耗、低成本的 ZigBee 技術(shù)將在未來(lái)兩年內(nèi)得到快速增長(zhǎng)，2022 年全球ZigBee 器件的出貨量將達(dá)到 100 萬(wàn)個(gè)，2022 年底將超過(guò) 8000 萬(wàn)個(gè)，2022 年將超過(guò) 億個(gè) [2]。它有自己的無(wú)線電標(biāo)準(zhǔn)，在數(shù)千個(gè)微小的傳感器之間相互協(xié)調(diào)實(shí)現(xiàn)通信。隨著無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)理論與技術(shù)的不斷成熟，其應(yīng)用已經(jīng)由國(guó)防軍事領(lǐng)域擴(kuò)展到環(huán)境監(jiān)測(cè)、交通管理、理療健康、工商服務(wù)、反恐抗災(zāi)等諸多領(lǐng)域，使人們?cè)谌魏螘r(shí)間、任何地點(diǎn)和任何環(huán)境條件下都能夠獲取大量詳實(shí)可靠的信息，最終成為一種“ 無(wú)處不在”的傳感技術(shù)。協(xié)議是由 標(biāo)準(zhǔn)的 PHY 和 MAC 層再加上 ZigBee 的網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用支持層所組成的，其突出的特點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)支持極低成本、易實(shí)現(xiàn)、可靠的數(shù)據(jù)傳輸、短距離操作、極低功耗、各層次的安全性等。s PHY layer and MAC layer,ZigBee work layer and application support outstanding characteristic is that the system support low cost operation,easy realization of the dependable data,shortdistance operation,the very low power consumption and the different layer39。通過(guò)網(wǎng)關(guān)，傳感器網(wǎng)絡(luò)還可以連接到現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施上，從而將采集到的信息回傳給遠(yuǎn)程的終端用戶使用。完整的 ZigBee 協(xié)議棧由物理層、介質(zhì)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、安全層和應(yīng)用層。清華大學(xué)、中國(guó)科技大學(xué)、浙江大學(xué)、華中科技大學(xué)、天津大學(xué)、南開(kāi)大學(xué)、北京郵電大學(xué)、東北大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)和西南交通大學(xué)等單位紛紛開(kāi)展了有關(guān)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)方面的基礎(chǔ)研究工作。除此之外根據(jù)具體應(yīng)用的需要，可能還會(huì)有定位系統(tǒng)、電源再生單元和移動(dòng)單元等。主要在以下幾個(gè)方面作一定的研究:(1)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是集成了監(jiān)測(cè)、控制和無(wú)線通信的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，節(jié)點(diǎn)數(shù)目龐大、分布密集，環(huán)境干擾和節(jié)點(diǎn)故障容易造成網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化。 論文結(jié)構(gòu)本論文共分為六章，具體章節(jié)如下：第一章緒論。訪問(wèn)通信范圍以外的節(jié)點(diǎn)，必須使用多跳路由。主要通過(guò)匯聚節(jié)點(diǎn)采集傳感器節(jié)點(diǎn)中的數(shù)據(jù)信息，并使用衛(wèi)星、移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)、Inter 或者其它的鏈路與外部網(wǎng)絡(luò)通信。5)移動(dòng)管理。每個(gè)部分都有許多關(guān)鍵技術(shù)需要研究和解決 【4】 。如果傳感器節(jié)點(diǎn)部署的環(huán)境干預(yù)比較小，那么對(duì)容錯(cuò)性的要求相對(duì)比較低。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂频囊粋€(gè)重要目標(biāo)就是在保證網(wǎng)絡(luò)連通性和覆蓋度的情況下，盡量合理高效地使用網(wǎng)絡(luò)能量，延長(zhǎng)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的生存時(shí)間。在層次型拓?fù)淇刂品矫?，提出?TopDisc 成簇算法，改進(jìn)的 GAF 虛擬地理網(wǎng)格分簇算法，以及 LEACH 和 HEED 等自組織成簇算法。在無(wú)線通信技術(shù)上，采用載波偵聽(tīng)多路接入沖突避免(CSMACA)方式，有效的避免了無(wú)線電載波之間的沖突。發(fā)送的每個(gè)數(shù)據(jù)包都必須等待接收方的確認(rèn)信息，并進(jìn)行確認(rèn)信息回復(fù)。(7)安全性。另外，Bluetooth 對(duì)每個(gè)“Pico”有只能配置 7 個(gè)節(jié)點(diǎn)的限制，制約了其在大型傳感器網(wǎng)絡(luò)開(kāi)發(fā)中的應(yīng)用。它本身的特點(diǎn)使得其在工業(yè)監(jiān)控、傳感器網(wǎng)絡(luò)、家庭監(jiān)控、安全系統(tǒng)等領(lǐng)域有很大的發(fā)展空間。ZigBee 應(yīng)用層ZigBee 網(wǎng)絡(luò)層IEEE 層IEEE 868/915MHZ PHY 層IEEE PHY 層圖 ZigBee 體系結(jié)構(gòu)模型相對(duì)于常見(jiàn)的無(wú)線通信標(biāo)準(zhǔn)，ZigBee 協(xié)議套件緊湊而簡(jiǎn)單，具體實(shí)現(xiàn)要求很低。 波段為全球統(tǒng)一，無(wú)須申請(qǐng)的 ISM 頻段，有助于 ZigBee 設(shè)備的推廣和生產(chǎn)成本的降低。MAC 子層便用物理層提供的服務(wù)實(shí)