【正文】 PAN 標識符被選定后，網(wǎng)絡層管理實體就要選擇一個 16 位的網(wǎng)絡地址并設置 MAC層的 maeShortAddress 屬性與該網(wǎng)絡地址一致。 網(wǎng)絡管理服務 (1)ZigBee 網(wǎng)絡的建立建立一個新網(wǎng)絡的過程從 原語的使用開始。配置文件分為三種：公共層面(或標準層面)、私立層面和出版層面。應用層面由應用對象運行。下圖表示的是網(wǎng)絡層的通用幀結構，不是所有的幀都包含地址和序列域。M A C 公共部分子層服務接入點物理層數(shù)據(jù)服務接入點 物理層管理實體接入點M A C 管理實體服務節(jié)點M A C 層個域網(wǎng)信息庫M A C 公共部分子層M A C 層管理實體圖 ?。停粒脤咏Y構模型表 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)制方式等相關要求。 PHY 層/MAC 層位于最底層，應用層位于最高層，協(xié)議棧的結構體系如圖 所示。ZigBee 協(xié)議棧的結構模型如圖 所示。這種復雜性為用戶選擇標準化無線平臺增加了困難。AES 可以用來保護數(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使它非常適宜支持簡單器件。無線傳感器網(wǎng)絡不傳輸語音、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、濕度之類的簡單數(shù)據(jù)。因此，節(jié)能和能量管理是無線傳感器網(wǎng)絡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線傳感器網(wǎng)絡協(xié)議和算法 [7]。在無線傳感器網(wǎng)絡中，只有活動的節(jié)點才能夠進行數(shù)據(jù)轉發(fā)，而網(wǎng)絡拓撲控制可以確定由哪些節(jié)點作為轉發(fā)節(jié)點，同時確定節(jié)點之間的鄰居關系。在部署傳感器節(jié)點時，可能在直徑不到 10M 的區(qū)域內(nèi)，傳感器節(jié)點的少則幾個節(jié)點，多則幾百個節(jié)點。無線傳感器網(wǎng)絡依靠這些豐富的核心支撐技術構成了一個具體的面向應用的網(wǎng)絡系統(tǒng)。1)時間同步。2)服務質量管理。圖 無線傳感器網(wǎng)絡的體系結構(1)分層的網(wǎng)絡通信協(xié)議類似于傳統(tǒng) Inter 網(wǎng)絡中的 TCP/IP 協(xié)議體系，它由物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡層、傳輸層和應用層組成：1)物理層。第四章為基于 ZigBee 技術的無線傳感器網(wǎng)絡平臺的硬件概述。 在 ZigBee 技術中，PHY 層和 MAC 層采用 IEEE 協(xié)議標準。(2)成本問題。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。 僅定義了物理層和介質鏈路層，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。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。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)絡就是由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量的廉價微型傳感器節(jié)點組成，通過無線通信方式形成的一個多跳的自組織的網(wǎng)絡系統(tǒng)，其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡覆蓋區(qū)域中感知對象的信息，發(fā)送給觀察者。ZigBee。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。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。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。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)絡的拓撲結構變化很快，以數(shù)據(jù)為中心。而傳感器網(wǎng)絡的首要設計目標是能源的高效使用。首先介紹無線傳感器網(wǎng)絡特征和關鍵技術等。匯聚節(jié)點通常具有較強的處理、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)關設備。1)拓撲控制。網(wǎng)絡管理是對無線傳感器上的設備及傳輸系統(tǒng)進行有效監(jiān)視、控制、診斷和測試所采用的技術和方法。傳感器網(wǎng)絡的通信協(xié)議包括物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡層和傳輸層 4 個層次。(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，在有些應用中甚至更多。另一方面，如果發(fā)射功率選擇太小，會影響網(wǎng)絡的連通性。在某些應用中，電池是不可更換的。 ZigBee 技術的特點ZigBee 技術致力于提供一種廉價的、固定的、便攜或者移動設備使用的極低復雜度、低成本和低功耗的無線通信技術。同時為需要固定帶寬的通信業(yè)務預留了專用時隙，避免了發(fā)送數(shù)據(jù)時的競爭和沖突。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)。主要目的是提供 WLAN 接入，也是目前 WLAN 的主要技術標準，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)議棧結構ZigBee 協(xié)議棧由一組子層構成。具有幾十個節(jié)點的網(wǎng)絡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線信道的接入，其主要工作有：? 網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器產(chǎn)生并發(fā)送網(wǎng)絡信標幀；? 支持個域網(wǎng)(PAN)關聯(lián)和取消關聯(lián)；? 為設備的安全提供支持；? 與網(wǎng)絡信標同步；? 信道接入方式采用載波監(jiān)聽多址接入—沖突避免(CSMA/CA)機制? 處理和維護保護時隙(GTS)機制；? 在兩個對等的 MAC 實體之間提供一個可靠的通信鏈路。網(wǎng)絡層數(shù)據(jù)實體提供如下服務：生成網(wǎng)絡層協(xié)議數(shù)據(jù)單元(NPDU)；指定拓撲傳輸路由。應用對象處于應用層的頂部，由設備制造商所決定。4．ZigBee 配置文件ZigBee 配置文件，也稱為層面，是不同設備上應用之間信息處理的協(xié)定，是應用領域和應用領域接口所需要的設備描述。ZigBee 標準提供了兩個必須的功能服務實體，它們分別為管理服務實體和數(shù)據(jù)服務實體。如果存在并且沒有與現(xiàn)有的 PANID 沖突，這個值就成為新網(wǎng)絡的PANID。PAN 狀態(tài)通過 原語傳回網(wǎng)絡層。這一過程通過發(fā)送 原語，并設置其狀態(tài)參數(shù)為 來實現(xiàn)。 ZigBee 無線網(wǎng)絡的組網(wǎng)ZigBee 協(xié)議是分層的通信協(xié)議，層與層之間是通過服務接入點 SAP 相連接的。241 號—254 號端點預留作未來使用。應用支持層的功能包括維持綁定表、在綁定的設備之間傳送信息。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等控制信息；幀序號域包含了發(fā)送方對幀的順序編號，用于匹配確認幀，實現(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)絡地址。從圖 可以看到，在物理層中存在數(shù)據(jù)服務接入點和物理層管理實體服務的接入點。此外也負責數(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)絡層和應用層(APL)框架的設計。這些特點限制了它在工業(yè)場合的推廣和應用。無線傳感器網(wǎng)絡中可以具有成千上萬的節(jié)點，如果不能嚴格地控制節(jié)點的成本，那么網(wǎng)絡的規(guī)模必將受到嚴重的制約，從而將嚴重地制約無線傳感器網(wǎng)絡的強大功能。如果通過網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器組建無線傳感器網(wǎng)絡，整個網(wǎng)絡最多可以支持超過 65000 個 ZigBee網(wǎng)絡節(jié)點，再加上各個網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器可互相連接，整個 ZigBee 網(wǎng)絡節(jié)點的數(shù)目將十分可觀。其次在非工作模式時 ZigBee 節(jié)點處于休眠模式，耗電量僅僅只有 1uW。根據(jù) IEEE 協(xié)議標準， ZigBee 的工作頻段分為 3 個頻段，這 3 個工作頻段相距較大，而且在各個頻段的信道數(shù)據(jù)不同。而骨干節(jié)點的選擇是網(wǎng)絡拓撲控制的一項重要內(nèi)容。(3)網(wǎng)絡拓撲控制在無線傳感器網(wǎng)絡中，傳感器節(jié)點是體積微小的嵌入式設備，采用能量有限的電池供電，它的計算能力和通信能力都十分有限。自組織網(wǎng)絡技術使用網(wǎng)絡通信協(xié)議提夠的服務，通過網(wǎng)絡管理接口來屏蔽底層網(wǎng)絡的細節(jié)，使終端用戶可以方便的管理配置無線傳感器網(wǎng)絡。2)定位。為滿足用戶的要求，無線傳感器網(wǎng)絡必須能夠為用戶提供足夠的資源，以用戶可接收的性能指標工作。無線傳感器網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)鏈路層負責數(shù)據(jù)成幀、幀檢測、媒體訪問和差錯控制。首先介紹了各種軟件環(huán)境，其次研究了實際中關鍵問題的處理方法。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。目前主要的解決方案有：使用高能電池、降低節(jié)點功率。(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。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]。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。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。協(xié)議是由 標準的 PHY 和 MAC 層再加上 ZigBee 的網(wǎng)絡層和應用支持層所組成的，其突出的特點是網(wǎng)絡系統(tǒng)支持極低成本、易實現(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。完整的 ZigBee 協(xié)議棧由物理層、介質鏈路層、網(wǎng)絡層、安全層和應用層。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。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。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)絡拓撲結構的變化。 論文結構本論文共分為六章，具體章節(jié)如下：第一章緒論。訪問通信范圍以外的節(jié)點，必須使用多跳路由。主要通過匯聚節(jié)點采集傳感器節(jié)點中的數(shù)據(jù)信息，并使用衛(wèi)星、移動通信網(wǎng)絡、Inter 或者其它的鏈路與外部網(wǎng)絡通信。5)移動管理。每個部分都有許多關鍵技術需要研究和解決 【4】 。如果傳感器節(jié)點部署的環(huán)境干預比較小，那么對容錯性的要求相對比較低。網(wǎng)絡拓撲控制的一個重要目標就是在保證網(wǎng)絡連通性和覆蓋度的情況下，盡量合理高效地使用網(wǎng)絡能量，延長整個網(wǎng)絡的生存時間。在層次型拓撲控制方面，提出了 TopDisc 成簇算法，改進的 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。在無線通信技術上，采用載波偵聽多路接入沖突避免(CSMACA)方式，有效的避免了無線電載波之間的沖突。發(fā)送的每個數(shù)據(jù)包都必須等待接收方的確認信息，并進行確認信息回復。(7)安全性。另外，Bluetooth 對每個“Pico”有只能配置 7 個節(jié)點的限制，制約了其在大型傳感器網(wǎng)絡開發(fā)中的應用。它本身的特點使得其在工業(yè)監(jiān)控、傳感器網(wǎng)絡、家庭監(jiān)控、安全系統(tǒng)等領域有很大的發(fā)展空間。ZigBee 應用層ZigBee 網(wǎng)絡層IEEE 層IEEE 868/915MHZ PHY 層IEEE PHY 層圖 ZigBee 體系結構模型相對于常見的無線通信標準，ZigBee 協(xié)議套件緊湊而簡單，具體實現(xiàn)要求很低。 波段為全球統(tǒng)一，無須申請的 ISM 頻段，有助于 ZigBee 設備的推廣和生產(chǎn)成本的降低。MAC 子層便用物理層提供的服務實