【正文】 ZigBee 是 以 IEEE 規(guī)范作為介質(zhì)訪問(wèn)層（ MAC）和物理層（ PHY） 協(xié)議的、專 為低速率傳感器和控制網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。協(xié)調(diào)器會(huì)定期以一個(gè)標(biāo)識(shí)為信標(biāo)幀的超級(jí)幀開始發(fā)送，并且希望網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點(diǎn)與此幀同步。用戶應(yīng)用程序使用此模塊來(lái)管理協(xié)議棧功能。 圖 24 節(jié)點(diǎn) 硬件結(jié)構(gòu) MCU 選用 MICROCHIP 公司的 PIC18LF4620 芯片， PIC4620 單片機(jī) 主要性能 :DC－40MHZ 的時(shí)鐘 輸入， 10MIPS 的執(zhí)行速度， 16位寬指令， 8位寬數(shù)據(jù)通道， 64K字節(jié) Flash存儲(chǔ)器， 4K 字節(jié)的 EEPROM, SPI 接口在線編程， JTAG 在線調(diào)試接口， 1 個(gè) 8 位定時(shí)器， 3 個(gè) 16 位定時(shí)器， 10 位 13 通道 A/D 轉(zhuǎn)換模塊 , 省電 休眠模式，可軟件選擇時(shí)鐘 ，5 個(gè)雙向 I/O 接口， 并行從接口 等 ，寬范圍的工作電壓（ － ）等 。 南京航空航天大學(xué)碩士學(xué)位論文 17 圖 210 節(jié)點(diǎn)信息收集（部分） 圖 2－ 11所示為 在基站成功為各節(jié)點(diǎn)建立路由之后，節(jié)點(diǎn)間的 數(shù)據(jù)請(qǐng)求應(yīng)答過(guò)程 ，首先是地址為 6C18的節(jié)點(diǎn)向 地址為 796F的節(jié)點(diǎn)發(fā)出數(shù)據(jù)請(qǐng)求， 796F收到請(qǐng)求信號(hào)后，向 6C18 作出應(yīng)答，并傳送相應(yīng)信息。同時(shí)，傳感器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)變化，網(wǎng)絡(luò)資源也在不斷變化，這些都對(duì)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議提出了更高的要求。 根據(jù)節(jié)點(diǎn)位置是否確 定 ，傳感器節(jié)點(diǎn)分為 錨 節(jié)點(diǎn)和位置未知節(jié)點(diǎn)。 RBS 機(jī)制是基于接收者之間的時(shí)間同步，一個(gè)節(jié)點(diǎn)廣播發(fā)送時(shí)間參考分組，廣播域內(nèi)的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)分別采用本地時(shí)鐘記錄參考分組的到達(dá)時(shí)間，然后交換記錄時(shí)間來(lái)確定它們之間的時(shí)間偏移量，實(shí)現(xiàn)它們之間的時(shí)間同步。 3． 1． 1 基于測(cè)距的定位方法 常用的定位方法是基于測(cè)距定位方法，在這種定位機(jī)制中需要先得到兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的距離或者角度信息，通常采用以下方法 ： 時(shí)間差定位法 ： TDOA 測(cè)距是通過(guò)計(jì)算兩種不同無(wú)線信號(hào)到達(dá)未知節(jié)點(diǎn)的時(shí)間差，再根據(jù)兩種信號(hào)傳播速度來(lái)計(jì)算得到未知節(jié)點(diǎn)與錨節(jié)點(diǎn)之間 的距離。 質(zhì)心法 ： 質(zhì)心法是南加州大學(xué) Nirupama Bulusu 等學(xué)者提出的一種僅基于網(wǎng)絡(luò)連通性的室外定位算法。 3． 2． 2 復(fù) 合定位法 在 下文 提出的 復(fù) 合定位法中，基于測(cè)距 的定位部分采用了時(shí)間差測(cè)距法，它的主要思想是：對(duì)基站的測(cè)距信號(hào)范圍之內(nèi)的節(jié)點(diǎn)，接收由基站發(fā)射兩種速度不一的信號(hào)，然后各自計(jì)算出自己的位置 ；對(duì)于處于測(cè)距范圍之外的節(jié)點(diǎn)，則 采用類似 DVHop的定南京航空航天大學(xué)碩士學(xué)位論文 27 位法 ，通過(guò)計(jì)算跳數(shù)來(lái) 確定 節(jié)點(diǎn)位置。此時(shí)間差t 將通過(guò)應(yīng)答信息包返回到基站。 圖 31 定位原理圖 設(shè)錨點(diǎn)坐標(biāo)分別為： A(x1,y1),B(x2,y2),C(x3,y3)， (x,y)為目標(biāo)點(diǎn) X 的坐標(biāo)，通過(guò)解方程組： (x1?x)2 + (y1?y)2 =R12 (x2?x)2 + (y2?y)2 =R22 (x3?x)2 + (y3?y)2 =R32 可以得到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)值，為了便于路由計(jì)算，將直角坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成相對(duì)于基站的極坐標(biāo)（ρ , θ ） 。 雖然 目前 已經(jīng) 提出各種各樣的技術(shù)以期達(dá)到 錨 節(jié)點(diǎn)的最優(yōu)布置，但在大多數(shù)情況下，都 會(huì) 因 不可預(yù)料的自然環(huán)境影響就引起這樣或那樣的問(wèn)題， 這就要求在節(jié)點(diǎn)定位系統(tǒng)要有必須要有能根據(jù)具體環(huán)境 動(dòng)態(tài)的、自適應(yīng)的 調(diào)整定位算法的能力，為此 本文提出了基于測(cè)距與不測(cè)距 復(fù) 合定位方法。為了將跳數(shù)值轉(zhuǎn)換成物理距離 ，系統(tǒng)需要估計(jì)網(wǎng)絡(luò)中平均每跳的距離。下面介紹 基于不測(cè)距 的定位算法。 TOA 要求接收信號(hào)的錨節(jié)點(diǎn)或未知節(jié)點(diǎn)知道信號(hào)開始傳輸?shù)臅r(shí)刻，并要求節(jié)點(diǎn)有非常精確的時(shí)鐘。已知位置的節(jié)點(diǎn)稱作錨節(jié)點(diǎn)，它們可能是被預(yù)先放置好的，或者采用 GPS 或其他方法得知自己的位置。 無(wú)線通信技術(shù) ：傳感器網(wǎng)絡(luò)需要低功耗短距離的無(wú)線通信技術(shù)，目前已有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn) 。 傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)造價(jià)不能太高，節(jié)點(diǎn)的微小體積不能安裝除本地振蕩器和無(wú)線通信模塊外更多的用于同步的器件，因此，價(jià)格和體積成為傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步的重要約束條件。確定事件發(fā)生的位置或采集數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)位置是傳感器網(wǎng)絡(luò)最基本的的功能之一。 除了傳統(tǒng)的功率控制和層次型拓?fù)淇刂?，人們還提出了啟發(fā)式的節(jié)點(diǎn)喚醒和休眠機(jī)制。 基于復(fù)合定位的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)層次路由協(xié)議設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 16 圖 2－ 9所示為帶溫度傳感器的節(jié)點(diǎn)實(shí)物圖樣。 物理層（ PHY）定義了無(wú)線信道和 MAC子層之間的接口，提供物理層數(shù)據(jù)服務(wù)和物理層管理服務(wù)。 ZigBee 協(xié)議棧 一般 由 七個(gè) 模塊組成 ，如圖 2－ 3所示 。由于群集和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)具有在多個(gè)網(wǎng)絡(luò)之間路由數(shù)據(jù)包的功能，因而被稱為多跳網(wǎng)絡(luò)，而星型網(wǎng)絡(luò)則被稱為單跳網(wǎng)絡(luò)。能量管理平臺(tái)管理傳感器節(jié)點(diǎn)如 何使用能源，在各個(gè)協(xié)議層都需考慮節(jié)省能量； 但由于傳感器網(wǎng)絡(luò)的一些自身特點(diǎn)，尤其是能耗的極度有限性，使得傳感器網(wǎng)絡(luò)路由層除了高效的完成路由轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù)外，還要 仔細(xì) 考慮節(jié)能問(wèn)題。 匯聚節(jié)點(diǎn)的處理能力、存儲(chǔ)能力和通信能力相對(duì)比較強(qiáng)，它充當(dāng)傳感器網(wǎng)絡(luò)和Inter 等外部網(wǎng)絡(luò)之間的接口部件，實(shí)現(xiàn)兩種協(xié)議棧之間的通信協(xié)議轉(zhuǎn)換，同時(shí)發(fā)布管理節(jié)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)任務(wù)，并把收集的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到外部網(wǎng)絡(luò)中。 (2)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議的研究 鏈路層協(xié)議用于建立可靠的點(diǎn)到點(diǎn)或點(diǎn)到多點(diǎn)通信鏈路，主要由介質(zhì)訪問(wèn)控制(MAC)組成。Mica2Dot 的大小和一枚硬幣差不多，每個(gè) Mica2 可以分為兩個(gè)模塊，一個(gè)是基本的射頻和處理模塊 MPR (Mote Processor Radio Board)，另一個(gè)是可選的傳感模塊MDA(Mote Data Acquisition Board)。該研究屬于美國(guó)能源部 反 恐對(duì)策項(xiàng)目的重要一環(huán)， 整個(gè) 系統(tǒng)融檢測(cè)有毒氣體的化學(xué)傳感器和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)于一體，傳感器一旦檢測(cè)到某種有害物質(zhì)，就會(huì)自動(dòng)向管理中心通報(bào)，自動(dòng) 開啟 引導(dǎo)旅客避難的廣播，并封鎖有關(guān)入口等。 空間探索 ： 探索外部星球一直是人類夢(mèng)寐以求的理想，借助航天器撒布的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò) 可 實(shí)現(xiàn)對(duì)星球表面長(zhǎng)時(shí)間的監(jiān)測(cè)，是一種經(jīng)濟(jì)可行的方案。 在軍事應(yīng)用中，與獨(dú)立的衛(wèi)星和地面雷達(dá)系統(tǒng)相比，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的潛在優(yōu)勢(shì)表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面 ： 南京航空航天大學(xué)碩士學(xué)位論文 3 (1)分布節(jié)點(diǎn)中多角度和多方位信息的綜合有效地提高了信噪比，這一直是衛(wèi)星和雷達(dá)這 類獨(dú)立系統(tǒng)難以克服的技術(shù)問(wèn)題之一 ； (2)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)低成本、高冗余的設(shè)計(jì)原則為整個(gè)系統(tǒng)提供了較強(qiáng)的容錯(cuò)能力 ； (3)傳感器節(jié)點(diǎn)與探測(cè)目標(biāo)的近距離接觸大大消除了環(huán)境噪聲對(duì)系統(tǒng)性能的影響； (4)節(jié)點(diǎn)中多種傳感器的混合應(yīng)用有利于提高探測(cè)的 準(zhǔn)確性 。傳感器網(wǎng)中傳感器節(jié)點(diǎn)密集，數(shù)量巨大，可能達(dá)到幾百甚至幾千 上 萬(wàn)個(gè)。特別是美國(guó)通過(guò)國(guó)家自然基金委 員會(huì) 、國(guó)防部等多種渠道投入巨資支持傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的研究。 1． 2 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn) [3][4] 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)與無(wú)線自組網(wǎng)有許多相似之處，如：無(wú)中心和自組織性、動(dòng)態(tài)變化的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹⑹芟薜臒o(wú)線傳輸帶寬、移動(dòng)終端的能力有 限、多跳路由、安全性差等。在傳感器網(wǎng)中數(shù)據(jù)傳輸具有很強(qiáng)的方向性。通過(guò) 傳統(tǒng)方式采集原始數(shù)據(jù)是一件困難的工作。此外，在災(zāi)難拯救、倉(cāng)庫(kù)管理、交互式博物館、交互式玩具、工廠自動(dòng) 化生產(chǎn)線等眾多領(lǐng)域，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)都將會(huì)孕育出全新的設(shè)計(jì)和應(yīng)用模式。 民用領(lǐng)域的研究進(jìn)展情況 ： 1995 年，美國(guó)交通部提出了“國(guó)家智能交通系統(tǒng)項(xiàng)目規(guī)劃”，預(yù)計(jì)到 2025 年全面投入使用。到現(xiàn)在為止，學(xué)術(shù)界對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究大致經(jīng)過(guò)了兩個(gè)階段。 1． 5 課題背景與研究?jī)?nèi)容 從當(dāng)前的研究工作來(lái)看，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用受限最大的問(wèn)題在于傳感器節(jié)點(diǎn)的能源有限上。傳感器模塊負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)信息的采集和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換；系統(tǒng)控制模塊負(fù)責(zé)控制整個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的操作，存儲(chǔ)和處理本身采集的數(shù)據(jù)以及其他節(jié)點(diǎn)發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)，路由協(xié)議管理模塊負(fù)責(zé)與其他傳感 器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行無(wú)線通信，交換控制消息和收發(fā)采集數(shù)據(jù)；能量模塊為傳感器節(jié)點(diǎn)提供運(yùn)行所需的能量， 電源 通常采用微型電池。如果封裝成 TCP 報(bào)文，則節(jié)點(diǎn)必須維護(hù)滑動(dòng)窗口和 3 次握手等 TCP 機(jī)制，勢(shì)必對(duì)能力十分有限的傳感器節(jié)點(diǎn)造成很大負(fù)荷，因此封裝成 UDP 報(bào)文更現(xiàn)實(shí)些。與其他無(wú)線協(xié)議相比， ZigBee 提供了低復(fù)雜性、縮減的資源要求 和 一組標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)范。在這個(gè)超級(jí)幀中為每個(gè)節(jié)點(diǎn)分配了一個(gè)特定的時(shí)隙，在該時(shí)隙內(nèi)允許節(jié)點(diǎn)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。 APL邏輯，而 APL模塊支持的 API。 圖 2－ 5 為傳感器節(jié)點(diǎn)主板電路的 PCB 圖，圖 2－ 6為主板電路布線圖。 圖 211 節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)交換（部分） 基于復(fù)合定位的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)層次路由協(xié)議設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 18 圖 2－ 12所示為控制終端發(fā)出收集溫度信息命令，節(jié)點(diǎn)成功返回?cái)?shù)據(jù) 的 界面 。傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議負(fù)責(zé)使各個(gè)獨(dú)立的節(jié)點(diǎn)形成一個(gè)多跳的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，目前研究的重點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議和數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議。 錨 節(jié)點(diǎn)的位置是已知的，位置未知節(jié)點(diǎn)需要根據(jù)少數(shù) 錨 節(jié)點(diǎn)，按照某種定位機(jī)制確立自身的位置。 TPSN 機(jī)制采用層次結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的時(shí)間同步 ，所有節(jié)點(diǎn)按照層次結(jié)構(gòu)進(jìn)行邏輯分級(jí)，表示節(jié)點(diǎn)到根節(jié)點(diǎn)的距離，通過(guò)基于發(fā)送者與接收者的節(jié)點(diǎn)對(duì)方式，每個(gè)節(jié)點(diǎn)與上一級(jí)的一個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行同步，從而所有節(jié)點(diǎn)都與根節(jié)點(diǎn)時(shí)間同步。 應(yīng)用層技術(shù) ：應(yīng)用層由各種面向應(yīng)用的軟件系統(tǒng)構(gòu)成，主要研究如何在多任務(wù)中進(jìn)行協(xié)調(diào)，以及為傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究提供有效的開發(fā)環(huán)境和開發(fā)工具。 信號(hào)強(qiáng)度測(cè)距法 ： 通過(guò) 已知 的節(jié)點(diǎn) 發(fā)射功率，在接收節(jié)點(diǎn)測(cè)量接收功率，計(jì)算傳播損耗，使 用理論或經(jīng)驗(yàn)的信號(hào)傳播模型將傳播損耗轉(zhuǎn)化為距離 ； 得到錨節(jié)點(diǎn)與未知節(jié)點(diǎn)之間的距離信息后，采用三邊測(cè)量法或最大似然估計(jì)法可計(jì)算出未知節(jié)點(diǎn)的位置。 TDOA 定位與 TDOA測(cè)距不同， TDOA 定位計(jì)算兩個(gè)錨節(jié)點(diǎn)信號(hào)到達(dá)未知節(jié)點(diǎn)的時(shí)間差，將其轉(zhuǎn)換成到兩個(gè)錨節(jié)點(diǎn)的距離之差，未知節(jié)點(diǎn)通過(guò)到多組錨節(jié)點(diǎn)的距離之差得出自身的位置。該算法的中心思想是：未知節(jié)點(diǎn)以所有在其通信范圍內(nèi)的錨節(jié)點(diǎn)的幾何質(zhì)心作為自己的估計(jì)位置。 Amorphous 算法 ：該 算法 與 DVHop 算法類似。 3． 2． 2． 1 基于測(cè)距 的 定位 實(shí)現(xiàn) 在 3． 1． 1 一 節(jié)中已經(jīng)提到了用于節(jié)點(diǎn)定位的時(shí)間差測(cè)距方法?；精@取此數(shù)據(jù)后利用前面提到的定位原理和算法可得到各節(jié)點(diǎn)的具體位置。若從 X到 A、 B、 C 的距離 分別為 R R R3，則 X 位置就是可確定的。 當(dāng)在定位技術(shù)中一旦用到錨節(jié)點(diǎn)，那么一個(gè)重要的問(wèn)題就是要設(shè)置多少錨節(jié)點(diǎn) 以及在什么區(qū)域布置錨節(jié)點(diǎn)。通過(guò)這一機(jī)制，網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn) (包括其他錨節(jié)點(diǎn) )都獲得了到每一個(gè)錨節(jié)點(diǎn)的最小跳數(shù)值。 南京航空航天大學(xué)碩士學(xué)位論文 25 3． 1． 2 基于不測(cè) 距 的定位 方 法 基于測(cè)量距離和角度的算法的缺點(diǎn)是使傳感器節(jié)點(diǎn)造價(jià)增高，消耗了有限的電池資源，而且在測(cè)量距離和角度的準(zhǔn)確性方面需要大量的研究。在TOA 方法中，若電波從錨節(jié)點(diǎn)到未知節(jié)點(diǎn)的傳播時(shí)間為 t，電波傳播速度為 c，則錨節(jié)點(diǎn)到未知節(jié)點(diǎn)的距離為 t c。因此目前主要的研究工作是利用傳感器網(wǎng)絡(luò)中少量已知位置的節(jié)點(diǎn)來(lái)獲得其他未知位置節(jié)點(diǎn)的位置信息。 在傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中同樣需要時(shí)間同步機(jī)制，例如時(shí)間同 步能夠用于形成分布式波束系統(tǒng)、構(gòu)成 TDMA 調(diào)度機(jī)制和多傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)融合，在節(jié)點(diǎn)間時(shí)間同步的基礎(chǔ)上，用 帶 時(shí)間序列的目標(biāo)位置檢測(cè)可以估計(jì)目標(biāo)的運(yùn)行速度和方向，通過(guò)測(cè)量聲音的傳播時(shí)間能夠確定節(jié)點(diǎn)到聲源的距離或聲源的位置等。 2． 3． 3 節(jié)點(diǎn)定位技術(shù) 位置信息是傳感器節(jié)點(diǎn)采集數(shù)據(jù)中不可缺少的部分，沒有位 置信息的監(jiān)測(cè)消息通常毫無(wú)意義。 層次型的拓?fù)淇刂评梅执貦C(jī)制，讓一些節(jié)點(diǎn)作為簇頭節(jié)點(diǎn)，由簇頭節(jié)點(diǎn)形成一個(gè)處理并轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的骨干網(wǎng)，其他非骨干網(wǎng)節(jié) 點(diǎn)可以暫時(shí)關(guān)閉通信模塊，進(jìn)入休眠狀態(tài)以節(jié)省能量；目前提出了 TopDisc[19]成簇算法，改進(jìn)的 GAF 虛擬地理網(wǎng)格分簇算法[20]，以及 LEACH[21]和 HEED[22]等自組織成簇算法。 DS18b20P I C 1 8 L F 4 6 2 0R D 0V D D+ 5 VG N D 圖 28 DS18b20與 PIC18F4620 連線示意圖 圖 28 所示為 DS18b20 與 PIC18F4620 連線示意圖 。每個(gè)支持的收發(fā)器都有一個(gè)獨(dú)立的文件。如有需要，能很容易地修改該協(xié)議棧以支持 其他編譯器。除了星型網(wǎng)絡(luò)之外， ZigBee 還可以采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)、群集或網(wǎng)狀（ mesh）網(wǎng)絡(luò)配置。其功能如下： 網(wǎng)絡(luò)層 ： 與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的路由層類似，傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由層也是負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的路由轉(zhuǎn)發(fā)。整個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò) 是一個(gè)以數(shù)據(jù)為中心的網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)融合的數(shù)據(jù)相當(dāng)于來(lái)自一個(gè)分布式的數(shù)據(jù)庫(kù) 。 麻省理工學(xué)院開始研究超低能源無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的問(wèn)題，試圖解決超低能源無(wú)線傳感器系統(tǒng)的方法學(xué)和技術(shù)問(wèn)題。他們還為 Mica 開發(fā)了一套微型的操作系統(tǒng)。 2020 年 5 月，美國(guó) Sandia國(guó)家實(shí)驗(yàn)室與美國(guó)能源部合作，共同研究能夠盡早發(fā)現(xiàn)以地鐵、車站等場(chǎng)所為目標(biāo)的生化武器襲擊，并及時(shí)采取防范對(duì)策的系統(tǒng)。 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)也可