【文章內容簡介】 化，通過節(jié)點間的協(xié)同工作來產(chǎn)生需要的輸出。由于在工作的過程中無需人為干預，因此，網(wǎng)絡節(jié)點這種根據(jù)感知的信息協(xié)同工作的方式體現(xiàn)了系統(tǒng)的智能性。無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)的超大規(guī)模、資源嚴格受限和與物理世界密切相關等特點使其需要一種新的工作模式。在無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)中，單個節(jié)點并不重 要，我們關心的是群體行為。用戶需要知道當前地下室的平均溫度而不是地下室某點的溫度，并且不關心是哪個節(jié)點傳回的信息，或者他需要知道當前地下室的溫度是否超過了預警值。這些例子都說明無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)是以數(shù)據(jù)為中心的。由于與物理世界密切相關，其高出錯頻率、易受干擾和不確定的特點使傳統(tǒng)的分布式系統(tǒng)解決方案無法適用，需要為其設計新的工作模式 【 4】 。 研究內容 本文的設計目標是通過一個協(xié)調器和若干個路由器和終端節(jié)點 ,搭建一個蔟型的ZigBee 網(wǎng)絡，其中采用的 ZigBee 協(xié)議軟件基于 與 標準自行開發(fā)，達到測量環(huán)境溫濕度的要求。本文的主要工作如下： （ 1） 分析 和 ZigBee 協(xié)議，理解 ZigBee 技術的特性和通信原理，詳細分析 ZigBee 協(xié)議棧構架，并能設計編寫具有基本組網(wǎng)，數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ艿膮f(xié)議棧。 （ 2）根據(jù)節(jié)點的物理特性，選擇合適的微處理器和無線傳輸芯片，組建無 線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點，包括電路連接，相應外圍電路設計，射頻電路設計 ,溫濕度 傳感器節(jié)點的設計等。 （ 3）測溫濕度軟件、仿真過程的敘述及整個網(wǎng)絡的測試，能完成預期設定的功能并能達到預定的性能指標。 寧夏大學新華學院本科學位論文 5 論文結構 本文主要研究了無線傳感網(wǎng)絡的特點、結構，分析了 ZigBee 協(xié)議的架構，各層規(guī)范及數(shù)據(jù)格式，在此基礎上使用 CC2530 微控制器以及溫濕度傳感器等外圍模塊搭建節(jié)點，設計與實現(xiàn)了在此硬件基礎之上的 ZigBee 協(xié)議棧，并進行了相關的測試，各章安排如下： 第一章（即本章）介紹了無線傳感器網(wǎng)絡的概念、特點、國內外發(fā)展概況。 第二章介紹了 ZigBee 協(xié)議的基本構架，分析了物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡層及應用層的功能、規(guī)范、數(shù)據(jù)格式等。 第三章設計了網(wǎng)絡系統(tǒng)的硬件平臺，重點進行節(jié)點的硬件設計，包括器件的選擇、節(jié)點的結構設計以及硬件電路設計。 第四章無線傳感器網(wǎng)絡通信系統(tǒng)的軟件設計，實現(xiàn)了無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)的基本組網(wǎng)和數(shù)據(jù)采集以 ,包括程序的基本流程，所用函數(shù)的編寫。 第五章對本文進行了總結。 本章小結 本章主要介紹了無線傳感器網(wǎng)絡的概念、特點、國內外發(fā)展概況、同時對本文將要采用的 ZigBee 技術做了簡要介紹，然后對本文所做的研究工作和論文結構進行了介紹。 寧夏大學新華學院本科學位論文 6 第 2 章 ZigBee 協(xié)議標準介紹 ZigBee 技術是最近發(fā)展起來的一種近距離無線通信技術，以 為主要頻段， 采用擴頻技術，具有低功耗、成本低、易應用等顯著特點， ZigBee 被業(yè)界認為是最有可能應用在智能家居、工業(yè)應用、智能交通、智能建筑、醫(yī)院監(jiān)護等領域的無線技術。 ZigBee 技術概述 ZigBee 主要特性 ZigBee 顯著的特點就是低速率、低功耗、低成本、自配置和靈活的網(wǎng)絡拓撲結構。 （ 1） 低功耗：在低耗電待機模式下， 2 節(jié) 5 號干電池可支持 1 個節(jié)點工作 6～ 24 個月、甚至更長。這是 ZigBee 的突出優(yōu)勢，相比較，藍牙能工作數(shù)周、 WiFi 可工作數(shù)小時。 （ 2） 低成本：通過大幅簡化協(xié)議 (不到藍牙的 1/10)，降低了對通信控制器的要求，按預測分析，以 8051 的 8 位微控制器測算，全功能的主節(jié)點需要 32KB 代碼，子功能節(jié)點少至 4KB 代碼，而且 ZigBee 免協(xié)議專利費，每塊芯片的價格大約為 2 美元。 （ 3） 低速率： ZigBee 工作在 20～ 250kbps 的較低速率，分別提供 250kbps()、40kbps（ 915MHz)和 20kbps(868MHz)的原始數(shù)據(jù)吞吐率，滿足低速率傳輸數(shù)據(jù)的應用需求。 （ 4） 近距離：傳輸范圍一般介于 10～ 100m 之間，在增加 RF 發(fā)射功率后，亦可增加到 1～ 3km，這指的是相 鄰節(jié)點間的距離。如果通過路由和節(jié)點間通信的接力，傳輸距離將可以更遠。 （ 5） 短時延： ZigBee 的響應速度較快，一般從睡眠轉入工作狀態(tài)只需 15ms，節(jié)點連接進入網(wǎng)絡只需 30ms，進一步節(jié)省了電能。相比較，藍牙需要 3～ 10s、 WiFi 需要 3s。 （ 6） 高容量： ZigBee 可采用星狀、片狀和網(wǎng)狀網(wǎng)絡結構，由一個主節(jié)點管理若干子節(jié)點，最多一個主節(jié)點可管理 254 個子節(jié)點；同時主節(jié)點還可由上一層網(wǎng)絡節(jié)點管理，最多可組成 65000 個節(jié)點的大網(wǎng)。 （ 7） 高安全： ZigBee 提供了三級安全模式，包括無安全設定、使用接入控 制清單 (ACL)防止非法獲取數(shù)據(jù)以及采用高級加密標準 (AES128)的對稱密碼，以靈活確定其安全屬性。 （ 8） 免執(zhí)照頻段：采用直接序列擴頻在工業(yè)科學醫(yī)療 (ISM)頻段 (全球 )、915MHz(美國 )和 868MHz(歐洲 )。 ZigBee 網(wǎng)絡拓撲結構 ZigBee 協(xié)議主要采用了二種組網(wǎng)方式：星狀網(wǎng)和網(wǎng)狀網(wǎng)，網(wǎng)絡拓撲結構如圖 21 所示 ： 寧夏大學新華學院本科學位論文 7 圖 21 ZigBee二種拓撲結構 在星狀網(wǎng)中，以 PAN 協(xié)調器為中心，所有設備只能與中心設備 PAN 協(xié)調器進行通信，終端設備之間的通信通過 PAN 協(xié)調器的 轉發(fā)來完成，因此在星型網(wǎng)絡的形成過程中，第一步就是建立 PAN 協(xié)調器。任何一個 FFD 設備都有成為 PAN 協(xié)調器的可能，一個網(wǎng)絡如何確定自己的 PAN 協(xié)調器由上層協(xié)議決定。在這種網(wǎng)絡中， PAN 協(xié)調器一般使用持續(xù)電力系統(tǒng)供電，而其他設備采用電池供電。星型網(wǎng)絡適合家庭自動化、個人計算機的外設以及個人健康護理等小范圍的室內應用。 在網(wǎng)狀網(wǎng)中，無線傳感器網(wǎng)絡的網(wǎng)絡拓撲結構中，最復雜的拓撲結構也是最終實現(xiàn)的目 標 是網(wǎng) 狀 網(wǎng)絡 (MeshNetwork)。 在 這種 結構 中 ，節(jié) 點與 節(jié) 點之 間的 結 構 是“ — ”結構。這種結構無線網(wǎng)絡連成一張網(wǎng)，網(wǎng)絡非常健壯，伸縮性好，在個別鏈路和終端節(jié)點發(fā)生失效時，不會引起網(wǎng)絡分立。可以同時通過多條路由通道傳輸數(shù)據(jù)，傳輸可靠性非常高。 在上述的網(wǎng)絡拓撲結構中，網(wǎng)絡的形成和維護都是通過設備之間的通信而自動實現(xiàn)，不需要人工來干預。 ZigBee 網(wǎng)絡工作模式 ZigBee 網(wǎng)絡的工作模式可以分為信標（ Beacon）和非信標 (NonBeacon)兩種模式 ，信標模式實現(xiàn)了網(wǎng)絡中所有設備的同步工作和同步休眠，以達到最大限度的功耗節(jié)省，而非信標模式則只允許終端設備進行周期性休 眠，協(xié)調器和所有路由設備必須長期處于工作狀態(tài)。 信標模式下，協(xié)調器負責以一定的間隔時間 (一般在 15ms～ 4mins 之間 )向網(wǎng)絡廣播信標幀，兩個信標幀發(fā)送間隔之間有 16 個相同的時槽，這些時槽分為網(wǎng)絡休眠區(qū)和網(wǎng)絡活動區(qū)兩個部分，消息只能在網(wǎng)絡活動區(qū)的各時槽內發(fā)送。非信標模式下， ZigBee 標準采用父節(jié)點為終端設備子節(jié)點緩存數(shù)據(jù)，終端設備主動向其父節(jié)點提取數(shù)據(jù)的機制，實現(xiàn)終寧夏大學新華學院本科學位論文 8 端設備的周期性 (周期可設置 )休眠。網(wǎng)絡中所有父節(jié)點需為自己的終端設備子節(jié)點緩存數(shù)據(jù)幀，所有終端設備子節(jié)點的大多數(shù)時間都處于休眠模式 ,周期性的醒 來與父節(jié)點握手以確認自己仍處于網(wǎng)絡中，其從休眠模式轉入數(shù)據(jù)傳輸模式一般只需要 15ms【 5】 。 ZigBee 協(xié)議架構 ZigBee 的協(xié)議架構是建立在 標準基礎之上的， 標準規(guī)定了 ZigBee 的物理層（ PHY）和介質訪問控制層（ MAC）； ZigBee 聯(lián)盟則定義了 ZigBee 協(xié)議的網(wǎng)絡層（ NWK）、應用層（ APL）和安全服務規(guī)范， ZigBee 協(xié)議棧的結構如圖 22 所示 ： 應 用 層 （ A P L ）應 用 對 象應 用 支 持 子 層 （ A P S ）Z D O 管 理( 網(wǎng) 絡 層 N W K ) 安 全 服 務 提 供 層 （ S S P ）介 質 訪 問 控 制 層 （ M A G ）P H Y 層 _ 8 6 8 / 9 1 5 M H z物 理 層 ( P H Y ) 2 4 5 0 M H z 圖 22 ZigBee協(xié)議棧的體 系結構模型圖 ZigBee 協(xié)議棧的每層為其上一層提供一套服務功能：數(shù)據(jù)實體提供數(shù)據(jù)傳輸服務，管理實體提供其他的服務。每個服務實體和上層之間的接口稱作“服務訪問點（ SAP）”，通過 SAP 交換一組服務原語為上層提供相關的服務功能。 物理層提供兩類服務：物理層數(shù)據(jù)服務和物理層管理服務。 PHY 層功包括無線收發(fā)信機的開啟和關閉、能量檢測（ ED）、鏈路質量指示（ LQI）、信道評估（ CCA）和通過物理媒體收發(fā)數(shù)據(jù)包。 媒體訪問控制層（ MAC）層提供 MAC 層數(shù)據(jù)服務和 MAC 層管理服務，其主要功能包括采用 CSMA/CA 進行信 道訪問控制、信標幀發(fā)送、同步服務和提供 MAC 層可靠傳輸機制。 網(wǎng)絡層提供設備加入 /退出網(wǎng)絡的機制、幀安全機制、路由發(fā)現(xiàn)以及維護機制。 ZigBee協(xié)調器的網(wǎng)絡層還負責新網(wǎng)絡并為新關聯(lián)的設備分配地址。 ZigBee 應用層包括應用支持子層（ APS）、 ZigBee 設備對象（ ZDO）和制造商定義的應用對象。 APS 子層負責維護綁定列表，根據(jù)設備的服務和需求對設備進行匹配，并在綁定的設備之間傳送消息。 ZDO 負責發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡中的設備并明確其提供的應用服務。 寧夏大學新華學院本科學位論文 9 標準是針對低速率無線個人區(qū)域網(wǎng)絡 (LRWPAN)通訊制定的標準，定義了 LRWPAN 的 PHY 層和 MAC 層。在此基礎上 ZigBee 聯(lián)盟定義的 ZigBee 標準包括 NWK 層，APL 層及 SSP 層的標準。本小節(jié)主要分析 PHY 層， MAC 層， NWK 層和 APL 層的標準。 物理層 （ PHY） 物理層主要完成以下幾項任務：開啟和關閉無線收發(fā)信機、能量檢測（ ED）、鏈路質量指示（ LQI）、信道評估（ CCA）和通過物理媒體收發(fā)數(shù)據(jù)包。 物理層定義了 868Mhz、 915Mhz 和 三個頻段。表 21 所示即為這三 個頻段上分別所采用的調制和擴頻技術參數(shù)。 表 21 物理層 工作頻率 (Mhz) 頻 道 數(shù) 擴頻參數(shù) 傳輸參數(shù) 碼片率(kchip/s) 調制方式 傳輸率（ kb/s） 數(shù)據(jù)符號 868Mhz物理層 868868.6 1 300 三相的相位健控調制（ BPSK） 20 二進制 915Mhz物理層 902928 10 600 二相的相移控件調制（ BPSK） 40 二進制 物理層 240024 16 2020 偏移四相相移控件調制（ BPSK） 250 16 狀 態(tài)組 物理層在三個頻段上共劃分了 27 個信道，信道編號為 0～ 26。 2450Mhz頻段上劃分了 16 個信道， 915Mhz 頻段有 10 個信道， 868Mhz 頻段有 1 個信道， 27 個信道的中心頻率和對應的信道編號定義如式（ ）所示。 ? ?? ?8 6 8 . 3 , 09 0 6 2 1 , 1 , 2 , , 1 02 4 0 5 5 1 1 , 1 1 , 1 2 , , 2 6M h z kF c k M h z kk M h z k? ???? ? ? ???? ??? ? ? ???? ??? () 式中 k 指的是信道號， Fc 的單位為 MHz。 物理層通過射頻固件和硬件提供 MAC 層與物理無線信道之間 的接口。從概念上說，物理層還應該包括物理層管理實體（ PLME），以提供調用物理層管理功能的管理服務接口；同時 PLME 還負責維護物理層 PAN 信息庫（ PHY PIB）。物理層參考模型如圖 23 所示。 寧夏大學新華學院本科學位論文 10 P D S A P P L M E S A PR F S A PP H YP I BP L M EP H Y l a y e r 圖 23 物理層參考模型 其中，物理層數(shù)據(jù)服務訪問節(jié)點 PDSAP 支持在兩個對等的 MAC 實體之間傳輸 MAC 協(xié)議數(shù)據(jù)單元（ MPDU），物理層管理實體服務訪問點 PLMESAP 允許在 MLME 和 PLME 之間傳送管理命令。 物理層協(xié)議數(shù)據(jù)單元（ PPDU）由三部分組成：同 步頭（ SHR）允許接收設備同步并鎖定數(shù)據(jù)流；物理層幀頭（ PHR）包含的是幀長信息；有效載荷部分為 PSDU，其格式如表 22所示 ： 表 22 PPDU格式 字節(jié)數(shù) :4 1 1 可變長度 引導序列 幀開始符 幀長 (7 位 ) 預留 (1 位 ) 物理層服務數(shù)據(jù)單元（ PSDU） 同步頭 (SHR) 物理層幀頭 (PHR) 物理層有效載荷 引導序列：收發(fā)信機用來獲得碼片和符號同步，它是 32