【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 器與節(jié)點(diǎn)編號(hào)之間的關(guān)系是完全動(dòng)態(tài)的，表現(xiàn)為節(jié)點(diǎn)編號(hào)與節(jié) 點(diǎn)位置沒有必然聯(lián)桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙 第 5 頁 共 63 頁 系。用戶使用傳感器網(wǎng)絡(luò)查詢事件時(shí)，直接將所關(guān)心的事件通告給網(wǎng)絡(luò)，而不是通告給某個(gè)確定編號(hào)的節(jié)點(diǎn)。網(wǎng)絡(luò)在獲得指定事件的信息后匯報(bào)給用戶。這種以數(shù)據(jù)本身作為查詢或者傳輸線索的思想更接近于自然語言交流的習(xí)慣。所以通常說傳感器是一個(gè)以數(shù)據(jù)為中心的網(wǎng)絡(luò)。 5. 應(yīng)用相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)，傳感器用來感知客觀物理世界，獲取物理世界的信息量?？陀^世界的物理量多種多樣，不可窮盡。不同的傳感器應(yīng)用關(guān)心不同的物理量，因此對(duì)傳感器的應(yīng)用系統(tǒng)也有多種多樣的要求。 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)有著巨大的應(yīng)用前景， 被認(rèn)為是將對(duì) 21 世紀(jì)產(chǎn)生巨大影響力的技術(shù)之一。已有和潛在的傳感器應(yīng)用領(lǐng)域包括軍事偵察、環(huán)境監(jiān)測(cè)、醫(yī)療和建筑物監(jiān)測(cè)等。隨著傳感器技術(shù)、無線通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，各種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)將遍布人們的生活環(huán)境，從而真正實(shí)現(xiàn) “無處不在的計(jì)算 ”。 ，通過監(jiān)測(cè)大氣成分的變化來對(duì)城市的空氣污染方面進(jìn)行監(jiān)控；通過監(jiān)測(cè)空氣溫度和濕度的變化來實(shí)現(xiàn)森林大火的預(yù)警；應(yīng)用在圣物學(xué)研究中，可以跟蹤動(dòng)物的遷徙來實(shí)現(xiàn)動(dòng)物棲息地的監(jiān)控；應(yīng)用在交通方面，可以監(jiān)測(cè)道路堵塞的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)高效率的道路交通管理。 此外無線傳 感器網(wǎng)絡(luò)在智能家具、智能辦公環(huán)境等方面也可一展身手。 2. 可以應(yīng)用在醫(yī)療方面， 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在醫(yī)療領(lǐng)域也有一些成功實(shí)例。在 SSIM（ smart sensors arid integrate microsysterns）項(xiàng)目中， 100 個(gè)微型傳感器被植入病人眼中，從而幫助盲人獲得一定程度的視覺。借助于各種醫(yī)療傳感器網(wǎng)絡(luò)，人們可以享受到更方便、更舒適的醫(yī)療服務(wù)。如遠(yuǎn)程健康監(jiān)測(cè)，通過在老年人身上佩帶一些血壓、脈搏、體溫等微型無線傳感器，并通過住宅內(nèi)的傳感器網(wǎng)關(guān)，醫(yī)生可以從醫(yī)院里遠(yuǎn)程了解這些老年人的健康狀況。通過這種 方法，還可以對(duì)一些冠心病、腦溢血等高危病人進(jìn)行 24 h 健康監(jiān)測(cè)，而不妨礙病人的日常起居和生活質(zhì)量。 在病變器官觀察方面的應(yīng)用是，通過在人體器官內(nèi)植入一些微型傳感器，隨時(shí)觀測(cè)器官的生理狀態(tài)，可以發(fā)現(xiàn)器官的功能惡化，及時(shí)采取治療措施從而挽救病人生命。但是推廣這種想法前，還需要突破許多技術(shù)瓶頸。這些醫(yī)療傳感器必需非常安全；工作能源要從人體自動(dòng)獲??；系統(tǒng)穩(wěn)定、基本不需維修。 3. 可以應(yīng)用在軍事方面， 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究起源于軍事，因此在軍事領(lǐng)域中的應(yīng)用非常廣泛。信息技術(shù)正推動(dòng)著一場(chǎng)新的軍事變革，信息化戰(zhàn)爭(zhēng)要求作戰(zhàn) 系統(tǒng) “看得明、反應(yīng)快、打得準(zhǔn) ”，誰在信息的獲取、傳輸、處理上占據(jù)桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙 第 6 頁 共 63 頁 優(yōu)勢(shì)（取得制信息權(quán)），誰就能掌握戰(zhàn)爭(zhēng)的主動(dòng)權(quán)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以協(xié)助實(shí)現(xiàn)有效的戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)感知，滿足作戰(zhàn)力量 “知己知彼 ”的要求。典型設(shè)想是用飛行器將大量的微傳感器節(jié)點(diǎn)散布在戰(zhàn)場(chǎng)的廣闊地域，這些節(jié)點(diǎn)自組成網(wǎng)，將戰(zhàn)場(chǎng)上的信息邊搜集、邊傳輸、邊融合，為各參戰(zhàn)單位提供 “各取所需 ”的情報(bào)服務(wù)。 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)還可以為火控和制導(dǎo)系統(tǒng)提供準(zhǔn)確的目標(biāo)定位信息，也可在對(duì)付化學(xué)武器方面發(fā)揮重要的作用。 由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有密集型、隨機(jī)分布的特點(diǎn)，使其非常適合應(yīng)用于惡 劣的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境中，包括偵察敵情、監(jiān)控兵力、裝備和物資，判斷生物化學(xué)攻擊等多方面用途，友軍兵力、裝備彈藥調(diào)配的監(jiān)測(cè)，戰(zhàn)區(qū)監(jiān)控，敵方軍力的偵察，目標(biāo)追蹤，戰(zhàn)爭(zhēng)損傷評(píng)估；核、生物和化學(xué)攻擊的探測(cè)與偵察等。 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙 第 7 頁 共 63 頁 3 ZigBee 技術(shù)概述 目前，在 WSN 的無線通信方面可以采用的主要有 ZigBee、藍(lán)牙、 WiFi和紅外等技術(shù)其中，紅外技術(shù)的實(shí)現(xiàn)和操作相對(duì)簡(jiǎn)單，成本低廉，但紅外光線易受遮擋，可移動(dòng)性差，只支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)視距連接，無法靈活地構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)；藍(lán)牙技術(shù)是工作在 GHz 頻段的無 線技術(shù)，目前在計(jì)算機(jī)外設(shè)方面應(yīng)用較廣泛，但由于其協(xié)議本身較復(fù)雜、開發(fā)成本高、節(jié)點(diǎn)功耗大等缺點(diǎn)，從而限制了其在工農(nóng)業(yè)方面的進(jìn)一步推廣； WiFi 技術(shù)的通信速率為 11 Mbit/s，通信距離為 50～100 m，適合于多媒體的應(yīng)用，但其本身實(shí)現(xiàn)成本高，功耗大，安全性能低，從而在 WSN 中應(yīng)用較少； ZigBee 技術(shù)以其經(jīng)濟(jì)、可靠、高效等優(yōu)點(diǎn)在 WSN 中有著廣泛的應(yīng)用前景。 故選擇 ZigBee 技術(shù)來實(shí)現(xiàn)本設(shè)計(jì)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。 2021 年 8 月成立的 ZigBee 聯(lián)盟就是一個(gè)針對(duì) LR—WPAN 網(wǎng)絡(luò)而成立的產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟。該聯(lián)盟致力 于近距離、低復(fù)雜度、低數(shù)據(jù)速率、低成本的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。他們開發(fā)的技術(shù)被稱為 ZigBee 技術(shù)，該技術(shù)希望被部署到商用電子、住宅及建筑自動(dòng)化、工業(yè)設(shè)備監(jiān)測(cè)、 PC 外設(shè)、醫(yī)療傳感設(shè)備、玩具以及游戲等其他無線傳感和控制領(lǐng)域當(dāng)中。 ZigBee 技術(shù)是一組基于 IEEE 802. 15. 4 無線標(biāo)準(zhǔn)研制開發(fā)的有關(guān)于組網(wǎng)、安全和應(yīng)用軟件方面的通信技術(shù)。 ZigBee 聯(lián)盟已于 2021 年 6 月 27 日公布了第一份 ZigBee 規(guī)范 “ZigBee Specification ”。該標(biāo)準(zhǔn)定義了在 IEEE . 4—2021 物理層（ PHY）和標(biāo)準(zhǔn)媒體訪問控制層（ MAC）上的網(wǎng)絡(luò)層及支持的應(yīng)用服務(wù)。 ZigBee 聯(lián)盟的長(zhǎng)期目標(biāo)是能夠建立基于互操作平臺(tái)和配置文件的可伸縮、低成本嵌入式基礎(chǔ)架構(gòu)。 ZigBee 技術(shù)的命名主要來自于人們對(duì)蜜蜂采蜜過程的觀察，蜜蜂在采蜜的過程中，跳舞優(yōu)美的舞蹈，形成 ZigZag 的形狀，以此來相互交流信息，以便獲取共享食物源的方向、距離和位置等信息。又因蜜蜂自身體積小，所需的能量少，又能傳送所采集的花粉，因此，人們用 ZigBee 技術(shù)來代表具有成本低、體積小、能量消耗小和傳輸速率低的無線通信技術(shù)。 ZigBee 中 文譯名通常為 “智蜂 ”、 “紫蜂 ”等。 ZigBee 協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)采用分層結(jié)構(gòu)，每一層為上層提供一系列特殊的服務(wù)：數(shù)據(jù)實(shí)體提供數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)；管理實(shí)體則提供所有其他的服務(wù)。所有的服務(wù)實(shí)體都通過服務(wù)接入點(diǎn) SAP 為上層提供接口，每個(gè) SAP 都支持一定數(shù)量的服務(wù)原語來實(shí)現(xiàn)所需的功能。 ZigBee 標(biāo)準(zhǔn)的分層架構(gòu)是在 OSI 七層模型的基礎(chǔ)上根據(jù)市桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙 第 8 頁 共 63 頁 場(chǎng)和應(yīng)用的實(shí)際需要定義的。其中 IEEE 802. 標(biāo)準(zhǔn)定義了底層協(xié)議：物理層（ physical layer, PHY）和媒體訪問控制層（ medium acress control Suh—layer, MAC）。 ZigBee 聯(lián)盟在此基礎(chǔ)上定義了網(wǎng)絡(luò)層（ work layer, NWK）， 應(yīng)用層（ application layer, APL）架構(gòu)。在應(yīng)用層內(nèi)提供了應(yīng)用支持子層（ application suppor sub—layer, APS）和 ZigBee 設(shè)備對(duì)象（ ZigBee device object, ZDO）。應(yīng)用框架中則加入了用戶自定義的應(yīng)用對(duì)象。 ZigBee 協(xié)議的體系結(jié)構(gòu)如圖 所示。 ZigBee 的網(wǎng)絡(luò)層采用基于 Ad Hoc 的路由協(xié)議，除了具有通用的網(wǎng) 絡(luò)層功能外，還應(yīng)該與底層的 IEEE 802. 15. 4 標(biāo)準(zhǔn)一樣功耗小，同時(shí)要實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的自組織和自維護(hù)，以最大限度方便消費(fèi)者使用，降低網(wǎng)絡(luò)的維護(hù)成本。應(yīng)用支持子層把不同的應(yīng)用映射到 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)上，主要包括安全屬性設(shè)置、業(yè)務(wù)發(fā)現(xiàn)、設(shè)備發(fā)現(xiàn)和多個(gè)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流的匯聚等功能。 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)層配置 在 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)中存在三種邏輯設(shè)備類型：協(xié)調(diào)器（ coordinator），路由器（ router）和終端設(shè)備（ end—device）。 ZigBee 網(wǎng) 絡(luò)由一個(gè)協(xié)調(diào)器以及多個(gè)路由器和多個(gè)終端設(shè)備組成。 協(xié)調(diào)器是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的核心，它最主要的作用是啟動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，其方法是選擇一個(gè)相對(duì)空閑的群信道，形成一個(gè) PANID。它也會(huì)協(xié)助建立網(wǎng)絡(luò)中的安全層及處理應(yīng)用層的綁定。當(dāng)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)啟動(dòng)和配置完成之后，它的功能退化為一個(gè)普通路由器。 圖 ZigBee 協(xié)議棧的體系結(jié)構(gòu) 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙 第 9 頁 共 63 頁 路由器的主要功能是提供接力作用，能擴(kuò)展信號(hào)的傳輸范圍，因此，一般情況下它應(yīng)該一直處于活動(dòng)狀態(tài)，不應(yīng)休眠。 終端設(shè)備可以睡眠或者喚醒，因此可用電池來供電。 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)根據(jù)應(yīng)用的需要可以組織成星形網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)和簇狀網(wǎng)絡(luò) 3種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖 3. 2 所 示。在星形結(jié)構(gòu)中，所有的設(shè)備都與中心設(shè)備 ——PAN網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)者通信，實(shí)際上在這種簡(jiǎn)單的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中路由器是沒有路由作用的。在這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器一般使用電力系統(tǒng)供電，而其他設(shè)備采用電池供電。星形網(wǎng)絡(luò)適合家庭自動(dòng)化、個(gè)人計(jì)算機(jī)外設(shè)以及個(gè)人健康護(hù)理等小范圍的室內(nèi)應(yīng)用；與星形網(wǎng)絡(luò)不同，網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)（ mesh）只要彼此在對(duì)方的無線輻射范圍內(nèi)，任何兩個(gè) FFD（ fullfunction device,全功能設(shè)備）設(shè)備之間都能直接通信，在 Mesh中每一個(gè) FFD設(shè)備都可以認(rèn)為是網(wǎng)絡(luò)路由器，都可以實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)報(bào)文的路由轉(zhuǎn)發(fā)功能 ， Mesh 在構(gòu)建時(shí)比較復(fù)雜，節(jié)點(diǎn)所要維護(hù)的信息較多；對(duì)于簇狀網(wǎng)絡(luò)實(shí)際上可以看作是一個(gè)復(fù)雜的星形網(wǎng)絡(luò)，一個(gè)擴(kuò)展的星形拓?fù)浠蚴怯啥鄠€(gè)簡(jiǎn)單的星形網(wǎng)絡(luò)組成的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在簇狀網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器、路由器和終端設(shè)備的功能清晰，相對(duì)于 Mesh，構(gòu)建簇狀網(wǎng)絡(luò)比較簡(jiǎn)單，所需的資源相對(duì)較少，并且可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的路由轉(zhuǎn)發(fā)功能，從而也擴(kuò)大了網(wǎng)絡(luò)的通信范圍。 ZigBee 協(xié)議術(shù)語 在進(jìn)行 ZigBee 應(yīng)用開發(fā)的時(shí)候，往往還需要理解下面幾個(gè)基本術(shù)語：設(shè)備（ device） 端點(diǎn)（ endpoint）、屬性（ attribute）、簇（ cluster）。如果不能很好的區(qū)分這些術(shù)語之間的關(guān)系就不能夠很好的使用 ZigBee 協(xié)議進(jìn)行應(yīng)用開發(fā)。這些術(shù)語的基本術(shù)語之間的關(guān)系如圖 所示。 設(shè)備：一般來說，一個(gè)節(jié)點(diǎn)就是一個(gè)設(shè)備，對(duì)應(yīng)于一個(gè)無線單片機(jī)，如CC2430；一個(gè)設(shè)備有一個(gè)無線射頻端，具有唯一的 IEEE 地址和網(wǎng)絡(luò)地址。 圖 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙 第 10 頁 共 63 頁 端點(diǎn)：它是一個(gè) 8 位的字段，描述一個(gè)射頻端所支持的不同應(yīng)用。每一個(gè)ZigBee 節(jié)點(diǎn)可以包含多個(gè)端點(diǎn)。端點(diǎn) 0x00 用于尋址設(shè)備配置文件，這是每個(gè)ZigBee 設(shè)備都必須使用的端點(diǎn)。端點(diǎn) 0xFF 用來尋址所有活動(dòng)端點(diǎn)，而端點(diǎn)0xF1～ 0xFE 暫時(shí)預(yù)留。因此，一個(gè)物理 ZigBee 射頻端在端點(diǎn) 0x01～ 0xF0 上共支持 240 個(gè)應(yīng)用，即一個(gè)物理信道中最多可能有 240 條虛擬信道。 一個(gè)典型的 ZigBee 節(jié)點(diǎn)也將有很多屬性，每個(gè)屬性都有自己的值。一個(gè)簇（ cluster）實(shí)際上是一些相關(guān)命令和屬性的集合，這些命令和屬性一起被定義為一個(gè)應(yīng)用接口。在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中，每個(gè)簇都被分配了一個(gè)唯一的簇 ID。 ZigBee 協(xié)議還定義了一個(gè)稱為配置文件（ profile）的術(shù)語。配置文件是指對(duì)分布式應(yīng)用的描述，它是對(duì)邏輯設(shè)備及其接口描述的集合，是面向某個(gè)具體應(yīng)用類別的公約 、準(zhǔn)則。它在消息、消息格式、請(qǐng)求數(shù)據(jù)或請(qǐng)求創(chuàng)建一個(gè)共同的分布式應(yīng)用程序的處理行為上達(dá)成了共識(shí)。這意味著，在 ZigBee 標(biāo)準(zhǔn)的范圍內(nèi)，各個(gè)廠商共同合作形成統(tǒng)一的技術(shù)解決方案。例如： ZigBee 聯(lián)盟制定的家庭照明控制燈的規(guī)范就希望不同的燈光設(shè)備供應(yīng)商能夠統(tǒng)一不同的電燈類型和控制類型。 在 ZigBee 協(xié)議中定義了一種特殊的操作，叫做綁定（ binding）操作。它能夠通過使用 ClusterID 為不同節(jié)點(diǎn)上的獨(dú)立端點(diǎn)建立一個(gè)邏輯上的連接。 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙 第 11 頁 共 63 頁 4 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求為利用 RFID射頻技術(shù)和無線傳感器網(wǎng) 絡(luò)技術(shù)來獲取加工流程中零件的信息，并通過串口上傳到 PC 機(jī)。 本系統(tǒng)的總設(shè)計(jì)方案為用 RFID 技術(shù)來獲取使用人員的身份信息、機(jī)床信息以及加工中的零件的信息，再通過組建 ZigBee 無線網(wǎng)絡(luò)將獲得的信息通過無線局域網(wǎng)傳輸?shù)娇刂茀f(xié)調(diào)中心，再由協(xié)調(diào)器將獲得的信息通過串口線傳輸?shù)?PC 機(jī)，供上位機(jī)處理。 ? 本系統(tǒng)的具體實(shí)施方案為在生產(chǎn)車間內(nèi)通過基于 CC2430的無線傳感器模塊來組建一個(gè) ZigBee 無線局域網(wǎng)。將無線模塊和 RFID 技術(shù)融合，設(shè)計(jì)出中終端節(jié)點(diǎn)模塊，是終端節(jié)點(diǎn)具有讀卡和加入無線局域網(wǎng)兩個(gè)功能，然后將各個(gè)終端節(jié)點(diǎn)安 裝在生產(chǎn)車間的每一臺(tái)機(jī)床上，并使終端節(jié)點(diǎn)加入到無線網(wǎng)絡(luò)中去，達(dá)到與控制協(xié)調(diào)中心通信的功能。當(dāng)終端節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)之后開啟 RFID 讀卡器的天線，并等待 IC 卡進(jìn)入天線的有效區(qū)內(nèi)進(jìn)行讀卡。當(dāng)工人需要使用的時(shí)候，將代表自圖 基本術(shù)語關(guān)系圖 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙 第 12 頁 共 63 頁 己身份的 IC 卡在終端節(jié)點(diǎn)模塊的 RFID 讀卡器上刷卡記錄后才能使用機(jī)床。當(dāng)RFID 讀卡器接收到 IC 卡的信息之后，將卡號(hào)顯示在 LCD 顯示屏上，并將采