【文章內容簡介】 足大范圍區(qū)域火災探測報警的需要。 (3)硬件設計部分采用以 STC89LES16AD 單片機為核心，與基于 ZigBee 技術的無線射頻芯片 CC2500 相結合的方法，使得每個網絡節(jié)點具有一定的數據處理能力和通信能力。 (4)軟件設計部分給出系統(tǒng)的軟件數據結構、軟件流程圖以及詳細的程序設計。采用獨特的定時器 T0 延時 90ms 軟件抗干擾方法和穩(wěn)壓電源硬件抗干擾方法相結合的抗干擾方法，保證了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。 第二章 無線傳感網絡技術 無線傳感網絡的介紹 無線傳感器網絡的概念 無線傳感器網絡的構想最初是由美國軍方提出的，美國國防部高級研究所計劃署（DARPA）于 1978 年開始資助卡耐基－梅隆大學進行分布式傳感器網絡的研究，這被看成是無線傳感器網絡的雛形。從那以后，類似的項目在全美高校間廣泛展開，著名的有 UC Berkeley 的 Smart Dust 項目，UCLA 的 WINS 項目，以及多所機構聯(lián)合攻關的 SensIT 計劃，等等。在這些項目取得進展的同時，其應用也從軍用轉向民用。在森林火災、洪水監(jiān)測之類的環(huán)境應用中，在人體生理數據監(jiān)測、藥品管理之類的醫(yī)療應用中，在家庭環(huán)境的智能化應用以及商務應用中都已出現了它的身影。目下，無線傳感器網絡的商業(yè)化應用也已逐步興起。美國 Crossbow 公司就利用 Smart Dust 項目的成果開發(fā)出了名為 Mote 的智能傳感器節(jié)點，還有用于研究機構二次開發(fā)的 MoteWorkTM開發(fā)平臺。這些產品都很受使用者的歡迎。組成和特點： 無線傳感器網絡可以看成是由數據獲取網絡、數據分布網絡和控制管理中心三部分組成的。其主要組成部分是集成有傳感器、數據處理單元和通信模塊的節(jié)點，各節(jié)點通過協(xié)議自組成一個分布式網絡，再將采集來的數據通過優(yōu)化后經無線電波傳輸給信息處理中心。 因為節(jié)點的數量巨大，而且還處在隨時變化的環(huán)境中，這就使它有著不同于普通傳感器網絡的獨特“個性” 。首先是無中心和自組網特性。在無線傳感器網絡中，所有節(jié)點的地位都是平等的，沒有預先指定的中心，各節(jié)點通過分布式算法來相互協(xié)調，在無人值守的情況下，節(jié)點就能自動組織起一個測量網絡。而正因為沒有中心，網絡便不會因為單個節(jié)點的脫離而受到損害。 其次是網絡拓撲的動態(tài)變化性。網絡中的節(jié)點是處于不斷變化的環(huán)境中，它的狀態(tài)也在相應地發(fā)生變化，加之無線通信信道的不穩(wěn)定性，網絡拓撲因此也在不斷地調整變化，而這種變化方式是無人能準確預測出來的。 第三是傳輸能力的有限性。無線傳感器網絡通過無線電波進行數據傳輸，雖然省去了布線的煩惱，但是相對于有線網絡，低帶寬則成為它的天生缺陷。同時，信號之間還存在相互干擾，信號自身也在不斷地衰減，諸如此類。不過因為單個節(jié)點傳輸的數據量并不算大，這個缺點還是能忍受的。 第四是能量的限制。為了測量真實世界的具體值，各個節(jié)點會密集地分布于待測區(qū)域內，人工補充能量的方法已經不再適用。每個節(jié)點都要儲備可供長期使用的能量，或者自己從外汲取能量（太陽能） 。 第五是安全性的問題。無線信道、有限的能量，分布式控制都使得無線傳感器網絡更容易受到攻擊。被動竊聽、主動入侵、拒絕服務則是這些攻擊的常見方式。因此，安全性在網絡的設計中至關重要。傳感器網絡是由大量部署在作用區(qū)域內的、具有無線通信與計算能力的微小傳感器節(jié)點通過自組織方式構成的能根據環(huán)境自主完成指定任務的分布式智能化網絡系統(tǒng)。傳感網絡的節(jié)點間距離很短，一般采用多跳（multihop）的無線通信方式進行通信。傳感器網絡可以在獨立的環(huán)境下運行，也可以通過網關連接到 Inter，使用戶可以遠程訪問。傳感器網絡綜合了傳感器技術、嵌入式計算技術、現代網絡及無線通信技術、分布式信息處理技術等，能夠通過各類集成化的微型傳感器協(xié)作地實時監(jiān)測、感知和采集各種環(huán)境或監(jiān)測對象的信息，通過嵌入式系統(tǒng)對信息進行處理，并通過隨機自組織無線通信網絡以多跳中繼方式將所感知信息傳送到用戶終端。從而真正實現“無處不在的計算”理念。 無線傳感器網絡的系統(tǒng)架構 無線傳感器網絡的系統(tǒng)通常包括傳感器節(jié)點，匯聚節(jié)點和管理節(jié)點，如圖 所示。匯聚節(jié)點任務管理節(jié)點互聯(lián)網和衛(wèi)星監(jiān)測區(qū)傳感器節(jié)點圖 無線傳感器網絡系統(tǒng)架構從圖中可以看出，整個網絡有大量的傳感器節(jié)點分布在其中，而且必須保證分布的密集程度，在覆蓋范圍內的傳感器節(jié)點可以通過自組織的方式構成網絡，系統(tǒng)開始工作后，傳感器節(jié)點在對用戶所需要的，獲得的信息進行簡單的處理后，通過多條中繼的方式將信息傳送給匯聚節(jié)點。在此，匯聚節(jié)點可以擔當任務管理器節(jié)點和傳感器節(jié)點之間溝通的橋梁，在系統(tǒng)設計時，用戶可以根據需要選擇不同的通信途徑包括衛(wèi)星，互聯(lián)網或者移動通信網絡等將信息傳達到最終用戶的管理節(jié)點，再對信息作進一步處理，此外終端用戶也可以通過管理節(jié)點對無線傳感器的系統(tǒng)網絡進行管理配置，發(fā)布監(jiān)測任務或者收集回傳數據。傳感器節(jié)點是一個嵌入式系統(tǒng)，它的局限性在于由體積，價格和能量供給等因素所帶來的一些限制。主要表現在節(jié)點的處理能力，存儲能力相對較弱，通信距離有限，通常情況下，只能與自身通信所覆蓋范圍內的相鄰傳感器節(jié)點進行數據交換，當需要訪問通信范圍外的節(jié)點是，就必須使用多條路由中繼，在這里每一個傳感器節(jié)點都有信息采集和路由中繼的雙重功能。匯聚節(jié)點相對傳感器節(jié)點具有較強的處理能力，存儲能力和通信能力，既可以是一個具有足夠能量供給和更多內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關設備。匯聚節(jié)點負責連接傳感器網絡與外部網絡，通過協(xié)議轉換實現管理節(jié)點與傳感器網絡之間的通信，把收集到的數據信息發(fā)到外部網絡上，同時發(fā)布管理節(jié)點提交的任務[4]。 無線傳感器網絡的關鍵技術關鍵技術主要包括四部分：網絡通信協(xié)議，核心支撐技術，自組織管理，開發(fā)和應用。 （1）網絡通信協(xié)議傳感器網絡通信協(xié)議包括物理層，數據鏈路層，網絡層和傳輸層四個層次。受傳感器節(jié)點能量限制，其計算，存儲和通信能力有限，每個節(jié)點只能獲取局部網絡信息，故要求節(jié)點上的通信協(xié)議要簡單，同時要求網絡通信協(xié)議可以適應網絡拓撲結構和外界環(huán)境的不斷變化。 （2）核心支撐技術核心支撐技術包括拓撲控制，節(jié)點定位，時間同步，網內信息處理，網絡安全等，使用網絡通信協(xié)議提供的服務，通過應用服務接口可以屏蔽底層網絡的細節(jié)，這樣可以使用終端用戶可以方便的對無線傳感器網絡進行操作。 （3）自組織管理 自組織管理是指可以是無線傳感器網絡自動組網運行，自行配置維護，實時轉發(fā)監(jiān)測數據，主要為了應對無線傳感器網絡多變的網絡狀況以及外界環(huán)境的要求，主要包括節(jié)點管理，資源與任務管理，數據管理，初始化與系統(tǒng)維護管理等。 （4）開發(fā)與應用 主要包括仿真平臺，硬件系統(tǒng)開發(fā)，操作系統(tǒng)，軟件開發(fā)，環(huán)境監(jiān)測應用，目標追蹤應用等。 基于 Zigbee 無線傳感器網絡 無線傳感器的構建 無線傳感器的基本結構分為三部分，如圖 24 所示。 圖 24 無線傳感器基本結構第一部分包括傳感器、放大和濾波電路、A/D 轉換裝置。傳感器根據需要，采集信息。一般還需要進行放大和濾波的處理，因為傳感器采集到的信息大部分是模擬量，所以為了實現無線傳輸，還需要進行 A/D 轉換。第二部分主要是由微控制器所構成的控制單位組成，用于數據的處理和存儲，是節(jié)點的核心部分。第三部分是用 Zigbee 技術實現通信部分，也是整個節(jié)點最耗能的部分。 無線傳感器網絡的構建 無線傳感器網絡有三種有效的網絡結構：樹型，星型和網狀。（1）星型的拓撲結構。具有天然的分布式處理能力，網絡中的路由節(jié)點既具有路由功能，也具有一定的數據處理和融合能力，是分布式處理中心，每個終端的無線傳感器節(jié)點數據傳給其所在的路由節(jié)點，在此節(jié)點對數據進行簡單、有效地融合，然后再將數據轉發(fā)出去。（2）網狀的拓撲結構。無線傳感器節(jié)點連成網狀，網絡伸縮性好，而且在個別的鏈路失效時不會引起網絡的分離、獨立，數據傳輸可以同時經過多條路由，保證比較高的傳輸可靠性。（3）樹型網絡拓撲結構。傳感器節(jié)點串聯(lián)一條或者多條鏈路上，鏈尾與終端傳感器節(jié)點相連。但是此方案容易導致的問題是，在中間節(jié)點失效的情況下，會使部分終端節(jié)點失去連接。 關鍵技術難點如前所述，無線傳感器網絡應用前景十分廣泛，不僅在傳統(tǒng)領域（工業(yè)，農業(yè)，軍事，環(huán)境，醫(yī)療等）中存在巨大的應用價值，還將在許多新興的領域體現它的優(yōu)越性，如智能家居、交通檢測等。可以說，無線傳感器網絡應用幾乎能涉及到人類日常生活和社會生產活動的所有領域。但是依照目前的技術水平，無線傳感器網絡正常運行可以實現，但如若大量投入使用仍然面臨著許多問題。（1）干擾問題。無線傳感器網絡在正常通信時，無線信號受到的各種干擾和傳輸過程中產生的衰減會造成網絡傳輸的不穩(wěn)定，比如無線信號可能被一些障礙物，或者現場其他電子信號干擾。（2）成本問題。雖然現有技術下，各種硬件的成本已經有所降低，但是由于無線 傳 感 器 放大濾波 A/D 轉換 控制單元 Zigbee 通信模塊傳感器網絡中覆蓋區(qū)域需要使用數量龐大的微型傳感器，保證其網絡的密度，即使單個器件成本低廉，在大量使用情況下總成本任然會制約其應用的推廣。（3）能量供應問題。目前整個網絡主要的供能是采用市電或者電池供電，但是傳感器節(jié)點上多采用電池，那么如何降低傳感器功率以延長節(jié)點使用壽命也是要考慮的問題之一，目前也正在研究傳感器的自我能量手機技術和電池無線充電技術。（4）高效的無線傳感器網絡結構。無線傳感器網絡的網絡結構有多種形態(tài)和方式，各有利弊，如何選擇合理的無線傳感器網絡以最大限度的利用資源也是設計者考慮的問題。此外，還有網絡安全協(xié)議的問題和大規(guī)模傳感器網絡中的節(jié)點移動性管理等諸多問題有待解決。 第三章 Zigbee 技術 隨著無線傳感器網絡的發(fā)展研究不斷的深入，標準化的問題隨之而來。在無線傳感器網絡的發(fā)展過程中，還存在著一系列諸如沒有統(tǒng)一的接口，統(tǒng)一的協(xié)議等方面的問題，各個廠商各有一套標準。而低速率、低成本的無線聯(lián)網標準 Zigbee 正順應了這種要求。本章將對這種適用于無線互聯(lián)網絡和控制應用的新技術標準進行的分析。 Zigbee 及其網絡協(xié)議概述 Zigbee 概述 隨著無線網絡技術的快速發(fā)展，許多本來存在的網絡服務逐漸走向成熟，近幾年來， 無線局域網絡的普遍以及 無線寬帶網絡的商業(yè)標準化使得無線網絡技術越來越重要，也有越來越多的相關的應用和產品出現。 是一個新興的無線通信協(xié)議，是 IEEE 定義的低速個人區(qū)域網絡標準。這個標準定義了物理層和介質訪問層。物理層范圍確定無線網絡的工作頻段以及該頻段上傳輸數據的基準傳輸速率。介質層訪問定義了在同一個區(qū)域工作的多個 無線信號如何共享空中頻段。但是，僅僅定義物理層、介質訪問層不能完全解決問題。因為沒有統(tǒng)一的使用規(guī)范，不同的廠家聲場的設備存在兼容性問題，于是 Zigbee 聯(lián)盟應運而生，眾多設備生產商聯(lián)合在一起，推出一套標準化平臺，即 Zigbee，Zigbee 從 標準開始著手，定義了允許不同廠家設備相互兼容的應用綱要。 IEEE ， 定義了兩個物理層標準，分別是 物理層和 868/915 MHz 物理層。兩個物理層都基于 DSSS 直接序列擴頻技術，使用相同的物理層數據包格式。ZigBee在 頻段有 16 個信道，能夠提供 250 kb/s 的傳輸速率，采用 OQPSK 調制；915MHz 和 868MHz 分別是歐洲和美國的 ISM 頻段，這兩個頻段的引入避免了 附近各種無線通信設備的相互干擾。在 916MHz 頻段有 10 個信道，傳輸速率為是40kb/s，在 868 MHz 頻段只有 1 個信道，傳輸速率為 20 kb/s，這兩個頻段都采用BPSK 調制。它與藍牙同屬于 (WPAN 一 Wireless Personal Area Networks)協(xié)議家族，具有低速、低成本、低功耗、低復雜度等特點。也正是由于 Zigbee 協(xié)議的這些特點，使其比藍牙、WiFi 等更適合于那些對傳輸速率要求不高，而對資源、成本、功耗等有明確限制的應用場合。 數據包的最大長度為 127 個字節(jié)。每個數據包都有頭字節(jié)和 16位 CRC 的值組成，16 位 CRC 值驗證幀的完整性，此外， 還可以選擇使用應答數據傳輸機制，使用這種方法，所有 ACK 標志位置 1 的幀均會被他們的接收器應答。這就可以確定幀實際上已經被傳遞了。如果發(fā)送幀的時候置位了 ACK 標志位，但是在一定的超時期限內沒有收到應答，發(fā)送器將重復進行固定次數的發(fā)送，如仍無應答就宣布發(fā)生錯誤。注意接收到應答僅僅表示幀被 MAC 層正確接收，而不表示幀被正確處理，這是非常重要的。接收節(jié)點的 MAC 層正確接收并應答了一個幀，但是由于缺乏處理資源，該幀可能被上層丟棄。因此，很多上層和應用程序要求其他的應答響應。 Zigbee 網絡中的配置ZigBoe 無線網絡可采用多種類型的配置，分別為星型(Star)，格型(Mesh)和簇型(Cluster)。 星形網絡配置由一個協(xié)調器(Coordinator)節(jié)點(主設備)和一個或多個終端設備 (EndDevice)(從設備)組成。協(xié)調器是實現了一組很多 ZigBee 服務的一種特殊的全功能設備(FullFunc