【文章內(nèi)容簡介】 外研究概況，最后指出課題的研究目的和意義以及本文的主要研究內(nèi)容。第二章介紹無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。首先介紹無線傳感器網(wǎng)絡(luò)特征和關(guān)鍵技術(shù)等。其次提出了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計原則。第三章介紹 ZigBee 技術(shù)的概念和特點，協(xié)議棧結(jié)構(gòu)，與其它無線網(wǎng)絡(luò)的區(qū)別，ZigBee 無線網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)和路由研究，最后介紹 ZigBee 技術(shù)的應(yīng)用。第四章為基于 ZigBee 技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)平臺的硬件概述。硬件部分分別介紹了各個模塊的功能和特點。第五章為基于 ZigBee 技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)平臺的軟件設(shè)計。首先介紹了各種軟件環(huán)境，其次研究了實際中關(guān)鍵問題的處理方法。第六章為結(jié)論與展望，并提出進一步的研究工作。2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò) 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)構(gòu)架無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)構(gòu)架如圖 所示，通常包括傳感器節(jié)點(sensor node)、匯聚節(jié)(sink node)和管理節(jié)點 (manager node)【4】 。圖 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)構(gòu)架在圖 中，大量傳感器節(jié)點密布于整個被觀測區(qū)域中，通過自組織的方式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)。傳感器節(jié)點在對所探測到的信息進行初步處理之后，以多跳中繼的方式將其傳送給匯聚節(jié)點，然后經(jīng)衛(wèi)星、互聯(lián)網(wǎng)等途徑到達最終用戶所在的管理節(jié)點。最終用戶也可以通過管理節(jié)點對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進行管理和配置、發(fā)送檢測任務(wù)或是收集回傳數(shù)據(jù)。傳感器節(jié)點通常是一個嵌入式系統(tǒng)，由于受到體積、價格、電源供給等因素的限制，它的處理能力、存儲能力相對較弱，通常距離也很有限，通常只與自身通信范圍內(nèi)的鄰居節(jié)點交換信息。訪問通信范圍以外的節(jié)點，必須使用多跳路由。為了保證采集到的信息能夠通過多跳送到匯聚節(jié)點，節(jié)點的分布要相當密集。從網(wǎng)絡(luò)功能上看，每個傳感器節(jié)點都具有信息采集和路由雙重功能，除了進行本地信息收集與處理外，還要存儲、管理和融合其它節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)過來的數(shù)據(jù)，同時與其它節(jié)點協(xié)作完成一些特殊任務(wù)。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(guān)設(shè)備。匯聚節(jié)點連接傳感器節(jié)點與外部節(jié)點，通過協(xié)議轉(zhuǎn)換實現(xiàn)管理節(jié)點與傳感器網(wǎng)絡(luò)之間的通信，把收集到的數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)發(fā)到外部網(wǎng)絡(luò)上，同時發(fā)布管理節(jié)點提交的任務(wù)。 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)由分層的網(wǎng)路通信協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)管理平臺以及應(yīng)用支撐平臺 3 個部分組成，如圖 所示 [4]。圖 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)(1)分層的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議類似于傳統(tǒng) Inter 網(wǎng)絡(luò)中的 TCP/IP 協(xié)議體系，它由物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層和應(yīng)用層組成：1)物理層。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的物理層負責信號的調(diào)制和數(shù)據(jù)的收發(fā)，所采用的傳輸介質(zhì)有無線電、紅外線和光波等。2)數(shù)據(jù)鏈路層。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)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。其中，媒體訪問協(xié)議保證可靠的點對點和點對多點通信；差錯控制則保證源節(jié)點發(fā)出的信息可以完整無誤的到達目標節(jié)點。3)網(wǎng)絡(luò)層。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)層負責路由發(fā)現(xiàn)和維護。通常，大多數(shù)節(jié)點無法直接和網(wǎng)關(guān)通信，需要通過中間節(jié)點通過多跳路由的方式將數(shù)據(jù)傳送至匯聚節(jié)點。4)傳輸層。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的傳輸層負責數(shù)據(jù)流的傳輸控制。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(luò)、Inter 或者其它的鏈路與外部網(wǎng)絡(luò)通信。(2)網(wǎng)絡(luò)管理平臺主要是對傳感器節(jié)點自身的管理以及用戶對傳感器網(wǎng)絡(luò)的管理。它包括的拓撲控制、服務(wù)質(zhì)量管理、能量管理、安全管理、移動管理和網(wǎng)絡(luò)管理等。1)拓撲控制。為了節(jié)約能源，某些傳感器節(jié)點會在某些時刻進入休眠狀態(tài)，這導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)不斷變化，因為需要通過拓撲控制技術(shù)管理各節(jié)點狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，使網(wǎng)絡(luò)保持暢通，數(shù)據(jù)能夠有效傳輸。拓撲控制利用鏈路層、路由層完成拓撲生成，反過來又為它們提供基礎(chǔ)信息支持，優(yōu)化 MAC 協(xié)議和路由協(xié)議，降低能耗。2)服務(wù)質(zhì)量管理。服務(wù)質(zhì)量(QoS)管理在各協(xié)議層設(shè)計隊列管理、優(yōu)先級機制或者寬帶預(yù)留等機制，并對特定應(yīng)用的數(shù)據(jù)進行特別處理。它是網(wǎng)絡(luò)與用戶之間以及網(wǎng)絡(luò)上互相通信的用戶之間關(guān)于信息傳輸與共享的質(zhì)量約定。為滿足用戶的要求，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)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。3)能量管理。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，電源能量是各個節(jié)點最寶貴的資源。為了使無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的使用時間盡可能的長，需要合理、有效的控制節(jié)點對能量的使用。每個協(xié)議層中都要增加能量控制代碼，并提供給操作系統(tǒng)進行能量分配決策。4)安全管理。由于節(jié)點隨機部署、網(wǎng)絡(luò)拓撲的動態(tài)性以及無線信道的不穩(wěn)定，傳統(tǒng)的安全機制無法在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中適用，因此需要設(shè)計新型的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)安全機制，這需要采用擴頻通信、接入認證、鑒權(quán)、數(shù)字水印和數(shù)據(jù)加密等技術(shù)。5)移動管理。在某些無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用環(huán)境中節(jié)點可以移動，移動管理用來檢測和控制節(jié)點的移動，維護到匯聚節(jié)點的路由，還可以使傳感器節(jié)點跟蹤其鄰居節(jié)點。6)網(wǎng)絡(luò)管理。網(wǎng)絡(luò)管理是對無線傳感器上的設(shè)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(shù)和方法。它要求協(xié)議各層嵌入各種信息接口，并定時收集協(xié)議運行狀態(tài)和流量信息，協(xié)調(diào)控制網(wǎng)絡(luò)中各個協(xié)議組件的運行。(3)應(yīng)用支持平臺建立在分層網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)管理技術(shù)的基礎(chǔ)之上，它包括一系列基于檢測任務(wù)的應(yīng)用層軟件，通過應(yīng)用服務(wù)接口和網(wǎng)絡(luò)管理接口來為終端用戶提供具體的應(yīng)用支持。1)時間同步。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信協(xié)議和應(yīng)用要求各節(jié)點間的時鐘必須保持同步，這樣多個傳感器節(jié)點才能相互配合工作。此外，節(jié)點的休眠和喚醒也需要時鐘同步。2)定位。節(jié)點定位是確定每個傳感器節(jié)點的相對位置或絕對位置，節(jié)點定位在軍事偵察、環(huán)境監(jiān)測、緊急救援等環(huán)境中尤為重要。3)應(yīng)用服務(wù)接口。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用是多種多樣的，針對不同的應(yīng)用環(huán)境，有各種應(yīng)用層的協(xié)議，如任務(wù)安排和數(shù)據(jù)分發(fā)協(xié)議、節(jié)點查詢和數(shù)據(jù)分發(fā)協(xié)議等。4)網(wǎng)絡(luò)管理接口。主要是傳感器管理協(xié)議，用來將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綉?yīng)用層。 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為當今信息領(lǐng)域的研究熱點，涉及多學(xué)科交叉，所需要研究的內(nèi)容可分為 4個部分：網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議、核心支撐技術(shù)、自組織管理和開發(fā)與應(yīng)用。每個部分都有許多關(guān)鍵技術(shù)需要研究和解決 【4】 。(1)網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議由于傳感器節(jié)點能源能量的限制，其計算、存儲和通信能力十分有限，每個節(jié)點只能獲取到局部網(wǎng)絡(luò)的信息。因而節(jié)點上運行的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議不能太復(fù)雜；同時，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)和外界環(huán)境的不斷變化，也對網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議的設(shè)計提出了更高要求。傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信協(xié)議包括物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層 4 個層次。它們相互配合運行，使得若干個獨立的傳感器節(jié)點能夠形成一個多跳的動態(tài)的數(shù)據(jù)收集網(wǎng)絡(luò)。(2)核心支撐技術(shù)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)里的核心支撐技術(shù)使用網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議提供的服務(wù)，并通過服務(wù)接口來屏蔽底層網(wǎng)絡(luò)的細節(jié)，使終端用戶可以方便的對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進行操作。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)依靠這些豐富的核心支撐技術(shù)構(gòu)成了一個具體的面向應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的核心支撐技術(shù)包括拓撲控制、節(jié)點定位、時間同步、網(wǎng)內(nèi)信息處理和網(wǎng)絡(luò)安全等。(3)自組織管理多變的網(wǎng)絡(luò)狀況及環(huán)境要求無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有自組織的能力，能夠自動組網(wǎng)運行，自行配置維護，適時轉(zhuǎn)發(fā)檢測數(shù)據(jù)。自組織網(wǎng)絡(luò)技術(shù)使用網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議提夠的服務(wù)，通過網(wǎng)絡(luò)管理接口來屏蔽底層網(wǎng)絡(luò)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(luò)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的自組織管理技術(shù)包括節(jié)點管理、資源與任務(wù)管理、數(shù)據(jù)管理、初始化與系統(tǒng)維護管理等。(4)開發(fā)與應(yīng)用作為一種服務(wù)于實際應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)還有有一套現(xiàn)實可行的軟硬件設(shè)計原則、高效的開發(fā)平臺以及一系列別具特色的應(yīng)用實例。 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計原則一個傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計是受到很多因素影響，其中包括容錯性、伸縮性、生產(chǎn)成本、部署環(huán)境、網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)、硬件的限制、傳輸介質(zhì)、功耗等。這些因素都是在設(shè)計一個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議或算法時應(yīng)該考慮的重要因素 【5】 。(1)容錯性傳感器節(jié)點可能由于電池耗盡、物理損害或環(huán)境干擾等因素導(dǎo)致不能正常工作，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)要求不能因為某個或某些傳感器節(jié)點出現(xiàn)故障而導(dǎo)致整個網(wǎng)絡(luò)癱瘓，這就是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的可靠性或容錯性問題。傳感器節(jié)點的可靠性或者容錯性滿足泊松分布，因此，在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和算法設(shè)計時必須考慮容錯性需求。如果傳感器節(jié)點部署的環(huán)境干預(yù)比較小，那么對容錯性的要求相對比較低。例如，如果傳感器節(jié)點被部署在房子追蹤濕度和溫度水平，由于這種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)不易受干擾或破壞，所以容錯的要求低。如果傳感器節(jié)點被部署在戰(zhàn)場偵察、探測戰(zhàn)場信息，因為在這種情形下，數(shù)據(jù)非常重要，而且傳感器節(jié)點可能被人為破壞，所以對容錯的要求就非常高。(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(yīng)用中甚至更多。因此無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的協(xié)議或算法必須能夠處理大量節(jié)點的情況。另外，還要求能利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)這種高密度的特性來優(yōu)化。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。如在機器診斷的應(yīng)用中，傳感器節(jié)點密度大約是在 5x5 平方米區(qū)域內(nèi)有 300 個傳感器節(jié)點，而對車輛跟蹤應(yīng)用中，節(jié)點密度大約為一個監(jiān)測區(qū)域內(nèi)有 10 個傳感器節(jié)點。動物棲息地監(jiān)測應(yīng)用中，每個監(jiān)測區(qū)域的傳感器節(jié)點數(shù)目從 25 至 100 個不等 【6】 。(3)網(wǎng)絡(luò)拓撲控制在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，傳感器節(jié)點是體積微小的嵌入式設(shè)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。所以除了要設(shè)計能量高效的 MAC協(xié)議、路由協(xié)議以及應(yīng)用層協(xié)議外，還要設(shè)計優(yōu)化的網(wǎng)絡(luò)拓撲控制機制。對于自組織的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)而言，網(wǎng)絡(luò)拓撲控制對網(wǎng)絡(luò)性能的影響很大。良好的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)控制機制能夠提高路由協(xié)議和 MAC 協(xié)議的效率，為數(shù)據(jù)融合、時間同步和目標定位等很多方面提供基礎(chǔ)，有利于延長整個網(wǎng)絡(luò)的生存時間。因此，網(wǎng)絡(luò)拓撲控制是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的一個基本問題。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)控制和優(yōu)化有著十分重要的意義，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：1)影響整個網(wǎng)絡(luò)的生存時間。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點一般采用電池供電，節(jié)省能量是網(wǎng)絡(luò)設(shè)計主要考慮的問題之一。網(wǎng)絡(luò)拓撲控制的一個重要目標就是在保證網(wǎng)絡(luò)連通性和覆蓋度的情況下，盡量合理高效地使用網(wǎng)絡(luò)能量，延長整個網(wǎng)絡(luò)的生存時間。2)減小節(jié)點間通信干擾，提高網(wǎng)絡(luò)通信效率。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點通常密集部署，如果每個節(jié)點都以大功率進行通信，會加劇節(jié)點之間的干擾，降低通信效率，并造成節(jié)點能量的浪費。另一方面，如果發(fā)射功率選擇太小，會影響網(wǎng)絡(luò)的連通性。因此，網(wǎng)絡(luò)拓撲控制中的功率控制技術(shù)是解決整個矛盾的重要途徑之一。3)為路由協(xié)議提供基礎(chǔ)。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，只有活動的節(jié)點才能夠進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，而網(wǎng)絡(luò)拓撲控制可以確定由哪些節(jié)點作為轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點，同時確定節(jié)點之間的鄰居關(guān)系。4)影響數(shù)據(jù)融合。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)融合是指傳感器節(jié)點將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送給骨干節(jié)點，骨干節(jié)點進行數(shù)據(jù)融合，并把融合結(jié)果發(fā)送給數(shù)據(jù)收集節(jié)點。而骨干節(jié)點的選擇是網(wǎng)絡(luò)拓撲控制的一項重要內(nèi)容。5)彌補節(jié)點失效的影響。傳感器節(jié)點可能部署在惡劣環(huán)境中，在軍事應(yīng)用中甚至部署在敵方區(qū)域中，所以很容易遭到破壞而失效。這就要求網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)具有魯棒性以適應(yīng)這種情況。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓撲控制主要研究的問題是在滿足網(wǎng)絡(luò)覆蓋度和連通度的前提下，通過功率控制和骨干節(jié)點選擇，剔除節(jié)點之間不必要的通信鏈路，形成一個數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。具體地講，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中拓撲控制按照研究方向可以分為兩大類：節(jié)點功耗控制和層次性拓撲結(jié)構(gòu)組織。目前在功率控制方面，已經(jīng)提出了 COMpow 等一系列功率分配算法，LINT/LILT 和 LMN/LMA 等基于節(jié)點密度的算法，CBTC 、LMST 、 RNG、DRNG 和 DLSS 等基于臨近圖的近似算法。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。但是,這些算法往往考慮不夠全面，只是針對網(wǎng)絡(luò)拓撲的某一方而進行優(yōu)化設(shè)計。(4)功耗在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，傳感器節(jié)點是體積微小的嵌入式設(shè)備，采用能量有限的電池供電。在某些應(yīng)用中，電池是不可更換的。所以，傳感器節(jié)點的壽命很大程度上依賴于電池的壽命。在一個多跳的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，每個節(jié)點同時充當采集數(shù)據(jù)和轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)雙重角色，少數(shù)幾個節(jié)點出現(xiàn)故障可能導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)的變化，從而引起重新計算路由和重新組織網(wǎng)絡(luò)拓撲。因此，節(jié)能和能量管理是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)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(luò)協(xié)議和算法 [7]。3 ZigBee 技術(shù) ZigBee 技術(shù)概述ZigBee 技術(shù)是一種具有統(tǒng)一技術(shù)標準的短距離無線通信技術(shù)，其物理層和數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議為 IEEE 協(xié)議標準，網(wǎng)絡(luò)層和安全層由 ZigBee 聯(lián)盟制定，應(yīng)用層的開發(fā)應(yīng)用根據(jù)用戶自己的應(yīng)用需要，對其進行開發(fā)利用。因此該技術(shù)能夠為用戶提供機動、靈活的組網(wǎng)方式。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。因而，該項技術(shù)標準中，各頻段上的調(diào)制方式和傳輸速率不同。它們分別為 868MHz、915MHz 和 。其中在 頻段上分為 16 個信道，該頻段為全球通用的工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)學(xué)(ISM： Industial、Scientific and Meducal)頻段，該頻段為免付費、免申請的無線電頻段。在該頻段上，數(shù)據(jù)傳輸速率為 250kbps；另外