【文章內容簡介】 段下為 40kbps， 頻段下為250 kbps[5]。 ⑤ 時延短： 網絡的時延主要是從 休眠狀態(tài)中激活的時延和的通信時延 ，二ZigBee 網絡的這兩個時延 都 很短。因此一是節(jié)省了能量的消耗，二是更加適用于對時間敏感的場所。 ⑥ 網絡容量很大： ZigBee 網絡的拓撲結構總的來說可以分為 星型網絡 和 對重慶郵電大學本科 畢業(yè)設計（論文） 5 等網絡 。在每種組網方式下，網絡的 地址碼 可以是 16bits 短地址 ，也可以使64bits 的 長地址， 能夠 容納的最大設備個數分別為 216 和 264 個 [6]。 ⑦ 高可 靠性： ZigBee 在引進了 CSMA/CA 機制 ，即避免沖突的載波偵聽多路機制的 同時還為通信 的 數據預先 保 留了專用時隙， 從而有效的避免了在數據發(fā)送過程洪的信道競爭及沖突問題。 MAC 層中 通過采用 每個 待發(fā)送的 數據信息必須 在 接收方傳回的確認信息 之后方可發(fā)送的機制，有效地 保證節(jié)點之間在信息傳輸中的可靠性。 同時還 采用了密鑰長度為 128 位的加密算法 ， 保證 了 設備間通信數據的 安全。 第 二 節(jié) 選題意義 一、 ZigBee 的應用領域 以上的特點使得 ZigBee 在一些簡單的儀表控制等其他領域已經有成功的應用范例。隨著 ZigBee 技術的進一步發(fā)展，它將在越來越多的領域得到應用。目前， ZigBee 網絡的應用領域 有以下幾方面 [7]： ① 在傳感器網絡領域 傳感器網絡被稱作未來十大技術之一， 它是 由 不同種類的傳感器以及ZigBee 裝置構成 的一種用來監(jiān)測控制的網絡，可以實現(xiàn)對數據的自動采集、分析處理等工作， 適用于工業(yè)、農業(yè)、醫(yī)學、軍事等需要數據自動采集并進行網絡傳輸的領域。 ② 在工業(yè)領域 在工業(yè)領域 廣泛使用 ZigBee技術，主要是由于 ZigBee具有 低功耗的特點 。借助于 ZigBee 網絡來傳遞信息，可以達到工業(yè)與環(huán)境控制的目的。 比如一些比較 危險 的 化學成分的檢測、 生產機床流水香上的 的流程控制、 工業(yè)控制危險情況比如 火警 的 早期的檢測及預報等這些不適合工作人員直接接觸的危險工作，都可以 通過無線傳感網絡中的傳感器節(jié)點進行監(jiān)測。 ③ 在汽車上 這主要是傳遞 消息 的通用傳感器。汽車上的很多傳感器都只能內置在 快速轉動的輪胎或者發(fā)動機中， 比如輪胎的壓力監(jiān)測。 這些除了要借助 無線傳感技術外，更重要的 這些系統(tǒng)要求 電池的使用 時間 要長，同時還要 能夠在干擾很大重慶郵電大學本科 畢業(yè)設計（論文） 6 的環(huán)境中正常工作，不受金屬對電磁波的屏障效應等。基于上述分析， ZigBee可以說 是一個很好的選擇。 ④ 在家庭和樓宇自動化 智 能建設上 隨著智能家居的關注度提高，家庭和樓宇自動化在無線通信方面的應用越來越多。 未來的家庭中，將會出現(xiàn)在常用的電器及煤氣監(jiān)測、家庭的安保系統(tǒng)等其他的生活用品中都會出現(xiàn)基于 ZigBee 的無線傳感模塊 [7]。 家庭生活必將越來越智能化。 ⑤ 在精確 的 農業(yè) 耕種上 ZigBee 技術在農業(yè)方面的應用將會使農業(yè)活動從傳統(tǒng)的依靠人力監(jiān)測生長狀況、機械裝置現(xiàn)場操作中解放出來?；?ZigBee 通信的大量的傳感器的組成的無線傳感網絡 ，將收集到包括土壤 的 濕度、 土壤中 氮 的含量 、 土壤 酸堿度 、空氣 溫 濕度等在內的各種和作物生長密切相關的數據。這 為 農民決策提供了可靠的數據，降低了風險。 ⑥ 在醫(yī)學領域 在病房中安置各類傳感器可以實時的監(jiān)測和病人病情密切相關的數據，比如血壓、心跳速度等，然后通過無線傳感網絡傳送給醫(yī)生，這不僅減少了醫(yī)生查房的工作負擔，而且有助于給醫(yī)生的醫(yī)治決策提供準確的數據。 ⑦ 在消費 電子及 家用 電器的 自動化市場 上 隨著智能家居技術的不斷發(fā)展， 可以聯(lián)網的家用 電器，比如 電視、錄像機、電腦的 外設（鍵盤和鼠標等）、 還有休閑的器械、兒童的玩具等 都可以通過內置傳感器而構成無線傳感網，通過 ZigBee 通信。 這些結合創(chuàng)造出了巨大的市場前景。 ⑧ 在道路指示、方便安全行路方面 在街道、高速公路上分布大量的能夠提供路標及道路狀況的傳感器或其他的裝置，將能夠幫助判斷所處的位置及正在走的方向，同時會可以 實時提供道路的通行狀況、維修狀況、事故信息等和行車關系重大的信息。這些傳感器的更換也比較麻煩，所以低功耗成了首要考慮的問題，無疑， ZigBee 技術是最好的選擇。 ⑨ 在軍事上 軍事應用是 ZigBee 的又一重要應用。 ZigBee 網絡不需要架設網絡設施、可以 快速 的 展開、 抗 摧毀能力很強，這些特點都為 ZigBee 技術 在 復雜戰(zhàn)場環(huán)境中通信 創(chuàng)造了優(yōu)勢 。 基于上述的分析，可以看出 ZigBee 的應用前景非常的廣闊，故 對于 ZigBee重慶郵電大學本科 畢業(yè)設計（論文） 7 技術 的研究 就顯得非常重要，而且很有 意義。 二、 ZigBee 的發(fā)展現(xiàn)狀 在 ZigBee 技術的被迅速應用的生活中的很多方面時，其自身所存在的一些問題吸引學者的關注，如何進一步優(yōu)化和完善該技術也成為了一個研究熱點。 ZigBee 協(xié)議規(guī)范從推出至今，已經有大量研究者對 ZigBee 網絡的時間同步、安全機制、廣播問題等進行了研究，但目前仍然存在一些問題 [4]。 從安全方面來看， 無線自組織網絡有容易被攻擊和 難以追蹤的缺陷，這主要是 無線自組織網絡 所使用的 共享無線信道存在 的 安全隱患 所導致的。 從能量控制來看， 無線自組織網絡沒有固定基礎設施，一般采用電池供電，而且電池更換不方便，所以，降低網絡能耗，延長網絡生存期，避免節(jié)點死亡，這些是 ZigBee 網絡研究的重要問題。 目前，降低 能耗 的主要方法 有通過 選擇性的調整節(jié)點接收器到休眠狀態(tài)、使用可調輸出功率的發(fā)送器、采用節(jié)能型路由等等。 從接入控制來看，對接入 節(jié)點的 公平性、多種網絡共存 問題 、隱藏終端 問題 、暴露終端問題 等 雖然已提出了很多技術和方法， 但是并沒有得到完善的解決。 總之 ， 中國 關于傳感器網絡以及 ZigBee 協(xié)議的研究 剛開始 ， 但是，該技術屬于新興技術，國外的發(fā)展并沒有超前很多，所以 及時開展 對該技術的 前沿科學研究， 對以后的發(fā)展大有裨益。 第三節(jié) 論文的結構 和 主要研究內容 本文在概述了無線傳感網和 ZigBee 網絡的發(fā)展狀況及應用，分析了基于ZigBee 的 AODV 路由協(xié)議。 ZigBee 的網絡層分為數據實體和管理實體，路由發(fā)現(xiàn)及維護等過程都由管 理實體執(zhí)行，它是 ZigBee 網絡的核心。對 ZigBee 的組網過程、現(xiàn)有路由協(xié)議的思想及機制進行了詳細的分析。然后利用 matlab 中的 工具箱搭建了仿真平臺，在此基礎上，詳細介紹了 AODV 路由協(xié)議的設計思路。針對丟失 RREP 分組導致的數據丟失問題，分析了一種改進方案。最后對仿真進行了測試，并對測試結果進行了詳細的分析。 重慶郵電大學本科 畢業(yè)設計（論文） 8 本文的結構安排如下： 第一章 緒論：簡單介紹了課題的背景及其研究意義，概述了無線傳感網及 ZigBee 技術的特點、發(fā)展現(xiàn)狀。 第二章 ZigBee 的路由協(xié)議分析：簡要介紹 了 ZigBee 網絡層、組網過程、數據的收發(fā)過程、 常用路由算法的原理及實現(xiàn)過程。 第三章 基于 ZigBee 的 AODV 路由設計：通過模塊化的思想，詳細分析了基于 ZigBee 的 AODV 路由算法的實現(xiàn)過程。對 AODV 路由協(xié)議中路由 的 發(fā)現(xiàn) 過程 和 路由的 維護過程進行了重點介紹。 第四章 AODV 的一種改進方案：分析了一種基于路由發(fā)現(xiàn)過程的改進方案，該方案通過增加反向 RREQ 分組來建立備用路由，降低了網絡阻塞率和丟包率。 第五章 AODV 路由算法的實現(xiàn)與測試：本章主要對仿真的結果進行了測試，并對測試結果和本次實驗中的 不足進行了詳細的分析。 第 四 節(jié) 本章小結 本章由無線傳感網的概念展開，對幾種常用的無線通信技術進行了比較，概括介紹了 ZigBee 技術的特點， 并對 ZigBee 網絡的體系結構及未來的應用領域進行了簡要的分析，對比了國內外 ZigBee 技術的發(fā)展現(xiàn)狀，提出了目前ZigBee 技術發(fā)展的中存在的待解決的問題。 對文章的主要內容及文章架構進行了概述。 重慶郵電大學本科 畢業(yè)設計（論文） 9 第二章 ZigBee 路由協(xié)議 分析 第一節(jié) 網絡層規(guī)范簡介 網絡層提供了保證 MAC 子層正常工作的功能及為應用層的服務提供接入點。 要和應用層通信，網絡層的概念 包括兩個服務實體，數據實體（ NLDE,Network Layer Data Entity）和管理實體（ NLME,Network Layer Mannger Entity）。如圖 所示 [5]。 數據實體的主要任務是為上層提供所需要的常規(guī)數據服務，而管理實體則提供 訪問內部層參數、配置 、 管理數據 、組網等 機制。NWK 層數據實體通過其相關的 SAP 來提供相關的服務。 NIME 使用 NLDE 來 獲得它的一些管理任務，而且還維護一 個 叫做網絡信息庫（ NIB） 的 數據庫。 網 絡 層 數 據 實 體服 務 接 入 點N L D E S A PM A C 公 共 部 分 子層服 務 接 入 點M C P S S A P網 絡 層 數 據 實 體N L D EM A C 層 管 理 實 體服 務 接 入 點M L M E S A P網 絡 層 管 理 實 體N L M E網 絡 層 管 理 實 體服 務 接 入 點N L M E S A P網 絡 層 圖 ZigBee網絡層結構 一、 網絡層數據實體 網絡層數據實體為數據提供服務，對應用層和 MAC 層的接口分別為網絡層數據訪問接口（ NLDESAP）和 MAC 層數據訪問接口（ MCPSSAP），實現(xiàn)兩個對等的應用層之間的端到端的傳輸。網絡層在接收到來自高層的數據傳輸請求重慶郵電大學本科 畢業(yè)設計（論文） 10 原語后首先組織一個 NPDU，然后根據路由算法決定下一跳目的設備。故數據實體對于路由而言提供了一個接口，當高層需要發(fā)送數據是就會啟動路 由查詢機制。 二、 網絡層管理實體 網絡層的管理實體控制著網絡層，維護其網絡信息庫，為應用層提供接入點，可以說這是 是網絡層的關鍵所在。它提供以下服務： ① 配置 新設備 。包括根據要求配置協(xié)議棧以及通過一系列操作成為ZigBee 協(xié)調器或者加入現(xiàn)有網絡。 ② 建立 新網絡 。定義協(xié)調器（ Coordinator） 用來建立新的網絡 。只有一個未加入網絡的協(xié)調器才能建立網絡。 ③ 加入和離開網絡。定義了路由器（ Router）和節(jié)點（ Node）如何加入一個網絡，以及協(xié)調器和路由器如何使一個設備離開網絡。 ④ 地址分配。 協(xié)調器和路由器 為加入網絡的設備分配地址 。 ⑤ 鄰居設備的發(fā)現(xiàn)。發(fā)現(xiàn)一跳范圍內的鄰居設備，將鄰居節(jié)點的數據記錄在路由表中，并進行路由表的維護。 ⑥ 路由發(fā)現(xiàn)。目的設備不在一跳范圍內時，開始一個路由發(fā)現(xiàn)過程，發(fā)現(xiàn)路由路徑并且記錄在路由表中。 ⑦ 接收控制。 管理實體通過 控制接收器的開關時間 來 達到降低功耗目的，同時保證 MAC 層的同步和 數據的正常接收 。 圖 、圖 和圖 分別給出了各種設備的網絡層功能模塊 [1]。首先對網絡層進行初 始化， 沒有加入網絡的 協(xié)調器在初始化之后建立新的網絡、設定網絡參數、管理網絡中的節(jié)點，路由器和終端設備在發(fā)現(xiàn)網絡后請求加入網絡，在加入網絡的過程中 協(xié)調器和路由器為加入的設備 分配 地址 。 ZigBee路由器 可以參與路由 的 發(fā)現(xiàn) 過程 、消息 的 轉發(fā) 轉發(fā)過程 、允許其他節(jié)點通過 自己 關聯(lián)網絡等； ZigBee 終端節(jié)點通過 ZigBee 協(xié)調器節(jié)點或 ZigBee 路由節(jié)點關聯(lián)到網絡，但 不具有允許 其它任何節(jié)點通過它加入網絡 的能力 。數據發(fā)送和接收涉及路由的選擇，發(fā)起一個路由發(fā)現(xiàn)之后對路由算法進行選擇，在這個過程中進行鄰居列表的維護、路由表的維 護等。 重慶郵電大學本科 畢業(yè)設計（論文） 11 網 絡 層 初 始 化建 立網 絡處 理 加 入 網 絡地 址 分 配 鄰 居 列表 維 護 路 由 表 維護 路 由 算 法路 由發(fā) 現(xiàn)路 由維 護數 據 收 發(fā) 圖 Coordinator功能模塊示意圖 網 絡 層 初 始 化建 立網 絡處 理 加 入 網 絡地 址 分 配 鄰 居 列 表 維護 路 由 表 維 護 路 由 算法路 由發(fā) 現(xiàn)路 由維 護數 據 收 發(fā)發(fā) 現(xiàn)網 絡加 入網 絡離 開網 絡 圖 Router的 功能模塊示意圖 重慶郵電大學本科 畢業(yè)設計（論文） 12 網 絡 層 初 始 化建 立網 絡鄰 居 列 表 維 護路 由發(fā) 現(xiàn)路 由維 護數 據 收 發(fā)發(fā) 現(xiàn)網 絡加 入網 絡