【文章內(nèi)容簡介】 數(shù)Gbps的數(shù)據(jù)傳輸速率， GHz頻段。相對其它幾種無線通信技術，UWB具有抗干擾性能強、傳輸速率高、帶寬極寬、消耗電能小、發(fā)送功率小等優(yōu)點，主要應用于室內(nèi)通信、高速無線LAN、家庭網(wǎng)絡、無繩電話、安全檢測、定位、雷達等領域。 幾種無線通信技術對比 上文介紹了7種重要的短距離無線通信技術，為了更好的分析對比它們各自的優(yōu)缺點，表11列舉了它們的主要參數(shù)：由列表數(shù)據(jù)對比得出結論：對于無線傳感器網(wǎng)絡試驗性研究來說，WiFi優(yōu)勢明顯，但是這項應用才剛起步，而且造價比較昂貴，一般性研究支付不起。UWB傳輸速率高，功耗低，但是也是價格昂貴；紅外由于傳輸定向性強特點，不太適合；藍牙也是比較昂貴，并且傳輸距離太小；RFID技術已經(jīng)比較成熟，但是與WSN結合還沒有開展開，仍需等待；HomeRF更適合于家庭網(wǎng)絡；而對于ZigBee技術來說，最適合于WSN，成本不是很高，而且硬件產(chǎn)品、模型、協(xié)議等都比較簡單，易于開發(fā)。本文將對基于ZigBee的無線傳感器網(wǎng)絡進行初步研究，下文將對ZigBee技術和WSN方案進行敘述。表11 幾種短距離無線通信技術的比較技術名稱工作頻段傳輸范圍(米)傳輸速率（Mbps）功耗(mW)主要應用藍牙1011 100個人網(wǎng)絡紅外1016幾毫瓦透明的點到點傳輸ZigBee928MHz10100 （加強型達幾千米）13傳感器網(wǎng)絡WiFi10011100個人網(wǎng)絡傳感器網(wǎng)絡RFID135KHz/距離多樣無需供電識別、計時、圖書館管理、快遞管理、公路自動收費等HomeRF10GHz50121000以下家庭網(wǎng)絡UWB GHz小于10數(shù)百Mbps至數(shù)Gbps1以下家庭、檢測、定位、探距等 本文結構組織 第一章對無線傳感器網(wǎng)絡的背景、體系結構、協(xié)議棧、特點等方面進行了介紹，并比較了幾種重要的無線通信技術。第二章對ZigBee/、體系結構、網(wǎng)絡配置、組網(wǎng)、路由等方面進行了介紹。第三章對基于ZigBee的無線傳感器網(wǎng)絡的硬件部分進行了設計。第四章對基于ZigBee的無線傳感器網(wǎng)絡的軟件部分進行了設計，并通過兩個實驗，來驗證所設計系統(tǒng)的可靠性和可行性。第五章提出了幾種基于ZigBee的無線傳感器網(wǎng)絡的應用，并對全文進行總結和展望。 本章小結 本章首先對無線傳感器網(wǎng)絡的起源、應用前景和發(fā)展狀況進行了簡單介紹。接著從體系結構、協(xié)議棧結構、特點及其關鍵問題等方面對無線傳感器網(wǎng)絡進行了概述。另外，本章還介紹了幾種重要的短距離無線通信技術，并對它們做了對比分析。 最后，本章對全文的文章組織和結構進行了介紹，對全文起到了提綱挈領的作用，使文章的內(nèi)容更加清晰、一目了然。第二章 ZigBee/ ZigBee/ZigBee技術的名字源自蜂群（Bee）在發(fā)現(xiàn)花粉時，通過跳ZigZag形舞蹈來告知同伴，達到交換信息的目的，也就是說蜜蜂依靠這樣的方式構成了群體中的通信網(wǎng)絡。后來人們就將這種低功耗、低成本、低復雜度、低速率的近距離無線網(wǎng)絡通信技術成為ZigBee技術。ZigBee技術是一種具有統(tǒng)一標準的短距離無線通信技術，其物理層(PHY)和媒體接入控制（MAC），網(wǎng)絡層、安全層和應用層由ZigBee聯(lián)盟[7]制定。，ZigBee的工作頻段分為3個頻段，分別為868MHz。，分為16個頻段，該頻段為全球通用的工業(yè)、科學、醫(yī)學（ISM，Industrial Scientific and Medical）頻段，該頻段為免費、免申請的無線電頻段，數(shù)據(jù)傳輸速率為250kbps，采用偏移四相相移鍵控調(diào)制技術（OQPSK）；另外兩個頻段86915MHz分別適用于歐洲和美國，其相應的信道個數(shù)分別為1個信道和10個信道，傳輸速率分別為20kbps和40kbps，分別采用直接序列擴頻技術(DSSS)和二進制相移鍵控(BPSK)調(diào)制技術。在組網(wǎng)性能上，ZigBee可以構造成星形網(wǎng)絡或者點對點對等網(wǎng)絡，在每一個ZigBee組成的無線網(wǎng)絡中，連接地址碼分為16位短地址或者64位長地址，可容納的最大設備個數(shù)分別為216個和264個，具有較大的網(wǎng)絡容量。ZigBee采用載波偵聽多路訪問/沖突避免 (CSMA/CA)方式，有效避免了無線電載波之間的沖突。此外，為保證傳輸數(shù)據(jù)的可靠性，建立了完整的應答通信協(xié)議。為保證ZigBee設備之間通信數(shù)據(jù)的安全保密性，ZigBee技術采用了三級安全性措施，對所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息進行加密處理。 ZigBee技術特點相對其它無線通信技術，ZigBee技術有著鮮明的特點：l 低功耗。這是ZigBee技術最為顯著的一個特點，由于它采用了休眠喚醒機制，大大減少能量消耗，兩節(jié)5號電池可支持一個節(jié)點624個小時?，F(xiàn)在，TI公司和德國的Micropelt公司共同推出新能源的Zigbee節(jié)點，該節(jié)點采用Micropelt公司的熱電發(fā)電機給TI公司的Zigbee提供電源。l 低成本。ZigBee作為WSN的一種重要技術，成本低是它的一大優(yōu)勢，每個 ZigBee芯片的成本最低能達到十幾元人民幣，并且ZigBee免協(xié)議專利費，這為ZigBee技術的開發(fā)研究和發(fā)展奠定了很好的基礎。l 傳輸速率低。Zigbee工作在20～250 kbps的較低傳輸速率,分別提供250 kbps()、40kbps (915 MHz)和20kbps(868 MHz) 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。l 短距離。傳輸范圍一般介于10～100 m 之間,在增大射頻功率后,可達到1～3 km。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。l 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15 ms ,節(jié)點連接進入網(wǎng)絡只需30 ms ,進一步節(jié)省了電能。相比較,藍牙需要3～10 s、WiFi 需要3 s。l 高容量:。ZigBee可采用星型、樹型和Mesh網(wǎng)絡拓撲結構，由一個主節(jié)點管理若千個子節(jié)點，一個主節(jié)點最多可以管理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65536個節(jié)點的網(wǎng)絡。l 高安全。Zigbee 提供了三級安全模式,包括無安全設定、使用接入控制清單防止非法獲取數(shù)據(jù)以及采用高級加密標準(AES 128) 的對稱密碼,以靈活確定其安全屬性。l 免執(zhí)照頻段。采用工業(yè)科學醫(yī)療( ISM) 頻段,2. 4 GHz (全球) 、915 MHz(美國) 和868 MHz(歐洲) 。基于ZigBee這些特點（前面我們已經(jīng)對幾種無線通信技術做過比較），目前ZigBee技術最適合于無線傳感器網(wǎng)絡的應用。 ZigBee技術的體系結構ZigBee協(xié)議棧的體系結構如圖21所示，網(wǎng)絡層、加密層和應用層由ZigBee聯(lián)盟制定。圖21 ZigBee協(xié)議棧的體系結構 l 物理層：ZigBee PHY提供了兩種類型的服務，即通過物理層管理實體接口對PHY層數(shù)據(jù)和PHY層管理提供服務。圖22是ZigBee物理層的結構模型。PHY層的具體功能是：激活和關閉射頻收發(fā)器；對信道的能量進行檢測；對收到的數(shù)據(jù)包有鏈路質量指示；空閑信道評估；載波偵聽多路訪問/沖突避免(CSMA/CA)協(xié)議；信道頻率選擇；數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收等。圖22 ZigBee物理層結構模型[8] l MAC層。ZigBee MAC層也提供了兩種類型的服務：通過MAC層管理實體服務接入點向MAC層數(shù)據(jù)和MAC層管理提供服務。MAC層的具體功能是：信標管理；信道接入；時隙連接請求；使用載波偵聽多路訪問/沖突避免(CSMA/CA)信道訪問機制；為兩個對等MAC實體提供可靠的連接。l 網(wǎng)絡層。ZigBee網(wǎng)絡層的具體功能是：設備連接和斷開網(wǎng)絡時所采用的機制；在幀信息傳輸過程中所采用的安全性機制；設備之間的路由發(fā)現(xiàn)和路由維護和轉交；對一跳（onehop）鄰居設備的發(fā)現(xiàn)和相關結點信息的存儲。l 應用層。ZigBee應用層包括應用支持子層（Application Support SubLayer,APS），應用框架（Application Framework,AF）和ZigBee設備對象（ZigBee Device Object,ZDO）。APS主要負責數(shù)據(jù)單元的處理和傳輸以及應用對象的綁定。ZDO是一個公共服務接口，提供了一個公共的功能集，為用戶自定義的應用對象提供一個調(diào)用APS和網(wǎng)絡層的接口。AF為用戶自定義的應用程序提供一個模板式的活動空間，通過鍵值對和報文兩種服務方式。應用層包含在網(wǎng)絡節(jié)點上運行的應用程序，賦予節(jié)點自己的功能，應用層的主要功能是將輸入轉化為數(shù)字數(shù)據(jù)，或者將數(shù)字數(shù)據(jù)轉化為輸出。 ZigBee技術的網(wǎng)絡配置 Zigbee網(wǎng)絡中包含兩種功能設備，三種節(jié)點類型，三種拓撲結構以及兩種工作模式。有了這些基本的知識和功能單元，我們就可以對ZigBee進行組網(wǎng)。 兩種功能設備ZigBee網(wǎng)絡含全功能設備FFD(Full Function Device)和精簡功能設備RFD(Reduced Function Device)兩種功能類型的設備。l 全功能設備(FFD)：可以擔任網(wǎng)絡協(xié)調(diào)者，形成網(wǎng)絡，讓其它的FFD或是精簡功能裝置（RFD）連結，F(xiàn)FD具備控制器的功能，可提供信息雙向傳輸。，更多的存儲器、計算能力可使其在空閑時起網(wǎng)絡路由器作用，也能用作終端設備。l 精簡功能設備(RFD)：RFD卻只能與FFD通訊附帶有限的功能來控制成本和復雜性，在網(wǎng)絡中通常用作終端設備。RFD由于省掉了內(nèi)存和其他電路，降低了ZigBee部件的成本，而簡單的8位處理器和小協(xié)議棧也有助于降低成本。 三種節(jié)點類型 ZigBee網(wǎng)絡含三種類型的節(jié)點：協(xié)調(diào)器ZC(ZigBee Coordinator)、路由器ZR(ZigBee Router)和終端設備ZE(ZigBee EndDevice)，其中協(xié)調(diào)器和路由器均為全功能設備(FFD)，而終端設備選用精簡功能設備(RFD)。l 協(xié)調(diào)器ZC：一個ZigBee網(wǎng)絡PAN(Personal Area Network)有且僅有一個協(xié)調(diào)器，該設備負責啟動網(wǎng)絡，配置網(wǎng)絡成員地址，維護網(wǎng)絡，維護節(jié)點的綁定關系表等，需要最多的存儲空間、計算能力和電能。l 路由器ZR：主要實現(xiàn)擴展網(wǎng)絡及路由消息的功能，擴展網(wǎng)絡，即作為網(wǎng)絡中的潛在父節(jié)點，允許更多的設備接入網(wǎng)絡，路由節(jié)點只有在樹狀網(wǎng)絡和網(wǎng)狀網(wǎng)絡中存在。l 終端設備ZE：不具備成為父節(jié)點或路由器的能力，一般作為網(wǎng)絡的邊緣設備，負責與實際的監(jiān)控對象相連，這種設備只與自己的父節(jié)點主動通訊，具體的信息路由則全部交由其父節(jié)點及網(wǎng)絡中具有路由功能的協(xié)調(diào)器和路由器完成。 三種拓撲結構ZigBee網(wǎng)絡拓撲有星形，網(wǎng)形和簇形三種結構，如圖23所示，從左到右依次是星形，網(wǎng)形和簇形。圖23 ZigBee網(wǎng)絡拓撲結構l 星形網(wǎng)絡。所有的設備都與中心網(wǎng)絡協(xié)調(diào)設備通信，實際上在這種網(wǎng)絡結構中路由器是沒有路由作用的。在這種網(wǎng)絡結構中，網(wǎng)絡協(xié)調(diào)設備一般由電力系統(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、個人機外設以及個人健康護理等小范圍的室內(nèi)應用。l 網(wǎng)形網(wǎng)絡(Mesh)。在對方的無線輻射范圍內(nèi)，任何兩個FFD設備之間直接通信，在Mesh網(wǎng)絡中每一個FFD設備都可以認為是網(wǎng)絡路由器，都可現(xiàn)對網(wǎng)絡報文的路由轉發(fā)功能，Mesh網(wǎng)在構建時比較復雜，節(jié)點所要維護的較多。l 簇形網(wǎng)絡。它實際上可以看做是一個復雜的星形網(wǎng)絡，一個擴展的星形拓撲或是個簡單的星形網(wǎng)絡組成的拓撲結構。在簇形網(wǎng)絡中，網(wǎng)絡協(xié)調(diào)設備、器由設備和終端設備的功能清晰，相對于Mesh網(wǎng)絡，構建簇形網(wǎng)絡比較簡單，所需的資源相對較少，并且可以實現(xiàn)網(wǎng)絡的路由轉發(fā)功能，從而也擴大了網(wǎng)絡的通信范圍。 兩種工作模式 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ZE進行周期性休眠，協(xié)調(diào)器ZC和所有路由器ZR設備必須長期處于工作狀態(tài)。信標模式下，ZC負責以一定的間隔時間(一般在15ms4mins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(nèi)發(fā)送。非信標模式下，ZigBee標準采用父節(jié)點為ZE子節(jié)點緩存數(shù)據(jù)，ZE主動向其父節(jié)點提取數(shù)據(jù)的機制，實現(xiàn)ZE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ZE子節(jié)點緩存數(shù)據(jù)幀，所有ZE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。 ZigBee組網(wǎng) 基本通信原語ZigBee協(xié)議是分層的通信協(xié)議，層與層之間是通過服務接入點SAP相連接的。每一層都可以通過本層和下一層的SAP調(diào)用下層所提供的服務，同時通過與上層的SAP通信，為上層提供相應服務。SAP是層與層之間的唯一接口，而具體的服務是以通信原語的形式供層與層之間調(diào)用。在調(diào)用下層服務時，只需要遵循統(tǒng)一的原語規(guī)范，并不需要去了解如何處理原語。這樣就做到了數(shù)據(jù)層與層之間的透明傳輸。層與層之間的通信原語分為以下四種,它們之間的關系圖如圖24所示：圖24 通信原語之間的關系Request：請求原語，用于上層向本層請求指定的服務。Confirm：確認原語，用于本層響應上層發(fā)出的請求原語。Indication：指示原語，本層發(fā)給上層，用來指示本層的某一內(nèi)部事件。Response：響應原語，用于上層響應本層發(fā)出的指示原語。 原語遵循“”的規(guī)則，比如“”表示物理層數(shù)據(jù)請