【導(dǎo)讀】專業(yè)：測(cè)控技術(shù)與儀器·對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和ZigBee技術(shù)的基本了解。對(duì)本次設(shè)計(jì)使用芯片CC2430和C51-RF-3-CS系統(tǒng)做初步了解。[2]CC2430/CC2431中文使用說明手冊(cè).成都無線龍通訊科技有限公司，1查閱資料，學(xué)習(xí)無線傳感器及AD轉(zhuǎn)換的基本知識(shí)?？频娘w速發(fā)展孕育了一種新型測(cè)控網(wǎng)絡(luò)——無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由大量。主要完成指定任務(wù)的自治監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。它已經(jīng)引起了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的高度重視，是。對(duì)2l世紀(jì)產(chǎn)生巨大影響力的技術(shù)之一，在各個(gè)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。顯示方面的應(yīng)用進(jìn)行了初步研究。器節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)傳輸功能。關(guān)鍵詞：傳感器網(wǎng)絡(luò)；傳感器節(jié)點(diǎn)；ZigBee協(xié)議；無線通信芯片CC2430。

　　

【正文】 的一項(xiàng)重要內(nèi)容。 5) 彌補(bǔ)節(jié)點(diǎn)失效的影響。傳感器節(jié)點(diǎn)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?fù)浣Y(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?fù)淇刂浦饕芯康膯栴}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(diǎn)選擇，剔除節(jié)點(diǎn)之間不必要的通信鏈路，形成一個(gè)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?fù)淇刂瓢凑昭芯糠较蚩梢苑譃閮纱箢悾汗?jié)點(diǎn)功耗控制和層次性拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)組織。目前在功率控制方面，已經(jīng)提出 TCOMpow等一系列功率分配算法， LINT/LILT和 LMN/LMA等基于節(jié)點(diǎn)密度的算法， CBTC、 LMST、四川理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 14 RNG、 DRNG和 DLSS等基于臨近圖的近似算法。在層 次型拓?fù)淇刂品矫?，提出?TopDisc成簇算法，改進(jìn)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(duì)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞哪骋环蕉M(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。 (4)功耗 在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，傳感器節(jié)點(diǎn)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(diǎn)的壽命很大程度上依賴于電池的壽命。在一個(gè)多跳的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)充當(dāng)采集數(shù)據(jù)和轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)雙重角色，少數(shù)幾個(gè)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障可能導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化，從而引起重新計(jì)算路由 和重新組織網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?。因此，?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。 本章小結(jié) 通過對(duì)無線傳感器各個(gè)方面的了解， 傳感器作為人們感官的延伸 , 在現(xiàn)代社會(huì)中得到了越來越廣泛的應(yīng)用。隨著通信技術(shù)、嵌入式技術(shù)、傳感器技術(shù)的發(fā)展 ,傳感器正逐漸向智能化、微型化、無線網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展。本文以溫度傳感器為例 , 使用模塊化設(shè)計(jì)思路 , 實(shí)現(xiàn)了一個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。這種傳感器網(wǎng)絡(luò)綜合了嵌入式技術(shù)、傳感器技術(shù)、短程無線通信技術(shù) , 在實(shí)際中有著廣泛的應(yīng)用。 第三章 ZigBee 技術(shù) 15 第三章 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(biāo)準(zhǔn)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 ，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(duì)其進(jìn)行開發(fā)利用。因此該技術(shù)能夠?yàn)橛脩籼峁C(jī)動(dòng)、靈活的組網(wǎng)方式。 根據(jù) ， ZigBee的工作頻段分為 3個(gè)頻段，這 3個(gè)工作頻段相距較大，而且在各個(gè)頻段的信道數(shù)據(jù)不同。因而，該項(xiàng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)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 16個(gè)信道，該頻段為全球通用的工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)學(xué)（ ISM： Industial、 Scientificand Meducal）頻段，該頻段為免付費(fèi)、免申請(qǐng)的無線電頻段。在該頻段上，數(shù)據(jù)傳輸速率為 250kbps：另外兩個(gè)頻段為 915MHz和 868MHz，其相應(yīng)的信道個(gè)數(shù)分別為 10個(gè)和 1個(gè) ， 傳輸速率分別為 40kbps和 20kbps。 868MHz和 915MHz無線電使用直接序列擴(kuò)頻技術(shù)（ DSSS）和二進(jìn)制相移鍵控（ BPSK）調(diào)制技術(shù)， DSSS和偏移正交相移鍵控（ OQPSK）。 在組網(wǎng)性能上， ZigBee可以構(gòu)造為星形網(wǎng)絡(luò)或者點(diǎn)對(duì)點(diǎn)對(duì)等網(wǎng)絡(luò)，在每一個(gè) ZigBee組成的無線網(wǎng)絡(luò)中，連接地址碼分為 16bit短地址或者 64bit長(zhǎng)地址，可容納的最大設(shè)備個(gè)數(shù)分別為 2^16個(gè)和 2^64個(gè)，具有較大的網(wǎng)絡(luò)容量。 在無線通信技術(shù)上，采用載波偵聽多路接入 。 沖突避免（ CSMA—CA）方式，有效的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(yīng)答通信協(xié)議。為保證 ZigBee設(shè)備 之間通信數(shù)據(jù)的安全保密性， ZigBee技術(shù)采用了密鑰長(zhǎng)度為 128位的加密算法，對(duì)所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息進(jìn)行加密處理 [5]。 ZigBee 技術(shù)的特點(diǎn) ZigBee技術(shù)致力于提供一種廉價(jià)的、固定的、便攜或者移動(dòng)設(shè)備使用的極低復(fù)雜度、低成本和低功耗的無線通信技術(shù)。這種無線通信技術(shù)具有如下特點(diǎn)： (1)數(shù)據(jù)傳輸速率低。只有 10kbps250kbps，專注于低傳輸速率應(yīng)用。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)不傳輸語音、視頻之類的大數(shù)據(jù)量的采集數(shù)據(jù)，僅僅傳輸一些采集到的溫度、濕度之類的簡(jiǎn)單數(shù)據(jù)。 四川理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 16 (2)功耗 低。工作模式情況下， ZigBee技術(shù)傳輸速率低，傳輸數(shù)據(jù)量很小，因此信號(hào)的收發(fā)時(shí)間很短。其次在非工作模式時(shí) ZigBee節(jié)點(diǎn)處于休眠模式，耗電量?jī)H僅只有 1uW。設(shè)備搜索時(shí)延一般為 30ms，休眠激活時(shí)延為 15ms，活動(dòng)設(shè)備信道接入時(shí)延為 15ms。由于工作時(shí)間較短、收發(fā)信息功耗較低且采用了休眠模式，使得 ZigBee設(shè)備非常省電，ZigBee節(jié)點(diǎn)的電池工作時(shí)間可以長(zhǎng)達(dá) 6個(gè)月到 2年左右。同時(shí)，由于電池時(shí)間取決于很多因素，例如電池種類、容量和應(yīng)用場(chǎng)合， ZigBee技術(shù)在協(xié)議上對(duì)電池使用也作了優(yōu)化。對(duì)于典型應(yīng)用，堿性電池 可以使用數(shù)年，對(duì)于某些工作時(shí)間和總時(shí)間（工作時(shí)間＋休眠時(shí)間）之比小于 1%的情況，電池的壽命甚至可以超過 10年。 (3)數(shù)據(jù)傳輸可靠 ZigBee的介質(zhì)鏈路層（ MAC層）采用 CSMACA碰撞避免機(jī)制。在這種完全確認(rèn)的數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制下，當(dāng)有數(shù)據(jù)傳送需求時(shí)，立刻傳送。發(fā)送的每個(gè)數(shù)據(jù)包都必須等待接收方的確認(rèn)信息，并進(jìn)行確認(rèn)信息回復(fù)。若沒有得到確認(rèn)信息的回復(fù)就表示發(fā)生了碰撞，將再傳一次。采用這種方法可以提高系統(tǒng)信息傳輸?shù)目煽啃?。同時(shí)為需要固定帶寬的通信業(yè)務(wù)預(yù)留了專用時(shí)隙，避免了發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)的競(jìng)爭(zhēng)和沖突。同時(shí) ZigBee針對(duì)時(shí)延敏感的應(yīng)用做了優(yōu)化，通信時(shí)延和休眠狀態(tài)激活的時(shí)延都非常短。 (4)網(wǎng)絡(luò)容量大。 ZigBee的低速率、低功耗和短距離傳輸?shù)奶攸c(diǎn)使它非常適宜支持簡(jiǎn)單器件。 ZigBee定義了兩種器件：全功能器件（ FFD）和簡(jiǎn)化功能器件（ RFD）。網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器（ Coordinator）是一種全功能器件，而網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通常為簡(jiǎn)化功能器件。如果通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器組建無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)最多可以支持超過 65000個(gè) ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，再加上各個(gè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器可互相連接，整個(gè) ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的數(shù)目將十分可觀。 (5)自動(dòng)動(dòng)態(tài)組網(wǎng)、自主路由。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是動(dòng)態(tài)變化的，無論是節(jié)點(diǎn)的能量耗盡，或者節(jié)點(diǎn)被敵人俘獲，都能使節(jié)點(diǎn)退出網(wǎng)絡(luò)，而且網(wǎng)絡(luò)的使用者也希望能在需要的時(shí)候向已有的網(wǎng)絡(luò)中加入新的傳感器節(jié)點(diǎn)。 (6)兼容性。 ZigBee技術(shù)與現(xiàn)有的控制網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)無縫集成。通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器自動(dòng)建立網(wǎng)絡(luò)，采用載波偵聽多路接入／沖突避免 CSMACA方式進(jìn)行信道接入。為了可靠傳遞，還提供全握手協(xié)議。 (7)安全性。 ZigBee提供了數(shù)據(jù)完整性檢查和鑒權(quán)功能，在數(shù)據(jù)傳輸中提供了三級(jí)安全性。第一級(jí)實(shí)際是無安全方式，對(duì)于某種應(yīng) 用，如果安全并不重要或者上層已經(jīng)提供足夠的安全保護(hù)，器件就可以選擇這種方式來轉(zhuǎn)移數(shù)據(jù)。對(duì)于第二級(jí)安全級(jí)別，器件可以使用接入控制清單（ ACL）來防止非法器件獲取數(shù)據(jù)。在這一級(jí)不采取加密措施。第三級(jí)安全級(jí)別在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移中采用屬于高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn)（ AES）的對(duì)稱密碼。 AES可以用來第三章 ZigBee 技術(shù) 17 保護(hù)數(shù)據(jù)凈荷，防止攻擊者冒充合法器件。 (8)實(shí)現(xiàn)成本低。模塊的初始成本估計(jì)在 6美元左右，很快就能降到 ，且ZigBee協(xié)議免專利費(fèi)用。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中可以具有成千上萬的節(jié)點(diǎn)，如果不能嚴(yán)格地控制節(jié)點(diǎn)的成本，那么網(wǎng)絡(luò)的規(guī) 模必將受到嚴(yán)重的制約，從而將嚴(yán)重地制約無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的強(qiáng)大功能。 ZigBee 技術(shù)和其它無線網(wǎng)絡(luò)的比較 目前短距離無線通信技術(shù)，除了 ZigBee技術(shù)外，還存在有許多其他短距離無線無線技術(shù)，例如藍(lán)牙技術(shù)（ Bluetooth）、超寬帶無線通信技術(shù)（ UWB:UltraWaveBand）、WiFi技術(shù)等，其中大部分已經(jīng)發(fā)展到標(biāo)準(zhǔn)級(jí)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，比較見表 。 紅外技術(shù)：這是所有技術(shù)中成本最低的，但它的工作距離也最短，只能在視距以內(nèi)，而且中間不能有障礙物。其數(shù)據(jù)率為 115200bps。 ISM無線技術(shù)：這些廉價(jià)的芯片工作在 31 433和 902到 928MHz頻段。還要大量同樣價(jià)廉的模組，但沒有標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。對(duì)真正的簡(jiǎn)單應(yīng)用而言，這是最佳選擇。 藍(lán)牙技術(shù)：這種快速（ 3Mbps）低成本技術(shù)的典型使用距離在 10到 100米間。其技術(shù)高度成熟，具有多種規(guī)范，并能提供 PAN adhoc（非網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)）聯(lián)網(wǎng)能力 [6]。 WiFi:也叫做 ,它的應(yīng)用領(lǐng)域廣泛。盡管比較昂貴，但 WiFi具有達(dá) 54Mbps的極高數(shù)據(jù)率和最大的覆蓋范圍（ 100米）。 WiFi收發(fā)器的功耗較大，集成到網(wǎng)狀也比較困難。 UWB:超寬帶，現(xiàn)在已有芯片和模組產(chǎn)品。它的速度極高（ 100到 480Mbps） ,但覆蓋距離很短（小于 10米），這決定了它往往被用作消費(fèi)產(chǎn)品中的視頻和高速數(shù)據(jù)（ USB）解決方案。目前沒有網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)能力。 ZigBee:這是最新技術(shù)。它選擇了低速率（ 250kbps）來換取低功耗和固有網(wǎng)狀能力。隨著批量的逐步增加，其價(jià)格下降。在所有無線技術(shù)中，它的潛力最大。 表 短距離無線通信的比較 種類 ZigBee 藍(lán)牙 WiFi 現(xiàn)有移動(dòng)通信 單點(diǎn)覆蓋距離 50300M（幾公里） 10M 50M 可達(dá)幾公里 網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展性 自動(dòng)擴(kuò)展 無 無 依靠現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)覆蓋 電池壽命 數(shù)年 數(shù)天 數(shù)小時(shí) 數(shù)天 傳輸速率 250Kbps 可達(dá) 1Mbps 111Mbps 可達(dá) 四川理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 18 頻段 868/915MHz、 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù) 65000 8 50 網(wǎng)絡(luò)使用費(fèi) 無 無 無 有 安全性 128bitAES或用戶在應(yīng)用層定義 64bit、 128bit Service Set ID (SSID) 使用成本 低 低 一般 高 ZigBee 協(xié)議棧結(jié)構(gòu) ZigBee協(xié)議棧由一個(gè)子層構(gòu)成。每層為其上層提供一組特定的服務(wù)：一個(gè)數(shù)據(jù)實(shí)體提供數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，一個(gè)管理實(shí)體提供全部其他服務(wù)。每個(gè)服務(wù)實(shí)體通過一個(gè)服務(wù)接入點(diǎn)（ SAP）為其上層提供服務(wù)接口，并且每個(gè) SAP提供了一系列的基本服務(wù)指令來完成相應(yīng)的功能。 ZigBee協(xié)議棧結(jié)構(gòu)模型如圖 。它雖然是基于標(biāo)準(zhǔn)的 7層開放式系統(tǒng)互聯(lián)模型（ OSI），但僅對(duì)涉及 ZigBee的層予以定義。 2層：物理層（ PHY）和介質(zhì)接入控制子層（ MAC）。 ZigBee聯(lián)盟提供了網(wǎng)絡(luò) 層和應(yīng)用層（ APL）框架的設(shè)計(jì)。其中，應(yīng)用層框架包括了應(yīng)用支持子層（ APS）、 ZigBee設(shè)備對(duì)象（ ZDO）及由制造商制定的應(yīng)用對(duì)象。 圖 ZigBee體系結(jié)構(gòu)模型 相對(duì)于常見的無線通信標(biāo)準(zhǔn)， ZigBee協(xié)議套件緊湊而簡(jiǎn)單，具體實(shí)現(xiàn)要求很低。最低需求估計(jì)為：硬件需要 8位處理器，如 8051；軟件需要 32KB的 ROM，最小軟件需要4KB的 ROM，如 CC2430芯片具有 8051內(nèi)核的、內(nèi)存從 32KB到 128KB的 ZigBee無線單片機(jī)；網(wǎng)絡(luò)主節(jié)點(diǎn)需要更多的 RAM以容納網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有節(jié)點(diǎn) 的設(shè)備信息、數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)表、設(shè)第三章 ZigBee 技術(shù) 19 計(jì)關(guān)聯(lián)表以及與安全有關(guān)的密鑰存儲(chǔ)器。 ZigBee聯(lián)盟希望建立一種可以連接每個(gè)電子設(shè)備的無線網(wǎng)，它預(yù)言 ZigBee將很快成為全球高端的無線技術(shù)， 2021年 ZigBee節(jié)點(diǎn)達(dá)到 30億個(gè)。具有幾十個(gè)節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)將很快耗盡已不夠用的 IPv4地址空間。因此， IPv6與 趨勢(shì)。 ZigBee協(xié)議比較緊湊、簡(jiǎn)單，從總體框架來看，可分為三個(gè)基本層次：物理層（ PHY）/介質(zhì)接入控制層（ MAC）、 ZigBee堆棧層和應(yīng)用層。 PHY層 /MAC層位于最底層，應(yīng) 用層位于最高層，協(xié)議棧的結(jié)構(gòu)體系如圖 。 物理層與物理傳輸媒介（這里主要指無線電波）相關(guān)，負(fù)責(zé)物理媒介與數(shù)據(jù)比特的相互轉(zhuǎn)化，以及數(shù)據(jù)比特與上層（數(shù)據(jù)鏈路層）數(shù)據(jù)幀的相互轉(zhuǎn)化。 MAC層負(fù)責(zé)尋址功能，發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)決定數(shù)據(jù)發(fā)送的目的地址，接收數(shù)據(jù)時(shí)判定數(shù)據(jù)的源地址。此外也負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)包和數(shù)據(jù)幀的裝配以及接收到的數(shù)據(jù)幀的解析。 ZigBee堆棧層由網(wǎng)絡(luò)層與安全平臺(tái)組成，提供應(yīng)用層與 /MAC層的 連接，由于網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、路由、安全相關(guān)的幾個(gè)堆棧層組成。 應(yīng)用層包含在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)上運(yùn)行的應(yīng)用程序， 賦予節(jié)點(diǎn)自己的功能。應(yīng)用層的主要功能是將輸入轉(zhuǎn)化為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，或者將數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)化輸出。 圖 ZigBee協(xié)議結(jié)構(gòu)體系 四川理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 20 物理層（ PHY） ZigBee的物理層規(guī)范了通信頻率， ZigBee所使用的頻率范圍分別是 868/915MHz。 ，分別是 868/915MHz物理層。兩個(gè)物理層都基于直接序列擴(kuò)頻（ DSSS,Direct Sequence Spread Spectrum）技術(shù) ，使用相同的物理層數(shù)據(jù)包格式。 ，無須