【正文】 術(shù)致力于提供一種廉價的、固定的、便攜或者移動設(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)。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。在組網(wǎng)性能上，ZigBee 可以構(gòu)造為星形網(wǎng)絡(luò)或者點對點對等網(wǎng)絡(luò)，在每一個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 長地址，可容納的最大設(shè)備個數(shù)分別為 2～16 個和 2～64 個，具有較大的網(wǎng)絡(luò)容量。在該頻段上，數(shù)據(jù)傳輸速率為 250kbps；另外兩個頻段為 915MHz 和 868MHz，其相應(yīng)的信道個數(shù)分別為 10 個和 1 個，傳輸速率分別為 40kbps 和 20kbps。它們分別為 868MHz、915MHz 和 。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。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。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。在某些應(yīng)用中，電池是不可更換的。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。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。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)。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。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。4)影響數(shù)據(jù)融合。3)為路由協(xié)議提供基礎(chǔ)。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。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)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。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。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。(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。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。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。(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。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。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。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】 。(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。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。(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。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。(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。 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。4)網(wǎng)絡(luò)管理接口。3)應(yīng)用服務(wù)接口。2)定位。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。(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。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。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。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)。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。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。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。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。1)拓撲控制。(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。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的傳輸層負責(zé)數(shù)據(jù)流的傳輸控制。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。3)網(wǎng)絡(luò)層。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)鏈路層負責(zé)數(shù)據(jù)成幀、幀檢測、媒體訪問和差錯控制。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的物理層負責(zé)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。 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]。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。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。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。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。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】 。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。硬件部分分別介紹了各個模塊的功能和特點。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。首先介紹無線傳感器網(wǎng)絡(luò)特征和關(guān)鍵技術(shù)等。首先引入了課題的研究背景，然后介紹了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的國內(nèi)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。這些優(yōu)點使得 ZigBee 和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)完美地結(jié)合在一起。目前迫切需要一種符合傳感器和低端的、面向控制的、應(yīng)用簡單的專用標準，而 ZigBee 的出現(xiàn)正好解決了這一問題。本文提出了 ZigBee 無線傳感網(wǎng)絡(luò)平臺的設(shè)計要求，設(shè)計并建立一個星型的無線傳感器通信網(wǎng)絡(luò)，為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的實際應(yīng)用打下基礎(chǔ)。這些定義使得 ZigBee 協(xié)議具有以下特點：數(shù)據(jù)傳輸速率低、功耗低、成本低、網(wǎng)絡(luò)容量大、時延短、網(wǎng)絡(luò)的自組織、自愈能力強和通信可靠。網(wǎng)絡(luò)層和安全層由 ZigBee 聯(lián)盟定義。ZigBee 技術(shù)的體系結(jié)構(gòu)主要由物理層、介質(zhì)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、安全層以及應(yīng)用框架層組成。而傳感器網(wǎng)絡(luò)的首要設(shè)計目標是能源的高效使用。另外，傳感器節(jié)點具有的能量、處理能力、存儲能力和通信能力等都十分有限。本課題圍繞著 IEEE 標準和 ZigBee 技術(shù)，研究如何將 ZigBee 技術(shù)用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)平臺，如何設(shè)計出無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點，如何搭建一個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)硬件平臺，并使用 ZigBee 技術(shù)來作為傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信協(xié)議。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是自組織無線傳感器的成網(wǎng)技術(shù)，有多種形態(tài)和方式。其中后兩者備受關(guān)注。目前主要的解決方案有：使用高能電池、降低節(jié)點功率。在一個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)里面，需要使用數(shù)量龐大的微型傳感器，成本會制約其發(fā)展。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)正常通信聯(lián)系中，信號可能被一些障礙物或其它電子信號干擾而受到影響，而且在同一信道中可能出現(xiàn)數(shù)據(jù)沖突，怎么安全有效的通信是個有待研究的問題。傳感器網(wǎng)絡(luò)的主要特點有：網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點數(shù)量大、密度高、節(jié)點有一定的故障率；節(jié)點在電池能量、計算能力和存儲容量等方面有限制；網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)變化很快，以數(shù)據(jù)為中心。在傳感器網(wǎng)絡(luò)中，每個節(jié)點的功能都是相同的，大量傳感器節(jié)點被布置在整個觀測區(qū)域中，各個傳感器節(jié)點將所探測到的有用信息通過初步的數(shù)據(jù)處理和信息融合之后傳送給用戶，數(shù)據(jù)傳送的過程是通過相鄰節(jié)點接力傳送的方式傳送回基站，然后再通過基站以衛(wèi)星信道或者有線網(wǎng)絡(luò)連接的方式傳送給最終用戶。 研究目的 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的難點傳感器網(wǎng)絡(luò)是由大量體積小、成本低，具有無線通信、傳感、數(shù)據(jù)處理等能力的傳感器節(jié)點組成的，傳感器節(jié)點一般由傳感單元、處理單元、收發(fā)單元、電源單元等功能模塊組成。加州大學(xué)伯克力分校研究了傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)查詢技術(shù)，提出了實現(xiàn)可動態(tài)調(diào)整的連續(xù)查詢的處理方法和管理傳感器網(wǎng)絡(luò)上多查詢的方法，并研制了一個感知數(shù)據(jù)庫系統(tǒng) TinyDB。(3)感知數(shù)據(jù)查詢處理技術(shù)研究康奈爾大學(xué)在感知數(shù)據(jù)查詢處理技術(shù)方面開展的研究工作較多。(2)傳感器網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議的研究人們首先對已有的因特網(wǎng)和自組織無線網(wǎng)絡(luò)的通信協(xié)議進行了研究，發(fā)現(xiàn)這些協(xié)議不適用于傳感器網(wǎng)絡(luò)。南加州大學(xué)提出了在生疏環(huán)境部署移動傳感器的方法、傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)視結(jié)構(gòu)及其聚集函數(shù)計算方法、節(jié)省能源的計算聚集的樹構(gòu)造算法等。(1)傳感器網(wǎng)絡(luò)方面的研究加州大學(xué)伯克力分校提出了應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)連通性重構(gòu)傳感器位置的方法，并研制了一個傳感器操作系統(tǒng)—TinyOS。英國、日本、意大利等國家的一些大學(xué)和研究機構(gòu)也紛紛開展了該領(lǐng)域的研究工作。一些企業(yè)如華為技術(shù)、中興通訊公司等單位也加入無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究的行列。國內(nèi)的許多高校也掀起了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究熱潮。 《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要(20222020 年)》將“傳感器網(wǎng)絡(luò)及智能信息處理“作為未來信息產(chǎn)業(yè)及現(xiàn)代服務(wù)業(yè)的重點方向” 。隨著知識創(chuàng)新工程試點工作的深入，2022 年中科院依托上海微系統(tǒng)所成立微系統(tǒng)研究與發(fā)展中心引領(lǐng)院內(nèi)的相關(guān)工作，并通過該中心在無線傳感網(wǎng)絡(luò)的方向上陸續(xù)部署了若干重大研究項目和方向性項目，參加單位包括上海微系統(tǒng)所、聲學(xué)所、微電子所、半導(dǎo)體所、電子所、軟件所等十余個研究所，初步建立傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)研究平臺，在無線智能傳感網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、微型傳感器、傳感器節(jié)點、簇點和應(yīng)用系統(tǒng)等方面取得很大的進展。根據(jù)市場研究機構(gòu)預(yù)測，低功耗、低成本的 ZigBee 技術(shù)將在未來兩年內(nèi)得到快速增長，2022 年全球ZigBee 器件的出貨量將達到 100 萬個，2022 年底將超過 8000 萬個，2022 年將超過 億個 [2]。為推動 ZigBee 技術(shù)的發(fā)展，Chipcon、Ember、Freescale、Honeywell、Mistubishi、Motorala、Philips 和 Samsung等共同成立了 ZigBee 聯(lián)盟。ZigBee 建立在 標準之上，它確定了可以在不同制造商之間共享的應(yīng)用綱要。在標準規(guī)范的制訂方面，主要是 IEEE 小組與 ZigBee 聯(lián)盟(ZigBeeAlliance)兩個組織，兩者分別制訂硬件與軟件標準，兩者的角色分工就如同IEEE 小組與 WiFi 之間的關(guān)系。其物理層和介質(zhì)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，實現(xiàn)節(jié)點加入或離開網(wǎng)絡(luò)、路由查找及數(shù)據(jù)通信等功能，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。人們借此稱呼一種專注于低功耗、低成本、低復(fù)雜度、低速短距離無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)。ZigBee 一詞源自蜜蜂群在發(fā)現(xiàn)花粉位置時，通過跳 ZigBee 形舞蹈告知同伴，達到交換信息的目的。最后，這些數(shù)據(jù)可以進入計算機用于分析或是被另外一種無線技術(shù)收集。它有自己的無線電標準，在數(shù)千個微小的傳感器之間相互協(xié)調(diào)實現(xiàn)通信。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、塑料電子學(xué)和仿生人體器官又被稱為全球未來的三大高科技產(chǎn)業(yè) [1]。人們可以通過傳感器網(wǎng)絡(luò)直接感知客觀世界，從而極大地擴展現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的功能和人類認識世界的能力。而從上世紀末開始，現(xiàn)場總線技術(shù)開始應(yīng)用于傳感器網(wǎng)絡(luò)，人們用其組建智能化傳感器網(wǎng)絡(luò)，大量多功能傳感器被運用，并使用無線技術(shù)連接，