【正文】 立失敗。然后，需要將ScanType參數(shù)設(shè)置成主動(dòng)掃描并把ChannelList設(shè)置成可接受信道，用以尋找其他的ZigBee設(shè)備。(NWK)。過(guò)程啟動(dòng)以后，網(wǎng)絡(luò)層管理實(shí)體首先要求MAC層對(duì)任意指定的一系列信道，缺省條件所有有效的信道進(jìn)行能量掃描，尋找可能存在的網(wǎng)絡(luò)。只有那些可以成為ZigBee協(xié)調(diào)器并且當(dāng)前沒有加入任何網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備才能建立新網(wǎng)絡(luò)。數(shù)據(jù)服務(wù)實(shí)體生成協(xié)議數(shù)據(jù)單元(PDU)，并通過(guò)數(shù)據(jù)實(shí)體服務(wù)接入點(diǎn)(NLDESAP)提供數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)。 ZigBee網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)ZigBee標(biāo)準(zhǔn)提供了兩個(gè)必須的功能服務(wù)實(shí)體，它們分別為管理服務(wù)實(shí)體和數(shù)據(jù)服務(wù)實(shí)體。PDU是在不同節(jié)點(diǎn)的各層對(duì)等實(shí)體之間用來(lái)實(shí)現(xiàn)該層協(xié)議所交換的信息單元。 原語(yǔ)遵循“”的規(guī)則，比如“”表示物理層數(shù)據(jù)請(qǐng)求原語(yǔ)。Indication：指示原語(yǔ)，本層發(fā)給上層，用來(lái)指示本層的某一內(nèi)部事件。層與層之間的通信原語(yǔ)分為以下四種,它們之間的關(guān)系圖如圖24所示：圖24 通信原語(yǔ)之間的關(guān)系Request：請(qǐng)求原語(yǔ)，用于上層向本層請(qǐng)求指定的服務(wù)。在調(diào)用下層服務(wù)時(shí)，只需要遵循統(tǒng)一的原語(yǔ)規(guī)范，并不需要去了解如何處理原語(yǔ)。每一層都可以通過(guò)本層和下一層的SAP調(diào)用下層所提供的服務(wù)，同時(shí)通過(guò)與上層的SAP通信，為上層提供相應(yīng)服務(wù)。網(wǎng)絡(luò)中所有父節(jié)點(diǎn)需為自己的ZE子節(jié)點(diǎn)緩存數(shù)據(jù)幀，所有ZE子節(jié)點(diǎn)的大多數(shù)時(shí)間都處于休眠模式，周期性的醒來(lái)與父節(jié)點(diǎn)握手以確認(rèn)自己仍處于網(wǎng)絡(luò)中，其從休眠模式轉(zhuǎn)入數(shù)據(jù)傳輸模式一般只需要15ms。信標(biāo)模式下，ZC負(fù)責(zé)以一定的間隔時(shí)間(一般在15ms4mins之間)向網(wǎng)絡(luò)廣播信標(biāo)幀，兩個(gè)信標(biāo)幀發(fā)送間隔之間有16個(gè)相同的時(shí)槽，這些時(shí)槽分為網(wǎng)絡(luò)休眠區(qū)和網(wǎng)絡(luò)活動(dòng)區(qū)兩個(gè)部分，消息只能在網(wǎng)絡(luò)活動(dòng)區(qū)的各時(shí)槽內(nèi)發(fā)送。 兩種工作模式 ZigBee網(wǎng)絡(luò)的工作模式可以分為信標(biāo)(Beacon)和非信標(biāo)(Nonbeacon)兩種模式。它實(shí)際上可以看做是一個(gè)復(fù)雜的星形網(wǎng)絡(luò)，一個(gè)擴(kuò)展的星形拓?fù)浠蚴莻€(gè)簡(jiǎn)單的星形網(wǎng)絡(luò)組成的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在對(duì)方的無(wú)線輻射范圍內(nèi)，任何兩個(gè)FFD設(shè)備之間直接通信，在Mesh網(wǎng)絡(luò)中每一個(gè)FFD設(shè)備都可以認(rèn)為是網(wǎng)絡(luò)路由器，都可現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)報(bào)文的路由轉(zhuǎn)發(fā)功能，Mesh網(wǎng)在構(gòu)建時(shí)比較復(fù)雜，節(jié)點(diǎn)所要維護(hù)的較多。星型網(wǎng)絡(luò)適合家庭自動(dòng)化、個(gè)人機(jī)外設(shè)以及個(gè)人健康護(hù)理等小范圍的室內(nèi)應(yīng)用。所有的設(shè)備都與中心網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)設(shè)備通信，實(shí)際上在這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中路由器是沒有路由作用的。 三種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溆行切?，網(wǎng)形和簇形三種結(jié)構(gòu)，如圖23所示，從左到右依次是星形，網(wǎng)形和簇形。l 路由器ZR：主要實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)及路由消息的功能，擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)，即作為網(wǎng)絡(luò)中的潛在父節(jié)點(diǎn)，允許更多的設(shè)備接入網(wǎng)絡(luò)，路由節(jié)點(diǎn)只有在樹狀網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)中存在。 三種節(jié)點(diǎn)類型 ZigBee網(wǎng)絡(luò)含三種類型的節(jié)點(diǎn)：協(xié)調(diào)器ZC(ZigBee Coordinator)、路由器ZR(ZigBee Router)和終端設(shè)備ZE(ZigBee EndDevice)，其中協(xié)調(diào)器和路由器均為全功能設(shè)備(FFD)，而終端設(shè)備選用精簡(jiǎn)功能設(shè)備(RFD)。l 精簡(jiǎn)功能設(shè)備(RFD)：RFD卻只能與FFD通訊附帶有限的功能來(lái)控制成本和復(fù)雜性，在網(wǎng)絡(luò)中通常用作終端設(shè)備。l 全功能設(shè)備(FFD)：可以擔(dān)任網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)者，形成網(wǎng)絡(luò)，讓其它的FFD或是精簡(jiǎn)功能裝置（RFD）連結(jié)，F(xiàn)FD具備控制器的功能，可提供信息雙向傳輸。有了這些基本的知識(shí)和功能單元，我們就可以對(duì)ZigBee進(jìn)行組網(wǎng)。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)化為輸出。ZDO是一個(gè)公共服務(wù)接口，提供了一個(gè)公共的功能集，為用戶自定義的應(yīng)用對(duì)象提供一個(gè)調(diào)用APS和網(wǎng)絡(luò)層的接口。ZigBee應(yīng)用層包括應(yīng)用支持子層（Application Support SubLayer,APS），應(yīng)用框架（Application Framework,AF）和ZigBee設(shè)備對(duì)象（ZigBee Device Object,ZDO）。ZigBee網(wǎng)絡(luò)層的具體功能是：設(shè)備連接和斷開網(wǎng)絡(luò)時(shí)所采用的機(jī)制；在幀信息傳輸過(guò)程中所采用的安全性機(jī)制；設(shè)備之間的路由發(fā)現(xiàn)和路由維護(hù)和轉(zhuǎn)交；對(duì)一跳（onehop）鄰居設(shè)備的發(fā)現(xiàn)和相關(guān)結(jié)點(diǎn)信息的存儲(chǔ)。MAC層的具體功能是：信標(biāo)管理；信道接入；時(shí)隙連接請(qǐng)求；使用載波偵聽多路訪問(wèn)/沖突避免(CSMA/CA)信道訪問(wèn)機(jī)制；為兩個(gè)對(duì)等MAC實(shí)體提供可靠的連接。圖22 ZigBee物理層結(jié)構(gòu)模型[8] l MAC層。圖22是ZigBee物理層的結(jié)構(gòu)模型。 ZigBee技術(shù)的體系結(jié)構(gòu)ZigBee協(xié)議棧的體系結(jié)構(gòu)如圖21所示，網(wǎng)絡(luò)層、加密層和應(yīng)用層由ZigBee聯(lián)盟制定。采用工業(yè)科學(xué)醫(yī)療( ISM) 頻段,2. 4 GHz (全球) 、915 MHz(美國(guó)) 和868 MHz(歐洲) 。Zigbee 提供了三級(jí)安全模式,包括無(wú)安全設(shè)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(jí)加密標(biāo)準(zhǔn)(AES 128) 的對(duì)稱密碼,以靈活確定其安全屬性。ZigBee可采用星型、樹型和Mesh網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，由一個(gè)主節(jié)點(diǎn)管理若千個(gè)子節(jié)點(diǎn)，一個(gè)主節(jié)點(diǎn)最多可以管理254個(gè)子節(jié)點(diǎn)，同時(shí)主節(jié)點(diǎn)還可由上一層網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)管理，最多可組成65536個(gè)節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)。相比較,藍(lán)牙需要3～10 s、WiFi 需要3 s。l 短時(shí)延。傳輸范圍一般介于10～100 m 之間,在增大射頻功率后,可達(dá)到1～3 km。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(yīng)用需求。ZigBee作為WSN的一種重要技術(shù)，成本低是它的一大優(yōu)勢(shì)，每個(gè) ZigBee芯片的成本最低能達(dá)到十幾元人民幣，并且ZigBee免協(xié)議專利費(fèi)，這為ZigBee技術(shù)的開發(fā)研究和發(fā)展奠定了很好的基礎(chǔ)?，F(xiàn)在，TI公司和德國(guó)的Micropelt公司共同推出新能源的Zigbee節(jié)點(diǎn)，該節(jié)點(diǎn)采用Micropelt公司的熱電發(fā)電機(jī)給TI公司的Zigbee提供電源。 ZigBee技術(shù)特點(diǎn)相對(duì)其它無(wú)線通信技術(shù)，ZigBee技術(shù)有著鮮明的特點(diǎn)：l 低功耗。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)造成星形網(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(wú)線網(wǎng)絡(luò)中，連接地址碼分為16位短地址或者64位長(zhǎng)地址，可容納的最大設(shè)備個(gè)數(shù)分別為216個(gè)和264個(gè)，具有較大的網(wǎng)絡(luò)容量。ZigBee的工作頻段分為3個(gè)頻段，分別為868MHz。后來(lái)人們就將這種低功耗、低成本、低復(fù)雜度、低速率的近距離無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)成為ZigBee技術(shù)。 最后，本章對(duì)全文的文章組織和結(jié)構(gòu)進(jìn)行了介紹，對(duì)全文起到了提綱挈領(lǐng)的作用，使文章的內(nèi)容更加清晰、一目了然。接著從體系結(jié)構(gòu)、協(xié)議棧結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)及其關(guān)鍵問(wèn)題等方面對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了概述。第五章提出了幾種基于ZigBee的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用，并對(duì)全文進(jìn)行總結(jié)和展望。第三章對(duì)基于ZigBee的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的硬件部分進(jìn)行了設(shè)計(jì)。表11 幾種短距離無(wú)線通信技術(shù)的比較技術(shù)名稱工作頻段傳輸范圍(米)傳輸速率（Mbps）功耗(mW)主要應(yīng)用藍(lán)牙1011 100個(gè)人網(wǎng)絡(luò)紅外1016幾毫瓦透明的點(diǎn)到點(diǎn)傳輸ZigBee928MHz10100 （加強(qiáng)型達(dá)幾千米）13傳感器網(wǎng)絡(luò)WiFi10011100個(gè)人網(wǎng)絡(luò)傳感器網(wǎng)絡(luò)RFID135KHz/距離多樣無(wú)需供電識(shí)別、計(jì)時(shí)、圖書館管理、快遞管理、公路自動(dòng)收費(fèi)等HomeRF10GHz50121000以下家庭網(wǎng)絡(luò)UWB GHz小于10數(shù)百M(fèi)bps至數(shù)Gbps1以下家庭、檢測(cè)、定位、探距等 本文結(jié)構(gòu)組織 第一章對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的背景、體系結(jié)構(gòu)、協(xié)議棧、特點(diǎn)等方面進(jìn)行了介紹，并比較了幾種重要的無(wú)線通信技術(shù)。UWB傳輸速率高，功耗低，但是也是價(jià)格昂貴；紅外由于傳輸定向性強(qiáng)特點(diǎn)，不太適合；藍(lán)牙也是比較昂貴，并且傳輸距離太??；RFID技術(shù)已經(jīng)比較成熟，但是與WSN結(jié)合還沒有開展開，仍需等待；HomeRF更適合于家庭網(wǎng)絡(luò)；而對(duì)于ZigBee技術(shù)來(lái)說(shuō)，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(jiǎn)單，易于開發(fā)。相對(duì)其它幾種無(wú)線通信技術(shù)，UWB具有抗干擾性能強(qiáng)、傳輸速率高、帶寬極寬、消耗電能小、發(fā)送功率小等優(yōu)點(diǎn)，主要應(yīng)用于室內(nèi)通信、高速無(wú)線LAN、家庭網(wǎng)絡(luò)、無(wú)繩電話、安全檢測(cè)、定位、雷達(dá)等領(lǐng)域。 UWB技術(shù)UWB(UltraWideband)超寬帶技術(shù)，是一種無(wú)載波通信技術(shù)，利用納秒至微微秒級(jí)的非正弦波窄脈沖傳輸數(shù)據(jù)。當(dāng)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信時(shí)，；當(dāng)進(jìn)行語(yǔ)音通信時(shí)，則采用數(shù)字增強(qiáng)型無(wú)繩通信標(biāo)準(zhǔn)。 HomeRF技術(shù) 1997年，美國(guó)家用射頻委員會(huì)領(lǐng)導(dǎo)組成了HomeRF（Radio Frequency）工作組。RFID技術(shù)可識(shí)別高速運(yùn)動(dòng)物體并可同時(shí)識(shí)別多個(gè)標(biāo)簽，操作快捷方便。 RFID技術(shù) RFID(Radio Frequency Identification)，即射頻識(shí)別，俗稱電子標(biāo)簽。無(wú)線路由也開始使用WiFi，其覆蓋范圍可達(dá)100米左右，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了藍(lán)牙技術(shù)。 目前，WiFi技術(shù)尤其火熱，手機(jī)WiFi是一個(gè)熱潮。它是無(wú)線局域網(wǎng)（WLAN）。特別在無(wú)限傳感器網(wǎng)絡(luò)方面，ZigBee有著十分廣泛的應(yīng)用，本文后邊將會(huì)對(duì)ZigBee在WSN中的應(yīng)用具體闡述。868/928MHz頻段的ZigBee分為10個(gè)信道和1個(gè)信道，傳輸速率分別為40 kbps和20 kbps，分別為歐洲和美國(guó)所使用。 ZigBee是一種經(jīng)濟(jì)、高效、低數(shù)據(jù)速率（250kbps）、用于個(gè)人區(qū)域網(wǎng)和對(duì)等網(wǎng)絡(luò)。 ZigBee技術(shù) 2002年，ZigBee聯(lián)盟正式成立。 紅外技術(shù)具有工作原理簡(jiǎn)單，功耗小，成本低，安全性好，保密性高，無(wú)電磁干擾，無(wú)須政府批準(zhǔn)頻帶等優(yōu)點(diǎn)。最大通信距離為10米，最大通信角度為30176。有關(guān)藍(lán)牙技術(shù)的更多信息參考文獻(xiàn)[6]。藍(lán)牙技術(shù)工作在ISM（Industrial Scientific Medical，工業(yè) 科學(xué) 醫(yī)學(xué)），一般通信距離為10米左右，傳輸速率為1Mbps。傳感器網(wǎng)絡(luò)特別適合部署在惡劣環(huán)境中，因而要求傳感器節(jié)點(diǎn)有很好的抗損壞能力，要求傳感器網(wǎng)絡(luò)有很好的自適應(yīng)性、高強(qiáng)壯性和容錯(cuò)性。因此，WSN一般具有較差的魯棒性，需要好的安全設(shè)計(jì)措施。 安全性差。WSN中無(wú)限通信帶寬一般都很低，如果考慮沖突、噪聲等外界干擾，有效帶寬會(huì)更低。因此，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂埔彩顷P(guān)鍵問(wèn)題之一。對(duì)于自組織的傳感器網(wǎng)絡(luò)而言，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂凭哂刑貏e重要的意義。好的能量管理機(jī)制，能更好地延長(zhǎng)傳感器網(wǎng)絡(luò)的生存周期。WSN可靠工作的首要前提是有足夠的電能，它決定了WSN能否可靠地工作。因而，一般WSN包含的節(jié)點(diǎn)數(shù)量非常之多，分布范圍之廣。為了滿足探測(cè)的需要，需要在被探測(cè)區(qū)域投入大量的節(jié)點(diǎn)，來(lái)監(jiān)測(cè)環(huán)境信息。同時(shí)，節(jié)點(diǎn)間通信采用短距離多跳方式比長(zhǎng)距離少跳方式省電，對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的性能更有利。（3）多跳、自組織。（2）無(wú)中心、動(dòng)態(tài)拓?fù)?。?jié)點(diǎn)一般采用自帶電源供電，由于它體積小，所帶電能有限，一旦耗完，節(jié)點(diǎn)就失去了工作能力?！巴?fù)淇刂啤崩梦锢韺?、?shù)據(jù)鏈路層或網(wǎng)絡(luò)層完成拓?fù)渖?，反過(guò)來(lái)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)議的協(xié)議過(guò)程，提高協(xié)議效率，減少網(wǎng)絡(luò)能量消耗；網(wǎng)絡(luò)管理要求協(xié)議各層嵌入各種信息接口，并定時(shí)收集協(xié)議運(yùn)行狀態(tài)和流量信息，協(xié)調(diào)控制網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)協(xié)議組件的運(yùn)行。圖14 改進(jìn)的WSN協(xié)議棧模型 相對(duì)原始模型（圖3）來(lái)說(shuō)，“時(shí)間同步和定位”既要依賴于數(shù)據(jù)傳輸通道進(jìn)行協(xié)作定位和時(shí)間同步協(xié)商，同時(shí)又要為網(wǎng)絡(luò)協(xié)議各層提供信息支持。l 任務(wù)管理平臺(tái)：主要用來(lái)平衡和調(diào)度監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的監(jiān)測(cè)任務(wù)。l 能量管理平臺(tái)：主要對(duì)節(jié)點(diǎn)的能量進(jìn)行分配，以達(dá)到節(jié)約能量。我們最熟悉的TCP協(xié)議設(shè)計(jì)思想是基于屬性的命名機(jī)制，對(duì)于WSN并沒有太大的現(xiàn)實(shí)意義；適合無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的傳輸層協(xié)議更類似于UDP。以數(shù)據(jù)為中心的特點(diǎn)要求WSN能夠脫離傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)尋址過(guò)程，快速有效地組織起各個(gè)節(jié)點(diǎn)的信息并融合提取出有用信息直接傳送給用戶。l 網(wǎng)絡(luò)層：主要負(fù)責(zé)路由的生成和選擇。各層協(xié)議和平臺(tái)的功能如下：圖13 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧結(jié)構(gòu)圖 l 物理層：負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的調(diào)制發(fā)送與接收，本層的設(shè)計(jì)直接影響到電路的復(fù)雜度和傳輸能耗等問(wèn)題，設(shè)計(jì)原則應(yīng)該使節(jié)點(diǎn)盡量低成本、低功耗和小體積。同時(shí)，WSN協(xié)議棧還包括能量管理平臺(tái)、移動(dòng)管理平臺(tái)和任務(wù)管理平臺(tái)。 WSN的協(xié)議棧結(jié)構(gòu) 典型的WSN協(xié)議棧結(jié)構(gòu)圖如圖13所示。 傳感器網(wǎng)絡(luò)所采集的數(shù)據(jù)信息最終都將被送到用戶終端，進(jìn)行更深層次的分析、處理，這樣采集到的數(shù)據(jù)才能夠得以應(yīng)用，作為反饋來(lái)控制整個(gè)系統(tǒng)，使系統(tǒng)工作得更為精確、實(shí)時(shí)。如果把整個(gè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)比喻成一個(gè)交通網(wǎng)絡(luò)，那么基站就好比加油站，它的主要作用是給信息傳遞補(bǔ)充能量，將匯聚節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)信息可靠地傳輸?shù)接脩艚K端。它的作用是將傳感器網(wǎng)絡(luò)所采集到的有用信息通過(guò)無(wú)線方式傳送給基站，進(jìn)而通過(guò)Internet、衛(wèi)星或移動(dòng)通信等方式傳送到用戶終端。節(jié)點(diǎn)體積小，電源能量小，所以選擇低功耗設(shè)計(jì)是很必要的。圖12是典型的節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖，其中的定位模塊和移動(dòng)模塊為可選擇性的。從功能上看，傳感器節(jié)點(diǎn)具有采集、處理、發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的功能，部分節(jié)點(diǎn)還兼有路由功能；節(jié)點(diǎn)除了進(jìn)行本地信息收集和數(shù)據(jù)處理外，還要對(duì)其它節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、管理等處理，同時(shí)與其它節(jié)點(diǎn)協(xié)作完成一些特定任務(wù)。如果距離較遠(yuǎn)，為了提高通信可靠性，可在sink節(jié)點(diǎn)附近增設(shè)基站，通過(guò)基