【正文】 5 協(xié)調器節(jié)點設計 ..................................... 26 采集節(jié)點設計 ....................................... 27 溫度傳感器程序 ..................................... 29 6 運行結果 ........................................ 32 系統(tǒng)結果分析 ........................................ 33 總結 ................................................. 34 參考文獻 ............................................. 35 致謝 ................................... 錯誤 !未定義書簽。就這樣，無線傳感器網絡技術漸漸走近進了我們的視野。 而 ZigBee 技術因其功耗低、網絡容量大等優(yōu)點而非常適用于傳感器網絡，作為無線傳感器網絡的主要支撐技術獲得廣泛的關注，作為一種新興的短距離無線通信協(xié)議，在國外已經有了一定的應用。 在日益追求信息通信和交換的快速，簡便，低能耗，傳輸穩(wěn)定的信息技術發(fā)展方向上，研究 Zigbee 技術在無線傳感器網絡上的應用十分迫切和有效。 無線傳感器網絡技術研究背景及意義 21 世紀以來，隨著微電子技術的不斷進步極大地推動了計算機和通信設備的普及個迅猛發(fā)展， PC 機、掌上電腦、移動電話、無繩電話等進入了人們日常和工作中，成為了人們生活中不可缺少的一部分。 各種總線技術，局域網技術等有線網絡的使用的確給人們的生產和生活帶來了便利，改變了我們的生活，對社會的發(fā)展起到了極大的推動作用。 但 例如 布線麻煩 、 線路 故障難以檢查 、 設備重新布局就要重新布線 、 不能隨意移動 等這些有線網絡先天帶有的缺憾卻愈發(fā)地突出，漸漸阻礙了有線網絡的發(fā)展。在 追求 自由和 便捷 通信的今天，人們 不禁 把目光轉向了無線通信方式，尤其是一些機動性要求較強的或 在 人們不方便隨時到達現(xiàn)場的條件下 使用的設備 。 但隨著各種網絡終端的出現(xiàn)、工業(yè)控制的自動化和家庭的智能化的快速發(fā)展、各種便攜式個人通信設備和家用電器設備的增加，人們享受無線信息傳輸系統(tǒng)帶來的便利. . 的同時，又同時針對發(fā)展的新的需求而不斷探索。 現(xiàn)如今，無線傳感器網絡 被認為 21 世紀最具有影響力的改變世界的 10 大技術之一。于是，深化研究無線傳感網絡、為無線傳感器網絡尋找一種具備成本低廉，節(jié)約功耗而有組網能力較強的無線網絡協(xié)議的需求變得十分迫切，也是當今通信科技發(fā)展的主題。它的英文是 Wireless Sensor Network, 簡稱 WSN。在這個定義中，傳感器網絡實現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集、處理和傳輸三種功能，而這正 對應著現(xiàn)代信息技術的三大基礎技術，即傳感器技術、計算機技術和通信技術。其主要組成部分是集成有傳感器、數(shù)據(jù)處理單元和通信模塊的節(jié)點，各節(jié)點通過協(xié)議自組成一個分布式網絡，再將采集來的數(shù)據(jù)通過優(yōu)化后經無線電波傳輸給信息處理中心。硬件上， WSN節(jié)點主要由 數(shù)據(jù)采集 單元、數(shù)據(jù)處理單元、無線數(shù)據(jù)收發(fā)單元以及小型電池單元組成， 因其 尺寸 較 小， 故 具有低成本、低功耗、多功能等特點； 而 從軟件上看，借助于節(jié)點中內置傳感器有效探測所處區(qū)域的溫度、濕度、光強度、壓力等環(huán)境參數(shù)以及待測對象的電壓、電流等物理參數(shù)， 它可以接收記錄 并通過無線網絡將探測信息傳送到數(shù)據(jù)匯聚中心進行處理、分析和轉發(fā)。它采用點對點或點對多點的無線連接，大大減少了電纜成本，在傳感器節(jié)點端即合并了 A/D 信號轉 換、數(shù)字信號處理和網絡通信功能， 與此同時， 節(jié)點 還 具有自檢功能， 能夠完成后期自我的維護和檢測，讓 系統(tǒng)性能與可靠性明顯提升 的同時 成本 卻 明顯 地 縮減。早在 2021年 12月 IEEE成立了 IEEE 。 ZigBee正是這種技術的商業(yè)化命名，這個名字來源于蜂群使用的賴以生存和發(fā)展的通信方式。目前該聯(lián)盟已經擁有 150多家會員，并且還有許多廠商已將 Zigbee納入產品中。國際上已經有許多公司提供ZigBeeStack，例如： Ember、 AirBee、 Figure8 Wireless(F8W)所設計的 ZStack最負盛名。于是， Chipcon CC2420+ZStack就成為從事 ZigBee開發(fā)人員的最佳選擇。 但是， 國內對于以 Zigbee 技術為基礎的無線組網技術卻起步較晚，國內 Zigbee 模塊生產廠家一般都受芯片廠家數(shù)量等限制價格，國內市場只要被國外儀器所占領，國內未見成熟的自主研發(fā)的 Zigbee 產品，只有一些研究性和簡單應用文章出現(xiàn)于期刊雜志。不過隨著這幾年無線技術發(fā)展大幅度的加速，很多高校和研究機構已經著手無線組網 、無線技術的應用方面的研究。我們的政府牽頭我們將會投入更多的精力到無線傳感器網絡研究之中。 國內的一些大學也在積極開展 Zigbee 技術的組網和實現(xiàn)，利用國外廠商的開發(fā)平臺和芯片建立 Zigbee 網絡，應用于智能家居，無線抄表和物流管理方面。 雖然無線傳感器網絡的大規(guī)模商業(yè)應用，由于技術等方面的制約還有待時日，但是最近幾年，隨著計算成本的下降以及微處理器體積越來越小，已經為數(shù)不少的無線傳感器網絡開始投入使用。 . . (2)醫(yī)療護理 ： 無線傳感器網絡在醫(yī)療研究、護理領域也可以大展身手。利用無線通信將各傳感器聯(lián)網可高效傳遞必要的信息從而方便接受護理。 (3)軍事領域 ： 由于無線傳感器網絡具有密集型、隨機分布的特點，使其非常適合應用于惡劣的戰(zhàn)場環(huán)境中，使其非常適合應用于惡劣的戰(zhàn)場環(huán)境中，包括偵察敵情、監(jiān)控兵力、裝備和物資，判斷生物化學攻擊等多方面用途。比如一些危險的工業(yè)環(huán)境如井礦、 核電廠等，工作人員可以通過它來實施安全監(jiān)測。 未來前景展望 現(xiàn)如今，國內外致力于 ZigBee技術的研究的權威機構和知名公司越來越多，這也將大力推動無線傳感器網絡技術的發(fā)展，加速其更新?lián)Q代和研發(fā)。 從 ZigBee協(xié)議規(guī)范的研究及完善方面來看， Zigbee協(xié)議規(guī)范從推出至今，已有大量研究者對 Zigbee網絡的時間同步、 廣播問題、安全機制等進行了研究，并且 Zigbee協(xié)議正在繼續(xù)改進并將提供更多的功能，但目前仍然存在一些例如無固定地址、容量極限較低、能源利用效率不高等問題。 同時， ZigBee規(guī)范及其應用仍在不斷的發(fā)展和完善之中，眾多廠商、高校和研究機構都對 ZigBee技術展現(xiàn)了極大的研究興趣，進行了大量的研究工作。如Freescale公司的第三代 PADDR晶 片 MCl322x； Helim公司推出的 ADDR Link 1200 Zigbee開發(fā)套件； Jennic公司的 JN5121／ 513X等。如智能家居、智能公交車、嵌入式方面、傳感器網絡的應用。 （ 3）和其它技術共存研究：對 Zigbee網絡與其它無線網絡共存的問題也有大量的研究，如 Zigbee網絡和藍牙網絡共存、 WiFi的共存與干擾問題。 . . （ 5）路由算法： Zigbee的路由是基于 Ad Hoe按需距離矢量 (AODV算法 )路由算法，這樣 ZigBee的網狀網絡建立與數(shù)據(jù)傳播方式和 Ad Hoe網絡很類似。因此很有必要提高路由算法的高效性和可擴展性。 就目前而言， Zigbee 主要廣泛應用于傳感器、玩具等方面，也大量在軍事和環(huán)境監(jiān)控以及醫(yī)療監(jiān)護等領域使用。 . . 2 ZigBee協(xié)議簡介 ZigBee的概述 ZigBee是一種新興的短距離、低速率無線網絡技術 ,其突出優(yōu)點是工作頻段靈活 ,低復雜度， 低數(shù)據(jù)速率 ,低成本 ,高可靠性 ,具有自組網和自恢復能力等。無線傳 感器網絡的節(jié)點通常由傳感器模塊、處理器模塊、無線通信模塊和電源模塊構成。本文采用 TI公司最新的第二代片上系統(tǒng) CC2530， 比以前產品有更卓越的 RF性能 ,可編程的 256KB 閃存 ,更小的封裝尺寸和 IR 產生電路 ,支持多種協(xié)議如 igBee PRO、 ZigBee RF4CE 等 。 ZigBee協(xié)議是基于 IEEE ，由 IEEE ZigBee聯(lián)盟共同制定。[4]ZigBee聯(lián)盟成立用于 2021年，定義了 ZigBee協(xié)議的網絡層（ NWK）、應用層（ APL）和安全服務規(guī)范。 圖 21 協(xié)議棧結構 物理層 物理層定義了物理無線信道和與 MAC 層之間的接口，提供物理層數(shù)據(jù)服務和物理層. . 管理服務。 (1) 無線信道的分配 IEEE 規(guī)范的物理層定義了三個載波頻段用于收發(fā)數(shù)據(jù)： 868MHz（歐洲）、915 北美）和 2400 MHz（全球范圍）。915 MHz、 868 MHZ 分別為 40 kbit/s 和 20 kbit/s。不同的頻段所對應的寬度不同。這些信道的中心頻率定義如下： Fc =868． 3MHz， k=0； （ 21） Fc=906MHz+2(k1)MHz， k=l， 2，? 10； （ 22） Fc=2405MHz+5(k11)MHz， k=1l， 12，? 26。其模型如圖 22 所示。 物理層主要完成：激活 /休眠無線收發(fā)設備，對當前頻道進行能量檢測，鏈接質量指示，為載波檢測多址與碰撞避免（ CSMA— CA）進行空閑頻道評估，頻道選擇，數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收等。 (3) IEEE 的調制方式 圖 23 描述了 GHz 物理層調制及擴頻功能模塊。數(shù)據(jù)碼片采用半正弦脈沖波形的偏移正交四相相移鍵控技術（ OQPSK）調制。每個信道占用半個片碼偏移周期。具體結構如表 21 所示。 物理層報頭指示凈荷部分的長度，凈荷部分含有 MAC 層數(shù)據(jù)包，最大長度是 127 字節(jié)。 MAC 層 MAC 層提供兩種服務： MAC 層數(shù)據(jù)服務和 MAC 層管理服務。 MAC 層的主要功能包括如下 7 個方面： （ 1） 網絡協(xié)調者產生并發(fā)送信標幀； （ 2）設備與信標同步； （ 3）支持 RAN 網絡的關聯(lián)和取消關聯(lián)操作； （ 4）為設備的安全性提供支持； （ 5）信道接入方式采用免沖突載波檢測多路訪問機制（ CSMACA）； （ 6）處理和維護保護時隙機制（ GTS）； （ 7）在兩個對等的 MAC 實體之間提供一個可靠的通信鏈路 。 (1) 超幀結構 在 IEEE ，通過基于競爭的信道接入方式，提高了信道的利用率，增大了網絡效能，而固定時隙的分配，滿足了有特殊需求和一些重要的數(shù)據(jù)傳送。超幀結構中同時包含了三種不同的信道接入周期，從而多樣化信道的接入方式同時提高了網絡的靈活性。正如字面意思所述，信標幀在整個超幀結構中的地位就好比燈塔的導航 作用一樣，不僅界定了超幀的起始以用來設定固定分配時隙周期的有無以及其長度，換言之，信標幀決定了超幀的構架。 (2) 數(shù)據(jù)傳輸模式 LRWPAN 網絡中存在著三種數(shù)據(jù)傳輸方式：數(shù)據(jù) 發(fā)送到 協(xié)調器、 數(shù)據(jù)從 協(xié)調器發(fā) 出 、對等數(shù)據(jù) 傳送 。 ① 數(shù)據(jù)傳送到協(xié)調器 在信標和非信標模式下，主要區(qū)別是器件是否先要從協(xié)調器 獲得信標，接著利用帶時槽的 CSMA/CA 來傳送資料。 圖 25 數(shù)據(jù)傳送到協(xié)調器 . . ② 數(shù)據(jù)從協(xié)調器傳出 在信標使能方式中，協(xié)調器會利用信標中的字段來告知有資料要傳送。 在非信標使能方式中，終端器件利用無槽 CSMA/CA 將 MAC 命令請求控制信息給協(xié)調器，若協(xié)調器有數(shù)據(jù)要傳送，也是利用無槽 CSMA/CA 方式將資料傳出。 圖 26 數(shù)據(jù)從協(xié)調 器傳出 ③ 對等數(shù)據(jù)傳送 在對等的 PAN 中，任一器件可同其射頻范圍內的其它器件通信。 (3) MAC 層幀結構 MAC 層幀結構的設計目標是用 最簡單方法 實現(xiàn)在多噪聲無線信道環(huán)境下的可靠數(shù)據(jù)傳輸。幀頭由幀控制信息、幀序列號和地址信息組成。 MAC 子層負載具有可變長度，具體內容由幀類型決定 [7]。 . . ① 信標幀 信標幀的負載數(shù)據(jù)單元由四部分組成：超幀描述字段、 GTS 分配字段、待轉發(fā)數(shù)據(jù)目標地址字段和信標幀負載數(shù)據(jù)。 ② 數(shù)據(jù)幀 數(shù)據(jù)幀用來傳輸上層發(fā)到 MAC 層的數(shù)據(jù)，它的負載字段包含上層需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。 MAC 幀傳送至物理層后，就成為了物理幀的負載 PSDU。確認幀的序列號應該與被確認幀的序列號相同，并且負載長度應該為零。幀頭的幀控制字段的幀類型為 011B 就 表示這是一個命令幀。 負載數(shù)據(jù)是一個變長結構，所有命令幀負載的第一個字節(jié)是命令類型字節(jié)，后面的數(shù)據(jù)針對不同的命令類型有不同的含義。 網絡層（ NWK） 主要功能： NWK 層提供網絡節(jié)點地址分配，組網管理，消息路由，路徑發(fā)現(xiàn)及維護等功能。 NWK 層從概念上包括兩個服務實體：數(shù)據(jù)服務實體和管理服務實體。 應用層（ APL層） ZigBee應用層包括應用支持子層 (APS子層 )、應用框架 (AF)和 ZigBee設備對象 (ZDO)。 ZigBee的應用框架 (AF)為各個用戶自定義的應用對象提供了模板式的活動空間，并提供了鍵值對 (K