基于ZigBee技术的无线传感器系统设计大学学士学位论文.docx
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基于ZigBee技术的无线传感器系统设计大学学士学位论文
东北农业大学学士学位论文
基于ZigBee技术的无线传感器系统设计
NortheastAgriculturalUniversityBachelor'sDegreeThesisID:
A07070389
BasedonZigBeeWirelessSensorSystemDesignTechnology
Name:
YuanShungang
Tutor:
DongShoutian
Department:
EngineeringCollegeElectricalEngineering
Major:
AgriculturalElectrificationandAutomation
Direction:
AutomaticControl
NortheastAgriculturalUniversity
Harbin·China
June2011
摘要
无线传感网络是当前国际上备受关注的、由多门学科高度交叉综合的新兴前沿热点研究领域，是21世纪产生巨大影响力的技术之一。
它将传感器技术、嵌入式计算技术、现代网络及无线通信技术整合在一起，具有采集信息，发送并处理信息等功能。
随着电子技术的发展，无线传感器网络进入快速发展时期。
然而，无线网络技术在工业监控、农业自动化、智能建筑、生物医疗、环境检测、智能家居等应用领域刚刚起步，这些领域对数据吞吐量的要求都很低，而且功率消耗也比现有标准所提供的功率消耗低。
为了促使简捷方便的、可以随意使用的无线装置大量出现，需要在这些应用领域空间布置大量的无线接入点，因此低廉的价格将起到关键性作用。
ZigBee协议标准作为一种新的无线连接技术在低成本、低功耗、网络容量大和低速率领域开辟了新的天地。
ZigBee技术具有功耗低、成本低、时延短、网络容量大及组网能力强等优点。
目前在国外，ZigBee网络技术已经得到一定的应用。
本文所研究的内容对基十ZigBee技术无线传感器网络的应用具有一定的参考价值和实际意义，并为ZigBee无线技术在应用领域方面的应用提供了相关的软硬件基础平台。
关键词:
无线传感网络，ZigBee
Abstract
Wirelesssensornetworkistheconcernoncurrentinternationalmulti-disciplineheightbyoverlappingcomprehensiveemergingfrontierhotresearchfieldinthe21stcentury,isoneofthetechnologyexertsanenormousinfluence.Itwillsensortechnology,embeddedcomputingtechnology,modernInternetandwirelesscommunicationtechnologywithtogether,gatheringinformation,sendandprocessinformation,andotherfunctions.Withthedevelopmentofelectronictechnology,awirelesssensornetworkintoafastdevelopmentperiod.
However,wirelessnetworktechnologyinindustrialmonitoring,agriculturalautomation,intelligentbuilding,biologicalandmedicaltreatment,environmentdetects,intelligenthouseholdapplicationsjuststart,suchasdatathroughputofthesefieldsareverylow,therequirementsandpowerconsumptionthanexistingstandardsprovidedbythelowpowerconsumption.Tourgeforthrightconvenient,arefreetousewirelessdevice,needalargepresenceintheseapplicationsspacetodecoratealotofwirelessaccesspoints,solowpriceswillplayapivotalrole.
ZigBeeprotocolstandardsasanewwirelessconnectiontechniqueinlowcost,lowpowerconsumption,networkcapacityandlowspeedfieldsopenedanewheavenandearth.ZigBeetechnologywithlowpowerconsumption,lowcost,short,networkcapacitytodelayandnetworkingability,etc.Currentlyinabroad,ZigBeenetworktechnologyhasbeencertainapplications.
TheresultoftheresearchofthebasetenZigBeewirelesssensornetworktechnologyapplicationtohavethecertainreferencevalueandpracticalsignificanceforZigBeewirelesstechnology,andtheapplicationfieldsontheapplicationofthehardwareandsoftwaretoprovidetherelevantbasicplatform.
Keywords:
wirelesssensornetwork,ZigBee
1绪论
无线传感器网络（WSN：
WirelessSensorNetwork）综合了传感器技术、嵌入式计算技术、现代网络及无线通信技术、分布式信息处理技术等，能够通过各类集成的微型传感器共同的实时监测、感知和采集各种环境或监测对象中的信息，人们获得信息的能力得到了极大的扩展，它是21世纪产生巨大影响的技术之一。
目前用于无线传感网络的主要网络协议有Bluetooth、ZigBee、Wi-Fi以及IrDA等。
其中，在各类无线传感网络中，ZigBee技术是具有延时短，低成本，低功耗的无线通信应用的首选技术。
1.1无线传感器网络简介
随着微电子技术、计算技术以及无线通信技术的进步，推动了低功耗多功能传感器的快速发展，使其在微小体积内能够集成信息采集、数据处理和无线通信等多种功能。
无线传感器网络就是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统，其目的是共同协作感知、采集和处理网络覆盖区域中检测对象的信息，并把所采集的信息发送给观察者。
1.1.1无线传感器网络发展史
当今，个域无线网络的出现极大的方便了人类的生活，并极力的在改变人类的生活，而电子信息、半导体技术的发展又为个域无线网络带来了更多的机遇和挑战。
无线通信在人们的生活中扮演越来越重要的角色。
无线传感器网络的发展是由传感器网络开始的。
无线传感器网络的发展大致经过了四个阶段：
第一阶段，将传统传感器采用点对点的连接方式，进行数据的传输，从而构成的传感网络，这种连接方式的传感器构成了传感器网络的最初模型。
第二阶段，随着电子通信技术的发展，传感器网络同时也具有了获取多种信息和综合处理信息的能力，通过与传感控制器的相联，组成了具有信息综合处理能力的传感器网络。
第三阶段，就是具有智能获得信息的传感器网的通信技术进入局部监控网络阶段，并且可以通过网关和路由器实现与Internet相连，从而形成智能化传感网络。
第四阶段，伴随着低能耗的模拟和数字电路技术、无线电射频技术和传感技术的发展，开发小体积、低成本、低能耗的微型传感器，在实际应用中需要成千上万个这种微传感器一起协调工作，它们之间通信的方式也由有线通信转变为无线通信，最终形成无线传感器网络。
在第四代无线传感网络中，采用大量的具有多功能、多信息获取能力的传感器，在通信方式上采用自组织无线接入，从而构成了现代意义的无线传感器网络。
1.1.2无线传感器网络特点
无线传感器网络的节点一般有几十个到上万个，是采用无线通信方式的数据传输网络。
因此网络具有以下特点：
1）网络节点数量大，但通信距离，数据传输量有限。
网络节点大主要体现在在很大区域内，往往有成千上万个节点布置在该区域，节点数量大，但节点与节点之间的传输距离较短，一般在几十米范围内。
在较小区域内，布设密集的节。
这种通信速率要求不高，一般在1-100k即可。
2）传感器节点体积小，成本低，低功耗，网络节点耗电低，电池使用寿命长。
为了方便实际应用，网络节点的硬件体积设计的比较小，便于安装。
由于需求网络节点多，因此，在单节点上成本不能过高。
如果要控制节点成本，网络系统能力就会降低，网络协议层次就不能复杂。
3）网络具有自组织性。
在网络的使用过程中，一些节点由于电能耗尽或者其它的原因而遭到损坏，也可能由于工作的需要有新的节点设备被添加到网络中，因而网络的拓扑结构也将发生变化。
由于网络中节点通信距离有限，如果希望与其网络覆盖范围之外的节点进行数据的通信，则需要通过路由中间节点进行连接。
4）网络以数据为中心，在无线传感器网络里，人们关心只是观测到在某一个区域的指标值，而不会去关心具体某个节点的位置。
因此无线传感器网络是任务型网络，节点的网络地址号与节点位置没有必然的联系，所关心的只是要成功传送或接收的数据。
1.2几种无线通信技术
由于短距离无线通信和网络技术有着广泛的应用前景和巨大的市场空间，因此得到众多厂商的重视。
随着无线通信技术的发展，其应用不断深入到人们的日常生活领域，提出传输范围在人身附近几米到几十米，这样就出现了无线个域网络。
在个域网络中有几种常见的短距离无线通信技术。
例如Bluetooth（蓝牙）、Wi-Fi、IRDA、HomeRF以及ZigBee等技术。
1）蓝牙技术，1998年5月，爱立信、诺基亚、东芝、IBM以及英特尔5家公司在联合开展短距离无线通信活动时提出了蓝牙技术。
蓝牙技术的出现，简化了笔记本电脑和移动电话等终端通信设备之间的通信，也能够简化上述设备与因特网之间的通信，使这些通信设备与因特网之间的数据传输更加高速。
自蓝牙出现以来，其应用范围越来越广泛，例如工业控制，手机和PC机外围设备等。
2）Wi-Fi技术，Wi-Fi联盟在1999年成立，起初名称叫无线以太网相容联盟（WECA：
WirelessEthernetCompatibilityAlliance），在2002年改名为Wi-Fi。
它是一种短距离的无线通信技术，能够在上百米的范围支持互联网接入无线信号，为用户提供无线宽带上网。
工作频率段为2.4MHz，传输速率最大达到11Mbps。
3）红外技术（IRDA），于1993年在20多个厂商发起下成立了红外数据协会，制定了统一的红外标准，将红外数据通信所采用的光波范围限制在850nm~900nm。
红外技术为手机和电脑之间提供无线通信，其它具备红外接口的设备也可以进行数据传输。
由于红外技术需要对接才能通信，所以安全性比较高。
但是由于红外技术传输距离短，采用点对点的直线通信传输方式，并要求两设备之间无障碍通信，而且扩展性很差，因此在应用上受到很大的限制。
目前4M速率的红外技术已广泛使用，16M传输速率红外技术已发布。
4）家庭无线射频技术（HomeRF），由西门子、摩托罗拉等巨头公司在1998年组建并负责研发。
它吸取了其它无线通信技术的优点，对现有无线通信标准改进，工作频率段为2.4GHz。
但是其标准与802.b协议不兼容，因此HomeRF协议主要应用在家庭无线网络中。
5）ZigBee技术，基于802.15.4协议的Zigbee技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术，具有低成本、低功耗、低速率、近距离、自组织强和网络节点大等特点，非常适用于自动控制领域。
对于家庭自动化，现代农业，工业自动化等应用来说，蓝牙虽然成本低、传输快，但是电池使用寿命短，而且传输范围短。
Wi-Fi网络传输快，传输距离达到100米，但是它的成本太高。
IrDA存在同样的问题。
为了解决低价格、低传输率、短距离、低功率的无线通讯问题，从而制定了ZigBee无线网络。
ZigBee无线网络的出现为使用低传输率、短距离、低功率领域开辟了新的天地。
1.3ZigBee技术
ZigBee在中国被译为“紫蜂”，它是一种短距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的无线通信新技术，主要适合于自动控制和远程控制领域，可以嵌入在各种设备中，同时支持地理定位功能。
它依据IEEE802.15.4标准，协调几千个传感器之间的相互通信。
这些传感器只需要很少的能量，以接力的方式通过无线通信方式把数据从一个传感器传到另一个传感器，通信效率高。
与其他无线网络相比，ZigBee技术是最低功耗和成本的技术，它以其经济、可靠、高效等优点在WSN中有着广泛的应用前景。
ZigBee技术数据速率低和通信范围小的特点，也使得ZigBee无线通信技术适合于承载数据流量较小的业务。
1.3.1ZigBee技术的发展史
为了满足长期以来低价格、低传输率、短距离、低功率的无线通讯市场需求，制定一种新兴的短距离无线技术，在2002年IEEE（美国电子和电气工程师协会）成立了IEEE802.15工作组，开发一种低成本、低功耗和低速率的无线连接技术。
2002年10月，英国Invensys公司、日本三菱电气公司、美国摩托罗拉公司以及荷兰飞利浦半导体公司四大巨头共同宣布，它们将加盟“ZigBee联盟”，以研发名为“ZigBee”的下一代无线通信标准，这一事件成为该项技术发展过程中的里程碑。
2004年12月ZigBee联盟正式对外公布ZigBee技术规范1.0版本，2004年12月在韩国汉城的“ZigBee公开研讨会”上，有23家公司展示了ZigBee产品方案。
2006年12月，ZigBee联盟对ZigBee标准进行修订，推出升级规范ZigBee2006。
并在这一年，ZigBee联盟在国际消费电子展览会上宣布，开始为ZigBee产品提供ZigBee标签，确保产品互用。
2007年，Zigbee联盟又推出了ZigBee2007协议规范。
到目前为止，除了三菱电子、摩托罗拉和飞利浦等国际知名的大公司外，该联盟大约已有200家成员企业，包括终端产品商、软件供应商和系统集成商，并且还有企业不断的加入进来。
1.3.2ZigBee技术特点
ZigBee技术主要专注于低速率、低功耗、低成本和时延短的无线市场，与其他几种无线通信网络相比具有低速率、低功耗、低成本、时延短和高安全性等特点。
1）低功耗，由于ZigBee的传输速率较低，传输数据量较小，并且采用了休眠模式，因此ZigBee设备非常省电。
据估算，ZigBee网络节点在低功耗待机模式下，两节普通的电池可使用6到24个月。
2）低成本，因为ZigBee网络的数据传输速率低，协议简单，所以大大降低了硬件开发成本，并且ZigBee协议免收专利费用和免执照频段。
3）延时短，ZigBee的响应速度很快，通信时从休眠状态转换到激活的时延都非常短，一般只需15ms，节点连接进入网络所需要的时间仅为30ms，进一步减少了能源消耗。
4）安全性高，ZigBee协议提供了三级安全模式级别。
网络层和MAC层都有安全策略，且安全分级，各个应用可以灵活确定其安全属性。
5）网络容量大，一个星型结构的ZigBee网络最多可以容纳254个从设备和一个主设备，网络构成灵活，在一个单独的ZigBee网络内可以支持超过65000个ZigBee网络节点。
6）免执照频率，ZigBee技术有三种传输频率段，分别为868MHz，915MHz和2.4GHz，共有27个信道。
其中2.4GHz频率段为全球免费使用频段，传输速率达到250KB/s。
ZigBee是一种低功耗、低成本、低速率、短距离无线网络技术，凡是具有上述特点的场合都可以使用它。
典型的应用有工业控制、智能建筑、家庭自动化、智能交通系统、医疗与健康保护、现代农业、环境监测等方面。
1.3.3zigbee网络系体结构简介
Zigbee栈体系结构由一组称为层的块儿组成。
每一层为上层执行指定一套服务：
数据实体提供数据传输服务，管理实体提供其他的所有服务。
按照ISO的OSI模型，ZigBee网络分为四层，分别为物理层（PHY:
PhysicalLayer）、媒体访问控制层MAC:
MediumAccessControlSub-Layer）、网络层（NWK:
Network）以及应用层（APL:
ApplicationLayer），如图1-1所示。
其中IEEE802.15.4标准制定的物理层和媒体接入控制层作为ZigBee的物理层（PHY层）和媒体接入控制层（MAC层），ZigBee联盟在此基础上规定了网络层和应用层框架。
图1-1Zigbee协议框架
物理层定义了物理无线信道和MAC层的接口，提供物理层数据服务和物理层管理服务，其主要完成射频收发器的激活与关闭；当前信道的能量检测；链路服务质量信息；信道频率选择，以及物理层数据报的接收与发送。
ZigBee使用的频率有868MHz/915MHz和2.4GHz，均属于ISM频段。
在我国免费使用2.4GHz频率。
MAC层位于物理层与网络层之间，MAC层提供两种服务：
MAC层数据服务和MAC层管理服务，主要实现信标管理，信道接入，时隙管理，发送与接收帧结构数据，提供合适的安全机制等。
网络层允许设备加入网络和离开网络；为设备分配网络内部的逻辑地址；建立和维护邻居表。
应用层有应用支持层、ZigBee设备对象等组成，为实际应用提供框架模型。
1.4论文的研究内容
本文简要介绍了ZigBee技术的特点，深入分析了ZigBee技术协议，在此基础上构建一个ZigBee无线网络，并在硬件平台上实现。
论文首先介绍了无线传感器网络的特点和发展现状，对几种常见的无线传感网络技术作了比较，并介绍了ZigBee网络技术的特点和应用领域。
然后再全面深入分析了ZigBee网络协议，详细说明了物理层、MAC层、网络层的功能和实现。
采用Freescale公司提供的以MC13213为代表的第二代硬件平台方案，MC13213作为一个系统集成芯片，内部集成S08GT60单片机和MCl3192射频模块，从而简化了外围电路的设计，进一步降低了成本。
然后在此硬件平台上构建软件支撑平台以及对ZigBee通信协议栈的实现。
提出了基于ZigBee的组网算法，从扫描信道、网络建立、地址分配以及节点入网等步骤构建一个无线网络，实现无线传感器网络的组网功能，并在硬件平台上成功得到验证。
2ZigBee协议的分析与实现
2.1物理层分析与实现
ZigBee网络的数据交换所使用的无线信道在网络分层中属于物理层任务。
物理层通过硬件和软件为MAC层和物理层无线信道提供接口，物理层通过服务节点（SAP：
ServieAccessPoint）提供两种接口，分别为物理层数据服务（PD-SAP）和物理层管理服务（PLME-SAP），对下直接管理射频服务的接入（RF-SAP）。
物理层的结构模型如图2-1所示。
图2-1物理层结构图
物理层数据服务接入点通过原语在对等的MAC层实体之间传输MAC层协议数据单元（MPDU），其中所使用的原语有请求、确认和指示原语等。
数据请求原语PD-DATA.request、数据请求确认原语PD-DATA.confirm（status）、数据指示原语PD-DATA.indication。
物理层管理服务接入点允许MAC层与物理层之间传输管理命令，例如空闲信道评估，能量检测以及收发设备的状态转换等。
其主要功能：
信道频率大小的选择、数据接收和发送、基于CSMA-CA的空闲信道评估（CCA:
ClearChannelAssessment）、信道的能量检测（ED:
EnergyDetection）和激活和休眠射频设备等。
1）空闲信道评估就是检查当前的信道有没有被其他的无线设备使用。
其主要任务是为了协调器建立无线网络时选择信道的提供依据。
2）能量检测是建立网络前信道选择算法的一个重要步骤。
对所选择的信道中接收的信号功率进行测量，所测量的结果是有效信号功率和噪声信号功率之和。
能量检测的请求原语为PLME-ED.request。
2.1.1ZigBee的工作频率范围
ZigBee所使用的三个工作频段，每一频段的宽度不同，其分配的信道个数也不同。
IEEE802.15.4规范标准总共定义了27个编号从0到26的信道。
其中，2.4G频段定义了16个信道，915MHz频段定义了10个信道，868MHz频段定义了1个信道。
这些信道的中心频率定义如下：
Fa=868MHzk=0
Fb=906MHz+2（k-1）MHzk=1,2,…,10
Fc=2405MHz+5（k-11）MHzk=11,12,…,26
其中，k为信道编号。
一般来说，ZigBee设备不能同时兼容这3个工作频段。
2.4GHz
频率段是全球免费使用的频段，更有利于ZigBee设备的推广和使用成本的降低。
2.1.2物理层数据单元结构
在ZigBee网络体系中，每一层在发送数据时都要加上自己的协议信息，以形成网络协议数据单元。
ZigBee物理层的数据单元（PPDU）又可以称之为物理层数据包，其格式如图2-2所示。
4字节
1字节
1字节
变量
前同步码
帧定界符
帧长度（7bit）
预留位（1bit）
PSDU
同步包头
物理包头
负载
图2-2物理层数据包
物理层的数据单元是由同步包头、物理层包头和物理层有效载荷组成。
为了方便快捷，PPDU结构最左边的域首先传送和接收。
前导码（preamble）域，接收设备使用前导码域保持码片和符号的同步，IEEE802.15.4规定前导码域由32个二进制0组成。
帧定界域由一个字节组成，标识一个物理帧的开始，其值用16进制表示为0xA7。
物理包头中的其中7位来表示帧长度，也就是有效载荷的长度，按照物理层有效载荷（PSDU）不同，帧长度可变。
字节数在0~aMaxPHYPacketSize之间。
其中，aMaxPHYPacketSize为物理层常量，其值为127，表示物理层能够接收的最大PSDU数。
PSDU域也一个是可变长度域，通过物理层发送出去的数据。
PSDU中含MAC子层帧。
2.2MAC层分析与实现
MAC层处于NWK层和PHY层之间，其功能为两个ZigBee设备的MAC层提供可靠的路径，使用物理层提供的服务实现设备之间的数据帧传输。
MAC子层控制使用CSMA—CA（CarrierSenseMultipleAccesswithCollisionAvoidance）来控制接入信道。
MAC子层主要实现MAC层数据帧
升级会员 