基于ZigBee技术无线传感器网络研究与设计.docx

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基于ZigBee技术无线传感器网络研究与设计

学号：

07706003

2010届本科生毕业论文（设计）

题目：

基于ZigBee技术的

无线传感器网络的研究与设计

学院（系）：

水利与建筑工程学院

专业年级：

电气061班

学生姓名：

闫彦含

指导教师：

何自立

合作指导教师：

完成日期：

2010年6月

基于ZigBee技术的无线传感器网络的研究与设计

作者：

闫彦含指导老师：

何自立

摘要：

无线传感器网络是涉及多学科、知识高度集中、在当今国际上备受关注的前沿热点和研究领域。

它综合了传感器、微处理器和无线通信三项重大技术，具有信息采集、处理、无线传输能力，是新一代传感器网络的主要发展方向。

而低功耗、低成本、应用简单方便的ZigBee技术的诞生为无线传感器网络的发展和开拓起到了巨大的推动和促进作用。

本文主要从ZigBee技术着手，对无线传感器网络进行学习研究和设计。

首先，本文对无线传感器网络的背景、发展状况和应用前景进行了简单介绍，然后从体系结构、节点结构、协议栈、特点和关键问题等方面对无线传感器网络进行详细描述。

接着本文又详细剖析了ZigBee/IEEE802.15.4技术。

其次，本文对基于ZigBee的无线传感器网络的硬件部分进行了设计，其中包括主芯片CC2430、外围设备、射频模块、控制电路、显示电路和接口电路等。

再次，本文对基于ZigBee的无线传感器网络软件部分进行了设计，并通过实验展示了本文所设计的无线传感器网络的可行性和可靠性。

最后，本文进行总结和展望，并提出了几种基于ZigBee的无线传感器网络的应用。

关键词：

无线传感器网络；ZigBee；CC2430；Z-Stack

THERESEARCHANDDESIGNOFWIRELESSSENSOR

NETWORKSBASEDONZIGBEE

ABSTRACT:

WirelessSensorNetwork（WSN）isamulti-disciplinary,knowledge-highlyconcentratedfrontierhotspotandresearchfield,whichisfocusedbytheworldinmordentimes.Ithastheabilityofinformationcollection,processingandtransmissionasitcombinessensortechnology,microprocessortechnologyandwirelesscommunicationtechnology,anditisthemaindirectionofdevelopmentofthenextgenerationsensornetwork.ThebirthofZigBeewhichislow-power,low-cost,simplelyandconvenientlyappliedplaysasignificantroleinpromotingthedevelopmentandexploitingofWirelessSensorNetwor.

Thisarticle,mainlybeginningwithZigBeetechnology,hasstudied,researchedanddesignedWSN.First,thepaperintroduedthebackground,thedevelopmentconditionandtheapplicationprospectandthendescribedWSNindetailfromarchitecture,nodestructure,protocolstack,featuresandkeyproblemsandsoon.ThepaperalsoanalysedZigBee/IEEE802.15.4.Second,thepapercarriedonhardwaredesignofWSNbasedonZigBee,includingthemainchipofCC2430,peripheralequipment,RFmodule,controllingcircuit,displayingcircuitandinterfacecircuitandsoon.Futhermore,thepapercarriedonsoftwaredesignofWSNbasedonZigBee,anddemonstratedthefeasibilityandreliabilityofthesystemthoughexperiments.Finally,thepapersummarized,previewedandproposedseveralapplicationsofWSNbasedonZigBee.

Keywords:

WSN,ZigBee,CC2430,Z-Stack

文章缩略语

AES

AdvancedEncryptionStandard

高级加密标准

API

ApplicationProgramInterface

应用编程接口

BPSK

BinaryPhaseShiftKeying

二相相移键控

CSMA/CA

CarrierSenseMultipleAccesswithCollisionAvoidance

带有冲突避免的载波侦听多路访

DMA

DirectMemoryAccess

直接存储器访问

DSSS

DirectSequenceSpreadSpectrum

直接序列扩频

FFD

FullFunctionalDevice

全功能设备

FIFO

FirstInputFirstOutput

先入先出队列

GUI

GraphicalUserInterface

图形用户界面

IRDA

InfraredDataAssociation

红外数据组织

ISM

IndustrialScientificMedical

工业、科学、医学频段

JTAG

国际标准测试协议

LNA

Low-NoiseAmplifier

低噪声放大器

LQI

LinkQualityIndication

链路质量指标

MCU

MicroControlUnit

微控制单元

OQSPK

Offset-QuadraturePhaseShiftKeying

偏移四相相移键控

PA

PowerAmplifier

功率放大器

PDA

PersonalDigitalAssistant

个人数字处理

PAN

PersonalAreaNetwork

个人局域网

QoS

QualityofService

服务质量

RFD

ReducedFunctionDevice

精简功能设备

RFID

RadioFrequencyIdentification

射频识别

RSSI

ReceivedSignalStrengthIndication

接收信号强度指示

SAP

ServiceAccessPoint

服务访问点

SFR

SpecialFunctionRegister

特殊功能寄存器

SoC

SystemonChip

片上系统

SPI

SerialPeripheralInterface

串行外围设备接口

TCP

TransmissionControlProtocol

传输控制协议

USART

UniversalSynchronous/AsynchronousReceiver/Transmitter

通用同步/异步串行接收/发送器

Wi-Fi

WirelessFidelity

8021.11b

WSN

WirelessSensorNetworks

无线传感器网络

WLAN

WirelessLocalAreaNetworks

无线局域网

WUSN

WirelessUndergroundSensorNetworks

无线地下传感器网络

第一章绪论

1.1课题背景概述

当今世界，科学技术迅猛发展，各项新思想、新技术、新产品层出不穷，各种不同学科、不同领域的知识和技术也在不停地交织相融，于是产生了多个极具研究价值并有着深远意义的科研课题。

无线传感器网络（WirelessSensorNetworks,简称WSN）是当前国际上备受关注、涉及多个学科、知识高度集中的前沿热点和研究领域。

它综合了传感器、微处理器、网络通信和分布式信息处理等技术，能够通过各类集成化的微型传感器协同完成对各种环境信息的实时监测、感知、采集和处理，并以自组织多跳的无线通信方式将数据信息传送到用户终端，从而实现了科学世界与人类生活的完美贯通。

传感器网络发展至今，共经历了四代发展时期。

第一代传感器网络出现在20世界70年代，采用点对点传输连接传感控制器构成传感器网络；第二代传感器网络，具有获得多种信息、信号的综合能力，采用串/并接口（如RS-232、RS-485）与传感控制器相连，构成有多种综合信息的传感器网络；第三代传感器网络出现在20世纪90年代后期和21世纪初，采用现场总线连接传感控制器，构成局域网络，成为智能化传感器网络；第四代传感器网络即是无线传感器网络，正在研究开发。

2003年，美国《技术评论》杂志将无线传感器网络列为新兴十大高新技术之首；同年，《商业周刊》在预测未来四大新技术中，无线传感器网络也位列其中。

2004年，《IEEESpectrum》杂志发表一期专集《传感器的国度》，论述了无线传感器网络的发展和可能地广泛应用。

同时，国内外许多大学、科研机构和产业界对无线传感器网络都很看好，纷纷从不同层次和角度对WSN展开了探索和研究。

可以预见，无线传感器网络必将成为21世纪一项极为重要的技术，它的发展和推广也必将给人类社会带来重大影响和变革。

无线传感器网络有着十分广泛的应用前景，它不仅在工业、农业、环境、军事、医疗等传统领域有着巨大的应用价值，在未来许多新兴领域也有着不可想象的优越性，例如家用、保健、城市交通等。

在将来，无线传感器网络甚至能够渗入到我们生活的角角落落，我们可以将手机、笔记本电脑、PDA（PersonalDigitalAssistant,个人数码处理）等便携装置随时组成网络，构成一个WLAN（WirelessLocalAreaNetwork,无线局域网），充分享受“信息随身化、便利走天下”的理想境界。

将WSN用于城市路灯控制，通过布设在道路两侧的无线传感器网络，来控制路灯的亮度、开关等。

将WSN应用到空调系统，来控制空调的功率和开关，从而能达到节能省电的目的。

将WSN应用到地震、泥石流或滑坡等灾害多发地，能够更好、更安全地协助环境监测，预报地质灾害。

总之，在不久的将来，无线传感器网络必将能够布满于我们的生活，给我们的生活带来无尽的舒适与便捷。

尽管无线传感器网络有着美好的前景，但它的应用还远远没有推广开来。

国外发达国家在这方面开始的比较早，投入也比较大，像美国波士顿大学创办了传感器网络协会（SensorNetworkConsortium），期望能促进传感器联网技术开的发展；美国军方将WSN应用到军事系统，耗资400-600亿美元建造的FCS（FutureCombatSystem，未来战斗系统），以网络为中心，达到“全球到达、迅速反应”的低伤亡作战目标；美国国家科学基金赞助的BiomedicalSensors项目[1]，美国NASA（NationalAeronauticsandSpaceAdministration,美国国家航空暨太空总署）发起的SensorWebs项目[2]等等都是关于无线传感器网络的重要研究。

国内关于WSN的研究起步较晚，部分公司在进行商业开发，如成都无线电子龙有限公司，西安达泰电子有限公司、西安华凡科技有限公司等在WSN方面有所开发和研究。

部分大学，例如国防科技大学、清华大学、中国科学技术大学、哈尔滨工业大学、电子科技大学、天津大学、北京邮电大学等对无线传感器网络也进行着相关的研究工作。

总之，无线传感器网络大多处于研究实验或者商业开发阶段，在生活应用和推广普及方面还远远不够，有待进一步发展。

正是基于无线传感器网络巨大的应用价值和美好前景以及应用较少的状况，本文也开展了对WSN的基础性研究学习，对节点设计和协议栈进行描述，并提出了将WSN应用于农业环境信息采集和控制系统。

借助于WSN技术，农业信息采集和控制体现出实时、精确、方便、易于管理、可扩展性强等优点。

1.2WSN简介

无线传感器网络是一种特殊的Ad-hoc[3]网络，它是一种以数据为中心、自组织多跳的无线网络。

它具有规模大、自组织、部署方便、以数据为中心、动态网络、通信灵活等特点。

1.2.1WSN体系结构

图1-1是典型的无线传感器网络的体系结构图。

完整的WSN体系结构应包括传感器节点群、sink节点、互联网和用户终端等。

大量体积小、成本低、具有数据采集、处理、融合和无线通信功能的节点通过飞机播撒、人工布置等方式被部署在监测区域，每个节点都可以感测监测区域内的环境信息，并以无线、自组织、多跳的方式在相互之间进行通信，并将数据信息传送到汇聚节点（sink节点），最终由汇聚节点通过Internet、卫星或者移动通信等方式将数据信息传送到用户终端。

如果距离较远，为了提高通信可靠性，可在sink节点附近增设基站，通过基站与Internet进行连接。

图1-1典型的无线传感器网络的体系结构

传感器节点通常是一个微型的嵌入式系统，通过携带能量有限的电池供电，因此其处理能力、存储能力和通信能力比较弱。

从功能上看，传感器节点具有采集、处理、发送和接收数据的功能，部分节点还兼有路由功能；节点除了进行本地信息收集和数据处理外，还要对其它节点转发来的数据进行存储、管理等处理，同时与其它节点协作完成一些特定任务。

1.一般节点

传感器节点是无线传感器网络的基本功能单元，其结构主要包括传感器模块，处理器模块，射频模块和电源模块等。

图1-2是典型的节点结构图，其中的定位模块和移动模块为可选择性的。

传感器节点通过自带传感器采集周围环境信息，经过简单的数据处理、融合，通过射频模块将其发射出去。

节点体积小，电源能量小，所以选择低功耗设计是很必要的。

2.汇聚（sink）节点

汇聚节点，也称为网关（sink）节点，它比一般节点具有更高的电能，更强的发射能力，更高级的数据融合能力。

它的作用是将传感器网络所采集到的有用信息通过无线方式传送给基站，进而通过Internet、卫星或移动通信等方式传送到用户终端。

图1-2典型的节点结构

3.基站

由于节点能量有限，无法将采集到的大量数据传送到远方的控制计算机，所以需要在传感器网络附近设置基站。

如果把整个无线传感器网络比喻成一个交通网络，那么基站就好比加油站，它的主要作用是给信息传递补充能量，将汇聚节点的数据信息可靠地传输到用户终端。

同时，它还具有一个本地数据库的副本来缓存最新的传感器数据。

4.用户终端

传感器网络所采集的数据信息最终都将被送到用户终端，进行更深层次的分析、处理，这样采集到的数据才能够得以应用，作为反馈来控制整个系统，使系统工作得更为精确、实时。

同时，工作人员还可以通过终端计算机对远程信息进行观察、对比，以做出合理的操作控制。

1.2.2WSN的协议栈结构

典型的WSN协议栈结构图如图1-3所示。

该协议栈包括物理层（physicallayer）、数据链路层（datalinklayer）、网络层（networklayer）、传输层（transportlayer）和应用层（applicationlayer），分别与互联网协议栈[4]的五层协议相对应。

同时，WSN协议栈还包括能量管理平台、移动管理平台和任务管理平台。

这些管理平台使得传感器节点能够按照能源高效的方式协同工作，在节点移动的传感器网络中转发数据，并支持多任务和资源共享。

各层协议和平台的功能如下：

图1-3无线传感器网络协议栈结构图

●物理层：

负责数据的调制发送与接收，本层的设计直接影响到电路的复杂度和传输能耗等问题，设计原则应该使节点尽量低成本、低功耗和小体积。

●数据链路层：

负责数据流的多路复用、数据帧检测、媒体介入和差错控制等，保证了无线传感器网络传输线路的可靠连接。

●网络层：

主要负责路由的生成和选择。

无线传感器网络的网络层设计是以数据为中心，我们不会关注某个具体节点的观测数据，而是关心某个区域的观测数据。

以数据为中心的特点要求WSN能够脱离传统的网络寻址过程，快速有效地组织起各个节点的信息并融合提取出有用信息直接传送给用户。

●传输层：

主要是对数据流进行传输控制，协作维护数据流，是保证通信服务质量的重要部分。

我们最熟悉的TCP协议设计思想是基于属性的命名机制，对于WSN并没有太大的现实意义；适合无线传感器网络的传输层协议更类似于UDP。

●应用层：

根据应用要求的不同，包括一系列基于监测任务的应用软件。

●能量管理平台：

主要对节点的能量进行分配，以达到节约能量。

●移动管理平台：

记载节点的移动，维护汇聚节点的路由，使得节点能够动态跟踪其邻居节点的位置。

●任务管理平台：

主要用来平衡和调度监测区域内的监测任务。

随着研究的进展，后来人们又提出了改进的WSN协议栈模型，其结构图如图1-4[5]所示。

图1-4改进的WSN协议栈模型

相对原始模型（图3）来说，“时间同步和定位”既要依赖于数据传输通道进行协作定位和时间同步协商，同时又要为网络协议各层提供信息支持。

“服务质量”（QualityofService，简称QoS）管理在各协议层设计队列管理、优先级机制或者带宽预留等机制，并对特定应用的数据给予特别处理。

“拓扑控制”利用物理层、数据链路层或网络层完成拓扑生成，反过来又为它们提供基础信息支持，优化MAC协议和路由协议的协议过程，提高协议效率，减少网络能量消耗；网络管理要求协议各层嵌入各种信息接口，并定时收集协议运行状态和流量信息，协调控制网络中各个协议组件的运行。

1.2.3WSN特点及其关键问题

无线传感器网络是新一代传感器网络，有着鲜明的特点：

（1）电源能量有限。

节点一般采用自带电源供电，由于它体积小，所带电能有限，一旦耗完，节点就失去了工作能力。

所以，在硬件设计方面应尽量选用低功耗的器件，在软件方面应采用优化的程序和通信协议，以保证电能的充足，延长节点的寿命。

（2）无中心、动态拓扑。

WSN没有明确的中心，各个节点之间是对等的；任何节点都可以随时加入或退出网络，而不会影响其它节点的有效性，只是整个网络的拓扑结构会随之而动态变化。

（3）多跳、自组织。

WSN中无需借助于其它辅助设备，完全由各个节点通过预设的协议和算法自行组织，在相互之间进行多跳转发数据，快速形成通信网络。

同时，节点间通信采用短距离多跳方式比长距离少跳方式省电，对整个网络的性能更有利。

（4）节点数量多，分布范围广。

为了满足探测的需要，需要在被探测区域投入大量的节点，来监测环境信息。

只有这样才能在监测范围内尽可能多、尽可能准确地获取有价值信息。

因而，一般WSN包含的节点数量非常之多，分布范围之广。

另外，WSN的特点也决定了它在技术上面临着一些挑战，存在着几个关键问题：

能量管理问题。

WSN可靠工作的首要前提是有足够的电能，它决定了WSN能否可靠地工作。

传感器传输信息比执行计算更消耗电能，因而构成合理的拓扑通信网络尤为重要。

好的能量管理机制，能更好地延长传感器网络的生存周期。

网络拓扑控制。

对于自组织的传感器网络而言，网络拓扑控制具有特别重要的意义。

良好的网络拓扑结构，不仅能够提高路由协议和通信效率，而且能够节省能量，延长整个网络的生存周期。

因此，网络拓扑控制也是关键问题之一。

带宽有限。

WSN中无限通信带宽一般都很低，如果考虑冲突、噪声等外界干扰，有效带宽会更低。

为了可靠地传输数据，足够的带宽设计是一个关键问题。

安全性差。

WSN一般分布于环境恶劣的场所，由于采用无线信道、有限电源、分布式控制等技术，它更加容易受到入侵，保密性差。

因此，WSN一般具有较差的鲁棒性，需要好的安全设计措施。

健壮性。

传感器网络特别适合部署在恶劣环境中，因而要求传感器节点有很好的抗损坏能力，要求传感器网络有很好的自适应性、高强壮性和容错性。

1.2几种常用的无线通信技术

1.3.1蓝牙技术

1994年，L.M.Ericsson公司与IBM、Intel、Nokia和Toshiba四家公司一起组成了一个SIG（SpecialInterestGroup,特别兴趣集团）联盟，开发了一个无线标准，将计算机和通信设备或者附加部件通过短距离、低功耗、低成本的无线电波连接起来，这个项目被称为蓝牙（Bluetooth）。

蓝牙技术工作在ISM（IndustrialScientificMedical，工业科学医学）的2.4GHz频段上，一般通信距离为10米左右，传输速率为1Mbps。

它能够在手机、笔记本，台式电脑、PDA等通信设备间进行数据传输，使用方便，并且全球通用。

有关蓝牙技术的更多信息参考文献[6]。

1.3.2红外技术

1993年，多家厂商成立了红外数据协会（IrDA：

InfraredDataAssociation），统一了红外技术标准。

红外技术采用红外线的0.85mm波段，最大通信距离为10米，最大通信角度为30°，它的最大传输速率可达16Mbps。

红外技术具有工作原理简单，功耗小，成本低，安全性好，保密性高，无电磁干扰，无须政府批准频带等优点。

但是它不能穿透固体物质，传输距离有限，而且只能够实现点到点的直线传输，这些缺点限制了它的推广应用。

1.3.3ZigBee技术

2002年，ZigBee联盟正式成立。

2003年，IEEE正式发布了该项技术物理层和MAC层所采用的标准协议，即IEEE802.15.4标准；2004年12月，ZigBee联盟正式发布了该项技术标准。

ZigBee是一种经济、高效、低数据速率（<250kbps）、工作在2.4GHz和868/928MHz的无线技术，用于个人区域网和对等网络。

2.4GHz频段的ZigBee分为16个信道，数据传输速率为250kbps，免费全球通用。

868/928MHz频段的ZigBee分为10个信道和1个信道，传输速率分别为40kbps和20kbps，分别为欧洲和美国所使用。

由于ZigBee价廉、短距离、低功率的无线通信特点，它一直占据着无线通讯市场。

特别在无限传感器网络方面，ZigBee有着十分广泛的应用，本文后边将会对ZigBee在WSN中的应用具体阐述。

1.3.4Wi-Fi技术

Wi-Fi（WirelessFidelity，无线相容性认证）的正式名称是IEEE802.11b，是由Wi-Fi联盟所制订。

它是无线局域网（WLAN）IEEE