基于ZigBee技术的无线传感器网络系统研究学士学位论文 精品.docx

1、基于ZigBee技术的无线传感器网络系统研究学士学位论文 精品学 士 学 位 论 文基于ZigBee技术的无线传感器网络系统研究 摘 要随着信息技术的发展,人们对无线通信技术的要求日益提高。传统的无线通信技术Wi-Fi、超宽带通信UWB、近场通信NFC、蓝牙、红外无线数据通信(IrDA)等技术,已经不能满足当今对无线应用的需求。尤其是物联网技术的提出,需要传感器网络具有低速率、低功耗、低成本、自组网能力强等特点,并且在恶劣的自然环境下也能正常工作。ZigBee技术就是在这样的历史背景下应运而生。ZigBee技术是一种新兴的短距离、低速率无线网络技术,是一种介于无线标识技术和蓝牙之间的技术提案,

2、主要用于近距离无线连接,其优良的自组网性能和网络的健壮性整体的网络协调性等都是其它无线技术无法比拟的。本设计是基于ZigBee技术开发的一套无线传感网络模拟装置。该装置采用射频性能优良的Ti (Texas Instruments)公司CC2430芯片作为核心的控制模块,使用高效的IAR集成开发环境作为软件平台,显示模块采用HS12232-9 LCD液晶屏显示模块,上位机可通过PC串口管理全网的数据和命令的收发。串口通信软件采用VC6.0开发,界面友好,使用方便。当数据的在ZigBee网络中传播时,可以在PC机上使用Packed Sniffer等抓包软件捕获网络中的数据,进行研究和分析。本模拟装

3、置的功能实现比较完善,网络协调性较好。可以按照组网要求发送和接收数据,并将数据和命令清楚的显示在LCD液晶屏上,且数据也能够及时的上传给上位机,供管理和使用人员参考和调试。【关键词】ZigBee；无线传感器网络；Z-Stack；CC2430 AbstractWith the development of information technology, the increasing demand for wireless communications technology. The wireless communications technology Wi-Fi, ultra-wideband

4、communications UWB, Near Field Communication the NFC, Bluetooth, infrared wireless data communications (IrDA) technology, can no longer meet todays demand for wireless applications. Especially the Internet of Things technology, the need to sensor networks with low-rate, low power, low cost, since th

5、e networking ability and other characteristics, and in the harsh natural environment can work properly. ZigBee technology is against this historical background, came into being. ZigBee technology is an emerging short-range, low-rate wireless network technology is a cross between a wireless identific

6、ation technology and Bluetooth technology proposals, mainly for short-range wireless connections, good network performance and network the robustness of the overall network coordination are other wireless technologies can not match. The design is based on ZigBee technology developed by a wireless se

7、nsor network simulator. The device uses the excellent RF performance of Ti (Texas Instruments) Company CC2430 chip as the core of the control module, the use of efficient IAR Integrated Development Environment software platform, the display module HS12232-9 LCD LCD screen display module, the host co

8、mputer through the PC serial port manage the whole network to send and receive data and commands. The host computer using VC6.0 development-friendly interface, easy to use. When the spread of data in the ZigBee network, you can use on a PC Packed the Sniffer capture software to capture network data,

9、 conduct research and analysis. Simulator functions to achieve a relatively complete network coordination. Accordance with the requirements of the network to send and receive data, and data and commands to display on the LCD screen and the data can also be timely upload to the host computer for mana

10、gement and use of personal reference and debugging.【Key words】 ZigBee Wireless Sensor Network；Z-Stack；the CC2430目 录第1章 绪论 41.1研究背景 41.2研究内容 41.3研究意义 5第2章 ZigBee技术 62.1 ZigBee技术概述 62.2 ZigBee技术的主要特征 72.3 ZigBee技术的应用 72.4分层协议的概念 82.5 物理层(PHY)规范 82.5.1 物理层服务规范 92.5.2 物理层协议数据单元(PPDU)格式 92.6 媒体介质访问层(MAC)

11、层概述 92.6.1 MAC层数据服务信息流程 102.6.2 安全机制 102.6.3 MAC层帧格式 112.7 ZigBee网络层服务 112.7.1 网络层服务介绍 112.7.2 ZigBee的网络拓扑结构 122.7.3 网络层路由算法的分析 132.8 ZigBee应用支持子层(APS层)协议 152.8.1 应用层概述 152.8.2 帧格式 152.8.3 ZigBee协议栈各层帧结构之间的关系 16第3章 ZigBee开发平台 173.1 ZigBee开发平台介绍 173.1.1 IAR EW8051集成开发环境及其使用说明 173.1.2 CC2430芯片概述 173.2

12、 TI Z-Stack软件架构 173.2.1系统初始化 173.2.2初始化的具体流程 183.2.3 操作系统的执行 203.2.4 ZStack-1.4.3-1.2.1协议栈项目文件的组织架构 21第4章 系统模块的设计与实现 234.1设备类型 234.2 信道 234.3 PANID 234.4 方案的整体设计 244.5 CC2430的串口机制 244.5.1 回调函数 254.5.2 处理事件UART_RX_CB_EVT 254.6 工程任务的初始化操作 264.6.1工程选项设置 264.7 ZigBee自动建网过程 284.8 协调器对节点的感知 304.9 上位机软件 33

13、4.10 运行时数据报解析 34第五章 总 结 36附录1：CC2430芯片架构 37附录2：硬件连接图 38附录3: 协议设计 40参考文献 42致 谢 44第1章 绪论1.1研究背景近年来,随着社会的发展,无线通信技术的不断进步,新的无线技术正发挥着新的重要的作用,给人们的生活带来新的享受1。物物联网的物联网世界的提出,被很多国家政府和企业提上日程,人们对无线技术也提出了更新的要求。回顾传统的无线网络例如,蓝牙(BlueTooth)、WiFi、红外等技术已经无法适应当前的实际需要2。于是人们致力开发出一种新比较适合人们需要的,近距离,低速率,组网方便的新的无线技术,其中ZigBee技术是最

14、具有代表性,最能够由能力适应现代无线网络要求的技术3。ZigBee协议是基于IEEE 802.15.4协议制定的物理层(Physical Layer,PHY)和介质访问层(Medium access control layer,MAC)的基础上,由ZigBee联盟制定网络层和应用支持层组成的。Zigbee技术具有很多其他网络无法比拟的优点。一节ZigBee的终端节点模块,可以连续使用长达2年。其整体的ZigBee组网能力,快速的反应能力,已经模块的低成本能经受严酷的自然条件等,都是现代无线传感网络十分需要的特点。然而作为一种新兴的无线技术,和一切新鲜事物一样,并不能马上的被适用于人们的生活、生

15、产中。ZigBee技术在中国正处于这样一种状态,政府和很多的企业都在致力于研发各种ZigBee产品以便尽快将ZigBee技术应用于市场。很多高校也正在加紧对ZigBee技术方面的人才的培养,以及技术的创新等。本文正是从这一背景出发,调查当前社会对无线技术的需求,结合无线技术的发展趋势和ZigBee的技术特点,利用ZigBee无线技术实现无线传感器网络模拟装置。1.2研究内容使用ZigBee技术来实现无线传感器网络,主要需要考虑通信节点的硬件设计,以及实现相应功能所必须的软件开发。本设计从实际出发,采用先进的Ti公司的CC2430芯片,利用性能较高的IAR Embedded Workbench

16、开发工具对一个完整的ZigBee网络的组网过程进行实验,然后在无线传感网 ZigBee 套件上实现了一个网状拓扑结构的通信实验。在无线网络组网完成后,通过设定的协议命令在PC机端使用串口将数据发至ZigBee的协调器模块。ZigBee模块即可完成全网的数据监控。同时在无线网络的传输中,加入自己网络控制命令,使得全网能按照预定的要求进行数据的传输,同时结合上位机软件将网络数据通过协调器传至PC机的人机交互界面,友好的展示了数据的传输方式和传输过程。此模拟装置充分的展示了ZigBee的功能特性,解析了ZigBee各层协议的数据封装,使开发者能快速的掌握ZigBee的技术要领,给需要使用ZigBee

17、的项目提供借鉴。同时具有移植方便,稍微加以修改即可应用在实际的项目中。1.3研究意义ZigBee技术的诸多特性,必然使得其在未来的无线领域中占有很大的优势。ZigBee技术的普及也将为企业在无线器材的选择方面多了很大的信心。但是目前,国内ZigBee技术尚处在萌芽阶段,市场是可行的ZigBee解决方案屈指可数。一方面对于准备进入ZigBee领域的人来说,苦于找不好很好的教材,和很合适的模块。另一方面,中小型企业也无精力和财力去从零开始研发ZigBee的设备。本设计从选择芯片和搭建软件平台,到完成整体的设计架构和测试流程。本身就是一次ZigBee技术的实际应用,演示了如何将ZigBee技术应用于

18、实际的生活生产中。根据具体的需要,降低产品成本,定制出属于特定环境和特定任务的无线传感器模块,增加协议命令控制传感器的特定动作。以及选择ZigBee无线传感器网络的使用条件和范围等。目前大多数用户只能借鉴于ZigBee厂商提供的开发平台进行应用层程序的开发,但是运用厂商提供的开发平台和开发工具,用户再选芯片型等方面会受到很大限制,极大的束缚了ZigBee产业的发展。所以搭建一个可以很快就应用于商业用途的ZigBee使用模型就显得非常重要,本课题正是在此思想上设计了一套非常实用的模拟装置,实现了ZigBee的重要的功能特性。无论从ZigBee的理论上,还是从实际的应用中都很有价值。第2章 Zig

19、Bee技术2.1 ZigBee技术概述ZigBee技术有很多的优点,无线收发距离短、协议复杂度较低、整体耗能低、成本低廉、网络反应快等。这使ZigBee技术非常适合对距离和传输速率不高的场合,可以有效的降低使用成本,长时间的持续工作也很方便去管理ZigBee的无线网络4。2000年12月美国电气和电子工程师协会(IEEE) 成立了IEEE802.15.4工作组,目的在于研究一种低速率、低成本、低功耗、低时延的无线网络协议。ZigBee技术正是这一网络协议的代名词5。ZigBee栈体系结构是一种分层结构。每一个层的主要任务是向上层提供两种服务：数据实体服务和管理实体服务。服务实体是通过服务接入点

20、(SAP)为上层提供所需的服务。其中SAP的功能是通过一些服务原语来实现。ZigBee协议栈结构,基于开放网络互连(OSI)七层协议模型。IEEE802.15.4-2003标准定义了ZigBee协议的低两层,物理层(PHY)和数据链路层(MAC)。ZigBee联盟在物理层和MAC层的基础上制定了网络层和应用支持子层。如图2-1为ZigBee体系堆栈的框架图。图2-1 ZigBee堆栈框架2.2 ZigBee技术的主要特征与蓝牙、WiFi等无线通信技术相比,ZigBee协议相对简单、所需要的硬件资源较少,所以硬件平台相对十分简单,主要有以下特点： 低功耗：省电是ZigBee一个非常重要的特点,Z

21、igBee节点的工作周期短、信息收发功耗低、ZigBee终端节点采用了休眠机制,两节普通的5号干电池可以支持6个月到2年的工作时间。 低成本：由于ZigBee协议栈需要想对较少的资源,极大降低了ZigBee的开发成本,据官方称,最少可以达到两美元,而且ZigBee协议是免专利费的。 短时延：网络通信时延短，ZigBee节点从休眠状态转到工作状态很迅速。搜索一个网络节点时延仅为30ms,休眠激活时延和信道接入时延均为为15ms。 短距离：一个ZigBee节点的有效传播距离为30-200m。可以覆盖家庭等空间较小的应用场所。 低速率：2.4 GHz频段为250 kb/s,915MHz频段为40kb

22、/s,868MHz频段只有20kb/s。 数据可靠传输：ZigBee采用了CSMA/CA碰撞避免机制(Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance),提高了无线的传输效率。媒体接入层采用完全确认的数据传输机制,每个数据包的发送,都需要接收方的给出确认操作,保证了数据包可靠地传输。2.3 ZigBee技术的应用基于ZigBee技术的无线传感网络在现实生活中具有重大的应用前景，目前已存在的传感器广泛的应用于各个领域：煤炭、医疗、航天、国防、建筑物的测量、生态系统的观察等等6。矿井下人员的定位,随时了解井下作业人员的工作位置；瓦斯的侦测

23、,防止意外的瓦斯泄露等。紧急情况发生时还可以指导作业人员安全撤离。1 医院护理人员可以通过ZigBee定位设备设备随时了解病人的活动或贵重医疗器械的放置等。结合相关传感器还可以侦测病人的身体和生理状态。保证病人的24小时看护状态。2 士兵身上携带ZigBee设备,在条件复杂的环境下,可便于统一的指挥和管理,同时单兵的身体状态等也能及时反馈给后勤人员,以便及时的求助。3 生态系统的观察,在一些人类无法轻易进入的地方,可以利用ZigBee节点,将设备分布在监护地区的各个地方。结合温湿度、光度、风度等传感器可将数据上汇聚至协调器后通过有线或者其他无线网络传至千里之外的控制中心,极大的方便了研究人员的

24、工作。4 随着我国政府大力倡导无线网络射频技术的发展,构建物物联网的未来世界相信也在不久的将来。而ZigBee技术无疑是这一领域的先力军,其优越的性能必将给即将到来的物联网的时代创造一个很好的条件。ZigBee技术必将广泛的应用到生活的各个层面。2.4分层协议的概念分层是ZigBee协议的重要概念，每一层是通过建立服务接入点完成对上层提供服务。层与层间通过服务原语进行数据与管理的交互服务。原语只是一种抽象的概念，用来指定所提供的服务，但不指定具体的服务角色。下图说明了原语的概念。 图2-2 原语的概念原语通常分为四种基本类型7： Request：请求原语用于上层向本层请求指定的服务。 Conf

25、irm：确认原语本层用于相应上层发来的请求原语。 Indication：指示原语用本层发给上层指示本层的某一内部事件。 Response：响应原语用于上层响应本层发出的指示原语。2.5 物理层(PHY)规范IEEE 802.15.4定义了两个物理层标准,它操作于两个分离的频率范围：868/915MHz(美国、欧洲和澳大利亚)和2.4GHz供全世界使用。ZigBee的物理层主要的任务 是以下几点8： 无线收发机的开启和关闭 检测信道上的能量 查看分组的链路质量 基于CSMA-CA的空闲信道评估(CCA) 发送和接受数据2.5.1 物理层服务规范物理层定义了物理无线信道和与MAC层之间的接口,提供

26、物理层数据服务和物理层管理服务。物理层数据服务是从无线物理信道上收发数据,物理层管理服务维护一个由物理层相关数据组成的数据库。2.5.2 物理层协议数据单元(PPDU)格式 物理层协议数据单元(PPDU)由三部分组成：同步头(SHR)允许接收设备同步并锁定比特流；物理层帧头(PHR)包含的是帧长信息；有效载荷部分PSDU。表 2-1 PPDU的格式字节数：411可变长度引导序列帧开始符帧长(7位)预留(1位)物理层服务数据单元同步头(SHR)物理层帧头(PHR)物理层有效载荷同步码域用来为后续数据的收发提供码片或者数据符号的同步；帧定界符用来表示同步域的结束及报文数据的开始；帧长度域用7bit

27、定义物理层净荷的字节数；物理层数据域长度根据情况可变(长度为5字节或大于7字节)、承载了物理层报文数据,包含有MAC层数据帧。2.6 媒体介质访问层(MAC)层概述 IEEE 802.15.4定义的媒体介入控制层的使用了传统无线局域网中的带冲突避免的载波多路侦听访问技术CSMA/CA方式,MAC层主要提供了数据传输服务(MCPS)和管理服务(MLME),其功能主要入下：(1) 网络协调器产生并发送信标帧(2) 设备与信标同步(3) 支持RAN网络的关联和取消关联操作。(4) 为设备的安全性提供支持。(5) 信道接入方式采用免冲突载波检测多路访问(CSMA-CA)机制；(6) 处理和维护保护时隙

28、机制(7) 在对等的MAC实体之间提供一个可靠地通信链路。图2-3 物理层参考模型2.6.1 MAC层数据服务信息流程 请求由发送方上层发起,调用原语MCPS-DATA-request将数据传至MAC层。MAC层将数据再次封装形成PPDU通过物理层发送。数据传至对方的物理直到MAC层,对方会对数据进行确认,这是数据链路层上的确认协议。随后对方的接收的数据通过发起MCPS-DATA-indicate将数据传至上层。确认帧被发送方接收后一次完整的数据传输才结束。如图2-4为数据的在协议层之间的传送。图2-4协议层之间数据的传送数据在协调器中的传输模式分为数据传输到协调器和数据从协调器传出。2.6.

29、2 安全机制ZigBee使用MAC层的安全机制来加密MAC命令、信标和确认帧。MAC层使用AES(Advanced Encryption Standard)作为其核心加密算法,通过该算法来保证MAC帧的机密性、完整性和真实性。MAC层使用加密方式来发送(或接收)帧时,首先查看帧的目的地址(或源地址),取得与目的(或源)地址相关的密钥,并使用为该密钥指定的安全组合来处理该帧。每个密钥都与单独的安全组合相关。MAC帧的头部有一个比特来指示该帧是否加密9。2.6.3 MAC层帧格式介质访问控制层(MAC)帧被称为MAC协议数据单元(MPDU),其长度不超过127个字节。表 2-2 MAC帧的通用格式

30、帧控制序列号地址字段负载校验(FCS)MAC Header(MHR)MAC载荷MAC Footer(MFR)MAC层定义了4种不同的帧格式,分别是信标帧、数据帧、确认帧和MAC命令2.7 ZigBee网络层服务2.7.1 网络层服务介绍网络层提供保证IEEE 802.15.4MAC层正确工作的能力并为应用层提供合适的服务接口。网络层(NWK)负责建立和维护网络连接,它独立处理传入数据请求、关联、解除关联和孤立通知请求。网状层主要负责网络拓扑结构的建立与管理,以及维护网络的连接,主要功能包括： 设备连接和断开网络时所采用的机制,以及在帧信息传输过程中所采用的安全策略。 作为网络中路由器和协调器的

31、网络层还负责路由发现,维护路由表、转交路由信息、下一跳路由的发现等,网络层还维护一个信息库(PIB)来存储这些必要的路由信息,当网络出现异常或者电源重启时,可以快速恢复网络。 协调器节点的网络层还必须具有创建新网络的能力,同时也有为新加入的其他节点分配ZigBee网络短地址的能力。 网络层还需要提供其他的功能接口,确保MAC层能正常工作,同时向上层(APS)层提供数据和管理等服务接口。图2-6 网络层参考模型NWK层通过两个服务接入点(SAP)提供了两种服务。ZigBee的网络层采用基于Ad Hoc的路由协议,除了具有通用的网络层功能外,还应该与底层的IEEE802.15.4标准的功耗一样小,同时要实现网络的自组织和自维护。应用支持子层把不同的应用映射到ZigBee网络上,主要包括安全属性的设置、业务发现、设备发现和多个业务数据流的汇聚等功能。NLME需要提供一个管理服务以允许一个应用来与协议操作交互,NLME需要提供以下服务： 配置一个新网络,具有必须的配置硬件资源,如栈等。配置选项包括：ZigBee协调器的开始操作,申请加入存在的ZigBee网络。 启动网络,具有创建网络的能力 能够加入和退出ZigBee网络。 寻址,具有由ZigBee协调器或者ZigBee路由器给其他刚加入的网