基于ZIGBEE的无线传感器网络研究

分类：免费论文    更新时间：08-06    来源：网络

 摘  要

无线传感器网络是一种全新的信息获取平台，能够实时监测和采集网络分布区域内的各种检测对象的信息，并将这些信息发送到网关节点，以实现复杂的指定范围内目标检测与跟踪，具有快速展开、抗毁性强等特点，有着广阔的应用前景；ZigBee是一种新兴的短距离、低功率、低速率的无线接人技术，工作于无须注册的2.4GHz ISM频段，传输速率为10～250 Kb／s，传输距离为10～75 m。该项技术自2002年起由ZigBee技术联盟研究开发，采用IEEE 802．15．4标准作为其物理层和媒体接入子层标准、网络层及上层标准，即ZigBee技术标准；CC2430是一颗真正的系统芯片(SoC)CMOS解决方案。这种解决方案能够提高性能并满足以ZigBee为基础的2.4GHz ISM波段应用，及对低成本，低功耗的要求,它结合一个高性能2.4GHz DSSS(直接序列扩频)射频收发器核心和一颗工业级小巧高效的8051控制器。 CC2430的设计结合了8Kbyte的RAM及强大的外围模块，并且有3种不同的版本，他们是根据不同的闪存空间32，64和128kByte来优化复杂度与成本的组合。

关键词：无线传感器网络，ZIGBEE，CC2430

第一章  绪论

1.1 论文研究的背景及意义

随着半导体技术、微系统技术、通信技术、计算机技术的飞速发展，20世纪90年代末在美国发现了具有现代意义的无线传感器网络技术。无线传感器网络是一个多学科高度交叉、知识高度集成的前沿热点研究领域，综合了传感器、嵌入式计算、网络及无线通信、分布式信息处理等技术，有着巨大的科学意义和应用前景，其发展和应用，将会给人类的生活和生产的各个领域带来深远影响。美国的《技术评论》杂志在论述未来新兴十大技术时，更是将无线传感器网络列为第一项未来新兴技术，《商业周刊》将传感器网络定位成2l世纪高技术领域的四大支柱型产业之一，其潜在的市场需求十分巨大。无线传感网络有着传统网络无法比拟的许多优势，具有可快速部署、自组织、隐蔽性强、无入值守等特点，可广泛应用在军事、环境监灏、医疗护理、智能交通、智能建筑、空间探索、工业控制和监视等众多领域，被认为是2l世纪最有影响和改变世界的十大技术之一，具有十分广阔的应用前景。设计一种满足低成本、低功耗等要求的无线传感器网络的节点设备并实现其通讯，是传感器网络研究的热点之一。

本文研究无线通信协议Zigbee的特点及协议栈、无线传感器网络的体系结构，实现基于Zigbee的无线传感器网络节点的通信。依据无线传感器网络节点设计原则，从低功耗、低成本节点设计的角度分别对各节点，如协调器、路由器和终端设备进行设计，完成一套具有实用价值通用节点的软硬件平台，节点采用短距离无线技术规范Zigbee，可以实现无线传感器网络中节点间的无线通信，适用于短距离小范围的基于无线通信的控制领域，在工业控制、传感器网络、家庭自动化、安全系统等领域有很大的发展空间。所设计的节点具有成本低、功耗低、覆盖范围较远等的特点，符合IEEE802.15.4协议，利于系统与其它符合标准的产品的互联，具有良好的通用性和可扩展性，有着广阔的应用空间和巨大的商业价值。

1.2 无线传感器网络研究现状

传感器网络的研究大致经过了两个阶段。第1阶段主要利用MEMS技术设计小型化的节点设备，代表性的研究项目有智能尘埃SmartDust和无线集成网络传感器wINSpl。第2个阶段主要研究网络问题，国外建设了很多演示系统，取得了很多重大的理论研究成果。

美国自然科学基金委员会2003年制定了传感器网络研究计划，投资3400万美元支持相关基础理论的研究。美国国防部和各军事部门也对传感器网络给予了高度重视，在C4ISR的基础上提出了C4KISR计划，把传感器网络作为一个重要研究领域，设立了一系列的军事传感器网络研究项目。美国英特尔公司、微软公司等信息工业界巨头也开始了传感器网络方面的工作，纷纷设立或启动相应的行动计划。欧盟2002年开始实施为期3年的EYES(自组织和协作有效能量的传感器网络)计划。2004年3月，日本总务省成立“泛在传感器网络(Ubiquitous SensorNetwork)”调查研究会．国外一些著名大学如加州大学洛杉矶分校，康奈尔大学、麻省理工学院和加州大学伯克利分校等也先后开展了传感器网络方面的研究工作。一些大型研究项目包括有；加州大学洛杉矾分校的WINS网络，几乎涵盖了从信号处理到网络协议的所有研究；加州大学伯克利分校的PicoRadio项目，专注于信道选择、冲突避免的媒介访问层协议：麻省理工大学的I_lAMPS项目，利用节点簇算法尽量降低功耗；还有其它的研究项目如Terminodes、MANET等1”。

国内一些科研院所和高校开展了无线传感器网络理论和应用的研究，其内容涉及硬件设计、操作系统设计以及无线传器网络的路由技术、节能技术、覆盖控制技术等。无线传感网络研究热点涉及网络自组织与管理、能源管理、数据管理查询与处理、节点定位、时问同步、自适应技术、网络安全等，“传感器网络系统的基础软件及数据管理关键技术的研究”已被列为国家自然科学基金委员会信息科学部与微软亚洲研究院正式签署的第二期联合资助项目之一，国家“十五”科技攻关项目把传感器网络列为重大研究项目。对传感器网络系统信息获取与处理相关技术的研究，符合国家的整体科技发展计划，对国防科学技术和国家经济建设具有重要的战略意义。“十一五”期间，依据《国家中长期科学和技术发展规划纲要》、《国家“十一五”科学技术发展规划》和(863计划“十一五”发展纲要》，863计划信息技术领域将传感器网络技术列入自组织网络与通信技术专题方面开展前沿探索研究，力争突破若干可与发达国家竞争的前沿技术。在国防技术方面，传感器网络信息获取与处理系统可以将大量地理上分散的战区传感器、指挥控制中心、主战武器平台以及处于动态移动的目标等联系起来，从而提高战斗能力和预防能力．在民用方面，在环境监测、生态保护、交通、工业控制等方面，传感器网络可以为我们及时准确的提供全方位的监测手段和监测信息。

1.3 几种短距离无线通信技术的比较

目前短距离的无线通信技术非常多，为了选取合适的一种并应用于无线传感器网络，首先需要对其特点进行分析。

红外(IrDA)技术是棵常青树，诞生于1993年，采用点对点的通信技术。目前，其传输速率最高可达16Mb/s，接收角度最大120°。正是因为产品体积小、成本低、功耗低、免频率申请等诸多优势，所以红外技术一直到现在都得到很好的应用，如PDA、手机、笔记本、打印机、鼠标等诸多产品都支持IrDA技术。

家用射频(HomeRF)技术昙花一现。家用射频工作组成立于1998年，工作频段是2.4GHz，最大数据传输速率可达10Mb/s。2000年左右家用射频技术的普及率一度达到45%，但是由于技术标准掌握在数十家公司的手中，到2001年，家用射频的普及率骤然降至30%，2003年家用射频工作组宣布停止研发和推广。

蓝牙(Buletooth)技术昨日之星。1999年7月，蓝牙协议1.0版由蓝牙工作组推出，其工作频段为2.4GHz的ISM(Industrial Scientific and Medical)，为了减少同频干扰，它采用快速跳频和短包技术，具有组网能力，支持64Kb/s的实时语音，最大传输速率为1Mb/s。但是随着超宽带技术、ZigBee等相关技术的出现，蓝牙由于其价格、安全性、功耗等多方面的问题，其竞争优势开始下降。不过蓝牙的应用范围依然很广，从移动性较大的高端产品(移动电话耳机、笔记本插卡等)到嵌入中高档产品(个人数字助理(PDA)、移动电话、笔记本电脑等)再到家用电器、数码相机以及其他各种电子产品(如蓝牙鼠标)，蓝牙技术都有涉及。

超宽带(UWB)技术初露锋芒。该技术起源于20世纪50年代末，通过接收和分析返回的其自身发射极短暂的脉冲信号的位置得到检测对象的相关信息，具有功耗低、带宽高、抗干扰能力强等优点，其传输速率最高可达500Mb/s。该技术开始时仅限于军事应用，美国FCC于2002年2月准许该技术可以运用于其他领域。UWB将在救援、治安防范、医学图像处理等诸多领域大显身手。汽车防撞系统就是UWB一个很有前途的应用，戴姆勒克莱斯勒公司已经试制出用于自动刹车系统的雷达。

ZigBee技术众望所归。ZigBee技术是一种具有统一技术标准的短距离无线通信技术，其物理层(PHY)和媒体接入控制（MAC）协议为IEEE802.15.4协议标准，网络层有ZigBee联盟制定，应用层的开发应用根据用户自己的应用需要，对其进行开发利用，因此该技术能够为用户提供机动、灵活的组网方式。ZigBee的工作频段分为3个频段，它们分别为868MHz，915MHz和2.4GHz，其中2.4GHz频段上，分为16个频段，该频段为全球通用的工业、科学、医学（ISM:Industrial,Scientic and Medical）频段，该频段为免付费、免申请的无线电频段;另外两个频段为915、868MHz，其相应的信道个数分别为10个信道和1个信道，传输速率分别为40kbps和20kbps。在组网性能上，ZigBee设备可构造为星型网络或者点对点网络，在每一个ZigBee组成的无线网络内，连接地址为16位短地址或者64位长地址，可容纳的最大设备个数分别为216个和264个，具有较大的网络容量。在无线通信技术上，采用免冲突多载波信道接入（CSMA-CA）方式，有效地避免了无线电载波之间的冲突，此外，为保证传输数据的可靠性，ZigBee还建立了完整的应答通信协议。ZigBee设备为低功耗设备，其发射输出为0~3.6dBm,通信距离为30~70米且备可自动调自身的发射功率，在保证通信链路质量的条件下，达到最小的设备能量消耗。另外，ZigBee支持加密。为了保证ZigBee设备之间通信数据的安全性，ZigBee技术采用了密钥长度为128位的AES加密算法，对所传输的数据信息进行加密处理。

目前，市场上短距离无线通信技术主要有：无线局域网Wi-Fi、蓝牙、ZigBee和一些专用标准，其比较见表1.3。

1.4 论文的内容和结构

本文从软件和硬件两个方面，详细介绍了基于ZigBee的传感器网络的构建，并最终结合温度传感器实现了一个树状拓扑结构的无线传感器网络，并进行了测试，系统运行良好。

本文第一章介绍了课题研究的背景、意义，以及国内外无线传感器网络研究现状以及几种短距离无线通信技术；第二章详细介绍了基于ZigBee的无线传感器网络的节点设计；第三章详细阐述了ZigBee无线传感器网络软件的设计；第四章是这次毕业设计的总结。