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基于ZigBee技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究,電子信息工程學(xué)院 08通信2班 金廣浩,主要內(nèi)容 1. WSN簡介 2. 幾種常用的無線通信技術(shù) 3.ZigBee/IEEE802.15.4技術(shù)標(biāo)準(zhǔn) 4.總結(jié)與展望,背景概述 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)有著十分廣泛的應(yīng)用前景，它不僅在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、環(huán)境、軍事、醫(yī)療等傳統(tǒng)領(lǐng)域有著巨大的應(yīng)用價值，在未來許多新興領(lǐng)域也有著不可想象的優(yōu)越性，例如家用、保健、城市交通等。在將來，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)甚至能夠滲入到我們生活的角角落落，我們可以將手機(jī)、筆記本電腦、PDA(Personal Digital Assistant,個人數(shù)碼處理)等便攜裝置隨時組成網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)成一個WLAN（Wireless Local Area Network,無線局域網(wǎng)），充分享受“信息隨身化、便利走天下”的理想境界。將WSN用于城市路燈控制，通過布設(shè)在道路兩側(cè)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，來控制路燈的亮度、開關(guān)等。將WSN應(yīng)用到空調(diào)系統(tǒng)，來控制空調(diào)的功率和開關(guān)，從而能達(dá)到節(jié)能省電的目的。將WSN應(yīng)用到地震、泥石流或滑坡等災(zāi)害多發(fā)地，能夠更好、更安全地協(xié)助環(huán)境監(jiān)測，預(yù)報(bào)地質(zhì)災(zāi)害?？傊?，在不久的將來，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)必將能夠布滿于我們的生活，給我們的生活帶來無盡的舒適與便捷。,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種特殊的Ad-hoc3網(wǎng)絡(luò)，它是一種以數(shù)據(jù)為中心、自組織多跳的無線網(wǎng)絡(luò)。它具有規(guī)模大、自組織、部署方便、以數(shù)據(jù)為中心、動態(tài)網(wǎng)絡(luò)、通信靈活等特點(diǎn)。,圖1-1是典型的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)圖。完整的WSN體系結(jié)構(gòu)應(yīng)包括傳感器節(jié)點(diǎn)群、sink節(jié)點(diǎn)、互聯(lián)網(wǎng)和用戶終端等。大量體積小、成本低、具有數(shù)據(jù)采集、處理、融合和無線通信功能的節(jié)點(diǎn)通過飛機(jī)播撒、人工布置等方式被部署在監(jiān)測區(qū)域，每個節(jié)點(diǎn)都可以感測監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的環(huán)境信息，并以無線、自組織、多跳的方式在相互之間進(jìn)行通信，并將數(shù)據(jù)信息傳送到匯聚節(jié)點(diǎn)（sink節(jié)點(diǎn)），最終由匯聚節(jié)點(diǎn)通過Internet、衛(wèi)星或者移動通信等方式將數(shù)據(jù)信息傳送到用戶終端。如果距離較遠(yuǎn)，為了提高通信可靠性，可在sink節(jié)點(diǎn)附近增設(shè)基站，通過基站與Internet進(jìn)行連接。,WSN的協(xié)議棧結(jié)構(gòu),典型的WSN協(xié)議棧結(jié)構(gòu)圖如圖1-3所示。該協(xié)議棧包括物理層（physical layer）、數(shù)據(jù)鏈路層（data link layer）、網(wǎng)絡(luò)層（network layer）、傳輸層（transport layer）和應(yīng)用層（application layer），分別與互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議棧4的五層協(xié)議相對應(yīng)。同時，WSN協(xié)議棧還包括能量管理平臺、移動管理平臺和任務(wù)管理平臺。這些管理平臺使得傳感器節(jié)點(diǎn)能夠按照能源高效的方式協(xié)同工作，在節(jié)點(diǎn)移動的傳感器網(wǎng)絡(luò)中轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，并支持多任務(wù)和資源共享。,WSN特點(diǎn),無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是新一代傳感器網(wǎng)絡(luò)，有著鮮明的特點(diǎn)： （1）電源能量有限。節(jié)點(diǎn)一般采用自帶電源供電，由于它體積小，所帶電能有限，一旦耗完，節(jié)點(diǎn)就失去了工作能力。所以，在硬件設(shè)計(jì)方面應(yīng)盡量選用低功耗的器件，在軟件方面應(yīng)采用優(yōu)化的程序和通信協(xié)議，以保證電能的充足，延長節(jié)點(diǎn)的壽命。 （2）無中心、動態(tài)拓?fù)?。WSN沒有明確的中心，各個節(jié)點(diǎn)之間是對等的；任何節(jié)點(diǎn)都可以隨時加入或退出網(wǎng)絡(luò)，而不會影響其它節(jié)點(diǎn)的有效性，只是整個網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)會隨之而動態(tài)變化。 （3）多跳、自組織。WSN中無需借助于其它輔助設(shè)備，完全由各個節(jié)點(diǎn)通過預(yù)設(shè)的協(xié)議和算法自行組織，在相互之間進(jìn)行多跳轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，快速形成通信網(wǎng)絡(luò)。同時，節(jié)點(diǎn)間通信采用短距離多跳方式比長距離少跳方式省電，對整個網(wǎng)絡(luò)的性能更有利。 （4）節(jié)點(diǎn)數(shù)量多，分布范圍廣。為了滿足探測的需要，需要在被探測區(qū)域投入大量的節(jié)點(diǎn)，來監(jiān)測環(huán)境信息。只有這樣才能在監(jiān)測范圍內(nèi)盡可能多、盡可能準(zhǔn)確地獲取有價值信息。因而，一般WSN包含的節(jié)點(diǎn)數(shù)量非常之多，分布范圍之廣。,幾種常用的無線通信技術(shù),藍(lán)牙技術(shù) 紅外技術(shù) ZigBee技術(shù) Wi-Fi技術(shù) RFID技術(shù) HomeRF技術(shù) UWB技術(shù),幾種無線通信技術(shù)對比,ZigBee/IEEE802.15.4技術(shù)概述,ZigBee技術(shù)是一種具有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的短距離無線通信技術(shù)，其物理層(PHY)和媒體接入控制（MAC）協(xié)議為IEEE802.15.4協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，網(wǎng)絡(luò)層、安全層和應(yīng)用層由ZigBee聯(lián)盟7制定。根據(jù)IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，ZigBee的工作頻段分為3個頻段，分別為868MHz，915MHz和2.4GHz。其中2.4GHz頻段，分為16個頻段，該頻段為全球通用的工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)學(xué)（ISM，Industrial Scientific and Medical）頻段，該頻段為免費(fèi)、免申請的無線電頻段，數(shù)據(jù)傳輸速率為250kbps，采用偏移四相相移鍵控調(diào)制技術(shù)（OQPSK）；另外兩個頻段868、915MHz分別適用于歐洲和美國，其相應(yīng)的信道個數(shù)分別為1個信道和10個信道，傳輸速率分別為20kbps和40kbps，分別采用直接序列擴(kuò)頻技術(shù)(DSSS)和二進(jìn)制相移鍵控(BPSK)調(diào)制技術(shù)。,ZigBee技術(shù)特點(diǎn),相對其它無線通信技術(shù)，ZigBee技術(shù)有著鮮明的特點(diǎn)： 低功耗。這是ZigBee技術(shù)最為顯著的一個特點(diǎn)，由于它采用了休眠-喚醒機(jī)制，大大減少能量消耗，兩節(jié)5號電池可支持一個節(jié)點(diǎn)6-24個小時?，F(xiàn)在，TI公司和德國的Micropelt公司共同推出新能源的Zigbee節(jié)點(diǎn)，該節(jié)點(diǎn)采用Micropelt公司的熱電發(fā)電機(jī)給TI公司的Zigbee提供電源。 低成本。ZigBee作為WSN的一種重要技術(shù)，成本低是它的一大優(yōu)勢，每個 ZigBee芯片的成本最低能達(dá)到十幾元人民幣，并且ZigBee免協(xié)議專利費(fèi)，這為ZigBee技術(shù)的開發(fā)研究和發(fā)展奠定了很好的基礎(chǔ)。 傳輸速率低。Zigbee工作在20250 kbps的較低傳輸速率,分別提供250 kbps(2.4GHz)、40kbps (915 MHz)和20kbps(868 MHz) 的原始數(shù)據(jù)吞吐率,滿足低速率傳輸數(shù)據(jù)的應(yīng)用需求。 短距離。傳輸范圍一般介于10100 m 之間,在增大射頻功率后,可達(dá)到13 km。這指的是相鄰節(jié)點(diǎn)間的距離，如果通過路由和節(jié)點(diǎn)間通信的接力,傳輸距離將可以更遠(yuǎn)。 短時延。Zigbee 的響應(yīng)速度較快,一般從睡眠轉(zhuǎn)入工作狀態(tài)只需15 ms ,節(jié)點(diǎn)連接進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)只需30 ms ,進(jìn)一步節(jié)省了電能。相比較,藍(lán)牙需要310 s、WiFi 需要3 s。 高容量:。ZigBee可采用星型、樹型和Mesh網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，由一個主節(jié)點(diǎn)管理若千個子節(jié)點(diǎn)，一個主節(jié)點(diǎn)最多可以管理254個子節(jié)點(diǎn)，同時主節(jié)點(diǎn)還可由上一層網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)管理，最多可組成65536個節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)。 高安全。Zigbee 提供了三級安全模式,包括無安全設(shè)定、使用接入控制清單防止非法獲取數(shù)據(jù)以及采用高級加密標(biāo)準(zhǔn)(AES 128) 的對稱密碼,以靈活確定其安全屬性。 免執(zhí)照頻段。采用工業(yè)科學(xué)醫(yī)療( ISM) 頻段,2. 4 GHz (全球) 、915 MHz(美國) 和868 MHz(歐洲) 。,ZigBee技術(shù)的體系結(jié)構(gòu),ZigBee協(xié)議棧的體系結(jié)構(gòu)如圖3-1所示，物理層和MAC層采用IEEE802.15.4協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，網(wǎng)絡(luò)層、加密層和應(yīng)用層由ZigBee聯(lián)盟制定。 圖3-1 ZigBee協(xié)議棧的體系結(jié)構(gòu),ZigBee技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)配置,Zigbee網(wǎng)絡(luò)中包含兩種功能設(shè)備，三種節(jié)點(diǎn)類型，三種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及兩種工作模式。有了這些基本的知識和功能單元，我們就可以對ZigBee進(jìn)行組網(wǎng)。 兩種功能設(shè)備 ZigBee網(wǎng)絡(luò)含全功能設(shè)備FFD(Full Function Device)和精簡功能設(shè)備RFD(Reduced Function Device)兩種功能類型的設(shè)備。 三種節(jié)點(diǎn)類型 ZigBee網(wǎng)絡(luò)含三種類型的節(jié)點(diǎn)：協(xié)調(diào)器ZC(ZigBee Coordinator)、路由器ZR(ZigBee Router)和終端設(shè)備ZE(ZigBee EndDevice)，其中協(xié)調(diào)器和路由器均為全功能設(shè)備(FFD)，而終端設(shè)備選用精簡功能設(shè)備(RFD)。 三種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溆行切?，網(wǎng)形和簇形三種結(jié)構(gòu),ZigBee組網(wǎng),ZigBee標(biāo)準(zhǔn)提供了兩個必須的功能服務(wù)實(shí)體，它們分別為管理服務(wù)實(shí)體和數(shù)據(jù)服務(wù)實(shí)體。管理服務(wù)實(shí)體通過網(wǎng)絡(luò)管理實(shí)體服務(wù)接入點(diǎn)(NLME-SAP)提供網(wǎng)絡(luò)管理服務(wù)，并允許應(yīng)用和堆棧相互作用。數(shù)據(jù)服務(wù)實(shí)體生成協(xié)議數(shù)據(jù)單元(PDU)，并通過數(shù)據(jù)實(shí)體服務(wù)接入點(diǎn)(NLDE-SAP)提供數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)。,ZigBee 路由,路由協(xié)議 ZigBee的網(wǎng)絡(luò)層定義了兩種路由方式樹形路由（Tree Routing，TR）和ZigBee距離矢量路由協(xié)議（ZigBee Ad-hoc On-demand Distance Vector Routing，ZAODV）。TR通過一種樹形拓?fù)涞牡?