（电子科学与技术专业论文）基于zigbee的无线定位系统的研究.pdf

摘要 目前无线定位技术是z l 曲髑无线传感器网络研究的热点问题之一，随着定位需求 与应用的增加如何提高基于z i g b e e 技术的无线定位系统的定位枯度是z i g b c c 无线传 感器嗍络领域亟待解决的问题。 本文重点研究z l g b 无线传感器网络的核心支 掌技术中的网络协议和定位算法， 并构建z i g b 。e 无线定位系统。根据z i g b 协议栈的结构和各层应实现的功能编写协 议的功能模块通过n s 2 实现z i g b e e 协议的仿真完成网络的构建及节点间信息通信。 通过使用卡尔曼滤波算法对t d o a 定位算法进行重构与传统定位算法相比，减小定 位误差，提高了定位精度。 关键宇：z g b e e 协议定位算法卡尔曼滤波 a b s t r a c t w l r e l e s sl o c a t i o nt e c h n o l o g yi sc u r r e n t l yh o tt o p i ci nz i g b c ow i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k r e s e a r c h w i t ht h ei n c r e a s e m e n to fd e m a n da n da p p l i c a t i o nl nt h el o c a t l o nh o wt ol m p m v e l o c a t i o na c c u r a 叫o lw i r e l e s sk ) c a t i o ns y s t e mh s 删o nz i g k et e c h l m l o g yi sap r o b l e mt h a t n e e dt ob es o l v e di nz i 曲w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k i nt h i sp a p e r , w ef o c u so rt h es t u d yo f n e t w o r kp r o t o c o la n dl o c a t i o nt e c h n o l o g yi nt h e c o r et e c h n o l o g yt h a tz i g b e ew i r e l e s ss e n s o rn e t w o r ks u p p o r t s ，a n db u i l daz i g b e ew i r e l e s s l o c a t i o ns y s t e ma c c o r d i n gt ot h es t r u c t u r eo ft h ez i g b e cp r o t o c o ls t a c ka n dt h er c q u i 刊 f u n c t i o no f e v e r yi a y e r , w r i t ep r o t o c o lf u n c t i o nm o d u l e s ，a c h i e v ez i g b e ep r o t o c o ls i m u l a t i o n t h r o u 曲n s 2 ，c o m p l e t et h ec o n s t r u c t i o no fn e t w o r ka n dc o m m u n i c a t eb e t w e e nn o d e s a n d u s et h ek a l m a nf i l t e ra l g o r i t h mt or e c o n s t r u c tt h et d o ai o c a t i o na l g o r i t h mc o m p a r e dw i t h t h e t r a d i t i o n a l l o c a t i o na l g o r i t h m ，r e d u c e p o s i t i o n i n g e w o ta n d i m p o v e t h e l o c a t i o na c c u r a c y k e yw o r d s ：z i g b e ep r o t o c o l l o c a t i o na l g o r i t h m k a l m a m f i l t e r i n g 摘要 目录 a b s t r a c t ，1 i 目 录。i 第一章绪论 课题研究的背景及意义 2 z i g b e e 定位技术研究现状和发鹾 i3 l4 第二章 2 l 2 2 23 2 4 25 2 6 第三章 3 1 32 33 34 第四章 4 i 42 43 1 21 z i g b c e 无线传感器刚络的核心立掉技术 2 2z i g b 盹定位技术应用场合 z i g b e e 定位技术存在的问题 一 本文的主要工作及安排 z i g b c e 怫议栈及脚络构成 l l 2 3 3 4 6 物理层 6 介质接入控制层 7 嗣绪层 应用层 z i g b e c 网络构成9 2 5 1 z i g b e c 设备的类型 9 2 , 5 2 z i g b 拓扑结构 9 本章小结 1 0 z i g b e e 坍议仿真的实现 n s 2 环境搭建 基于n s 2 的z i g b 网络仿真平台构架 z l g b 钟 办议的实现及分析 33 li e e e 8 0 2 1 5 4 协议疆型p a n 网络仿真 l l 1 l 1 3 4 3 , 32 z i g b e e 脚议树型拓扑结构仿真 2 0 本章小结 z i g b e e 充线定位算法的实现 基于测距的定位算法 非錾于测距的定位算法 基于滤波的定位算法。 4 3l网络模型的构建 432t d o a 定位过程 4 33 基于卡尔曼滤波定能算法的实现 4 4 仿真结果及性能分析 2 5 2 6 2 6 2 9 3 l 3 l 3 2 ” 45 本章小结 3 8 第五章总结与展望。3 9 5 1 ：作总结 3 9 52 进一步工作 ，3 9 i t 谢。4 0 参考文献。，4 l ? 譬t0 麓拶 - o 醺 第一章绪论 1 1 课题研究的背景及意义 伴随着无线通信技术的快速发展。无线传感器网络也随之兴起，无线传感器网络 主要用米监测网络部署区域巾各种环境特性比如温度、湿度运动物体的加进度、 速度等等( 不同的特性可能需要不同的传感器】这些数据信息只有和节点所在的地理 他四信息相结合爿具有意义甚至有时需婪传感器节点发送回详细的位置信息和地理 爿、境| 2 确定节点的位筒信息称之为“节点定位”成为了传感器网络诸多应用的| j 提。 无线传感器网络在医疗、工业，军事，环境监测等领域都得到了广泛的应用因此基 于z l 曲e e 无线传感嚣网络定位技术应运而生。 目前人们使用鞍多的定位技术为g p s ( g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ) h 口全球定位系统， 通过使用卫星导航定位系统，用户可以在争球范围内实现对日标实时的三维导航 定位。当定位的物体位于建筑物内部或小范瑚区域时，这种情| 兕定位精度达不到预期 的要求有时甚至无法工作，而且其成本商、功耗丈等因素，很多情况不适合在室内 或者小范围区域使用因此必须研究新的定位技术以弥补g p s 的不足。基于z i 曲。e 无线传感器网络定位技术的出现为定位技术注入了新的元素z l 量b e e 无线传感嚣网络 定位技术具有功耗低成本低新可靠性、易于布置等特性等一系列的优点而近年来 倍受人们青睐。 z i g b e c 技术是一种短距离，功耗低的新兴无线网络技术介于无线标记( r f i d ) 与 蓝牙( b l u e t o o t h ) 4 1 之间的技术方案口】它之前被称作 h o m e r fl i t e 或 f i r e f l y ”无线技 术。z i 曲c e 技术希望能发展一种易于组建的低成本、低功耗、_ 犬规模无线网络它也 填补了低成本和低功耗无线通信技术市场的空白。 z i g b e e 标准的制定不是用来与蓝牙及其它已经存在的标准竞争的它的出发点是 希望能够实现一种易却建的低成本无线网络。在产品发展初期，以工业或企业市场的 感应式网络为主，提供感应辨议，灯光和安全控制等功能，慢慢地逐渐将市场拓展至 家庭应用领域。通常z i g b e e 技术适用的场台主要有：要求设备成本低数据传输量少的 应用：要求设蔷体积小、功耗低，长时间无需更换电池的场台：需要大范围的通信覆 盏，嘲络中设备非常多的远程监控中。 z j 加e e 技术除了具有低功耗、低成本的特点外还县有! 田下优点i 6 】：协议简雌，信 息处理快捷，可靠的数掘传输信息传输安全，采用了c s m a c 载波监听多路坊阃 冲突检测) 机制避免了发送数据时的竞争和冲突，支持自组织网络n 具有多跳和自愈 能力。支持广播和单插通信方式。便于大规模应用的特点使得以z i g b 无线传缚器 网络为鞔体的定位技术的研究被给予了高度重视。 作为一种全新的无线传感嚣技术z g b 技术也提出了许多具有挑战性的研究课 腰，定位技术就是其中的重要环节。定位技术在众多的应用中，特别是军事、环境应 用的基础。无线传媾器网络中的定位机 埘、算法山两部分纽成：节点自身定位平其他 日标的定位。无线传感器剐络中的位置发现是很具挑战性的一个问题。 z i g b 技术的定位算法中，局部定位技术要求信标节点数量多而且到处分布能够 覆盖撼个网络但在许多传感器网络应用中节点的预先由置是1 i 可能的。基于跳数的 定位技术可以不需要大量的信标节点但要求传感器节点的高密度和均匀分如，而这 些问题目前还投有真正的解决方法。 理想的无线传感器定位算法应该适合更一般的网络环境，无需特殊的距离测量硬 件设蔷，节点也无需预先布置节点密度低，节点分巾不规则，并且所有节点可以不 受控制地移动。当定位算法为了追求更精确的定位时必将进行循环求精阶段，而这 阶段的计算必将给网坌拄带来大量的通信开销，也将大量消耗传感器节点的能量。所以， 定位的精度和传感器节点的能量这个矛盾还是目前比较棘手的问题。 对现有的无线传感器定位技术的研究成果研究比较发现没有一种定位方案能在 有效减少通信歼销，降低功耗、节省网络带宽的同时获得较高的定位精度。因此该 领域还有待更多的人提出更好的方法，以求更好地解决定位问题，使得光线传感器网 络能够真正在实际生活中得到广泛的应j ； j 。 目前在实际应用巾基于z i g b 的定位技术的定位精度井不都能满足用户的要求， 为了解决h 前定位精度不高的问题本文以z i 邑b 协议为标准实现了z i g b e e 网络的 组建及数据的通信，在z i 曲c c 网络协议的基础上，我们分析了定位算法的优缺点并 选择比较合适的定位算法，对移动节点进行定位分析再埔过卡尔曼滤波算法进行重 构以提高定位精度，满足用户的需求，使z i g b e e 定位系统能够得到广泛的应用。 1 2 z i g b e e 定位技术研究现状和发展 伴随着定位技术的需求及应用越柬越多，国内外企业和研究部门对基于z i g b e e 无 线定位技术的研究也随之腥丌。在圈i 勾，基于z i 曲c e 无线定位技术的研究处于刚刚起 步阶段，主要集中在协议、定位算法的研究，还没有自己的产品主要还处于利用国 | 5 l - i 一商研发的硬件甚片、协议栈、应用软件、定位算法理论。但是，在实际应用中 阑备种需求、外界条件的“f 扰与限制和z i g b e e 网络的自身的特点，没有一种定位方案 能征减少通信j r 销、降低能量消耗、节省硬件资源的同时获得满意的定位精度。因此， 许多算法仍然需要进一步改进以便获得较高定位精度。 近儿年米各火芯片制造商和软件厂商纷纷联合推出了符合z i g b e e 杯准的硬件甲 台和j r 发套件但足日前只有少数设备生产商丌发出的z j g b e e l l ：发套件符合z i g b e e 联 盟制定的协议栈标准。基于z l e , b 技术的定位系统通常都足以这些芯片和丌发套件为 核心进行研究、开发与应用 在z i g b 无线传感器网络中由于节点的硬件简单、配簧低、信息处理，数据存 储和通信能力有限，因此对节点定位提出了较大的挑i l d l 需要针对无线传感器网络自 身的特点设计出高效的节点定位机制和算法。壤于无线网络传感器闱络的自身的特点 定位算法一般要满足以下特性：白组织、能量有教、分m 式、鲁棒性、可扩展性。无 线传感器网络的定位算法按1 ；同的标准可以有不同分类如按距离分类可以分为基 于测距和非基于测距算法，如按照位置计算是否集中在一个节点上可以分为集中式 和分布式。 1 2 1 z i g b 神无线传感器网络的核心支撑技术 网络协议、网络拓扑控制、定位技术、时间同步、网络安全等构成了z i g b e e 无线 传感器网络的核心支撑技术。 ( 1 ) 网络协议 由于传感器网络节点的硬件资源有限和拓扑结构的动态变化，网络阱议不能太复 杂但又要高效。目前的网络协议都将其分为功能不同的层次芙系不同的西议层完成 不丽的功能，主要针对网络层和数据链路层进行研究。 ( 2 ) 网络的拓扑控制 高效优化的拓扑控制能够降低节点的功耗，有利于分布式算法的应用，这就要求 拓扑控制算法具有较快的收敛速度和较强的自适应能力。 ( 3 ) 定位技术 z i g b e e 无线传感器网络在对外界环境、物体运动轨迹等监测的过程中，传感器的 位程信息也是信息采集的重要组成部分，定位技术是解决传感器位置信息的最佳途径 使得定位技术得到广泛的应用。 ( 4 ) 时间同步 就无线传感器网络而言，大多数需要时间同步机制，在众多传感器融台应用中， 为了降低功耗，需要将传感器节点采集的目标叛掘在网络传输过程中进行必要的汇聚 融合处理进行这些处理的前提就是两络中的节点必须菸享的时日j 标准以保证数据的 一致性。 ( 5 1 网络安全 无线传堪器网络作为一种新型自组嘲络采用射频无线通信组网网络安全是信 息通信中的重耍问题，主要i 匾自于通信安全和信息安全。为了保障数据传输的完整性、 机密性，数据融合的高效性主要采用密钥管理、安全路由、安全定位等方法。 针对上述z l g b e e 无线传堪器网络的核心技术，本文中将重点研究网络协议和定位 技术，我们将重点讨论z i g b 钟协议栈的组成及各个组成部分之间的关系和作用对几 种无线网络的定位算法原理及优缺点进行分析。 i 2 2 z i g b e e 定位技术应用场合 微型传感嚣技术的发展为z i g b e e 网络赋予了广阔的应用空间。作为一种智能感知 技术广泛应用在军事、医疗、工业和环境监测等领域，在航无探索、反恐、救灾等 特殊领域，它也有得天独厚的技术优势，主要包括： ( 1 ) 军事领域：z i g b e e 具有嘲络组建速度快、自愈能力强和隐敲性好等特点能够 侦查和实时监视战场地形、敌军兵力廿】防实现准确的定位，f ：攻由目标口】。 ( 2 惬疗领域：在病人身上安装特殊用途的传感器竹点，町以榆测人体口i 理数据、 健康状况以及远程医疗【9 j ，这样可以随时了解 卤人的确情，井进行及时处理。 ( 3 ) i 业自动化领域：z i 窖b e e 技术具有智能化和对外部世界的感知能力，这就决定 了它将在工业领域有着广阔的应用前景。应用包括机械的故障渗断，工厂环境 的监控等【堋。 ( 4 ) 环境应用：节点布置密集、无需现场维护等优点可广泛应用在天气变化、地理 环境、自然灾害监测等方面。 1 3 z l g b e e 定位技术存在的问题 在工业、医疗、军事等各方面新兴的z i 曲无线网络技术都得到了广泛应用， 而且在其他方面的需求与闩惧增。掉；预测，无线传感器网络技术在末来的几年里达到 j l 百亿的产值无线定位技术的应用将占据大部分份额。z i g b 髓技术在功耗成本上都 有着独特优越性，并具有巨大的发腱潜力因此z i g b e e 无线传感器网络定位技术在未 柬具有良好的发展| j i 景。 近儿年柬无线传感器网络定位技术取得了一定进步和成果，丽且提出了许多具 肯建设性的定位算法和方案。但是，已经提出的定位算法都具有各自的使用条件及局 限，要想获得高效、精确的定位算法无线定位技术仍存在下列一些问题： ( i ) 缺乏高效的、精确的测距或角度测量技术和方法。 ( 2 ) 在一些定位要求较高的场合，定位的实i 对性1 ；能满足要求。 ( 3 ) 定位过程中存在误差累积问题，从而影响定位精度的提高。 ( 4 ) 传感器节点受硬件、存储、功耗等方面的限制，需要在算法复杂度与通信开销、 能量消耗、硬件资源之问寻求一种比较合理定位方案。 ( 5 ) 对于网络结构处于动悉变化时的节点定位还不成熟。 1 4 本文的主要工作及安排 z i g b e e 作为一种新兴的无线阀络技术受到人f 】。泛戈洼，而且基于z l g b c c 的定 位技术的成用与需求电越来越多针对日】j 订z i g b e e 定位技术的研究热点和日托所靠在 的问题本文主爱工作如下： z i g b c e 光线嘲络的核心支撑技术包括搬多，本文主要对z i g b 的网络协议垧l 定位 算法进行了深入的研究以完成对z i g b 定位系统的 建。本文酋先对z i g b 协议栈 及网络构成进行了阐述，详细介绍了脚议栈各层的结构及功能、各层之问如何进行访 问与提供服务。概括的介绍了z i g b c e 网络的三种拓扑结构和节点的类型。 其次，针对目前z i g b e e 网络存在的困难使用网络仿真对z i g b e e 阱议进行实现与 分析。搭建n s 2 仿真平台，构建z i g b 网络框架针对仿真平台编写9 | = 9 络协议功能代 码及脚本文件最后对i e e e 8 0 21 5 4 和z i g b e e 协议进行仿真与分析。 最后在z i g b e e 协议的基础t 对阿d d 常用的定位算法的原理，优缺点进行分析， 选择一种定位精度较商，功耗低且不需要精确地时阿同步的定位算法一t d o a 作为优先 算法，并对此算法通过忙尔曼滤坡算法进行重构，通过对仿真站粜分析、对比，经滤 波后的定位算法性能明显得到改进达到提高定位精度的目的。 本文章节如下； 第一章介绍了本文的研究的目的和意义，z i g b e e 技术的特点及| j i 景、目甜z i 曲 定位技术的问题。 第二章介绍了z i 异b e c 协议栈的构成、各层的作用及网络结构。 第三章措建仿真平台、z i g b 网络架构，实现协议功能井进行仿真实验。 第四章研究了常用的z i g b e e 定位算法，对具体的一种定位算法- t d o a 进行改进， 实验仿真与分析。 第血章总结本文的工作。井提出来解决的问题。 第二章z i g b e e 协议栈及网络构成 z i g b e e 拂议栈埕以无线个人同域网( p a n ) i 作组所苹定的i e e e s 0 2 1 5 技术标准 ”1 为基础，i e e e 8 0 2 1 5 4 标准定义了物理层( p h y ) 和介质接八控制层( m a c ) ，z i g b 联 盟【l ”对其网络层( n w k ) 和应用屡( a p u 进行了标准化 e e e 8 0 2 1 5 4 工作组和z i g b 联盟* | 司定义了一个完整的卧议栈。z i g b 联盟还丌发了安全服务提供层，以保证信 息传输过程中信息的安全与克整。山湖2l 得z i g b 协议栈从下到上山物理屡、介质 接入控制层、网络层、应j j 层构成，每一层提供两个实体为上层提供特定的服务：数 据宴体向上层提供所需的数据服务；管理实体向k 层提供数据管理机制、访问内部层 参数等功能。阿个实体通过服务接入点( s a p ) 为l 层提供的服务接口。 # s p 幽2 2 1 物理层 物理屡实现了无线持道和m a c 层之问的接口图2 2 为物理层参考模型物理 层包括管理实体( p l m e ) ，提供物理层数据的管理功能。物理层通过数据服务接入点 ( p d s a p ) 完成数据的发送与接收；物理层管理实体服务接入点( p l m e - s a p ) 为物理层提 供数掘管理服务，井维护相关数据组成的数据库( p i b ) 。 幽2 2 物理层参考模型 物理层舰范了8 6 8 9 1 5 m h z i “啪2 4 g h z 作为通信频率，这两个频段是独立的i s m 频段- 而且这两个频段都是基于直接序列扩频技术。并使用十目同的数据包格式。物理 层主要功能包括：激活射频收发器或使收发器休眠；检测当前信道的能量信道频率 的选择；c s m a c a 的空闲信道评估1 1 5 】；收发数据检测接收到的数掘包的链路质量 ( l q d 。 2 2 介质接入控制层 介质接入控制层1 1 6 为服务脚没汇聚层( s s c s ) 访问物理信道提供点对点的通信服务 接口。图2 3 7 铀m a c 屡参考模型，m a c 层的数据实体确保数据在物理层中发送与 接收的准确性，而管理实体提供数据管理功能。公共部分子层( m c p s ) 数据接八点 ( m c p s s a p ) 提供数据服务管理服务接入点( m l m e s a f ) 为上层提供管理服务。m a c 层使用载波侦听和冲突避免( c s m a c a ) 信道算法接入网络。 嘲2 3m a c 层参考横型 m a c 层的主要功能包括：如果节点是网络协调器则产生和同步网络信杯；建立 与网络的同步- 信道接入控制：为设备的安全提供支持；处理和维护时隙机制。 2 3 网络层 网络层从功能上为i e e e 8 0 2 1 54 - 2 0 0 3m a c 层提供支持为应用层宴现了必要 的服务接口。i f 42 4 为网络层参考模型网络层h 有两个功能不同的服务实体：数据史 体和管理蛮体。数据实体( n l d e ) 通挝。i 它棚工芏服务接入点提供数掂服务：管理实体 ( n l m e ) 通过与它桐连的接入点提供管王! | ! 服务 闰2 4 网路层参考模删 网络层的主要功能包括：垃起建立网络或者加入一个已有的网络；产生网络层的 数据包提供网络拓扑的路由功能，配置新的器件参数；提供加入或脱离网络的功能， 分配网络地址：发现维护网络邻居信息。 2 4 应用层 应用层【”i ) h ；, 2 1 t 支持于层( a p s ) 、z i g b e e 设备对象( z d o ) 、制造商所定义的应用对 蒙三j | ；分组成。圈2 - 5 应用层参考模型应用层框架巾位应用对象提供活动的环境， 应j 】对象是用户橄掂自己的需求设汁实现的 廊用膳( a p l ) 应用培框架 l 圈日圈 5 8 嗡舒象j 一l ( z r l )( d p ) 嗣i _ l i厂_l 删硼“”匕掣1 削2 5 应圳层参考 熊喇 应 】支持于层位于网络联和应h 】层之自j 通过妇睦务接口为应j | 层与网络层通信提 供条件。z i g b 设釜对承是应用的解决方案满足应用操作的一股需要实现了应用 对馨的公用接口及对应用对象控制应用对象与应用支持子层之日】通过z l g b 设备对 象提供的接口进行通信。 2 5 z i g b e e 网络构成 2 5 1 z i g b e e 设备的类型 z i g b e e 舰范定义了3 种类型的设备按照阔络节点功能划分为协调器、路山器和 终端节点。 协调器( c o o r d i n a t o r ) ：主要用束负责发起并维护一个无线网络，确定个域嘲标u 符 和网络工作的物理信道井统筹短地址的分配，识别网络中的设备加入网络，进行网 络管理等。z l g b e cm 络协调器足档个网络的- l t 心，z i g b 协调器必须是全功能设备。 路幽器( r o u t e r ) ：一种支持关联的设备，负责网络的发现允许其他节点加入或者 离门。网络分配及收回短地址获取路由列表，协助同一网络的终端设备进行数据通 信。能够将消息转发到其他设备。 终端设i g - ( e n d - d e v i c e ) ：网络的感知者和执行者负责数掘的采集和执行网络行动 并使用z i g b e e 网络到达其他需要与其通信的设备。 2 5 2 z l g b e e 拓扑结构 z l g b e e 网络有三种拓扑结构2 0 】：星型、树状和网状，圈2 6 为三种网络拓扑结构。 星型拓扑；包含有一个网络协调器节点和一系列的终端设备节点每个终端设备 节点只能和协调器节点进行通信，如果两个终端致备节点之r 】需要进行通信则必须通 过网络狮调器节点转发口”。拓扑结构简单但如果节点削的链路发生中断，则无法进 行数据通信。 树状拓扑：由一个协调器、若干个路山竹点和终端节点组成，同一分支网络上的 节点可以进行通信，要想与其他节点通信只能通过树状路山完成。当节点之涮进行数 据通信时，信息将沿着一定的路径传递到最近的协调器节点然后再传递到目标节点， 这种方案在中日j 节点失效的情况下会使其某些终端节点失去连接阻】拓扑结构相对 简单。 网状拓扑：网络由一个协调器和多个路由节点、终端节点组成在通信范围内 这种拓扑结构允许路由节点可以直接互连及数据通信这种方式与树状拓扑有一定的 区别。浚拓扑结构普棒性好，减少了消息延时，增强了网络自愈能力和数据传输的可 靠性在个别链路和传感器节点失效时不会引起网络传输的中断可以通过“多级跳” 的方式柬通信，但是阿络结构比较复杂，节点的网络规模较大，增加了成本及存储空 间的”销。 o o 1 l 一 口 r l r 1 l 一 树形 o 网型 | 珂络坍调器0全功能设备f f do 精简功能蹬籍 幽2 6 星状，树状和网状二种髓络拓扑站 旬 2 6 本章小结 本章节简单描述z i g b 协议栈组成，洋细说明了协议栈的物理层、m a c 层、网络 层、应用届的规范、助能及层与层之间怎样够过接口的提供服务，昂后阐述了构成 z i g b e e 网络节点的类型：1 办调嚣、路由器和终端蹬辑，井介绍了三种节点的特点和作 用分析了星型、树形和网型三种拓扑结构的优缺点。 ，( 一 。o o o o ) ； o 、型( 里 1 c 第三章z i g b e e 协议仿真的实现 无线传感器网络属于节点数目多、网络结构复杂的大规模f i ；l 络呵凡，l h | j i 在各 方面应用中无线传感器网络的阔络系统的构建及实现尚处了二起步阶段，针对具体应 用的物理实验、测试、分析、实现难咀执行。针对目酊无线传感器网络面对的刚难 我们使用网络仿真对网络进行测试、分析嘲络性能、验证仿真结果。网络仿真 2 3 1 技术 是利矸| 汁算机酒过建模和统计分析来模拟网络行为从而获撤恻络性能数据的技术， 这样我们就可以使用计算机构造网络拓扑、实现网络协议的模拟；网络仿真具有成本 低、周期短、网络参数易于修改，便于分析等优点。 在z i g b c c 网络的研究中，鉴于对研究的物理设备以及经济条件等方面的考虑措 建起一定规模网络实验平台存在很大困难同时硬件网络平台对网络性能，拓扑结构 和路山算法的分析与优化存在周期长、难度大等一系列问题。因此本文选择网络仿 真的方法对z 曲网络协议进行研究、分析与测试。使用n s 2 作为仿真平台，设计 z i g b e e 网络仿真架构实现z l g b e e 协议的各层的功能以完成z i g b e e 网络的组建。 3 1n s 2 环境搭建 n s 2 2 4 1 ( n e t w o r ks i m u l a t o r , v e r s i o n2 j 是一款m 荚国加州丈学伯克利分校丌发的免 费和丌源网络横拟仿真工县口”是一种面向对琢的网络仿真器，使用c + + 和o t c l 作为 开发语言。c h 用f 模拟备种网络协议，实现底层的模拟引擎o t c l 作为命令和配艘 接1 3 语言，一l ：要完成网络配置等功能。n s 2 实现机制是基于分裂对蒙模型和离散h t 间 驱动机制，集成并封装了节点、链路、代理、数据包格式等最基本的功能模块，还封 装了许多网络传输机议比如t c p 和u i ) p ，和路由调度、阻塞控制掉法等，还有丰富的 圈形化的网络辅助、分析工具便于我们对仿真过程进行观察与分析。 n s 2 是在u n i x 系统上丌发的，也可以在w i n d o w s 平台上运行。在w i n d o w s 上运 行必颂安装一些插件并且运行不太稳定。在l i n u x 系统下来安装、运行n s 2 。p c 机 所需的硬件条件。对于一般的模拟来说普通计算机印可。软件需求方面安装n s 2 需要一个c h 编译嚣和一蝗编译工具等。n s 2 的安姨有两种方式：一次性安装( a l l i n o n e 软件包) 和分组安装( f r o ma l l t h ep i e c e s ) o ”选用第一种方法安装n s 2 。 n s 2 在u b u n t u 80 4 系统环境f 进行配霞及安装，首先在x p 系统。f 安装虚拟机之 后在虚拟机环境下安装和配置u b u n t u 8 0 4 系统，这样n s 2 的安装环境就搭建克成。 在u b u n t u s 0 4 操作系统下安装n s 2 3 3 所需的编译嚣及工具包，之后下载 n s - f l l m o n e - 23 3 软件t 使用t a r 命令进行解压使用i n s t a l l 命令安装n s 2 ，安装完成后 根据终端的提示配簧环境变量，在b a s b r c 文件中修改添加变量与参数，具体操作为： 输入命令g e d i t b a s h r c 编辑b a s h r c 文件修改系统配置路径在文件的晟后加入： e x p o r t p a t h = ”$ p a t h ：h o m e d c n g j u n y i n s - a t l i n o n e - 23 3 b i n ：h o m e j d e n g i u n y i n s - a l l i n o n e 一23 3 t c l 8 4 】8 u n i x ：h o m e d e n g d u n y i n s - a l l i n o n e - 23 3 t k 841 8 u n i x ” e x p o l d l i b r a r yp a t h = ”$ l 吐l i b r a r y p a t h ：h o m e d e n g j u n y i n s - a l l i n o n e - 23 3 o t c l - l i 3 ：h o m e d e n g i u n y i n s a l l i n o n e - 23 3 l i b ” e x p o r t t c l - l i b r a r y 一s t c l - l i b r a r y ：h o m e d e n g j u n y i n s - a l l i n o n e 23 3 i t e l 841 8 l i b r a r y ” 验证是否安裴成功：在终端输入n sl 钉令，出现如l 簦3i 验证示意圈。 晟后运行一个例子看看是舌n s 2 安装成功，如果成功出现圈3 2 。 i 脚帅赫- _ - h 由二女口h u h _ - “一 4 4 i_ im - ，* 2 。 剑 吣j 。- 尹 壁 背 型 一 肝丽lj l 1 l l l l l l l l l l l l , l l l d l , l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l | | l l _ l l | l _ l | l l | l i 闰3 2n s 2 安装成功示意幽 3 2 基于n s 2 的z i g b e e 网络仿真平台构架 z i g b 。e 技术作为一种剐刚兴起的无线传感器嘲络技术，基于z i g b c cl 叫络仿真还处 于起步阶段1 - i 前只是存探索和研究r | 很多仿真工具还没有开发与集成z j g b e c 协议 模块。这严重阻碍了z i g b e e 劂络仿真技术的发展，使z i g b e c 网络性能分析和协 义扩展 工作遇到了很大围难，使研究工作很难屉丌。 针对上述的问题，本文的研究是基于i e e e s 0 25 4 、z i g b e e 协议规范，对z i 曲 m 议栈并层的功能进行抽袋化、模块化、宴例化在n s 2 仿真工具中添加z i g b 协议 组件，措建n s 2 环境下的i e e e 8 0 254 、z i g b c e 网络仿真平台。 图3 3 为i e e e 8 0 2i5 4 、z i g b e e 刚络仿真平台的基本构架示意嘲【蛳。根据n s 2 中 分裂对象原理，c + + 类和对象为编译类和编译对象，主要实现了i e e e 8 0 2 1 54 、z i g b 协议的功能。o t d 类和对象为解释类和解释对象，为c + + 提供模拟时的命令和配置接 口用于实现网络拓扑 【分。z b r c l a s s 类、m a c 8 0 21 54 c l a s s 类和p h y 8 0 21 54 c l a s s 类中提供了分裂对象模型映像的机制，在解释器创建o l d 对象的同时，同时在c + + 类 中创建映像对象。t r a c e 文作用柬在模拟过程中生成的记录模拟每一个分组调度事件的 文件，次模拟生成的信息基本i ：全体现在t r a c e 文件中口- q 。n a m 文件的功能是根据 真实环境里的特定格式的t r a c e 输出文件以动画的形式展现出来。以跟踪模拟中网络的 信息和数掘分组流向。 舶3 3i e e e 9 0 2l5 4 - z i g b c e 网络仿真平台的纂丰构架示意图 从协议组成上分析，酸仿真平台主要包含i e e e 8 0 21 5 4 协议部分和z i g b g om 议部 分i e e e 8 0 2 i5 4 协议主要实现了介质啸问控制层和物理层功能n 1c h 实现的 p h y 8 0 21 54 模块用f 对物理层的信道许估、数掘的发送与接收等。m a c 8 0 2i54 横 块主要用于完成介质访问控制子层中的佑道接入、信标帕同步功能，为物理屡、汇聚 r 层提供接口：s s c s 8 0 2 d5 _ 4 提供聚合服务以及介质访问控制予层与网络层之j 的接 删。n a m s 0 21 54 模块将根插：t r a c e 文件的特定格式将演示结果以图形动画形式展示 给用户。 z b r 模块足m 义平台的核心模块，土要完成网络搭建与发现、为加入网络的节点 分配网络地址，负责6 1 山的发现和维护路由列表等功能，支持多种拓扑结构，基本完 成网络层的功能并鼠实现了z i g b c e 的路由功能。 另外z b r 模块通过o t c l 钩子函数完成了z b r c l a s s 类与o t c l 对象的映射并获 得仿真时需要的配置信息，并且通过l o g g i n g 函数将仿真过程中记录的模拟每一个分 组调度事件输出到t r a c e 文件中。 3 3 z i g b e e 协议的实现及分析 根据z i g b 悱议栈标准以上一前提出的框架为模型，借助n s 2 仿真工具实现 z i g b e e 协议仿真。实现挤 义的主要源立件及功能包括： ( 1 ) i e e e 8 0 21 5 4 协议部分的程序主要实现了埘1 e e e s 0 21 5 4 介质访问控制子层和 物理层相关部分的功能模拟，p h y s 0 21 54 类对i e e e 8 0 215 4 物理层进行抽象井实 现了物理层的部分功能：m a c 8 0 21 54 类用于抽聋模拟介质访问控制子层并实现响应 的功能；s s c s8 0 2 一”一4 类用于抽象模拟特定服务的h ：聚子层并实现特定服务的汇聚 子层的功能：c s m a c a 8 0 21 54 类完成了冲突避免的载波侦听多路访问( c s m a c a ) 等功能。 ( 2 ) z i g b e c 协议部分的程序主要实现了z i g b e e 规范中网络层的功能，z b r 类模块就 是对z i g b e e 协议中网 层的抽象化和模块化。其中z b r c c 和z b r h 是实现z i g b e e 协议 的核心部分，定义了山n s 2 中的路由协议z b r 类。其他文件定义了数据帧的格式、节 点维护的路山袭和相关的处理函数，数掘帧的队列和相关的处理甬数、仿真过程控制 和输出结果需要的程序。 对相关协议实现之后，对| e e e 8 0 21 5 4 、z i 曲进行仿真的第二步必须建立仿真 所需要的场景即仿真中所需要的的脚本。在脚本需要定义实际仿真过程中所需的参 数如：拓扑结构无线输传输模式能憬模型错误模型等。协议与脚本文件完成后 我们就可以对i e e e 8 0 21 5 4 、z i g b 协议进行仿真。 3 3 ii e e e 8 0 2 1 5 4 协议星型p a n 网络仿真 i e e e 8 0 21 5 4 悱议支持星型和树彤拓扑结构而星型网络应用的较多，下面我们 对星型拓扑结构进行仿真实现网络的建立，节点加入无线网绐过程井完成了节点 州的数据通信。 为了完成拓扑结构和整个无线网络的组建酋先，编写t e l 脚奉。情道类鲤为无 线j q 络，物理层为p h y 8 0 21 5 4 ，m a c 层为m a c 8 0 21 54 ，并1 1 网络处1 ：信怀使能模式 覆盖区域为6 0 x 6 0 路由协议采j 1 ja o d v ，t c l 脚本片段图3 4 ： s e t , , d ( c h a n ) s e t v 札( p r o p ) s e tv a l f n n i t ) s o l v a l ( m a 0 s n v a l ( i f q ) s n 、1 1 0 1 ) s e t v a l ( a n t ) s e t v d o f q l e n ) s e t v a l ( m a ) s t t v d ( f p ) s n v a l ( x ) s n v d o s e t v d 缸) s e t v a l ( a m ) $ c l v , ( m f f i e ) c h a r m e l d e s s c h a n n e l p r o p a g a t l o m t w o r a y g r o t m d p h y , w h e l e s s p h y 8 0 2 _ i 5 _ 4 m a c 苣0 21 54 q u e d r o 衄阿q u “c l l a n t e n n 。o i m l i a r t 出a 5 0 7 a o d v 6 0 6 0 w p a qd c 蛆0 2 口 w a n _ d e m 0 2n m r p 滓c h a n n d t y p e 乎n d i o 掣o p a g n i 衄 滓i n t e r f a c eq u e u et y p e 尊l l n k l a v e r t y p e 掣a t 日m r o o d d m “p a c k e t i n i f q 。on u m b e ro f m o b i l e n o d e s 手r o u t i n g p r o t o c o l f 碴 褂3 4t c l 脚本片段 拓扑结构为星形拓扑仿真场景山7 个节点组成中心节点0 为p a n 网络协调器 节点，终端节点1 _ 6 分椎在节点0 周丽，节点i l | 】的距离为1 帆，通信半径为1 s m 。图35 为节点星型拓扑结构及节点抽局图。 幽3 6 协调器开始：作 i m ”。”蜮一 兰 “1。 ，h _ 产：产一 g 00 o l i n