（通信与信息系统专业论文）基于zigbee技术的无线传感网络拓扑设计与实现.pdf

基于z i g b e e 技术的无线传感网络拓扑设计与实现中文摘要 基于z ig b e e 技术的无线传感网络拓扑设计与实现 中文摘要 近年来，随着无线传感网络技术的迅猛发展，以及人们对于环境保护和环境监督 提出更高要求，越来越多的企业和机构都致力于在环境监测系统中应用无线传感网络 技术。无线传感网络是由大量具有感知能力、计算能力和通信能力的微小传感器节点 构成的自组织、分布式网络系统。它综合了传感器技术、嵌入式计算技术、现代网络 及无线通信技术等，能够通过各类集成化的微型传感器协作地实时检测、感知和采集 各种环境或检测对象的信息并传送用户。 论文介绍无线传感网络和z i g b e e 技术的相关基础知识，对z i g b e e 无线技术的协 议栈结构进行了分析，研究了各个通信协议层的具体功能和作用，设计了符合z i g b e e 规范的软硬件平台；完成协调器、路由器及终端节点的硬件设计、协议栈的开发和客 户端软件的实现；设计实现了星型网络、树簇型网络的通信协议；给出了无线传感网 络及z i g b e e 技术的典型应用环境检测系统，建立一个无线温度采集监控系统并 给出了实验结果；分析和研究了无线传感网络的路由协议、低功耗自适应集群型分层 协议( l o we n e r g ya d a p t i v ec l u s t e r i n gh i e r a r c h y ，l e a c h ) 及无线通信技术中的防冲突 算法，在此基础上设计符合z i g b e e 规范的树簇型网络，通过客户端软件实时的监控 终端节点的加入退出网络、协调器与终端节点进行数据交换以及查找特定节点并与 其进行数据交换等功能。 本文设计实现了符合z i g b e e 规范的软硬件平台，将无线通信中的防冲突算法引 入z i g b e e 系统并根据l e a c h 协议实现了树簇型网络拓扑结构，为无线传感网络及 z i g b e e 技术的进一步研究与应用奠定了基础。 关键宇：无线传感网络z i g b e e 环境检测l e a c h 协议 作者：周益 指导老师：刘学观 基于z i g b c c 技术的无线传感网络拓扑设计与实现英文摘要 t h er e s e a r c ha n dr e a l i z a t i o no fw i r e l e s ss e n s o r n e t w o r k st o p o l o g yb a s e do nz i g b e et e c h n o l o g y a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s ( w s n ) a n dt h e h i g h e r d e m a n d sf o rt h ee n v i r o n m e n tp r o t e c t i o n & s u p e r v i s i o n , t h ew s n t e c h n o l o g yi su t i l i z e db y t h ee n t e r p r i s e si nt h ee n v i r o n m e n tm o n i t o r i n gs y s t e m t h ew s ni sas e l f - o r g a n i z e d d i s t r i b u t e dn e t w o r ks y s t e mw h i c hi sc o m p o s e do fam a s so ft i n ys e n s o rn o d e st h a th a st h e s e n s a t i o na b i l i t y ，t h ec o m p u t a t i o na b i l i t ya n dt h ec o m m u n i c a t i o nc a p a c i t y i ts y n t h e s i z e s t h es e n s o rt e c h n o l o g y ，t h ee m b e d d e dc o m p u t a t i o nt e c h n o l o g y ，t h em o d e mn e t w o r ka n dt h e w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g ya n ds oo n i tc o u l dm o n i t o rr e a l t i m e ，f e e la n dg a t h e r c o o p e r a t i v e l ya l lk i n d so fi n f o r m a t i o no fe n v i r o n m e n to rm o n i t o r e do b j e c tt h r o u g hv a r i o u s i n t e g r a t e ds e n s o r sa n dt r a n s m i tt h ei n f o r m a t i o nt ou s e r t h et h e s i si n t r o d u c e st h er e l a t e dk n o w l e d g ea b o u tt h ew i r e l e s ss e n s o rn e t w o r ka n d z i g b e et e c h n o l o g y ，a n a l y s e sz i g b e ew i r e l e s st e c h n o l o g yp r o t o c o lf la m e ，i n v e s t i g a t e st h e f u n c t i o no fd i f f e r e n tp r o t o c o ll a y e ra n dd e s i g n ss o f t w a r ea n dh a r d w a r ep l a t f o r m t h e h a r d w a r ed e s i g no fc o o r d i n a t o r 、r o u t e ra n dn o d e ，t h ed e v e l o p m e n to ft h ep r o t o c o lf r a m e a n dc l i e n t a p p l i c a t i o n s o f t w a r ea r e c o m p l e t e d t h e c o m m u n i c a t i o np r o t o c o lo f s t a r - t o p o l o g yn e t w o r ka n dt r e e - t o p o l o g y i sa l s od e s i g n e di nt h i st h e s i s t h et y p i c a l e x a m p l eo ft h ew i r e l e s s s e n s o rn e t w o r k - - e n v i r o n m e n t m o n i t o r i n gs y s t e ma n dt h e e x p e r i m e n t e dr e s u l t sa r ep r e s e n t e d ，at e m p e r a t u r eg a t h e r i n ga n dm o n i t o r i n gs y s t e mi s r e a l i z e d t h er o u t ep r o t o c o lo fw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ，l o we n e r g ya d a p t i v ec l u s t e r i n g h i e r a r c h yp r o t o c o la n da n t i c o l l i s i o na r i t h m e t i ci nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yi s a n a l y z e da n dr e s e a r c h e d ，a n dt h e nw ed e s i g nt h et r e e t o p o l o g yn e t w o r ka c c o r d i n gt o z i g b e es p e c i f i c a t i o n , w h i c hc o u l dm o n i t o rt h en o d e se n t e ro re x i tt h en e t w o r ka n dt h ed a t a s w i t c hb e t w e e nc o o r d i n a t o ra n dn o d e sa n ds e a r c ht h e s p e c i f i e dn o d e sb yt h ec l i e n t a p p l i c a t i o ns o f t w a r e 1 1 基于z i g b c e 技术的无线传感网络拓扑设计与实现 英文摘要 t h et h e s i sd e s i g n st h es o f t w a r ea n dh a r d w a r ep l a t f o r ma c c o r d i n gt ot h ez i g b e e s p e c i f i c a t i o n , a p p l i e st h e a n t i c o l l i s i o na r i t h m e t i ct o z i g b e es y s t e m a n dr e a l i z e s t r e e t o p o l o g yn e t w o r ka c c o r d i n gt ol e a c hp r o t o c 0 1 t h i sr e s e a r c hp r o v i d e sav a l u a b l e r e f e r e n c et ot h ea p p l i c a t i o no fw s na n dz i g b e et e c h n o l o g y k e y w o r d s ：w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k , z i g b e e ，e n v i r o n m e n tm o n i t o r i n g ，l e a c hp r o t o c o l w r i t t e n b y ：z h o uy i s u p e r v i s e db y ：l i ux u e g u a n 1 1 1 苏州大学学位论文独创性声明及使用授权的声明 学位论文独创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含 其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得苏州大学 或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人承担本声明的法律 责任。 研究生签名：j 鞋 日 学位论文使用授权声明 苏州大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、清华大学论文 合作部、中国社科院文献信息情报中心有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本 人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文 外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分 内容。论文的公布( 包括刊登) 授权苏州大学学位办办理。 研究生签名- 一一! 习量日 导师签名： 日 期： 基于z i g b e e 技术的无线传感网络拓扑设计与实现第一章绪论 第一章绪论弟一早珀 了匕 随着微机电系统( m i c r o e l e c t r o - m e c h a n i s ms y s t e m ，m e m s ) 、片上系统( s o c ， s y s t e mo nc h i p ) 、无线通信和低功耗嵌入式技术的飞速发展，孕育出无线传感器网 络( w i r e l e s ss e n s o r n e t w o r k s ，w s n ) ，并以其低功耗、低成本、分布式和自组织的特点 带来了信息感知的一场变革。无线传感器网络就是由部署在监测区域内大量的廉价微 型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳自组织网络。 1 1 无线传感网络简介 近年来，随着无线通信、集成电路、传感器以及微机电系统等技术的飞速发展， 使得低成本、低功耗、多功能的微型无线传感器的大量生产成为可能，这些微型传感 器具有无线通信、数据采集和处理、协同合作等功能，无线传感器网络就是由众多无 线传感器节点组织起来的。可以如下定义无线传感器网络：无线传感器网络是由一组 无线传感器以自组织方式构成的无线网络，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆 盖的地理区域中感知对象的信息，并发送给观测者1 1 1 。 无线传感器网络具有十分广阔的应用前景，在军事国防、工农业、城市管理、生 物医疗、环境监测、抢险救灾、反恐、危险区域远程控制等许多领域都有重要的科研 价值和巨大的实用价值，已经引起了世界许多国家军界、学术界和工业界的高度重视， 成为一个公认的新兴前沿热点研究领域。2 0 0 3 年美国的技术评论杂志( t e c h n o l o g y r e v i e w ) t 2 】评出了对人类未来生活产生深远影响的十大新兴技术，无线传感器网络技 术就是其中之一【3 1 。 1 1 1 国内外研究背景 传感器网络的研究起步于2 0 世纪9 0 年代末期，最早用于战场信息的收集。从 2 1 世纪开始，传感器网络引起了学术界、军界和工业界的极大关注，美国和欧洲相 继启动了许多关于无线传感器网络的研究计划，特别是美国通过国家自然基金委、国 防部等多种渠道投入巨资支持传感器网络的研究。 在军事领域，美国国防部和各军事部门较早开始启动传感器网络的研究，强调战 场情报的获取能力、信息的综合能力和信息的利用能力，把传感器网络作为个重要 基于z i g b e e 技术的无线传感网络拓扑设计与实现 第一章绪论 研究领域，设立了一系列军事传感器网络研究项目。2 0 0 2 年5 月，美国s a n d i 国家 实验室与美国能源部合作，共同研究能够尽早发现以地铁、车站等场所为目标的生化 武器袭击，并及时采取防范对策的系统。 在民用领域，美国交通部1 9 9 5 年提出了“国家智能交通系统项目计划 ，预计 到2 0 2 5 年全面投入使用，该计划试图把先进的信息技术、数据通信技术、传感器技 术、控制技术及计算机处理技术有效地集成运用于整个地面进行交通管理，建立一个 在大范围内、全方位发挥作用的，实时、准确、高效的综合交通运输管理系统。 英特尔公司在2 0 0 2 年1 0 月2 4 日发布了“基于微型传感器网络的新型计算发展 规划”，致力于微型传感器网络在预防医学、环境监测、森林灭火乃至海底板块调查 1 4 】、行星探查等领域的应用。 在学术界，由于传感器网络涉及传感器技术、网络通信技术、无线传输技术、嵌 入式计算机技术、分布式信息处理技术、微电子制造技术、软件编程技术等多学科交 叉的研究领域，美国所有著名院校都有研究小组在从事传感器网络相关技术的研究， 加拿大、德国、芬兰、日本和意大利等国家的研究机构也加入了传感器网络的研究。 1 1 2 无线传感器网络的特点 无线传感器网络除了具有a dh o c 网络【5 1 的移动性、生存周期短、电源能力有限 等共同特征以外，还具有很多其他鲜明的特点。 1 大规模网络 为了获取精确信息，在监测区域通常部署大量传感器节点，传感器节点数量可能 达到成千上万，甚至更多。通过不同空间视角获得的信息具有更大的信噪比；通过分 布式处理大量采集的信息能够提高监测的精确度，降低对单个节点传感器的精度要 求；大量冗余节点的存在，使得系统具有很强的容错性能；大量节点能够增大覆盖的 监测区域，减少洞穴或者盲区。 2 自组织网络 在无线传感器网络应用中，通常情况下传感器节点被放置在没有基础设施的地 方。传感器节点的位置不能预先精确设定。节点之间的相互邻居关系也不能预先知道， 如通过飞机在广阔的原始森林中撒播大量传感器节点，或随意放置到人不可到达或危 险的区域。这样就要求传感器节点具有自组织的能力，能够自动进行配置和管理，通 2 基于z i g b e e 技术的无线传感网络拓扑设计与实现第一章绪论 过拓扑控制机制和网络协议自动形成转发监测数据的多跳无线网络系统。在无线传感 器网络使用过程中，部分传感器节点由于能量耗尽或环境因素造成失效，也有一些传 感器节点为了弥补失效节点、增加监测精度而补充到网络中，这样在无线传感器网络 中的节点个数就动态的增加或减少，从而使网络的拓扑结构随之动态变化。无线传感 器网络的自组织性要能够适应这种网络拓扑结构的动态变化。 3 多跳路由l 7 】 网络中节点通信距离有限，一般在几十到几百米范围内，节点只能与它的邻居直 接通信。如果希望与其射频覆盖范围之外的节点进行通信，则需要通过中间节点进行 路由交换。固定网络的多跳路由使用网关和路由器来实现，而无线传感器网络中的多 跳路由是由普通网络节点完成的，没有专门的路由设备。这样每个节点既可以是信息 的发起者，也可以是信息的转发者。 4 动态性网络 无线传感器网络是一个动态的网络，节点可以随处移动；一个节点可能会因为电 池能量耗尽或其他故障，退出网络运行；一个节点也可能由于工作的需要而被添加到 网络中。无线传感器网络的拓扑结构可能因为下列因素而改变：( 1 ) 环境因素或电能 耗尽造成的传感器节点出现故障或失效。( 2 ) 环境条件变化可能造成无线通信链路的 带宽变化，甚至时断时通。( 3 ) 无线传感器网络的传感器、感知对象和观察者这三要 素都可能具有移动性。( 4 ) 新节点的加入。这就要求传感器网络系统要能适应这种变 化，具有动态的系统可重构性。 5 以数据为中心的网络 传感器网络是一个任务型的网络，脱离传感器网络谈论传感器节点没有任何意 义。传感器网络中的节点采用编号标识，节点编号是否需要全网唯一取决于网络通信 协议的设计。由于传感器节点随机部署，构成的传感器与节点编号之间的关系是完全 动态的，表现为节点编号与节点位置没有必然联系。用户使用传感器网络查询事件时， 直接将所关心的事件通告给网络，而不是通告给某个确定编号的节点。网络在获得指 定事件的信息后汇报给用户。这种以数据本身作为查询或者传输线索的思想更接近于 自然语言交流的习惯。所以通常说传感器是一个以数据为中心的网络。 例如，在应用于目标跟踪的传感器网络中，跟踪目标可能出现在任何地方，对目 基于z i g b e e 技术的无线传感网络拓扑设计与实现 第一章绪论 标感兴趣的用户只关心目标出现的位置和时间，并不关心哪个节点监测到了目标。事 实上，在目标移动的过程中，必然是由不同的节点提供目标的位置信息。 1 1 3 无线传感网络在环境检测中的应用 无线传感网络是一种低成本、低功耗、低速率、短距离无线通信技术，凡是符合 上述特征或要求的场合都可以应用。典型应用如工业控制、智能建筑、家庭自动化、 能源管理( 照明、h v a c 、远程抄表) 、智能交通系统、医疗与健康监护、汽车。本小 节主要阐述无线传感网络在环境检测中的应用。 在农业环境监测方面，无线传感网络可用于监视农作物的生长情况、土壤空气情 况、牲畜和家禽的环境状况和大面积的地表检测，也可用于气象和地理研究等。通过 布置多层次的无线传感器网络检测系统，对牲畜家禽、水产养殖、稀有动物的生活习 性、环境、生理状态及种群复杂度进行观测研究，也可用于对森林环境监测和火灾报 警。此外，无线传感器网络也可以应用在精细农业中，以监测农作物中的害虫、土壤 的酸碱度和施肥状况等【1 】【8 】。 无线传感器网络在生态环境检测【6 】方面也有典型的应用。美国加州大学伯克利分 校计算机系i n t e l 实验室和大西洋学院联合开展了一个名为“i n s i t u 的利用传感器网 络监控海岛生态环境的项目。该研究组在大鸭岛上布置了由4 3 个传感器节点组成的 传感器网络，节点安装有多种传感器以监控海岛上不同类型的数据。如使用光敏传感 器、数字温湿度传感器和压力传感器检测海燕地下巢穴的微观环境；使用低能耗的被 动红外传感器检测巢穴的使用情况等。 无线传感网络也可以应用在矿井环境检测系统【6 】中。传感器节点负责井下多点数 据采集，主要包括c o 、c 0 2 、瓦斯、风速和气压等参数，通过井场监控终端和地面 基站发送给后台监控中心。后台监护人员通过该监控系统可及时、有效、安全的掌握 矿井情况，有利于井下实施指挥调度、安全监控，从而可以有效的防止矿井事故的发 生。 无线传感网络还可以应用到家居系统【6 j 中，在家电和家具中嵌入传感器节点，通 过无线网络与i n t e m e t 连接在一起，用户可以通过远程遥控，例如用户可以在回家之 前半小时打开空调，这样回家的时候就可以直接享受舒适的温室，从而给用户提供更 加舒适、方便和更具有人性化的智能家居环境。 4 基于z i g b e e 技术的无线传感网络拓扑设计与实现 第一章绪论 1 2z i g b e e 技术 1 2 1z ig b e e 技术简介 z i g b e e 技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无 线通信技术，主要适合于自动控制和远程控制领域 9 1 ，可以嵌入各种设备中，同时支 持地理定位功能。相对于现在的各种无线通信技术，z i g b e e 技术是最低功耗和最低 成本的技术，同时由于z i g , b e e 技术的低数据速率和通信范围较小的特点，也决定了 z i g b e e 技术适合于承载数据流量较小的业务。z i g b e e 主要技术指标如表l - 1 所示。 表1 - 1z i g b e e 主要技术指标 特性取值 数据速率 8 6 8 m h z ，2 0 k b p s ；9 15 m h z ，4 0 k b p s ；2 4 g h z ，2 5 0 k b p s 通信范围 l0 - - - 7 5 m 通信时延 1 5 3 0 m s 信道数8 6 8 9 15 m h z 、1 1 ：2 4 g h z 、16 频段8 6 8 915 m h z 和2 4 g h z 寻址方式6 4 比特i e e e 地址，8 比特网络地址 信道接入c s m a c a 和时隙化的c s m a c a 温度 - 4 0 8 5 1 2 2z i g b e e 技术的特点1 2 1 z i g b e e 技术具有一些非常适合用于无线传感网络的特点，其优点有： ( 1 ) 低功耗。在低耗电待机模式下，2 节5 号干电池可支持1 个节点工作6 - - 2 4 个 月，甚至更长，这是z i g b e e 的突出优势。相比较，蓝牙能工作数周、w i f i 可工作数 小时。 ( 2 ) 低速率。z i g b e e 工作在2 0 - 2 5 0 k b s 的较低速率，分别提供2 5 0 k b p s ( 2 4 g h z ) 、 4 0 k b p s ( 9 1 5 m h z ) 、2 0 k b p s ( 8 6 8 m h z ) 的原始数据吞吐率，满足低速率传输数据的应用 需求。 ( 3 ) 近距离。传输范围一般介于1 0 - 1 0 0 m 之间，在增加r f 发射功率后，亦可增 加到1 - - - 3 k m 。这指的是相邻节点间的距离。如果通过路由和节点间通信的接力，传 5 基于z i g s e e 技术的无线传感网络拓扑设计与实现 第一章绪论 输距离将可以更远。 ( 4 ) 短时延。z i g b e e 的响应速度较快，一般从睡眠转入工作状态只需1 5 m s ，节点 连接进入网络只需3 0 m s ，进一步节省了电能。相比较，蓝牙需要3 1 0 s 、w i f i 需要 3 s 。 ( 5 ) 高容量。z i g b e e 可采用星型、树型和网型网络结构，由一个主节点管理若干 子节点，最多一个主节点可管理2 5 4 个子节点；同时主节点还可由上一层网络节点管 理，最多可组成6 5 0 0 0 个节点的大网。 ( 6 ) 免执照频段。采用直接序列扩频在工业科学医疗( i s m ) 频段，2 4 g h z ( 全球) 、 9 1 5 m h z ( 美国) 和8 6 8 m h z ( 欧洲) 。 1 2 3z ig b e e 应用领域 正由于z i g b e e 技术自身所具有的这些特点，符合以下五种条件之一的应用，就 可以考虑采用z i g b e e 技术： ( 1 ) 设备成本很低，传输的数据量很小； ( 2 ) 设备体积很小，不便放置较大的充电电池或者电源模块； ( 3 ) 没有充足的电力支持，只能使用一次性电池； ( 4 ) 需要较大范围的通信覆盖，网络中的设备非常多，但仅仅用于监测或控制【1 0 】。 随着科技的发展，z i g b e e 技术正向着越来越多的领域渗透，表1 2 中列出了 z i g b e e 已应用以及未来可应用的领域和市场。 表1 - 2z i g b e e 的应用领域及市场 领域具体应用 楼宇自动化安防系统，门禁系统，照明控制 家电产品电视、摄像机、d v d c d 的遥控器、交互式的玩具等 p c 的外围设备 键盘、鼠标、手写板、游戏手柄等 工业自动化过程控制、环境监控、能源管理及测量等 商业应用智能家居、草坪灌溉、自动抄表 医疗应用病患监护及数据采集传输、疾病诊断、紧急呼叫器 6 基于z i g b e e 技术的无线传感网络拓扑设计与实现 第一章绪论 1 3 论文研究内容及各章节的安排 本文简要介绍了无线传感网络和z i g b e e 协议栈结构，利用n r f 2 4 e 1 和n r f 2 4 0 1 无线通信模块组建一个小型的无线传感网络，实现了星型网络和树簇型网络拓扑结 构，并在终端节点上加入温度传感器d s l8 8 2 0 ，建成一个无线温度采集监控系统。 本文主要工作包括：i 心2 4 e 1 和n r f 2 4 0 1 无线通信模块软硬件的设计；分析和研究 了无线传感网络的路由协议、低功耗自适应集群型分层协议( l o we n e r g ya d a p t i v e c l u s t e r i n gh i e r a r c h y ，l e a c h ) 及无线通信技术中的防冲突算法，在此基础上设计符合 z i g b e e 规范的树簇型网络；客户端软件的程序设计。 本论文共分六章，各章内容简介如下： 第一章，介绍本论文研究的背景，对无线传感网络和z i g b e e 技术的特点和应用 进行了简单的描述，并给出了论文的章节安排。 第二章，总体介绍了z i g b e e 技术，简述了z i g b e e 协议的分层结构及其相应功能， 然后讨论了z i g b e e 技术的星型、树簇型、网型网络拓扑结构。 第三章，设计基于n r f 2 4 0 1 和r 心2 4 e 1 射频芯片的无线通信系统，包括硬件和 软件两大部分，硬件上包括主模块电路，串口通信电路、u s b 程序下载电路以及 n r f 2 4 0 1 和n r f 2 4 e 1 的射频通信电路；软件上介绍了n r f 2 4 0 1 和n r f 2 4 e 1 无线通信 程序的设计与实现，并对两者之间无线通信进行了测试和性能分析。 第四章，首先给出了星型无线传感网络系统的总体方案，讨论了温度传感器 d s l 8 8 2 0 的工作原理，然后在p c 机上实现了基于z i g b e e 协议的无线传感网络数据 采集和监控系统，从而实现了网络协调器对终端节点的数据采集和监控。 第五章，首先介绍精简版z i g b e e 树簇型网络拓扑结构的特点、无线传感网络中 的l e a c h 协议以及无线通信技术中防冲突方法，然后根据l e a c h 路由协议的基本 原理，详细描述了z i g b e e 版树簇型网络拓扑的实现过程，并给出树簇型网络的实物 图和实验结果。 第六章，总结与展望。总结全文工作，并对系统的进一步完善提出展望。 7 基于z i g b e e 技术的无线传感网络拓扑设计与实现第二章z i g b e e 协议栈结构和原理 第二章z ig b e e 协议栈结构和原理 本章对z i g b e e 协议栈结构进行了分析，并在此基础上概括了物理层、m a c 层、 网络层和应用层的主要功能。此外，还介绍了z i g b e e 网络的三种拓扑结构及其特点。 2 1z i g b e e 协议栈概述 z i g b e e 协议栈由一组子层构成。每层为其上层提供一组特定的服务：一个数据 实体提供数据传输服务，一个管理实体提供全部其他服务。每一个服务实体通过一个 服务接入点( s a p ) 为上层提供服务接e l ，并且每个s a p 提供了一系列的基本服务指令 来完成相应的功能。 z i g b e e 协议栈体系结构如图2 1 所示。它虽然是基于标准的7 层开放式系统互联 ( o s i ) 模型，但仅对那些涉及z i g b e e 的层予以定义。i e e e8 0 2 15 4 2 0 0 3 标准定义了 最下面的两层：物理层( p h 和介质接入控制子层( m a c ) 。z i g b e e 联盟提供了网络层 ( n w k ) 和应用层( a p l ) 的框架设计【1 1 1 【1 2 】。其中，应用层框架包括了应用支持子层 ( a p s ) 、z i g b e e 设备对象( z d o ) 及由制造商制定的应用对象。 ji z i g b e e 应用层 翻 沓 q z i g b e e 网络层 磐 n ji i e e e s 0 2 15 4m a c 层 冀 - n n o 【站】 i e e e 8 0 2 15 48 6 8 9 15 m h zp h y 层i e e e s 0 2 15 42 4 g h zp h y 层 【d 1 r1r 图2 - 1z i g b e e 体系结构模型 2 2z i g b e e 协议栈各层的主要功能 下面对i e e e8 0 2 1 5 4 的p h y 、m a c 层和z i g b e e 的网络层、应用层分别加以介 绍，给出各层的主要功能。 基于z i g b e e 技术的无线传感网络拓扑设计与实现 第二章z i g b e e 协议栈结构和原理 2 2 1 物理层规范倒 2 2 1 1 物理层概述 i e e e8 0 2 1 5 4 物理层主要完成以下几项任务：启动和关闭无线收发器、信道能 量检测( e d ) 、链路质量检测( l q i ) 、信道选择、空闲信道评估( c c a ) 以及通过物理信道 对数据包进行发送和接收等。 i e e e8 0 2 1 5 4 规范的物理层定义了三个载波频段用与收发数据： 8 6 8 m h z - 8 6 8 6 m h z 、9 0 2 m h z 9 2 8 m h z 、2 4 g h z 2 4 8 3 5 g h z f l 3 j 。在这三个频段上发送 数据使用的速率、信号处理过程以及调制方式等方面都存在着一定的差异，其中2 4 0 0 m h z 频段的数据传输速率为2 5 0 k b p s ，9 1 5 m h z 、8 6 8 m h z 分别为4 0 k b p s 和2 0 k b p s 。 z i g b e e 使用的无线信道由表2 - l 确定。可以看出，z i g b e e 使用的3 个频段定义 了2 7 个物理信道，其中：8 6 8 m h z 频段定义了1 个信道；9 1 5 m h z 频段定义了1 0 个 信道，信道间隔为2 m h z ；2 4g h z 频段定义了1 6 个信道，信道间隔为5 m h z 。较大 的信道间隔有助于简化收发滤波器的设计。 表2 - 1z i g b e e 无线信道的组成 信道编号中心频率信道间隔频率上限 频率下限 佰垣j 9 i i 6 亏 m h zm h zm h z m h z k = 08 6 8 3 8 6 8 68 6 8 0 k = i 2 1 0 9 0 6 + 2 ( k 1 1 29 2 8 09 0 2 0 k = 11 1 2 2 6 2 4 0 1 + 5 ( k 1 ) 5 2 4 8 3 52 4 0 0 0 通常z i g b e e 硬件设备不能同时兼容2 个工作频段，在选择时，应符合当地无线 电管理委员会的规定。由于8 6 8 m h z 8 6 8 6 m h z 频段主要用于欧洲，9 0 2 m h z 9 2 8 m h z 频段用于北美，而2 4 g h z 2 4 8 3 5 g h z 频段可以用于全球，因此在中国采用的是 2 4 g h z 2 4 8 3 5 g h z 工作频段【1 4 】。 2 2 1 2p h y 层主要功能 物理层功能相对简单，主要是在硬件驱动程序的基础上，实现数据传输和物理信 道的管理。数据传输包括数据的发送和接收；管理服务包括信道能量监n ( e d ) ，链路 质量检n ( l q i ) ，空闲信道评估( c c a ) 。 物理层通过射频固件和射频硬件提供了一个从m a c 层到物理层无线信道的接 口。从图2 2 可以看出，在物理层中存在有数据服务接入点和物理层管理实体服务的 9 基于z i g b c e 技术的无线传感网络拓扑设计与实现 第二章z i g b c e 协议栈结构和原理 接入点。这两个服务接入点可以提供如下服务：通过物理层数据服务接入点( p d s a p ) 为物理层数据提供服务。通过物理层管理实体( p l m e ) 服务的接入点( p l m e s a p ) 为物 理层管理提供服务。 图2 2 物理层结构模型 信道能量检测为上层提供信道选择的依据，主要是测量目标信道中接收信号的功 率强度。该检测本身不进行解码操作，检测结果为有效信号功率和噪声信号功率之和。 链路质量指示为上层服务提供接收数据时无线信号的强度和质量信息，它要对检 测信号进行解码，生成一个信噪比指标。 空闲信道评估判断信道是否空闲。i e e e8 0 2 1 5 4 定义了三种空闲信道评估模式： 第一种简单判断信道的信号能量，当信号能量低于某- - f - j 限值就认为信道空闲；第二 种通过判断无线信号的特征，该特征包含两个方面，即扩频信号特征和载波频率；第 三种是前两种模式的综合，同时检测信号强度和信号特征，给出信道是否空闲的判断。 2 2 2m a c 层规范n 2 3 i e e e8 0 2 系列标准把数据链路层分成逻辑链路控制子层l l c ( l o g i c a ll i n k c o n t r 0 1 ) 和介质接入控制子层m a c 两个子层。l l c 子层在i e e e8 0 2 6 标准中定义， 为8 0 2 标准系列所共用；而m a c 子层协议则依赖于各自的物理层。i e e e8 0 2 1 5 4 的 m a c 子层能支持多种l l c 标准，通过业务相关汇聚子层s s c s ( s e r v i c e s p e c i f i c c o n v e r g e n c es u bl a y e r ) 协议承载i e e e8 0 2 2 协议中第一种类型的l l c 标准，同时也 允许其他l l c 标准直接使用i e e e8 0 2 1 5 4 m a c 子层的服务。l l c 子层的主要功能 是进行数据包的分段和重组，以及确保数据包按顺序传输。 m a c 层提供两种服务：m a c 层数据服务和m a c 层管理服务。前者保证m a c 1 0 基于z i g b e e 技术的无线传感网络拓扑设计与实现第二章z i g b e e 协议栈结构和原理 协议数据单元在物理层数据服务中的正确收发，而后者从事m a c 层的管理活动，并 维护一个信息数据库。i e e e8 0 2 1 5 4 定义的m a c 层协议，提供数据传输服务( m c p s ) 和管理服务( m l m e ) ，其逻辑模型如图2 - 3 所示，其中p d s a p 是p h y 层提供给m a c 的数据服务接口，p l m e s a p 是p h y 层给m a c 层提供 图2 - 3m a c 层参考模型 的管理服务接口，m l m e s a p 是由m a c 层提供给网络层的管理服务接口， m c p s s a p 是m a c 提供给网络层的数据服务接口。m a c 层的数据传输服务主要是 实现m a c 数据帧的传输；m a c 层的管理服务主要有信道的访问，个人局域网 ( p e r s o n a la r e a n e t w o r k ，p a n ) 的开始和维护，节点加入和退出p a n 、设备间的同步实 现、传输事务管理等。 m a c 层的主要功能包括如下几个方面【1 5 】：网络协调者产生并发送信标帧；设备 与信标同步；支持p a n 链路的建立与断开；为设备的安全性提供支持；信道接入方 式采用载波侦听多路访问冲突避免( c s m a c a ) 机制；处理和维护保护时隙( g t s ) 机 制；在两个对等的m a c 实体之间提供一个可靠的通信链路。 2 2 3 网络层规范n 2 1 z i g b e e 网络层的主要功能就是提供一些必要的函数，确保z i g b e e 的m a c 层正 常工作，并为应用层提供合适的服务接口。为了向应用层提供接口，网络层提供了两 个必须的功能服务实体，他们分别是数据服务实体和管理服务实体，如图2 _ 4 所示。 基于z i g b e e 技术的无线传感网络拓扑设计与实现第二章z i g b e e 协议栈结构和原理 图2 4 网络层参考模型 网络层是位于网络层m a c 层与应用层( a p l ) 之间的一个协议层。网络层的任务 是通过正确操作m a c 层提供的功能来向应用层提供合适的服务接口。为了与应用层 交互，网络层逻辑上包含两个服务实体：数据服务实体( n l d e ) 和管理服务实体 ( n l m e ) 。 网络层数据实体通过网络层数据实体服务接入点( n l d e s a p ) 提供数据传输服 务；网络管理层实体通过网络管理实体服务接入点( n l m e s a p ) 提供网络管理服务。 网络层管理实体利用网络层数据实体完成一些网络的管理工作，并且完成对网络信息 库( n i b ) 的维护与管理。 网路层通过m c p s s a p 和m l m e s a p 接口，为m a c 层提供接口，通过 n l d e s a p 接口，为m a c 层提供接口，通过n l d e s a p 与n l m e s a p 接口为应用 层提供接口服务。 网络层管理实体提供网络管理服务，允许应用与堆栈相互作用。其所提供的服务 如下【1 6 1 ： ( 1 ) 配置一个新的设备； ( 2 ) 初始化一个网络； ( 3 ) 连接、复位和断开网络； ( 4 ) 路由发现； ( 5 ) 邻居设备发现：接收控制。 网络层数据实体为数据提供服务。在两个或多个设备之间传送数据时，它将按照 1 2 基于z i g b e e 技术的无线传感网络拓扑设计与实现第二章z i g b e e 协议栈结构和原理 应用协议数据单元的格式进行传送，并且这些设备必须在同一个网络中，即在同一个 内部p a n 中。网络层数据实体可提供如下服务： ( 1 ) 生成网络层协议数据单元； ( 2 ) 指定拓扑传输路由； ( 3 ) 安全：确保通信的真实性和机密性。 2 2 4 应用层规范1 2 1 应用层主要负责把不同的应用映射到z i g b e e 网络上，具体包括：安全与鉴权、 多个业务数据流的会聚、设备发现、业务发现。 应用层框架包括了应用支持子层( a p s ) 、z i g b e e 设备对象( z d o ) 及由制造商制定 的应用对象。应用支持子层( a p s ) 的作用是维护设备绑定表，它具有根据服务及需求 匹配设备的能力，且通过边界的设备转发信息。应用支持子层( a p s ) 的另一个作用是 设备发现，它能发现在工作范围内操作的其它设备。z d o 的职责是定义网络内其他 设备的角色( 如z i g b e e 协调器或终端设备) 、发起或回应绑定的请求、在网络设备间建 立安全机制( 如选择公共密钥、对称密钥等) 。厂商定义的应用对象根据z i g b e e 定义的 应用描述执行具体的应用。 2 3z i g b e e 无线传感网络体系结构 z i g b e e 是一种低速无线个域网技术，它适用于通信数据量不大，数据传输速率 相对较低，分布范围较小，但对数据的安全可靠有一定要求，而且成本和功耗要求非 常低，并容易安装使用的场合【1 2 】。它具有如下特点：较灵活的工作频段；对m c u 的 资源要求相对较低；安全、可靠的数据传输；极低的功耗；灵活的网络结构。 2 3 1 传感器节点的结构 传感器节点通常是一个微型的嵌入式系统，它的处理、存储和通信能力相对较弱， 通过携带能量有限的电池供电。其中的某些节点除了