工业远程测控无线网络的设计.doc

工业远程测控无线网络的设计 摘 要 ZigBee 技术是最近几年发展起来的一种近距离 低复杂度 低功耗 低速率 低 成本的双向无线通讯技术 主要用于距离短 功耗低且传输速率不高的各种电子设备 之间进行数据传输以及典型的有周期性数据 间歇性数据和低反应时间数据传输的应 用 传感器网络是由许多在空间上分布的自动装置组成的一种计算机网络 这些装置 使用传感器协作地监控不同位置的物理或环境状况 比如温度 声音 振动 压力 运动或污染物 无线传感器网络的发展最初起源于战场监测等军事应用 而现今无线 传感器网络被应用于很多民用领域 如环境与生态监测 健康监护 家庭自动化 以 及交通控制等 无线传感器技术是有部署在检测区内的大量微型传感器节点通过无线 电通信形成的一个多跳的自组织网络系统 其目的是协作感知 采集和处理网络覆盖 区内被监测的对象的信息并发送给观察者或信息处理中心 本文主要介绍基于 Zigbee 技术的无线传感器网络技术应用于远程工业无线网络的 监控系统中 该系统把带有 Zigbee 协议的模块嵌入到烟感传感器中 作为无线传感器 网络的一个节点 当发生火灾时 传感器监测到烟雾信号发生变化 它触发节点芯片 的中断 从而激活节点芯片 芯片会自动进入数据采集程序 当数据采集结束后 通 过 ZigBee 无线收发模块 把打好的数据包发送出去 Zigbee 协调器是 Zigbee 网络与 外部工业以太网络的接口 作为系统的核心负责整个网络的管理以及数据的转发 它 通过收发模块接收多个节点的数据 由嵌入式控制器对接收到的数据进行必要的处理 然后将其经过工业以太网络发送到监控中心 实现工业现场远程监测 关键词 Zigbee 无线传感器网络技术 检测系统 Industrial Remote Control Wireless Network Design ABSTTACT ZigBee technology in recent years developed a close low complexity low power lowrate low cost two way wireless communications technology Mainly used for short distance low power consumption and the transfer rate is not high among the variouselectronic devices for data transmission and is typically a periodic data intermittentdata and low latency data transmission applications Sensor networks are distributed in space by the number of automatic device consisting of a computer network these devices use sensors to monitor different locations collaborative physical or environmental conditions such as temperature sound vibration pressure motion or pollutants The development of wireless sensor network monitoring initially started in the battlefield military applications And today is used in many wireless sensor networks civilian areas such as environmental and ecological monitoring health surveillance home automation and traffic control Wireless sensor technology is deployed in the detection region of the large number of tiny sensor nodes through radio communication to form a multi hop s self organizing network with the aim of cooperative sensing collection and processing of network coverage area to be monitored object information and sends to the observer or the information processing center In this paper based on ZigBee wireless sensor network technology for remote monitoring of industrial wireless network System the system is the system to the module with embedded ZigBee protocol smoke sensors wireless sensor network as a node When a fire occurs the sensor detects smoke signal changes it triggers the interrupt node chip to activate the node chip the chip will automatically enter the data collection procedure when data collection ended through the ZigBee wireless transceiver module the data lay packet sent ZigBee ZigBee coordinator is the industrial Ethernet network and the external interface as the core of the system responsible for the management of the entire network and data forwarding it receives multiple nodes by sending and receiving data from the module from the received data embedded controller the necessary treatment and then through the industrial Ethernet network to a monitoring center remote monitoring of industrial site KEYWORDS Zigbee Unlimited sensor network technology Detection system 目 录 摘 要 I ABSTTACT II 第一章 绪论 1 1 1 无线传感器网络的发展及应用前景 1 1 2 无线传感器网络的特点 2 1 3 Zigbee 技术的发展及应用 3 1 4 Zigbee 技术的主要特性 4 1 5 课题来源 研究内容及目的 5 第二章 无线传感网络技术 6 2 1 无线传感网络的介绍 6 2 1 1 无线传感器网络的概念 6 2 1 2 无线传感器网络的系统架构 7 2 1 3 无线传感器网络的关键技术 8 2 2 基于 Zigbee 无线传感器网络 8 2 2 1 无线传感器的构建 8 2 2 2 无线传感器网络的构建 9 2 2 3 关键技术难点 9 第三章 ZIGBEE 技术 11 3 1 ZIGBEE 及其网络协议概述 11 3 1 1 Zigbee 概述 11 3 1 2 IEEE802 15 4 11 3 1 3 Zigbee 网络中的配置 12 3 1 4 Zigbee 网络拓扑 12 3 1 5 ZigBee 协议栈结构 13 3 2 几种无线传输技术的比较 14 第四章 无线传感器网络的设计与实现 16 4 1 离子感烟火灾报警器 16 4 1 1 工作原理及分类 16 4 1 2MC14468 结构特点及引脚说明 17 4 1 3MC14468 内部结构及工作原理 17 4 1 4 离子型烟火警报器电路连接 19 4 2 微控制器的选型与整体模块设计 20 4 2 1 STC89 系列单片机 20 4 2 2 微控制器外围模块与整体设计 22 4 2 3 系统的开发环境与开发工具 23 4 3 无线数据传输模块的设计与实现 24 4 3 1 无线射频芯片选型 24 4 3 2 无线射频芯片 CC2500 25 4 4 无线模块扩展功能 28 4 4 1 电源电路 28 4 4 2 RS232 通信电路 28 4 4 3 外扩 RAM 和功能按钮 29 4 4 4 收发指示灯电路 32 4 4 5 总线扩展电路接口 32 4 4 6 ADC 温度传感器和 EEPROM 接口电路 32 4 4 7 无线模块插座 34 4 5 本章小结 35 第五章系统软件设计和抗干扰设计 36 5 1 系统软件构成 36 5 1 1 发射模块 36 5 1 2 接收模块 37 5 1 3 系统软件设计 38 5 2 系统抗干扰设置 40 5 2 1 硬件抗干扰设计 40 5 2 2 软件抗干扰设计 40 5 3 本章小结 40 参 考 文 献 42 致 谢 43 附 录 44 第一章 绪论 1 1 无线传感器网络的发展及应用前景 传感器技术是信息获取的最重要 最基本的技术 近年来随着科技的进步也得到 了极大的发展 从单一化到集成化 微型化 进而智能化 从而形成了传感器网络技 术 其发展历程如图 1 1 所示 第一代传感网络70年代 第二代传感器 第三代传感器20世纪90年 代末和本世纪初 第四代传感器网络正在研 究开发 图 1 1 传感器网络发展历程 从图中可以看出第一代传感器网络出现在 20 世纪 70 年代 这个时候传感器主要 使用简单信息信号获取信息的传统传感器 采用点对点传输 连接传感控制器构成传 感器网络 第二代传感器网络采用串 并接口 如 RS 232 RS 485 与传感控制器相连 第三代传感器网络出现在二十世纪末期 智能传感器采用现场总线连接 传感控制器构 成局域网络 第四代传感器是目前正在研究的一代 传感器节点运用大量的 具有多功 能 多信息信号获取能力的传感器 网络连接方式采用自组网无线连接与控制器相联 进入网络 可以看出传感器技术的发展是朝着开发无线传感器网络的方向延伸 进一 步形成了融合有传感器技术 信息处理技术和网络通信技术的无线传感器网络技术 无线传感器网络的发展如图 1 2 所示 无线数据网络 无线传感器网络 普适计算 图 1 2 无线传感器网络发展历程 虽然无线传感器网络的大规模商业应用 由于技术等方面的制约还有待时日 但 是最近几年 随着计算成本的下降以及微处理器体积越来越小 已经为数不少的无线 传感器网络开始投入使用 目前无线传感器网络的应用主要集中在环境的监测和保护 医疗护理 军事领域 井矿 核电厂等领域 1 无线传感器网络有着十分广泛的应用前景 它不仅在工业 农业 军事 环境 医疗等传统领域有具有巨大的运用价值 在未来还将在许多新兴领域体现其优越性 如家用 保健 交通等领域 将来无线传感器网络将无处不在 将完全融入我们的生 活 比如微型传感器网最终可能将家用电器 个人电脑和其他日常用品同互联网相连 实现远距离跟踪 家庭采用无线传感器网络负责安全调控 节电等 无线传感器网络 将是未来的一个无孔不入的十分庞大的网络 其应用可以涉及到人类日常生活和社会 生产活动的所有领域 1 2 无线传感器网络的特点 无线传感器网络 WSN 是信息科学领域中一个全新的发展方向 同时也是新兴学科 与传统学科进行领域间交叉的结果 无线传感器网络经历了智能传感器 无线智能传 感器 无线传感器网络 3 个阶段 智能传感器将计算能力嵌入到传感器中 使得传感 器节点不仅具有数据采集能力 而且具有滤波和信息处理能力 无线智能传感器在智 能传感器的基础上增加了无线通信能力 大大延长了传感器的感知触角 降低了传感 器的工程实施成本 无线传感器网络则将网络技术引入到无线智能传感器中 使得传 感器不再是单个的感知单元 而是能够交换信息 协调控制的有机结合体 实现物与 物的互联 把感知触角深入世界各个角落 必将成为下一代互联网的重要组成部分 无线传感器网络的组成及应用场景和传统网络有较大的不同 是一种综合传感器 技术 计算机技术 信息处理技术和通信技术为一体的网络 1 以数据为中心 无线传感器网络中节点数目巨大 而且由于网络拓朴的动态特 性和节点放置的随机性 节点并不需要也不可能以全局唯一的 IP 地址来标识 只需使 用局部可以区分的标号标识 用户对所需数据的收集 是以数据为中心进行 并不依 靠节点的标号 2 资源受限 无线传感器网络中 节点只具有有限的硬件资源 其计算能力和对 数据的处理能力相当受限 此外 节点只能携带有限的电池能量 且在应用过程中不 可能更换电池 因此能量也相当受限 3 部署方式 无线传感器网络具有可快速部署的特点 节点一旦被抛撒即以自组 织方式构成网络 无需任何预设的网络设施 4 维护 在通信过程中 节点会随时因为能源耗尽而离开网络 也可能因为某种 需要而随时进入网络 从而引起网络拓扑的频繁变化 影响遇信质量 无线传感器网 络不仅可实现自动组网 还具有网络自动配置和自动维护功能 保证了网络的通信质 量 5 多跳路由 网络中节点的电池能源非常有限 因此其通信覆盖范围一般只有几 十米 即每个节点都只能与其邻居节点进行通信 若要与通信覆盖范围外的节点通信 则需要通过中间节点进行多跳路由 2 1 3 Zigbee 技术的发展及应用 多年来 无线通信业一直致力于高速宽带无线通信技术的研究和开发 高速全线 通信技术和产品不断的推出 速率越来越高 距离越来越远 然而在实际应用中 无 线通信技术应该是多领域 广范围的 在很多平时实际应用的场合中 如工业控制 无线监测 无线传感器网络 家居无线监控等 在这些场合中对于通信速率的要求并 不是很高 但会在成本 功耗 体积 可靠性等方面有更加苛刻的要求 随着技术等 方面的发展 人们对能够随时随地提供信息服务的移动计算和宽带无线通信的需求越 来越迫切 低速 近距离的无线通信技术和产品开始投入研究和生产 近年来 很多 公司和组织推出新的技术和产品 在这个大背景下 Zigbee 技术应运而生 Zigbee 从诞生到现在只有几年的时间 2000 年 12 月 IEEE 成立了 802 15 4 工 作组 负责低速无线个域网的物理层和媒体访问控制层协议的研究和制定 2002 年 8 月 Zigbee 联盟成立 Zigbee 联盟的成立 为 Zigbee 的发展奠定了坚实的基础 创 造了良好的条件 2003 年 IEEE 工作组正式发布了低功耗 低速率的无线网络通信协 议 2004 年底 Zigbee1 0 版标准正式发布 随后 在 2004 年底到 2006 年不到两年 的时间 Zigbee 联盟由最初的十多家公司发展到有全世界 150 多家知名厂商加盟的商 业团体 呈现出蓬勃的发展趋势 许多大型企业其生产地域分散 业务分工复杂 往往没有一个或者多个控制中心 以及大量的现场数据采集点 这些采集点因分散而需要通过一定的通信手段来实现与 中心控制单元间的数据交互 由于传统优先网络本身的局限性 许多特殊环境下的网 络覆盖和网络支持难以实现 无线通信技术的出现 可以对这些问题提供有效的解决 方案 在现有无线网络技术发展条件下 无线标准增加了灵活性 并降低了集成堆里 无线通信的风险 在工控场合的应用条件下 短距离的无线传输尤其受到关注 Zigbee 具有广阔的应用前景 Zigbee 技术不追求高速率 远距离 而是针对在工 业自动化以及智能家庭 智能建筑 医疗领域等某些特定场合中对控制应用的需求 一般几十 kbps 的速率 几米到几十米的距离实现无线组网通信的能力 是被业界认为 最有可能应用在工业监控 传感器网络 家庭监控 安全系数等领域的无线技术 将 主要嵌入在消费性电子设备 家庭和建筑物自动化设备 工业控制装置 电脑外设 医用传感器 玩具和游戏机等设备中 支持小范围的基于无线通信的控制和自动化等 领域中的应用 同时还支持地理定位功能 1 4 Zigbee 技术的主要特性 1 数据传输速率低 ZigBee 技术的最大传输速率只有 250Kbps 专注于低 速率传输应用 2 设备省电 功耗极低 ZigBee 技术采用了多种节电的工作模式 可以确 保两节 AA 电池支持长达 6 个月到 2 年左右的使用时间 3 通信可靠性高 数据安全 ZigBee 采用了 CSMA CA 的避免碰撞机制 同 时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙 避免了发送数据时的竞争和冲突 MAC 层采用了完全确认的数据传输机制 每个发送的数据包都必须等待接收方的确 认信息 因此通信可靠性高 ZigBee 提供了数据完整性检查和鉴权功能 加密算 法采用 AES 128 同时协议栈的各层可以灵活确定其安全属性 4 网络的自组织 自愈能力强 ZigBee 网络无需人工干预 网络节点能够 感知其它节点的存在 并确定连接关系 构成结构化的网络 ZigBee 网络增加或 者删除一个节点 节点位置发生变动 节点发生故障等 网络都能够自我修复 并 对网络拓扑结构进行相应地调整 无需人工干预 保证整个系统仍然能正常工作 5 时延短 接入网络快 ZigBee 设备的响应速度非常快 可以在 15ms 或 更短的时间内由休眠状态进入正常工作状态 另外 由于使用直接扩频而不是跳频 技术 节点重新加入网络的过程也很快 一般可以做到 1 秒以内甚至更快 6 成本低廉 工作频段灵活 由于 ZigBee 数据传输速率低 协议简单 且 免收专利费 所以大大降低了成本 ZigBee 的工作频段灵活 使用的频段分别为 2 4GHz 全球 868MHz 欧洲 及 915MHz 美国 均为免费开放频段 7 网络容量大 ZigBee 网络可由一个节点管理若干子节点 最多一个节点 可以管理 254 个子节点 同时该节点还可由上一层网络节点管理 可组成 65536 个 节点的大型网络 3 Zigbee 是一种高可靠的无线数传网络 类似于 CDMA 和 GSM 网络 Zigbee 数传模 块类似于移动网络基站 通讯距离从标准的 75m 到几百米 几公里 并且支持无限扩 展 Zigbee 是一个由可多到 65000 个无线数传模块组成的一个无线数传网络平台 在 整个网络范围内 每一个 Zigbee 网络数传模块之间可以相互通信 每个网络节点间的 距离可以从标准的 75m 无限扩展 与移动通信的 CDMA 网或 GSM 网不同的是 Zigbee 网络主要是为工业现场自动化控 制数据传输而建立 因而 它必须具有简单 使用方便 工作可靠 价格低的特点 而移动通信网主要是为语音通信而建立 每个基站价值一般都在百万元人民币以上 而每个 Zigbee 基站 却不到 1000 元人民币 每个 Zigbee 网络节点不仅本身可以作 为监控对象 例如其所连接的传感器直接进行数据采集和监控 还可以自动中转别的 网络节点传过来的数据资料 除此之外 每一个 Zigbee 网络节点 FFD 还可在自己信 号覆盖的范围内 和多个不承担网络信息中转任务的孤立的子节点 RFD 无线连接 1 5 课题来源 研究内容及目的 火灾报警信息传输系统是目前国内外火灾探测报警领域最受关注的研究方向之 一 针对现有的有线火灾报警系统所存在的问题 提出并设计了一种基于 ZigBee 无线 通信技术的火灾报警信息传输系统 在本课题中 主要的研究内容有 1 首次将 ZigBee 无线通信技术应用于火灾报警领域 该技术的引入使得火灾报 警系统大大降低了故障率 误报率和漏报率 同时可避免有线报警系统线路容易老化或 遭到腐蚀 鼠咬 磨损而需重新布线等麻烦 2 采用星型拓扑结构的无线节点传输网络 网络中探测传感器布置采用兼容全 功能节点和精简功能节点的模式 一个 ZigBee 网络最多可支持 65535 个节点 完全满 足大范围区域火灾探测报警的需要 3 硬件设计部分采用以 STC89LES16AD 单片机为核心 与基于 ZigBee 技术的无 线射频芯片 CC2500 相结合的方法 使得每个网络节点具有一定的数据处理能力和通信 能力 4 软件设计部分给出系统的软件数据结构 软件流程图以及详细的程序设计 采 用独特的定时器 T0 延时 90ms 软件抗干扰方法和稳压电源硬件抗干扰方法相结合的抗 干扰方法 保证了系统的可靠性和稳定性 第二章 无线传感网络技术 2 1 无线传感网络的介绍 2 1 1 无线传感器网络的概念 无线传感器网络的构想最初是由美国军方提出的 美国国防部高级研究所计划 署 DARPA 于 1978 年开始资助卡耐基 梅隆大学进行分布式传感器网络的研究 这 被看成是无线传感器网络的雏形 从那以后 类似的项目在全美高校间广泛展开 著 名的有 UC Berkeley 的 Smart Dust 项目 UCLA 的 WINS 项目 以及多所机构联合攻关 的 SensIT 计划 等等 在这些项目取得进展的同时 其应用也从军用转向民用 在森 林火灾 洪水监测之类的环境应用中 在人体生理数据监测 药品管理之类的医疗应 用中 在家庭环境的智能化应用以及商务应用中都已出现了它的身影 目下 无线传 感器网络的商业化应用也已逐步兴起 美国 Crossbow 公司就利用 Smart Dust 项目的 成果开发出了名为 Mote 的智能传感器节点 还有用于研究机构二次开发的 MoteWorkTM 开发平台 这些产品都很受使用者的欢迎 组成和特点 无线传感器网络可以看成是由数据获取网络 数据分布网络和控制管理中心三部 分组成的 其主要组成部分是集成有传感器 数据处理单元和通信模块的节点 各节 点通过协议自组成一个分布式网络 再将采集来的数据通过优化后经无线电波传输给 信息处理中心 因为节点的数量巨大 而且还处在随时变化的环境中 这就使它有着不同于普通 传感器网络的独特 个性 首先是无中心和自组网特性 在无线传感器网络中 所有 节点的地位都是平等的 没有预先指定的中心 各节点通过分布式算法来相互协调 在无人值守的情况下 节点就能自动组织起一个测量网络 而正因为没有中心 网络 便不会因为单个节点的脱离而受到损害 其次是网络拓扑的动态变化性 网络中的节点是处于不断变化的环境中 它的状 态也在相应地发生变化 加之无线通信信道的不稳定性 网络拓扑因此也在不断地调 整变化 而这种变化方式是无人能准确预测出来的 第三是传输能力的有限性 无线传感器网络通过无线电波进行数据传输 虽然省 去了布线的烦恼 但是相对于有线网络 低带宽则成为它的天生缺陷 同时 信号之 间还存在相互干扰 信号自身也在不断地衰减 诸如此类 不过因为单个节点传输的 数据量并不算大 这个缺点还是能忍受的 第四是能量的限制 为了测量真实世界的具体值 各个节点会密集地分布于待测 区域内 人工补充能量的方法已经不再适用 每个节点都要储备可供长期使用的能量 或者自己从外汲取能量 太阳能 第五是安全性的问题 无线信道 有限的能量 分布式控制都使得无线传感器网 络更容易受到攻击 被动窃听 主动入侵 拒绝服务则是这些攻击的常见方式 因此 安全性在网络的设计中至关重要 传感器网络是由大量部署在作用区域内的 具有无线通信与计算能力的微小传感 器节点通过自组织方式构成的能根据环境自主完成指定任务的分布式智能化网络系统 传感网络的节点间距离很短 一般采用多跳 multi hop 的无线通信方式进行通信 传感器网络可以在独立的环境下运行 也可以通过网关连接到 Internet 使用户可以 远程访问 传感器网络综合了传感器技术 嵌入式计算技术 现代网络及无线通信技术 分 布式信息处理技术等 能够通过各类集成化的微型传感器协作地实时监测 感知和采 集各种环境或监测对象的信息 通过嵌入式系统对信息进行处理 并通过随机自组织 无线通信网络以多跳中继方式将所感知信息传送到用户终端 从而真正实现 无处不 在的计算 理念 2 1 2 无线传感器网络的系统架构 无线传感器网络的系统通常包括传感器节点 汇聚节点和管理节点 如图 2 2 所示 汇聚节点 任务管理节点 互联网和 卫星 监测区 传感器节点 图 2 1 无线传感器网络系统架构 从图中可以看出 整个网络有大量的传感器节点分布在其中 而且必须保证分布 的密集程度 在覆盖范围内的传感器节点可以通过自组织的方式构成网络 系统开始 工作后 传感器节点在对用户所需要的 获得的信息进行简单的处理后 通过多条中 继的方式将信息传送给汇聚节点 在此 汇聚节点可以担当任务管理器节点和传感器 节点之间沟通的桥梁 在系统设计时 用户可以根据需要选择不同的通信途径包括卫 星 互联网或者移动通信网络等将信息传达到最终用户的管理节点 再对信息作进一 步处理 此外终端用户也可以通过管理节点对无线传感器的系统网络进行管理配置 发布监测任务或者收集回传数据 传感器节点是一个嵌入式系统 它的局限性在于由体积 价格和能量供给等因素 所带来的一些限制 主要表现在节点的处理能力 存储能力相对较弱 通信距离有限 通常情况下 只能与自身通信所覆盖范围内的相邻传感器节点进行数据交换 当需要 访问通信范围外的节点是 就必须使用多条路由中继 在这里每一个传感器节点都有 信息采集和路由中继的双重功能 汇聚节点相对传感器节点具有较强的处理能力 存储能力和通信能力 既可以是 一个具有足够能量供给和更多内存资源与计算能力的增强型传感器节点 也可以是一 个带有无线通信接口的特殊网关设备 汇聚节点负责连接传感器网络与外部网络 通 过协议转换实现管理节点与传感器网络之间的通信 把收集到的数据信息发到外部网 络上 同时发布管理节点提交的任务 4 2 1 3 无线传感器网络的关键技术 关键技术主要包括四部分 网络通信协议 核心支撑技术 自组织管理 开发和 应用 1 网络通信协议 传感器网络通信协议包括物理层 数据链路层 网络层和传输层四个层次 受传 感器节点能量限制 其计算 存储和通信能力有限 每个节点只能获取局部网络信息 故要求节点上的通信协议要简单 同时要求网络通信协议可以适应网络拓扑结构和外 界环境的不断变化 2 核心支撑技术 核心支撑技术包括拓扑控制 节点定位 时间同步 网内信息处理 网络安全等 使用网络通信协议提供的服务 通过应用服务接口可以屏蔽底层网络的细节 这样可 以使用终端用户可以方便的对无线传感器网络进行操作 3 自组织管理 自组织管理是指可以是无线传感器网络自动组网运行 自行配置维护 实时转发 监测数据 主要为了应对无线传感器网络多变的网络状况以及外界环境的要求 主要 包括节点管理 资源与任务管理 数据管理 初始化与系统维护管理等 4 开发与应用 主要包括仿真平台 硬件系统开发 操作系统 软件开发 环境监测应用 目标 追踪应用等 2 2 基于 Zigbee 无线传感器网络 2 2 1 无线传感器的构建 无线传感器的基本结构分为三部分 如图 2 4 所示 图 2 4 无线传感器基本结构 第一部分包括传感器 放大和滤波电路 A D 转换装置 传感器根据需要 采集信 息 一般还需要进行放大和滤波的处理 因为传感器采集到的信息大部分是模拟量 所以为了实现无线传输 还需要进行 A D 转换 第二部分主要是由微控制器所构成的控制单位组成 用于数据的处理和存储 是 节点的核心部分 第三部分是用 Zigbee 技术实现通信部分 也是整个节点最耗能的部分 2 2 2 无线传感器网络的构建 无线传感器网络有三种有效的网络结构 树型 星型和网状 1 星型的拓扑结构 具有天然的分布式处理能力 网络中的路由节点既具有路 由功能 也具有一定的数据处理和融合能力 是分布式处理中心 每个终端的无线传 感器节点数据传给其所在的路由节点 在此节点对数据进行简单 有效地融合 然后 再将数据转发出去 2 网状的拓扑结构 无线传感器节点连成网状 网络伸缩性好 而且在个别的 链路失效时不会引起网络的分离 独立 数据传输可以同时经过多条路由 保证比较 高的传输可靠性 3 树型网络拓扑结构 传感器节点串联一条或者多条链路上 链尾与终端传感 器节点相连 但是此方案容易导致的问题是 在中间节点失效的情况下 会使部分终 端节点失去连接 2 2 3 关键技术难点 如前所述 无线传感器网络应用前景十分广泛 不仅在传统领域 工业 农业 军事 环境 医疗等 中存在巨大的应用价值 还将在许多新兴的领域体现它的优越 性 如智能家居 交通检测等 可以说 无线传感器网络应用几乎能涉及到人类日常 生活和社会生产活动的所有领域 但是依照目前的技术水平 无线传感器网络正常运 行可以实现 但如若大量投入使用仍然面临着许多问题 1 干扰问题 无线传感器网络在正常通信时 无线信号受到的各种干扰和传输 过程中产生的衰减会造成网络传输的不稳定 比如无线信号可能被一些障碍物 或者 现场其他电子信号干扰 2 成本问题 虽然现有技术下 各种硬件的成本已经有所降低 但是由于无线 传 感 器放大滤波A D 转换 控制单元 Zigbee 通信模块 传感器网络中覆盖区域需要使用数量庞大的微型传感器 保证其网络的密度 即使单 个器件成本低廉 在大量使用情况下总成本任然会制约其应用的推广 3 能量供应问题 目前整个网络主要的供能是采用市电或者电池供电 但是传 感器节点上多采用电池 那么如何降低传感器功率以延长节点使用寿命也是要考虑的 问题之一 目前也正在研究传感器的自我能量手机技术和电池无线充电技术 4 高效的无线传感器网络结构 无线传感器网络的网络结构有多种形态和方式 各有利弊 如何选择合理的无线传感器网络以最大限度的利用资源也是设计者考虑的 问题 此外 还有网络安全协议的问题和大规模传感器网络中的节点移动性管理等诸多 问题有待解决 第三章 Zigbee 技术 随着无线传感器网络的发展研究不断的深入 标准化的问题随之而来 在无线传 感器网络的发展过程中 还存在着一系列诸如没有统一的接口 统一的协议等方面的 问题 各个厂商各有一套标准 而低速率 低成本的无线联网标准 Zigbee 正顺应了这 种要求 本章将对这种适用于无线互联网络和控制应用的新技术标准进行的分析 3 1 Zigbee 及其网络协议概述 3 1 1 Zigbee 概述 随着无线网络技术的快速发展 许多本来存在的网络服务逐渐走向成熟 近几年 来 IEEE802 11 无线局域网络的普遍以及 IEEE802 16 无线宽带网络的商业标准化使得 无线网络技术越来越重要 也有越来越多的相关的应用和产品出现 IEEE802 15 4 是一个新兴的无线通信协议 是 IEEE 定义的低速个人区域网络标准 这个标准定义了物理层和介质访问层 物理层范围确定无线网络的工作频段以及该频 段上传输数据的基准传输速率 介质层访问定义了在同一个区域工作的多个 802 15 4 无线信号如何共享空中频段 但是 仅仅定义物理层 介质访问层不能完全解决问题 因为没有统一的使用规范 不同的厂家声场的设备存在兼容性问题 于是 Zigbee 联盟 应运而生 众多设备生产商联合在一起 推出一套标准化平台 即 Zigbee Zigbee 从 IEEE802 15 4 标准开始着手 定义了允许不同厂家设备相互兼容的应用纲要 3 1 2 IEEE802 15 4 IEEE 802 15 4 ZigBee 协议是一种新兴的短距离无线射频通信协议 IEEE802 15 4 定义了两个物理层标准 分别是 2 4GHz 物理层和 868 915 MHz 物理层 两个物理层都基于 DSSS 直接序列扩频技术 使用相同的物理层数据包格式 ZigBee 在 2 4GHz 频段有 16 个信道 能够提供 250 kb s 的传输速率 采用 O QPSK 调制 915MHz 和 868MHz 分别是欧洲和美国的 ISM 频段 这两个频段的引入避免了 2 4GHz 附 近各种无线通信设备的相互干扰 在 916MHz 频段有 10 个信道 传输速率为是 40kb s 在 868 MHz 频段只有 1 个信道 传输速率为 20 kb s 这两个频段都采用 BPSK 调制 它与蓝牙同属于 802 15 WPAN 一 Wireless Personal Area Networks 协 议家族 具有低速 低成本 低功耗 低复杂度等特点 也正是由于 Zigbee 协议的这 些特点 使其比蓝牙 Wi Fi 等更适合于那些对传输速率要求不高 而对资源 成本 功耗等有明确限制的应用场合 IEEE802 15 4MAC 数据包的最大长度为 127 个字节 每个数据包都有头字节和 16 位 CRC 的值组成 16 位 CRC 值验证帧的完整性 此外 IEEE802 15 4 还可以选择使用 应答数据传输机制 使用这种方法 所有 ACK 标志位置 1 的帧均会被他们的接收器应 答 这就可以确定帧实际上已经被传递了 如果发送帧的时候置位了 ACK 标志位 但 是在一定的超时期限内没有收到应答 发送器将重复进行固定次数的发送 如仍无应 答就宣布发生错误 注意接收到应答仅仅表示帧被 MAC 层正确接收 而不表示帧被正 确处理 这是非常重要的 接收节点的 MAC 层正确接收并应答了一个帧 但是由于缺 乏处理资源 该帧可能被上层丢弃 因此 很多上层和应用程序要求其他的应答响应 3 1 3 Zigbee 网络中的配置 ZigBoe 无线网络可采用多种类型的配置 分别为星型 Star 格型 Mesh 和簇型 Cluster 星形网络配置由一个协调器 Coordinator 节点 主设备 和一个或多个终端设备 EndDevice 从设备 组成 协调器是实现了一组很多 ZigBee 服务的一种特殊的全功 能设备 FullFunctionDevice FFD 终端设备可能是 FFD 或简化功能设备 ReduCedunetionDevice RFD RFD 是最小而且最简单的 ZigBee 节点 它只实现了一 组最少的 ZigBee 服务 在星形网络中 所有的终端设备都只与协调器通信 如果某个 终端设备需要传输数据到另一个终端设备 它会把数据发送给协调器 然后协调器依 次将数据转发到目标接收器终端设备 综合考虑在本设计中 将采用星型网络拓朴结 构 除了星形网络之外 ZigBee 还可以采用点对点网络 群集或网状 mesh 网络配置 由于群集和网状网络具有在多个网络之间路由数据包的功能 因而被称为多跳网络 而星形网络则被称为单跳网络 和任何网络一样 ZigBee 网络也是多点接入网络 这 意味着网络中的所有节点对通信介质的访问是同等的 有两种类型的多点接入机制 在没有使能信标的网络中 只要信道是空闲的 在任何时候都允许所有节点发送 在 使用了信标的网络中 仅允许节点在预定义的时隙内进行发送 协调器会定期以一个 标识为信标帧的超级帧开始发送 并且希望网络中的所有节点与此帧同步 在这个超 级帧中为每个节点分配了一个特定的时隙 在该时隙内允许节点发送和接收数据 超 级帧可能还含有一个公共时隙 在此时隙内所有节点竞争接入信道 ZigBee 协议栈的 当前版本仅支持无信标的星形网络配置 5 3 1 4 Zigbee 网络拓扑 ZigBee 技术具有强大的组网能力 支持星型 簇状型 网状型三种网络拓扑结构 如图 3 1 所示 每种网络都有各自的优点 由于网状型网络从源节点到达目的节点可 以有多条路径 路径的冗余加强了网络的可靠性 如果原先的路径出现了问题 比如 受到干扰 或者其中一个中间节点出现故障 ZigBee 可以切换到另一条路径 另外 该拓扑结构还可以组成极为复杂的网络 具有很大的路由深度和网络节点规模 并具 备自组织 自愈功能 从而降低了网络的维护成本 因此 在工业无线网络中通常采 用网状型结构 星型网状型 簇状网 ZigBee协调器 FFD ZigBee路由器 FFD ZigBee终端设备 FFD或RFD 图 3 2Zigbee 网络拓扑结构 ZigBee 网络中包含三种设备类型 ZigBee 协调器 Zigbee 路由器和 ZigBee 终端 设备 每个网络都必须包括一台 ZigBee 协调器 ZigBee 协调器是整个网络的中心 负 责网络的组织和维护 路由器负责网络中数据包的路由选择 并能够用来拓展网络的 范围 而终端设备则是实现具体功能的单元 根据功能来划分 又分为全功能设备 FFD 和精简功能设备 RFD 协调器和路由器必须为 FFD 而终端设备可以是 FFD 或 者是 RFD 9 3 1 5 ZigBee 协议栈结构 ZigBee 协议栈是采用 C 语言编写的 源文件会自动根据所使用的编译器进行必要 的更改 ZigBee 协议栈使用内部闪存程序存储器来存储可配置的 MAC 地址 网络表和 绑定表 因此 必须使用可自编程的闪存存储器单片机 如果需要的话 可以修改非 易失性存储器 N 哪 程序来支持任何其他类型的 NVM 而不使用可自编程的单片机 此外 该协议栈旨在 MSP430DEMZ 演示板上运行 但是 它可很容易地移植到任何使用兼容单 片机的硬件中 ZigBee 无线网络的构建通讯是建立在协议栈基础上 如图 3 3 所示 用户应用程序ZDO ZDO APL Zapl APS zAPS NWK zNWK MAC Znwk PHY zPHY 图 3 3Zigbee 协议栈结构 所以在将 ZigBee 协议以及应用程序从一个硬件平台移植到另外一个硬件平台 只 需要修改 MACPHY 与硬件相关的层 MACPHY 的硬件驱动程序完成后会向上提供程序接 口 这样 NWK NVM APL APS 等层就可以屏蔽硬件差异直接运行 CC242O 芯片支持硬件加密解密功能 如果有保密需要可以在发送前进行硬件加密 接收时进行硬件解密 加密解密动作是在 NVM APL APS 层进行的 目前演示版本的 Demon 不支持加密解密功能 3 2 几种无线传输技术的比较 无线传输部分是网络节点最耗能的部分 在设计过程中如何选用一个合理的传输 方式也是最初要考虑的问题 常用的近距离无线通信技术有 Wi Fi IEEE802 11 超宽 带通信 UWB ultraWideband 蓝牙 Bluetooth 红外线数据通信 IrDA 等 1 Wi Fi Wi Fi WirelessFidehty 无线高保真 是目前 WLAN 的主要技术标准 目的是提 供无线局域网接入 多用于解决办公室无线局域网或者校园网用户与用户终端的连接 可实现几 Mbps 到几十 Mbps 的无线接入 Wi Fi 依赖 TCP IP 作为网络层 规定了协议 的物理层和媒体接入控制层 特点是便携性良好 带宽虽然良好但却耗能高 大多 Wi Fi 装置都需要较高的电能储备和常规充电 限制了它在工业场合的推广和应用 2 超宽带通信 无线载波通信技术 数据采用纳秒级非正弦波窄脉冲传输 频谱范围宽 在 3 1 10 6GHz 的频段占用 500MHz 以上的带宽 可以用低功耗 低复杂度收 发机实现 数据的高速传输 UWB 传输速率高 通信距离短 平均发射功率低 多径分辨率高 主 要适用于建立高效的无线局域网或者无线个域网 如室内等密集多径场所的高速无线 接入 典型应用如视频消费娱乐方面的无线个域网 3 蓝牙 蓝牙是以 IEEE802 15 1 为基础 规定了 PHY MAC 网络层和应用层等集成协议栈 蓝牙工作频率为 2 4GHz 传输距离较短 有效范围一般在 10m 内 信道带宽 1MHz 异步非对称连接最高数据速率为 723 2kbps 相对 Zigbee 技术来说 系统的抗干扰能 力不强 成本和集成复杂性高 主要体现在芯片器件的尺寸大小 价格 另外 蓝牙 对每个微网有只能配置 7 个节点的限制 制约了其在大型传感器网络开发中的应用 多用于无线设备 图像处理设备 智能卡 身份识别及娱乐消费 家用电器等领域 随技术发展 新的研究技术使蓝牙 2 0 版标准拟支持 10Mbps 以上的速率 高增益天线 可以将通信范围扩展至 100m 4 红外线数据通信 lrDA 是一种利用红外线进行点对点通信的技术 移动通信所需的体积小 功耗低 连接方便 简单易用成本低廉 LDA 标准的无线设备传输速率已发展到 4Kbps 16Mbps 目前 其软硬件技术成熟 已经广泛应用在小型移动设备上 如 PDA 手机 但问题在 于 IrDA 只能在 2 台设备之间连接 并且存在有视距角度等问题 连接设备必须对准且 中间不能有障碍物遮挡 一般不应用于工业网络 几种常用无线传输方式的主要性能 比较见表 3 5 标准名称Zigbee IEEE802 15 4 BluetoothWiFi IEEE802 11b GPRS GSM IxRTT CDMA 主要应用领域监视 控制电缆替代上网 视频语音 数据传输 系统资源4KB 32KB250KB 1MB 16MB 电池寿命 天 100 1000 1 70 5 51 7 网络大小2647321 宽度 Kbps 20 25072011 000 64 128 覆盖距离 米 1 1001 10 1 1001000 表 3 5 几种无线传输方式性能比较 通过对各种无线传输技术的比较 可以明显的看出 ZigBee 技术适合用于点数密 集 对能量要求低的网络 可以在其有效物理范围 100m 内实现通信 而目前一些产品 的加强型 可以将有效范围扩大至 1km 以上 工作射频 2 4GHz 的工业频段 免除申请 的麻烦 2 4GHz 时传输速率 250kbPs 对于工业中传输量低的场合 满足其应用要求 10 第四章 无线传感器网络的设计与实现 4 1 离子感烟火灾报警器 4 1 1 工作原理及分类 离子感烟式火灾探测器是采用空气离化火灾探测方法构成和工作的 通常只适用 于点型火灾探测器 根据探测器内电离室结构形式 离子感烟式探测器可分为双源和 单源感烟式探测器 1 感烟电离室特性 感烟电离室式离子感烟探测器的核心传感器器件 电离室极间的空气分子电离为正离 子和负离子 这样 电极之间原来不导电的空气具有了导电性 时在电场作用下 正 负离子的有规则运动 使电离室呈现典型的伏安特性 形成离子电流 电离室可以分为双极性和单极性两种结构 整个电离室全部被 a 射线照射的称为