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1、-基于ZigBee技术的无线传感器网络的研究与设计本科生毕业论文设计-第 62 页本科生毕业论文（设计）题 目： 基于ZigBee技术的无线传感器网络的研究与设计目 录摘 要：IVABSTRACTV第一章 绪论11.1 课题背景概述11.2 WSN简介21.2.1 WSN体系结构21.2.2 WSN的协议栈结构41.2.3 WSN特点及其关键问题61.2 几种常用的无线通信技术71.3.1 蓝牙技术71.3.2 红外技术71.3.3 ZigBee技术81.3.4 Wi-Fi技术81.3.5 RFID技术81.3.6 HomeRF技术91.3.7 UWB技术91.3.8 几种无线通信技术对比91
2、.4 本文结构组织101.5 本章小结11第二章 ZigBee/IEEE802.15.4技术标准122.1 ZigBee/IEEE802.15.4技术概述122.2 ZigBee技术特点122.3 ZigBee技术的体系结构132.4 ZigBee技术的网络配置152.4.1 两种功能设备152.4.2 三种节点类型152.4.3 三种拓扑结构162.4.4 两种工作模式172.5 ZigBee组网172.5.1 基本通信原语172.5.2 ZigBee网络的组网182.5.2.1 网络管理服务182.5.2.2 数据传输服务202.6 ZigBee 路由212.6.1路由协议212.6.2
3、路由过程222.7本章小结23第三章 基于ZigBee的无线传感器网络的硬件设计243.1 ZigBee的几种实现方案253.2 CC2430芯片介绍263.2.1 CC2430芯片概述263.2.2 CC2430引脚功能介绍293.2.3 CC2430的增强型8051内核313.2.4 CC2430的射频部分323.2.5 CC2430的其它外围设备343.2.5.1 直接存取（DMA）控制器343.2.5.2 MAC定时器353.2.5.3 模数转换器（ADC）353.2.5.4 温度传感器363.3 节点的控制和显示电路363.3.1 控制电路373.3.2 状态显示电路383.4 节点
4、的接口电路393.4.1 USART接口（串行通信接口）403.4.2 JTAG接口403.5 节点实图413.6 本章小结41第四章 基于ZigBee2006协议栈的无线传感器网络的软件设计434.1 Z-Stack434.1.1 Z-Stack软件架构434.1.1.1 系统初始化444.1.1.2 操作系统的执行444.1.2 Z-Stack项目中的文件目录494.2 Z-Stack开发软件514.2.1 IAR EW8051集成开发环境514.2.2 ZigBee2006协议栈524.2.3 SmartRF Flash Programmer软件544.2.4 ZigBee协议分析仪软件
5、Packet Sniffer554.3 Z-Stack开发的一些基本概念554.4 实验测试604.4.1 开关灯控制实验604.4.1.1 功能描述604.4.1.2 实验程序614.4.1.3 实验操作及其结果654.4.2 温度传输实验664.4.2.1 功能描述664.4.2.2 实验程序674.4.2.3 实验操作及其结果734.5 本章小结76第五章 总结与展望775.1 无线传感器网络的应用设想775.2 总结与展望785.2.1 本文总结785.2.2 展望78参考文献79附录80致谢89基于ZigBee技术的无线传感器网络的研究与设计作者：闫彦含 指导老师：何自立摘 要：无线
6、传感器网络是涉及多学科、知识高度集中、在当今国际上备受关注的前沿热点和研究领域。它综合了传感器、微处理器和无线通信三项重大技术，具有信息采集、处理、无线传输能力，是新一代传感器网络的主要发展方向。而低功耗、低成本、应用简单方便的ZigBee技术的诞生为无线传感器网络的发展和开拓起到了巨大的推动和促进作用。本文主要从ZigBee技术着手，对无线传感器网络进行学习研究和设计。首先，本文对无线传感器网络的背景、发展状况和应用前景进行了简单介绍，然后从体系结构、节点结构、协议栈、特点和关键问题等方面对无线传感器网络进行详细描述。接着本文又详细剖析了ZigBee/IEEE802.15.4技术。其次，本文
7、对基于ZigBee的无线传感器网络的硬件部分进行了设计，其中包括主芯片CC2430、外围设备、射频模块、控制电路、显示电路和接口电路等。再次，本文对基于ZigBee的无线传感器网络软件部分进行了设计，并通过实验展示了本文所设计的无线传感器网络的可行性和可靠性。最后，本文进行总结和展望，并提出了几种基于ZigBee的无线传感器网络的应用。关 键 词：无线传感器网络；ZigBee；CC2430；Z-StackTHE RESEARCH AND DESIGN OF WIRELESS SENSORNETWORKS BASED ON ZIGBEEABSTRACT: Wireless Sensor Netw
8、ork (WSN) is a multi-disciplinary, knowledge-highly concentrated frontier hotspot and research field,which is focused by the world in morden times.It has the ability of information collection, processing and transmission as it combines sensor technology, microprocessor technology and wireless commun
9、ication technology ,and it is the main direction of development of the next generation sensor network.The birth of ZigBee which is low-power, low-cost, simplely and conveniently applied plays a significant role in promoting the development and exploiting of Wireless Sensor Networ. This article, main
10、ly beginning with ZigBee technology, has studied,researched and designed WSN. First, the paper introdued the background, the development condition and the application prospect and then described WSN in detail from architecture, node structure, protocol stack, features and key problems and so on.The
11、paper also analysed ZigBee/IEEE802.15.4. Second,the paper carried on hardware design of WSN based on ZigBee, including the main chip of CC2430, peripheral equipment, RF module, controlling circuit, displaying circuit and interface circuit and so on. Futher more, the paper carried on software design
12、of WSN based on ZigBee, and demonstrated the feasibility and reliability of the system though experiments. Finally, the paper summarized , previewed and proposed several applications of WSN based on ZigBee.Keywords: WSN, ZigBee, CC2430, Z-Stack文章缩略语AESAdvanced Encryption Standard高级加密标准APIApplication
13、 Program Interface应用编程接口BPSKBinary Phase Shift Keying二相相移键控CSMA/CACarrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance带有冲突避免的载波侦听多路访DMADirect Memory Access直接存储器访问DSSSDirect Sequence Spread Spectrum直接序列扩频FFDFull Functional Device全功能设备FIFOFirst Input First Output先入先出队列GUIGraphical User Interface图形用户
14、界面IRDAInfrared Data Association红外数据组织ISMIndustrial Scientific Medical工业、科学、医学频段JTAG国际标准测试协议LNALow-Noise Amplifier低噪声放大器LQILink Quality Indication链路质量指标MCUMicro Control Unit微控制单元OQSPKOffset - Quadrature Phase Shift Keying偏移四相相移键控PAPower Amplifier功率放大器PDAPersonal Digital Assistant个人数字处理PANPersonal Are
15、a Network个人局域网QoSQuality of Service服务质量RFDReduced Function Device精简功能设备RFIDRadio Frequency Identification射频识别RSSIReceived Signal Strength Indication接收信号强度指示SAPService Access Point服务访问点SFRSpecial Function Register特殊功能寄存器SoCSystem on Chip片上系统SPISerial Peripheral Interface串行外围设备接口TCPTransmission Contro
16、l Protocol传输控制协议USARTUniversalSynchronous/Asynchronous Receiver/Transmitter通用同步/异步串行接收/发送器Wi-FiWirelessFidelity8021.11bWSNWireless Sensor Networks无线传感器网络WLANWireless Local Area Networks无线局域网WUSNWireless Underground Sensor Networks无线地下传感器网络第一章 绪论1.1 课题背景概述当今世界，科学技术迅猛发展，各项新思想、新技术、新产品层出不穷，各种不同学科、不同领域的知
17、识和技术也在不停地交织相融，于是产生了多个极具研究价值并有着深远意义的科研课题。无线传感器网络（Wireless Sensor Networks,简称WSN）是当前国际上备受关注、涉及多个学科、知识高度集中的前沿热点和研究领域。它综合了传感器、微处理器、网络通信和分布式信息处理等技术，能够通过各类集成化的微型传感器协同完成对各种环境信息的实时监测、感知、采集和处理，并以自组织多跳的无线通信方式将数据信息传送到用户终端，从而实现了科学世界与人类生活的完美贯通。传感器网络发展至今，共经历了四代发展时期。第一代传感器网络出现在20世界70年代，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
18、网络，具有获得多种信息、信号的综合能力，采用串/并接口（如RS-232、RS-485）与传感控制器相连，构成有多种综合信息的传感器网络；第三代传感器网络出现在20世纪90年代后期和21世纪初，采用现场总线连接传感控制器，构成局域网络，成为智能化传感器网络；第四代传感器网络即是无线传感器网络，正在研究开发。 2003年，美国技术评论 杂志将无线传感器网络列为新兴十大高新技术之首；同年，商业周刊在预测未来四大新技术中，无线传感器网络也位列其中。2004年，IEEE Spectrum杂志发表一期专集传感器的国度，论述了无线传感器网络的发展和可能地广泛应用。同时，国内外许多大学、科研机构和产业界对无线
19、传感器网络都很看好，纷纷从不同层次和角度对WSN展开了探索和研究。可以预见，无线传感器网络必将成为21世纪一项极为重要的技术，它的发展和推广也必将给人类社会带来重大影响和变革。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、环境、军事、医疗等传统领域有着巨大的应用价值，在未来许多新兴领域也有着不可想象的优越性，例如家用、保健、城市交通等。在将来，无线传感器网络甚至能够渗入到我们生活的角角落落，我们可以将手机、笔记本电脑、PDA(Personal Digital Assistant,个人数码处理)等便携装置随时组成网络，构成一个WLAN（Wireless Local Area Netw
20、ork,无线局域网），充分享受“信息随身化、便利走天下”的理想境界。将WSN用于城市路灯控制，通过布设在道路两侧的无线传感器网络，来控制路灯的亮度、开关等。将WSN应用到空调系统，来控制空调的功率和开关，从而能达到节能省电的目的。将WSN应用到地震、泥石流或滑坡等灾害多发地，能够更好、更安全地协助环境监测，预报地质灾害。总之，在不久的将来，无线传感器网络必将能够布满于我们的生活，给我们的生活带来无尽的舒适与便捷。尽管无线传感器网络有着美好的前景，但它的应用还远远没有推广开来。国外发达国家在这方面开始的比较早，投入也比较大，像美国波士顿大学创办了传感器网络协会(Sensor Network Co
21、nsortium)，期望能促进传感器联网技术开的发展；美国军方将WSN应用到军事系统，耗资400-600亿美元建造的FCS（Future Combat System，未来战斗系统），以网络为中心，达到 “全球到达、迅速反应”的低伤亡作战目标；美国国家科学基金赞助的Biomedical Sensors项目1，美国NASA（National Aeronautics and Space Administration, 美国国家航空暨太空总署）发起的Sensor Webs项目2等等都是关于无线传感器网络的重要研究。国内关于WSN的研究起步较晚，部分公司在进行商业开发，如成都无线电子龙有限公司，西安达泰
22、电子有限公司、西安华凡科技有限公司等在WSN方面有所开发和研究。部分大学，例如国防科技大学、清华大学、中国科学技术大学、哈尔滨工业大学、电子科技大学、天津大学、北京邮电大学等对无线传感器网络也进行着相关的研究工作。总之，无线传感器网络大多处于研究实验或者商业开发阶段，在生活应用和推广普及方面还远远不够，有待进一步发展。正是基于无线传感器网络巨大的应用价值和美好前景以及应用较少的状况，本文也开展了对WSN的基础性研究学习，对节点设计和协议栈进行描述，并提出了将WSN应用于农业环境信息采集和控制系统。借助于WSN技术，农业信息采集和控制体现出实时、精确、方便、易于管理、可扩展性强等优点。1.2 W
23、SN简介无线传感器网络是一种特殊的Ad-hoc3网络，它是一种以数据为中心、自组织多跳的无线网络。它具有规模大、自组织、部署方便、以数据为中心、动态网络、通信灵活等特点。1.2.1 WSN体系结构图1-1是典型的无线传感器网络的体系结构图。完整的WSN体系结构应包括传感器节点群、sink节点、互联网和用户终端等。大量体积小、成本低、具有数据采集、处理、融合和无线通信功能的节点通过飞机播撒、人工布置等方式被部署在监测区域，每个节点都可以感测监测区域内的环境信息，并以无线、自组织、多跳的方式在相互之间进行通信，并将数据信息传送到汇聚节点（sink节点），最终由汇聚节点通过Internet、卫星或者
24、移动通信等方式将数据信息传送到用户终端。如果距离较远，为了提高通信可靠性，可在sink节点附近增设基站，通过基站与Internet进行连接。图1-1典型的无线传感器网络的体系结构 传感器节点通常是一个微型的嵌入式系统，通过携带能量有限的电池供电，因此其处理能力、存储能力和通信能力比较弱。从功能上看，传感器节点具有采集、处理、发送和接收数据的功能，部分节点还兼有路由功能；节点除了进行本地信息收集和数据处理外，还要对其它节点转发来的数据进行存储、管理等处理，同时与其它节点协作完成一些特定任务。1. 一般节点传感器节点是无线传感器网络的基本功能单元，其结构主要包括传感器模块，处理器模块，射频模块和电
25、源模块等。图1-2是典型的节点结构图，其中的定位模块和移动模块为可选择性的。 传感器节点通过自带传感器采集周围环境信息，经过简单的数据处理、融合，通过射频模块将其发射出去。节点体积小，电源能量小，所以选择低功耗设计是很必要的。2. 汇聚（sink）节点汇聚节点，也称为网关（sink）节点，它比一般节点具有更高的电能，更强的发射能力，更高级的数据融合能力。它的作用是将传感器网络所采集到的有用信息通过无线方式传送给基站，进而通过Internet、卫星或移动通信等方式传送到用户终端。图1-2 典型的节点结构 3.基站 由于节点能量有限，无法将采集到的大量数据传送到远方的控制计算机，所以需要在传感器网
26、络附近设置基站。如果把整个无线传感器网络比喻成一个交通网络，那么基站就好比加油站，它的主要作用是给信息传递补充能量，将汇聚节点的数据信息可靠地传输到用户终端。同时，它还具有一个本地数据库的副本来缓存最新的传感器数据。4.用户终端 传感器网络所采集的数据信息最终都将被送到用户终端，进行更深层次的分析、处理，这样采集到的数据才能够得以应用，作为反馈来控制整个系统，使系统工作得更为精确、实时。同时，工作人员还可以通过终端计算机对远程信息进行观察、对比，以做出合理的操作控制。1.2.2 WSN的协议栈结构 典型的WSN协议栈结构图如图1-3所示。该协议栈包括物理层（physical layer）、数据
27、链路层（data link layer）、网络层（network layer）、传输层（transport layer）和应用层（application layer），分别与互联网协议栈4的五层协议相对应。同时，WSN协议栈还包括能量管理平台、移动管理平台和任务管理平台。这些管理平台使得传感器节点能够按照能源高效的方式协同工作，在节点移动的传感器网络中转发数据，并支持多任务和资源共享。各层协议和平台的功能如下：图1-3 无线传感器网络协议栈结构图 l 物理层：负责数据的调制发送与接收，本层的设计直接影响到电路的复杂度和传输能耗等问题，设计原则应该使节点尽量低成本、低功耗和小体积。l 数据链路层
28、：负责数据流的多路复用、数据帧检测、媒体介入和差错控制等，保证了无线传感器网络传输线路的可靠连接。l 网络层：主要负责路由的生成和选择。无线传感器网络的网络层设计是以数据为中心，我们不会关注某个具体节点的观测数据，而是关心某个区域的观测数据。以数据为中心的特点要求WSN能够脱离传统的网络寻址过程，快速有效地组织起各个节点的信息并融合提取出有用信息直接传送给用户。l 传输层：主要是对数据流进行传输控制，协作维护数据流，是保证通信服务质量的重要部分。我们最熟悉的TCP协议设计思想是基于属性的命名机制，对于WSN并没有太大的现实意义；适合无线传感器网络的传输层协议更类似于UDP。l 应用层：根据应用
29、要求的不同，包括一系列基于监测任务的应用软件。l 能量管理平台：主要对节点的能量进行分配，以达到节约能量。l 移动管理平台：记载节点的移动，维护汇聚节点的路由，使得节点能够动态跟踪其邻居节点的位置。l 任务管理平台：主要用来平衡和调度监测区域内的监测任务。 随着研究的进展，后来人们又提出了改进的WSN协议栈模型，其结构图如图1-45所示。图1-4 改进的WSN协议栈模型 相对原始模型（图3）来说，“时间同步和定位”既要依赖于数据传输通道进行协作定位和时间同步协商，同时又要为网络协议各层提供信息支持。“服务质量”（Quality of Service，简称QoS）管理在各协议层设计队列管理、优先
30、级机制或者带宽预留等机制，并对特定应用的数据给予特别处理。“拓扑控制”利用物理层、数据链路层或网络层完成拓扑生成，反过来又为它们提供基础信息支持，优化MAC协议和路由协议的协议过程，提高协议效率，减少网络能量消耗；网络管理要求协议各层嵌入各种信息接口，并定时收集协议运行状态和流量信息，协调控制网络中各个协议组件的运行。1.2.3 WSN特点及其关键问题无线传感器网络是新一代传感器网络，有着鲜明的特点： （1）电源能量有限。节点一般采用自带电源供电，由于它体积小，所带电能有限，一旦耗完，节点就失去了工作能力。所以，在硬件设计方面应尽量选用低功耗的器件，在软件方面应采用优化的程序和通信协议，以保证
31、电能的充足，延长节点的寿命。（2）无中心、动态拓扑。WSN没有明确的中心，各个节点之间是对等的；任何节点都可以随时加入或退出网络，而不会影响其它节点的有效性，只是整个网络的拓扑结构会随之而动态变化。（3）多跳、自组织。WSN中无需借助于其它辅助设备，完全由各个节点通过预设的协议和算法自行组织，在相互之间进行多跳转发数据，快速形成通信网络。同时，节点间通信采用短距离多跳方式比长距离少跳方式省电，对整个网络的性能更有利。（4）节点数量多，分布范围广。为了满足探测的需要，需要在被探测区域投入大量的节点，来监测环境信息。只有这样才能在监测范围内尽可能多、尽可能准确地获取有价值信息。因而，一般WSN包含
32、的节点数量非常之多，分布范围之广。 另外，WSN的特点也决定了它在技术上面临着一些挑战，存在着几个关键问题： 能量管理问题。WSN可靠工作的首要前提是有足够的电能，它决定了WSN能否可靠地工作。传感器传输信息比执行计算更消耗电能，因而构成合理的拓扑通信网络尤为重要。好的能量管理机制，能更好地延长传感器网络的生存周期。 网络拓扑控制。对于自组织的传感器网络而言，网络拓扑控制具有特别重要的意义。良好的网络拓扑结构，不仅能够提高路由协议和通信效率，而且能够节省能量，延长整个网络的生存周期。因此，网络拓扑控制也是关键问题之一。 带宽有限。WSN中无限通信带宽一般都很低，如果考虑冲突、噪声等外界干扰，有
33、效带宽会更低。为了可靠地传输数据，足够的带宽设计是一个关键问题。 安全性差。WSN一般分布于环境恶劣的场所，由于采用无线信道、有限电源、分布式控制等技术，它更加容易受到入侵，保密性差。因此，WSN一般具有较差的鲁棒性，需要好的安全设计措施。 健壮性。传感器网络特别适合部署在恶劣环境中，因而要求传感器节点有很好的抗损坏能力，要求传感器网络有很好的自适应性、高强壮性和容错性。1.2 几种常用的无线通信技术 1.3.1 蓝牙技术1994年，L.M. Ericsson公司与IBM、Intel、Nokia和Toshiba四家公司一起组成了一个SIG（Special Interest Group,特别兴趣
34、集团）联盟，开发了一个无线标准，将计算机和通信设备或者附加部件通过短距离、低功耗、低成本的无线电波连接起来，这个项目被称为蓝牙（Bluetooth）。蓝牙技术工作在ISM（Industrial Scientific Medical，工业 科学 医学）的2.4GHz频段上，一般通信距离为10米左右，传输速率为1Mbps。它能够在手机、笔记本，台式电脑、PDA等通信设备间进行数据传输，使用方便，并且全球通用。有关蓝牙技术的更多信息参考文献6。1.3.2 红外技术1993年，多家厂商成立了红外数据协会（IrDA：Infrared Data Association），统一了红外技术标准。红外技术采用红
35、外线的0.85mm波段，最大通信距离为10米，最大通信角度为30，它的最大传输速率可达16Mbps。 红外技术具有工作原理简单，功耗小，成本低，安全性好，保密性高，无电磁干扰，无须政府批准频带等优点。但是它不能穿透固体物质，传输距离有限，而且只能够实现点到点的直线传输，这些缺点限制了它的推广应用。1.3.3 ZigBee技术 2002年，ZigBee联盟正式成立。2003年，IEEE正式发布了该项技术物理层和MAC层所采用的标准协议，即IEEE 802.15.4标准；2004年12月，ZigBee联盟正式发布了该项技术标准。 ZigBee是一种经济、高效、低数据速率（250kbps）、工作在2
36、.4GHz和868/928MHz的无线技术，用于个人区域网和对等网络。2.4GHz频段的ZigBee分为16个信道，数据传输速率为250 kbps，免费全球通用。868/928MHz频段的ZigBee分为10个信道和1个信道，传输速率分别为40 kbps和20 kbps，分别为欧洲和美国所使用。 由于ZigBee价廉、短距离、低功率的无线通信特点，它一直占据着无线通讯市场。特别在无限传感器网络方面，ZigBee有着十分广泛的应用，本文后边将会对ZigBee在WSN中的应用具体阐述。1.3.4 Wi-Fi技术Wi-Fi（Wireless Fidelity，无线相容性认证）的正式名称是IEEE80
37、2.11b，是由Wi-Fi联盟所制订。它是无线局域网（WLAN）IEEE802.11标准的一种。802.11a定义了一个在5GHz ISM频段上，数据传输速率可达54Mbps；802.11b定义了一个在2.4GHz的ISM频段上，数据传输速率高达11Mbps。 目前，Wi-Fi技术尤其火热，手机Wi-Fi是一个热潮。大量的智能手机现身市场，通过其Wi-Fi技术吸引了众多买家。无线路由也开始使用Wi-Fi，其覆盖范围可达100米左右，远远超过了蓝牙技术。另外，Wi-Fi也开始进军无线传感器网络，并且有着很大优势，但是此应用才刚刚开始，仍需进一步发展。1.3.5 RFID技术 RFID(Radio
38、 Frequency Identification)，即射频识别，俗称电子标签。RFID射频识别是一种非接触式的自动识别技术，它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，识别工作无须人工干预，可工作于各种恶劣环境。RFID技术可识别高速运动物体并可同时识别多个标签，操作快捷方便。RFID技术被广泛用于物流管理、生产制造与装配、快递包裹处理、文档追踪、图书馆管理、运动计时、电子门票、道路自动收费、野生动物标识等方面。1.3.6 HomeRF技术1997年，美国家用射频委员会领导组成了HomeRF（Radio Frequency）工作组。它推出的HomeRF标准集成了语音和数据传送技术，工作频段
39、为10GHz，数据传输速率可达100Mbps，在WLAN的安全性方面主要考虑访问控制和加密技术。当进行数据通信时，采用IEEE802.11规范中的TCP/IP传输协议；当进行语音通信时，则采用数字增强型无绳通信标准。使用范围有很大局限性，大多用在家庭网络中。1.3.7 UWB技术UWB(Ultra-Wideband)超宽带技术，是一种无载波通信技术，利用纳秒至微微秒级的非正弦波窄脉冲传输数据。它在10米左右的范围内能实现数百Mbps至数Gbps的数据传输速率，它工作在3.1 - 10.6 GHz频段。相对其它几种无线通信技术，UWB具有抗干扰性能强、传输速率高、带宽极宽、消耗电能小、发送功率小
40、等优点，主要应用于室内通信、高速无线LAN、家庭网络、无绳电话、安全检测、定位、雷达等领域。1.3.8 几种无线通信技术对比上文介绍了7种重要的短距离无线通信技术，为了更好的分析对比它们各自的优缺点，表1-1列举了它们的主要参数：由列表数据对比得出结论：对于无线传感器网络试验性研究来说，Wi-Fi优势明显，但是这项应用才刚起步，而且造价比较昂贵，一般性研究支付不起;UWB传输速率高，功耗低，但是也是价格昂贵；红外由于传输定向性强特点，不太适合；蓝牙也是比较昂贵，并且传输距离太小；RFID技术已经比较成熟，但是与WSN结合还没有开展开，仍需等待；HomeRF更适合于家庭网络；而对于ZigBee技
41、术来说，最适合于WSN，成本不是很高，而且硬件产品、模型、协议等都比较简单，易于开发。本文将对基于ZigBee的无线传感器网络进行初步研究，下文将对ZigBee技术和WSN方案进行叙述。表1-1 几种短距离无线通信技术的比较技术名称工作频段传输范围(米)传输速率（Mbps）功耗(mW)主要应用蓝牙2.4GHz1011 -100个人网络红外0.85mm1016几毫瓦透明的点到点传输ZigBee2.4GHz/868/928MHz10-100 （加强型达几千米）0.25/0.04/0.021-3传感器网络Wi-Fi2.4GHz10011100个人网络传感器网络RFID135KHz/13.56MHz/
42、 860M/960MHz/2.4G/5.8G距离多样0.2无需供电识别、计时、图书馆管理、快递管理、公路自动收费等HomeRF10GHz501-21000以下家庭网络UWB3.1 - 10.6 GHz小于10数百Mbps至数Gbps1以下家庭、检测、定位、探距等1.4 本文结构组织第一章对无线传感器网络的背景、体系结构、协议栈、特点等方面进行了介绍，并比较了几种重要的无线通信技术。第二章对ZigBee/IEEE802.15.4的特点、体系结构、网络配置、组网、路由等方面进行了介绍。第三章对基于ZigBee的无线传感器网络的硬件部分进行了设计。第四章对基于ZigBee的无线传感器网络的软件部分进
43、行了设计，并通过两个实验，来验证所设计系统的可靠性和可行性。第五章提出了几种基于ZigBee的无线传感器网络的应用，并对全文进行总结和展望。1.5 本章小结本章首先对无线传感器网络的起源、应用前景和发展状况进行了简单介绍。接着从体系结构、协议栈结构、特点及其关键问题等方面对无线传感器网络进行了概述。另外，本章还介绍了几种重要的短距离无线通信技术，并对它们做了对比分析。 最后，本章对全文的文章组织和结构进行了介绍，对全文起到了提纲挈领的作用，使文章的内容更加清晰、一目了然。第二章 ZigBee/IEEE802.15.4技术标准2.1 ZigBee/IEEE802.15.4技术概述ZigBee技术
44、的名字源自蜂群（Bee）在发现花粉时，通过跳ZigZag形舞蹈来告知同伴，达到交换信息的目的，也就是说蜜蜂依靠这样的方式构成了群体中的通信网络。后来人们就将这种低功耗、低成本、低复杂度、低速率的近距离无线网络通信技术成为ZigBee技术。ZigBee技术是一种具有统一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、安全层和应用层由ZigBee联盟7制定。根据IEEE802.15.4标准，ZigBee的工作频段分为3个频段，分别为868MHz，915MHz和2.4GHz。其中2.4GHz频段，分为16个频段，该频段为全球通用的工
45、业、科学、医学（ISM，Industrial Scientific and Medical）频段，该频段为免费、免申请的无线电频段，数据传输速率为250kbps，采用偏移四相相移键控调制技术（OQPSK）；另外两个频段868、915MHz分别适用于欧洲和美国，其相应的信道个数分别为1个信道和10个信道，传输速率分别为20kbps和40kbps，分别采用直接序列扩频技术(DSSS)和二进制相移键控(BPSK)调制技术。在组网性能上，ZigBee可以构造成星形网络或者点对点对等网络，在每一个ZigBee组成的无线网络中，连接地址码分为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
46、和264个，具有较大的网络容量。ZigBee采用载波侦听多路访问/冲突避免 (CSMA/CA)方式，有效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，建立了完整的应答通信协议。为保证ZigBee设备之间通信数据的安全保密性，ZigBee技术采用了三级安全性措施，对所传输的数据信息进行加密处理。2.2 ZigBee技术特点相对其它无线通信技术，ZigBee技术有着鲜明的特点：l 低功耗。这是ZigBee技术最为显著的一个特点，由于它采用了休眠-唤醒机制，大大减少能量消耗，两节5号电池可支持一个节点6-24个小时。现在，TI公司和德国的Micropelt公司共同推出新能源的Zigbee节点，该节点采用Micropelt公司的热电发电机给TI公司的Zigbee提供电源。l 低成本。ZigBee作为WSN的一种重要技术，成本低是它的一大优势，每个 ZigBee芯片的成本最低能达到十几元人民币，并且ZigBee免协议专利费，这为ZigBee技术的开发研究和发展奠定了很好的基础。l 传输速率低。Zigb