低功耗zigbee無線傳感器網絡通信分析研究畢業論文(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 外研究概況，最后指出課題的研究目的和意義以及本文的主要研究內容。第二章介紹無線傳感器網絡技術。首先介紹無線傳感器網絡特征和關鍵技術等。其次提出了無線傳感器網絡的設計原則。第三章介紹 ZigBee 技術的概念和特點，協議棧結構，與其它無線網絡的區別，ZigBee 無線網絡的組網和路由研究，最后介紹 ZigBee 技術的應用。第四章為基于 ZigBee 技術的無線傳感器網絡平臺的硬件概述。硬件部分分別介紹了各個模塊的功能和特點。第五章為基于 ZigBee 技術的無線傳感器網絡平臺的軟件設計。首先介紹了各種軟件環境，其次研究了實際中關鍵問題的處理方法。第六章為結論與展望，并提出進一步的研究工作。2 無線傳感器網絡 無線傳感器網絡的系統構架無線傳感器網絡的系統構架如圖 所示，通常包括傳感器節點(sensor node)、匯聚節(sink node)和管理節點 (manager node)【4】 。圖 無線傳感器網絡系統構架在圖 中，大量傳感器節點密布于整個被觀測區域中，通過自組織的方式構成網絡。傳感器節點在對所探測到的信息進行初步處理之后，以多跳中繼的方式將其傳送給匯聚節點，然后經衛星、互聯網等途徑到達最終用戶所在的管理節點。最終用戶也可以通過管理節點對無線傳感器網絡進行管理和配置、發送檢測任務或是收集回傳數據。傳感器節點通常是一個嵌入式系統，由于受到體積、價格、電源供給等因素的限制，它的處理能力、存儲能力相對較弱，通常距離也很有限，通常只與自身通信范圍內的鄰居節點交換信息。訪問通信范圍以外的節點，必須使用多跳路由。為了保證采集到的信息能夠通過多跳送到匯聚節點，節點的分布要相當密集。從網絡功能上看，每個傳感器節點都具有信息采集和路由雙重功能，除了進行本地信息收集與處理外，還要存儲、管理和融合其它節點轉發過來的數據，同時與其它節點協作完成一些特殊任務。匯聚節點通常具有較強的處理、存儲和通信能力，它既可以是一個具有足夠能量供給和更多內存資源與計算能力的增強型傳感器節點，也可以是一個帶有無線通信接口的特殊網關設備。匯聚節點連接傳感器節點與外部節點，通過協議轉換實現管理節點與傳感器網絡之間的通信，把收集到的數據信息轉發到外部網絡上，同時發布管理節點提交的任務。 無線傳感器網絡的體系結構無線傳感器網絡的體系結構由分層的網路通信協議、網絡管理平臺以及應用支撐平臺 3 個部分組成，如圖 所示 [4]。圖 無線傳感器網絡的體系結構(1)分層的網絡通信協議類似于傳統 Inter 網絡中的 TCP/IP 協議體系，它由物理層、數據鏈路層、網絡層、傳輸層和應用層組成：1)物理層。無線傳感器網絡的物理層負責信號的調制和數據的收發，所采用的傳輸介質有無線電、紅外線和光波等。2)數據鏈路層。無線傳感器網絡的數據鏈路層負責數據成幀、幀檢測、媒體訪問和差錯控制。其中，媒體訪問協議保證可靠的點對點和點對多點通信；差錯控制則保證源節點發出的信息可以完整無誤的到達目標節點。3)網絡層。無線傳感器網絡的網絡層負責路由發現和維護。通常，大多數節點無法直接和網關通信，需要通過中間節點通過多跳路由的方式將數據傳送至匯聚節點。4)傳輸層。無線傳感器網絡的傳輸層負責數據流的傳輸控制。主要通過匯聚節點采集傳感器節點中的數據信息，并使用衛星、移動通信網絡、Inter 或者其它的鏈路與外部網絡通信。(2)網絡管理平臺主要是對傳感器節點自身的管理以及用戶對傳感器網絡的管理。它包括的拓撲控制、服務質量管理、能量管理、安全管理、移動管理和網絡管理等。1)拓撲控制。為了節約能源，某些傳感器節點會在某些時刻進入休眠狀態，這導致網絡拓撲結構不斷變化，因為需要通過拓撲控制技術管理各節點狀態的轉換，使網絡保持暢通，數據能夠有效傳輸。拓撲控制利用鏈路層、路由層完成拓撲生成，反過來又為它們提供基礎信息支持，優化 MAC 協議和路由協議，降低能耗。2)服務質量管理。服務質量(QoS)管理在各協議層設計隊列管理、優先級機制或者寬帶預留等機制，并對特定應用的數據進行特別處理。它是網絡與用戶之間以及網絡上互相通信的用戶之間關于信息傳輸與共享的質量約定。為滿足用戶的要求，無線傳感器網絡必須能夠為用戶提供足夠的資源，以用戶可接收的性能指標工作。3)能量管理。在無線傳感器網絡中，電源能量是各個節點最寶貴的資源。為了使無線傳感器網絡的使用時間盡可能的長，需要合理、有效的控制節點對能量的使用。每個協議層中都要增加能量控制代碼，并提供給操作系統進行能量分配決策。4)安全管理。由于節點隨機部署、網絡拓撲的動態性以及無線信道的不穩定，傳統的安全機制無法在無線傳感器網絡中適用，因此需要設計新型的無線傳感器網絡安全機制，這需要采用擴頻通信、接入認證、鑒權、數字水印和數據加密等技術。5)移動管理。在某些無線傳感器網絡應用環境中節點可以移動，移動管理用來檢測和控制節點的移動，維護到匯聚節點的路由，還可以使傳感器節點跟蹤其鄰居節點。6)網絡管理。網絡管理是對無線傳感器上的設備及傳輸系統進行有效監視、控制、診斷和測試所采用的技術和方法。它要求協議各層嵌入各種信息接口，并定時收集協議運行狀態和流量信息，協調控制網絡中各個協議組件的運行。(3)應用支持平臺建立在分層網絡通信協議和網絡管理技術的基礎之上，它包括一系列基于檢測任務的應用層軟件，通過應用服務接口和網絡管理接口來為終端用戶提供具體的應用支持。1)時間同步。無線傳感器網絡的通信協議和應用要求各節點間的時鐘必須保持同步，這樣多個傳感器節點才能相互配合工作。此外，節點的休眠和喚醒也需要時鐘同步。2)定位。節點定位是確定每個傳感器節點的相對位置或絕對位置，節點定位在軍事偵察、環境監測、緊急救援等環境中尤為重要。3)應用服務接口。無線傳感器網絡的應用是多種多樣的，針對不同的應用環境，有各種應用層的協議，如任務安排和數據分發協議、節點查詢和數據分發協議等。4)網絡管理接口。主要是傳感器管理協議，用來將數據傳輸到應用層。 無線傳感器網絡的關鍵技術無線傳感器網絡作為當今信息領域的研究熱點，涉及多學科交叉，所需要研究的內容可分為 4個部分：網絡通信協議、核心支撐技術、自組織管理和開發與應用。每個部分都有許多關鍵技術需要研究和解決 【4】 。(1)網絡通信協議由于傳感器節點能源能量的限制，其計算、存儲和通信能力十分有限，每個節點只能獲取到局部網絡的信息。因而節點上運行的網絡協議不能太復雜；同時，無線傳感器網絡的拓撲結構和外界環境的不斷變化，也對網絡通信協議的設計提出了更高要求。傳感器網絡的通信協議包括物理層、數據鏈路層、網絡層和傳輸層 4 個層次。它們相互配合運行，使得若干個獨立的傳感器節點能夠形成一個多跳的動態的數據收集網絡。(2)核心支撐技術無線傳感器網絡里的核心支撐技術使用網絡通信協議提供的服務，并通過服務接口來屏蔽底層網絡的細節，使終端用戶可以方便的對無線傳感器網絡進行操作。無線傳感器網絡依靠這些豐富的核心支撐技術構成了一個具體的面向應用的網絡系統。無線傳感器網絡的核心支撐技術包括拓撲控制、節點定位、時間同步、網內信息處理和網絡安全等。(3)自組織管理多變的網絡狀況及環境要求無線傳感器網絡具有自組織的能力，能夠自動組網運行，自行配置維護，適時轉發檢測數據。自組織網絡技術使用網絡通信協議提夠的服務，通過網絡管理接口來屏蔽底層網絡的細節，使終端用戶可以方便的管理配置無線傳感器網絡。無線傳感器網絡的自組織管理技術包括節點管理、資源與任務管理、數據管理、初始化與系統維護管理等。(4)開發與應用作為一種服務于實際應用的網絡技術，無線傳感器網絡還有有一套現實可行的軟硬件設計原則、高效的開發平臺以及一系列別具特色的應用實例。 無線傳感器網絡的設計原則一個傳感器網絡的設計是受到很多因素影響，其中包括容錯性、伸縮性、生產成本、部署環境、網絡拓撲結構、硬件的限制、傳輸介質、功耗等。這些因素都是在設計一個無線傳感器網絡協議或算法時應該考慮的重要因素 【5】 。(1)容錯性傳感器節點可能由于電池耗盡、物理損害或環境干擾等因素導致不能正常工作，無線傳感器網絡要求不能因為某個或某些傳感器節點出現故障而導致整個網絡癱瘓，這就是無線傳感器網絡的可靠性或容錯性問題。傳感器節點的可靠性或者容錯性滿足泊松分布，因此，在無線傳感器網絡協議和算法設計時必須考慮容錯性需求。如果傳感器節點部署的環境干預比較小，那么對容錯性的要求相對比較低。例如，如果傳感器節點被部署在房子追蹤濕度和溫度水平，由于這種無線傳感器網絡不易受干擾或破壞，所以容錯的要求低。如果傳感器節點被部署在戰場偵察、探測戰場信息，因為在這種情形下，數據非常重要，而且傳感器節點可能被人為破壞，所以對容錯的要求就非常高。(2)伸縮性部署在監測區域附件的傳感器可能成百上千，在有些應用中甚至更多。因此無線傳感器網絡設計的協議或算法必須能夠處理大量節點的情況。另外，還要求能利用無線傳感器網絡這種高密度的特性來優化。在部署傳感器節點時，可能在直徑不到 10M 的區域內，傳感器節點的少則幾個節點，多則幾百個節點。如在機器診斷的應用中，傳感器節點密度大約是在 5x5 平方米區域內有 300 個傳感器節點，而對車輛跟蹤應用中，節點密度大約為一個監測區域內有 10 個傳感器節點。動物棲息地監測應用中，每個監測區域的傳感器節點數目從 25 至 100 個不等 【6】 。(3)網絡拓撲控制在無線傳感器網絡中，傳感器節點是體積微小的嵌入式設備，采用能量有限的電池供電，它的計算能力和通信能力都十分有限。所以除了要設計能量高效的 MAC協議、路由協議以及應用層協議外，還要設計優化的網絡拓撲控制機制。對于自組織的無線傳感器網絡而言，網絡拓撲控制對網絡性能的影響很大。良好的網絡拓撲結構控制機制能夠提高路由協議和 MAC 協議的效率，為數據融合、時間同步和目標定位等很多方面提供基礎，有利于延長整個網絡的生存時間。因此，網絡拓撲控制是無線傳感器網絡中的一個基本問題。在無線傳感器網絡中，網絡拓撲結構控制和優化有著十分重要的意義，主要表現在以下幾個方面：1)影響整個網絡的生存時間。無線傳感器網絡的節點一般采用電池供電，節省能量是網絡設計主要考慮的問題之一。網絡拓撲控制的一個重要目標就是在保證網絡連通性和覆蓋度的情況下，盡量合理高效地使用網絡能量，延長整個網絡的生存時間。2)減小節點間通信干擾，提高網絡通信效率。無線傳感器網絡中節點通常密集部署，如果每個節點都以大功率進行通信，會加劇節點之間的干擾，降低通信效率，并造成節點能量的浪費。另一方面，如果發射功率選擇太小，會影響網絡的連通性。因此，網絡拓撲控制中的功率控制技術是解決整個矛盾的重要途徑之一。3)為路由協議提供基礎。在無線傳感器網絡中，只有活動的節點才能夠進行數據轉發，而網絡拓撲控制可以確定由哪些節點作為轉發節點，同時確定節點之間的鄰居關系。4)影響數據融合。無線傳感器網絡中的數據融合是指傳感器節點將采集的數據發送給骨干節點，骨干節點進行數據融合，并把融合結果發送給數據收集節點。而骨干節點的選擇是網絡拓撲控制的一項重要內容。5)彌補節點失效的影響。傳感器節點可能部署在惡劣環境中，在軍事應用中甚至部署在敵方區域中，所以很容易遭到破壞而失效。這就要求網絡拓撲結構具有魯棒性以適應這種情況。無線傳感器網絡拓撲控制主要研究的問題是在滿足網絡覆蓋度和連通度的前提下，通過功率控制和骨干節點選擇，剔除節點之間不必要的通信鏈路，形成一個數據轉發的優化網絡結構。具體地講，無線傳感器網絡中拓撲控制按照研究方向可以分為兩大類：節點功耗控制和層次性拓撲結構組織。目前在功率控制方面，已經提出了 COMpow 等一系列功率分配算法，LINT/LILT 和 LMN/LMA 等基于節點密度的算法，CBTC 、LMST 、 RNG、DRNG 和 DLSS 等基于臨近圖的近似算法。在層次型拓撲控制方面，提出了 TopDisc 成簇算法，改進的 GAF 虛擬地理網格分簇算法，以及 LEACH 和 HEED 等自組織成簇算法。但是,這些算法往往考慮不夠全面，只是針對網絡拓撲的某一方而進行優化設計。(4)功耗在無線傳感器網絡中，傳感器節點是體積微小的嵌入式設備，采用能量有限的電池供電。在某些應用中，電池是不可更換的。所以，傳感器節點的壽命很大程度上依賴于電池的壽命。在一個多跳的無線傳感器網絡中，每個節點同時充當采集數據和轉發數據雙重角色，少數幾個節點出現故障可能導致網絡拓撲結構的變化，從而引起重新計算路由和重新組織網絡拓撲。因此，節能和能量管理是無線傳感器網絡非常重要的研究課題，目前很多研究人員在研究能量敏感的無線傳感器網絡協議和算法 [7]。3 ZigBee 技術 ZigBee 技術概述ZigBee 技術是一種具有統一技術標準的短距離無線通信技術，其物理層和數據鏈路層協議為 IEEE 協議標準，網絡層和安全層由 ZigBee 聯盟制定，應用層的開發應用根據用戶自己的應用需要，對其進行開發利用。因此該技術能夠為用戶提供機動、靈活的組網方式。根據 IEEE 協議標準， ZigBee 的工作頻段分為 3 個頻段，這 3 個工作頻段相距較大，而且在各個頻段的信道數據不同。因而，該項技術標準中，各頻段上的調制方式和傳輸速率不同。它們分別為 868MHz、915MHz 和 。其中在 頻段上分為 16 個信道，該頻段為全球通用的工業、科學、醫學(ISM： Industial、Scientific and Meducal)頻段，該頻段為免付費、免申請的無線電頻段。在該頻段上，數據傳輸速率為 250kbps；另外