zigbee网络自组织结构的研究

毕业论文（设计）

Zigbee传感器网络自组织结构研究

学 生 姓 名： 朱伟 指

专 所

在

学

院： 信息工程学院

导教

师： 张妍（讲师） 业名称： 通信工程

2012年 6 月

目 录

摘要 ......................................................... I Abstract .................................................... II 第一章 前言 .................................................. 1

1.1 研究目的和意义 .................................................. 1

1.2 国内外研究现状 .................................................. 1 1.3 研究内容和方法 .................................................. 1

第二章 ZigBee技术 ............................................ 2

2.1 Zigbee技术 ...................................................... 2 2.2 Zigbee节能技术探讨 .............................................. 3 2.3 Zigbee协议栈 .................................................... 4 2.4 原语概念 ........................................................ 7 2.5 Zigbee网络数据传递机制 .......................................... 7

第三章 Zigbee传感器自组织网络节点通信 ........................ 10

3.1 Zigbee自组织网络优点 ........................................... 10 3.2 Zigbee自组织网络多跳路由通信流程 ............................... 10 3.3 通信实现的流程 ................................................. 15

第四章 Zigbee网络组网方案 .................................... 17

4.1 组网方案概述 ................................................... 17 4.2 Zigbee网络拓扑 ................................................. 17 4.3 Zigbee组网流程 ................................................. 20 4.4 Zigbee树路由算法 ............................................... 22

第五章 ZigBee传感器自组织网络在机电监测系统中的应用 .......... 26

5.1 基于Zigbee传感器网络的机电监测系统的构建 ...................... 26 5.2 Zigbee传感器节点的设计和测量点的选择 ........................... 28 5.3 基于Zigbee传感器的机电监控系统自组织网络拓扑结构 .............. 28 5.4 Zigbee传感器节点数据传输流程 ................................... 29

第六章 结论与建议 ........................................... 31 致谢 ........................................................ 32 参考文献 .................................................... 33

大连海洋大学本科毕业论文（设计） 摘要 摘要

由于Zigbee技术具有低功耗、低成本、低速率、近距离和网络容量大等特点，Zigbee技术在近年来得到了快速的发展。Zigbee网络包含两种功能类型的设备：全功能设备FFD(Full Function Device)和精简功能设备RFD(Reduced Function Device)，支持星状网(Star Network)、树状网(Cluster tree Network)和网状网(Mesh Network)三种网络拓扑结构。

本论文前两章主要介绍了Zigbee技术的概念、由来、特点，并对Zigbee技术协议架构和Zigbee无线传感网络体系结构进行了较为深入的研究分析。第三章主要介绍了Zigbee传感器自组织网络节点通信的原理。第四章从网络拓扑结构、组网算法方面介绍了基于Zigbee技术的运用。第五章将基于Zigbee传感器自组织网格网络具体应用于机电监测系统中，构建了一个分层分布式监测网络。

关键词：Zigbee，组网方案，组网算法，网格网络

I

大连海洋大学本科毕业论文（设计） Abstract Abstract

Zigbee is developing at a high speed as it has the following key features：low power, low cost，low data rate，short distance and large network capacity．Zigbee network contains 2 kinds of function devices：full function device(FFD) and reduced function device(RFD)，supports 3 kinds of network topology：Star network, Cluster tree network and mesh network．

In the first two chapters, this paper has a introduction of the characteristics, the origin and the concept of Zigbee technology ,and has a more in-depth analysis about Zigbee technology architecture and the structure of Zigbee protocol wireless sensor network．In the third chapter ,the node communication of self-organizing Zigbee network is given．In the fourth chapter, it will introduce the application of Zigbee technology based on the network topology and network algorithm．In Chapter five the mesh network technology based on Zigbee will be used in mechanical and electrical specific monitoring system, building a hierarchical distributed monitoring network．

Keywords: Zigbee, network topology, network algorithm, mesh network

II

大连海洋大学本科毕业论文（设计） 第一章 前言 第一章 前言

1.1 研究目的和意义

Zigbee网络具有低成本、低功耗、低速率、近距离、短时延、高容量、高安全及免执照频段等特点。在短距离、低功耗且传输速率要求不高的各种电子设备之间，完成周期性数据、间歇性数据和低反应时间数据的传输，比较适合采用Zigbee网络来实现。

Zigbee作为一种如此有生命力的短距离通信技术，根据Zigbee联盟所定义的标准，如果能够实现协议库的封装及模块化，使得协议在不同的硬件平台间，不同的应用系统间的能够便捷移植，是一件非常有意义的事情，这将给我们解决Zigbee实际应用中的问题带来更大的自由度和选择性。

1.2 国内外研究现状

Zigbee作为一种新兴的国际标准短距离无线通信协议，协议栈体系结构是基于标准七层开放式系统互联参考模型(OSI)，IEEE802.15.4-2003标准定义了下面的两层：物理层和媒体接入控制子层；网络层、应用汇聚层、应用层由Zigbee联盟制订。联盟所制订的规范也得到了广泛的应用。

在工业领域，利用传感器和Zigbee网络，使得数据的自动采集、分析和处理变得更加容易。例如危险化学成分的检测，火警的早期检测和预报。

在农业领域，采用了传感器和Zigbee网络以后，农业将可以逐渐地转向以信息和软件为中心的生产模式，使用更多的自动化、网络化、智能化和远程控制的设备来耕种。传感器可能收集包括土壤湿度、氮浓度、空气湿度和气压等信息[1]。这样农民能够及早而且准确地发现问题，从而有助于保持并提高农作物的产量。

消费和家用自动化市场是Zigbee技术最有潜力的市场。据估测，每个家庭需要100到150个Zigbee设备[2]。可以联网的家用设备包括电视、录像机、门禁系统、窗户和窗帘、照明设备、空调系统和其他家用电器等。

1.3 研究内容和方法

论文结构安排如下：

第一章 介绍了Zigbee技术概况和目前国内外研究概况。

第二章 讲述了Zigbee技术的概念、由来、特点，并对Zigbee技术协议架构和Zigbee无线传感网络

体系结构进行了较为深入的研究分析。

第三章 主要分析了Zigbee传感器自组织网络节点通信的原理。 第四章 从网络拓扑结构、组网算法方面介绍了基于Zigbee技术的运用。

第五章 将基于Zigbee传感器自组织网格网络具体应用于机电监测系统中，构建了一个分层分布式

监测网络。

第六章 结论与建议：对本文工作做出总结，并展望今后的工作。

1

大连海洋大学本科毕业论文（设计） 第二章 Zigbee技术 第二章 ZigBee技术

2.1 Zigbee技术

2.1.1 Zigbee技术由来

现在，有许多的协议标准来定义声音、视频以及PC局域网等领域的数据传输，然而却没有一个协议能适合无线网络中传感和控制设备通信的特定的需求。传感和控制设备的通信并不需要高的带宽，但是他们要求低的反应时间，非常低的能量消耗，以及大范围的设备分布。

许多无线设备生产者已开始致力于解决无线网络的问题，出现了许多的通信协议，但这些协议并不能完全适应无线传感器网络的要求。Zigbee协议正是继承了以往协议的优势，为无线网络中传感和控制设备之间的通信提供了一个极好的解决标准。

2.1.2 Zigbee联盟

Zigbee联盟成立于2001年8月。2002年下半年英国Invensys公司、日本三菱电气公司、美国摩托罗拉公司以及荷兰飞利浦半导体公司四大巨头共同宣布，它们将加盟“Zigbee联盟”，研发名为“Zigbee”的下一代无线通信标准，这一事件成为该项技术发展过程中的里程碑。

2.1.3三种无线协议的比较

(1)Zigbee与IEEE802.11b及蓝牙技术的比较：

表1 三种通信协议的比较

特征 IEEE802.11b Bluetooth 1星期 非常复杂 7 10秒 10米 不能 1Mbps

Zigbee 1年以上 简单 64000 30毫秒 70米 可以 250Kbps

能量持续 复杂程度 节点数 反应时间 有效范围 扩展能力 数据传输率

数小时 复杂 32 3秒 100米 可能 11Mbps

(2)Zigbee与蓝牙技术的具体比较[3]：

Bluetooth：中等的任务周期，较短的电池寿命(电池持续时间和控制单元相同)，半静态星型网络(接近7个节点)，主要针对需要中等数据传输率的仪器，高服务质量(QOS)，以及低反应时间的无线网络。

Zigbee：非常低的任务周期，很长的电池寿命，静态及动态的星型及网状结构，可以有非常多的节点单元（>>65534个），在没有网络间通信时能够保持长时间静止状态。

2

大连海洋大学本科毕业论文（设计） 第二章 Zigbee技术 总而言之，蓝牙主要应用于高QOS，多样的任务周期，中等数据传输率的平等静态，且具有有限活跃节点的无线网络中。而Zigbee则主要是应用在非常低的任务周期，低能耗，低花费的静态及动态的具有很多活跃节点的无线网络中。

2.1.4 Zigbee技术的特点

Zigbee技术的主要特点包括以下几个部分：

● 数据传输速率低。只有10k字节／秒到250k字节／秒，专注于低传输应用。

● 功耗低。在低耗电待机模式下，两节普通5号干电池可使用6个月到2年，免去了充电或者频繁更换电池的麻烦。这也是Zigbee的支持者一直引以为豪的独特优势。

● Zigbee成本低。因为Zigbee数据传输速率低，协议简单，所以大大降低了成本。且Zigbee协议免收专利费。

● 网络容量大。每个Zigbee网络最多可支持255个设备，也就是说，每个Zigbee设备可以与另外254台设备相连接。

● 时延短。通常时延都在15毫秒至30毫秒之间。

● 安全。Zigbee提供了数据完整性检查和鉴权功能，加密算法采用AES—128，同时可以灵活确定其安全属性。

● 有效范围小。有效覆盖范围10～75米之间，具体依据实际发射功率的大小和各种不同的应用模式而定，基本上能够覆盖普通的家庭或办公室环境。

● 工作频段灵活。使用的频段分别为2.4GHz、868MHz(欧洲)及915MHz(美国)，均为免执照频段。

随着研究的进一步深入，传感器将变得更小，而且功能会越来越多，最终它们的体积可能会微缩到尘埃大小，届时数以千计的微小传感器或者称为“智能尘埃”将被释放到大气中来检测任何东西。

2.2 Zigbee节能技术探讨

由于Zigbee应用的低带宽要求，Zigbee节点可以在大部分时间内睡眠，以节省电池能量，然后苏醒并迅速发送数据，然后再去睡眠。Zigbee节点可以在15毫秒或更短的时间内由睡眠模式进入活动模式，因此即使睡眠的节点也可以取得合适的低时延。同时Zigbee节省的大部分能量归功于IEEE802.15.4技术，后者本身就是为低功率而设计的。例如，IEEE802.15.4采用DSSS(直接序列扩谱)技术取代FHSS(跳频扩谱)。因为FHSS技术为了尽可能多地节省能量而采用同步跳频，这样会消耗较多的功率。

Zigbee采用一种“准备好才发送”的通信策略，它只在有数据要发送时才发送数据，然后再等待自动确认。“准备好才发送”是一种“面对面”式(in—your—face)的方案，是一种能量效率非常高的方案。而且这种“面对面”式策略导致RF干扰非常低，这主要是由于Zigbee节点具有非常低的占空因数，只偶尔发射信号且只发送小量的数据。不过Zigbee的“准备好才发送”方案并不是万能的。例如，在一个监视敌军动向的微型传感器构成的网络中，这种方案节省的能量仍可能不够用。由于每个网络节点都定期发送数据，而且数据必须经过附近其他网格式分布的节点反

3

大连海洋大学本科毕业论文（设计） 第二章 Zigbee技术 复传送，才能到达网络控制器。然而大量的数据包冲突和重复传送会浪费能量，大大缩短传感器节点的电池寿命。如果传感器电池能量非常小，这就会造成很大问题。

但Zigbee仍有很多的节能秘技。Zigbee通过减少相关处理的方式进一步节省能量。一个简单的8位处理器就可以轻松地完成Zigbee的任务，而且Zigbee协议栈占用很少内存。例如，一个功能更强的全功能设备(Full Function Device，FFD)栈需要占用大约32kb内存，然而一个精简功能设备(Reduced Function Device，RFD)栈只需要4kb内存，比它们复杂得多的蓝牙技术则需要占用大约250kb内存。Zigbee相对简单的实现也节省了费用，例如，RFD由于省掉了内存和其他电路，自然降低了Zigbee部件的成本，而简单的8位处理器和小协议栈也有助于降低成本。

2.3 Zigbee协议栈

Zigbee协议栈结构是由一些层所构成。每个层都有一套特定的服务方法和上一层连接：数据实体(Data Entity)提供数据的传输服务，而管理实体(Management Entity)提供所有别的服务类型。每个层的服务实体通过服务接入点(Service Access Point，SAP)和上一层相接。每个SAP提供大量的服务方法完成这些操作。Zigbee协议栈是基于标准的0SI七层模型，但只是在相关的范围内定义一些相应层用来完成特定的任务。IEEE802.15.4-2003标准定义了下面的两个层：物理层(PHY层)和媒介层(MAC层)。Zigbee联盟在此基础上建立起了网络层(NWK层)以及应用层(APL层)的框架（Framework)。APL层又包括应用支持子层(application support sub—layer，APS)、Zigbee的设备对象(Zigbee Device Objects，ZDO)以及制造商定义的应用对象。

Zigbee完整的协议栈结构如图1所示：

4

大连海洋大学本科毕业论文（设计） 第二章 Zigbee技术 应用层（APL层） Zigbee设备对象应用层框架 ZDO公用 接L1 应用对象240 应用对象1 （ZDO） 终端240应用支持子层数据服务接入 终端1应用支持子层数据服务接入 终端0应用支持子层数据服务接入 应用支持 应用支持子层（APS层） 安全服务提供者 APS安全管理 APS信息管理 数据反应管理 子层管理 服务接入 Z D O 管 理 网络层数据服务接入 MAC子层管网络层（NWK层） NWK安全管理 NWK信息管理 平 台 理服务接入 路由管理 网络层管理 MAC子层数据服务接入 MAC子层管理服务接入 媒介层（MAC层） PHY数据服务接入 PHY数据服务接入 物理层（PHY层） 2.4Ghz 868/915Mhz

图1 Zigbee协议栈的完整示意图

2.3.1 IEEE802.15.4的PHY层

IEEE802.15.4-2003有两个PHY层，提供两个独立的频率段：868／915MHz和2.4GHz。868／915MHz频段包括欧洲使用的868MHz的频段以及美国和澳大利亚使用的915MHz频段，2.4GHz频段则在全世界范围内使用。

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大连海洋大学本科毕业论文（设计） 第二章 Zigbee技术

2.3.2 IEEE802.15.4的MAC层

Zigbee协议栈的基础是IEEE802.15.4。IEEE802.15.4典型的数据通信类型有三种：周期性的数据（如传感器数据）、间歇性的数据（如灯开关）、重复的低反应数据（如鼠标数据）。IEEE802.15.4的MAC层足够灵活来处理这些通信数据。MAC层有两种信道访问机制：无标识(non beacon)网络和标识使能(beacon—enabled)网络。无标识网络采用标准的ALOHA·CSMA—CA方式，节点成功接收到信息包后能产生一个积极的回应。标识使能网络采用超帧结构，一方面有专用的带宽和低的反应时间，另一方面可在网络协调器设定的预定时间间隔内传输标识(beacons)。

MAC层使用标识使能功能处理周期性数据，当有标识时，传感节点就会被唤醒来检测信息，然后再返回睡眠状态。而间歇性数据可以在无标识网络中被处理或是以不连贯的方式被处理。当以不连贯方式处理时，通信则需要节省大量能量才可加入网络。低反应时间可用于保证时间分割(Guaranteed Time Slot，GTS)操作顺利进行。GTS是高服务质量(QOS)的一种方法。它允许每个设备有一个特定的间隔时间，这样每个反应帧就可自由传输而不需要反应时间。

2.3.3网络层(NWK层)

Zigbee的网络层被要求提供功能以确保IEEE802.15.4—2003的MAC子层的正确操作，并为应用层提供一个合适的服务接口。为了给应用层提供合适的接口，网络层有两个服务实体来提供必需的功能。这两个服务实体就是数据实体和管理实体。网络层数据实体(NLDE)通过相关的服务接入点(SAP)提供数据传输服务，即NLDE—SAP。网络层管理实体(NLME)通过相关的服务接入点(SAP)提供管理服务，即NLME—SAP。NLME利用HLDE完成一些管理任务和维护管理对象的数据库，通常称作网络信息库（Network Information Base，NIB)。

2.3.4应用层(APL层)

Zigbee的应用层是由应用子层（APS sub—layer）、设备对象(ZDO)(包括ZDO管理平台)以及制造商定义的应用设备对象组成。APS子层的作用是维护绑定表（绑定表作用是基于两个设备的服务和需要把它们绑定在一起，在绑定的设备之问来传输信息）。ZDO的作用是：在网络中定义一个设备的作用(如定义设备为协调器或路由器或终端设备)，发现网络中的设备并确定它们能提供何种应用服务；起始或回应绑定需求以及在网络设备中建立一个安全的连接。

2.3.5 Zigbee安全管理

Zigbee安全体系提供的安全管理主要是相称密匙保护、应用保护机制、合适的密码机制以及相关的保密措施。安全协议的执行（如密匙建立）要以Zigbee整个协议栈正确运行且不遗漏任何一步为前提。MAC层、NWK层和APS层都有可靠的安全传输机制用于它们自己的数据帧。APS层提供建立和维护安全联系的服务。而ZDO管理设备的安全政策和安全配置。

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大连海洋大学本科毕业论文（设计） 第二章 Zigbee技术 2.4 原语概念

从上面的介绍中，我们不难得知Zigbee设备在工作时，各种不同的任务在不同的层次上执行。通过层的服务，完成所要执行的任务。每一层的服务主要完成两种功能：根据它的下层服务请求，为上层提供相应的服务；另一种是根据上层的服务请求，对它的下层提供相应的服务。各项服务通过服务原语来实现。图2描述了原语基本概念：在一个具有N个用户的网络中，两个对等用户以及它们与M层(或子层)对等协议实体间建立起连接的服务原语。

服务用户（N1-User） 服务提供者 （M-layer）

服务用户（N2-User） 请求 指示 确认 响应

图2 服务原语

服务是由N用户和M层之间信息流的描述来指定的。该信息流由离散的瞬时事件构成，以提供服务为特征。每个事件由服务原语组成，它将在一个用户的某一层，并通过该层的服务接入点(SAP)与建立对等连接的用户的相同层之间传送。服务原语通过提供一种特定的服务来传输必需的信息。这些服务原语是一个抽象的概念，它们仅仅指出提供的服务内容，而没有指出由谁来提供这些服务。它的定义与其他任何接口的实现无关。由代表其特点的服务原语和参数的描述来指定一种服务。一种服务可能有一个或多个相关的原语，这些原语构成了与具体服务相关的执行命令。每种服务原语提供服务时，根据具体的服务类型，可能不带有传输信息参数，也可能带有多个必须传输信息参数。

原语通常分为如下4种类型：

(1)请求原语(request)：请求原语是从第N1用户发送到它的第M层，请求服务开始。

(2)指示原语(indication)：指示原语是从第N1用户的第M层向第N2用户发送，指出对于第N2用户有重要意义的内部M层的事件。该事件可能与一个遥远的服务有关，或者可能是由一个M层的内部事件引起。

(3)响应原语(response)：响应原语是从第N2用户向它的第M层发送，用来表示对用户执行上一条原语调用过程的响应。

(4)确认原语(confirm)：确认原语是由第M层向第N1用户发送，用来传送一个或多个前面服务请求原语的执行结果。

2.5 Zigbee网络数据传递机制

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大连海洋大学本科毕业论文（设计） 第二章 Zigbee技术 2.5.1网络寻址规定

无线网络中的数据包不但要有合乎规定的数据格式，还应该有规定的传播方式。这也就是被传输数据中所包含的目的地址设置方式。如果没有统一的寻址规定将导致网络上数据包发送和接收的混乱。

在Zigbee／IEEE802.15.4中有三种形式的数据传播方式，单播(unicast)，广播(broadcast)和组播(multicast)三种。

单播(unicast)方式，在unicast寻址的数据包中，该帧的目标地址出现在数据包的MAC层头部信息中。unicast寻址指定了目标节点的地址，即目标节点是被确定的唯一节点。单播数据过程中可以采用两种数据单播方式：直接消息传输和间接消息传输。在直接消息传输模式下，当前节点已知目的节点地址也即消息中包含目的节点的地址。而网络中消息的传递就是基于该地址来进行传输的；在间接消息传输模式下，当前转发节点对初始转发的消息目的地址是未知的，但该消息包含了其源地址、端点及中心节点（协调器）群集D，然后使用该源地址／端点通过查找中心节点内的绑定表以获取该消息的目的地址／端点。由此可见间接消息的传递必须经过中心节点即协调器。

广播(broadcast)方式[4]，在广播数据帧初始阶段中，首先将APS层数据帧中的目的地址初始化为0xffff，然后通过NWK层将MAC层的目的地址设置成0xffff。这样网络中任何处于接收使能状态的射频收发芯片都会接收该帧。在Zigbee网络中，广播业务的发起者会将广播帧传给它所有的邻居，并且在其邻居中拥有广播功能的节点将复制该广播帧，同时该广播帧传给自己的其他邻居。在广播数据帧的过程中采用了一种叫被动应答(passive-acknowledge)数据传输机制。也即具有广播能力的设备在转发广播帧的同时必须向广播发起者回复应答。该机制能够确保路由器或协调器的邻居是否转发了广播帧。

组播(multicast)方式，组播数据传输也即多点对多点的数据传输，组播方式采用16位的组代码寻址，对于组播消息，具有相同组播的所有成员设备均能接收到该组播消息。组播包含两种传播模式：成员模式与非成员模式，由组播数据帧模式标志位来区分。成员模式即组成员与组成员设备间的数据传输，非成员模式即非组成员与组成员设备问的数据传输。在目的组成员之间进行的组播传送均为成员模式。组播方式仅用于数据帧的传输而不用于命令帧的传输。

在IEEE802.15.4标准中网络寻址规定定义了两种地址模式：长地址模式，即64位的网络地址，该地址具有全球唯一性；短地址模式，即是16位的网络地址，该地址用于区域网内部通信以减少数据包的负载长度，节省传输带宽。单播、广播以及组播数据过程中均采用短地址模式。同时在MSSTATE_LRWPAN协议栈中数据传递采用的寻址方式也为单播寻址，采用的地址模式为16位短地址模式。

2.5.2网络中的数据传递机制

传输数据到终端设备和从终端设备传输数据的机制随网络类型不同而不同。在无信标的星形网络中，当终端设备想要发送数据帧时，它只需等待信道变为空闲。在检测到空闲信道条件时，它将数据帧发送到协调器。如果协调器想要将此数据发送到终端设备，它会将数据帧保存在其发

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大连海洋大学本科毕业论文（设计） 第二章 Zigbee技术 送缓冲器中，直到目标终端设备明确地来查询该数据为止。此方法确保终端设备的接收器是被开启的，而且可从协调器接收数据。

在点对点网络中，每个节点必须一直保持它们的接收器为开启状态或者同意在一个时间段内开启它们的接收器。这将允许节点发送数据帧并确保数据帧会被其它节点接收。终端设备必须查询协调器以获取其数据，而不是保持接收器开启，从而允许终端设备降低其功耗要求。根据应用的要求，在绝大部分时间内终端设备都处于休眠状态，而仅定期地唤醒设备来发送或接收数据。此方法的一个缺点就是协调器必须将所有数据帧保存在内部缓冲器中，直到目标终端设备唤醒并查询数据。如果网络包含很多休眠时间很长的终端设备，协调器就必须将数据帧保存很长时间。根据节点的数量和交换数据帧的速率，这将大幅增加协调器对RAM的需求。协调器可以根据终端设备的设备描述符有选择地决定将一个特定的数据帧保持一段长时间或短时间。

根据Zigbee规范及实际的应用，我们将消息数据传递方式分为直接消息传输与间接消息传输。在直接消息传输中，节点知道目的节点短地址，也即节点消息中指定了目的节点地址，并且带路由器的网络根据该目的地址来传递消息。在间接消息传输中，节点不知道消息的目的地址，但是节点消息中包含有标识中心节点（协调器节点）的源地址、源端点、CID，根据该标识通过绑定表来查找目的地址，以此来向目的地传递控制消息。举例来说，这就允许通过绑定的形式来建立灯与开关之间的逻辑连接，采用开关来控制灯。通过修改绑定表，协调器可以改变灯与开关之间的逻辑连接也即控制关系，这样开关可以与节点中的多个端点（灯）建立逻辑连接，也即一个开关可以控制多个灯。

在MSSTATE–RWPAN协议栈中，协调器完成所有绑定关系的处理，这样树型网络中节点产生的任何间接消息总是先传递给协调器节点，然后协调器节点再根据绑定表将该消息转发到其预定的目标节点上。再需要注意的一点是在节点入网之后以及发送间接消息之前，节点必须执行节点信息通告过程，以通知协调器节点说明该节点已经加入网络，以及确保协调器节点为该入网节点在地址映射表中建立其长地址与短地址的地址映射表项。当然如果RFD本身就是协调器节点的直接邻居，由于协调器节点中已经存在该RFD节点的地址映射表项，所以该RFD不需要执行节点通告过程，除此之外所有的其它节点必须执行该通告过程。另外，对于不是采用间接消息机制进行数据传输的节点也不用执行该节点入网通告过程。

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大连海洋大学本科毕业论文（设计） 第三章 Zigbee传感器自组织网络节点通信 第三章 Zigbee传感器自组织网络节点通信

3.1 Zigbee自组织网络优点

在自组织Zigbee网络中[5][6]，每个节点只和其临近的节点通信，从一个节点发出的数据包将根据相关协议的配置通过多跳传递方式到达目的节点，这种结构与传统网络结构相比具有较多的优势：可靠性提高，冲突减轻，维护方便，具有自组织性，多跳通信，动态性等等。自组织Zigbee网络[7]具有一定的动态性，网络中的传感器、感知对象和观察者这三要素都可能具有移动性，并且经常有新节点加入或已有节点失效。因此网络的拓扑结构会经常动态变化，传感器、感知对象和观察者三者之间的路径也随之变化，另外无线传感器网络必须具有可重构性和自调整性。网络中节点通信距离有限，一般在几百米范围内。如果希望与其射频覆盖范围之外的节点进行通信[8]，则需要通过中间节点进行路由。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。

3.2 Zigbee自组织网络多跳路由通信流程

Zigbee网络含三种类型的节点，即协调器ZC(Zigbee Coordinator)、路由器ZR(Zigbee Router)和终端设备ZE(Zigbee End Device)，其中协调器和路由器均为全功能设备(FFD)，而终端设备选用精简功能设备(RFD)。

网关：完成通过计算机发送的指令发送或接收路由节点或者传感器节点数据，并将接收到的数据发送给计算机。

协调器：一个Zigbee[7]网络仅有一个协调器，该设备负责启动网络，配置网络成员地址，维护网络，维护节点的绑定关系表等，需要最多的存储空间和计算能力。

路由器：主要实现扩展网络及路由消息的功能，扩展网络，即作为网络中潜在的父节点，在网关不能和所有的终端节点通信时，允许更多的设备接入网络，路由节点作为一种中介使网关和传感器节点通信，实现路由通信功能[9]，同时路由器具有采集传感器数据功能。路由节点只有在树状网络和网状网络中存在。

终端设备：不具备成为父节点或路由器的能力，一般作为网络的边缘设备，负责与实际的监控对象相连，这种设备只与自己的父节点主动通讯[10]，具体的信息路由则全部交由其父节点及网络中具有路由功能的协调器和路由器完成。不含网关的网络示意图如图3。

图3 自组织Zigbee网络简略

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大连海洋大学本科毕业论文（设计） 第三章 Zigbee传感器自组织网络节点通信 网络节点组件—PAN协调器：系统每个WSN均有一个PAN协调器，允许连接所有其他形式的Zigbee器件以形成网络。

路由器：路由数据；允许终端设备与其他路由器自动接入。

终端设备：连接到协调器或路由器，仅将数据发送至相关的器件，不能由其他器件自动加入，不发送数据。

（1）网络形成和节点应用绑定：建立协调器P并上电，启动网络。路由设备分别为：R1，R2，R3，R4，R5，R6。终端设备对应为：P1，P2?Pn；R11，R12?R1n；R21，R22?R2n；R31，R32?R3n；R41，R42?R4n；R51，R52?R5n；R61，R62?R6n，(n<=255)。协调器发送信标，组建网络，并将P绑定至R3，见图4；将R1绑定至R2，见图5。

R4n P1 P2 P2 Pn R2n R42 R4 R41 P R2 R22 R21 R1n R1 R12 R5 R3 R6 R51 R52 R5n R11 R3n R61 R32 R31 R6n R62

图4 网络形成

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大连海洋大学本科毕业论文（设计） 第三章 Zigbee传感器自组织网络节点通信 R4n P1 P2 P2 Pn R2n R42 R4 R41 P R2 R22 R21 R1n R1 R12 R5 R3 R6 R51 R52 R5n R11 R3n R61 R32 R31 R6n R62

图5 节点应用绑定

（2）节点间多跳路由通信：R4通过多跳和R5进行路由通信，见图6；R6通过多跳和R3进行路由通信，见图7。

R4n P1 P2 P2 Pn R2n R42 R4 R41 P R2 R22 R21 R1n R1 R12 R5 R3 R6 R51 R52 R5n R11 R3n R61 R32 R31 R6n R62

图6 节点R4通过多调和R5通信

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大连海洋大学本科毕业论文（设计） 第三章 Zigbee传感器自组织网络节点通信 R4n P1 P2 P2 Pn R2n R42 R4 R41 P R2 R22 R21 R1n R1 R12 R5 R3 R6 R51 R52 R5n R11 R3n R61 R32 R31 R6n R62

图7 节点R6通过多跳和R3通信

（3）节点R2移动下的动态网络和节点R2故障下的Zigbee自组织网络，见图8和图9。

R4n P1 P2 P2 Pn R2n R42 R4 R41 P R2移动 R22 R21 R1n R1 R12 R5 R3 R6 R51 R52 R5n R11 R3n R61 R32 R31 R6n R62

图8 节点R2移动时的动态自组织网络

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大连海洋大学本科毕业论文（设计） 第三章 Zigbee传感器自组织网络节点通信 R4n P1 P2 P2 Pn R2n R42 R4 R41 P R2故障 R22 R21 R1n R1 R12 R5 R3 R6 R51 R52 R5n R11 R3n R61 R32 R31 R6n R62

图9 节点R2故障下的Zigbee自组织网络

（4）R2故障情况下的节点通信自恢复，见图10和图11。

R4n P1 P2 P2 Pn R2n R42 R4 R41 P R2故障 R22 R21 R1n R1 R12 R5 R3 R6 R51 R52 R5n R11 R3n R61 R32 R31 R6n R62

图10 节点R2故障时，节点R4和R5自恢复通信

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大连海洋大学本科毕业论文（设计） 第三章 Zigbee传感器自组织网络节点通信 R4n P1 P2 P2 Pn R2n R42 R4 R41 P R2故障 R22 R21 R1n R1 R12 R5 R3 R6 R51 R52 R5n R11 R3n R61 R32 R31 R6n R62

图11节点R2故障时，节点R6和R3自恢复通信

3.3 通信实现的流程

自组织Zigbee网络流程如图12（图中省略网关和终端设备）：通信实现的流程为了增强网络的信息采集和获取能力，融合了传感器技术、信息处理技术和网络通信技术的定位感知技术应运而生，进而成为Zigbee无线传感器网络。它是由大量传感器结点通过无线通信技术自组织构成的网络，可实现数据的采集量化、处理融合和传输应用。采集系统通过传感器采集车辆和路面信息，策略控制系统根据设定的目标（如通行量最大、或平均候车时间最短等）运用计算方法(例如模糊控制、遗传算法等计算出最佳通行路线方案，并进行实时通行导航，通过提高对交通信息的有效使用和管理来提高交通系统的效率。

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大连海洋大学本科毕业论文（设计） 第三章 Zigbee传感器自组织网络节点通信 P上电初始化 P广播绑定表信息 激活并建一个新网络 R1,R2,R3,R4,R5,R6上电初始化 允许加入激活的网络 P和R3绑定 R1和R2绑定 激活 进入无线监控 节点向多跳通信 监视空气中无线信号 R1,R2,R3,R4, R5,R6上电初始化 监测接收到R1,R2,R3向P发送的加入请求 R6收到R4发送的数据包 允许加入并分配 R4加入R1， R5加入R2, R6加入R5 Zigbee网络形成 R2移动时，Zigbee网络形成 NWK地址 R3收到R6发送的数据包 R4通过多跳向R6传送数据 R6通过多跳向R3传送数据 R2故障时，Zigbee网络自组织形成 R2故障情况下的R2移动时，恢复通信 通信自恢复 R2故障时，R4和R5通信自恢复 R2故障时，R6和R3通信自恢复 图12 Zigbee网络通信流程

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大连海洋大学本科毕业论文（设计） 第四章 Zigbee网络组网方案 图16 节点组网流程

4.4 Zigbee树路由算法

Zigbee网络中，不同的网络拓扑结构所采用的数据路由算法[14]也不同。路由算法涉及到的就是数据的传递方式，在Zigbee网络中有三种数据路由方式：单播路由、组播路由、广播路由。星型网络中，其数据包传递过程相对来说比较简单，因星型网络只有两种类型的逻辑节点。即协调器节点和终端设备子节点。终端节点之间进行的数据传递采取轮询的方式[15]进行。如图17所示。

图17 星型网络数据路由

若节点A需向节点B传递数据包，则节点A首先将数据包发送给其父节点(且唯一的父节点即协调器节点)，然后节点B通过轮询的方式查找协调器节点的缓存中是否有给自己的数据，若有则向协调器节点发出数据请求，然后协调器节点则向节点B转发节点A传递来的数据。

在IEEE802.15.4标准中，经过初始节点关联，LR-WPAN网络的建立，形成一种被称作簇树的逻辑树拓扑结构。网络中的第一个节点也即被设计作为协调器的节点开始接受其它节点的关联请求。网络中任何其它节点依据其所拥有的存储空间和能量等可利用资源的大小，决定自己是否作为路由器节点，从而允许其它节点加入它。

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大连海洋大学本科毕业论文（设计） 第四章 Zigbee网络组网方案 FFD节点接收到数据帧 是 目的地为本身 处理接收数据帧 否 目的地为子节点 是 转发到其子节点 否 否 为路由子节点 转发到其父节点 是

图18 簇树路由算法基本流程

在Zigbee规范中，其采用的簇树路由算法与原始的簇树路由算法相比有一点不同，那就是对两种设备即路由器设备与终端设备分配网络地址的方式不同。Zigbee规范中仍给路由器设备分配一定的地址空间以便进一步为它的子设备分配地址，终端设备仅被分配一个单一的地址，因而不允许有其它任何子设备。基于以上的地址分配逻辑，一个节点只要通过查询数据包中的目的地址，就能够很容易地将数据包向前传输到它的目的地。也即通过这种查询办法，节点即可决定将它的数据包传递给它的终端设备子节点还是它的路由器子节点或它的父节点。这种数据路由方法就是所谓的簇树路由算法[4][16]，算法基本流程如图18所示，假如数据转发从FFD节点(路由子节点)开始，该节点首先判断数据是否传递给本身，如果是接收并交由上层处理，如果不是再行判断是否传递给其子节点也即判断数据包目的地址是否在其地址空间范围内，如果是则将数据包转发到其相应子节点，如果不在其地址空间范围内，则将数据包转发到其父节点。当数据包转发到其子节点后，再判断该子节点是否为路由子节点，如果不是路由子节点说明是RFD节点，数据包直接交由该节点上层处理，如果为路由子节点则按照上述数据处理过程再次进行判断处理。

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大连海洋大学本科毕业论文（设计） 第四章 Zigbee网络组网方案

图19 树路由中网络地址的分配

在树路由中，任意两节点间的路径是固定不变的并且数据的路由必需贯穿整个树结构。节点网络地址（短地址）分配采用分布式地址分配算法[17]，该算法主要基于最大路径深度(D)，每节点最大节子点数(C)，每节点允许的最大路由器节点数(R)。公式3中Cskip(Dn)指定了每路由节点所具有的网络地址范围。另外，处于最大路径深度的节点即叶子节点只能是非路由器节点。一旦协调器节点建立了网络，协调器节点将给其本身分配网络地址0，同时将其路径深度D0设置为0，若节点i想要加入网络并与节点k关联，那么节点k根据其网络地址Ak及其路径深度Dk，给节点i分配网络地址Ai及其路径深度为Di=Dk+1。

如果新入网节点为叶子节点即RFD节点，也即该节点没有路由能力，假设该节点为其父节点下的第n个叶子节点，其父节点为第k个路由子节点[18]，则有：

An?Ak?Cskip(Dn)?R?n （公式1） 如果新入网节点为路由子节点，也即该节点具有路由能力，假设该节点为其父节点下的第n个路由子节点，其父节点为第k个路由子节点，则有：

An?Ak?1?Cskip(Dn)?(n?1) （公式2） 其中

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大连海洋大学本科毕业论文（设计） 第四章 Zigbee网络组网方案 ?1?C?(D?Dn?1),R?1?(D?Dn?1)?Cskip(Dn)??1?C?R?C?R,其它 （ 公式3）

1?R???图19为该算法所形成的树结构。其中MaxDepth=3，MaxChildren=6， MaxRoutersPerParent=2，因而根据该算法其网络容量即允许入网的最大子节点数为42。

假如某路由器子节点(其地址为A，所在网络的路径深度为d)需将数据包转发到某目的节点(其地址为D)，根据图18所述路由算法，首先根据表达式A

?D,终端设备??N??A?1??D-(A?1)??Cskip(d),其它 ?Cskip(d)??????否则下一跳地址为该路由器子节点的父节点地址。

（公式4）

树路由的优点就是从任意节点到目的节点的路径均可以由已知的MaxRouterPerParent，MaxDepth，MaxChildren，Cskip这4个参数以及当前节点地址和目的节点地址来确定，因此该路由实现起来比较容易。缺点就是即使两节点均处于各自的POS范围内，其在网络中的路由路径也是唯一的。数据包的传输必须采用多跳的方式通过固定的路径来进行传输而不是采用两节点之间的最短路径进行直接传输。

基于簇树路由算法的过程，设备能够立即将数据包传递给刚入网的其它设备而不需执行路由发现过程。然而从跳数成本来看，大多数簇树路由并非最佳路由，并且簇树路由还可能导致非均匀流量分配。因此在Zigbee网络中可采取簇树路由与基于需求的表驱动路由也即AODVjr(ad hoc on-demand distance vector junior)路由算法相结合的办法来克服上述现象的发生。AODVjr路由算法是AODV路由协议的一个简化版本，是一种最佳或者说次最佳的路由协议。并且该算法能够有助于减小消息的传输延迟。不过该算法与簇树路由算法相比需要更大的内存空间用来存储路由表表项，同时还会导致更高的控制成本花费。像大多数基于需求其它路由算法一样，由于存在路由发现过程的执行，因而将会引起较高的路由初始化延迟。总的来说，AODVjr算法适合应用于具有足够内存空间的设备以及需长时间通信的场合。因而在Zigbee网络中，不同的设备采用这两种不同的路由算法将使网络性能能够得到很大提高。

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大连海洋大学本科毕业论文（设计） 第五章 Zigbee传感器自组织网络在机电监测系统中的应用 第五章 ZigBee传感器自组织网络在机电监测系统中的应用

机电设备的可靠性是确保生产建设正常运行的重要前提，一旦发生故障，将会影响整个生产过程，造成经济损失甚至严重的灾难。机电监控技术作为当前制造企业竞争力的核心技术之一，已成为企业减少设备故障率、节能降耗、提高产品质量的有力保障。对机电设备关键部件的状态参数进行实时监测，及时取得各种信息进行分析和处理，可以对设备可靠性随时做出判断，及早发现潜伏故障，实现预知性维修[19]。

机电设备的监测维护通常是通过人工或有线监测实现的。人工操作可能出现失误，同时由于机电设备复杂程度越来越高，人工监测判断故障的方法也远不能适应当今的技术进步。有线监测系统常在监测的设备上布置监测点和传感器，通过现场总线（CAN）传输采集的数据构成低层网络。这种系统需要大量在监测设备上布置大量电缆以及各种导线。在设备的小修、大修期间安装拆卸十分繁杂，且许多设备上无法布线（如大型直流电机内部和水力发电机涡轮等）。在高温，强腐蚀等工作环境下各种电缆、导线的可靠性严重受到影响，使得各种数据的误差增大。更重要的是它对生产线上的可移动设备缺乏有效的连接和管控手段，同时对无线传感设备和执行设备的无线接入缺乏足够的支持力度。

Zigbee传感器自组织网络能够实时监测、感知和采集网络分布区域内的各种环境或监测对象的信息，并对这些信息进行处理，从而获取详尽而准确的信息。与传统的设备监控手段相比，Zigbee传感器自组织网络由大量传感器节点密集部署在监控区域而构成的自治网络系统。Zigbee传感器节点尺寸小，可布置在被测对象内，也可接近对象测量，可在短距离内进行通信，具有传感、数据处理和通信功能。如果考虑设备购置安装等全部费用，Zigbee传感网络技术成本要低于有线监测系统，并且Zigbee传感器网络具有数据采集范围广、采集点多、布线容易、监测精度高、便于维护等优点。因此利用Zigbee传感器自组织网络技术实现设备监测有着广阔的前景。

5.1 基于Zigbee传感器网络的机电监测系统的构建

5.1.1 大型机电系统的特点及对Zigbee传感网络监测系统的要求

Zigbee传感器自组织网络设备监控系统开发主要应用于机电设备监控与故障诊断，以机床、电站等大型复杂机械为研究对象，采用温度、压力、流量、振动等传感器，在实验室构建一个Zigbee传感器网络监控系统。因此，在系统设计中需要充分考虑大型机电系统的特点[20]。

（1）复杂性

组成方面，大型机电系统由多个互联的机械、液压、电力、电子以及机电结合的子系统构成，其组成极其复杂；结构方面，大型机电系统通常体现为递阶分布式结构，其硬件由若干子系统组成，各子系统有其各异的结构和功能；此外大型机电系统状态通常是时变的，具有不确定性，整个系统通常是非线性的，系统的定量模型很难建立。

（2）实时性

大型机电系统通常要求具有信息快速处理、命令执行准确以及对外界的变化实时快速反应的

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大连海洋大学本科毕业论文（设计） 第五章 Zigbee传感器自组织网络在机电监测系统中的应用 能力。

（3）开放性

大型机电系统与环境之间有各种物质、能量和信息交换，系统外部环境按一定规律随着时间变化，不同程度地影响着设备的参数和运行状态。

（4）寿命周期长

大型机电系统能够长期服役，尽可能通过检测和维修保持系统性能，延长设备使用寿命。 基于上述特点，要求无线传感器网络监测系统必须具备高可靠性与维护性、多类设备的兼容性、开放性与可扩展性、实时快速性与精确性、大量数据量存储性等特性。

5.1.2 设备监测系统结构图

本课题仅对Zigbee设备监控系统进行初步的框架设计。设计的机电监控系统采用基于Zigbee技术的自组织网络，对每台设备的信号进行监控。在传感器网络中，传感器节点放置于待测设备的合适部位，对工厂机电设备的温度、压力、振动等信号进行监测。每台设备把收集到的信号发送给车间中的网关节点。所有网关节点收集到信号后，通过外部控制器将系统接入现场总线/工业以太网，将信号发送给工厂的后台控制中心对信号进行处理。

本课题设计的传感器网络采用Mesh结构，以车间为单位，一个车间作为一个网格，车间之间的通信通过每个车间的网格节点的转发来完成。每个网格由网格节点和成员节点组成，网格节点和成员节点都能够采集被监测设备信号。网格节点在采集被监测设备信号的同时还要收集成员节点采集到的信号，并将不同网格节点的各路信号传输到汇聚节点，最后通过现场总线/工业以太网转发给后台控制部门。图20给出了机电监控系统的网络结构图。

Internet 远程用户服 务 器 后台控制中心 数据库 局域网 本地用户汇聚节点 网格节点 车间1 车间2

图20机电监控系统结构图

车间3

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大连海洋大学本科毕业论文（设计） 第五章 Zigbee传感器自组织网络在机电监测系统中的应用 5.2 Zigbee传感器节点的设计和测量点的选择

Zigbee传感器节点设计，测量点的选择，以及传感器节点的分布对反映被监测对象状态的准确性有着至关重要的作用。结点布局的主要任务是指在能量消耗、费用、计算量以及附加重量最小的前提下，确定监测对象所有状态的传感器位置。针对机电系统自身的特点，可以以子系统或者功能模块为单位进行局部传感网络的组建，由各局部传感网络的汇聚结点组成统一的Zigbee传感网络对系统进行监控[21]。局部网络的汇聚结点可以对采集的数据进行信号处理，与信号滤波技术避免虚警。基于此，可对整个系统进行分割监控，易于建立个子系统或功能模块的模型，减少描述的复杂性，提高监控精度和准确性。

5.3 基于Zigbee传感器的机电监控系统自组织网络拓扑结构

拓扑可变的Zigbee自组织网络结构通常包括四种基本结构：中心式控制结构、分层中心式控制结构、完全分布式控制结构和分层分布式控制结构。前两者属于集中式控制结构，不适合传感器网络。传感器网络一般采用完全分布式控制结构和分层分布式控制结构。完全分布式控制结构的特点是网络规模受限。每一个节点需要知道所有到达目标节点的路由，网路的规模越大，路由维护和网络管理的开销就越大。当网络规模增加到某种程度时，所有的带宽可能都会被路由协议消耗掉，因此网络的可扩充性较差。分层分布式控制结构可以大大减少路由开销，克服了平面结构可扩充性差的缺点，它的网络规模不受限制，可以通过增加网格的个数或网络的级数来提高网络的容量。基于Zigbee分层分布式Mesh网络控制结构的特点如下：

（1）需要网格选择算法和网格维护机制。在各个簇中网格节点的任务相对较重，可能成为网络的瓶颈，且簇间路由不一定是最佳路由。

（2）可扩充性较好。可以通过增加网络的级数进行扩充。

（3）路由信息局部化。减少路由协议的开销，提高系统的吞吐量，并且容易实现网络的局部同步。

（4）节点的定位简单。只需要查询相应簇头就可以获得节点的位置信息。

本课题采用分层分布式控制的Mesh网络拓扑结构。该结构包括传感器节点、簇头节点、汇聚节点、工业以太网以及监控主机。传感器节点使用射频芯片CC2420。节点将采集到的数据转发到本簇的簇头；簇头完成数据融合和数据包的转发，将数据包转发给就近的网络协调器，同时把网络协调器发送的数据包在本簇成员中广播；网络协调器负责建网以及设备注册和访问控制等基本的网络管理功能。最后数据信息以无线方式传送到路由器。路由器负责搜集传感器网络发送的所有数据，建立本地数据库，并把数据发送到监控主机。图21给出了本课题设计的机电监控系统Mesh网络拓扑结构图。

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大连海洋大学本科毕业论文（设计） 第五章 Zigbee传感器自组织网络在机电监测系统中的应用

图21机电监控系统Mesh网络拓扑结构图

5.4 Zigbee传感器节点数据传输流程

机电监测系统的设计采用监控主机主动请求、Zigbee传感器节点被动响应的方式完成数据的传输。监控计算机发出机械设备的状况请求查询命令，把命令传送到路由器。路由器根据收到的命令查看路由表选择的目的协调器，目的协调器对隶属于它的mesh网络进行通信广播，唤醒需要查询的簇的簇头节点，簇头再向成员节点广播，激活休眠节点进行数据通信；节点采集数据后发送到簇头，簇头进行数据融合处理后反馈给监控主机。本课题设计的Zigbee传感器节点网络数据传输流程图22如下。

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大连海洋大学本科毕业论文（设计） 第五章 Zigbee传感器自组织网络在机电监测系统中的应用 开始 产生报告信 监控主机 Zigbee网络协调器 转发至Zigbee路由器 发送请求查询命令 产生报告信 更新路由表 查找路由表 丢失该包 否 丢失该包 是否存在网络 协调器 簇首合成数据 是 连接Zigbee网络协调器 否 连接成功 是 节点采集信息 广播该包 否 发送信息至簇首 是 唤醒簇首 唤醒成功 唤醒簇内节点

图22 Zigbee传感器节点网络数据传输流程图

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大连海洋大学本科毕业论文（设计） 第六章 结论与建议 第六章 结论与建议

Zigbee传感器的研究，是当今IT前沿技术的一个研究热点，具有十分广阔的应用前景。国内外对它的研究都处于起步阶段，从理论研究到工程实践许多环节需要进一步完善。本文详细分析了Zigbee传感器的结构及特点，对基于Zigbee技术自组织网络的构建进行了深入研究。所做的工作总结如下：

1、对Zigbee传感器的发展、特点及研究现状进行了论述。

2、对Zigbee 协议、组网方案、以及路由算法进行了较为深入的研究分析。 3、着重研究Zigbee自组织通信节点流程。

4、基于Zigbee传感器自组织网络具体应用于机电监测系统中，构建了一个分层分布式监测网络。

Zigbee协议还是一个成长中的协议，目前还存在若干问题需要解决。针对目前设计的系统而言，需要改进和提高的地方还有很多。

本课题可以在以下几个方面进行进一步的深入研究：

1、缩小节点体积。节点作为Zigbee传感器网络的关键设备，其体积的大小直接影响到Zigbee传感器网络的应用。

2、降低系统能耗。在Zigbee传感器网络中，大部分传感器节点并不是始终处于工作状态，可以让其中一部分节点处于睡眠状态，当需要工作时再将其唤醒，这是一种有效的节能方案。如何建立协调机制，将Zigbee传感器网络发挥至最佳工作状态是一个研究课题。

3、安全性问题。安全设计是Zigbee传感器网络中的一个关键技术，一直是Zigbee传感器网络研究的热点。由于传感器节点本身的处理能力、电源及通信能力等方面的限制，给Zigbee传感器网络的安全机制设计带来很多新的挑战。物理层的高效加密算法、数据链路层的抗DOS攻击的安全MAC协议、网络层的安全路由协议以及应用层的密钥管理和安全组播方案，这些都将是Zigbee传感器网络的安全方面所需要深入研究的内容。

此外，还需要加强对Zigbee传感器网络基础技术的研究，如网络拓扑控制、时间同步、定位技术、数据融合、数据管理、嵌入式操作系统等。

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/5dd.html