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目录

摘要 ....................................................................................................................... III ABSTRACT ............................................................................................................ IV 第一章 前言 ............................................................................................................ 1

1.1 传感器网络的发展 ...................................................................................... 1 1.2 研究ZigBee无线传感器网络的必要性 ...................................................... 1 1.3 本文主要内容和结构 .................................................................................. 2 第二章 无线传感器网络及ZigBee技术 ................................................................. 3

2.1 无线传感器网络概述 .................................................................................. 3 2.2 无线传感器网络体系结构 .......................................................................... 4

2.2.1 无线传感器网络结构 ........................................................................ 4 2.2.2 无线传感器节点结构 ........................................................................ 5 2.3 无线传感器网络关键技术 .......................................................................... 6 2.4 ZigBee技术概述.......................................................................................... 8

2.4.1 ZigBee技术发展概况 ......................................................................... 8 2.4.2 ZigBee技术特点及应用 ..................................................................... 8 2.4.3 ZigBee技术与其他技术的比较 ........................................................ 10 2.5 ZigBee协议架构......................................................................................... 11 2.6 ZigBee的网络配置 .................................................................................... 12 第三章 ZigBee无线传感器及数据采集的方案设计与实现 ................................... 15

3.1 基于ZigBee的无线传感器网络总体设计方案 ......................................... 15

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3.2 平台硬件与软件设计 ................................................................................ 15

3.2.1 开发平台的选择 .............................................................................. 15 3.2.2 TSZ-CC2430开发平台介绍 ............................................................. 16 3.2.3 开发环境介绍 .................................................................................. 16 3.2.4 协议栈软件设计 .............................................................................. 17 3.3 数据采集系统组网设计 ............................................................................ 17

3.3.1 ZigBee星型网的组网设计与实现 .................................................... 17 3.3.2 ZigBee簇树网的组网设计与实现 .................................................... 23 3.4 传感器网络数据采集模块（功能模块）的设计 ....................................... 28

3.4.1传感器的选择 ................................................................................... 28 3.4.2 传感器数据采集流程 ...................................................................... 29 3.5 终端节点低功耗设计与测试 ..................................................................... 34

3.5.1 终端节点电池的选择 ...................................................................... 34 3.5.2 终端节点低功耗软件设计 ............................................................... 34

第四章 基于无线传感网络数据采集的应用 .......................................................... 37 第五章 结束语 ...................................................................................................... 40 参考文献 ................................................................................................................ 41 致谢 ....................................................................................................................... 42

II

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基于无线传感网络的数据采集系统设计

摘要

无线传感器网络是当今国际备受关注的热点领域，被评为未来高科技的三大产业之一。而IEEE 802.15.4/ZigBee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，可以嵌入各种设备中，十分适合担当组织无线传感器网络的重任，有着极其重要的研究价值。

本文全面深入地对无线传感器网络以及IEEE 802.15.4/ZigBee标准做了研究分析，并把ZigBee技术同其他技术做了比较，重点对ZigBee网络的组网进行剖析，深入研究ZigBee技术的组网方式，给出了基于ZigBee的无线传感器网络的总体设计方案。并结合TSZ-CC2430 ZigBee开发套件，以IEEE 802.15.4/ZigBee协议为基础，设计实现了小型ZigBee星型网和簇树网。

本文采用SHT1x温湿度数字传感器进行数据采集，在已组建的ZigBee星型网的基础上，从终端节点角度考虑网络的低功耗问题，提出了节点的低功耗软件设计。

本文通过对ZigBee无线传感器网络数据采集系统的设计与实现，完成了小型ZigBee无线传感器网络的搭建、温湿度传感器数据的传输和传感器采集数据的管理，得到了良好的结果。

关键词:ZigBee 无线传感器网络 IEEE 802.15.4 传感器数据采集

III

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Design of Data Acquisition System based on

Wireless Sensor Network

ABSTRACT

Nowadays, wireless sensor networks attracts more and more attentions in the front edgetechnology, which is appraised as one of the three future high-tech industries. IEEE802.15.4/ZigBee technology,, with the characters of low-complication, low-power, low-data-rate, and low-cost, is suitable to take onthe task of building the wireless sensor networks. Thus ZigBee has an extremely importantworth for reaserch.

This paper deeply analyzes wireless sensor networks and IEEE 802.15.4 /ZigBee standard, especially in the building of ZigBee networks. It expounds some key points in themanner of building ZigBee networks, like the establishment and maintenance of networks, theflow of device joining the networks. Moreover, it designs and realizes a mini start networkand cluster-tree network with the ZigBee development suite TSZ-CC2430 based on the IEEE802.15.4/ZigBee protocol.

This paper adopts the SHTlx temperature and humidity digital sensors to acquire data,and designs the low-power manner for endpoint in the ZigBee start network built before.

This paper designs and implements a system of data acquisition for wireless sensornetworks, with the building of ZigBee wireless sensor networks, the transmission oftemperature and humidity sensor data, and the database management of these data. It predictsthe endpoint lifetime, and verifies the results with the measurement in practice as well.

Key Words: ZigBee Wireless Sensor Networks IEEE 802.15.4 Sensor Data Acquisition

IV

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第一章 前言

1.1 传感器网络的发展

当今世界信息技术飞速发展，给人们的工作和生活带来了巨大影响。信息技术产业链和应用环节的第一步是信息的获取，它直接关系到信息的传输、处理和应用。传感器技术是信息获取的最重要、最基本的技术。随着获取信息要求的提高，传感器获取技术从单一化到集成化、微型化，进而智能化、网络化，形成智能传感器网络。并且随着无线网络的发展，融合了传感器技术、信息处理技术和网络通信技术的无线传感器网络技术也应运而生。

无线传感器网络是一种独立出现的网络，它的基本组成单位是无线传感器节点，这些节点集成了传感器、微处理器、无线接口和电源管理四个主要模块。传感器、微机电系统(MEMS)、集成电路、以及低功耗无线通信等技术的飞速发展，使得低成本、低功耗、多功能的微型无线传感器网络的大规模应用成为可能，这些微型无线传感器是集成的光机电一体化系统，具有无线通信、数据收集和处理、协同工作等功能。它们共同组成了无线传感器网络，产生了一种全新的信息获取和处理模式。微型传感器节点可以随机或者特定地布置在工作环境中，通过无线通信实现自组织，获取周围环境的信息，形成分布自治系统，相互协同完成特定的任务。美国商业周刊和MTI技术评论在预测未来技术发展的报告中，分别将无线传感器网络列为21世纪最有影响的21项技术[1]和改变世界的10大技术之一[2]。

1.2 研究ZigBee无线传感器网络的必要性

无线传感器网络通常应用于军事、环境、楼宇控制、保健、交通等领域，针对无线传感器的应用背景，对其终端的要求是尽量节省系统能量消耗、尽量节省信息处理以及简易的信号收发。而对于无线传感器网络中的网络协议的要求是:用简洁的协议栈支持传感器网络的有效运行，使到处存在接入可能;利用广播信息，避免交互应答;简化的协议层次、简练的信令方式;节省的系统开销等。

ZigBee技术的产生正是基于无线传感器网络终端和网络协议的要求。ZigBee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，可以嵌入各种设备中。ZigBee协议是专用于无线传感器网络的通信协议，能最大可能的节省网络中能量，可随时接入

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大量节点，具有高容错性，强鲁棒性，逐渐成为了无线传感器网络的首选网络协议。

由传感器和ZigBee装置构成的ZigBee无线传感器监控网络，可自动采集、分析和处理各个节点的数据，同时，ZigBee技术的网络扩展能力很强，理论上，一个ZigBee网络可容纳65536个节点，适合于各种需要数据自动采集并要求网络传输的领域，具有极其广阔的应用领域和很高的研究价值。

1.3 本文主要内容和结构

本文全面深入地对无线传感器网络以及IEEE 802.15.4/ZigBee技术做了研究分析，重点对ZigBee网络的组网做深入分析，从网络的建立与保持、设备入网流程等关键点上突破，深入研究ZigBee技术的组网方法，并结合TSZ-CC2430ZigBee开发套件，以IEEE 802.15.4/ZigBee协议为基础，搭建了一个小型无线温湿度传感器网络，并在此基础上对网络平台可重用路由协议的重用结构模型接口作了部分实现。

论文结构如下:

第1章绪论。简要介绍了本文的课题背景以及课题研究的必要性，概述了研究的主要内容，并介绍了本文的整体结构。

第2章无线传感网络介绍。介绍了无线传感器网络的特点、应用、国内外研究态势，无线传感器网络的关键技术等概念。对IEEE 802.1.5.4lZigBee技术介绍。概述了ZigBee技术发展、技术特点，并与其他技术进行了比较，描述了ZigBee技术的协议架构以及网络的体系结构。

第3章研究了ZigBee网络组网设计与实现，叙述了硬件开发平台的选择，介绍了方案的开发环境。然后，分别详细阐述了星型网和簇树网的组建设计与实现过程。并研究了数据采集的流程以及低能耗的设计。

第4章介绍了所研究课题的一些应用。

最后对本文工作进行总结，并对后续工作进行了展望。

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第二章 无线传感器网络及ZigBee技术

2.1 无线传感器网络概述

无线传感器网络的最初研究来源于美国军方。当时研究这项技术的主要目的是想将其应用在战场信息感知、国土安全与反恐战争。随着研究的进一步深入和普及，人们发现无线传感器网络是解决“最后一米”问题的一项有效技术。该项技术的研究成功将真正的把我们的地球变成一个完整的数字地球，让人类去感知地球的每一个角落。因为无线传感器网络可以使人们在任何时间、任何地点和任何环境条件下获取大量翔实而可靠的信息[3]。正是基于这样的背景，国外掀起了一股无线传感器网络的研究热潮。

在国内，关于无线传感器网络的研究虽然起步较晚，但是由于无线传感器网络是一门新兴技术，国内与国际水平的差距并不很大。我国国家自然科学基金从2003年开始支持无线传感网络方面的研究，2005年更是将该方向作为重点支持方向之一。目前国内的一些科研单位和大学，如清华大学、中国科学院沈阳自动化所、哈尔滨工业大学等已经初步开展了在传感器及无线传感器网络方面的研究工作，从网络体系结构、路由算法研究、安全技术、数据融合、定位技术等各个角度对无线传感网络进行综述、展望和进一步的研究。我国能够及时开展这项对人类未来生活影响深远的前沿科技的研究，对整个国家的社会、经济将有重大的战略意义。

无线传感器网络是无线网络和数据网络的结合，和以往的计算机网络相比，它更多的是以通信为中心，其主要特点是[4,5]:

(l)基于应用的网络。在各种传感技术、计算处理技术及通信技术的结合下，无线传感网络可以应用于各种领域。与传统网络“以一适全”模式不同的是，针对不同的应用，无线传感网络需要调整自身的配置，如根据不同的应用使用不同的数据融合、节点密度、自适应协议等，即具体应用具体配置。

(2)与物理世界交互。无线传感网络与物理世界紧密融合，物理现象取代人成为网络的中心。在无人值守的情况下，网络应该具有主动感知外界的环境状况，对外界环境变化做出实时反映，根据物理环境的改变决定自身系统状态能力。采取情景自觉计算，以监测对象为中心，实时动态地根据周围的情景执行相应的动作。

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(3)自组织网络。在实际应用中，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确定，这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，通过拓扑控制机制和网络协议自动形成转发监测数据的多条无线网络系统。在使用过程中，由于环境的变化导致网络拓扑结构随时间动态变化，网络应该具备维护动态路由的功能。

(4)节点能量、处理能力和存储空间有限。传感器节点依靠电池提供工作所需能量，对于某些人力不可到达的恶劣环境中的应用，更换电源是不可行的，因此必须最大可能的节省电源开销。

(5)以数据为中心。在无线传感器网络中，能源消耗最大的过程是通信过程，受到能源有效性的限制，无线传感网络的路由应该符合既保证数据传输又减少通信量的要求。节点数量大、密度高，建立全局地址不现实，需要研究强有力的分布式数据流的管理、查询、分布和挖掘的方法。

(6)网络的协作性。节点计算能力有限，网络的运作需要大量的节点进行数据的交换，协同的信号和信息处理。如何使用大量节点进行分布式信息处理是无线传感器网络面临的挑战之一。

2.2 无线传感器网络体系结构

2.2.1 无线传感器网络结构

无线传感器网络系统通常包括传感器节点(Sensor Node)，汇聚节点(Sink Node)和管理节点，其网络结构如图2.1所示[5]。大量传感器节点随机部署在监测区域(SensorField)内部或附近，能够通过自组织方式构成网络。传感器节点监测的数据沿着其它传感器节点逐跳地进行传输，在传输过程中监测数据可能被多个节点处理，经过多跳后路由到汇聚节点，最后通过互联网或卫星到达管理节点。用户通过管理节点对传感器网络进行配置和管理，发布监测任务以及收集监测数据。

传感器节点通常是一个微型的嵌入式系统，它的处理能力、存储能力和通信能力相对较弱，通过携带能量有限的电池供电。从网络功能上看，每个传感器节点兼顾传统网络节点的终端和路由器双重功能，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、管理和融合等处理，同时与其它节点协作完成一些特定任务。目前传感器节点的软硬件技术是传感器网络研究的

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重点。

汇聚节点的处理能力、存储能力和通信能力相对比较强，它连接传感器网络与Internet等外部网络，实现两种协议栈之间的通信协议转换，同时发布管理节点的监测任务，并把收集的数据转发到外部网络。汇聚节点既可以是一个具有增强功能的传感器节点有足够的能量供给和更多的内存与计算资源，也可以是没有监测功能仅带有无线通信接口的特殊网关设备。

因特网和卫星 汇聚节点 任务管理节点 传感器网络 传感器节点

图2.1 无线传感器网络结构

2.2.2 无线传感器节点结构

无线传感器节点的基本组成包括传感器模块、处理器模块、无线通信模块和能量供应模块四个基本单元[14]，如图2.2所示。传感器模块负责监测区域内信息的采集和数据转换;处理器模块负责控制整个传感器节点的操作，存储和处理本地采集的数据以及其他节点发来的数据;无线通信模块负责与其他传感器节点进行无线通信，交换控制消息和收发采集数据;能量控制模块为传感器节点提供运行所需要的能量，通常采用微型电池。此外，可以选择的其它功能单元还有定位系统、移动系统、电源自供电系统等。

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节点定位系统 传感单元 处理器 传感器 模数 转换 存储器 移动系统 无线通信模块 电 源 电源供电系统

图2.2 无线传感器节点组成结构

2.3 无线传感器网络关键技术

无线传感器网络涉及多学科交叉的研究领域，有非常多的关键技术有待发现和研究。主要包括以下几个方面:网络拓扑、路由控制、能量问题、数据融合、网络安全等。

(l)网络拓扑

对于无线的自组织传感器网络而言，网络拓扑控制具有特别重要的意义。通过拓扑控制自动生成良好的网络拓扑结构，能够提高路由协议和MAC协议的效率，可为数据融合、时间同步等多方面奠定基础，有利于节省节点的能量来延长网络的生存期。拓扑控制目前主要的研究问题是在满足网络覆盖度和连通度的前提下，通过功率控制和骨干网节点选择，剔除节点之间不必要的无线通信链路，产生一个高效的数据转发的网络拓扑结构[16]。

拓扑控制可以分为节点功率控制和层次型拓扑结构形成两个方面[17]。功率控制机制调节网络中每个节点的发射功率，在满足网络连通度的前提下，减少节点的发送功率，均衡节点单跳可达的邻居数目。层次型的拓扑控制利用分簇机制，让一些节点作为簇头节点，由簇头节点形成一个处理并转发数据的骨干网，其他非骨干网节点可以暂时关闭通信模块，进入休眠状态以节省能量。

(2)路由控制

传统因特网的实现是通过IP(Internet Protocols)协议[18]，也包括移动IP。但是在无线传感器网络中，不需要使用IP。因为在无线传感器网络中，常常要用到成千上万的传感器节点，而传感器网络中的路径建立方式都是基于需求的，根据某

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项数据或者某项任务来进行的。

传统的距离向量和链路状态路由协议并不适用于无线传感器网络，理想的无线传感器网络的路由协议应该具有以下性能:分布式运行、无环路、按需运行、考虑安全性、高效地利用能量、支持单向链路、维护多条路由。

(3)能量问题

在多数情况下，传感器网络中的节点都是由电池供电，电池容量非常有限，并且对于有成千上万节点的无线传感器网路来说，更换电池非常困难，甚至是不可能的，但是却要求无线传感器网络生存时间长达几年甚至数年。如果网络中的节点因为能量耗尽而不能工作，会带来网络拓扑结果的改变以及路由的重新建立等问题，甚至可能使得网络分成不连通的部分，造成通信的中断。因此，如何在不影响功能的前提下，尽可能地节约无线传感器网络的电池能量成为无线传感器网络软硬件设计中的核心问题。

首先在功能上，由于无线传感器网络大都是为某一专用目的而设计的，去掉不必要的功能，可以节省能量，延长节点生存时间。其次，可以设计专门的提高传感器网络能量效率的协议以及采用专门的技术，这些协议和技术涉及到网络的各个层次[19]。此外，还可以采用跨层设计的方式，提高网络的能量效率。

(4)数据融合

传感器网络存在能量约束。减少传输的数据量能够有效地节省能量，因此在从各个传感器节点收集数据的过程中，可利用节点的本地计算和存储能力处理数据的融合，去除冗余信息，从而达到节省能量的目的。由于传感器节点的易失效性，传感器网络也需要数据融合技术对多份数据进行综合，提高信息的准确度[20]。

数据融合技术可以与传感器网络的多个协议层次进行结合。在应用层设计中，可以利用分布式数据库技术，对采集到的数据进行逐步筛选，达到融合的效果;在网络层中，很多路由协议均结合了数据融合机制，以期减少数据传输量;此外，还有研究者提出了独立于其他协议层的数据融合协议层，通过减少MAC层的发送冲突和头部开销达到节省能量的目的，同时又不损失时间性能和信息的完整性。数据融合技术己经在目标跟踪、目标自动识别等领域得到了广泛的应用。在传感器网络的设计中，只有面向应用需求设计针对性强的数据融合方法，才能最大限度的获益。

(5)网络安全

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无线传感器网络作为任务型的网络，不仅要进行数据的传输，而且要进行数据采集和融合、任务的协同控制等。如何保证任务执行的机密性、数据产生的可靠性、数据融合的高效性以及数据传输的安全性，就成为无线传感器网络安全问题需要全面考虑的内容。无线传感器网络受到的安全威胁和移动Ad hoc网络所受到的安全威胁不同，所以现有的网络安全机制不适合此领域，需要开发针对无线传感器网络的专门协议。

一种思想是从维护路由安全的角度出发，寻找尽可能安全的路由以保证网络的安全。

另一种思想是把着重点放在安全协议方面，在此领域也出现了大量的研究成果[22]。在安全保障方面主要有安全组播和密钥管理两种方式。

由于无线传感器网络的应用一般不需要很高的带宽，但是对功耗要求却很严格，大部分时间必须保持低功耗。而且无线传感结点通常使用存储容量不大的嵌入式处理器，因此对协议栈的大小也有严格限制。另外，无线传感器对网络安全性、结点自动配置、网络动态重组等方面也有一定的要求。无线传感器的这些特殊性对应用于该技术的网络协议提出了较高要求。目前最广泛使用于无线传感器网络的是IEEE 802.15.4/ZigBee技术，下面几节将对此技术做详细的介绍。

2.4 ZigBee技术概述

2.4.1 ZigBee技术发展概况

ZigBee协议是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的无线网络技术。在标准规范制订方面，主要是IEEE 802.15.4小组与ZigBee Alliance两个组织分别制订硬件与软件标准。

ZigBee协议依据IEEE 802.15.4标准，在数千个微小的传感器之间相互协调实现通信。这些传感器只需要很少的能量，以接力的方式通过无线电波将数据从一个传感器传到另一个传感器，所以它们的通信效率非常高。

2.4.2 ZigBee技术特点及应用

ZigBee技术填补了低成本、低功耗和低速率无线通信市场的空白，其使用的便捷性是该技术成功的关键。其主要技术特点如下[24]。

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(1)协议简单:Zigbee采用基本的主一从结构配合静态的星型网络，因此更加适用于使用频率低、传输速率低的设备，其传输速率为20k字节/秒到250k字节/秒。

(2)功耗低:由于工作周期很短，收发信息功耗也较低，并且采用了多种节能方式，电池的使用时间最终决定于不同的网络应用。通常情况下，ZigBee两节五号电池可以支持长达6个月到2年的使用时间，免去了充电或者频繁更换电池的麻烦。

(3)成本低:低数据速率、简单的协议和小的存储空间大大降低了Zigbee的成本。另外，Zigbee的工作频段灵活，使用频段为2.4GHz, 868MHz(欧洲)及915MHz(美国)，均为免执照频段。

(4)网络容量大:一个ZigBee网络可以容纳最多65535个从设备和一个主设备。 (5)时延短:设备搜索时延典型值为30ms，休眠激活时延典型值为15ms，活动设备信道接入时延为15ms，这对某些时间敏感的信息至关重要，另外还节省了能量消耗，能够满足大多数情况下应用的时延要求。

(6)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，各个应用可以灵活确定其安全属性。

(7)可靠:ZigBee采用了CSMA-CA的碰撞避免机制，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:在接入层采用确认的数据传输机制，每个发送的数据包必须等待接收点的确认信息，才可发送下一个数据包。

(8)网络的自组织、自愈能力强:ZigBee的自组织功能无需人工干预，网络节点能够感知其他节点的存在，并确定连接关系，组成结构化的网络;ZigBee自愈功能能够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。

ZigBee适合于多种应用领域，主要有:

(1)家庭和建筑物的自动化控制:对照明、空调、窗帘等家具设备的远程控制使其更加节能、便利，对烟尘、有毒气体进行探测等可自动监测异常事件以提高安全性。

(2)消费性电子设备:电视、DVD、CD机等电器的远程遥控(含ZigBee功能的手机就可支持主要遥控器功能)。

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(3) PC外设:无线键盘、鼠标、游戏操纵杆等。 (4)军事活动:包括战场监视和机器人控制等。

(5)工业控制:能够跟踪其它系统以实现预防性维护和性能监控，例如危险化学成分的检测火警的早期检测和预报、照明系统的检测和控制都可借助ZigBee网络提供相关信息以达到工业与环境控制之目的。

(6)医疗设备控制:医疗传感器、病人的紧急呼叫按钮等。

2.4.3 ZigBee技术与其他技术的比较

目前，主要的短距离无线通信技术除了ZigBee技术外，还有蓝牙、红外、无线局域网(WLAN)WiFi和超宽带通信UWB等。下面介绍这几种常见的技术并对他们以及ZigBee技术在无线传感器网络方面的应用做相关比较[25,26]，具体参数如表2-1所示。

表2-1 短距离无线通信技术参数比较

参数 传输介质 ZigBee 2.4GHz 868/195MHz 有效物理范围 最大数据传输率 网络节点数 电池寿命 协议站容量 使用权 10m-75m 2.50kbps 65535 长 8-60k 免费 10m 1Mbps 7 较短 60-150k 需要资格 定向1m 16Mbps 2 较短 15-30k 免费 75m 54Mbps 30 短 100-250k 许可证费用 蓝牙 2.4GHz 红外 980nm红外光 WiFi 2.4GHz UWB 2.4GHz 10m 1000Mbps (1)蓝牙技术(Bluetooth)

蓝牙技术是一种无线数据与语音通信的开放性全球规范，目的是取代数据电缆，实现多种电子设备之间的低功耗、低成本、短距离的无线连接。其传输频段为全球通用的2.4 GHz ISM频段，采用1600 MHz的快速跳频扩频技术，传输速率为1MB/s，具有很强的抗干扰能力。其标准有效传输距离为10m，放大器可将传输距离增加到10m。

与ZigBee技术相比，蓝牙技术虽然速率较高，但是在功耗、安全性、传输距离、网络的可扩展性等方面都略逊于ZigBee技术。

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(2)红外技术(IrDA)

IrDA是一种利用红外线进行点对点通信的技术，是第一个实现无线个人局域网( WPAN)的技术。目前，它的软硬件技术都很成熟，在小型移动设备，如PDA ( PersonalDigital Assistant，掌上电脑)、手机上广泛使用。

与ZigBee相比，IrDA最大的不足在于:只能实现点对点的传输，无法灵活地组成网络，而ZigBee至少可以同时链接255台设备；IrDA必须在视距范围内定向传输，要求通信设备的位置固定，无法用于移动设备;通信距离最大不能超过lm，而ZigBee至少可以达到10m以上。

(3) WiFi技术

WiFi(Wireless Fidelity)无线高保真技术是IEEE 802.11标准的统称，其最高速率(IEEE 802.11 g)可达54MB/s，符合测试系统和个人信息化的需求。虽然在数据安全方面比蓝牙技术要差一些，但在电波的覆盖范围方面却较强，可达100m左右。

与ZigBee相比，WiFi优异的传输速率是以大的功耗为代价的，大多数便携WiFi装置都需要常规充电，这使得WiFi较ZigBee而言，不适用于低功耗的无线传感器网络。

(4)UWB技术

UWB是一种高速、低成本和低功耗的新兴无线通信技术，通常指信号带宽大于500MHz或者是信号带宽与中心频率之比大于25%，其传输速率在100-480MB之间，理论上可达1GB以上。UWB工作频段为3.1-10.6GHz，信号的传输范围一般在l0m以内，采用OFDM(orthogonal frequency division multiplexing，正交频分多路复用)调制方式，完全摆脱了一般无线收发中必须采用载波调制的传统手段，成为在时域中可直接操作的无线技术。

UWB在民用领域还处于研究阶段，没有形成产品，也没有统一的标准。因此，UWB的某些参数很难界定，表2-1中该项内容将不予给出。

2.5 ZigBee协议架构

ZigBee协议是由IEEE 802.15.4协议标准定义的PHY层和MAC层与ZigBee联盟所制定的网络层和应用层所构成。如图2.3所示ZigBee协议整体框架。在这些层中，除了应用层外都属于协议层;而在协议层中又有所不同，PHY和MAC层与底层的硬件相关，而网络层以上则脱离硬件影响。所以，将Zigbee协议以及应

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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MAC、PHY与硬件相关的层，MAC、PHY的硬件驱动程序完成后会向上提供程序接口，这样网络层等就可以屏蔽硬件差异直接运行。

IEEE 802.15.4协议MAC层采用CSMA-CA机制来控制信道接入，主要负责传输信标帧、同步以及提供可信赖的传输机制。

应用 应用接口 用户 安全 网络层 ZigBee 联盟 MAC层 MAC层 PHY层 IEEE 802.15.4

图2.3 ZigBee协议架构

网络层的主要职责包括提供设备加入网络和离开网络的机制，提供数据帧传输的安全机制和路由机制。另外，发现并保持设备间的路由，发现一跳邻居并存储潜在邻居信息也是由网络层完成的。ZigBee协调器的网络层还必须负责启动一个新的网络，给新的关联设备分配地址等工作。

2.6 ZigBee的网络配置

(1)设备功能类型

ZigBee网络含全功能设备FFD(Full Function Device)和精简功能设备RFD(Reduced Function Device)两种功能类型的设备。全功能设备(FFD)支持标准定义的所有功能和特性:精简功能设备(RFD)功能简洁，存储器容量要求最少。

FFD可以和FFD、RFD通信；而RFD只能和FFD通信，RFD之间需要通信时只能通过FFD转发。FFD不仅可以发送和接收数据，还具备路由器的功能。

(2)节点类型

ZigBee网络含三种类型的节点，即协调器(Coordinator)、路由节点(Router)和

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终端节点(Endpoint)，其中协调器和路由节点均为全功能设备(FFD)，而终端节点用精简功能设备(RFD)。

协调器:一个ZigBee网络PAN(Personal Area Network)有且仅有一个协调器，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。

路由节点:主要实现扩展网络及路由消息的功能，扩展网络，即作为网络中的潜在父节点，允许更多的设备接入网络，路由节点只有在簇树网络和网状网络中存在。

终端节点:不具备成为父节点或路由节点的能力，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，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节点完成。

(3) ZigBee网络拓扑结构

ZigBee网络支持星型，簇树和网状三种网络拓扑结构，如图2.4所示，从左到右依次是星型网络，簇树网络和网状网络。

网络协调器 全功能设备 精简功能设备

图2.4 ZigBee网络拓扑结构

星型网络由一个PAN协调器和多个终端节点组成，只存在PAN协调器与终端节点的通讯，终端节点间的通讯都需通过PAN协调器的转发。

簇树网络由一个协调器和一个或多个星型结构连接而成，设备除了能与自己的父节点或子节点进行点对点直接通讯外，其他只能通过簇树路由完成消息传输。

网状网络是簇树网络基础上实现的，与簇树网络不同的是，它允许网络中所有具有路由功能的节点直接互连(如图2.4中虚线所示)，由路由节点中的路由表配

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合实现消息的网状路由。该拓扑的优点是减少了消息延时，增强了可靠性，缺点是需要更多的存储空间开销。

(4)工作模式

ZigBee网络的工作模式可以分为信标(Beacon)和非信标(Non-beacon)两种模式，信标模式实现了网络中所有设备的同步工作和同步休眠，以达到最大限度的功耗节省，而非信标模式则只允许终端设备进行周期性休眠，协调器和所有路由节点必须长期处于工作状态。

信标模式下，协调器负责以一定的间隔时间(一般在15ms-4mins之间)向网络广播信标帧，两个信标帧发送间隔之间有16个相同的时槽，这些时槽分为网络休眠区和网络活动区两个部分，消息只能在网络活动区的各时槽内发送。

非信标模式下，ZigBee标准采用父节点为终端设备子节点缓存数据，终端节点主动向其父节点提取数据的机制，实现终端节点的周期性(周期可设置)休眠。网络中所有父节点需为自己的终端子节点缓存数据帧，所有终端子节点的大多数时间都处于休眠模式，周期性的醒来与父节点握手以确认自己仍处于网络中，其从休眠模式转入数据传输模式一般只需要15ms。

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第三章 ZigBee无线传感器及数据采集的方案设计与实现

3.1 基于ZigBee的无线传感器网络总体设计方案

本方案基于环境监测背景，设计一个可适用星型网络和簇树网络的无线传感器网络方案，图3.1所示为本方案的示意图。在网络协调器的无线覆盖范围之内，布置若干个路由节点和终端节点，实现网络管理和相互通信。

终端节点 协调器 服务端 路由节点

图3.1 ZigBee网络平台示意图

本方案旨在搭建一个基础的无线传感器网络平台。在这个平台上，能够传输传感器的采集数据，并且通过某些手段降低网络功耗。由此，给出了一些搭建平台的特定条件:

(1)协调器及网络节点传输的信道和PAN ID为静态指定； (2)簇树网中，路由节点在编译下载程序时静态指定； (3)终端节点之间不能通信；

(4)除协调器外，各网络节点初始能量相同。

在以上既定前提下，我们设计实现星型网络由1个网络协调器和4个网络终端节点构成;簇树网络由1个协调器和3个路由节点、若干个传感器终端节点构成。网络中协调器负责网络的管理工作，路由节点负责路径查询和数据转发，而传感器终端节点则把采集到的数据通过无线网络发送给协调器。

3.2 平台硬件与软件设计

3.2.1 开发平台的选择

IEEE 802.15.4/ZigBee技术的诞生吸引了世界各大无线芯片公司的注意。随着

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SOC(片上操作系统)技术和MEMS(微机电系统)技术的不断成熟，ZigBee产品也由最初的仅提供无线收发功能的芯片，发展到将MCU(微处理器)和无线射频控制器等集成到一个芯片中，大大缩小了产品体积，同时也方便了开发应用。

通过不同公司的ZigBee SOC芯片参数综合比较，我们选择了TI公司的CC2430芯片，它将MAC层与PHY层集成在一起，MAC固化在收发器中。此方案是一个真正的SoC CMOS解决方案，它能够提高性能并满足以ZigBee为基础的2.4GHz ISM波段应用对低成本和低功耗的要求。该芯片包含一个高性能2.4GHz DSSS(直接序列扩频)射频收发器核心和一颗工业级小巧高效的8051控制器。其中MCU包括存储器及外围，其他模块提供电源管理、时钟分配和测试等重要功能。同时，TI公司也推出了配合CC2430芯片的一组开发系列套件，能够更好的发挥CC2430芯片的功能。因此，我们选择了TI公司CC2430开发套件的国内复制版TSZ-CC2430开发系统作为我们的开发平台。

3.2.2 TSZ-CC2430开发平台介绍

TSZ-CC2430开发系统包含两块可直接与计算机相连的开发主板，三个可利用1.5V干电池供电的节点模块。开发系统可组成含有一个协调器和四个网络节点的ZigBee无线网络平台，并且可以通过两块主板的串口与计算机的连接对收发数据进行监视，方便编程开发。

在TSZ-CC2430开发系统中，作为整个开发系统的核心的CC2430芯片是不可或缺的。CC2430芯片在单个芯片上整合了ZigBee射频(RF)前端、内存和微控制器。它使用1个8位MCU(8051)，具有128KB可编程闪存和8KB的RAM，还包含模拟数字转换器(ADC),4个定时器(Timer),AES128协同处理器、看门狗定时器(Watchdogtimer),32kHz晶振的休眠模式定时器(Sleep Timer)、上电复位电路(Power On Reset),掉电检测电路(Brown out detection)，以及21个可编程I/O引脚。

3.2.3 开发环境介绍

开发系统采用IAR Embedded Workbench V7.20A for 8051集成开发环境，该环境是一个用于编译和调试嵌入式应用程序的集成开发环境，可支持种类众多的8051芯片。IAR的8051编译器支持C/C++, C-SPY调试器支持在硬件或模拟器上的RTOS调试。

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