1、. . . . I / 59工業遠程測控無線網絡的設計摘 要ZigBee 技術是最近幾年發展起來的一種近距離、低復雜度、低功耗、低速率、低成本的雙向無線通訊技術。主要用于距離短、功耗低且傳輸速率不高的各種電子設備之間進行數據傳輸以與典型的有周期性數據、間歇性數據和低反應時間數據傳輸的應用。傳感器網絡是由許多在空間上分布的自動裝置組成的一種計算機網絡，這些裝置使用傳感器協作地監控不同位置的物理或環境狀況（比如溫度、聲音、振動、壓力、運動或污染物） 。無線傳感器網絡的發展最初起源于戰場監測等軍事應用。而現今無線傳感器網絡被應用于很多民用領域，如環境與生態監測、健康監護、家庭自動化、以與交通控制等。

2、無線傳感器技術是有部署在檢測區的大量微型傳感器節點通過無線電通信形成的一個多跳的自組織網絡系統，其目的是協作感知，采集和處理網絡覆蓋區被監測的對象的信息并發送給觀察者或信息處理中心。本文主要介紹基于 Zigbee 技術的無線傳感器網絡技術應用于遠程工業無線網絡的監控系統中，該系統把帶有 Zigbee 協議的模塊嵌入到煙感傳感器中，作為無線傳感器網絡的一個節點。當發生火災時，傳感器監測到煙霧信號發生變化，它觸發節點芯片的中斷，從而激活節點芯片，芯片會自動進入數據采集程序，當數據采集結束后，通過 ZigBee 無線收發模塊，把打好的數據包發送出去。Zigbee 協調器是 Zigbee 網絡與外部工

3、業以太網絡的接口，作為系統的核心負責整個網絡的管理以與數據的轉發，它通過收發模塊接收多個節點的數據，由嵌入式控制器對接收到的數據進行必要的處理，然后將其經過工業以太網絡發送到監控中心，實現工業現場遠程監測。關鍵詞：Zigbee，無線傳感器網絡技術，檢測系統. . . . IndustrialIndustrial RemoteRemote ControlControl WirelessWireless NetworkNetwork DesignDesignABSTTACTZigBee technology in recent years developed a close, low comple

4、xity, 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 t

5、ransmission 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 o

6、r 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 cont

7、rol.Wireless sensor technology is deployed in the detection region of the large number of tiny sensor nodes through radio communication to form a multi-hops self-organizing network with the aim of cooperative sensing, collection and processing of network coverage area to be monitored object informat

8、ion 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 netwo

9、rk 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 s

10、ent. 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

11、controller the necessary treatment, and then through the industrial Ethernet network to a monitoring center, remote monitoring . . . . III / 59of industrial site.KEYWORDSKEYWORDS: Zigbee, Unlimited sensor network technology,Detection system目 錄摘要 IABSTTACTII第一章緒論 11.1 無線傳感器網絡的發展與應用前景 11.2 無線傳感器網絡的特點

12、21.3 Zigbee 技術的發展與應用 31.4 Zigbee 技術的主要特性 41.5 課題來源，研究容與目的 5第二章無線傳感網絡技術 62.1 無線傳感網絡的介紹 62.1.1 無線傳感器網絡的概念 62.1.2 無線傳感器網絡的系統架構 72.1.3 無線傳感器網絡的關鍵技術 82.2 基于 Zigbee 無線傳感器網絡 82.2.1 無線傳感器的構建 82.2.2 無線傳感器網絡的構建 92.2.3 關鍵技術難點 9第三章 ZIGBEE 技術 113.1 ZIGBEE 與其網絡協議概述 113.1.1 Zigbee 概述 113.1.2 IEEE802.15.4113.1.3 Zi

13、gbee 網絡中的配置 123.1.4 Zigbee 網絡拓撲 123.1.5 ZigBee 協議棧結構 133.2 幾種無線傳輸技術的比較 14第四章無線傳感器網絡的設計與實現 164.1 離子感煙火災報警器 164.1.1 工作原理與分類 164.1.2MC14468 結構特點與引腳說明 174.1.3MC14468 部結構與工作原理 174.1.4 離子型煙火警報器電路連接 19. . . . 4.2 微控制器的選型與整體模塊設計 204.2.1 STC89 系列單片機 204.2.2 微控制器外圍模塊與整體設計 224.2.3 系統的開發環境與開發工具 234.3 無線數據傳輸模塊的設

14、計與實現 244.3.1 無線射頻芯片選型 244.3.2 無線射頻芯片 CC2500254.4 無線模塊擴展功能 284.4.1 電源電路 284.4.2 RS232 通信電路 284.4.3 外擴 RAM 和功能按鈕 294.4.4 收發指示燈電路 324.4.5 總線擴展電路接口 324.4.6 ADC、溫度傳感器和 EEPROM 接口電路 324.4.7 無線模塊插座 344.5 本章小結 35第五章系統軟件設計和抗干擾設計 365.1 系統軟件構成 365.1.1 發射模塊 365.1.2 接收模塊 375.1.3 系統軟件設計 385.2 系統抗干擾設置 405.2.1 硬件抗干擾

15、設計 405.2.2 軟件抗干擾設計 405.3 本章小結 40參考文獻 42致 43附錄 44. . . . 1 / 59第一章 緒論1.1 無線傳感器網絡的發展與應用前景 傳感器技術是信息獲取的最重要，最基本的技術，近年來隨著科技的進步也得到了極大的發展，從單一化到集成化，微型化，進而智能化，從而形成了傳感器網絡技術。其發展歷程如圖 1.1 所示第一代傳感網絡70年代第二代傳感器第三代傳感器20世紀90年代末和本世紀初第四代傳感器網絡正在研究開發圖 1.1 傳感器網絡發展歷程 從圖中可以看出第一代傳感器網絡出現在 20 世紀 70 年代，這個時候傳感器主要使用簡單信息信號獲取信息的傳統傳感

16、器，采用點對點傳輸，連接傳感控制器構成傳感器網絡；第二代傳感器網絡采用串/并接口（如 RS-232，RS-485）與傳感控制器相連，第三代傳感器網絡出現在二十世紀末期，智能傳感器采用現場總線連接 傳感控制器構成局域網絡。第四代傳感器是目前正在研究的一代,傳感器節點運用大量的,具有多功能，多信息信號獲取能力的傳感器，網絡連接方式采用自組網無線連接與控制器相聯，進入網絡，可以看出傳感器技術的發展是朝著開發無線傳感器網絡的方向延伸，進一步形成了融合有傳感器技術，信息處理技術和網絡通信技術的無線傳感器網絡技術，無線傳感器網絡的發展如圖 1.2 所示 圖 1.2 無線傳感器網絡發展歷程 雖然無線傳感器網

17、絡的大規模商業應用，由于技術等方面的制約還有待時日，但. . . . 是最近幾年，隨著計算成本的下降以與微處理器體積越來越小，已經為數不少的無線傳感器網絡開始投入使用。目前無線傳感器網絡的應用主要集中在環境的監測和保護、醫療護理、軍事領域、井礦、核電廠等領域1。無線傳感器網絡有著十分廣泛的應用前景，它不僅在工業、農業、軍事、環境、醫療等傳統領域有具有巨大的運用價值，在未來還將在許多新興領域體現其優越性，如家用、保健、交通等領域。將來無線傳感器網絡將無處不在，將完全融入我們的生活。比如微型傳感器網最終可能將家用電器、個人電腦和其他日常用品同互聯網相連，實現遠距離跟蹤，家庭采用無線傳感器網絡負責安

18、全調控、節電等。無線傳感器網絡將是未來的一個無孔不入的十分龐大的網絡，其應用可以涉與到人類日常生活和社會生產活動的所有領域。 1.2 無線傳感器網絡的特點無線傳感器網絡(WSN)是信息科學領域中一個全新的發展方向，同時也是新興學科與傳統學科進行領域間交叉的結果。無線傳感器網絡經歷了智能傳感器、無線智能傳感器、無線傳感器網絡 3 個階段。智能傳感器將計算能力嵌入到傳感器中，使得傳感器節點不僅具有數據采集能力，而且具有濾波和信息處理能力；無線智能傳感器在智能傳感器的基礎上增加了無線通信能力，大大延長了傳感器的感知觸角，降低了傳感器的工程實施成本；無線傳感器網絡則將網絡技術引入到無線智能傳感器中，使

19、得傳感器不再是單個的感知單元，而是能夠交換信息、協調控制的有機結合體，實現物與物的互聯，把感知觸角深入世界各個角落，必將成為下一代互聯網的重要組成部分。無線傳感器網絡的組成與應用場景和傳統網絡有較大的不同，是一種綜合傳感器技術、計算機技術、信息處理技術和通信技術為一體的網絡。(1)以數據為中心：無線傳感器網絡中節點數目巨大，而且由于網絡拓樸的動態特性和節點放置的隨機性，節點并不需要也不可能以全局唯一的 IP 地址來標識，只需使用局部可以區分的標號標識。用戶對所需數據的收集，是以數據為中心進行，并不依靠節點的標號。(2)資源受限：無線傳感器網絡中，節點只具有有限的硬件資源。其計算能力和對數據的處

20、理能力相當受限。此外，節點只能攜帶有限的電池能量，且在應用過程中不可能更換電池，因此能量也相當受限。(3)部署方式：無線傳感器網絡具有可快速部署的特點。節點一旦被拋撒即以自組織方式構成網絡，無需任何預設的網絡設施。(4)維護：在通信過程中，節點會隨時因為能源耗盡而離開網絡，也可能因為某種需要而隨時進入網絡，從而引起網絡拓撲的頻繁變化影響遇信質量。無線傳感器網絡不僅可實現自動組網，還具有網絡自動配置和自動維護功能，保證了網絡的通信質量。. . . . 3 / 59(5)多跳路由：網絡中節點的電池能源非常有限，因此其通信覆蓋圍一般只有幾十米，即每個節點都只能與其鄰居節點進行通信。若要與通信覆蓋圍外

21、的節點通信，則需要通過中間節點進行多跳路由2。 1.3 Zigbee 技術的發展與應用 多年來，無線通信業一直致力于高速寬帶無線通信技術的研究和開發，高速全線通信技術和產品不斷的推出，速率越來越高，距離越來越遠，然而在實際應用中，無線通信技術應該是多領域，廣圍的，在很多平時實際應用的場合中，如工業控制，無線監測，無線傳感器網絡，家居無線監控等，在這些場合中對于通信速率的要求并不是很高，但會在成本，功耗，體積，可靠性等方面有更加苛刻的要求，隨著技術等方面的發展，人們對能夠隨時隨地提供信息服務的移動計算和寬帶無線通信的需求越來越迫切，低速，近距離的無線通信技術和產品開始投入研究和生產。近年來，很多

22、公司和組織推出新的技術和產品，在這個大背景下。Zigbee 技術應運而生。 Zigbee 從誕生到現在只有幾年的時間，2000 年 12 月，IEEE 成立了 802.15.4 工作組，負責低速無線個域網的物理層和媒體訪問控制層協議的研究和制定；2002 年 8月，Zigbee 聯盟成立，Zigbee 聯盟的成立，為 Zigbee 的發展奠定了堅實的基礎，創造了良好的條件。2003 年，IEEE 工作組正式發布了低功耗，低速率的無線網絡通信協議 2004 年底，Zigbee1.0 版標準正式發布，隨后，在 2004 年底到 2006 年不到兩年的時間，Zigbee 聯盟由最初的十多家公司發展到

23、有全世界 150 多家知名廠商加盟的商業團體，呈現出蓬勃的發展趨勢。許多大型企業其生產地域分散，業務分工復雜，往往沒有一個或者多個控制中心，以與大量的現場數據采集點。這些采集點因分散而需要通過一定的通信手段來實現與中心控制單元間的數據交互，由于傳統優先網絡本身的局限性，許多特殊環境下的網絡覆蓋和網絡支持難以實現。無線通信技術的出現，可以對這些問題提供有效的解決方案，在現有無線網絡技術發展條件下，無線標準增加了靈活性，并降低了集成堆里無線通信的風險，在工控場合的應用條件下，短距離的無線傳輸尤其受到關注。 Zigbee 具有廣闊的應用前景，Zigbee 技術不追求高速率，遠距離，而是針對在工業自動

24、化以與智能家庭，智能建筑，醫療領域等某些特定場合中對控制應用的需求，一般幾十 kbps 的速率，幾米到幾十米的距離實現無線組網通信的能力，是被業界認為最有可能應用在工業監控，傳感器網絡，家庭監控，安全系數等領域的無線技術，將主要嵌入在消費性電子設備，家庭和建筑物自動化設備，工業控制裝置，電腦外設，醫用傳感器，玩具和游戲機等設備中，支持小圍的基于無線通信的控制和自動化等領域中的應用，同時還支持地理定位功能。. . . . 1.4 Zigbee 技術的主要特性（1）數據傳輸速率低。ZigBee 技術的最大傳輸速率只有 250Kbps，專注于低速率傳輸應用。（2）設備省電，功耗極低。ZigBee 技

25、術采用了多種節電的工作模式，可以確保兩節 AA 電池支持長達 6 個月到 2 年左右的使用時間。（3）通信可靠性高，數據安全。ZigBee 采用了 CSMA/CA 的避免碰撞機制，同時為需要固定帶寬的通信業務預留了專用時隙，避免了發送數據時的競爭和沖突；MAC 層采用了完全確認的數據傳輸機制，每個發送的數據包都必須等待接收方的確認信息，因此通信可靠性高。ZigBee 提供了數據完整性檢查和鑒權功能，加密算法采用 AES-128 同時協議棧的各層可以靈活確定其安全屬性。（4）網絡的自組織、自愈能力強。ZigBee 網絡無需人工干預，網絡節點能夠感知其它節點的存在，并確定連接關系，構成結構化的網絡

26、。ZigBee 網絡增加或者刪除一個節點、節點位置發生變動、節點發生故障等，網絡都能夠自我修復，并對網絡拓撲結構進行相應地調整，無需人工干預，保證整個系統仍然能正常工作。（5）時延短，接入網絡快。ZigBee 設備的響應速度非常快，可以在 15ms 或更短的時間由休眠狀態進入正常工作狀態。另外，由于使用直接擴頻而不是跳頻技術，節點重新加入網絡的過程也很快，一般可以做到 1 秒以甚至更快。（6）成本低廉，工作頻段靈活。由于 ZigBee 數據傳輸速率低，協議簡單，且免收專利費，所以大大降低了成本。ZigBee 的工作頻段靈活，使用的頻段分別為2.4GHz(全球)、868MHz(歐洲)與 915M

27、Hz(美國)，均為免費開放頻段。（7）網絡容量大：ZigBee 網絡可由一個節點管理若干子節點，最多一個節點可以管理 254 個子節點。同時該節點還可由上一層網絡節點管理，可組成 65536 個節點的大型網絡3。 Zigbee 是一種高可靠的無線數傳網絡，類似于 CDMA 和 GSM 網絡。Zigbee 數傳模塊類似于移動網絡基站。通訊距離從標準的 75m 到幾百米、幾公里，并且支持無限擴展。Zigbee 是一個由可多到 65000 個無線數傳模塊組成的一個無線數傳網絡平臺，在整個網絡圍，每一個 Zigbee 網絡數傳模塊之間可以相互通信，每個網絡節點間的距離可以從標準的 75m 無限擴展。與

28、移動通信的 CDMA 網或 GSM 網不同的是，Zigbee 網絡主要是為工業現場自動化控制數據傳輸而建立，因而，它必須具有簡單，使用方便，工作可靠，價格低的特點。而移動通信網主要是為語音通信而建立，每個基站價值一般都在百萬元人民幣以上，而每個 Zigbee“基站”卻不到 1000 元人民幣。每個 Zigbee 網絡節點不僅本身可以作為監控對象，例如其所連接的傳感器直接進行數據采集和監控，還可以自動中轉別的. . . . 5 / 59網絡節點傳過來的數據資料。除此之外，每一個 Zigbee 網絡節點(FFD)還可在自己信號覆蓋的圍，和多個不承擔網絡信息中轉任務的孤立的子節點(RFD)無線連接。

29、1.5 課題來源，研究容與目的 火災報警信息傳輸系統是目前國外火災探測報警領域最受關注的研究方向之一。針對現有的有線火災報警系統所存在的問題，提出并設計了一種基于 ZigBee 無線通信技術的火災報警信息傳輸系統。在本課題中，主要的研究容有: (1)首次將 ZigBee 無線通信技術應用于火災報警領域，該技術的引入使得火災報警系統大大降低了故障率、誤報率和漏報率;同時可避免有線報警系統線路容易老化或遭到腐蝕、鼠咬、磨損而需重新布線等麻煩。 (2)采用星型拓撲結構的無線節點傳輸網絡。網絡中探測傳感器布置采用兼容全功能節點和精簡功能節點的模式，一個 ZigBee 網絡最多可支持 65535 個節點

30、，完全滿足大圍區域火災探測報警的需要。 (3)硬件設計部分采用以 STC89LES16AD 單片機為核心，與基于 ZigBee 技術的無線射頻芯片 CC2500 相結合的方法，使得每個網絡節點具有一定的數據處理能力和通信能力。 (4)軟件設計部分給出系統的軟件數據結構、軟件流程圖以與詳細的程序設計;采用獨特的定時器 T0 延時 90ms 軟件抗干擾方法和穩壓電源硬件抗干擾方法相結合的抗干擾方法，保證了系統的可靠性和穩定性。第二章 無線傳感網絡技術2.1 無線傳感網絡的介紹2.1.1 無線傳感器網絡的概念 無線傳感器網絡的構想最初是由美國軍方提出的，美國國防部高級研究所計劃署（DARPA）于 1

31、978 年開始資助卡耐基梅隆大學進行分布式傳感器網絡的研究，這被看成是無線傳感器網絡的雛形。從那以后，類似的項目在全美高校間廣泛展開，著名的有 UC Berkeley 的 Smart Dust 項目，UCLA 的 WINS 項目，以與多所機構聯合攻關的. . . . SensIT 計劃，等等。在這些項目取得進展的同時，其應用也從軍用轉向民用。在森林火災、洪水監測之類的環境應用中，在人體生理數據監測、藥品管理之類的醫療應用中，在家庭環境的智能化應用以與商務應用中都已出現了它的身影。目下，無線傳感器網絡的商業化應用也已逐步興起。美國 Crossbow 公司就利用 Smart Dust 項目的成果開

32、發出了名為 Mote 的智能傳感器節點，還有用于研究機構二次開發的 MoteWorkTM開發平臺。這些產品都很受使用者的歡迎。組成和特點： 無線傳感器網絡可以看成是由數據獲取網絡、數據分布網絡和控制管理中心三部分組成的。其主要組成部分是集成有傳感器、數據處理單元和通信模塊的節點，各節點通過協議自組成一個分布式網絡，再將采集來的數據通過優化后經無線電波傳輸給信息處理中心。 因為節點的數量巨大，而且還處在隨時變化的環境中，這就使它有著不同于普通傳感器網絡的獨特“個性” 。首先是無中心和自組網特性。在無線傳感器網絡中，所有節點的地位都是平等的，沒有預先指定的中心，各節點通過分布式算法來相互協調，在無

33、人值守的情況下，節點就能自動組織起一個測量網絡。而正因為沒有中心，網絡便不會因為單個節點的脫離而受到損害。 其次是網絡拓撲的動態變化性。網絡中的節點是處于不斷變化的環境中，它的狀態也在相應地發生變化，加之無線通信信道的不穩定性，網絡拓撲因此也在不斷地調整變化，而這種變化方式是無人能準確預測出來的。 第三是傳輸能力的有限性。無線傳感器網絡通過無線電波進行數據傳輸，雖然省去了布線的煩惱，但是相對于有線網絡，低帶寬則成為它的天生缺陷。同時，信號之間還存在相互干擾，信號自身也在不斷地衰減，諸如此類。不過因為單個節點傳輸的數據量并不算大，這個缺點還是能忍受的。 第四是能量的限制。為了測量真實世界的具體值

34、，各個節點會密集地分布于待測區域，人工補充能量的方法已經不再適用。每個節點都要儲備可供長期使用的能量，或者自己從外汲取能量（太陽能） 。 第五是安全性的問題。無線信道、有限的能量，分布式控制都使得無線傳感器網絡更容易受到攻擊。被動竊聽、主動入侵、拒絕服務則是這些攻擊的常見方式。因此，安全性在網絡的設計中至關重要。傳感器網絡是由大量部署在作用區域的、具有無線通信與計算能力的微小傳感器節點通過自組織方式構成的能根據環境自主完成指定任務的分布式智能化網絡系統。傳感網絡的節點間距離很短，一般采用多跳（multi-hop）的無線通信方式進行通信。傳感器網絡可以在獨立的環境下運行，也可以通過網關連接到 I

35、nternet，使用戶可以遠程訪問。傳感器網絡綜合了傳感器技術、嵌入式計算技術、現代網絡與無線通信技術、分. . . . 7 / 59布式信息處理技術等，能夠通過各類集成化的微型傳感器協作地實時監測、感知和采集各種環境或監測對象的信息，通過嵌入式系統對信息進行處理，并通過隨機自組織無線通信網絡以多跳中繼方式將所感知信息傳送到用戶終端。從而真正實現“無處不在的計算”理念。2.1.2 無線傳感器網絡的系統架構 無線傳感器網絡的系統通常包括傳感器節點，匯聚節點和管理節點，如圖 2.2 所示。匯聚節點任務管理節點互聯網和衛星監測區傳感器節點圖 2.1 無線傳感器網絡系統架構從圖中可以看出，整個網絡有大

36、量的傳感器節點分布在其中，而且必須保證分布的密集程度，在覆蓋圍的傳感器節點可以通過自組織的方式構成網絡，系統開始工作后，傳感器節點在對用戶所需要的，獲得的信息進行簡單的處理后，通過多條中繼的方式將信息傳送給匯聚節點。在此，匯聚節點可以擔當任務管理器節點和傳感器節點之間溝通的橋梁，在系統設計時，用戶可以根據需要選擇不同的通信途徑包括衛星，互聯網或者移動通信網絡等將信息傳達到最終用戶的管理節點，再對信息作進一步處理，此外終端用戶也可以通過管理節點對無線傳感器的系統網絡進行管理配置，發布監測任務或者收集回傳數據。傳感器節點是一個嵌入式系統，它的局限性在于由體積，價格和能量供給等因素所帶來的一些限制。

37、主要表現在節點的處理能力，存儲能力相對較弱，通信距離有限，通常情況下，只能與自身通信所覆蓋圍的相鄰傳感器節點進行數據交換，當需要訪問通信圍外的節點是，就必須使用多條路由中繼，在這里每一個傳感器節點都有信息采集和路由中繼的雙重功能。匯聚節點相對傳感器節點具有較強的處理能力，存儲能力和通信能力，既可以是一個具有足夠能量供給和更多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。匯聚節點負責連接傳感器網絡與外部網絡，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發到外部網絡上，同時發布管理節點提交的任務4。2.1.3 無線傳感器網絡的

38、關鍵技術關鍵技術主要包括四部分：網絡通信協議，核心支撐技術，自組織管理，開發和應用。 （1）網絡通信協議傳感器網絡通信協議包括物理層，數據鏈路層，網絡層和傳輸層四個層次。受傳感器節點能量限制，其計算，存儲和通信能力有限，每個節點只能獲取局部網絡信息，故要求節點上的通信協議要簡單，同時要求網絡通信協議可以適應網絡拓撲結構和外界環境的不斷變化。 （2）核心支撐技術核心支撐技術包括拓撲控制，節點定位，時間同步，網信息處理，網絡安全等，使用網絡通信協議提供的服務，通過應用服務接口可以屏蔽底層網絡的細節，這樣可以使用終端用戶可以方便的對無線傳感器網絡進行操作。 （3）自組織管理 自組織管理是指可以是無線

39、傳感器網絡自動組網運行，自行配置維護，實時轉發監測數據，主要為了應對無線傳感器網絡多變的網絡狀況以與外界環境的要求，主要包括節點管理，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 主要包括仿真平臺，硬件系統開發，操作系統，軟件開發，環境監測應用，目標追蹤應用等。2.2 基于 Zigbee 無線傳感器網絡2.2.1 無線傳感器的構建 無線傳感器的基本結構分為三部分，如圖 2-4 所示。圖 2-4 無線傳感器基本結構第一部分包括傳感器、放大和濾波電路、A/D 轉換裝置。傳感器根據需要，采集信息。一般還需要進行放大和濾波的處理，因為傳感器采集到的信息大部分是模擬量，所以為了實

40、現無線傳輸，還需要進行 A/D 轉換。第二部分主要是由微控制器所構成的控制單位組成，用于數據的處理和存儲，是節點的核心部分。第三部分是用 Zigbee 技術實現通信部分，也是整個節點最耗能的部分。 傳 感 器放大濾波A/D 轉換控制單元Zigbee 通信模塊. . . . 9 / 592.2.2 無線傳感器網絡的構建 無線傳感器網絡有三種有效的網絡結構：樹型，星型和網狀。（1）星型的拓撲結構。具有天然的分布式處理能力，網絡中的路由節點既具有路由功能，也具有一定的數據處理和融合能力，是分布式處理中心，每個終端的無線傳感器節點數據傳給其所在的路由節點，在此節點對數據進行簡單、有效地融合，然后再將數

41、據轉發出去。（2）網狀的拓撲結構。無線傳感器節點連成網狀，網絡伸縮性好，而且在個別的鏈路失效時不會引起網絡的分離、獨立，數據傳輸可以同時經過多條路由，保證比較高的傳輸可靠性。（3）樹型網絡拓撲結構。傳感器節點串聯一條或者多條鏈路上，鏈尾與終端傳感器節點相連。但是此方案容易導致的問題是，在中間節點失效的情況下，會使部分終端節點失去連接。2.2.3 關鍵技術難點如前所述，無線傳感器網絡應用前景十分廣泛，不僅在傳統領域（工業，農業，軍事，環境，醫療等）中存在巨大的應用價值，還將在許多新興的領域體現它的優越性，如智能家居、交通檢測等。可以說，無線傳感器網絡應用幾乎能涉與到人類日常生活和社會生產活動的所

42、有領域。但是依照目前的技術水平，無線傳感器網絡正常運行可以實現，但如若大量投入使用仍然面臨著許多問題。（1）干擾問題。無線傳感器網絡在正常通信時，無線信號受到的各種干擾和傳輸過程中產生的衰減會造成網絡傳輸的不穩定，比如無線信號可能被一些障礙物，或者現場其他電子信號干擾。（2）成本問題。雖然現有技術下，各種硬件的成本已經有所降低，但是由于無線傳感器網絡中覆蓋區域需要使用數量龐大的微型傳感器，保證其網絡的密度，即使單個器件成本低廉，在大量使用情況下總成本任然會制約其應用的推廣。（3）能量供應問題。目前整個網絡主要的供能是采用市電或者電池供電，但是傳感器節點上多采用電池，那么如何降低傳感器功率以延長

43、節點使用壽命也是要考慮的問題之一，目前也正在研究傳感器的自我能量手機技術和電池無線充電技術。（4）高效的無線傳感器網絡結構。無線傳感器網絡的網絡結構有多種形態和方式，各有利弊，如何選擇合理的無線傳感器網絡以最大限度的利用資源也是設計者考慮的問題。此外，還有網絡安全協議的問題和大規模傳感器網絡中的節點移動性管理等諸多問題有待解決。. . . . 第三章 Zigbee 技術 隨著無線傳感器網絡的發展研究不斷的深入，標準化的問題隨之而來。在無線傳感器網絡的發展過程中，還存在著一系列諸如沒有統一的接口，統一的協議等方面的問題，各個廠商各有一套標準。而低速率、低成本的無線聯網標準 Zigbee 正順應了

44、這種要求。本章將對這種適用于無線互聯網絡和控制應用的新技術標準進行的分析。3.1 Zigbee 與其網絡協議概述. . . . 11 / 593.1.1 Zigbee 概述 隨著無線網絡技術的快速發展，許多本來存在的網絡服務逐漸走向成熟，近幾年來，IEEE802.11 無線局域網絡的普遍以與 IEEE802.16 無線寬帶網絡的商業標準化使得無線網絡技術越來越重要，也有越來越多的相關的應用和產品出現。 IEEE802.15.4 是一個新興的無線通信協議，是 IEEE 定義的低速個人區域網絡標準。這個標準定義了物理層和介質訪問層。物理層圍確定無線網絡的工作頻段以與該頻段上傳輸數據的基準傳輸速率。

45、介質層訪問定義了在同一個區域工作的多個 802.15.4 無線信號如何共享空中頻段。但是，僅僅定義物理層、介質訪問層不能完全解決問題。因為沒有統一的使用規，不同的廠家聲場的設備存在兼容性問題，于是 Zigbee 聯盟應運而生，眾多設備生產商聯合在一起，推出一套標準化平臺，即 Zigbee，Zigbee 從IEEE802.15.4 標準開始著手，定義了允許不同廠家設備相互兼容的應用綱要。3.1.2 IEEE802.15.4IEEE 802.15.4/ZigBee 協議是一種新興的短距離無線射頻通信協議，IEEE802.15.4 定義了兩個物理層標準，分別是 2.4GHz 物理層和 868/915

46、 MHz 物理層。兩個物理層都基于 DSSS 直接序列擴頻技術，使用一樣的物理層數據包格式。ZigBee在 2.4GHz 頻段有 16 個信道，能夠提供 250 kb/s 的傳輸速率，采用 O-QPSK 調制；915MHz 和 868MHz 分別是歐洲和美國的 ISM 頻段，這兩個頻段的引入避免了 2.4GHz 附近各種無線通信設備的相互干擾。在 916MHz 頻段有 10 個信道，傳輸速率為是40kb/s，在 868 MHz 頻段只有 1 個信道，傳輸速率為 20 kb/s，這兩個頻段都采用BPSK 調制。它與藍牙同屬于 802.15 (WPAN 一 Wireless Personal Ar

47、ea Networks)協議家族，具有低速、低成本、低功耗、低復雜度等特點。也正是由于 Zigbee 協議的這些特點，使其比藍牙、Wi-Fi 等更適合于那些對傳輸速率要求不高，而對資源、成本、功耗等有明確限制的應用場合。IEEE802.15.4MAC 數據包的最大長度為 127 個字節。每個數據包都有頭字節和 16位 CRC 的值組成，16 位 CRC 值驗證幀的完整性，此外，IEEE802.15.4 還可以選擇使用應答數據傳輸機制，使用這種方法，所有 ACK 標志位置 1 的幀均會被他們的接收器應答。這就可以確定幀實際上已經被傳遞了。如果發送幀的時候置位了 ACK 標志位，但是在一定的超時期

48、限沒有收到應答，發送器將重復進行固定次數的發送，如仍無應答就宣布發生錯誤。注意接收到應答僅僅表示幀被 MAC 層正確接收，而不表示幀被正確處理，這是非常重要的。接收節點的 MAC 層正確接收并應答了一個幀，但是由于缺乏處理資源，該幀可能被上層丟棄。因此，很多上層和應用程序要求其他的應答響應。3.1.3 Zigbee 網絡中的配置ZigBoe 無線網絡可采用多種類型的配置，分別為星型(Star)，格型(Mesh)和簇型. . . . (Cluster)。 星形網絡配置由一個協調器(Coordinator)節點(主設備)和一個或多個終端設備 (EndDevice)(從設備)組成。協調器是實現了一組

49、很多 ZigBee 服務的一種特殊的全功能設備(FullFunctionDevice，FFD)。終端設備可能是 FFD 或簡化功能設備 (ReduCedunetionDevice，RFD)。RFD 是最小而且最簡單的 ZigBee 節點。它只實現了一組最少的 ZigBee 服務。在星形網絡中，所有的終端設備都只與協調器通信。如果某個終端設備需要傳輸數據到另一個終端設備，它會把數據發送給協調器，然后協調器依次將數據轉發到目標接收器終端設備。綜合考慮在本設計中，將采用星型網絡拓樸結構。除了星形網絡之外，ZigBee 還可以采用點對點網絡、群集或網狀(mesh)網絡配置。由于群集和網狀網絡具有在多個

50、網絡之間路由數據包的功能，因而被稱為多跳網絡，而星形網絡則被稱為單跳網絡。和任何網絡一樣，ZigBee 網絡也是多點接入網絡，這意味著網絡中的所有節點對通信介質的訪問是同等的。有兩種類型的多點接入機制。在沒有使能信標的網絡中，只要信道是空閑的，在任何時候都允許所有節點發送。在使用了信標的網絡中，僅允許節點在預定義的時隙進行發送。協調器會定期以一個標識為信標幀的超級幀開始發送，并且希望網絡中的所有節點與此幀同步。在這個超級幀中為每個節點分配了一個特定的時隙，在該時隙允許節點發送和接收數據。超級幀可能還含有一個公共時隙，在此時隙所有節點競爭接入信道。ZigBee 協議棧的當前版本僅支持無信標的星形

51、網絡配置5。3.1.4 Zigbee 網絡拓撲ZigBee 技術具有強大的組網能力，支持星型、簇狀型、網狀型三種網絡拓撲結構，如圖 3-1 所示。每種網絡都有各自的優點。由于網狀型網絡從源節點到達目的節點可以有多條路徑，路徑的冗余加強了網絡的可靠性，如果原先的路徑出現了問題，比如受到干擾，或者其中一個中間節點出現故障，ZigBee 可以切換到另一條路徑。另外，該拓撲結構還可以組成極為復雜的網絡，具有很大的路由深度和網絡節點規模，并具備自組織、自愈功能，從而降低了網絡的維護成本。因此，在工業無線網絡常采用網狀型結構。. . . . 13 / 59星型網狀型簇狀網ZigBee協調器(FFD)Zig

52、Bee路由器(FFD)ZigBee終端設備(FFD或RFD)圖 3-2Zigbee 網絡拓撲結構ZigBee 網絡中包含三種設備類型：ZigBee 協調器、Zigbee 路由器和 ZigBee 終端設備。每個網絡都必須包括一臺 ZigBee 協調器。ZigBee 協調器是整個網絡的中心，負責網絡的組織和維護。路由器負責網絡中數據包的路由選擇，并能夠用來拓展網絡的圍。而終端設備則是實現具體功能的單元。根據功能來劃分，又分為全功能設備(FFD)和精簡功能設備(RFD)。協調器和路由器必須為 FFD，而終端設備可以是 FFD，或者是RFD9。3.1.5 ZigBee 協議棧結構ZigBee 協議棧是

53、采用 C 語言編寫的，源文件會自動根據所使用的編譯器進行必要的更改。ZigBee 協議棧使用部閃存程序存儲器來存儲可配置的 MAC 地址、網絡表和綁定表。因此，必須使用可自編程的閃存存儲器單片機。如果需要的話，可以修改非易失性存儲器(N 哪)程序來支持任何其他類型的 NVM 而不使用可自編程的單片機。此外，該協議棧旨在 MSP430DEMZ 演示板上運行。但是，它可很容易地移植到任何使用兼容單片機的硬件中。ZigBee 無線網絡的構建通訊是建立在協議棧基礎上，如圖 3-3 所示。用戶應用程序ZDO(ZDO.*)APL(Zapl*)APS(zAPS*)NWK(zNWK)MAC(Znwk.*)PH

54、Y(zPHY.*)圖 3-3Zigbee 協議棧結構. . . . 所以在將 ZigBee 協議以與應用程序從一個硬件平臺移植到另外一個硬件平臺，只需要修改 MACPHY 與硬件相關的層， MACPHY 的硬件驅動程序完成后會向上提供程序接口，這樣 NWK，NVM，APL，APS 等層就可以屏蔽硬件差異直接運行。CC242O 芯片支持硬件加密解密功能，如果有需要可以在發送前進行硬件加密，接收時進行硬件解密;加密解密動作是在 NVM，APL，APS 層進行的。目前演示版本的Demon 不支持加密解密功能。3.2 幾種無線傳輸技術的比較無線傳輸部分是網絡節點最耗能的部分，在設計過程中如何選用一個合

55、理的傳輸方式也是最初要考慮的問題。常用的近距離無線通信技術有 Wi-Fi(IEEE802.11)、超寬帶通信 UWB(ultraWideband)、藍牙(Bluetooth)、紅外線數據通信 IrDA 等. （1）Wi-Fi Wi-Fi(WirelessFidehty，無線高保真)是目前 WLAN 的主要技術標準，目的是提供無線局域網接入，多用于解決辦公室無線局域網或者校園網用戶與用戶終端的連接，可實現幾 Mbps 到幾十 Mbps 的無線接入。Wi-Fi 依賴 TCP/IP 作為網絡層，規定了協議的物理層和媒體接入控制層。特點是便攜性良好，帶寬雖然良好但卻耗能高，大多 Wi-Fi 裝置都需要

56、較高的電能儲備和常規充電，限制了它在工業場合的推廣和應用。 （2）超寬帶通信無線載波通信技術，數據采用納秒級非正弦波窄脈沖傳輸，頻譜圍寬，在3.110.6GHz 的頻段占用 500MHz 以上的帶寬，可以用低功耗、低復雜度收/發機實現數據的高速傳輸。UWB 傳輸速率高，通信距離短，平均發射功率低、多徑分辨率高，主要適用于建立高效的無線局域網或者無線個域網，如室等密集多徑場所的高速無線接入，典型應用如視頻消費娛樂方面的無線個域網。 （3）藍牙藍牙是以 IEEE802.15.1 為基礎，規定了 PHY、MAC、網絡層和應用層等集成協議棧。藍牙工作頻率為 2.4GHz，傳輸距離較短，有效圍一般在 1

57、0m，信道帶寬 1MHz，異步非對稱連接最高數據速率為 723.2kbps。相對 Zigbee 技術來說，系統的抗干擾能力不強，成本和集成復雜性高，主要體現在芯片器件的尺寸大小、價格。另外，藍牙對每個微網有只能配置 7 個節點的限制，制約了其在大型傳感器網絡開發中的應用，多用于無線設備、圖像處理設備、智能卡、身份識別與娛樂消費、家用電器等領域。隨技術發展，新的研究技術使藍牙 2.0 版標準擬支持 10Mbps 以上的速率，高增益天線可以將通信圍擴展至 100m。 （4）紅外線數據通信. . . . 15 / 59lrDA 是一種利用紅外線進行點對點通信的技術，移動通信所需的體積小、功耗低、連接

58、方便、簡單易用成本低廉。LDA 標準的無線設備傳輸速率已發展到 4Kbps、16Mbps目前，其軟硬件技術成熟，已經廣泛應用在小型移動設備上(如 PDA、手機)。但問題在于 IrDA 只能在 2 臺設備之間連接，并且存在有視距角度等問題，連接設備必須對準且中間不能有障礙物遮擋，一般不應用于工業網絡。幾種常用無線傳輸方式的主要性能比較見表 3-5。標準名稱ZigbeeIEEE802.15.4BluetoothWiFiIEEE802-11bGPRS/GSMIxRTT/CDMA主要應用領域監視，控制電纜替代上網，視頻語音，數據傳輸系統資源4KB-32KB250KB+1MB+16MB+電池壽命（天）1

59、00-1000+1-70.5-51-7網絡大小2647321寬度（Kbps）20-25072011,000+64-128覆蓋距離（米）1-1001-10+1-1001000+ 表 3-5 幾種無線傳輸方式性能比較 通過對各種無線傳輸技術的比較，可以明顯的看出:ZigBee 技術適合用于點數密集、對能量要求低的網絡;可以在其有效物理圍 100m 實現通信，而目前一些產品的加強型，可以將有效圍擴大至 1km 以上;工作射頻 2.4GHz 的工業頻段，免除申請的麻煩 ;2.4GHz 時傳輸速率 250kbPs，對于工業中傳輸量低的場合，滿足其應用要求10。. . . . 第四章 無線傳感器網絡的設計

60、與實現4.1 離子感煙火災報警器4.1.1 工作原理與分類 離子感煙式火災探測器是采用空氣離化火災探測方法構成和工作的，通常只適用于點型火災探測器。根據探測器電離室結構形式，離子感煙式探測器可分為雙源和單源感煙式探測器。 （1)感煙電離室特性感煙電離室式離子感煙探測器的核心傳感器器件，電離室極間的空氣分子電離為正離子和負離子，這樣，電極之間原來不導電的空氣具有了導電性。時在電場作用下，正、負離子的有規則運動，使電離室呈現典型的伏安特性，形成離子電流。 電離室可以分為雙極性和單極性兩種結構，整個電離室全部被 a 射線照射的稱為雙極性電離室;電離室局部被 a 射線照射，使一部分形成電離區，而未被