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让苹果也头疼的智能家居问题出在哪儿？
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　　智能家居，近年来热得发烫。　　很多国内外的大公司纷纷吹响了进军智能家居市场的号角。然而，几年过去了，大家似乎并没有看到这个行业有太多的突破，拿起iPhone，告诉Siri帮你锁门、关灯，这样的日子似乎离我们依然还很远。　　问题到底出在哪儿？行业里通用的说法是：智能家居市场缺乏一个统一的标准，目前各大厂商都还是各自为阵，都在力推自家的平台。即便是苹果，也难以突破家电等强势玩家束起的“高阁”，地盘观念让智能家居变得更像“智能玩具”，并且单品价格通常还很高。　　一家叫作RICI的深圳公司用了六年时间试图解决“标准化”的问题，从微波技术到Zigbee，再到Zigbee组网，这家核心团队来自于华为和阿尔卡特等公司的技术人员尝试了全球市场上所有主流的智能家居无线连接技术，直到被行业认可——包括BAT在内的互联网公司以及国内的家电巨头们今年来纷纷向它抛出绣球，就连一向挑剔的“红衣教主”周鸿祎也在接触其团队。　　但摆在RICI面前的现实问题是：选择什么样的方式将无线技术商业化。自己做，有哪个家庭会自己手动布线？又有哪些人愿意“还没有住上房子就为钢筋买单”？而与巨头合作，也许更多的还是“进不进入”某一阵营的问题，传统家电厂商之间、家电厂商与互联网厂商之间、互联网厂商之间，入口之争远比外界想象的更为激烈。　　“标准之争”争什么　　目前，智能家居公司大体分为三类：第一类是家电巨头，如美的、格力、海尔、TCL等，其优势是家电产品；第二类是外围智能家居企业，大多是推一些智能家居单品，比如智能插座、智能灯泡、智能路由等；第三类则是互联网巨头，比如阿里、腾讯、百度、360、京东等，有着大量的互联网用户。　　而在上述三类阵营中，家电厂商与互联网厂商对智能家居的争夺尤为激烈。　　“智能家居不能脱离智能家电，家电是整个智能家居的重心，外围智能家居企业无法深度切入家电智能化领域，也不可能为了进入这一市场，去做冰箱、电饭煲、电视机。”RICI负责人童辉对如是说。　　但从现在的发展状况来看，家电厂商基本上都在推自己的智能家居系统，比如海尔、美的在玩超级平台，可以理解的是，没有人愿意让自己的硬件白白成为互联网公司的入口，为他人作嫁衣。但尴尬之处也在此，外围设备的空缺让智能家居“意义”变得狭窄，因为一家家电厂商不可能在短时间把什么事情都做了，比如说灯光智能化、窗帘智能化、安防智能化、环境智能化、家电影音智能化。　　而对于互联网厂商来说，优势也许在平台。　　“现在互联网公司通常的做法是，先布好一个平台，希望有一家公司或者是假以时日所有的硬件能够全部按照它的标准去玩，通过把所有的硬件整合起来变成一套超级系统，但是稳定性问题、时间问题，并不是短期就可以完成的。”童辉认为，没有硬件的支持和接入，软件的功能就无法实现。　　即便是苹果也没能打破这两大阵营之间的高墙。虽然去年已推出智能家居HomeKit，开发者只需要通过苹果终端就能够对全屋的智能设备进行遥控，但现在看来，除了单品价格畸高外，产品之间也没有过多的联系，这确实很难让消费者提起兴趣。　　“无论是智能化的单品，还是现有的智能家居平台及系统，都只是停留在初级层面，仅能实现局部智能，与用户所期待的智能家居仍有巨大落差。”童辉说。　　能打破标准吗？　　有没有一种方式可以绕过家电厂商，将散乱的智能家居产品一统江湖？寻找物与物之间连接的方式也许是一个路径。　　从技术手段来看，物体之间的连接之一是有线连接方式，比如通过网线将你的电脑接入互联网或者通过同轴电缆将摄像机接入监控平台等，其二是无线连接方式，比如你的手机可通过无线WiFi实现上网等。　　业内人士对记者表示，有线连接的优势主要体现在稳定性、可靠性与传输速度上，但由于其采用了实体的连接方式，便利性与实用性是其致命伤。无线连接将会是未来智能家居发展的重要方向，其中主流的技术为三种——蓝牙、WiFi与Zigbee.　　“最早的时候是用433、315这种微波技术在做智能家居，但问题是这个标准跟很多家电厂商不一样，没办法接入别人的系统。所以在2012年的时候就把之前所有开发好的东西全部推翻，重新来过。”童辉选择了国际无线标准Zigbee正式进入智能家居行业。　　“Zigbee最大的优势在于组网方式非常灵活变通，它有星状的、有网状的、有束状的，怎么样的组网方式都行，这是第一。第二，Zigbee它有中继功能，信号可以通过这个节点传递到下一个信号覆盖范围内的节点，然后依次传递下去，而且最多可支持65000个节点。这是目前其他无线技术所不具备的。此外，Zigbee的能耗很低，而且Zigbee的安全性比其他无线技术要好，本身Zigbee就是从美国军方转民用的一个技术，智能家居最关键的就是安全。当然智能家居要想变得智能，还必须要接入互联网，所以WiFi这块也是必不可少的。”童辉对记者说。　　而目前，小米等厂商在网关的解决方案上也选择了Zigbee这种技术方式。　　但“避开”家电巨头也许并不是那么容易的事情。　　“现在所有的家电要跟智能家居对接，如果不跟家电厂商合作的话，就是通过无线转红外。”童辉告诉记者，目前中国的家电公司基本都是竞争关系，标准都是独立封闭的。　　“以空调为例，国内和国际上的空调红外编码制度是不一样的，国外空调所有的编码都是全球开放的，用户在互联网一搜索，码库标准马上全部出来。但是在中国基本都是各自保密的，不但做了保密，还做了加密，所以现在绝大多数的外围智能家居厂商也都没有空调的码库。”虽然RICI的产品已经可以通过无线转红外控制所有的品牌家电，但童辉坦言，想要顺畅地实现与所有品牌家电的互联互通还非常困难。　　破局仍需协作　　和家电的互通最终还是需要和家电厂商的合作，童辉告诉记者，无线转红外是单向传输的，如果与家电厂合作，让它们植入相关模块的话，就可以实现双向互通，在发出相关指令后，还能看到家电实时的参数状态。　　对于RICI来说，好消息是经过六年对技术的研究，RICI逐渐获得了家电厂商的认可，不少家电厂商希望以入股或者结盟的方式与RICI展开合作。在一定程度上，无线技术的突破可以帮助更多的外围硬件设备轻松进入这些大家电的平台。　　但对于童辉来说，此时对智能家居产品的野心已经慢慢萌发。　　在一次的产品创新会议上，一位富士康的负责人看到了RICI的展示，通过旗下“富梦网”的平台，表示愿意为其提供帮助。也就是从那时候开始，RICI开始与富士康展开智能家居产品上的合作，目前双方合作的品类涵盖了中控系统、照明、安防、门窗、环境监测、家庭影院等方方面面。　　这时童辉希望做的是运用富士康的技术，在智能家居产品上实现苹果的工艺，通过线下代理商和体验店的渠道卖进消费者家中。　　“比如说智能开关使用的是激光微孔工艺技术，在直径1mm的面积上打了78个0.025mm直径的微孔，不见孔，只见光，目前这种工艺也仅在苹果产品上才会见到。”童辉对记者说，目前RICI在智能家居产品领域已有140项专利(包括在申请中的)，以及70个软件著作权。　　而在渠道商，童辉也开始了线下渠道代理的筛选。　　“现在的很多智能家居厂商走的都是拼价格，走线上销售的路子，但是真正对智能产品有需求的消费者也许更希望体验，这时候走线下体验式销售、走代理的模式会更为合适。”童辉对记者说，线路的布局和产品安装依然需要专业的人士去做。　　从智能家居市场上看，卖得好的产品仅仅是一些盒子、智能插座、智能灯泡等单品，像目前智能家居市场上比较知名的欧瑞博、Broadlink所推的产品基本上也是智能插座/开关、WiFi/红外控制器等单品。而从品牌角度，似乎还说不出什么“像样”的智能家居品牌，小米的布局也仅仅是通过收购/投资相关硬件厂商，或者用直接外包等方式推出产品。　　无论是资金实力还是市场需求，留给童辉的依然是很多的不确定性。
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技术支持： |ZigBee+Z-Wave商业模式已失守江山?美国第三家超级网关厂家易主
Staples史泰博公司今日宣布出售旗下智能家居无线网关系统Staple Connect，公司将不再从事智能家居方面的研究工作，Staples Connect被一家Z-Wave产品公司Z-Wave Products收购，并且Staples Connect开始支持Z-Wave协议。
Staples战略出售不免让人们纷纷质疑智能家居的未来，Staples为何丧失信心不再坚持？Staples是近两年自Quirky和Revolv两家公司倒闭以来的第三家无线网关公司，这三家短命鬼公司为何会纷纷倒闭？原因慢慢来道。
Staples公司在2013年的时候发布了智能家居平台Staples Connect，将第三方传感器、灯光、无线插座、门锁等，Staples Connect无线网关能兼容Honeywell、Philips hue、 Lutron、Yale、GE以及First Alert等品牌的智能家居设备，对于每个设备兼容的扩展是以付费工具包的形式实现的，例如你想联动烟感，就购买烟感工具包;想控制灯光，就购买灯光工具包。
在几个月前，Staples公司就开始停止销售Connect网关，很多用户当时也很着急，怕产品无法继续使用，Z-Wave公司收购后表示会将Staples Connect品牌继续运营下去，以前的用户不用担心继续使用的问题。
Staples Connect 一代网关(右)与二代网关(左)
很多人不知道Staples史泰博公司是何妨神圣?Staples是美国500强企业，经营纸张、耗材、文具、设备、日常用品等十大类数万种办公用品，在全球拥有2,100余家办公用品超市和仓储分销中心，全球员工总数79,000名，业务涉及22个国家和地区。旗下的Staples Connect公司只是公司的子分支，智能家居属于Staples母公司非常小的业务范畴。
出货量的质疑
中控厂家的模式有个商业悖论，就是中控厂家只能靠卖单一的中控硬件卖钱!所以传统的智能家居中控都不便宜，因为硬件基本只能赚一次钱，也无法在上面嫁接东西，更多的利润要被第三方赚钱。Echo一改这种局面，Echo嫁接的服务非常多：亚马逊购物、定车票、定外卖等上千种功能，而且亚马逊将无线中控卖的很便宜，179美金就能嫁接那么多东西，而Staples要卖99美金，仅仅能提供几十种联动，还且工具包还得另外付钱，破产的Revolv卖的比Echo都贵，也只能提供几十种联动。消费者并不傻，买谁还用说吗?所以Staples卖不动，而Echo卖疯了。
这家Z-Wave产品公司把Staples买去是因为Z-Wave是做传统无线智能家居设备的，他们需要优质的传统网关来对接更多的协议以支撑海量传统的无线设备，所以说这一战略是正确的，收购很成功。
ZigBee+Z-Wave商业模式的迭代
外媒文章标题指出ZigBee+Z-Wave模式在市场上的江山失守，主要指互联网企业的智能家居网关设备模式，Amazon Echo和Google Home一改无线网关的模式，云+语音的操控方式让用户通过无线控制智能家居设备有了新的体验感，也营造出了更加开放的商业模式，而非仅仅是传统式的无线互联，市场趋势不可阻挡，仅仅靠网关厂家来推动自身销量实则分身乏术，可以说Echo和Google Home激起了新的行业意识与方向，Staples只是被淘汰的模式而已。
无线控制中心
只要是接入同一云端的设备，都是可以控制的，目前是有延迟性的问题，但是这种方式首先解决了能否联动、是否互联互通的问题，不管是Z-Wave的锁还是ZigBee的灯泡，统统可以用Echo去联动控制。
中国企业有没有Echo？为何不成功？
Echo没有中文版本，但是中国企业有Echo模仿版，而且有各种版本的，这里的品牌不便提及，但是目前它们都有几个困惑：一是能一起玩的第三方产品很少，因为它们的技术，尤其是语音技术是不免费开放的，抱着高高在上的态度等着别人去对接，这种模式在物联网时代是不可能成功的；二是产品自身有各种问题。
首先是语音交互问题，有的音箱植入最先进的科大讯飞中文语音功能，但是都是阉割版本的“灵犀”，交互感跟Echo相比，要差几个档次，细节方面如唤醒词只有一个无法自定义(反人类)、要连续呼喊两次唤醒词(反人类)、唤醒后需要等待时间1~3秒(反人类)、语音交互无法达到深层次的交流(反人类)、远场语音远距离不支持(反人类)、音箱执行语音命令时无法打断(反人类)、机器发音浓重(反人类)、无法自主学习什么都得教它(反人类)……
总之很多反人类的设计，感觉不像跟一个真正的虚拟人在交流。第三就是捆绑的服务几乎没有，就算是京东自己做的语音音箱，能否语音购物、能否语音支付、能否语音查物流?都没有!更别说去嫁接滴滴、Uber、美团、饿了么等O2O平台服务。
Staples Connect APP
Echo的语音技术跟Google Home比起来也不完美，但是至少马马虎虎像个虚拟人，中国企业不是做不出，只是需要时间，因为没有人知道无线智能音箱目前的重要性，还没有发力去做这个事情，美国已经嗅到Echo的成功性，这也是Google急着做Google Home的原因，当然这种直觉性也让美国的智能家居市场达到全球总和领跑世界的原因，相信苹果也会尽快出类似的产品或者将产品升级完美嫁接Siri。
中国目前的智能家居领域忙活最多的还是生态圈还是各种Link的对接，都想做互联互通的对接，前面已经谈到无线产品的无缝仅靠云平台即可实现。BAT做云但是不做Echo这种硬件;京东和阿里都有云也都有硬件但是不知道怎么玩，而且今年两家公司都将硬件部门降级;华为的思路依然在模仿苹果的HomeKit平台做HiLink对接同时也在布局着物联网芯片的互联互通层;小米在将自己ZigBee的生态圈做大，模仿苹果自我生态圈模式，当然还有更多的家电巨头在都等着别人对接他们的平台，等等……
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看了这么多的生态圈，都有一个通病，就是不开放，生态圈最终构成的自我生态圈，而不是大智能生态圈，Echo已经能互联上千种设备，实现上万种联动，请问国内孰家可以?都在想把自己锅里的东西做大做全，思路上本身就没有物联网思维，最终的商业模式还得变，也许还得跟着美国走。外资企业亚马逊和Google把美国的智能家居市场模式吃透以后，再来将自己的设备支持中文，带着可以对接的O2O服务有亚马逊商城、麦当劳、必胜客、Uber、云音乐、各个本土化品牌智能家居厂商设备等等来到中国，那时候…我们还在谈及高高在上的生态圈吗？
芯片互联VS云端互联
从物联网芯片也能打通产品的互联互通，但是中国的芯片企业短时间机会不大，像TI、ARM、Intel这些公司也在布局着更加廉价稳定的物联网芯片，打价格战ARM很擅长，而且现在ARM又变成了日本公司，TI的CC2530在无线领域如此普及，但依旧难以一统江山，最重要单个芯片的成本低还是单个设备云服务的成本低？但个芯片的更新灵活还是单个设备的云服务升级灵活？单个芯片的开发成本低还是在云端的开发成本低？仅仅这三个方面，云端实现互联互通的可能性更大，而且目前的问题就是解决信号的延迟问题即可。
文章来自数智网
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基于Zigbee的温度
国防科学技术大学 硕士学位论文 基于Zigbee的温度/湿度无线传感器网络监控系统的设计与实现 姓名：孙韬 申请学位级别：硕士 专业：电子与通信工程 指导教师：韩方景
国防科学技术大学研究生院ｒ程硕十学位论文摘要无线传感器网络是当前在国际上备受关注的、涉及多学科高度交叉、知识高 度集成的前沿热点研究领域。它通过各类集成化的微型传感器协作地实时监测、 感知和采集各种环境或监测对象的信息，这些信息通过无线方式被发送，并以自组多跳的网络方式传送到用户终端，从而实现物理世界、计算世界以及人类社会三元世界的连通。无线传感器网络的特性决定了其不需要较高的传输带宽，而要 求较低的传输延时和极低的功率消耗。ＩＥＥＥＳ０２．１５．４／ＺｉｇＢｅｅ技术是近年来通信领 域中的研究热点，具有低成本、低功耗、低速率、低复杂度的特点和高可靠性、 组网简单、灵活等优势，逐渐成为无线传感器网络事实上的国际标准。 本文设计并实现了用无线传感器网络构成的分布式温度／湿度监控系统。 一、介绍了无线传感器网络技术的特点，ＺｉｇＢｅｅ协议的体系结构和嵌入式技 术的一般架构。二、结合应用需求，设计了采用ＣＣ２４２０单片机实现分布式温度／湿度监控系统的传感节点和中心节点的详细实现方案，讨论了传感网络节点的硬件设计方法、 节能措施以及节点软件程序的结构，然后给出了嵌入式技术和传感网络技术相结 合的中心路由节点硬件和软件设计方案，软件采用嵌入式ｌｉｎｕｘ操作系统，并编制 了各接口驱动和应用程序。 三、对所设计的分布式监控系统进行了简单组网、实地组网、不同的环境条 件下组网测试，主要测试了节点的通信距离，丢包率，运行功耗等性能参数，结 果表明该监控系统具有较好的稳定性和实用性，基本能满足应用需求。主题词：无线传感网络８０２．１ ５．４／ＺｉｇＢｅｅ嵌入式系统监控系统无线传感节点第１页国防科学技术火学研究生院Ｔ程硕士学位论文ＡＢＳＴＲＡＣＴＮｏｗａｄａｙｓ ｈｉｇｈｌｙＷｉｒｅｌｅｓｓＳｅｎｓｏｒＮｅｔｗｏｒｋ（ＷＳＮ）ｉＳｏｎｅｏｆ ｔｈｅ ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌｌｙ ｈｏｔｔｅｓｔｕｓｅｓｋｎｏｗｌｅｄｇｅ―ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄｃｒｏｓｓ―ｓｕｂｊｅｃｔｒｅｓｅａｒｃｈｉｎｇ ｆｉｅｌｄｓ．Ｉｔａｌｌ ｋｉｎｄｓ ｏｆｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｍｉｃｒｏ－ｓｅｎｓｏｒｓ ｆｏｒ ｃｏｏｐｅｒａｔｉｖｅｌｙ ｒｅａｌ―ｔｉｍｅ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ，ｓｅｎｓｉｎｇ ａｎｄ ｃｏｌｌｅｃｔｉｎｇ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｏｆ ｍｏｎｉｔｏｒｅｄ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｓ 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ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ／ｈｕｍｉｄｉｔｙ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｔｈｅ ｎｏｄｅｓａｓ ａｒｅｎｏｄｅｓ．ｎｅｔｗｏｒｋｄｉｓｃｕｓｓｅｄｏｎｈａｒｄｗａｒｅ ｄｅｓｉｇｎｍｅｔｈｏｄｓ，ｅｎｅｒｇｙ―ｓａｖｉｎｇｍｅａｓｕｒｅｓ ａｓ ｗｅｌｌｓｅｎｓｏｒｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｔｈｅ ｎｏｄｅ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｐｒｏｇｒａｍ．Ｔｈｅｎ ｅｍｂｅｄｄｅｄａｎｄｎｅｔｗｏｒｋｉｎｇｃｏｍｂｉｎｉｎｇ ｗｉｔｈ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｔｈｅｃｅｎｔｅｒ ｒｏｕｔｉｎｇ ｎｏｄｅ ｉｓ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．Ｉｔ ｉｓｇｉｖｅｎ ｉｎ ｄｅｔａｉｌ ｔｈｅ ｈａｒｄｗａｒｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｔｈｅ ｎｏｄｅ ａｎｄ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｉｓ ｅｍｂｅｄｄｅｄ ｉｎ Ｌｉｎｕｘ ｏｐｅｒａｔｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ．Ｏｎ ｔｈｉｓ ｂａｓｉｓ，ｔｈｅ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ ｄｒｉｖｅｒ ａｎｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ｉｓ ｍｅｅｔ ｔｈｅ ｎｅｅｄｓ ｏｆ ｔｈｅ ｒｅｃｅｉｖｅｒ ｔｏ ｓｅｎｄ ｄａｔａ． Ｆｉｎａｌｌｙ，ａ ｓｉｍｐｌｅ ｇｒｏｕｐ ｏｆ ｄａｔａｐｒｏｇｒａｍｍｅｄｔｏｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｔｅｓｔｓｆｏｒ ｔｈｅ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍｉｓ ｃｏｍｐｌｅｔｅｄ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ｎｏｄｅ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｄｉｓｔａｎｃｅ，ｐａｃｋｅｔ ｌｏｓｓ ｒａｔｅ，ｐｏｗｅｒａｎｄｏｔｈｅｒｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｔｏ ｒｕｎ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｈａｓｇｏｏｄ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ａｎｄｐｒａｃｔｉｃａｌｉｔｙ，ａｎｄ Ｃａｎ ｂａｓｉｃａｌｌｙ ｍｅｅｔｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ．ＫｅｙＷｏｒｄｓ：ＷｉｒｅｌｅｓｓｓｅｎｓｏｒＳｅｎｓｏｒＮｅｔｗｏｒｋＥｍｂｅｄｄｅｄ Ｓｙｓｔｅｍ Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ＳｙｓｔｅｍＷｉｒｅｌｅｓｓｎｏｄｅ８０２．１ ５．４／ＺｉｇＢｅｅ第１Ｉ页国防科学技术大学研究生院１：程硕＋学位论文表目录表２．１几种主流无线协议比较………………………………………………………１７ 表３．１ ＳＨＴｌｌ电气性能………………………………………………………………３９表５．１节点功耗………………………………………………………………………７８第１ｖ页国防科学技术大学研究生院。Ｉ：程硕士学位论文图图１．１ 图１．２ 图２．１ 图２．２ 图２．３ 图２．４ 图２．５ 图２．６ 图２．７ 图２．８ 图２．９ 图３．１ 图３．２ 图３．３ 图３．４ 图３．５ 图３．６ 图３．７ 图３．８ 图３．９ 图３．１０ 图３．１１ 图３．１２ 图３．１３ 图３．１４ 图４．１ 图４．２ 图４．３ 图４．４ 图４．５ 图４．６ 图４．７目录温湿度传感网络………………………………………………………………６大棚环境系统总体架构图……………………………………………………９无线传感器网络三要素……………………………………………………。１ｌ 无线传感器网络通信结构图………………………………………………。１２ 无线传感器网络节点组成结构图……………………………………………１３ 无线传感器网络结构图………………………………………………………．．１４ 无线传感节点示意图………………………………………………………。１５ 网络拓扑结构示意图………………………………………………………．．１８ ＺｉｇＢｅｅ协议栈体系结构……………………………………………………。２０ ＺｉｇＢｅｅ可靠的网状网组网方式……………………………………………。２４ 嵌入式系统组成示意图……………………………………………………．．２８ 系统结构示意图………………………………………………………………３ｌ Ｚｉｇｂｅｅ无线网络节点功能框图……………………………………………．．３３ ＣＣ２４２０实物照片……………………………………………………………３４ ＣＣ２４２０结构图………………………………………………………………３５ ＣＣ２４２０外围电路图…………………………………………………………………。３６ ＣＣ２４２０与单片机接口电路…………………………………………………３７ ＳＨＴｌｌ结构图………………………………………………………………．．３８ ＳＨＴｌｌ与ＣＣ２４２０的连接原理图…………………………………………．．３８ 湿度、温度和露点精度图…………………………………………………．．４０ ＴｉｎｙＯＳ体系结构图…………………………………………………………４３ 物理层协议图………………………………………………………………４５ ＭＡＣ层协议状态图…………………………………………………………４６ 节点软件框图………………………………………………………………４７ 节点工作流程图……………………………………………………………．４９ 中心路由结构示意图…………………………………………………………５１ＡＴ９ １ ＲＭ９２００实物如图……………………………………………………一５２电源电路图…………………………………………………………………一５３ ＦＬＡＳＨ电路图………………………………………………………………．５４ ＳＤＲＡＭ电路图………………………………………………………………５４ ＪＴＡＧ电路图…………………………………………………………………５５ 串口接口电路图……………………………………………………………一５６第Ｖ页国防科学技术大学研究生院１：程硕十学位论文图４．８ 图４．９以太网接口电路图…………………………………………………………．．５７ ＣＣ２４２０与ＡＴ９１ＲＭ９２００接口电路图………………………………………５７图４．１ Ｏ工作时序图…………………………………………………………………５８ 图４．１１ 图４．１２ 图５．１ 模块化编程中系统调用示意图……………………………………………６０ 中心路由节点流程图………………………………………………………６２ 传感器节点实物图…………………………………………………………．．６７图５．２测试分布图…………………………………………………………………。６８ 图５．３传感器节点加入网络图……………………………………………………．．６９ 图５．４实验组网流程示意图…………………………………………………………７０ 图５．５Ａ室内数据采集环境…………………………………………………………７０ 图５．５Ｂ室内数据采集环境…………………………………………………………７１ 图５．５Ｃ室内数据采集环境…………………………………………………………７１ 图５．５Ｄ室内数据采集环境…………………………………………………………７２ 图５．５Ｅ室内数据采集环境…………………………………………………………７２ 图５．５Ｆ走廊数据采集环境…………………………………………………………７３ 图５．５Ｇ室外绿化带数据采集环境…………………………………………………７３ 图５．５Ｈ室外绿化带数据采集环境…………………………………………………７４ 图５．５Ｉ 室外绿化带数据采集环境…………………………………………………７４图５．６节点１向ＦＦＤ发送的数据…………………………………………………７５ 图５．７节点２向ＦＦＤ发送的数据…………………………………………………７５ 图５．８ 中心节点接收的数据………………………………………………………。７６图５．９Ａ室内环境下丢包率示意图…………………………………………………７８ 图５．９Ｂ室外环境下丢包率示意图…………………………………………………．．７９ 图５．１０Ａ室内环境下休眠时长下工作天数示意图………………………………．８０ 图５．１０Ｂ室内环境下休眠时长下工作天数示意图………………………………。８ｌ第ＶＩ页独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它教 育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。学位论文作者签名：幽：缝日期：房汐哆年／瑚／多日学位论文版权使用授权书本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定。本人授权国防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文 档，允许论文被查阅和借阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 （保密学位论文在解密后适用本授权书。）学位论文作者签名： 作者指导教师签名：国防科学技术大学研究生院Ｔ程硕士学位论文第一章绪论随着科学的发展、技术的进步，先进的信息技术进入到越来越多的传统行业 当中，成为传统行业提高劳动生产效率的重要手段，科学技术给人们带来了巨大效益。智能温度湿度监控系统是一种资源节约型高效环境监控技术，它建立结合自动控制技术、智能传感技术、人工智能和专家系统等高科技手段发展起来，旨在在仪器系统的综合控制下提供与季节无关的适合生物生长的环境，以实现各种作物的优质、高效、低耗的工厂化生产。１．１研究背景及意义无线传感器网络（ｗｉｒｅｌｅｓｓｓｅｎｓｏｒｎｅｔｗｏｒｋ，ＷＳＮ）被认为是２ｌ世纪最重要的技术之一，它是由大量部署在监测区域的传感器节点组成，节点以无线通信方式相 互连接，可以感知、采集和处理监测区域的信息，并将结果发送给观测者。无线 传感器网络将逻辑上的信息世界和客观上的物理世界融合在一起，改变了人与自 然界的交互方式，它在工业、农业、交通、军事、安全、医疗、空间探测等众多 领域都有着广泛的应用…。 无线传感器网络的巨大应用价值，已经引起了国际上的广泛重视。美国自然 科学基金委员会２００３年制定了无线传感器网络研究计划，投资３４００万美元，支 持相关基础理论的研究。日本、英国、意大利、巴西等国家也对无线传感器网络 表现出了极大的兴趣，纷纷展开了该领域的研究工作。我国也十分重视无线传感 器网络的研究。２００６年初发布的《国家中长期科学与技术发展规划纲要》为信息 技术确定了３个前沿方向，其中两个与无线传感器网络研究直接相关。国家自然 科学基金委员会已经在该领域设立了多个重点项目。无线传感器网络作为一个全 新的研究领域，在基础理论和工程技术两个层面向科技工作者提出了大量的挑战 性研究课题，已经成为一个十分重要的新的研究领域。无线传感器网络应用于农 业和环境监测领域可以带来巨大的社会效益与经济效益。随着无线传感器网络中 的异构互连、时间同步、节点定位和能耗等问题的解决，无线传感器网络以其经 济性和精度性高而可以直接推动其在环境监测领域的广泛应用，因此无线传感器 网络在国民经济与社会发展各个领域的应用效益将是非常显著的【２１１３儿４１。 我国作为世界上最大的发展中国家和传统的农业大国，农业信息技术有着巨 大的应用空间和广阔的发展前景。当今世界已经进入信息化时代，信息作为一种 新的生产要素正在发挥越来越重要的作用。现代农业是与信息化同步的农业，要实现农业现代化，必须积极利用现代信息科技的发展成果，加快农业信息化进程。第１页国防科学技术人学研究生院Ｔ程硕十学位论文在此过程中需要将成熟的信息技术逐步引入到农业生产实践中。设计和，ＪＦ发具有 无线传感器网络功能的温室信息采集设备，符合农业设施实践中信息采集的技术 发展趋势，同时也会带动现代通讯技术等相关先进技术在农业中的应用，有利于 推动温室技术设备的大面积推广，缩小与国外技术的差距，加快我国农业现代化 进程。１．２无线传感网络的研究现状１．２．１无线传感网络的发展历程 根据研究侧重点的不同，我们认为可以把无线传感器网络从２０世纪９０年代 开始到现在的发展历程划分为三个阶段。第一阶段主要致力于小型化、低功耗、 低成本的传感器节点的开发和研制，出现了众多的传感器节点；第二阶段则对无 线传感器网络作为通信网络的特性研究，特别是通信协议的设计和实现。这个阶 段，研究学者们设计提出了许多的通信协议，特别是数据链路层的ＭＡＣ协议和网 络层的路由协议；第三阶段，侧重于对无线传感器网络的群体智能行为的研究。目 前的研究正处于第二、第三阶段。 １９７８年由美国国防部高级研究计划署（ｔｈｅＤｅｆｅｎｓｅ Ａｄｖａｎｃｅｄ ＲｅｓｅａｒｃｈＰｒｏｊｅｃｔｓＡｇｅｎｃｙ，ＤＡＲＰＡ）在宾西法尼亚州匹兹堡的卡内基一梅隆大学（Ｃａｒｎｅｇｉｅ．ＭｅｌｌｏｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｉｎＰｉｔｔｓｂｕｒｇｈ，Ｐｅｎｎｓｙｌｖａｎｉａ）主办的分布式传感器网络研讨会，由于军事防御系统的需要，提出对传感器网络的通信与计算之间的权衡展开研究。这些军 事需求引起美国军方的高度重视，并从２０世纪９０年代开始一些研究项目。 １９９３年开始的无线集成网络传感器（Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ 项目，由美国加州大学洛杉矶分校（ＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙＮｅｔｗｏｒｋＳｅｎｓｏｒｓ，ＷＩＮＳ）ｏｆ Ｃａｌｉｆｏｍｉａ ａｔＬｏｓＡｎｇｅｌｅｓ，ＵＣＬＡ）和罗克维尔自动化中心共同开发。该项目涵盖了无线传感器网络设计的各个方 面，包括ＭＥＭＳ传感器、通信芯片的电路级设计、信号处理体系，组网通信协议 设计和传感检测的基础理论研究。 １９９８年开始的致力于研究大规模分布式军事传感系统的无线专用网络的 ＳｅｎｓｌＴ（Ｓｅｎｓｏｒ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）项目，该项目一共由２９个子项目组成，由包 括ＵＣ Ｂｅｒｋｅｌｅｙ、ＵＣＬＡ、ＭＩＴ，哈佛在内的２５个研究机构共同承担。ＳｅｎｓｌＴ项目 的首要任务是为网络化微传感器开发所有需要的软件。ＵＣＢｅｒｋｅｌｅｙ的Ｊａｎ Ｍ．Ｒａｂａｅｙ于１９９９年开始了ＰｉｃｏＲａｄｉｏ项目，研究自约束的中等规模的具有低成本、低功耗节点的无线专用网络。ＰｉｃｏＲａｄｉｏ的物理层采用直 接序列扩频技术，ＭＡＣ结合采用扩频技术和ＣＳＭＡ机制。 无线传感器网络发展的第一阶段，开发出了许多传感器节点和研究平台，代第２页国防科学技术大学研究生院。广稃硕十学位论文表性的节点有ＵＣＩＡ和Ｒｏｃｋｗｅｌｌ自动化中心研制的ＷＩＮＳ节点，ＭＩＴ研制的 ＣＡＭＰＳ节点，ＵＣ Ｂｅｒｋｅｌｅｙ的Ｓｍａｒｔ Ｄｕｓｔ节点和ＵＣ Ｂｅｒｋｅｌｅｙ的Ｍｏｔｅｓ节点等。在这些平台中，Ｍｏｔｅｓ硬件平台及其配套的ＴｉｎｙＯＳ操作系统应用最为广泛，为全球４００多家研究机构所采用。 第一阶段也对无线传感器网络的通信协议进行了～些研究和设计，主要是将Ａｄｈｏｃ网络中的相关协议（比如８０２．ｎ等）进行改进，增加对能耗有效性的支持。而在无线传感器网络发展的第二阶段，开始对无线传感器网络作为通信网络进行了 大量的通信协议设计和开发，出现了许许多多的ＭＡＣ协议和路由协议。 第二阶段主要对无线传感器网络的信息处理、数据查询、部署覆盖等应用和 中间件的相关问题进行越来越深入的研究，包括与其它技术进行结合研究等。在 这一阶段，除了美国各大高校和科研机构外，法国、英国、日本、意大利等其它 各国的一些大学和研究机构也纷纷开展了该领域的研究工作。２０００年起国际上开 始出现有关无线传感器网络研究结果的报道。无线传感器引起了世界各国军事部 门、工业界和学术界的极大关注。美国军方有包括Ｃ４ＫＩＳＲ计划、ＳｍａｒｔＳｅｎｓｏｒＷｅｂ、灵巧传感器网络通信、无人值守地面传感器群、传感器组网系统、网状传感器系 统ＣＥＣ等研究。美国Ｉｎｔｅｌ公司在２００２年进行了基于微型传感器网络的新型计算 发展规划。美国ＤｕｓｔＮｅｔｗｏｒｋｓ和ＣｒｏｓｓｂＯＷＴｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ等公司研究的“智能尘埃、 Ｍｏｔｅ”己进入应用测试。在英国、日本、意大利等国家，已经开展了该领域的研 究工作。２００３年开始，有关无线传感器网络的国际会议和杂志大量涌现１５Ｊ【６ｌ【７】。 第三阶段，自２００３年以后到当前，着重对网络的群体智能行为和实际应用的 研究。目前，这方面的研究成果相对较少。另据市场调研公司ＯＮＷｏｒｌｄ近期发布 的一份报告。预计到２０１ １年无线传感器将增加１０倍。调查显示，现在有三分之 一的公司正在使用无线传感和控制技术，并且近一半的公司计划在未来一年半内， 研究或计划采用无线解决方案。 １．２＿２国内无线传感网络的研究现状我国也开展了这一领域的研究工作，具体内容包括无线传感器结点的硬件设计、操作系统、网络路由技术、节能技术、覆盖控制技术等。目前正处于研究和 开发阶段。 目前研究热点有：在通信协议方面，包括物理层协议，研究传感器网络采用 的传输媒体、频段选择及调制方式；数据链路层协议；网络层协议（主要指路由协 议；平面路由协议等）。在传感器网络管理方面，主要的研究热点是能量管理，数 据传送所带来的能耗最大，研究休眠、唤醒，以及采用发送功率低的ＲＦ等。控制 节点对能量的使用，在各层上都可使用，如操作系统、物理层、链路层、路由协第３页国防科学技术大学研究生院一【：程硕士学位论文议等内容。另外，还有安全管理的内容，包括传统的无线电电磁干扰方式矛ｔＪｘ，ｒ．路 由机制进行攻击。侵入节点发送误警数据，侵入节点致使网络的某些节点和某些 网段互发大量的无用数据，使能量很快耗尽，传感器网络分立，形成监测黑洞， 无法完成正常监测工作。在研究中，可以探索采用扩频通信、传感器节点接入认 证、鉴权、数据水印和数据加密等技术提高网络的安全性。数据查询管理方面， ＣＯＵＧＡＲ系统能测试感知数据查询技术性能，提出了在传感器网络上计算聚集函 数的容错和可扩展算法，并探索了把传感器网络表示为数据库的思想，探讨了如 何把分布式查询处理技术应用于感知数据查询的处理。在ＪＪｒ】，Ｊ＋ｌ大学伯克利分校， 研究人员研究了传感器网络的数据查询技术，提出了实现可动态调整的连续查询 的处理方法和管理传感器网络上多查询的方法，应用数据库技术实现了传感器网 络上的数据聚集函数，提出了在低能源、分布式无线传感器网络环境下实现聚集 函数的方法，并研制了一个感知数据库系统ＴｉｎｙＤＢ。南加州大学研究了传感器网 络上的聚集函数的计算方法，提出了节省能源的计算聚集的树构造算法，并通过 实验证明了无线通信机制对聚集计算的性能有很大的影响。 ２００２年春，大鸭岛生物监测项目研究开始，在远端利用Ｍｏｔｅ形成的网络观察 动物的栖息地环境。该成果可以通过环境光线、温度等变化的传感器节点，藉由 形成的无线传感器网络远端观察环境，并且长时间搜集环境的变化资料。 Ｓｅｎｅｒａ的系统，可用于监测桥梁、高架桥、高速公路等道路环境。对许多老旧的 桥梁，桥墩长期受到水流的冲刷，传感器能放置在桥墩底部、用以感测桥墩结构； 也可放置在桥梁两侧或底部，搜集桥梁的温度、湿度、震动幅度、桥墩被侵蚀程 度等，能减少断桥所造成生命财产的损失。ＮＡＳＡ的空间探测设想，可以通过传 感器网络探测、监视外星球表面情况，为人类登陆作准备，它通过火箭、太空舱 或探路者进行散播。 我国现代意义的无线传感器网络及其应用研究首次正式出现于１９９９年中国科 学院《知识创新工程试点领域方向研究》的《信息与自动化领域研究报告》中， 作为该领域提出的五个重大项目之一。但是我国在无线传感器网络方面的研究工 作与西方发达国家相比还很少。 就当前而言，国内研究主要集中在网络协议，仿真计算等领域，在军事和民 用应用方面的研究还比较少，无线传感器网络技术在环境监测上的应用也不多见。 目前无线传感器网络应用设计所面临的主要挑战： 有限的资源：由于受到小尺寸、低造价和低功耗的限制，无线传感器的物理 资源十分有限。这些资源包括受限的计算能力、存储能力和通信带宽。在无线传 感器网络中如何利用有限的资源构建稳定的传感器网络应用是当前传感器网络亟 需解决的问题。第４页．国防科学技术大学研究生院．Ｉ：稗硕十学位论文电源能量有限：传感器网络的电源能量极其有限，由于传感器网络通常运行 在险恶环境下，能源无法替代，因此传感器节点常由于电源能量的耗尽而“死亡”。 电源能量约束是阻碍无线传感器网络应用发展的主要因素之一。因此如何节省网 络能源，最大化网络生存期是无线传感器网络研究的重要课题之一。 巨大的感知数据：无线传感器网络中，每个传感器都有可能产生较大的实时 性流式数据；而且，传感器节点分布密集，数量巨大，再加上其受限的计算能力 和存储能力；因此，无线传感器网络应用设计必须确保软、硬件都有高强壮性和 高容错性，必须保证应用设计是可扩展的。 网络动态性强：无线传感器网络中的传感器、感知对象和观察者这三要素都 有可能具有移动性。网络中经常会出现新节点加入或者已有节点失效的现象，网 络的拓扑结构是动态变化的。因此无线传感器网络应用设计必须具备可重构、自 适应和可扩展等特性。 总体上来讲，由于传感器网络是－Ｅ＇７新兴技术，国内与国际水平的差距并不 很大，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。１．３无线传感系统应用简介由于传感器能将各种物理量、化学量和生物量等信号转变为电信号，使得人 们可以利用计算机实现自动测量、信息处理和自动控制，但是它们都不同程度地 存在温漂和非线性等影响因素。传感器的被测信号来自于各个应用领域，每个领 域都为了改革生产力、提高工效和时效，各自都在开发研制适合应用的传感器， 于是种类繁多的新型传感器及传感器系统不断涌现。在大型的生产车间、广场、 仓库等环境监测传感器的应用Ｒ益增大，尤其是温度和湿度两个量的监测最为典 型。目前，以色列、荷兰等先进国家环境监控的设施己经发展到比较完备的程度， 并形成了一定的标准。环境因子大多由计算机集中控制，检测传感器也比较齐全。 计算机对整个系统的控制已经不是简单的，独立的，静态的直接数字控制，而是 基于环境模式上的控制，以及基于专家决策系统上的智能控制。 日本、韩国在环境控制方面的研究也较为活跃，但现在还多为单因子控制。 多因子控制尚属试验研究阶段，不很成熟。目前的发展趋势是向多因子综合控制 方向发展，通过对温室环境的监控，使这环境因子随时处于最佳配合状态。 国内有关环境监控方面的研究起步较晚。开始时，环境测控设备大都是随着 大型现代化温室一同引进的，但由于规模大，能耗大，造价高，己被实践证明不 适宜于我国的国情，更谈不上经济效益。目前的国内环境控制技术与国外相比水 平上差距较大，智能化水平较低，生产上也存在着相当的盲目性，有针对性的关第５页国防科学技术人学研究生院ｒ拌硕十学位论文ｒ量蚕国，７ ２娩☆％段―ｒ 酬群繇么。一，…Ｉ＾匐／Ｊ＝―――｜／Ｉ㈣一慰¨温湿度传感器采地端圈ＩＩ温湿度传感网络目阿，温室环境测控系统的架构方案主要有以下几种： １、基于可编程逻辑控制器（ＰＬＣ）的温室控制系统，由上位机、ＰＬＣ、数据采集 单元及执行机构组成。ＰＬＣ主要用于动态、实时监测室内外环境因子的变化，根 据作物生Ｋ的要求对参数进行匹配，同时完成与上位机的通信。但是，ＰＬＣ的成 本较高，一般都在万元以上，农业用户难以接受。 ２、基于工业控制机０ＰＣ）的温室控制系统，是由工控机、各种传感器及执行机 构组成的多输入、多输出的闭环控制系统。工控机基本配备了各种接口板，数据 采集、控制和通信功能都由其来完成．能对温室各参数和变量进行有效控制。缺 点是ＩＰＣ及相应的组态软件都需要购买，成本较高，温室系统中的所有输入、输 出功能都南ＩＰＣ囊中控制，造成危险过于集中，一旦ＩＰＣ发生故障将会使整个系统瘫痪。同时．旬线复杂，维护困难。３、集散型温室控制系统（ＤＣＳ），即分布式控制系统，是现代温室测控系统中， 运用最多，技术最成熟的测控系统，总线结构一般采用ＲＳ４８５。一般以ＰＣ机或工 摔机为上位机，单片机作为下位机组成；上位机则生要实现环境的调控策略、集 中操作管理、通信控制等功能，协调各从机之间的数据传送工作．从而实现对整 个系统的有效管理；下位机的任务是完成现场与作物有关的环境参量及作物生理参 量的信息采集、分析处理和存储显示，并通过ＲＳ４８５总线同上位机相连。这种控 制模式利用单片机价格低、功能强、抗干扰能力好、温限宽和面向控制等优点， 结合微机的软硬件支撑，是一般规模温室测控系统的常用选择方案。但是这类系 统存在固有缺陷：控制系统的物理层采用上下位机主从集散控制系统，一旦上位机 出现故障，将会导致整个系统瘫痪，危险过于集中，系统的可靠性和稳定性不佳； 同时该测控系统拓展性不好，布线复杂，成本太高。第６页国防科学技术大学研究生院‘【：稃硕十学何论文综上所述，从幽内外对坏境控制的研究来看，目自，Ｊ．基于有线的测量控制系统 相对比较成熟，但由于各种温度湿度采集和控制信息的传输，使得应用现场布满 了大量的信号传输线和动力线，导致设旌建造困难，安装与维护复杂，工作量大， 可靠性低；农业机器人等移动作业设备的应用受到限制。由于作物生长期不同、 作物品种不同（高矮不同）导致对环境与作业信息检测和作业控制的要求不同，现有 的测控系统难以满足这一点，因此现有的测控系统不利于进一步提高自动化和智 能化程度。 无线传感系统已有如下应用实例： ｌ、空气质量监测站的应用 由于人们生活水平的提高，环境保护意识的加强，对环境信息的监测越来越 受到当今社会的重视。空气质量监测是环境监测的一个重要组成部分，监测项目 也由原来简单的Ｓ０２、ＮＯｘ的监测增加了很多，如ＣＯ、０３以及空气中有毒有害的有机物等。但是，空气质量监测站的设计一直受到设计成本昂贵、维护复杂、数据的实时性差以及监测范围的扩大等因素的困扰。 无线传感器节点成本低、功耗小，适用于多个区域的多点检测，正适合于空 气质量监测站的设计实施，由于监测点一般远离监控中心，针对传感器网络无线 传输距离短的缺点，利用现有的通用分组无线电业务（ＧＰＲＳ）网络，发挥其覆盖面 广的优点，使之远距离数据传输成为可能。 空气质量监测站由无线传感器节点、空气质量传感器（检测Ｓ０２，ＮＯｘ等）以及 ～，Ｄ转换、网关节点、ＧＰＲＳ模块、微处理器等组成。监测区域所部署的传感器节 点监测每点的数据，然后数据沿着其他传感器节点逐级进行传输，在传输过程中 监测的数据可能被多个节点处理，经过多跳后汇集到网关节点，再由网关节点将 数据传输到控制中心。 应用于环境监测的传感器网络，具有部署简单、便宜、无需派人现场维护的 优点。在环境方面的应用包括：监测大砸积的海洋、森林、气象和地理研究；监测牲 畜、家禽的环境状况、监控动物栖息地等。 ２、远程家庭监护系统 随着社会老龄化的加剧，解决长期慢性病的监护成为重要的社会问题。一些 突发性疾病和家庭保健，如心血管疾病、老人的日常护理、孕妇、胎儿、婴儿、 幼儿的保健也需要长期的家庭监护。由于中国医疗资源紧缺，基于公用网络的家 庭医疗监护，建立小区医疗网络，可以提高医疗服务水平，减轻病人负担。 在人体身上安装特殊用途的传感器节点，如心率和血压监测设备，利用传感 器网络，医生就可以随时了解被监护者的情况，进行病情的及时处理。还可以利 用传感器网络长时间地收集人的生理数据，这些数据在研制新药品的过程中是非第７页圈防科学技术人学研究生院一【：程硕十学位论文常有用的，『面安装在被监测对象身上的微型传感器也／１ｉ会给人的正常生活带米太 多的不便。此外，在药物管理等诸多方面，它也有新颖而独特的应用。人工视网 膜是一项生物医学的应用项目。在ＳＳＩＭ计划中，替代视网膜的芯片由１００个微型传感器组成，并植入人眼，目的是使得失明者或者视力极差者能够回复到一个可以接受的视力水平。传感器的无线通信满足反馈控制的需要，有利于人们对图像 的识别和确认。 传感器网络为远程医疗提供了更加方便、快捷的技术手段。无线传感器网络可以长时间地收集生理数据，远程监控人体状况并提供诊断。还可用于医院的药 品管理，将传感节点按药品种类分别放置，计算机系统可辨认所开的药品。３、矿井瓦斯监测系统 安全问题一直是困扰中国煤矿生产的重大问题，瓦斯爆炸事件给人民的生命 财产造成巨大的损失。矿井瓦斯主要是在开采过程中溢出的，因此矿井工作面瓦 斯含量最大，由于工作面工作条件十分恶劣，至今没有设置瓦斯监测装置。只是 在回风巷设置了固定式瓦斯探头。将无线传感器网络技术用于煤矿安全生产中， 使矿井人员携带或机载的移动式瓦斯传感器，将工作面的瓦斯值传输到工作面端 头的瓦斯监控系统中，从而实现瓦斯源头的实时监测，及时避免事故的发生。 瓦斯监测系统由移动式瓦斯传感器、矿井瓦斯监控分站、地面中心３部分组 成。其中，移动式瓦斯传感器采集瓦斯信号，经过微弱信号放大电路，Ａ／Ｄ转换 后由单片机存储管理其数据。 传感器采用定时输出、无线电发送方式。监控分站包括电力负荷控制和电子 监控电路。监控分站的核心是嵌入式电路，该电路外接２．４ ＧＨｚ的传输模块，实现 无线信号的搜集与处理。当瓦斯超限时能够发出控制信号，该控制信号控制声光 报警器发出报警信号，也可以控制工作面的供电系统，实施断电。该电路还能实 现电力负荷的监测功能。 遍布整个矿井的网络监控站的信息可以传到地面中心。地面中心的主要任务 是实时显示各个监控点的瓦斯信息，供矿井调度实施生产指挥与调度。 无线传感器网络的应用解决了原有井下固定瓦斯监测带来的安全隐患，提高煤矿开采作业的安全等级。系统组网简单、维护方便、成本低廉且移动平台功率控制好，属于本质安全型的监测平台，适合于中小煤矿安装。通过监测分站的内建通用异步接收发送器，还可将数据传输至地面监控中心存储管理，提高了煤矿安全生产水平。 ４、大棚环境监控系统 目前大棚养殖已成为中国一些农村的重要产业，是当地农民的主要经济来源， 随着大棚养殖逐渐的大规模化和集团化，无人值守的大规模大棚自动监控系统具第８页国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文有较高的实际应用价值。大棚环境监控系统总体架构如图１．２所示。由上海市计算 技术研究所构造的花卉大棚无线传感器网络监控系统，利用无线收发设备传输数 据，无需专门架线，系统结构简单，节省了人力物力．通过监测管理中心可实现 对大棚温湿度的控制、二氧化碳古量测量、光照度信息采集和图像监控等功能， 实现真正意义上的无人值守，与普通无线技术相比，还具有低功耗、低成本和网 络容量大等特点，该系统由中心控制单元和大棚监控节点组成。国 国 羼扒龌ｔ１４ ／曲 扒国 国光照度节点＼卜、温湿度节点／中心控制单元温湿度节点温湿度节点，三兰兰：９÷兰｛二氧化碳含量节点图１．２大棚环境系统总体架构图该系统为实现太规模大棚监控的信息化、自动化、提高工作效率具有根高的 实际应用价值。１．４本文研究内容与安捧本文在深入了解国内外温度湿度监控系统发展现状的基础上，根据无线传感 网络技术的发展，提出了一种基于无线传感器网络的温室监控系统的设计方案， 该系统利用集成的温度，湿度传感器，分布式采集环境中的温度湿度参数，并且 利用ｚｉ９８∞无线通信技术，将采集到得数据送到监控中心。该系统避免了传统监 控系统中布线的繁琐，减，ｂＹ系统体积，安装方便．提高了监控系统的稳定性和 可靠性。具体内容主要包括以下几个方面： １、研究和分析无线传感网络的特点及应用，研究无线传感网络中ｚｉｇＢｅｅ协第９页国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文议体系以及与嵌入式技术的结合应用。２、基于ＣＣ２４２０无线模块和嵌入式单片机的监控节点硬件方案，并且研究了节点的低功耗方案。３、分布式温度／湿度监控系统的总体方案，以及中心路由节点的整体嵌入式解 决方案，设计整个系统的应用层程序。 ４、对整个分布式监控系统进行分析和相关测试，并且分析测试结果。 全文共分为５章，每章内容大致安排如下： 第一章主要介绍本文的研究背景及意义、研究现状及研究方向，及本文的主 要工作。 第二章概述无线传感网络技术和嵌入式系统技术，详细介绍了ＺｉｇＢｅｅ协议， 并分析了嵌入式系统的一般架构已经嵌入式技术的应用。 第三章对温度／湿度监控无线传感网络分布节点进行了硬件和软件设计，给出 了硬件各模块的详细设计方案，并且阐述了低功耗设计措施，给出了节点的主程序结构。 第四章阐述了分布式温度／湿度监控系统的中心节点设计．给出了中心节点的 硬件设计方案，系统的整体软件解决方案和中心路由节点的应用程序结构。第五章针对整个无线传感网络系统进行了组网和数据传输测试，以及相关性能的实地测试．分析了测试结果。 最后对全文进行总结。第１０页国防科学技术大学研究生院Ｔ程硕十学位论文第二章基于Ｚｉｇｂｅｅ和嵌入式平台的无线传感网络概述无线传感器网络是由大量的传酵器节点构成的基于任务的平台，其必不可少 的三要素是传感器、感知对象和观察者。传感器对感知对象进行感知，然后将感知结果发送给观察者．如图２．１所示。／１瓦疆Ｆ、、、垡堕式控制！！！！≥／≯④＜～＼ ／～ｏ ㈣ ：一 多一谢图２１无线传碴器网络三要素从功能实现角度分析，无线传感器网络由嵌入式设备、传感器和网络构成。 嵌入式设备作为分布式监控和通信的载体：传感器测试大干世界的信息，转换为 可操作信号：网络作为所有设备构成的系统，相互协作，完成复杂的任务。 无线传感器网络是指在环境中布置的传感器节点以无线通信的方式构成网 络。通信结构如图２．２所示。无线传感器网络系统通常包括传感器节点、汇聚节点 和管理节点。大量传感器节点随机部署在监测传感区域内部或附近，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他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。用户通过管理节点作为控制中心，对传感器网绍进行配置和 管理，发布监测任务以及收集监测数据供用户浏览和处理。随机分布的集成有传 感器、数据处理单元和通信模块的微小节点通过自组织的方式构成网络，借助于 节点中内置的形式多样的传感器测量所在周边环境中的热、红外、声纳、雷达和 地震波信号，从而探测包括温度、湿度、噪声、光强度、压力、土壤成分、移动物 体的大小、速度和方向等众多我们感兴趣的物质现象。在通信方式上，虽然可以第１ｌ页国防科学技术大学研究生院［拌硕士学｛奇论文采用有线、无线、红外和光等多种形式，但一般认为短距离的无线低功率通信技 术最适合传感器网络使用，为明确起见．一般称作无线传感器网络。但也不绝对， Ｂｅｒｋｅｌｅｙ的ＳｍａｒｔＤｕｓｔ因为可以像尘埃一样悬浮在空中，有效地避免了障碍物的遮 挡，因此采用光作为通信介质。＼１．王＝――二一相邻节点通信、 活动，睡眠模式蕊删一＼！哩一压暮｝０ｍ一、．一睦毒 点鲨ｊ，ｉ：釜一童』Ｉ一传感器节悬一一／订控制中心 无线链路覆盖范 围受艉 ～传感区 域图２．２无线传感器网络通信结构图无线传感器网络与传统的无线网络（如ＷＬＡＮ和蜂窝移动电话网络）有着不同的 设计目标．后者在高度移动的环境中通过优化路由和资源管理策略最大化带宽的 利用率，同时为用户提供一定的服务质量保证。在无线传感器网络中，除了少数 节点需要移动以外，大部分节点都是静止的。因为它们通常运行在人无法接近的 恶劣甚至危险的远程环境中，能源无法替代，设计有效的策略延长网络的生命周期成为无线传感器网络的核心问题。当然．从理论上讲，太阳能电池能持久地补给能源，但工程实践中生产这种微型化的电池还有相当的难度。在无线传感器网 络的研究初期。人们一度认为成熟的Ｉｎｔｅｍｃｔ技术加上Ａｄ．ｈｏｃ路由机制对传感器 网络的设计是足够充分的。但深入的研究表明：传感器网络有着与传统网络明显 不同的技术要求。前者以数据为中心，后者以传输数据为目的。为了适应广泛的 应用程序，传统网络的设计遵循着“端到端”的边缘论思想，强调将一切与功能 相关的处理都放在网络的端系统上，中间节点仅仅负责数据分组的转发，对于传 感器网络．这未必是一种合理的选择。一些为自组织的Ａｄ－ｈｏｃ网络设计的协议和第１２页国防科学技术大学研究生院：ｒ程硕十学位论文算法未必适合传感器网络的特点和应用的要求。节点标识（如地址等）的作用在 传感器网络中就显得不是十分重要，因为应用程序不怎么关心单节点上的信息； 中间节点上与具体应用相关的数据处理、融合和缓存也显得很有必要。在密集性的传感器网络中，相邻节点间的距离非常短．低功耗的多跳通信模式节省功耗， 同时增加了通信的隐蔽性，也避免了长距离的无线通信易受外界噪声干扰的影响。这些独特的要求和制约因素为传感器网络的研究提出了新的技术问题。在不同应用中，传感器网络节点的组成不尽相同，但一般都由数据采集、数据处理、数据传输和电源这４部分组成。被监测物理信号的形式决定了传感器的 类型。处理器通常选用嵌入式ＣＰＵ，如Ｍｏｔｏｒｏｌａ的６８ＨＣｌ６，ＡＲＭ公司的ＡＲＭ７ 和Ｉｎｔｅｌ的８０８６等。数据传输单元主要由低功耗、短距离的无线通信模块组成，比 如ＲＦＭ公司的ＴＲｌ０００等。因为需要进行较复杂的任务调度与管理，系统需要一个微型化的操作系统，ＵＣ Ｂｅｒｋｅｌｅｙ为此专门开发了ＴｉｎｙＯＳ，当然，ｕＣＯＳ．ＩＩ和嵌入 式Ｌｉｎｕｘ等也是不错的选择。图２．３描述了节点的组成，其中实心箭头的方向表示 数据在节点中的流动方向。Ｄａｔａ匡］冒 ］ 壹 ∑ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ ｕｎｉｔＪ７阿ｕ１ ＶＤａｔａｔｒａｎｓｆｅｒ ｕｎｉｔＪ ＬＩＰｒｏｃｅｓｓ ｕｎｉｔＪ ＬＩ｝Ｐｏｗｅｒ Ｉ 图２．３无线传感器网络节点组成结构图本章首先阐述了无线传感器网络的基本概念、体系结构和网络中节点的结构。介绍了ＺｉｇＢｅｅ的技术优势、应用场合、网络拓扑结构和路由机制。网络体系结构 中关键的部分是嵌入式微处理单元，在此对其中的嵌入式技术的一般架构及其应 用做了简单阐述，为后续章节的研究奠定基础。２．１传统无线传感网络无线传感器网络的构想最初是由美国军方提出的，美国国防部高级研究所计划署（Ｄ户时Ａ）于１９７８年开始资助卡耐基一梅隆大学进行分布式传感器网络的研究，这被看成是无线传感器网络的雏形。无线传感器网络由称为“微尘（ｍｏｔｅ）’’第１３页国防科学技术大学研究生院Ｔ程硕十学位论文的微型计算机构成。无线链路使得各个微尘可以通过自我重组形成网络，彼此通信，并交换有关现实世界的信息。一个典型的无线传感器网络结构如图２．４所示，传感器节点随机散布在监测区域内部或附近，传感器节点通过自组织方式构成无 线网络，可以实现对任意地点信息在任意时间的采集，处理和分析。这种以自组 织形式构成的网络，通过无线方式将数据传回ｓｉｎｋ节点（接收发送器），最后借助ｓｉｎｋ链路将整个区域内的数据传送到远程控制中心进行集中处型１１】【１２１。图２．４无线传感器网络结构图传感节点是无线传感网络的核心硬件平台，直接决定了网络的性能和特性， 不同的应用场合使用不同的传感节点来构建无线传感网络。典型的无线传感节点 如图２．５所示，节点由传感器、主控制单元（ＭａｉｎＣｏｎｔｏｒｌＵｎｉｔ）、供电模块、无线通信模块（包括发送接收器及天线）组成，传感器用于感测目标物理世界，ＭＣＵ 进行信息的处理以及无线通信的控制等，传感器节点通常是一个专用的微型嵌入 式系统，它的处理能力、存储容量和通信范围相对较弱，仅通过携带有限的电池供电，一般要求节能设计。 无线传感器网络（ＷｉｒｅｌｅｓｓＳｅｎｓｏｒＮｅｔｗｏｒｋ，ＷＳＮ）由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，它通过无线通信方式形成一个多跳的自组织网络系统。 其作用是协作地感知、采集和处理网络区域中感知对象的信息，并发送给观察者。ＷＳＮ通常选型为Ａｄ－ｈＯＣ网络。Ａｄ－ｈｏｃ网络一般有两种结构：平面结构和分级结构。平面结构中所有的节点 处在同一频率，要依靠复杂的路由算法和网同步方法获得信息的有效传输。分级 结构又可以分为单频分级和多频分级两种。单频率分级网络中只有一个通信频率， 所有节点使用同一个频率通信。为了实现簇头之间的通信，要有网关节点（同时属 于两个簇的节点）的支持。簇头和网关形成了高一级的网络，称为“虚拟骨干＂。第１４页国防科学技术大学研究生院工程硕＋学位论文在多频率分级网络中，不同级采用不同的通信频率。低级节点的通信范围较小， 而高级节点要覆盖较大的范围。高级节点同时处于多个级中，有多个频率，用不 同的频率实现不同级的通信，但在同一级内仍使用相同频率。图２．５无线传感节点示意图以上这些同级同频多跳的组网方式需要复杂的同步、路由算法的支持，为开发人员带来很多不便。同频多跳方式还会造成相邻节点无线信号的相互干扰，而 且传统的同级单频多跳的组网方式并没有发挥出现代无线芯片可以支持多个不同 频率信道的优势，造成了可用信道的闲置和浪费，传统的组网方式在特定时间内 存在较大“频谱空洞”。 无线传感器网络工作在一定的物理环境中，不断变化的外界环境往往会严重 影响系统的功能，这就要求传感器节点能够随着环境的变化而适时地调整自身的 工作状态。不同的传感器网络应用关心不同的物理量，因此需要针对每一个具体 的应用来研究传感器网络技术。 与常见的无线网络诸如因特网、移动通信网、无线局域网相比，无线传感网 络存在的问题有：１、节点数量巨大，随机布撒。２、网络拓扑的动态变化性大。３、 传输能力有限。４、能量有限。５、安全性难以保障。２．２ＺｉｇＢｅｅ技术在现实生活中存在着这样的应用情况：系统所传输的数据通常为小量的突发信号，即数据特征为数据量小，要求进行实时传输，如采用传统的无线技术，虽然能满足上述要求，但存在着设备的成本高、体积大和能源消耗大等问题，针对 这样的应用场合，人们希望利用具有成本低、体积小、能量消耗小和传输速率低 的短距离无线通信技术。 在这种需求下，基于ＩＥＥＥ８０２．１５．４协议的无线传感器网络，开始成为被广泛 讨论和研究的课题之一。ＩＥＥＥ８０２．１５．４是一个新兴的无线通讯协议，是ＩＥＥＥ确定第１５页国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文的低速个人区域网络（ＰｅｒｓｏｎａｌＡｒｅａＮｅｔｗｏｒｋ）标准。该工作组成立于２０００年１月，致力于定义一种廉价的，固定、便携或移动设备使用的，低复杂度、低成本、低 功耗、低速率的无线连接技术，并于２００３年１２月通过了第～个８０２．１５．４标准随 着无线传感器网络技术的发展，这个亦可服务于无线传感器网络的标准也得到了快速的发展。 ８０２．１５．４标准定义了在个人区域网中通过射频方式在设备间进行互连的方式 与协议，该标准使用避免冲突的载波监听多址接Ｘ（ＣＳＭＡ／ＡＤ）方式作为媒体访问 机制，同时支持星型与对等型拓扑结构。在８０２．１５．４标准中指定了两个物理频 段：８６８／９１５ＭＨｚ和２．４ＧＨｚ的直接扩频序歹ＩＪ（ＤＳＳＳ）物理层频段。２．４ＧＨｚ的物理层 支持空气中２５０ｋｂ／Ｓ的速率，而８６８／９１５ＭＨｚ的物理层支持空气中２０ｋｂ／ｓ和４０ｋｂ／Ｓ 的速率。作为支持低速率、低功耗、短距离无线通信的协议标准，８０２．１５．４在无线电频率和数据率、数据传输模型、设备类型、网络工作方式、安全等方面都做出了说明。并且将协议模型划分为物理层（ＰＨＹ）和媒体接入控制层（ＭＡＣ）两个子层进 行实现。这个标准定义“物理层”（ＰＨⅥ和“介质访问层’’（ＭＡＣ）。物理层规范确定无线网络的工作频段以及该频段上传输数据的基准传输率。介质访问层规范定义了 在同一区域工作的多个８０２．１５．４无线信号如何共享空中频段。但是，仅仅定义物 理层和介质访问层并不能完全解决问题。因为没有统一的使用规范，不同厂家生 产出的设备存在兼容性问题。 ＺｉｇＢｅｅ协议是由ＺｉｇＢｅｅ联盟制定的无线通信标准，该联盟成立于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共同宣布加入ＺｉｇＢｅｅ联盟，研发名为“ＺｉｇＢｅｅ”的下 一代无线通信标准。ＺｉｇＢｅｅ联盟的目的是为了在全球统一标准上实现简单可靠、 价格低廉、功耗低、无线连接的监测和控制产品进行合作，并于２００４年１２月发 布了第一个ＺｉｇＢｅｅ正式标准。ＺｉｇＢｅｅ从ＩＥＥＥ８０２．１５．４标准开始着手，定义了允许 不同厂商制造的设备相互兼容的应用纲要【ｌ引。到目前为止，除了Ｉｎｖｅｎｓｙｓ、三菱电 子、摩托罗拉和飞利浦等国际知名的大公司外，该联盟大约已有７６家成员企业， 并在迅速发展壮大。其中涵盖了半导体生产商、ＩＰ服务提供商、消费类电子厂商 及ＯＥＭ商等，例如Ｈｏｎｅｙｗｅｌｌ，Ｅａｔｏｎ和Ｉｎｖｅｎｓｙｓ Ｍｅｔｅｒｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍｓ等工业控制和家 用自动化公司，甚至还有像Ｍａｔｔｅｌ之类的玩具公司。所有这些公司都参加了负责 开发Ｚｉｇｂｅｅ物理和媒体控制层技术标准的ＩＥＥＥ ８０２．１５．４工作组。 ＺｉｇＢｅｅ标准以８０２．１５．４标准定义的物理层及ＭＡＣ层为基础，并对其进行了 扩展，对网络层协议和ＡＰＩ进行了标准化，定义了一个灵活、安全的网络层，支 持多种拓扑结构，在动态的射频环境中提供高可靠性的无线传输。此外，ＺｉｇＢｅｅ第１６页国防科学技术大学研究生院Ｔ程硕士学位论文联盟还开发了应用层、安全管理、应用接口等规范。除了８０２．１５．４之外，存在着可能被无线传感器网络使用的其他无线网络协议， 这些无线个域网技术主要包括：蓝牙技术（Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ）、超宽带技术（Ｉｍ，Ｂ）、 红外技术（ｋＤＡ）等。它们共同的特点是短距离、低功耗、低成本、覆盖范围小 等。这些无线个域网协议在不同的应用场景中作为无线传感器网络的底层协议方 案。此外，连同技术已成熟的ＧＰＲＳ和８０２．１ｌ技术，列出这些主流的无线协议的共同点及区别如表２．１。 综上所述，ＺｉｇＢｅｅ（ＩＥＥＥ ８０２．１５．４）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。它的传输距离ｌＯｒｅ－－－ｌＯＯｍ的范围内，且在有 障碍时也可以进行传输，使用２．４ＧＩ－Ｉｚ波段，采用跳频技术和扩频技术。它可与２５４ 个节点联网。网络的自组织、自愈能力强，通信可靠。这些特点使其在工农业监 控、传感器网络、家庭智能化等领域有很大的发展空间。表２．１几种主流无线协议比较 标准名 应用重点 广域音频ＧＰＲＳ工作频段电池寿命 （天）网络大小（Ｋｂｐｔ）ｌ ６４．１２８＋带宽传输距离 （米） 覆盖面大ｌ１００＋优点９００Ｍ．２Ｇｌ－７数据 Ｗｉ．Ｆｉ８０２．１ｌｂ质量高 速度高２．４Ｇ ０．５－５ ３２ １１，０００＋ １．１００Ｗｅｂ 图像 手持设备灵活性大１．１０＋蓝牙２．４ＧＩ．７７７２ｌ价格便宜 方便应用终端 消费电子 高端通信 遥控设备 数十ｋ一３０．３００＋ ３．１．１０．６Ｇ超宽带若干若干１００．５００１．２０高带宽 体积小 功耗低 低功耗红外 移动设备Ｚｉｇａｅｅ ８０２．１５．４２１６１．２数Ｍ８６８／９１５Ｍ ２．４Ｇｌｏ．１０００＋ ６５５３６ ２０．２５０ １．１００＋监测控制价格便宜２．２．１ＺｉｇＢｅｅ设备类型与网络拓扑结构ＩＥＥＥ８０２．１５．４／ＺｉｇＢｅｅ提供了三种有效的网络结构和三种器件工作模式。网络结构有树型、网状和星型结构，模式有协调器模式、全功能模式和简化功能模式， 如图２．６所示。其中：协调器只能作为主节点，全功能模式既可以作为路由节点也可作为终端节点，而简化功能模式只能作为终端节点【１４】【１ ５】【ｌ们。 ｌ、三种功能的设备网络协调器（Ｃｏｏｒｄｉｎａｔｏｒ）：是实现很多ＺｉｇＢｅｅ服务的一种特殊的全功能设备。第１７页国防科学技术人学研究生院丁程硕士学位论文包台所有的网络消息，是３种设备类型中最复杂的一种，存储容量最大、计算能 力最强。负责发送网络信标、建立一个网络、管理网络节点、存储网络节点信息、 寻找一对节点『自Ｊ的路由消息、不断地接收信息，一般也处于全功能模式。全功能器件旺ＦＤ ＦｕｌｌＦｕｎｃｔｉｏｎＤｅｖｉｃｅ）：可以担任网络协调者．形成网络，让其它的ＦＦＤ或是精简功能装置（ＲＦＤ）与其联接，ＦＦＤ具备控制器的功能，可提供 信息双向传输。附带由标准指定的全部８０２．１５．４功能和所有特征更多的存储器、 计算能力可使其在空闲时既起到网络路由器的作用也能用作终端设备。精简功能器件（ＲＩＤＲｅｄｕｃｅｄＦｕｎｃｔｉｏｎＤｅｖｉｃｅ）：ＲＦＤ只能传送信息给ＦＦＤ或从ＦＦＤ接收信息。Ｒ＿ＦＤ由于省掉了内存和其他电路．降低了部件成本，简单的８位 处理器和小协议栈也有助于降低成本，一般只能用作终端设各。２、三种基本的网络拓扑结构ｇｇ日 日ｎ月图２．６网络拓扑结构示意图星型拓扑结构：由一个协调器节点（主设备）和一个或多个终端设备（从设 备）组成。在星型网络中，所有的终端设备都只与协调器通信。如果某个终端设 备需要传输数据到另一个终端设各，它会把数据发送给拂调器，然后协调器依次 将数据转发到目标接收器终端设备。它具有天然的分布式处理能力．星型中的路由节点就是分布式处理中心，即它既具有路由功能，也有。一定的数据处理和融合的能力，每个终端节点都把数据传给其所在拓扑的路由节点，在路由节点完成数第１ ８页国防科学技术大学研究生院工程硕十学何论文扼简单、有效的融合，然后对处理后的数据进行转发。考虑到路由节点的功能和 通讯的频率相对终端节点较多，一般其功耗也较大，所以其电源容量也较终端节 点电源的容量大，可考虑为大容量电池或太阳能电源。星型网络的覆盖范围有限， 通常用于家庭自动化、个人健康监护、玩具等领域。 树型拓扑结构：终端节点即可以通过协调器加入网络，又可以通过路由器加入网络。路由器主要实现网络在可容纳的节点数目和地理覆盖范围上的规模化，网络中的所有数据沿着树状结构分组转发。树型拓扑网络是利用路由器对星型网络的扩充。树型网络适用于分布范围较大的应用场合但是这种方案在中间节点失效的情况下，会使其某些终端节点失去连接。 网状拓扑结构：无线传感器网络的网络拓扑结构中，最复杂的拓扑结构也是 最终实现的目标是网状网络（ＭｅｓｈＮｅｔｗｏｒｋ）。在这种结构中，节点与节点之间的结 构是“Ｐｏｉｎｔ．ｔｏ．Ｐｏｉｎｔ―ｔｏ．Ｐｉｎｔ’’结构。这种结构无线网络连成一张网，网络非常健 壮，伸缩性好，在个别链路和终端节点发生失效时，不会引起网络分立。可以同 时通过多条路由通道传输数据，传输可靠性非常高。２．２．２ＺｉｇＢｅｅ协议结构８０２．１５．４／ＺｉｇＢｅｅ协议栈架构基于开放系统互联模型七层模型（ＯＳＩ），以ＩＥＥＥ ８０２．１５．４所定义的物理层（ＰＨＹ）和媒质访问控制层（ＭＡＣ）为底层基础，并独 立定义了之上的网络层和应用层协议，如图２．７所示。以下将简单介绍ＺｉｇＢｅｅ协 议栈的基本构架。底层技术，包括物理层和ＭＡＣ层由ＩＥＥＥ８０２．１５．４制定，而高 层的网络层、应用支持子层（ｈＰｓ）、应用框架（ＡＦ）、ＺｉｇＢｅｅ设备对象（ＺＤＯ）和安全 组件（ｓｓＰ），均由ＺｉｇＢｅｅＡｌｌｉａｎｃｅ所制定。 ｌ、原语概念 原语描述提供的服务，并规定通过服务存取端口所必须传递的信息在ＺｉｇＢｅｅ协议栈的每层通过使用下层提供的服务完成自己的功能，同时对上层提供服务。各层之间的联系是通过格式化、规范化的服务原语完成的。 在ＺｉｇＢｅｅ技术中存在４种类型的服务原语：请求原语（Ｒｅｑｕｅｓｔ ｐｒｉｍｉｔｉｖｅ），上 层发给下层的请求其完成某项服务的原语，比如建立连接，发送数据等；确认原 语（Ｃｏｎｆｉｒｍ ｐｒｉｍｉｔｉｖｅ），下层发给上层的表示某项服务完成情况的原语；指示原语（Ｉｎｄｉｃａｔｉｏｎ ｐｒｉｍｉｔｉｖｅ），下层发给上层的表示有某些内部事件或外部事件发生的原语；响应原语（Ｒｅｓｐｏｎｄ ｐｒｉｍｉｔｉｖｅ），上层对下层发来的指示原语的响应，用来确认 原先的原语请求是否成功等。 ２、ＺｉｇＢｅｅ物理层服务规范 物理层通过射频固件和硬件提供ＭＡＣ层与物理无线信道之间的接口。从概念第１９页国防科学技术大学研究生院丁程硕士学位论文上说，物理层还应包括物理层管理实体（ＰＬＭＥ），以提供调用物理层管理功能的管 理服务接口；同时ＰＬＭＥ还负责维护物理层ＰＡＮ信息库（ＰＨＹ ＰＩＢ）。物理层通过物理层数据服务接入点（ＰＤ―ＳＡＰ）提供物理层数据服务；通过物理层管理实体服务接入点（ＰＬＭＥ．ＳＡＰ）提供物理层管理服务。采用ＤＳＳＳ（ＤｉｒｅｃｔＳｅｑｕｅｎｃｅ ＳｐｒｅａｄＳｐｅｃｔｒｕｍ直接序列扩频）技术，可提供２７个信道用于数据收发。ＩＥＥＥ８０２．１５．４定义了２．４ＧＨｚ频段和８６８／９１５ＭＨｚ频段两种物理层标准。两者使用相同的物理层数据 包格式，区别在于工作频率、调制技术、扩频码片长度和传输速率。物理层主要 提供物理层的数据和管理服务，其功能包括：激活和休眠射频收发器，信道能量 检测，信道接收数据包的链路质量指示，空闲信道评估，收发数据。图２．７ＺｉｇＢｅｅ协议栈体系结构值得一提的是ＩＥＥＥ８０２．１５．４协议考虑了能量受限的情况，标准设备由电池供 电。电池供电的设备在大部分时间内可以处于睡眠状态，通过周期性地监听无线 信道来确定是否有消息等待处理。这种机制允许设计者平衡能量消耗和消息延迟， 保证了低功耗的电源管理。 ３、ＭＡＣ层服务规范 ＭＡＣ层提供特定服务会聚子层（ｓｓｃｓ）和物理层之间的接口。从概念上说，第２０页国防科学技术大学研究生院下程硕十学位论文ＭＡＣ层还应包括ＭＡＣ层管理实体（ＭＬＭＥ），以提供调用ＭＡＣ层管理功能的管理服务接口；同时ＭＬＭＥ还负责维护ＭＡＣ ＰＡＮ信息库（ＭＡＣ ＰＩＢ）。ＭＡＣ层通过ＭＡＣ公共部分子层（ＭＣＰＳ）的数据ＳＡＰ（ＭＣＰＳ．ＳＡＰ）提供ＭＡＣ数据服务；通过 ＭＬＭＥ．ＳＡＰ提供ＭＡＣ管理服务。这两种服务通过物理层ＰＤ．ＳＡＰ和ＰＬＭＥ．ＳＡＰ 提供了ＳＳＣＳ和ＰＨＹ之间的接口。除了这些外部接口外，ＭＣＰＳ和ＭＬＭＥ之间还 隐含了一个内部接口，用于ＭＬＭＥ调用ＭＡＣ数据服务。ＭＡＣ层的核心是信道接 入技术，包括时分复用ＧＴＳ技术和随机接入信道技术ＣＳＭＡ／ＣＡ。不过ＺｉｇＢｅｅ实 际上并没有对时分复用ＧＴＳ技术进行相关的支持，因此我们可以暂不考虑它，而 专注于ＣＳＭＡ／ＣＡ。ＺｉｇＢｅｅ／ＩＥＥＥ８０２．１５．４的网络所有节点都工作在同一个信道上，因此如果邻近的节点同时发送数据就有可能发生冲突。为此ＭＡＣ层采用了ＣＳＭＡ／ＣＡ的技术，简单来说，就是节点在发送数据之前先监听信道，如果信道空 闲则可以发送数据，否则就要进行随机的退避，即延迟一段随机时间，然后再进 行监听，这个退避的时间是指数增长的，但有一个最大值，即如果上一次退避之 后再次监听信道忙，则退避时间要增倍，这样做的原因是如果多次监听信道都忙， 有可能表明信道上的数据量大，因此让节点等待更多的时间，避免繁忙的监听。 通过这种信道接入技术，所有节点竞争共享同一个信道。在ＭＡＣ层当中还规定了 两种信道接入模式，一种是信标（ｂｅａｃｏｎ）模式，另一种是非信标模式。信标模式当 中规定了一种“超帧”的格式，在超帧开始发送的信标帧，里面含有一些时序以 及网络的信息，紧接着是竞争接入时期，在这段时间内各节点以竞争方式接入信道，再后面是非竞争接入时期，节点采用时分复用的方式接入信道，然后是非活跃时期，节点进入休眠状态，等待下一个超帧周期的开始又发送信标帧。而非信 标模式则比较灵活，节点均以竞争方式接入信道，不需要周期性的发送信标帧。 显然，在信标模式当中由于有了周期性的信标，整个网络的所有节点都能进行同 步。Ｌａｙｅｒ）层提供了两种服务：ＭＡＣ层数据服 务和ＭＡＣ层管理服务。数据服务使ＭＡＣ层协议数据单元的收发可以通过物理数ＩＥＥＥ ８０２．１５．４ＭＡＣ（ＭｅｄｉｕｍＡｃｃｅｓｓ据服务。管理服务通过ＭＡＣ层管理实体服务接入点访问高层。ＩＥＥＥ８０２．１５．４ ＭＡＣ层的特征有信标管理、信道接入机制、保证时隙（ＧＴＳ）管理、帧确认、确认帧传输、 节点接入和分离等。 ４、数据链路层 ＭＡＣ层往上就属于ＺｉｇＢｅｅ真正定义的部分了。ＩＥＥＥ８０２系列标准把数据链路层分为媒质接入层ＭＡＣ和逻辑链路控制层ＬＬＣ（Ｌｏｇｉｃ Ｌｉｎｋ ｃｏｎｔｒｏｌ Ｌａｙｅｒ）。 ＩＥＥＥ８０２．１５．４ＭＡＣ子层支持多种ＬＬＣ标准。ＭＡＣ子层使用物理层提供的服务实现设备之间的数据帧传输；而ＬＬＣ子层在ＭＡＣ子层的基础上，给设备提供面向第２ｌ页国防科学技术大学研究生院Ｔ程硕士学位论文连接和无连接的服务。 ５、网络层规范 网络层应提供保证ＩＥＥＥ８０２．１５．４ＭＡＣ层正确工作的能力并为应用层提供合适的服务接口。数据和管理实体分别由ＮＬＤＥ．ＳＡＰ和ＮＬＭＥ．ＳＡＰ提供。具体来说， ＮＬＤＥ提供的服务：一是在应用支持子层ＰＤＵ基础上添加适当的协议头产生网络 协议数据单元（ＮＰＤＵ）；二是根据路由拓扑，把ＮＰＤＵ发送到通信链路的目的地址 设备或通信链路的下一跳。而ＮＬＭＥ提供的服务包括配置新设备、创建新网络、设备请求加入／离开网络和Ｚｉｇｂｅｅ协调器或路由器请求设备离开网络、寻址、近邻 发现、路由发现、接收控制等。网络层的数据和管理服务由ＭＣＰＳ．ＳＡＰ和ＭＬＭＥ．ＳＡＰ提供了应用层和ＭＡＣ子层之间的接口。除了这些外部接口，在ＮＷＫ 内部ＮＬＭＥ和ＮＬＤＥ之间还有一个同隐含接口，允许ＮＬＭＥ使用ＮＷＫ数据服务。 和其他技术一样，ＺｉｇＢｅｅ网络层的主要功能是路由，路由算法是它的核心。目前ＺｉｇＢｅｅ网络层主要支持两种路由算法，树路由和网状网路由。树路由采用一种特殊的算法，具体可以参考ＺｉｇＢｅｅ的协议栈规范。它把整个网络看作是以协调器为 根的一棵树，因为整个网络是由协调器所建立的，而协调器的子节点可以是路由 器或者是末端节点，路由器的子节点也可以是路由器或者末端节点，而末端节点 没有子节点，相当于树的叶子。这种结构又好像蜂群的结构，协调器相当于蜂后， 是唯一的，而路由器相当于雄蜂，数目不多，}