基于ZigBee的无线传感器网络的组建--传感器课程论文

《现代传感器技术》课程论文           存档编号： 摘要 无线传感器网络的组建是通过无线通讯的形式将一定范围内传感器节点互连起来，进而组成一个平衡态的自组织网络，每个节点会把采集到的数据发送给上位机进行传输。ZigBee技术是一种新兴的现代技术，能够实现近距离的无线对话与通信，凭借其强大的功能和特点，它已经成为了无线传感器网络搭建过程首选的技术平台。 本文介绍了无线传感器网络的背景、发展历史和特点，然后讨论了无线传感器网络体系结构，介绍了ZigBee协议栈架构和IAR软件界面，以及实际组建一个网状结构的无线传感器网络的简明过程。 关键词：无线传感器网络，ZigBee，网络节点，网状结构 引言 21世纪以来伴随着现代技术的进步，带来了计算机、自动控制、微电子机械系统(MEMS)和通信等信息学科领域的飞速发展，与此同时，也产生了一种新型的监控网络，这便是无线传感器网络。 无线传感器网络的发展大致分为四个阶段:(1) 上世纪七十年代开始出现的将传统传感器采用点对点传输而构成的监控系统；(2) 随着相关学科的发展、进步，传感器网络可以获取多种信息信号进行自主综合处理；(3) 现场总线的不断发展和基于现场总线通信协议的智能传感器网络的广泛应用，使智能传感器网络的通信技术进入局部监控网络阶段，并且可以通过网关和路由器实现与Internet相连；(4) MEMS技术、低能耗的模电数电技术、无线电射频技术和传感技术的发展带来了微传感器的发展，成千上万个微传感器可以一起协调运作，通信的方式由有线慢慢转变为无线，从而最终形成无线传感器网络。 1 无线传感器网络的组成结构 1.1 无线传感器网络的体系结构 如图1.1所示，无线传感器网络主要分为三个部分：传感器节点，汇聚节点（Sink）和任务管理器节点。在无线传感器网络中，节点任意的散落在被监测区域内，随机分布，从而使节点以自组织的形式组建成网络，再通过多跳中继方式逐步将监测到的数据上传到汇聚节点，最终借助长距离或临时建立的Sink链路将整个区域内的数据传送到远程中心进行集中处理和控制，这便是无线传感器网络的体系结构。 图1.1 无线传感器网络的体系结构 1.2 传感器节点的体系结构 传感器节点具体划分可细分为数据采集单元、数据处理单元、数据传输单元和电源供给单元，如图1.2所示。数据采集单元负责监测区域内信息的采集以及数据转换；数据处理单元负责控制传感器节点来实现处理和存储采集来的数据和其他节点发过来的数据的功能；数据传输单元则负责与其他传感器节点进行无线通信，收发数据，交换控制信息；电源供给单元为传感器节点的运作提供能量，一般是使用微型电池 图1.2 传感器节点的体系结构 2 ZigBee 2.1 ZigBee无线通信技术 ZigBee技术协议采用的是051的分层结构，其中物理层和媒体接入层由IEEE802.15.4工作小组制定，而路由层和应用层则由ZigBee联盟制定。在组网性能上，ZigBee设备可组成简单的点对点网络或者相对复杂的星型网络以满足实际通信的需求。在由ZigBee设备组成的无线传感网络里，连接地址码分为16位短地址或64位长地址，对应可包含的最大设备数量分别为216和232，都有比较大的网络容量。 2.2 基于ZigBee的无线传感器网络的特点 ZigBee是一种传输距离小、结构简单、功耗小、数据速率低、成本不高的新兴无线通信技术，它执行的是IEEE802.15.4标准，协调成千上万个微传感器之间的通信。这些微传感器功耗小，所需要的能量很少，可通过无线电波把数据从一个传感器传到另一个传感器，不断的接力，因而通信效率很高。相较于目前的各种无线通信技术，ZigBee技术已经是最低功耗和成本的无线通信技术。ZigBee技术本身就存在数据速率低和通信范围小的限制特点，也决定了ZigBee技术适用于承载数据流量较小的工作和业务。这些技术特性决定了ZigBee设备是无线传感器网络节点的最佳选择。 2.3 ZigBee协议栈 在ZigBee协议栈中，其体系结构是通过每一层来量化其简化标准的。每一层在完成规定任务的同时还需向上层提供服务。层与层之间的接口通过所定义的逻辑链路来提供服务。ZigBee协议栈的体系结构包含有物理层(PHY)、媒体接入控制层(MAC)、网络/安全层和应用框架层。 图2.1 ZigBee协议框架 图2.2便是在IAR Embedded Workbench软件中集成了协议栈框架的界面图，可以在workspace处进行切换CoordinatorEB(协调器)、RouterEB(路由器)、EndDeviceEB(终端)，在不同模式对相应的函数代码进行修改或者自定义，以实现每个节点的功能，然后分别download到ZigBee设备上并make一下，就能让设备运作起来了。 图2.2 IAR8.1中ZStack协议栈的界面 3 应用实例：基于ZigBee协议的温度采集监控系统 如图3.1便是一个小型的无线传感网络的实体框架，其中带有温度传感器的传感器节点可分为从节点和主节点，被任意放置在监测范围中，节点与节点之间通过AODV路由协议来组网，并且把与PC主机相连接的传感器节点作为主节点。数据采集的方式分为三种：单次采集、定时循环采集（可设置定时采集时间）、依照手机发送命令采集。GSM模块与PC机也是通过串口连接，以PDU模式进行通信，并和基站无线交换数据。 图3.1 无线传感器网络与GSM网络互通的系统框图 以手机发送采集温度值的指令来讲，GSM模块用PDU方式与PC机实现串口通信，然后由PC机串口发送节点号到主节点1处，主节点再通过自组织的无线传感器网络逐步发送命令信息给节点4，告诉节点4需采集环境温度数据。节点4收到主节点的采集命令，就会开始采集温度数据，将采集到的数据通过路由4-3-2-1回送给主节点1再到PC机，再由PC机的串口以PDU方式发给GSM模块，再通过GSM 基站间的通信传给手机用户，便完成了从传感器节点到手机用户之间一个完整的发送和接收的通信，让温度信息最终被用户所接收。