zigbee无线传感器网络节点的设计毕业论文(编辑修改稿)

zigbee无线传感器网络节点的设计毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

现在的无线传 感器网络 （ Wireless Sensor Networks， WSN）。 发展至今，人们现在所谓的无线传感器网络其实是在监测区域内，由大量传感器节点，部署在不同地点，通过无线网络将采集的数据传输到中央控制器。 无线传感器网络的发展对全球信息化的发展有着重要的意义，因此也是国内外研究的热点领域，引起了世界上众多国家的专家学者以及研究机构的高度重视，具有非常广泛的应用前景，并开创了新的应用领域的新兴技术的概念。 美国的 《 技术评论 》 杂志曾高度评价无线传感器网络的应用，在未来新兴技术产业中，把无线传感器网络排在第一项的头 等位置。 美国商业周刊甚至包括 MIT 技术评论在内的权威机构，在一份预测未来科技发展的报告中明确指出，无线传感器网络将会是本世纪最优影响力的，创造历史的 10 大技术之一。 随着科技发展脚步的越来越快，无线传感器网络将更加贴近人们的生活，更多的典型成功案例将推进无线传感器网络市场的发展，最终无线传感器网络将成为我们生活和工作中不和或缺的一部分。 国内外研究现状 随着 21 世纪高速信息化时代的来临，无线传感器网络作为新一代信息传递网络， 应用前景非常广阔，它的飞速发展和在人们实际生活中的应用，给我们生活和工 作产生了深远的影响，具有划时代的意义。 无线传感器网络最开始是用在打战或者军事演习上，实现信息的采集与发送。 1999 年第一篇题为“传感器走向无线时代”代表性论述出现。 20xx 年以后，又有大量的无线传感器网络的论文问世。 20xx 年 10 月 24 日，美国的英特尔公司发布了一篇名为“基于微型传感器网络的新型计算发展规划”的报告。 20xx 年，美国自然科学基金委员会推出了无线传感器网络支持计划，康奈尔大学、哈佛大学、麻省理工学院、加州大学伯克利分校等大学都纷纷研究了无线传感器网络的核心技术。 IEEE Spectrum 在 20xx 年的杂志发表一篇文章：传感器的国度，不但从理论上讲述了无线传感器网络的发展具有远大的前景，更在实践上证明了其应用具有广阔的市场和前景。 美国国防部对无线传感器网络的应用高度重视，并制定该方向的研究为重点研究领域，并设立了相关军属传感器网络项目的研究计划。 放眼全世界，各个国都的领导和学者都非常重视无线传感器网络发展与应用， IEEE 正在加大推进无线传感器网络的应用和发展的步伐，波士顿大学 （ Boston University）Millennial Net、 Invensys、 Radianse 以及霍尼韦尔 （ Honeywell） 还创办了传感器网络协会 (Sensor Network Consortium)，期望加快无线传感器网络的研究和发展。 安徽工程大学机电学院毕业 设计 （论文） 3 在日本， 20xx 年 11 月 24 日由日本制作所和 YRP 泛网络化研究所开发了一款全球最小体积的无线网络终端传感器，终端载有电源模块，可以搭载温度、湿度、振动传感以及加速度等各种传感器。 具体而言，该系统结合了红外技术，用来检测是门窗的玻璃和家电的振动情况等。 在美国金门大桥上分布了大量联网“微尘”节点，这些节点用于确定大桥两边的摆动距离。 当微尘检测出大桥两边的 移动距离时，节点通过无线传输，把数据发送到协调控制的计算机进行数据分析。 根据数据分析，排除大桥潜在隐患。 英特尔公司与加利福利亚洲大学伯克利分校联合展开了大鸭岛环境监测项目。 通过分布在岛上的传感器节点，对岛屿环境进行了 9 个月左右的监测，采集相关数据。 在国内，与其他发达国家一样，对于无线传感器网络的研究几乎在同一时间开 始。 1999 年在中国科学院所发版《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，第一次引入了无线传感器网络的概念。 其项目名称为：重点地区灾害实时监测决策支持示范系统，是本 报告又一重大领域的研究。 20xx 年中国科学院联合上海微系统所在上海成立了微系统研究与发展中心，并随后在无线传感器网络的发展方向上，明确指明了若干重大研究项目和发展方向项目。 20xx 年，清华大学、重庆大学分别在管理数据系统和时钟同步定位方面展开了专门的研究。 20xx 年中国国家自然科学基金委员会把无线传感器网络列为了重点研究领域。 中国科学院在 20xx 年初召开了关于无线传感器网络技术的专项研讨会，讨论了近几年来国内无线传感器网络的发展进度和未来的发展方向。 在《国家中长期科学和技术发展规划纲要 (20xx2020)》中，“传感器网络及智能信息处理”被列于重点领域及其优先主题“信息产业及现代服务业”中，而在新兴技术和重点技术中支持“自组织 传感器网络技术”。 20xx 年，国家自然科学基金将水下移动传感器网络的关键技术列为研究重点。 发展趋势 （ 1） 成本更低。 无线传感器起源于军事领域，随着科技发展，越来越多的应用， 面向民用，而且民用领域有着非常广阔的应用前景。 但是民用而言，成本与回报往往制约其应用的关键因素，所以，成本低廉将是制约无线传感器网络民用推广的重要因素。 成本低廉除了节点的硬件和软件制造技术有关意外 ，还与市场的推广有着密切联系，但是随着科技的进步，低成本的产品在不久便会面世。 （ 2） 技术更加成熟与完善。 虽然目前无线传感器网络发展如此迅猛，而且也在军事和民用领域得到一定的应用，但是技术的完善和成熟依然是推动无线传感器网络发展的关键因素。 由于无线传感器网络设计的学科和知识太广，节点资源的扩展技术不够完善以及网络拓扑结构的多样性，无线传感器网络的核心技术称不上非常成熟。 目前的无线传感器系统大多处于试验性应用，商用系统相对较少。 所以，提高无线传感器网络的关键技术是以后要重点发展的一个方向。 （ 3） 市场的推广。 市场的推广对于产品的开发和研究有着至关重要的意义，对于一些极具市场应用前景的系统，结合用户的不同需求，开展面向典型行业的示范性系统的研究与应用，以此带动整个无线传感器网络市场的发展，如智能家居、水质监测、智能农业等相关应用。 （ 4） 统一的技术标准。 规范的技术标准是推进无线传感器网络长久发展的重要保证。 就目前所了解的情况而且，标准化水平比较低，常见的只有 IEEE 、 Zigbee、 IEEE 1451 标准族、关于无线传感器网络与 IPv6 网络互联的几个 Draft。 因此要持续推进 无线传感器网络的发展，必须制定更加完善与规范的技术标准。 程兵 ： ZigBee 无线传感器网络节点的设计 4 第 2 章 ZigBee 技术及特点 目前在无线传感器网络的应用中，主要使用 ZigBee、红外、蓝牙、 WiFi 等技术进行无线通信。 红外技术在实际应用过程中，最容易实现。 但是红外技术的缺点在于通讯距离短，只支持点对点通信以及不能穿越障碍。 蓝牙技术虽然应用已经很广泛，但是其协议成本复杂，节点功耗较大，开发成本较贵，不适合工农业的大规模应用。 WiFi 技术虽然通信速率可达 11Mbps，但是其开发成本和功耗都很大，而且安全性不强，所以在 WiFi 也很少应 用于无线传感器网络。 ZigBee 是一种短距离、低功耗的无线通信技术，由于其低成本、低功耗、短距离、低速率、自组织等特点，该技术广泛应用于无线传感器网络中。 ZigBee 技术概述 ZigBee 是一种低功耗以及短距离进行通信的无线通信标准。 由于成本低廉、数据速率低以及实施短距离的无限网络来延长电池寿命， ZigBee 无线技术成为领先的全球标准。 ZigBee 联盟是由相关公司组成的一个联合体，它们基于同一个开放的全球标准来生产可靠、成本效益明显以及低功耗的无线联网检测和控制产品。 在大多数的 ZigBee 无线产 品的应用中，产品大部分时间处于休眠状态。 因此大部分的 ZigBee 产品能用几年的时间而不用换电源。 ZigBee 起源于蜜蜂之间交流时候所走了 ZigBee 形状的路径，所以实际上是一种便捷的交流方式。 ZigBee 无线网络技术基于 IEEE 无线通信协议， ZigBee 作为一种新兴的无线连接技术。 ZigBee 可以工作在三个频频段，分别为 （全球通用）、 868MHz （限欧洲）和 915MHz（限美国），而在这些频段上所对应的最高的数据传输速率分别是250kbit/s、 20kbit/s 和 40kbit/s。 ZigBee 的通信距离一般在 10 ~75 m 的范围内，但是根据实际情况（发射功率、灵敏度、环境等），可能更大。 ZigBee 联盟预测的主要应用领域包括汽车自动化、老年人健康侧键、农业监测、工业控制、消费性电子设备和医用设备控制等。 相信随着 Zigbee 技术以及相关技术的发展，低速率将更多的在我们的生活中实现，并且应用也将日益广泛。 ZigBee 的出现，为短距离通信的发展和应用带来了新的方向。 ZigBee 技术也因此成为全球热门研究的一个领域。 随着越来越多的人对 ZigBee 的研究和关注。 在不久的将来， ZigBee 产品将实现全球化，为科技的发展带来一场新的革命，可以预见， ZigBee 技术所带来的影响，将会和计算机、互联网所带给我们的影响一样，渗透到我们每天的工作生活中，为人类的生活带来更多的方便和快捷。 ZigBee 技术特点 （ 1） 低功耗。 ZigBee 最为显著的一个特点就是低功耗。 首先其发射功率只有 1mW；其次由于工作周期短、在收发信息的过程中功耗低；最后 ZigBee 还采用了休眠机制，在不工作的时候下处于休眠状态。 因此两节普通的 5号电池就可以使节点工作半年以上。 （ 2） 成本低。 只要几 美元就能构建一个 ZigBee 模块；协议相对而且得到了极大的简化，降低了所需的存储空间，而且作为专利的协议是免费的。 由此可见，成本并不高。 （ 3） 低传输速率。 ZigBee 即使处于 频段时，其传输速率为 （ 20~250） kbit/s 的较低传输速率。 （ 4） 近距离。 即使在不适用放大器的情况下， ZigBee 节点之间的有效传输距离一般为 10~100m，一般的家庭和办公场所足够使用。 如果加入放大器和路由器，传输的范围可以更大。 安徽工程大学机电学院毕业 设计 （论文） 5 （ 5） 时延小。 ZigBee 从休眠状态转入工作状态 只要 15ms，可见其响应速度较快， 并且节点连接加网的过程只需 30 ms。 （ 6） 高容量。 由于 ZigBee 网络的拓扑结构的多样性，利用网络的拓扑可以将网络延伸甚至穿透障碍的阻隔，实现通信。 （ 7） 高安全。 ZigBee 对于数据保密方面也有很严密的加密过程。 包括使用接入控制清单、使用对称密码以及无安全特权的设定。 如表 21 所示，比较了目前几种常用的无线通信技术。 表 21 应用于无线传感器网络的无线通信技术 Bluetooth 10 低 10000 100 高 11000 RFID 50kHz~ 5 高 200 ZigBee 10~75 低 250 IrDA infrared 1 低 16000 UWB ~ 10 低 100000 ZigBee 协议结构 ZigBee 的协议结构如图 21 所示，基本上和 的网络结构类似。 简单说来分为应用层、网络层、 MAC 层和物理层 .其中物理层 （ PHY） 和媒体接入 层 （ MAC）以及链路层 （ LLC） 由 IEEE 工作组来制定，网络层和应用层由 ZigBee 联盟制定。 其余协议主要参照和采用现有的传统无线技术的标准。 程兵 ： ZigBee 无线传感器网络节点的设计 6 应 用 层应 用 层 汇 聚 层网 络 层其 它 L L C 标 准I E E E 8 0 2 . 2 L L CS S C SM A C ( I E E E 8 0 2 . 1 5 . 4 ）2 . 4 G H z P H Y 8 6 8 / 9 1 5 M H z P H Y 图 21 ZigBee 的协议结构 （ 1） 物理层。 IEEE 定义了频率分别为 和 868/915MHz 的两个物理层。 我国采用的是 物理层标准。 两者的数据包格式都是基于直接序列扩频，两者的区别在于工作频率、调制技术和传输速 率。 物理层的主要功能包括信道的选择，信号的调制方式，数据传输速率的选择以及数据的收发等。 （ 2） MAC 层。 MAC 层物理层的上一层，其主要实现的功能包括 ：时隙管理机制 (GTS)；信标管理机制；信道接入机制；媒体访问；数据打包；差错控制等； MAC 子层中有 4 种类型的帧：数据帧、标志帧、命令帧和确认帧。 ZigBee 采用了 CSMA/CA 的信道接入方式和完全握手协议，提高传输数据的可靠性。 MAC 子层数据传递过程如图 22 所示。 发 起 者 M A C 接 收 者 M A C 发 起 者接 收 者信 道 接 入 数 据 帧确 认 （ 应 答 请 求 ） 数 据 确 认数 据 请 求数 据 指 示 图 22 MAC 子层数据传递过程 安徽工程大学机电学院毕业 设计 （论文） 7 （ 3） 网络层。 网络层的作用是：网络中设备的初始化；网络的新建；路由的生成、维护、选择；数据管理和网络安全等。 其中路由包括寻找传输节点间的。