基于zigbee技术的传感器无线信息采集毕业论文(编辑修改稿)

基于zigbee技术的传感器无线信息采集毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

s， 40 kbit / s 和 250 kbit／ s。 三个频段一共 定义了 27 个物理信道 ，每 个频段 上的物理信道数目不同， 这当中包括 868MHz 频段中 定义 了 的 一个 0 号信道 ， 915MHz 频段在 每间隔 2MHz 定义 的 110 号信 道 ， 频段定义 了 剩余5MHz 间隔 的 16 个信 道。 物理层 承担了底层较多的功能，包括 无线电收发机的 休眠和激活 、链接质量指示 (LQI)、通信过程中对信道能量的扫描和检测 (ED)、 基于免 碰撞 载波 侦听 多路访问机制 （ CSMACA） 对空闲信道评估、信道频率选择、数据发送和接收 [8]。 MAC 层 基于 ZigBee 技术的传感器无线信息采集 8 图 MAC 层参考模型 MAC 层协议 规范 提供两种服务 :数据传输服务 (MCPS)和数据管理服务(MLME)。 在 MAC 层的功能主要包括：同步设备，设备的维护和信标网络协调器可以生成并发 送网络信标，为 设备 提供支持服务的安全性，使用 CSMACA 机制访问模式的渠道，两 个 等价 MAC 层实体之间 建立 可靠的通信链路，维护处理保护时隙（ GTS）机制 [9]。 MAC 帧格式主要 分为三个部分 :MAC 帧头 ， MAC 帧负载和MAC 帧尾。 其具体结构如 图 所示。 图 MAC 帧的通用格式 帧控制域长度为 16 bits，规定了 帧类型、目的地址模式 以及 源地址模式等 [10]。 序列号域的长度为 8 bits，给 帧 赋予了独一 的序列标识号 ，仅仅在 确认 该 帧序列号与 前一次 传输数据帧的序列号 相同的情况下 时 ，方能 判断 成功完成 数据 传输业务。 目的 PAN 标示符 规定 为 16 bits，作为 标识接收帧设备的网络 特定 标识符 ， 只有标识符 相吻合的情况下 才能正确接收该帧。 地址域中 目的地址的长度为 16 或 64 bits，利用 帧控制 域 中 规定的 目的地址 方式 (16 位短地址或 64 位网络地址 )，确定 接收方基于 ZigBee 技术的传感器无线信息采集 9 的网络地址 [11]。 0xFFFF 表示的 是广播短地址 ，能够 被当前频道中的所有设备 所 接收。 源 PAN 标识符长度为 16bits，标识出 当前 数据发出 帧设备的网络唯一标识符。 设备源地址域是用 16 位或者 64 位 网络 地址 标识出 发出数据的设备地址。 净荷是待发送数据存储的地方 ， 其长度 随着 帧 的 类型和 将要 发送数据 包 的 长度的 变化 二变化。 帧校验域是一个 16 位 、采用 循环冗余 方式进行 校验 ， 通过 MAC 帧头和MAC 净荷计算得到的。 网络层 网络层的功能是建立网络、维护 ZigBee 网络的连接、同时决定网络拓扑结构的模型。 从 ZigBee 协议栈的体系结构上 得知，网络层处于 IEEE 标准的MAC 层 之上 ，拥有 一个重要接口 ， 其上是应用层 ， 网络层具有承上启下的作用 ，是学习 ZigBee 技术 以及 协议栈 协议 的关键。 网络层 通过 数据服务实体 (NLDE)和管理服务实体 (NLME)完成 这一层的功能 ，实现 与应用层可靠安全的信息交换， 进行更好的通信。 网络层参的考模型如图 所示。 图 网络层的参考模型 数据服务实体 （ NLDE） 主要提供数据传输服务 ， 允许一个设备传输应用协议数据单元给 位 于同一个网络中的另一个或者多个设备。 数据服务实体可以提供通信路由和网络协议数据单元传输业务。 管理服务 实体 (NLME)的主要服务是交互式基于 ZigBee 技术的传感器无线信息采集 10 应用程序和协议栈的操作管理，服务是通过管理服务访问点完成。 它主要提供管理服务包括：新 建 网络，节点属性配置，路由发现，访问或断开网络，寻址，邻居发现 设备 ，接收控制，传输控制 [12]。 应用层 在 ZigBee 网络中 ， 应用层是最高的协议层。 应用层 由 3部分构成， 第一部分是应用支持子层 ，提供 网络层和应用层的接口 ， 应用支持子层参考模型如图 示。 第二部分是用户应用程序 ，开发者 需要自己定义 ， 第三部分是 ZigBee设备配置层 ，具备 定义处理描述符信息的功能。 其中 ， 应用层 一个重要的功能是 高级协议栈管理 ，用以 协议栈管理。 用户应用程序由用户根据需要添加程序代 码。 图 应用支持子层参考模型 ZigBee 设备配置层的功能是完成 ZigBee 配置服务 ，定义描述符并对它的请求进行处理。 其中，定 义了 ZigBee 设备对象（ ZDO），它为设备提供绑定服务，远程设备可以通过 ZigBee 设备对象接口请求任何标准的描述符信息， ZDO 会调用配置对象获取相应的描述符值 [13]。 ZigBee 设备对象位于应用框架中的端点 0 上。 ZigBee 网络的应用程序是用户 自由 定义的应用对象 ，每个 应用对象 分别 对应一个序号范围为 1240 的 端点 ， 这样一个应用框架就构成了。 基于 ZigBee 技术的传感器无线信息采集 11 第 3 章 ZigBee 网络层规范 除了 对 MAC 层的正确 控制， 网络层的主要提供的功能 是 为应用层提供合适的服务接口。 网络层提供了两种功能服务实体包括数据服务实体和管理 服务实体用以向应用层提供服务接口，两种功能的服务实体都是不可或缺的 [14]。 ZigBee 网络拓扑结构方式 低速无线个域网（ LRWPAN）是基于 IEEE 标准协议发展而来的，IEEE 协议中有两种设备类型，称之为完整功能设备（ FFD）以及精简功能设备（ RFD）。 FFD 具备 IEEE 标准中规定的全部功能，随时担当网络中任意任务角色。 对于网络中的设备， IEEE 和 ZigBee 联盟所指定的标准有所不同，因而定义方法和规范术语也有所差异。 如图 所示， FFD 作为一个功能齐全的设备，完全可以作为一个功能 IEEE 协议 ，而 RFD 作为精简功能设备具备 IEEE 协议规定功能的部分。 网络中，每一个设备都担任着不同的角色，个域网（ PAN）把设备被分为 PAN 协调器、协调器以及一般设备。 PAN 协调器是 PAN 网络的总控制器，它在一个 PAN 网络中仅能出现一次，而且必须是 FFD。 协调器同样也是 FFD，通过发送信标完成同步服务功能， PAN协调器是协调器中的特例。 IEEE 网络中除 PAN 协调器和协调器之外的其他所有设备 均是一般设备，可以是 FFD 或者 RFD。 RFD 由于自身功能受限，完成的任务也相对简单，对于设备本身存储能力要求也低，不需要它提供大量信息传输的服务，只要保证在同一时刻和一个 FFD 进行关联，保障信息传输。 一个 FFD可以和其余的任意设备通信，无论 FFD 或者 RFD，但是 RFD 却只能和 FFD 通信。 ZigBee 联盟所发布的规范中设备分别称作“ ZigBee 协调器”、“ ZigBee 路由器”、“ ZigBee 终端设备” [15]。 基于 ZigBee 技术的传感器无线信息采集 12 图 IEEE 和 ZigBee 标准中 设备角色 ZigBee 网络是在网络层的功能实现下形成的，提供了两种拓扑模型：星型拓扑或点对点型拓扑 [16]。 无论是星形拓扑还是点对点型拓扑， ZigBee 网络均是无基础设施的网络。 ZigBee 网络中的 ZigBee 协调器（ PAN 协调器）所实现的功能与WiFi网络中的接入点（ AP）完全不同 [17]，这里的 ZigBee 协调器只是个 FFD，起到网络中心控制的作用，它不仅是为对网络进行控制，还可以有自己的应用 [18]。 ZigBee 协调 器 ，只是根据 无线 网络建设的需要 ，同扮演 ZigBee 路由器以及 ZigBee终端设备角色的 FFD 就功能上而言没有什么区别。 当网络状态出现变化时，其他FFD 也能在这个时候充当 ZigBee 协调器的角色，完成控制中心的任务。 同一个网络中，每一个设备都会被分配一个 64 位的网路地址用以网络间设备的互相通信，事实上， PAN 协调器也会为网内设备提供一个 16 位的短地址，这样的话，设备间同样可以使用短地址互相通信。 每个 PAN 之间都有一个唯一的标识 ID，通过这样的标识 ID，网内设备之间就可以互相识别，并且利用短地址就可以进行通信，提高了传输效率，如果两个 PAN 使用了同一个标识 ID，分属于两个不同 PAN 内的并且在通信范 围内的设备也会进行通讯，这种情况是需要避免的 [19]。 星型拓扑结构 图 所示的为星型拓扑结构，每一个设备都只能和 PAN 协调器通信，星型网络的一个典型案例便是一个 FFD 作为 PAN 协调器启动，并形成自己的网络，该 PAN 协调器所要完成的首要任务就是选择唯一的 PAN 标识符， 唯一的反映 是标识符 的 选择 在 RF 覆盖范围 内没有 被使 用， 而 RF 覆盖范围则是指设备的射频能基于 ZigBee 技术的传感器无线信息采集 13 够成功的和其他射频进行通信的区域 [20]。 简单的说，它的目的在于避免 PAN 标识符与周围网络所使用的重复。 图 星型拓扑结构 点对点型拓扑结构 在点对点型拓扑结构中，如图 ，如果两个设备相距足够近，从而可以成功的建立通信链接的话，那么他们之间就可以直接通信。 在点对点型网络中，任何FFD 都能够承担 PAN 协调器的角色，完成 PAN 协调器控制中心的任务。 确定哪个设备是 PAN 协调器的方法之一是看哪个 FFD 设备是最早作为 PAN 协调器进行通讯的。 由于 RFD 不具备转发信息的功能，所以在点对点网络中，实现转发信息功能的设备全部为 FFD[21]。 然而， RFD 也可以成为网络的一部分，一种特殊的 设备 ，它只在网络（协调 器 或路由器）通信。 图 网状拓扑结构 基于 ZigBee 技术的传感器无线信息采集 14 如果在互相通讯的节点设备间限制条件，点对点网络就能够形成不同的形状，假如没有局限，点对点网络就成了图 所示的网状拓扑结构。 另一种形式的网络是一个树的拓扑结构（图 ）， 由 ZigBee 协调器的 建立 初始网络 ， ZigBee 路由器组成 了 分支 完成消息 转发，而 ZigBee终端设备为叶节点不 执行 消息路由的任务。 ZigBee 路由协助 ZigBee 协调器完成初始网络的建立以及扩展。 图 也展示了利用 ZigBee 路由器对消息进行转发能够有效地扩大网络的范围，以至于绕过障碍 物，例如：设备 A 和 B 间存在着障碍物，设备 A 要向 B 发送一条信息，然而信号难以穿透障碍物，两个设备间无法完成通信。 这时树状拓扑网络能够通过路由器对消息的转发来绕过障碍物，使消息最终到达设备 B。 这种方式也被叫做多跳，所传输的数据单元从源设备出发，经过一节点跳到下一个节点直至目的设备为止。 不过，更广阔的范围必然带来潜在的消息延迟。 图 ZigBee 树型拓扑 不论网络基于什么样的拓扑形式，一个完整的 ZigBee 无线通信网络总是由一个 PAN 协调器所创建， PAN 协调器控制网络并执行以下职责： (1) 为所有网内设 备分配唯一的网络地址（ 16 位或 64 位）； (2) 初始化、终止、转发网络的消息； 基于 ZigBee 技术的传感器无线信息采集 15 (3) 率先给 网络分配一个唯一的 PAN 标识符。 这个 PAN 标识符使得网络中的设备可以使用 16 位短地址来和网络中的其他设备通信。 网络层服务规范 网络层数据服务 (MCPS) NLDESAP 的使命是在同一水平 的 应用实体 间 提供传输的应用协议数据单元（ APDU）服务 [22]。 NLDESAP 支持的原语包括 nldedata 请求、证实和指示原语。 (1) NWK 数据请求原语 NWK 数据请求原语 请求把一个 APDU（ NSDU）从本地 APS子层传送到一个或多个节点的 APS 子层实体。 当有 APUD（即 NSDU）需要传送到对等 APS 子层实体时，本地 APS 子层实体就产生该原语。 (2)NWK 数据证实原语 NWK 数据证实原语 用来报告请求从本地 APS 子层实体向对等的 APS 子层实体发送 NSDU 结果。 该原语由本地 NLDE 产生，作为接收到的 后的响应。 (3)NWK 数据指示原语 NWK 数据指示原语 指示一个数据 PDU（ NSDU）从 NWK传送到本地 APS 子层实体。 NLDE 收到来自 MAC 层实体的正确寻址数据帧后就像 APS 子层发送该指示原语。 网络层管理服务 (MLME) 网络管理服务是由 NLME 提供， 允许应用程序和 堆栈 作用 [23]。 NLME 实体 需提供以下服务 ： (1) 配置新入网设备：设备应当由足够的堆栈用来确保正常工作，除此之外，在配置选项中包含初始化 ZigBee 协调器的操作和完成对现有网络的连接。 (2) 初始化一个网络 ：使之具有建立一个新网络的能力。 (3) 连接或离开网络：具备对网络的控制能力包括连接和离开，以及具备为组建一个。