基于ZigBee無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的倉(cāng)儲(chǔ)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)研究.

1、山東師范大學(xué)碩士學(xué)位論文單位代碼單位代碼IQ44S學(xué)號(hào)2DO9O2O969分類(lèi)號(hào)!TN873,TP393J碩士學(xué)位論文論文題目：基于ZigBee無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的倉(cāng)儲(chǔ)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)研究學(xué)科專(zhuān)業(yè)名稱(chēng)：信號(hào)與信息處理申請(qǐng)人姓名:戰(zhàn)美玲導(dǎo)師姓名:楊濟(jì)民教授論文提交時(shí)間：2012年04月06日山東師范大學(xué)碩士學(xué)位論文獨(dú)創(chuàng)聲明本人聲明所呈交的學(xué)位論文是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的研究 成果。據(jù)我所知，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，論文中不包含其他人已 經(jīng)發(fā)表或撰寫(xiě)過(guò)的研究成果，也不包含為獲得 （注：如沒(méi)有其他需要特別聲明 的，本欄可空）或其他教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書(shū)使用過(guò)的材料。與我一同工作的同

2、志 對(duì)本研究所做的任何貢獻(xiàn)均已在論文中作了明確的說(shuō)明并表示謝意。學(xué)位論文作者簽名：導(dǎo)師簽字:學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書(shū)本學(xué)位論文作者完全了解 學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，有權(quán)保留并 向國(guó)家有關(guān)部門(mén)或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和磁盤(pán)，允許論文被查閱和借閱。本人授 權(quán)學(xué)?？梢詫W(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索，可以采用影 印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存、匯編學(xué)位論文。（保密的學(xué)位論文在解密后適用 本授權(quán)書(shū)）學(xué)位論文作者簽名：導(dǎo)師簽字：簽字日期：2012年月 日簽字日期：2012年月曰山東師范大學(xué)碩士學(xué)位論文目錄Abstract.I II第一章緒論.1 1研究的背景及意義 外研究現(xiàn)狀發(fā)展現(xiàn)狀

3、.1 1.2國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀.21.3論文的主要內(nèi)容及章節(jié)安排 .3第二章ZigBee技術(shù)概述.51 1國(guó)內(nèi)1 1.2國(guó)外ii2.1無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)概述 .7 2.2.2 ZigBe與其構(gòu).82.3網(wǎng)絡(luò)的工作頻段.8 2.3網(wǎng)絡(luò)設(shè)備配置.9 2.3拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) .9 2.4 ZigBe協(xié)議架構(gòu).10 2.4物理層規(guī)范 .11 2.4媒體接入控制層規(guī)范 .12 2.4.網(wǎng)絡(luò)層規(guī)范.13 2.4應(yīng)用層規(guī)132.5本章小結(jié).14第三章基于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的倉(cāng)儲(chǔ)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù) .153.1 MAC協(xié)議.15 3.1.1無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)中MAC協(xié)議研究 .153.1.2倉(cāng)儲(chǔ)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)中MAC協(xié)議設(shè)計(jì) .18

4、3.2路由協(xié)議.18 3.2無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)中路由協(xié)議研究 .19 i山東師范大學(xué)碩士學(xué)位論文5 2.1.1無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu). 5 2.1.2無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn).6 2.2 ZigBee與無(wú)線(xiàn)通信. 6 2.2.1 ZigBee產(chǎn)生他無(wú)線(xiàn)技術(shù)的比較.7 2.3 ZigBe網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)322倉(cāng)儲(chǔ)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)中路由協(xié)議設(shè)計(jì) .203.3本章小結(jié).21第四章倉(cāng)儲(chǔ)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì).23 4.系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì).23 4.1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案 .23 4.1硬件平臺(tái)的選擇.24 4無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì).24 4.2.1 ZigBe節(jié)點(diǎn)總體方案設(shè)計(jì).24 4.2.無(wú)線(xiàn)通信和處理器模塊.25 4.2溫度傳感

5、器.26 4.2溫濕度傳感器SHT114.3本章小結(jié).30第五章倉(cāng)儲(chǔ)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信軟件設(shè)計(jì) .315.1網(wǎng)絡(luò)軟件設(shè)計(jì)整體流程及開(kāi)發(fā)環(huán)境 .31 5.1.1網(wǎng)絡(luò)軟件設(shè)計(jì)的總體流程 .315.1.2系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境 .31 5.2ZigBee設(shè)備建立通信網(wǎng)絡(luò)的流程 .34 5.2.1ZigBee協(xié)調(diào)器軟件設(shè)計(jì).34 5.2.2ZigBee路由器軟件設(shè)計(jì) .36 5.2.3ZigBee終端設(shè)備軟件設(shè)計(jì) .37 5地址分配方案.38 5.3網(wǎng)絡(luò)地址分配方案.39 5.3路由尋址方式.40 5數(shù)據(jù)傳送.40 55眠與27喚醒發(fā)送機(jī)制.415.6本章小結(jié).41第六章總結(jié)與展望.436.1總結(jié).43

6、6.2展望.43參考文獻(xiàn).45攻讀碩士學(xué)位期間科研工作.4致謝.48山東師范大學(xué)碩士學(xué)位論文基于ZigBee無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的倉(cāng)儲(chǔ)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)研究摘要倉(cāng)儲(chǔ)作為現(xiàn)代物流和供應(yīng)鏈系統(tǒng)的重要節(jié)點(diǎn)，已成為物流管理的核心部分和關(guān) 鍵環(huán)節(jié)。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人們生活水平的提高，人們對(duì)物品的數(shù)量和種類(lèi)的 需求都在不斷增加，這樣對(duì)倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)的要求也日益提高。特別是，倉(cāng)儲(chǔ)內(nèi)溫度、濕 度等環(huán)境參數(shù)對(duì)存儲(chǔ)物品的質(zhì)量和壽命有著重要的影響，對(duì)倉(cāng)儲(chǔ)環(huán)境參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí) 監(jiān)控不僅可以保證存儲(chǔ)物品的質(zhì)量，延長(zhǎng)產(chǎn)品的存儲(chǔ)壽命，還能夠增強(qiáng)倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)的 安全系數(shù)，當(dāng)出現(xiàn)安全隱患的時(shí)候能夠及時(shí)報(bào)警。然而傳統(tǒng)的倉(cāng)儲(chǔ)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)存在布線(xiàn)復(fù)雜，可

7、靠性低，管理維護(hù)成本低等問(wèn) 題，因而將新的科學(xué)技術(shù)引入倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)中構(gòu)建信息化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化的倉(cāng)儲(chǔ)環(huán)境 監(jiān)控系統(tǒng)具有重要意義。ZigBee網(wǎng)絡(luò)作為無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的典型代表，具有低能耗、低成本、低速率 等特點(diǎn)，它融合了無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)、傳感器技術(shù)以及嵌入式計(jì)算機(jī)技術(shù)等多學(xué)科知識(shí)的前沿?zé)狳c(diǎn)研究領(lǐng)域， 能夠通過(guò)各種微型傳感器協(xié)同完成對(duì)各種環(huán)境或檢測(cè)對(duì)象的 信息實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、感知和采集，并將這些信息傳送給用戶(hù)。ZigBee無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)被認(rèn)為是21世紀(jì)最重要的技術(shù)之一。本文以ZigBee無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在倉(cāng)儲(chǔ)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用為主線(xiàn)，主 要完成以下幾個(gè)方面的工作：（1）首先概述了無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)及ZigBee

8、技術(shù)的基礎(chǔ)知識(shí)，然后從ZigBee協(xié)議架構(gòu)入手，對(duì)物理層、媒介接入控制層、網(wǎng)絡(luò)層及應(yīng)用層的規(guī)范展開(kāi)了研究，深入了解ZigBee技術(shù)的特性和通信原理。（2）接著對(duì)基于ZigBee無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的倉(cāng)儲(chǔ)環(huán)境系統(tǒng)中幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)的研 究現(xiàn)狀進(jìn)行了分析，主要包括：MAC協(xié)議和路由協(xié)議，并對(duì)其在倉(cāng)儲(chǔ)環(huán)境監(jiān)控這 一應(yīng)用背景下進(jìn)行了探討。（3）然后根據(jù)倉(cāng)儲(chǔ)監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)際需要，設(shè)計(jì)了無(wú)線(xiàn)傳感器設(shè)備的硬件系統(tǒng)。節(jié)點(diǎn)采用增強(qiáng)型的8051單片機(jī)作為主控制器，CC2530射頻芯片作為無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù) 收發(fā)器，SHT11溫濕度傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境參數(shù)的采集。（4）通信系統(tǒng)基于ZigBee協(xié)議棧Z-Stack開(kāi)發(fā)，使用IAR EW80

9、51集成開(kāi)發(fā) 環(huán)境對(duì)Z-Stack進(jìn)行代碼編程，為不同角色的節(jié)點(diǎn)編寫(xiě)相應(yīng)的代碼，其中包括ZigBee I山東師范大學(xué)碩士學(xué)位論文協(xié)調(diào)器建立網(wǎng)絡(luò)及運(yùn)行程序，ZigBee路由器加入網(wǎng)絡(luò)及運(yùn)行程序，ZigBee終 端設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)及數(shù)據(jù)采集、收發(fā)等，然后借助下載工具SmartRF FlashProgrammer將代碼下載到ZigBee設(shè)備中進(jìn)行調(diào)試，在簇樹(shù)型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的基礎(chǔ) 上實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)傳輸數(shù)據(jù)，并運(yùn)用在倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)中，構(gòu)成了基于ZigBee無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的倉(cāng)儲(chǔ)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)?；赯igBee無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的倉(cāng)儲(chǔ)監(jiān)控系統(tǒng)充分利用了ZigBee節(jié)點(diǎn)能耗小、成本低、安裝維護(hù)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，能夠?qū)崟r(shí)地對(duì)倉(cāng)儲(chǔ)區(qū)域內(nèi)溫度

10、、濕度等環(huán)境參數(shù)進(jìn) 行無(wú)線(xiàn)遠(yuǎn)程采集與管理，同時(shí)可有效消除安全隱患，具備了傳統(tǒng)倉(cāng)儲(chǔ)管理無(wú)法比擬 的優(yōu)勢(shì)，很好地解決了傳統(tǒng)倉(cāng)儲(chǔ)管理中布線(xiàn)復(fù)雜、效率低下等問(wèn)題。關(guān)鍵詞：倉(cāng)儲(chǔ)環(huán)境監(jiān)測(cè)；無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)；ZigBee;簇樹(shù)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；CC2530分類(lèi)號(hào)：TN873, TP393.1II山東師范大學(xué)碩士學(xué)位論文Warehous ing en vir onmen tai mon itori ng system research based on ZigBee WirelessSen sor Network tech no logyAbstractWarehous ing as an importa nt no

11、de in moder n logistics and supply cha in system, hasbecome an importa nt part. With the developme nt of social economy and the improveme nt ofpeople liv ing sta ndard, The dema nd of people on the amount and type of goods has bee nin creas ing con sta ntly. So the warehous ing system requireme nts

12、are in creas ing.Especially, warehouses environmental parameters, such as tempeurtiidty and so on, hasan important effect on the quality of goods and their life. Real-time monitoring to thewarehouse en vir onment parameters can not only en sure the quality of the storage goods,and exte nd the life o

13、f the warehous ing goods, also can enhance the safety factor ofwarehous ing system, which can give an alarm in time whe n a security hidde n dan gerhappe ns.However the traditi onal warehous ing en vir onmen tal mon itori ng system existscomplex wiring、low reliability、low cost in management and main

14、tenance, so there will be anew scie ntific tech no logy brought into the warehous ing system, the con structi on of informatio naliz-ed, n etwork and in tellige nt warehous ing en vir onmen tai mon itori ng system is ofgreat sig nifica nee.ZigBee n etwork as a represe ntative type of wireless sen so

15、r n etwork, has lots of advantages such as low en ergy eon sumptionlow cost、low rate. It in corporates multidisciplinaryknowledge in the forefront of the hot research field, including wireless com muni cati on techno logy、the sen sor tech no logy and embedded computer tech no logy. It can real-timem

16、onitor, perceive and gather all kinds of environmental information and monitoring objectsthrough all kinds of Micro Sensor,and transmit the information to the user.ZigBee wirelesssen sor n etwork is con sidered to be one of the most importa nt tech no logy in the 21 st century.The paper, with the ap

17、plicati on of ZigBee wireless sen sor n etwork tech no logy inwarehousing environmental monitoring system as the main line, mainly complete the following several aspects of the work:(IFirst summarizes the basic kno wledge of wireless sen sor n etwork and ZigBee techno logy, and the n based on ZigBee

18、 protocol framework, researches the sta ndard of III山東師范大學(xué)碩士學(xué)位論文physical layer, media access con trol layer, network layer and the applicati on layer, andthoroughly un dersta nds the characteristics of ZigBee tech no logy and com muni cati on principle.(2The n an alyses the curre nt research status

19、of some key tech niq ues based onZigBee wireless sen sor n etwork tech no logy in warehous ing en vir onmen tal mon itori ngsystem, mainly in clud ing: MAC protocol and rout ing protocol, and these key tech niq ues inthe backgro und of warehous ing mon itori ng system is discussed.(3A nd the n, acco

20、rd ing to the actual dema nd of warehous ing mon itori ng system,desig ns hardware system of wireless sen sor equipme nt.The node uses enhan ced 8051 single chip microcomputer as the main con troller, CC2530RF as wireless data tran sceiver,temperature and humidity sen sor SHT11 to achieve data acqui

21、siti on of en vir onmen talparameters.(4Com mun icatio n system is exploited based on ZigBee protocol Stack Z-Stackdevelopme nt. The author writes programs code for Z-Stack through IAR EW8051 in tegrateddevelopme nt en vir onmen t ,accord ing to differe nt role of these no des, In cludi ng ZigBeecoo

22、rd in ator sets up n etwork and operates procedures ZigBee router joi ns the n etwork andoperates procedures,ZigBee termi nal equipme nt joi ns the n etwork and realizes datacollecting sending and receiving and so on.The corresponding code will be programmed ,andthe auther downloads the code to ZigB

23、ee equipment with the aid of the download toolsSmartRF Flash Programmer,and debugs these ZigBee equipments,in the mean time, Letthem form a tree n etwork to realize wireless tran smissi on. Lastly the auther puts theseZigBee equipme nts into warehous ing system, and structures the ZigBee wireless se

24、n sor network based on warehous ing en vir onmen tal mon itori ng system.Warehous ing en vir onmen tal mon itori ng system based on ZigBee Wireless Sen sorNetwork tech no logy can fully uses many adva ntages of ZigBee no de,such as small en ergycon sumpti on,low cost, simple in stallati on and maint

25、enance. the way of wirelessremote,temper-ature, humidity and other en vir onmen tal parameters of warehous ing area is collectedand man aged real-time, and safe hidde n dan gers can be elim in ated effectively. It has thein comparable adva ntages to traditi onal warehous ing man ageme nt,so can solu

26、ti on wellsome problems,such as complex wiri ng and low efficie ncy and so on.Key Words : warehous ing en vir onmen tal mon itori ng; wireless sen sor n etwork;ZigBee; cluster tree topology structure ; CC2530CLC Number: TN873, TP393.1IV山東師范大學(xué)碩士學(xué)位論文第一章緒論1.1研究的背景及意義隨著我國(guó)生產(chǎn)力水平的提高，現(xiàn)代物流已成為經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的血脈”，被譽(yù)為繼降低物

27、質(zhì)消耗、提高勞動(dòng)生產(chǎn)率之后企業(yè)的第三利潤(rùn)源泉”。物流業(yè)是基于倉(cāng)儲(chǔ)業(yè)、運(yùn)輸業(yè)、信息業(yè)等為一體的混合型服務(wù)產(chǎn)業(yè)，已經(jīng)成為衡量一個(gè)國(guó)家綜合國(guó)力和現(xiàn) 代化水平的重要標(biāo)志之一。而倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)作為現(xiàn)代物流的重要組成部分，在物流管理 中的重要性日益提高，已成為物流管理的核心部分和關(guān)鍵環(huán)節(jié)。信息技術(shù)的應(yīng)用已成為倉(cāng)儲(chǔ)技術(shù)的重要支柱，智能化倉(cāng)儲(chǔ)將會(huì)是其必然的發(fā)展 趨勢(shì)，特別是自動(dòng)化倉(cāng)儲(chǔ)與無(wú)線(xiàn)射頻技術(shù)相結(jié)合加快了倉(cāng)儲(chǔ)管理朝著智能化方向發(fā) 展的步伐。 智能倉(cāng)庫(kù)體系一個(gè)重要組成部分就是倉(cāng)儲(chǔ)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，倉(cāng)儲(chǔ)環(huán)境監(jiān)控 系統(tǒng)通過(guò)掌握和改善倉(cāng)儲(chǔ)環(huán)境，使倉(cāng)儲(chǔ)內(nèi)物品的質(zhì)量和安全得到保障。隨著果蔬、肉類(lèi)、水產(chǎn)品等物流業(yè)的發(fā)展，對(duì)倉(cāng)儲(chǔ)環(huán)

28、境參數(shù)的監(jiān)控也提出了更 高的要求，特別是，溫度、濕度等倉(cāng)儲(chǔ)環(huán)境參數(shù)對(duì)存儲(chǔ)物品的壽命和腐損率有著重 要的影響。目前在我國(guó)，倉(cāng)庫(kù)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)基本上處于人工定點(diǎn)巡檢和連線(xiàn)在線(xiàn)監(jiān) 控兩種狀態(tài)，但這兩種狀態(tài)都存在一定的弊端，人工定點(diǎn)巡檢方法無(wú)法克服效率低 下、時(shí)間和人力成本高、數(shù)據(jù)誤差大等缺點(diǎn)，連線(xiàn)在線(xiàn)監(jiān)控雖然能夠獲得倉(cāng)儲(chǔ)環(huán)境 參數(shù)的實(shí)時(shí)信息， 但是存在布線(xiàn)復(fù)雜、 不易擴(kuò)展、 管理和維護(hù)成本高等問(wèn)題。本文 研究了基于ZigBee無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的倉(cāng)儲(chǔ)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，利用ZigBee無(wú)線(xiàn)傳感器 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可以對(duì)溫度、濕度等環(huán)境參數(shù)進(jìn)行無(wú)線(xiàn)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，當(dāng)環(huán)境參數(shù)出現(xiàn)異常 情況時(shí)，傳感器設(shè)備會(huì)發(fā)出報(bào)警信息并立刻通知

29、上位機(jī)的管理人員迅速對(duì)所發(fā)生情 況進(jìn)行處理。使用ZigBee無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)倉(cāng)儲(chǔ)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)， 具有開(kāi) 發(fā)成本低， 能量消耗低， 并且安裝維護(hù)比較簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，能夠很好的解決傳統(tǒng)倉(cāng)儲(chǔ) 管理中布線(xiàn)復(fù)雜、 效率低下等問(wèn)題， 具備了傳統(tǒng)倉(cāng)儲(chǔ)管理無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.2.1國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀從上個(gè)世紀(jì)九十年代開(kāi)始，國(guó)外的研究機(jī)構(gòu)就開(kāi)展了對(duì)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究，1山東師范大學(xué)碩士學(xué)位論文2無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的最初起點(diǎn)是美國(guó)自然基金委和美國(guó)軍方投資的一些應(yīng) 用在軍事領(lǐng)域的重要項(xiàng)目。在無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的研發(fā)項(xiàng)目和實(shí)驗(yàn)中具有代表性和影 響力的有：由普林斯頓大學(xué)的電子工程系提出并實(shí)施的Zebra

30、Net工程，由美國(guó)國(guó)防部遠(yuǎn)景計(jì)劃研究局資助的智能塵埃(Smart Dust)項(xiàng)目，還有英國(guó)皇家網(wǎng)絡(luò)和行 為習(xí)性監(jiān)控(habitat monitoring)項(xiàng)目等。尤其是最新試驗(yàn)成功的低成本美軍狼群”地面無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)標(biāo)志著電子戰(zhàn)領(lǐng)域技術(shù)的最新突破。此外，美國(guó)、英國(guó)、日本等國(guó)家在民用方面的多領(lǐng)域也進(jìn)行了廣泛的應(yīng)用。為了滿(mǎn)足類(lèi)似于溫度傳感器這樣小型、低成本設(shè)備無(wú)線(xiàn)聯(lián)網(wǎng)的要求，在2002年，英特爾Invensys公司、日本三菱公司、美國(guó)摩托羅拉公司、荷蘭飛利浦公司 等發(fā)起ZigBee聯(lián)盟，立刻引起了廣泛的關(guān)注，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)在民用領(lǐng)域的應(yīng)用 前景及商業(yè)價(jià)值逐漸呈現(xiàn)在人們面前。在環(huán)境監(jiān)測(cè)方面，英特爾實(shí)

31、驗(yàn)室研究人員用 飛機(jī)把大量的全功能傳感器隨機(jī)的散布在緬因州大鴨島”上，以讀取該島上的氣候參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了無(wú)侵入式、無(wú)破壞式對(duì)野生動(dòng)物及其棲居地的監(jiān)測(cè)。在感知城市建設(shè) 方面，這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)被應(yīng)用到舊金山金山大橋上，通過(guò)檢測(cè)大橋一段到另一端的擺 動(dòng)距離來(lái)確保大橋的安全，當(dāng)存在隱患時(shí)會(huì)及時(shí)報(bào)警避免危險(xiǎn)的發(fā)生。在企業(yè)管理 方面，惠普公司在辦公大樓的會(huì)議室安置了無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)對(duì)會(huì)議管理系統(tǒng) 的統(tǒng)一監(jiān)測(cè)，可協(xié)調(diào)公司各個(gè)會(huì)議室的適用情況。在醫(yī)療監(jiān)控方面，英特爾公司開(kāi) 發(fā)出了用于家庭護(hù)理的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，可以幫助老年人以及殘障人士的家庭生活。在工業(yè)控制方面，世界500強(qiáng)企業(yè)泰科國(guó)際使用無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)來(lái)開(kāi)展

32、新型 工業(yè)溫控系統(tǒng)，并取得了良好的效果。1.2.2國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀我國(guó)首次正式提出無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的概念是在1999年發(fā)布的中國(guó)科學(xué)院的信與自動(dòng)化領(lǐng)域研究報(bào)告中。2001年，以中國(guó)科學(xué)院為代表的一些科研院在無(wú) 線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的方向上陸續(xù)部署了若干重大研究項(xiàng)目和方向性項(xiàng)目， 初步建立了傳 感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)研究平臺(tái)。2003年，國(guó)家自然科學(xué)基金投入了巨大的項(xiàng)目資金，為 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的深入研究提供了大力的支持。2004年，這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)提到了國(guó)家發(fā)展戰(zhàn)略的高度上，被確定為國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)。2005年11月，在中國(guó)電子技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化研究所信標(biāo)委組織召開(kāi)了第一次無(wú)線(xiàn)個(gè)人域網(wǎng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)研討會(huì)”，會(huì)議建議 將無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)納入

33、無(wú)線(xiàn)個(gè)人域網(wǎng)范疇，并成立了專(zhuān)門(mén)的興趣小組，自此中國(guó)無(wú) 線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)山東師范大學(xué)碩士學(xué)位論文化工作邁出了第一步。2006年在國(guó)家科技部發(fā)布的國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù) 發(fā)展規(guī)劃綱要(2006-2020)中，也把它的多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)確定為研究重點(diǎn)。隨 后，國(guó)內(nèi)一些研發(fā)實(shí)力雄厚的高校也開(kāi)展了無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)方面的基礎(chǔ)研究工作， 這其中包括清華大學(xué)、山東大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)、華中科技大學(xué)、西安交通大學(xué)、 哈爾濱工業(yè)大學(xué)等。此外，一些企業(yè)也加入了無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)研究的行列，例如北 京鼎天軟件有限公司將無(wú)線(xiàn)傳感器技術(shù)用于揚(yáng)州電子政務(wù)和應(yīng)急指揮系統(tǒng)中。2009年3月，上海的GE全球研發(fā)中心，將一種新型、智能化的無(wú)線(xiàn)傳感

34、器探頭連接在 病人與監(jiān)護(hù)設(shè)備之間進(jìn)行信號(hào)傳遞，憑借此項(xiàng)技術(shù)，人們夢(mèng)寐以求的遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān) 測(cè)指日可待。2010年，我國(guó)主導(dǎo)提出的傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)同信息處理國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)獲正式 立項(xiàng)，同年，我國(guó)企業(yè)研制出全球首顆二維碼解碼芯片，研發(fā)了具有國(guó)際先進(jìn)水平的光纖傳感器，TD-LTE技術(shù)正在開(kāi)展規(guī)模技術(shù)試驗(yàn)，2010年12月，我國(guó)建成了 首座220千伏（西涇）智能變電站，借助無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，可以無(wú)線(xiàn)傳送變電 站內(nèi)的溫度、濕度等各項(xiàng)信息，實(shí)現(xiàn)變電站無(wú)人智能巡檢，在國(guó)內(nèi)率先實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng) 技術(shù)與高壓強(qiáng)電控制技術(shù)全面融合上。2011年11月，國(guó)家工業(yè)和信息化部根據(jù)我 國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十二個(gè)五年規(guī)劃綱要和國(guó)務(wù)院關(guān)于加快

35、培育和發(fā)展 戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的決定，特別制定了物聯(lián)網(wǎng)十二五”發(fā)展規(guī)劃，隨著國(guó)家和地方一系列產(chǎn)業(yè)支持政策的出臺(tái)，社會(huì)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)的認(rèn)知程度日益提升，物聯(lián)網(wǎng)正在 逐步成為社會(huì)資金投資的熱點(diǎn)，發(fā)展環(huán)境不斷優(yōu)化。1.3論文的主要內(nèi)容及章節(jié)安排本課題來(lái)源于山東省科技發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目。對(duì)基于ZigBee無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的倉(cāng)儲(chǔ)監(jiān)控系統(tǒng)的研究，作者主要做了以下工作：分析IEEE802.15.4和ZigBee協(xié)議，從ZigBee協(xié)議架構(gòu)入手，對(duì)物理層、媒介訪(fǎng)問(wèn)控制層、網(wǎng)絡(luò)層及應(yīng)用層的規(guī)范展開(kāi)了研究，深入理解ZigBee技術(shù)的特性和通信原理。根據(jù)倉(cāng)儲(chǔ)監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)際需要，設(shè)計(jì)了ZigBee傳感器設(shè)備，硬件選型為：處 理器和無(wú)線(xiàn)

36、傳輸模塊采用TI公司提供的CC2530片上系統(tǒng)，溫濕度傳感器采用 了瑞士Sensirion公司推出的SHT11。為了實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)無(wú)線(xiàn)通信和倉(cāng)儲(chǔ)監(jiān)控系統(tǒng)的特定功能，認(rèn)真研究了TI公司的Z-Stack協(xié)議棧的運(yùn)行流程，同時(shí)借助IAR EW8051集成開(kāi)發(fā)環(huán)境對(duì)Z-Stack協(xié)議棧進(jìn)行了代碼編程，為每個(gè)節(jié)點(diǎn)不同的角色編寫(xiě)相應(yīng)的代碼。部署在監(jiān)控區(qū)域 的傳感器節(jié)山東師范大學(xué)碩士學(xué)位論文4點(diǎn)通過(guò)簇樹(shù)型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來(lái)完成與上位機(jī)的通信，最終實(shí)現(xiàn)了智能倉(cāng)儲(chǔ)無(wú) 線(xiàn)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)。本文具體章節(jié)安排如下：第一章是緒論部分。對(duì)本文的研究背景意義、國(guó)內(nèi)外關(guān)于該課題的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn) 行了綜述，概括描述了本文的主要研究?jī)?nèi)容。第二章主要介

37、紹了ZigBee技術(shù)。首先介紹了無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)和特 占八、）然后把ZigBee與其他無(wú)線(xiàn)通信做比較，得出了使用ZigBee技術(shù)實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)傳感 器網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢(shì)，并詳細(xì)說(shuō)明了ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，最后重點(diǎn)介紹了ZigBee協(xié)議 架構(gòu)，對(duì)物理層、媒介接入控制層、網(wǎng)絡(luò)層及應(yīng)用層的各層規(guī)范進(jìn)行了研究。第三章主要介紹了基于ZigBee技術(shù)的倉(cāng)儲(chǔ)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，包括MAC層協(xié)議、路由協(xié)議。第四章主要介紹了倉(cāng)儲(chǔ)環(huán)境檢測(cè)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)。首先闡述了系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì) 方案，然后詳細(xì)介紹了傳感器節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)，其中包括處理器與無(wú)線(xiàn)傳輸模 塊、溫度傳感器、溫濕度傳感器SHT11。第五章主要介紹了倉(cāng)儲(chǔ)環(huán)

38、境監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信軟件設(shè)計(jì)。首先說(shuō)明了網(wǎng)絡(luò)軟 件設(shè)計(jì)的總體流程及系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境，然后詳細(xì)的闡述了ZigBee設(shè)備初始化和建立網(wǎng)絡(luò)的流程，最后介紹了地址分配方案、數(shù)據(jù)傳送、休眠與喚醒發(fā)送機(jī)制第六章是總結(jié)與展望?？偨Y(jié)了本課題完成的主要研究任務(wù)，對(duì)論文所做的研究 工作以及已經(jīng)取得的研究成果進(jìn)行總結(jié)；并對(duì)今后的進(jìn)一步深入研究提出了幾點(diǎn) 看法。5第二章ZigBee技術(shù)概述無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)是實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)之一，如果說(shuō)In ternet改變了人與人之間的交互方式，那么無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)就將客觀上的物理世界融合在一起，改變了物 與物之間信息傳遞的方式。2.1無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)概述無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)由感知對(duì)象、傳感器

39、和觀察者三要素組成。大量的微型傳感器 被部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)，它們協(xié)作地感知、采集和處理監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)感知對(duì)象的信息， 然后通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信的方式構(gòu)成一個(gè)自組織的網(wǎng)絡(luò)，借助這個(gè)網(wǎng)絡(luò)傳感器可以將感知 對(duì)象的信息發(fā)送給觀察者1。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)是融合了微電子、嵌入式計(jì)算機(jī)、 傳感器和無(wú)線(xiàn)通信等多學(xué)科知識(shí)前沿?zé)狳c(diǎn)研究領(lǐng)域2，是典型的具有交叉學(xué)科性質(zhì)的軍民兩用高科技技術(shù)，可以廣泛應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測(cè)、智能交通、數(shù)字家庭領(lǐng)域、 工業(yè)領(lǐng)域、現(xiàn)代農(nóng)業(yè)、智能建筑和安全保障等領(lǐng)域。2.1.1無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)體系結(jié)構(gòu)是無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究熱點(diǎn)之一。在無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)中，人們可以 通過(guò)人工布置或者隨機(jī)布置的方式，將大量的傳感器節(jié)點(diǎn)

40、部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)，這些 節(jié)點(diǎn)會(huì)自發(fā)的通過(guò)無(wú)線(xiàn)自組織的方式形成網(wǎng)絡(luò)，然后以協(xié)作的方式感知、采集并處 理監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)特定的信息。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)通常包括任務(wù)管理節(jié)點(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn) 和傳感器節(jié)點(diǎn)，如圖2.1所示。監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)傳感器節(jié)點(diǎn)將采集到的數(shù)據(jù)信息通過(guò)多 跳中繼方式發(fā)送給匯聚節(jié)點(diǎn)，然后匯聚節(jié)點(diǎn)通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)或者衛(wèi)星等途徑發(fā)送到用戶(hù)所在的監(jiān)測(cè)中心。對(duì)于終端用戶(hù)，可以通過(guò)管理節(jié)點(diǎn)查看整個(gè)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)并對(duì) 網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行配置和管理。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)是新一代的傳感器網(wǎng)絡(luò)，作為一種新興的智能”型網(wǎng)絡(luò)，除了具有與傳統(tǒng)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)共同的移動(dòng)性、間斷性等特征外，還具有一些獨(dú)有的特點(diǎn)：（1）節(jié)點(diǎn)眾多。在監(jiān)測(cè)區(qū)域通常部署大量傳感器節(jié)點(diǎn)

41、，節(jié)點(diǎn)之間呈現(xiàn)高密度 分布節(jié)，這樣可以減少洞區(qū)或者盲區(qū)，同時(shí)還能夠保證網(wǎng)絡(luò)的容錯(cuò)性和抗毀性。（2）以數(shù)據(jù)為中心。在無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)中，人們只關(guān)心監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)感知對(duì)象 的值，而不會(huì)關(guān)心是哪個(gè)傳感器所采集到的信息。例如在一個(gè)目標(biāo)跟蹤的傳感器網(wǎng) 絡(luò)中，用戶(hù)只關(guān)心目標(biāo)出現(xiàn)的位置和時(shí)間，并不會(huì)去關(guān)心是哪個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)到 了目標(biāo)。（3）拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)性。由于傳感器節(jié)點(diǎn)具有可移動(dòng)性，節(jié)點(diǎn)加入或者退出網(wǎng) 絡(luò)時(shí)有發(fā)生，為了適應(yīng)這種變化，就必須要求無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)具有拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)的 可重構(gòu)性。(4) 無(wú)中心自組織性。節(jié)點(diǎn)位置和相互鄰居關(guān)系通常情況下是不能預(yù)先確定 的，再加上網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渫幱趧?dòng)態(tài)變化之中，因此就要求無(wú)線(xiàn)傳

42、感器網(wǎng)絡(luò)必須具有 自組織的特性，除了能夠通過(guò)拓?fù)淇刂茩C(jī)制和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議自動(dòng)形成多跳的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)， 同時(shí)還要能適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化。(5) 與應(yīng)用背景相關(guān)。不存在適用于所有無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、硬件 平臺(tái)和軟件平臺(tái)。針對(duì)不同的應(yīng)用來(lái)研究無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，是它不同于傳統(tǒng)網(wǎng) 絡(luò)的顯著特征之一。2.2 ZigBee與無(wú)線(xiàn)通信考慮到傳感器節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)，以及實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能所必須的軟件開(kāi)發(fā)，本課題 中采用ZigBee技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)。ZigBee是一種低功耗、低速率、低能 耗、近距離的雙7向無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，其節(jié)點(diǎn)體積小，且能自動(dòng)組網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)具有著很強(qiáng)的自愈能 力，任何一個(gè)節(jié)點(diǎn)的離開(kāi)都不會(huì)對(duì)網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生致命

43、的影響，所以很適合用來(lái)組建無(wú)線(xiàn) 傳感器網(wǎng)絡(luò)。2.2.1 ZigBee產(chǎn)生在2000年12月，電氣和電子工程師協(xié)會(huì)(institute of electronics and electronicsengineers,IEEE)成立了IEEE802.15.4工作組3。這個(gè)工作組致力開(kāi)發(fā) 一種應(yīng)用在固定、便攜或者移動(dòng)設(shè)備上的低成本、低功耗、低復(fù)雜度的無(wú)線(xiàn)個(gè)人域 網(wǎng)絡(luò)(Low-Rate WirelessPersonal Area Network,LR-WPAN)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。但是IEEE802的規(guī)范只專(zhuān)注于底層，要達(dá)到產(chǎn)品的互操作性和兼容性， 還需要定義高層 的規(guī)范7， 于是在2002年8月成立了ZigB

44、ee聯(lián)盟，主要負(fù)責(zé)高層應(yīng)用、互聯(lián)互 通測(cè)試和市場(chǎng)推廣。ZigBee這一詞來(lái)源于蜜蜂，蜜蜂在發(fā)現(xiàn)花叢后會(huì)通過(guò)一種特 殊的肢體語(yǔ)言來(lái)告知同伴新發(fā)現(xiàn)的食物源位置、距離、方向等信息，這種肢體語(yǔ)言就是ZigZag行舞蹈，是蜜蜂之間一種簡(jiǎn)單傳達(dá)信息的方式，借此意義Zigbee作為新一代無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的命名。222 ZigBee與其他無(wú)線(xiàn)技術(shù)的比較目前短距離無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的研究熱點(diǎn)有：無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)（Wi-Fi）、超寬帶通信（UWB）、紅外線(xiàn)數(shù)據(jù)通信IrDA、藍(lán)牙（Bluetooth）和ZigBee。（1）Wi-Fi（IEEE 802.11）所謂Wi-Fi，是由一個(gè)名為 無(wú)線(xiàn)以太網(wǎng)網(wǎng)相容聯(lián)盟”（Wireless E

45、thernet CompatibilityAlliance,WECA）的組織所發(fā)布的業(yè)界術(shù)語(yǔ)，中文譯為無(wú)線(xiàn)相容認(rèn)證4。它基于IEEE802.11技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，既能夠提供訪(fǎng)問(wèn)互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)，又能夠?qū)崿F(xiàn)本地 通信。Wi-Fi能夠?qū)崿F(xiàn)幾米甚至幾十米的無(wú)線(xiàn)接入，主要應(yīng)用于辦公室無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng) 或者校園網(wǎng)中用戶(hù)與用戶(hù)終端的無(wú)線(xiàn)連接，但由于Wi-Fi裝置的功耗比較高，因此都需要較高的電能存儲(chǔ)，這限制了它在工業(yè)場(chǎng)合的推廣和應(yīng)用。（2）UWB超寬帶通信UWB（ultra wideba nd,超寬帶通信）是一種采用納秒級(jí)的非正弦波窄脈沖進(jìn) 行通信的方式，可以在非常寬的頻譜上傳送極低功率的信號(hào)。它具有傳輸速率高、 抗干擾能力

46、強(qiáng)、消耗電能小、平均發(fā)射功率低等諸多優(yōu)勢(shì)，適用于便攜型應(yīng)用，例 如消費(fèi)娛樂(lè)方面的無(wú)線(xiàn)個(gè)域網(wǎng)、室內(nèi)通信、家庭網(wǎng)絡(luò)等領(lǐng)域。（3）紅外線(xiàn)數(shù)據(jù)通信IrDA8 IrDA是紅外數(shù)據(jù)組織（Infrared Data Association）的簡(jiǎn)稱(chēng)，是一種利用紅外 線(xiàn)進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信的技術(shù)。目前，支持它的軟硬件技術(shù)都很成熟，已經(jīng)被廣泛使用 在小型移動(dòng)設(shè)備，如PDA、手機(jī)、筆記本電腦等。它具有移動(dòng)通信設(shè)備體積小、 功耗低、低成本、簡(jiǎn)單易用的特點(diǎn)，但是由于只支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的連接，并且存在兩個(gè) 互通設(shè)備必須對(duì)準(zhǔn)等限制，因此一般不會(huì)用于工業(yè)網(wǎng)絡(luò)。(4)藍(lán)牙Bluetooth藍(lán)牙基于IEEE802.15.1標(biāo)準(zhǔn)，是一種支持設(shè)

47、備短距離通信（一般10米內(nèi)）的 無(wú)線(xiàn)電技術(shù)，主要應(yīng)用于無(wú)線(xiàn)音頻方面，如藍(lán)牙耳機(jī)。為了滿(mǎn)足大容量傳輸以及實(shí) 現(xiàn)便攜式設(shè)備的高質(zhì)量視頻應(yīng)用等方面，在2005年5月，藍(lán)牙小組宣布了與UWB開(kāi)發(fā)商聯(lián)盟。隨著技術(shù)的發(fā)展也越來(lái)越多的在個(gè)人電腦、MP3播放器以及數(shù)碼相機(jī)上使用。但在同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中最多只能存在7個(gè)藍(lán)牙設(shè)備，使得藍(lán)牙通信不具備很好的拓展性，因此限制了它在無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用。（5）ZigBeeZigBee是一種新興的短距離、低速率的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，是ZigBee聯(lián)盟在IEEE802.15.4定義的物理層和媒介訪(fǎng)問(wèn)控制層基礎(chǔ)上制定的一種LR-WPAN技術(shù)規(guī)范。ZigBee具有可靠性強(qiáng)、時(shí)延短、網(wǎng)絡(luò)容

48、量大（可支持節(jié)點(diǎn)達(dá)65000）、高保密性等優(yōu)勢(shì)，被業(yè)界認(rèn)為是最可能應(yīng)用在第三代傳感器網(wǎng)絡(luò)中的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)。2.3 ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)2.3.1網(wǎng)絡(luò)的工作頻段根據(jù)IEEE802.15.4協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，ZigBee有三個(gè)工作頻率分別為：2.4022.480GHz、902928MHz、868868.6MHz，它們的信道分配方式如下圖2.2所示。為了提高抗干擾能力和多徑，三種物理層都是采用了直接序列擴(kuò)頻DSSS和頻率捷變FA技術(shù)，同時(shí)為了減少幀的沖突，信道接入方式都采用了載波偵聽(tīng)機(jī)制CSMA-CA。此外三個(gè)頻段又有著很大的區(qū)別，主要表現(xiàn)在調(diào)制技術(shù)、擴(kuò)頻碼片長(zhǎng) 度和傳輸速率等方面。其中2.4GHz頻段

49、為免付費(fèi)、免申請(qǐng)的無(wú)線(xiàn)電頻段，是全球 通用的工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)學(xué)頻段，該頻段分為16個(gè)信道，采用了每個(gè)符號(hào)32個(gè)碼元，調(diào)制方式為偏移四相相移鍵控，傳輸數(shù)據(jù)的比特率為250kb/s；900MHz頻段主要適用北美地區(qū)，分為10個(gè)信道，采用了每個(gè)符號(hào)15個(gè)碼元，調(diào)制方式為二進(jìn) 制相移鍵控，數(shù)據(jù)傳輸?shù)谋忍芈蕿?0kb/s；868MHz頻段主要適用于歐洲地區(qū)，該 頻段只定義了1個(gè)信道，調(diào)制方式為二進(jìn)制相移鍵控，數(shù)據(jù)傳輸?shù)谋忍厮俾蕿?20kb/s圖2.2物理信道分配圖232網(wǎng)絡(luò)設(shè)備配置在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中，根據(jù)不同的通信能力，可將設(shè)備分為全功能設(shè)備(full- fuctiondevice,FFD)和精簡(jiǎn)功能設(shè)

50、備(reduced-function device,RFD)8。全功能 設(shè)備FFD可以與多個(gè)精簡(jiǎn)功能設(shè)備RFD或者全功能設(shè)備FFD通信，而RFD只能 與FFD通信，而不能與其他RFD通信。此外，根據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中承擔(dān)的任務(wù)不同，ZigBee協(xié)議規(guī)范定義了三種類(lèi)型的設(shè)備9:ZigBee協(xié)調(diào)器(ZigBee Coordinator，ZC)、ZigBee路由器(ZigBee Router，ZR)和ZigBee終端設(shè)備(ZigBee End Device，ZED)。ZigBee協(xié)調(diào)器是網(wǎng)絡(luò)的中心，主要負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的初始化、物理信 道的選擇、其他網(wǎng)絡(luò)成員的身份及鏈路狀態(tài)信息的管理等任務(wù)。ZigBee協(xié)調(diào)器必須是F

51、FD， 并且一個(gè)IEEE802.15.4網(wǎng)絡(luò)中只能有一個(gè)協(xié)調(diào)器。ZigBee路由器也要 求是FFD，主要負(fù)責(zé)路由發(fā)現(xiàn)及修復(fù)，并具有轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包和網(wǎng)絡(luò)的組建的能力。ZigBee終端設(shè)備可以是FFD也可以是RFD，根據(jù)自身通信需求來(lái)決定。終端設(shè)備 主要負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)感知對(duì)象信息的采集，并具有無(wú)線(xiàn)收發(fā)的功能，但不具備轉(zhuǎn)發(fā) 數(shù)據(jù)包的能力。233拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)IEEE802.15.4/ZigBee協(xié)議中根據(jù)應(yīng)用的需要定義了三種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)： 星型結(jié)構(gòu)（Star） 、簇樹(shù)結(jié)構(gòu)（cluster tre和網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)（Mesh）1，如圖2.3所示。在星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)中，協(xié)調(diào)器作為中心節(jié)點(diǎn)，路由器和終端設(shè)備直接與協(xié) 調(diào)器相連

52、構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)，實(shí)際上在這種簡(jiǎn)單的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中路由器是沒(méi)有路由功能的。端 用戶(hù)之間的通信必須經(jīng)過(guò)中心節(jié)點(diǎn)，這樣的結(jié)構(gòu)便于集中控制、易于維護(hù)，適用于 小范圍的室內(nèi)應(yīng)用，例如家庭自動(dòng)化、個(gè)人健康護(hù)理等方面。在簇樹(shù)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的網(wǎng) 絡(luò)中，ZigBee協(xié)調(diào)器、路由10器、終端設(shè)備功能清晰，而且它的節(jié)點(diǎn)易于擴(kuò)充，尋找路徑比較方便。簇 樹(shù)網(wǎng)絡(luò)是一種分級(jí)管理的集中式網(wǎng)絡(luò)，從星型網(wǎng)絡(luò)變化而來(lái)，可以看做是一個(gè)擴(kuò)展 的星型拓?fù)?。在網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)至少與其他兩個(gè)節(jié)點(diǎn)相連，可以通過(guò)多 跳的方式來(lái)通信，而且任何兩個(gè)全功能設(shè)備只要在對(duì)方的無(wú)線(xiàn)通信范圍內(nèi)就可以直 接進(jìn)行通信，因此這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)具有很高的可靠性，還具有自組織

53、和自愈功 能，但其結(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議都很復(fù)雜，使得建立成本高。ZCZRZED星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浯貥?shù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渚W(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?1圖2.3 ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為了保證系統(tǒng)的可靠運(yùn)行，用戶(hù)應(yīng)該根據(jù)具體應(yīng)用選擇合適的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。由于本文研究的背景是倉(cāng)儲(chǔ)監(jiān)控系統(tǒng)，其環(huán)境中應(yīng)用的節(jié)點(diǎn)數(shù)量相對(duì)有限，節(jié)點(diǎn)位 置較為固定，因而采用了節(jié)點(diǎn)易于擴(kuò)充，尋找路徑比較方便的簇樹(shù)型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。2.4 ZigBee協(xié)議架構(gòu)根據(jù)應(yīng)用和市場(chǎng)需要定義了ZigBee協(xié)議的分層架構(gòu)，其協(xié)議的體系結(jié)構(gòu)如圖2.4所示，其中物理層(physical layer，PHY)和媒介訪(fǎng)問(wèn)控制層(medium access controlsub-layer,

54、MAC)是由IEEE802.15.4-2003標(biāo)準(zhǔn)定義的，在這個(gè)底層協(xié)議的基 礎(chǔ)上ZigBee聯(lián)盟定義了網(wǎng)絡(luò)層(network layer,PHY)和應(yīng)用層(application layer,APL)架構(gòu)1112。圖2.4 ZigBee協(xié)議棧體系結(jié)構(gòu)2.4.1物理層規(guī)范物理層定義了它與MAC層之間的兩個(gè)接口：數(shù)據(jù)服務(wù)接口PD-SAP和管理服 務(wù)接口PLME-SAP，其中PD-SAP接口還為物理層提供了相應(yīng)的數(shù)據(jù)服務(wù)，負(fù)責(zé) 從無(wú)線(xiàn)物理信道上收發(fā)數(shù)據(jù)，而PLME-SAP接口同時(shí)為物理層提供相應(yīng)的管理服 務(wù)，用于維護(hù)一個(gè)由物理層相關(guān)數(shù)據(jù)組成的數(shù)據(jù)庫(kù)。物理層負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的調(diào)制、發(fā)送和接收、空閑信道評(píng)估（

55、clear cha nnel assessment,CCA信道能量的監(jiān)測(cè)（energy detect,ED和鏈接質(zhì)量指示（link quality indication，LQI） 等。物理層幀結(jié)構(gòu)由同步頭、物理層幀頭和物理層有效載荷三部分組成，如表2.1所示。同步頭又包括32bit的前同步碼和8bit的幀定界符，前同步碼用來(lái)為數(shù)據(jù)收 發(fā)提供碼元或數(shù)據(jù)符號(hào)的同步；幀界定符用來(lái)標(biāo)識(shí)同步域的結(jié)束及數(shù)據(jù)的開(kāi)始。物 理層幀頭包括7bit的幀長(zhǎng)度和1bit的預(yù)留位，幀長(zhǎng)度定義了物理層凈荷的字節(jié)數(shù)。物理層有效載 荷就是MAC層的幀內(nèi)容。表2.1物理層幀格式字節(jié)數(shù)字節(jié)數(shù): :41町變長(zhǎng)度町變長(zhǎng)度引導(dǎo)序列引導(dǎo)序

56、列幀開(kāi)始符幀開(kāi)始符幀長(zhǎng)幀長(zhǎng)（7位）位）預(yù)留（】位）預(yù)留（】位）物理層服務(wù)數(shù)據(jù)單元物理層服務(wù)數(shù)據(jù)單元C PSDLI）同步頭同步頭(SHR物理層幀頭物理層幀頭(PHR)物理層有效載荷物理層有效載荷242媒體接入控制層規(guī)范MAC層定義了它與網(wǎng)絡(luò)層之間的接口，包括提供給網(wǎng)絡(luò)層的數(shù)據(jù)服務(wù)接口MCPS-SA P和管理服務(wù)接口MLME-SAP，同時(shí)提供了MAC層數(shù)據(jù)服務(wù)和MAC層管理服務(wù)。MAC層數(shù)據(jù)服務(wù)主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)幀的傳輸；MAC層管理服務(wù)主要負(fù) 責(zé)媒介訪(fǎng)問(wèn)控制、差錯(cuò)控制等。MAC層主要功能包括以下幾個(gè)方面:（1）ZigBee協(xié)調(diào)器產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)信標(biāo)（2）設(shè)備與信標(biāo)同步（3）支持節(jié)點(diǎn)加入或著退出操作（4） 信道

57、接入方式采用免沖突載波檢測(cè)多路訪(fǎng)問(wèn)（CSMA-CA）機(jī)制（5）建立并維護(hù)保護(hù)時(shí)隙機(jī)制（6）為設(shè)備提供安全支持MAC幀格式由三個(gè)基本部分組成：MAC幀頭、MAC幀載荷和MAC幀尾。 不同類(lèi)型的MAC幀，其幀頭和幀尾都是一樣的，只是MAC幀載荷有差別，通用MAC幀格式如表2.2所示12。表2.2通用MAC幀格式子節(jié)數(shù)子節(jié)數(shù)* *41町變氏度町變氏度引導(dǎo)序列引導(dǎo)序列幀開(kāi)始符幀開(kāi)始符幀長(zhǎng)幀長(zhǎng)（7位）位）預(yù)留預(yù)留1位位物理層服等數(shù)鉗單物理層服等數(shù)鉗單7亡亡（PSDLI）同步頭同步頭（SHR）物理層幀頭物理層幀頭PHR物理層有效敦荷物理層有效敦荷字肯：字肯：210/2(V2/R0/20/2/8變長(zhǎng)變長(zhǎng)21

58、22.4.3網(wǎng)絡(luò)層規(guī)范網(wǎng)絡(luò)層定義了它與應(yīng)用層之間的接口，包括提供給應(yīng)用層的數(shù)據(jù)服務(wù)接口NLDE-SAP和管理服務(wù)接口NLME-SAP ,同時(shí)提供了網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)服務(wù)和網(wǎng)絡(luò)層管 理服務(wù)。網(wǎng)絡(luò)層主要負(fù)責(zé)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的建立和網(wǎng)絡(luò)的維護(hù)，具體的功能如下:（1）初始化網(wǎng)絡(luò)，即建立一個(gè)新的包含協(xié)調(diào)器、路由器和終端設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)（2）設(shè)備連接和斷開(kāi)時(shí)所采用的機(jī)制（3）對(duì)一跳鄰居節(jié)點(diǎn)的發(fā)現(xiàn)和相關(guān)節(jié)點(diǎn)信息的存儲(chǔ)（4）ZigBee協(xié)調(diào)器和路由器為新加入節(jié)點(diǎn)分配短地址（5）確保MAC層正常工作，并且為應(yīng)用層提供合適的服務(wù)接口網(wǎng)絡(luò)層幀結(jié)構(gòu)包括網(wǎng)絡(luò)層幀頭（Network header，NHR）和網(wǎng)絡(luò)層載荷（Network payl

59、oad,NPL）兩部分，其中網(wǎng)絡(luò)層幀頭域由幀控制域、目的設(shè)備地址、源設(shè)備地址、廣播半徑和廣播序列號(hào)等部分組成，通用網(wǎng)絡(luò)幀的結(jié)構(gòu)如表2.3所示。表2.3通用網(wǎng)絡(luò)幀格式字節(jié)字節(jié)= =22I!0/80/8r o/i 1變長(zhǎng)變長(zhǎng)幀控制幀控制目的目的地址地址 源源地址地址半輕半輕序列序列目的目的IEEE地址地址源源IEEE地址地址r r 播播: :控制控制源路由源路由子禎子禎幀我荷幀我荷路由域路由域NHRNPL244應(yīng)用層規(guī)范ZigBee應(yīng)用層是協(xié)議體系結(jié)構(gòu)中的最高層，由應(yīng)用層支持子層（APS）、ZigBee設(shè)備對(duì)象（ZDO）、ZigBee應(yīng)用框架（AF）三部分組成。應(yīng)用支持子層（APS）定義了網(wǎng)絡(luò)層和

60、應(yīng)用層之間的接口，其中一個(gè)接口是被ZDO和制造商定義的應(yīng)用對(duì)象使用的數(shù)據(jù)實(shí)體服務(wù)訪(fǎng)問(wèn)接口APSED-SAP，另 一個(gè)是管理服務(wù)訪(fǎng)問(wèn)接口APSME-SAP。APS的主要作用是維護(hù)綁定表，在綁定 的設(shè)備之間傳遞信息。ZDO位于應(yīng)用層框架（AF）和應(yīng)用支持子層（APS）之間，滿(mǎn)足協(xié)議中所有 應(yīng)用操作的公共需求。ZDO的作用包括：設(shè)備發(fā)現(xiàn)并能提供服務(wù)發(fā)現(xiàn)；定義一個(gè) 設(shè)備的類(lèi)型，如定義設(shè)備為ZigBee協(xié)調(diào)器或者為ZigBee終端設(shè)備；能夠按照綁定 請(qǐng)求構(gòu)造并存儲(chǔ)綁定表，實(shí)現(xiàn)綁定管理。ZigBee應(yīng)用框架 （AF） 是應(yīng)用對(duì)象駐留的環(huán)境， 最多可有240個(gè)應(yīng)用對(duì)象端 點(diǎn)， 應(yīng)用對(duì)象通過(guò)APSDE-SAP