武汉工程大学 毕业设计（论文）
接。它有自己的协议标准，在数千个微小的传感器之间相互协调实现通信。这些传感器只需很少的能量，以接力的方式通过无线电波将数据从一个传感器传到另一个传感器，所以它们的通信效率非常高。ZigBee是一个由可多到65000个无线数传模块组成的一个无线数传网络平台，在整个网络范围内，它们之间可以进行相互通信；每个网络节点间的距离可以从标准的75米到扩展后的几百米，甚至几公里；另外整个ZigBee网络还可以与现有的其它各种网络连接。通常，符合如下条件之一的应用，就可以考虑采用ZigBee技术做无线传输：需要数据采集或监控的网点多；要求传输的数据量不大，而要求设备成本低；要求数据传输可靠性高，安全性高；设备体积很小，不便放置较大的充电电池或者电源模块、电池供电；地形复杂，监测点多，需要较大的网络覆盖；现有移动网络的覆盖盲区；使用现存移动网络进行低数据量传输的遥测遥控系统；使用GPS效果差，或成本太高的局部区域移动目标的定位应用。
但是在早期的ZigBee协议规范中，并没有具体规范路由协议。因此现有的ZigBee协议标准并不统一，各个ZigBee厂商也采用不同的实现设计，协议源代码设计也不完全公开。
1.3 ZigBee技术发展状况
ZigBee这个名字起源于蜜蜂间跳ZaZag形状的舞蹈进行通行。相比较其他无线通信协议，ZigBee无线通信协议的复杂度低，满足精简资源的要求。ZigBee技术主要应用近距离的无线网络通信。无线传感网络研究之初，IEEE802.15工作组对传感控制技术的底层做出了规范，随后与2002年建立了ZigBee Alliance，真正意义上命名了ZigBee技术。之后与2004年，指定了ZigBee技术规范的第一版ZigBee V1.0，ZigBee技术得以成型。2006年，更加完善的规范ZigBee2005诞生，后来陆续发布了新版本ZigBee2007等，ZigBee技术才不断增加新的优点和性质，向着更先进的方向发展。
应用广泛的ZigBee技术主要应用与以下几个方面：
1) 工业领域：在工厂和车间环境下，许多传感器独立的感知探测相关的指标，
利用ZigBee技术可以将这些传感器组成一个整体的网络，对数据进行集中的分析和处理，便于整个网络资源的合理分配，从而提高了网路管理的便捷性。 2) 自动抄表：利用ZigBee技术，可以用数字信号反映电表的度数，并将各家各
户的用电数据凭借ZigBee网络直接传送到供电单位，供电单位能够根据用电数据直接进行相应的数据记录和处理，这样可以节省用电供电双方的时间，提高了效率。
3) 数字家庭：在家中布置ZigBee网络与Internet连接，能使用户随时随地掌
握自家电视机、电冰箱、电灯等家庭电器设备的使用情况，体验了无线网络的便利。
4) 医疗卫生：利用ZigBee传感器，可以直接从医院病房或者病人身上感知探测
所需要监控的数据，例如血压、脉搏、体温等，实时的检测病人的身体状况，
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以便医生及时处理，节节省了诊断的时间，使得对病人的治疗非常及时有效。 5) 与移动通信结合：将ZigBee传感器与移动通信终端结合，使得用户可以利用
手机进行支付，并利用ZigBee的室内定位特征，准确的掌握了自己当前所在位置。国外已有相应的支付终端投入研究和生产，并将不断更新和发展。 随着ZigBee技术的飞速发展和逐步完善，它必将成为当今世界最前沿的无线通信技术，ZigBee的显著优势必将是它的应用前景更为广阔。
1.4 论文组织
此论文主要在Zigbee路由算法研究的基础上，分析Zigbee的路由算法的优劣及其各自适应的环境。
第一章 绪论包括Zigbee技术起源、发展现状。
第二章 Zigbee技术的相关介绍，主要有Zigbee协议栈结、Zigbee网络的拓扑结
构、Zigbee网络的组网过程和网络的工作模式。
第三章 介绍了ZigBee网络体系、路由协议以及不同的路由算法 第四章 不同路由算法优劣的仿真分析以及各自的适应场合。
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第二章 ZigBee技术概述
2.1 ZigBee协议栈
ZigBee协议栈由物理层、数据链路层、网络层、应用汇聚层及应用层规范五部分组成，如下图所示，每一层都实现一部分通信功能；并向高层提供服务。IEEE802.15.4只定义了物理层和MAC层，而网络层和应用汇聚层规范则有ZigBee联盟制定，应用层规范由用户制定。
图2.1 zigBee协议栈
2.1.1 IEEE802.15.4协议标准
IEE802.15.4只定义了物理层PHY和数据链路层的MAC子层。PHY层由射频收发器以及底层的控制模块构成,MAC子层为高层访问物理信道提供点到点通信的服务接口。
2.1.2物理层
物理层采用直接列扩频技术，定义了两个物理层标准,分别是2.4GHZ物理层和868/9MHz之物理层,868MHz频段只有一个信道,传输速率为20Kbp/s;915MHz频段有10个信道,信道间隔为2MHz,传输速率为4Okb/S,以上这两个频段信号都采用BPSK调制到载波上.2.4GHz频段有16个信道,信道间隔为5MHz七,能够提供250kb/s的传输速率,信号采用O-QPSK调制到载波上。
物理层定义了物理无线信道和MAC子层之间的接口,提供物理层数据服务和物理层管理服务.物理层数据服务从无线物理信道上收发数据,物理层管理服务维护一个由物理层相关数据组成的数据库。
物理层数据服务包括以下五方面的功能:
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(l)激活和休眠射频收发器; (2)信道能量检测(Energe Detect); (3)检测接收数据包的链路质量指示;
(4)空闲信道评估(ClearChannelAssessment,eeA); (5)收发数据\
信道能量检测为网络层提供信道选择依据.它主要测量目标信道中接收信号的功率强度,由于这个检测本身不进行解码操作,所以检测结果是有效信号功率和噪声信号功率之和.
链路质量指示为网络层或应用层提供接收数据帧时无线信号的强度和质量信息,与信道能量检测不同的是,它要对信号进行解码,生成的是一个信噪比指标.这个信噪比指标和物理层数据单元一道提交给上层处理.
空闲信道评估判断信道是否空闲.IEEE802.15.4定义了三种空闲信道评估模式:第一种简单判断信道的信号能量,当信号能量低于某一门限值就认为信道空闲;第二种是通过判断无线信号的特征,这个特征主要包括两方面,即扩频信号特征和载波频率;第三种模式是前两种模式的综合,同时检测信号强度和信号特征,给出信道空闲判断.
2.1.3 MAC子层
在IEEE802系列标准中，OSI参考模型的数据链路层进一步划分为MAC和LLC两个子层，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在MAC子层的基础上，在设备间提供面向连接和非连接的服务。
MAC子层提供两种服务：MAC层数据服务和MAC层管理服务。前者保证MAC协议数据单元在物理层数据服务中的正确收发，后者维护一个存储MAC子层协议状态相关信息的数据库。
MAC子层主要功能包括六个方面：
1) 协调器产生并发送信标帧，普通设备根据协调器的信标帧与协调器同步； 2) 支持PAN网络的关联和取消关联操作； 3) 支持无线信道通信安全； 4) 使用CSMA-CA机制访问信道；
5) 支持时槽保障（guaranteed time slot，GTS）机制； 6) 支持不同设备的MAC层间可靠传输。
关联操作是指一个设备在加入一个特定网络时，向协调器注册以及身份认证的过程。LR-WPAN网络中的设备有可能从一个网络切换到另一个网络，这时就需要进行关联和取消关联操作。
时槽保障机制和时分复用机制相似，但它可以动态地为有收发请求的设备分配时槽。IEEE802.15.4中的时间同步则通过“超帧”机制实现。
2.1.4 zigBee联盟协议标准
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网络层为协议栈的核心部分, 主要实现节点加入或离开网络!接受或抛弃其它节点,路由查找及传送数据等功能,支持星型,树型, 网状等多种拓扑结构。
应用汇聚层主要负责把不同的应用映射到Zigbee网络上,该层主要功能包括安全与鉴权!多个业务数据流的会聚!设备发现和业务发现。
2.2 ZigBee技术与其他无线通信技术的比较
2.2.1ZigBee技术Wi-Fi技术
WiFi（Wireless Fidelity,无线高保真）也是一种无线通信协议，制定了一系列标准，有802.11b/a/g/n等。于蓝牙一样，同属于短距离无线通信技术。其工作频率也是2.4GHz。WI-FI速率最高可到11Mbps。虽然在数据安全性方面比蓝牙技术差一些，但在电波的覆盖范围方面却略胜一筹，可达100m左右。大多数便携Wi-Fi装置都需要常规充电，这使Wi-Fi技术的应用和推广受到了限制。
Wi-Fi是以太网的一种无线扩展,理论上只要用户位于一个接入点四周的一定区域内,就能以最高约n入lb/s的速度接入Web。但实际上,如果有多个用户同时通过一个点接入,带宽被多个用户分享,Wi一Fi的连接速度一般将只有几百kbPs的信号不受墙壁阻隔,但在建筑物内的有效传输距离小于户外。
WLAN未来最具潜力的应用将主要在SOHO、家庭无线网络以及不便安装电缆的建筑物或场所。目前这一技术的用户主要来自机场、酒店、商场等公共热点场所\技术可将Wi-Fi与基于XML或Java的web服务融合起来,可以大幅度减少企业的成本。例如企业选择在每一层楼或每一个部门配备802.llb的接入点,而不是采用电缆线把整幢建筑物连接起来。这样一来,可以节省大量铺设电缆所需花费的资金。
由于802.llb的射频和基带协议较为复杂,实现成本高,功耗大,硬件实现需要较大的空间,一般不能实现嵌入式应用。目前除了作为网络接入技术以外,在其他对于低功耗、低成本等要求高的领域和设备上的应用还很少。可以说ZigBee可以应用于那些802.llb无法胜任的广阔的领域,并与之相互补充。
2.2.2 ZigBee技术与蓝牙技术
蓝牙（Bluetooth）最早是爱立信在1994年开始研究的一种能使手机与其附件(如耳机)之间互相通信的无线模块。1998年,爱立信、诺基亚和IBM等公司共同推出了蓝牙技术,主要用于通信和信息设备的无线连接。
蓝牙工作在24GHz的频段,采用FHSS扩频方式,目前蓝牙信道带宽为1MHz,异步非对称连接最高数据速率723.2kbps;连接距离多半为10m左右。蓝牙速率也进一步增强,新的蓝牙标准2.0版拟支持高达10MPs以上速率,使用蓝牙技术的无线电收发器的链接距离可达10米,使用高增益天线可以将有效通信范围扩展到100米。鉴于蓝牙在睡眠状况下消耗的电流,及其激活延迟,一般电池使用寿命为2-4个月。由于蓝牙的上述特性,使得它可以应用于无线设备、图像处理设备,如智能卡、身份识别等安全产品,消费娱乐,
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