环境自主完成指定任务的“智能”自治测控网络系统。无线传感器网络是一种特殊的Ad-Hoc网络，与传统的网络相比，它是一种以数据为中心的自组织无线网络。网络中的节点密集，数量巨大且部署在十分广泛的区域；网络拓扑结构动态变化，网络具有自组织和自调整的特点。网络节点具有成本低体积小、能量极其有限、计算能力、存储能力和通信能力有限的特点，其中节点的能耗是设计节点时考虑的最关键因素。长期以来，低价、低传输率、短距离、低功率的无线通讯市场一直存在着。自从Bluetooth(蓝牙)出现以后，曾让工业控制、家用自动控制、玩具制造商等业者雀跃不已，但是Bluetooth的售价一直居高不下，严重影响了这些厂商的使用意愿。如今，这些业者都参加了IEEE802.15.4小组，负责制定ZigBee的物理层和媒体访问控制层。IEEE802.15.4规范是一种经济、高效、低数据速率(<250kbPs)、工作在2.4GHz和868928MHz的无线技术，用于个人区域网和对等网状网络。它是ZigBee应用层和网络层协议的基础。ZigBee是一种新兴的近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的无线网络技术，它是一种介于无线标记技术和蓝牙之间的技术提案，主要用于近距离无线连接。它依据IEEE802.15.4标准，在数千个微小的传感器之间相互协调实现通信。这些传感器只需要很少的能量，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【1】。
ZigBee联盟成立于2001年8月。2002年下半年，英国Invensys公司、日本三菱电气公司、美国摩托罗拉公司以及荷兰飞利浦半导体公司四大巨头共同宣布，它们将加盟“ZigBee联盟”，以研发名为“ZigBee”的下一代无线通信标准，这一事件成为该项技术发展过程中的里程碑。
到目前为止，除了Invensys、三菱电子、摩托罗拉和飞利浦等国际知名的大公司外，该联盟大约已有 150 家成员企业，并在迅速发展壮大。其中涵盖了半导体生产商、IP服务提供商、消费类电子厂商及OEM商等，例如Honeywell、Eaton和Invensys Metering Systems等工业控制和家用自动化公司，甚至还有像Mattel之类的玩具公司。所有这些公司都参加了负责开发ZigBee物理和媒体控制层技术标准的IEEE802.15.4工作组。根据ZigBee联盟目前的设想，根据该标准和技术生产的相关产品主要适用于：智能家居（照明控制、各类窗帘控制、家庭安防、暖气控制、内置家居控制的机顶盒、万能遥控器）、环境检测与控制、自动读表系统、烟雾传感器、医疗监控系统、大型空调系统、工业和楼宇自动化、安全监控、工业控制、传感器控制、停车计费数据传输等诸多领域。
1.2 无线传感器网络的研究现状
1.2.1 国外现状
无线传感器网络是新一代的传感器网络，具有非常广泛的应用前景，其发展和应用，将会给人们的生活和生产的各个领域带来深远的影响。各国都非常重视无线传感器网络的发展，美国和欧洲相继启动了许多关于无线传感器网络的研究计划。特别是美国通过国家自然基金委、国防部等多个渠道投入巨资支持传感器网络技术的研究，同时IEEE也正在
努力推进无线传感器网络的应用和发展，美国波士顿大学(Boston Unversity)最近创办了传感器网络协会(Sensor Network Consortium)，期望能促进学院和行业公司之间互相促进传感器联网技术开发。除了波士顿大学，该协会还包括BP、霍尼韦尔、Inetco Systems Invensys、L-3Communications、Millennial Net，Radianse、Sensicast Systems及Textron Systems。美国的《技术评论》杂志在论述未来新兴十大技术时，更是将无线传感器网络列为第一项未来新兴技术。可以预计，无线传感器网络的广泛应用是一种必然趋势，它的出现将会给人类社会带来极大的变革。
1.2.2 国内现状
我国现代意义的无线传感器网络及其应用研究几乎与发达国家同步启动，首次正式出现于1999年中国科学院《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，作为该领域提出的五个重大项目之一【2】。随着知识创新工程试点工作的深入，2001年中科院依托上海微系统所成立微系统研究与发展中心，旨在引领中国科学院内部的相关工作，并通过该中心在无线传感网络的方向上陆续部署了若干重大研究项目和方向性项目，参加单位包括上海微系统所、声学所、微电子所、半导体所、电子所、软件所以及中科大等10多个研究所和院校，初步建立传感网络系统的研究平台，在无线智能传感器网络通信技术、微型传感器、传感器节点、簇点和应用系统方面取得了很大的进展，2004年3月相关成果在北京进行了大规模外场演示，部分成果已在实际工程系统中使用。国内的许多高校也掀起了无线传感器网络研究热潮。无线传感器网络在民用方面，涉及城市公共安全、公共卫生、安全生产、智能交通、智能家居、环境监控等领域。国内从事无线传感器网络应用的大企业目前为数不多，小企业呈现蓬勃发展的势头。
1.3 无线传感器网络的特点
无线传感器网络是由许许多多功能相同或不相同的无线传感器节点组成，每一个传感器节点由数据采集模块（传感器、AD转换器）、数据处理和控制模块（微处理器、存储器）、通信模块（无线收发器）和供电模块（电池、DCAC能量转换器）等组成；同时，无线传感器网络广泛应用于军事、环境检测和预报、健康护理、智能家居、建筑物状态监控、复杂机械监控、城市交通、空间探索、大型车间管理，以及机场、大型工业园区的安全检测等领域。无线传感器网络的组成及使用决定了它应该具备以下多项特点：
（1）低功耗
无线传感器网络长期在无人值守的状态下工作，要求网络中节点的平均能耗比现有无线网络（如Bluetooth）中节点的能耗更低。在一些工业监控应用中，装备纽扣电池的传感器需要在无人值守的情况下工作几个月甚至几年。而在森林火灾监测等大范围的环境监测应用中，为大量的传感器节点频繁地更换电池是不现实的。这些典型的应用要求在无线传感器网络运行的过程中，每个节点都要最小化自身的能量消耗，获得最长的工作时间。
（2）低成本
无线传感器网络由成千上万的节点构成，单个节点的价格将极大地影响系统的成本。为了达到降低成本的目的，需要设计对计算和存储能力要求较低的简单的网络系统和通信协议。此外，降低系统成本的另一个重要因素是减少系统管理与维护的开销。无线传感器网络中节点规模很大，人工的管理与维护开销很大，因此需要无线传感器网络系统具有自配置、自修复的能力。自配置是指在没有人工干预的条件下，网络中的节点能够检测到其它节点的存在并共同组成一个具有一定功能和结构的网络系统。自修复是指在没有人为干预的条件下，系统能够检测到网络节点或通信链路的损坏并能够从错误状态中恢复。
（3）通用性
无线行李标牌、集装箱定位系统等无线传感器网络的许多应用需要系统能够在世界范围内正常工作。此外，为了扩大生产规模、开拓市场，一个能在全球范围内正常运转的系统也是必要的。尽管在理论上，我们可以通过为每个节点安装全球定位系统（GPS）接收器并根据地理位置信息来调整节点行为的方法解决这一问题，但接收器的成本很高，难以大量使用。因此，需要采用一种被各国政府允许的通用设计。
（4）网络拓扑
传统的星形结构包含一个主结点，一个或多个从节点。在通信时，主结点与从节点可以直接通信，从节点间的通信需要依靠主节点转发。星型结构适合在一些小规模网络中使用。在无线传感器网络系统中，节点规模很大，节点间以一种对等、多跳的方式通信，系统的动态性很强。需要设计一种适合无线传感器网络通信特点、低开销、便于维护的网络拓扑结构。
（5）安全
在一些应用中，网络的安全是必需的。无线传感器网络系统具有严格的资源限制，需要设计低开销的通信协议，但同时也会带来严重的安全问题。一方面，入侵者可以比较容易的进行服务拒绝攻击（Denial Of Service，DOS）；另一方面，无线传感器网络系统的资源严格受限以及节点间自组织协调工作的特点使其难以实现严密的安全防护。由于低成本的限制，一些无线传感器网络系统只能采用单频率通信机制【3】。 入侵者通过频率扫描的手段可以很容易的捕获无线传感器网络的工作频率，通过在网络中植入伪装节点，采用各种手段发动攻击。为了保证任务的机密布置和任务执行结果的安全传递和融合，无线传感器网络需要实现一些最基本的安全机制：机密性、点到点的消息认证、数据完整性和新鲜性、认证广播和安全管理。
（6）实时性
实时性是需要协同工作的无线传感器网络系统的一个关键机制。如测量移动车辆速度需要计算不同传感器检测事件时间差，通过波束阵列确定声源位置节点间的时间同步。目前已提出了多个时间同步机制，其中RBS，TINYMINI-SYNC和TPSN被认为是三个基本的同步机制。我们在考虑无线传感器网络的时间同步问题时，拟采用TPSN机制。TPSN采用层次结构实现整个网络节点的时间同步：所有节点按照层次结构进行逻辑分级，通过基于发
送者-接收者的节点对方式，每个节点能够与上一级的某个节点进行同步，从而实现所有节点都与根节点的时间同步。
（7）智能性
无线传感器网络系统通过自组织的方式来完成用户指定的任务。系统需要感知环境变化，通过节点间的协同工作来产生需要的输出。由于在工作的过程中无需人为干预，因此，网络节点这种根据感知的信息协同工作的方式体现了系统的智能性。无线传感器网络系统的超大规模、资源严格受限和与物理世界密切相关等特点使其需要一种新的工作模式。在无线传感器网络系统中，单个节点并不重要，我们关心的是群体行为。用户需要知道当前地下室的平均温度而不是地下室某点的温度，并且不关心是哪个节点传回的信息，或者他需要知道当前地下室的温度是否超过了预警值。这些例子都说明无线传感器网络系统是以数据为中心的。由于与物理世界密切相关，其高出错频率、易受干扰和不确定的特点使传统的分布式系统解决方案无法适用，需要为其设计新的工作模式【4】。
1.4 研究内容
本文的设计目标是通过一个协调器和若干个路由器和终端节点,搭建一个蔟型的ZigBee网络，其中采用的ZigBee协议软件基于ZigBeeV1.0与IEEE802.15.4标准自行开发，达到测量环境温湿度的要求。本文的主要工作如下：
（1）分析IEEE802.15.4和ZigBee协议，理解ZigBee技术的特性和通信原理，详细分析ZigBee协议栈构架，并能设计编写具有基本组网，数据传输等功能的协议栈。
（2）根据节点的物理特性，选择合适的微处理器和无线传输芯片，组建无线传感器网络节点，包括电路连接，相应外围电路设计，射频电路设计,温湿度传感器节点的设计等。
（3）测温湿度软件、仿真过程的叙述及整个网络的测试，能完成预期设定的功能并能达到预定的性能指标。
1.5 论文结构
本文主要研究了无线传感网络的特点、结构，分析了ZigBee协议的架构，各层规范及数据格式，在此基础上使用CC2530微控制器以及温湿度传感器等外围模块搭建节点，设计与实现了在此硬件基础之上的ZigBee协议栈，并进行了相关的测试，各章安排如下：
第一章（即本章）介绍了无线传感器网络的概念、特点、国内外发展概况。 第二章介绍了ZigBee协议的基本构架，分析了物理层、数据链路层、网络层及应用层的功能、规范、数据格式等。
第三章设计了网络系统的硬件平台，重点进行节点的硬件设计，包括器件的选择、节点的结构设计以及硬件电路设计。
第四章无线传感器网络通信系统的软件设计，实现了无线传感器网络系统的基本组网和数据采集以,包括程序的基本流程，所用函数的编写。
第五章对本文进行了总结。
1.6 本章小结
本章主要介绍了无线传感器网络的概念、特点、国内外发展概况、同时对本文将要采用的ZigBee技术做了简要介绍，然后对本文所做的研究工作和论文结构进行了介绍。
第2章 ZigBee协议标准介绍
ZigBee技术是最近发展起来的一种近距离无线通信技术，以2.4Ghz为主要频段，采用扩频技术，具有低功耗、成本低、易应用等显著特点，ZigBee被业界认为是最有可能应用在智能家居、工业应用、智能交通、智能建筑、医院监护等领域的无线技术。
2.1 ZigBee技术概述
2.1.1 ZigBee主要特性
ZigBee显著的特点就是低速率、低功耗、低成本、自配置和灵活的网络拓扑结构。 （1）低功耗：在低耗电待机模式下，2节5号干电池可支持1个节点工作6～24个月、甚至更长。这是ZigBee的突出优势，相比较，蓝牙能工作数周、WiFi可工作数小时。
（2）低成本：通过大幅简化协议(不到蓝牙的110)，降低了对通信控制器的要求，