ZigBee无线传感器毕业论文
项数据或者某项任务来进行的。
传统的距离向量和链路状态路由协议并不适用于无线传感器网络，理想的无线传感器网络的路由协议应该具有以下性能:分布式运行、无环路、按需运行、考虑安全性、高效地利用能量、支持单向链路、维护多条路由。
(3)能量问题
在多数情况下，传感器网络中的节点都是由电池供电，电池容量非常有限，并且对于有成千上万节点的无线传感器网路来说，更换电池非常困难，甚至是不可能的，但是却要求无线传感器网络生存时间长达几年甚至数年。如果网络中的节点因为能量耗尽而不能工作，会带来网络拓扑结果的改变以及路由的重新建立等问题，甚至可能使得网络分成不连通的部分，造成通信的中断。因此，如何在不影响功能的前提下，尽可能地节约无线传感器网络的电池能量成为无线传感器网络软硬件设计中的核心问题。
首先在功能上，由于无线传感器网络大都是为某一专用目的而设计的，去掉不必要的功能，可以节省能量，延长节点生存时间。其次，可以设计专门的提高传感器网络能量效率的协议以及采用专门的技术，这些协议和技术涉及到网络的各个层次[19]。此外，还可以采用跨层设计的方式，提高网络的能量效率。
(4)数据融合
传感器网络存在能量约束。减少传输的数据量能够有效地节省能量，因此在从各个传感器节点收集数据的过程中，可利用节点的本地计算和存储能力处理数据的融合，去除冗余信息，从而达到节省能量的目的。由于传感器节点的易失效性，传感器网络也需要数据融合技术对多份数据进行综合，提高信息的准确度[20]。
数据融合技术可以与传感器网络的多个协议层次进行结合。在应用层设计中，可以利用分布式数据库技术，对采集到的数据进行逐步筛选，达到融合的效果;在网络层中，很多路由协议均结合了数据融合机制，以期减少数据传输量;此外，还有研究者提出了独立于其他协议层的数据融合协议层，通过减少MAC层的发送冲突和头部开销达到节省能量的目的，同时又不损失时间性能和信息的完整性。数据融合技术己经在目标跟踪、目标自动识别等领域得到了广泛的应用。在传感器网络的设计中，只有面向应用需求设计针对性强的数据融合方法，才能最大限度的获益。
(5)网络安全
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无线传感器网络作为任务型的网络，不仅要进行数据的传输，而且要进行数据采集和融合、任务的协同控制等。如何保证任务执行的机密性、数据产生的可靠性、数据融合的高效性以及数据传输的安全性，就成为无线传感器网络安全问题需要全面考虑的内容。无线传感器网络受到的安全威胁和移动Ad hoc网络所受到的安全威胁不同，所以现有的网络安全机制不适合此领域，需要开发针对无线传感器网络的专门协议。
一种思想是从维护路由安全的角度出发，寻找尽可能安全的路由以保证网络的安全。
另一种思想是把着重点放在安全协议方面，在此领域也出现了大量的研究成果[22]。在安全保障方面主要有安全组播和密钥管理两种方式。
由于无线传感器网络的应用一般不需要很高的带宽，但是对功耗要求却很严格，大部分时间必须保持低功耗。而且无线传感结点通常使用存储容量不大的嵌入式处理器，因此对协议栈的大小也有严格限制。另外，无线传感器对网络安全性、结点自动配置、网络动态重组等方面也有一定的要求。无线传感器的这些特殊性对应用于该技术的网络协议提出了较高要求。目前最广泛使用于无线传感器网络的是IEEE 802.15.4/ZigBee技术，下面几节将对此技术做详细的介绍。
2.4 ZigBee技术概述
2.4.1 ZigBee技术发展概况
ZigBee协议是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的无线网络技术。在标准规范制订方面，主要是IEEE 802.15.4小组与ZigBee Alliance两个组织分别制订硬件与软件标准。
ZigBee协议依据IEEE 802.15.4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。
2.4.2 ZigBee技术特点及应用
ZigBee技术填补了低成本、低功耗和低速率无线通信市场的空白，其使用的便捷性是该技术成功的关键。其主要技术特点如下[24]。
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(1)协议简单:Zigbee采用基本的主一从结构配合静态的星型网络，因此更加适用于使用频率低、传输速率低的设备，其传输速率为20k字节/秒到250k字节/秒。
(2)功耗低:由于工作周期很短，收发信息功耗也较低，并且采用了多种节能方式，电池的使用时间最终决定于不同的网络应用。通常情况下，ZigBee两节五号电池可以支持长达6个月到2年的使用时间，免去了充电或者频繁更换电池的麻烦。
(3)成本低:低数据速率、简单的协议和小的存储空间大大降低了Zigbee的成本。另外，Zigbee的工作频段灵活，使用频段为2.4GHz, 868MHz(欧洲)及915MHz(美国)，均为免执照频段。
(4)网络容量大:一个ZigBee网络可以容纳最多65535个从设备和一个主设备。 (5)时延短:设备搜索时延典型值为30ms，休眠激活时延典型值为15ms，活动设备信道接入时延为15ms，这对某些时间敏感的信息至关重要，另外还节省了能量消耗，能够满足大多数情况下应用的时延要求。
(6)安全:ZigBee提供了数据完整性检查和鉴权功能，加密算法采用AES-128，同时，各个应用可以灵活确定其安全属性。
(7)可靠:ZigBee采用了CSMA-CA的碰撞避免机制，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙，避免了发送数据时的竞争和冲突:在接入层采用确认的数据传输机制，每个发送的数据包必须等待接收点的确认信息，才可发送下一个数据包。
(8)网络的自组织、自愈能力强:ZigBee的自组织功能无需人工干预，网络节点能够感知其他节点的存在，并确定连接关系，组成结构化的网络;ZigBee自愈功能能够增加或者删除一个节点，节点位置发生变动，节点发生故障等等，网络都能够自我修复，并对网络拓扑结构进行相应地调整，无需人工干预，保证整个系统仍然能正常工作。
ZigBee适合于多种应用领域，主要有:
(1)家庭和建筑物的自动化控制:对照明、空调、窗帘等家具设备的远程控制使其更加节能、便利，对烟尘、有毒气体进行探测等可自动监测异常事件以提高安全性。
(2)消费性电子设备:电视、DVD、CD机等电器的远程遥控(含ZigBee功能的手机就可支持主要遥控器功能)。
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(3) PC外设:无线键盘、鼠标、游戏操纵杆等。 (4)军事活动:包括战场监视和机器人控制等。
(5)工业控制:能够跟踪其它系统以实现预防性维护和性能监控，例如危险化学成分的检测火警的早期检测和预报、照明系统的检测和控制都可借助ZigBee网络提供相关信息以达到工业与环境控制之目的。
(6)医疗设备控制:医疗传感器、病人的紧急呼叫按钮等。
2.4.3 ZigBee技术与其他技术的比较
目前，主要的短距离无线通信技术除了ZigBee技术外，还有蓝牙、红外、无线局域网(WLAN)WiFi和超宽带通信UWB等。下面介绍这几种常见的技术并对他们以及ZigBee技术在无线传感器网络方面的应用做相关比较[25,26]，具体参数如表2-1所示。
表2-1 短距离无线通信技术参数比较
参数 传输介质 ZigBee 2.4GHz 868/195MHz 有效物理范围 最大数据传输率 网络节点数 电池寿命 协议站容量 使用权 10m-75m 2.50kbps 65535 长 8-60k 免费 10m 1Mbps 7 较短 60-150k 需要资格 定向1m 16Mbps 2 较短 15-30k 免费 75m 54Mbps 30 短 100-250k 许可证费用 蓝牙 2.4GHz 红外 980nm红外光 WiFi 2.4GHz UWB 2.4GHz 10m 1000Mbps (1)蓝牙技术(Bluetooth)
蓝牙技术是一种无线数据与语音通信的开放性全球规范，目的是取代数据电缆，实现多种电子设备之间的低功耗、低成本、短距离的无线连接。其传输频段为全球通用的2.4 GHz ISM频段，采用1600 MHz的快速跳频扩频技术，传输速率为1MB/s，具有很强的抗干扰能力。其标准有效传输距离为10m，放大器可将传输距离增加到10m。
与ZigBee技术相比，蓝牙技术虽然速率较高，但是在功耗、安全性、传输距离、网络的可扩展性等方面都略逊于ZigBee技术。
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(2)红外技术(IrDA)
IrDA是一种利用红外线进行点对点通信的技术，是第一个实现无线个人局域网( WPAN)的技术。目前，它的软硬件技术都很成熟，在小型移动设备，如PDA ( PersonalDigital Assistant，掌上电脑)、手机上广泛使用。
与ZigBee相比，IrDA最大的不足在于:只能实现点对点的传输，无法灵活地组成网络，而ZigBee至少可以同时链接255台设备；IrDA必须在视距范围内定向传输，要求通信设备的位置固定，无法用于移动设备;通信距离最大不能超过lm，而ZigBee至少可以达到10m以上。
(3) WiFi技术
WiFi(Wireless Fidelity)无线高保真技术是IEEE 802.11标准的统称，其最高速率(IEEE 802.11 g)可达54MB/s，符合测试系统和个人信息化的需求。虽然在数据安全方面比蓝牙技术要差一些，但在电波的覆盖范围方面却较强，可达100m左右。
与ZigBee相比，WiFi优异的传输速率是以大的功耗为代价的，大多数便携WiFi装置都需要常规充电，这使得WiFi较ZigBee而言，不适用于低功耗的无线传感器网络。
(4)UWB技术
UWB是一种高速、低成本和低功耗的新兴无线通信技术，通常指信号带宽大于500MHz或者是信号带宽与中心频率之比大于25%，其传输速率在100-480MB之间，理论上可达1GB以上。UWB工作频段为3.1-10.6GHz，信号的传输范围一般在l0m以内，采用OFDM(orthogonal frequency division multiplexing，正交频分多路复用)调制方式，完全摆脱了一般无线收发中必须采用载波调制的传统手段，成为在时域中可直接操作的无线技术。
UWB在民用领域还处于研究阶段，没有形成产品，也没有统一的标准。因此，UWB的某些参数很难界定，表2-1中该项内容将不予给出。
2.5 ZigBee协议架构
ZigBee协议是由IEEE 802.15.4协议标准定义的PHY层和MAC层与ZigBee联盟所制定的网络层和应用层所构成。如图2.3所示ZigBee协议整体框架。在这些层中，除了应用层外都属于协议层;而在协议层中又有所不同，PHY和MAC层与底层的硬件相关，而网络层以上则脱离硬件影响。所以，将Zigbee协议以及应
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