大连海洋大学本科毕业论文（设计） 第五章 Zigbee传感器自组织网络在机电监测系统中的应用 能力。
（3）开放性
大型机电系统与环境之间有各种物质、能量和信息交换，系统外部环境按一定规律随着时间变化，不同程度地影响着设备的参数和运行状态。
（4）寿命周期长
大型机电系统能够长期服役，尽可能通过检测和维修保持系统性能，延长设备使用寿命。 基于上述特点，要求无线传感器网络监测系统必须具备高可靠性与维护性、多类设备的兼容性、开放性与可扩展性、实时快速性与精确性、大量数据量存储性等特性。
5.1.2 设备监测系统结构图
本课题仅对Zigbee设备监控系统进行初步的框架设计。设计的机电监控系统采用基于Zigbee技术的自组织网络，对每台设备的信号进行监控。在传感器网络中，传感器节点放置于待测设备的合适部位，对工厂机电设备的温度、压力、振动等信号进行监测。每台设备把收集到的信号发送给车间中的网关节点。所有网关节点收集到信号后，通过外部控制器将系统接入现场总线/工业以太网，将信号发送给工厂的后台控制中心对信号进行处理。
本课题设计的传感器网络采用Mesh结构，以车间为单位，一个车间作为一个网格，车间之间的通信通过每个车间的网格节点的转发来完成。每个网格由网格节点和成员节点组成，网格节点和成员节点都能够采集被监测设备信号。网格节点在采集被监测设备信号的同时还要收集成员节点采集到的信号，并将不同网格节点的各路信号传输到汇聚节点，最后通过现场总线/工业以太网转发给后台控制部门。图20给出了机电监控系统的网络结构图。
Internet 远程用户服 务 器 后台控制中心 数据库 局域网 本地用户汇聚节点 网格节点 车间1 车间2
图20机电监控系统结构图
车间3
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大连海洋大学本科毕业论文（设计） 第五章 Zigbee传感器自组织网络在机电监测系统中的应用 5.2 Zigbee传感器节点的设计和测量点的选择
Zigbee传感器节点设计，测量点的选择，以及传感器节点的分布对反映被监测对象状态的准确性有着至关重要的作用。结点布局的主要任务是指在能量消耗、费用、计算量以及附加重量最小的前提下，确定监测对象所有状态的传感器位置。针对机电系统自身的特点，可以以子系统或者功能模块为单位进行局部传感网络的组建，由各局部传感网络的汇聚结点组成统一的Zigbee传感网络对系统进行监控[21]。局部网络的汇聚结点可以对采集的数据进行信号处理，与信号滤波技术避免虚警。基于此，可对整个系统进行分割监控，易于建立个子系统或功能模块的模型，减少描述的复杂性，提高监控精度和准确性。
5.3 基于Zigbee传感器的机电监控系统自组织网络拓扑结构
拓扑可变的Zigbee自组织网络结构通常包括四种基本结构：中心式控制结构、分层中心式控制结构、完全分布式控制结构和分层分布式控制结构。前两者属于集中式控制结构，不适合传感器网络。传感器网络一般采用完全分布式控制结构和分层分布式控制结构。完全分布式控制结构的特点是网络规模受限。每一个节点需要知道所有到达目标节点的路由，网路的规模越大，路由维护和网络管理的开销就越大。当网络规模增加到某种程度时，所有的带宽可能都会被路由协议消耗掉，因此网络的可扩充性较差。分层分布式控制结构可以大大减少路由开销，克服了平面结构可扩充性差的缺点，它的网络规模不受限制，可以通过增加网格的个数或网络的级数来提高网络的容量。基于Zigbee分层分布式Mesh网络控制结构的特点如下：
（1）需要网格选择算法和网格维护机制。在各个簇中网格节点的任务相对较重，可能成为网络的瓶颈，且簇间路由不一定是最佳路由。
（2）可扩充性较好。可以通过增加网络的级数进行扩充。
（3）路由信息局部化。减少路由协议的开销，提高系统的吞吐量，并且容易实现网络的局部同步。
（4）节点的定位简单。只需要查询相应簇头就可以获得节点的位置信息。
本课题采用分层分布式控制的Mesh网络拓扑结构。该结构包括传感器节点、簇头节点、汇聚节点、工业以太网以及监控主机。传感器节点使用射频芯片CC2420。节点将采集到的数据转发到本簇的簇头；簇头完成数据融合和数据包的转发，将数据包转发给就近的网络协调器，同时把网络协调器发送的数据包在本簇成员中广播；网络协调器负责建网以及设备注册和访问控制等基本的网络管理功能。最后数据信息以无线方式传送到路由器。路由器负责搜集传感器网络发送的所有数据，建立本地数据库，并把数据发送到监控主机。图21给出了本课题设计的机电监控系统Mesh网络拓扑结构图。
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大连海洋大学本科毕业论文（设计） 第五章 Zigbee传感器自组织网络在机电监测系统中的应用
图21机电监控系统Mesh网络拓扑结构图
5.4 Zigbee传感器节点数据传输流程
机电监测系统的设计采用监控主机主动请求、Zigbee传感器节点被动响应的方式完成数据的传输。监控计算机发出机械设备的状况请求查询命令，把命令传送到路由器。路由器根据收到的命令查看路由表选择的目的协调器，目的协调器对隶属于它的mesh网络进行通信广播，唤醒需要查询的簇的簇头节点，簇头再向成员节点广播，激活休眠节点进行数据通信；节点采集数据后发送到簇头，簇头进行数据融合处理后反馈给监控主机。本课题设计的Zigbee传感器节点网络数据传输流程图22如下。
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大连海洋大学本科毕业论文（设计） 第五章 Zigbee传感器自组织网络在机电监测系统中的应用 开始 产生报告信 监控主机 Zigbee网络协调器 转发至Zigbee路由器 发送请求查询命令 产生报告信 更新路由表 查找路由表 丢失该包 否 丢失该包 是否存在网络 协调器 簇首合成数据 是 连接Zigbee网络协调器 否 连接成功 是 节点采集信息 广播该包 否 发送信息至簇首 是 唤醒簇首 唤醒成功 唤醒簇内节点
图22 Zigbee传感器节点网络数据传输流程图
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大连海洋大学本科毕业论文（设计） 第六章 结论与建议 第六章 结论与建议
Zigbee传感器的研究，是当今IT前沿技术的一个研究热点，具有十分广阔的应用前景。国内外对它的研究都处于起步阶段，从理论研究到工程实践许多环节需要进一步完善。本文详细分析了Zigbee传感器的结构及特点，对基于Zigbee技术自组织网络的构建进行了深入研究。所做的工作总结如下：
1、对Zigbee传感器的发展、特点及研究现状进行了论述。
2、对Zigbee 协议、组网方案、以及路由算法进行了较为深入的研究分析。 3、着重研究Zigbee自组织通信节点流程。
4、基于Zigbee传感器自组织网络具体应用于机电监测系统中，构建了一个分层分布式监测网络。
Zigbee协议还是一个成长中的协议，目前还存在若干问题需要解决。针对目前设计的系统而言，需要改进和提高的地方还有很多。
本课题可以在以下几个方面进行进一步的深入研究：
1、缩小节点体积。节点作为Zigbee传感器网络的关键设备，其体积的大小直接影响到Zigbee传感器网络的应用。
2、降低系统能耗。在Zigbee传感器网络中，大部分传感器节点并不是始终处于工作状态，可以让其中一部分节点处于睡眠状态，当需要工作时再将其唤醒，这是一种有效的节能方案。如何建立协调机制，将Zigbee传感器网络发挥至最佳工作状态是一个研究课题。
3、安全性问题。安全设计是Zigbee传感器网络中的一个关键技术，一直是Zigbee传感器网络研究的热点。由于传感器节点本身的处理能力、电源及通信能力等方面的限制，给Zigbee传感器网络的安全机制设计带来很多新的挑战。物理层的高效加密算法、数据链路层的抗DOS攻击的安全MAC协议、网络层的安全路由协议以及应用层的密钥管理和安全组播方案，这些都将是Zigbee传感器网络的安全方面所需要深入研究的内容。
此外，还需要加强对Zigbee传感器网络基础技术的研究，如网络拓扑控制、时间同步、定位技术、数据融合、数据管理、嵌入式操作系统等。
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