上海第二工业大学 本科课程机器人3（论文）
1 绪论
1.1无线传感器网络
1.1.1无线传感器网络概况
无线传感器网络是指大量的移动的或静止的传感器以自组织和多跳的方式构成的无线网络。其目的是协作地感知、采集和处理传输网络覆盖地理区域内感知对象的监测信息，并报告给用户。
无线传感器网络起源于20世纪70年代，是一种特殊的无线网络，最早应用于美国军方，例如空中预警控制系统。这种原始的传感器网络只能捕获单一信号，传感器节点只能进行淡淡的点对点通信。
1980年美国国防部高级研究计划局提出了分布式传感器网络项目，开启了现代无线传感器网络研究的先例。此项目旨在建立一个由空间分布的低功耗传感器节点构成的网络。这些节点之间相互协作并自主运行，将信息送达处理的节点。2003年8月，美国《商业周刊》将无线传感器网络定位成21世纪高技术领域的四大支柱型产业之一，其潜在市场需求十分巨大，传感器网络系统已引起世界各国学术界、军事部门和工业界的极大关注。 1.1.2无线传感器的应用现状
近几年来，由于成本的降低，技术的愈发成熟，无线传感器网络已经大规模应用在如下几个领域中：
（1）环境监测
由于环境污染问题日益突出，人们对与环境的保护越来越关注，对于环境的监测需求相应增加。无线传感器网络为环境监测时采集数据提供了便利，并且还可以减少对环境的破坏。无线传感器网络还可以跟踪候鸟和昆虫的迁移，研究环境变化对农作物的影响，监测海洋、大气和土壤的成分等。此外，它也可以应用在精细农业中，来监测农作物中的害虫、土壤的酸碱度和施肥状况等。
（2）医疗护理
无线传感器网络也可以应用在医疗研究和护理领域。英特尔公司推出了无线传感器网络的家庭护理技术。该系统通过在鞋、家具以家用电器等家用设备中嵌入半导体传感器，帮助老龄人士、阿尔茨海默氏病患者以及残障人士的家庭生活。
（3）军事领域
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由于无线传感器网络节点造价低廉，可以密集随机的分布在各种恶劣的战场环境中，包括侦察敌情、监控兵力、装备和物资，判断生物化学攻击等多方面用途。
目前无线传感器网络还存在着如下问题：
（1） 网络内通信问题。无线传感器网络内正常通信联系中，信号可能被一些障碍物或其他电子信号干扰而受到影响，怎么安全有效的进行通信是个有待研究的问题。
（2） 成本问题。在一个无线传感器网络里面，需要使用数量庞大的微型传感器，这样的话成本会制约其发展。
（3）系统能量供应问题。目前主要的解决方案有：使用高能电池；降低传感功率；此外还有传感器网络的自我能量收集技术和电池无线充电技术。其中后两者备受关注。
1.1.3无线传感器网络的未来前景
无线传感器网络有着十分广泛的应用前景，它不仅在工业、农业、军事、环境、医疗等传统领域有具有巨大的运用价值，在未来还将在许多新兴领域体现其优越性，如智能家居、智能小区、汽车管理控制等领域。我们可以大胆的预见，将来无线传感器网络将无处不在，将完全融入我们的生活。
1.2基于Zigbee技术的无线传感器网络
Zigbee可工作在2.4GHz（全球流行）、868MHz（欧洲流行）和915MHz（美国流行）三个频段上，分别具有最高250kb/s、20kb/s和40kb/s的传输速率，它的传输距离在10~75m的范围内。根据Zigbee的技术本质，Zigbee具有下列的几个特性。
（1）低功耗。低功耗是Zigbee重要的特点之一。一般的Zigbee芯片有多种电源管理模式，这些管理模式可以有效的对节点的工作和休眠进行配置，从而使得系统在不工作时可以关闭射频部分，极大地降低了功耗，节约了电池的能量。 （2）低成本。Zigbee网络协议简单，可以在计算能力和存储能力都有限的MCU上运行，非常适合于对成本要求苛刻的场合。而且Zigbee芯片的体积较小，随着半导体集成技术发展，Zigbee芯片的体积将会变得更小，成本也会降得更低。
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（3）高度扩充性。Zigbee设备既可以使用64位IEEE网络地址，又可以使用支配的16位网络地址。在一个单独的Zigbee网络内，理论上可以容纳最多65536个设备。
（4）安全性高。Zigbee加密算法采用了AES-128，同时各个应用程序可以灵活确定其安全属性。Zigbee联盟还开发了安全层，以保证这种设备不会意外泄露其标识，而且这种利用网络的远距离传输不会被其他节点获得。
（5）时延短。针对时延敏感做了优化，通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短。
(6)灵活的网络拓扑结构。Zigbee支持星型、树型和网状型拓扑结构，既可以单跳，又可以通过路由实现多条的数据传输。
1.3论文结构
第一章：绪论。该章介绍了无线传感器网络的概况、应用现状和未来前景，然后对Zigbee技术做了简短的介绍，讲述了Zigbee技术的相关特性。
第二章：Z-Stack协议栈。该章从Zigbee协议介绍到Z-Stack协议栈的构架，并对Zigbee技术的应用范围作了具体的分析。主要内容包括网络寻址、绑定、路由协议、数据发送函数、网络组建过程和数据接收函数。
第三章：智能家居系统的实现。该章分别从系统硬件和软件两个方面作了具体的阐述。主要包括传感器模块、数据采集模块和数据汇聚模块以及上位机监控界面等内容。并对各个模块进行了功能测试，包括组网测试、点对点通信测试和网络整体测试。
第四章：结论。该章对本文所完成的任务做了总结，指出本文设计的智能家居系统的创新点，并对下一步工作做出明确的方向。
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2 Z-Stack协议栈
2.1 Zigbee协议介绍
2.1.1 Zigbee协议栈的结构
Zigbee协议栈定义了四层。物理层和媒体访问控制层由IEEE802.15.4-2003定义，上层的网络层和应用层由Zigbee联盟定义。应用层分别包括ZDO（Zigbee设备对象），APS（应用支持子层）和AF（应用框架）组成。Zigbee协议栈每一层负责完成所规定的任务，并且向上层提供服务，各层之间的接口通过所定义的逻辑链路来提供服务。
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图2.1 Zigbee协议栈结构图
（1）物理层：物理层定义了物理无线信道和MAC子层之间的接口，提供物理数据服务单元（PD-SAP）和物理层管理服务（MLME-SAP)。
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（2）MAC（介质接入控制子层）：MAC层负责处理所有物理无线信道的访问，并产生网络信号、同步信号；支持PAN连接和分离，提供两个对等的MAC实体之间的可靠链路。
（3）NWK(网络层)：网络层是Zigbee协议栈的核心部分，网络层主要实现节点加入或者离开网络、接受或者抛弃节点、路由查找及维护等功能。
（4）APL（应用层）：应用层包括三部分：应用支持子层（APS）、Zigbee设备对象（ZDO）和应用框架（AF）。
APS应用支持子层的任务是提取网络层的信息并将信息发送到运行在节点上的不同应用端点。
Zigbee设备对象负责设备的所有管理工作，包括设定该设备在网络中的角色（协调器、路由器或终端设备），发现网络中的设备，确定这些设备能提供的功能，发起或响应绑定请求，完成设备之间建立安全的关联等。ZDO是一个特殊的应用对象，它驻留在每一个Zigbee节点上，其端点编号固定为0。 AF应用框架是应用层与APS层的接口。它负责发送和接收数据，并为接收到的数据寻找相应的目的端点。
2.2 Zigbee网络结构
在ZigBee网络中存在三种逻辑设备类型：Coordinator(协调器)，Router(路由器)和End-Device(终端设备)。ZigBee网络由一个Coordinator以及多个Router和多个End_Device组成。
图2.2 Zigbee网络结构图
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