Zigbee无线组网技术的研究

硕十学位论文第一章绪论ＺｉｇＢｅｅ产品，只有一些研究性和简单应用的文章出现于期刊杂志。到目前为止，国内目前除了成都西谷曙光数字技术有限公司，真正将Ｚｉｇｂｅｅ技术开发成产品，并成功地用于解决几个领域的实际生产问题而外，尚未见到其它报道。不过随着无线技术大趋势的发展，很多高校和研究机构都已经着手无线组网、无线技术应用方面的研究。特别是与我们同常生活息息相关的近距离无线组网技术的研究和应用，如中科院计算所的宁波分所就在专门从事无线技术的研究，主要侧重于无线网络化智能传感器，计算所自行开发可低功耗的ＣＰＵ、多点网络动态组网拓补协议、网络节点管理软件、无线网络化智能传感器操作系统。国内的一些大学，如浙江大学、山东大学、清华大学等【６】也在搞ＺｉｇＢｅｅ组网和应用的研究，利用国外厂商的开发平台和芯片建立ＺｉｇＢｅｅ网络，并应用于智能家居，无线抄表和物流管理方面。相信随着无线技术研究的深入，会有更多的国产ＺｉｇＢｅｅ和其他无线产品投入市场。从ＺｉｇＢｅｅ协议规范的研究及完善方面来看，Ｚｉｇｂｅｅ协议规范从推出至今，已有大量研究者对Ｚｉｇｂｅｅ网络的时间同步【７１、广播问题【羽、安全机制【９】等进行了研究，并且Ｚｉｇｂｅｅ协议正在继续改进并将提供更多的功能，但目前仍然存在一些问题，主要包括以下几个方面【ｌｏＪ：１．网络地址在ＺｉｇＢｅｅ网络中分配给节点的网络地址可以改变，甚至在某些条件下会重名。这就使得网络必须解决不可靠的寻址机制，以确保将数据发送到正确的节点中。ＺｉｇＢｅｅ联盟正在考虑改变寻址机制，以提供更具鲁棒性的寻址机制。同时，包括ＭａｘＳｔｒｅａｍ在内的一些模块提供商研发出了基于唯一性６４位地址的解决方案，能确保可靠的数据传输。２．固定工作信道由于ＺｉｇＢｅｅ采用８０２．１５．４ＭＡＣ／ＰＨＹ规范中所规定的直序扩频（ＤＳＳＳ）调制，因此可以工作在固定信道，在通过能量扫描筛选出具有较高能量的信道后选出工作信道。但是，一旦初始能量扫描完成后，在所选的信道质量变坏时ＺｉｇＢｅｅ网络无法重置新的信道。因为有许多节点（包括蜂窝电话、微波和８０２．１１网络）占用２．４ＧＨｚ频段，因此这可能是一个大问题。目前，终端节点开发商必须在其设计中解决干扰问题。ＺｉｇＢｅｅ联盟也在研究此问题的解决方案。ＺｉｇＢｅｅ规范的新版本可能会解决此问题。３．容量限制ＺｉｇＢｅｅ刚开始打算用６４Ｋｆｌａｓｈ。但是，对于需要可靠的数据传输、网状组网、更高安全等级、低功率的终端节点等高级应用而言，这一空间将很难满足８０２．１５．４ＭＡＣ／ＰＨＹ、ＺｉｇＢｅｅ网络层以及其它所期望的应用功能要求。随着ＺｉｇＢｅｅ２硕十学位论文第一章绪论的持续发展，先进的应用似乎需要迁移至带有更多闪存的微控制器。从安全方面来看，由于无线自组织网络使用的共享无线信道存在着安全隐患，使得无线自组织网络很容易受到攻击并且很难对攻击进行跟踪１１１１。从接入控制来看，对接入公平性、多种网络共存、隐藏终端、暴露终端等问题虽然已提出了很多技术和方法但是依然没有得到完善的解决【１２】【１３】。从能量控制来看，由于无线自组织网络的节点没有固定基础设施支持，因此如何降低网络能量消耗，提高能量效率，以及如何避免网络分割和节点过早死亡也是研究的重要问题。目前，降低网络能量消耗的主要方法包括选择性的调整节点接收器到休眠状态、使用可调输出功率的发送器、采用节能型路由掣１４】【１５】【１６】。就ＺｉｇＢｅｅ技术的研究现状来看，ＺｉｇＢｅｅ规范及其应用仍在不断的发展和完善之中，众多厂商、高校和研究机构都对ＺｉｇＢｅｅ技术展现了极大的研究兴趣，进行了大量的研究工作。当前研究的重点主要集中在ＺｉｇＢｅｅ技术应用研究和产品设计、ＺｉｇＢｅｅ协议规范的研究及其完善两个方面，主要集中在以下几个方面：１．Ｚｉｇｂｅｅ芯片和产品的设计：不少厂商推出了Ｚｉｇｂｅｅ的产品和全套解决方案。如Ｆｒｅｅｓｃａｌｅ公司的第三代ＰＡＤＤＲ晶片ＭＣｌ３２２ｘ；Ｈｅｌｉｃｏｍｍ公司推出的ＡＤＤＲＬｉｎｋ１２００Ｚｉｇｂｅｅ开发套件；Ｊｅｎｎｉｃ公司的ＪＮ５１２１／５１３Ｘ等【１７Ｊ。２．Ｚｉｇｂｅｅ技术的具体应用研究：目前，不管国内国外，已有大量的研究者和厂商提出了Ｚｉｇｂｅｅ可能的应用。如智能家居【１８】【ｌ９１、智能公交车【２０ｌ、嵌入式方面【２１１、传感器网络【２２】的应用。另外，Ｊｅｎｎｉｅ公司的ＪｅｎＮＥＴ应用在路灯控制、环境监控、生产线数据收集，以及ＺｉｇＢｅｅ结合ＲＦＩＤ等。３．Ｚｉｇｂｅｅ技术扩展研究：Ｚｉｇｂｅｅ技术和其它技术的结合也是目前研究的一个热点。如Ｚｉｇｂｅｅ技术和Ｗｅｂ／ＧＰＲＳ构成的无线网关系纠２３ｌ【２４１、和Ｌｉｎｕｘ／ＤＳＰ构成的无线通信系引２５Ｊ等。４．和其它技术共存研究：对Ｚｉｇｂｅｅ网络与其它无线网络共存的问题也有大量的研究，如Ｚｉｇｂｅｅ网络和蓝牙网络共存【２６ｌ、ＷｉＦｉ的共存与干扰问题ｆ２７１。５．网络性能评估：对Ｚｉｇｂｅｅ网络性能的研究也是一大热点，如研究Ｚｉｇｂｅｅ底层的８０２．１５．４标准在竞争时期（ＣＡＰ）的网络吞吐量和能量消耗【２８】、Ｚｉｇｂｅｅ网络在不同的通信参数下，网络的通信量及稳定性１２９１、在Ｚｉｇｂｅｅ网络的低负载的情况下，调整其活动时期节点的能量消耗，使得网络的生命延长【３０】等。６．路由算法：Ｚｉｇａｅｅ的路由是基于ＡｄＨｏｅ按需距离矢量（ＡＯＤＶ算法）路由算法，这样ＺｉｇＢｅｅ的网状网络建立与数据传播方式和ＡｄＨｏｅ网络很类似。而传统的ＡＯＤＶ算法的路由开销和路由发现可能会干扰网络性能，特别是节点密集的网络，会直接影响端到端时延和数据包的传递的时延，因此很有必要提高路由算法的高效性和可扩展性，目前一些国内外期刊和论文针对ＡＯＤＶ路由算硕十学位论文第一章绪论法提出了一些改进路由算法，如：ＺｉＣＬ（ＺｉｇＢｅｅＣｌｕｓｔｅｒＬａｂｅｌ）算法【３ｌ】【３２１、ＭＡＣ．ＡＯＤＶ算法【”１、ＥＡＯＤＶｌ３４】【３５】算法、ＱＡＯＤＶｌ３６１算法等。１．３Ｚｉｇｂｅｅ技术简介Ｚｉｇｂｅｅ技术是一种近距离、低成本、低功耗、低数据速率的无线通信技术，Ｚｉｇｂｅｅ的目标是建立一个无所不在的传感器网络（Ｕｂｉｑｕｉｔｏｕｓ功能。１．３．１ＳｅｎｓｏｒＮｅｔｗｏｒｋ），主要适用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入到各种设备中，同时支持地理定位Ｚｉｇｂｅｅ技术优势ＩＥＥＥ８０２．１５．４和ＺｉｇＢｅｅ从一开始就被设计用来构建包括恒温装置，安全装置和煤气读数表等节点的无线网络。这是由其主要技术优势决定的【３７】：１．数据传输可靠：ＺｉｇＢｅｅ的ＭＡＣ层采用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；同时，ＭＡＣ层采用了完全确认的数据传输机制，每个发送的数据包都必须等到接收方的确认信息。同时ＺｉｇＢｅｅ采用较短的帧格式（＜１２８字节）和ＣＲＣ校验机制来减少无线通信的误码率。２．功耗低：Ｚｉｇｂｅｅ技术采用了多种节电的工作模式，可以确保两节电池支持长达６个月到两年的试用时间。而蓝牙能工作数周、ＷｉＦｉ可工作数小时。３．成本低：ＺｉｇＢｅｅ数据传输速率低，协议简单，所以大大降低了成本。且免收专利费，目前低速低功耗的ＵＷＢ芯片组价格至少为２０美元，而Ｚｉｇｂｅｅ的价格仅为几美分。４．网络容量大：每个ＺｉｇＢｅｅ网络最多可支持２５５个节点，加上网络的协调器可以互相连接，整个Ｚｉｇｂｅｅ网络节点的数目将十分可观。一个区域内可以同时存在最多１００个Ｚｉｇｂｅｅ网络，理论上可容纳６５５３５个节点。５．安全：ＺｉｇＢｅｅ提供了数据完整性检查和鉴权功能，采用ＡＥＳ．１２８加密算法。６．有效范围小：有效覆盖范围１０－－７５米之间，具体依据实际发射功率的大小和各种不同的应用模式而定，基本上能够覆盖普通的家庭或办公室环境。７．兼容性：ＺｉｇＢｅｅ技术与现有的控制网络标准无缝集成。通过网络协调器自动建立网络，采用载波侦听／冲突检测（ＣＳＭＡ．ＣＡ）方式进行信道接入。为了可靠传递，还提供全握手协议。４硕十学位论文第一章绪论１．３．２Ｚｉｇｂｅｅ的应用Ｚｉｇｂｅｅ技术主要应用在短距离无线网络通信方面。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【３８】：１．需要数据采集或监控的网点多；２．要求传输的数据量不大，而要求节点成本低：３．要求数据传输可性高，安全性高；４．节点体积很小，不便放置较大的充电电池或者电源模块；５．电池供电；６．地形复杂，监测点多，需要较大的网络覆盖；７．现有移动网络的覆盖盲区；８．使用现存移动网络进行低数据量传输的遥测遥控系统。９．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。不远的将来，在很多领域里都可以看到Ｚｉｇｂｅｅ的身影【３９】：１．智能家庭和楼宇自动化通过Ｚｉｇｂｅｅ网络，可以远程控制家里的电器、门窗等；可以方便的采集水、电、气三表的远程自动抄表；通过一个Ｚｉｇｂｅｅ遥控器，控制所有的家电节点。未来的家庭将会有５０～１００个支持Ｚｉｇｂｅｅ的芯片安装在电灯开关、烟火检测器、抄表系统、无线报警、安保系统、ＨＶＡＣ、厨房机械中，为实现远程控制服务。２．在消费和家用自动化市场可以联网的家用设备有电视、录像机、无线耳机、ＰＣ外设、运动与休闲器械、儿童玩具、游戏机、窗户和窗帘及其他家用电器等。近年来，由于无线技术的灵活性和易用性、无线消费电子产品已经越来越普遍，越来越重要。３．工业自动化领域在工业自动化领域，利用传感器和Ｚｉｇｂｅｅ网络，使得数据的自动采集、分析和处理变得更加容易，可以作为决策辅助系统的重要组成部分。例如危险化学成分的检测、火警的早期检测和预报、高速旋转机器的检测和维护等。４．医疗监控借助于各种传感器和Ｚｉｇｂｅｅ网络，准确且实时地监测病人的血压、体温和心跳速度等信息，从而减少医生查房的工作负担，有助于医生作出快速的反应，特别是对重病和病危患者的监护治疗。５．农业领域传统农业主要使用孤立的、没有通信能力的机械设备，主要依靠人力监测作物的生长状况。采用了传感器和Ｚｉｇｂｅｅ网络后，农业将可以逐渐地向以信息和软件为中心的生产模式，使用更多的自动化、网络化、智能化和远程控制的设备硕十学位论文第一章绪论来耕种。传感器可以收集包括土壤湿度、氮浓度、ＰＨ值、降水量、温湿度和气压等信息。这些信息和采集信息的地理位置经由Ｚｉｇｂｅｅ网络传递到中央控制设备供农民决策和参考，这样就能够及早而准确的发现问题，从而有助于保持并提高农作物的产量。１．４本文研究内容与工作组织本文主要对Ｚｉｇｂｅｅ无线组网技术进行了详细的研究与分析，包括Ｚｉｇｂｅｅ组网方案和路由算法的研究与设计，在原有的方案和算法的基础上提出了改进的组网方案和路由算法；然后通过ＮＳ２仿真软件进行仿真比较，最后在ＪＮ５１３９开发板上利用改进的组网方案和路由算法实现了一个简单的网状网络，并对该网络进行一系列的测试。本文主要内容和结构安排如下：第一章：绪论，主要研究论文的研究背景、国内外研究现状及Ｚｉｇｂｅｅ的相关技术等。第二章：研究ＺｉｇＢｅｅ协议栈体系结构及各层的功能、各层之间的数据通信和网络拓扑结构。在此基础之上深入分析了ＺｉｇＢｅｅ网状网络的组网方案，针对原方案下出现很大的冲突和延迟的问题，提出改进的方案并利用ＮＳ２软件进行仿真验证。第三章：研究和设计ＺｉｇＢｅｅ路由算法：包括Ｃｌｕｓｔｅｒ－Ｔｒｅｅ路由算法、ＡＯＤＶ路由算法和改进的ＡＯＤＶ的ＡＯＤＶｊｒ路由算法。结合几种算法性能上的优劣，本文采用改进的ＡＯＤＶｊｒ算法和Ｃｌｕｓｔｅｒ－Ｔｒｅｅ算法相结合的ＺＢＲ算法。第四章：利用ＮＳ２软件分别对上述路由算法的性能进行仿真，并在前面两章的基础上对Ｚｉｇｂｅｅ网络的组网过程进行仿真演示。第五章：在现有的Ｊｅｎｎｉｅ５１３９开发平台上，实现一个简单的小型Ｚｉｇｂｅｅ网状网络，并进行了相关的测试。第六章：总结与展望。对全文工作进行了总结，并对以后的研究工作作出了展望。６