基于无线传感网络的安防监控系统设计

基于无线传感网络的安防监控系统设计
第一章绪论
立题的意义
随着传感器技术、嵌入式技术以及通信和半导体技术的飞速发展，己经由PC时代和网络时代，进入了后PC时代。

更小、更方便的低功耗计算设备冲破了传统台式计算机和高性能服务器的设计模式。

微机电系统(micro-electro-mechanism system,MEMS)的迅速发展奠定了设计和实现片上系统(system onchip, SOC)的基础。

传感器网络就是上述技术高度集成而形成的新信息获取及处理技术的一种。

目前无线传感器网络己成为计算机科学领域一个活跃的研究分支，己经引起了学术界和工业界的高度重视，被认为是将对21世纪产生巨大影响力的技术之一。

无线传感器网络的应用前景十分诱人。

传统应用有军事、监控、应急、环境、防空等领域，新兴应用将涉及家用、企业管理、保健、交通等领域。

可以预计，将来无线传感器网络将无处不在。

但现在无线传感器网络才刚刚兴起，它的技术和应用都还不十分成熟，其终端要达到希望的要求还会有很长的一段发展历程。

目前，无线传感器终端的希望和要求主要集中在尽量节省的系统能量消耗、尽量节省的信息处理以及简易的信号收发。

对于无线传感器网络中的网络协议的期待是：用简洁的协议栈支持传感器网络的有效运行，到处存在接入可能;利用广播信息，避免交互应答;简化的协议层次、简练的信令方式;.节省的系统开销等。

正是基于无线传感器网络终端的要求，ZigBee协议应运而生。

ZigBee协议是专用于无线传感器网络的通信协议，能最大可能的节省网络中能量，可随时接入大量节点，高容错性，强鲁棒性，逐渐成为了无线传感器网络的首选网络协议。

无线传感网络的研究
无线传感网络的起源和发展
传感器网络的研究起步于20世纪90年代末期。

国际上，1999年和2003年著名的美国商业周刊和MTI技术评论TeChno10gyRveiwe在预测未来技术发展的报告中，分别将其列为21世纪最具影响的21项技术和改变世界的10大新技术之一。

国际上许多著名的大学和公司纷纷从不同的层次、不同的角度对传感器网络进行了研究和开发。

1995年美国提出了“国家智能交通系统项目规划”，2002年美国英特尔公司发布“基于微型传感器网络的新型计算发展规划”。

2004年3月英特尔公司演示了家庭护理的无线传感器网络系统。

该系统通过在鞋、家具以家用电器等家中道具和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，利用无线通信将各传感器联网可高效传递必要的信息从而方便接受护理。

国内，关于传感器网络的研究起步晚，这方面的工作也很少，但目前已越来越受重视。

国家发展改革委办公厅下发的“关于组织实施下一代互联网示范工程2005年研究开发，产业化及应用试验的通知”中己将传感器网络(IPV6无线传感器网络节点等)及家庭网络(面向数字家庭的网络处理器芯片及家庭网关等)列为了支持的重点。

我国的一些高校与研究机构也已积极开展无线传感器网络的相关研究工作，主要有清华大学，中科院软件所，浙江大学，哈尔滨工业大学，国防科技大学等。

到目前为止无线传感器网络的发展已经经历了三个阶段:
(l)点对点。

只是简单取代了有线网络，各个设备之间只是直接联系，只有有限通
信能力。

(2)点对多点。

传感器网络中有一个路由和控制的中央节点，所有数据流动必须通过基站。

(3)多跳/网状结构。

完全的RF冗余，具有多数据通道，自我建构，自我调整，智能分布式。

无线传感器网络与Ad Hoc网络的比较
Ad Hoc网络是由一组带有无线收发装置的移动终端组成的一个多跳的临时性自治系统。

这种网络中的移动终端具有路由和报文转发功能，可以通过无线连接构成任意的网络拓扑结构。

在Ad Hoc网络中，由于终端的无线传输范围有限，两个无法直接通信的终端节点往往会通过多个中间节点的转发来实现通信，所以节点间的路由通常由多跳组成。

Ad Hoc网络作为一种特殊的多跳移动网络，有着广泛的应用。

它特别适合于战场通信，抢险救灾和公共集会等突发性，临时性场合。

只有在当需要它的时候，它才被临时搭建，所以说它具有临时性。

Ad Hoc 网络的特点如下:
(1)网络的独立性:
Ad Hoc网络相对常规通信网络而言，最大的区别就是可以在任何时刻、任何地点不需要硬件基础网络设施(如交换机、路由器、卫星等)的支持，快速构建起一个移动通信网络。

(2)动态变化的网络拓扑结构:
在Ad Hoc网络中，主机可以在网中随意移动。

主机的移动会导致主机之间的链路增加或消失，主机之间的关系不断发生变化。

在自组网中，主机可能同时还是路由器，因此，移动会使网络拓扑结构不断发生变化，而且变化的方式和速度都是不可预测的。

(3)有限的无线通信带宽:
这种网络没有有线基础设施的支持，因此，主机之间的通信均通过无线传输来完成[fgl。

由于无线信道本身的物理特性，它提供的网络带宽相对有线信道要低得多。

(4)有限的主机能源:
Ad Hoc网络中主机可能处在不停的移动状态下，主机的能源主要由电池提供，因此Ad Ho。

网络有能源有限的特点。

(5)网络的分布式特性:
在Ad Hoc网络中没有中心控制节点，主机通过分布式协议互联。

从上面的分析我们可以看出Ad Hoc网络和无线传感器网络有很多方面的相似。

例如，它们都需要无线通信技术的支撑，都是由节点组成，都具有动态的网络拓扑结构，都具有自组织的特性等。

但是两者也有差别，对比如下:
(1)网络规模:
无线传感器网络是集成了监测，控制以及无线通信的网络系统，这种网络中的节点数量和分布密度远远超过以往Ad Hoc网络;无线传感器网络的大规模性具有如下的优点:大量节点能够增大覆盖的区域范围;可以提高监测的精确度，降低对单个传感器节点的精度要求;大量冗余节点的存在，使得系统具有很强的容错性能。

同时，传感器数量大、分布广的特点使得这种网络的维护十分困难甚至不可维护。

(2)节点可靠性
无线传感器网络中的传感器节点经常会由于周围环境影响或电源耗尽等原
因而失效，由于环境或其它原因，人为地维护或替换失效传感器常常是十分困难或不可能的。

因此无线传感器网络中的节点更容易发生故障。

(3)节点的移动性
通常情况下，大部分无线传感器网络中节点是固定不动的。

而在Ad Hoc网络中，节点均是一些移动设备，如PDA、便携计算机或掌上电脑，这些主机可以在网中随意移动。

所以说，无线传感器网络中的节点不像Ad Hoc中的节点一样快速移动。

(4)节点的能力不同
传感器的节点在能量，运算能力，存储等方面受到极大的限制。

传感器节点的体积微小，通常只能携带能量十分有限的电池。

另外，传感器节点都具有嵌入式处理器和存储器.使得这些节点都具有一定的计算能力，可以完成一些信息处理工作。

但是，由于嵌入式处理器和存储器的能力和容量有限，以至于传感器的能力十分有限，远不如Ad Hoc网络中的节点功能强大。

(5)节点间的通信方式
传感器节点主要采用广播方式通信，而Ad Hoc网络大都采用点对点方式通信。

Ad Hoc网络中所有节点的地位平等，组成了一个对等式网络，其中的节点可以随时加入和离开网络，任意节点的故障不会影响整个网络的运行。

(6)节点的标识
当用户使用无线传感器网络时，所关心的是最后网络返回的相关事件的数据信息。

而不是具体的哪个节点。

而且节点的数目极大，因此无线传感器节点不一定具有全球唯一的标识。

(7)网络的功能不同
无线传感器网络的目的就是有效地获取信息，因此从网络的设计上就要求它以数据为中心，以信息的获取为目的。

而Ad Hoc网络的目的是通过动态路由和移动管理技术传输具有服务质量要求的多媒体信息流。

无线传感网络的特点与应用
与目前常见的无线网络如WLNS，Bluetooth及移动梦网等相比，传感器网络的特点如下:
（1）、高度自适应的自治能力。

无线网络中的节点都兼备数据采集和无线路由功能，不存在一个网络中心控制点用户节点之间的地位是平等的。

由于应用环境等的限制，无线传感器网络必须是自我配置的，网络路由协议必须能感应各种原因而导致无线传感器网络本身的拓扑结构所发生的变化，具有很强的自适应性和健壮性。

（2）、多跳路由。

由于射频器件的信号传播范围有限，一般在几百米范围内，节点只能与它的邻居直接通信。

如果希望与其射频覆盖范围之外的节点进行通信，则网络中每个节点都需具备路由器的功能，这样每个节点既可以是信息的发起者，也是信息的转发者。

（3）、能量受限的节点。

移动节点依靠电池提供工作所需的能量，尽可能的降低系统功耗将是影响网络协议栈设计的一个关键因素。

（4）、自组织。

传感器网络的布设和展开无需依赖于任何预设的网络设备，节点通过分层协议和分布式算法协调各自的行为，节点开机后就可以快速、自动的形成独立的网络。

（5）、节点能量众多，分布密集。

为了对一个区域执行监测任务，往往有成千上
万的传感器投到该区域，传感器节点分布非常密集，节点之间需高度连接来保证系统的容错性和抗毁性。

由微型传感器构成的无线传感器网络能够实时监测、感知和采集网络分布区域内的各种监侧对象信息，并对这些信息进行处理，传送给需要这些信息的用户。

传感器网络意义主要有:
（1）、在军事领域，现代传感器网络应用中，通过飞机撒播、特种炮弹发射等手段，可以将大量便宜的传感器密集地撒布于人员不便于到达的观察区域如敌方阵地内，收集到有用的微观数据。

在一部分传感器因为遭破坏等原因失效时，传感器网络作为整体仍能完成观察任务。

传感器网络的上述特点使得它具有重大军事价值。

（2）、.应用于环境监测的传感器网络，一般具有部署简单、便宜、长期不需更换电池、无需派人现场维护的优点。

通过密集的节点布置，可以观察到微观的环境因素，为环境研究和环境监测提供了崭新的途径。

传感器网络研究在环境监测领域己经有很多的实例。

这些应用实例包括:对海岛鸟类生活规律的观测;气象现象的观测和天气预报;森林火警;生物群落的微观观测等。

（3）、智能交通。

通过布置于道路上的速度、识别传感器，监测交通流量等信息，为出行者提供信息服务，发现违章能及时报警和记录。

（4）、智慧家园(智能小区)。

通过脉冲量数据采集，可采集水表，燃气表，电表等数据，通过安防传感器开关量数据采集，可进行设防/撤防报警等，采集的这些数据通过无线通讯协议和家庭网关通讯，然后，可传递到个人计算机，或经无线路由器传至小区网络或手持PAD。

（5）、智能家居。

通过布置于房间内的温度、湿度、光照、空气成分等无线传感器，感知居室不同部分的微观状况，从而对空调、门窗以及其他家电进行自动控制，提供给人们智能、舒适的居住环境。

图1-1 无线传感器网络体系结构模型
图1-1是一种典型的传感器网络，这个网络由传感器节点、接收发送器(sink)、Internet或通信卫星，任务管理节点等部分构成。

传感器节点散布在指定的感知区域内，每个节点都可以收集数据，并通过“多跳”路由方式把数据传送到Sinko Sink也可以用同样的方式将信息发送给各节点。

Sink直接与Internet或通信卫星相连，通过Internet或通信卫星实现任务管理节点(即观察者)与传感器之间的通信。

无线传感器网络系统设计的关键技术
无线传感器网络的关键技术包括:
(1)硬件平台和系统研究。

包括微传感器技术研究;低功耗、低价格、低尺寸的无线传感器节点硬件平台开发;高度模块化、微内核、高效节能的嵌入式操作系统核开发环境研究等。

(2)无线传感器网络的通信协议核模式研究。

如图1-2，物理层:研究在实际环境频繁变化和节点密集时，低功耗通信的复杂行为特征，积累经验数据。

MAC 层:避免冲突的信道分配和调度机制研究，节省能耗的节点休眠机制研究和多指标折衷的分布式MAC协议研究。

路由层:高效、鲁棒的拓扑形成和控制协议研究，自适应网络覆盖算法研究，低功耗、实时、自组织的信息传输路径的建立机制研究，面向数据的传感网通信模式研究。

图1-2 无线传感器网络通信体系结构
（3）无线传感器网络的信息处理和应用支撑技术研究。

信息处理技术包括:查询优化和处理，信息融合和网内处理，数据压缩和分布式存储，协同信号处理等技术的研究。

（4）无线传感器应用层研究。

分布式传感器网络中的对象探测、分类和跟踪研究，特别是多移动目标系统的跟踪问题。

基于无线传感器网络的分布式协调控制应用研究，传感器网络中的追踪问题，反馈控制调度在传感器网络中的应用。

基于应用的任务调度和动态资源分配问题研究，根据动态目标，进行任务分配和行为序列生成。

第二章zigbee技术综述
zigbee技术
zigbee技术由来
现在，有许多的协议标准来定义声音、视频以及PC局域网等领域的数据传输，然而，却没有一个协议能适合无线网络中传感和控制设备通信的特定的需求。

传感和控制设备的通信并不需要高的带宽，但是他们要求低的反应时间，非常低的能量消耗，以及大范围的设备分布。

许多的无线设备生产者已开始致力于解决无线网络的问题，出现了许多的通信协议，但这些协议都并不能完全适应无线传感器网络的要求。

zigBee协议正是继承了以往协议的优势，为无线网络中传感和控制设备之间的通信提供了一个极好的解决标准。

zigbee联盟
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76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IEEE 802. 工作组。

几种短距离无线通信技术的性能比较
ZigBee技术与其他无线通信技术的比较见下表
表2-1 几种短距离无线通信技术的比较
可以看出，它们各有特点，使用十不同的应用场合，它们之间存在相互竞争，相互补充。

在诸如工业控制、环境监测、商业监控、汽车电子、家庭数字控制网络等应用中，由十系统所传输的数据量小，传输速率低，系统所使用的终端设备通常采用电池供电的嵌入式设备，这些系统必须要求传输设备具有成本低、功耗小的特点。

由十ZigBee技术功耗极低、系统构成简单，组网方式灵活、成本低、时延短等性能，相对十其他无线网络技术，基十ZigBee技术更适合十组建大范围无线火灾报警网络，将ZigBee传感器网络和人工智能结合，可大大提高火灾报警的可靠性。

zigbee技术探秘
ZigBee是短距离、低速率的无线网络技术，它是一种介于无线标记技术和蓝牙之间的技术提案。

ZigBee的基础是I EEE 802. 15. 4 。

IEEE 802. 15. 4是IEEE 无线个人区域网(Personal Area Network, PAN)工作组的一项标准，被称作工EEE802. 15. 4技术标准。

但IEEE仅处理低级MAC层和物理层协议，因此ZigBee 联盟扩展了IEEE，对其网络层协议和API进行了标准化，定义了一个灵活、安全的网络层。

支持多种体系结构来提供高可靠性的无线交流在动态RF环境中。

ZigBee联盟还开发了安全层，保证便携设备不会意外泄漏其标识，而且这种利用网络的远距离传输也不会被其它节点获得。

ZigBee协议的整体的框架如图2-1.
图2-1 zigbee协议的整体框架
zigbee技术的特点
Zigbee技术的主要特点包括以下几个部分:
（1）数据传输速率低。

只有l0k字节/秒到250k字节/秒，专注于低传输应用。

（2）功耗低。

在低耗电待机模式下，两节普通5号干电池可使用6个月到2年，免去了充电或者频繁更换电池的麻烦。

这也是Zigbee的支持者所一直引以为豪的独特优势。

（3）成本低。

因为Zigbee数据传输速率低，协议简单，所以大大降低了成本。

且Zigbee协议免收专利费。

（4）网络容量大。

每个Zigbee网络最多可支持255个设备，也就是说，每个Zigbee设备可以与另外254台设备相连接。

（5）时延短。

通常时延都在15毫秒至30毫秒之间。

（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,同时可以灵活确定其安全属性。

（7）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。

（8）工作频段灵活。

使用的频段分别为2. 4GHz , 868MHz(欧洲)及915MHz(美国)，均为免执照频段。

随着研究的进一步深入，传感器将变得更小，而且功能会越来越多，最终，他们可能会微缩到尘埃大小，届时，数以千计的微小传感器或者称为“智能尘埃”将被释放到大气中来检测任何东西。

zigbee节能技术探讨
由于ZigBee应用的低带宽要求，ZigBee节点可以在大部分时间内睡眠，以节省电池能量，然后苏醒并迅速发送数据，然后再去睡眠。

ZigBee可以在巧毫秒或更短的时间内由睡眠模式进入活动模式，因此即使睡眠的节点也可以取得合适的低时延。

ZigBee节省的大部分能量归功于IEEE802. 15. 4技术，后者本身就是为低功率而设计的。

例如，IEEE802. 15. 4采用DSSS(直接序列扩谱)技术取代FHSS(跳频扩谱)，因为后者为保持同步跳频会消耗较多的功率为了尽可能多地节省能量。

ZigBee采用一种“准备好才发送”.的通信策略，它只在有数据要发送时才
“准备好才发送”是一种“面对面”式(in-your-face)发送数据，然后再等待自动确认。

的方案，是一种能量效率非常高的方案。

而且，这种“面对面”式策略导致RF 干扰非常低，这主要是由于ZigBee节点具有非常低的占空因数，只偶尔发射信号且只发送小量的数据。

其他ZigBee节点以及WiFi和蓝牙模块，都可以轻松地应付这种少量的、不经常的碎发通信。

不过，ZigBee的“准备好才‘发送”方案并不是万能的。

例如，在一条由成千上万个空投到敌占区监视敌军动向的微型传感器构成的网络中，这种方案节省的能量可能仍不够用。

由于每个网络节点都定期发送数据，而且数据必须经过附近其他网格式分布的节点多次反复传送才能到达网络控制器，大量的数据包冲突和重复传送会浪费能量，大大缩短传感器节点的电池寿命。

如果传感器电池非常小，能量有限的话，这就成了问题。

但ZigBee仍有更多的节能秘技。

ZigBee通过减少对相关处理的需要来进一步节省能量。

一个简单的8位处理器就可以轻松地完成ZigBee的任务，而且ZigBee协议栈占用很少的内存。

例如，一个功能更强的全功能设备(FullFunction Device, FFD )栈需要占用大约32kb内存，而一个精简功能设备(Reduced Function Device, RFD)栈只需要4kb内存。

比它们复杂得多的蓝牙技术则需要占用约250kb 内存。

ZigBee相对简单的实现也节省了费用。

RFD由于省掉了内存和其他电路，自然降低了ZigBee部件的成本，而简单的8位处理器和小协议栈也有助于降低成本。

gBee网络结构
网络节点类型
ZigBee网络中的节点按通信能力可分为两种:全功能设备(full-function device,FFD)和精简功能设备(reduced-function device,RFD) 。

(1)全功能设备(FFD ):全功能设备具有ZigBee协议规定的所有功能及特性，具有足够的计算能力和存储容量，能够在网络中充当协调器、路由器，当然也能够作为终端节点工作。

(2)精简功能设备(RFD):精简功能设备功能受限，只能作为终端节点工作，精简功能设备降低了节点的复杂度和成本。

FFD设备之间以及FFD设备与RFD设备[p之间都可以通信，RFD设备之间不能直接通信，只能与FFD设备通信，或者通过一个FFD设备向外转发数据。

上文提到的全功能设备(FFD)和精简功能设备(RFD)是按节点的通信能力划分。

实际上，从节点的功能角度出发，Zigbee标准规定了三种类型的网络节点:协调器(Coordinator )、路由器(Router )、终端节点(End Device )。

这三种节点类型的定义如下：
（1）协调器(Coordinator )
协调器是全功能设备(FFD )。

不论ZigBee网络采用何种拓扑方式，网络中都需要有一个并且只能有一个协调器节点。

协调器是整个网络的核心，协调器在网络层的任务是:选择网络所使用的频率通道;建立网络并允许其它节点加入网络;提供信息路由，安全管理和其它的服务。

在建立了网络并完成了整个网络的初始化后，即使关闭协调器节点，网络仍然可以正常工作。

(2)路由器(Router )
路由器也是全功能设备(FFD )。

如果ZigBee网络采用了树形或者是星形拓扑结构，就需要用到路由器这种类型的节点。

路由器节点负责数据的路由与转发功能。

一个ZigBee网络可以有多个路由器，路由器节点是ZigBee网络远距离延伸的关键部件。

路由器节点的主要功能就是:发送和接收节点自身信息;在节点之间转发数据;容许子节点通过它加入网络。

(3)终端设备(End Device)
终端设备可以是精简功能设备(RFD)。

终端设备节点的主要任务就是发送和接收信息。

通常一个终端设备节点是由电池供电的，并且当它不在数据收发状态的时候它通常都是处于休眠状态以节省电能。

需要说明的是终端节点不能够转发信息也不能够让其它节点加入网络。

ZigBee标准规定一个单一的网络中最多可以容纳65535个节点，ZigBee网络的所有节点都属于三种节点中的一种，实际上三种节点类型都是网络层的概念，它们决定了网络的拓扑结构。

关于网络拓扑结构的概念将在下一节中详细的介绍。

igBee网络拓扑结构
ZigBee网络可以实现下面三种拓扑结构:星形拓扑、树形拓扑、网状拓扑。

图2-2 ZigBee网络结构示意图
(1)、星形拓扑、
这种拓扑结构是最简单的一种拓扑结构。

星形拓扑含一个协调器节点和一系列的终端节点。

每一个终端节点都只能和协调器节点传输数据。

如果需要在两个终端节点之间进行通讯必须通过协调器节点进行信息的转发。

这种拓扑结构的缺点是节点之间的数据路由只有唯一路径，协调器有可能成为整个网络的瓶颈，但其结构简单。

(2)树形拓扑。