无线通信协议设计.doc

关键字：网络协议，成本低，外围电路少，传感器。

第一阶段

传感器网络的三要素是传感器，观察者和感知对象。传感器由电源，感知部件，嵌入式处理器，存储器，通信部件和软件这几部分构成。

无线传感器网络通常包括传感器节点，汇聚节点和管理节点。大量传感器节点随机部署在监测区域内部或附近，这一过程可以通过飞行器撒播，人工埋置和火箭弹射等方式完成。撒放后的传感器节点进入到自检启动的唤醒状态，在簇首节点的引领下，建立起路由拓扑，之后传感器节点采集并记录周围感兴趣的环境信息，沿着之前建立好的路由拓扑路径逐跳进行传输，在传输过程中数据可能被多个节点处理，经过单跳或者路由多跳后传输到汇聚节点，汇聚节点通过串口将数据传送到网关节点进行集中处理。在本课题中网关节点用PC充当，网关节点再连接到基于IPv6的cernet2主干网上，监控中心从cernet2上获取数据，并完成对数据的融合，展示，预测，以及决策，从而对整个网络进行协调和控制。

无线传感器网络具有以下特点：

（1）网络规模大。

（2）网络的自组织能力（要求传感器节点具有自组织的能力，并且能够自动进行配置和管理，通过拓扑控制机制和网络协议自动形成转发监测数据的多跳无线网络系统）

（3）无线传感器网络节点的通信能力有限（无线传感器网络中传感器节点的传输率低，一般只有200kbps左右，通信距离短）

（4）无线传感器网络节点的电源能量有限

（5）无线传感器网络存储和计算能力有限（无线传感器网络中的传感器节点是一种微型嵌入式设备）（6）无线传感器网络以数据为中心

一个基于ZigBee技术的无线传感器网络平台

研究了无线传感器网络中控制信息及传感器数据的获取，描述，解析，存储和传输。

采用了新兴的ZigBee技术，为解决WSNs中的核心问题—能量限制建立了基础。

设计和实现了低成本的两层板的工作频率为2.4GHZ的无线数据传输模块。

(4)建立了一个分知式的远程无线监测及控制的平台。在该平台上实现了

ZigBee协议，组建了一个具有路由节点的无线网络。为进～步的无线传感器的

实际应用打下了基础。

立意的意义

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

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

络协议。

到目前为止无线传感器网络的发展己经经历了三个阶段{25]：

(1) 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。

ZigBee是一种专门为低速率传感器网络而设计的低成本、低功耗的短距离

无线通信新技术。具有高效节能优势的ZigBee无线传感器网络在工业控制、智能

家居等领域有着非常广阔的应用前景。本课题围绕着ZigBee协议展开，进行了深

入的理论研究和仿真分析，并提出了一种基于路由开销控制的ZigBee路由协议改

进算法，以实现提高ZigBee网络性能的目的。首先，本课题在介绍了ZigBee无

线传感器网络的技术特点及发展状况的前提下，简要介绍IEEE 802．15．4／ZigBee 协议物理层、MAC层标准，以及网络层的设备划分与网络拓扑。其次，重点介

绍了ZigBee网络的组网过程以及路由过程，并搭建基于NS2软件的Zigaee仿真

平台，对Zigaee组网过程和路由过程进行了网络仿真。在与另一种典型的自组织

路由协议DSDV进行的对比测试中，按需驱动的zigBee路由协议表现出了更小

的路由开销。最后，课题提出了一种提出了基于Zigaee路由请求分组广播范围自

适应调整的优化算法，通过ZigBee网络拓扑特点与地址分配机制减小了路由请求

分组的广播半径。仿真结果表明，改进的路由协议能够限制网络内的冗余的路由

请求分组，减少节点的路由开销，提高了网络性能。

与现有的各种无线通信技术相比，ZigBee技术非常适合于复杂环境的工业控

制，承载数据流较小，且不需要实时传输或连续更新的场所。zigBee技术的主要

技术特点包括以下几点：

1)低功耗。由于收发信息功率较低，且采取空闲时休眠的技术，使得ZigBee网

络保持着极低的功率消耗。

2)可靠性强。采用了碰撞避免机制，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；节点模块之间具有自动动态组网

的功能，信息在整个Zigbee网络中通过自动路由的方式进行传输，从而保证

了信息传输的可靠性。

3)时延短。针对时延敏感的应用做了优化，通信时延和从休眠状态激活的时延

都非常短。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。

网络容量大。ZigBee可采用星状、片状和网状网络结构，由一个主节点管理

若干子节点，最多一个主节点可管理254个子节点：同时主节点还可由上一

层网络节点管理，最多可组成65000个节点的大网。

安全性高。提供了数据完整性检查和鉴权功能，加密算法采用通用的AES．