基于ZigBee无线传感器网络的仓储环境监控系统研究.pdf

山东师范大学硕士学位论文山东师范大学硕士学位论文 单位代码 10445 学 号 2009020969 分 类 号 TN873,TP393.1 硕 士 学 位 论 文 论论 文文 题题 目目:基于基于 ZigBeeZigBee 无线传感器网络的仓储无线传感器网络的仓储环境环境监控系统研究监控系统研究 学科专业名称:信号与信息处理 申请人姓 名:战美玲 导 师 姓 名:杨济民 教授 论文提交时间:2012 年 04 月 06 日 山东师范大学硕士学位论文山东师范大学硕士学位论文 独独 创创 声声 明明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 （注：如没有其他需要特别声明的，本栏可空）或其他教育机构的学位或证书使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。学位论文作者签名：导师签字：学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 学校学校 有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权 学校学校 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。（保密的学位论文在解密后适用本授权书）学位论文作者签名：导师签字：签字日期：2012 年 月 日 签字日期：2012 年 月 日 山山东师范大学硕士学位论文东师范大学硕士学位论文 i 目录目录 摘要.I Abstract.III 第一章 绪论.1 1.1 研究的背景及意义.1 1.2 国内外研究现状.1 1.2.1 国外发展现状.1 1.2.2 国内发展现状.2 1.3 论文的主要内容及章节安排.3 第二章 ZigBee 技术概述.5 2.1 无线传感器网络概述.5 2.1.1 无线传感器网络体系结构.5 2.1.2 无线传感器网络特点.6 2.2 ZigBee 与无线通信.6 2.2.1 ZigBee 产生.7 2.2.2 ZigBee 与其他无线技术的比较.7 2.3 ZigBee 网络拓扑结构.8 2.3.1 网络的工作频段.8 2.3.2 网络设备配置.9 2.3.3 拓扑结构.9 2.4 ZigBee 协议架构.10 2.4.1 物理层规范.11 2.4.2 媒体接入控制层规范.12 2.4.3 网络层规范.13 2.4.4 应用层规范.13 2.5 本章小结.14 第三章 基于无线传感器网络的仓储环境监控系统关键技术.15 3.1 MAC 协议.15 3.1.1 无线传感器网络中 MAC 协议研究.15 3.1.2 仓储环境监控系统中 MAC 协议设计.18 3.2 路由协议.18 3.2.1 无线传感器网络中路由协议研究.19 山东师范大学硕士学位论文 ii 3.2.2 仓储环境监控系统中路由协议设计.20 3.3 本章小结.21 第四章 仓储环境监控系统的硬件设计.23 4.1 系统的总体设计.23 4.1.1 系统总体设计方案.23 4.1.2 硬件平台的选择.24 4.2 无线传感器节点设计.24 4.2.1 ZigBee 节点总体方案设计.24 4.2.2 无线通信和处理器模块.25 4.2.3 温度传感器.26 4.2.4 温湿度传感器 SHT11.27 4.3 本章小结.30 第五章 仓储环境监控系统的网络通信软件设计.31 5.1 网络软件设计整体流程及开发环境.31 5.1.1 网络软件设计的总体流程.31 5.1.2 系统软件开发环境.31 5.2 ZigBee 设备建立通信网络的流程.34 5.2.1 ZigBee 协调器软件设计.34 5.2.2 ZigBee 路由器软件设计.36 5.2.3 ZigBee 终端设备软件设计.37 5.3 地址分配方案.38 5.3.1 网络地址分配方案.39 5.3.2 路由寻址方式.40 5.4 数据传送.40 5.5 休眠与唤醒发送机制.41 5.6 本章小结.41 第六章 总结与展望.43 6.1 总结.43 6.2 展望.43 参考文献.45 攻读硕士学位期间科研工作.47 致谢.48 山山东师范大学硕士学位论文东师范大学硕士学位论文 I 基于基于 ZigBeeZigBee 无线传感器网络的仓无线传感器网络的仓储环境监控系统研究储环境监控系统研究 摘要 仓储作为现代物流和供应链系统的重要节点，已成为物流管理的核心部分和关键环节。随着社会经济的发展和人们生活水平的提高，人们对物品的数量和种类的需求都在不断增加，这样对仓储系统的要求也日益提高。特别是，仓储内温度、湿度等环境参数对存储物品的质量和寿命有着重要的影响，对仓储环境参数进行实时监控不仅可以保证存储物品的质量，延长产品的存储寿命，还能够增强仓储系统的安全系数，当出现安全隐患的时候能够及时报警。然而传统的仓储环境监测系统存在布线复杂，可靠性低，管理维护成本低等问题，因而将新的科学技术引入仓储系统中构建信息化、网络化、智能化的仓储环境监控系统具有重要意义。ZigBee 网络作为无线传感器网络的典型代表，具有低能耗、低成本、低速率等特点，它融合了无线通信技术、传感器技术以及嵌入式计算机技术等多学科知识的前沿热点研究领域，能够通过各种微型传感器协同完成对各种环境或检测对象的信息实时监测、感知和采集，并将这些信息传送给用户。ZigBee 无线传感器网络被认为是21 世纪最重要的技术之一。本文以 ZigBee 无线传感器网络技术在仓储环境监控系统中的应用为主线，主要完成以下几个方面的工作：（1）首先概述了无线传感器网络及 ZigBee 技术的基础知识，然后从 ZigBee 协议架构入手，对物理层、媒介接入控制层、网络层及应用层的规范展开了研究，深入了解 ZigBee 技术的特性和通信原理。（2）接着对基于 ZigBee 无线传感器网络的仓储环境系统中几项关键技术的研究现状进行了分析，主要包括：MAC 协议和路由协议，并对其在仓储环境监控这一应用背景下进行了探讨。（3）然后根据仓储监控系统的实际需要，设计了无线传感器设备的硬件系统。节点采用增强型的 8051 单片机作为主控制器，CC2530 射频芯片作为无线数据收发器，SHT11 温湿度传感器来实现对环境参数的采集。（4）通信系统基于 ZigBee 协议栈 Z-Stack 开发，使用 IAR EW8051 集成开发环境对 Z-Stack 进行代码编程，为不同角色的节点编写相应的代码，其中包括 ZigBee山东师范大学硕士学位论文 II 协调器建立网络及运行程序，ZigBee 路由器加入网络及运行程序，ZigBee 终端设备加入网络及数据采集、收发等，然后借助下载工具 SmartRF Flash Programmer 将代码下载到 ZigBee 设备中进行调试，在簇树型网络拓扑结构的基础上实现无线传输数据，并运用在仓储系统中，构成了基于 ZigBee 无线传感器网络的仓储环境监控系统。基于 ZigBee 无线传感器网络的仓储监控系统充分利用了 ZigBee 节点能耗小、成本低、安装维护简单等特点，能够实时地对仓储区域内温度、湿度等环境参数进行无线远程采集与管理，同时可有效消除安全隐患，具备了传统仓储管理无法比拟的优势，很好地解决了传统仓储管理中布线复杂、效率低下等问题。关键词：关键词：仓储环境监测；无线传感器网络；ZigBee；簇树型拓扑结构；CC2530 分类号分类号：TN873,TP393.1 山山东师范大学硕士学位论文东师范大学硕士学位论文 III Warehousing environmental monitoring system research based on ZigBee Wireless Sensor Network technology Abstract Warehousing as an important node in modern logistics and supply chain system,has become an important part.With the development of social economy and the improvement of people living standard，The demand of people on the amount and type of goods has been increasing constantly,So the warehousing system requirements are increasing.Especially,warehouses environmental parameters,such as temperature、humidity and so on,has an important effect on the quality of goods and their life.Real-time monitoring to the warehouse environment parameters can not only ensure the quality of the storage goods,and extend the life of the warehousing goods,also can enhance the safety factor of warehousing system,which can give an alarm in time when a security hidden danger happens.However the traditional warehousing environmental monitoring system exists complex wiring、low reliability、low cost in management and maintenance,so there will be a new scientific technology brought into the warehousing system,the construction of informationaliz-ed,network and intelligent warehousing environmental monitoring system is of great significance.ZigBee network as a representative type of wireless sensor network,has lots of advantages such as low energy consumption、low cost、low rate.It incorporates multi-disciplinary knowledge in the forefront of the hot research field,including wireless communication technology、the sensor technology and embedded computer technology.It can real-time monitor,perceive and gather all kinds of environmental information and monitoring objects through all kinds of Micro Sensor,and transmit the information to the user.ZigBee wireless sensor network is considered to be one of the most important technology in the 21 st century.The paper,with the application of ZigBee wireless sensor network technology in warehousing environmental monitoring system as the main line,mainly complete the following several aspects of the work:(1)First summarizes the basic knowledge of wireless sensor network and ZigBee technology,and then based on ZigBee protocol framework,researches the standard of 山东师范大学硕士学位论文 IV physical layer,media access control layer,network layer and the application layer,and thoroughly understands the characteristics of ZigBee technology and communication principle.(2)Then analyses the current research status of some key techniques based on ZigBee wireless sensor network technology in warehousing environmental monitoring system,mainly including:MAC protocol and routing protocol,and these key techniques in the background of warehousing monitoring system is discussed.(3)And then,according to the actual demand of warehousing monitoring system,designs hardware system of wireless sensor equipment.The node uses enhanced 8051 single chip microcomputer as the main controller,CC2530RF as wireless data transceiver,temperature and humidity sensor SHT11 to achieve data acquisition of environmental parameters.(4)Communication system is exploited based on ZigBee protocol Stack Z-Stack development.The author writes programs code for Z-Stack through IAR EW8051 integrated development environment,according to different role of these nodes,Including ZigBee coordinator sets up network and operates procedures，ZigBee router joins the network and operates procedures,ZigBee terminal equipment joins the network and realizes data collecting、sending and receiving and so on.The corresponding code will be programmed,and the auther downloads the code to ZigBee equipment with the aid of the download tools SmartRF Flash Programmer,and debugs these ZigBee equipments,in the meantime,Let them form a tree network to realize wireless transmission.Lastly the auther puts these ZigBee equipments into warehousing system,and structures the ZigBee wireless sensor network based on warehousing environmental monitoring system.Warehousing environmental monitoring system based on ZigBee Wireless Sensor Network technology can fully uses many advantages of ZigBee node,such as small energy consumption,low cost,simple installation and maintenance.In the way of wireless remote,temper-ature,humidity and other environmental parameters of warehousing area is collected and managed real-time,and safe hidden dangers can be eliminated effectively.It has the incomparable advantages to traditional warehousing management,so can solution well some problems,such as complex wiring and low efficiency and so on.Key Words:warehousing environmental monitoring;wireless sensor network;ZigBee;cluster tree topology structure;CC2530 CLC Number:TN873,TP393.1 山山东师范大学硕士学位论文东师范大学硕士学位论文 1 第一章 绪论 1.1 研究的背景及意义 随着我国生产力水平的提高，现代物流已成为经济运行的“血脉”，被誉为继降低物质消耗、提高劳动生产率之后企业的“第三利润源泉”。物流业是基于仓储业、运输业、信息业等为一体的混合型服务产业，已经成为衡量一个国家综合国力和现代化水平的重要标志之一。而仓储系统作为现代物流的重要组成部分，在物流管理中的重要性日益提高，已成为物流管理的核心部分和关键环节。信息技术的应用已成为仓储技术的重要支柱，智能化仓储将会是其必然的发展趋势，特别是自动化仓储与无线射频技术相结合加快了仓储管理朝着智能化方向发展的步伐。智能仓库体系一个重要组成部分就是仓储环境监控系统，仓储环境监控系统通过掌握和改善仓储环境，使仓储内物品的质量和安全得到保障。随着果蔬、肉类、水产品等物流业的发展，对仓储环境参数的监控也提出了更高的要求，特别是，温度、湿度等仓储环境参数对存储物品的寿命和腐损率有着重要的影响。目前在我国，仓库环境监控系统基本上处于人工定点巡检和连线在线监控两种状态，但这两种状态都存在一定的弊端，人工定点巡检方法无法克服效率低下、时间和人力成本高、数据误差大等缺点，连线在线监控虽然能够获得仓储环境参数的实时信息，但是存在布线复杂、不易扩展、管理和维护成本高等问题。本文研究了基于ZigBee 无线传感器网络的仓储环境监控系统，利用 ZigBee 无线传感器网络技术可以对温度、湿度等环境参数进行无线的实时监控，当环境参数出现异常情况时，传感器设备会发出报警信息并立刻通知上位机的管理人员迅速对所发生情况进行处理。使用ZigBee 无线传感器网络技术来实现仓储环境监控系统，具有开发成本低，能量消耗低，并且安装维护比较简单等优点，能够很好的解决传统仓储管理中布线复杂、效率低下等问题，具备了传统仓储管理无法比拟的优势。1.2 国内外研究现状 1.2.1 国外发展现状 从上个世纪九十年代开始，国外的研究机构就开展了对无线传感器网络的研究，山东师范大学硕士学位论文 2 无线传感器网络发展的最初起点是美国自然基金委和美国军方投资的一些应用在军事领域的重要项目。在无线传感器网络的研发项目和实验中具有代表性和影响力的有：由普林斯顿大学的电子工程系提出并实施的 ZebraNet 工程，由美国国防部远景计划研究局资助的智能尘埃（Smart Dust）项目，还有英国皇家网络和行为习性监控（habitat monitoring）项目等。尤其是最新试验成功的低成本美军“狼群”地面无线传感器网络标志着电子战领域技术的最新突破。此外，美国、英国、日本等国家在民用方面的多领域也进行了广泛的应用。为了满足类似于温度传感器这样小型、低成本设备无线联网的要求，在 2002 年，英特尔 Invensys 公司、日本三菱公司、美国摩托罗拉公司、荷兰飞利浦公司等发起ZigBee 联盟，立刻引起了广泛的关注，无线传感器网络在民用领域的应用前景及商业价值逐渐呈现在人们面前。在环境监测方面，英特尔实验室研究人员用飞机把大量的全功能传感器随机的散布在缅因州“大鸭岛”上，以读取该岛上的气候参数，实现了无侵入式、无破坏式对野生动物及其栖居地的监测。在感知城市建设方面，这项技术已经被应用到旧金山金山大桥上，通过检测大桥一段到另一端的摆动距离来确保大桥的安全，当存在隐患时会及时报警避免危险的发生。在企业管理方面，惠普公司在办公大楼的会议室安置了无线传感器网络，通过对会议管理系统的统一监测，可协调公司各个会议室的适用情况。在医疗监控方面，英特尔公司开发出了用于家庭护理的无线传感器网络系统，可以帮助老年人以及残障人士的家庭生活。在工业控制方面，世界 500 强企业泰科国际使用无线传感器网络来开展新型工业温控系统，并取得了良好的效果。1.2.2 国内发展现状 我国首次正式提出无线传感器网络的概念是在 1999 年发布的中国科学院的信息与自动化领域研究报告中。2001 年，以中国科学院为代表的一些科研院在无线传感器网络的方向上陆续部署了若干重大研究项目和方向性项目，初步建立了传感器网络系统研究平台。2003 年，国家自然科学基金投入了巨大的项目资金，为无线传感器网络的深入研究提供了大力的支持。2004 年，这项技术已经提到了国家发展战略的高度上，被确定为国家级重点实验。2005 年 11 月，在中国电子技术标准化研究所信标委组织召开了第一次“无线个人域网技术标准研讨会”，会议建议将无线传感器网络纳入无线个人域网范畴，并成立了专门的兴趣小组，自此中国无线传感器网络标准山山东师范大学硕士学位论文东师范大学硕士学位论文 3 化工作迈出了第一步。2006 年在国家科技部发布的国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006-2020）中，也把它的多项关键技术确定为研究重点。随后，国内一些研发实力雄厚的高校也开展了无线传感器网络方面的基础研究工作，这其中包括清华大学、山东大学、西北工业大学、华中科技大学、西安交通大学、哈尔滨工业大学等。此外，一些企业也加入了无线传感器网络研究的行列，例如北京鼎天软件有限公司将无线传感器技术用于扬州电子政务和应急指挥系统中。2009 年 3 月，上海的 GE 全球研发中心，将一种新型、智能化的无线传感器探头连接在病人与监护设备之间进行信号传递，凭借此项技术，人们梦寐以求的远程医疗监测指日可待。2010 年，我国主导提出的传感器网络协同信息处理国际标准获正式立项，同年，我国企业研制出全球首颗二维码解码芯片，研发了具有国际先进水平的光纤传感器，TD-LTE 技术正在开展规模技术试验，2010 年 12 月，我国建成了首座 220 千伏（西泾）智能变电站，借助无线传感器网络技术，可以无线传送变电站内的温度、湿度等各项信息，实现变电站无人智能巡检，在国内率先实现物联网技术与高压强电控制技术全面融合上。2011年 11 月，国家工业和信息化部根据我国国民经济和社会发展第十二个五年规划纲要和国务院关于加快培育和发展战略性新兴产业的决定，特别制定了物联网“十二五”发展规划，随着国家和地方一系列产业支持政策的出台，社会对物联网的认知程度日益提升，物联网正在逐步成为社会资金投资的热点，发展环境不断优化。1.3 论文的主要内容及章节安排 本课题来源于山东省科技发展计划项目。对基于 ZigBee 无线传感器网络的仓储监控系统的研究，作者主要做了以下工作：分析 IEEE802.15.4 和 ZigBee 协议，从 ZigBee 协议架构入手，对物理层、媒介访问控制层、网络层及应用层的规范展开了研究，深入理解 ZigBee 技术的特性和通信原理。根据仓储监控系统的实际需要，设计了 ZigBee 传感器设备，硬件选型为：处理器和无线传输模块采用 TI 公司提供的 CC2530 片上系统，温湿度传感器采用了瑞士Sensirion 公司推出的 SHT11。为了实现网络无线通信和仓储监控系统的特定功能，认真研究了 TI 公司的Z-Stack 协议栈的运行流程，同时借助 IAR EW8051 集成开发环境对 Z-Stack 协议栈进行了代码编程，为每个节点不同的角色编写相应的代码。部署在监控区域的传感器节山东师范大学硕士学位论文 4 点通过簇树型网络拓扑结构来完成与上位机的通信，最终实现了智能仓储无线监控网络。本文具体章节安排如下：第一章是绪论部分。对本文的研究背景意义、国内外关于该课题的发展现状进行了综述，概括描述了本文的主要研究内容。第二章主要介绍了 ZigBee 技术。首先介绍了无线传感器网络的体系结构和特点，然后把 ZigBee 与其他无线通信做比较，得出了使用 ZigBee 技术实现无线传感器网络的优势，并详细说明了 ZigBee 网络拓扑结构，最后重点介绍了 ZigBee 协议架构，对物理层、媒介接入控制层、网络层及应用层的各层规范进行了研究。第三章主要介绍了基于 ZigBee 技术的仓储环境监控系统几项关键技术，包括MAC 层协议、路由协议。第四章主要介绍了仓储环境检测系统的硬件设计。首先阐述了系统的总体设计方案，然后详细介绍了传感器节点的硬件设计，其中包括处理器与无线传输模块、温度传感器、温湿度传感器 SHT11。第五章主要介绍了仓储环境监控系统的网络通信软件设计。首先说明了网络软件设计的总体流程及系统软件开发环境，然后详细的阐述了 ZigBee 设备初始化和建立网络的流程，最后介绍了地址分配方案、数据传送、休眠与唤醒发送机制。第六章是总结与展望。总结了本课题完成的主要研究任务，对论文所做的研究工作以及已经取得的研究成果进行总结；并对今后的进一步深入研究提出了几点看法。山山东师范大学硕士学位论文东师范大学硕士学位论文 5 第二章 ZigBee 技术概述 无线传感器网络是实现物联网关键技术之一，如果说 Internet 改变了人与人之间的交互方式，那么无线传感器网络就将客观上的物理世界融合在一起，改变了物与物之间信息传递的方式。2.1 无线传感器网络概述 无线传感器网络由感知对象、传感器和观察者三要素组成。大量的微型传感器被部署在监测区域内，它们协作地感知、采集和处理监测区域内感知对象的信息，然后通过无线通信的方式构成一个自组织的网络，借助这个网络传感器可以将感知对象的信息发送给观察者1。无线传感器网络是融合了微电子、嵌入式计算机、传感器和无线通信等多学科知识前沿热点研究领域2，是典型的具有交叉学科性质的军民两用高科技技术，可以广泛应用于环境监测、智能交通、数字家庭领域、工业领域、现代农业、智能建筑和安全保障等领域。2.1.1 无线传感器网络体系结构 体系结构是无线传感器网络的研究热点之一。在无线传感器网络中，人们可以通过人工布置或者随机布置的方式，将大量的传感器节点部署在监测区域内，这些节点会自发的通过无线自组织的方式形成网络，然后以协作的方式感知、采集并处理监测区域内特定的信息。无线传感器网络系统通常包括任务管理节点、汇聚节点和传感器节点，如图 2.1 所示。监测区域内传感器节点将采集到的数据信息通过多跳中继方式发送给汇聚节点，然后汇聚节点通过互联网或者卫星等途径发送到用户所在的监测中心。对于终端用户，可以通过管理节点查看整个网络监测的数据并对网络进行配置和管理。山东师范大学硕士学位论文 6 汇聚节点汇聚节点任务管理节点任务管理节点互联网与卫星互联网与卫星传感器节点传感器节点监测区域监测区域 用户用户 图 2.1 无线传感器网络的体系结构 2.1.2 无线传感器网络特点 无线传感器网络是新一代的传感器网络，作为一种新兴的“智能”型网络，除了具有与传统无线网络共同的移动性、间断性等特征外，还具有一些独有的特点5：（1）节点众多。在监测区域通常部署大量传感器节点，节点之间呈现高密度分布节，这样可以减少洞区或者盲区，同时还能够保证网络的容错性和抗毁性。（2）以数据为中心。在无线传感器网络中，人们只关心监测区域内感知对象的值，而不会关心是哪个传感器所采集到的信息。例如在一个目标跟踪的传感器网络中，用户只关心目标出现的位置和时间，并不会去关心是哪个传感器节点监测到了目标。（3）拓扑结构动态性。由于传感器节点具有可移动性，节点加入或者退出网络时有发生，为了适应这种变化，就必须要求无线传感器网络具有拓扑结构动态的可重构性。（4）无中心自组织性。节点位置和相互邻居关系通常情况下是不能预先确定的，再加上网络拓扑往往处于动态变化之中，因此就要求无线传感器网络必须具有自组织的特性，除了能够通过拓扑控制机制和网络协议自动形成多跳的网络系统，同时还要能适应网络拓扑结构的变化。（5）与应用背景相关。不存在适用于所有无线传感器网络的网络协议、硬件平台和软件平台。针对不同的应用来研究无线传感器网络技术，是它不同于传统网络的显著特征之一。2.2 ZigBee 与无线通信 考虑到传感器节点的硬件设计，以及实现相应功能所必须的软件开发，本课题中采用ZigBee 技术来实现无线传感器网络。ZigBee 是一种低功耗、低速率、低能耗、近距离的双山山东师范大学硕士学位论文东师范大学硕士学位论文 7 向无线通信技术，其节点体积小，且能自动组网，网络具有着很强的自愈能力，任何一个节点的离开都不会对网络产生致命的影响，所以很适合用来组建无线传感器网络。2.2.1 ZigBee 产生 在 2000 年 12 月，电气和电子工程师协会（institute of electronics and electronics engineers,IEEE）成立了 IEEE802.15.4 工作组3。这个工作组致力开发一种应用在固定、便携或者移动设备上的低成本、低功耗、低复杂度的无线个人域网络（Low-Rate Wireless Personal Area Network,LR-WPAN）技术标准6。但是 IEEE802 的规范只专注于底层，要达到产品的互操作性和兼容性，还需要定义高层的规范7，于是在 2002 年 8 月成立了 ZigBee联盟，主要负责高层应用、互联互通测试和市场推广。ZigBee 这一词来源于蜜蜂，蜜蜂在发现花丛后会通过一种特殊的肢体语言来告知同伴新发现的食物源位置、距离、方向等信息，这种肢体语言就是 ZigZag 行舞蹈，是蜜蜂之间一种简单传达信息的方式，借此意义Zigbee 作为新一代无线通信技术的命名。2.2.2 ZigBee 与其他无线技术的比较 目前短距离无线网络技术的研究热点有：无线局域网（Wi-Fi）、超宽带通信（UWB）、红外线数据通信 IrDA、蓝牙（Bluetooth）和 ZigBee。（1）Wi-Fi（IEEE 802.11）所谓 Wi-Fi，是由一个名为“无线以太网网相容联盟”（Wireless Ethernet Compatibility Alliance,WECA）的组织所发布的业界术语，中文译为无线相容认证4。它基于 IEEE802.11技术标准，既能够提供访问互联网服务，又能够实现本地通信。Wi-Fi 能够实现几米甚至几十米的无线接入，主要应用于办公室无线局域网或者校园网中用户与用户终端的无线连接，但由于 Wi-Fi 装置的功耗比较高，因此都需要较高的电能存储，这限制了它在工业场合的推广和应用。（2）UWB 超宽带通信 UWB（ultra wideband，超宽带通信）是一种采用纳秒级的非正弦波窄脉冲进行通信的方式，可以在非常宽的频谱上传送极低功率的信号。它具有传输速率高、抗干扰能力强、消耗电能小、平均发射功率低等诸多优势，适用于便携型应用，例如消费娱乐方面的无线个域网、室内通信、家庭网络等领域。（3）红外线数据通信 IrDA 山东师范大学硕士学位论文 8 IrDA 是红外数据组织（Infrared Data Association）的简称，是一种利用红外线进行点对点通信的技术。目前，支持它的软硬件技术都很成熟，已经被广泛使用在小型移动设备，如 PDA、手机、笔记本电脑等。它具有移动通信设备体积小、功耗低、低成本、简单易用的特点，但是由于只支持点对点的连接，并且存在两个互通设备必须对准等限制，因此一般不会用于工业网络。（4）蓝牙 Bluetooth 蓝牙基于 IEEE802.15.1 标准，是一种支持设备短距离通信（一般 10 米内）的无线电技术，主要应用于无线音频方面，如蓝牙耳机。为了满足大容量传输以及实现便携式设备的高质量视频应用等方面，在 2005 年 5 月，蓝牙小组宣布了与 UWB 开发商联盟。随着技术的发展也越来越多的在个人电脑、MP3 播放器以及数码相机上使用。但在同一个网络中最多只能存在 7 个蓝牙设备，使得蓝牙通信不具备很好的拓展性，因此限制了它在无线传感器网络中的应用。（5）ZigBee ZigBee 是一种新兴的短距离、低速率的无线网络技术，是 ZigBee 联盟在 IEEE802.15.4定义的物理层和媒介访问控制层基础上制定的一种 LR-WPAN 技术规范。ZigBee 具有可靠性强、时延短、网络容量大（可支持节点达 65000）、高保密性等优势，被业界认为是最可能应用在第三代传感器网络中的无线通信技术。2.3 ZigBee 网络拓扑结构 2.3.1 网络的工作频段 根据 IEEE802.15.4 协议标准，ZigBee 有三个工作频率分别为：2.4022.480GHz、902928MHz、868868.6MHz，它们的信道分配方式如下图 2.2 所示。为了提高抗干扰能力和多径，三种物理层都是采用了直接序列扩频 DSSS 和频率捷变 FA 技术，同时为了减少帧的冲突，信道接入方式都采用了载波侦听机制 CSMA-CA。此外三个频段又有着很大的区别，主要表现在调制技术、扩频码片长度和传输速率等方面。其中 2.4GHz 频段为免付费、免申请的无线电频段，是全球通用的工业、科学、医学频段，该频段分为 16 个信道，采用了每个符号 32 个码元，调制方式为偏移四相相移键控，传输数据的比特率为250kb/s；900MHz 频段主要适用北美地区，分为 10 个信道，采用了每个符号 15 个码元，调制方式为二进制相移键控，数据传输的比特率为 40kb/s；868MHz 频段主要适用于欧洲地区，该频段只定义