基于ZigBee无线传感网节点的设计与通信-刘博

基于ZigBee无线传感网节点的设计与通信

刘博

（河南牧业经济学院信息与电子工程系河南郑州 450044）摘要：本文介绍了基于IEEE 802．15．4的无线通信协议ZigBee协议结构及其技术特点，提出了无线传感器网络(WSN)通用节点的基本构架，设计了一种具有实用价值的通用节点软硬件平台，给出了系统的设计的方案，并从硬件和软件两方面解决了节点的功耗问题，实验结果表明该方法有效的降低了节点的功耗。

关键词：无线传感器网络；ZigBee协议；节点

一、无线传感网络概述

WSN是wireless sensor network的简称，即无线传感器网络。无线传感器网络就是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中被感知对象的信息，并发送给观察者。

1、无线传感网网络结构

无线传感器网络系统通常包括传感器节点(sensor node)、汇聚节点(sink node)和管理节点(manager node)大量传感器节点随机部署在监测区域(sensor field)内部或附近，能够通过自组织方式构成网络。传感器节点监测的数据沿着其他传感器节点逐跳地进行传输。用户通过管理节点对传感器网络进行配置和管理，发布监测任务以及收集监测数据。

2、无线传感网节点结构

无线传感器网络节点一般由数据采集单元、处理单元、传输单元、电源及其他组件构成。

数据采集单元：包括传感器和A／D转换模块，用于感知、获取监测区域不同传感形态的信息，将其转换为数字信号。

数据处理单元：包括处理器、存储器等，负责控制和协调节点各部分的工作，存储和处理自身采集以及其他节点发送的数据。

数据传输单元：由无线通信模块组成，负责与其他传感器节点进行通信，交换控制信息和收发采集数据。

电源：通常采用微型电池，为节点提供工作能源。

此外，传感器节点还可以包括辅助单元，如定位系统、执行或移动机构。

3、传感器节点的限制与解决方案

传感器节点在实现各种网络协议和应用系统时，存在以下一些现实约束：电源能量有限、通信能力有限、计算和存储能力有限等。针对以上问题，本文设计了一种具有实用价值的通用节点软硬件平台，节点通信采用短距离无线技术即ZigBee技术，它是基于IEEE802.15.4标准的低功耗局域网协议。采取以下几种措施来降低能耗：通过降低工作频率、保证系统可靠工作前提下选用较低的工作电压、将未用的空闲引脚接地等。

二、节点设计与系统的实现

1、系统结构

无线传感器网络节点是一个微型化的嵌入式系统，构成了无线传感器网络的基础支持平台。由4个部分组成。节点结构如图1所示。

图1 节点结构

2、硬件组成

在硬件选取上全部采用低功耗器件，通信模块接收从主节点传来的命令信号转发给传感器节点；并将传感器节点发出的信号转发给主节点，实现全双工通信。硬件组成如图2所示。

图2 节点硬件组成

3、软件设计

在系统软件程序设计时，选择Metrowerks公司的CodeWarrior作为开发环境，节点采用串口通信模式，利用中断的方法来完成数据的接收和发送。数据的传送采用主从节点方式，采用USB接口与PC机通信，从节点可以向主节点发送中断请求。整个软件分为主程序、建立通信链路子程序、数据处理子程序、打包发送子程序、中断接收子程序、模式转换子程序(包括MCU和射频MCl3192)等。主程序主要是初始化单片机串口和设置ZigBee模块的一些参数，包括内部各种寄存器的设置、工作模式的设置(如波特率)等，完成后开中断，循环等待中断。传感器节点打开电源，初始化单片机串口、ZigBee模块，建立通信链路后进入休眠模式。

三、实验结果与分析

1、工作模式测试

考虑到要降低系统功耗，可以合理利用MCl3192接收器仍然工作时个低电流操作模式，来降低功耗。该实验正是为测试MCl3192的几种模式是否有效而设计的。编程实现MCl3192为MCU提供外部时钟为8MHz，每按K3键一次可以依顺序改变MCl3192射频芯片的工作模式，工作模式的状态改变通过LCD及LED指示灯的点亮显示出来。

2、系统的功耗分析

经实验测试，在硬件设计中采用低功耗处理措施后，能够有效减少系统功耗，各项测试结果如下。

（1）降低工作频率来降低电流消耗，试验测试如下：3.3V供电。空余引脚浮空时，使用外部时钟8MHz(3.O us)工作，测得总消耗电流为67mA：频率改为2MHz时工作，测得消耗电流为59mA。

（2）在保证系统可靠工作时选用较低工作电压。试验测试如下：使用MAX756芯片给系统供电3.3V，频率为8MHz，引脚浮空时，测得总电流消耗68mA；当使用直流稳压电源给系统供电2.7V，在上述相同情况下，测得总电流消耗53mA。实验表明，选用较低工作电压可以减少能量损耗。

（3）在软件设计中，利用微控制器的操作模式(睡眠模式、操作模式、停止模式等)，无线通信模块的工作模式(体眠、空闲、接收、发射等)的合理切换，例如在无数据采集和无数据通信时使MCU进入。睡眠”状态并切断ZigBee模块的部分电源来节省能量，可以获得理想的节能效果。实验测得在空闲(Idle)模式下，3.3V供电，总消耗电流为19mA，2.7供电时电流为13mA：在接收(RX)模式下，3.3V供电，消耗电流为51mA，2.7供电时电流为45mA；在发送(TX)模式下，3.3V供电，电流为66mA，2.7供电时电流为53mA。

通过测试结果表明，在硬件平台设计过程中采取如降低工作频率、保证系统可靠工作前提下选用较低的工作电压、将未用的空闲引脚接地等措施，可以有效降低功耗。在软件设计中合理利用MCU及射频模块的几种省电模式，考虑操作模式的转换时间及功耗，进行相关参数的设置。采用有需求唤醒节点的工作模式，有任务时能自动苏醒和协调器节点进行通信，否则处于休眠状态，有效降低了每个ZigBee传感器节点的功耗。

参考文献

[1]尹勇，龙毅宏．嵌入式无线传感器网络节点设计[J]．武汉理工大学学报，2006，28(3)：107—109．

[2]陈杨,吴海燕.基于Zigbee的智能家居实时监控系统的设计[J].电子技术与软件工程，2015(08).

[3]田会峰,袁明新.基于无线传感网的智能环境监控系统设计[J].测控技术，2014(09).

[4]居万春.基于ZigBee协议的无线传感网路及应用[J].无线互联科技，2013(10).

无线传感器网络的特点

无线传感器网络的特点 大规模网络 为了获取精确信息，在监测区域通常部署大量传感器节点，传感器节点数量可能达到成千上万，甚至更多。传感器网络的大规模性包括两方面的含义：一方面是传感器节点分布在很大的地理区域内，如在原始大森林采用传感器网络进行森林防火和环境监测，需要部署大量的传感器节点；另一方面，传感器节点部署很密集，在一个面积不是很大的空间内，密集部署了大量的传感器节点。 传感器网络的大规模性具有如下优点：通过不同空间视角获得的信息具有更大的信噪比；通过分布式处理大量的采集信息能够提高监测的精确度，降低对单个节点传感器的精度要求；大量冗余节点的存在，使得系统具有很强的容错性能；大量节点能够增大覆盖的监测区域，减少洞穴或者盲区。 自组织网络在 传感器网络应用中，通常情况下传感器节点被放置在没有基础结构的地方。传感器节点的位置不能预先精确设定，节点之间的相互邻居关系预先也不知道，如通过飞机播撒大量传感器节点到面积广阔的原始森林中，或随意放置到人不可到达或危险的区域。这样就要求传感器节点具有自组织的能力，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。在传

感器网络使用过程中，部分传感器节点由于能量耗尽或环境因素造成失效，也有一些节点为了弥补失效节点、增加监测精度而补充到网络中，这样在传感器网络中的节点个数就动态地增加或减少，

从而使网络的拓扑结构随之动态地变化。传感器网络的自组织性要能够适应这种网络拓扑结构的动态变化。动态性网络传感器网络的拓扑结构可能因为下列因素而改变：①环境因素或电能耗尽造成的传感器节点出现故障或失效；②环境条件变化可能造成无线通信链路带宽变化，甚至时断时通；③传感器网络的传感器、感知对象和观察者这三要素都可能具有移动性；④新节点的加入。这就要求传感器网络系统要能够适应这种变化，具有动态的系统可重构性。 可靠的网络 传感器网络特别适合部署在恶劣环境或人类不宜到达的区域，传感器节点可能工作在露天环境中，遭受太阳的暴晒或风吹雨淋，甚至遭到无关人员或动物的破坏。传感器节点往往采用随机部署，如通过飞机撒播或发射炮弹到指定区域进行部署。这些都要求传感器节点非常坚固，不易损坏，适应各种恶劣环境条件。由于监测区域环境的限制以及传感器节点数目巨大，不可能人工“照顾每个传感器节点，网络的维护十分困难甚至不可维护。传感器网络的通信保密性和安全性也十分重要，要防止监测数据被盗取和获取伪造的监测信息。因此，传感器网络的软硬件必须具有鲁棒性和容错性。

物联网简介及基于ZigBee的无线传感器网络

物联网简介及基于ZigBee的无线传感器网络 摘要 物联网，是继计算机、互联网与移动通信网之后的又一次信息产业浪潮，是一个全新的技术领域，给IT和通信带来了广阔的新市场。积极发展物联网技术，尽快扩展其应用领域，尽快使其投入到生产、生活中去，将具有重要意义。 ZigBee无线通信技术是一种新兴的短距离无线通信技术，具有低功耗、低速率、低时延等特性，具有强大的组网能力与超大的网络容量，可以广泛应用在消费电子品、家居与楼宇自动化、工业控制、医疗设备等领域。由于其独有的特性，ZigBee无线技术也是无线传感器网络的首选技术，具有广阔的发展前景。ZigBee协议标准采用开放系统接口(051)分层结构，其中物理层和媒体接入层由IEEE802.15.4工作小组制定，而网络层，安全层和应用框架层由ZigBee联盟制定。 本文首先从概念、技术架构、关键技术和应用领域介绍了物联网的相关知识，然后着重介绍了基于ZigBee的无线传感器网络，其中包括无线传感网简介、ZigBee技术概述和基于ZigBee的无线组网技术。 关键词：物联网；ZigBee；无线传感器网络

物联网简介 物联网概念 “物联网概念”是在“互联网概念”的基础上，将其用户端延伸和扩展到任何物品与物品之间，进行信息交换和通信的一种网络概念。其定义是：通过射频识别（RFID）、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物品与互联网相连接，进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络概念。 最简洁明了的定义：物联网(Internet of Things)是一个基于互联网、传统电信网等信息承载体，让所有能够被独立寻址的普通物理对象实现互联互通的网络。它具有普通对象设备化、自治终端互联化和普适服务智能化3个重要特征。 技术架构 从技术架构上来看，物联网一般可分为三层：感知层、网络层和应用层。 感知层是物联网的皮肤和五官-用于识别物体，采集信息。感知层包括二维码标签和识读器、RFID标签和读写器、摄像头、GPS、传感器、M2M终端、传感器网关等，主要功能是识别物体、采集信息，与人体结构中皮肤和五官的作用类似。 感知层解决的是人类世界和物理世界的数据获取问题。它首先通过传感器、数码相机等设备，采集外部物理世界的数据，然后通过RFID、条码、工业现场总线、蓝牙、红外等短距离传输技术传递数据。感知层所需要的关键技术包括检测技术、短距离无线通信技术等。 网络层是物联网的神经中枢和大脑-用于传递信息和处理信息。网络层包括通信网与互联网的融合网络、网络管理中心、信息中心和智能处理中心等。网络层将感知层获取的信息进行传递和处理，类似于人体结构中的神经中枢和大脑。 网络层解决的是传输和预处理感知层所获得数据的问题。这些数据可以通过移动通信网、互联网、企业内部网、各类专网、小型局域网等进行传输。特别是在三网融合后，有线电视网也能承担物联网网络层的功能，有利于物联网的加快推进。网络层所需要的关键技术包括长距离有线和无线通信技术、网络技术等。 应用层是物联网的"社会分工"-结合行业需求，实现广泛智能化。应用层是物

无线传感器网络节点定位技术

无级变速与自动变速简介 无级变速系统(CVT--continuously variable transmission)。 它的内部并没有传统变速箱的齿轮传动结构，而是以两个可改变直径的传动轮，中间套上传动带来传动。基本原理是将传动带两端绕在一个锥形带轮上，带轮的外 径大小靠油压大小进行无级的变化。起步时，主动带轮直径变为最大直径，而被动 带轮变为最小，实现较高的传动比。随着车速的增加和各个传感器信号的变化，电 脑控制系统来断定控制两个带轮的控制油压，最终改变带轮直径的连续变化，从而 在整个变速过程中达到无级变速。 而锥形带轮之间的传动带，在过去的一段时间，由于材质的原因，所受的拉力 有限，所能承受的扭矩有限，只能用在摩托车式小排量车上。近些年来，随着材料 技术、加工工艺的不断提高，生产出特殊材料制造的刚制传动带和锥型带轮。彻底 实现了大功率、大扭矩轿车的要求。 CVT最大的特点是无级控制输出的速比，在行驶中达到行云流水的感觉，从而 没有了换档的感觉。乘员感觉不到换档冲击，动力衔接连贯。这样CVT在行驶时增 加了舒适性，加速也会比自动变速器快。 CVT与传统变速器的区别 大家经常都有看汽车杂志或者是汽车广告的宣传片，其中说到汽车参数的时候，会碰到一个术语－－CVT，普通人经常把自动档变速器和无级变速器(CVT)两个概念 混为一谈。实际上这两种变速器工作原理完全不同。CVT结构比传统的变速器简单、体积更小，它既没有手动变速器的众多齿轮，也没有自动变速器复杂的行星齿轮组。旧款的CVT多用橡胶皮带制成，但它的缺点是受力有限，容易打滑因此只能用在一 些摩托车和微型车上，由于制造工艺技术的改良，现在也应用于中型汽车了，在这 方面比较领先的是奥迪和日产，以奥迪为例，厂方就针对传统的CVT在斜坡上容易 后溜以及行驶中的橡皮筋现象进行了改良，在1999年底正式推出Multitronic，除了 以油冷式多片离合器代替扭力转换器以减少动力流失以外，还有两方面底改进，包 括采用金属片链和宽齿比的滑轮组。这条金属片链由1025块金属片和75对串针组成，最大可以承受300牛·米的峰值扭力，而传统的V型钢带只可承受200牛·米的 扭力，真是一个天一个地。 另外，Multitronic还有很宽地传动比，介于2.400到0.395之间，相对于传统 的变速箱，甚至是手动变速箱，有较高的灵活性，令加速更加顺畅。而且，在增加 和删除手动变速模式的时候，工作变得轻松简单得多，因为只需要更改电脑程序， 即可更改齿轮的比例和半径，根本不需要大动刀枪来更换齿轮。所以，一款CVT变 速箱可以和多台不同类型不同输出特性的引擎配合使用。 Multitronic的还有一项特点就是装置了扭力感应器，确保滑轮夹以适当的力量 夹住金属片链，因为过大的夹力会抵消一部分动力，白白的浪费掉，而且也会加速

ZigBee无线传感网报告

无线传感网期末作业 ZigBee在智能家居领域的应用与前景 学院： 姓名： 2015.01.01

ZigBee无线传感网在智能家居领域中的应用前景分析 一、应用背景 智能家居的概念最早由美国、加拿大、欧洲、澳大利亚以及东南亚等经济比较发达的国家提出。世界上第一幢智能建筑于1984年在美国康涅狄格州出现，当时只是对一座旧式大楼进行了一定改造，采用计算机对大楼内的空调、电梯、照明灯设备进行监测和控制，并提供语音通信、电子邮件和情报资料灯方面的信息服务。而后涌现了各种不同的解决方案，涉及到生活的方方面面。 1998年5月新加坡举办的“98亚洲家庭电器与电子消费品国际展览会”上，通过在场内模拟“未来之家”，推出了新加坡模式的家庭智能化系统。它的系统功能包括三表抄送功能、安防报警功能、可视对讲功能、监控中心功能、家电控制功能、有线电视接入、电话接入、住户信息留言功能、家庭智能控制面板、智能布线箱、宽带网接入和统软件配置等。 国内智能家居的控制系统产品十分繁多，由于入行门槛不高，技术水平要求较低，中国产生了数百个互不兼容的标准，直接导致了国内行业竞争激烈，标准不统一带来实际应用的的麻烦。而2005年以后，智能家居的野蛮成长和恶性竞争，给智能家居行业带来了极大的负面影响。导致实际使用效果差，产品可靠性、安全性缺乏。不少媒体对智能家居提出了质疑，一般民众也逐渐丧失了信心。 但是智慧家居是今后家居领域发展的必然趋势，虽然市场推广才刚刚开始，但行业的竞争已经很激烈，光是宁波就有不下5家企业专门从事这方面开发。面对中国庞大的需求市场，预计该行业将以年均19.8%的速率增长，在2015年产值达1240亿元。 二、技术分析 智能家居不同于数据通信网络，其要求低速率低成本的控制手段。其仅需要设备的互联和控制，故应该考虑以下特点： 1.低成本家庭控制网络中控制的对象主要是大量的家电和传感器终端节点，这种较大规模的网络需要一个低成本的节点组网技术。 2.标准化需要各个家居组成部件之间互相通信，标准化的工作非常重要。 3.跨平台使用环境是一个家居环境，整个系统中有着形形色色的平。

无线传感器网络节点硬件

1 系统结构概述 本文设计的WSN硬件平台，由若干传感器节点，具有无线接收功能的汇聚节点，以及一台PC机组成。 根据无线传感器网络的应用需求以及功能要求，节点的设计主要包括如下几个基本部分：传感器单元、处理器单元、A/D单元、射频单元、供电单元以及扩展接口单元。节点的硬件体系结构框架如图1-1 所示。 图1-1 传感器单元负责对所关心的物理量进行测量并采集数据，提供给处理器单元进行处理；处理器单元负责数据处理及控制整个节点的正常工作；射频天线单元负责与其他节点进行无线通信，交换控制信息和相关数据；供电单元负责为节点提供运行所需的能量；扩展接口可以实现节点平台的功能拓展，以适应不同的应用需求。 2 节点核心模块设计： 2-1电源模块设计： 电源是设计中的关键部分，电源稳定工作是整个节点正常工作的保证，设计合理的电源电路至关重要。节点包含模拟器件和数字器件，模拟器件的抗干扰能力较差，且数字器件常常为模拟器件的噪声源，故为了 图2-1-1 提高电路的抗干扰能力，模拟器件接模拟地并采用数字地与模拟地单点共地。电源可选用电池或干电池，电源芯片可选用XC6209、XC6221系列的LDO电源芯片，分别提供3.3V和1.8V的数字与模拟电压，电路如图2-1-1所示。 2-2传感器 模块设计： 温度传感器设 计：本设计采用 LM75DM-33R2串行 可编程温度传感 器，这种传感器在 环境温度超出用户 变成设置时通知主 控制器。滞后也是 可以编程解决。它 采用2线总线方式，允许读入当前温度，并可配置器件。它是数字型温度传感器，直接从

寄存器读出温度参数，并可实现编程设置INT/CMPTR输出极性。 图2-2-1是其功能图，因为设计中只是简单的监测环境的温度，故只需一片 LM75，所以地址线A0、A1、A2置地，INT/CMPTR悬空，设计的接口电路如图2-2-2所示。 图2-2-1 图2-2-2 因为cc2431本身带有A/D模块，也可采用温度传感器AD590测量温度，其接口电路如图2-2-3。

ZIGBEE无线传感器网络简介

无线传感器网络简介 2007年01月06日星期六下午04:29 ［来源：仪器仪表与传感器网］ 科技发展的脚步越来越快，人类已经置身于信息时代。而作为信息获取最重要和最基本的技术——传感器技术，也得到了极大的发展。传感器信息获取技术已经从过去的单一化渐渐向集成化、微型化和网络化方向发展，并将会带来一场信息革命。 发展历程 早在上世纪70年代，就出现了将传统传感器采用点对点传输、连接传感控制器而构成传感器网络雏形，我们把它归之为第一代传感器网络。随着相关学科的的不断发展和进步，传感器网络同时还具有了获取多种信息信号的综合处理能力，并通过与传感控制器的相联，组成了有信息综合和处理能力的传感器网络，这是第二代传感器网络。而从上世纪末开始，现场总线技术开始应用于传感器网络，人们用其组建智能化传感器网络，大量多功能传感器被运用，并使用无线技术连接，无线传感器网络逐渐形成。 无线传感器网络是新一代的传感器网络，具有非常广泛的应用前景，其发展和应用，将会给人类的生活和生产的各个领域带来深远影响。发达国家如美国，非常重视无线传感器网络的发展，IEEE正在努力推进无线传感器网络的应用和发展，波士顿大学(Boston Unversity)还于最近创办了传感器网络协会(Sensor Network Consortium)，期望能促进传感器联网技术开发。除了波士顿大学，该协会还包括BP、霍尼韦尔(Honeywell)、Inetco Systems、Invensys、 L-3 Communications、Millennial Net、Radianse、 Sensicast Systems及Textron Systems。美国的《技术评论》杂志在论述未来新兴十大技术时，更是将无线传感器网络列为第一项未来新兴技术，《商业周刊》预测的未来四大新技术中，无线传感器网络也列入其中。可以预计，无线传感器网络的广泛是一种必然趋势，它的出现将会给人类社会带来极大的变革。 应用现状 虽然无线传感器网络的大规模商业应用，由于技术等方面的制约还有待时日，但是最近几年，随着计算成本的下降以及微处理器体积越来越小，已经为数不少的无线传感器网络开始投入使用。目前无线传感器网络的应用主要集中在以下领域： 1. 环境的监测和保护 随着人们对于环境问题的关注程度越来越高，需要采集的环境数据也越来越多，无线传感器网络的出现为随机性的研究数据获取提供了便利，并且还可以避免传统数据收集方式给环境带来的侵入式破坏。比如，英特尔研究实验室研究人员曾经将32个小型传感器连进互联网，以读出缅因州"大鸭岛"上的气候，用来

Zigbee无线传感器网络英文文献

Zigbee Wireless Sensor Network in Environmental Monitoring Applications I. ZIGBEE TECHNOLOGY Zigbee is a wireless standard based on IEEE802.15.4 that was developed to address the unique needs of most wireless sensing and control applications. Technology is low cost, low power, a low data rate, highly reliable, highly secure wireless networking protocol targeted towards automation and remote control applications. It’s depicts two key performance characteristics – wireless radio range and data transmission rate of the wireless spectrum. Comparing to other wireless networking protocols such as Bluetooth, Wi-Fi, UWB and so on, shows excellent transmission ability in lower transmission rate and highly capacity of network. A. Zigbee Framework Framework is made up of a set of blocks called layers.Each layer performs a specific set of services for the layer above. As shown in Fig.1. The IEEE 802.15.4 standard defines the two lower layers: the physical (PHY) layer and the medium access control (MAC) layer. The Alliance builds on this foundation by providing the network and security layer and the framework for the application layer. Fig.1 Framework The IEEE 802.15.4 has two PHY layers that operate in two separate frequency ranges: 868/915 MHz and 2.4GHz. Moreover, MAC sub-layer controls access to the radio channel using a CSMA-CA mechanism. Its responsibilities may also include transmitting beacon frames, synchronization, and providing a reliable transmission mechanism. B. Zigbee’s Topology The network layer supports star, tree, and mesh topologies, as shown in Fig.2. In a star topology, the network is controlled by one single device called coordinator. The coordinator

无线传感器网络节点介绍

基于系统集成技术的节点类型和特点 在节点的功能设计和实现方面，目前常用的节点均为采用分立元器件的系统集成技术。已出现的多种节点的设计和平台套件，在体系结构上有相似性，主要区别在于采用了不同的微处理器，如AVR系列和MSP430系列等；或者采用了不同的射频芯片或通信协议，比如采用自定义协议、802.11协议、ZigBee[1]协议、蓝牙协议以及UWB通信方式等。典型的节点包括Berkeley Motes [2，3], Sensoria WINS[4], MIT μAMPs [5], Intel iMote [6], Intel XScale nodes [7], CSRIO研究室的CSRIO节点[8]、Tmote [9]、ShockFish公司的TinyNode[10]、耶鲁大学的XYZ节点[11] 、smart-its BTNodes[12]等。国内也出现诸多研究开发平台套件，包括中科院计算所的EASI系列[13-14]，中科院软件所、清华大学、中科大、哈工大、大连海事大学等单位也都已经开发出了节点平台支持网络研究和应用开发。 这些由不同公司以及研究机构研制的无线节点在硬件结构上基本相同，包括处理器单元、存储器单元、射频单元，扩展接口单元、传感器以及电源模块。其中，核心部分为处理器模块以及射频通信模块。处理器决定了节点的数据处理能力和运行速度等，射频通信模块决定了节点的工作频率和无线传输距离，它们的选型能在很大程度上影响节点的功能、整体能耗和工作寿命。 目前问世的传感节点（负责通过传感器采集数据的节点）大多使用如下几种处理器：ATMEL公司AVR系列的ATMega128L处理器，TI公司生产的MSP430系列处理器，而汇聚节点（负责会聚数据的节点）则采用了功能强大的ARM处理器、8051内核处理器、ML67Q500x系列或PXA270处理器。这些处理器的性能综合比较见表1。 表1、无线传感器网络节点中采用的处理器性能比较

Zigbee网络原理与应用教案

计算机与信息技术学院 课程教案 专业物联网工程 课程Zigbee网络原理与应用 讲授人姚建峰 2015 年 9月10日

(一) 课程名称：Zigbee网络原理与应用 (二) 学时学分：周4学时，3学分 (三) 预修课程：电子线路、数字逻辑、计算机组成原理、高级语言程序设计 (四) 使用教材 ZigBee技术与实训教程――基于CC2530的无线传感网技术，清华大学出版社，2014年5月第1版 (五) 教学参考书(3本以上) 1、李文仲编著：《Zigbee2006无线网络与无线定位实战》，北京航空航天大学出版社，2008年1月第1版； 2、王小强编著：《Zigbee无线传感器网络设计与实现》，化学工业出版社，2012年6月第1版； 3、郭渊博编著：《Zigbee技术与应用》，国防工业出版社，2010年6月第1版。 （六）教学方法：课堂讲授，课堂演示，师生互动，理论与实验结合教学。 (七) 教学手段：多媒体教学。 (八) 考核方式：闭卷考试。 (九) 学生创新精神与实践能力的培养方法：结合实验、具体应用、小组讨论等方式使学生掌握Zigbee技术开发的基本方法，提高学生分析问题和解决问题的能力，培养学生的动手能力和创新能力。 (十) 其它要求：严格考勤，学生课堂表现和实验完成情况占学生成绩的30%，期末成绩占70%。

第一章无线传感器网络 教学时数：2学时 教学目的与要求：主要让学生理解无线传感网络的主要概念，了解无线传感网络的发展历程、研究现状与研究前景、应用领域，掌握无线传感网络的特点、网络体系结构、关键技术。 教学重点：无线传感器网络体系结构。 教学难点：无线传感器网络的关键技术。 第一节无线传感器网络概述(了解) 1.无线传感器网络的概念： 无线传感器网络就是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中被感知对象的信息，并发送给观察者。传感器、感知对象和观察者构成了无线传感器网络的三个要素。 2.无线传感器网络的发展历程： 第一阶段:最早可以追溯至越战时期使用的传统的传感器系统。当年美越双方在密林覆盖的“胡志明小道”进行了一场血腥较量，“胡志明小道”是胡志明部队向南方游击队输送物资的秘密通道，美军对其进行了狂轰滥炸，但效果不大。后来，美军投放了2万多个“热带树”传感器。“热带树”实际上是由震动和声响传感器组成的系统，它由飞机投放，落地后插入泥土中，只露出伪装成树枝的无线电天线，因而被称为“热带树”。只要对方车队经过，传感器探测出目标产生的震动和声响信息，自动发送到指挥中心，美机立即展开追杀，总共炸毁或炸坏4.6万辆卡车。 第二阶段:二十世纪80年代至90年代之间。主要是美军研制的分布式传感器网络系统、海军协同交战能力系统、远程战场传感器系统等。这种现代微型化的传感器具备感知能力、计算能力和通信能力。因此在1999年，商业周刊将传感器网络列为21世纪最具影响的21项技术之一。 第三阶段:21世纪开始至今，也就是9·11事件之后。这个阶段的传感器网络技术特点在于网络传输自组织、节点设计低功耗。除了应用于反恐活动以外，在其它领域更是获得了很好的应用，所以2002年美国国家重点实验室－－橡树岭实验室提出了“网络就是传感器”的论断。 3.无线传感器网络研究现状： （1）国外无线传感器网络的研究现状 1998年，美国国防部提出了“智能尘埃”的概念，最先开始无线传感器网络技术的研究，目的是为监控敌方的活动情况而不被察觉。2001年，美国陆军提出“灵巧传感器网络通信”计划，将无人值守式弹药、传感器和未来战斗系统

无线传感器网络节点技术

无线传感器网络的节点技术 赵泽 黄希 崔莉 中国科学院计算技术研究所 无线传感器网络的节点系统是构成无线传感器网络的基础，是承载无线传感器网络的信息感知、数据处理和网络功能的基本单元，所有与传感器网络相关的协议、机制、算法等都需要在节点上得以实现并加以优化才具有实际意义。 目前常用的节点均为采用分立元器件的系统集成技术，而面向下一代网络、采用片上系统集成技术的低功耗、低成本节点将能代表未来的发展趋势。本文将介绍传感器网络节点的体系结构及设计方法，比较几种具有代表性的节点性能，同时，介绍下一代片上节点系统的研究进展。 一、无线传感器网络节点的体系结构 根据无线传感器网络的应用需求以及功能要求，目前问世的由不同公司以及研究机构研制的无线节点在硬件结构上基本相同，只是在一些有特殊要求的地方存在细微的差别，无线节点包括如下几个基本单元：处理器单元、存储器单元、射频单元、扩展接口单元、传感器以及电源。节点的硬件体系结构框架如图1所示。 处理器Flash Ram A/D Timer 存储器传感器扩展接口射频 电 源无线传感器网络节点 图1 节点的硬件体系结构框架 二、节点设计技术要素 在节点的设计过程中，主要需要考虑以下几个因素： 1、 节点的硬件成本要低廉。无线传感器网络的规模一般比较大，在目标环境系统中，所布置的节点数量基本上在数百个到数千个以上，在如此大规模的布撒情况下，单个节点的成本问题就显得尤为突出。因此，要求在能够满足系统需求的条件下，将节点的硬件成本降低到足够低； 2、 节点具有足够的数据处理及存储能力。无线传感器网络节点主要担负两项功能，一是进行环境数据的采集，二是进行数据传输。数据采集过程一般由处理器

《无线传感器网络》选修课试题

一、填空题（每题4分，共计60分） 1、传感器网络的三个基本要素：传感器，感知对象，观察者 2、传感器网络的基本功能：协作地感知、采集、处理和发布感知信息 3、无线传感器节点的基本功能：采集、处理、控制和通信等 4、传感器网络常见的时间同步机制有： 5、无线通信物理层的主要技术包括：介质的选择、频段的选择、调制技术和扩频技术 6扩频技术按照工作方式的不同，可以分为以下四种： ：直接序列扩频、跳频、跳时、宽带线性调频扩频 7、定向扩散路由机制可以分为三个阶段：周期性的兴趣扩散、梯度建立和路径加强 8、无线传感器网络特点：大规模网络、自组织网络、可靠的网络、以数据为中心的网络、应用相关的网络 9、无线传感器网络的关键技术主要包括：网络拓扑控制、网络协议、时间同步、定位技术、数据融合及管理、网络安全、应用层技术等 10、IEEE 802.15.4标准主要包括：物理层和MAC层的标准 11、简述无线传感器网络后台管理软件结构与组成：后台管理软件通常由数据库、数据处理引擎、图形用户界面和后台组件四个部分组成。 12、数据融合的内容主要包括：多传感器的目标探测、数据关联、跟踪与识别、情况评估和预测 13、无线传感器网络可以选择的频段有：868MHZ、915MHZ、2.4GHZ 5GHZ 14、传感器网络的电源节能方法：休眠机制、数据融合等， 15、传感器网络的安全问题：(1) 机密性问题。 (2) 点到点的消息认证问题。 (3) 完整性鉴别问题。 16、802.11规定三种帧间间隔：短帧间间隔SIFS，长度为 28 μs 、点协调功能帧间间隔PIFS长度是 SIFS 加一个时隙(slot)长度，即78 μs 分布协调功能帧间间隔DIFS ，DIFS长度=PIFS +1个时隙长度，DIFS 的长度为128 μs

无线传感器网络试题库附答案

无线传感器网络试题库附答案 《无线传感器网络》 一、填空题（每题4分，共计60分） 1.传感器网络的三个基本要素：传感器、感知对象、用户(观察者) 2.传感器网络的基本功能：协作式的感知、数据采集、数据处理、发布感知信息3、 3.无线传感器节点的基本功能：采集数据、数据处理、控制、通信 4.无线通信物理层的主要技术包括：介质选择、频段选取、调制技术、扩频技术 5.扩频技术按照工作方式的不同，可以分为以下四种：直接序列扩频、跳频、跳时、宽带 线性调频扩频 6.定向扩散路由机制可以分为三个阶段：兴趣扩展阶段、梯度建立阶段、路径加强阶段 7.无线传感器网络特点：大规模网络、自组织网络、可靠的网络、以数据为中心的网络、 应用相关的网络 8.无线传感器网络的关键技术主要包括：网络拓扑控制、网络协议、时间同步、定位技术、 数据融合及管理、网络安全、应用层技术

9.IEEE标准主要包括：物理层。介质访问控制层 10.简述无线传感器网络后台管理软件结构与组成：后台管理软件通常由数据库、数据处理 引擎、图形用户界面和后台组件四个部分组成。 11.数据融合的内容主要包括：多传感器的目标探测、数据关联、跟踪与识别、情况评估和 预测 12.无线传感器网络可以选择的频段有：_800MHz___915M__、、___5GHz 13.传感器网络的电源节能方法：_休眠（技术）机制、__数据融合 14.传感器网络的安全问题：(1)机密性问题。(2)点到点的消息认证问题。(3)完整 性鉴别问题。 15.规定三种帧间间隔：短帧间间隔SIFS，长度为28s a)、点协调功能帧间间隔PIFS长度是SIFS加一个时隙(slot)长度，即78s b)分布协调功能帧间间隔DIFS，DIFS长度=PIFS+1个时隙长度，DIFS的长度为128 s 16.任意相邻区域使用无频率交叉的频道是，如：1、6、11频道。 17.网络的基本元素SSID标示了一个无线服务，这个服务的内容

基于Zigbee的无线传感器网络与IP连接

2012第四次国际会议“计算智能，建模与仿真” 基于ZigBee的无线传感网络与IP连接Alaparthi Narmada Parvataneni Sudhakara Rao 欧洲经委会JNTU 欧洲经委会 技术科学Vignan研究所，技术科学Vignan研究所 Deshmukhi，Nalgonda DT，印度安得拉邦。Deshmukhi，Nalgonda DT，安得拉邦，印度 Email: a.narmada@https://www.sodocs.net/doc/3414577774.html, Email: sparvata@https://www.sodocs.net/doc/3414577774.html, 摘要 -无线传感器网络（WSN ）包括在远程位置的分布式传感器节点，用于测量在远程位置的传感器数据。无线传感器网络中的每个节点都包括一个无线微控制器接口与传感器。用户面临着独立工作和多样化的电子设备，如电视，掌上电脑，笔记本电脑等。必须要有中间软件来粘合这些异构设备。它还集成了无线传感器网络和IP ，以满足现实世界需求并且能够基于IP的无线传感器网络的电子设备来访问相同或不同网络的其他设备。 TCP / IP堆栈不适合被移植到无线传感器网络节点的内存。它占用更多的内存，并导致更多的开销的无线传感器网络。实现基于IP的无线传感器网络的技术有两种基本方法：基于网关的方法和虚拟网关的方法。一种新的基于无线微控制器的新的网络来集成IP和无线传感器网络被提了出来。硬件采用一个协调员，三台路由器和集成IP和无线传感器网络的一台手持设备。大会提出了新的寻址机制来建立虚拟IP和无线传感器网络地址作为这个集成的一部分。 关键词：无线传感器网络; PAN; PANM; IP I.引言

无线技术（如蓝牙，IEEE 802.11无线局域网和IEEE802.15.4无线传感器网络）的出现奠定了机器之间（M2M）通信的基础。在这一方面，一个设备能协同工作并服务人类的系统是必需的。具有多个输入输出单元，提供了一个连贯和环绕接口的虚拟设备具有许多优点，包括安全性[1]。设备可以共享资源如：处理能力，内存，数据，应用网络接入点和用户借口。 在家的设备将形成一个个人区域网（PAN），其中的设备可能会在网络中动态地出现和消失。这个需求可以通过使用一个能够在PAN内简历虚拟设备的PAN 中间件（PANM）来实现。它可以处理设备的动态存在或消失和设备类型的多样化。本文着重论述在PAN内介于网络层和应用层之间的应用互连。它隐藏了PAN内参与的各个独立的设备，并提出应用程序在设备上运行的与在单独计算机上一样的能力。中间件包含一些智能化功能，同时，它有助于用户控制PAN，提高了人机交互（HCI）。 II.Z IGBEE 技术 为了实现这一引人注目的理念，并让设备到设备的协作，通信和网络必须建立。传统的PAN一直被认为实现了蓝牙技术。使用ZigBee的基于IP的PAN的建立是一个自下而上的网络方式，这是一个明智的一步进程。在“PAN外围（ZigBee 设备）'必须建立链路层连接到邻近的设备。当链路已建立连接，该设备可能会继续配置IP网络层并将它的地位提升到“ZigBee PAN主机”。当IP连接[3]建立后，设备可能会继续配置IP网络层来参与网络运营和管理，其中包括作为'zigbee PAN - 路由器‘的[4]PAN路由协议。该网络建立过程开始于两个设备发现对方，洽谈，互相配对，并在设备发现和连接建立阶段形成初始PAN网络。这有两个方面的考虑：1，形成家庭网络和人机界面；2，利用IP连接到外部世界。 IEEE 802.15.4协议被采纳为低速率无线局域网的个人区域网络（LR-WPAN）的一个通信标准[2]。ZigBee是一种无线网络标准，其目的是遥控和传感器的应用，它适用于在恶劣的无线环境和在隔离的位置。它建立在标准IEEE802.15.4，其中定义了物理层和MAC层。Zigbee的还定义了应用程序和安全[1]层规范实现来自不同厂商的产品之间的互操作性。图1显示了Zigbee协议作为一个超集的IEEE 802.15.4的。

最新无线传感网知识点

第一章无线传感网概述 1.无线传感器网络的概念：无线传感器网路是一种由多个无线传感器节点和几个汇聚节点构成的网络，能够实时的检测、感知和采集节点部署区域的环境或感兴趣的的感知对象的各种信息，并对这些信息进行处理后一无线的方式发送出去。 2.WSN的特点及优势 1）WSN与Ad hoc共有的特征：自组织；分布式；节点平等；安全性差 2）WSN特有的特征：计算能力不高；能量供应不可代替；节点变化性强；大规模网络 3.无线传感器网络架构： 1）协议：物理层，数据链路层，网络层，传输层，应用层 物理层：负责载波频率产生、信号的调制解调等工作，提供简单但健壮的信号调制和无线收发技术。 数据链路层：（1）媒体访问控制。（2）差错控制。 网络层：负责路由发现和维护，是无线传感器网络的重要因素。 传输层：负责将传感器网络的数据提供给外部网络，也就是负责网络中节点间和节点与外部网络之间的通信。 应用层：主要由一系列应用软件构成，主要负责监测任务。这一层主要解决三个问题：传感器管理协议、任务分配和数据广播管理协议，以及传感器查询和数据传播管理协议。 2）管理平台：（1）能量管理平台（2）移动管理平台（3）任务管理平台 （1）管理传感器节点如何使用资源，在各个协议层都需要考虑节省能量。 （2）检测传感器节点的移动，维护到汇聚节点的路由，使得传感器节点能够动态跟踪其邻居的位置。 （3）在一个给定的区域内平衡和调度检测任务。 4.无线传感器网络所面临的挑战：低能耗，实时性，低成本，安全和抗干扰，协作 第二章无线传感网物理层设计 1.WSN物理层频率的选择：一般选用工业，科学和医疗频段。ISM（医疗）频段的主要优点是无需注册的公用频段、具有大范围可选频段、没有特定标准、灵活使用。欧洲使用433MHZ，美国使用915MHZ频段 2.WSN结构采用的是无线射频通信 第三章数据链路层 1.MAC协议分类： 1）按节点的接入方式：侦听（间断侦听：DEANAdeng），唤醒（低功耗前导载波侦听MAC协议），调度（主要使用在广播中） 2）按信道占用数划分：单信道（主要采用），双信道，多信道 3）信道分配方式：竞争型（S-MAC，T-MAC,Sift），分配型（SMACS，TRAMA），混合型（ZMAC），跨层型 2.分配型MAC协议采用TDMA,CDMA,SDMA,FDMA等技术 3.数据链路层的关键问题：能量效率问题，可扩展性，公平性，信道共享，网络性能的优化 4.记忆竞争的S-MAC协议，具有以下特点： （1）周期性的侦听和睡眠 （2）使用虚拟载波侦听和物理载波侦听进行冲突避免 （3）自适应侦听 （4）将长消息分成子段进行消息传递 5.基于竞争的T-MAC协议：为了改进S-MAC协议不能根据网络负载调整自己的调度周期的缺点，T-MAC协议根据一种自适应占空比的原理，通过动态地调整侦听与睡眠时间的比值，从而实现节省能耗的目的。主要解决了早睡的问题 6.基于竞争的Sift协议：为了解决多个相邻节点都会发现同一事件并传输相关信息而导致空间竞争现象，它采用CSMA机制，竞争窗口的大小原本是设定好的，采用非均匀概率来决定是否发送数据，特点如下： （1）无线传感传感器网络中基于空间中的竞争 （2）基于时间的报告方式 （3）感知事件的节点密度的自适应调整 7.基于分配的SMAC协议：该协议假设每个节点都能够在多个载波频点上进行切换，将每个双向信道定义为两个时间段。SMAC协议是一种分布式协议，允许一个节点集发现邻居并进行信道分配。SMAC协议可避免全局时间同步，从而减少复杂性 8.基于分配的TRAMA协议：该协议采用了流量自适应的分布式选举算法，节点交换两跳内的邻居信息，传输分配时指明在时间顺序上哪些节点是目的节点，然后选择在每个时隙上的发送节点和接收节点，TRAMA将一个物理信道分成多个时隙，通过对这些时隙的复用为数据和

Zigbee无线传感器网络英文文献

Ｚigbee Wｉreｌess Sensor Ｎetworｋin Eｎvironmｅntal Monｉ ｔoｒｉng Applicaｔions I.?ZIGBEＥTECHNOLＯGＹ Ｚigbeｅis a wiｒeless stanｄarｄbasｅd oｎIEEE8０2.15．４ｔｈaｔw ａs deveｌopeｄto ａｄdｒeｓs the unique nｅeds of most wiｒeｌess seｎｓｉｎg ａｎｄcｏntrol aｐplｉcationｓ. Tｅｃｈｎoｌｏｇy iｓlow cost, ｌow power，a ｌｏｗdａtａｒatｅ，highly rｅliable，ｈighly secure ｗireleｓs net ｗoｒkiｎg protｏcol tａrgeｔed towａrｄsａｕｔomａｔiｏn ａnd ｒｅmote con ｔｒol apｐlicatiｏns.It’s ｄepictｓｔwo keｙpｅrｆormance chaｒａｃterisｔicｓ–wirelｅｓs radio rａnｇe and ｄata trａnｓmissiｏｎｒatｅｏｆthｅｗｉrelesｓspeｃtrum.Cｏmpaｒｉnｇto otheｒwｉｒeless neｔwｏrking prｏｔｏco ｌｓｓuch as Bluｅtoｏth, Wi-Fi, UWB andｓoｏｎ, shoｗｓｅｘcｅｌlent ｔranｓmissioｎabilityｉｎlｏweｒｔransmissｉoｎraｔe and higｈｌy capacity of nｅｔwork. A. ZｉgｂeｅFramework Ｆrameworｋis ｍade up of a set oｆbｌocｋs called ｌayeｒs.Ｅach layｅｒpｅrforｍｓa specifｉc set oｆservices for the layer abovｅ.Ａs shｏｗｎin Fｉg.1. Ｔｈe IEＥE 8０2.15.４ｓｔandarｄdefinｅs thｅtwo loｗｅr ｌayers: ｔｈｅｐhysiｃaｌ（PHY)ｌaｙer aｎd thｅmediumａｃｃeｓs ｃoｎtｒｏｌ(MAC)lａｙer. Ｔhe Alｌiａncｅbｕiｌds ｏn this foundation by pｒoviding the ｎｅtｗork ａnd seｃurity ｌaｙｅr and the framework for the ａpｐliｃａtion layeｒ. Fig.1 Fraｍewｏrk The IEＥE 802．1５.4ｈａs two PHY lａyerｓthat ｏperate ｉn tｗo separate ｆrequenｃy ranges: 8６８／９15ＭHz and ２.4ＧHz. Mｏreoveｒ，ＭAC suｂ－layｅr c

《无线传感器网络》试题.

《无线传感器网络》试题 一、填空题（每题4分，共计60分） 1、传感器网络的三个基本要素：传感器，感知对象，观察者 2、传感器网络的基本功能：协作地感知、采集、处理和发布感知信息 3、无线传感器节点的基本功能：采集、处理、控制和通信等 4、传感器网络常见的时间同步机制有： 5、无线通信物理层的主要技术包括：介质的选择、频段的选择、调制技术和扩频技术 6扩频技术按照工作方式的不同，可以分为以下四种： ：直接序列扩频、跳频、跳时、宽带线性调频扩频 7、定向扩散路由机制可以分为三个阶段：周期性的兴趣扩散、梯度建立和路径加强 8、无线传感器网络特点：大规模网络、自组织网络、可靠的网络、以数据为中心的网络、应用相关的网络 9、无线传感器网络的关键技术主要包括：网络拓扑控制、网络协议、时间同步、定位技术、数据融合及管理、网络安全、应用层技术等 10、IEEE 802.15.4标准主要包括：物理层和MAC层的标准 11、简述无线传感器网络后台管理软件结构与组成：后台管理软件通常由数据库、数据处理引擎、图形用户界面和后台组件四个部分组成。 12、数据融合的内容主要包括：多传感器的目标探测、数据关联、跟踪与识别、情况评估和预测 13、无线传感器网络可以选择的频段有：868MHZ、915MHZ、2.4GHZ 5GHZ

14、传感器网络的电源节能方法：休眠机制、数据融合等， 15、传感器网络的安全问题：(1) 机密性问题。(2) 点到点的消息认证问题。(3) 完整性鉴别问题。 16、802.11规定三种帧间间隔：短帧间间隔SIFS，长度为28 s 、点协调功能帧间间隔PIFS长度是SIFS 加一个时隙(slot)长度，即78 s 分布协调功能帧间间隔DIFS ，DIFS长度=PIFS +1个时隙长度，DIFS 的长度为128 s 17、任意相邻区域使用无频率交叉的频道是，如：1、6、11频道。 18、802.11网络的基本元素SSID标示了一个无线服务，这个服务的内容包括了：接入速率、工作信道、认证加密方法、网络访问权限等 19、传感器是将外界信号转换为电信号的装置，传感器一般由敏感元件、转换元件、转换电路三部分组成 20、传感器节点由传感器模块、处理器模块、无线通信模块和能量供应模块四部分组成 二、基本概念解释（每题5分，共40分） 1.简述无线网络介质访问控制方法CSMA/CA的工作原理 CSMA/CA机制: 当某个站点（源站点）有数据帧要发送时，检测信道。若信道空闲，且在DIFS时间内一直空闲，则发送这个数据帧。发送结束后，源站点等待接收ACK确认帧。如果目的站点接收到正确的数据帧，还需要等待SIFS时间，然后向源站点发送ACK确认帧。若源站点在规定的时间内接收到ACK确认帧，则说明没有发生冲突，这一帧发送成功。