zigbee无线传感器网络设计与实现王小强

① 计算机论文参考文献

计算机论文参考文献

在学习、工作中，大家都跟论文打过交道吧，论文对于所有教育工作者，对于人类整体认识的提高有着重要的意义。你知道论文怎样才能写的好吗？下面是我为大家收集的计算机论文参考文献，欢迎阅读与收藏。

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② 基于Zigbee的远程家庭监护系统的应用研究

无线传感器网络是由大量的传感器节点采用无线自组织方式构成的网络 其应用前景广阔[ ][ ] Zigbee技术是一种具有统一技术标准的短距离无线通信技术 其PHY层和MAC层协议基于IEEE ． ． 协议标准 该标准把低能耗 低成本作为重要目标 主要应用于低速传输 可以作为无线传感器网络的通信协议

随着社会老龄化的加剧 解决长期慢性病的监护成为重要的社会问题 一些突发性疾病和家庭保健 如心血管疾病 老人的日常护理 孕妇 胎儿 婴儿 幼儿的保健也需要长期的家庭监护 由于我国医疗资源紧缺 研究基于公用网络的家庭医疗监护 建立小区医疗网络 可以提高医疗服务水平 减轻病人负担 以往的解决方案是采用有线方式或简单的无线数据发射接收方式 被监护者身上安装的传感设备难以自由灵活地移动和接入 系统没有扩展性 成本高 Zigbee 技术的出现为传感器信号的无线传输提供了新的解决方案 Zigbee节点有几十米的覆盖范围 且可以增加路由节点 扩展覆盖范围 因此适用于家庭住宅 同时由于生理监护信号的数据传输流量不大 传输速率为 kbps的Zigbee能够满足生理数据传输要求 Zigbee传感节点可自由灵活地加入和离开网络 具有低功耗和低成本的特点

Zigbee无线传感器网络的上述特点使其在个人生理信号监测和远程家庭监护方面将有很好的应用前景 本文在分析Zigbee无线传感器网络技术的基础上 对其在移动监护的应用进行了研究

基于Zigbee的无线网络家庭监护系统架构

． 远程家庭监护系统对网络的要求

家庭监护网络需要考虑能耗 覆盖面 传输速率和互联网进行通信等因素 本研究采用基于Zigbee技术的无线网络实现在室内对生理信号的采集 通过互联网将生理数据传输到远程监护服务器 人体携带可移动生理信号传感器终端 在网络的可覆盖范围内活动 通过网络内的路由节点接入互联网 Zigbee网络具有自组织 动态路由 网络节点少等特点 同时Zigbee网络考虑了节点的能量节约 减少节点处理器的计算负担等问题 医院或社区的医生可以随时通过互联网查看患者的生理信息 可以对生理传感器的采集方式进行控制 同时也可以获得无线网络中其他监护设备的信息

． 网络拓扑结构

IEEE ． ． 协议的网络拓扑结构有三种类型 星形结构 网格状结构和族状结构．如图 所示 其中网格状结构和族状结构属于点对点的结构 在 ． ． 网络中 根据设备所具有的通信能力可以分为全功能设备(FFD)和精简功能设备(fIFD) FFD设备之间以及FFB设备与RFD设备之间可以直接通信 RFD之间不能直接通信 在IEEE ． + 网络中 有一个称为PAN网络协调器的FFD设备 是传感器网络中的主控制器 每个网络仅有一个主控制器 网络协调器除了直接参与应用以外 还要完成成员的身份管理 链路状态信息管理以及分组转发等功能[ ][ ]

星形网络中所有节点都与中心协调器通信 节点间不能直接通信 中心节点的能量消耗大 适合于网络节点较少 网络结构简单 小范围的网络应用 而点对点网络中只要通信双方都在其辐射范围之内 任何两个设备之间都可以通信 点对点网络中的协调器主要负责实现管理链路状态信息 认证设备身份等功能 点对点网络支持Ad Hoc网络 且可以构造更复杂的网络结构

在家庭监护系统中 被监护对象可能在多个房间内活动 为了能随时扩大覆盖范围 且方便以后功能扩展 选用族状网络拓扑结构 在与互联网的连接方面 建立zi卤ee无线网络与以太网的网桥 将监护信息传送到监控服务器 实现监护信息的共享

家庭监护网络体系结构

基于上述分析 本文设计的远程家庭监护网络体系结构如图 所示 Zigbee无线系统主要由Zigbee无线传感器节点(脉搏传感器节点) 若干个具有路由功能的无线节点和zigbee中心网络协调器(连接家庭无线网桥)组成 无线网桥连接zigbee无线网络与以太网 是家庭无线网络的核心部分 负责无线传感器网络节点和设备节点的管理 图中A B C D为具有路由功能的FFD节点 传感器节点与路由节点自主形成一个多跳的网络

脉搏传感器节点可以通过A B C D节点向网关发送数据 由于被监护者在家庭内自由活动 所以其携带的传感器节点的路由可能是动态变化的 所设计的 Zigbee无线节点的室内通信距离为 ～ m A B C D节点可根据房间的分布进行布置 以能够最大程度地覆盖活动区域 脉搏生理数据经过家庭网关传输到远程监护服务器 远程监护服务器负责脉搏生理数据的实时采集 显示和保存 其他的监护信息如监护图像 安全设备状态等也可以传输到服务器 医院监护中心和医生可以登录监护服务器查看被监护者的生理信息．也可以远程控制家庭Zigbee无线网络中的传感器和设备 从而在被监护病人出现异常时 能及时检测到并采取抢救措施 被监护者的亲属等也可以登录监护服务器随时了解被监护者的健康状况

Zigbee家庭无线网络监护系统硬件结构

对于传感器节点 需要具有小尺寸 低功耗 适应性强的特点 根据 Zigbee协议标准 Zigbee设备发射输出为 ~ ． dbm 通信距离为 ~ m 能够检测能量和链路质量 根据这些检测结果 可自动调整设备的发射功率 在保证通信链路质量的条件下 最小地消耗设备能量 目前市场上的无线发射 接收芯片典型的有Chipcon公司和Freeseale公司的产品 本文选用Freescale的 作为系统的射频芯片 此芯片可以结合Freescale公司的控制器GT 一起组成低功耗的无线模块 无线传感器节点的结构框图如图 所示

由于无线传感器具有随身携带要求 因此采用纽扣电池 脉搏传感器采用PVDF压电薄膜 其输出阻抗很大 由调理电路实现信号放大和滤波 设计时考虑到高频电路对传感器信号的干扰 传感器调理电路与高频发射接收部分分开设计 天线设计是无线模块设计的关键 直接影响到传感器节点的通信质量和通信距离 可以参照常用的 ． GHz天线的设计方法 本设计采用偶极子微带PCB板天线 所有铜箔的走线均采用微带传输线的原理 以减少反射引起的传输损耗 获得较大的输出功率和较高的接收灵敏度

家庭网关负责家庭无线传感器网络的控制和管理 实现信息的融合处理 并将信息传输到互联网 家庭网关的数据传输和运算量较大 并且可以采用外部电力作为电源供应 因此采用具有较强的信息处理能力和网络功能的arm 系列作为控制器 本文采用三星的S C 作为控制器 无线发射芯片采用 Freeseale的MCl 无线控制器芯片采用GT 两者通过SPI口通信 无线网关的硬件结构如图 所示

Zigbee无线网络软件系统

Zigbee协议栈由一系列分层结构组成 每一层为上一层提供服务 数据实体提供数据传输服务 管理实体提供其他功能服务 每种服务实体通过服务接入点CsAP)为上层提供接口 基于Zigtme网络软件分层结构如图 所示

PHY层和MAC层由IEEE ． ． 标准组制定 物理层定义了物理无线信道和MAC子层之间的接口 提供物理层数据服务和物理层管理服务 物理层数据服务从无线信道上收发数据 物理管理层维护一个由物理层相关数据组成的数据库

Zigbee联盟基于 ． ． 标准提供了网络层和应用支持层及应用层框架 Zigbee网络层提供加入和离开网络机制 对数据进行加密以及帧路由等功能 路由协议负责将数据分组从源节点通过网络转发到目的节点 主要完成两个功能 ( )寻找源节点和目的节点间的优化路径 ( )将数据分组沿着优化路径转发 为了能够高效利用能量 减少通信量 Zigbee网络允许树形路由选择 即树形结构选址 有了树形路由选择 设备不必保存占有庞大内存的路由表或者进行额外的空中下载操作来发现路径 从而减小了网络流量 为避免错误信息超过一定长度的过渡路由而产生额外的流量 Zigbee路由允许路由器去发现捷径

路由算法采用AODV(Ad hoc On Demand Distance Vetor)算法 每个路由器维护一张路由表 并定期与其邻居路由器交换路由信息 根据最小路由矢量更新自己的路由表 应用层框架定义监护网络节点协议

无线网关连接内部无线网络与外部有线以太网 网关设计模型如图 所示 网关采用arm 系列实现 运行Linux操作系统 在Zigbee协议帧的基础上 建立无线阿关的通信协议 包括设备编号 数据流方向 数据信息等 开机上电后．系统自检 硬件初始化 与远程监护服务器连接后进入数据流中继服务 实现数据协议的转换等功能 远程服务器接受连接后 随时接收传输的数据．并根据需要分类保存到数据库服务器

实验结果分析

根据设计的zigbee无线监护网络平台 对人体随身携带的脉搏压力信号进行连续采集 并在监护服务器上实时显示 采用 位A/D转换器 数据采样频率 Hz 有线网络环境为校园局域网 采集数据的波形如图 所示 图 为投有使用网络传输 直接经过计算机采集的脉搏信号的波形曲线 采样频率为 Hz

通过对比图 和图 可以看出 经过家庭监护网络采集到的脉搏数据信号波形基本没有变形 只是网络的延时使信号产生了微小的抖动 当系统接入互联网 延时会加大 抖动更加明显 通过增加缓冲区等方法可以减小影响网络延时对实时信号采集 另一方面 由于人体的活动也会给信号带来很大的干扰．可进一步采取滤波等措施减小干扰

lishixin/Article/program/qrs/201311/11071

③ 如何实现通过wifi设置节点参数

基于ZigBee技术的无线传感器网络节点的设计与实现 基于传感器无线传感器网络无线传感器网络的特点,本文以CC2430芯片为核心设计一种用于温湿度测量的无.

④ 无线传感器网络机械振动监测系统设计都可以采用哪些方案

一、无线传感器网络是工业自动化的新热点无线传感器网络的出现引起了全世界范围的广泛关注，被称为二十一世纪最具影响的技术技术之一；改变世界的10大新技术之一；全球未来的四大高技术产业之一。而无线传感器网络技术很快也将进入工业自动化和工业测控领域，大多数工业仪表和自动化产品产品都将很快嵌入无线传输功能，完成从有线到无线过渡；图一是一个典型的工业用无线传感器网络示意图，核心部分是低功耗的传感器节点（可以使用电池长期供电、太阳能电池供电，或风能、机械机械振动发电等），网络路由器（具有网状网络路由功能）和无线网关（将信息传输到工业以太网和控制中心，或者传输通过互联网联网）； 图一，典型的工业用无线传感器网络 图一，典型的工业用无线传感器网络由于市场巨大，许多在工业自动化领域的老牌劲旅，如GE、Honeywell等，都推出了各种工业无线传感器网络产品和系统，国内也有不少研究机构和大型公司公司在进行相关研究，但是，涉及无线传感器网络的技术都是高度保密的东西，我们这些普通的工程师们，很难了解其中的细节和有机会参与任何设计工作；那么，我们作为从事自动化和工业控制的普通工程师们，能否有机会自己动手，来设计适合自己应用需要的工业用无线传感器网络产品？来开发我们自己需要的无线工业自动化项目？无线SoC技术的发展，将使我们的梦想，将变为现实，目前应该是一个明显的转折点和交汇点。回答的肯定的：我们完全可能自己动手，设计适合自己应用特点的工业用无线传感器网络；二、选择合适的微控制器和开发平台二、选择合适的微控制器和开发平台工业环境中的射频通信条件较为恶劣，厂房中遍布的各种大型器械、金属管道等对信号的反射、散射造成的多径效应，以及马达、器械运转时产生的电磁噪声，都会干扰无线信号的正确接收，同时，工业环境强烈的电磁干扰，也对使用在工业无线传感器网络的核心微处理器提出了新的挑战。我们自己动手设计在这样环境中运行的工业网络系统，首先需要选择合适的微处理器和高频电路；图二是一个典型的工业无线传感器网络节点硬件结构示意图 图二工业无线传感器网络节点示意图 图二工业无线传感器网络节点示意图目前TI公司和FREESCALE公司推出的3套最新无线单片机解决方案：MC13224,CC2530,MSP430F5437+CC2520，都是很好的SoC微控制器解决方案，（见表一）这些方案的特点是，高度集成化设计，微处理器和无线收发部分在同一芯片内部，需要电路板面积小于2平方厘米，外围只小于很少零件，就有很强抗干扰能力。工业无线传感器网络的网关，路由器和传感器节点，都可以使用同一微处理器来设计； 主要参数 MC13224 无线单片机 CC2530 无线单片机 CC2520 +MSP430F5437 MCU结构 单芯片，ARM7内核，32位MCU 单芯片8051内核 8位MCU 两片16位MCU 无线高频前端 IEEE802.15.4 IEEE802.15.4 IEEE802.15.4 无线网络协议 ZIGBEEpro 开源和免费 ZIGBEEpro 开源和免费 ZIGBEEpro 开源和免费 无线连接链路 >100DBM >100DBM >100DBM 内置闪存 128K 256K 256K 低功耗时电池寿命 10年 5年 5年 芯片大量采购价格 每片4美元 每片3美元 每套7美元 软件开发平台 IAREWARM IAREW8051 IAREW430 硬件开发系统 ARMRF-MC13224PK C51RF-CC2530PK MSPRF-430F5437 在线仿真器 ARM WXL-CC2530 TI430 网络测试工具 网络分析仪 网络分析仪 网络分析仪 主要参数MC13224无线单片机CC2530无线单片机CC2520+MSP430F5437MCU结构单芯片，ARM7内核，32位MCU单芯片8051内核8位MCU两片16位MCU无线高频前端IEEE802.15.4IEEE802.15.4IEEE802.15.4无线网络协议ZIGBEEpro开源和免费ZIGBEEpro开源和免费ZIGBEEpro开源和免费无线连接链路>100DBM>100DBM>100DBM内置闪存128K256K256K低功耗时电池寿命10年5年5年芯片大量采购价格每片4美元每片3美元每套7美元软件开发平台IAREWARMIAREW8051IAREW430硬件开发系统ARMRF-MC13224PKC51RF-CC2530PKMSPRF-430F5437在线仿真器ARMWXL-CC2530TI430网络测试工具网络分析仪网络分析仪网络分析仪采用上述方案，在保证系统可靠性的前提下，最大的特点是经济和方便，因为无线单片机芯片价格很低，甚至已经低于许多类型普通单片机，设计者可以放手进行设计和调试，不必担心芯片损坏等；另外目前国内嵌入式设计的知识已经相当普及，设计工业用无线传感器网络网关，路由器，节点和设计我们熟悉的普通单片机系统，核心技术没有什么不同，而且，的IAR编译，调试系统是目前世界是最强大的商业化嵌入式C语言软件设计工具，配合成都无线龙通讯提供的无线单片机开发平台，样板工程设计，JTAG在线仿真器，你可以精确的将故障定位到每一行指令，将无线组网和通讯，实现慢动作式的重放，并随时捕获空中无线数据包装；整个无线通讯软件硬件设计的的过程，在这些高级调试开发工具的帮助下，完全透明化，可控制化，使你像开发你的其它单片机系统一样，快捷容易的完成设计任务；三、ZIGBEEpro符合工业无线网络设计要求三、ZIGBEEpro符合工业无线网络设计要求与面向家庭的无线网络技术（ZIGBEE2004到ZIGBEE2006属于这类面向家庭的技术）不同，面向工业自动化应用的无线网络技术需要满足以下五个方面需求，■高可靠性：大部分的工业控制应用要求数据的可靠传输率要超过95%。为了实现在工业现场使用无线通信来实现高可靠传输面临以下挑战，ZIGBEEpro协议栈采用2.4GHz物理层都基于DSSS（DirectSequenceSpreadSpectrum，直接序列扩频）技术（包括数据的调制，激活和休眠射频收发器,信道能量检测,信道接收数据包的链路质量指示,空闲信道评估,收发数据等）具有很强抗干扰能力，而且MAC层和应用层(APS部分)有应答重传功能，另外MAC层的CSMA机制使节点发送之前先监听信道，也可以起到避开干扰的作用；网络层采用了网状网的组网方式，从源节点到达目的节点可以有多条路径，路径的冗余加强了网络的健壮性，如果原先的路径出现了问题，比如受到干扰，或者其中一个中间节点出现故障，ZIGBEEPRO可以进行路由修复，另选一条合适的路径来保持通信。同时，ZIGBEEPRO最新增加的频率捷变(frequencyagility)，也大大加强其作为工业网络使用的可靠性，ZigBeepro网络受到外界干扰，比如各种工业现场的无线干扰，无法正常工作时，整个ZIGBEEPRO网络可以自动动态的切换到全部16个频道的一个干净工作信道上（实现FHSS跳频功能）。和其它目前采用DSSS+FHSS的工业无线网络协议比较，ZIGBEEPRO可靠性和抗干扰性更胜一筹；采用表一的无线单片机，都可以支持ZIGBEEPRO的无线网络协议栈；■严格实时性：对于工业闭环控制应用，数据传输延迟应低于1.5倍的传感器采样时间。ZIGBEEPRO网络针对工业通信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。设备设备搜索时延典型值为毫秒级别，休眠激活时延典型值是15ms，活动设备信道接入时延为15ms，加上ZIGBEEPRO新的路由算法，大大提高了网络路由效率；在通过多跳接力的方式进行传输的延迟大幅度降低，完全能够保证端到端通信实时性。■低能耗：用于对工业全流程进行泛在感知的无线传感器网络节点由于成本的限制和安装条件限制，通常不采用外接电源的方式，而是靠自身携带的电池供电。由于表一中列出的新型无线单片机和ZIGBEEPRO无线前端的一系列革命性的新设计，，节点的电池寿命应达到3至10年。能够实现使用最少的能源的工业用无线传感器网络；■安全性：随着工业控制系统网络化进程的推进，网络安全和数据安全问题日益突出，一些安全漏洞将给工业控制应用造成巨大的损失。无线通信由于信道的开放特征更容易受到攻击，其安全保障机制将更加复杂；为了工业网络应用设计了高安全模式(HighSecurityMode)，就是当节点加入网路时，信托中心(TrustCenter,TC)会先配一把万能金钥(MasterKey)给新加入的节点，然后，新加入的节点再用这把万能金钥透过SKKE的流程，与网路中的任何节点建立连结金钥(LinkKey)，最后再利用连结金钥加密后产生一把网路共用的网路金钥，网路金钥(NWKKey)放在应用层有效载荷中传送给对方，然后再通过网路传输加密资料。ZIGBEEPro的安全设计，完全能够实现工业无线网络对安全通讯的主要要求；而且，如表一所示的新的16位，32位无线单片机具有强大的数据处理能力，已经完全具有能力实现复杂的安全算法的能力，对应工业无线传感器网络提出的挑战。■兼容性：为了保护用户的原有投资，基于工业无线传感器网络要具有与工厂原有的有线控制系统互连和互操作的能力。采用ZIGBEEPRO设计的无线网关，能够实现和目前工业以太网，CAN总线，各种工业控制总线的无缝连接，和互联网的IP通讯。ZIGBEE也是全球无线传感器网络的重要标准，是具有很好兼容性的工业无线传感器网络网络协议软件；综上所述，以传感和控制为目标的ZIGBEEPRO无线网络，具有加强版商业级和工业的协议栈，完全可以满足上述五个方面的要求，使用ZIGBEEPRO协议栈，完全可以设计出图二所示结构那样，满足自己特别应用要求的工业无线传感器网络项目和产品；四，有线到无线，我们笑迎新的技术挑战四，有线到无线，我们笑迎新的技术挑战通过上面的简单介绍，我们看到任何工程师，都有机会来进入这个全新的技术领域，入门并不难，精通也办得到；这是因为我们生活在互联网时代，也是因为国内在这个领域已经有像深圳无线龙科技这样的一批先行者，他们出版了相关中文书籍（北航出版《无线单片机丛书》十本，最新一册是《ZIGBEE2007PRO入门与实战》），提供相关C51RF,MSPRF，ARMRF系列低价格无线单片机开发工具，同时，对ZIGBEEPRO这样的协议栈的应用提供相关技术支持，提供高频模块等服务，这样，就使我们入门进行设计开发时，更加方便容易，另外，TI，Freescale公司，提供了廉价的无线单片机芯片，高性能的免费无线网络协议栈；这些，都为我们投入这个全线的技术领域——相对复杂的工业自动传感器网络和无线工业自动控制领域，打开了方便之门；本文重点介绍的是工业无线传感器网络部分的实现，其实，在已经实现工业无线传感器网络和节点间双向通讯的前提下，实现对工业设备的无线控制控制，包括继电器，I/O,开关控制，电机控制，都已经是很容易实现的，水到渠成的事情，只需要在软件和硬件上进行一些小的扩展就可以了；从有线到无线，从传统有线工业自动化系统，到新的工业无线传感器网络系统，我们面对全新的挑战，让我们现在就出发，在这些设计开发的挑战中，去完成我们技术更新和升华；