目 录 摘 要 I Abstract II 第1章 绪 论 1 1.1 选题背景 1 1.2 选题的目的及意义 1 1.3 国内外发展概况 2 第2章 ZigBee协议 5 2.1 技术简介 5 2.1.1 ZigBee联盟的由来 5 2.1.2 ZigBee技术优势 5 2.1.3 ZigBee的应用 6 2.2 ZIGBEE网络体系结构 7 2.2.1 功能类型 7 2.2.2 节点类型 7 2.2.3 拓扑结构 7 2.2.4 工作模式 9 2.3 原语的概念 10 第3章 ZigBee组网方案的设计 11 3.1 ZIGBEE协议栈架构 11 3.2 组网方案的设计 12 3.2.1 网络初始化 12 3.2.2 节点通过协议器加入网络 14 3.2.3 节点通过已有节点加入网络 16 第4章 ZigBee协议的算法 19 4.1 ZIGBEE路由算法设计目标 19 4.2 路由成本 19 4.3 网络地址分配机制 20 4.4 CLUSTER-TREE路由算法 20 4.5 AODV路由算法 21 4.6 改进AODV的AODVJR路由算法 21 4.7 ZBR路由算法的设计 25 4.7.1 ZBR算法的设计 25 4.7.2 路由维护 28 第5章 ZigBee网络试验 30 5.1 平台介绍 30 5.1.1 硬件平台 30 5.1.2 软件平台 31 5.2 星状网通信实验 33 5.2.1 实验内容 33 5.2.2 实验步骤 33 5.2.3 实验参考程序 37 结 论 40 致 谢 41 参考文献 42 ### 基于ZigBee的无线组网的研究 #### 一、绪论与选题背景 **选题背景**：随着物联网技术的发展，低功耗、低成本且高效的无线通信技术成为研究热点之一。ZigBee作为一种新兴的无线通信技术标准，专门针对低速无线个域网（LR-WPAN）而设计，具有低成本、低功耗和短距离通信等特点，适用于军事、工业自动化、智能家居等多个领域。 **选题的目的及意义**：虽然ZigBee技术已经得到了广泛应用，但由于其出现时间相对较晚，相关的规范和技术细节仍在不断完善之中。本研究旨在深入探讨ZigBee技术的网状网络组网方案，并对其进行优化改进，以提高网络效率并减少通信延迟，为ZigBee技术的实际应用提供理论支持和技术方案。 **国内外发展概况**：在国外，ZigBee技术已经在智能家居、环境监测等方面有了一定的应用基础，但在大规模部署和特定场景下的优化方面还有待探索。在国内，虽然ZigBee技术的应用起步较晚，但近年来发展迅速，尤其是在智慧城市建设和工业物联网领域。 #### 二、ZigBee协议详解 **技术简介**： - **ZigBee联盟的由来**：ZigBee联盟成立于2002年，是由多家公司共同发起的技术联盟，致力于推广ZigBee技术的标准制定和应用推广。 - **ZigBee技术优势**：ZigBee技术具有低成本、低功耗、安全性高、网络容量大等优点，特别适合用于自动控制和远程监控系统。 - **ZigBee的应用**：广泛应用于智能家居、智能照明、安防系统、环境监测、医疗健康监测等多个领域。 **ZIGBEE网络体系结构**： - **功能类型**：包括物理层、MAC层、网络/安全层和应用框架层。 - **节点类型**：协调器、路由器和终端设备。 - **拓扑结构**：主要包括星型、树型和网状网络三种拓扑结构。 - **工作模式**：包括主动模式、被动模式以及混合模式等，不同的工作模式适用于不同的应用场景。 **原语的概念**：原语是操作系统中的基本操作单元，在ZigBee协议中主要用于节点之间的交互和通信。 #### 三、ZigBee组网方案的设计 **ZIGBEE协议栈架构**：通常包括物理层（PHY）、介质访问控制层（MAC）、网络层（NWK）和应用层（APL），每一层都有明确的功能划分。 **组网方案的设计**： - **网络初始化**：网络初始化是指协调器启动后建立网络的过程，包括网络参数的设置、信道的选择等。 - **节点通过协议器加入网络**：新节点加入网络时，首先通过协议器（通常是协调器或路由器）发送加入请求，协议器验证节点身份后分配网络地址。 - **节点通过已有节点加入网络**：当网络中有多个路由器时，新节点可以通过任一路由器加入网络，这种方式可以提高网络的灵活性和稳定性。 #### 四、ZigBee协议的算法 **ZIGBEE路由算法设计目标**：旨在寻找最短路径、最小化能耗并确保数据传输的可靠性。 **路由成本**：衡量路由选择过程中所需资源的一个指标，通常考虑的因素包括距离、能量消耗、信号强度等。 **网络地址分配机制**：为了保证网络中各节点的唯一性，需要采用一定的网络地址分配机制，常见的方法包括静态分配和动态分配两种。 **CLUSTER-TREE路由算法**：一种适用于树型拓扑结构的路由算法，通过构建层次化的网络结构来提高数据传输效率。 **AODV路由算法**：按需距离矢量（Ad hoc On-demand Distance Vector）算法，适用于移动自组织网络，通过按需建立路由来降低网络开销。 **改进AODV的AODVJR路由算法**：针对AODV算法控制开销过高的问题，提出了基于最快路径的AODVjr算法，该算法通过简化路由发现过程和路由表结构、取消Hello消息等方式降低控制开销。 **ZBR路由算法的设计**：结合AODVjr算法和Cluster-Tree算法的优点，提出了一种新的ZBR路由算法。该算法能够在保持较低控制开销的同时，实现高效的路由选择。 #### 五、ZigBee网络试验 **平台介绍**： - **硬件平台**：包括ZigBee模块、微控制器、传感器等硬件设备。 - **软件平台**：使用IAR Embedded Workbench等开发工具进行编程。 **星状网通信实验**： - **实验内容**：通过构建一个简单的星状网络，测试网络中数据包的成功传输率和网络性能。 - **实验步骤**：首先配置网络参数，然后启动协调器和终端节点，观察终端节点的数据传输情况。 - **实验参考程序**：根据实验目的编写相应的程序代码，用于控制节点的行为和数据传输。 #### 结论 通过对ZigBee协议及其组网方案的深入研究，提出了改进的组网方案和路由算法，有效提高了网络的性能和效率。实验结果证明了这些改进措施的有效性和可行性，为进一步推动ZigBee技术在实际应用中的普及提供了有力支持。

针对医院对住院患者人体基础体温高精度、连续24小时实时监测的需求。采用ZigBee无线通信技术，实现多节点的自动组网与数据传输；利用4X1DS18B20温度传感器阵列采集温度数据并对该组数据进行算术平均运算，结合最小二乘法数据拟合算法，提高体温测量精度；通过利用支持向量机分类算法结合卡尔曼滤波算法，实现对干扰脉冲的有效滤除。通过与传统水银温度计体温测量、手持式电子体温计体温测量对比试验，验证了该系统连续测量的可靠性，在人体主要体温测量段35~39 ℃，测量精度为0.06 ℃。

目前医院中对病人输液和血压心跳等生理特征的监测大多采用人工进行，且需病人配合，导致效率低下和一定程度的不安全性，造成了不能及时得到相关数据、及时发现异常情况和缺乏输液结束提示等问题。针对这些问题，设计了一种基于无线传感器网络、能对病人的状态，包括病人的输液状况和病人心跳、血压等数据自动进行采集和传输的监控系统。系统中的数据传输采用基于Zigbee技术的无线传感器网络，将各监测点作为无线传感器节点，定时将各个节点采集的信息通过自动路由传输给控制台中心机。在控制台中心机上，自动比较各项数据是否在正常范围内，并及时对异常情况发出警报；控制台中心机还能自动发送病人特征数据定时监测指令给监测点，以便监测点做出相应的处置。这就大大降低了护理强度，减小了人为疏忽造成的医疗事故率，从而极大地提高了医疗效率和质量。

针对目前室内环境实时监控系统存在安装布线困难、监控难度大、人工智能化程度低等问题，设计开发了一种基于ZigBee与语音识别控制相结合的控制系统。采用LD3320语音芯片进行本地语音控制，并结合Andriod手机的远程语音识别来控制终端节点设备，大大提高了语音控制的灵活性与可操作范围。结合ZigBee进行数据采集实现了对家居环境中的照明设备、温湿度、空气质量、室内状态的实时监控。实验结果表明，系统节点性能良好，具有语音识别速度快，实时性好等优点。

 设计一个基于Zigbee的智能灯光跟随系统。系统中连接有人体红外热释电传感器的Zigbee结点等距离分布在走廊或道路的旁边，检测特定区域人员是否存在的信息，并将信息传于协调器节点，协调器节点连接主控制器PXA270，PXA270根据采集的信息控制舵机的转向和照明装置的亮与灭，实现有人走动存在时，灯光随着人的转移而转移，无人时照明系统自动熄灭，从而实现节约能源的效果。

为了满足当今社会对穿戴式医疗监护的需求，设计并制作出了一种基于ZigBee技术的穿戴式医疗监护系统节点。该节点硬件部分采用了CC2530单片机和多种传感器，软件部分使用TI公司的Z-Stack协议栈，最终以相对低的成本实现了低生理、心理负荷下对人体体温、脉搏、生理姿态的获取。

对基于 ZigBee 技术对嵌入式 Web 的智能家居远程监控系统进行研究和设计。对家居设备通过Zigbee进行无线组网，把家居设备的信息和数字视频传输到因特网网络上，在因特网上设立一个"无线视频网关"WEB服务器，可供外部访问；实现将家居信息如温度进行实时的显示并进行后续的利用和控制；同时将收集各处传输进来的数字视频信息进行后续的处理和识别。如入侵检测，人脸检测和识别等。

为了实现家居生活智能、方便、舒适等目的,提出了一种基于ZigBee智能家居控制系统解决方案，并完成了系统的软硬件设计。该系统的以ARM处理器为控制中心，内部搭建服务器，结合ZigBee无线通信技术，实现了对室内灯光、窗帘，常用家电的协调控制。经测试，该系统稳定、操作简便、易于扩展，适用于对实时性要求不高的家居场合，达到了设计要求。

为加大对城市水质的监控力度，设计了基于无线传感器网络的网络化、智能化水环境监测系统。该系统采用模块化设计的思想，使用集成MCU+射频收发芯片的SOC设计方案，选择CC2530芯片作为无线收发芯片、CC2591芯片作为低功耗射频前端，并使用ZigBee建立无线数据网络，将水质参数经GPRS DTU模块传递至上位机控制系统，并在水质参数超标告警后自动进行数据高速采集和优先传输。在无线传感器网络拓扑控制中使用低功耗自适应集簇分层型协议节点控制算法优化簇头节点轮换机制，实现低功耗和能量均衡。测试结果表明，该系统能有效监控较大区域水质参数，能量利用效率和工作寿命都有提高，具备一定的应用价值。

传统的气象监测系统在气象监测节点组网连接的成本、功耗，监测节点的管理，以及气象数据的发布、共享等方面都有一些缺点和不足。针对这种情况，设计了一个无线传感网气象监测系统。所设计的无线传感网气象监测系统达到设计的要求，系统支持多个气象监测节点，系统可以通过ZigBee、GPRS网络通信，可以方便地管理气象监测节点、获取与处理气象数据。