1. 研究目的与意义（文献综述包含参考文献）

文献综述

1.研究背景

现代社会，人们越来越忙碌，生活节奏越来越快，人们对于舒适生活的要求也变得越来越强烈。智能家居控制系统可以提供更好的处理方案，及快捷又省力，还能提供舒适健康的环境。Zigbee可以用来检测室内温度从而进行温度的调节，同时它又加强了处理紧急情况的能力，增强了住户的安全感，从而提高生活质量。Zigbee的低能耗与高效率，大大满足了智能家居的要求，使用起来快捷方便，节能高效，他对于改善现代人类的生活质量[1]，创造舒适、安全、便利的生活有着非常重要的意义。

2.关于无线传感器网络的介绍和现状以及发展趋势

无线传感器网络(WirelessSensorNetwork,WSN)是一种集成了计算机技术、通信技术、传感器技术的新型智能监控网络,已成为当前无线通信领域研究的热点。无线传感器网络具有以数据为中心、自组织、可快速部署等特点,非常适合一些特殊场合的应用。WSN中的传感器通过无线方式通信，因此网络设置灵活，设备位置可以随时更改，还可以跟互联网进行有线或无线方式的连接。通过无线通信方式形成的一个多跳自组织网络。信息的获取是信息技术产业链和应用环节的第一步，没有它就没有信息的传输、处理和应用，也就没有信息化[2]。传感器技术是信息获取的最重要、最基础的技术。传感器技术获取技术从单一的数据采集向集成化、微型化、智能化、网络化方向发展，并且出现了传感器网络技术和相关应用。计算机的运算速度突飞猛进，使数据处理和计算能力迅速提高；存储器的容量无限增长，使海量存储终于得以实现；网络的带宽一再提升，传输数据已变得轻而易举。这时候人们却发现，与这些技术的发展不协调的是信息的采集和获取手段已大大落后了。于是，融合了传感器技术、信息处理技术和网络通信技术的无线传感网络技术应运而生。

无线传感器网络技术是典型的具有交叉学科性质的军民两用高科技技术、可以广泛应用于军事、国家安全、交通管理、灾害预测、医疗安全、制造业和城市信息化建设等领域。WSN的发展得益于微机电系统、片上系统、无线通信和低功耗嵌入式技术的飞速发展。WSN广泛应用于军事、智能交通、环境监控、医疗卫生等多个领域。其特点有：大规模、自组织、动态性、可靠性、以数据为中心、集成化、具有密集的节点布置、自组织方式等。

目前大部分已部署的WSN，都仅限于采集温度、湿度、位置、光强、压力、生化等标量数据，而在医疗监护、交通监控、智能家居等实际应用中，我们需要获取视频、音频、图像等多媒体信息，这就迫切需要一种新的无线传感器网络无线多媒体传感器网络。无线多媒体传感器网络（WMSN，WirelessMultimediaSensorNetworks）是在传统WSN的基础上引入视频、音频、图像等多媒体信息感知功能的新型传感器网络.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新节点的加入要求传感器网络系统能适应这种变化，具有动态的系统可重构性[3]。

无线多媒体传感器网络是在无线传感器网络中加入了一些能够采集更加丰富的视频、音频、图像等信息的传感器节点，由这些不同的节点组成了具有存储计算和通信能力的分布式传感器网络。WMSN通过多媒体传感器节点感知周围环境中的多种媒体信息，这些信息可以通过单跳和多跳中继的方式传送到汇聚节点，然后汇聚节点对接收到的数据进行分析处理，最终把分析处理后的结果发送给用户，从而实现了全面而有效的环境监测[6]。

与传统的WSN相比，WMSN有如下特点，参见下表。

WMSN集成和拓展了传统WSN的应用场合，广泛用于安全监控、智能交通、智能家居、环境监测等需要多媒体信息的场合。

①安全监控：在重要的公共场所，可以利用多个视频传感器节点通过无线方式组成分布式监控网络，完成监控区域内的视频信号采集和监视。

②智能交通：分布式布置的WSMN可以在城市内的交通枢纽、主干道的交通信息实施监控，统计出交通的热点信息。

③智能家居：例如WSMN可以用于对幼儿园中儿童的教育环境进行检测，对儿童的活动进行跟踪，以便家长全面地了解儿童的学习生活。

④环境监控：例如WSMN用于矿井安全监控时，可以通过声音和视频实时了解井下矿道的动态，提前对安全问题做出预警。

在无线传感器网络的研究中，能效问题一直是热点问题。当前的处理器以及无线传输装置依然存在向微型化发展的空间，但在无线网络中需要数量更多的传感器，种类也要求多样化，将它们进行链接，这样会导致耗电量的加大。如何提高网络性能，延长其使用寿命，将不准确性误差控制在最小将是下一步研究的问题。同时，在以后无线传感器网络接收的数据量将会越来越大，但是当前的使用模式对于数量庞大的数据的管理和使用能力有限。如何进一步加快其时空数据处理和管理的能力，开发出新的模式将是非常有必要的。

3.Zigbee技术的介绍及应用

随着数字通信和计算机技术的发展，许多短距离无线通信的要求被提出。目前，五种短距离无线网络技术正在成为业界谈论的热点，分别是无线局域网（Wi-Fi）、超带宽通信（UWB）、近场通信（NFC）、蓝牙（Bluetooth）、红外线数据通IrDa和ZigBee。本系统运用的正是ZigBee无线通信技术。

长期以来，低价位、低速率、短距离、低功率的无线通讯市场一直存在着。蓝牙的出现，曾让工业控制、家用自动控制、玩具制造商等业者雀跃不已，但是蓝牙的售价一直居高不下，严重影响了这些厂商的使用意愿。在蓝牙技术的使用过程中，人们发现蓝牙技术尽管有许多优点，但仍存在许多缺陷。因此，经过人们长期努力，ZigBee协议在2003年正式问世

根据国际标准规定，ZigBee技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术。其特点是近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低数据速率。主要适合用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备。简而言之，ZigBee就是一种便宜的，低功耗的近距离无线组网通讯技术。ZigBee是一种低速短距离传输的无线网络协议。ZigBee协议从下到上分别为物理层(PHY)、媒体访问控制层(MAC)、传输层(TL)、网络层(NWK)、应用层(APL)等。其中物理层和媒体访问控制层遵循IEEE802.15.4标准的规定。ZigBee的底层技术基于IEEE802.15.4，即其物理层和媒体访问控制层直接使用了IEEE802.15.4的定义[5]。

Zigbee性能有如下几点：

①数据速率比较低，在2.4GHz的频段只有250Kb/S，而且这只是链路上的速率，除掉信道竞争应答和重传等消耗，真正能被应用所利用的速率可能不足100Kb/s，并且余下的速率可能要被邻近多个节点和同一个节点的多个应用所瓜分，因此不适合做视频之类事情。

适合的应用领域传感和控制

②在可靠性方面，ZigBee有很多方面进行保证。物理层采用了扩频技术，能够在一定程度上抵抗干扰，MAC应用层(APS部分)有应答重传功能。MAC层的CSMA机制使节点发送前先监听信道，可以起到避开干扰的作用。当ZigBee网络受到外界干扰，无法正常工作时，整个网络可以动态的切换到另一个工作信道上。

③时延由于ZigBee采用随机接入MAC层，且不支持时分复用的信道接入方式，因此不能很好的支持一些实时的业务。

④能耗特性能耗特性是ZigBee的一个技术优势。通常ZigBee节点所承载的应用数据速率都比较低。在不需要通信时，节点可以进入很低功耗的休眠状态，此时能耗可能只有正常工作状态下的千分之一。由于一般情况下，休眠时间占总运行时间的大部分，有时正常工作的时间还不到百分之一，因此达到很高的节能效果。

⑤组网和路由性网络层特性

ZigBee大规模的组网能力每个网络65000个节点，而每个蓝牙网络只有8个节点。因为ZigBee底层采用了直扩技术，如果采用非信标模式，网络可以扩展得很大，因为不需同步而且节点加入网络和重新加入网络的过程很快，一般可以做到1秒以内，甚至更快。蓝牙通常需要3秒。在路由方面，ZigBee支持可靠性很高的网状网的路由，所以可以布置范围很广的网络，并支持多播和广播特性，能够给丰富的应用带来有力的支持。

本设计中，硬件平台于采用Chipcon公司的基于51的CC2430芯片。CC2430的主要特点如下：（1）高性能和低功耗的8051微控制器核；（2）集成符合IEEE802.15.4标准的2.4GHz的RF无线电接收器；（3）优良的无线接受灵敏度和强大的抗干扰性；（4）在休眠模式时仅0.9微安的流耗，外部的中断或RTC能唤醒系统，在待机模式时少于0.6微安的流耗，外部的中断能唤醒系统；（5）硬件支持CSMA/CA功能；（6)较宽的电压范围（2.0~3.6V）；数字化的RSSI/LQI支持和强大的DMA功能；（7）具有电池检测和温度感测功能；（8）集成了14位模/数转换的ADC；（9）集成AES安全按协处理器；（10）带有2个强大的支持几组协议的USART，以及1个符合IEEE802.15.4规范的MAC计时器，1个常规的16位计时器和2个8位计时器；（11）强大和灵活的开发工具。它支持2.4/GHzIEEE802.15.4/Zigbee协议。协调点的CC2430的I/O口连接数字传感器采集信息[7]。

Zigbee协议栈结构由一些层构成，每个层都一套特定的服务方法和上一层连接，称为协议。数据实体提供数据的传输服务，而管理实体提供所有的服务类型。每个层的服务实体通过服务接入点（SPA）和上一层相接，每个SPA提供大量服务方法完成相应的操作。

协议栈的体系结构从上至下包括：应用层（APL层），网络层（NWK层），媒介层（MAC层），物理层（PHY层）。

IEEE802.15.42003标准定义了最下面两层：物理层和媒介层。ZigBee联盟在此基本上建立的应用层和网络层。应用层APL层有包括应用支持子层（ApplicationSupportLayerAPS），ZigBee的设备对象（ZigbeeDeviceObjectZDO）以及制造商定义的应用对象。

ZigBee网络构架可以分为星型网，树型网和网状网，可以根据实际项目需要来选择合适的网络构架。本课题主要采用树形拓扑结构。树型拓扑包括一个Coordinator以及一系列的Router（路由器）和EndDevice节点。Coordinator连接一些列的Router和EndDevice，它的子节点的Router也可以连接一系列的Router和EndDevice。这样可一个重复多次层级[4]。

ZigBee技术的应用十分广泛，现阶段以商业大楼自动化，家庭自动化控制(新建安装)与仪表控制为重点。虽然ZigBee应用越来越多，芯片出货量也连年递增，但总体来说，ZigBee市场仍然处于起步探索阶段，还没有真正上量起飞，主要表现在在于可应用的终端商用产品还多处于研发阶段，真正上市的不多，具有典型应用的方向和领域便少，点对点的应用较多，体现ZigBee优势的网状网络应用少，缺乏体现ZigBee大型组网应用[9]。

虽然ZigBee在艰难中前进，但未来整个ZigBee产品还是值得我们期待，从技术标准层面上来看，未来ZigBee将紧密迎合物联网大概念方向趋势的发展，努力扮演好传输层界面上的角色，在ZigBee联盟的推动下，ZigBee技术将朝着开发SoC(片上系统)，更多规范，于IPV6结合，更廉价，更省电，更快速等方向发展。

4.国内外研究现状及小结

自从世界上第一栋智能建筑1984年在美国出现后，西方国家先后提出了各种智能家居照明方案，在这方面美国一直处于领先水平。现在，国外的智能家居系统技术已日趋成熟。近年来，以美国微软公司为首的一批国际知名企业，先后跻身于智能家居的研究与开发中。

在国外大型其研发的同时，国内厂商一开始智能家居产品的研发与生产，尤其是一些大公司凭借自己在紫荆与技术方面的优势，在低端产品市场上占据了相当重要的地位。尤其是在近几年基于Zigbee的智能家居系统迅速发展。各个公司的Zigbee产品正如雨后春笋一般迅速出产，智能家居正在逐步覆盖各个阶层。有些国内公司已在市场上推出了自主的智能家居系统，类似的系统在家居环境的检测中均可以实现各种功能。集成无线传感网络技术、智能环境监控技术构建温室群无线监控网络系统，实现温室环境的优化控制和生产全过程的无线、网络化是未来温室监控系统的发展方向[8]。

本系统采用Zigbee组建无线传感网络，用来采集控制室内温度与以上所说的智能家居系统环境监测如出一辙，具有较为可靠的理论依据和较为开阔的开发前景。

参考文献

[1]马海编著.基于ZigBee无线传感器网络的远程数据检测的设计与实现[J].武汉理工大学,2010：1-2.

[2]钟永锋刘永俊编著.ZigBee无线传感器网络[M].北京：北京邮电大学出版社，2011.

[3]高守玮，吴灿阳编著.ZigBee技术实践教程:基于CC2430/31的无线传感器网络解决方案[M].北京：北京航空航天大学出版社，2009.

[4]李小珉赵志宏等编著.ZigBee无线传感器网络的研究与实验[J].电子测量技术，2007，16，(30):1-2.

[5]郭渊博编著.ZigBee技术与应用[M].北京：国防工业出版社，2010.6.

[6]吕治安编著.ZigBee网络原理与应用开发[M].北京：北京航空航天大学出版社，2008.

[7]郭栋，秦明芝等编著.基于CC2430的ZigBee无线传感器网络设计与实现[J].物联网技术，2011，(1):3-4.

[8]李文仲，段朝玉编著.ZigBee2007/PRO协议栈实验与实践[M].北京：北京航空航天大学出版社，2009.

[9]周宇，景博，等编著.基于ZigBee无线传感器网络的嵌入式远程监测系统[J].仪表技术与传感器，2008，(2):10-11.

[10].Shahin,Farahani著.ZigBeeWirelessNetworksandTransceivers[M].NEWNES,2008.

2. 研究的基本内容、问题解决措施及方案

1. 本课题要研究或解决的问题 本系统采用zigbee组建无线传感网络，网络采用树形拓扑结构，包括终端采集节点、路由节点和中心协调器节点。

终端节点上连接温度传感器，用来采集室内温度。

终端采集节点通过路由将数据发送给中心协调器节点，中心协调器节点再通过zigbee模块实时监测温度住处。