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ZigBee技术的无线传感器网络的安全性研究.pdf

发布时间：2022-04-13 发布人：admin 分类：互联网 资料大小：0.40M 资料格式：pdf 举报 版权申诉
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    第28卷第12期 2007年12月 仪器仪 表 学报 Chinese Journal of SCienfific Instrument V01．28 No．12 Dec．2007 ZigBee技术的无线传感器网络的安全性研究‘ 任秀丽。，于海斌2 (1辽宁大学信息科学与技术学院沈阳1 10036 2中闺科学院沈阳自动化研究所沈阳110016) 摘要：无线传感器网络是自动化、通信工程和计算机科学技术学科中一个新的研究领域，主要应用在工业，军事、医疗、商业 等领域。在大多数应用环境中，用户对无线传感器网络的安全性有很高的要求，因此，安全成为制约无线传感器嘲络进一步广 泛应用的关键。然而，最新兴起的ZigBee无线技术能够很好地解决无线传感器网络的安全问题。本文针对ZigBee技术在组网 方式、安全结构、加密算法等安全方面进行了全面的剖析。 关键宇：无线传感器网络；ZigBee；安全；密钥；算法 中图分类号：TP393 文献标识码：A 国家标准学科分类代码：510．50 Study on security of ZigBee wireless sensor network Ren Xiulil，Yu Haibin2 (』&,1wol o，lnformat面n Science＆Technology，LiaoningUniversity，Shenyang 110036，China； 2 Shenyang Institute矿Aatotrmties，Chinese Academy矿Sciences，Shenyang 110016，China) Abstract：Wireless sensoY network is a new research area in automation，communication engineeringand computer science．It Carl be used for various application fields such as industry，military，medical，businessand etc．Since most wireless sensor network applications have strict security requirements，security is a critical issue in wireless sen— for networks．However，the new ZigBee wireless technique can solve these problems．This paper completely analyzes ZigBee network topology，security struetnre，eo_eryption algorithm and other techniques． Key words：wireless sensor network；ZigBee；security；key；algorithm 引 言 协议标准一样，是该项技术发展的阶段性规范的体现．对 该项技术的进展起着重要的推动作用。但是，它又不可 能是完美无缺的，随着技术的发展和应用的需求，必然会 无线传感器网络足自动化、通信工程和计算机科学 对其进行改进和完善。要想正确使用标准并对它进行研 技术学科中一个新的研究领域，是一项应用于某一工作 区域的信息感知和信息收集技术，主要应用于_【业控制、 究．必须对其有深入、全面的了解。本文针对zigBee技 术在组网方式，安全结构、加密算法等安全方面进行了全 军事侦察、环境科学、医疗健康、空间探索、智能建筑等各 面的剖析．肚求促进ZigBee安全技术的进一步发展。 种复杂环境进行检测，诊断、目标定位和跟踪”…。在大 多数应用环境中．用户对无线传感器网络的安全性有很 高的要求，因此，安全成为制约无线传感器嘲络进一步广 2 ZigBee技术和网络体系结构 泛应用的戈键。2004年12月，ZigBeel．0标准正式公布， ZigBee技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低速 该标准体现了无线组网的安全。ZigBee协议标准同其他 率、低成本的无线通信技术。工作在2．4 GHz的ISM频 收稿日期：2005一Il Rw：eived Date：2005．1l ·基金项目：国家自然科学基金(60374072)资助项目 万方数据
    第12期 任秀丽等：zi曲ee技术的无线传感器网络的安全性研究 2133 段上，传输速率为20—250 Kb／s，传输距离为10～75 i'll。 主要适用于自动控制、传感和远程控制领域，可以嵌入到 各种设备中。它依据IEEE 802．15．4标准，在数干个微 小的传感器之间相互协谰实现通信。这些传感器只需要 很少的能量，以接力的方式通过无线电波将数据从一个 传感器传到另一个传感器．所以它们的通信效率非常高。 为了降低系统成本，ZigBee网络中定义，2种类型 的设备”…：一种是全功能设备(full funotion device， FFD)．称为主设备．它承担了网络协调者的功能，可与网 络中任何类型的设备通信。在网络传输过程中，如果采 用安全机制，网络协调者叉可成为信任中心；另一种是简 化功能设备(reduced function device，RFD)，称为从设备， 它不能作为网络协调者，只能与主设备通信。 提 供 安 全 服 务 应用屡 应用层结构 口BB碱备对象 ZigB阱 设 备 对 象 昔 理 卫 面 网络层 应用支持子层豳匿翻匪 理 圆圜圆l息代理I|管理J J管理J ————丽画f—一 忑翮医而面：蕊 媒体访问柠制层 图2 ZigBee的3种网络安全结构 Fig．2 Three kinds of Zie,‰network security atclliteet#ze ZigBee主要采用了3种组网方式”…：星型网 4安全特点 (Star)、网状型网(Mesh)和簇型网(Clustertree)。如图1 所示。在星型网中，一个功能强大的主设备位于网络的 中心，作为网络协调者，其他主1垃备或从设备分布在其覆 盖范围内。网状型网是由主设备连接在一起形成的，网 络中的主设备互为路由器。簇型网是由星型网和网状型 网相结合形成的，各个子网内部都以星型网连接，其主设 备又以对等的方式连接在一起。数据流首先传到同一个 子网内的主设备，通过网关节点达到更高层的子网，随后 继续上传，最后到达汇集中心没备。 图l ZigBee的3种网络结构 Fig 1 Three kinds of ZigBee network architecture 3安全结构 ZigBee技术的物理层和数据链路层协议主要采用 IEEE802．15．4标准，而网络层和应用层由ZigBee联盟负 责建立。物理层提供基本的无线通信；数据链路层提供 设备之间通信的可靠性及单跳通信的链接；网络层负责 拓扑结构的建立和维护、命名和绑定服务，它们协同完成 寻址、路由及安全这些不可缺少的任务；应用层包括应用 ZigBee技术在安全方面具体表现为如下特点： (1)提供了刷新功能 刷新检查能够阻止转发的攻击；ZigBee设备保持输 入和输出刷新计数器，当有一个新的密钥建立时，计数器 就重新设置。每秒通信一次的设备，它的计数器值不能 超过136年。 (2)提供了数据包完整性检查功能 在传输过程中，这种功能阻止攻击者对数据进行修 改。完整性选项有0、32、64或128位，在数据保护和数 据开销之间进行折中选择。 (3)提供了认证功能 认证保证了数据的发起源，阻止攻击者修改一个设 备并模仿另一个设备；认证可应用在网络层和设备层，网 络层认证是通过使用一个公共的网络密钥，这阻止了外 部的攻击，内存开销很少。设备层认证是在2个设备之 间使用唯一的链接密钥，能阻止内部和外部的攻击，但需 要很高的内存开销。 (4)提供了加密功能 阻止窃听者侦听数据。它使用128位AES加密算 法，这种加密保护可应用在网络层和设备层上。网络层 加密是通过使用一个公共的网络密钥，这阻止了外部的 攻击，内存开销很少。设备层加密是在2个设备之间使 用唯一的链接密钥，能阻止内部和外部的攻击．但需要很 支持子层、ZigBee设备对象(ZigBee device object，ZDO) 高的内存开销。 和应用，ZDO负责整个设备的管理，应用层提供对ZDO 和ZjgBee应用的服务。数据链路层、网络层和应用层负 责在各自层上传输安全的数据，而且应用子层提供安全 关系的建立和维护等服务，ZDO管理安全策略和j殳备的 安全配置，ZigBee的安全结构”1如图2所示。 5安全密钥 ZigBee技术在数据加密过程中，可以使用3种基本 密钥．分别是主密钥、链接密钥和网络密钥。主密钥可以 是在设备制造时安装的，也可以通过信任中心设置的．或 者是基于用户访问的数据，例如：个人识别码(PIN)、13 万方数据
    2134 仪器仪表学报 第2 8卷 令和密码等。主密钥是2个设备长期安全通信的基础， (PlaintextData)，该数据是将加密数据m通过右连接非 也可以作为一般的链接密钥使用。所以，必须维护主密 钥的保密性和正确性。在网络传输过程中，采用主密钥 可以阻止窃听；链接密钥是在一个PAN网络中被2个设 备共享的，它可以通过主密钥建立，也可以在设备制造时 负数零形成的，形成的增补数据也必须能整除16。 步骤5最后形成鉴权数据(AuthData)，它是由数据 ArMAfahData和数据PIaintextlAao构成的，即为Authllaa= AddAmhData』Plalra*xtData。 安装；网络密钥可以通过信任中心设置，也可以在设备制 6．2鉴权变换 造时安装。它可应用在数据链路层、网络层和应用层。 数据AuthData构成之后，对它进行加标记变换，具 链接密钥和网络密钥不断地进行周期性的更新。当2 体过程如下： 个{殳备都拥有这2种密钥时，采用链接密钥进行通信。虽然 存储网络密钥的开销小，但它降低了系统的安令性．因为网 络密钥被多个设备所共享，所以它不能阻止内部的攻山。 6加密和解密 ZigBee技术针对不同的应用，提供了不同的安全策 略。这些策略分别施加在数据链路层、网络层和应用层 上，其肘数据的安全保护足在CCM‘模式下执行AES-128 加密算法。CCM’模式是对CCM模式““的一种改进， CCM模式足由计数器(counter，CTR)模式和密码块链接 消息鉴权代码(cipher block chaining—MAC，CBC—MAC)模 式相结合构成的。CCM‘模式的执行包括输入变换、鉴 权变换、加密变换和解密变换，在这4种变换中，通常使 用6个参数．分别是：一个位串密钥Key．其长度key／en为 128位；消息域的长度L(2，3，…，8)；鉴权域的长度M (0，4，6，8，10，12，14，16)；Ⅳ值的域长度为15一￡，对于 在任意一个范围内，使用同一个密钥时，Ⅳ值是唯一的： m个字节串的域长度为I(m)B，它的取值范围为 0≤l(m)<2壮；o个字节串的域长度为l(n)B，它的取值 范匍为0≤l(Ⅱ)<2”。 6．1输入变换 输入变换是要输人鉴权数据n和加密数据m，通过 以下步骤完成： 步骤1 对。个字节串的域长度为f(a)B，形成 ￡(n)字节串。 (1)l(o)=0，则￡(n)为空串； (2)O0时，3位肘域代表整数(村一2)／2，否则，设 置为0。 步骤2形成16个字节的口。域，它是由上面定义的 1个字节标志域(Flags)、15一L个字节的Ⅳ域和用L个 字节表示的长度f(m)域组成，即为： Bo=Flags IIⅣ0f(m) 步骤3分解数据AtahData为口．0曰：||…l}E，式 中每个数据块是一个16个字节的串，则CBC—MAC值 定义为； xo=0。，x。：=E(脚，置0口：)(i=0，…，t) 式中：E(K，X)表示使用密钥K通过函数E对明文J进 行加密；O。代表16个字节全部为0。 再求鉴权标志r，它是一个MAC值，通过将密文 Ⅳ…敏前肘个字节获得的，即为： T：=』rst一吖一bytes(XⅢ) 6．3加密变换 明文数据PlaintextData和鉴权标志丁都已被建立， 使用加密变换进行加密过程如下： 步骤1形成一个字节标志域(Flags)，它是由2个 1位表示保留(Reserved)、3位表示整数0和3位表示整 数￡所组成，即为： Flag．,‘=Reserved||Reserved』0||L 式巾：2个位保留域作为将来的扩充，被设置为0：3位￡ 域表示整数￡一l；3位0域表示0。 步骤2形成16个字节的^．域，它是由1个字节标 志域(Flags)、15一￡个字节的』v域和L个字节表示的整 步骤2再进行L(n)和。本身右连接，形成结果串。 数i组成，即为： 步骤3将结果串形成一个增补鉴权数据(Addauth- 踟缸)，浚数据足通过右连接非负数零形成的，形成的增 补数据能整除16。 步骤4 采用同样方法形成一个增补消息数据 A；=FIags|IⅣII Counteri(i=0，l，2)… 步骤3 分解消息数据PlaintextOata为M．1鸭0 忆I|--·0肘。式中每个消息块肘。都是一个16个字节的 串，密文块c∥．．，c。定被定义为： 万方数据
    第12期 任秀丽等：ZigBee技术的无线传感器网络的安全性研究 2135 C．：=E(Key，A．)oM；(i=1，2，…，f) 6．5．1输入变换 步骤4密文Ciphertext取串C。』c2 ll…0 c。最左 (1)形成n的L(o)即为： 边的f(m)个字节。 步骤5求16个字节的加密块昂为： S“=E(Key，A。) 步骤6加密鉴权标志￡，是由密流s。的最左边M个 L(。)=00 08 (2)￡(o)与。进行右连接： L(口)1『口=00明||00 Ol 02 03 04 05 06 07 (3)形成数据AddauthData： 字节与鉴权标志r进行异或得到的，具体值为： AddauthData=00 08 J|00 0】02 03 04 05 06 07 00 U：=To』Ⅳ#一肘一bytes(5D) 如果上述操作正确，通过对密文Ciphertext和加密鉴 00 0000 00 00 (4)形成数据PlairaextData： 权标志盯进行右连接形成加密消息c．最后被输出。 PlaintextData=08 09 0A 0B 0C OD 0EOFl011 1213 6．4解密变换 在获得了加密密钥K、鉴权域的长度肘和加密消息 c后，就可以对密文进行解密，其过程如下： 步骤1分解接收的消息c为c||矿，最右边的串U 是一个M个字节串，如果这个操作失败，输出无效并停 止。u是加密鉴权标志；最左边串C的长度为l(c)一M 个字节。 步骤2形成一个增补消息CiphertextData。它是通 过右连接串c和非负数零，最后形成的字节串Ciphenext． Data能整除16。 步骤3同样使用加密变换的过程，输入需求的参 数CiphertextData和鉴权标志U，而此时的分解消息为密 文CipherzextData，将它分解为每块C。为一个16个字 节串。 步骤4输出串为m 11 r，最右边串丁是一个盯个字 14151617 018191A181C1D1E 0 00 00 00 00 00 00 oo 00 00 ‘ (5)最后形成鉴权数据AuthData： AutttData=00册0001 02030405 060700000000 00 00 08 09 0A 0B 0C 0D 0EOF 10 11 12 131415161718191AlBlClDlE 00 0000 00 0000 00 00 00 6．5．2鉴权变换 (1)形成标志域Flags。即为： Flags=59 (2)形成风域： Bo=59lI AO A1 A2A3^4^5 A6 A7 03 02 Ol 00 061l 00 17 (3)分解数据AuthData为B，JI岛J|…0口。，每一个 消息块口。为16个字节，最后求得CBC—MAC的值置，如 节串．r为鉴权标志．最左边串m的长度为￡(c)一M个字 表1所示。 节作为输出的明文消息。 总之，ZigBee技术通过采用这种安全策略可以保证 信息的安全传输，阻止了攻击者窃听或截取重要的信息， 保证了无线传输的安全性。 表1 B．和置的值 Table 1 Values ofB。and X 6．5应用实例 已知条件如下： (1)密钥长度是128位，即为： Key=CO Cl c2 c3 c4 C5 c6 C7 C8 C9 CA CB CC CD CE CF (2)消息长度域￡为2个字节，临时值Ⅳ为15一L， 则N等于13字节，即为： N=A0 A1 A2 A3 A4 3．5 A6 A7ll 03 02 01 0011 06 (3)被加密的消息数据m为： m=08 09 0A 0BOC 0D 0E OF 10 11 12 13 14 15 16 171819IAlB JClDIE (4)鉴权数据n为： n=00 0l 02 03 04 05 06 07 (5)鉴权域长度M在本例中取值为8。 万方数据 (4)求鉴权标志r： T=B9 D7 89 67 04 BC FA 20
    2136 仪器仪表学报 第2 8卷 6．5．3加密变换 (1)形成标忠域Flags，即为： Flags=59 (2)定义A，域的值，如表2所示。 表2 A，域的值 TabIe 2Values ofA (4)同样使用加密变换(2)中定义的A。。 (5)分解密文CiphertextData为c．Il c2。 (6)计算加密块P．、P2．如表4所示。 表4加密块只的值 Table 4 Values of ciphertext block P 0 l OlII A0 AI A2 A3 A4 A5 A6 A7 03 02 Ol 00 0611 00∞ 01II A0 At A2 A3 A4 A5 A6 A7 03 02 01 00 06¨00 0l 2叭Il柚Al^2^3 A4 A5 A6盯03 02 ol 00 0611 00 02 (3)分解数据PlaintextData为Ⅳ．0 M2，每一个消息 块肼．为16个字节。 (7)提取明文消息m： (4)计算加密块c，、c：，如表3所示。 爪=08 09 0A 0B 0COD 0E OFl0 11 12 13 14 15 16 采3加密块C。的值 Table 3 Values of ciphertext block C 17¨18191AIBlClDlE 7结 论 (5)形成密文Ciphertrxt Ciphertext=1A 55 A3 6A BB 6C 61 0D06 6B 33 75 64 ZigBee技术是一项最新的短距离无线通信技术。目 前主要用于自动控制和远程控制领域，它是按高度省电、 满足小型廉价设备的无线联网和控制而制定的，现已被 业界认同为传感器网络的基本通信技术。zigBee技术提 供了数据完整性检查、身份认证、加密等功能。不同的应 用可以依据各自的具体要求灵活确定其安全属性。总 之，通过对ZigBee技术安全的深入研究，可以进一步开 9C EFl011 D4 66 4E CA DB 54 A8 发或改进其在安全方面的性能，以便保证ZigBee技术的 (6)定义加密块S。： So=E(研，A。)=B3 5ED5 A6 DC 43 6E49196 17 2，54 77朋B4 39 (7)求得加密鉴权标志U U=OA 89 5C CI D8 FF 94 69 (8)输出加密密文c： 生存空间。 参考文献 AKYILDlZ l F．SU W．SANAKARASUBRAMANIAM Y． et a1．Witless∞n80r networks：A survey[J]．Computer Networks，2002，38(4)：393一．22． c=1A 55 A3 6A BB 6C 61 0D 06 6B 33 75 64 9C EF [2] CUU^R D．ESTRIN D．STRVAsTAVA M．Overview of 10 JlⅢ66 4E CA D8 54 A811 0A 89 5C C11)8 FF 94 69 6．5 4解密变换 (1)分解加密消息c为Cll u： c=IA 55 A3 6A BB 6C 61 0D 06 6B 33 75 649C EF lO||D4 664ECA／)8 54 A8 U=0A 89 5C C1 D8 FF94 69 (2)形成一个增补消息CiphertextData： CiphertrxtDcaⅡ=IA 55 A3 6／t BB 6C 61 0D 06 6B 33 75 64 9CEFl0 0D4 66 4ECA珊54 [3] [4] [5] ∽nsof network[J]．Computer，2004，37(8)：4149． AKYILDIZ I F．SU W．SANKARASUBRAMANIAM Y． ET AL．A survey Oil sensor networksf J]．IEEE Comma． nication Magazine，2002，(8)：102-114 KINNEY P．舀gBee technology：Wireless control that aim· ply works[DB／OL]．http：／／www．hometoys．com／htin- ews／oct03／a rticies／kinney／zigbee．htm，2004-08-30． HANDZISKI V．KOPKE A．KARL H．A t?omm09 wi口e- kss SeDsor network architecture『R]．Berlin：Technical Report TKN-03_012 of the Telecommunicatiorm NetworkB Group．2003． A8¨00 00 00 00 00 oo 00 oo [6] EDGAR H．CALLAWY J．CALLAWAY E H．Wireless (3)形成标志域Fbtgs，即为： Flags=01 sensor networks：Architectures and protocols[M]．New York：AuerI)ach Puhncations．2003：260—300． 万方数据
    第12期 任秀丽等：zjgBee技术的无线传感器网络的安全性研究 2137 [7] P0111E G J，KAISER W J．Witless integrated network ReR Xiuli．feiraale．w鹧bom in Februaryl965．She received 8ellsor$[J]．Communications of the ACM(S0001-0782)， 2000，43(5)：55l-558． [8]CALLAWAY E，GORDAY P，HESTER L，etal Ho呲 networking w／th IEEE 802．15．4：A developments for low—rate witless petsonal area networks『J]．ⅢEE Coat— munication Magszine．2002，40(8)：70．77． bachelor degreefrom Central South UnNemity in 1989，icceived ma．qter degree in 1999 and decwr degree in 2004 both from North— eastern University．She finished pmstdoetoral research in Sheny— ang Institute of Automation，Chinese AcadeaW of Sciences，Shen- yan苗n 2006．Now she is a professor in Liaoning University．Her main r皓earch direction is wirel曲自networks and eommunication． [9]zigB∞Alliance．ZigBee Specificatiorm v1．0[EB／OL]． E-mail：rxl@Inn edu．∞ http：，fⅥ、m．zigbee．org／．2005-07·25 于海斌，男，1964年10月出生．1984年于东北大学获得 [10]HOUSLEY R，WHITING D，FERGus0N N．Counter with 学士学位，分别于1987年和1997年于东北大学获得硕士和 CBC—MAC(CCM)[DB／OL]．http：／／esre．nist．gov／ell- cryption／modew'p叫modes／，2002-06-03． 作者简介 博士学位，现为中科院沈阳自动化研究所研究员，主要研究 方向为工业通信和人工智能。 E—mail：yhb@sin．cn 任秀丽，女，1965年2月出生，1989年 于中南大学获得学士学位．分别于1999和 2004年在东北大学获得硕士和博士学位， Yu Haibin．male．w∞barn in October 1964．He received bachelor de目ree in 1984，m∞ter degree in 1987 and doctor de- gree in 1997 all from Northeastern University．Now he is a r} 2006年博士后出站于中科院沈阳自动化研 究所，现为辽宁大学教授，主要研究方向为 searchfellowin ShenyangInstituteofAutomation，ChineseAcade- “y of Sciences．His research direction is industry communication 无线网络与通信。 E—mail：rxl@lnu．edu en and artificial intelligence． E—mail：yhb@sia．ell 万方数据
    ZigBee技术的无线传感器网络的安全性研究 作者： 任秀丽， 于海斌， Ren Xiuli， Yu Haibin 作者单位： 任秀丽,Ren Xiuli(辽宁大学信息科学与技术学院沈阳,110036)， 于海斌,Yu Haibin(中国 科学院沈阳自动化研究所沈阳,110016) 刊名： 仪器仪表学报 英文刊名： CHINESE JOURNAL OF SCIENTIFIC INSTRUMENT 年，卷(期)： 2007，28(12) 10次 被引用次数： 参考文献(10条) 1.AKYILDIZ I F.SU W.SANAKARASUBRAMANIAM Y Wirless sensor networks:A survey 2002(04) 2.CULLAR D.ESTRIN D.STRVASTAVA M Overview of sensor network 2004(08) 3.AKYILDIZ I F.SU W.SANKARASUBRAMANIAM Y A survey on sensor networks 2002(08) 4.KINNEY P ZigBee technology:Wireless control that simply works 2004 5.HANDZISKI V.KOPKE A.KARL H A common wireless sensor network architecture[Berlin:Technical Report TKN-03-012 ] 2003 6.EDGAR H.CALLAWY J.CALLAWAY E H Wireless sensor networks:Architectures and protocols 2003 7.POTTIE G J.KAISER W J Wireless integrated network sensors 2000(05) 8.CALLAWAY E.GORDAY P.HESTER L Home networking with IEEE 802.15.4:A developments for low-rate wireless personal area networks 2002(08) 9.ZigBee Alliance ZigBee Specifications v1.0 2005 10.HOUSLEY R.WHITING D.FERGUSON N Counter with CBC-MAC (CCM) 2002 相似文献(10条) 1.期刊论文 马斌.赵辽英.MA Bin.ZHAO Liao-Ying ZigBee无线传感器网络在点餐系统中的应用 -计算机系统应用 2010,19(1) 介绍了ZigBee技术的特点,同时阐述了信息化餐饮管理的三种模式,提出了一种基于ZigBee无线传感器网络的点餐系统设计方案.该方案给出了点餐系 统的具体管理模式,对系统各部分的软、硬件进行了设计,并着重阐述了无线传感器组网的过程.研究表明,该无线传感器网络实现了网络组建和数据通信 的功能.基于ZigBee技术的点餐系统具有低功耗,低成本,无线化,通信距离远等特点. 2.学位论文 沈澍 基于ZigBee协议的无线传感器网络开发系统的研制 2008 无线传感器网络是由大量微型无线传感器节点组成的自组织分布式网络智能系统，集成了传感器、微机电系统、现代网络及无线通信、分布式信息 处理技术等，在军事、空间探索、医疗等领域中有着广泛的应用前景。ZigBee技术是一种短距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的无线通信 技术，其特点表明了它很适合用于无线传感器网络。本文在研究了ZigBee技术的基础上设计了一套基于ZigBee协议的无线传感器网络的开发系统。论文 的主要工作包括： 首先介绍了无线传感器网络的体系结构及特点，比较了ZigBee技术与其它短距离无线技术各自的特点，并且指出了ZigBee技术的应用领域及研究现 状。 其次研究了适用于无线传感器网络的IEEE 802.15.4/ZigBee的协议架构，主要包括IEEE 802.15.4PHY层和MAC层结构、功能及主要特点：以及 ZigBee网络层、应用层的基本结构、网络实体及其功能。在研究IEEE 802.15.4 MAC协议的通信原语以及基于通信原语的组网算法的基础上，分析了 IEEE802.15.4 MAC协议和ZigBee网络层协议，可以完成建立新网络、加入网络、离开网络等网络维护功能以及数据的发送接收、路由选择和广播通信等 功能。 接着介绍了一种基于ZigBee协议的无线传感器网络开发系统的硬件设计。给出了无线传感器网络节点的设计方案，主要包括射频SoC芯片CC2430的介 绍、PCB板的设计及单极天线的设计等内容。还给出了用于无线传感器网络实验开发所要用的评估板、开发板以及仿真器的硬件设计，主要包括USB控制 器模块、电源管理模块、UART模块、控制输入模块、显示输出模块、语音扩展模块、传感器模块、外部存储器模块和扩展IO接口模块等的设计。 随后介绍了基于ZigBee协议的无线传感器网络开发系统的软件设计及实现技术。介绍了ZigBee软件编程集成开发平台，在ZigBee协议栈Z-Stack的基 础上进行了相关的软件设计，包括操作系统的完善、硬件驱动的设计、网络配置、实例程序解析和无线温度传感器网络创建等软件设计与实现。 最后介绍了一些开发工具和系统测试。 3.期刊论文 张睿.刘志刚.赵艳华.ZHANG Rui.LIU Zhi-gang.ZHAO Yan-hua 基于TETRA与ZigBee的无线传感器网络 研究 -合肥工业大学学报（自然科学版）2010,33(3) 文章使用TETRA集群数据通信系统开放的PEI数据端口,与ZigBee无线传感器网络中的主节点相衔接,可以构成一种基于TETRA和ZigBee的二级无线传感 器网络.通过相应的研究及实验证实,该网络能够完成远距离、大规模及低成本的传感器数据传输,较好地满足了某些特殊应用场合的需求. 4.学位论文 沈大伟 基于ZigBee技术无线传感器网络的研究 2008 随着科学技术的飞速发展，人类目前已经置身于信息时代，信息的获取是实现信息化的前提，获取信息的一种重要工具就是传感器。综合了传感器 技术、嵌入式计算机技术、现代网络及无线通信技术、分布式信息处理技术等的无线传感器网络是多学科高度交叉的新兴前沿研究热点领域。在作战人
    员通信、环境和气象监测、灾害预警、智能家居、辐射监测等众多领域都发挥着重要作用。低成本、低功耗、应用简单的IEEE802.15.4和ZigBee协议的 诞生为无线传感器网络提供了互联互通的规范。 ZigBee协议是由IEEE802.154标准的PHY和MAC层再加上ZigBee的网终层和应用层组成的，由于网络节点具有成本低、体积小、能量和通信能力有限等 特点，所以此种网络的突出特点是网络系统支持低成本、易实现、低功耗等。 本文介绍了无线传感器网络在国内外的研究现状，给出了无线传感器网络节点设计的方案和步骤，分析和研究了无线传感器网络采用的802.15.4协 议和ZigBee规范，对CSMA/CA算法进行了数学分析和仿真，并对仿真结果做了理论分析。 5.期刊论文 赵仕俊.张朝晖.丁为.ZHAO Shi-jun.ZHANG Zhao-hui.DING Wei 基于ZigBee技术的石油钻井现场无线 传感器网络研究 -石油矿场机械2009,38(7) 在LEACH算法的基础上,研究了一种基于ZigBee技术的石油钻井现场层次型无线传感器网络系统.根据石油钻井现场工况和无线网络节能的需要,设计 了层次型无线传感器网络的拓扑控制机制和路由机制以及周期性模式和中断模式2种工作模式,并对设计方案进行了试验测试.测试结果表明,根据所设计 的拓扑控制机制和路由机制,在周期性模式下,网络数据传输良好,能够稳定、可靠地对数据进行周期性地采集;在中断模式下,网络能够及时地对超限数据 进行传输,具有良好的预警功能.该无线传感器网络的应用能够有效弥补石油钻井现场现有的有线监控系统的不足,对保证钻井安全生产具有重要意义. 6.学位论文 刘辉 ZigBee无线传感器网络的设计与应用 2007 无线传感器网络是当前国际上备受关注的、由多学科高度交叉的新兴前沿研究热点。无线传感器网络综合了传感器技术、无线通讯技术和计算机技 术等，具有信息采集、传输和处理的能力。低成本、低功耗、应用简单的ZigBee协议的诞生为无线传感器网络及大量基于微控制的应用提供了互联互通 的国际标准，也为这些应用及相关产业的发展提供了有力的契机。 目前，国内主要以ZigBee技术的应用研究为主，尚没有对外公布的协议栈。多数应用都是以Freeseale或Microchip公司所提供的开发套件为基础平 台，也有少数有自己的硬件平台，但软件上仍然是在Freeseale或Microchip公司所提供的底层协议API接口基础之上来开发实现的。 本文首先介绍了无线传感器网络和ZigBee技术的相关基础知识，然后在现有的ZigBee硬件方案中选择了Freescale公司提供的解决方案 ：MC9S08GB60和MC13192，并以此方案为背景设计开发了MT-ZigBee硬件平台。接着在深入分析ZigBee协议规范的基础上，对ZigBee协议物理层、MAC层和 网络层功能的设计与实现作了详细介绍。作为对MT-ZigBee硬件平台和协议栈可行性的测试与验证，论文的最后以农业大棚为实际的应用对象，组织了一 个较为简单的应用实例，验证了MT-ZigBee硬件平台和协议栈的可用性。 本文所设计实现的MT-ZigBee硬件平台与简化的ZigBee协议栈，对于ZigBee技术和无线传感器网络的应用研究具有一定的参考价值和实际意义，为 ZigBee无线技术在工业、农业、家庭建筑和环境监测等方面的进一步应用提供了相关的软硬件基础平台，同时也为对ZigBee协议本身的研究与改进提供 了相应的工作基础。 7.期刊论文 朱祥贤.葛素娟.卢素锋.ZHU Xiang-xian.GE Su-juan.LU Su-feng 基于ZigBee技术的无线传感器网络 应用方案 -科技信息2009,""(35) 介绍了无线传感器网络的重要性,提出了基于zigBee技术的无线传感器网络技术方案,介绍了zigBee技术的协议栈结构、ZigBee网络的节点类型、路 由方法、网络拓扑结构、组网过程、TI的单芯片ZigBee解决方案cc2430,最后介绍了基于ZigBee无线网络通信技术的某国家粮食储备库远程监控系统的设 计实例,该系统能耗低、成本低,寿命长,大大节省人力,提高安全性. 8.期刊论文 李小珉.赵志宏.郭志.谭浩.Li Xiaomin.Zhao Zhihong.Guo Zhi.Tan Hao Zigbee无线传感器网络的研 究与实验 -电子测量技术2007,30(6) Zigbee低功耗无线网络作为现存的最适合于搭建无线传感器网络的新兴技术,目前已经越来越多的受到人们的关注.本文详细介绍了Zigbee无线协议 的框架结构,消息传输及寻址方式,并给出了基于Zigbee无线传感器网络的组网及路由过程.最后通过使用Michrochip公司提供的TSZ-008 Zigbee开发套件 ,进行了基于Zigbee协议的消息发送、接收及RFD设备功能实验.实验表明,基于Zigbee技术的无线传感器网络完全可以实现消息的正常传输及组件间的相 互控制,可以最大限度地满足一般应用对无线传感器网络的要求. 9.学位论文 张顺扬 ZigBee无线传感器网络研究及仿真 2008 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(OSI)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。 本文首先介绍了ZigBee的发展前景与研究意义，并列举了一些ZigBee的应用例子与国内外对ZigBee的研究状况；接着根据IEEE 802.15.4标准规范与 ZigBee标准规范，简单扼要地阐述了ZigBee协议栈的物理层、媒体接入层、网络层、安全层和应用框架层等各层的功能以及各层间的接口。 本文着重详细描述了ZigBee无线传感器网络网关与网络节点的研发、ZigBee无线传感器网络网关与因特网的连接、通过因特网访问与控制远程的 ZigBee无线传感器网络节点等实现方法，从而实现无线传感器网络节点对各种传感器信息的采集、传输和远程控制功能。此外，整个无线传感器网络包 括网关与网络节点已通过实验验证。 本文最后使用NS2网络仿真软件对ZigBee无线网络进行仿真研究。首先利用NS2仿真小型网络，并与真实的ZigBee小型网络作对比，包括网络协调器 的启动过程，网络节点加入网络的过程，与丢包率等因素的对比。之后使用NS2仿真大型ZigBee无线网络，并分析了路由协议，丢包率，端到端延迟，网 络抖动率等，获得仿真结果。 10.期刊论文 丁飞.宋光明.李建清.宋爱国.Ding Fei.Song Guangming.Li Jianqing.Song Aiguo 基于ZigBee无线 传感器网络的家庭控制系统 -东南大学学报（英文版）2008,24(4) 提出了一种基于ZigBee无线传感器网络的家庭控制系统,给出系统的软、硬件设计.所设计的网关节点具备网关的基本功能,并结合了Bluetooth和 GPRS通信功能,可以支持近程和远程的综合接入.用户可以采用Pocket PC或者笔记本电脑实现实时数据的采集或者控制指令的执行,也可以通过发送短消 息的方式实行远距离的控制操作.Pocket PC的软件开发平台(包括笔记本电脑监控平台)采用的是Labview图形开发软件.除了网关以外的其他节点都采用 了休眠管理来降低能耗,并最终有效改善了整个系统的生命时间. 引证文献(10条) 1.董方武.华铨平.应玉龙 基于ZigBee的棉织物丝光碱浓度监控系统设计[期刊论文]-化工自动化及仪表 2010(4) 2.李长青.张晓芬 基于ZigBee的瓦斯传感器节点的研究[期刊论文]-通信技术 2010(2) 3.董方武 基于ZigBee的汽车空调控制系统[期刊论文]-电子技术应用 2009(11) 4.董方武 基于ZigBee的分布式织机运行监控系统[期刊论文]-纺织学报 2009(9) 5.董方武.詹重咏 基于CC2430的织机监测系统设计[期刊论文]-微型电脑应用 2009(5)
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