基于ZigBee的无线传感器网络侦听技术研究与实现

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3.0 牛悦 2024-11-19 4 4 1.1MB 56 页 15积分

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摘要

随着无线传感器网络的快速发展和普及，人们的的生活变的越来越智能化。

ZigBee 协议作为无线传感器网络中的一种通信技术很快被越来越多的厂商所采用，

因此该技术被广泛应用于医疗、游戏娱乐和环境监测等领域。为了更好地研究和

应用ZigBee 通信协议，本课题在现有无线传感器网络侦听技术基础上对基于

ZigBee 协议的侦听技术进行了探讨，并完成了 ZigBee 网络侦听系统的搭建。利

用本侦听系统不仅可以研究和分析ZigBee 网络的通信机制，还可以对正在运行的

ZigBee 网络进行监测，发现WSN 中存在的问题。

首先，本论文对本课题的来源和意义进行了简要的分析，对无线传感器网络

侦听系统的国内外发展现状做了详细的阐述，并概括说明了本课题的主要研究工

作和本文在内容上的安排。

其次，本文对当前的几项无线个域网技术进行了对比和分析，并对IEEE

802.15.4 协议标准的MAC 层和物理层进行了详细的介绍。在此基础上，对

ZigBee 协议标准的网络层和应用层的通信机制做了深入的分析。

再次，本文设计了ZigBee 网络侦听系统的框架结构，并详细地介绍了各功能

模块的实现；在CC2430 的芯片上完成了侦听节点程序的设计，并阐述了侦听程

序的设计流程；在Visual Studio 2010 开发环境下设计了上位机侦听软件，并对数

据包获取、帧解析和帧显示模块进行了介绍。

最后，本文对本课题提出的ZigBee 网络侦听系统进行了实验验证，并根据实

验结果对帧的解析和显示、拓扑图绘制和网络状态分析等模块进行了评估；总结

了本课题在研究和应用上的贡献和不足，提出了下一步将要完成的工作。

关键字：ZigBee；无线传感器网络；侦听；CC2430

ABSTRACT

With the rapid development and popularity of wireless sensor networks (WSN),

people’s life becomes more and more intelligent. ZigBee protocol as a WSN

communications technology is quickly adopted by more and more manufactures, which

is widely used in medical, games, entertainment and environmental monitoring, etc. In

order to better study and application of ZigBee communication technology, the subject

discuss and study ZigBee protocol listening techniques based on the existing WSN

listening techniques today.

First, the dissertation gives a brief analysis of the origin and significance of the

subject, a detailed exposition on WSN listening system development status at home and

abroad, and an overview of the major research topics and the content of this article

arrangements.

Secondly, this dissertation compares and analyzes the different the current WPAN

technologies, and introduce the physical layer and the MAC layer of the IEEE 802.15.4

standard. On this basis, the ZigBee protocol standard of network layer and application

layer communication mechanism has been described.

Third, this dissertation gives a summary of the function and framework of the

ZigBee network sniffer system. CC2430 chip structure and function are also described,

which is the base of the design and the implement of the sniffer node. The design of the

sniffer software is also introduced, which include packet catching, frame decoding, and

frame display, etc.

Finally, verifying the performance of the ZigBee network sniffer system through a

lot of experiments. And assessing the function of the frame parsing and display module,

topology drawing module and network status module is also done. Summarizing the

contributions and shortcomings of the subject, this dissertation put forward the next step

work for the ZigBee network sniffer system.

Key words: ZigBee; WSN; Sniffer; CC2430

摘要

ABSTRACT

第一章绪论........................................................ 1

§1.1 来源与意义 ................................................ 1

§1.2 国外概况 .................................................. 1

§1.3 国内概况 .................................................. 2

§1.4 研究工作 .................................................. 3

§1.5 内容安排 .................................................. 4

第二章 WSN 概述 .................................................... 5

§2.1 常见 WPAN 通信标准比较 ...................................... 5

§2.2 IEEE 802.15.4 标准简介 ..................................... 6

§2.2.1 IEEE 802.15.4 WPAN 网络拓扑 ............................ 6

§2.2.2 LR-WPAN 体系架构 ....................................... 9

§2.2.3 服务原语的概念 ........................................ 10

§2.2.4 物理层 ................................................ 11

§2.2.5 MAC 子层 .............................................. 12

§2.3 ZigBee 协议栈概述 ......................................... 13

§2.3.1 ZigBee 协议栈的系统架构 ............................... 14

§2.3.2 应用层 ................................................ 14

§2.3.3 网络层规范 ............................................ 16

§2.4 本章小结 .................................................. 18

第三章 ZigBee 网络侦听系统设计方案 ................................ 19

§3.1 系统架构 .................................................. 19

§3.2 系统硬件环境 .............................................. 19

§3.3 侦听节点程序设计方案 ...................................... 20

§3.4 侦听软件设计方案 .......................................... 22

§3.5 本章小结 .................................................. 23

第四章侦听节点程序设计........................................... 24

§4.1 CC2430 的存储器和DMA 控制器 ............................... 24

§4.1.1 CC2430 的存储器 ....................................... 24

§4.1.2 DMA 控制器 ............................................ 26

§4.2 CC2430 的无线模块 ......................................... 28

§4.2.1 无线收发模块简介 ...................................... 28

§4.2.2 RF 收发和DMA 传输 ..................................... 29

§4.2.3 帧格式和帧接收 ........................................ 29

§4.3 侦听节点程序设计 .......................................... 30

§4.3.1 串口初始化和命令交互 .................................. 30

§4.3.2 RF 包接收 DMA 设置 ..................................... 31

§4.3.3 数据包上传和任务调度 .................................. 32

§4.4 本章小结 .................................................. 33

第五章侦听软件程序设计........................................... 34

§5.1 串口初始化和命令控制模块 .................................. 34

§5.2 串口接收模块 .............................................. 35

§5.3 帧解析模块 ................................................ 36

§5.3.1 MAC 层帧解析 .......................................... 37

§5.3.2 网络层帧的解析 ........................................ 39

§5.3.3 应用层帧的解析 ........................................ 40

§5.4 数据存储和显示模块 ........................................ 41

§5.4.1 数据存储模块 .......................................... 41

§5.4.2 数据显示模块 .......................................... 42

§5.5 本章小结 .................................................. 42

第六章性能评估................................................... 43

§6.1 系统搭建和实验环境 ........................................ 43

§6.2 帧结构显示和包数据显示 .................................... 45

§6.3 拓扑图和网络状态显示 ...................................... 46

§6.4 本章小结 .................................................. 47

第七章总结与展望................................................. 48

§7.1 总结 ...................................................... 48

§7.2 展望 ...................................................... 48

参考文献.......................................................... 50

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成就.................... 53

致谢.............................................................. 54

第一章绪论

§1.1 来源与意义

为了更好地认知和了解这个世界，各式各样的传感器被制造出来去感知这个

世界。以前传感器都是有线的方式连接，建立一个传感器网络要布很多的线，使

用起来相当复杂。无线传感器网络（WSN, Wireless Sensor Network）的出现使我

们能通过无线的方式组建传感器网络[1,2]。众多无线传感器节点分布在检测环境中，

协作地采集、融合、处理和传输感知到的数据，发布给用户以实现特定的应用[3,4]。

无线传感器网络是物联网最重要的基础支撑技术之一，它的技术发展已不仅仅停

留在理论研究和试验阶段，更重要的是要走向市场，实现各种有益于国计民生的

重大产业化应用。

WSN 的应用越来越广泛，我们对 WSN 的要求也越来越高。因此，也出现了

许多的无线传感器网络的网络通信协议。对于无线传感器网络而言，它的可靠性

和通信效率是必不可少的技术指标[5,6]。为了评估 WSN 的通信状况，人们开始采

用各式各样的方法和途径去监测和测试无线传感器网络[7]。我们可以采用软件模

拟的方法对网络协议进行测评和评估，如使用 NS2 等网络仿真工具。但是使用软

件模拟的方法不仅降低理论分析的可信度，还很难真实体现无线通信的不稳定性

[8]。这种用软件模拟出来的结果很难让人满意。事实上，传感器网络在运行中往

往会受到周边环境的影响，导致网络中的节点出现故障。因此，我们需要搭建真

实的WSN 测试系统，以便能够实时地反映 WSN 在工作过程中出现的问题。

§1.2 国外概况

目前，国内外有很多知名的公司和研究机构，推出了不同层次和不同类型的

针对无线传感器通信协议的研究和开发测控平台[9]。MoteView 是Crossbow 公司

推出的一款无线传感器网络监听和管理系统[10]。其中包括MoteCofig 和XSniffer

模块。MoteView 是用户层（client tier）中，用户用于检测无线传感器网络的接口。

它提供工具用于检测和部署，并方便地分析接收到的数据，将传感器采集的数据

绘制为可视化试图。MoteCofig 是MoteView 系统中用于配置XMesh 节点的模块。

MoteCofig 允许用户配置MoteID、相关组ID、射频频道和射频功率。用户也能使

用MoteCofig 在网络中远程编辑节点。XSniffer 是MoteView 系统中用于侦听的模

块。XSniffer 允许用户监测射频信息包通信和在XMesh 上多跳频通信。它用来监

测和显示所有无线电信息，如数据包、下游无线电通信、无线电信息再试、通道

更新和时间同步信息。该系统不仅能够监听网络中节点的通信状况，还可以通过

基于ZigBee 的无线传感器网络侦听技术研究与实现

发送命令的形式改变网络中节点的工作状态。此外还可以以图形界面的形式显示

网络的拓扑图等，更加直观地对网络中的节点进行管理。

MoteView 是针对Tinyos 系统的Xmesh 协议的，但对其他通信协议不兼容。

Packet Sniffer 是TI 推出的一款针对802.15.4/ZigBee 的一款协议分析系统[11]。整

个系统只需要一个侦听节点 Sniffer 和相应的上位机软件。Packet Sniffer 是一个

PC 应用软件，它用来显示和存储RF HW 节点抓取到的RF 包。它支持ZigBee、

RF4CE、SimpliciTI、Generic 等不同的通信协议。Packet Sniffer 过滤和解析包，

然后用一种很便捷的方式显示这些数据包。它还提供了对RF 包的分类，如地址

清单、时间线等。该协议分析系统支持TI 提供的设备的所有的协议，但是对

CTP 等网络协议仍然不支持。在协议分析方面做的很完善，我们可以利用它去分

析我们常见的一些通信协议。

下面一款WSN 侦听系统是由 Pertyton公司推出的Protocol Analyzer[12]。该系

统不仅能够抓取和解析无线传感器网络中的RF 包，还能对网络中的数据进行分

析。比如网络中数据通信状况，不同类型数据包的比例，不同层的包占的比例，

不同长度的包占的比例和不同信道中数据包的数量等。另外，它可以详细的分析

不同协议数据包中数据，并用树状图显示相应的数据类型以及它的二进制码值。

在拓扑图分析方面，它可以动态的刷新网络拓扑，很直观地显示网络中不同节点

的关系。在功能上，还支持一些自定功能，允许用户自定义添加一些协议的解析

规则。该系统具有很强的扩展性，也便于我们对特定的情况自定义特定的实施方

案。

此外，国外还有SpyGlass 等其他一些侦听系统[13,14]，就整体来说发展比较成

熟，针对不同协议的解析和分析也比较完善，但是针对不同协议的解析和分析不

能更好的兼容。另外，基于商业利益的考虑这些无线传感器侦听系统都是封闭的，

我们只能针对特定通信协议选择特定侦听系统提供商提供的产品[15-17]。对于在我

们在无线传感器网络方面的研究而言，很难找到一款能兼容所有通信协议的侦听

系统。

§1.3 国内概况

国内的 WSN 侦听系统的发展相对比较滞后，而且功能上也比较简单。国内

的无线传感器设备供应商也主要以代理为主，很少有自主研发的产品。其中比较

知名的几家无线传感器供应商有：成都无线龙科技，深圳亿道电子和宁波中科等

公司和研究所。成都无线龙主要是在 TI 提供的CC2430、CC2431、CC2530、

CC2591、CC2520 等芯片上开发，它们都是使用 TI 提供的ZigBee 协议栈，并在

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摘要随着无线传感器网络的快速发展和普及，人们的的生活变的越来越智能化。ZigBee协议作为无线传感器网络中的一种通信技术很快被越来越多的厂商所采用，因此该技术被广泛应用于医疗、游戏娱乐和环境监测等领域。为了更好地研究和应用ZigBee通信协议，本课题在现有无线传感器网络侦听技术基础上对基于ZigBee协议的侦听技术进行了探讨，并完成了ZigBee网络侦听系统的搭建。利用本侦听系统不仅可以研究和分析ZigBee网络的通信机制，还可以对正在运行的ZigBee网络进行监测，发现WSN中存在的问题。首先，本论文对本课题的来源和意义进行了简要的分析，对无线传感器网络侦听系统的国内外发展现状做了详细的阐述...

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