（通信与信息系统专业论文）基于zigbee的无线传感器网络的设计与实现.pdf

摘要 摘要 传感器技术、微机电系统、现代网络和无线通信等技术的进步，推动了无线 传感网络( w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s ，w s n ) 的产生和发展。无线传感网络是 集信息采集、信息传输、信息处理于一体的综合智能信息系统，具有广阔的应用 前景，正成为目前一个热点研究领域。美国商q k 周刊和m i t 技术评论分别将其列 为2 l 世纪最有影响的2 l 项技术和改变世界的l o 大技术之一。 i e e e8 0 2 1 5 4 标准是针对低速率无线个人区域网络( l o w - r a t ew i r e l e s s p e r s o n a l a r e an e t w o r k ，l r - w p a n ) 制定的标准，旨在为低功耗的设备提供有效 覆盖范围在1 0m 左右的低速无线连接。z i g b e e 协议以i e e e8 0 2 1 5 4 标准的物 理层和介质链路层为基础，增加了网络层、安全层和应用软件，可以实现大区域 的网络覆盖和网络扩展。 z i g b e e 无线传感网络是基于z i g b e e 协议的无线传感网络，是z i g b e e 协议 与传感技术的结合。将z i g b e e 运用到无线传感网络中主要是基于z i g b e e 在低功 耗、低成本方面的优势。 本文的研究工作主要集中在以下几个方面： ( 1 ) 无线传感网络和z i g b e e 技术的研究 本文分析了无线传感网络和z i g b e e 技术的特点，探讨了无线传感网络的关 键技术，与其他无线技术进行了比较，结果表明：z i g b e e 技术是最适合无线传 感网络的协议标准。 ( 2 ) i e e e8 0 2 1 5 4 协议和z i g b e e 协议的研究 z i g b e e 协议栈由物理层、介质链路层、网络层、安全层和应用层组成。其 物理层和介质链路层协议为i e e e 8 0 2 1 5 4 协议标准，网络层和安全层是由 z i g b e e 联盟制定的。本文在分析了协议栈的基础上，将z i g b e e 技术和无线传感 器网络进行融合。 ( 3 ) z i g b e e 无线传感网络平台的设计与实现 从硬件的兼容性和软件的可开发性出发。本文提出了z i g b e e 无线传感网络 平台的设计要求，设计并实现了一种典犁的无线传感网络平台，并通过实验验证 了该平台的可行性。 2 摘坐 本文将无线传感网络和z i g b e e 技术进行结合，其主要工作在于：通过z i g b e e 技术的分析，对z i g b e e 协议进行裁剪和优化，使其更好的适用于无线传感器网 络，并且设计出种达到2 i g b e e 技术要求的平台通过实验结果证明，z i g b e e 技术完全适合无线传感器网络。 关键词：无线传感器网络z i g b e ei e e e8 0 2 1 5 4 数据传输模式刚络平台 摘蜚 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e i o p m e n to fs e n s o rt e c h n o l o g y m i c r o - e l e c t r o m e c h a n i c a l s y s t e m s ，m o d e r nn e t w o r k i n ga n dw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n st e c h n o l o g y ， w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s ( w s n ) a p p e a r e da n di sd e v e l o p i n gv e r yf a s t 。 w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k sa r eai n t e l l i g e n ti n f o r m a t i o ns y s t e mi n c l u d i n g i n f o r m a t i o nc o l l e c t i o n ，t r a n s m i s s i o na n dp r o c e s s i n g 。t h e r ea r eb r i 曲t p r o s p e c t sf o ra p p l i c a t i o ni sb e c o m i n gah o tr e s e a r c hf i e l d w i r e l e s s s e n s o rn e t w o r ki st a k e na so n eo ft h e2 1 s tc e n t u r y st o p2 1i n f l u e n t i a l t e c h n o l c l g i e si na m e r i c a nb u s i n e s sw e e k ，a n di t sa l s ot a k e na so n eo f t o p1 0t e c h n o l o g i e so fc h a n g i n gw o r l di nt h et e c h n i c a lr e p o r to fm i t c o m m e n tp r o j e c t i o n so ft h ef u t u r ed e v e l o p m e n to ft e c h n o l o g y i e e e8 0 2 1 5 4i st h es t a n d a r df o rw i r e l e s sp e r s o n a la r e an e t w o r k ( l r 一胛a n ) w h i c ha i m e da tl o w - p o w e re q u i p m e n tt op r o v i d ee f f e c t i v e c o v e r a g eo fa b o u t1 0m i nt h el o w - s p e e dw i r e l e s sc o n n e c t i v i t y z i g b e eu s e i e e e8 0 2 1 5 4s t a n d a r da st h ep h y s i c a ll a y e rp r o t o c o la n dm a c ( m e d i u m a c c e s sc o n t r 0 1 ) l a y e rp r o t o c o la n di n c r e a s et h el o g i c a ln e t w o r k ，s e c u r i t y a n da p p l i c a t i o ns o f t w a r e s oz i g b e ec a nr e a l i z er e g i o n a ln e t w o r kc o v e r a g e a n dn e t w o r ke x p a n s i o n 。 z i g s e ew i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k sa r ew i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k sb a s e d o nz i g b e e i ti st h ec o m b i n a t i o no fz i g b e ea n ds e n s o rt e c h n o l o g y z i g b e e w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k si sm a i n l yb a s e do nt h el o w - p o w e r ，t h el o w - c o s t a d v a n t a g e s 。 t h er e s e a r c hi sm a i n l yc o n c e n t r a t e di nt h ef o l l o w i n gf a c e t s ： ( 1 ) w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k sa n dz i g b e et e c h n o l o g y t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ec h a r a c t e r so fw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r ka n d z i g b e e a n dd i c u s s e st h ek e yt e c h n o l o g i e s t h er e s u l t ss h o wt h a tz i g b e e t e c h n o l o g yi st h em o s ts u it a b l ef o rw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r kp r o t o c o l s t a n d a r d 摘甓 ( 2 ) i e e e8 0 2 1 5 4p r o t o c o la n dz i g b e ep r o t o c o l z i g b e ep r o t o c o ls t a c ki n c l u d e st h ep h y s i c a ll a y e r ，m e d i u ma c c e s s c o n t r o ll a y e r ，t h en e t w o r kl a y e r ，s e c u r it yl a y e ra n da p p li c a ti o nl a y e r t h ep h y s i c a ll a y e ra n dm e d i u ma c c e s sc o n t r o ll a y e ra r ei nt h ei e e e 8 0 2 1 5 4 s t a n d a r d a n dn e t w o r kl a y e ra n ds e c u r i t yl a y e ri sd e v e l o p e db yt h ez i g b e e a 11l a n c e i e e e8 0 2 1 5 4i sas t a n d a r df o rl o wr a t ew i r e l e s sp e r s o n a la r e a n e t w o r k t h es t a n d a r di sag e n e r a l l yu s e di nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n i n d u s t r yf o ri tt a k e sf u l la c c o u n to ft h ed e m a n df o rw i r e l e s ss e n s o r n e t w o r ka p p l i c a t i o n s 。 ( 3 ) z i g b e ew i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k sp l a t f o r m t h i sp a p e rp r e s e n t st h ed e s i g nr e q u i r e m e n t so fz i g b e ew i r e l e s ss e n s o r n e t w o r kp l a t f o r m ，a n dr e a li z e st h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fat y p i c a l w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r kp l a t f o r m 。 t h i sp a p e rp r o p o s e sa n dd e s i g n sas o l u t i o nt oi m p l e m e n tz i g b e e w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k 。t h em a i no ft h i sp a p e ri n c l u d e st h ef o l l o w i n g p a r t s 。f i r s tt h ez i g b e ep r o t o c o li sr e d u c e da n dr e d e s i g n e d ，t om a k ei t b e t t e rw i t ht h ea p p l i c a t i o no fw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s 。s e c o n dz i g b e e w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k sp l a t f o r mi sd e s i g n e d 。i ti sp r o v e dt h a tz i g b e e t e c h n o l o g yi sp e r f e c t l ys u i t a b l ef o rw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s 。 k e y w o r d s ：w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s ，z i g b e ep r o t o c o l ，i e e e 8 0 2 1 5 4 ， d a t at r a n s f e rm o d e ，n e t w o r kp l a t f o r m 2 正文 图表索引 翻2 1 无线传感器网络的结构 图2 2 无线传感器网络的协议栈 图3 - l 几种短距离无线通信技沭的比较一 圈3 - 2z i g b e e 协议栈的结构 9 图4 - l 星型网络和点对点网络 图4 - 2i e e e8 0 2 1 5 4 协议层次图 表4 - i 载波信道特性 图4 - 3 物理帧结构 2 7 2 9 图4 - 4 信标网络，数据到主协调嚣的通信顺序3 l 图4 5 无信标网络，数据到主协调器的通信顺序。 图4 - 6 在信标网络中主协调器设备传输数据的透信顺序3 2 图4 7 在非信标网络中主协调器传输数据的通信顺序3 3 图4 8 m a c 帧格式。 图4 - 9z i g b e e 协议栈的结构 表4 1 常用的a p l 模块 图4 - 1 0 协议栈程序列表 图5 i 传感器节点的体系结构 表5 1 六种不同等级的低功耗操作模式 图5 - 2 数据处理单元接口电路 图5 3c c 2 4 2 0 芯片的内部结构 图5 - 4 数据传输单元接口电路 图5 - 6 网络平台软件结构 圈5 7 温度监控系统示意图 4 0 4 1 4 7 4 9 图5 - 8 协调器建立网络过程。 图5 - 9 温度传感器节点的加入飘络过程 5 0 。5 2 图5 1 0p c 机串口收到的数据 6 l 6 3 6 3 围5 i l 传感器节点的工作状态图6 4 图5 1 2 实验结果图“ 中国科学技术大学学位论文相关声明 本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究 工作所取得的成果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中 不包含任何他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的 同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了明确的说明。 本人授权中国科学技术大学拥有学位论文的部分使用权， 即：学校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和电子版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、 汇编学位论文。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 作者签名：童盗遮 2 加7 年月6 日 正文 第一章引言 本章主要介绍论文的研究背景、研究现状、研究目的、研究方案等内容，最 后给出论文的章节安排。 1 1 研究背景 1 1 1 无线传感器网络 随着通信技术、嵌入式计算技术和传感器技术的飞速发展和臼益成熟，具有 感知能力、计算能力和通信能力的微型传感器开始在世界范围内出现。无线传感 器网络( w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ，w s n ) 就是由分布在给定局部区域内足够多的 无线传感器节点构成的一种新型信息获取系统 1 。每一个传感器节点具有一种 或多种感知器( 例如声音感应器、红外线感应器、磁感应器等) 并且具有一定的计 算能力。各节点之间通过专用网络协议实现信息的交流、汇集和处理，从而实现 给定局部区域内目标的探测、识别、定位与跟踪。无线传感器网络与现在已有的 无线网络不同，它综合了低功耗传感技术、嵌入式处理技术、无线通信技术、分 布式信息处理和网络技术，是多学科交叉的研究方向 2 。 早在上世纪7 0 年代，就出现了将传统传感器采用点对点传输、连接传感控 制器而构成传感器网络雏形，我们把它归之为第一代传感器网络随着相关学科 的不断发展和进步，传感器网络同时还具有了获取多种信息信号的综合处理能 力，并通过与传感控制器的相联，组成了有信息综合和处理能力的传感器网络， 这是第二代传感器网络。而从上世纪末开始，现场总线技术开始应用于传感器网 络，人们用其组建智能化传感器网络，大量多功能传感器被运用，并使用无线技 术连接，无线传感器网络逐渐形成。 无线传感器网络就是将逻辑上的信息世界与客观上的物理世界融合在一起， 改变了人类与自然界的交互方式。人们可以通过传感器网络直接感知客观世界， 从而极大地扩展现有网络的功能和人类认识世界的能力。美国商业周刊和m i t 正文 技术评论在预测未来技术发展的报告中分别将无线传感器网络列为2 1 世纪最 有影响的2 l 项技术和改变世界的l o 大技术之一。无线传感器网络、塑料电子 学和仿生人体器官又被称为全球未来的三大高科技术产业 3 。 1 1 2z i g b e e 技术 目前，z i g b e e 是部署无线传感器网络的新技术。它是一种短距离、低速率 无线网络技术。是一种介于无线标记技术( r f i d ) 和蓝牙( b l u e t o o t h ) 之间的 技术提案。z i g b e e 一词源自蜜蜂群在发现花粉位置时，通过跳z i g z a g 形舞蹈来 告知同伴，达到交换信息的目的。可以说是一种小的动物通过简捷的方式实现 “无线”的沟通。人们借此称呼一种专注于低功耗、低成本、低复杂度、低速率 的短距离无线网络通信技术。 完整的z i g b e e 协议栈由物理层、介质链路层、网络层、安全层和应用层组 成。其物理层和介质链路层协议为i e e e 8 0 2 1 5 4 协议标准，网络层和安全层由 z i g b e e 联盟制定，实现节点加入或离开i 】【) 9 络、路由查找及数据通信等功能，应 用层的开发应用根据用户自己的应用需要，对其进行开发利用。 与其它无线协议相比，z i g b e e 协议具有以下特点：数据传输速率低、功耗 低、成本低、网络容量大、时延短、网络的自组织、自愈能力强，通信可靠。 在标准规范的制订方面，主要是i e e e8 0 2 1 5 4 小组与z i g b e e 联盟( z i g b e e a l l l a n c e ) 两个组织，两者分别制订硬件与软件标准，两者的角色分工就如同 i e e e8 0 2 1 1 小组与w i - f i 之间的关系。在i e e e8 0 2 1 5 4 方面，2 0 0 0 年1 2 月 i e e e 成立了8 0 2 1 5 4 小组，负责制订介质链路层( m a c ) 与物理层( p h y ) 规范， 在2 0 0 3 年5 月通过8 0 2 1 5 4 标准，8 0 2 1 5 4 任务小组目前在着手制订 8 0 2 1 5 4 b 标准，此标准主要是加强8 0 2 1 5 4 标准，包括：解决标准有争议的 地方、降低复杂度、提高适应性并考虑新频段的分配等。z i g b e e 建立在8 0 2 1 5 4 标准之上，它确定了可以在不同制造商之间共享的应用纲要。8 0 2 1 5 4 仅仅定 义了物理层和介质链路层，并不足以保证不同的设备之间可以对话，于是便有了 z i g b e e 联盟。 为了推动z i g b e e 技术的发展。c h i p c o n 与e m b e r 、f r e e s c a l e 、h o n e y w e l l 、 m i s t u b i s h i 、m o t o r o l a 、p h i l i p s 和s a m s u n g 等公司共同成立了z i g b e e 联盟， 正文 目前该联盟已经包含1 5 0 多家会员。据市场研究机构预测，低功耗、低成本的 z i g b e e 技术将在未来两年内得到快速增长，2 0 0 5 年全球z i g b e e 器件的出货量将 达到1 0 0 万个，2 0 0 6 年底将超过8 0 0 0 万个，2 0 0 8 年将超过1 5 亿个。 1 2 研究现状 1 2 1 国外研究的现状 在美国自然科学基金委员会的推动下，美国加州大学伯克力分校、麻省理工 学院、康奈尔大学、加州大学洛杉矶分校等学校开始了传感器网络的基础理论和 关键技术的研究。英国、日本、意大利等国家的一些大学和研究机构也纷纷开展 了该领域的研究工作。目前的研究主要集中在传感器网络技术和通信协议的研究 上，也开展了一些感知数据查询处理技术的研究取得了一些初步研究结果。 ( 1 ) 传感嚣网络方面的研究 加州大学伯克力分校提出了应用网络连通性重构传感器位置的方法，并研制 了一个传感器操作系统- 丁i n y o s 。加州大学洛杉矶分校开发了一个无线传感器 网络和一个无线传感器网络模拟环境，用于考察传感器网络各方面的问题。南加 州大学提出了在生疏环境部署移动传感器的方法、传感器网络监视结构及其聚集 函数计算方法、节省能源的计算聚集的树构造算法等。麻省理工学院开始研究超 低能源无线传感器网络的问题，试图解决超低能源无线传感器系统的方法学和技 术问题。 ( 2 ) 传感器网络通信协议的研究 人们首先对已有的因特弼积自组织无线嬲络的通信协议进行了研究。发现这 些协议不适用于传感器网络，康奈尔大学、南加州大学等很多大学开展了传感器 网络通信协议的研究，先后提出了几类新的通信协议，包括基于谈判类协议( 如 s p i n - p p 协议、s p i n - e c 协议、s p i n - b c 协议、s p i n - r l 协议) 、定向发布类协议、 能源敏感类协议、多路径类协议、传播路由类协议、介质存取控制类协议、基 于c l u s t e r 的协议、以数据为中心的路由算法。 ( 3 ) 感知数据查询处理技术研究 康奈尔大学在感知数据查询处理技术方面开展的研究工作较多。他们研制了 3 正丈 一个测试感知数据查询技术性能的c o u g a r 系统，探讨了如何把分布式查询处理 技术应用于感知数据查询的处理。加州大学伯克力分校研究了传感器网络的数 据查询技术，提出了实现可动态调整的连续奄询的处理方法和管理传感器网络卜 多查匈的方法，并研制了一个感知数据库系统t i n y d b 。南加州大学研究了传感 器网络上的聚集函数的计算方法提m 了节省能源的计算聚集的树构造算法，并 通过实验证明了无线通信机制对聚集计算的性能有很大的影响。 1 2 2 国内研究的现状 我国现代意义的无线传感网络及其应用研究几乎与发达国家同步启动，1 9 9 9 年首次正式出现于中国科学院知识创新工程试点领域方向研究的信息与自动 化领域研究报告中，作为该领域提出的五个重大项目之一。随着知识创新工程 试点工作的深入，2 0 0 1 年中科院依托上海微系统所成立微系统研究与发展中心， 引领院内的相关工作，并通过该中心在无线传感网络的方向上陆续部署了若干重 大研究项目和方向性项目，参加单位包括上海微系统所、声学所、微电子所、半 导体所、电子所、软件所等十余个研究所，初步建立传感网络系统研究平台，在 无线智能传感网络通信技术，微型传感器、传感器节点、簇点和应用系统等方面 取得很大的进展。 近几年来，国家发改委、科技部、信息产业部等均启动了在无线传感器网络 及自组织网络领域的研发项目。国家中长期科学和技术发展规划纲要( 2 0 0 6 - - 2 0 2 0 年) 将“传感器网络及智能信息处理”作为未来信息产业及现代服务 业的重点方向。由于受到了学术界及产q k 界的普遍关注，无线传感器网络技术正 以前所未有的速度发展着。 国内的许多高校也掀起了无线传感器网络的研究热潮。清华大学、中国科技 大学、浙江大学、华中科技大学、天津大学、南开大学、北京邮电大学、东北大 学、西北工业大学、西南交通大学、沈阳理工大学和上海交通大学等单位纷纷开 展了有关无线传感器网络方面的基础研究丁作。一些企业如中兴通讯公司等单位 也加入无线传感器网络研究的行列。 4 正文 1 3 研究目的 1 3 1 无线传感器网络的难点 传感器网络是由大量体积小。成本低，具有无线通信、传感、数据处理链力 的传感器节点组成的，传感器节点一般由传感单元、处理单元、收发单元、电源 单元等功能模块组成。除此之外根据具体应用的需要，可能还会有定位系统、电 源再生单元和移动睢元等等。 在传感器网络中，每个节点的功能都是相同的大量传感器节点被布置在整 个观测区域中，各个传感器节点将所探测到的有用信息通过初步的数据处理和信 息融合之后传送给用户，数据传送的过程是通过相邻节点接力传送的方式传送回 基站，然后再通过基站以卫星信道或者有线网络连接的方式传送给最终用户。传 感器网络与其他传统的网络相比有一些独有的特点，正是由于这些特点使得传感 器网络存在很多新问题，提出了很多新的挑战。传感器网络的主要特点有：网络 的节点数量大、密度高，节点有一定的故障率，节点在电池能量、计算能力和存 储容量等方面有限制，网络的拓扑结构变化很快，以数据为中心。就目前的技术 水平来说，让无线传感器网正常运行并大量投入使用还面临着许多问题： ( 1 ) 网络内通信问题，无线传感器网络内正常通信联系中，信号可能被一 些障碍物或其他电子信号干扰而受到影响，而且在同一信道中可能出现数据冲 突，怎么安全有效的进行通信是个有待研究的问题。 ( 2 ) 成本问题。在一个无线传感器网络里面，需要使用数量庞大的微型传 感器，这样的话成本会制约其发展。 ( 3 ) 系统能量供应问题。目前主要的解决方案有：使用高能电池、降低节 点功率；此外还有传感器网络的自我能每收集技术和电池无线充电技术。其中后 两者备受关注 ( 4 ) 高效的无线传感器网络结构。无线传感器网络的网络结构是白组织无 线传感器的成网技术，有多种形态和方式，合理的无线传感器网络可以最大限度 的利用资源。在这里面，还包括网络安令协议闯题和大规模传感器网络中的节点 移动性管理等诸多问题有待解决。 正文 1 3 2z i g b e e 协议与无线传感器网络的结合 无线传感器网络并不需要较高的传输带宽，但赳需要较低的传输延时和极低 的功率消耗，以使用户能拥有较长的电池寿命和较多的器件阵列口前追切需要 一种符合传感器和低端的、面向控制的、应用简单的专用标准，而z i g b e e 的出 现正好解决了这一问题，z i g b e e 有着高通信效率、低复杂度、低功耗、低速率、 低成本、高安全性以及全数字化等诸多优点。这些优点使得z i g b e e 和无线传感 器网络完美地结合在一起。 1 。4 研究内容 本文的研究内容主要包括以下几个方面： ( 1 ) 无线传感器网络的体系结构和特点 无线传感器网络是集成了监测、控制和无线通信的网络系统，节点数目庞大、 分布密集，环境干扰和节点故障容易造成网络拓扑结构的变化，另外，传感器节 点具有的能量、处理能力、存储能力和通信能力等都十分有限。传统无线网络的 首要设计目标是提供高服务质量和高效带宽利用，其次才考虑节约能源；而传感 器网络的首要设计目标是能源的高效使用。 ( 2 ) z i g b e e 协议的结构和各层规范 z i g b e e 是一种可靠性高、功耗低的无线通信技术，其体系结构通常由层来 量化它的各个简化标准z i g b e e 技术的体系结构主要由物理层，介质链路层、 网络层、安全层以及应用框架层组成。在z i g b e e 技术中，p h y 层和m a c 层采用 i e e e 8 0 2 1 5 4 协议标准，网络层和安全层有z i g b e e 联盟定义。 z i g b e e 协议还规定网络拓扑结构和数据传输策略。这些定义使得z i g b e e 协 议具有以下特点：数据传输速率低、功耗低、成本低、网络容量大、时延短、网 络的自组织、自愈能力强，通信可靠。 ( 3 ) z i g b e e 无线传感器网络平台设计 由于z i g b e e 协议的低功耗、低速率等特点，在设计无线传感嚣网络平台的 时候必须考虑到硬件的兼容性和软件的可开发性。本文提出了z i g b e e 无线传感 网络平台的设计要求，设计并实现了一种典型的无线传感网络平台，并通过实验 6 正文 验证了该平台的可行性。 1 5 论文结构 本论文共分为五章，具体章节安排如下； 第二章介绍无线传感器网络技术。首先介绍无线传感器网络的体系结构、主 要特征和关键技术等。然后提出了无线传感器网络的设计原则。 第三章介绍z i g b e e 技术的概念和特点，协议栈结构，与其他无线网络的区 别，最后介绍z i g b e e 技术的应用。 第四章介绍i e e e8 0 2 1 5 4 协议和z i g b e e 的协议的结构。重点分析了m a c 层的的协议规范，并且介绍了网络拓扑结构和数据传输策略。并实现了z i g b e e 协议的物理层、m a c 层和网络层代码。 第五章设计支持z i g b e e 的无线传感器嘲络的平台。首先介绍z i g b e e 技术对 硬件的要求，然后介绍常用的一种z i g b e e 无线传感器网络设备的设计方案。最 后对该z i g b e e 无线传感器平台进行温湿度监控的实验。 第六章对本论文进行总结，并提出进一步的研究工作 7 正文 第二章无线传感器网络 本章重点介绍无线传感器网络的体系结构以及特点，并且提出了无线传感器 网络的设计原则。 2 1 无线传感器网络的结构 个典型的无线传感器网络至少要由无线传感器网络节点，网络协调器和中 央控制点组成。大量传感器网络节点随机部署在监测区域内部或附近，能够通过 自组织方式形成网络。传感器节点监测的数据沿着其他传感器节点逐跳地进行传 输，在传输过程年监测数据可能被多个节点处理，经过多跳后路由到网络协调器， 最后到达中央控制点。在这个过程中，传感器节点既充当感知节点，又充当转发 数据的路由器。用户通过中央控制点对无线传感器网络进行配置和管理，发布监 测任务以及收集监测数据。图2 - 1 给出了一个典型的无线传感器网络的结构 4 。 0 终墙节直 路由节点 图2 - 1 无线传感器网络的结构 传感器终端节点通常是一个微型的嵌入式设备，它的处理能力、存储能力和 通信能力相对较弱，通过携带能量有限的电池供电。从网络功能上看，每个传感 器节点兼顾传统网络节点终端和路由器双重功能，除了进行本地信息收集和数据 处理外，还耍对其他节点转发来的数据进行存储、管理和融合等处理，同时与其 他节点协作完成一些特定任务。 9 正文 无线传感器网络协调器的处理能力、存储能力和通信能力相对较强，它连接 无线传感器两络与i n t e r n e t 等外部网络，实现两种协议栈之间的通信协议转 换，同时发布管理节点的监测任务，并把收集到的数据转发到外部网络卜。网络 协调器还是配置网络的重要设备，保持间接寻址用的绑定表格，支持关联。可以 通过z i g b e e 无线传感器网络协调器对整个系统实施检测和控制。每个z i g b e e 网络都必须包括一台协调器，其相当丁_ 无线传感器网络的网关。如果协调器发生 故障，所有通信都不能完成。 2 2 无线传感器网络的协议栈模型 随着无线传感器网络的深入研究，研究人员提出了多个传感器节点上的协议 栈。图2 - 2 ( a ) 所示是早期提出的一个协议栈，这个协议栈包括物理层、数据 链路层、弼络层、传输层和应用层。与互联嘲协议的五层协议相对应另外协议 栈还包括能量管理平台、移动管理平台和任务管理平台。这些平台使得传感器节 点能够按照能量高效的方式协同工作，在节点移动的无线传感器网络中转发数 据，并支持多任务和资源共享。各层协议和平台的功能如下 3 ： 物理层提供简单但健壮的信号调制和无线收发技术； 数据链路层负责数据成帧、帧检测、媒体访问和差错控制； 网络层负责路由生成和路由选择： 传输层负责数据流的传输控制，是保证服务质量的重要部分； 应用层包括一系列基于监测任务的应用软件； 能量管理平台管理传感器节点如何使用能源，在各个协议层都需要考虑 节省能量； 移动管理平台监测并注册传感器节点的移动，维护到汇聚节点的路由， 使得传感器节点能够动态跟踪其邻居的位置： 任务管理平台在一个给定的区域内平衡和调度监测任务。 1 0 正文 能 娃 铃 理 f ， z ， 移 2 出 午 殚 r f f 务 管 理 ，产 厶 团 图2 屯无线传感器搠络的协议栈 图2 2 ( b ) 所示的协议栈细化并改进了原始模型定位和时间同步子层在 协议栈中的位置比较特殊。它们既要依赖于数据传输通道进行协作定位和时间同 步协商，同时又要为网络协议各层提供信息支持，如基于时分复用的m a c 协议， 基于地理位置的路由协议等很多无线传感器网络贽议都需要定位和同步信息。因 此在图2 2 ( b ) 中用倒l 型描述这两个功能子层。图2 - 2 ( b ) 右边的诸多机制 一部分融入到图2 屯( a ) 所示的各层协议中，用以优化和管理协议流程；另一 部分独立在协议外层，通过各层收集和配置接口对相应机制进行配置和监控。如 能量管理，在图2 - 2 ( a ) 中的每个协议层次中都要增加能量控制代码。并提供 给操作系统进行能量分配决策：q o s 管理在各协议层设计队列管理、优先级机制 或者带宽预留等机制，并对特定应用的数据给予特别处理；拓扑控制利用物理层、 数据链路层或路由层完成拓扑生成，反过来又为它们提供基础信息支持，优化 m a c 协议和路由协议的协议过程。提高协议效率，减少网络能量消耗；网络管理 则要求协议各层嵌入各种信息接口，并定时收集协议运行状态和流量信息，协调 控制网络中各个协议组件的运行。 2 3 无线传感器网络的特点 ( 1 ) 大规模网络 为了获取精确信息。在监测区域通常部署大量传感器节点，传感器节点数量 可能达到成千上万，甚至更多。传感器网络的大规模性包括两方面的含义：一方 一一一一一一一一 正文 面是传感器节点分布在很大的地理区域内：另一方而，传感器节点部署很密集， 在一个面积不是很大的空间内密集部署了大量的传感器节点。 ( 2 ) 自组织网络 在无线传感器网络应用中，通常情况卜传感器节点被放置在没有基础结构的 地方。传感器节点的位置不能预先精确设定，节点之间的相互邻居关系顶先也不 知道，这样就要求传感器节点具有自组织的能力，能够自动进行配置和管理，通 过拓扑控制机制和网络协议自动形成转发监测数据的多跳无线网络系统。 ( 3 ) 动态性网络 传感器网络的拓扑结构可能因为下列因素面改变：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，甚至时断时续；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。这就要求传感器网络系统要能够适应这些变化， 具有动态的系统可重构性。 ( 4 ) 可靠的网络 由于监测区域环境的限制以及传感器节点数目巨大，网络的维护十分困难甚 至不可维护。传感器网络的通信保密性和安全性也十分重要，要防止监测数据被 盗取和获取伪造的监测信息。斟此，传感器网络必须具有鲁棒性和容错性。 ( 5 ) 应用相关的网络 不同的应用背景对传感器网络的要求不同，其硬件平台、软件系统和网络协 议必然会很大的差别。针对每一个具体应用来研究传感器网络技术，这是传感器 网络设计不同于传统网络的特点。 ( 6 ) 以数据为中心的网络 由于传感器节点随机部署，构成的传感器网络与节点编号之间的关系是完全 动态的。用户使用传感器网络查询事件时，直接将所关心的事件通告给网络，而 不是通告给某个确定编号的节点。网络在获得指定事件的信息后汇报给用户。这 种以数据本身作为查询或传输线索的思想更接近与自然语言交流的习惯。所以通 常说传感器其网络是一个以数据为中心的网络。 1 2 正文 2 4 无线传感器网络设计的原则 一个传感器网的设计是受很多因素影响，其中包括容错性、伸缩性、生产成 本、部署环境、网络拓扑结构、硬件的限制、传输介质、功耗等。这些因素都是 在设计一个无线传感器网络协议或算法时应该考虑的重要因素。 1 容错性 传感器节点可能由于电池耗尽、物理损害或环境二f 扰等因素导致不能正常工 作，无线传感器网络要求不能因为某个或某些传感器节点出现故障而导致整个网 络瘫痪，这就是无线传感器网络的可靠性或容错性问题。传感器节点的可靠性或 者容错性满足泊松分布，因此，在无线传感器网络协议和算法设计时必须考虑容 错性需求如果传感器节点部署的环境干预比较小，那么对容错性的要求相对比 较低。例如，如果传感器节点被部署在房子追踪湿度和温度水平，由于这种无线 传感器网络不易受干扰或破坏，所以容错的要求低：如果传感器节点被部署在战 场侦察、探测战场信息，因为在这种情形下，数据非常重要，而且传感器节点可 能被人为破坏所以对容错的要求就非常高 2 伸缩性 部署在监测区域附件的传感器可能成百上千，在有些应用中甚至更多。因此 无线传感器网络设计的协议或算法必须能够处理大量节点的情况，另外，还要求 能利用无线传感器网络这种高密度的特性来优化。在部署传感器节点时，可能在 直径不到l o m 的区域内，传感器节点的少则几个节点，多则几百个节点如在 机器诊断的应用中，传感器节点密度大约是在5 5 平方米区域内有3 0 0 个传感 器节点，而对车辆跟踪应用中，节点密度大约为一个监测区域内有1 0 个传感器 节点。动物栖息地监测应用中，每个监测区域的传感器节点数目从2 5 至1 0 0 个 不等， 3 网络拓扑控制 在无线传感器网络中，传感器节点是体积微小的嵌入式设备，采用能量有限 的电池供电，它的计算能力和通信能力都十分有限，所以除了要设计能量高效的 m a c 协议、路由协议以及应用层协议外，还要设计优化的网络拓扑控制机制。对 于自组织的无线传感器网络而言，网络拓扑控制对网络性能的影响很大。良好的 网络拓扑结构控制机制能够提高路由协议和m a c 协议的效率，为数据融合、时 正丈 间同步和目标定位等很多方而提供基础，有利于延长整个网络的生存时间。因此， 网络拓扑控制是无线传感器网络中的一个基本问题。在无线传感器网络中，网络 拓扑结构控制和优化有着十分重要的意义，主要表现在以卜几个方面： ( i ) 影响整个网络的生存时间。无线传感器网络的节点一般采用电池供电， 节省能量是网络设计主要考虑的问题之一。网络拓扑控制的一个重要目标就是在 保证网络连通性和覆盖度的情况卜，尽最合理高效地使用网络能每，延长整个网 络的生存时间。 ( 2 ) 减小节点间通信干扰，提高网络通信效率。无线传感器网络中节点通常 密集部署，如果每个节点都以大功率进行通信，会加剧节点之间的干扰，降低通 信效率，并造成节点能量的浪费。另一方面，如果发射功率选择太小，会影响网 络的连通性。因此，网络拓扑控制中的功率控制技术是解决整个矛盾的重要途径 之一。 ( 3 ) 为路由协议提供基础。在无线传感器网络中，只有活动的节点才能够进 行数据转发，而网络拓扑控制可以确定由哪些节点作为转发节点，同时确定节点 之间的邻居关系。 ( 4 影响数据融合。无线传感器网络中的数据融合是指传感器节点将采集的 数据发送给骨干节点，骨干节点进行数据融合，并把融合结果发送绘数据收集节 点。而骨干节点的选择是网络拓扑控制的一项重要内容。 ( 5 ) 弥补节点失效的影响。传感器节点可能部署在恶劣环境中，在军事应用 中甚至部署在敌方区域中，所以很容易遭到破坏而失效。这就要求网络拓扑结构 具有鲁棒性以适应这种情况。 无线传感器网络拓扑控制主要研究的问题是在满足网络覆盖度和连通度的 前提下，通过功率控制和骨干节点选择，剔除节点之间不必要的通信链路，形成 一个数据转发的优化网络结构。具体地讲，无线传感器网络中拓扑控制按照研究 方向可以分为两大类：节点功耗控制和层次性拓扑结构组织。目前在功率控制方 面，已经提出了c o m p o w 等一系列功率分配算法，l i n t l i l t 和l m n l 骱等基于 节点密度的算法，c b t c 、l m s t 、r n g 、d