（通信与信息系统专业论文）基于tinyos系统的ieee+802154+mac协议的实现及关键技术研究.pdf

南京邮电大学硕士研究生学位论文 摘要 i 摘摘 要要 随着传感器技术、无线通信技术和嵌入式计算机技术的迅速发展，无线传感器网络已 经逐步成为当前无线网络界关注的新兴前沿科技研究热点之一，在众多领域具有十分广阔 的应用前景。ieee 802.15.4 作为一种专为低速率无线个人区域网络而设计的短距离无线通 信标准，制定了物理层（phy）和媒体访问控制（mac）规范，为无线传感器网络提供了 一种很好的解决方案。 由于现行的 ieee 802.15.4 研究环境大多是以各个芯片厂商提供的非开源函数库为平 台，研究者很难了解其协议细节以及工作流程。为此，加州大学伯克利分校提出了无线传 感器网络的开发性研究计划，并设计了无线传感器网络的硬件平台、操作系统 tinyos 以 及网络协议。同时，随着无线传感器节点向小型化、低成本方向的发展，芯片厂商开始提 供基于 soc 技术的 ieee 802.15.4 射频芯片，如文中选用的 cc2430 芯片，集 2.4ghz 射频 与增强型 8051 内核于一体，但由于 mcu 8051 的体系结构限制，导致 tinyos 系统不能运 行于该平台。 本文首先在深入研究无线传感器网络体系结构和 ieee 802.15.4 标准协议的基础上， 设 计了基于 cc2430 芯片的无线传感器硬件研究平台， 继而在该平台上移植了 tinyos 操作系 统，为后续协议研究建立了开发环境。然后，根据 tinyos 和 ieee 802.15.4 的体系结构与 工作机制，设计了 ieee 802.15.4 在 tinyos 上实现的框架，以及按照模块化设计的思路实 现了底层系统软件、物理层与 mac 子层的协议。最后，测试本课题实现的协议栈，并与 非开源协议栈性能进行比较。 基于 tinyos 系统的 ieee 802.15.4 协议栈的实现，有助于研究者在开源环境下研究适 用于 cc2430 的 ieee 802.15.4 协议栈，摆脱芯片厂商协议栈库的束缚，为后续高层协议和 应用程序的开发提供平台。 关键字：关键字：无线传感器网络，tinyos， ieee 802.15.4 南京邮电大学硕士研究生学位论文 abstract ii abstract as the rapid development of the sensor technology, wireless communication technology and embedded computer technology, wireless sensor networks have gradually become one of the focuses of the emerging cutting-edge technology in the field of wireless network and have broad application prospects in many areas. as a wireless communication standard dedicated for low-rate and short-distance communication, ieee 802.15.4 protocol defines the specifications of physical layer and media access control, providing a good solution for wireless sensor networks. as current ieee 802.15.4 research environment is mostly based on the platform with non-open source library provided by chip manufacturers, it is difficult for researchers to understand the details of the protocols and their workflow. university of california, berkeley, proposed the research project of wireless sensor network and designed a hardware platforms, operating systems tinyos and network protocols for wireless sensor network. meanwhile, with the development direction of miniaturization and low-cost of wireless sensor nodes, chip manufacturers begin to provide ieee 802.15.4 rf chips based on soc technology, such as cc2430 chip with 2.4ghz rf and an enhanced 8051 core integrated in one. however, with the limit of the architecture of 8051, the system can not run on this platform. this paper firstly designs a hardware research platform for wireless sensor based on cc2430 chip and ports tinyos on this platform, providing a development environment for following protocol research. then according to the architecture and mechanism of tinyos and ieee 802.15.4, this paper designs the realization framework of ieee 802.15.4 on tinyos and realizes the low-layer system software and the protocols of physical layer and mac sub-layer. finally, this paper tests the designed the protocol stack, and makes a comparation with non-open source stack. the implementation of ieee 802.15.4 protocol stack based on tinyos helps researchers study ieee 802.15.4 protocol stack for cc2430 chip in open source environment, get rid of the shackles of the protocol stack library and provide a platform for for further development of high-layer protocols and applications. keywords：wireless sensor network, tinyos, ieee 802.15.4 南京邮电大学学位论文原创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包 含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南京邮电大学或其它 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的 任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 南京邮电大学学位论文使用授权声明 南京邮电大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送 交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存论 文。本文电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文 外，允许论文被查阅和借阅，可以公布（包括刊登）论文的全部或部分内容。 论文的公布（包括刊登）授权南京邮电大学研究生院（筹）办理。 研究生签名：_ 日期：_ 研究生签名：_ 导师签名：_ 日期：_ 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章 绪论 1 第一章第一章 绪论绪论 无线传感器网络（wsn：wireless sensor network）综合了传感器技术、微机电系统 （mems：micro-electro-mechanism system）技术、分布式信息处理和网络通信技术，具 有非常广泛的应用前景，引起了世界各国军事部门、工业界和学术界的广泛重视，并极有 可能发展成为一个新的巨大经济规模的高科技市场。随着无线传感器网络的深入研究和广 泛应用，无线传感网络将会在工业监控、环境监测、智能楼宇、医疗监护、交通运输、空 间探索以及军事侦察等诸多领域。 1.1 研究背景研究背景 由于无线传感器网络尚处于高速发展的阶段，包括其硬件节点、网络协议在内的多个 构成单元都被控制在业内几个著名的芯片厂商手中。无线传感器网络研究人员如果要进行 实物研究，必须花费大量金钱去购买这些公司的硬件平台和开发套件。对于其提供的网络 协议部分，公司往往将协议的核心实现进行封装屏蔽，只提供了上层接口以供开发人员调 用。 由于不了解协议实现流程的细节，这对无线传感器网络研究人员造成了诸多不利。针 对这一现象，加州大学伯克利分校（uc berkeley）提出了无线传感器网络的开发性研究计 划，并设计了无线传感器网络的硬件平台、操作系统以及网络协议。 tinyos1是一个专为无线嵌入式传感器网络设计的开放源代码的操作系统，具有基于 构件（component-based）的特性，在传感器网络本身就存在内存严格限制的条件下，可以 用最小代码进行快速创新和实现。tinyos 已被应用于多个硬件平台中， 这些平台使用的 mcu 均支持 gcc 编译器，例如 msp430 和 avr 单片机。随着无线传感器节点向小型化、 低成本方向的发展， 一些芯片厂商开始提供基于片上系统 （soc： system on chip） 的 ieee 802.15.4 射频芯片， 如 ti 的第二代 zigbee 解决方案 cc2430一个集 2.4ghz 射频与增 强型 8051 内核于一体的射频芯片。由于 8051 单片机不支持 gcc 编译器，所以 tinyos 系 统不能运行于 8051 平台。 mac 协议是无线传感器网络的关键技术之一， 良好的 mac 协议是保证无线传感器网 络高效通信和低功耗的关键因素。由于传感器节点受到电源能量有限、通信能力有限、计 算和存储能力有限，无线传感器网络中的 mac 协议不同于传统网络的 mac 协议。最早 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章 绪论 2 提出的适用于无线传感器网络的 mac 协议 s-mac2、 t-mac3以及基于分簇网络的 mac 协议4均已被国内外学者移植到 tinyos 系统。 ieee 802.15.4 网络协议栈基于开放系统互连模型（osi） ，是 ieee 802.15 第 4 任务组 为 lr-wpan（低速率无线个人区域网络）制定的标准，ieee 802.51.4 标准定义了 phy 物 理层和数据链路层的 mac 子层5，由于 ieee 802.51.4 协议强调提高能源利用率，使得无 线传感器网络领域的研究者对其产生了浓厚兴趣。 1.2 研究目的和意义研究目的和意义 tinyos 基于 nesc 编程语言， nesc 对 gcc 又有很强的依赖性， 由于 gcc 不支持 8051 体系结构，因此 tinyos 系统无法在基于 8051 内核的 cc2430 上运行。通过使用 perl 脚本 重写 nesc，间接使得 tinyos 支持 8051 处理器6。 近几年来，随着众多芯片厂商加入 zigbee 阵营，基于 ieee 802.15.4 物理层的射频芯 片型号越来越多，如 ti 的第一代射频芯片 cc2420 和第二代射频芯片 cc2430 是使用得最 广泛的 ieee 802.15.4 射频芯片，其中 cc2430 具有低功耗、低成本、小型化等优势，这使 得它具有较强的商用价值。 但芯片厂商提供的 ieee 802.15.4 协议栈均是非开源编译后的函 数库，对于研究者而言，这些 ieee802.15.4 协议栈均是黑盒子，难以对其性能进行优化或 者加入新功能。 目前，适用于 cc2430 的 ieee 802.15.4 协议栈只有 ti 的非开源解决方案且受到 iar 编译器的限制7。因此，将开源无线传感器操作系统 tinyos 移植至 8051 内核，并在此基 础上实现 ieee 802.15.4 协议栈变得具有很强的现实意义， 有助于研究者在开源环境下研 究适用于 cc2430 的 ieee 802.15.4 协议栈，摆脱芯片厂商协议栈库的束缚。 1.3 本文主要工作和内容安排本文主要工作和内容安排 目前关于无线传感器网络研究大部分集中在理论与仿真方面，本文主要工作是设计并 实现基于 cc2430 射频芯片的无线传感器网络硬件节点，并将 tinyos 操作系统移植到该 节点上的，实现 ieee 802.15.4 协议栈并分析协议栈性能。主要工作可归纳如下： （1） 从理论上分析无线传感器网络的体系结构和特点， 以及 ieee 802.15.4 协议栈， 为其 mac 协议实现提供理论基础。 （2） 实现基于 cc2430 的无线传感器网络硬件节点，设计电路原理图以及绘制印刷电路 板，并完成 cc2430 平台的装配与硬件测试。 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章 绪论 3 （3） 建立开发环境，完成 tinyos 8051 操作系统在 8051 平台的移植。 （4） 根据 ieee 802.15.4 协议标准，基于 tinyos 构件的架构特性，为 cc2430 平台设计 并实现 ieee 802.15.4 协议栈。 （5） 测试本课题实现的协议栈，并与芯片厂商提供的非开源协议栈性能进行比较。 全文分为七个部分，内容如下：第一章讲述本课题的研究背景以及研究目的与意义； 第二章概述了无线传感器网络的体系结构与特点以及基于 ieee 802.15.4 的无线传感器网 络的结构， 并分析了 ieee 802.15.4 协议栈； 第三章讲述了无线传感器网络的硬件选型与硬 件平台设计； 第四章实现了 tinyos 在 cc2430 平台上移植以及基本功能测试； 第五章实现 了 ieee 802.15.4 协议的实现，详细讲述了框架设计、底层系统软件、物理层与 mac 子层 的设计；第六章建立了测试环境，并进行了协议栈测试与性能分析；第七章总结全文。 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章 无线传感器网络介绍 4 第二章第二章 无线传感器网络介绍无线传感器网络介绍 无线传感器网络正逐步成为短距离无线通信领域关注的热门研究之一，具有十分广阔 的应用前景，而 ieee 802.15.4 针对低速、低功耗、低成本的无线个人区域网络，可为无线 传感器网络提供物理层和 mac 层标准。本章详细讲述了无线传感器网络的体系结构与其 特点，以及 ieee 802.15.4 协议标准。 2.1 无线传感器网络无线传感器网络 2.1.1 传感器网络体系结构 （1） 无线传感器网络结构 无线传感器网络是由大量无处不在的，具有通信与计算能力的微小传感器节点，密集 分布在无人值守的监控区域而构成的能够根据环境自主完成指定任务的“智能”自治监控 网络系统8。其目的是协作的感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息，并发送 给观察者。无线传感器网络结构如图 2-1 所示。 监测区域 远程监控 设备 无线传感器节点 汇聚节点 internet 或其他网络 图 2-1 网络拓扑结构 传感器网络通常包括传感器节点、汇聚节点和管理节点9。大量传感器节点随机部署 在监测区域内部或附近，通过自组织方式构成网络。传感器节点采集的数据沿着其他传感 器节点逐跳地进行传输，在传输过程中数据可能被多个节点处理，经过多跳后路由到汇聚 节点，最后通过互联网到达管理节点。用户通过任务管理节点对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。 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章 无线传感器网络介绍 5 （2） 传感器网络节点结构 无线传感器网络节点由于受到体积、价格和电源供给等因素的限制。通信距离较短， 只能与自己通信范围内的邻居交互数据。 要访问通信范围以外的节点， 必须使用多跳路由。 为了保证网络内大多数节点都可以与网关建立无线链路，节点的分布要相当的密集10。 传感器a/d转换器 处理器 存储器 rf收发器 传感器模块处理器模块射频通信模块 电源管理模块 图 2-2 传感器节点体系结构 如图 2-2 所示，传感器节点由传感器模块、处理器模块、无线通信模块和能量供应模 块四部分组成。为了最大限度的节约电源，在硬件设计方面，要尽量采用低功耗器件，在 没有通信任务的时候，切断射频部分的电源；在软件设计方面，各层通信协议都应该以节 能为中心，必要时可以牺牲其他的一些网络性能指标，以获得更高的电源效率。 （3） 传感器网络协议栈 随着传感器网络的深入研究，研究人员提供了多种应用于传感器网络的协议栈，如图 2-3 所示的是一个包含物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层的协议栈结构，与 互联网协议栈的五层协议相对应。另外，此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。这些管理平台使得传感器节点能够按照能源高效的方式协同工作，在节点 移动的传感器网络中转发数据，并支持多任务和资源共享11。 应用层 传输层 网络层 数据链路层 物理层 能 量 管 理 平 台 移 动 管 理 平 台 任 务 管 理 平 台 图 2-3 传感器网络协议栈结构 各层协议和平台的功能如下： 各层协议功能： 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章 无线传感器网络介绍 6 应用层：实现一系列基于监测任务的应用层软件。 传输层：负责数据流的传输控制，是保证通信服务质量的重要部分。 网络层：负责路由生成与路由选择。 数据链路层：负责数据成帧、帧检测、媒体访问和差错控制。 物理层：负责简单但健壮的信号调制和无线收发技术。 平台功能： 任务管理平台：在一个给定的区域内平衡和调度监测任务。 移动管理平台：检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。 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。 2.1.2 无线传感器网络特点 （1） 大规模部署 传感器网络的传感器节点密集，数量巨大。传感器网络可以分布在很广的地理区域， 维护十分困难甚至不可维护，其软、硬件必须具有高健壮性和容错性。传感器各部分集成 度很高，具有体积小的优点，从应用的角度出发，要求传感器网络具有低成本。 （2） 能源受限制 网络中每个节点的电源是有限的，网络大多工作在无人区或者对人体有伤害的恶劣环 境中，更换电源几乎是不可能的事，这势必要求网络功耗要小以延长网络的寿命，而且要 尽最大可能的节省电源消耗。 （3） 网络的自动管理和高度协作性 在无线传感器网络中，数据处理由节点自身完成，以数据为中心的特性是无线传感器 网络的又一特点。每个节点仅知道自己邻近节点的位置和标识，传感器网络通过相邻节点 之间的相互协作来进行信号处理和通信，具有很强的协作性。 （4） 传感器网络的拓扑结构变化很快 传感器网络自身的特点使得传感器网络的拓扑结构变化很快，这对网络各种算法的有 效性提出了挑战。此外，如果节点具备移动能力，也有可能带来网络的拓扑变化。 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章 无线传感器网络介绍 7 2.2 基于基于 ieee 802.15.4 的无线传感器网络的无线传感器网络 2.2.1 ieee 802.15.4 概述 ieee 802.15.412是 ieee 针对低速率无线个人区域网（lr-wpan：low-rate wireless personal area networks）制定的无线通信标准。该标准把低能量消耗、低速率传输、低成 本作为重点目标，旨在为个人或者家庭内不同设备之间低速率无线互连提供统一的标准。 该标准定义的 lr-wpan 网络特征与无线传感器网络有很多相似之处，很多研究机构把它 作为无线传感器网络的通信标准13。 ieee 802.15.4 标准定义的网络主要有以下特点： 在不同的载波频率下实现 20kbps、40kbps、250kbps 三种不同的传输速率； 支持冲突避免的载波多路侦听技术（csma/ca：carrier sense multiple access with collision avoidance） ； 支持确认（ack）机制，保证传输可靠性； 具有 16 位和 64 位两种地址格式，其中 64 位地址是全球唯一的扩展地址； 支持星型和点对点两种网络拓扑结构。 2.2.2 ieee 802.15.4 网络拓扑 ieee 802.15.4 网络的基本组成部分是设备，网络中支持两种设备：全功能设备（ffd： full-function device）和简化功能设备（rfd：reduced-function device）14。全功能设备 不仅可以和简化功能设备或者其他全功能设备通信，而且还可以控制网络的拓扑结构。简 化功能设备只能和全功能设备通信而不能控制网络拓扑结构。 ieee 802.15.4 支持两种基本拓扑结构：星型拓扑或者点对点拓扑，如图 2-4 所示。 星型拓扑点对点拓扑 ffd rfd 通信数据流 pan协调器 图 2-4 网络拓扑结构 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章 无线传感器网络介绍 8 在星型拓扑结构下，所有的网络设备都与一个中央控制器进行通信，该中央控制器称 为 pan 协调器。pan 协调器是整个 pan 网络的主要控制者，应尽可能使用稳定电源为其 供电，而网络中的其他设备则可以是电池供电。星型拓扑主要用于家庭自动化、pc 外围设 备、玩具以及游戏、健康护理等。 点对点拓扑结构也具有 pan 协调器， 但与星型结构不同的是， 只要两个网络设备处于 彼此的通信范围内，它们就可以互相通信而不需经过 pan 协调器转发。 星型拓扑和点对点拓扑可以扩展成更大区域、更加复杂的网络，其中星型拓扑可以扩 展簇树拓扑结构（cluster tree topology） ，将网络分为簇头（协调器）和相应的子网络。由 于簇头之间的协调器并不是由 ieee 802.15.4 协议栈直接支持的， 因此这类功能应该在高层 协议中实现，比如 zigbee 协议15。簇树拓扑结构如图 2-5 所示。 ffd rfd通信数据流 pan协调器 协调器 图 2-5 簇树拓扑结构 点对点拓扑可以扩展成 mesh 网络拓扑，在 mesh 网络中，数据可以在任意两个设备 （ffd）之间路由，最终再传到远处的目标节点。与簇树拓扑网络一样，mesh 也需要在高 层协议中实现，比如 zigbee 协议和 6lowpan 协议16。簇树拓扑结构如图 2-6 所示。 ffd rfd通信数据流 pan协调器 图 2-6 mesh 网络拓扑 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章 无线传感器网络介绍 9 在以上这些拓扑网络中，所有设备都有一个唯一的 64 位 ieee 地址，这个地址可以用 来同 pan 协调器直接通信，也可以在完成网络构建后，用来向 pan 协调器获取分配的 16 位短地址。 每个独立网络都会选择一个唯一的 pan 识别符， 这个识别允许在网络内部使用 短地址进行通信，也可以使处于两个网络中的设备进行通信。 2.2.3 ieee 802.15.4 体系结构 ieee 802.15.4 主要由物理（phy：physical layer）层和数据链路层（mac：medium access control）子层组成17。如图 2-7 所示。物理层包括射频收发器和对收发器的底层管 理控制模块。mac 子层向上层提供物理信道的访问服务以及保证帧可靠传输，一个 ieee 802.2 类型的逻辑链路控制18（llc： logical link control） 可以通过特定服务子层 （sscs： service specific convergence sublayer）来访问 mac 子层。 physical medium upper layers 802.2 llc sscs mac phy 图 2-7 ieee 802.15.4 协议栈结构 2.3 ieee 802.15.4 协议栈协议栈分析分析 2.3.1 物理层 物理层定义了物理无线信道和 mac 子层之间的接口，提供物理层数据服务和物理层 管理服务。物理层数据服务从无线物理信道上收发数据，物理层管理服务维护一个由物理 层相关数据组成的数据库。 物理层数据服务包括以下几个方面的功能： 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章 无线传感器网络介绍 10 帧传输和接收 收发状态控制 能量检测（ed：energy detect） 空闲信道评估（cca：clear channel assessment） 信道选择 检测接收数据包的链路质量指示（lqi：link quality indication） （1） 能量检测 为网络层提供信道选择依据。它主要测量目标信道中接收信号的功率强度，由于这个 检测本身不进行解码操作，所以检测结果是有效信号功率和噪声信号功率之和。 （2） 链路质量指示 为网络层或者应用层提供接收数据帧时无线信号的强度和质量信息，与信道能量检测 不同的是，它要对信号进行解码，生成的是一个信噪比指标。这个信噪比指标和物理层数 据单元一道提交给上层处理。 （3） 空闲信道评估 用于判断信道是否空闲，ieee 802.15.4 定义了三种空闲信道评估模式：第一种简单判 断信道的信号能量，当信号能量低于某一个门限值就认为信道空闲；第二种是通过判断无 线信号的特征，这个特征主要包括两个方面，即扩频信号特征和载波频率；第三种模式是 前两种模式的综合，同时检测信号强度和信号特征，给出信道空闲判断。 物理层定义了三个载波频段用于收发数据。在这三个频段上发送数据使用的速率、信 号处理过程以及调制方式等方面存在一些差异。三个频段总共提供 27 个信道（channel） 具体分配如表 2-1 所示。其中在 868mhz 和 915mhz 这两个频段上信号处理过程相同，只 是数据速率不同。 表 2-1 频段带宽和速率 phy (mhz) 频段带宽 (mhz) 信 道 数 序列扩展参数 数据参数 码片速率 (kchip/s) 调制 方式 比特速率 (kb/s) 符号速率 (ksymbol/s) 符号 (symbol) 868 868868.6 1 300 bpsk 20 20 二进制 915 902928 10 600 bpsk 40 40 二进制 2450 24002483.5 16 2000 o-qpsk 250 62.5 十六进制 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章 无线传感器网络介绍 11 2.3.2 mac 子层 mac 子层通过两个服务访问点提供两种服务， 即通过 mac 子层公共部分服务访问点 （mcps-sap） 提供的 mac 数据服务和通过 mac 子层管理模块服务访问点 （mlme-sap） 提供的 mac 管理服务。mac 数据服务通过使用物理层数据服务来实现 mac 协议数据单 元（mpdu）的收发。同样，mac 子层的管理服务功能维护一个存储 mac 子层协议状态 相关信息的数据库。 mac 子层的主要功能包括以下几个方面： 信道访问机制 ieee 802.15.4 网络可以使用两种信道访问机制：基于竞争的和非竟争的。基于竞争的 方式允许设备以分布的方式，使用载波侦听多重访问/冲突避免(csma/ca)协议访问信道。 非竞争访问完全由 pan 协调器以保证时隙(gts：guaranteed time slot)方式管理。 启动和维护 pan 设备通过信道扫描获得当前信道的状态，在其射频范围内定位所有的信标（beacon） 帧或者因失去同步而定位某一个特定的信标帧。 信道扫描的结果可以用来在启动 pan 之前 选定一个合适的逻辑信道和一个在同一范围内没有被占用的 pan 标识符。 在同一射频范围 内可能存在两个标识符相同的 pan。需要一种策略检测和解决这种情况，在完成了信道扫 描和 pan 标识符选择以后，ffd 可以就作为 pan 协调器运行了。 设备加入和离开 pan 关联过程描述了设备如何加入一个 pan 以及协调器如何允许设备加入 pan 的过程。 已关联的设备或 pan 协调器也可以启动去关联的过程。 数据发送、接收和确认机制 描述非直接方式发送帧、重传数据和解决重复帧问题的机制。 安全性 讨论发送和接收帧的安全机制。 2.3.2.1 超帧结构 在 ieee 802.15.4 网络中，可以选用以超帧（superframe）为周期组织网络中的设备间 的通信。每个超帧都以网络协调器发出信标帧开始，在这个信标帧中包含了该超帧持续时 间以及对这段时间的分配等信息。网络中的其它设备接收到超帧开始时的信标帧后，就可 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章 无线传感器网络介绍 12 以根据其中的内容安排自己的任务，例如进入休眠状态直到这个超帧结束。 超帧将通信时间划分为活跃和非活跃两个部分，它的首尾边界由它所发出的信标帧界 定。在非活跃期间，pan 网络中的设备不会相互通信，从而可以进入休眠状态节省能量。 超帧的活跃期间划分我三个阶段：信标发送阶段、竞争访问阶段（cap：contention access period）和非竞争访问阶段（cfp：contention-free period） 。超帧的活跃部分被划分为 16 个等长的时隙，每个时隙的长度、竞争访问阶段包含的时隙数等参数，都由协调器设定， 并通过超帧开始时发出的信标帧广播到整个网络。如图 2-8 所示为一个超帧结构。 0123456789 10 11 12 13 14 15 gtsgts不活跃时段 信标帧 竞争访问时段 信标帧 非竞争访问时段 时间 图 2-8 ieee 802.15.4 超帧结构 在超帧的竞争访问阶段，ieee 802.15.4 网络设备使用带时隙的 csma/ca 访问机制， 并且任何通信都必须在竞争访问阶段结束前完成。在非竞争阶段，协调器根据上一个超帧 期间 pan 网络中设备申请保证时隙（gts：guaranteed time slots）的情况，将非竞争阶段 划分成若干个 gts。每个 gts 由若干个时隙组成，时隙的数目在设备申请 gts 时指定。 如果申请成功，申请设备就拥有了它指定的时隙数目。例如图 2-8 所示，第一个 gts 由时 隙 11-13 构成，第二个 gts 由 14、15 两个时隙构成。每个 gts 中的时隙都指定分配给了 时隙申请设备，因而不需要竞争信道。 超帧中规定非竞争阶段必须在竞争阶段之后。竞争阶段的功能包括网络设备可以自由 收发数据，网络内的设备可以向协调器申请 gts 时段，新设备加入当前网络中等。非竞争 阶段由协调器指定的设备可以发送或者接收分组。如果某个设备在非竞争阶段一直处在接 收状态。那么拥有 gts 使用权的设备就可以在 gts 阶段直接向该设备发送分组。 2.3.2.2 数据传输 lr-wpan 网络中存在三种数据传输方式：设备发送数据给协调器、协调器发送数据 给设备和对等的设备间的数据传输。星形拓扑结构网络中只存在前两种分组传输方式，因 为分组只能在协调器和设备间交换； 而在点对点拓扑结构的网络中， 三种传输方式都存在。 在 lr-wpan 网络中有两种通信模式：信标使能通信（beacon-enabled）和非信标使能 通信（nonbeacon-enabled） 。 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章 无线传感器网络介绍 13 在信标使能的网络中，pan 网络协调器定时广播信标帧。信标帧表示超帧的开始。设 备间通信使用基于时槽（slotted） csma/ca 信道访问机制，pan 网络中的设备都通过协 调器发送的信标帧进行同步。在时槽 csma/ca 算法下，每当设备需要发送数据帧或者命 令帧时，它首先定位下一个时隙的边界，然后等待随机数目个时隙。等待完毕后，开始检 测信道状态：如果信道空闲，设备就在下一个时隙边界开始发送数据分组；如果信道忙， 设备需要重新等待随机数目个时隙， 再检测信道状态， 重复这个过程直到有空闲信道出现。 在这种机制下，确认帧的发送不需要使用 csma/ca 机制，而是紧跟在接收帧的后面发送 回源设备。 在非信标使能的通信网络中，pan 网络协调器不发送信标帧，各个设备使用非时槽 （unslotted）csma/ca 信道访问机制。该机制的通信过程如下：每当设备需要发送数据 或者发送 mac 命令帧时，它首先等候一段随机长的时间，然后检测信道状态：如果信道 空闲，就立刻发送数据；如果信道忙，设备需要重复上一过程，直到能发送数据。同样， 在设备接收的数据帧或者命令帧需要回应确认帧时，确认帧紧跟在接收帧后发送，而不使 用 csma/ca 机制竞争信道。 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第三章 无线传感器网络硬件平台设计 14 第三章第三章 无线传感器网络硬件平台无线传感器网络硬件平台设计设计 硬件节点是无线传感器网络的基础。本章基于无线传感器网络的体系结构，制定了硬 件设计指标，并以此来指导硬件选型和电路与 pcb 设计，研制了基于 cc2430 芯片的无线 传感器网络研究平台。 3.1 无线传感器网络硬件平台设计指标无线传感器网络硬件平台设计指标 硬件节点设计任务主要包括节点设计指标的确定、 芯片选型、 电路与 pcb 设计以及功 能测试。无线传感器网络节点有数量大、部署密度高、易损耗等特点，并且在电池能量、 计算能力和存储容量等方面都有限制19，根据这些特点对硬件节点的设计设定一些指标， 根据这些指标来进行硬件选型和电路设计的工作。 （1） 低能耗 能量是传感器网络节点的基础。无线传感器网络中节点一般采用普通碱性电池供电， 可以使用的电量非常有限，而且一个网络中的节点数往往是成千上万的，因此更换电池是 非常困难甚至是不可能的。因此无线传感器网络节点必须达到低功耗的要求，从而保证一 定长的网络寿命，所以在设计节点的时候，节点的低功耗是首要的，在硬件选型上需要采 用低功耗的芯片。 （2） 通信能力 无线通信能力是无线传感器网络节点的一个重要指标，主要包括通信速率和通信范 围，而其传感器节点的绝大部分能量消耗在无线通信上。通信能力的提高，可以减少数据 传输时间，可以用较少的节点覆盖更大的范围，但是通信能力的提高往往伴随着无线射频 能耗的增加；通信能力减少，节点的部署就要更密集，将会增加系统成本的投入。所以需 要在通信能力和通信能耗上做一个合理的折中，才能尽可能的提高网络寿命，降低系统成 本。 （3） 计算能力 无线传感器网络对数据传输和信号采集都有一定的实时性要求，同时无线传感器网络 在具体应用的时候，节点上往往需要运行一些复杂的路由协议或者算法等，所以对节点的 计算能力和计算速度有一定的要求。 （4） 扩展性和灵活性 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第三章 无线传感器网络硬件平台设计 15 无线传感器网络节点在使用的时候，可能根据不同的应用场合，连接不同的传感器或 者需要外接某些硬件设备，对节点的功能做一些必要的扩展。这样，根据实际情况，选择 不同的外设进行配置就可以满足系统的要求，而不必为每个应用都开发一套新的硬件系 统，有助于控制成本，缩短开发周期。 （5） 微型化 较小的传感器节点可以更方便地安装或部署，而且在某些场合甚至需要节点能够小到 不容易被人察觉的程度，以完成一些特殊任务。因此节点的设计中基本上都要采用封装较 小的芯片，电容电感电阻等元件均采用小尺寸贴片设计。 （6） 低成本 因为无线传感器网络中所需的节点数目巨大，所以在具体使用的时候，低成本是对传 感器节点的基本要求。因此，在设计节点的时候，在保证功能的前提下，尽量选择低成本 的芯片解决方案。 3.2 无线传感器网络硬件选型无线传感器网络硬件选型 目前，市场上主要 zigbee 芯片提供商（2.4ghz） ，主要有： texas instruments（ti） 、 ember、jennic、freescale、microchip，从芯片解决方案上将以上公司的主流芯片类型进 行比较，分为两种类别：单射频芯片，需要外扩微处理器；片上系统，单芯片集成射频与 控制器，见表 3-1。 表 3-1 zigbee 解决方案比较 公司 单射频芯片 片上系统 射频芯片 外扩微处理器 芯片型号 集成微处理器 texas instruments cc2420 msp430 cc2430 增强型 c8051 cc2500 cc2530 freescale mc13xxx mc9s08gb60 mc1321x hcs08 microchip mrf24j40 pic 无 ember 无 em35x arm cortex-m3 jennic 无 jn5139 arm （1） 微处理器比较 从表3-1中可以看出， ti与freescale公司都分别具有单射频芯片与片上系统解决方案， 另外在片上系统解决方案中，cc243020与 cc253021使用的是标准 8051 处理器，jennic 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第三章 无线传感器网络硬件平台设计 16 与 ember 的 em35x22使用的是 arm 处理器，其余的均是使用该公司的微处理。在这些 处理类型中，8051 微处理具有使用容易、芯片架构简单、工艺最成熟等优点。 （2） 封装与成本 在单射频芯片外扩微处理与片上系统解决方案上，片上系统解决方案具有明显的价格 优势，以及微型化优点。在片上系统解决方案中，ti 公司的 cc2430 与 cc2530 是唯一的 包括射频、微处理器、ram、flash 存储器的真正单芯片解决方案。而 jennic 的芯片23 中的 rom 是只读存储器，需要外扩存储器来存放程序；freescale 的单芯片解决方案24是 采用两个硅片和 sip 技术共同包装，在量产情况下，不能和单芯片解决方案竞争；ember 使用 arm（或者 xap2b）内核，不具有价格优势。 综上所述，ti 公司的 cc2430 与 cc2530 具有众多优点。cc2430 是 ti 公司的第一代 单芯片解决方案，而 cc2530 是第二代单芯片解决方案，但由于 cc2430 工艺较成熟、而 且出货量最大等优势，因此在本课题研究中选用 cc2430 芯片。 3.3 无线传感器网络无线传感器网络硬件平台电路硬件平台电路设计设计 3.3.1 cc2430 电路设计 cc2430 是基于增强型 51 内核的高集成度的 2.4ghz 射频芯片， 片内集成 1.8v 稳压模 图 3-1 cc2430 电路 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第三章 无线传感器网络硬件平台设计 17 块用于 rf 供电，整个射频系统仅需要一些滤波电容和必要的时钟电路即可工作。cc2430 芯片提供了良好的接地保护功能，其芯片底层为接地引脚，可以有效地抑制噪声，减少电 磁干扰，保证电路系统稳定工作。此外，ti 提供了 2.4ghz 微带巴伦匹配电路参考设计， 可以使开发者快速实现射频电路。cc2430 射频电路图如图 3-1 所示。 3.3.2 uart/usb 接口电路 在 zigbee 网络中，网关节点起着上位机与 zigbee 网络之间信息交互的作用，需要设 计一个通信接口电路。以节点最小化为前提，通信接口电路需要小型化，低成本。在本设 计中，采用 cp2102 单芯片设计通信电路，通过该芯片的特殊功能，可将此芯片配置成虚 拟串口或者 usb 接口通信，方便了上位机与 zigbee 网络的通信。 cp210225是 silicon labs 公司推出一款高集成度的 uart 转 us