（计算机应用技术专业论文）基于zigbee技术的多射频传感器节点系统的设计与实现.pdf

基于z i g b e e 技术的多射频传感器节点系统的设计与实现 摘要 传感器网络就是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，通 过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统，其目的是协作地感知、 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。目前，传感器 网络研究的一个重要方面是在能量严重受限的微型节点上如何实现简单的环境 数据( 如温度、湿度、光强等) 采集、传输与处理。 随着监测环境的日趋复杂多变，由这些传统传感器网络所获取的简单数据 愈加不能满足人们对环境监测的全面需求，迫切需要将信息量丰富的图像、声 音等多媒体信息引入到以传感器网络为基础的环境监测活动中来，实现细粒度、 精准信息的环境监测。然而，传统的单信道8 0 2 1 5 4 传感器网络由于自身的特 性无法满足流媒体数据传输对网络带宽的需求。 针对上述问题，本文提出了多射频多信道解决方案。该方案为传感器节点 装配多个射频，这样节点通过同时工作在不同的正交信道上，能够提高频谱资 源的空间复用率、降低干扰并显著提高网络的性能。本文介绍了基于z i g b e e 技 术的多射频传感器节点系统的设计与实现，对节点的性能进行了理论分析和实 际测量。结果表明，采用多射频多信道方案能够显著提高节点的性能。同时， 本文还给出了适用于多射频多信道传感器网络的信道分配和路由策略。随着无 线射频收发器硬件成本的降低和相关技术的发展，在一个传感器节点上装配多 个射频正在成为可以接受的技术选择，在未来具有广阔的应用前景。 关键词：传感器网络；z i g b e e ；8 0 2 1 5 4 ；多射频多信道 d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fm u l t i r a d i os e n s o rn o d es y s t e m b a s e do nz i g b e et e c h n o l o g y a b s t r a c t w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ( w s n ) i sam u l t i - h o pa dh o cn e t w o r ks y s t e mt h a t c o n s i s t so fal a r g en u m b e ro fl o w c o s ts e n s o rn o d e sw h i c ha r ed e p l o y e di nt h e s e n s o rf i e l d t h en o d e se x c h a n g ei n f o r m a t i o nw i t he a c ho t h e ru s i n gw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n t h ep u r p o s eo fw s ni st os e n s e ，a c q u i r e ，p r o c e s st h ei n f o r m a t i o n o ft h eo b je c t si nt h ea r e ac o v e r e db yt h en e t w o r kc o o p e r a t i v e l y , a n ds e n d i n f o r m a t i o nt ot h eo b s e r v e r c u r r e n t l y ，o n ei m p o r t a n ta s p e c to ft h er e s e a r c ho f w s ni sh o wt or e a l i z et h ea c q u i s i t i o n ，t r a n s m i t i o na n dp r o c e s s i n go fs i m p l e e n v i r o n m e n t a ld a t as u c ha st e m p e r a t u r e ，h u m i d i t ya n dl i g h ti n t e n s i t yo ns m a l l - s i z e d n o d e sw i t hs e v e r e l yl i m i t e de n e r g y w i t ht h ec h a n g i n go fm o n i t o r i n ge n v i r o n m e n t ，s i m p l ed a t ag a t h e r e db yw s n c a n n o tm e e tt h ec o m p r e h e n s i v en e e do fp e o p l e i no r d e rt og e tf i n e g r a i n e da n d p r e c i s ei n f o r m a t i o n ，i ti su r g e n tt oi n t r o d u c em u l t i m e d i as u c ha si m a g e ，a u d i oa n d s oo nt h a ti sr i c hi ni n f o r m a t i o nt ot h ee n v i r o n m e n t a lm o n i t o r i n ga c t i v i t i e s h o w e v e r ，t r a d i t i o n a ls i n g l e c h a n n e l8 0 2 15 4w s n c a n n o tp r o v i d et h eb a n d w i d t h n e e d e dt ot r a n s m i ts t r e a m i n gm u l t i m e d i ad a t ad u et oi t sf e a t u r e s i no r d e rt os o l v et h ep r o b l e m ，am u l t i - r a d i om u l t i - c h a n n e la p p r o a c hi s p r o p o s e db yt h i st h e s i s t h i sa p p r o a c hw o r k sb ye q u i p p i n ge a c hs e n s o rn o d ew i t h m u l t i p l er a d i o s b yw o r k i n go nd i f f e r e n to r t h o g o n a lc h a n n e l s ，t h en o d e sc a l lt r a n s m i ta n d r e c e i v ei n f o r m a t i o ns i m u l t a n e o u s l y t h u s ，t h eb a n d w i d t hs p a t i a lr e u s ei si m p r o v e da n dt h e i n t e r f e r e n c eb e t w e e nl i n k si sr e d u c e d f i r s t l y , t h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fm u l t i - r a d i o s e n s o rn o d eb a s e do nz i g b e et e c h n o l o g yi si n t r o d u c e d s e c o n d l y , ad e t a i l e da n a l y s i so ft h e p e r f o r m a n c eo ft h em u l t i - r a d i on o d ei sp r e s e n t e d t h e n ，e x p e r i m e n t sa r ec a r r i e do u tt o m e a s u r et h ep r a c t i c a lp e r f o r m a n c e e x p e r i m e n t a lr e s u l t sv a l i d a t et h ed i s t i n g u i s h e dn o d e p e r f o r m a n c ei m p r o v e m e n ta c h i e v e db yu s i n gm u l t i p l er a d i o s l a s t l y , c h a n n e la s s i g n m e n t a n dr o u t i n gs t r a t e g yt h a ta r es u i t a b l ef o rm u l t i r a d i om u l t i c h a n n e lw s na r ep r o p o s e d w i t h t h ed e c r e a s eo fh a r d w a r ec o s to fw i r e l e s sr a d i ot r a n s c e i v e r sa n dt h ed e v e l o p m e n to f t e c h n o l o g y , e q u i p p i n ge a c hs e n s o rn o d ew i t hm u l t i p l er a d i o si sb e c o m i n ga c c e p t a b l e a n dh a sab r o a dp r o s p e c to fa p p l i c a t i o n 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 ；z i g b e e ；8 0 2 15 4 ：m u l t i - r a d i om u l t i c h a n n e l 插图清单 图2 1 传感器网络协议栈8 图2 2 星状网络和点对点对等网络1 0 图2 3 星状拓扑结构1 1 图2 4 树状拓扑结构11 图2 5 网状拓扑结构1 1 图2 6z i g b e e 协议栈架构1 2 图2 7 物理帧结构1 4 图2 8m a c 帧结构15 图2 9n w k 帧结构1 7 图2 1 0 帧控制字段结构1 8 图3 1 多射频传感器节点功能框图2 l 图3 2c c 2 4 2 0 内部结构2 2 图3 3c c 2 4 2 0 外围电路2 3 图3 4l p c 2138 内部结构2 6 图3 5c p h a = 0 、c p o l = 0 时s p i 总线时序图2 7 图3 6 软件仿真s p i 接口的流程图2 8 图3 7c c 2 4 2 0 与l p c 2 1 3 8 引脚连接。3 0 图3 8z i g b e e 协议节点硬件结构3 1 图4 1 多跳链式网络拓扑结构3 5 图4 2s r s c 点对点网络吞吐量3 9 图4 3s r s c 多跳链式网络端到端吞吐量3 9 图4 4s r m c 多跳链式网络端到端吞吐量3 9 图4 5m r - m c 多跳链式网络端到端吞吐量3 9 图4 6 多跳链式网络端到端平均传输时延4 0 图5 1 由多射频传感器节点组建的网络4 2 图5 2 信道分配导致的涟漪效应。4 3 图5 3 干扰模型4 4 图5 4 多信道对路由选择的影响4 5 图5 5 信道分配方法4 7 图5 6 两跳邻居信道状态信息收集示意图4 8 图5 7 基本路由算法5 1 图5 8 路由请求命令帧的处理流程5 3 图5 9 路由应答命令帧的处理流程5 5 图5 1 0n s 2 总体结构图5 7 图5 1 1 利用n s 2 进行网络仿真过程5 7 图5 1 2n s 2 中无线节点的基本结构5 8 图5 1 3 扩展n s 2 后多射频无线节点的结构5 9 i v 表格清单 表5 1a o d v j r 算法定义的路由表记录格式5 0 表5 2 路由状态值及意义5 0 表5 3a o d v j r - m r 算法定义的路由表记录格式5 0 表5 4 路由发现表记录格式5 1 v 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所 知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得金日旦工业太堂 或其他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谢意。 学位论文作者签字：扬伊签字日期：圳口年铲月罗日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盒胆工些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权金壁王些太 ! l 可以将学位论文的全部或部分论文内容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适用本授权书) 学位论文者签名：茹勿亏乙 导师签名： 签字日期：泓归年矽月罗日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 签字日期沙，o 年丫月r 罗日 电话： 邮编： 致谢 本文是在导师陆阳教授的严格要求和悉心指导下完成的。从论文选题、论 文结构以及论文撰写，无不凝聚着陆老师的心血。在硕士研究生学习期间，陆 老师给予我极大的关怀和帮助，使我在各方面均有长足的进步。陆老师活跃的 学术思想、渊博的学识以及对事物敏锐的洞察力都令我钦佩不已，给我留下了 深刻的印象。在此，谨向导师致以最诚挚的感谢! 感谢合肥工业大学分布式控制实验室所有成员，小组讨论时大家的发言给 我启发和灵感。感谢我的同学盛峰、朱金旺以及实验室其他成员在学习上和生 活上给予我很大的支持。感谢其他老师和同学在我攻读硕士学位研究生期间给 予我无私的帮助。 感谢合肥工业大学研究生部及计算机与信息学院的老师付出的辛勤工作。 最后，感谢父母、妹妹以及女友，是他们在背后的大力支持和关爱使我得 以顺利完成硕士研究生学业。 作者：杨飞 2 0 1 0 年3 月2 0 日 第一章导论 1 1 概述 1 1 1 本论文研究的背景、目的 传感器网络是一种特殊的a dh o e 网络，一般采用8 0 2 1 5 4 、8 0 2 1 1 等通信 协议，并且网络中所有节点使用相同的信道进行通信。目前，传感器网络研究 的一个重要方面是在能量严重受限的微型节点上如何实现简单的环境数据( 如 温度j 湿度、光强等) 采集、传输与处理【l 】。随着监测环境的日趋复杂多变，由 传统传感器网络所获取的简单数据愈加不能满足人们对环境监测的全面需求， 迫切需要将信息量丰富的图像、声音等多媒体信息引入到以传感器网络为基础 的环境监测活动中来，实现细粒度、精准信息的环境监测 2 - 3 j 。然而，无线信道 的广播特性决定了在干扰区域内两个以上节点无法同时传输，这就严重降低了 网络的吞吐量并加大了端到端时延【4 5 】。在传统的单信道8 0 2 1 5 4 传感器网络 中，节点密度的增加将加剧节点间的竞争和发送分组之间的冲突，大量的节点 退避降低了信道利用率并导致吞吐量的迅速下降。因此，传统的单信道8 0 2 15 4 传感器网络无法满足流媒体数据传输对带宽的需求。为获得较高的网络带宽， 可以采用带宽资源丰富的8 0 2 11 协议来构建传感器网络。但是，8 0 2 1 1 协议复 杂，运行功耗大，外围电路复杂，不适合在特定场合中应用。 由于8 0 2 1 5 4 协议提供了多个非重叠信道，近年来，研究人员提出采用多 信道方案来解决竞争和冲突以提高网络带宽【6 】。使用多信道的益处在于：减 小网络中数据包的平均传输时延【6 】；多信道环境下允许邻居范围内的多个节 点使用不同信道通信，所以能够有效降低干扰和提高系统通信容量 7 - 9 j 。一直以 来，多信道研究热点主要集中于在已有的单射频节点上，通过修改m a c 协议 来实现信道的协商、分配和节点竞争接入【l 1 4 】。当网络中的单射频节点工作在 多信道方式时，如果相邻节点没有切换到同一个信道，那么业务必须等待一段 时间传输f 7 1 。这在多跳的环境下会形成可观的端到端时延；另外，如果路由中 多数相邻节点都工作在同一个信道上，这会增加邻居之间的干扰【l5 。同时，多 跳网络中需要一个公共信道来承担网络的连通作用，这就增加了多信道网络中 信道管理的复杂性【l6 。随着射频收发器硬件成本的降低和相关技术的发展，在 一个传感器节点上装配多个射频正在成为可以接受的技术选择。这里称由多射 频传感器节点组建的网络为多射频多信道( m u l t i 。r a d i om u l t i c h a n n e l ，m r m c ) 传感器网络，其优势在于：首先，节点的多个射频可以同时工作在协议提供的 正交信道上而相互没有影响，这样，尽管当前8 0 2 15 4 射频收发器均以半双工 方式工作，但节点仍可以使用不同的射频在接收数据的同时发送数据，从而提 高了网络的实际带宽【r 卜1 8 】；其次，在使用多信道时，若节点采用单射频，则通 过中继节点后连接的吞吐量将降低，而多射频节点不存在该问题【19 1 。因此， m r m c 传感器网络具有很大的发展潜力，对它的研究具有重大意义。 1 1 2 国内外研究状况分析 国际上对m r m c 无线网络的研究始于2 0 0 4 年，相关研究工作几乎都是在 8 0 2 1 1 协议平台上开展的，所研究的问题可归结为以下三点：信道分配机制； 路由度量参数；多射频的管理。 m r m c 无线网络主要应用于下面两种拓扑结构：m e s h 结构，由接入有 线网络的网关节点、静止的路由节点以及作为用户的终端节点组成。该结构的 骨干部分由各个路由节点自组织形成拓扑；a dh o c 结构，各可移动节点兼作 独立主机和路由器，以自组织方式形成网络拓扑。 2 0 0 4 年微软研究人员a t u la d y a 等首次提出在具有固定基础设施的m e s h 网 络上布置双射频双信道节点，在链路层实现多射频统一协议( m u l t i r a d i o u n i f i c a t i o np r o t o c o l ，m u p ) ，利用一个虚拟的m a c 地址来代替多个无线网卡使 用的物理m a c 地址。同时根据链路层的周期探测包来计算往返的延时，并以此 作为信道质量评测参数，选择合适的信道作为相邻节点的通信信道【_ 7 1 。同年， r i c h a r dd r a v e s 等人提出了适合于m r m c 无线网络的路由协议m r l q s r ，利用 在路由层的广播报探测节点之间的期望传输时间e t t ( e x p e c t e dt r a n s m i s s i o n t i m e ) ，将路径中各链路e t t 之和线性叠加之后，同时考虑通信路由中的信道多 样性，进行优化而形成路由度量参数w c e t t ( w e i g h t e dc u m u l a t i v ee x p e c t e d t r a n s m i s s i o nt i m e ) ，实现了全局优化与个体优化的平衡，选择具有高质量的信 道集合作为通信路由h 引。上述文献中节点装配的每个射频在初始时就固定在某 个信道上，这依旧没有充分利用协议提供的信道数目。然而，若可供节点选择 的信道数目大于节点射频的数目，这就需要谨慎地为每个射频分配信道，以保 证网络的连通性，同时节点的每个射频应根据信道分配准则在网络运行期间进 行动态的信道切换。基于此，a s h i hr a n i w a l a 等率先提出在其设计的无线m e s h 网络结构中实现信道分配，每个节点利用网关提供的信道负载以及流量模式信 息，同时考虑相邻节点的干扰测量对节点的每个射频实现信道的分配1 2 。 上述研究成果所采用的研究平台都是在有基础设施的无线m e s h 网络上进 行的。目前，针对m r m ca dh o c 网络的研究工作还很匮乏。在a dh o c 网络中， m r m c 节点主要分成两类，一类是可用信道数目等于射频数目，这样每个信道 都与射频一一对应，即收发器信道【2 i 】；另一类就是可用信道数目大于射频数 目，此时各个射频都能够根据通信需要来切换信道【2 引。 在已有的a dh o c 网络的信道分配方案中，文献 2 3 】 2 4 1 将单射频多频点信 道划分为控制信道和数据信道，预先指定一个专门控制信道来协商数据信道的 分配和解决信道的冲突，这样通过使用专用的控制信道，使路由发现、路由维 2 护等广播信息可靠的传输，提高了网络的吞吐量，但是在网络节点密度大的时 候，会造成控制信道饱和，影响网络的性能；文献 2 5 通过在一个指定的时间 段中，通过侦听、协商进行信道的分配，这需要a dh o c 网络中各节点保持时 钟同步。但在多信道网络中，时钟同步是十分困难的事情，因为这包含了网络 通信延时和移动。 在实现对多射频多信道的分配时，必须解决如何管理协调处于平等地位的 多个射频的问题，同时应该考虑到节点的路由逻辑地址与多射频的多m a c 地 址的分配。国内外关于这方面的研究很少，最近，文献 15 通过在l i n u x 内核 的网络层与网卡驱动之间加上一个支持信道切换的协议层，以隐藏运用多无线 网卡时信道切换的复杂性，这为设计管理多射频的协议提供了借鉴思路。 1 2 本论文的研究内容、拟解决的关键问题及创新之处 1 2 1 本论文的研究内容 ( 1 ) 研究内容1 研究多射频条件下，信道公平分配的条件、指标，以及在节点移动情况下 如何根据公平分配准则自适应调整信道的分配；同时，通过试验研究节点射频 传输距离对信道公平分配的影响，以及相邻节点之间通信距离和公平分配准则 的关系。 ( 2 ) 研究内容2 研究目前常用的单射频单信道协议的路由度量参数制定依据，在n s 2 环 境下进行仿真，重点分析它们在s n r 指标、丢包率、信道衰减情况、传输带宽、 网络拓扑、并发传输任务、传输模式( 单播、组播、广播) 等变化时，依据这些 路由度量参数对链路的选取是否合理( 即选取比较稳定、带宽较高、端到端时延 较低的信道) 。在此基础上，研究射频信道条件下路由度量参数的设计方 法以及和上述这些参数之间的关系。 ( 3 ) 研究内容3 根据对射频信道条件下路由度量参数的研究结果，进一步确定路由协 议和底层协议之间需要交互的信息。设计一个在实施路由协议的网络层和m a c 层之间的接口层，用以管理多个射频，以期向网络层提供一个虚拟的射频，简 化路由协议设计。 ( 4 ) 研究内容4 在条件具备的情况下，进一步研究射频m 信道条件下( m ) 的信道分 配和路由度量参数问题。 1 2 2 本论文拟解决的关键问题 ( 1 ) 关键问题1 多射频条件下多信道在网络拓扑相对稳定时的分配准则，以及根据网络拓 扑结构改变动态协商信道调节的方法。 ( 2 ) 关键问题2 在综合分析s n r 指标、丢包率、信道衰减情况、传输带宽、网络拓扑、并 发传输任务、传输模式( 单播、组播以及广播) 等指标对路由选择影响的基础上， 建立射频信道条件下路由度量参数和这些参数的定量关系。 1 2 3 本论文的创新之处 ( 1 ) 创新之处1 建立一个射频条件下的信道分配机制，实现各可用信道在充分利用的 前提条件下，让信道在通信路由中公平分布，并且同时根据节点移动导致网络 拓扑改变而自适应调整信道的分布。 ( 2 ) 创新之处2 给出选择路由过程中链路质量( s n r 指标、丢包率、信道衰减情况、传输 带宽) 、最小跳数、瓶颈链路之间的关系，通过这些研究给出一个有合理计算复 杂度的路由度量参数。 ( 3 ) 创新之处3 在实施路由协议的网络层和m a c 层之间建立一个管理层，为每个射频的 队列调度提供服务，并实现报文的中转。 1 3 本论文拟采取的研究方法 ( 1 ) 信道分配的参数评价 首先采用n s 2 网络仿真工具建立模型，模型采用2 0 个以上带有3 个射 频模块的基于i e e e8 0 2 1 5 4 协议的节点设备，随机分布在一个环境中，水平间 距在2 0m ，发射功率1 0m w ，同时，采用传统的a o d v 协议作为路由协议， 观测任意三跳的路由分布，建立信道的随机概率分布模型。得到信道随机分布 的一般规律，从而分析影响其分布的参数之间的关系。 研制出具有3 个射频模块的基于i e e e8 0 2 15 4 协议的节点，在仿真的基 础上同样采用2 0 个以上这样的节点进行实验研究，验证分析仿真的结果，并对 模型进行修改，如此反复，直至获得最佳结果( 考虑到无线a dh o e 网络物理层 的信道多变性和路由选择的偶然性，重复试验不少于2 0 次) 。 在协议软件设计上，修改现有的单射频单信道z i g b e e 协议栈源代码，在 此基础上，设计适用于本课题实验的射频信道的协议栈软件。 ( 2 ) 路由度量参数建立 4 仍然建立2 0 个以上节点的网络，采用n s 2 网络仿真和实验相结合的方法 进行研究。选取相互间隔为4 跳的节点对组成源目的节点。源节点持续以一定 的速度发送数据包，同时考虑背景业务。 列出源节点到目的节点的所有可能路径，从平均最大带宽、瓶颈链路、 链路丢包率、中间节点的邻居数目以及最小跳数方面考虑，建立对比图。分析 给定度量参数的最大吞吐量和抗干扰性。给出它们之间的关系，并总结衡量链 路质量的参数。 进一步分析所选路由的稳定性，探测接收端数据包的s n r 值，研究其在 链路即将失效时的表现，分析它对链路稳定性的预测性能。 综合分析上述两个步骤，从步骤中选取影响路由性能的参数并经过加 权处理，使各个参数能够得到有效的平衡；同时考虑从步骤中得到s n r 值对 路由稳定性的评价指标。从而得到新的路由度量参数。 设计网络中的传输并发任务和组播任务，考察瓶颈节点的性能，分析多 个并发传输任务和组播时时，路由度量参数的适应性，并对制定路由度量参数 的方法再进行调整并反复进行仿真与实验。 ( 3 ) 根据步骤( 2 ) 得到路由度量参数，设计位于m a c 层和网络层( 路由协议) 之间的管理层，为网络层提供一个虚拟的射频，在此层实现网络层信道与射频 m a c 地址的转换。考虑为每个信道设计一个独立队列，并在此层支持广播。 1 4 本论文的主要工作及内容组织 本文设计并实现了基于z i g b e e 技术的多射频传感器节点系统，主要工作包 括节点硬件平台的设计与实现、m i c r o c h i pz i g b e e 协议栈m p z b e e 在节点上的 移植和多射频扩展、节点系统的性能研究以及适用于m r m c 传感器网络的信 道分配和路由策略的设计与实现。 全文共分六章。第一章介绍开展此项研究工作的背景，并对课题的研究内 容和研究方法进行了详细阐述，最后总结了国内外研究概况：第二章概述了传 感器网络和z i g b e e 技术，介绍了传感器网络的结构和协议栈，并对z i g b e e 协 议栈的物理层、m a c 层和网络层进行了详细描述。第三章详细说明了多射频传 感器节点硬件平台的设计与实现，并给出m i c r o c h i pz i g b e e 协议栈m p z b e e 的 物理层和m a c 层在节点硬件平台上的移植与多射频扩展。第四章分析了单跳 和多跳i e e e8 0 2 1 5 4 链式网络吞吐量的理论上限，并对不同场景下单跳和多跳 i e e e8 0 2 15 4 链式网络吞吐量和时延进行了实际测量。第五章分析了m r m c 传感器网络提出的新问题，主要包括信道分配和路由算法两个方面。在此基础 上，提出了适用于m r m c 传感器网络的信道分配和路由策略。第六章总结全 文并对下一步工作进行了展望。 1 5 本章小结 本章首先介绍了m r 。m c 传感器网络的研究背景和研究意义，然后阐述了 课题的来源、研究内容以及研究方法，并总结了目前国内外的研究概况，最后 描述了本文的主要工作和论文的组织。 6 第二章传感器网络与z i g b e e 技术 2 1 传感器网络简介 传感器网络的研究发展可以追溯到1 9 7 8 年美国d a r p a 的一个用于军用检 测的项目，由于当时技术条件的限制，传感器网络的应用局限于军方的一些项 目中。随着微电子技术、计算技术和无线通信技术的进步，低功耗多功能传感 器得到了快速发展，它能够在微小体积内集成信息采集、数据处理和无线通信 等多种功能。从2 l 世纪开始，传感器网络引起了学术界、军界和工业界的极大 关注，美国和欧洲相继启动了许多关于传感器网络的研究计划。 传感器网络就是由大量部署在观测区域中的微型廉价低功耗传感器节点组 成，通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统。传感器节点具有 数据采集、处理和无线通信的能力，协作地完成大规模复杂的监测任务。传感 器、感知对象和观察者构成了传感器网络的三个要素。如果说i n t e r n e t 构成了 逻辑上的信息世界，改变了人与人之间的沟通方式，那么，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，从而极大地扩展了现有 网络的功能和人类认识世界的能力。 传感器网络的应用前景非常广阔，能够广泛应用于军事、环境检测和预报、 健康护理、智能家居、建筑物状态监控、复杂机械监控、城市交通、空间探索、 大型车间和仓库管理，以及机场、大型工业园区的安全监测等领域。 随着传感器网络的深入研究和广泛应用，相关的技术标准也逐渐发展成熟。 2 0 0 3 年1 1 月，i e e e 针对低速无线个人区域网络( l o w r a t ew i r e l e s sp e r s o n a l a r e a n e t w o r k ，l r w p a n ) 正式发布了i e e e8 0 2 1 5 4 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范围内不同设备 之间低速互连提供统一标准 2 6 】。由于l r w p a n 与传感器网络有很多相似之处， 很多研究机构把它作为传感器网络的通信平台。2 0 0 4 年1 2 月，z i g b e e 联盟正 式发布了1 0 版本z i g b e e 技术规范，该规范采用i e e e8 0 2 15 4 标准作为物理 层和m a c 层协议，同时制定了网络层和安全层协议【2 卜2 9 】。z i g b e e 技术标准在 设计过程中专门考虑了传感器网络的应用要求，其显著的特点就是低速率、低 功耗、低成本、自配置和灵活的网络拓扑结构，这些特性决定了z i g b e e 技术非 常适合传感器网络方面的应用。本文将采用m i c r o c h i p 公司的m p z b e e 协议栈 来设计和实现多射频传感器节点系统，该协议栈兼容1 o 版本z i g b e e 技术规范。 2 1 1 传感器网络结构 传感器网络系统通常包括传感器节点( s e n s o rn o d e ) 、汇聚节点( s i n kn o d e ) 7 和管理节点。大量传感器节点随机部署在监测区域内，能够通过自组织方式构 成网络。传感器节点所采集的数据沿着其它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 联网或者卫星到达管理节点。 从网络功能上看，每个传感器节点兼顾传统网络节点的终端和路由器双重 功能，除了进行本地信息收集和数据处理外，还要对其它节点转发来的数据进 行存储、管理和融合等处理，与其它节点协作完成一些特定任务。与传感器节 点相比，汇聚节点的处理能力、存储能力和通信能力较强，它连接传感器网络 与i n t e r n e t 等外部网络，实现两种协议之间的转换，把收集到的数据转发到外 部网络上，同时发布管理节点的监测任务。 2 1 2 传感器网络协议栈 传感器网络的协议栈也可参考o s i 七层模型进行设计，但应特别考虑节点 的环境感知和数据处理能力以及节省节点有限的能量。一种可能的传感器网络 协议栈包括5 层：物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层，如图2 1 所示。鉴于传感器网络节点的资源和运算能力，一般不定义传输层。确实需要 的话，可以在应用层中做适当的补充。此外，协议栈还包括三个管理平面：能 量管理平面、移动管理平面和任务管理平面。 蓟i 蓁1 z ，t i 一 应用层l 暨l 型 传输层l 管l 弹 网络层l 理l 平 剩步物理层l7 任 务 管 理 平 图2 1 传感器网络协议栈 各层协议的功能如下： 物理层提供简单但健壮的信号调制和无线收发技术； 数据链路层主要负责数据成帧、帧检测、媒体访问和差错控制； 网络层主要负责路由生成与路由选择； 传输层主要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层软件。 各个管理平面的功能如下： 能量管理平面负责管理节点如何使用能量，例如调节节点的发送功率， 控制开机和关机，决定是否转发数据和参与路由计算等； 移动管理平面跟踪节点的移动，并且通过与邻居节点的协调来平衡节点 之间的功率和任务； 8 任务管理平面负责在监测区域内的所有传感器节点合理地分配任务，任 务的划分基于节点的能力和位置，使节点能够以能量高效的方式协调工作。 2 2z i g b e e 技术简介 简言之，z i g b e e 就是一种低速率、低功耗、低成本的短距离无线组网通信 技术。由英国i n v e n s y s 、日本三菱电气、美国m o t o r o l a 、荷兰p h i l i p s 等几家公 司在2 0 0 2 年宣布成立z i g b e e 联盟，合力推动z i g b e e 技术的发展。2 0 0 4 年底， 1 0 版本z i g b e e 技术规范正式公布。 2 2 1l r w p a n 的特点 i e e e8 0 2 1 5 4 标准定义了z i g b e e 的物理层和m a c 层，它是针对l r w p a n 制定的标准。i e e e8 0 2 1 5 4 标准定义的l r w p a n 具有如下特点： 在不同的载波频率下实现了2 0k b p s 、4 0k b p s 和2 5 0k b p s 三种不同的传 输速率： 支持星型和点对点对等两种网络拓扑结构： 具有1 6 位短地址和6 4 位扩展地址两种地址格式； 支持冲突避免的载波侦听多路访问技术( c a r r i e rs e n s em u l t i p l ea c c e s s w i t hc o l l i s i o na v o i d a n c e ，c s m a c a ) ： 支持确认( a c k ) 机制，保证传输的可靠性。 2 2 2 网络设备类型 对于网络中的设备，i e e e8 0 2 1 5 4 和z i g b e e 联盟所制定的标准分别有不 同的定义方法和术语规范。i e e e8 0 2 1 5 4 标准根据设备所具有的通信能力将设 备分为两类：全功能设备( f u l l f u n c t i o nd e v i c e ，f f d ) 和精简功能设备 ( r e d u c e d f u n c t i o nd e v i c e ，r f d ) 。f f d 实现了全部i e e e8 0 2 1 5 4 协议，而r f d 则根据特定的应用需求只实现了部分i e e e8 0 2 15 4 协议。l r w p a n 网络中的 设备可分为p a n 协调器( p a nc o o r d i n a t o r ) 、协调器( c o o r d i n a t o r ) 和一般设备 ( d e v i c e ) 。p a n 协调器必须是f f d ，它是l r w p a n 的总控制器，且一个 l r w p a n 中只有一个p a n 协调器。协调器也是f f d ，它通过发送信标帧提供 同步服务。l r w p a n 中除p a n 协调器和协调器之外的其它设备都是一般设备， 它们可以是f f d ，也可以是r f d 。f f d 之间以及f f d 与r f d 之间都可以直接 通信，而r f d 之间不能直接通信。r f d 只能与f f d 通信，或者通过一个f f d 向外转发数据，这个与r f d 相关联的f f d 称为该r f d 的协调器。z i g b e e 联盟 把l r w p a n 中的p a n 协调器、协调器和一般设备分别称作z i g b e e 协调器 ( z i g b e ec o o r d i n a t o r ) 、z i g b e e 路由器( z i g b e er o u t e r ) 和z i g b e e 终端设备( e n d d e v i c e ) 。 2 2 3 网络拓扑结构 根据不同的应用需求，l r w p a n 网络可以组织成星状( s t a r ) 网络或者点对 点对等( p e e r t o p e e r ) 网络，如图2 2 所示。 二p a n 孑- 。 p e e r - t o p e e rt o p o l o g y f u l lf u n c t i o nd e v i c e or e d u c e df u n c t i o nd e v i c e 图2 2 星状网络和点对点对等网络 在星状网络中，所有设备都与p a n 协调器通信，p a n 协调器是整个网络的 中心设备。p a n 协调器一般具有持续的电力供应，而其它设备则通常采用电池 供电。星状网络适合家庭自动化、p c 外设以及个人健康护理等小范围室内应用。 与星型网络不同，点对点对等网络中的任何两个设备只要彼此都在对方的 无线辐射有效范围之内，就可以直接通信。点对点对等网络也需要一个p a n 协 调器，不过该p a n 协调器的功能不再是为其它设备转发数据，而是实现设备注 册、访问控制等基本的网络管理功能。点对点对等拓扑结构可以支持a dh o c 网络，允许通过多跳路由的方式在网络中传输数据。 z i g b e e 支持星状、树状( t r e e ) 和网状( m e s h ) 三种网络拓扑结构，其中树状 网络和网状网络是由点对点对等拓扑结构构建的。在任意一种z i g b e e 网络拓扑 结构中，至少存在z i g b e e 协调器和终端设备两种网络设备。同时，树状网络和 网状网络还可以选配z i g b e e 路由器。 如图2 3 所示，星状网络由一个z i g b e e 协调器以及一个或者多个终端设备 构成。z i g b e e 协调器负责初始化和维护网络的正常工作，保持同终端设备的通 信。在星状网络中，所有终端设备只与z i g b e e 协调器进行通信。终端设备之间 的通信通过z i g b e e 协调器的转发来完成。终端设备要么是通信的起点，要么是 通信的终点。由于z i g b e e 协调器可以有自己的应用，所以它可以是通信的起点， 可以是通信的终点，还可以是两个终端设备通信的中间转发设备。 如图2 4 所示，在树状网络中，终端设备可以加入z i g b e e 协调器或者z i g b e e 路由器。z i g b e e 路由器具有两种功能：第一，增加网络能够容纳的设备的数量； 第二，扩大网络覆盖范围。由于添加了z i g b e e 路由器，终端设备无需位于z i g b e e 1 0