基于复合定位的无线传感器网络层次路由协议设计与实现_硕士学位论文.doc

南京航空航天大学硕士学位论文 1 第一章第一章 绪论绪论 微电子技术 计算技术和无线通信等技术的进步 推动了低功耗多功能传感器的 快速发展 使其在微小体积内能够集成信息采集 数据处理和无线通信等多种功能 无线传感器网络 Wireless Sensor Network WSN 就是在这种情况下应运而生 它是由 部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成 通过无线通信方式组成的一个多 跳的自组织网络系统 目前以 Internet 为代表的信息网改变的是人与人之间的沟通方 式 而无线传感器网络则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 变的是人与自然的交互方式 它将是信息社会不可或缺的重要组成部分 具有现代意义的无线传感器网络的研究起步于 20 世纪 90 年代末期 从 21 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 许多关于无线传感器网络的研究计划 特别是美国通过国家自然基金委员会 国防部 等多种渠道投入巨资支持传感器网络技术的研究 无线传感器网络的应用前景十分广阔 能够广泛应用军事 环境监测和预报 健 康护理 智能家居 建筑物状态监控 城市交通 空间探索以及安全监测等领域 随 着传感器网络的深入研究和广泛应用 它必将深入到人们生活的各个领域 1 1 1 1 无线传感器网络的定义无线传感器网络的定义 1 2 目前已有很多文献给出了无线传感器网络的定义 说法各有不同 但实质上大同 小异 比较通用的定义为 无线传感器网络是指由一组按需随机分布的集成有传感器 数据处理单元和通信模块的传感器以自组织方式构成的无线网络 其目的是协作地感 知 采集和处理网络覆盖范围内感知对象的信息 并传送到信息用户 1 1 2 2 无线传感器网络的特点无线传感器网络的特点 3 4 无线传感器网络与无线自组网有许多相似之处 如 无中心和自组织性 动态变 化的网络拓扑 受限的无线传输带宽 移动终端的能力有限 多跳路由 安全性差等 在此基础之上 无线传感器网络还有下列特点 1 传感器节点的通信能力有限 传感器网络的传输速率低 通信距离近 一 般只有几十到几百米 大部分工作环境恶劣地区 更多地受到地形 地貌 风雨雷电 潮湿 水浸等自然环境的影响 一方面造成传感器之间的通信不可行 另一方面可能 使传感器出现长时间故障 甚至损坏 基于复合定位的无线传感器网络层次路由协议设计与实现 2 2 能量有限 网络中的传感器一般都由电池供电且需长时间工作 而节点的 电池更换往往又不可行 这样就造成了能源方面突出的矛盾 3 计算能力有限 传感器网中的传感器一般采用嵌入式处理器和存储器 这 些传感器都具有计算能力 可以完成一些信息处理工作 但是 由于嵌入式处理器和 存储器的能力和容量有限 故传感器的处理能力十分有限 4 网络规模大 拓扑结构复杂 传感器网中传感器节点密集 数量巨大 可 能达到几百甚至几千上万个 此外 传感器网可以分布在很广泛的地理区域 而且 传感器网络中的传感器 感知对象和观察者这三要素都可能移动 并且经常有新节点 加入或已有节点失效 因此 网络的拓扑结构不断变化 5 数据传输方向性强 在传感器网中数据传输具有很强的方向性 通常 查 询信息是通过广播或多播的方式从观察者向网络内传感器传输 而探测结果信息则是 由分布在各处的传感器节点向查询节点汇聚 1 1 3 3 无线传感器网络的应用无线传感器网络的应用 军事应用 在军事领域 无线传感器网络将会逐渐成为 C4ISRT 系统的重要组 成部分 C4ISRT 系统的目标是利用先进的高科技技术 为未来的现代化战争设计一 个集命令 控制 通信 计算 智能 监视 侦察和定位于一体的战场指挥系统 受 到了军事发达国家的普遍重视 因为无线传感器网络是由密集型 低成本 随机分布 的节点组成的 自组织性和容错能力使其不会因为某些节点在恶意攻击中的损坏而导 致整个系统的崩溃 这一点是传统的传感器技术所无法比拟的 也正是这一点 使无 线传感器网络非常适合应用于恶劣的战场环境 包括监控己方兵力 装备和物资 监 视冲突区 侦察敌方地形和布防 定位攻击目标 评估损失 侦察和探测核 生物和 化学武器攻击 在战场 指挥员往往需要及时准确地了解部队 武器装备和军用物资 供给的情况 铺设的传感器将采集相应的信息 并通过汇聚节点将数据送至信息处理 站 再转发到指挥部 最后融合来自战场各个环节的数据形成完备的战区态势图 在 战争中 对冲突区和军事要地的监视也是至关重要的 通过铺设传感器网络 以更隐 蔽的方式近距离地观察敌方的布防 也可以直接将传感器节点撤向敌方阵地 在敌方 还未来得及反应时迅速收集利于作战的信息 无线传感器网络还可以为火控和制导系 统提供准确的目标定位信息 在生物和化学战中 利用无线传感器网络及时 准确地 探测爆炸中心 将会为己方提供宝贵的反应时间 从而最大可能地减小伤亡 无线传 感器网络也可避免核反应部队直接暴露在核辐射的环境中 在军事应用中 与独立的卫星和地面雷达系统相比 无线传感器网络的潜在优势 表现在以下几个方面 南京航空航天大学硕士学位论文 3 1 分布节点中多角度和多方位信息的综合有效地提高了信噪比 这一直是卫星 和雷达这类独立系统难以克服的技术问题之一 2 无线传感器网络低成本 高冗余的设计原则为整个系统提供了较强的容错能 力 3 传感器节点与探测目标的近距离接触大大消除了环境噪声对系统性能的影响 4 节点中多种传感器的混合应用有利于提高探测的准确性 5 多节点联合 形成覆盖面积较大的实时探测区域 6 借助于个别具有移动能力的节点对网络拓扑结构的调整 可以有效地消除探 测区域内的阴影和盲点 环境科学 随着人们对于环境的日益关注 环境科学所涉及的范围越来越广泛 通过传统方式采集原始数据是一件困难的工作 无线传感器网络为野外随机性的研究 数据获取提供了方便 比如 跟踪候鸟和昆虫的迁移 研究环境变化对农作物的影响 监测海洋 大气和土壤的成分等 ALERT 系统中就有数种传感器来监测降雨量 河 水水位和土壤水分 并依此预测爆发山洪的可能性 类似地 无线传感器网络对森林 火灾准确 及时地预报也应该是有帮助的 此外 无线传感器网络也可以应用在精细 农业中 以监测农作物中的害虫 土壤的酸碱度和施肥状况等 医疗健康 如果在住院病人身上安装特殊用途的传感器节点 如心率和血压监 测设备 利用无线传感器网络 医生就可以随时了解被监护病人的病情 进行及时的 处理 还可以利用无线传感器网络长时间地收集人的生理数据 这些数据在研制新药 品的过程中是非常有用的 而安装在被监测对象身上的微型传感器也不会给人的正常 生活带来太多的不便 此外 在药物管理等诸多方面 它也有新颖而独特的应用 总 之 无线传感器网络为未来的远程医疗提供了更加方便 快捷的技术实现手段 空间探索 探索外部星球一直是人类梦寐以求的理想 借助航天器撒布的无线 传感器网络可实现对星球表面长时间的监测 是一种经济可行的方案 NASA 的 JPL Jet Propulsion Laboratory 实验室研制的 Sensor Webs 就是为将来的火星探测进行 技术准备的 已在佛罗里达宇航中心周围的环境监测项目中进行测试和完善 其他商业应用 自组织 微型化和对外部世界的感知能力是无线传感器网络的 三大特点 这些特点决定了无线传感器网络在商业领域应该也会有不少的机会 比如 嵌入家具和家电中的传感器与执行机构组成的无线网络与 Internet 连接在一起将会为 人们提供更加舒适 方便和具有人性化的智能家居环境 此外 在灾难拯救 仓库管 理 交互式博物馆 交互式玩具 工厂自动化生产线等众多领域 无线传感器网络都 将会孕育出全新的设计和应用模式 基于复合定位的无线传感器网络层次路由协议设计与实现 4 1 1 4 4 研究进展研究进展 军事领域的研究进展情况 美国陆军 2001 年提出了 灵巧传感器网络通信 计划 己被批准为 2001 财政年度的一项科学技术研究计划 并在 2001 2005 财政年 度期间实施 美国陆军近期又确立了 无人值守地面传感器群 项目 其主要目标是 使基层部队指挥员具有在他们所希望部署传感器的任何地方灵活地部署传感器的能力 该项目是支持陆军 更广阔视野 的 3 个项目之一 美国陆军最近还确立了 战场环 境侦察与监视系统 项目 该系统是一个智能化传感器网络 可以更为详尽 准确地 探测到精确信息 为更准确地制定战斗行动方案提供情报依据 它通过 数字化路标 作为传输工具 为各作战平台与单位提供 各取所需 的情报服务 使情报侦察与获 取能力产生质的飞跃 该系统组由撒布型微传感器网络系统 机载和车载型侦察与探 测设备等构成 美国海军最近也确立了 传感器组网系统 研究项目 该系统可以利 用现有的通信机制对从战术级到战略级的传感器信息进行管理 而管理工作只需通过 一台专用的商用便携机即可 不需要其他专用设备 并可协调来自地面和空中监视传 感器以及太空监视设备的信息 可以部署到各级指挥单位 2002 年 5 月 美国 Sandia 国家实验室与美国能源部合作 共同研究能够尽早发现以地铁 车站等场所为 目标的生化武器袭击 并及时采取防范对策的系统 该研究属于美国能源部反恐对策 项目的重要一环 整个系统融检测有毒气体的化学传感器和网络技术于一体 传感器 一旦检测到某种有害物质 就会自动向管理中心通报 自动开启引导旅客避难的广播 并封锁有关入口等 美国海军最近开展的网状传感器系统 CEC Cooperative Engagement Capability 是一项革命性的技术 CEC 是一个无线网络 其感知数据是原 始的雷达数据 该系统适用于舰船或飞机战斗群携带的电脑进行感知数据的处理 每 艘战船不但依赖于自己的雷达 还依靠其他战船或者装载 CEC 的战机来获取感知数 据 极大地提高了测量精度 进而可以快速准确地跟踪混乱中的敌机和导弹 民用领域的研究进展情况 1995 年 美国交通部提出了 国家智能交通系统 项目规划 预计到 2025 年全面投入使用 该计划试图把先进的信息技术 数据通信 技术 传感器技术 控制技术及计算机处理技术有效地集成运用于整个地面交通管理 建立一个在大范围内 全方位发挥作用的 实时 准确 高效的综合交通运输管理系 统 这种新型系统将有效地使用传感器网络进行交通管理 不仅可以使汽车按照一定 的速度行驶 前后车距自动地保持一定的距离 而且还可以提供有关道路堵塞的最新 消息 推荐最佳行车路线以及提醒驾驶员避免交通事故等 该系统用大量的传感器与 各种车辆保持联系 人们可以利用计算机来监视每一辆汽车的运行状况 如制动质量 发动机运转情况等 根据具体情况 计算机可以自动进行调整 使车辆保持在高效低 耗的最佳运行状态 并就潜在的故障发出警告 或直接与事故抢救中心取得联系 南京航空航天大学硕士学位论文 5 2002 年 10 月 24 日 美国英特尔公司发布了 基于微型传感器网络的新型计算发展 规划 规划中称 今后英特尔将致力于研究微型传感器网络在预防医学 环境监测 森林灭火乃至海底板块调查 行星探查等领域的应用 实现该计划需要 3 个阶段 即 物理阶段 实现阶段和应用阶段 物理阶段主要开发集成感知 计算和通信功能的超 微型传感器 也被称作尘粒或智能微尘 实现阶段将在实际商务中使用来自传感器网 络的感知数据 应用阶段将应用传感器网络于预防医学 环境监测及灾害对策等领域 英特尔研究中心伯克利实验室和大西洋学院的研究人员计划部署和使用无线传感器网 络来研究岛上环境 这些传感器由温度 湿度 气压等芯片和红外线传感器组成 科 学家们使用这些设备可以在不干扰野生动植物正常生活的情况下监视它们及其生存环 境 现在己经有一些从事无线传感器网络开发的公司 如美国的 Crossbow 公司和 Dust 公司等 其中 Crossbow 公司己经推出了 Mica 系列传感器网络产品 到现在已 经有了 Mica Mica2 Mica2Dot 三种产品 他们还为 Mica 开发了一套微型的操作 系统 Mica2Dot 的大小和一枚硬币差不多 每个 Mica2 可以分为两个模块 一个是 基本的射频和处理模块 MPR Mote Processor Radio Board 另一个是可选的传感模块 MDA Mote Data Acquisition Board Mica2 工作在 915MHz 的 ISM 频段上 有两个可 调的工作频率 914 007MHz 和 915 998MHz 它以 AA 电池或钮扣电池作为能源 现 在关于无线传感器网络的大多数科研和演示系统都是以 Mica 为平台的 学术界的研究进展 在美国自然科学基金委员会的推动下 美国的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 到现在为止 学术界对无线传感器网络的研究大致经过了两个阶段 第一 阶段主要偏重利用微型机电系统 Micro Electromechanical Systems MEMS 技术设计 小型化的节点设备 代表性的研究项目有 Smart Dust 和 WINS WirelessIntegrated Network Sensors 实验室 对于网络技术和通信协议的关注和研究可以认为是无线传 感器网络研究的第二个阶段 目前正在成为无线网络研究领域的一个热点 从网络分 层模型的角度分析 每一层都有需要结合传感器网络的特点进行细致研究的问题 就 己有的研究而言 主要集中在网络层和链路层 目前的研究工作还处于起步阶段 大 量的问题还没有涉及到 未来的研究工作任重而道远 下面 主要介绍一下目前在网 络技术和通信协议方面的一些研究进展 1 无线传感器网络网络技术的研究进展 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 基于相关性 的 Sensor 数据编码模式 用稀疏传感器网络重构跟踪移动对象路线的方法 传感器 基于复合定位的无线传感器网络层次路由协议设计与实现 6 网络上随时间变化的连续流可视化方法 允许系统级优化时有效通信机制的一般化解 传感器网络上的数据分布式存储的地理 Hash 表方法 确定传感器网络中节点位置的 分布式算法等 并研制了一个专门适用于无线传感器网络的操作系统 TinyOS 11 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 他们提出了低级通信不依赖于网络拓扑结构的分 布式系统技术 支持多应用传感器网络中命名数据和网内数据处理的软件结构 变换 初始感知为高级数据流的层次系统结构 传感器网络的时间同步的解决方法 自组织 传感器网络的设计问题和解决方法 新的多路径模式等 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 斯坦福大学提出了在传感器网络中事件跟踪和传感器资源 管理的对偶空间方法以及由无网连接的传感器和控制器构成的闭环控制系统的框架 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 无线传感器网络通信协议的研究 链路层协议用于建立可靠的点到点或点到多点通信链路 主要由介质访问控制 MAC 组成 就实现机制而言 MAC 协议分 3 类 确定性分配 竞争占用和随机访 问 这三类各有特点 就某一种而言 都不是完全适合无线传感器网络的通信协议 需要对它们进行融合和改进 通信蜂窝电话网络 Ad hoc 和蓝牙技术是当前主流的 无线网络技术 但它们各自的 MAC 协议也不适合无线传感器网络 GSM 和 CDMA 中的介质访问控制主要关心如何满足用户的 QoS 要求和节省带宽资源 功耗是第二 位的 Ad hoc 网络则考虑如何在节点具有高度移动性的环境中建立彼此间的链接 同时兼顾一定的 QoS 要求 功耗也不是其首要关心的 而蓝牙采用了主从式的星型 拓扑结构 这本身就不适合传感器网络自组织的特点 1 1 5 5 课题背景与研究内容课题背景与研究内容 从当前的研究工作来看 无线传感器网络应用受限最大的问题在于传感器节点的 能源有限上 通常 无线传感器网络都是应用于人员不能长期或不能直接控制的区域 对大量布置的节点进行能源补充也是不切实际的 因此 需要最大限度地利用节点自 身携带的有限能源 节点消耗能源的主要部份在于其无线电收发方面 如何在当前的 节点制作水平上延长节点生存时间 最为主要的是构建高效节能的路由协议 减少数 据收发量 降低其收发 侦听时间 同时 考虑到无线传感器网络的应用是和节点位 置密切相关的 任何采集得来的数据如果不能和地域位置相关 是没有意义的 因此 将节点的位置和路由协议的能源有效性结合在一起是本文的研究重点 为此 本文提 南京航空航天大学硕士学位论文 7 出了一种基于节点位置的无线传感器路由协议 通过节点自组网过程中形成的节点位 置拓扑图 使节点能动态地根据自身剩余能量选择合适的路由 从而达到充分利用每 个节点能量的目的 以此延长网络使用寿命 1 1 6 6 本文的内容安排本文的内容安排 本文的内容共分以下六章 第一章绪论 介绍无线传感器网络的定义 特点 应用范围以及研究背景和意义 第二章无线传感器网络 主要分析无线传感器网络体系结构和与之相关的关键技术 并在基于 ZigBee 协议的基础上 设计了用于路由协议验证的温度传感器节点 第三 章节点定位分析 对基于测距和基于不测距两大类型的节点定位方式作了简要介绍 提出了基于测距与不测距的复合定位方法 第四章 对路由协议作了分类介绍 并对 其中一些定位算法作了分析比较 详细讨论了 GEM 路由协议 针对 GEM 路由协议 的不足 提出了相应的改进措施 这是本文的重点内容 第五章总结与展望 对全文 作了总结 提出了下一步的工作目标 基于复合定位的无线传感器网络层次路由协议设计与实现 8 第二章第二章 无线传感器网络分析无线传感器网络分析与节点设计与节点设计 2 2 1 1 无线传感器网络体系结构无线传感器网络体系结构 5 2 2 1 1 1 1 传感器网络结构传感器网络结构 无线传感器网络结构如图 2 1 所示 整个传感器网络由传感器节点群 汇聚节 点 基站 互联网及远程监控中心 用户 组成 监测区域 传感器节点 汇聚节点 用户 互联网 图 2 1 传感器网络体系结构 部署或抛撒在感兴趣区域的传感器节点以自组织方式构成网络 采集数据之后以 多跳中继方式将数据传回汇聚节点 由汇聚节点将收集到的数据通过互联网或移动通 信网络传送到远程监控中心进行处理 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 整个传感器网络是一个以数据为中心的网络 网关节点融 合的数据相当于来自一个分布式的数据库 汇聚节点的处理能力 存储能力和通信能力相对比较强 它充当传感器网络和 Internet 等外部网络之间的接口部件 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 并把收集的数据转发到外部网络中 汇聚节点既可是一个具 有增强功能的传感器节点 有足够的能量供给和更多的内存与计算资源 也可是没有 监测功能仅带有无线通信接口的特殊网关设备 2 2 1 1 2 2 传感器节点构成传感器节点构成 传感器节点通常是一个微型的嵌入式系统 它的处理能力 存储能力和通信能力 相对较弱 通过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 南京航空航天大学硕士学位论文 9 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 还要对其他节 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 传感器节点由传感器模块 路由协议管理模块 系统控制模块 无线收发模块和 能量控制模块五部分组成 如图 2 2 所示 传感器模块负责监测区域内信息的采集和 数据转换 系统控制模块负责控制整个传感器节点的操作 存储和处理本身采集的数 据以及其他节点发来的数据 路由协议管理模块负责与其他传感器节点进行无线通信 交换控制消息和收发采集数据 能量模块为传感器节点提供运行所需的能量 电源通 常采用微型电池 无线收发模块路由协议管理模块系统控制模块传感器模块 非易失性存储器RAM 电源 能量控制模块 用户界面 图 2 2 节点组成模块示意图 2 2 1 1 3 3 网络协议分层网络协议分层 8 对于传感器网络协议分层 研究人员提出了一个与互联网协议栈相对应的五层协 议栈 物理层 数据链路层 网络层 传输层和应用层 在此基础上 由于定位和时 间同步在网络的特殊性 又增加了定位和时间同步子层 物理层 物理层负责频率选择 载波生成 信号检测 调制解调 编码 定时 和同步等问题 物理层设计直接影响到电路的复杂度和传输能耗等问题 由于传感器 网络节点体积小 能量 通信能力和运算能力都很有限 这就要求传感器网络的物理 层设计比传统的网络要更加节能 能尽量延长节点的生存时间 目标是设计低成本 低功耗和小体积的传感器节点 数据链路层 数据链路层主要负责数据帧检测 介质访问控制 MAC 和差错控 制等 以保证可靠的点到点和点到多点的通信 介质访问控制方法是否合理与高效 直接决定了传感器节点间协调的有效性和对网络拓扑结构的适应性 合理与高效的介 质访问控制方法能够有效的减少传感器节点收发控制性数据的比率 进而减少能量损 耗 数据链路层的 Mac 子层不仅要能使成千上万的传感器节点建立起自组织的多跳网 基于复合定位的无线传感器网络层次路由协议设计与实现 10 络 还要保证这种多跳自组网的每个节点都有公平和高效的通信环境 是无线传感器 网络研究的热点问题之一 网络层 与传统网络的路由层类似 传感器网络的路由层也是负责数据的路由 转发 但由于传感器网络的一些自身特点 尤其是能耗的极度有限性 使得传感器网 络路由层除了高效的完成路由转发任务外 还要仔细考虑节能问题 传输层 传输层的作用和数据链路层在某些方面比较类似 如两者都有保证数 据可靠传输的责任 WSN 对数据链路层协议的要求主要体现在 MAC 层介质访问控制的 可靠性和高效性 而由于传输层是建立在数据链路层和网络层提供的服务之上的 如 果数据链路层和网络层提供的服务确实是高效可靠的 那么传输层就不是必须的 如 果需要接入 Internet 也不一定需要专门开发一个 WSN 的传输层协议 只需将 WSN 中的路由分组封装成 TCP 或 UDP 报文即可 如果封装成 TCP 报文 则节点必须维护滑 动窗口和 3 次握手等 TCP 机制 势必对能力十分有限的传感器节点造成很大负荷 因 此封装成 UDP 报文更现实些 如果 UDP 是建立在 WSN 网络层的容错机制和数据链路层 的差错控制机制上的 则其可靠性能使有保证的 另一方面 现有 WSN 都是和应用相 关的 在 WSN 有了自己的传输层协议之后 这种情况也将大大改善 应用层 应用层要负责时间同步 节点定位 QoS 移动性控制 能量管理 配置管理 安全管理和远程管理 虽然 QoS 移动性控制 能量管理 配置管理 安 全管理和远程管理可以由多个层次共同完成 每个层次都可以针对相应的功能加入自 己的实现机制 但由于数据链路层和网络层对网络的 QoS 属性 节点移动性和能耗比 较敏感 更加适合实现这方面的特性 而应用层作为 WSN 的最高层次 处于一种统观 全局的位置 更适合于网络的配置管理 安全管理和远程管理 定位与时间同步子层 定位与时间同步子层既依赖于数据传输通道进行协作定 位和时间同步协商 同时又要网络协议各层提供信息支持 如 为基于时分复用的 MAC 协议提供时间同步控制信息 为基于地理位置的路由协议提供节点位置信息等 除上文提到的六层协议外 协议栈还包括能量管理平台 移动管理和任务管理平 台 这些管理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 其功能如下 能量管理平台管理传感器节点如何使用能源 在各个协议层都需考虑节省能量 移动管理平台检测传感器节点的移动 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 南京航空航天大学硕士学位论文 11 2 2 2 2 传感器节点设计与实现传感器节点设计与实现 为研究无线传感器网络在实际应用中的有关问题 验证协议算法的有效性 设计 了基于 ZigBee 技术的温度传感器节点 为下一步的研究打下基础 2 2 2 2 1 1 ZigBeeZigBee 概述概述 6 7 ZigBee 是以 IEEE 802 15 4 规范作为介质访问层 MAC 和物理层 PHY 协议 的 专为低速率传感器和控制网络设计的无线网络协议 与其他无线协议相比 ZigBee 提供了低复杂性 缩减的资源要求和一组标准的规范 另外它还提供了 IEEE 802 15 4 定义的 3 个工作频带 2 4 GHz 915 MHz 和 868 MHz 以及一些网络配置 和可选的安全功能 ZigBee 无线网络可采用多种类型的配置 星型网络配置由一个协调器节点 主 设备 和一个或多个终端设备 从设备 组成 协调器是实现了一组很多 ZigBee 服 务的一种特殊的全功能设备 Full Function Device FFD 终端设备是 FFD 或简化 功能设备 RFD RFD 是最小而且最简单的 ZigBee 节点 它只实现了一组最少的 ZigBee 服务 在星型网络中 所有的终端设备都只与协调器通信 如果某个终端设 备需要传输数据到另一个终端设备 它会把数据发送给协调器 然后协调器依次将数 据转发到目标接收器终端设备 除了星型网络之外 ZigBee 还可以采用点对点网络 群集或网状 mesh 网络配置 由于群集和网状网络具有在多个网络之间路由数据包 的功能 因而被称为多跳网络 而星型网络则被称为单跳网络 和任何网络一样 ZigBee 网络也是多点接入网络 它主要有两种类型的多点接入机制 一是在没有使 能信标的网络中 只要信道是空闲的 在任何时候都允许所有节点发送 二是在使能 了信标的网络中 仅允许节点在预定义的时隙内进行发送 协调器会定期以一个标识 为信标帧的超级帧开始发送 并且希望网络中的所有节点与此帧同步 在这个超级帧 中为每个节点分配了一个特定的时隙 在该时隙内允许节点发送和接收数据 超级帧 可能还含有一个公共时隙 在此时隙内所有节点竞争接入信道 ZigBee 协议栈是采用 C 语言编写的 可用 MPLABC18 和 Hi Tech PICC 18 编译 器进行编译 源文件会自动根据所使用的编译器进行必要的更改 协议栈使用内部闪 存程序存储器来存储可配置的 MAC 地址 网络表和绑定表 因此 必须使用可自编程 的闪存存储器单片机 如果需要的话 可以修改非易失性存储器 NVM 程序来支持 任何其他类型的 NVM 而不使用可自编程的单片机 Microchip ZigBee 协议栈提供了 一种易于使用的不依赖于应用和 RTOS 的函数库 该函数库是专为仅需对上层软件做 极小更改就可支持多个 RF 收发器而设计的 应用程序能容易地从一个 RF 收发器移植 基于复合定位的无线传感器网络层次路由协议设计与实现 12 到另一个收发器 如有需要 能很容易地修改该协议栈以支持其他编译器 ZigBee 协议栈一般由七个模块组成 如图 2 3 所示 图 2 3 ZigBee 协议栈 典型的应用程序总是与应用层 APL 和应用支持子层 APS 接口 但是 如果 需要的话 也可以简单地将应用程序与其他模块接口或者根据需要对它们进行自定义 应用层 APL 模块提供高级协议栈管理功能 用户应用程序使用此模块来管理 协议栈功能 zAPL c文件实现了APL逻辑 而zAPL h文件定义APL模块支持的API 用 户应用程序将包含zAPL h头文件来访问其API ZigBee 设备对象 ZDO 负责打开和处理EP0接口 ZDO负责接收和处理远程设备 的不同请求 不同于其他的端点 EP0总是在启动时就被打开并假设绑定到任何发往 EP0的输入数据帧 网络层 NWK 负责建立和维护网络连接 它独立处理传入数据请求 关联 解 除关联和孤立通知请求 介质访问控制层 Medium Access Control MAC 实现了IEEE 802 15 4 规范所 要求的功能 MAC层负责同物理 Physical PHY 层进行交互 为支持不同类型的RF 收发器 Microchip协议栈将不同的PHY交互归类到不同的文件中 每个支持的收发器 都有一个独立的文件 物理层 PHY 定义了无线信道和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 2 2 2 2 2 2 基于基于 ZigBeeZigBee 协议的节点设计协议的节点设计与实现与实现 南京航空航天大学硕士学位论文 13 比较通用的传感器节点结构是由一个中央处理器模块 射频处理模块以及天线组 成 如图 2 4 所示 图 2 4 节点硬件结构 MCU 选用 MICROCHIP 公司的 PIC18LF4620 芯片 PIC4620 单片机主要性能 DC 40MHZ 的时钟输入 10MIPS 的执行速度 16 位宽指令 8 位宽数据通道 64K 字 节 Flash 存储器 4K 字节的 EEPROM SPI 接口在线编程 JTAG 在线调试接口 1 个 8 位定时器 3 个 16 位定时器 10 位 13 通道 A D 转换模块 省电休眠模式 可软件 选择时钟 5 个双向 I O 接口 并行从接口等 宽范围的工作电压 2 0 5 5V 等 图 2 5 为传感器节点主板电路的 PCB 图 图 2 6 为主板电路布线图 123456 A B C D 654321 D C B ATitle NumberRevisionSize B Date 7 Nov 2006 Sheet of File E 业 业 业 业 业 业 业 业 ZigBee ddbDrawn By S1 SW DPST R2 470 R1 4 7K VCC Y1 4Mhz VCC MCLR R3 4 7K C1 0 1uF C4 22pf C3 22pf OSC2 OSC1 J1 PHONEJACK 9V 6032 1N5817C6 22uF Tant R9 RES1 C8 3 3uF Tant C13 0 1uF 1 2 JP4 JUMPER 12 34 56 78 910 1112 J7 HEADER 6X2 RD1 RD3 RD5 RD7 RE1 RD0 RD2 RD4 RD6 RE0 VCC RE2 MCLR OSC1 OSC2 RC7 RC6 RB7 RB6 RB5 RB4 RB3 RB2RC2 RC1 RC0 RA2 RA1 RA0 RC3 RC4 RC5 RA3 RA4 RA5 12 34 56 78 910 1112 1314 1516 1718 1920 2122 2324 2526 2728 J6 HEADER 14X2 RB1 RB0 VCC C7 0 1uF C9 0 1uF 12 34 J3 HEADER 2X2 C1 2 C1 4 C2 5 C2 6 11 9 EN 1 GND 14 VCC 15 V 3 13 8 INVALID 10 FORCEON 12 FORCEOFF 16 V 7 U5 MAX3221CAE RC6 RC7 C11 0 1uF C10 0 1uF VCC R4 1M C14 0 1uF VCC C12 0 1uF 1 6 2 7 3 8 4 9 5 ISP DB9 VDD 11 VDD 32 MCLR 1 RA0 2 RA1 3 RA2 4 RA3 5 RA4 6 RA5 7 RB0 33 RB1 34 RB2 35 RB3 36 RB4 37 RB5 38 RB6 39 RB7 40 VSS 12 VSS 31 OSC1 13 RC0 15 RC1 16 RC2 17 RC3 18 RC4 23 RC5 24 RC6 25 RC7 26 RD0 19 RD1 20 RD2 21 RD3 22 RD4 27 RD5 28 RD6 29 RD7 30 RE0 8 RE1 9 RE2 10 OSC2 14 U4 PIC18LF4620 RE2 RE1 RE0 RD7 RD6 RD5 RD4 RD3 RD2 RD1 RD0 RC7 RC6 RC5 RC4 RC3 RC2 RC1 RC0 OSC2 OSC1 RB7 RB6 RB5 RB4 RB3 RB2 RB1 RB0 RA5 RA4 RA3 RA2 RA1 RA0 MCLR VCC 12 34 56 78 910 1112 J2 HEADER 6X2 VCC RC2 RB0 RC5 RC3 RB2RB3 RB1 RC4 RC0 RC1 1 2 3 4 5 6 J5 ICD MCLR RB7 RB6 VCC R8 470 R7 470 R5 330 R6 330 S3 SW DPST S2 SW DPST D1 LED D2 LED 1 2 JP2 JUMPER 1 2 JP3 JUMPER RB4 RB5 RA0 RA1 IN 1 ON OFF 3 OUT 5 NC 4 COM 2 U2 POWER1 1 2 3 s18b20 CON3 GND VCC 1 2 3 D18B20 CON3 R18B 4 7K VCC 图 2 5 节点主板电路 PCB 图 基于复合定位的无线传感器网络层次路由协议设计与实现 14 图 2 6 印刷电路板布线示意图 无线收发处理芯片选择 CHIPCON 的 CC2420 它的 ZigBee 开发应用的实例比较多 同时 MICROCHIOP 公司开发了 ZigBee 开发平台 是 ZigBee 联盟的主席成员公司之一 CC2420 的主要性能特点 它是 ChipCon 公司推出的首款符合 2 4GHzIEEE802 15 4 标 准的射频收发器 该器件包括众多额外功能 是第一款适用于 ZigBee 产品的 RF 器件 它基于 ChipCon 公司的 Smart RF03 技术 以 0 18 mCMOS 工艺制成 只需极少外部 元器件 性能稳定且功耗极低 CC2420 的选择性和敏感性指数超过了 IEEE802 15 4 标准的要求 可确保短距离通信的有效性和可靠性 利用此芯片开发的无线通信设备 支持数据传输率高达 250kbps 可以实现多点对多点的快速组网该芯片采用 SPI 通信 接口 射频输出的功率可调 具有接收信号强度监测器输出接口 可方便用在基于接 收信号强度的算法 比如定位 中信号强度的获得 图 2 7 CC2420 典型应用电路 南京航空航天大学硕士学位论文 15 表 2 1 PIC18LF 与 CC2420 接口关系 温度传感器选择数字化 DS18b20 温度传感器 这是世界上第一片支持 一线总 线 接口的温度传感器 其主要特点有 只占用一个端口 属于一线制芯片 无需外 部器件 可通过数据线供电 零待机功耗 测温范围广 55 125 温度以 9 位数字量读出 温度转换时间 200ms 具有价格低廉的特点 符合传感器网络节点 价格低廉的要求 一线总线独特而且经济的特点 使用户可轻松地组建传感器网络 图 2 7 所示为节点中射频器件 CC2420 电路连线示意图 表 2 1 列出了 CC2420 与主板 电路的接口连接关系 DS18b20 PIC18LF4620 RD0 VDD 5V GND 图 2 8 DS18b20 与 PIC18F4620 连线示意图 图 2 8 所示为 DS18b20 与 PIC18F4620 连线示意图 基于复合定位的无线传感器网络层次路由协议设计与实现 16 图 2 9 所示为带温度传感器的节点实物图样 图 2 9 节点实物图 2 2 2 2 3 3 节点间通信的实现节点间通信的实现 由于制作的节点数量有限 本节通过对五个传感器节点进行通连实验来验证节点 间建立数据链路的执行效果 因为没有为节点配置超声波接收装置 采用人工方式为 每个节点确定了具体位置 图 2 10 至图 2 12 是部分实验结果图 通过对图中数据 进行分析可以看出 节点间数据链咱的建立是可行的 通信帧各字段代表的意义如表 2 2 所示 时间 延迟 帧长 度 帧类 型 是否 加密 后继 包标 识 应答 节点 号 目的地 址句柄 目的地 址 源节点 句柄 源地址 数据 类型 信号 接收 强度 信号 质量 循环 校验 TdT Len Type Encr Pnd Ack Seq DstPA N DstAdd SrcPA N SrcAdd Type RSSI LQI FCS 表 2 2 通信帧字段说明 图 2 10 见下页 所示为各节点向上传送节点信息过程的部分截图 从图中可 以看出节点地址为 796F 4A30 以及 3A58 的孤儿节点 Orphan Notification 在广 播一个查找上级节点信息后 目的地址为 FFFF 地址为 6C18 的节点向它们分别发 出了响应信息 之后 孤儿节点就与 6C18 节点发送请求建立数据链路的信号 Association Request 并报告自己的节点信息 如 RFD 简化功能设备 类型 即叶节点 采用电池供电等 节点 6C18 继续向上传送寻找更高一级节点 直至汇聚 节点 基站 南京航空航天大学硕士学位论文 17 图 2 10 节点信息收集 部分 图 2 11 所示为在基站成功为各节点建立路由之后 节点间的数据请求应答过程 首先是地址为 6C18 的节点向地址为 796F 的节点发出数据请求 796F 收到请求信号 后 向 6C18 作出应答 并传送相应信息 基于复合定位的无线传感器网络层次路由协议设计与实现 18 图 2 11 节点数据交换 部分 图 2 12 所示为控制终端发出收集温度信息命令 节点成功返回数据的界面 图 2 12 数据传送结果 2 2 3 3 传感器网络的关键技术传感器网络的关键技术 9 10 无线传感器网络作为当今信息领域新的研究热点 涉及多学科交叉的研究领域 有非常多的关键技术有待发现和研究 在此 本文仅简单列出部分当前认为是比较重 要的一些技术 并结合本文的研究内容 着重对网络拓扑控制 网络协议 节点定位 做比较详细的介绍 2 2 3 3 1 1 网络拓扑控制网络拓扑控制 对于无线传感器网络来说 网络拓扑控制具有特别重要的意义 通过拓扑控制 自动生成良好的网络拓扑结构 能够提高路由和 MAC 协议的效率 可为数据融合 时间同步和目标定位等很多方面奠定基础 有利于节省节点的能量以延长网络的生存 期 所以 拓扑控制是无线传感器网络研究的核心技术之一 目前 传感器网络拓扑控制研究的主要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网节点选择 剔除节点之间不必要的无线通信链路 生成 一个高效的数据转发网络拓扑结构 拓扑控制可以分为节点功率控制和层次型拓扑结 构组织 12 两个方面 节点功率控制机制调节网络中每个节点的发射功率 在满足网络连通度的前提 南京航空航天大学硕士学位论文 19 下 减少节点的发送功率 均衡节点单跳可达的邻居数目 当前基于功率控制机制的 算法主要有 COMPOW 13 等统一功率分配算法 LINT LILT 14 和 LMN LMA 15 等基 于节点度数的算法 CBTC 16 LMST 17 RNG DRNG 和 DLSS 18 等基于邻近图的 近似算法 层次型的拓扑控制利用分簇机制 让一些节点作为簇头节点 由簇头节点形成 一个处理并转发数据的骨干网 其他非骨干网节点可以暂时关闭通信模块 进入休眠 状态以节省能量 目前提出了 TopDisc 19 成簇算法 改进的 GAF 虚拟地理网格分簇 算法 20 以及 LEACH 21 和 HEED 22 等自组织成簇算法 除了传统的功率控制和层次型拓扑控制 人们还提出了启发式的节点唤醒和休 眠机制 该机制能够使节点在没有事件发生时设置通信模块为睡眠状态 而在有事件 发生时及时自动醒来并唤醒邻居节点 形成数据转发的拓扑结构 这种机制重点在于 解决节点在睡眠状态和活动状态之间的转换问题 不能够独立作为一种拓扑结构控制 机制 因此需要与其他拓扑控制算法结合使用 2 2 3 3 2 2 网络协议网络协议 由于传感器节点的计算能力 存储能力 通信能量以及携带的能量都十分有限 每个节点只能获取局部网络的拓扑信息 其上运行的网络协议也不能太复杂 同时 传感器拓扑结构动态变化 网络资源也在不断变化 这些都对网络协议提出了更高的 要求 传感器网络协议负责使各个独立的节点形成一个多跳的数据传输网络 目前研 究的重点是网络层协议和数据链路层协议 网络层的路由协议决定监测信息的传输路 径 数据链路层的介质访问控制用来构建底层的基础结构 控制传感器节点的通信过 程和工作模式 在无线传感器网络中 路由协议不仅关心单个节点的能量消耗 更关心整个网 络能量的均衡消耗 这样才能延长整个网络的生存期 同时 无线传感器网络是以数 据为中心的 这在路由协议中表现得最为突出 每个节点没有必要采用全网统一的编 址 选择路径可以不用根据节点的编址 更多的是根据感兴趣的数据建立数据源到汇 聚节点之间的转发路径 目前提出了多种类型的传感器网络路由协议 如能量感知的 路由协议 定向扩散 directed diffusion DD 13 和谣传路由 rumor routing RR 24 等基 于查询的路由协议 GEAR geographical and energy aware routin 25 和 GEM graph embedding 26 等基于地理位置的路由协议 SPEED 27 和 EAQR 28 等支持 QoS 的路由 协议 传感器网络的 MAC 协议首先要考虑节省能源和可扩展性 其次才考虑公平性 利用率和实时性等 在 MAC 层的能量浪费主要表现在空闲侦听 接收不必要的数据 和碰撞重传等 为了减少能量的消耗 MAC 协议通常采用 侦听 睡眠 交替的无线 基于复合定位的无线传感器网络层次路由协议设计与实现 20 信道侦听机制 传感器节点在需要收发数据时才侦听无线信道 没有数据需要收发时 就尽量进入睡眠状态 比较有代表性的有 S MAC 29 T MAC 30 和 Sift 31 等基于竞 争的 MAC 协议 DEANA 32 TRAMA 33 DMAC 34 周期性调度等时分复用的 MAC 协议 以及 TDMA 和 FDMA 相结合的 SEMAC 35 等协议 需要指出的是 由于传感器网络是与应用相关的网络 网络协议往往需要根据 应用类型或应用目标环境特征定制 从目前的研究成果来看 没有任何一个协议能够 适应所有不同应用 2 2 3 3 3 3 节点定位技术节点定位技术 位置信息是传感器节点采集数据中不可缺少的部分 没有位置信息的监测消息 通常毫无意义 确定事件发