无线传感器网络复习提纲

1、1无线传感网络技术无线传感网络技术2无无 线线 网网 络络有基础设施网有基础设施网无基础设施网无基础设施网移动移动Ad hocAd hoc网络网络无线传感器网络无线传感器网络3无线传感器网络(WSN)是大量的静止或移动的传感器以自组织和多跳的方式构成的无线网络，目的是协作地采集、处理和传输网络覆盖地域内感知对象的监测信息，并报告给用户。456789101112第第3 3章章传感器网络的通信与组网技术传感器网络的通信与组网技术133.1 3.1 物理层物理层3.1.1 3.1.1 物理层概述物理层概述1 1、物理层的基本概念、物理层的基本概念 从定义可以看出，物理层的特点是负责在物理连接上传输二

2、进制比从定义可以看出，物理层的特点是负责在物理连接上传输二进制比特流，并提供为建立、维护和释放物理连接所需要的机械、电气、功能和特流，并提供为建立、维护和释放物理连接所需要的机械、电气、功能和规程的特性。规程的特性。14目前无线传感器网络的通信传输介质主要是目前无线传感器网络的通信传输介质主要是无线电波无线电波、红外线红外线和和光波光波三种类型。无线电波的通信限制较少，通常人们选择三种类型。无线电波的通信限制较少，通常人们选择“工业、科学和医疗工业、科学和医疗”(Industrial(Industrial，Scientific and Medical, Scientific and Medic

3、al, ISM)ISM)频段。频段。3 3、无线传感器网络物理层的特点、无线传感器网络物理层的特点152 2、物理层帧结构、物理层帧结构 物理帧的第一个字段是前导码，字节数一般取物理帧的第一个字段是前导码，字节数一般取4 4，用于收发器进行码，用于收发器进行码片或者符号的同步。第二个字段是帧头，长度通常为一个字节，表示同步片或者符号的同步。第二个字段是帧头，长度通常为一个字节，表示同步结束，数据包开始传输。帧头与前导码构成了同步头。结束，数据包开始传输。帧头与前导码构成了同步头。 帧长度字段通常由一个字节的低帧长度字段通常由一个字节的低7 7位表示，其值就是后续的物理层位表示，其值就是后续的物

4、理层PHYPHY负载的长度，因此它的后续负载的长度，因此它的后续PHYPHY负载的长度不会超过负载的长度不会超过127127个字节。个字节。 物理帧物理帧PHYPHY的负载长度可变，称为物理服务数据单元的负载长度可变，称为物理服务数据单元(PHY Service (PHY Service Data Unite, PSDU)Data Unite, PSDU)，携带，携带PHYPHY数据包的数据，数据包的数据，PSDUPSDU域是物理层的载荷域是物理层的载荷 。3.1.2 3.1.2 传感器网络物理层的设计传感器网络物理层的设计163.2 MAC3.2 MAC协议协议3.2.1 MAC3.2.1

5、MAC协议概述协议概述介质访问控制介质访问控制(Medium Access Control(Medium Access Control，MAC)MAC)协议。所谓协议。所谓MACMAC协议就协议就是通过一组规则和过程来有效、有序和公平地使用共享介质。是通过一组规则和过程来有效、有序和公平地使用共享介质。17 根据固定分配信道方式还是随机访问信道方式，将传感器根据固定分配信道方式还是随机访问信道方式，将传感器网络的网络的MACMAC协议分为以下三种：协议分为以下三种： (1) (1) 时分复用无竞争接入方式时分复用无竞争接入方式。无线信道时分复用。无线信道时分复用(Time (Time Divi

6、sion Multiple AccessDivision Multiple Access，TDMA)TDMA)方式给每个传感器节点分方式给每个传感器节点分配固定的无线信道使用时段，避免节点之间相互干扰。配固定的无线信道使用时段，避免节点之间相互干扰。3.2.1 MAC3.2.1 MAC协议概述协议概述18 (2) (2) 随机竞争接入方式随机竞争接入方式。如果采用无线信道的随机竞争。如果采用无线信道的随机竞争接入方式，节点在需要发送数据时随机使用无线信道，尽量接入方式，节点在需要发送数据时随机使用无线信道，尽量减少节点间的干扰。典型的方法是采用载波侦听多路访问减少节点间的干扰。典型的方法是采用

7、载波侦听多路访问(Carrier Sense Multiple Access(Carrier Sense Multiple Access，CSMA)CSMA)的的MACMAC协议。协议。3.2.1 MAC3.2.1 MAC协议概述协议概述19 (3) (3) 竞争与固定分配相结合的接入方式竞争与固定分配相结合的接入方式。通过混合。通过混合采用频分复用或者码分复用等方式，实现节点间无冲突采用频分复用或者码分复用等方式，实现节点间无冲突的无线信道分配。的无线信道分配。3.2.1 MAC3.2.1 MAC协议概述协议概述20典型的基于竞争的随机访问典型的基于竞争的随机访问MACMAC协议是载波侦听多

8、路访问协议是载波侦听多路访问(CSMA)(CSMA)接入方接入方式。在无线局域网式。在无线局域网IEEE 802.11 MACIEEE 802.11 MAC协议的分布式协调工作模式中，就协议的分布式协调工作模式中，就采用了带冲突避免的载波侦听多路访问采用了带冲突避免的载波侦听多路访问(CSMA with Collision (CSMA with Collision AvoidanceAvoidance，CSMA/CACSMA/CA) )协议，它是基于竞争的无线网络协议，它是基于竞争的无线网络MACMAC协议的典型协议的典型代表。代表。3.2.1 MAC3.2.1 MAC协议概述协议概述21 所

9、谓的所谓的CSMA/CACSMA/CA机制机制是指在信号传输之前，发射机先侦听介质中是否是指在信号传输之前，发射机先侦听介质中是否有同信道载波，若不存在，意味着信道空闲，将直接进入数据传输状态；有同信道载波，若不存在，意味着信道空闲，将直接进入数据传输状态；若存在载波，则在随机退避一段时间后重新检测信道。这种介质访问控若存在载波，则在随机退避一段时间后重新检测信道。这种介质访问控制层的方案简化了实现自组织网络应用的过程。制层的方案简化了实现自组织网络应用的过程。 3.2.1 MAC3.2.1 MAC协议概述协议概述223.2.2 IEEE 802.11 MAC3.2.2 IEEE 802.11

10、 MAC协议协议 IEEE 802.11 MAC IEEE 802.11 MAC协议分为协议分为分布式协调功能分布式协调功能(DCF)(DCF)和和点协点协调功能调功能(PCF)(PCF)两种访问控制方式，其中两种访问控制方式，其中DCFDCF方式是方式是IEEE IEEE 802.11802.11协议的基本访问控制方式。协议的基本访问控制方式。 PCF PCF 通过访问接入点来协调节点的数据收发，通过设置通过访问接入点来协调节点的数据收发，通过设置好的一定间隔时间查询当前哪些节点有数据发送的请求。好的一定间隔时间查询当前哪些节点有数据发送的请求。 PCF PCF 是基于优先级的无竞争访问。是

11、基于优先级的无竞争访问。23 在在DCFDCF工作方式下，载波侦听机制通过工作方式下，载波侦听机制通过物理载波侦听物理载波侦听和和虚虚拟载波侦听拟载波侦听来确定无线信道的状态。物理载波侦听由物理层来确定无线信道的状态。物理载波侦听由物理层提供，虚拟载波侦听由提供，虚拟载波侦听由MACMAC层提供。层提供。3.2.2 IEEE 802.11 MAC3.2.2 IEEE 802.11 MAC协议协议24 源节点在发出源节点在发出RTSRTS帧或帧或datadata帧后的一段时间内没有收到帧后的一段时间内没有收到CTSCTS应答，则说明发送失败，节点立即重传未收到应答的应答，则说明发送失败，节点立即

12、重传未收到应答的RTSRTS帧或帧或datadata帧。帧。 如果如果3 3次发送仍未收到应答，节点放弃发送，转入睡眠次发送仍未收到应答，节点放弃发送，转入睡眠，在下一个侦听周期醒来重新竞争信道。，在下一个侦听周期醒来重新竞争信道。3.2.2 IEEE 802.11 MAC3.2.2 IEEE 802.11 MAC协议协议253.2.3 3.2.3 典型典型MACMAC协议：协议：S-MACS-MAC协议协议 S-MAC S-MAC协议协议(Sensor MAC)(Sensor MAC)是在是在802.1l MAC802.1l MAC协议的基础协议的基础上，针对传感器网络的节省能量需求而提出的

13、。上，针对传感器网络的节省能量需求而提出的。 S-MAC S-MAC协议的适用条件是传感器网络的协议的适用条件是传感器网络的数据传输量不大数据传输量不大，网络内部能够进行网络内部能够进行数据融合数据融合以减少数据通信量，网络能容以减少数据通信量，网络能容忍一定程度的忍一定程度的通信延迟通信延迟。 它的设计目标是提供良好的扩展性，减少节点能耗。它的设计目标是提供良好的扩展性，减少节点能耗。26 通常无线传感器网络的无效能耗主要来源于如下四种原通常无线传感器网络的无效能耗主要来源于如下四种原因：因： 空闲监听空闲监听 ：节点等待接收：节点等待接收 数据冲突数据冲突 ：相邻节点同时发送数据：相邻节点

14、同时发送数据 串扰串扰 ：接收和处理无关数据：接收和处理无关数据 控制开销控制开销 ：RTSRTS，CTSCTS，ACKACK3.2.3 3.2.3 典型典型MACMAC协议：协议：S-MACS-MAC协议协议27 （1 1）周期性侦听和睡眠机制）周期性侦听和睡眠机制 S-MACS-MAC协议将时间分为帧，帧长度由应用程序决定。帧内协议将时间分为帧，帧长度由应用程序决定。帧内分监听工作阶段和睡眠阶段。监听分监听工作阶段和睡眠阶段。监听/ /睡眠阶段的持续时间要睡眠阶段的持续时间要根据应用情况进行调整。当节点处于睡眠阶段时，关闭无线根据应用情况进行调整。当节点处于睡眠阶段时，关闭无线电波，以节省

15、能量。电波，以节省能量。 相邻节点之间尽量保持各自的监听相邻节点之间尽量保持各自的监听/ /睡眠时间表一致（睡眠时间表一致（时时间同步间同步）。）。 具有相同时间表的节点组成一个具有相同时间表的节点组成一个虚拟簇虚拟簇。3.2.3 3.2.3 典型典型MACMAC协议：协议：S-MACS-MAC协议协议通过广播通过广播SYNC包保持同步包保持同步某些节点可以同时属于两个或多个虚拟簇某些节点可以同时属于两个或多个虚拟簇28 （2 2）流量自适应侦听机制）流量自适应侦听机制 3.2.3 3.2.3 典型典型MACMAC协议：协议：S-MACS-MAC协议协议29 （3 3）冲突和串音避免机制）冲突

16、和串音避免机制 为了减少冲突和避免串音，为了减少冲突和避免串音，S-MACS-MAC协议采用了与协议采用了与802.11 MAC802.11 MAC协议类似的虚拟和物理载波监听机制，以及协议类似的虚拟和物理载波监听机制，以及RTS/CTSRTS/CTS握手交互机握手交互机制。两者的区别在于当邻居节点处于通信过程时，执行制。两者的区别在于当邻居节点处于通信过程时，执行S-MACS-MAC协协议的节点进入睡眠状态。议的节点进入睡眠状态。3.2.3 3.2.3 典型典型MACMAC协议：协议：S-MACS-MAC协议协议30（4 4）消息传递机制）消息传递机制 由于无线信道的传输差错与消息长度成正比

17、，短消息传输由于无线信道的传输差错与消息长度成正比，短消息传输成功的概率要大于长消息。成功的概率要大于长消息。 将长消息分为若干个短消息，采用一次将长消息分为若干个短消息，采用一次RTS/CTSRTS/CTS交互的握交互的握手机制预约这个长消息发送的时间，集中连续发送全部短消息。手机制预约这个长消息发送的时间，集中连续发送全部短消息。这样既可以减少控制报文的开销，又可以提高消息发送的成功这样既可以减少控制报文的开销，又可以提高消息发送的成功率。率。3.2.3 3.2.3 典型典型MACMAC协议：协议：S-MACS-MAC协议协议313.3 3.3 路由协议路由协议3.3.1 3.3.1 路由

18、协议概述路由协议概述 路由选择路由选择(routing)(routing)是指选择互连网络从源节点向目的节是指选择互连网络从源节点向目的节点传输信息的行为，并且信息至少通过一个中间节点。点传输信息的行为，并且信息至少通过一个中间节点。 路由协议负责将数据分组从源节点通过网络转发到目的路由协议负责将数据分组从源节点通过网络转发到目的节点，它包括两个功能：节点，它包括两个功能： 寻找源节点和目的节点间的优化路径；寻找源节点和目的节点间的优化路径； 将数据分组沿着优化路径正确转发。将数据分组沿着优化路径正确转发。323.3.2 3.3.2 典型路由协议：定向扩散路由典型路由协议：定向扩散路由 定向扩

19、散（定向扩散（Directed DiffusionDirected Diffusion，DDDD）路由协议是一种基）路由协议是一种基于查询的路由机制。于查询的路由机制。 扩散节点通过兴趣信息发出查询任务，采用洪泛方式传播扩散节点通过兴趣信息发出查询任务，采用洪泛方式传播兴趣信息到整个区域或部分区域内的所有传感器节点。兴趣信兴趣信息到整个区域或部分区域内的所有传感器节点。兴趣信息用来表示查询的任务，表达了网络用户对监测区域内感兴趣息用来表示查询的任务，表达了网络用户对监测区域内感兴趣的具体内容，例如监测区域内的温度、湿度和光照等数据。的具体内容，例如监测区域内的温度、湿度和光照等数据。 33 定

20、向扩散路由机制可以分为定向扩散路由机制可以分为周期性的兴趣扩散周期性的兴趣扩散、梯度建梯度建立立和和路径加强路径加强三个阶段三个阶段: : 源汇聚节点（a)兴趣传播源汇聚节点（b)梯度建立源汇聚节点（c)加强路径3.3.2 3.3.2 典型路由协议：定向扩散路由典型路由协议：定向扩散路由34（1 1）兴趣扩散阶段）兴趣扩散阶段3.3.2 3.3.2 典型路由协议：定向扩散路由典型路由协议：定向扩散路由35（2 2）数据传播阶段）数据传播阶段3.3.2 3.3.2 典型路由协议：定向扩散路由典型路由协议：定向扩散路由36（3 3）路径加强阶段）路径加强阶段3.3.2 3.3.2 典型路由协议：定

21、向扩散路由典型路由协议：定向扩散路由37第第4 4章章传感器网络的支撑技术传感器网络的支撑技术38传感器网络的支撑技术主要包括：传感器网络的支撑技术主要包括：l时间同步机制时间同步机制l定位技术定位技术l数据融合数据融合l能量管理能量管理l安全机制安全机制第第4 4章章 传感器网络的支撑技术传感器网络的支撑技术394.1 4.1 时间同步机制时间同步机制4.1.1 4.1.1 传感器网络的时间同步机制传感器网络的时间同步机制1 1、传感器网络时间同步的意义、传感器网络时间同步的意义 在分布式的无线传感器网络应用中，每个传感器节点都有自己的本地在分布式的无线传感器网络应用中，每个传感器节点都有自

22、己的本地时钟。不同节点的晶体振荡器频率存在偏差，以及温度、湿度和电磁波的时钟。不同节点的晶体振荡器频率存在偏差，以及温度、湿度和电磁波的干扰等都会造成网络节点之间的运行时间偏差。干扰等都会造成网络节点之间的运行时间偏差。 无线传感器网络时间同步机制的意义和作用主要体现在如下两方面：无线传感器网络时间同步机制的意义和作用主要体现在如下两方面： （1 1）传感器节点通常需要彼此协作，去完成复杂的监测和感知任务。）传感器节点通常需要彼此协作，去完成复杂的监测和感知任务。数据融合是协作操作的典型例子，不同的节点采集的数据最终融合形成了数据融合是协作操作的典型例子，不同的节点采集的数据最终融合形成了一个

23、有意义的结果。一个有意义的结果。 （2 2）传感器网络的一些节能方案是利用时间同步来实现的。）传感器网络的一些节能方案是利用时间同步来实现的。40通信模型通信模型n节点时间校正技术是节点时间校正技术是WSN时间同步的核心和基础。目前时间同步的核心和基础。目前主要的时间校正技术有单向报文传递、双向报文交换、广主要的时间校正技术有单向报文传递、双向报文交换、广播参考报文播参考报文等等技术技术。n单向报文传递单向报文传递n如果知道如果知道d的上界和下界，则的上界和下界，则d=(dmax+dmin)/2n这种时间校正技术的精度最低，因为它假设报文传递过程这种时间校正技术的精度最低，因为它假设报文传递过

24、程中只有传播延时，忽略了无线信道的许多不确定因素的影中只有传播延时，忽略了无线信道的许多不确定因素的影响。响。4.1.1 4.1.1 传感器网络的时间同步机制传感器网络的时间同步机制d41n双向报文交换双向报文交换n设设报文的往返时间为报文的往返时间为D=Tib-Tia ，报文的传递时延，报文的传递时延d在在0D之间。如果知道之间。如果知道d的上界的上界dmax和下界和下界dmin，节点，节点j可以确可以确定定d在在Ddmax到到D-dmin之间。之间。4.1.1 4.1.1 传感器网络的时间同步机制传感器网络的时间同步机制42广播参考报文广播参考报文4.1.1 4.1.1 传感器网络的时间同

25、步机制传感器网络的时间同步机制43时钟同步的误差来源时钟同步的误差来源n同步信息的时延包括同步信息的时延包括n协议发送时延协议发送时延n接入时延接入时延n发送时延发送时延n传播时延传播时延n接收时延接收时延n接收处理时延接收处理时延4.1.1 4.1.1 传感器网络的时间同步机制传感器网络的时间同步机制44nRBS参考广播同步机制参考广播同步机制n接收者接收者接收者接收者同步机制同步机制n基本思想是多个节点接收同一个同步信号，然后多个基本思想是多个节点接收同一个同步信号，然后多个收到同步信号的节点之间进行同步。这种同步算法消收到同步信号的节点之间进行同步。这种同步算法消除了同步信号发送一方的时

26、间不确定性。这种同步协除了同步信号发送一方的时间不确定性。这种同步协议的缺点是协议开销大。议的缺点是协议开销大。4.1.1 4.1.1 传感器网络的时间同步机制传感器网络的时间同步机制454.1.2 TPSN4.1.2 TPSN时间同步协议时间同步协议 TPSN协议采用层次型网络结构，首先将所有节点按照协议采用层次型网络结构，首先将所有节点按照层次结构进行分级，然后每个节点与上一级的一个节点进行层次结构进行分级，然后每个节点与上一级的一个节点进行时间同步，最终所有节点都与根节点时间同步。节点对之间时间同步，最终所有节点都与根节点时间同步。节点对之间的时间同步是基于的时间同步是基于发送者发送者-

27、接收者接收者的同步机制。的同步机制。46 1、TPSN协议的操作过程协议的操作过程TPSN协议包括两个阶段：协议包括两个阶段：第一个阶段生成层次结构，每个节点赋予一个级别，根节第一个阶段生成层次结构，每个节点赋予一个级别，根节点赋予最高级别第点赋予最高级别第0级，第级，第i级的节点至少能够与一个第（级的节点至少能够与一个第（i1）级的节点通信；级的节点通信；第二个阶段实现所有树节点的时间同步，第第二个阶段实现所有树节点的时间同步，第1级节点同步到级节点同步到根节点，第根节点，第i级的节点同步到第（级的节点同步到第（i1）级的一个节点，最终）级的一个节点，最终所有节点都同步到根节点，实现整个网络

28、的时间同步。所有节点都同步到根节点，实现整个网络的时间同步。4.1.2 TPSN4.1.2 TPSN时间同步协议时间同步协议47 2、相邻级别节点间的同步机制、相邻级别节点间的同步机制 邻近级别的两个节点对间通过交换两个消息实现时间邻近级别的两个节点对间通过交换两个消息实现时间同步。同步。4.1.2 TPSN4.1.2 TPSN时间同步协议时间同步协议i-1级级i级级105926?151548n优点优点n减少同步误差减少同步误差 TPSN TPSN同步协议在同步协议在MACMAC层消息开始发层消息开始发送到无线信道是才给消息添加时标，消除了访问送到无线信道是才给消息添加时标，消除了访问时间带来

29、的时间同步误差。时间带来的时间同步误差。n提高同步精度提高同步精度 考虑了传播时间和接收时间，利用考虑了传播时间和接收时间，利用双向消息交换计算消息的平均延迟，提高了时间双向消息交换计算消息的平均延迟，提高了时间同步的精度。同步的精度。4.1.2 TPSN4.1.2 TPSN时间同步协议时间同步协议49n缺点缺点n没有考虑根节点失效问题。没有考虑根节点失效问题。n新的节点加入时，需要初始化层次发现阶段，级新的节点加入时，需要初始化层次发现阶段，级别的静态特性减少了算法的鲁棒性。别的静态特性减少了算法的鲁棒性。4.1.2 TPSN4.1.2 TPSN时间同步协议时间同步协议50n使用范围使用范围

30、nTPSN能够实现全网范围内节点间的时间同能够实现全网范围内节点间的时间同步，同步误差与跳数距离成正比。步，同步误差与跳数距离成正比。4.1.2 TPSN4.1.2 TPSN时间同步协议时间同步协议511 1、测距方法、测距方法(1)(1)接收信号强度指示接收信号强度指示(RSSI)(RSSI)4.2.2 4.2.2 基于测距的定位技术基于测距的定位技术52(2)(2)到达时间到达时间/ /到达时间差到达时间差(ToA/TDoA(ToA/TDoA) 这类方法通过测量传输时间来估算两节点之间距离，精度这类方法通过测量传输时间来估算两节点之间距离，精度较好。较好。 ToA ToA机制是已知信号的传

31、播速度，根据信号的传播时间来计机制是已知信号的传播速度，根据信号的传播时间来计算节点间的距离。算节点间的距离。4.2.2 4.2.2 基于测距的定位技术基于测距的定位技术53(3)(3)到达角到达角(AoA)(AoA) 该方法通过配备特殊天线来估测其它节点发射的无线信该方法通过配备特殊天线来估测其它节点发射的无线信号的到达角度。号的到达角度。 AoA AoA测距技术易受外界环境影响，且需要额外硬件，它的测距技术易受外界环境影响，且需要额外硬件，它的硬件尺寸和功耗指标不适用于大规模的传感器网络，在某些硬件尺寸和功耗指标不适用于大规模的传感器网络，在某些应用领域可以发挥作用。应用领域可以发挥作用。

32、4.2.2 4.2.2 基于测距的定位技术基于测距的定位技术542 2、多边定位、多边定位 多边定位法基于距离测量多边定位法基于距离测量( (如如RSSIRSSI、ToA/TDoA)ToA/TDoA)的结果。的结果。确定二维坐标至少具有三个节点至锚点的距离值；确定三确定二维坐标至少具有三个节点至锚点的距离值；确定三维坐标，则需四个此类测距值。维坐标，则需四个此类测距值。 4.2.2 4.2.2 基于测距的定位技术基于测距的定位技术55第第5章章传感器网络应用开发基础传感器网络应用开发基础56第第1节节 ZigBee协议栈原理协议栈原理5.1.1ZigBee概述概述nZigBeeZigBee是一

33、种开放式的基于是一种开放式的基于IEEE 802.15.4IEEE 802.15.4协定协定的无线个人局域网的无线个人局域网(Wireless Personal Area (Wireless Personal Area Networks)Networks)标准。标准。 IEEE 802.15.4IEEE 802.15.4定义了物理层定义了物理层和媒体接入控制层，而和媒体接入控制层，而ZigBeeZigBee则定义了更高层如则定义了更高层如网路层及应用层等。网路层及应用层等。nZigBeeZigBee技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的双向无线

34、通讯技术。低速率、低成本的双向无线通讯技术。57第第1节节 ZigBee协议栈原理协议栈原理5.1.1ZigBee概述概述nZigBeeZigBee可工作在可工作在2.14GHz(2.14GHz(全球流行全球流行) )、868MHz(868MHz(欧洲流行欧洲流行) ) 和和915 MHz(915 MHz(美国流行美国流行)3)3个频段上个频段上, ,分别具有最高分别具有最高250kbit/s250kbit/s、20kbit/s20kbit/s和和40kbit/s40kbit/s的传输速率的传输速率, ,它的传输距离在它的传输距离在10-10-75m75m的范围内的范围内, , 但可以继续增加

35、但可以继续增加 。58第第1节节 ZigBee协议栈原理协议栈原理5.1.1ZigBee概述概述nZigBeeZigBee具体如下技术特点：具体如下技术特点： 1. 1. 低功耗低功耗 2. 2. 低成本低成本 59第第1节节 ZigBee协议栈原理协议栈原理5.1.1ZigBee概述概述 3. 3. 时延短时延短 4. 4. 网络容量大网络容量大 一个星型结构的一个星型结构的ZigBeeZigBee网络最多可以容纳网络最多可以容纳254254个从设备和一个主设备个从设备和一个主设备, , 一个区域内可一个区域内可以同时存在最多以同时存在最多100100个个ZigBeeZigBee网络网络,

36、, 而且网而且网络组成灵活。网状结构的络组成灵活。网状结构的ZigBeeZigBee网络中可网络中可有有6500065000多个节点。多个节点。60第第1节节 ZigBee协议栈原理协议栈原理5.1.1ZigBee概述概述 5. 5. 可靠可靠 6. 6. 安全安全 ZigBeeZigBee提供了基于循环冗余校验提供了基于循环冗余校验(CRC)(CRC)的数的数据包完整性检查功能据包完整性检查功能, ,支持鉴权和认证支持鉴权和认证, , 采采用了用了AES-128AES-128的加密算法的加密算法61第第1节节 ZigBee协议栈原理协议栈原理5.1.2ZigBee技术体系技术体系nZigBe

37、eZigBee设备类型设备类型 1. ZigBee1. ZigBee协调器（协调器（CoordinatorCoordinator） 2. ZigBee2. ZigBee路由器（路由器（RouterRouter） 3. ZigBee3. ZigBee终端设备（终端设备（End-deviceEnd-device） 一个一个ZigbeeZigbee网络由一个协调器节点、多个网络由一个协调器节点、多个路由器和多个终端设备节点组成路由器和多个终端设备节点组成。62第第1节节 ZigBee协议栈原理协议栈原理5.1.2ZigBee技术体系技术体系lZigBeeZigBee协调器（协调器（Coordinat

38、orCoordinator）l协调器选择一个信道和一个网络协调器选择一个信道和一个网络PANID，随后启动整个网络。随后启动整个网络。63第第1节节 ZigBee协议栈原理协议栈原理5.1.2ZigBee技术体系技术体系lZigBeeZigBee路由器（路由器（RouterRouter）64第第1节节 ZigBee协议栈原理协议栈原理5.1.2ZigBee技术体系技术体系lZigBeeZigBee终端设备（终端设备（End-deviceEnd-device）l一个终端设备对于维护这个网络设备没有具体的一个终端设备对于维护这个网络设备没有具体的责任责任, ,所以它可以睡眠和唤配，看它自己的选择所

39、以它可以睡眠和唤配，看它自己的选择。因此它能作为电池供电节点。因此它能作为电池供电节点。65第第1节节 ZigBee协议栈原理协议栈原理5.1.2ZigBee技术体系技术体系nZigBeeZigBee网络拓扑结构网络拓扑结构 ZigBeeZigBee支持三种自组织无线网络类型，即支持三种自组织无线网络类型，即星型结星型结构构、网状结构网状结构(Mesh)(Mesh)和和簇状结构簇状结构(ClusterTree)(ClusterTree)，特别是网状结构，具有很强的网络健壮性和系，特别是网状结构，具有很强的网络健壮性和系统可靠性。统可靠性。66第第1节节 ZigBee协议栈原理协议栈原理5.1.

40、2ZigBee技术体系技术体系星型星型网状型网状型簇状型簇状型网络协调器网络协调器全功能设备全功能设备(FFD,Router):(FFD,Router):可以支持可以支持任何一种拓扑结构，可以作为网络任何一种拓扑结构，可以作为网络协商者和普通协商者，并且可以和协商者和普通协商者，并且可以和任何一种设备进行通信任何一种设备进行通信精简功能设备精简功能设备(RFD):(RFD):只支持星型结只支持星型结构，不能成为任何协商者，可以和构，不能成为任何协商者，可以和网络协商者进行通信，实现简单网络协商者进行通信，实现简单。67第第1节节 ZigBee协议栈原理协议栈原理5.1.2ZigBee技术体系技

41、术体系l协调器负责整个网络的建网，同时它也可协调器负责整个网络的建网，同时它也可作为与其它类型网络的通讯节点（网关）作为与其它类型网络的通讯节点（网关）。l构成协调器和路由器的器件必须是全功能构成协调器和路由器的器件必须是全功能器件（器件（FFD），而构成终端设备的器件可），而构成终端设备的器件可以是全功能器件，也可是简约功能器件（以是全功能器件，也可是简约功能器件（RFD).68第第1节节 ZigBee协议栈原理协议栈原理5.1.2ZigBee技术体系技术体系lZigBeeZigBee采用的路由算法采用的路由算法lZigBeeZigBee采用按需路由算法采用按需路由算法AODVAODV。69

42、第第1节节 ZigBee协议栈原理协议栈原理5.1.3Z-Stack协议栈协议栈n地址类型地址类型lZigBee设备有两种类型的地址：设备有两种类型的地址：l64位位IEEE地址（地址（MAC地址），全球唯一，设地址），全球唯一，设备将在其生命周期内一直拥有它。备将在其生命周期内一直拥有它。MAC地址通地址通常由制造商或者被安装时设置。这些地址由常由制造商或者被安装时设置。这些地址由IEEE 维护和分配。维护和分配。 l16 位网络地址，即短地址。当设备加入网络位网络地址，即短地址。当设备加入网络后分配短地址，在网络中唯一，用来在网络中后分配短地址，在网络中唯一，用来在网络中鉴别设备和发送或接

43、收数据。鉴别设备和发送或接收数据。 70第第1节节 ZigBee协议栈原理协议栈原理5.1.3Z-Stack协议栈协议栈nZ-Stack网络地址分配网络地址分配l每个每个ZigBee设备加入网络时，从其父设备那里获得一设备加入网络时，从其父设备那里获得一个网络地址（短地址）个网络地址（短地址） lMAX_DEPTH网络的最大深度，协调器深度为网络的最大深度，协调器深度为 0。lMAX_CHILDREN路由器或协调器节点最大个数。路由器或协调器节点最大个数。lMAX_ROUTER决定路由器或协调器可以处理的具有路决定路由器或协调器可以处理的具有路由功能的子节点的最大个数，是由功能的子节点的最大个

44、数，是MAX_CHILDREN 的的一个子集，终端节点使用一个子集，终端节点使用MAX_CHILDREN MAX_ROUTER剩下的地址空间。剩下的地址空间。 71第第1节节 ZigBee协议栈原理协议栈原理5.1.3Z-Stack协议栈协议栈nZ-Stack网络地址分配网络地址分配l兄弟节点之间的地址间隔兄弟节点之间的地址间隔Cskip的计算的计算: lCm: 一个父节点可拥有的最多子节点数；一个父节点可拥有的最多子节点数；lRm: 一个父节点可拥有的最多路由节点数；一个父节点可拥有的最多路由节点数；lLm: 网络的最大深度；网络的最大深度；ld : 该设备深度。该设备深度。 Rm1R*Cm

45、RmCm11Rm);1dLm(*Cm11dLmm)d(Cskip72第第1节节 ZigBee协议栈原理协议栈原理5.1.3Z-Stack协议栈协议栈nCskip位置配置范例位置配置范例l最多路由节点最多路由节点 = 4l最多子节点最多子节点 = 4l最大深度最大深度 = 3CRRRRRRRRREAddr=0Addr=1 Addr=22 Addr=43Addr=64Addr=2Addr=23Addr=28Addr=65Addr=70Addr=6673nPANID设置设置n若若PANID0 xFFFF，则协调器随机生成，则协调器随机生成PANID，否则，使用指定的，否则，使用指定的PANID。第第

46、1节节 ZigBee协议栈原理协议栈原理5.1.4SappWsn工程工程74n步进电机电路步进电机电路第第2节节 网络网络节点的硬件开发节点的硬件开发3、传感器节点的开发实例、传感器节点的开发实例75n步进电机电路四相步进电机步进电机电路四相步进电机n半步模式下的脉冲分配：半步模式下的脉冲分配：n若按相反顺序产生脉冲，则电机反转若按相反顺序产生脉冲，则电机反转第第2节节 网络网络节点的硬件开发节点的硬件开发3、传感器节点的开发实例、传感器节点的开发实例1 2 3 4 5 6 7 8A 0 0 1 1 1 0 0 0B 1 0 0 0 0 0 1 1C 0 0 0 0 1 1 1 0D 1 1

47、1 0 0 0 0 076n步进电机电路四相步进电机步进电机电路四相步进电机n整步模式下的脉冲分配整步模式下的脉冲分配n若按相反顺序产生脉冲，则电机反转。若按相反顺序产生脉冲，则电机反转。1357A0100B1011C0011D1101第第2节节 网络网络节点的硬件开发节点的硬件开发3、传感器节点的开发实例、传感器节点的开发实例77第第6章章传感器网络协议的技术标准传感器网络协议的技术标准786.2IEEE802.15.4标准标准6.2.1 IEEE 802.156.2.1 IEEE 802.15标准概述标准概述n802.15.1 802.15.1 蓝牙无线个人区域网络标准，中速、近距离，蓝牙

48、无线个人区域网络标准，中速、近距离，适用于手机、适用于手机、PDAPDA等。等。l802.15.4802.15.4 低速无线个人区域网络，低能耗，低速率和低低速无线个人区域网络，低能耗，低速率和低成本，针对个人和家庭范围内不同设备间的低速传输。成本，针对个人和家庭范围内不同设备间的低速传输。79nIEEE 802.15.4IEEE 802.15.4标准定义的标准定义的LR-WPANLR-WPAN网络特点：网络特点：l在不同的载波频率下实现在不同的载波频率下实现20kbps20kbps、40kbps40kbps和和250kbps250kbps三三种不同的传输速率；种不同的传输速率；l有有1616

49、位和位和6464位两种地址格式，其中位两种地址格式，其中6464位地址是全球惟位地址是全球惟一的扩展地址；一的扩展地址；l支持冲突避免的载波多路侦听技术支持冲突避免的载波多路侦听技术(CSMA-CA)(CSMA-CA)；l支持确认机制，保证传输可靠性。支持确认机制，保证传输可靠性。6.2IEEE802.15.4标准标准6.2.1 IEEE 802.15.46.2.1 IEEE 802.15.4标准概述标准概述80nIEEE 802.15.4IEEE 802.15.4标准规定物理层任务：标准规定物理层任务：l激活和休眠射频收发器；激活和休眠射频收发器；l信道能量检测：测量目标信道中接收信号的功率

50、强调，信道能量检测：测量目标信道中接收信号的功率强调，检测结果为有效信号和噪声信号功率之和；检测结果为有效信号和噪声信号功率之和；l检测接收数据包的链路质量指示检测接收数据包的链路质量指示(LQI)(LQI)，得出信噪比指，得出信噪比指标；标；l空闲信道评估；空闲信道评估；l收发数据。收发数据。6.2IEEE802.15.4标准标准6.2.2 6.2.2 物理层标准物理层标准81nIEEE 802.15.4IEEE 802.15.4标准定义的信道标准定义的信道n0-260-26共共2727个；跨越个；跨越3 3个频段，具体包括个频段，具体包括2.4GHz2.4GHz频段的频段的1616个个信道

51、、信道、915MHz915MHz频段的频段的1010个信道、个信道、868MHz868MHz频段的频段的1 1个信道。个信道。n信道的频段中心定义信道的频段中心定义 ( (其中其中k k表示信道编号表示信道编号) )： f fc c = 868.3MHz k = 0= 868.3MHz k = 0 f fc c = 906 + 2= 906 + 2(k(k1)MHz k = 11)MHz k = 1，2 2，1010 f fc c = 2405 + 5= 2405 + 5(k(k11)MHz k = 1111)MHz k = 11，1212，26266.2IEEE802.15.4标准标准6.2

52、.2 6.2.2 物理层标准物理层标准82 频带频带 使用范围使用范围 数据传输率数据传输率 信道数信道数2.4 GHz ISM2.4 GHz ISM 全世界全世界 250 kbps 16250 kbps 16868 MHz868 MHz 欧洲欧洲 20 kbps 120 kbps 1915 MHz ISM915 MHz ISM 北美北美 40 kbps 1040 kbps 106.2IEEE802.15.4标准标准6.2.2 6.2.2 物理层标准物理层标准832 2、物理层帧结构、物理层帧结构n前导码由前导码由3232个个0 0组成，用于收发器之间进行同步。组成，用于收发器之间进行同步。n

53、帧起始定界符（帧起始定界符（SFDSFD）域由）域由8 8位组成，表示同步结束，数据位组成，表示同步结束，数据包开始传输。包开始传输。SFDSFD与前导码构成同步头。与前导码构成同步头。n帧长度由帧长度由7 7位组成，表示物理服务数据单元（位组成，表示物理服务数据单元（PSDUPSDU）的字）的字节数。帧长度域和节数。帧长度域和1 1位的保留位构成了物理头。位的保留位构成了物理头。nPSDUPSDU域是变长的，携带域是变长的，携带PHYPHY数据包的数据，包含介质访问数据包的数据，包含介质访问控制协议数据单元。控制协议数据单元。PSDUPSDU域是物理层的载荷。域是物理层的载荷。4字节字节1字

54、节字节1字节字节变变 长长前导码前导码SFD帧长度帧长度(7位位)保留位保留位(1位位)PSDU同步头同步头物理帧头物理帧头PHY负载负载6.2IEEE802.15.4标准标准6.2.2 6.2.2 物理层标准物理层标准0 xA7 127字节承载MAC帧846.2IEEE802.15.4标准标准6.2.3 MAC6.2.3 MAC层标准层标准nMACMAC层需要处理接入到物理无线信道等事务，并负责下列层需要处理接入到物理无线信道等事务，并负责下列的任务：的任务：l能产生网络信标（如果设备是协调器）能产生网络信标（如果设备是协调器）l与信标保持同步与信标保持同步l支持支持PANPAN（个人局域网

55、）的连接和断开连接（个人局域网）的连接和断开连接l支持设备的安全性支持设备的安全性l信道接入采用信道接入采用CSMA-CACSMA-CA接入机制接入机制l处理和维护处理和维护GTS(GTS(保护时隙保护时隙) )机制机制l在对等的在对等的MACMAC实体之间提供一个可靠的通信链路（单跳）实体之间提供一个可靠的通信链路（单跳）856.2IEEE802.15.4标准标准6.2.3 MAC6.2.3 MAC层标准层标准MACMAC层定义了四种帧结构，其长度不超过层定义了四种帧结构，其长度不超过127127字节：字节：l信标帧信标帧l数据帧数据帧l确认帧确认帧l命令帧命令帧86nZigBee无线设备工

56、作在公共频段上无线设备工作在公共频段上(全球全球2.4GHz、美国、美国915MHz、欧洲、欧洲868MHz)，传输距离为，传输距离为1075m，具体数，具体数值取决于射频环境和特定应用条件下的输出功耗。值取决于射频环境和特定应用条件下的输出功耗。nZigBee的通信速率在的通信速率在2.4GHz时为时为250kbps，在，在915MHz时为时为40kbps，在，在868MHz时为时为20kbps。6.3ZigBee协议标准协议标准6.3.1 ZigBee6.3.1 ZigBee概述概述87nZigBee协议主要界定了网络、安全和应用框架层。协议主要界定了网络、安全和应用框架层。n支持三种拓扑

57、结构：支持三种拓扑结构：n星型星型(Star)结构，可提供很长时间的电池使用寿命。结构，可提供很长时间的电池使用寿命。n网状网状(Mesh)结构，有多条传输路径，具有较高的可靠性。结构，有多条传输路径，具有较高的可靠性。n簇树型簇树型(ClusterTree)结构，结合了星型和网状型结构，既结构，结合了星型和网状型结构，既有较高的可靠性，又节省电池能量。有较高的可靠性，又节省电池能量。6.3ZigBee协议标准协议标准6.3.1 ZigBee6.3.1 ZigBee概述概述星型星型网状型网状型簇状型簇状型协调器协调器路由器路由器终端设备终端设备88n按节点在网络中担当的角色按节点在网络中担当的

58、角色n协调器协调器负责发起并维护一个无线网络，识别网络中的负责发起并维护一个无线网络，识别网络中的设备加入网络。设备加入网络。n路由器路由器支撑网络链路结构，完成数据包的转发。支撑网络链路结构，完成数据包的转发。n终端设备终端设备是网络的感知者和执行者，负责数据采集和是网络的感知者和执行者，负责数据采集和可执行的网络动作。可执行的网络动作。6.3ZigBee协议标准协议标准6.3.1 ZigBee6.3.1 ZigBee概述概述89n按节点的复杂程度按节点的复杂程度n全功能设备（全功能设备（FFDFFD）是一种功能完备的设备，可完成是一种功能完备的设备，可完成路由任务，充当网络协调器。它可与其

59、它的功能完备路由任务，充当网络协调器。它可与其它的功能完备型设备或功能简化型设备连接通信，一般接有线电源。型设备或功能简化型设备连接通信，一般接有线电源。n简化功能设备（简化功能设备（RFDRFD）是网络中简单的发送接收节点，是网络中简单的发送接收节点，它一般由电池供电，只与功能完备型设备连接通信。它一般由电池供电，只与功能完备型设备连接通信。6.3ZigBee协议标准协议标准6.3.1 ZigBee6.3.1 ZigBee概述概述903、ZigBee的技术特点的技术特点(1)数据传输速率低数据传输速率低: (20250kbps)，专注于低速应用。，专注于低速应用。(2)有效范围小：有效范围小

60、：有效覆盖范围有效覆盖范围1075m之间。之间。(3)工作频段灵活：工作频段灵活：使用的频段分别为使用的频段分别为2.4GHz(全球全球)、868MHz(欧洲欧洲)及及915MHz(北美北美)，均为，均为ISM频段。频段。(4)省电：省电：6.3ZigBee协议标准协议标准6.3.1 ZigBee6.3.1 ZigBee概述概述91(5)可靠：可靠：(6)成本低：成本低：(7)时延短：时延短：(8)网络容量大：网络容量大：一个一个ZigBee网络可容纳多达网络可容纳多达254个从设备个从设备和一个主设备，一个区域内可同时布置多达和一个主设备，一个区域内可同时布置多达100个个ZigBee网络。