无线传感器网络技术与应用 课件 项目七 ZigBee无线传感器网络设计

无线传感器网络技术与应用：ZigBee版项目七ZigBee无线传感器网络设计课程标准PPT电子课件参考程序代码教学视频资料教材习题参考答案项目目标知识目标技能目标素质目标（1）掌握ZigBee无线传感器网络系统设计的基本要求。（2）了解ZigBee无线传感器网络的安全设计。（3）掌握ZigBee无线传感器网络的硬件和软件设计。（1）赛教融合，能够根据实际项目需求进行二次开发。（2）能够进行数据采集，实现自动控制和手动控制。通过导入案例“弘扬科学家精神，凝聚创新发展力量”，培养工匠精神。

思维导图7.1ZigBee无线传感器网络设计的基本要求ZigBee无线传感器网络的总体设计原则具体如下。①节能是ZigBee无线传感器网络节点设计最主要的问题。②成本的高低是衡量ZigBee无线传感器网络节点设计好坏的重要指标。③小型化是ZigBee无线传感器网络追求的目标。④可扩展性是ZigBee无线传感器网络设计中必须要考虑的问题。7.1.1系统总体设计原则7.1ZigBee无线传感器网络设计的基本要求路由协议设计时一般应遵循以下设计原则。（1）健壮性。（2）通过减少通信量来降低能耗。（3）保持通信量负载均衡。（4）路由协议应具有安全机制。（5）可扩展性。7.1.2无线传感器网络路由协议设计原则7.1ZigBee无线传感器网络设计的基本要求对ZigBee无线传感器网络而言，评价指标体系主要包括能源有效性、生命周期、时间延迟、感知精度、容错性、可扩展性等。（1）能源有效性（2）生命周期（3）时间延迟（4）感知精度（5）容错性（6）可扩展性7.1.3评价指标体系7.2ZigBee无线传感器网络的安全1．传感器网络的特点传感器网络的特点主要体现在以下几个方面。（1）能量有限（2）计算能力有限（3）存储能力有限（4）通信范围有限（5）防篡改性7.2.1传感器网络的安全分析7.2ZigBee无线传感器网络的安全2．ZigBee无线传感器网络的安全特点①资源受限、通信环境恶劣。②部署区域的安全无法得到保障，节点容易失效。③网络无基础框架。④部署前地理位置具有不确定性。7.2.1传感器网络的安全分析7.2ZigBee无线传感器网络的安全1．WSN的安全目标及实现基础考虑到WSN是典型的分布式系统，并以消息传递来完成任务的特点，可以将其安全问题归结为消息安全和节点安全。维护传感器节点安全的首要问题是建立节点信任机制。7.2.2传感器网络的安全性目标7.2ZigBee无线传感器网络的安全2．WSN的安全需求（1）保密性（2）完整性（3）健壮性（4）真实性（5）时效性（6）可用性（7）访问控制7.2.2传感器网络的安全性目标7.2ZigBee无线传感器网络的安全1．传感器节点的物理操纵安全策略：由于传感器节点容易被物理操纵是传感器网络不可回避的安全问题，因此必须通过其他的技术方案来提高传感器网络的安全性能。例如，在通信前进行节点与节点的身份认证；设计新的密钥协商方案，使得即使有一小部分节点被操纵，攻击者也不能或很难从获取的节点信息推导出其他节点的密钥信息等。另外，还可以通过对传感器节点软件的合法性进行认证等措施来提高节点本身的安全性。7.2.3传感器网络的安全策略7.2ZigBee无线传感器网络的安全2．信息窃听安全策略：对传输信息加密可以解决窃听问题，但需要一个灵活、强健的密钥交换和管理方案。密钥管理方案必须容易部署而且适合传感器节点资源有限的特点。另外，密钥管理方案还必须保证当部分节点被操纵后（如攻击者攻取了存储在这个节点中生成会话密钥的信息），不会破坏整个网络的安全性。7.2.3传感器网络的安全策略7.2ZigBee无线传感器网络的安全3．私有性问题安全策略：保证网络中的传感信息只有可信实体才可以访问是保证私有性问题的最好方法，这可通过数据加密和访问控制来实现；另外一种方法是限制网络所发送信息的粒度，因为信息越详细，越有可能泄露私有性。7.2.3传感器网络的安全策略7.2ZigBee无线传感器网络的安全4．拒绝服务攻击安全策略：一些跳频和扩频技术可以用来减轻网络堵塞问题。恰当的认证可以防止在网络中插入无用信息。然而，这些协议必须十分有效，否则它也可能用来当做拒绝服务攻击的手段。7.2.3传感器网络的安全策略7.3ZigBee无线传感器的硬件设计传统网络ZigBee无线传感器网络通用设计，服务于多个应用单一设计，服务于特定应用主要关注网络性能和延迟功耗是主要设计关注点器件和网络工作于可控的温和环境

常布设于存在苛刻条件的环境中通常有维护与维修与节点物理接触，很难甚至不可维修组件故障通过维修解决网络设计需要预计存在的组件故障，增加其冗余度轻松获得全局网络信息和实现集中式管理决策由本地节点完成，不支持集中式管理7.3ZigBee无线传感器的硬件设计ZigBee无线传感器网络的设计主要分为节点硬件设计和节点软件设计。节点硬件设计局限于能量、通信、计算和存储，满足应用服务，追求设计尺寸小、价格低廉、更高效等目标。ZigBee无线传感器网络的硬件设计主要分为传感节点、汇聚节点和网关三种设备的设计。7.3ZigBee无线传感器的硬件设计传感节点主要包括感知单元、控制单元、无线收发单元和电源管理单元四个部分。1．感知单元感知单元负责物理信号的提取。信号采集单元包括信号调理电路和模/数转换模块。传感器输出的模拟信号需经信号调理才能符合模/数转换要求。7.3.1传感节点的设计7.3ZigBee无线传感器的硬件设计2．控制单元控制单元将其他单元及外部接口连接在一起，处理有关感知、通信和自组织的指令。节点的任务调度、设备管理、功能协调、数据融合、特征提取、数据存储和能耗管理等都是在控制单元的支持下完成的。控制单元包括控制器件、非易失性存储器（通常是控制器件的片内Flash）、随机存储器、内部时钟等。7.3.1传感节点的设计7.3ZigBee无线传感器的硬件设计3．无线收发单元传感节点之间通过无线收发单元实现互联，组成自组织传感器网络。传感节点的无线收发单元主要由无线窄带通信芯片和与其配套的滤波电路等外围电路组成。根据所采用的通信频率的不同，目前市场上的无线窄带通信芯片可以分为2.4GHz和低于1GHz两种。2.4GHz无线通信芯片的绕射能力较差，通信距离短，但其可靠性高，不容易受干扰，抗多径衰落能力强；低于1GHz无线通信芯片的绕射能力强，通信距离长，但其可靠性差，易受其他设备干扰，安全系数较低。7.3.1传感节点的设计7.3ZigBee无线传感器的硬件设计4．电源管理单元在传感节点，电源管理单元是一个关键的系统组件，体现在两方面：第一，它是存储能量，并为其他单元提供所需电压的稳压器件；第二，它能从外部环境中获取额外的能量。7.3.1传感节点的设计7.3ZigBee无线传感器的硬件设计网关和汇聚节点具备信息聚合、处理、选择、分发，以及子网网络管理等功能。7.3.2网关节点和汇聚节点的设计7.3ZigBee无线传感器的硬件设计网关节点的设计控制单元无线收发单元电源管理7.3.2网关节点和汇聚节点的设计7.3ZigBee无线传感器的硬件设计1．MICA节点MICA节点是伯克利大学研制的用于传感器网络研究演示平台的实验节点，主要包括微处理器、射频收发单元、电源管理单元和存储单元四个部分。7.3.3典型节点7.3ZigBee无线传感器的硬件设计2．Toles节点Toles节点是Moteiv公司推出的用于传感器网络研究演示平台的实验节点，主要包含微处理器、传感器、无线收发芯片和PC接口。7.3.3典型节点7.3ZigBee无线传感器的硬件设计3．SIMIT-1节点SIMIT-1节点是中国科学院上海微系统与信息技术研究所研制的用于野外环境监测的传感节点，主要由控制单元、无线收发单元、存储模块、定位模块、信号采集单元和电源管理单元组成。7.3.3典型节点7.3ZigBee无线传感器的硬件设计从系统层面的需求来看，传感节点存在以下几类需求。①从目标探测方式来看，存在主动式和被动式探测两种需求。②从感知参数来看，存在单参感知和多参感知两种需求。③从目标参数类型来看，存在标量感知信息和矢量感知信息两种需求。④从节点对感知信息的协同处理能力来看，对地震波、声波及大部分混合传感器信息需要本地高协同处理能力，以减少网络传输能耗损失，而对于一般家居控制等则仅仅需要简单的处理能力即可。⑤从网络通信能力来看，对低功耗无线传输设备存在近距（100m以内）和中距（1000m以内）两类需求。7.3.4节点应用选型7.4ZigBee无线传感器的软件设计软件架构的设计应遵循的主要原则如下。①以操作系统为基础的设备管理实体对程序进程进行优先级管理和分配。②层间交互以服务原语的形式实现；层内功能实体之间交互以消息的形式实现。③各功能模块具有可裁剪性和易重构性。④满足软件测试所必需的测试单元。⑤遵守开放的公共接口规范。⑥符合存储受限要求。7.4ZigBee无线传感器的软件设计ZigBee无线传感器网络的软件架构采取开放架构的形式，以公共接口规范来实现功能模块的可重构性，其主要组成部分包括基础软件层、服务与中间件层、应用软件层及设备管理层。7.4.1软件架构7.4ZigBee无线传感器的软件设计基础软件层通常与传感器设备硬件直接相关。设备驱动提供对板级控制器上的各种硬件设备（包括Flash、SDRAM、UART、USB、LCD等）的驱动与控制；通信接口负责与无线收发单元交互，控制其进行数据包的接收与发送；传感器接口软件实现对板载及外接的各种传感器设备运行参数的配置、工作状态的控制及传感器数据的获取。7.4.1软件架构7.4ZigBee无线传感器的软件设计服务与中间件层构建于基础软件层之上，其主要任务是利用基础软件层提供的基本要素，实现传感器网络设备的各项基本功能，包括定位、时间同步、安全管理、网络管理、信息管理等。7.4.1软件架构7.4ZigBee无线传感器的软件设计应用层软件实现具体的传感业务，如入侵检测、环境监控等。该层软件主要依靠服务与中间件层提供的各种基本功能，实现对各种传感业务的整合。7.4.1软件架构7.4ZigBee无线传感器的软件设计设备管理模块通常以操作系统的形式存在，与具体硬件平台密切相关，是对基本功能层、服务层和应用层3层体系架构的平台技术支撑，可简化应用开发进程。①程序管理单元负责各功能单元的注册和调度，各功能管理单元满足公共接口规范要求，能够实现方便地替换、增强等功能。②标志管理单元用于生成设备的网络标志，需要满足一定范围内的唯一性要求。③资源管理单元能够对节点能源、存储、计算、通信等能力做出有效的评估和管理，为各层协议设计提供跨层优化等功能。7.4.1软件架构7.4ZigBee无线传感器的软件设计1．本地设备中间件本地ZigBee无线传感器网络中间件位于ZigBee无线传感器网络设备应用软件和底层支撑软件之间，属于应用层软件范畴。本地ZigBee无线传感器网络中间件按其功能可分为通用中间件和域中间件。7.4.2中间件7.4ZigBee无线传感器的软件设计1．本地设备中间件（1）通用中间件常见的通用中间件主要有以下几种类型：①定位中间件。②数据处理及服务中间件。③统计信息管理中间件。④代码管理中间件。代码管理中间件主要包括代码升级管理模块和移动代码管理模块两个部分。⑤网络管理中间件。7.4.2中间件7.4ZigBee无线传感器的软件设计1．本地设备中间件（2）域中间件域中间件在单个或多个通用中间件提供的基本功能服务的基础上，实现较为复杂的业务功能，向上为应用提供配置、控制、数据访问接口。ZigBee无线传感器网络设备中加载的域中间件类型与特定区域的功能密切相关。上层网络应用只与域中间件有直接接口，其对通用中间件的访问必须通过域中间件来完成。7.4.2中间件7.4ZigBee无线传感器的软件设计1．本地设备中间件（3）中间件管理器域中间件、通用中间件均运行在中间件管理器内，受中间件管理器的统一控制与调度。每个中间件模块都提供至少一个服务访问接口（ServiceAccessPoint，SAP）。7.4.2中间件7.4ZigBee无线传感器的软件设计2．网关中间件网关中间件也运行在底层基础软件层之上，并由中间件管理器进行统一管理与调度。（1）应用支撑环境（2）管理中间件7.4.2中间件7.4ZigBee无线传感器的软件设计1.硬件管理2.任务协同3.资源受限4.电源管理5.内存6.感知7.应用8.维护7.4.3操作系统7.5ZigBee无线传感器网络的操作系统ZigBee无线传感器网络的操作系统是ZigBee无线传感器网络的基本软件环境，是ZigBee无线传感器网络应用软件开发的基础。它定义了一套通用的界面框架，允许应用程序选择服务的实现；另外还提供框架的模块化，以适应硬件的多样性。7.5.1无线传感器网络操作系统概述7.5ZigBee无线传感器网络的操作系统TinyOS的技术优势主要体现在以下几个方面。1．组件化编程2．事件驱动模式3．轻量级线程（任务）4．两级调度方式5．分阶段作业6．主动消息通信7.5.2

TinyOS的技术特点7.5ZigBee无线传感器网络的操作系统TinyOS操作系统采用组件的结构，是一个基于事件的系统。系统本身提供了一系列的组件供用户调用，其中包括主组件、应用组件、执行组