毕业论文_基于ieee802.15.4的无线传感器网络的研究（定稿）

摘要在当今信息技术飞速发展的时代，无线通信技术的进步推动了低功耗多功能传感器的快速发展，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（WSN）就是由在监测区域内大量的微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个以数据为中心，多跳的自组织网络系统。低成本、低功耗、应用简单的IEEE802154标准的诞生为无线传感器网络及大量基于微控制应用提供了互联互通的国际标准，也为这些应用及相关产业的发展提供了有力的契机。IEEE802154是一种针对低速无线个人区域网络（LRWPAN）制定的标准，该标准经济、高效、低速率传输、工作在24GHZISM频段，用于个人区域网和对等网状网络。基于IEEE802154的无线传感器网络以其突出的特点和应用前景，将成为今后无线传感器网络发展的一大方向。本文介绍了IEEE802154标准的特点、构件及体系结构、发展前景，着重描述了基于IEEE802154的无线传感器网络。本文还针对IEEE802154标准及其相关应用做了分析，重点研究了应用IEEE802154无线传感器网络进行无线通信时影响其稳定性的各种可能因素。通过SILIABSLABORATORIES公司24GHZ802154开发硬件平台组建无线传感器网络，使网络节点间相互通信，采集终端节点的信号强度，进行分析，得出结论。并提出了各因素影响的解决方法以及其实现的可行性,对无线通信系统的实现进行了较完整的分析。关键字无线传感器网络WSN；IEEE802154；RSSI；无线信号强度ABSTRACTWITHTHETODAYSRAPIDDEVELOPMENTOFINFORMATIONTECHNOLOGY,THEMAGICIMPROVEMENTOFWIRELESSCOMMUNICATIONSTECHNOLOGYPROMOTESTHELOWPOWERMULTIFUNCTIONALSENSORRAPIDDEVELOPING,ANDMAKEITINTEGRATEINFORMATIONCOLLECTING,DATAPROCESSING,WIRELESSCOMMUNICATIONSANDMANYOTHERFUNCTIONSWIRELESSSENSORNETWORKSWSNISAKINDOFMULTIHOPANDSELFORGANIZATIONNETWORKSYSTEMWHICHTAKINGTHEDATAASCENTERITCONSISTSOFALARGENUMBEROFMICROSENSORNODESFORWIRELESSCOMMUNICATIONINTHEMONITORREGIONSTHEAPPEARANCEOFIEEE802154PROTOCOLWHICHISLOWCOST,LOWPOWERCONSUMPTIONANDSIMPLEAPPLICATIONOFFERSTHEINTERNATIONALSTANDARDFORWIRELESSSENSORNETWORKANDAPPLICATIONBASEDONMICROCONTROLATTHESAMETIMEITOFFERSTHECHANCEFORTHEAPPLICATIONSANDTHEDEVELOPMENTOFRELATEDINDUSTRIESLOWRATEWIRELESSPERSONALAREANETWORKSLRWPANDEFINEDBYIEEE802154ISECONOMIC,EFFICIENT,LOWRATETRANSMISSION,ANDWORKINGINTHE24GHZISMBANDITUSESINTHEPERSONALAREANETWORKANDPEERTOPEERMESHNETWORKBASEDONIEEE802154WSNWITHOUTSTANDINGCHARACTERISTICSANDPROSPECTSWILLBECOMEADEVELOPINGDIRECTIONOFWSNINTHEFUTUREFIRSTOFALL,INTHISTHESISITINTRODUCESTHEIEEE802154PROTOCOL,ABOUTITSFEATURES,SYSTEMARCHITECTURE,THEPRESENTSITUATIONANDDEVELOPINGPROSPECTSANDFOCUSEDONTHEDESCRIPTIONOFIEEE802154WSNTHISPAPERALSOANALYZEDIEEE802154STANDARDANDITSRELATEDAPPLICATIONANDITEMPHASISVARIOUSPOSSIBLEFACTORSWHICHAFFECTTHESTABILITYOFIEEE802154WSNFORWIRELESSCOMMUNICATIONS,RECEIVEINGTHEDATABYEXPERIMENTSCOMMUNICATIONFURTHERMORE,THEPAPERPROPOSESTHECORRESPONDINGSOLUTIONSANDTHEFEASIBILITYOFITSREALIZATION,MAKEAMORECOMPLETEANALYSISFORTHEREALIZATIONOFWIRELESSCOMMUNICATIONSYSTEMKEYWORDSWIRELESSSENSORNETWORKIEEE802154RSSIWIRELESSSIGNALSTRENGTH目录摘要IABSTRACTII第一章绪论111引言1122IEEE802154标准的应用113基于IEEE802154的无线传感器网络1第二章IEEE802154标准421物理层422介质访问层MAC层523网络层624IEEE802154与IEEE802151的比较7第三章基于IEEE802154的无线传感器网络的组建93124GHZ802154开发平台9311无线通信模块射频芯片CC24209312微控制模块微控制器C8051F1211132构建IEEE802154无线传感器网络12321IEEE802154无线传感器网络拓扑结构12322节点配置13第四章IEEE802154无线传感器网络的稳定性研究1541信号强度单位的选择1542影响信号强度的主要因素16421频率的影响17423天线增益的影响18424障碍物影响2043影响信号强度的其他因素21431功耗影响21432传输介质影响22433封闭金属环境影响2544本章小结25第五章总结与展望2751本文总结2752802154无线传感器网络问题分析及展望27参考文献28致谢29基于IEEE802154的无线传感器网络的研究第一章绪论11引言IEEE802154的早期客户是高端工业用户4，这是由于早期IEEE802154主要应用于工业控制、远程监控和楼宇自动化领域；后期IEEE802154的市场转向消费者和家庭用户，主要应用于家庭自动化、安全和交互式玩具，其市场的驱动力来自其低造价、小功耗以及方便灵活、易于连接、实用可靠及可升级换代的特点。将传感器与IEEE802154WPAN设备组合，进行数据采集、处理和分析，就可以决定是否需要或何时需要用户操作。其应用实例包括恶劣环境下的检测，诸如涉及危险的火和化学物质的现场、监测以及维护正在旋转的机器等。在这些应用上，一个IEEE802154网络可以极大地降低新传感器网络的安装成本，简化对现有网络的扩充。12基于IEEE802154的无线传感器网络基于IEEE802154的无线传感器网络突出的特点是网络系统支持极低成本、易实现、可靠的数据传输、短距离操作、极低功耗、各层次的安全性等。为了达到极低的设计成本和极低的功率消耗，协议定义了两种相互配合使用的物理设备，全功能设备和精简功能设备1全功能设备FULLFUNCTIONDEVICE,FFD，可以支持任何一种拓扑结构，FFD是具有转发与路由能力的节点，可以作为网络协调器，并且可以和任何一种设备进行通信；2精简功能设备REDUCEDFUNCTIONDEVICE,RFD，只支持星型结构，RFD是最小且最简单的网络节点，可以和网络协调器进行通信，只发送与接收信号，不起转发器、路由器的作用。簇状结构PAN协调器全功能设备精简功能设备星型结构网状结构图11IEEE802154网络拓扑结构与物理节点相对应，在IEEE802154网络需要至少一个全功能设备作为网络协调器，终端节点一般使用精简功能设备来降低系统成本和功耗，提高电池使用寿命。另外所有设备必须使用一个64位的IEEE地址；可以使用16位短地址来减少数据包大小；寻址模式可以为网络加设备标识符的星型结构，或者源和目标标识符的点到点结构包括簇状和网状网络两种。物理层的设计是面向低成本和更高层次的集成需求的，对大部分较低端的实现来说，直接序列DIRECTSEQUENCE的应用使用模拟电路变得非常简单，具有更高的容错性能MAC层的设计不但使得多种拓扑结构网络的应用变得简单，可以实现非常有效的功耗管理，而不需要在很多管理模式之间的切换。MAC层可以使用一种精简功能设备，由于其结构简单，不需要大量的FLASH,ROM和RAM等存储设备，从而保证了较长的电池寿命。MAC还进行了特别的设计，可以支持极大数目的网络节点，而不需要对它们进行包装处理；网络层的设计支持网络规模在空间上的增长而不需要使用高功耗的中继器，而且网络层在较少网络负载的条件下可以支持更大数目的网络节点。IEEE802154的特有特征决定了其适合传感器网络使用。IEEE802154有如下优点1网络能力强IEEE802154具有卓越的网络能力，可对多达254个网络设备进行动态设备寻址。基于IEEE802154标准，可在数千个微小的传感器之间实现相互协调通信。另外，采用接力的方式通过无线电波将数据从一个传感器传到另一个传感器，可使得通信效率非常高。一般而言，随着通信距离的增大，设备的复杂度、功耗以及系统成本都在增加。相对于现有的各种无线通信技术，IEEE802154的低功耗、低速率是最适合作为传感器网络的标准。单个网络中可容纳更高密度的节点。一个IEEE802154网络可以容纳最多254个从设备和1个主设备，一个区域可以有100个IEEE802154网络同时存在，很好地满足大规模传感器阵列的要求。2时延小针对时延敏感的应用做了优化，通信时延和休眠状态激活的时延都非常短。设备搜索时延典型值为30MS，休眠激活时延典型值为15MS，活动设备信道接入时延为15MS。3适应性好IEEE802154可与现有控制网络标准无缝融合。通过网络协调器可自动建立网络，采用载波侦听多路访问/冲突防止CSMACA方式进行信道存取。为了可靠传递，提供全握手协议。支持星型和点对点两种拓扑结构。4可靠性高IEEE802154提供全握手协议，能可靠地传递数据。IEEE802154将提供一个低成本的用于数据采集和传输的网状网络，网络上的每个监测节点只需在有限的时间内发送几个比特的数据，数据流是异步的并在数据等待时间上限制极小，这些因素都利于电源使用寿命的延长。在基于IEEE802154的传感器网络中,可以由全功能设备作为接收节点，终端节点一般使用精简功能设备来降低系统成本和功耗，提高电池使用寿命。IEEE802154协议栈长度平均只有蓝牙或其他标准的1/4，这种简化对低成本、可交互性和可维护性非常重要。基于IEEE802154的无线传感器网络以其突出的特点和应用前景，必将成为今后无线网络发展的一大方向。第二章IEEE802154标准IEEE8021541满足国际标准组织ISO开放系统互连OSD参考模式。如图21所示，它的体系结构包括物理层、媒介接入控制层和网络层。该标准具有低功耗、低成本、大容量、短时延、标准简单、高安全性的特点。图21IEEE802154体系结构21物理层IEEE802154定义了24GHR频段和868/915H1HR频段两种物理层标准，物理层与MAC层的协作扩大了网络应用的范畴11。这两种物理层都采用直接序列扩频DSSS技术，降低数字集成电路的成本，并且都使用相同的帧结构，实现短工作周期、低功耗地运作。24GHZ物理层的数据传输率为250KBPS,868/915MHZ物理层的数据传输率分别是20KBPS,40KBPS。24GHZ物理层的较高速率主要归因于一个较好的调制方案基于DSSS方法16个状态的准正交调制技术。来自PPDU的二进制数据被依次按字节从低到高组成4位二进制数据符号，每种数据符号对应16状态组中的一组被映射成32位伪噪音CHIP，以便传输。然后这个连续的伪噪音CHIP序列被调制采用最小移位键控方式MSK到载波上，即采用半正弦脉冲波形的偏移四相移相键控调制方式。868/915MHZ物理层使用简单DSSS方法，每个PPDU数据传输位被最长为15的CHIP序列所扩展。即被多组1，1构成的M序列编码，然后使用二进制相移键控技术调制这个扩展的位元序列。不同的数据传输率适用于不同的场合。物理层的主要功能包括（1）激活和休眠射频收发器；（2）信道能量检测（ENERGYDETECT）；（3）检测接收数据包的链路质量指示（LINKQUALITYINDICATION，LQI）；IEEE802154网络层媒介接入控制层（MAC）物理层（PHY）（4）空闲信道评估CLEARCHANNELASSESSMENT，CCA；（5）收发数据。信道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。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。空闲信道评估判断信道是否空闲。IEEE802154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。22介质访问层MAC层（1）MAC层功能概述IEEE802154MAC层的特征是联合，分离，确认帧传递，通道访问机制，帧确认，保证时隙管理，和信令管理。MAC子层提供两个服务与高层联系，即通过两个服务访问点SAP访问高层。通过MAC通用部分子层SAPMCPSSAP访问MAC数据服务，用MAC层管理实体SAPMLMESAP访问MAC管理服务。这两个服务为网络层和物理层提供了一个接口。图22MAC子层参考模型IEEE802154MAC协议包括以下功能设备间无线链路的建立、维护和结束；确认模式的帧传送与接收；MAC通用部分子层（MCPSSAP）MAC层管理实体（LMESAP）PHY层数据（PDSAP）PHY层管理实体（PLESAP）MAC层管理实体MLME）MAC命令子层数据包的顺序传输、信道接入控制；帧校验；预留时隙管理；广播信息管理。（2）MAC帧的通用格式灵活的MAC帧结构适应了不同的应用及网络拓扑的需要，同时也保证了协议的简洁。MAC层帧结构的设计目标是用最低的复杂度来实现在多噪声无线信道环境下的可靠数据传输。每个MAC子层的帧都由帧头、负载和帧尾三部分组成。帧头由帧控制信息、帧序列号和地址信息组成。MAC子层负载具有可变长度，具体内容由帧类型决定。帧尾是帧头和负载数据的16位CRC校验序列。MAC帧结构如下表22所示表22MAC帧结构字节数210/20/2/80/20/2/8可变2帧控制信息帧序列号目的设备标识符目标地址源设备标识符源设备地址帧数据单元FCS校验码帧头MAC负载MFR帧尾帧控制说明了如何看待帧的其余部分及它们包含什么。帧序列号是传输数据帧及确认帧的序号。仅当确认帧的序列号与上次数据传输帧的序列号一致时，才能判定数据传输成功。帧校验序列是16位循环冗余校验。有效负荷PAYLOAD是MAC帧要承载的上层数据。MAC数据帧被送至物理层，它的字段长度可变。作为物理层帧数据PPDU的一部分。一个数据帧使用哪种地址类型由帧控制字段的内容指示。在帧结构中没有表示帧长度的字段，这是因为在物理层的帧里面有表示MAC帧长度的字段，MAC负载长度可以通过物理层帧长和MAC帧头的长度计算出来。23网络层网络层包括逻辑链路控制子层。8022标准定义了LLC，并且通用于诸如8023,80211及802151等802系列标准中，而MAC子层与硬件联系较为紧密，并随不同的物理层实现而变化。网络层负责拓扑结构的建立和维护、命名和捆绑服务，它们协同完成寻址、路由及安全这些必须的任务。这个标准的网络层被期望能自己组织和维护。LLC子层的主要功能包括1传输可靠性保障和控制；2数据包的分段与重组；3数据包的顺序传输。IEEE802154标准支持多种网络拓扑结构，包括星型和点对点拓扑结构。应用的设计选择决定了拓扑结构；一些应用，诸如PC外设，适合低延时的星型连接，而对于其他，诸如涉及安全要求领域，适合大面积的点对点拓扑结构IEEE802154特性1数据传输速率分别为250KBPS,40KBPS和20KBPS；2两种寻址模式16位短地址和64位IEEE寻址；3支持可能的使用装置，如游戏操纵杆；4CSMACA信道访问；5配位仪自动建立网络；6用于传输可靠性的全握手协议；7实现低功耗的电源管理；824GHZISM频段上16信道，915MHZ频段上10信道及868MHZ频段上1个信道。24IEEE802154与IEEE802151的比较IEEE802154和IEEE802151是IEEE80215工作组制定的无线通信标准。两者都针对于个人区域网络制定。IEEE802151又称蓝牙无线2个人区域网络标准。蓝牙标准主要用来打破以红外线或电缆线联系不同产品时受到的限制，使移动电话等设备与个人电脑或任何其他设备、仪器之间，能够在约几十米的距离内无需连接电缆线或红外接口就可进行数据交换。蓝牙标准是实现话音和数据无线传输的开放性规范，是一种低成本、短距离、支持点到点和点到多点的通信的无线通信标准。蓝牙额定输出功率0DBM，传输距离10CM10M，增大功率可达100M。蓝牙标准具有强大数据通讯优势，但由于蓝牙标准主要针对的是数据交换及语音信号传输，有协议过于复杂、芯片成本较高的缺点。蓝牙是一种无线数据与通信的开放性标准，它基本上只是设计作为有线的替代品。蓝牙同样工作在24GHZISM频段，使用跳频频谱扩展技术。它可以在不充电的情况下工作几周，但无法工作几个月，更不可能达到几年。一般情况下，蓝牙同一时间只能处理8个设备，如果更多的话，通信速率将显著下降。蓝牙标准和802154都致力于短距离无线连接，有很多相似之处，但也有很多不同点。将802154与蓝牙的特征进行比较如表23所示。表23802154与蓝牙（802151）比较802154蓝牙（802151）传输距离10M100M10M100M节点接入网络30MS20S休眠节点唤醒15MS3S节点接入信道15MS2MS传输速率20KB/S250KB/S700KB/S2MKB/S复杂程度非常简单复杂节点数2547连接层结构开放式TCP/IP功耗约45A约70MA应用传感器、玩具、控制领域声音、数据、玩具由表23我们可以清楚地看到蓝牙标准集中在1MBIT/S以上的速率，而且在能量持续时间、节点数以及反应时间等方面都无法与802154相比拟。可以说802154填补了低速率端无线通信技术的空缺，而且它与其他标准在应用上几乎是无交叉的，这使得802154在工业控制、无线传感器网络等领域中比蓝牙更具有优势。第三章基于IEEE802154的无线传感器网络的组建3124GHZ802154开发平台在进行802154无线传感器网络的稳定性研究中，选用了SILICONLABORATORIES公司的24GHZ802154开发工具，用于构建无线传感器网络。此开发工具包括了802154解决方案所必需的所有硬件和软件，SILICONLABORATORIES公司提供的综合开发平台,因其与其它厂商设备互通性，兼容性好，所以可以不必考虑硬件的选择与整合。如图31所示，开发工具包括两块24GHZ802154开发板（配置天线），一个9V、15A通用电源，一个USBDEBUGADAPTER，两根用于实现协调器与计算机通讯的USB连接线。图31SILICONLABORATORIES公司24GHZ802154开发硬件平台开发板结合了高性能C8051F121微控制器、用于实现USB与UART格式之间转换数据通信的芯片CP2101，LM2936超低静态电流33V稳压器，MAC固件和SILICONLABORATORIESIDE。并且采用符合IEEE802154标准的射频收发器CC2420作为其无线通信模块。311无线通信模块射频芯片CC2420802154无线通信模块负责数据的无线收发，24GHZ802154开发硬件平台采用CC2420射频芯片为数据传输提供空中接口。CC2420射频芯片7是挪威半导体公司CHIPCON推出的一款兼容24GHZIEEE802154的无线收发芯片。250KBPS数据传输率，电流消耗为1620MA，电压范围在21V至36V之间；基于CHIPCON公司的SMARTRF03技术，采用018M工艺；尺寸为77MM，是48针QFN封装；CC2420采用直接序列扩频DSSS技术，外部采用类似于SPI的接口，可以和微控制器直接接口，非常适合于低能耗和小体积的应用场合。CC2420芯片的内部结构如图32所示。CC2420从天线接收到射频信号，首先经过低噪声放大器，然后正交下变频到2MHZ的中频上。两路信号经过滤波和放大后，直接通过模数转换器转换成数字信号。后继处理，如自动增益控制、最终信道选择、解扩以及字节同步等，都是以数字信号的形式处理。它的FIFO缓存区保存MAC帧的长度、帧头和帧负载数据三个部分，而不保存帧校验码。发送数据时，数据帧的前导序列、帧开始分隔符以及帧检验序列由硬件产生；接收数据时，这些部分只用于同步和CRC校验，而不会保存到接收FIFO缓存区。CC2420用硬件实现了IEEE802154的MAC子层的安全操作。图32CC2420芯片内部结构CC2420具有完全集成的压控振荡器，只需要天线、16MHZ晶体等非常少的外围电路就能在24GHZ频段上工作。CC2420内部使用18V工作电压，因而功耗很低，适合于电池供电的设备；外部数字I/O接口使用33V电压，这样可以保持和33V逻辑器件的兼容性。它在片上集成了一个直流稳压器，能够把33V电压转换成18V电压。这样对于只有33V电源的设备，不需要额外的电压转换电路就能正常工作。其射频信号的收发采用差分方式传送，16MHZ的参考时钟用于250KBPS数据的收发。IEEE802154标准中规定使用DSSS调制方式，CC2420中的调制和扩频功能符合IEEE802154的工作模式。近距离节点采用CC2420无线收发芯片，其传输距离为60120M0DBM，利用此芯片开发的短距离射频传输系统成本低、功耗小，适于电池长期供电。312微控制模块微控制器C8051F121微控制器负责链路管理与控制，执行基带通信协议和相关的处理过程，包括建立链接、频率选择、链路类型支持、媒体接入控制、功率模式和安全算法等。经过调理的传感器模拟信号，由802154无线通信模块通过无线信道发送到主控。24GHZ802154开发硬件平台采用精密混合信号微控制器C8051F121作为其微控制模块。芯片的内部结构如图33所示。该芯片具有以下特性128KB/8KB可在系统编程的FLASH存储器；8448字节内部数据RAM，64X4字节高速缓冲存储器；真正12位或10位、100KSPS的ADC，带PGA和8通道模拟多路开关；真正8位500KSPS的ADC，带PGA和8通道模拟多路开关；2个12位DAC，具有可编程数据更新方式；片内看门狗定时器，2个模拟比较器，VDD监视器和温度传感器；硬件实现的SPI，SMBUS/IIC和2个UART串行接口；5个通用的16位定时器；具有6个捕捉/比较模块的可编程计数器/定时器阵列；32个数字输入/输出引脚；64针脚TQFP封装。图33C8051F121内部结构框图微控制器C8051F1218是完全集成的混合信号片上系统型MCU芯片，具有高速、流水线结构的8051兼容的CIP51内核以及全速、侵入式的在系统调试接口（片内），与标准的8051结构相比指令执行速度有很大的提高。在标准8051中，除MUL和DIV以外所有指令都需要12或24个系统时钟周期，最大系统时钟频率为1224MHZ。而对于CIP51内核，70的指令的执行时间为1或2个系统时钟周期，只有4条指令的执行时间大于4个系统时钟周期。CIP51内核和外设有几项关键性的改进，提高了整体性能，更易于在最终应用中使用。扩展的中断系统向CIP51提供20个中断源（标准8051只有7个中断源），允许大量的模拟和数字外设中断微控制器。C8051F121工作在最大系统时钟频率100MHZ时其最高处理速度100MIPS，具有增益可编程放大器及采样率达100KSPS的12位A/D转换器，额定输出功率为0DBM。C8051F121含有内部温度传感器,因此可以用于采集温度数据。C8051F121为802154MAC无线网络固件的发展提供充足的内部资源，大容量闪存与RAM为开发和调试软件提供足够的存储空间。32构建IEEE802154无线传感器网络321IEEE802154无线传感器网络拓扑结构IEEE802154网络根据应用的需要可以组织成星型网络，也可以组织成点对点网络，星型网络适合家庭自动化、个人计算机的外设以及个人健康护理等小范围的室内应用。与星型网不同，点对点网络只要彼此都在对方的无线辐射范围之内，任何两个设备之间都可以直接通信。点对点网络中需要网络协调器，负责实现管理链路状态信息，认证设备身份等功能。点对点网络模式可以支持ADHOC网络（无线移动自组网络），允许通过多跳路由的方式在网络中传输数据。点对点网络可以构造更复杂的网络结构，适合于设备分布范围广的应用，比如在工业检测与控制、货物库存跟踪和智能农业等方面有非常好的应用前景。在应用IEEE802154进行传感器网络的稳定性研究中，采用的网络拓扑结构如图34所示，为一种点对点的网状网络，与传统无线星型网络的不同在于，其采用了对等式的网络拓扑结构，其中的每个节点都具备路由选择的功能，而且每个节点只与其临近节点进行通信。是一种自组织和自管理网络。这种结构具有较多的优势，链路为网状结构，每个节点可使用的链路数大大增加，且每个网络节点都具有选路功能，如果其中的某一条链路出现了故障节点便可以自动转向其他可选链路进行接入，因而对网络的可靠性有了很大程度的提高。并且单个连接点的故障只影响一个设备，不会影响全网，容易检测和隔离故障，便于维护。图34应用IEEE802154的网络拓扑结构如图所示，节点A、B、C、D、E、F分别为六块无线通讯模块，PC为计算机。其中，节点A、B、C、D、E、F间通信采用基于IEEE802154标准的无线通讯的方式，而节点F与计算机PC间的通信采用有线的方式，通过USB连线来实现。节点A、B、C、D、E构成IEEE802154网络拓扑结构中的网状结构，节点A为网状拓扑结构中协调器（COORDINATOR）,作为固定点；节点B、C、D、E为网络中的终端设备（ENDDEVICE），采用其中任意一点作为移动点。IEEE802154网络建立以后，协调器节点A可以获得终端节点B、C、D、E的RSSI接收到的信号强度，并将信号强度通过无线通讯的方式传输到节点F，再通过有线的方式将信号强度传输到计算机中。在计算机中，通过对不同情况下得出的信号强度与距离的关系曲线进行分析，得出影响无线传感器网络稳定性的主要因素。322节点配置在IEEE802154传感器网络稳定性研究中，选择了SILICONLABORATORIES公司的24GHZ802154开发工具作为硬件平台。首先，通过配置节点实现IEEE802154无线通讯网络的建立。使用SILICONLABORATORIES公司提供的24GHZ802154DEMONSTRATION和SILICONLABORATORIESIDE软件实现节点的配置，具体过程如下首先，通过USBDEBUGADAPTER将一块实验模块与计算机连接起来，启动SILICONLABORATORIESIDE，并通过外接电源或安装9V电池的方式为实验模块供电，如图35所示。图35开发环境的构成在SILICONLABORATORIES公司提供的集成开发环境当中，将用于实现802154技术的可执行文件2_4GHZ_802_15_4_DEMO_KIT_FIRMWARE_REV_1_0_5HEX下载到实验模块的微处理器C8051F121中。下载成功后，断开连接，依次分别对其他四块实验模块进行同样操作。然后，通过USB连线将一块开发模块与计算机相连，启动软件24GHZ802154DEMONSTRATION，在计算机中，实验模块与计算机间通过虚拟COM端口实现通讯，每一块实验模块都有唯一的COM端口标识，如COM3、COM4等。在构建802154网络成功后，节点A、B、C、D、E在网络中的地址依次分配为00、01、02、03和04。第四章IEEE802154无线传感器网络的稳定性研究41信号强度单位的选择一般情况下，信号强度与距离成指数关系衰减。信号强度的单位通常为瓦（W）或毫瓦（MW），当信号强度为109MW和107MW时，两者之间相差100倍，但绝对差非常小，为109107，近似为0，很难区别。因此，将其转换为对数关系，分别为910LG，710LG，两者绝对差变为2，数据间可以进行比较。以移动点B的信号强度与距离关系为例，图41中图（1）为接收到的点B处的无线通讯模块的信号强度单位为MW时，与距离的变化关系。在固定点A与移动点B间距离大于100CM后，信号强度的变化不显著，很难建立信号强度与距离的关系。如图（2）所示，信号强度单位为DBM时与距离的变化关系明显。综上所述，采用DBM作为信号强度的单位，则可以把信号强度换算成可以比较的数量级内。1信号强度采用MW为单位2信号强度采用DBM为单位图41移动点B的信号强度单位关系的比较信号强度DBM分贝毫瓦为一个指代功率的绝对值，而不同于DB分贝,只是一个相对值。其定义如下01PLGDBM41式中，P是以毫瓦为单位的功率值；P0为1MW的参考功率。根据分贝毫瓦定义公式可以得出，1毫瓦1MW换算成分贝毫瓦为0DBM。1瓦1W换算成分贝毫瓦则为30DBM。050010000002004PXCM05001000100500PDBMXCM42影响信号强度的主要因素在无线通信过程中，影响无线通信质量的因素有很多，包括系统参数、环境因素以及其他因素。系统参数主要指无线设备的工作频率、发射功率、接收机灵敏度以及天线的增益、高度等。环境因素指有无障碍物存在，如钢筋混凝土墙体和金属、玻璃、木板等会影响到无线网络的稳定性，其他因素指在电量不足的情况下通信效果也会受到一定的影响。利用24GHZ802154开发工具组建无线传感器网络，将各类情况下采集到的信号强度进行比较，分析其对无线传感器网络稳定性的影响。如图42所示，在室内环境中组建无线传感器网络，无线设备的工作频率为2405GHZ，发射功率为0DBM。以协调器A为固定节点，即固定在尺寸标度的零点位置。测量采用的总尺寸标度为500CM，首先在零点放置节点B，使A、B两节点的天线相对，协调器A可以获得B点的信号强度，以无线通讯的方式传输到节点F，再由F点将采集到的信号强度传输到计算机中。然后距离每增加10CM放置一次节点B,采集其信号强度。为减少上电瞬间信号强度不稳定带来的影响，在每一点上重复采集信号强度20次，计算平均值。在室外空旷环境下，采用同样方法接收节点B的信号强度。下图两条曲线分别为室内及室外环境下信号强度与距离的关系曲线。0100200300400500806040200RECIEVESIGNALLEVELDBMINDOOROUTDOORDISTANCECM图42室内室外无线信号强度对比如图42所示,室外空旷环境较理想,可忽略其他因素对信号强度的影响。因此得到的信号强度与距离的关系曲线较平滑，随着距离的增加，信号强度呈衰减趋势。室内环境下信号强度与距离的关系曲线在局部点则有信号强度的跳变现象。如图在距离协调器A点200CM至400CM范围内,接收到的信号强度存在跳变。由于室内存在钢筋混凝土墙体、门窗、实验台、金属物体等，都会对无线信号有所影响，能够反射或者吸收部分信号强度，因此会产生信号的局部增强和减弱现象。由于室外环境下信号强度与距离的关系曲线较理想，适合作为标准曲线，因此将各类因素影响下得到的信号强度与距离的关系曲线与其进行比较，分析各类因素对无线传感器网络稳定性的影响程度。421频率的影响工作频率的选择是影响信号强度的关键因素。频率、发射功率是无线设备的主要性能指标。在室外理想环境下，将节点B配置成不同的工作频率，分别为2405GHZ、2420GHZ、2440GHZ和2460GHZ，发射功率均为0DBM。然后按照500CM的尺寸标度,每隔10CM放置节点B,逐点采集其信号强度。得到信号强度与距离的关系曲线如图43所示。0100200300400500806040200RECEIVESIGNALLEVELDBMFREQ2405FREQ2420FREQ2440FREQ2460DISTANCECM图43频率对信号强度的影响因素从图43可以看出，在不同频率下采集节点B的信号强度时，将与协调器A距离相同的点进行比较，低频率处信号强度较强。并且由图示标注可以清楚地看到，在距离协调器A300CM处，工作频率为2405GHZ时接收到的信号功率与其他工作频率下接收到的信号功率相比，前者的接收信号功率大约有10DBM的提高。使用低工作频率可降低系统的发射功率，从而延长电池的使用时间。此外频率越低传输距离越远,如要获得更长的传输距离,则需要选择较低的工作频率。422发射功率的影响发射功率是无线设备的重要性能指标。在室外理想环境下，不考虑其他因素的影响,选定节点的工作频率为2405GHZ,将节点B的发射功率分别配置为0DBM、5DBM、10DBM和25DBM，然后在室外理想环境下,使用与上述四种频率下采集信号强度相同的方法,对节点B的信号强度进行采集，得到不同发射功率信号强度与距离的关系曲线，如图44所示。0100200300400500100500RECIEVESIGNALLEVELDBMTXPOWER0TXPOWER5TXPOWER10TXPOWER25DISTANCECM图44发射功率对无线信号强度的影响如图所示,在与协调器A点距离相同的点，无线射频发射功率越高，则接收到的节点B的信号强度越强。如图中标注所示,距离A点400CM的位置信号强度与发射功率之间的关系最为显著。因此在使用24GHZ802154开发工具进行无线传感器网络的稳定性研究时,不考虑其他因素的影响，如果要扩大信号的覆盖范围，则需要将发射功率配置为0DBM。但不能没有限制的升高发射信号功率，发射功率过高会影响整个网络的无线通信质量，并且会对其他相邻节点造成干扰，同时增加系统功耗。所以在能够达到覆盖效果的情况下应尽可能的减小天线的发射功率。423天线增益的影响在实际应用中，除了系统功率，天线的形状和相对位置也会影响信号强度的发射和接收。天线是无线通信系统的基本部件，决定了通信系统的稳定性。天线的增益是天线的基本属性，可以衡量天线的优劣。增益是指定方向上的最大辐射强度与天线最大辐射强度的比值，可以提高发射效率，制作简单增益天线研究其对无线信号强度的影响。在现有天线周围放置规则的金属抛物面，使天线位于抛物面的内反射焦点处，通过电磁波反射在焦点处形成能量集中，从而增强电磁信号的收发，实现在特定方向增强信号。制作简单的增益天线的关键就在于找到比较规则的金属抛物面和计算抛物面的焦点位置。金属抛物面并不一定要求用金属板，也可以是网状、栅栏状金属材料。焦点位置的确定需要根据所选抛物面的形状来计算。计算公式如42所示16/MHDF42其中，D为抛物面的直径，H为抛物面的深度，单位为M。考虑到存在一定误差，因此可以用更简单的估算公式进行计算，即F03D04D。制作时采用D0065M,H0010M,根据公式计算得F00264M即约为04D。天线从原来的全向性变成指向性，在使用时必须将铝质金属材料的弧线对准其他无线设备，才可以汇聚信号。由于增加了接收和发射的面积，信号增强的效果非常明显。如图45所示，在室外理想环境下，无线设备配置为工作频率2405GHZ，发射功率为0DBM。将节点B装置自制增益天线，以协调器A点为起始零点,每隔10CM处放置节点B,从A点读取B点的信号强度。将得出的曲线与室外理想环境下测得的信号强度与距离的标准曲线进行比较,下图表明天线增益对无线信号强度的影响很大。020004000600080001104100500RECIEVESIGNALLEVELDBMGAINSTANDARDDISTANCECM图45天线增益对无线信号强度的影响如图所示，在室外理想环境下，测试无线信号的传输距离最高达到70M左右，使用增益天线时，无线信号的传输距离则达到95M左右，并且在测试过程中通信正常，没有出现发送及接收错误。一般情况下，当需要进行远距离的数据传输又要求保证信号的强度时，应当选择增益值大的天线，而对于传输距离较短的无线网络而言，可以选择增益值小的天线。此外考虑环境因素对信号衰减而影响到速率及稳定性，则有必要增加天线的增益。424障碍物影响当无线电波在传播过程中遇到障碍物时，如果障碍物的尺寸远远小于其波长，那么无线电波就能够绕过障碍物而继续传播。如果障碍物尺寸与波长差不多或者大于波长，那么无线电波就会被障碍物所阻挡。FC43/44公式43为波长与频率的关系公式，根据无线设备的工作频率可计算出无线电波的波长。由公式43和44可知所选工作频率越高，波长越短，反之波长越长。因此选择最低工作频率2405GHZ，计算无线电波波长得124CM。可知当障碍物的尺寸近似为或大于124CM时，信号会被阻挡。（1）金属障碍物在室外理想环境中，节点的工作频率为2405GHZ，发射功率为0DBM。取直径约为35CM，厚度约为05CM的空心金属圆桶，将节点B置于其中，在距离协调器A点300CM的尺寸标度范围内,每隔10CM移动一次B点,由A点获得B点的信号强度。得到信号强度与距离的关系曲线如图46所示。0100200300400100806040200RECIEVESIGNALLEVELDBMMETALSTANDARDDISTANCECM图46金属障碍物对信号强度的影响如图所示，金属障碍物对无线信号有严重影响，在穿过金属后，信号强度衰减幅度非常大。例如在距离A点40CM处，信号强度达到最低点约为8325DBM。金属材质的障碍物，不仅阻挡微波无线信号，还能吸收掉电磁的能量，生成弱电流泄流掉。因此，无线信号在家庭环境中最大的金属障碍物是内有钢筋网的楼板，这个方向的信号几乎没有穿透的可能。即使能穿透，信号也是非常的弱。大尺寸的障碍物，微波的绕射更是不可能。若无线设备的天线放在室中央，则无线信号只能从开阔的通路窗户发射出去。（2）墙体阻隔环境如图47所示，在一堵钢筋混凝土墙体的有阻隔环境中,在墙体的一侧放置协调器A,作为固定零点。另一侧每隔10CM的尺寸标度移动B点,直至距离协调器A点500CM处为止。采集节点B的信号强度，得出信号强度与距离的关系曲线。该墙体厚度约为26CM。无线设备满足标准配置，工作频率为2405GHZ，发射功率为0DBM。0200400100500RECIEVESIGNALLEVELDBMWALLSTANDARDDISTANCECM图47墙体对信号强度的影响如图所示，在距离协调器A点30CM至40CM范围内，无线信号穿过钢筋混凝土墙体后，仍然可以达到标称的最高传输速率，接收到节点B的信号强度衰减约35DBM。但随着距离的加长，信号强度呈大幅度衰减，可衰减20DBM或更高。可知钢筋混凝土墙体会极大地削弱无线信号。因此在无线通讯环境中，应考虑到无线设备的摆放位置，以尽可能的减少发送无线电波到接收端之间所需穿越的墙体数目。如无法避免，则可以适当增大天线增益，合理配置设备的系统参数，也可尝试使用无线路由器，这样可以削弱墙体及其他障碍物对无线通讯带来的消极影响。43影响信号强度的其他因素431功耗影响在低速无线个人区域网络中，很多应用的设备使用电池供电。所以频繁更换电池或者频繁充电是不太现实的，因此在LRWPAN网络中，能量消耗是一个需要十分仔细考虑的问题。IEEE802154的低电特性能避免时常更换电池的困扰。电池供电的设备可以通过“轮换值班”来减少能量消耗。这些设备大部分时间都处在休眠状态，只是周期性苏醒过来发送数据或者检测信道的状态，以确定是否有属于自己的消息。这种机制需要设计时在电池消耗和消息延迟之间作出权衡。24GHZ802154开发板上采用LM2936超低静态电流33V稳压器，其静态电流特性与负载电流具有线性关系。LM2936的连续工作电压可高达60V，并且能连续输出高达50MA的电流。其输出电流取决于输入到输出的电压差分、封装额定功率以及环境温度。当输入电压范围在40V260V时，输出电压范围为3201V3399V，典型值为33V，并且在输出电流较低时LM2936能够提供超低损耗的静态性能。如图48所示，在电池电量充足（实测957V）与电池电量不足（使用较长时间后，实测670V）情况下分别采集无线信号强度。（设备的工作频率为2405GHZ，发射功率为0DBM）得出信号强度与距离的关系曲线。0100200300400500100500RECIEVESIGNALLEVELDBMLOWPOWERSTANDARDDISTANCECM图48功耗对信号强度的影响如图显示，电量充足与电量不足情况下得到的信号强度与距离的关系曲线趋于重合，即电池能量对无线信号强度的影响并不显著。这证实了802154的低功耗特性，可以确保两节五号电池支持长达6个月到2年左右的使用时间。IEEE802154技术，本身就是为低功率而设计的，该标准采用DSSS（直接序列扩频）技术取代FHSS（跳频频谱扩展）技术，因为跳频频谱扩展技术为了保持同步跳频会消耗较多的功率。432传输介质影响研究介质条件对无线传感器网络通讯性能的影响,以下研究中无线设备的工作频率为2405GHZ，发射功率为0DBM。并且都是在室外理想环境下进行,可不必考虑其他因素的影响。（1）纸质、塑料材料对无线信号强度的影响如图49所示，利用纸质材料制作纸筒，将发射天线完全覆盖，在室外理想环境下,按指定的尺寸标度（500CM）每隔10CM采集一次B点的信号强度,每点重复采集20次,求得平均值。用塑料材质盒完全覆盖发射天线，在同等条件下用相同的方法采集节点B的信号强度。将纸质材料与塑料材质盒覆盖天线时得到的信号强度与距离的关系曲线与室外理想环境下信号强度与距离的标准曲线进行比较。0100200