（信号与信息处理专业论文）无线传感器网络低功耗节点控制器芯片设计与实现.pdf

摘要 摘要 近年来，随着传感器技术、微机电系统技术、嵌入式系统技术、现代无线通 信技术、网络技术、分布式处理技术等的发展，形成了无线传感器网络这一前沿 交叉学科。它在军事、医疗、环境监测等领域具有很高的应用价值。 无线传感器网络利用分布于监测区域内的各终端节点进行原始信息数据的采 集，然后通过自组织多跳路由网络传送至网关节点，最后通过多类型接口传送至 网关计算机并接入其他通用网络，在远程的监控终端利用信息汇集与管理软件平 台实现对监测范围内的事件监控。 在无线传感器网络中大量分布的节点是其主要组成部分，在现有各类节点设 计中主要采用在嵌入式领域广泛应用的一些通用处理器单元作为控制核心，而没 有针对无线传感器网络的应用开发专用的控制器芯片，这使得在节点设计中会受 到体积、功耗等方面的限制，而在系统资源利用方面又难免会造成一些浪费，因 此开展无线传感器网络专用低功耗节点控制器芯片的设计具有重要的研究意义和 应用价值。 本文主要介绍了一种无线传感器网络低功耗节点控制器芯片的设计与实现， 该芯片采用了8 位哈佛体系结构，使用与e l a n 公司e m 7 8 系列m c u 兼容的r i s c 指令集，利用仿真器平台及f p g a 平台完成了节点系统构造，然后以s m i co 1 8 微米c m o s 工艺完成了a s i c 设计最后以它作为低功耗节点专用控制器实现了 节点平台的搭建，构建了一个通用无线传感器网络。 本文首先对无线传感器网络及数字系统低功耗设计的基本理论进行了研究和 讨论，接着基于上述理论进行了无线传感器网络节点的软硬件设计以及多个测试 平台的实现，并重点讲述了低功耗节点控制器的r t l 设计与实现，然后开展了该 控制器的后端设计，给出了设计版图，最后利用f p g a 平台对该节点控制器进行 了验证及测试，给出了测试结果并进行了分析。实验分析及功能验证结果表明， 该节点控制器满足系统功能需求，技术性能优良，达到设计目的 关键词：无线传感器网络，节点，微控制器，低功耗，a s i c 设计 a b s w a c t a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g i e si n c l u d i n gs e n s o r , m i c r o e l e c t r om e c h a n i c a ls y s t e m s ( m e m s ) ，e m b e d d e ds y s t e m , w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n , n e t w o r k , d i s t r i b u t e dp r o c e s s i n g , e t c ，t h ew i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ( w s h 0 ，al l e w i n t e r d i s c i p l i n e ，h a sb e e nf o r m e d i th a sh i 【g ha p p l i c a t i o nv a l u e si n t h ed o m a i n so f m i l i t a r y , m e d i c a lt r e a t m e n ta n de n v i r o n n i e n t a lm o n i t o r i n g am a s so ft e r m i n a ln o d e sd i s t r i b u t e di nt h ew s na r eu s e dt oc o l l e c tt h eo r i g i n a l d a t ao ft h er e g i o nb e e nm o n i t o r e d a n dam u l t i - h o pn e t w o r ki so r g a n i z e db yi t s e l ft o t r a n s f e rt h ed a t at og a t e w a y , f u r t h e rm o r eag e l l e r a li n t e r f a c ei su s e dt ot r a n s f e rt h ed a t a i n t oi n t e r a c t i nt h i sw a yt h eo b s e r v e rc a nm o n i t o rt h ee v e n t si nt h ed i s t a n c eb yu s i n g t h ei n f o r m a t i o nc o l l e c t i o na n dm a n a g e m e n ts o f t w a r ep l a t f o r m t h en o d e sa r et h ep r i n c i p a lp a r to fw s n ，a n du s u a l l yt h eg e n e r a lm c ui su s e da s t h ec o r ei nt h en o d e sb u tn o tac u s t o m i z e dc o n t r o l l e r i nt h i ss i t u a t i o nt h e r ea r cm a n y l i m i t a t i o n s 、析t ht h en o d e s ，s u c ha sc u b a g e ，p o w e rc o n s l n n e ，e t c o nt h eo t h e rh a n d , s o m eo ft h es y s t e mr e s o u r c e sm a y b ew f l s t e d f o rt h e s er e a s o n s ，i ti si m p o r t a n ta n dh a s g r e a tv a l u e st od e s i g nt h es p e c i a ll o w - p o w e rc o n t r o l l e rf o rt h en o d e s i nt h i st h e s i s am i c r oc o n t r o l l e rw i t hh a v a r ds t r u c t u r ec u s t o m i z e df o rt h ew s n n o d e si si m p l e m e n t e d n l ei n s t r u c t i o ns e to f t h ec o n t r o l l e ri sc o m p a t i b l ew i t ht h ee m 7 8 s e r i e sm c u so f e l a nc o t h i sc o n t r o l l e rh a sb e e nv e r i f i e do nt h ef p g a , a n dh a sb e e n i m p l e m e n t e d i n t h e f o r m o f a s i c b y u s i n g t h e o 1 s u m c m o s l i b r a r y o f s m i c i nt h i st h e s i s ，t h eb a s i ct h e o r i e so fw s na n dt h el o w - p o w e rd i g i t a ls y s t e md e s i g n a l ei n t r o d u c e da tf i r s t b a s e do nt h e s et h e o r i e s ，t h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no ft h e h a r d w a r ea n ds o f t w a r eo ft h en o d e sa r ed e s e r i p t e d t h er t ld e s i g no ft h el o w - p o w e r m i c r oc o n t r o l l e ri st h ee m p h a s e s ，a n dt h em i c r oc o n t r o l l e rh a sb e e ni m p l e m e n t a t e di n t h ef o r mo fa s i cw i t ht h er e s u l to fal a y o u t f i n a l l yt h em i c r oc o n t r o l l e rh a sb e e n v e f i f i e do nf p g a , a n di tm e e t st h er e q u i r e m e n t so f t h en o d e si nw s n k e y w o r d s ：w s n ，n o d e ，m c u ，l o wp o w e r , a s i cd e s i g n n 图目录 图目录 图2 - l 无线传感器网络系统体系结构图6 图2 - 2 无线传感器网络节点结构图7 图2 3 无线传感器网络协议体系结构图8 图4 1 无线传感器网络节点硬件系统结构2 0 图4 - 2 基于f p g a 及a s l c 平台的电源供给电路2 l 图4 3f l a s h 存储器电路2 2 图4 4 川d 转换器电路。2 2 图4 仿真器板间接口电路2 3 r 图。4 - 6f p g ae p i c l 2 q 2 4 0 c 8 核心电路= = 4 图4 7f p g a 电源及配置电路。2 4 图4 8a s i c 最小系统及接口电路2 5 图4 - 9c c 2 4 2 0 射频板电路 图5 - 1 低功耗m c u 内部结构示意图 图5 2 系统工作状态转换图3 1 图5 3 存储器组织结构示意图3 3 图5 - 4p c 结构示意图。 图5 - 5r 3 寄存器3 5 图5 - 6r 4 寄存器3 5 图5 7r 5 寄存器3 6 图5 - 8 控制寄存器c o n t 。 3 6 图5 9 功能模块寄存器3 7 图5 1 0 各中断寄存器之间的关系3 8 v i i 图目录 图5 1 l 中断系统结构框图3 9 图5 1 2 外部中断p 7 6 在m o d c l s i m 中的仿真波形4 0 图5 一1 3 单周期指令执行过程示意图4 2 图5 1 4 双周期指令执行过程示意图4 3 图5 1 5 指令译码器仿真波形4 4 图5 1 6 算术逻辑单元a l u 结构示意图4 4 图5 1 7 算术逻辑单元a l u 仿真波形4 5 图5 1 8 堆栈结构示意图4 6 图5 1 92 4 级堆栈仿真波形4 6 图5 - 2 0t c c & w d t 结构示意图4 7 图5 - 2 1 使用w d t 周期性唤醒系统仿真波形4 8 图5 - 2 2 定时，计数器c n t i 和c n t 2 结构示意图4 9 图5 - 2 3 定时计数器仿真波形4 9 图5 - 2 4s p i 内部结构示意图5 0 图5 2 5s p i 仿真波形5 1 图5 2 6u a r t 结构示意图5 2 图5 2 7u a r t 仿真波形5 2 图5 - 2 8f o 端口结构示意图5 4 图6 - 1a s i c 设计流程示意图5 5 图6 2r a m 内建自测试示意图5 7 图6 3 节点控制器芯片供电示意图。5 8 图6 4 节点控制器版图5 8 图7 1 基于f p g a 的测试环境示意图5 9 图 2 基于f p g a 的测试环境6 0 v i l l 图目录 图7 - 3 基于f p g a 平台的节点 图7 _ 4f p g a 子板正面。 图7 - 5f p g a 子板背面 6 0 6 1 图7 - 6 射频收发模块。二6 2 图7 7 使用q u a r m s i i 进行f p g a 的配置6 2 图7 - 8 使用m a t l a b 进行数据格式转换6 3 图7 - 9e m 7 8 系列汇编语言集成开发环境w i c e 6 3 图7 1 0e m 7 8 系列汇编及c 语言混合集成开发环境w i c e p l u s 6 4 图7 1 1r o m 存储器烧写环境t o p w i n 6 4 图7 1 2 程序计数器p c 测试波形6 5 图 7 - 1 3u a r t 测试波形6 6 图7 - 1 4 实验中形成的网络拓扑图6 7 图7 - 1 5 各节点温度曲线图6 7 图7 - 1 6a s i c 芯片测试环境示意图。6 8 i x 表目录 表目录 表2 - 1m a c 协议分类9 表2 - 2 无线传感器网络路由协议比较1 0 表5 1 程序存储器页面地址选择表。3 6 表5 - 2 中断源及其相关寄存器表 表5 - 3m c u 指令集表4 0 表5 - 3m c u 指令集表( 续一) 4 l 表5 3m c u 指令集表( 续二) 4 2 表5 4 c p u 操作信号列表 4 3 表5 - 51 c & w d t 预分频表4 8 表5 - 6 通用f o 引脚列表5 3 表5 7 外部程序r o m 接口5 3 x 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注和致谢的地方 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 获得电子科技大学或其它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。 签名：重! 盏 日期：年月日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、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， 允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文的全 部或部分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应遵守此规定) 日期：年月 日 第一章绪论 第一章绪论 1 1无线传感器网络低功耗节点控制器研究目的与意义 近年来，随着传感器技术、微机电系统技术、嵌入式系统技术、现代无线通 信技术、网络技术、分布式处理技术等的发展，形成了无线传感器网络这一前沿 热点的交叉学科。无线传感器网络在军事领域、环境监测、医疗领域等均有很高 的应用价值，由于它是一种无固定中心的自组织网络，其节点数量庞大，分布密 度高，并且节点中的能量资源和数据处理资源非常有限，因此在节点中进行低功 耗节点控制器芯片的设计具有重要的意义。 无线传感器网络节点是一种典型的嵌入式系统，它遵循通用的嵌入式系统设 计原则，必须以应用目标为中心，软硬件可裁减，满足功能、可靠性、成本、体 积、功耗等方面的严格要求，其中低功耗设计是其核心 目前无线传感器网络硬件平台可以按节点控制器类型、节点无线通信类型、 节点操作特性等多种方式进行分类，由于无线传感器网络主要关注的是检测区域 内某一范围而不是某一个特定点的状态信息，因此按照节点操作特性来进行分类 的方法较为科学，它覆盖了节点的具体实现形式。按照这种分类方法可以将无线 传感器网络分为特定传感器平台、通用传感器平台、高带宽传感器平台和网关平 台四类。 特定传感器平台侧重于节点的超低功耗和体积的微型化设计，但同时也决定 了其处理能力和传输能力很有限。比如u cb e r k e l e y 的s p e c 就是在2 5 m m x 2 5 m m 的硅片上集成了处理器、r a m 、通信接口和传感器的一种节点，它靠一个附带的 微型电池供电可以连续工作几年的时间，但在其原型版本中只有单向的通信链路； 再如由d a r p a i v i t o m e m s p r o g r a m 支持u c b e r k e l e y 研发的s m a r t d u s t 也是一种 超微型的节点，其设计目标体积是l m m 3 左右，由于使用光通信并采用主动或被动 两种工作模式，其功耗可以迸一步降低。 通用传感器平台对体积要求有所放宽，侧重于节点的可扩展性和测试需求， 但同样对节点功耗有较严格的要求，这类平台也是目前在实验研究和产品化中应 用最多的平台。该类型中以u cb e r k e l e y 的m i c a 系列节点为主要代表，主要包括 电子科技大学硕士学位论文 r e n e 、m i c a 、m i c a 2 、m i c a 2 d o t 、m i c a - z 等不同版本。m i c a 系列在硬件上分为两 个模块：运算控制通信模块和传感器模块。a t m e l 公司的m c u 是其控制核心，在 其外围配置不同的射频通信芯片和各类传感器构成节点的硬件实体。 高带宽传感器平台的主要特点是处理能力强、存储容量大、接口丰富，其射 频带宽比前两种更宽，甚至可以进行音视频信号的传递。该类节点的典型代表是 由i n t e l 公司设计的 m o t e ，它采用a r m 7 t d m i 内核，可通过蓝牙接口与p d a 等 设备连接，由于功能强大，相应的系统功耗也有所增加。 在以上各类无线传感器网络节点中基本上都采用了通用处理器作为控制核 心，作为通用处理器并没有针对无线传感器网络的应用特点进行专门的设计考虑， 无论是处理器的指令系统还是其计算存储资源都存在或多或少的冗余。因此，结 合节点应用实际对控制核心进行专用设计，为实现节点的低功耗、低成本、高集 成、高性能、智能化以及微型化设计奠定基础，具有重要的研究意义和实用价值 1 2 课题背景及主要工作 本论文所涉及课题是国家发改委中国下一代互联网示范工程c n g i2 0 0 5 年研 究开发、产业化及应用试验项目，并得到了信息产业部2 0 0 6 年“电子信息产业发 展基金”的支持。 该项目主要研究w s n 节点的系统组成结构、网络协议、数据汇集等关键技术， 并实现不少于3 0 个节点的无线传感器网络，完成在c n g i 上的试验和应用。在整 个项目中关键技术构件包括：节点数据获取单元接口、核心处理器芯片、嵌入式 操作系统、无线通信数据链路层协议、组网路由技术及数据处理技术。 在本人承担的子项目中，主要负责无线传感器网络低功耗节点控制器芯片的 设计与实现，主要工作包括： 无线传感器网络中低功耗节点控制器的方案设计及优化； 低功耗节点控制器r t l 代码编写、仿真验证及调试： 节点仿真器平台及f p ( 3 a 平台的设计与实现； 节点控制器后端综合、静态时序分析、形式验证、布局布线以及后仿真： a s i c 芯片的内建自测试、功能测试及性能指标测试。 2 第一章绪论 1 3本论文的内容与组织结构 本论文共分为八个章节。第一章简要介绍项目设计的意义、论文的项目背景 及本人承担的主要工作；第二章主要介绍无线传感器网络的基本概念、特点及应 用，并在分析其体系结构的基础上介绍了其关键技术以及现在的研究热点；第三 章对数字系统的低功耗设计理论进行了归纳，从系统级、r t l 级和版图级多个层 次进行了讨论：第四章对无线传感器网络节点的软硬件实现以及多个仿真测试平 台的搭建进行了描述；第五章重点讲述了低功耗节点控制器的r t l 设计与实现， 主要包括存储系统组织、中断系统设计、c p u 核设计以及外围关键接口模块的具 体设计与实现；第六章对节点控制器进行了后端设计与实现，给出了最终设计版 图；第七章主要利用f p g a 平台开展节点控制器的测试及验证，给出测试结果并 进行了分析；第八章对全文进行了总结，并展望了进一步的工作。 3 电子科技大学硕士学位论文 第二章无线传感器网络基本理论 无线传感器网络是一种自组织多跳路由网络，本章将从无线传感器网络的概 念、特点、应用等方面入手，详细分析它的体系结构和关键研究技术，并对无线 传感器网络节点中的能耗管理作进一步分析。 2 1无线传惑器网络的概念 无线传感器网络是集合传感器技术、微机电系统技术、嵌入式系统技术、现 代无线通信技术、网络技术、分布式处理技术等形成的一个前沿热点交叉学科， 它通常利用飞机或其他手段将成千上万个传感器节点广泛布撤于需要探测的区域 之中，各节点由自带的有限能源支撑其工作，将传感器探测到的温度、湿度、压 力、气体成分等环境数据通过动态变化的自组织网络传送到数据处理中心完成数 据的采集、融合、计算、处理、传输等操作，全面反映出被探测区域的实时状态 信息，提供给决策机构作为重要的信息参考。 无线传感器网络可以看作是一种特殊的a d - h o c 网络，但它们又有很大区别， 因此出现了很多新形式的网络研究方法和技术。无线传感器网络是一门新兴学科， 世界上关于它的研究还处在初级阶段，特别是在国内这方面的研究才刚刚兴起， 很多研究都有待进一步深入，其中新兴的研究热点方向也非常多，特别是在其硬 件实现形式和网络组织方面还有很大的发展空间。 2 。2无线传感器网络的特点 无线传感器网络是一种典型的针对应用的嵌入式网络系统，因此它有很多区 别于传统无线网络的特点【1 1 【2 1 1 3 ： 节点数量大，分布密度大。通常无线传感器网络关心的是某个区域内的环境 信息，所以需要在监测区域内布置大量节点进行长时闻的信息采集；为了让各点 信息能传送回数据监控中心，则需要根据节点的无线传送距离来布置节点，而由 于节点的能量来源非常有限，所以节点的分布距离又不能太远，在监控区域内节 点的分布密度通常都比较大。 4 第二章无线传感器网络基本理论 节点资源有限。主要是指节点中的能量资源有限和数据处理资源有限。由电 池供电的节点终究会有电池耗尽的时候，由太阳能或其它能源供电的节点则会受 到外部能源间断和不稳定的影响，因此在节点中既要充分利用有限能源又要对能 源做好有效的管理；无线传感器网络的节点通常由于体积和能量的限制，使其不 能集成太多的数据处理硬件，也不能工作于太快的时钟频率下，所以在这样的微 型嵌入式系统中要利用尽量少的资源完成节点和网络的基本功能。 网络自组织。无线传感器网络中的各个节点通常是靠某种机械手段布置子监 测区域，当节点布置好以后才正式开始工作，且各个节点的开始时刻随机分布， 当节点开始工作以后即不再需要人工干预，所以要求该网络具备自组织能力。 网络无固定中心，拓扑动态变化。无线传感器网络中的各个节点地位都是平 等的，它们可以工作于终端节点状态或者数据转发节点状态，且会动态变化，各 个节点由于其能量提供的差别或其他外界因素会导致工作时间长度的不同，某些 节点可能会由于故障而退出网络，而在某时刻又可能加入新的节点，所以它是一 个拓扑动态变化且无中心的网络。 2 3无线传感器网络的应用 由于无线传感器网络的独有特点及强大的功能，它在多个方面均有广泛的应 用； 军事领域。采用飞行器将大量的无线传感器网络节点布撒于敌军区域，可以 实时的获得敌军区域的大量信息，比如天气状况，敌军车辆移动状况，敌军位置 等。在军事领域中无线传感器网络的安全性显得尤为重要。 环境监测。大气、地面、水域中的环境监测均可使用到无线传感器网络，在 某些环境恶劣的地方或者人员无法接近的地方，无线传感器网络就能发挥其重要 作用，并且它可以长时间连续监测，获取大量有用的信息资料；此外它也可以用 于气象监测和预报，特别是在现有气象观测手段下很多区域性的天气现象很难预 报，利用无线传感器网络节点数量众多的特点，可以自动的获取大量的气象信息， 经数据终端处理后可以得到更详细的天气预报成果。 医疗领域。利用安装于病人身上的多种传感器可以实时的获得病人的健康状 况，血压、心跳、脉搏、呼吸等体征数据能实时传送回医院监控中心，以便及时 5 电子科技大学硕士学位论文 做出医疗诊断及救助。 外太空探索。目前人类的活动范围基本还局限在地球大气圈以内，在外太空 很难由人类进行直接的长期监测，利用无线传感器网络可以将大量节点布置到外 太空环境中，或者是在其他的星球上，经过连续观测就可以得到大量的原始数据， 为人类进一步探测作好准备。 其他领域。除以上应用外无线传感器网络还可以应用于某些应急场合、大型 设备的监控等。 2 4无线传感器网络的体系结构 2 4 1系统体系结构 无线传感器网络主要由大量随机分布的终端节点n o d e 和汇集节点s i n k 组成， 如图2 - 1 所示，汇集节点既可以由普通的节点经配置而成，也可以在布网前就预先 设定好，节点数量通常很天：分布密度也较高，全体节点构成了监测区域。在监 测区域中各节点采取某种机制采集其范围内的环境数据并由某个汇集节点进行初 步融合处理，然后监测数据通过自组织的多跳路由网络传送至网关节点g a t e ，并通 过串行通信接口等方式传送至网关计算机，接着网关计算机将汇聚来的大量数据 通过一定形式( 如i n t e m e t 、卫星或移动通信网等) 传送至监控中心，由监控中心 对这些数据进行融合、计算和处理，最终形成具有指导意义的监控区域状态信息。 图2 1 无线传感器网络系统体系结构图 6 第二章无线传感器网络基本理论 在无线传感器网络中大量的节点是其重要组成部分，常用的节点硬件结构如 图2 2 【4 】所示节点一般由电源、数据采集单元、数据处理单元和数据收发单元共 四部分组成。 r 一一一一一一fl 上芦一j i r 一一一一一一一 ；哗理驴学j f 一：吵：下 iil l。， l 图2 - 2 无线传感器网络节点结构图 节点电源可以是普通的电池、太阳能电池或其他类型的多种能量来源，但总 体来说这些能量提供源都是有限的、间断的或者不稳定的，所以在节点设计时必 须认真考虑节能措施和能源管理。 数据采集单元负责将环境信息转化为系统可处理的数据信息，它是节点数据 的原始来源。该部分通常包含一个或多个各种类型的传感器和a d 转换器，传感 器的数量和类型选择由具体的应用而决定。 数据处理单元主要进行节点数据的处理、融合和按照既定协议进行装载，并 协调整个节点系统各部分的工作，它是节点的核心控制部分。该部分通常采用通 用微处理器、微控制器或者d s p 等来实现，也可针对应用设计专用处理单元，甚 至直接进行a s i c 设计以实现在满足目标应用的情况下最小化系统结构和成本。 数据收发单元是多个节点构成网络的必需组件，它为网络传输提供物理支撑。 在现有的无线传感器网络中通常使用劈于频无线电、红外线或光进行信息传递。 2 4 2 协议体系结构 在无线传感器网络中，其协议体系结构如图2 3 【5 】所示。从中可以看出其协议 体系通常包含物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层等，但需要指出的 是并不是每个无线传感器网络都需要完整的这些层次，通常会针对应用环境对它 们进行裁减、优化和融合，也就是说无线传感器网络是一个典型的针对应用的嵌 入式网络系统，这是它区别于传统网络的一个重要特点。 7 电子科技大学硕士学位论文 应用支持技术 i 竺苎竺竺竺竺! i 鲫层圆圈； 传输层 i 传输控制 i o _ _ _ _ - o _ _ _ _ _ _ o 一 网络层 i些皇i i r 。1 l 致据蝴层1 2 竺竺l 兰兰翌i i r 。1 。1 l 物骗固固囫： 匝圆 。_ 一 一 能 q 网 移 远 置 拓扑 络 安 动 程 管 管理 0 管全 性 管 控 理 s理 理 制 一 1 分层的网络协议 传感器网络管理 图2 - 3 无线传感器网络协议体系结构图 在无线传感器网络系统中各协议层的主要功能如下： 物理层负责信号的调制解调、数据的发送和接收。该层直接影响到节点的体 积、功耗、处理能力等基本指标，其设计的目标是在满足应用的条件下尽量降低 功耗，减小体积，并最简化硬件结构。 数据链路层包含媒体访问控制和错误控制机制它保证节点间的完整、无误、 可靠的通信，并且在整个网络中使各节点公平、有效的共享通信信道。 网络层主要负责网络的路由生成、选择与维护。 传输层负责数据流的传输控制，用于保障通信质量。 应用层为无线传感器网络提供更加丰富的功能。 下面就数据链路层和网络层作简要介绍。 2 4 2 2数据链路层 2 4 2 2 1 媒体访问控制协议( m a c ) m a c 协议保证在节点闻可靠的通信，并在整个网络中对各个节点进行均衡， 使之公平、有效的共享通信信道。无线传感器网络的特点决定了其设计中能源利 用率是需要首要考虑的问题，因此传统通信网络中的m a c 协议均不太适合于无线 8 第二章无线传感器网络基本理论 传感器网络，当然也不是完全否定现有的m a c 协议，而是可以以现有的m a c 协 议为基础进行改进，目前针对无线传感器网络的大部分m a c 协议也确实如此。文 献【6 】对近期的1 8 种m a c 协议进行了总结并按照3 种方法进行了分类，其得出的 结论是在节能和性能方面，这些协议各有优缺点，没有哪种能同时达到最优化。 由此可以再次看出无线传感器网络是一种针对应用性很强的嵌入式网络系统。 对于m a c 协议的分类是比较难的，大致可以从这几个方面来划分1 6 1 1 7 1 ： 按照物理层使用的信道数可分为单信道、双信道和多信道三种，目前比较常 见的是单信道，因为它可以降低硬件复杂度，降低成本，缩小节点体积，降低节 点功耗； 按节点通知方式可分为侦听、唤醒和调度三种； 按信道接入的组织性可分为固定分配、随机竞争和混合类三种，这种分类方 式是目前最重要也是最主要的一种； 按照第三种分类方法，在文献同中对1 8 种m a c 进行了分类，结果见表2 1 ： 表2 im a c 协议分类 协议发表时间信道数组织性接收节点通知方式 。 s t e m i s 2 0 0 2d a t a + c t r lr a n d o m w a k e u p p r e a m b l es a m p l i n g2 0 0 2 s i n g l e r a n d o m l i s t e n i n g a r i s h a2 0 0 2 s i n g l e f r a m e ss c h e d u l e s ：m a 0 9 l2 0 0 2 s i n g l e s l o t s l i s t e n i n g p c m2 0 0 2 s i n g l e r a n d o m l i s t e n i n g l o wp o w e rl i s t o n i n g 1 q2 0 0 2 s i n g l e r a n d o m l i s t e n i n g s i f t “2 0 0 3 s i n g l e r a n d o m l i s t e n i n g e 】a c s 2 0 0 3 s i n g l e f r a m e s s c h e d u l e ( p e rn o d e ) t - m a c 1 2 12 0 0 3 s i n g l e s l o t s l i s t e n i n g t r a m a 0 3 】2 0 0 3 s i n g l e f r a m e s s c h e d u l e ( p e rn o d e ) w i s em a c 1 4 l 2 0 0 3 s i n g l e r a n d o m l i s t e n i n g b m a c i s i2 0 0 3 s i n g l e r a n d o m l i s t e n i n g i e e e 8 0 2 1 5 4 【1 6 12 0 0 3 s i n g l e f r a m e s s c h e d u l e b m a 1 7 i2 0 0 4 s i n g l e f r a m e ss c h e d u l e m i l l e r2 0 0 4d a t a + t o n er a n d o m w a k e u p + l i s t e n i n g d m a c l l 8 】2 0 0 4 s i n g l e s l o t s l i s t e n i n g s s t d m a2 0 0 4 s i n g l e f r a m e ss c h e d u l e l m a c2 0 0 4 s i n g l e f r a m e s l i s t e n i n g 9 电子科技大学硕士学位论文 2 4 2 2 2 错误控制 数据链路层的另一个作用是错误控制。在无线传感器网络中，目前主要的两 个错误控制方式是前项错误修正( f e c ) 1 9 1 和自动重复请求( a r q ) 刚。综合考 虑多种因素，具有低复杂性编解码的简单错误控制方案可能是无线传感器网络的 最佳解决方案【，并且其中某些功能由硬件来实现会比使用处理器实现更加快捷和 节能。 2 4 2 3 网络层 网络层协议负责网络的路由生成、选择与维护，它需要解决通过局部信息来 决策并优化全局行为的问题。网络层协议的分类通常从网络拓扑结构的角度来考 虑，可以分为：平面路由协议和分级路由协议( 或层次路由协议) 文献 7 】中对常见的几种路由协议进行了比较，结果见表2 2 ： 表2 - 2 无线传感器网络路由协议比较 以数据为提供q o s 协议路由策略最优路径健壮性可扩展性 中心 支持 s p n 一2 ” 按需 是 不是 不好 好不是 d 萨l 按需是是好好不是 h r e e m r 按需是不是 好 好不是 s m e n c e按需不是是好好不是 s a r i ”l 按需不是是好好是 l e a c h f “l 主动 不是 不是 好好 不是 1 e d 一1主动是不是好好不是 p e g a s i s 2 6 主动 不是 不是 好 好不是 y o u n i s 等【2 7 1主动不是是不好好是 经过对现有的一些网络层协议比较，虽然无线传感器网络的路由协议取得很 多进展，但还有很多问题有待迸一步解决，比如在不维护全局信息的前提下如何 节能高效的生成路由，节能与q o s 的平衡问题等。除以上经典的路由协议设计方 法外，近年也出现了很多新的路由协议设计方法，比如利用图论中流量优化的方 法来为采样数据报选择路由；将m a c 层和路由层协议捆绑设计，用跨层优化技术 来进一步节省功耗等【5 】。 2 5无线传感器网络中的关键技术及研究热点 在现有的无线传感器网络中关键技术主要集中于物理层、m a c 层和路由层， 1 0 第二章无线传感器网络基本理论 在系统的体系结构及各层次协议中，主要研究热点有以下几个方面： 协议栈优化及跨层设计。这里的跨层设计主要是指结合无线传感器网络的应 用目标，站在全局考察的角度对各层协议进行简化和优化，并部分的使用下层的 协议来解决上层的一些问题，将各层次进行部分的融合，这样可以进一步简化系 统结构。降低系统功耗。 系统能量管理。该部分将在下一小节详细讨论。 系统时钟同步。在无线传感器网络中由于节点数量大，且通常采用多跳路由 协议，则要实现全网络的时钟同步是一件比较困难的事，但系统时钟同步又有诸 多应用，因此这方面也是一个研究热点，在现有的研究中已经提出了一些时钟同 步方法，但还不完善，我们认为可以根据现有的其他网络体系中的时钟同步机制 来进行改进，最终得到适用于无线传感器网络的时钟同步方法。 节点定位。节点定位是无线传感器网络的一个重要应用，特别是在军事用途 当中。目前常用的方法是利用网络中部分带有g p s 功能的节点作为参照节点首先 完成自身定位，然后其他节点通过收发射频强度及方向对参照节点测距，再利用 成熟的三维空间中的三角测量法完成自身定位。这种定位方法的精度会受到多方 面影响，同时还会造成系统节点的复杂度增加、功耗增加等不利因素，因此更优 化的节点定位方法正在研究之中。 仿真平台的设计与实现。由于目前无线传感器网络的研究还处于初级阶段， 并且它具有很多独特的特点，所以传统的一些网络仿真软件并不一定适用于无线 传感器网络，只能使用它们进行一些初步的算法仿真，并不能完全模拟其工作状 况，因此这方面的研究还急待进行。 数据融合。由于无线传感器网络中节点分布密度大，采集到的原始数据量也 非常大，而对整体网络而言需要关心的是某个区域当前的环境状况，而不是某一 个节点的具体数值，所以各个节点之间的数据必然有冗余，所以考虑节点级的数 据融合以及网络级的分布式数据存储、协作计算等都有利于提高网络整体效率和 寿命，当然在节点级数据融合的时候必须结合融合过程的能量消耗来考虑，否则 可能得不偿失。 网络安全。这是在各类网络中均会涉及到的问题，在军事中运用的无线传感 器网络则更需要仔细考虑和设计，既可以在物理层次对节点及其数据进行保护， 更需要在数据传递过程中避免非法侵入。 1 t 电子科技大学硕士学位论文 在应用层次将无线传感器网络与i p v 6 和r f i d 结合。这几项技术都是目前比 较热点的研究方向，由于无线传感器网络的诸多特点，如果将它和v 6 或者r f i d 结合，将进一步拓展其应用空间。 2 6无线传感器网络的能量管理 从前述的多个方面可以知道，在无线传感器网络中能量管理问题是个根本 的问题，它直接决定了网络的性能和寿命，直接影响其应用领域和范围，因此能 量管理问题是无线传感器网络中急待解决的一个重要问题。在目前无线传感器网 络的能量管理方面有两个主要的研究方向：从外部环境中收集能量和网络本身的 节能措施。简单一句话就是：开源节流。 2 6 1 从外部环境中收集能量 由于传感器节点自带的电源非常有限，因此从外部环境收集能量是延长其有 效工作时间的最佳办法，也是能量管理的一个重要发展方向。在无线传感器网络 中可利用的外部能量有机械能、光能、射频辐射、温度变化、化学能等，目前已 经有技术对前两种能量进行收集并基本达到实用程度。对机械能的收集可以采用 压电材料或其他机电转换器，这种方式获取的电能多少与振动频率大小呈线性关 系，与振动幅度的大小呈指数关系；对光能的收集可以利用耳前技术上较成熟的 光电池，其工作温度越低输出电压越高，光照强度越大电流输出也越大，目前光 电技术的发展已经达到了相当的光电转换效率，若效率进一步提高则其应用前途 将更加广阔。 2 6 2 无线传感器网络自身的节能措施 在无线传感器网络自身的节能措施方面又有两个考虑的方向：从网络整体进 行能量考虑和从节点终端进行能量考虑。 2 6 2 1从网络整体的能量考虑 从网络整体来看，可能单个节点的失效并不会太影响系统整体的效果，因为 w s n 更多关心的是某个监测区域的环境信息，而非某一个节点的小范围环境信息， 因此重要的是考查整个网络区域的能量状况并对不同区域进行能量平衡，目前常 用的方法有m a c 层和网络层的节能措施【2 8 】和网络剩余能量扫描口9