（通信与信息系统专业论文）无线传感器网络节能及功率控制的设计与实现.pdf

中文摘要 摘要：近年来，无线传感器网络( w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ，w s n ) 以其十分重要 的科研价值和实用价值，引起了国内外研究机构和政府组织的广泛关注，被列为 2 1 世纪最有影响的技术之一。在生态环境监测、森林火灾监测等传感器网络的诸 多应用中，节点部署规模大，电池供电能量受限且环境约束等众多因素导致更换 电池非常困难，因此，节能是无线传感器网络设计最为关键的技术之一。此外， 节点密集部署造成数据包碰撞的概率增大，误码率增加，节点间通信效率降低， 影响网络的吞吐量和连通性，因此设计高效优化的无线传感器网络功率控制机制 对保证网络覆盖、降低节点功耗、优化网络性能具有重要意义。 本论文依托于国家自然科学基金项目“可信传感器网络路由交换理论与关键 技术”，设计并实现了无线传感器网络的节能与功率控制方案，有效地延长了无线 传感器网络的生存时间，提高了网络整体性能。 本文首先论述了无线传感器网络节能和功率控制技术的研究背景以及国内外 研究现状，然后在遵循节点协议栈的基础上，考虑无线传感器网络的特点并结合 实际硬件开发环境，设计和实现了节能与功率控制方案。节能部分是在研究节能 方法以及分析传感器节点各模块的能耗基础上，精简器件，运用m c u ( m i c r o c o n t r o l l e r u n i t ) 的分频及休眠来实现单个节点较长时间休眠，并通过一种网络同步 机制，实现整个网络的同步休眠，延长网络的生存时间。功率控制部分是在深入 分析a dh o c 网络与无线传感器网络功率控制机制的基础上，设计了一种借助路由 协议的m a c ( m e d i aa c c e s sc o n t r 0 1 ) 层功率控制机制，该机制根据节点问距离的不 同来确定数据通信的最优发射功率，并建立地址功率映射表，在数据传输时可以 根据下一跳地址来调整自身发射功率。最后，通过搭建实验系统、进行实验数据 测试、分析，验证了节能和功率控制方案的可行性和有效性。 关键词：无线传感器网络；节能；功率控制；同步休眠 分类号：t n 9 1 5 0 4 a bs t r a c t a b s t r a c t ：i nr e c e n ty e a r s ，w i t hi t si m p o r t a n ts c i e n t i f i ca n dp r a c t i c a lv a l u e s ， w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ( w s n ) a t t r a c t e dw i d er a n g ea t t e n t i o no fd o m e s t i ca n df o r e i g n r e s e a r c hi n s t i t u t i o n sa n dg o v e r n m e n to r g a n i z a t i o n s ；i ti sc o n s i d e r e do n eo ft h em o s t i n f l u e n t i a lt e c h n o l o g i e si nt h e21s tc e n t u r y i nm a n ys e n s o rn e t w o r k sa p p l i c a t i o n ss u c h a si nm o n i t o r i n gt h ee c o l o g i c a le n v i r o n m e n ta n df o r e s tf i r e ，n o d e sa r ed e p l o y e di na l a r g es c a l e ，w i t hl i m i t e db a t t e r yp o w e r , w h i l ee n v i r o n m e n t a lc o n s t r a i n t s ，a n d o t h e r f a c t o r sl e a dt ot h er e p l a c e m e n to ft h eb a t t e r yv e r yd i f f i c u l t ，s oe n e r g ye f f i c i e n c yi n w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k si so n eo ft h em o s tc r u c i a lt e c h n o l o g i e s i na d d i t i o n ，d e n s e d i s t r i b u t i o n1 e a dt ot h ei n c r e a s eo fp a c k e tc o l l i s i o n ，b i te r r o rr a t e ，w h i c hr e s u l t si n r e d u c t i o no ft h ec o m m u n i c a t i o n se f f i c i e n c yb e t w e e nn o d e s ，n e t w o r kt h r o u g h p u ta n d c o n n e c t i v i t y , t h e r e f o r e e f f i c i e n tp o w e rc o n t r o lt e c h n o l o g yi nw s ni so fg r e a t s i g n i f i c a n c ei np a r to fe n s u r i n gt h en e t w o r kc o v e r a g e ，r e d u c i n gt h ep o w e rc o n s u m p t i o n o ft h en o d e s ，a n do p t i m i z i n gn e t w o r kp e r f o r m a n c e t h i st h e s i si ss u p p o r t e db yt h en a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o no fc h i n a a n e n e r g y - s a v i n ga n dp o w e rc o n t r o ld e s i g na n di m p l e m e n t a t i o n f o rw i r e l e s ss e n s o r n e t w o r k si sp r o p o s e di nt h i st h e s i s i te x t e n d st h el i f e t i m eo fn e t w o r ka n di m p r o v e s o v e r a l ln e t w o r kp e r f o r m a n c e t h i st h e s i sf i r s td i s c u s s e st h er e s e a r c hb a c k g r o u n da n ds t a t u so fe n e r g ys a v i n ga n d p o w e rc o n t r o lh o m ea n da b r o a d ，i n d i c a t e st h es i g n i f i c a n c e o ft h i st h e s i s ，a n dt h e n f o l l o w i n gt h ep r o t o c o ls t a c ko fn o d e ，t h ee n e r g y - s a v i n ga n dp o w e rc o n t r o lm e c h a n i s m f o rw s na r ed e s i g n e da n di m p l e m e n t e dc o n s i d e r i n gc h a r a c t e r i s t i c so fw s na n dt h e h a r d w a r ed e v e l o p m e n te n v i r o n m e n t w h e nc o n s i d e r i n gt h ee n e r g y - s a v i n gf r a c t i o n ，t h i s t h e s i sb a s e si t ss t u d yo ne n e r g y - s a v i n gm e t h o d sa n da n a l y s i so fe n e r g yc o n s u m p t i o ni n e a c hm o d u l eo ft h es e n s o rn o d e ，t or e d u c eu n w a n t e dd e v i c e sc o n s u m i n ge n e r g y , a n dt o a c h i e v el o n g e rs l e e pt i m e sc o n t r o l l e db ym c uf o re a c hs i n g l en o d e ，a n dt h r o u g h n e t w o r ks y n c h r o n i z a t i o nm e c h a n i s m ，r e a l i z es y n c h r o n o u ss l e e po ft h ee n t i r en e t w o r k i n t h ep o w e rc o n t r o lp a r t ，ap o w e rc o n t r o lm e c h a n i s mi nt h em a cl a y e ri sb u i l tw i t ht h e h e l po fr o u t i n gp r o t o c o l ，b a s e do nd e e pa n a l y s i so f a dh o cn e t w o r ka n dw i r e l e s ss e n s o r n e t w o r k sp o w e rc o n t r o lm e c h a n i s m i tc a l c u l a t e sd i f f e r e n tt r a n s m i t t i n gp o w e ra c c o r d i n g t ot h ed i s t a n c eb e t w e e nn o d e s at a b l ei n c l u d i n go p t i m a lt r a n s m i t t i n gp o w e ra n da d d r e s s o fn o d e si se s t a b l i s h e d t h et r a n s m i t t i n gp o w e rc a nb ea d j u s t e da c c o r d i n gt ot h ea d d r e s s o fn e x th o pi nd a t at r a n s m i s s i o n t h r o u g ht h ea n a l y s i sa n de v a l u a t i o no fe x p e r i m e n t a l d a t a , i tc o n f i r m st h ee n e r g y - s a v i n ga n dp o w e rc o n t r o lm e c h a n i s m sa l ef e a s i b l ea n d e f f e c t i v e f i n a l l y , t h et h e s i ss u m m a r i z e st h ew o r kc o n d u c e d ，g u i d e l i n e sf o rf u t u r e r e s e a r c ha n dw o r kp r o s p e c t s k e y w o r d s ：w s n ；e n e r g y - s a v i n g ；p o w e rc o n t r o l ；s y n c h r o n o u ss l e e p c i 。a s s n 0 ：t n 9 15 0 4 v 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通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， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：许t h 导师签名： 压；陋 签字日期：彻名年f 月经e t签字日期：睥蚕月。 日 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和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他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了谢意。 学位论文作者签名：许广缸 签字日期：勿口9年z 月i4 日 致谢 本论文的工作是在我的导师秦雅娟教授的悉心指导下完成的，秦雅娟教授严 谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢三年来 秦雅娟老师对我的关心和指导。 高德云教授悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给 予了我很大的关心和帮助，在此向高德云老师表示衷心的谢意。 张宏科教授对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意见，在此表示衷 心的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，郜帅老师，牛延超博士、霍宏伟博士、张洪 远硕士、梁玉芬硕士、刘晨曦硕士、邵蒙晋硕士、徐晓羽、杜西塔硕士等同学对 我论文的研究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情，同时非常感 谢实验室项目组的其他同学。 另外也特别感谢我的家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的 学、l k 。 1 绪论 1 1研究背景 近年来，无线传感器网络引起了全世界范围的广泛关注，它综合了传感器技 术、嵌入式计算技术、现代网络及无线通信技术、分布式信息处理技术等，是多 学科高度交叉、新兴前沿的研究领域。w s n 是由部署在监测区域内的大量微型传感 器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织网络系统，其目的是协 作地感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息，并发送给观察者。无线 传感器网络将逻辑上的信息世界与客观上的物理世界融合在一起，改变了人类与 自然界的交互方式【l 。3 1 。 传感器网络具有十分广阔的应用前景，在军事国防、工农业、城市管理、生 物医疗、环境监测、抢险救灾、危险区域远程控制等许多重要领域都有巨大的应 用价值【4 j 。著名的美国商业周刊和m i t 技术评论在预测未来技术发展的报告中将无 线传感器网络列为2 1 世纪最具影响力的2 1 项技术【5 】和改变世界的1 0 大新技术【6 】 之一，根据市场调研公司o n w o d d 公布的一份报告表明，预计到2 0 1 2 年，世界 市场无线传感器网络系统与服务市场总值将迅速升至约4 6 亿美元。 与无线自组织网络( m o b i l ea dh o cn e t w o r k ) 相比除具有分布式、节点自组织 性、拓扑变化、多跳路由等特点外【7 】，还具有节点能力受限、可靠性差、部署规模 大、密度高等特性，从而无线传感器网络不同于传统网络的特点给传感器网络的 设计与实现提出了新的挑战【8 0 1 ：( 1 ) 低能耗，无线传感器网络长期在无人值守 的状态，给传感器节点充电或换电池非常困难。( 2 ) 低成本，传感器网络节点通 信、计算和存储能力有限，要求开发较低资源开销的通信协议。( 3 ) 节点冗余， 通常在检测区域内部署大规模的传感节点来减少不可靠，但冗余的节点造成数据 包碰撞的几率增大，误码率增加，降低节点间通信效率。( 4 ) 协作，节点问需要 交换信息，共同实现对目标、事件进行汇总、处理。 基于上述传感器网络的特点，如何使大规模、低成本、低能耗的无线传感器 网络节点相互协作，从而尽可能延长网络的生存时间，提高网络的整体性能是无 线传感器网络诸多应用迫切需要解决的问题。其中，保证节点能量高效使用和调 整功率优化网络拓扑结构是解决这一问题的主要方法之一。 目前针对无线传感器网络节能技术的研究已经提出了m a c 协议、路由、数据 汇聚等诸多优化机制来减少节点的能量消耗，除此之外在分析节点各个模块能耗 基础上实现节点休眠和网络休眠也是节能的重要措施。功率控制技术在a dh o e 网 络中已经开展了大量的研究工作，并取得了阶段性的研究成果；利用功率控制实 现对无线传感器网络拓扑优化，减少节点数据通信碰撞概率同样是改善网络的性 能f i i 】的重要途径。 i 2国内外研究现状 无线传感器网络作为信息领域的一个全新的方向，同时也是新兴学科与传统 学科进行学术交叉的领域，已经引起了学术界和工业界的广泛关注。 美国大部分知名高校大学都在无线传感器网络方进行研究工作。由美国国防 部( d a r p a ) 资助，加州大学洛杉矶分校( u c l a ) 与罗克韦尔研究中心于1 9 9 6 年合作开展的w i n s ( w i r e l e s si n t e g r a t e dn e t w o r ks e n s o r s ) 研究计划，该计划的目 标是结合信号处理技术、嵌入式计算和无线通信技术，构造大规模、复杂的集成 传感系统【坦一3 1 。另外，麻省理工学院( m i t ) 获得了d a r p a 的支持，在进行极低 功耗的无线传感器网络方面的研究，s p i n ( s e n s o rp r o t o c o l sf o ri n f o r m a t i o nv i a n e g o t i a t i o n ) 协议就是出自m i t 。奥本大学( a u b u r nu n i v e r s i t y ) 也获得d a r p a 支持，从事了大量关于自组织传感器网络方面的研究，并完成了一些实验系统的 研制【l 引；宾汉顿大学( b i n g h a m t o nu n i v e r s i t y ) 计算机系统研究实验室在移动自组 织网络协议、传感器网络系统的应用层设计等方面做了很多研究工作；斯坦福 ( s t a n f o r d ) 大学的无线传感器网络实验室、南加州大学的r e s l ( t h er o b o t i c e m b e d d e ds y s t e m sl a b o r a t o r y ) 实验室、新泽西( n e wj e r s e y ) 州立大学的无线传 感器网络实验室等【i5 - 1 6 】也有在传感器网络方面的研究。 国内的一些科研单位和大学也在开展传感器及传感器网络方面的研究工作， 研究领域包括可信路由交换、节点配置、信息压缩数据融合、安全协议、同步、 传输控制协议、能量优化等，取得不少的成果。例如中国科学院软件研究所，在 理论方面，研究高性能的传感器网络协议以及传感器网络的分布式自治系统关键 技术，在应用方面，设计开发了与m i c a 2 兼容的传感器网络平台。清华大学在m i c a 2 兼容的节点平台上，进行了同步、定位、m a c 协议等方面的理论研究。 2 0 0 5 年1 2 月由北京交通大学下一代互联网研究中心研制的首台具有完全自主 知识产权的新一代传感器网络核心设备微型传感路由器( m s r 6 6 8 0 ) 通过国 家教育部组织的科技成果鉴定。 1 3选题的意义 2 无线传感器网络能够采集、处理和发送环境检测、工业控制、农业生产、军 事等领域所需的标识信息和传感信息，扩展人们的信息获取能力，将物理世界与 通信网络相互融合具有广泛的使用价值和应用前景。在传感器网络诸多应用中， 无线传感器节点规模大，体积小，通常携带十分有限的电池，部署区域环境复杂， 甚至人员无法到达，因此采用人工的方式更换节点电池来补充能源是不现实的【r 7 1 。 只有尽可能延长无线传感器网络的生存时间，才能有更多的实用价值，因此如何 高效使用能量来最大化网络寿命是无线传感器网络应用面临的首要挑战。 在无线传感器网络中采用功率控制技术，主要目的是通过调整节点的信号发 射功率来提高信道的空间复用度，降低发送节点能耗，同时降低对邻近节点的干 扰，提高整个网络的容量。功率控制技术能够有效减少通信中的能量消耗，是延 长传感器网络生命周期的有效手段。此外，功率控制对于网络的拓扑控制与连通 性、吞吐量、消息传递的实时性等系统性能具有显著的影响，并可通过网络层、 m a c 层或跨层协议的设计优化网络性能，为系统服务质量( q u a l i t yo fs e r v i c e , q o s ) 的提升提供有效途径。因此，功率控制技术是无线传感器网络能否成功应用的核 心支撑技术引之一。 因此研究合理有效的节能机制及功率控制机制对于延长节点的寿命、整个无 线传感器网络的生命周期、优化网络的性能具有十分重要的意义。 本文依托国家自然科学基金项目“可信传感器网络路由交换理论与关键技 术 ，重点研究以i e e e 8 0 2 1 5 4 标准作为物理层和介质访问控制层的无线传感器网 络技术，在无线传感器网络的上运用节能与功率控制技术来延长网络运行寿命和 提高网络整体的性能。 1 4主要工作和论文结构 本文的主要做了两部分工作，即在遵循节点协议栈的基础上，考虑无线传感 器网络的特点并结合实际硬件开发环境，设计和实现了节能及功率控制方案。节 能部分是在分析了传感器节点能耗之后，去除冗余器件，运用m c u 的分频及休眠 方式来达到节点较长时间的网络同步休眠。功率控制部分是在c h i p c o nc c 2 4 2 0 芯 片功率可调的基础上，根据一定的机制来确定节点间通信的最小发射功率，并建 立地址功率映射表，这样来进行功率控制。在无线传感器网络中采用功率控制机 制不但能够降低网络能耗，还可以降低对邻近节点的干扰，提高信道的空间复用 度，最终提高整个网络的容量。 本文的结构为： 第一章绪论，综述了研究背景，国内外研究现状以及论文的主要工作。 3 j 匕京交通厶堂亟论室 第二章无线传感器网络体系结构研究，分析无线传感器网络体系结构， 研究网络节点的硬件结构，研究节点的协议栈，为后面的研究与 设计作基础。 第三章无线传感器网络节能的设计与实现，分析传感器节点的能耗，结 合无线传感器网络的特点与结构，设计并实现了一种同步休眠的 节能方法。 第四章无线传感器网络功率控制的设计与实现，探讨目前功率控制的研 究现状，结合微型传感路由协议与c c 2 4 2 0 的特性，设计并实现 了一种无线传感器网络的功率控制方法。 第五章测试与性能分析，通过具体的试验环境，测试节能与功率控制方 案的有效性。 第六章总结与展望，总结全文，对无线传感器网络节能与功率控制提出 改进方向。 4 2 无线传感器网络体系结构 无线传感器网络是一种新型的无线通信网络，由于无线传感节点规模大且资 源受限，因此对网络体系结构、通信协议的设计都有特殊的要求。本章首先介绍 北京交通大学下一代互联网研究中心无线传感器网络平台的整体结构，分析了数 据的采集、传输以及通过其它网络最终传到服务器的过程。然后分析微型传感路 由器( m s r 6 6 8 0 ) 的硬件结构，着重介绍了m c u 与射频芯片等模块。最后介绍 m s r 6 6 8 0 的协议栈，其中对m a c 协议与路由协议进行重点分析。 2 1无线传感器网络结构 无线传感器网络系统结构如图2 1 所示，无线传感器网络系统通常包含传感器 节点，协调者，服务器。大量传感器节点随机部署在监测区域的内部或附近，通 过自组织方式构成网络。 图2 1 无线传感器网络系统结构图 f i g 2 - 1s t r u c t u r eo fw s ns y s t e m 传感器节点监测的数据沿着其它传感器节点逐跳地进行传输，在传输过程中 监测数据可能被多个节点处理，经过多跳后路由到协调者，最后通过互联网或无 线网络达到服务器【3 】。用户通过服务器对传感器网络进行配置和管理。在有互联网 接入的应用场景下，我们可以很方便地通过互联网将数据传到服务器，此时的协 调者是一个以太网网关。在比较偏僻的应用场景下，可以通过现有的无线网络， 5 j 匕塞交通太堂亟i 金塞 j、 如g p r s 、c d m a l x 、卫星网络将数据传到服务器，此时需要增加辅助的数据传 输设备接入这些无线网络。通过这些现有网络可以很大程度拓展无线传感器网络 的应用范围。 2 2微型传感路由器硬件结构 微型传感路由器m s r 6 6 8 0 实现系统功能，主要依靠硬件平台和软件平台两方 面。节点硬件平台主要由传感器模块、处理器模块、无线通信模块和能量供应模 块四部分构成，如图2 2 所示。 ：il。ii f 一，。，、 。 ! _ 器悯h 7 罴ih p i i l i i ：传感器模块 l i处理器模块 i l 无线通信模块 l 一r 一一r 一t e 一 。， i 能量供应模块 ” 图2 2 节点硬件结构图 f i g 2 - 2h a r d w a r es t r u c t u r eo f s e n s o rn o d e 传感器模块是用来采集信息的，主要包括不同类型的传感器以及外围电路， 其中传感器是节点感知外界的“触角。能量供应模块是用来提供能量的，鉴于其 它模块芯片的选择，一般采用3 v 干电池供电。无线通信模块是用来收发无线信号 的。处理器模块是整个节点的控制中心，用来控制协调各模块的工作。本文重点 研究无线通信模块与处理器模块。 1 无线通信模块 无线通信模块负责与其它传感器节点进行无线通信，交换控制消息和收发采 集数据。在m s r 6 6 8 0 无线传感器网络节点中，该模块主要由c h i p c o n 公司于2 0 0 3 年底推出的符合i e e e8 0 2 1 5 4 规范的2 4 g h z 射频芯片实现，节点物理层与m a c 层符合8 0 2 1 5 4 规范【1 9 】。c c 2 4 2 0 具有工作电压低( 2 1 3 6 v 均可工作) 、能耗低、 体积小等非常适合于集成的特剧2 0 1 ，它采用q p s k 调制方式，最大收发波特率 2 5 0 k b s 。芯片管脚图如图2 3 所示。 6 耋l萎萎羹量羹耋笺蓁霎萎 # 莲辫：缓h 黧，薹銎? 警二麓，麓缀i 鬻j 黧，：薹鍪一麟j 黧爨 , t 。o _ r i i , r i i 篆jj鬻嗽 腿o j 糨磊荔 x 蓠鋈二 湘篙：荔篮 o 荔c c 2 4 2 0 ：羹： 刚翟鬻孵 荔纛鼢 豢凄二量 ；焉l鬻疆 嗽鬻篓删 囊鳊。，嬲i 荔赢；赫。燃赫乏豢：赫：锄：蠢番囊拶 纛川董耋嘉 图2 - 3c c 2 4 2 0 芯片管脚 f i g 2 3c c 2 4 2 0p i n s c c 2 4 2 0 使用s f d 、f i f o 、f i f o p 和c c a 四个引脚表示收发数据的状态。 收到物理帧的s f d 字段后，会在s f d 引脚输出高电平，直到接收完该帧。如 果启动了地址辨识，在地址解析失败后，s f d 引脚立即转为输出低电平。 f i f o 和f i f o p 引脚标示接收f i f o 的缓存区的状态。如果接收f i f o 缓存区 有数据，f i f o 引脚输出高电平；如果接收f i f o 缓存区为空，f i f o 引脚输出低电 平。f i f o p 引脚在接收f i f o 缓存区的数据超过某个临界值时或者在c c 2 4 2 0 接收 到一个完整的帧以后输出高电平。临界值可以通过c c 2 4 2 0 的寄存器设置。 c c a 引脚在信道有信号时输出高电平，它只在接收状态下有效。在c c 2 4 2 0 进入接受状态至少8 个符号( s y m b 0 1 ) 周期后，才会在c c a 引脚上输出有状态信息。 2 处理器模块 处理器模块是传感器节点的核心部件，节点的功能实现、任务调度、通信状 态、工作状态、数据处理融合、通信协议、路由协议、应用层协议等都由处理器 模块实现。该模块由a t m e l 公司a v r 系列的a t m e g a l 2 8 处理器芯片来实现。 a t m e g a l 2 8 是a v r 高档m e g a 系列单片机中功能最齐全的单片机，其内部接 口非常丰富 2 1 】。主要性能如下： ( 1 ) 采用先进的r i s c ( r e d u c e di n s t r u c t i o ns e tc o m p u t e r ，精简指令集计算) 结构： 含有1 3 3 条指令，3 2 个8 位通用工作寄存器和外围i o 口控制寄存器，工作 7 在1 6 m h z 时具有1 6 m i p s 的性能； ( 2 ) 芯片内部集成了大量不同类型的存储器：内部含有1 2 8 k b 的f l a s h 程序存储 器，其擦写次数超过1 0 0 0 0 次，支持在系统编程( i s p ) 和在应用编程( 认p ) 。 含有4 k b 的e e p r o m ，擦写次数超过1 0 万次。含有4 k b 的内部s r a m ， 支持最大6 4 k b 的外部存储器扩展； ( 3 )i o 口：芯片含有5 3 个可编程的i 0 口，可任意定义i o 口的输入输出方向； ( 4 ) 特殊的微控制器性能：外部和内部共有1 8 个中断源，6 种休眠模式，内部集 成了可选择频率( 1 2 4 8 m h z ) 、可校准的r c 振荡器； ( 5 ) 外围性能：8 通道的l o 位a d 转换，2 个带预分频8 位定时器计数器，2 个 带预分频器，具有比较和捕获模式的1 6 位定时器计数器。1 个具有独立振荡 器的异步实时时钟( i 玎c ) 。2 个8 位p w m 通道，2 个增强型的可编程串行 u s a r t 接口，含有片内r c 振荡器的可编程看门狗定时器； ( 6 ) j t a g 接口( 兼容i e e e l l 4 9 1 标准) ：支持在线仿真调试； a t m e g a l 2 8 与c c 2 4 2 0 间通过s p i 通信【2 2 1 ，如图2 4 所示。c c 2 4 2 0 有4 个s p i 通信接口：c s n 、s i 、s o 、s c l k ，刚好对应a t m e g a l 2 8 的4 个s p i 通信接口：s s 、 m o s i 、m i s o 、s c l k 。通过这4 条线，处理器可以对c c 2 4 2 0 进行写入或读取配 置信息，也可以收发数据。 l o lf 球o 。+、m f l f o p - 1 0 2 c c a l c ps f d 。， s sc s n m o s is i、。， 。 m i s os 0 s c l ks c l k a t m e g a 12 8c c 2 4 2 0 图2 _ 4c c 2 4 2 0 与微处理器连接图 f i g 2 _ 4c o n n e c t i n gs t r u c t u r eo fc c 2 4 2 0a n dm c u 如图2 5 所示是项目组自行研制的m s r 6 6 8 0 无线传感器网络节点。 8 图2 - 5 节点实物图 f i g 2 5f i g u r eo f n o d e 2 3无线传感器网络节点协议栈 2 3 1 微型传感路由器协议栈体系 传感器网络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。从网络功能上看，每个传感器节点兼顾传统网络的节点的终 端和路由器双重功能，除了进行本地信息收集和数据采集外，还要对其它节点的 数据进行转发。 数据数据网络时间传输服务 采集融合 定位跟踪 管理 同步控制 发现 i p v 6 基本协议栈 m s r p 路由协议 适配层 i e e e 8 0 2 15 4m a c 层 i e e e 8 0 2 15 4 物理层 图2 - 6 节点协议栈体系结构 f i g 2 - 6p r o t o c o ls t a c ko fs e n s o rn o d e 9 图2 - 6 所示为微型传感路由器m s r 6 6 8 0 的协议栈，该协议由下至上分别包括 物理层、数据链路层、适配层、网络层和应用层。 _ 物理层：采用i e e e8 0 2 1 5 4 物理层标准，定义了物理无线信道和数据链路层 之间的接眦物理层采用o q p s k 的调制方式，将差分编码数据调制到2 4 g h z 的频段上；支持数据和物理层管理实体两种服务接入点( s e r v i c ea c c e s sp o i n t ， s a p ) 负责为数据链路层提供物理层数据服务和物理管理服务。 _ 数据链路层：采用i e e e8 0 2 1 5 4 介质接入控制( m a c ) 标准，划分为m a c 子层和链路控制子层( l o g i c a ll i n kc o n t r o l ，l l c ) 子层。m a c 子层提供两种 服务：m a c 层数据服务和m a c 层管理服务，通过对应的s a p ，分别保证m a c 协议数据正常收发和维护m a c 状态信息库；l l c 子层通过特定服务聚合子层 ( s e r v i c es p e c i f i cc o n v e r g e n c es u b l a y e r , s s c s ) 为上层提供链路层的服务。 一 适配层：根据6 l o w p a n 工作组针对低速无线个域网络架构i p v 6 协议提出的工 作组草案，构建适配层，提供i p v 6 微型协议栈和i p v 6 低速无线个域网路由协 议的处理接口，完成对i p v 6 数据包封装、分片、重组以及路由数据包的处理。 _ 网络层：由i p v 6 微型协议栈和无线传感器网络路由协议组成，i p v 6 微型协议 栈负责i p v 6 数据封装和解析，实现与现有t c p i p v 6 协议体系的网络进行端对 端通信；无线传感器网络路由协议用来维护星形和网状拓扑，为无线传感器网 络节点之间建立多跳路由。 一 应用层：为无线传感器网络提供各种应用程序服务的集合，主要支持网络管理 和服务发现。网络管理通过特定的管理实体接口对传感器网络节点进行网元管 理和网络监控。服务发现技术通过对服务的描述和通告为用户提供有效的网络 功能信息，网络用户通过服务的查询和匹配实现对网络资源的优化。 本文中所做工作涉及的协议主要是节点i e e e8 0 2 1 5 4 m a c 层规范以及路由 协议。 2 3 2i e e e 8 0 2 15 4 m a c 层规范 m a c 层提供两种服务：m a c 层数据服务和m a c 层管理服务( m a cs u b l a y e r m a n a g e m e n te n t i t y ，m l m e ) 。前者保证m a c 协议数据单元在物理层数据服务中的 正确收发，后者维护一个存储m a c 子层协议状态相关信息的数据库【1 3 】。 ( 1 ) m a c 层帧结构 i e e e8 0 2 1 5 4 规定m a c 帧格式如图2 7 所示。m a c 帧由三个基本部分组成： 1 ) m h r ( m a ch e a d e r ，m a c 帧头) ，包括帧控制信息、帧序列号和地址信 息。 l o 2 ) m a cp a y l o a d ( m a c 净荷) 长度不定，包括帧的具体信息，确认型帧 ( a c k n o w l e d g e m e n tf r a m e ) 不含此字段。 3 ) m f r ( m a cf o o t e r ，m a c 帧尾) ，包含f c s 。 一t 前：和，；，fr f 母t j 拼 獭鹾长，一| 1 ：7 一o 趁：。彰到8 “i | 0 2 j 。纛嬲骖二， v a r i a b l e：翻 钕一4 ! ：w 一舞毖绂缵臻嚣彩o ， d e s t i n a t i o n s o u r c e f r a m e s e q u e n c e p a n d e s t i n a t i o ns o u r c e i d e n t i f i e r a d d r e s s p a n g o n t r o ln u m b e r i d e n t i f i e r a d d r e s s f r a m e f c s p a y l o a d 黧一。“+ j f i a d d r e s s i n gf i e l d s “? j 一。4 一? 一? ? 鼍 够i ”j 。_ 毋_ 鼍4 7 ， 。“ 一i = ”m e ? 。，。学嬲鬻搿篓张燃 墓“， m h r ， 。 ? “7 m a c m f r 髫 p a y l o a d 貔。磁；蕊黝施：玺彩：瓤磊彩戮施；缀施。女蹴# z 纛兹：女兹叛荔黝幺缓i 女赫黛蠹：；荔纛籀锄么滋 图2 - 7 m a c 一般帧格式 f i g 2 - 7g e n e r a lm a c f l a m ef o r m a t 下面分别说明图中各字段值： 一f r a m ec o n t r o l ( 帧控制) ：定义帧类型、地址字段和其它控制标记 _ s e q u e n c en u m b e r ( 序列号) ：唯一标识帧的序列号 一d e s t i n a t i o np a ni d e n t i f i e r ( 目的p a ni d ) ：1 6 位，表示该帧的目的节点 的网络号 一d e s t i n a t i o na d d r e s s ( 目的地址) ：16 位短地址或者6 4 位扩展地址 s o u r c ep a ni d e n t i f i e r ( 源p a ni d ) ：1 6 位，表示该帧的源节点的网络 号 _ s o u r c ea d d r e s s ( 源地址) ：1 6 位短地址或者6 4 位扩展地址 一f r a m ep a y l o a d ( 帧载荷) ：长度不定，不同类型的帧内容不同 f c s ：1 6 位的i t u tc r c ，根据m h r 和m a cp a y l o a d 计算校验和。 i e e e8 0 2 1 5 4 定义了四种帧格式：b e a c o n ( 信标) 帧、数据帧、确认帧和m a c 命令帧，其帧控制字段的帧类型值分别为b c n 、d a t a 、a c k 、c m d 。b e a c o n 帧 的主要功能是在网络中的同步作用；数据帧用来传输数据；确认帧用来对命令进 行确认回复；m a c 命令帧用来表示m a c 层的各种命令。 ( 2 ) 数据传输模型 在网络中存在三种数据传输方式：节点发送数据给协调者、协调者发送数据 给节点、节点问的数据传输。有两种通信模式：信标使能通信和信标不使能通信。 我们的系统中使用的是信标不使能的模式。在信标不使能的模式下，节点发送数 据给协调者如图2 8 ( a ) 所示，协调者发送数据给节点如图2 8 ( b ) 所示，节点 间数据传输如图2 8 ( c ) 所示。 ab 图2 - 8m a c 层数据传输模型 f i g 2 - 8m o d e l so fm a cf r a m e st r a n s m i s s i o n s 2 3 3微型传感路由协议m s r p c 在系统中，传感器网络的路由协议是微型传感路由协议m s r p ( m i c r os e n s o r r o u t e rp r o t o c 0 1 ) 。m s r p 的提出基于a o d v 的设计思想，可以在无线传感器网络中 i e e e8 0 2 1 5 4 节点之间建立和维护多跳路由1 2 3 】。 m s r p 路由协议工作在适配层之上，如图2 - 9 所示。为了减少存储表项以及发 送和接收报文的大小，m s r p 使用i e e e8 0 2 1 5 4 定义的6 4 比特接口标识符，即 6 4 位扩展地址，而不是i p v 6 地址进行路由过程，i p v 6 地址根据地址映射规则，由 唯一的i e e e8 0 2 15 4 定义的6 4 比特接口标识符进行确定。因此i p v 6 微型协议栈 可以根据m s r p 建立的路由进行数据传输。 图2 - 9 无线传感器传感路由协议模型 f i g 2 9m o d e lo f r o u t e rp r o t o c o l 由于系统资源非常有限，设计精简有效的路由协议报文格式是十分重要的。 1 2 我们结合传感器网络的特点，设计的m s r p 路由协议的报文类型包括 m s r p _ r r e q 、m s r p r r e p 和m s r p r e r r 三种，报文类型的大小分别为2 2 字 节、2 l 字节和1 + 2 n 字节( n 为“不可达地址数目 的数值) ，从