（通信与信息系统专业论文）宽带短距离无线接入系统传感网络的设计与实现.pdf

摘要 本课题是江苏省高技术研究项目“宽带短距离无线接入技术研究( b g 2 0 0 5 0 0 1 ) ”和江苏省科技 攻关计划项目“基于多网融合技术的接入设备及其终端产品( b e 2 0 0 4 0 0 8 ) ”的研究内容之一论文 根据宽带短距离无线接入网关的总体设计方案设计并实现了基于z i g b e e 技术的传感网络接入网 关的功能模块，目前传感网络接入i n t e r a c t 的温度数据采集功能已测试通过。此外，论文还依照宽 带短距离无线接入系统的应用场景和功能要求，参与搭建了多种通信模块接入网关的实验验证系 统。并对宽带短距离无线接入系统中支持z i g b 设备及其白组织传感网络接入i n t e r n e t 的功能模 块进行了功能测试与性能分析。同时，为了更好地实现无线网络接入有线网络的路由功能，论文 还对基于自治系统层面的i n t e r a c t 网络统计测量问题进行了研究，为无线与有线通信融合的路由功 能实现提供导向性统计数据。 全文共分六章。第一章概括介绍了课题背景、课题内容以及本论文的各章节概要。第二章根 据特定的异构网络融合应用场景和功能要求，提出了宽带短距离无线接入系统平台总体设计方案 重点设计了z i 【g b 传感网络接入l a t e r a e t 的总体方案第三章详细介绍了z i i g b 主控节点作为独 立通信模块接入i n t e m e t 的具体实现工作第四章详细介绍了z i 邸自组织传感网络接入i n t e r i m 的具体实现，探讨了实现过程中遇到的问题和解决办法，给出了解决短距离无线接入冲突问题的 具体方案。第五章对z i g b 传感网络通过网关接入i n t e m e t 的功能进行了测试分析了网关处理 无线模块接入请求的性能。第六章在研究自组织网络的路由特性的基础上，指出研究有线网络的 路由状况可以为无线网络的路由方案设计奠定基础，井对a s 级i n t e m e ! t 网络的路由发展状况进行 了研究和统计，以研究中国i n t e r d c t 传统m 网络的路由为例，分析了中国a s 级网络拓扑结构的特 点及路由数据流向的变化趋势，为无线网络接入传统口网络的路由方案设计提供了指导性信息 关键词：宽带短距离接入技术，嵌入式网关，z i g b ，传感网络，主控节点，a s ，b g p a b s t r a c t 1 1 艟r e s e a r c hp r o j e e to ft h i st h e s i si si n e l u d e di nt h ep r o j e c t so ft h eh i g ht e c h n o l o g yr e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n tp r o g r a ma n dt e c h n o l o g yb r a i r m t o r mp r o g r a mo fj i a n g s up r o v i n c e ，w h i c ha r et e r m da s r e s e a r c ho fs h o r td i s t a n c eb r o a d b e n dw h 霉l e s sa c c e s st e c h n o l o g i e s ( b g 2 0 0 5 0 0 1 1a n dd e v e l o p m e n to f a c c a o s sa n dt e r m i n a lp r o d u c t sb a s e do nt h ea c r o s s - m u l t i - n e t w o r k1 b c h n o l o g y ( b e 2 0 0 4 0 0 8 ) r e s p e c t i v e l y t h i st h e s i si sb a s e du p o nt h eo v e r a l ld e s i g n i n gs c h e m eo ft h eg a t e w a yd e v i c ef o rr e a l i z i n gb r o a d b a n d w i r e l e s sa c c e s so v e rs h o r tr a n g ea n dp r o p o s e sa v a i l a b l ed e s i g np l a n sf o rz i g b e e o , n s o rn e t w o r k a c s s i n g i n t o t h e g a t e w a y a n d r e a l i z e s r e l e v a n t f u n c t i o n a l m o d u l e s a t p r e s e n t , t h e f u n c t i o no f s i n k n o d e 瓠：c c s s m gi n t oi n t e r n e th a sa l r e a d yb e e nt e s t e ds u c c 4 0 s s f u l l y a d d i t i o u a l l y , t h i st h e s i sc a r r i e so u ti n 如t h 螂e a r c ho nt h es p e c i f i ca p p l i c a t i o ns c e n a r i oa n de s t a b l i s h e st h ee x p e r i m e n t a ls y t e mf o rt e s t i f y i n g m u l t i p l ec o m m u n i c a t i o nm o d u l e s s c e e s s m gi n t od i f f e r e n tn e t w o r k s s p e c i f i c a l l y , t h i st h e s i sa n a l y s e st h e p e r f o r m a n e eo ft h eg a t e w a y ss u p p o s i n gz i g b e ed e v i c ea n dr e l a t e da dh o es e i 强o fn e t w o r k i nt h e m e a n t i m e t h i st i l e s i si n t r o d u c e st h ei m p l e m e n t a t i o na n dr e s u l t so f s o m ep r e l i m i n a r yr e s e a r c ho na s 1 e v e l i n t e r n e t s u c hi n t c m e tm e a s u r e m e n tw o r ka i i n st op r o v i d er e f e r e n c ei n f o r m a t i o nt oh i 砖b e t t e r r e a l i z a t i o uo f m u t i n gi n t e g r a t i o nb e t w c 锄w i r e l e s sn e t w o r ka n dt r a d i t i o n a lc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k t h i st h e s i si sd i v i d e di n t of i v ec h a p t e na sf o l l o w s i nd i 叩t e rl ，b r i e fi n t r o d u c t i o ni sg i v e nt ot h eb a c k g r o u n da n di m p l i c a t i o no ft h er e s e a r c h a s s i g n m e n ta n dp r e s e n t st h es t r u c t u r eo f t h i st h e s i s i nc h a p t e r2 t h eg a t e w a yd e v i e ef o rr e a l i z i n gb r o a d b a n dw i r e l e s sa c c e s so v e rs h o r tr m a g ei s p r e s e n t e di nt h ef o m ao ft h eo v e r a l ld e s i g n i n gs c h e l l * a n da na v a i l a b l ed e s i g np l a nf o rz i g s e es c l h o r n e t w o r ka c c e s s i n gm t ot h eg a t e w a yi sp r o p o s e d i nc h a p t e r3 ，t h ef o c u si st a r g e t e da td e s i g n i n ga n di m p l e m e n t i n gs i n kn o d e ，t h ek e yc o m p o n e n tt o r e a l i z et h ea c e e s so f s e n s o rn e t w o r ki n t oi n t e m e t i na d d i t i o nt oi n t r o d u c i n gt h ed e s i g n i n ga n dd e v e l o p i n g p r o c e s s e so fr e l e v a n th a r d w a r ea n ds o f t w a r ep l a t f o r m s t h em a l i z a t i o no fd a t at r a n s m i s s i o nf u n c t i o ni s p a i ds i g n i f i c a n ta t t e n t i o nt ow h e nd o i n gr e s e a r c ho i lz i g b e em o d u l ea c c e s s i n gi n t oi n t e m e t i nc h a p t e r4 。t h ei m p l e m e n t a t i o nw o r ko fs e n s o rn e t w o r ka c c e s s i n gj n t oi n t e m e ti sd i s c u s s e d ， s p e c i f i c a h yd e s c r i b i n gt h ed e s i g na n dd e v e l o p m e n tp r o c e s so v e rb o t hh a r d w a r ea n ds o f t w a r ec o n t e x t s i n c o n c l u s i o n , t h ea v a i l a b l es o l u t i o n st om u l t i l l ew i r e l e s sa c c e s sc o l l s i o ui nt h ec a s eo fs e n s o fn e t w o r k sa l e d i s c u s s e d i nc h a p t e r5 t h et e s t i f y i n ga n dp e r f o r m a n c e - e n a l y s i sw o r ki sd e l v e di n t o a no v e r a l le x p e r i m e n t a l s y s t e mi se s t a b l i s h e df o rr e a l i z i n gm u l t i a c c e s sg a t e w a ye n dt h ef u n c t i o no fz i g b s e n s o rn e t w o r k a c c e s s i n gi n t oi n t e m e tt h r o u g ht h eg a t e w a yi ss p e c i f i c a l l yt e s t e d b e s i d e s ，t h ep e r f o r m a n c eo ft h e g a t e w a yh a n d l i n gs i m u l t a n e o u sa c 2 e s sr e q u e s t sf r o mm u l h p l ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nm o d u l e si sa l s o d i s c u s s e d i nc h a p t e r6 c o m p a r a t i v ea n a l y s i so nm u t i n gf e a u i r 目o fd i f f e r e n ta dh n e t w o r k si sf i r s t l yc a r r i e d o u ts oa st oi n d i c a t et h a tt h es t u d yo fr o u t i n g - r e l e v a n ta s p e c t si nm a t u r en e t w o r k ss u c ha st r a d i t i o n a li p n e t w o r k p r o v i d es t i m u l u st ot h ed e v e l o p m e n to fw i r e l e s sm u t i n g t h e l lt h er e s e a r c hw o r ko n a s 1 e v e ln e t w o r ks t a t i s t i c sa n dm e a s u r e m e n ti sm t r o d u c a d t a k i n ga sa ne x a m p l et h er o u t i f i g d e v e l o p m e n to fc h i n a sn a t i o n w i d ei n t e r n e t , t h er e l e v a n ts t a t i s t i c a lr e s u l t sp r o v i d es i g n i f i c a n tg u i d a n c e f o rt m p r o v i n gm u t i n gs c h e m eo f i n t e g r a t i n gw i r e l e s sa n dt r a d i t i o n a li pn e t w o r k s k e y w o r d s - b r o a d b a n dw i r e l e s sa c c e s st e c l m o l o g i o v e rs h o r tr a n g e ，e m b e d d e dg a t e w a y , z i g b e e s e n s o r n e t w o r k ，s i n k n o d e a s ，b g p 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，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，也不包含为获得东南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己在论文中作了明确 的说明并表示了谢意。 研究生签名： 色l 也日期：塑芝y 矿 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文 的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档 的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借 阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东 南大学研究生院办理。 研究生躲避导师躲崩婶：浏舭 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题的背景意义 伴随着无线通信技术以及计算机、嵌入式技术日新月异的成长壮大，嵌入式的无线通信和无 线网络正迅速地向人类生活的各个领域不断扩展。以无线片上系统( s y s t e mo nc h i p 。s o c ) 为核心 的低功耗、小体积、低价格的嵌入式无线通信技术和无线网络系统近年来得到了迅速发展，已经 开拓出前景广阔的新市场目前，移动通信网、无线局域网( w i r e l e s s l o c a l a r e a n e t w o r k ，w l a n ) 、 无线个域网( w i r e l e s sp e r s o n a la r e an e t w o r k ，w p a n ) 等无线网络都已实现了接入因特网功能 旨在提供动态灵活的网络接入，为用户展现“随时在线”的无线社会前景 在各种无线网络中，无线个域同( w a n ) 的发展引入关注，它是个性化通信理念发展的产 物。如今，无线个域网已凭借其广阔的应用前景而成为世人瞩目的通信新热点，该类网络以个人 为通信中心将周围所有电子电器设备组成一个自组织的网络，满足个人随时随地通信的需要 无线个域网的蓬勃成长，与如今商业界普遍推崇的发展理念不谋而合e - c o m m e r o nd e m a n d ( 个性化商业) 通信的最终目标就是要在努力满足全体通信用户基本通信需求 ( t c l c o m m u n i c a t i o i l sf o ra 1 1 ) 的同时，从不同层面满足用户个性化通信的需求( t e l e c o m m u n i c a t i o n s 0 1 1d e m a n d ) 因此，针对宽带短距离无线接入关键技术所进行的研究和开发工作。对通信应用的 发展具有十分重要的指导意义 目n - p c f a n 的主要技术有蓝牙( b l u e t o o t h ) 、z i g b e e 等。z i g b e e i x 是一组基于正e e 批准通过的 8 0 2 1 5 4 无线标准研发的有关组网、安全和应用软件方面的技术标准，在8 0 2 1 5 4 标准的基础上。 对其网络层协议和应用程序接口( a p p l i c a t i o np r o g r a mi n t e r f a c e ，a p i ) 进行了标准化z i g b e e 技术 主要应用于短距离通信以及数据传输速率不高的各种电子设备之间，所以非常适用于家电和小型 电子设备的无线控制指令传输。其低成本、低功耗、低传输率、高安全性的特点，可以很好地支 持自动化控制。其典型的传输数据类型有周期性数据( 如传感器) 、间歇性数据( 如照明控制) 和 重复低反应时间数据( 如鼠标) 其目标功能是自动化控制。它采用跳频技术，使用的频段分别为 2 4 g h z ( i s m ) 、8 6 8 m h z ( 欧洲) 及9 1 5 m h z ( 美国) ，而且均为免执照频段有效覆盖范围为1 0 - 7 5 m 当网络速率降低到2 8 k b s 时，传输范围甚至可以扩大到1 3 4 m ，具有更高的可靠性。 z i g b e e 技术具有先天的优势，它与蓝牙或8 0 2 1 1 b 同属短距离无线通信技术，但与蓝牙技术相 比，低功耗是其与蓝牙技术的关键性区别。从更广的意义上看，z i g b e e 无线传感器网络具有功耗 低、性价比高、放置灵活、扩展简便，可以有移动节点的特点，可广泛应用于支持开发家用监视、 自动化、控制应用、工业以及与环境相关的无线传感器网络产品 作为网络互联设备之一的网关4 】不仅可以用于运行不同通信体系结构的网络互联，还可以和运 行不同应用级协议的网络节点互联，因此是研究和实现现行成熟网络与无线接入网互联的重要切 入点本文将研究可移动设备通过网关接入多种异构网络( 包括互联嚼、蜂窝网、公用电话交换 网等) 的具体实现，并重点讨论传感网络接入互联网的实现方案，解决z i g b c c 无线终端设备及其 自组织网络接入互联网进行数据传输的控制问题 网络的统计测量工作主要包括建立网络拓扑模型和监测网络数据流量。网络的拓扑结构是网 络通信协议和算法设计的基础有助于建立网络仿真环境，可以更好地预测网络行为，为网络安 全特性和抗攻击能力的研究提供科学指导此外，对网络宏观特征的研究也可以优化网络应用， 对有线和无线网络的未来发展都具有十分重要的现实意义本文在研究以无线传感网络为代表的 东南大学硕士学位论文 a dh o c l 网络接入现行有线网络的路由方案的同时，还研究t i n t e m e t m 络统计测量工作的现状，分 析了中国a s 级网络拓扑结构的特点及发展趋势，为今后进一步探索高效可靠安全的传感网络路由 方案提供指导依据m 1 2 论文的主要内容以及各章节概要 本论文参与设计并实现了以实现异构网络融合为最终应用目标的关键设备嵌入式网关的 z i g b e e 模块接入功能探讨了在异构网络融合环境下传感网络的具体实现方案，在以嵌入式处理 器a t g i r m 9 2 0 0 为核心的硬件平台和嵌入式l i n u x 操作系统a r m l i n u x 所构建的软件平台的基础之 上，实现了网关中的z i g b e e 无线通信模块及其构成的自组织传感网络接入i n t e m e t 的数据传输与控 制功能，井给出了无线接入冲突问题的解决方案，最后搭建了基于嵌入式网关的异构网络融合实 验系统，进行了功能测试和性能分析，初步实现了基于z i g b e e 技术的传感器网络和i n t e m e t 的融合。 此外。在对比分析了以无线传感器网络为代表的三类a dh o c 网络路由特性的基础上，本论文指出 无线路由解决方案可以通过合理借鉴现有的有线路由协议以实现自身的完善，为此，本文在i n t e m e t 网络统计测量领域进行了初步的理论研究和数据统计，以中国i n t e r n e t 网络发展状况为例，从a s 层 面分析了传统口网络的拓扑结构和路由数据流向的特点，并结合目前的工作，探讨了网络路由测 量统计的未来研究方向 本文共分六章各章的主要内容如下： 第一章绪论主要介绍课题的背景情况以及论文各章节概要。 第二章宽带短距无线接入系统的总体设计方案。本章首先简要介绍了本文需要满足的特定的 异构网络融合应用场景和功能要求，在此基础上提出了宽带短距离无线接入网关平台的总体设计 方案；从本文达成的主要工作目标出发，给出了实现z i g b e e 传感网络接入i n t e m e t 的设计方案。 第三章嵌入式冈关中z i g b e e 独立通信模块接) k i n t e m e t 功能的具体实现本章设计并实现了 z i g b e e 无线通信模块接入i n t e m e t 的数据传输和控制功能，此外，本章还探讨了实现过程中遇到的 问题和解决办法 第四章嵌入式网关中z i g b 自组织传感网络接入i n t e m e t 功能的具体实现。本章将第三章中实 现的独立无线通信模块设定为传感网络中的主控节点，规划了传感网络节点的通信流程和数据传 输帧基本格式，实现了z i g b e e 自组织传感网络接入i n t e m e t 的数据通信功能。此外，本章还给出了 传感网络中解决短距离无线接入冲突问题的具体方案 第五章网关的传感网络接入功能测试与性能分析。本章搭建了基于嵌入式网关的异构网络融 合实验系统，测试7 z i g b 传感网络通过网关接入i n t e r n e t 的功能，并对网关处理z i g b e e 无线模块 接入请求的性能表现进行了分析。 第六章无线与有线网络的路由统计研究。在研究自组织网络的路由特性的基础上，指出研究 有线网络的路由状况可以为无线网络的路由方案设计奠定基础，并对a s 级i n t e r n e t 网络的路由发展 状况进行了研究和统计，以研究中国i n t e m e t 传统网络的路由为例，分析了中国a s 级网络拓扑结 构的特点以及路由数据流向的变化趋势，为无线网络接入传统疋网络的路由方案设计提供导向性 统计数据 2 第二章宽带短距无线接入系统设计方案 第二章宽带短距无线接入系统设计方案 本章根据融合w p a n ，w l a n 和移动通信蜂窝网且具有i n t c _ e t 接入功能的异构网络融合方案， 介绍了其中关键设备一宽带短距离无线接入网关的总体方案的设计并从本文的主要工作目标 和相关设计要求出发制订了z i g b 传感网络通过网关接* i n t e t 的总体设计方案。 2 1 宽带短距离无线接入网关的总体设计要求 网络中有两种类型的网关【2 】第一类网关又名协议转换器，负责实现两种完全不同的协议体系 的相互转换。第二类是用来将专用网络连接到公共网络( 典型的公共网络如i n t c m t ) 的路由器 有多少种通信体系结构和应用级协议的组合。就可能有多少种网关网关的工作范围可能会涉及 到开放式系统互联( o p e ns y s t e mh t e i m 删o n o s i ) 模型的全部七层，因此比其他连接方法效 率低，被用于h l t e f t l c t 连接的路由器也被认为是远程网关实际上，它们提供了从专用网络到i n t 黜t 的。外部网关”例如调制解调器网关允许多个远程异步终端通过调制解调器接入网络 在实现异构无线网络如w p a n 、w l a n 和g p k s 的融合且具有i n t o - n e t 接入功能的异构网络 融合方案中，其中的关键设备就是网关本文的网关平台结合了无线接入、组网、路由和协议转 换等主要功能，既是w p a n 、w l a n 中的接入点，也是g p k s 网络的一个终端设备；既要运行蓝 牙协议，同时也要运行口协议等 基于嵌入式网关的应用场景示意图如图2 1 所示，其中w ia n 中的设备通过网关接入g p i l s 和i n t e m c t ，并通过网关实现与w p a n 中设备的互联；w p a n 中包括了蓝牙和z i g b 设备，蓝牙 和z i g b e e 的组网采取星形网方式，w p a n 中设备同样通过网关接入g p k s 和h 哪c t ，并实现与 w l a n 中设备的互联。系统中的所有设备统一采用i p 寻址的方式 图2 1 基于嵌入式网关的应用场景示意图 2 2宽带短距离无线接入网关的总体设计方案 考虑到网关的结构复杂性和功能多样性本项目选用嵌入式设备来构建该网关的简化设计 网关通过直接接入的方式与i n t e r a c t 互联。网关的原理框图如图2 2 所示，由三部分构成：网关控 制模块、外网接口模块和终端接入接口模块本文主要实现的是阴影部分的数据传输控制功能 东南大学硕士学位论文 终端接入接口 同关控制模块 外网接口模块 甲甲 b l u e t o o t h 陪 h u a r t l = 浏p 洲接口l i e e e s 0 2 l i 除m c p u 刮o f r s 接l r z 一曲陪 h l 一 刮以太同接口i 卤酋函由 图2 2 基于异构网络融合方案的嵌入式网关原理框图 网关控制模块为核心部分用于控制终端接入外网完成各种协议问的转换和数据包的路由 转发，同时需要监控和协调系统中各接口模块之间的工作还应支持多种接入方式之间的无缝切 换，这需要性能较为强大的嵌入式微处理器 终端接入接口模块用于实现不同通信终端的接入，由于需要融合蓝牙、z i g b e e 所构成的w p a n 和i e e e s 0 2 1 l b 所构成的w l a n ，因此提供三种终端接入的方式。即蓝牙、z i g b e e 和i e e e 8 0 2 1 i b 。 其中，z i g b e e 接入点负责z i g b e ew p a n 的组网和网络中设各的接入，通常z i g b e e 组成的w p a n 用于低速率的数据传输，z i g b e e 模块可通过串口与网关控制模块连接 外网接口模块中，为了提供g p r s 和i n t e m e t 两种接入方式，配置有能够接入g p r s 网络的无 线m o d e m 和接入i n t e m e t 的以太网卡 2 2 1 嵌入式网关硬件设计方案 嵌入式网关的硬件系统框图如图2 3 所示。整个网关分为终端接入接口模块、嵌入式网关控制 模块和外网接口模块三部分。其中串口l 用于系统调试时的标准输入输出；终端接入接口模块中 蓝牙收发模块通过串口2 与网关相连接；z i g b e e 收发模块通过串口3 与网关相连接；i e e e s 0 2 1 l b 无线网卡通过u s b 接口与网关相连接：外网接口模块中g p r s 无线m o d e m 通过串口4 与网关相 连接 图2 3 嵌入式网关的硬件系统框图 4 第二章宽带短距无线接入系统设计方案 2 2 2 嵌入式网关软件设计方案 本设计引入了嵌入式l i n u x 操作系t 亮, a r m l i n u x 并在此基础上进行设备驱动与应用软件的开 发整个系统的软件框图如图2 4 所示 f e 辨曩葺毫蕾拉a 直月辨 l a ”r 3 a - 月 p n v a t e d a t a * s s i z e _ t ( k e r n e lw r i t e ) ( c o n s tc h a r * b u f f e r ，s i z e _ tl e n g t l i ，i n tb u f f e rs i z e ) ；* 函数指针 ) 砌b u t c _ 妇a c k e d ) ) ； 字符设备的操作及其相关函数调用过程如图3 9 所示，下面结合字符设备的函数调用结构对设 备中主要的操作函数作详细的说明。 三囝囤回国 一 用户空一 直报一培疆动内拄面t 巨三固 r 面西 墨境内檀 一f * q 1 时_ c l t 山v o 柚pr t - 咖“o 字符设鲁董动程序囊 图3 9 字符设备函数调用结构图 i n te d d e vm o d u l e _ i n i t ( v o i d ) 1 6 - + 函教调用 提供教据 兽 誊吾 第三章z i g m e e 独立通信模块接入i n t e r n e ：的设计与实现 e d d e v _ m o d u l e _ i n i t o 为设备加载时的初始化函数， i n i t _ m o d u l e 0 a , n 点函数调用 e d d e v _ _ m o d u l e _ i n i t 0 调用了内核a p ir e g i s t e r _ c h r d e v o 注册两个字符设备，注册成功后，内核字符设 备驱动表保留指向s h u c tf i l e _ o l m t i o m 的一个数据指针。除此之外，函数还负责初始化字符设备结 构s w u c t e d _ d 咖，分配内核缓存区所需要的空间 v o i de d d e v _ m o d u l e _ c l e a n u p ( v o i d ) e d d e v _ m o d u l e _ c l e a n u p o 为设备卸载时的处理函数，由c l e a n 叩m o d u l e o 函数调用。 s s i z e _ tk e m e l _ w r i t e ( c o n s tc h a r * b u f f e r s i z e _ tl e n g t h ，i n tb u f f e rs i z e ) k e r n e l _ w r i t c o 将e d a e t h w _ a o 的数据放到缓存区并调用w a k e _ u p _ i n t e r r u p t i b l e o 函数唤醒等待进 程。 i n ：d e v i c e _ o p e n ( s t r u c ti n o d e + i n o & ，刚n l c tf i l e f i l e ) d e v i 0 p 0 函数打开设备。由系统调用打开。我们使用i i l o d e - ir d e v 8 语句获得设备的主 设备号，这里的接收设备主设备号设为2 0 0 ，发送设备号设为2 0 l 。每个字符设备的f n e p f i t ed a 妇 指向打开设备时候使用的f i l e 结构，这里指向我们定义的s 咖e dd e v i c e 。用来保存字符设备的一些 基本信息，比如设备名、内核缓存区等 s s i z b _ td e v i c er e a d ( s t r u c t 丘l c f i l e , c h a r * b u f f e r , s i z e _ tl e n g t h l o f f _ t o f f s e t ) d e v i c e _ r e a d 0 为读取设备数据的函数在d e v i c e _ r e a d o o e 调用t c o p y _ t o _ u s e r o 将内核空间的数 据拷贝到用户空间。这里需要注意的是m e m c p y o 不能完成不同用户空问数据的交换同时为了保 护临界区的数据。使用了内核a p is p mk o 负责加锁， 负责解锁，防止数据污染_ l o cs p i n 由于在主控制模块中不断轮询设备以查询是否有数据可读会占_ u 用n l o 太c k 多o 的c p u 资源，我们将这部分 工作放到d c “删d 0 中完成。当发现当前设备没有数据可读取，那么就使用内核a p i 。 a d d _ w a i t _ q u e u e 0 阻塞r e a d 系统调用，这时候主控制模块并没有占用很多c p u 资源，而是处于休眠 状态当内核发现有数据可读的时候，调用r e m o v ew a i t 可唤醒等待进程qummo即 s s i z etd e v i c 沱_ w r i t e ( s t r u c tf i l e 。f i l e ，c o n s tc h a r * b u f f e r ，s i z e _ tl e n g t h 1 0 町o 侬e i ) d e v i c e _ v 州t e 0 为向设备写数据的函数，和d e v i c e r e a d 0 中调用7 c o p y _ t o _ u s e r 0 将内核空间的数 据拷贝到用户空间相反，这里调用了p y 同样- 调用了内核a p i 洲o c k 0 负责加锁即i nm i k 0 负责解锁，以防止临界区数据污染 h a td 喇c e 婵i e a s e ( g 嘲i n o d e m o d e ，s l r u c tf i l e f i l e ) d e v i c e r e l e a s e 0 函数为释放设备的函数，主要将s u u c t c dd v - w i c d p 中的b u s y 位设为0 3 主控制模块 主控制模块中完成与j n 5 1 2 1 模块以及发送接收字符设备的数据交互，此外还负责数据的打包 与解包传送的数据包按照串行线路网际协议( s e r m ll i n ei n t e m e tp r o t o c o l ，s l i p ) 定义的格式：数 据的两头都是e n d 字符( 0 3 0 0 ) 。主控制模块的程序流程图如图3 1 0 所示主控制模块中有两个主 要的进程父进程与子进程其中，父进程负责从发送字符设备中读取需要发送的网络数据包 然后通过串口发送给j n 5 1 2 1 ：子进程负责从串口读取数据包并发送到接收字符设备在本文实现 的嵌入式平台上，串口l 用于d e b u g 与p c 相连，串口2 用于接蓝牙模块，实现z i g b e e 相关应用选用的 是串1 = 1 3 ，在l i n u x 环境中设备名为t t y s 2 1 7 东南大学硕士学位论文 图3 1 0 主控制模块的程序流程图 3 3 本章小结 为实现上一章提出的传感网络与h i c e t n e t 集成的总体设计方案，本章设计井实现了z i g b 独立 无线通信模块接a i n t e m e t 的数据传输和控制功能，为下一章z i g b 自组织传感网络接a i n t e r n e t 的 功能实现做了铺垫。 l b 第四章z i e , b e ew p a n 自组织网绍接入 n t e r n e t 的设计与实现 第四章z i g b e ew p a n 自组织网络接入i n t e r n e t 的设计与实现 上一章介绍t z i g b 通信模块与网关的串口通信功能和通过虚拟网络接口模块接入h l t m e t 功 能的实现，下面将在规范了z i g b 的网络结构和数据传输格式的基础上，从网络结构、数据库设 计以及实现三大类程序的角度出发，解决了作为主控节点的z i g b e , i | 组网后通过网关接入i n t e r t m t 的问题。在传感网络应用系统的实现中，服务器端应用程序采用v b 作为编程工具，数据库选用了 s o l s 啊，应用系统中的倍感节点及网关剐采用标准c 作为编程工具本章最后还给出了传感网 络中无线接入冲突问题的解决机制。 4 1 z i g b e ew p a n 星型网络结构设计 l ，z i g s c e l 网络节点 z i g b 网络中主要有三种类型的节点p 】：主控节点( 即协调器，c o o r d i n a t o r ) 、路由器( r o u t e r ) 和终端设备饵l l dd c “) 三类节点的特点简介如下： ( 1 ) 主控节点。每个z i i g b 网络有且仅有一个主控节点，其主要任务是为网络选择合适的频 段，启动网络。接受其他节点加入该网络。另外主控节点也可以提供消息路由、安全管理和其他 一些服务。本文与网关相连的z i g b e e 模块正是起到主控节点的作用 ( 2 ) 路由器。在树形或混合形的z i i g b 网络中需要路由节点以转发数据，这就是路由器的功 能其主要任务是转发设备消息和允许子节点连接到路由器。需要注意的是，由于需要在任意时 刻进行消息的转发，路由器不能处于休眠状态 ( 3 ) 终端设备。终端设备的主要任务为负责消息的接收与发送在没有发送或接收消息时， 终端设备可以进入休眠模式。 在星型网络中，只有两种节点：主控节点和终端设备，终端设备到主控设备仅有一跳，因此 不必考虑各传感节点的网络深度。只需考虑主控节点和终端节点两类节点之问的数据传输问题 2 z i g b 网络拓扑结构 z i g b 主要有三种组网方式p 1 星型网、对等网及混合同，如图4 1 所示 本文选用星型结构组阿在星型网中，以主控节点为中心，所有设备只能与中心设备主控节 点进行通信，因此在星型网络的形成过程中，第一步就是建立主控节点。任何一个设备都有成为 主控节点的可能，一个网络如何确定自己的主控节点由上层协议决定。在这种网络中，主控节点 一般使用持续电力系统供电。而其他设备采用电池供电。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 东南大学硕士学位论文 量墨一 肘辱 求毪沁 ”t 晒炎 泌 l o 噜? ，? 4 2 z i g b e ew p a n 应用系统的工作流程与数据传输格式设计 式在服务器与网关之间传递的。而网关节点对于传感命令或网络管理命令的接收都是通过申口通 图4 2 基于串口通信的传感网络应用系统工作流程 第四章z i g b w p a n 自组织网络接入i n t o n e r 的设计与实现 在星型传感网络中，各网络节点( 汇聚节点和传感节点) 的通信流程是在传感器节点的硬件 检测电路检测到其所在的环境发生变化对，由传感器节点中的z i g b 礁块对信息进行简单处理后， 主动发起连接将处理后的信息传送给主控汇聚节点，其通信流程如图4 3 所示：无线传感器节点开 启电源。初始化、建链后直接进入休眠模式。当汇聚节点收到中断请求时触发中断，激活传感节 点，发送或接收信息包，处理完毕后继续进入休眠状态，等待有请求时再次激活。若有多个传感 节点同时向汇聚节点发送请求。汇聚节点来不及响应处理而丢弃一些请求，则传感节点在发现自 己的请求没有得到响应后几秒钟再次发出请求直到得到汇聚节点的响应为止 虻曩节氲工作沆程 y e s 传基节盘工作流程 图4 3 星型传感网络中两类节点的通信流程 2 l 东南大学硕士学位论文 在本系统中，各节点之间传送的消息基本格式如表4 1