（信号与信息处理专业论文）基于ieee802154zigbee的无线传感器网络的研究.pdf

中文摘要 中文摘要 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 ) 是由大量分布的不同规格和功 能的具有感知、计算和通信能力的微型传感器节点通过自组织的方式构成的一个 小范围的无线网络。大量传感器节点通过相互之间的分工协作，可实时感知、监 测和采集分布区域内的监测对象或周围环境的信息。无线传感器网络有着与传统 网络明显不同的技术要求，前者以数据为中心，后者以传输数据为目的。传感器 网络最初是由于军事需要而发展起来的，随着传感器网络技术的逐步发展，它的 应用也越来越广泛，现在己从军事防御普及到社会的各个领域，同时也要求无线 传感器网络具有更小功耗，更低成本，以及更方便使用的性能，在这种情况下， z i g b e e 技术应运而生。 z i g b e e 技术是一种短距离无线双向通信技术，该技术拥有协议简单、功耗低、 组网能力强、网络容量大、时延短、安全、可靠及成本低等优点，具有路径选择、 自动连结网络及自我恢复等功能。z i g b e e 技术特别适合于数据吞吐量小、网络建 设投资少、网络安全要求较高、不便频繁更换电池或充电的场合。预计将在消费 类电子设备、家庭智能化、工控、医用设备控制、农业自动化等领域获得广泛应 用。 本文首先介绍了无线传感器网络的基础知识和研究现状；然后深入分析了 z i g b e e 协议，给出了各个层的功能；之后，提出了一种基于z i g b e e 的组网算法， 通过扫描信道、建立即n 网络和建立节点间的关联三个步骤构建了一个简单的网 络层，实现了无线传感器组网功能：深入研究z i g b e e 路由机制，并对其路由性能 进行了仿真；在此基础上本文设计一个小型的温度湿度监控网络系统；最后，对 论文进行总结，提出今后的研究工作方向。 关键字：i e e e 8 0 2 1 5 4 ；z i g b e e ；无线传感器网络；组网 黑龙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i r e l e s ss e n s o rn e 伯帕r k ( w s n ) i ss h o r t - r a n g ew i r e l e s sn e 押，o r kc o n s i s t i n go f d e n s e l yd e p l o y e dl a r g en 啪b e ro f s e n s o rn o d e sw i t hd i h e r e n ts p e c sa n d 如n c t i o n s e a c h s e n s o rn o d eh a sa b i l i 妙o fa p p e r c e i v i n g ，c o m p u t i n ga n dc o m m u n i c a t i n g ；t h e yf o n na n e t w o r kt h r o u 曲a d h o cm o d e 1 1 1 es e n s o rn o d ep e r i o d i c a l l yc o l l e c t se n v i r 0 1 1 n l e n t d a t aa j l ds e n d sp r o c e s s e dd a t ao ri n f o r m a t i o nt os i n k s e n s o rn e t 、v o r kc a na p p e r c e i v e ， i n s p e c ta n dg a t h e rt 1 1 ei n f o 肌a t i o no fag i v e no b j e c to re n v i r 0 衄e n tt l l r o u 曲、析r e l e s s c o m r m l l l i c a t i o nb e m e e ne a c hn o d e w i r e l e s ss e n s o rn e t 、v o r ki sv e d rd i 毹r e n t 缸) m t r a d i t i o n a ln e 铆o r k ，t h ef o n i l e rf b c u so nc l a t aa n dt h el a t e rf 0 c u so nt l l e 仃a r 峪m i s s i o no f d a t a s e n s o rn e t 、v o r kt e c h n o l o g yw a sf i r s t l yu s e di nm i l i t a 巧s y s t e m s b u tn o w ，i th a s b e e nu s e di na l m o s ta l lo ft h ef i e l d sw i mt h ed e v e l o p m e n to fs e n s o rn e 帆，o r kt e c i m o l o 黟 a t t h es 锄et i i n e ，i tm o r e a n dm o r er e q u i r e sl o w e rc o s t ，l a 唱e rb a t t e r yl i f e ，m o r er e l i a b l e a i 】l dr o b u s tc o m m u i l i c a t i o n s ，s oz i g b e ep r o t o c o lc 锄ei n t ob e i n g z i g b e et e c h n o l o g yi sad e v e l o p e ds h o r td i s t a n c ew i r e l e s st 、 r o w a yc o i n m u n i c 撕一 o nt e c l l l l o l o g y t h i st e c h n o l o g yl l a s 吐l em e r i t so fs i m p l ea g r e e m e n t ，l o wp o w e r ，s t r o n g n e 卅o r ka b i l i 劬l a 唱en 印v o r kc a p a c i 吼s h o r td e l a y ，s a f - e 劬r e l i a b i l i t ) ra n dl o wc o s t ，e t c i ta l s 0h 嬲t l l em n c t i o n so fp a ms e l e c t i o 玛 a u t o m a t i cn e t 、o r kc 0 i l i l e c t i o na n d s e l f r e c o v e r ya b i l i 够z i g b e et e c h n o l o g yi sp a r t i c u l a r l ys u i tt os m a l ld a c at h r o u g h p u ta n d n e 似o r kc o n 蛐兀j c t i o n i n v e s t m e n t ，h i 曲e rr e q u i r e m e n t s o fm en e t w o r k s e c u r i 眈 i n c o n v e i l i e n c ef - r e q u e n tb a t t e 巧r e p l a c e m e n to rr e c h a 培i n go c c a s i o l l s i ti se x p e c t e dt ob e i nc o n s 啪e re l e c 缸d 1 1 i c se q u i p m e n t ，i n t e l l i g e n th o u s e h 0 1 d ，i n d u s t r i a l ，m e d i c a le q u i p m e n t c o n t r o i ，a g r i c u l t u r a la u t o m a t i o nf i e l d so fa p p l i c a t i o n f i r s t l y ， t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h et h e o r e t i c a ll m o w l e d g eo fw i r e l e s ss e n s o rn e 似，- o r k s s e c o n d l y ，m ez i g b e ei sa i l a l y z e dd e e p l y 锄dm e 劬c t i o no fe a c hl a y e ri s i n t r o d u c e d 眦r d l y ，t l l e r e a l i z a t i o no fn e t w o r kc o n s t m c t i o nb a s e do nz i g b e ei s 1 1 a b s t r a c t p r o p o s e d t h e n ，as i m p l en e t 、v o r kl a y e r 、v a sc o n s t l l j c t e dt h r o u g ht h r e es t e p so fs c 锄i n g t h ec h a n n e l s ，t h ep ann e t w o r ke s t 山1 s h m e n ta n dt h ea s s o c i a t i o nb e t w e e nn o d e s e s t a b l i s h r n e n t ，t h e nt h em e c h a n i s mo fz i g b e er o u t i n gi sa n a l y z e dd e e p l ya n dt h e p e 响珊a l l c e so fz i g b e er o u t i n gi ss i m u l a t e d t h i sp 印e rd e s i 印sa n di m p l e m e m sa s y s t e mo fd a t aa c q u i s i t i o nf o rw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s ，w i t ht h ec o n s t r u c t i o no fz i g b e e w i r e l e s ss e n s o rn e 钿，o r k s ，t h et r a n s m i s s i o no ft e m p e r a t u r ea n dh u m i d i t ys e n s o rd 撕b a s e o ni t f i n a l l y ；as u n u n a r yi sg i v e n ，m e a n w h i l e ，t h en e x td e v e l o p m e n td i r c t i o no ft h e r e s e a r c h 、v o r ki sp r o p o s e d k e y w o r d s ：i e e e 8 0 2 1 5 4 ，z i g b e e ，w i r e l e s ss e n s o rn e t 、v o r k ，n e t w o r kf o m a t i o n i i i 独创性声明 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，也不包含为获得黑龙江大学或其他教育机构的 学位或证书而使用过的材料。 学位论文作者签名：磊熟 签字日期：脯年钿莎日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解墨蕴堑太堂有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本 人授权墨蕉婆盔堂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、缩印或其他复制手段保存、汇编本学位论文。 学位论文作者签名：五冢 导师签名： d 废、 签字日期：7 晰月7 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 恸媳 签字日期：衙乡月乡日 蝇：| 皇c 舌喀弓响蔓 邮编： 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题研究背景和意义 随着传感器技术、嵌入式技术以及通信和半导体技术的飞速发展，己经由p c 时代和网络时代，进入了后p c 时代。更小、更方便的低功耗计算设备冲破了传统 台式计算机和高性能服务器的设计模式。微机电系统( m i c r o e l e c t r o m e c h a n i s m s y s t e m ，m e m s ) 的迅速发展奠定了设计和实现片上系统( s y s t e mo nc h i p ，s o c ) 的基 础。传感器网络就是上述技术高度集成而形成的一种新的信息获取及处理技术f 。 目前无线传感器网络己成为计算机科学领域一个活跃的研究分支，己经引起了学术 界和工业界的高度重视，被认为是将对2 1 世纪产生巨大影响力的技术之一。 无线传感器网络的应用前景十分诱人。传统应用有军事、监控、应急、环境、 防空等领域，新兴应用将涉及家用、企业管理、保健、交通等领域。可以预计，将 来无线传感器网络会无处不在。但现在无线传感器网络才刚刚兴起，它的技术和应 用都不十分成熟，其终端要达到希望的要求还会有很长的一段发展历程【2 】o 目前，无线传感器终端的希望和要求主要集中在尽量节省的系统能量消耗、尽 量节省的信息处理以及简易的信号收发。对于无线传感器网络中的网络协议的期待 是：用简洁的协议栈支持传感器网络的有效运行，到处存在接入可能；利用广播信 息，避免交互应答；简化的协议层次、简练的信令方式；节省的系统开销等。正是 基于无线传感器网络终端的要求，z i g b e e 协议应运而生。 z i g b e e 是一种新兴的近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的无线 网络技术，它是一种介于无线标记技术和蓝牙之间的技术提案【3 1 。它依据 i e e e 8 0 2 1 5 4 标准，在数千个微小的传感器之间相互协调实现通信。这些传感器只 需要很少的能量，以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，所以它们的通信效率非常高【4 j 。 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。 对于现有的各种无线通信技术，z i g b e e 技术将是最低功耗和成本的技术。 黑龙江大学硕士学位论文 z i g b e e 是一组基于l e e e 批准通过的8 0 2 1 5 4 无线标准研制开发的，有关组网， 安全和应用软件方面的技术标准。它不仅只是8 0 2 1 5 4 的名字，l e e e 仅处理低级 m a c 层和物理层协议，z i g b e e 联盟对其网络层协议和a p i 进行了标准化。完全协 议一次可直接连接到一个设备的基本节点的4 k 字节或者作为h u b 或路由器的协调 器的3 2 k 字节。每个协调器可连接多达2 5 5 个节点，而几个协调器则可形成一个网 络，对路由传输的数目没有限制i 引。z i g b e e 联盟还开发了安全层，以保证这种便携 设备不会意外泄漏其标识，而且这种利用网络的远距离传输不会被其它节点获取。 z i g b e e 协议由物理层( p h y ) 、介质访问控制层( m a c ) 、网络层( n w k ) ，应用层 ( a p l ) 及安全服务提供层( s s p ) 五块内容组成。网络层以上协议由z i g b e e 联盟制定， i e e e 8 0 2 15 4 负责物理层和链路层标准。 z i g b e e 技术的出现弥补了低成本、低功耗和低速率无线通信市场的空缺，其 成功的关键在于丰富而便捷的应用，而不是技术本身。随着正式版本协议的公布， 更多的注意力和研发力量将转到应用的设计和实现、互联互通测试和市场推广等 方面。它不仅打开了大量新应用之门，而且还能给许多现有的应用增加新的价值。 由于通过z i g b e e 各种非常简单的器件就能够实现联网，作为一个全球标准，为将 来实现无所不在的无线网络创造了条件。 1 2 国内外研究现状 传感器网络的研究起步于2 0 世纪9 0 年代末期。国际上，1 9 9 9 年和2 0 0 3 年著 名的美国商业周刊和m i t 技术评论t e c l u l o l o g yr e v i e w 在预测未来技术发展的报告 中，分别将其列为2 】世纪最具影响的2 1 项技术和改变世界的1 0 大新技术之一。 国际上许多著名的大学和公司纷纷从不同的层次、不同的角度对传感器网络进行 了研究和开发。1 9 9 5 年美国提出了“国家智能交通系统项目规划”，2 0 0 2 年美国英 特尔公司发布“基于微型传感器网络的新型计算发展规划”。2 0 0 4 年3 月英特尔公 司演示了家庭护理的无线传感器网络系统。该系统通过在鞋、家具以及家用电器 等家中道具和设备中嵌入半导体传感器，帮助老龄人士以及残障人士的家庭生活， 利用无线通信将各传感器联网可高效传递必要的信息从而方便接受护理。 第1 罩绪论 国内关于传感器网络的研究起步晚，这方面的工作也很少，但目前已越来越 受重视。国家发展改革委办公厅下发的“关于组织实施下一代互联网示范工程2 0 0 5 年研究开发，产业化及应用试验的通知”中己将传感器网络( i p v 6 无线传感器网络 节点等) 及家庭网络( 面向数字家庭的网络处理器芯片及家庭网关等) 列为了支持的 重点。我国的一些高校与研究机构也积极开展无线传感器网络的相关研究工作。 z i g b e e 是刚刚发展起来的，很有市场潜力的一种技术。它是为了满足低功耗、 低成本的无线网络要求而诞生的，i e e e 标准委员会在2 0 0 0 年1 2 月份正式批准并 成立了8 0 2 1 5 4 工作组，任务就是开发一个低数据速率的w a n ( l r w p a n ) 标准。 【6 】 它能在低成本设备( 固定、便携或可移动的) 之间进行低数据速率的传输。它使 用的频段是无需许可的，进一步降低了成本。它非常适合在一个有限的范围内进 行数据通信。目前，各大国外i c 厂商纷纷推出自己的z i g b e e 解决方案，在芯片 方面主要有：t i ，f r e e s c a l e 的m c l 3 1 9 1 、m c l 3 1 9 2 和m c l 3 1 9 3 ，m i c r o c l l i p ，e m b e r 的e m 2 5 0 、e m 2 6 0 ，j e 彻i c 的j n 5 1 2 1 ，c 蛐) c o n ( 已被t i 收购) 的c c 2 4 2 0 、2 4 3 0 等。 目前已有多款单芯片( 将m c u 和射频收发器集成在一起的芯片) 的z i g b e es o c 解 决方案。国内目前在芯片方面只有台湾达盛公司b e c ) 开发出自己的芯片 u z 2 4 0 0 ，而更多的公司是在己有芯片的基础上进行二次开发，或者直接使用其它 公司的产品。协议方面主要有z s t a c k 和z i g b e e 协议栈等【7 1 。 在z i g b e e 产品的开发上，国外的大公司一直走在前列：韩国s kt e l e c o m 公司 在2 0 0 5 年1 0 月推出新的数字智能家庭服务，其核心的技术为e m b e r 公司提供的 z i g b e e 无线技术；丹麦的n e s a 公司将凭借飞思卡尔半导体的z i g b e e 兼容平台在 欧洲为自动读表系统( 创m r ) 部署第一套支持z i g b e e 的系统；美国c o i i l p x 公司己 经成功开发出了可电脑外设上使用无线通信规格“z i g b e e ”的u s b 适配器，这种适 配器嵌入了由c o m p x 与日本冲电气工业共同开发的z i g b e e 单芯片收发机。国内 在z i g b e e 产品的开发上起步比较晚，但是进展很快：深圳旭昂公司己经开发出多 种z i g b e e 模块，并提供开发和演示平台；成都西谷曙光公司也开始提供自己的开 发平台，同时开发了多种z i g b e e 模块( 包括温度传感，门禁系统等) 。目前也有很 1 黑龙江大学硕士学位论文 多大学和研究所也纷纷开始了z i 邸e e 产品的研究，其中有中科院、清华大学、武 汉大学、山东大学等【8 1 。 目前许多人致力于将z i g b e e 与g p r s 结合。g p r s 通讯方式依赖移动通讯公 司庞大的g p r s 网络，建设成本与运行维护成本都很低，远小于自行建设独立运 行的专用通讯网络( 如电台、有线d d n 、微波等) 。g p r s 网络建设方便简单，使用 g p r s 模块及相应配件，直接与带有r s 2 3 2 串行口的监测设备连接，与中心数据 服务器构建透明的数据传输通道。它运行可靠，数据采集实时性强，运行费用低， 漏码误码极少，克服、解决了其他通信方式存在的各种问题。在保证数据传输及 时、准确的前提下，将系统运行费用也降低到了极低。同时，通信链路由专业的 运营商来维护，避免了用户在使用监测系统的同时，还需要耗费很大精力去维护 通信线路的问题。但是，如果对每个采集点都配置一套g p r s 模块，使用起来成 本还是比较高的。将z 追b e e 与g p r s 结合，它既保持数据采集实时性强，又降低 了运行费用，可以使z i g b e e 协议应用更广泛【9 1 。 1 3 论文结构 第1 章( 即本章) 绪论 介绍了课题的背景知识、无线传感器的研究现状和本课题的主要研究目标以 及本文的组织。第2 章到第5 章为本文的正文部分。 第2 章传感器网络 简单介绍了传感器网络和无线传感器网络的概念，又对无线传感器网络的应 用领域进行了探讨，最后着重分析了无线传感器网络的关键技术。 第3 章z i g b e e 技术标准介绍 首先介绍了z i g b e e 的体系结构，然后深入分析了z i g b e e 协议并给出了各层功 能和实现原理。 第4 章基于z i g b e e 的组网原理和路由研究 给出了组网算法的流程图，研究了z i g b e e 协议的路由机制，并对路由算法进 行了仿真。 第1 章绪论 第5 章组网实现 本章将针对无线传感器网络( w s n s ) 技术在实际应用中的特点，构建了一个基 一于i e e e 8 0 2 1 5 4 ( z i g b e e ) 协议的温度湿度无线传感器网络系统，包括硬件设计和 软件实现。 总结与展望 总结了论文主要完成的工作并指出今后研究工作的方向。 黑龙江大学硕士学位论文 第2 章传感器网络 传感器网络是一种新兴的信息技术，简单的说，传感器网络就是由许多集传 感与驱动控制能力、计算能力、通信能力于一身的资源受限的嵌入式节点互连起 来的网络。传感器网络涉及传感器技术、嵌入式计算技术、通信技术和半导体与 微机电系统制造技术，并且强调资源受限制，因此，相对其它的集成系统有更大 的难度。本章对传感器网络、无线传感器网络做了介绍，并对其应用场景和面临 的核心问题进行了阐述。 2 1 传感器网络 众多具有通信能力和计算能力的传感器通过无线方式相互连接、协作工作， 同物理世界进行交互，共同完成特定的应用任务的网络，称为传感器网络 ( s e n s o r n e m o r k ) 。传感器网络综合了传感器技术、嵌入式计算技术、分布式信息处 理技术和无线通信技术，能够协作地进行实时检测、感知和采集各种环境或监测 对象的信息，并对其进行处理，传送给需要这些信息的用户。与传统的中心化处 理相比，传感器网络具有准确性高、灵活性高及智能化强等优点。传感器网络与 传统传感器相比，易于部署，即传感器节点位置不需要事先确定或精心设计，允 许任意放置，部署维护成本低且具有较高地灵活性；传感器网络由大量廉价节点 组成，放置在物理作用范围内，从而获得较高的观察精度，具有较高的性价比； 传感器网络具有大量兀余节点，即使部分节点失效，也不会影响整个系统的功能， 因而具有较好的健壮性；传感器网络节点具有计算能力，可以相互协作，能够完 成传统传感器所不能完成的任务。 传感器、感知对象和观察者是传感器网络的3 个基本要素。有线和无线网络 是传感器之间、传感器与观察者之间的通信方式，用于在传感器与观察者之间建 立通信路径。感知、采集、处理、发布感知信息是传感器网络的基本功能。一组 功能有限的传感器协作地完成大量感知任务是传感器网络的重要特点。传感器网 络中的部分或全部节点可以移动，传感器网络的拓扑结构也会随着节点的移动而 第2 罩传感器网络 不断的动态变化。节点问以a dh o c 方式进行通信，每个节点都可以充当路由器的 角色，并且每个节点都具备动态搜索、定位和恢复连接的能力。传感器网络节点 由电源、感知部件、嵌入式处理器、存储器、通信部件和软件这几部分组成，如 图2 1 所示。电源为传感器提供正常工作所必须的能源。感知部件用于感知、获取 外界的信息，并将其转换为数字信号。处理部件负责协调节点各部分的工作，如 对感知部件获取的信息进行必要的处理、保存，控制感知部件和电源的工作模式 等。通信部件负责将处理后的信息发送出去。软件则为传感器提供必要的软件支 持，如嵌入式操作系统、嵌入式数据库系统等i l0 1 。 如果说i n t b m e t 构成了逻辑上的信息世界，改变了人与人之间的沟通方式，那 么，传感器网络就是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 人类与自然界的交互方式1 1 1 1 。人们可以通过传感器网络直接感知客观世界，从而 极大的扩展现有网络的功能和人类认知世界的能力。 图2 1 传感器节点结构图 f i g u 陀2 - 】t h e 蛐r l l c t u r a ld i a g r a m0 f m es e n s o rn o d e s 2 2 无线传感器网络简介 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 sw s n s ) 系统是当前在国际上备受关 注的、涉及多学科高度交叉、知识高度集成的前沿热点研究领域。它综合了传感 器技术、嵌人式计算技术、现代网络及无线通信技术、分布式信息处理技术等， 能够通过各类集成化的微型传感器协作地实时监测、感知和采集各种监测对象的 黑龙江大学硕士学位论文 数据，这些数据通过无线方式被发送，并以自组多跳的网络方式传送到用户终端， 从而实现人们研究自然界的目的【1 2 】。 无线传感器网络具有十分广阔的应用前景，在军事国防、农业、城市管理、 生物医疗、环境监测、抢险救灾、防恐反恐、危险区域远程控制等许多重要领域 都有潜在的实用价值，己经引起了许多国家学术界和工业界的高度重视1 1 3 】。 2 2 1 无线传感器网络概念 传感器是数据采集、数据处理的关键部件，它可以将物理世界中的一个物理 量映射到一个定量的测量值，使人们对物理世界形成量化认识。传感器技术是新 技术革命和信息社会的重要技术基础。 微机电系统( m e m s ) 技术、低能耗的模拟和数字电路技术、低能耗的无线电射 频( r f ) 技术和传感技术的发展使得开发小体积、低成本、低功耗的传感器成为可能。 传感器装备有：一个传感模块( 如：声、光、磁、视觉等) 用于感知周围世界中的物 理量，一个数字处理模块用于处理传感模块采集的信号以及完成网络协议的功能， 一个无线电收发模块用于通信，一个电源模块为传感器的各种操作提供能量【1 4 】。 单个传感器由于受到测量范围和测量准确度的限制，一般只能覆盖环境中一 个有限的地理区域。而传感器节点由于体积与成本方面的要求，覆盖范围更小、 测量准确度更差【1 5 】。用户要准确、可靠地监测物理世界必须要综合多个传感器的 测量值。为了实现对物理世界的远程监测，每个传感器节点需要具有将采集到的 数据发送给远程监测站的能力。 m a r kw e r s e r 设想了一种未来人类世界的景象。在这个世界中充满了无处不在 的感知和计算能力，人们无论走到那里都可以随时了解周围环境，并根据自身的 意愿使环境发生改变1 1 6 】。在这种实时感知周围物理世界要求的驱使下，无线传感 器网络的概念出现了。 无线传感器网络是由大量无处不在的，具有通信与计算能力的微小传感器节 点密集部署在监控区域而构成的自治测控网络系统，是能根据环境自主完成指定 任务的“智能”系统。如图2 2 为无线传感器网络系统。 第2 章传感器网络 图2 - 2 无线传感器网络系统 f i g u r e2 - 2t h ew s ns y s t e m 相对于传统无线网络，无线传感器网络由以下一些明显的特征： 1 ) 网络中的传感器节点数量众多、密度高，单位面积所拥有的网络节点数远大 于传统的无线网络。 2 ) 传感器节点由电池供电，节点能量有限。由于节点数量多，而且无线传感器 网络往往应用于人烟荒芜或人们难以到达的地方，因此更换传感器节点电池是不 现实的。这决定了传感器节点生命和网络寿命的有限性。 3 ) 网络节点间采用自组织的通信方式。无线传感器网络的动态性，要求传感器 节点需要具有自组织的能力，能够自动进行配置和管理，通过拓扑控制机制和网 络协议自动形成能够转发数据的多跳无线网络系统f 1 刀。 4 ) 网络拓扑很容易发生变化。由于节点能量有限，节点易出故障，导致无线传 感器网络拓扑信息变化快速。 5 ) 网络应具备容错能力。传感器节点所处的环境通常是恶劣的( 如噪音大、风 吹日晒等_ ) ，导致节点易受干扰，易出错。这要求无线传感器网络应具备一定的容 错能力【1 8 】。 2 2 2 无线传感器网络应用 传感器网络有着巨大的应用前景，被认为是将对2 1 世纪产生巨大影响力的技 术之一。已有和潜在的传感器应用领域包括：军事侦察、环境监测、医疗、建筑 物监测等。随着传感器技术、无线通信技术、计算技术的不断发展和完善，各种 传感器网络将遍布我们的生活环境，从而真正实现无处不在的计算，【1 9 1 。以下简 黑龙江大学硕士学位论文 要介绍传感器网络的一些应用。军事应用：监测人员、装备等情况以及单兵系统， 监测敌军进攻，评估战果，核能、生物、化学攻击的侦察等；环境应用：对海岛 鸟类生活规律的观测；气象现象的观测和天气预报；森林火警；生物群落的微观 观测等；医疗应用：远程健康监测，病变器官观察等：建筑及城市管理：智能家 居，建筑安全，智能交通等：反恐和公共安全：通过特殊用途的传感器，特别是 生物化学传感器监测有害物、危险物的信息，最大限度地减少其对人民群众生命 安全造成的伤害1 2 0 】1 2 l 】。 2 3 无线传感器网络关键技术 无线传感器网络是信息感知与采集和计算模式的一场革命。它作为一个全新 的研究领域，在基础理论和工程技术两个层面上对科技工作者提出了大量的挑战 性研究课题【2 2 】。网络协议、网络安全、时间同步、数据融合、嵌入式操作系统和 网络拓扑控制等技术就是影响无线传感器网络的性能的关键技术。 ( 1 ) 网络协议 无线传感器网络协议负责使各个独立的节点形成一个多跳的数据传输网络， 目前研究的重点是网络层协议和数据链路层协议【2 3 1 。网络层的路由协议决定监测 信息的传输路径；数据链路层的介质访问控制( m a c ) 用来共享底层的物理信道， 控制节点的通信过程和工作模式。 在无线传感器网络中，路由协议不仅关心单个节点的能量消耗，更关心整个 网络能量的均衡消耗，这样才能延长整个网络的生存期。目前，提出了多种类型 的无线传感器网络路由协议，如多个能量感知的路由协议，定向扩散，谣传路由 等基于查询的路由协议，g e a r 和i e m 等基于地理位置的路由协议，s p e e d 和 r e l n f o r m 等支持q o s 的路由协议【2 4 】。 无线传感器网络的m a c 层协议首先要考虑的是节省能源和可扩展性，其次才 考虑公平性和实用性等。目前提出的m a c 协议包括：s m a c s 、t - m a c 和s i r 等基于竞争的m a c 协议，d e a n a 、t r a m a 、d m a c 和周期性调度等时分复用 的m a c 协议，以及c s m a c a 与c d m a 结合、) m a 和f d m a 相结合的m a c 帚2 罩传感器网络 协议【2 5 】。目前在我的论文中，我们采用了i e e e 8 0 2 1 5 4 定义的m a c 协议，该协 议结合了c s m c a 基于竞争的信道访问机制和类似t d m a 的时分复用机制。与 此同时，我们也在积极研究基于s m a c 的网络维护和重建及基于s m a c s e a r 的 移动节点管理。 ( 2 ) 网络安全 为了保证任务的机密布置和任务执行结果的安全传递和融合，无线传感器网 络需要实现一些最基本的安全机制：机密性、点到点的消息认证、数据完整性和 新鲜性、认证广播和安全管理【2 6 1 。无线传感器网络s p i n s 安全框架在机密性、点 到点的消息认证、数据完整性和新鲜性、认证广播等方面定义了完整有效的机制 和算法。安全管理方面，目前以密钥预分配模型作为安全初始化和维护的主要机 制，其中随机密钥对模型、基于多项式的密钥对模型等是目前最有代表的算法【2 7 1 。 ( 3 ) 时间同步 时间同步是需要协同工作的无线传感器网络系统的一个关键机制。如测量移 动车辆速度需要计算不同传感器检测事件时间差，通过波束阵列确定声源位置节 点间的时间同步。目前已提出了多个时间同步机制，其中r b s t 玳y m i n i s y n c 和t p s n 被认为是二个基本的同步机制。我们在考虑无线传感器网络的时间同步 问题时，拟采用t p s n 机制。t p s n 采用层次结构实现整个网络节点的时间同步： 所有节点按照层次结构进行逻辑分级，通过基于发送者接收者的节点对方式， 每个节点能够与上一级的某个节点进行同步，从而实现所有节点都与根节点的时 间同步【2 引。 ( 4 ) 数据融合 数据融合是在传感器节点采集数据的过程中，利用节点本地的计算和存储能 力处理数据的融合，去除冗余信息，从而达到节省能量的目的的一种技术。数据 融合技术可以与无线传感器网络的多个协议层次进行结合。在应用层设计中，可 以利用分布式数据库技术，对采集到的数据进行逐步筛选，达到融合的效果；在 网络层很多路由协议均结合了数据融合的机制，以期减少数据传输量；此外，还 有研究者提出了独立于其他协议层的数据融合协议层，通过减少m a c 层的发送冲 1 1 黑龙江大学硕士学位论文 突和头部开销达到节省能量的目的，同时又不损失时间性能和信息的完整性。 i e e e 8 0 2 1 5 4 中定义的短地址就是将地址信息由8 个字节减少到了2 个字节，减少 了m a c 头的开销，有效地减少了数据发送次数，从而达到节省能量的目的【2 9 】。 ( 5 ) 嵌入式操作系统 传感器节点是一个微型的嵌入式系统，硬件资源十分有限，需要操作系统能 够节能地使用其有限的内存、处理器和通信模块，且能够对各种特定应用提供最 大的支持【3 0 1 。在面向无线传感器网络的操作系统的支持下，多个应用可以并发地 使用系统的有限资源。 传感器节点由两个突出的特点。一个特点是并发密集，即可能存在多个需要 同时执行的逻辑控制，这需要操作系统能够有效地满足这种发生频率、并发程度 高、执行过程比较短地逻辑控制流程；另一个特点是传感器节点模块化程度很高， 要求操作系统能够让应用程序方便地对硬件进行控制，且保证在不影响整体开销 地情况下，应用程序的各个部分能够比较方便地进行重新组合。上述这些特点对 设计面向无线传感器网络的操作系统提出了新的挑战【3 1 】。 ( 6 ) 网络拓扑控制 无线传感器网络拓扑控制目前主要的研究问题是在满足网络覆盖和连通度的 前提下，通过功率控制和骨干网节点选择，剔除节点间不必要的无线通信链路， 生成一个高效率的数据转发的网络拓扑结构。拓扑控制可以分为节点功率控制和 层次型拓扑结构形成两个方面。通过拓扑控制自动生成的良好的网络拓扑结构， 能够提高路由协议和m a c 协议的效率，可为数据融合、时间同步和目标定位等方 面奠定基础，有利于节省节点的能量来延长网络的生存驯3 2 1 。 第3 章z i g b e e 技术标准介绍 第3 章 z i g b e e 技术标准介绍 随着科学技术的发展，无线技术逐步取代有线技术，仅支持静态固定拓扑的 无线网络也逐渐被支持动态变化拓扑的无线网络所取代。在短距离无线控制、监 测、数据传输领域，通用的技术有i e e e8 0 2 1 1 、蓝牙、w i f i 、h o m e r f 等【3 3 】。它 们虽然各有优势，但是存在功耗大、组网能力差等劣势。为弥补它们的不足z i g b e e 联盟于2 0 0 4 年推出了基于i e e e8 0 2 1 5 4 的z i g b e e 技术。z i g b e e 是一种近距离、 低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的无线网络技术，它是一种介于无线标 记技术和蓝牙之间的技术提案。主要用于近距离无线连接1 3 4 】。z i g b e e 采取了i e e e 8 0 2 1 5 4 强有力的无线物理层所规定的全部优点：省电、简单、成本又低的规格， z i g b e e 增加了逻辑网络、网络安全和应用层【3 5 】。 3 1z i g b e e 网络体系结构 本小节讲述z i 曲e e 网络中两种功能类型设备，三种节点类型，三种拓扑结构 及两种工作模式p 6 】。 3 1 1 两种功能类型设备 z i g b e e 网络含全功能设备f f d ( f u l l 劬c t i o nd e v i c e ) 和精简功能设备 i 疆d ( r e d u c e d 劬c t i o nd e v i c e ) 两种功能类型的设备。 全功能设备( f f d ) ：可以担任网络协调者，形成网络，让其它的f f d 或是精简 功能装置( r f d ) 连结，f f d 具备控制器的功能，可提供信息双向传输。它附带 由标准指定的全部8 0 2 1 5 4 功能和所有特征，更多的存储器、计算能力可使其在 空闲时起网络路由器作用，也能用作终端设备。 精简功能设备( i 强d ) ：r f d 却只能与f f d 通讯附带有限的功能来控制成本和 复杂性，在网络中通常用作终端设备。z i g b e e 相对简单的实现自然节省了费用。 i 讧d 由于省掉了内存和其他电路，降低了z i g b e e 部件的成本，而简单的8 位处理 器和小协议栈也有助于降低成本。 黑龙江大学硕士学位论文 3 1 2 三种节点类型 z i g b e e 网络含三种类型的节点，即协调器z c ( z i g b e ec o o r d i n a t o r ) 、路由器 z r ( 魂b e er o u t e r ) 和终端设备z e ( z i g b e ee n d d e v i c e ) ，其中协调器和路由器均为 全功能设备( f f d ) ，而终端设备选用精简功能设备( i 冲d ) 。 协调器：一个z i g b e e 网络p a n ( p e r s o n a la r e an e 俩o r k ) 有且仅有一个协调器， 该设备负责启动网络，配置网络成员地址，维护网络，维护节点的绑定关系表等， 需要最多的存储空间和计算能力。 路由器：主要实现扩展网络及路由消息的功能，扩展网络，即作为网络中的 潜在父节点，允许更多的设备接入网络，路由节点只有在树状网络和网状网络中 存在。 终端设备：不具备成为父节点或路由器的能力，一般作为网络的边缘设备， 负责与实际的监控对象相连，这种设备只与自己的父节点主动通讯，具体的信息 路由则全部交由其父节点及网络中具有路由功能的协调器和路由器完成。 3 1 3 三种网络拓扑结构 z i g b e e 网络支持星状，网状和簇状三种网络拓扑结构，如图3 1 所示，从左 到右依次是星状网络，树状网络和网状网络。 星状网络所有的设备都与中心设备一p a n 网络协调者通信，实际上在这种简 单的网络结构中路由器是没有路由作用的。在这种网络结构中，网络协调者一般 使用电力系统供电，而其他设备采用电池供电。星型网络适合家庭自动化、个人 计算机外设以及个人健康护理等小范围的室内应用。 网状网络( m e s h ) 只要彼此在对方的无线辐射范围内，任何两个f f d 设备之间 都能直接通信，在m e s h 网络中每一个f f d 设备都可以认为是网络路由器，都可 以实现对网络报文的路由转发功能，m e s h 网在构建时比较复杂，节点所要维护的 信息较多。 簇状网络实际上可以看做是一个复杂的星型网络，一个扩展的星型拓扑或是 由多个简单的星型网络组成的拓扑结构，在簇状网络中，网络协调者、器由和终 第3 章z i g b e e 技术标准介绍 端设备的功能清晰，相对于m e s h 网络，构建簇状网络比较简单，所需的资源相对 较少，并且可以实现网络的路由转发功能，从而也扩大了网络的通信范围。 c d i n 州 o r o u t e rn o d e ( f f d ) e n dd e v i c e ( r f d 0 r f 删 图3 1z i g b e e 网络拓扑结构 f i g u r e3 1z i g b e en 咖。出由叩0 1 0 科 3 1 4 两种工作模式 z i g b e e 网络的工作模式可以分为信标e a c o n ) 和非信标( n o n - b e a c o n ) 两种模 式，信标模式实现了网络中所有设备的同步工作和同步休眠，以达到最大限度的 功耗节省，而非信标模式则