（计算机应用技术专业论文）gainz无线传感器网络mac协议研究与网络平台的实现.pdf

g a i n z 无线传感器网络m a c 协议研究与网络平台的实现摘要 g a i n z 无线传感器网络m a c 协议研究与网络平台的实现 摘要 本文通过深入研究i e e e 8 0 2 1 5 4 z i g b e e 协议标准和无线传感器网络操作系统 t i n y o s ，设计实现了基于g a i n z 节点的无线传感器网络平台，本文的具体研究和实 现工作包括以下几个方面： 深入研究了无线传感器网络m a c 层协议，分析并总结了影响m a c 协议能量消 耗的主要因素。研究了目前主流的传感器网络m a c 层协议的核心实现机制，分 析了它们各自的特点、优势和存在的问题。 针对8 0 2 1 5 4 规范m a c 协议的不足，以低功耗设计为主要目标，提出了三种不 同的改进机制：基于优先权的信道访问机制，引入分配型m a c 协议的优势，以 降低信道竞争激烈时数据碰撞冲突的概率；改进的退避机制通过计算信道忙状态 的持续时间，来推迟空闲信道评估操作，以降低网络的能耗；改进的c s m a c a 算法引入概率机制，将当前信道竞争状况作为选择退避窗口大小的因素，以减小 数据碰撞率。最后对改进的c s m a c a 算法进行仿真测试与性能分析。 深入剖析了无线传感器网络操作系统t i n y o s 及其关键技术，针对g a i n z 节点硬 件平台，研究了t i n y o s 底层驱动，完成了t i n y o s 在g a i n z 上的移植工作。针 对g a i n z 软件开发包中的协议栈功能与操作系统性能的不足，给出了 i e e e 8 0 2 1 5 4 z i g b e e 规范与t i n y o s 系统的联合设计，以满足传感器节点并发性 操作密集的需求，提高整个系统的稳定性。 结合g a i n z 无线传感器节点硬件平台、基于t i n y o s 的通信协议栈及改进后的 s n a m p 后台管理系统组建了新的无线传感器网络平台。最后对该平台进行了光 强度、温度采集测试，并对测试结果进行了分析。 关键词：无线传感器网络，g a i n z ，z i g b e e ，i e e e 8 0 2 1 5 4 ，m a c ，t i n y o s 作者：王月平 指导老师：陆建德 a b s t r a c tt h er e s e a r c ha n di m p l e m e n t a t i o no ng a i n zw s nm a cp r o t o c o l sa n dn c t w o r kp l a t f o r m t h er e s e a r c ha n d i m p l e m e n t a t i o no ng a i n z w s n m a cp r o t o c o l sa n dn e t w o r kp l a t f o r m a b s t r a c t a f t e rd e e p l ys t u d y i n go nt h ei e e e 8 0 2 15 4 z i g b e es t a n d a r da n dw i r e l e s ss e n s o r n e t w o r ko p e r a t i n gs y s t e mt i n y o s ，t h i sp a p e rh a sd e s i g n e da n di m p l e m e n t e dw i r e l e s s s e n s o rn e t w o r kp l a t f o r mb a s e do nt h eg a i n zs e n s o rn o d e t h es p e c i f i cr e s e a r c ha n d i m p l e m e n t a t i o ni n c l u d e s ： d e e p l ys t u d yo nt h em a cp r o t o c o l so fw s n s ( w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s ) ，a n a l y z e a n ds u m m a r i z et h em a i ni n f l u e n c ef a c t o r so fe n e r g y - c o n s u m p t i o no fm a c p r o t o c o l s r e s e a r c ho nt h ec o r er e a l i z a t i o nm e c h a n i s mo fm a i n s t r e a mm a c p r o t o c o l s ，a n a l y z e t h e i rc h a r a c t e r i s t i c s ，m e r i t sa n dd e m e r i t s a i m i n ga tt h ed i s a d v a n t a g e so fm a cp r o t o c o l i n 8 0 2 15 4s t a n d a r d ，o f f e rt h r e e i m p r o v e dm e c h a n i s m sf o rt h em a cp r o t o c o lo f8 0 2 15 4 s t a n d a r dt or e a l i z et h e l o w c o n s u m p t i o ni s s u e ：t h ef i r s to n ei si m p r o v e dc h a n n e la c c e s sm e c h a n i s mb a s e do n t h ep r i o r i t y ，w h i c hi n t e g r a t e st h ea d v a n t a g e so fd i s t r i b u t i o n a lm a cp r o t o c o lt o d e c r e a s et h ec o l l i s i o nr a t i ow h e nt h et r a f f i ci sh ig h ；t h es e c o n do n ei st h ee n h a n c e d b a c k o f fm e c h a n i s m ，w h i c hc a nr e d u c et h ee n e r g y c o n s u m p t i o no ft h ew h o l en e t w o r k b yp o s t p o n i n gc c a ( c l e a rc h a n n e la s s e s s m e n t ) o p e r a t i o nt h r o u g hc a l c u l a t i n gt h e r e m a i n i n gb u s yt i m e o ft h ec h a n n e l ；t h et 1 1 i r do n ei st h ei m p r o v e dc s m a c a a l g o r i t h mw h i c ho p t i m i z et h eb a c k o f fw i n d o ws i z ea c c o r d i n gt ot h ep a s tt r a n s m i s s i o n c o n d i t i o ni no r d e rt od e c r e a s ep a c k e tc o l l i s i o nr a t i o ，r e s u l t si nt h ep o w e rs a v i n ga n d t h r o u g h p u ti m p r o v e m e n t t e s tt h em i r ds c h e m e t oi n s p e c tt h ep e r f o r m a n c ew i t hn s 一2 s i m u l a t o ra n da n a l y z et h er e s u l t d e e p l y r e s e a r c ho nt h et i n y o so p e r a t i n gs y s t e ma n di t sk e yt e c h n o l o g i e s ，d e s i g na n d i m p l e m e n tt h eg a i n zh a r d w a r ed r i v e rm o d u l ei nt i n y o st ot r a n s p l a n tt i n y o s s y s t e mt ot h eg a i n zp l a t f o r m d u e t ot h ei n e f f i c i e n c yi nt h eo r i g i n a lg a i n z p r o t o c o l s t a c ka n do p e r a t i n g s y s t e m i ns d k ，o f f e ran e wc o m b i n a t i o n d e s i g n o f u t h er e s e a r c ha n di m p l e m e n t a t i o no ng a i n zw s nm a cp r o t o c o l sa n dn c t w o r kp l a t f o r ma b s t r a c t i e e e 8 0 2 15 4 z i g b e ep r o t o c o ls t a c ka n dt i n y o ss y s t e m t h i sd e s i g ne f f e c t i v e l y m e e t st h en e e d so fh i 曲l yc o n c u r r e n c yf o rs e n s o rn o d e s ，r e s u l t si ns y s t e ms t a b i l i t y i m p r o v e d i n t e g r a t e st h eg a i n zh a r d w a r ep l a t f o r m ，t i n y o s - b a s e dc o m m u n i c a t i o np r o t o c o l s t a c ka n dt h ei m p r o v e db a c k g r o u n dm a n a g e m e n tp l a t f o r mt oan e wd e v e l o p m e n t p l a t f o r m f i n a l l y ，b a s e do nt h i sp l a t f o r m ，p r o c e e dt h et e m p e r a t u r ea n dl i g h ti n t e n s i t y m o n i t o r i n gt e s ta n dt e s ta l lt h ep l a t f o r mf o ra v a i l a b i l i t ya n dp e r f o r m a n c e ，a n da n a l y z e t h er e s u l t s k e y w o r d s ：w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ，g a i n z ，z i g b e e ，i e e e 8 0 2 1 5 4 ，m a c ，t i n y o s i i i w r i t t e nb yw a n g y u e p i n g s u p e r v i s e db yl uj i a n d e 英文缩写词 a p l a p p l i c a t i o nl a y e r 应用层 a p s a p p l i c a t i o ns u p p o r tl a y e r 应用支持子层 a e s a d v a n c e de n c r y p t i o ns t a n d a r d 高级加密标准 b eb a c k o f fe x p o n e n t退避指数 b ob e a c o no r d e r信标级数 b s nb e a c o ns e q u e n c en u m b e r信标帧序列号 c a pc o n t e n t i o na c c e s sp e r i o d竞争访问时段 c c ac l e a rc h a n n e la s s e s s m e n t空闲信道评估 c d m ac o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s码分多址 c f pc o n t e n t i o nf r e ep e r i o d非竞争访问时段 c s c h i ps e l e c t 片选 c s m a c ac a r r i e rs e n s em u l t i p l ea c c e s s c o l l i s i o na v o i d a n c e 载波监听多重访问碰撞避 免 c t sc l e a rt os e n d允许发送 c wc o n t e n t i o nw i n d o w竞争窗口 d c fd i s t r i b u t e dc o o r d i n a t i o nf u n c t i o n分布式协调功能 d s n d a t as e q u e n c en u m b e r 数据帧序列号 d s s s d i r e c t s e q u e n c es p r e a ds p e c t r u m 直接序列扩频 e a r e a v e s d r o pa n dr e g i s t e r 旁听注册算法 e d e n e r g yd e t e c t 能量检测 f d m a f r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s 频分多址 f f df u l l f u n c t i o nd e v i c e 全功能设备 g t sg u a r a n t e e dt i m es l o t保护时隙 i t i n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y信息技术 l q i l i n kq u a l i t yi n d i c a t i o n 链路质量指示 l r w p a nl o w r a t ew i r e l e s sp e r s o n a la r e an e t w o r k低速无线个人域网 l s bl e a s ts i g n i f i c a n tb i t 最低有效位 m a c m e d i u ma c c e s sc o n t r o l媒体访问控制 m c p sm a cc o m m o np a r ts u b l a y e rm a c 公共部分层 m c p s s a pm a cc o m m o np a r ts u b l a y e r - s e r v i c ea c c e s sp o i n tm a c 公共部分子层服 务访问点 m d fm o r ed a t af l a g更多数据标志位 m l m em a c s u b l a y e rm a n a g e m e n te n t i t y m a c 层管理实体 m l m e s a pm a cs u b l a y e rm a n a g e m e n te n t i t ys e r v i c ea c c e s sp o i n tm a c 层管理服务 接入点 m t sm o r et os e n d 更多数据发送 n b n u m b e ro f b a c k o f f退避次数 n l d en e t w o r kl a y e rd a t ae n t i t ) ， 网络层数据实体 n l m en e t w o r kl a y e rm a n a g e m e n te n t i t y 网络层管理实体 n p d un e t w o r kp r o t o c o ld a t au n i t 网络层协议数据元 n sn e t w o r ks i m u l a t o r 网络仿真器 n w kn e t w o r kl a y e r 网络层 o - q p s k o f f s e tq u a d r a t u r ep h a s e - s h i f tk e y i n g 交错正交移相键控 p d s a pp h yd a t as e r v i c ea c c e s sp o i m 物理层数据服务访问点 p h y p h y s i c a ll a y e r物理层 p i bp a ni n f o r m a t i o nb a s e p a n 信息库 p l m e p h y s i c a ll a y e rm a n a g e m e n te n t i t y物理层管理实体 p l m e s a pp h y s i c a ll a y e rm a n a g e m e n te n t i t y s e r v i c ea c c e s sp o i n t 物理层管理实体 服务访问点 r f d r e d u c e d - f u n c t i o nd e v i c e 精简功能设备 r t s r e q u e s tt os e n d请求发送 s a ps e r v i c ea c c e s sp o i n t 服务访问点 s d m a s p a t i a ld i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s空分多址 s f ds t a r tf r a m ed e l i m i t e r 帧开始分隔符 s m a c s s e l f - o r g a n i z i n gm e d i u ma c c e s sc o n t r o lf o rs e n s o rn e t w o r k s 传感器网络的 自组织媒体访问 s n a m ps e n o rn e t w o r k a n a l y s i sm a n a g e m e n tp l a t f o r m 传感器网络分析管理平 厶 口 s o s u p e r f r a m eo r d e r超帧级数 s p is e f i a lp e r i p h e r a li n t e r f a c e 串行外围接口 s s c ss 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 业务特定汇聚子层 t d m at i m ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s 时分复用 t r a m a t r a f f i ca d a p t i v em e d i u ma c c e s s 流量自适应介质访问 u a r t u n i v e r s a la s y n c h r o n o u sr e c e i v e rt r a n s m i t t e r通用异步收发器 u s a r t u n i v e r s a ls y n c h r o n o u sa s y n c h r o n o u sr e c e i v e rt r a n s m i t t e r 通用同步异步 收发器 u w bu l t r aw i d e b a n d 超宽带技术 w p a nw i r e l e s sp e r s o n a la r e an e t w o r k 无线个域网 w s n sw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s 无线传感器网络 z d o z i g b e ed e v i c eo b j e c t z i g b e e 设备对象 苏州大学学位论文独创性声明及使用授权的声明 学位论文独创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含 其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得苏州大学 或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人承担本声明的法律 责任。 研究生签名：哆过千日期：汐0 2 5 午研究生签名：步r 丁 日 期：汐。乙6 丫 学位论文使用授权声明 苏州大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、清华大学论文 合作部、中国社科院文献信息情报中心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) 授权苏州大学学位办办理。 期： 兰! 望：鱼：竺 期：圭空逝 g a i n z 无线传感器网络m a c 协议研究与网络平台的实现 第一章绪论 第一章绪论 本章首先介绍了无线传感器网络的研究背景，然后阐述了国内外目前的研究现状 并分析了本课题的选题依据，概述了本文所作的主要工作和贡献，在本章最后介绍了 本文的组织结构。 1 1 研究背景 随着传感器技术、微电子系统、现代网络和无线通信技术的发展，具有现代意义 的无线传感器网络( w s n s t l l ，w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s ) 开始出现和发展。无线传感器 网络是由部署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 个多跳的自组织的网络系统。其目的是协作的感知、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。人们可以通过传感器网络直接感知客观世界，从而极 大地扩展现有网络的功能。无线传感器网络是继因特网之后，将对2 1 世纪人类生活方 式产生重大影响的i t ( i n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y ) 热点技术，可以说无线传感器网络是人 类感知客观世界的一场革命，是2 1 世纪最重要的技术之一1 2 1 。 随机分布的集成有传感器模块、处理模块和通信模块的微小节点借助于内置的形 式多样的传感器测量所在周边环境中的热、红外、声纳、雷达和地震波信号，从而探 测包括温度、湿度、噪声、光强度、压力、土壤成分、移动物体的大小、速度和方向 等众多我们感兴趣的物理现象。基于以上特性，无线传感器网络能够应用于多种恶劣 环境中，如：在部队到达战区之前向其抛洒大量传感器，那么战区的地貌特征、天气 情况和敌方部队的动向等信息在网络生命期之内将源源不断地报告给指挥官；在森林 中随机密布传感器节点，平常状态下它们会定期报告森林环境数据，当发生火灾时， 也会在很短的时间内将火源的具体地点、火势的大小等信息传送给相关部门。总之， 无线传感器网络可以使人们在任何时间、任何地点和任何条件下获取大量详实可靠的 信息，因此应用前景非常广阔，能广泛应用于军事、环境监测和预报、健康护理、智 能家居、建筑物状态监控、城市交通、空间探索、大型车间和仓库管理，以及机场、 大型工业园区的安全监测等领域【3 】。在未来，无线传感器网络将会随着应用需求的激 增发挥出更加重要的作用。 应该看到，无线传感器网络研究和应用才刚刚兴起，无论是技术还是应用都还 第一章绪论g a i n z 无线传感器网络m a c 协议研究与网络平台的实现 不是十分成熟，国际上尚无标准和确定的技术方案，特别是目前我国国内尚缺乏有关 无线传感器网络技术实质性的研究成果。无线传感器网络技术要达到期望的要求还会 有很长的发展历程，因此是一个由易到难，逐步升级的过程。无线传感器网络业务和 网络应用也需要不断开发，不断寻求新的应用领域。 1 2 研究现状与选题依据 从2 1 世纪开始，传感器网络引起了学术界，军事界和工业界极大的关注，美国和 欧洲相继启动了许多关于传感器网络的研究计划。在美国军方和自然科学基金的资金 资助下，美国大学和研究机构开始了对传感器网络的基础理论和关键技术的研究。欧 洲、日本、澳大利亚等国家和地区也展开了对传感器和传感器网络的研究工作。 在传感器网络方面，加州大学伯克利分校提出了应用网络连通性重构传感器位置 的方法，并研究出一个专门用于传感器网络节点的操作系统一t i n y o s 【4 】。加州大学洛 杉矾分校开发了个无线传感器网络和一个无线传感器网络模拟环境，用于考察传感 器网络各方面的问题。麻省理工学院致力于信号处理与超低功耗无线传感器网络的研 究，试图解决超低功耗无线传感器系统的方法和技术问题。 在数据查询方面，康奈尔大学在感知数据查询处理技术方面开展的研究工作较 多。他们研制了一个测试感知数据查询技术性能的c o u g a r 系统，探讨如何把分布 式查询处理技术应用于感知数据查询的处理。加州大学伯克利分校研究了传感器网络 的数据查询技术，提出了实现可动态调整的连续查询处理方法和管理传感器网络上多 查询的方法，并研制了一个感知数据库系统t i n y d b 。南加州大学研究了传感器网络 上的聚集函数的计算方法，提出了节省能源的计算聚集的树构造算法，并通过实验证 明了无线通信机制对聚集计算的性能有很大的影响【5 】。 国内从事无线传感器网络研究的科研机构与大学越来越多，但从事理论研究的比 较多，真正从事无线传感器网络节点与应用开发的单位比较少，且一般国内院校使用 的都是国外设计的节点和软件系统。在无线传感器网络平台研究方面，国内比较有影 响力的有中科院计算技术研究所，他们在无线传感器网络节点开发方面实力雄厚，已 经推出了几款无线传感器网络平刽6 j ；清华大学的无线传感器网络平台研究也比较不 错，己经推出了自己的系统。从总体上来讲，国内关于传感器网络的研究还仅仅处于 起步阶段。但传感器网络技术是一门新兴的综合性技术，国内外的差距还不是很大， 2 g a i n z 无线传感器网络m a c 协议研究与网络平台的实现第一章绪论 及时开展对这项影响深远的前沿科学的研究，对社会和经济都具有重大的意义。 在无线传感器网络通信协议方面，由于无线传感器网络与传统无线网络有着不同 的设计目标，因此传统无线网络协议无法满足传感器网络的特殊要求。同时，不同的 应用背景对传感器网络的要求不同，其硬件平台、软件系统和网络协议必然会有很大 差别，所以传感器网络很难像i n t e m e t 一样有统一的通信协议平台【7 】，没有任何一个协 议能够高效适应所有不同的应用。传感器网络的特殊性及传感器节点的有限资源对现 有的通信协议提出了更高的要求。 i e e e 8 0 2 1 5 4 z i g b e e 规范是一种新兴的近距离、低复杂度、低功耗、低成本的无 线网络技术，同时由于该规范的低数据速率的特点，也决定了其适合于承载数据量小 的业务，可以达到节约能量的目的，因此非常适合传感器网络。其次，由于该规范的 灵活性，可根据不同的应用，对基于该规范的协议栈做出相应的调整，从而提高了该 规范的通用性。基于以上优点，研究i e e e 8 0 2 1 5 4 z i g b e e 规范及其在无线传感器网络 中应用颇具意义。 m a c ( m e d i u ma c c e s sc o n t r o ll a y e r ) 协议处于传感器网络协议的底层部分，对传 感器网络的性能有较大影响，是保证无线传感器网络高效通信的关键网络协议之一。 i e e e 8 0 2 15 4 规范m a c 层协议采用c s m a c a ( c a r r i e rs e n s em u l t i p l ea c c e s s ) 机制竞争 使用信道，一定程度上减小了数据的碰撞概率。但该算法在高网络负载情况下存在数 据包碰撞冲突概率高、节点能耗利用率低、数据传递延时大和网络吞吐量低等不足。 对此，本文以m a c 层协议的低能耗设计为主要目标，对该m a c 协议的不同方面进行 深入分析与研究，并提出了改进方案。 目前i e e e 8 0 2 1 5 4 z i g b e e 规范在无线传感器网络中的应用一般都建立在特定的 硬件平台上，大都采取直接对硬件平台编程的方式，开发效率、系统并发性和稳定性 等无法保证。例! t l ：l m i e r o c h i p 公司提供的m p z i g b e e 协议栈，采用循环查询每层协议栈 对应的原语来获取各层的状态i s ，不能很好满足无线传感器网络并发性操作密集的需 求。 无线传感器网络操作系统t i n y o s 是目前传感器网络中应用较为广泛的操作系 统。t i n y o s 操作系统采用的轻量级线程技术、两层调度方式、事件驱动模式、主动 消息通信技术及组件化编程等有效地提高了传感器节点c p u 的使用率，有助于省电操 第一章绪论g a i n z 无线传感器髓络m a c 协议研究与网络平台的实现 作并简化了应用的开发。目前国内对于t i n y o s 的研究起步不久，且大多集中在t i n y o s 操作系统内部协议的改进和基于这些协议的应用开发。为了使得设计实现的通信协议 更好的适应无线传感器网络的特点，本文提出t t i n y o s 与z i g b e e 协议栈的联合设计， 利用t i n y o s 操作系统并发性高、代码量小等优势来弥j b z i g b e e 协议栈单独实现时的 不足。最后，结合改进的后台软件管理系统，设计并实现了一个通用性强、并发性高、 占用资源少的无线传感器网络平台。 1 3 论文内容与相关工作 基于嵌入式与无线通信技术的无线传感器网络平台是一套比较复杂的网络系统， 其中包括传感器节点的硬件平台、操作系统、通信协议以及后台管理软件系统。本文 对无线传感器网络操作系统t i n y o s 进行了深入的研究，并在g a i n z 传感器节点上， 对通信协议及后台管理系统进行了实现与改进，着重于通信协议的研究与设计，特别 对i e e e 8 0 2 1 5 4 规范中的m a c 层的低功耗问题进行研究，旨在提高传感器节点能源的 高效使用，这也是传感器网络现今研究的热点之一。 本文的研究和设计工作包括如下几个方面： 分析了无线传感器网络的体系结构与网络协议，总结了无线传感器网络的 关键技术。深入研究了无线传感器网络操作系统t i n y o s ，并总结了在该操作系统上 开发程序的流程及其关键技术； 阅读、分析并深入理解i e e e 8 0 2 1 5 4 和z i g b e e 规范，了解z i g b e e 网络的特 性及通信原理，着重研究该规范的功能实现。 深入研究了无线传感器网络m a c 层协议，并针对其功耗问题，对比了现有 的主流m a c 层协议的优劣。针对i e e e 8 0 2 1 5 4 规范的m a c 协议的不足之处，提出 了三种不同的改进方案。在此基础上，利用n s 2 仿真工具对改进方案进行性能测试 分析。 分析了g a i n z 传感器节点硬件平台，在此基础上，通过t i n y o s 底层驱动开 发，将t i n y o s 成功移植到g a i n z 传感器节点中。同时分析原有开发包中传感器节 点操作系统和通信协议的不足，给出了在t i n y o s 中i e e e 8 0 2 1 5 4 z i g b e e 规范的具体 设计，并在g a i n z 传感器节点上定制实现了该设计。 针对传感器后台管理软件s n a m p ( s e n o rn e t w o r ka n a l y s i sm a n a g e m e n t 4 g a i n z 无线传感器网络m a c 协议研究与网络平台的实现第一章绪论 p l a t f o r m ) 的不足，根据应用的需求，对其功能进行扩展，扩展模块主要为主动数据查 询和节点控制模块； 结合g a i n z 传感器节点、t i n y o s 操作系统、节点通信协议栈和传感网络后 台管理系统，组建无线传感器网络平台，并对该平台进行了整体的功能测试与性能比 较分析。 1 4 论文贡献 本课题和论文的贡献主要体现在以下几个方面： 深入研究了无线传感器网络操作系统t i n y o s ，介绍了其特点和关键技术，并 总结了在t i n y o s 中开发程序的流程，为无线传感器网络操作系统的研究和t i n y o s 中通信协议和应用系统的开发提供参考。 深入分析了无线传感器网络m a c 层协议，并针对其低功耗热点问题展开研 究。通过研究无线传感器网络的特点，总结了影响功耗问题的主要因素。对比了现有 主流的几种m a c 层协议的优劣之处。并在i e e e 8 0 2 15 4 规范m a c 协议基础上对其 进行改进。仿真测试的结果表明，改进方案在网络负载比较高时有效的降低了网络中 数据的碰撞概率，提高了网络吞吐量并且降低网络功耗，为无线传感器网络m a c 层 协议的进一步研究和发展奠定基础。 鉴于t i n y o s 暂不提供直接对国内机构研发的节点的支持。对比了g a i n z 节 点与国外研究机构研发的节点异同，在此基础上通过开发t i n y o s 的底层驱动，使得 t i n y o s 操作系统能正确运行于g a i n z 节点上，为t i n y o s 操作系统到传感器节点的 移植提供了思路。 基于g a i n z 传感器节点，在t i n y o s 上设计实现了定制的i e e e 8 0 2 1 5 4 z i g b e e 规范，为该通信协议规范提供了操作系统的支持。同时实验结果也表明，基 于该操作系统设计的通信协议栈，有效的利用了操作系统的丰富的服务和特性，拓展 了该通信规范的适用平台，更好结合了两者在无线传感器网络方面的优势，为进一步 在该通信协议栈基础上设计环境监测系统提供了前提。 结合修改后的t i n y o s 操作系统、通信协议栈、及改进后的s n a m p 后台管理 系统，在g a i n z 传感器节点上组成了一个完全开源、通用性强的无线传感器网络平 台，为无线传感器网络平台组建提供了参考，并且方便了传感器网络监测系统的开发， 第一章绪论 g a i n z 无线传感器网络m a c 协议研究与网络平台的实现 为进一步组建无线传感器网络实验室打下基础。 1 5 论文结构 本文的总体结构大致分为三个部分：第一部分为无线传感器网络、z i g b e e 协议栈、 t i n y o s 的研究；第二部分无线传感器网络m a c 层协议研究与设计；第三部分为原 型系统的总体设计，包括硬件规划与软件系统总体设计；第四部分原型系统的具体实 现，功能测试，性能比较。具体内容安排如下： 第一章为绪论，介绍课题的研究背景、选题依据以及本课题的内容意义及本文组 织结构。 第二章为无线传感器网络相关技术研究，介绍了无线传感器网络的体系结构、关 键技术及通用网络协议架构；着重研究了t i n y o s 系统及其关键技术，并总结了 t i n y o s 中开发程序的流程；深入研究了z i g b e e 技术，对比了目前主流的几种短距离 无线电通信技术，着重介绍了z i g b e e 网络的体系结构和协议栈框架，最后详细介绍 了协议栈各层的功能。 第三章为无线传感器网络m a c 层协议的深入研究与设计，首先分析并总结了无 线传感器网络m a c 协议设计的主要原则，着重讨论了m a c 协议的低功耗问题，研 究与论述了当前较为重要的一些m a c 协议的核心实现机制和特点，并比较了这些 m a c 协议在性能上的差异。在此基础上，针对i e e e 8 0 2 1 5 4 规范m a c 协议提出了 改进，并对改进的协议进行了仿真。 第四章为无线传感器网络平台总体设计，介绍了传感器节点的硬件规划与 t i n y o s 操作系统的移植工作。在t i n y o s 底层驱动的支持下，给出了i e e e 8 0 2 1 5 4 协议栈各层的总体设计。 第五章为无线传感器网络开发平台软件系统设计实现，主要介绍t i n y o s 的底层 驱动，物理层、m a c 层和网络层的具体实现细节，并扩展现有g a i n z 开发包中的 s n a m p 后台管理系统，增添了主动数据查询模块和节点控制模块。 第六章为无线传感器网络平台系统功能测试与性能比较分析，首先给出了 t i n y o s 系统底层驱动的功能性测试，然后结合后台管理平台，对整个传感器平台进 行功能测试。并对比开发包中原有的协议栈和应用系统，进行性能比较分析。 第七章为结束语，对全文进行总结以及对未来工作进行展望。 6 g 刖附z 无线传感器网络m a c 协议研究与网络平台的实现第二章无线传感器网络相关技术研究 第二章无线传感器网络相关技术研究 本章首先介绍了无线传感网络及其体系结构和关键技术。接着深入研究了无线传 感器网络操作系统t i n y o s ，剖析了其主要特征和关键技术，并介绍了通用的无线传 感器网络协议栈结构。最后，深入研究了对无线传感器网络有良好支持的短距离无线 电通信技术z i g b e e 规范，着重介绍了z i g b e e 规范通信协议栈，并总结了z i g b e c 规 范重要组成部分i e e e 8 0 2 15 4 规范的特点。 2 1 无线传感器网络的结构 2 1 1 无线传感器网络体系结构 一个典型的无线传感器网络的体系结构如图2 1 所示，传感器网络系统通常包括 分布式传感器节点、汇聚节点、管理节点【7 1 。在无线传感器网络中，节点通过飞机布 撒，人工布置等方式，大量部署在感知对象内部或者附近。这些节点通过自组织方式 构成无线网络，以协作的方式感知、采集和处理网络覆盖区域中特定的信息，可以实 现对任意地点的信息在任意时间的采集、处理和分析。这种以自组织形式构成的网络， 通过多跳中继方式将数据传回s i n k 节点( 接收发送器) ，最后借助s i n k 节点将整个区 域内的数据传送到远程控制中心进行集中处理。在无线传感器网络中绝大多数的节点 只有很小的发射范围，而s i n k 节点的发射能力较强，具有较高的电能，可以把数据 发回远程控制节点。用户通过管理节点对传感器网络进行配置和管理，发布监测任务 以及收集监测数据。 寸l i 1r l 任务管理节点 图2 1 无线传感器网络体系结构 第二章无线传感器网络相关技术研究g a i n z 无线传感器网络m a c 协议研究与网络平台的实现 2 1 2 无线传感器节点结构 传感器节点由数据采集模块、数据处理模块、数据传输模块和电源供给模块四部 分组成【9 】，如图2 2 所示，数据采集模块负责监测区域内信息的采集和数据转换；数 据处理模块负责控制整个传感器节点的操作，存储和处理本身采集的数据以及其他节 点发送来的数据；数据传输模块负责与其他传感器节点进行无线通信，交换控制信息 和收发采集数据；电源供给模块为传感器节点提供运行所需的能量，通常采用微型电 池。据笔者调查发现，具有特殊用途的传感节点还需要能量补充模块和定位模块的支 持( 如g p s 模块) ，以实现对节点的远程控制。 匮器h a c 卦 幽件犯到 ji jiji 能量供应模块 图2 2 传感器节点体系结构 传感节点兼有传统网络节点的终端和路由双重功能，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，通过携带能量有限的电池供电【7 】。 传感器节点除了进行本地信息收集和数据处理外，还要对其它节点转发来的数据进行 存储、管理和融合等处理，同时与其它节点协作完成一些特定任务。目前传感节点的 软硬件技术是传感器网络研究的重点。对此，本文基于g a i n z 节点硬件平台，设计 实现了该节点的软件系统。 汇聚节点( s i n k ) 的处理能力、存储能力和通信能力相对比较强，它连接传感器网 络与i n t e m e t 等外部网络，实现两种协议栈之间的通信协议转换，同时发布管理节点 的监测任务，并把收集的数据转发到外部n 络i - l7 1 。汇聚节点既可以是一个具有增强 功能的传感器节点，有足够的能量供给和更多的内存与计算资源，也可以是没有监测 功能仅带有无线通信接口的特殊网关设备。笔者认为，在s i n k 节点有足够资源的情 g a i n z 无线传感器网络m a c 协议研究与网络平台的实现第二章无线传感器网络相关技术研究 况下，可以采用功能较强的嵌入式操作系统( 如l i n u x ) 作为传感器节点的操作系统，以 提高传感器网络的安全性与健壮性。 2 2 无线传感器网络关键技术 无线传感器网络作为当今信息领域新的研究热点，涉及多学科交叉的研究领域， 有非常多的关键技术有待发现和研究。能量管理、网络协议、嵌入式操作系统、无线 通信技术、网络拓扑控制、数据融合和数据管理等都是影响无线传感器网络性能的关 键技术。 1 1 能量管理 图2 3