（计算机应用技术专业论文）无线传感器网络研究与实现.pdf

缨强：无线传感 网络训f 究j j 实现 浙江火学硕j 毕业论文2 0 0 4 年3 门 摘要 随着半导体技术、计算机技术、通讯技术等信息技术的飞速发展，我们已经 由p c 时代和网络时代，进入后p c 时代，作为2 1 世纪的计算模式，普适计算将对 人们的生活产生深远的影响，普适计算是指在各种环境中，利用微型嵌入式计算 设备采集处理各种相关信息，然后利用各种通信技术手段同其它异构的设备实现 各种互联事务处理和数据交互，在无论何时何地都可以向人们提供需要的信息。 无线传感器网络作为普适计算的一种具体技术已经在军事侦察、自然环境监测等 户外环境的应用中获得成功，目前备大公司和科研机构正在探索如何把这项技术 应用于室内环境( 大型仓储设施、办公室和家居等) ，为人们的日常生活带来更 多的便利。 本文正是以此为研究背景，首先介绍了传统无线传感器网络的起源、发展和 特点，然后分析了室内环境对传统无线传感器网络技术的挑战，接着本文提出了 新颖的室内无线传感器网络概念，介绍了一种全新的室内无线传感器网络节点的 构架设计方案，即将整个节点分为实现节点本身逻辑功能的传感与执行器子平台 和实现无线多跳网络通信功能的无线通信子平台s e n s o r r f ，然后本文以无线通信 子平台的软硬件设计中的无线通信网络协议栈设计为核心，从工程角度介绍了 s e n s o r r f 是如何解决室内环境中电器互联问题，最后本文总结了前面的工作，展 望了以s e n s o r r f 为基础的室内无线传感器网络技术在未来的发展方向、商品化和 应用方式等几个方面的发展远景。 本文的研究内容得到了国家高技术研究发展计划( 8 6 3 计划) 的资助，项目编 号2 0 0 3 a a l z 2 0 8 0 。 关键字：普适计算，无线传感器网络，无线网络协议栈，射频通信，嵌入式实时 操作系统 竺垡! 耋垡堡壁竖型竺! 壅! ! 壅型 塑坚点堂塑：! ：兰些笙兰! ! ! ! ! ! ! 旦 a b s t r a c t w i t ht h em a g i cd 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 yi n c l u d i n gs e m i c o n d u c t o r t e c h n o l o g y , c o m p u t i n gt e c h n o l o g ya n dc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y ，w eh a v ep a s s e d t h ee r ao fp e r s o n a lc o m p u t e ra n dn e t w o r k i n ga n da r ec o m i n gi n t ot h ed a w no f p o s t p c e r a ，a st h ec o m p u t i n gm o d e lo ft h e2 1 “c e n t u r y ，u b i q u i t o u sc o m p u t i n g m e a n st h a tt op r o v i d ep e o p l ew i t ha n yi n t e r e s t e di n f o r m a t i o nw h e n e v e ra n dw h e r e v e r , c o n s i d e r a b l em i c r oc o m p u t i n gd e v i c e sw i l lb ee m b e d d e di n t ov a r i o u se n v i r o n m e n t st o c o l l e c tr e l a t i v ei n f o r m a t i o nt h e np r o c e s si ta n dc o m m u n i c a t ew i t he a c ho t h e r a sa t a n g i b l et e c h n o l o g yo fu b i q u i t o u sc o m p u t i n gm o d e l ，w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r kh a s b e e na p p l i e di nt h ef i e l d so fc o m b a ts c o u t i n ga n dn a t u r a le n v i r o n m e n tm o n i t o r i n ge t c s u c c e s s f u l l y i no r d e rt ob r i n gp e o p l em o r ec o n v e n i e n c ei nt h e i re v e r y d a yl i f e ，m a n y c o m m e r c i a lc o m p a n i e sa n dr e s e a r c hi n s t i t u t e sa r ef o c u s i n g0 1 1t h ea p p l i c a t i o no ft h i s t e c h n o l o g yi n t ot h ei n d o o re n v i r o n m e n tn o w a d a y s w i t ht h i sr e s e a r c ha n da p p l i c a t i o nb a c k g r o u n d ，t h i st h e s i sf i r s ti n t r o d u c e st h e o r i g i n ，d e v e l o p m e n ta n df e a t u r e so f t h ec o n v e n t i o n a lw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k b a s e d o nt h ea n a l y s i so ft h er e q u i r e m e n ta n d c h a l l e n g e sf r o m t h ei n d o o re n v i r o n m e n tt ot h i s t e c h n o l o g y , t h et h e s i sp r o p o s a l sab r a n d - n e w i d e ao fl n d o o rw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ( i w s n ) a n d a l li n n o v a t i v ea r c h i t e c t u r ed e s i g no ft h en o d ei ni w s n ，w h i c h s p l i t st h e w h o l en o d ei n t ot w o p a r t s ：t h e s e n s o r & a c t u a t o r p l a t f o r m a n dw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o np l a t f o r m ( s e n s o r r f ) t h et h e s i s e m p h a s i z e s o nt h e d e s i g n a n d i m p l e m e n t a t i o no f t h eh w & s wo fs e n s o r r fe s p e c i a l l yo nt h ed e s i g no fi w s n c o n m l u n i c a t i o ns t a c k s ，a n dw i l li l l u s t r a t eh o ws e n s o r r fs o l v e st h ec o r ep r o b l e m so f t h ee a s yi n t e r c o n n e c t i o no fv a r i o u sd e v i c e sw i t hd i f f e r e n tb r a n d sf r o me n g i n e e r i n g v i e w f i n a l l yt h et h e s i ss u m m a r i e s t h e p r e c e d i n g w o r ka n d p r o p o s a l s al o n g - t e r mv i s t a o v e rt h et e e h n i e a ld i r e c t i o n ，c o m m e r c i a l i z a t i o na n d u s a g eo f s e n s o r r fb a s e di w s n k e y w o r d s ：u b i q u i t o u sc o m p u t i n g ：w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ；w i r e l e s sn e t w o r k p r o t o c o ls t a c k ；r fc o m m u n i c a t i o n ；e m b e d d e dr e a lt i m e o p e r a t i n gs y s t e m 缨强：无线传感器刚络研究与实现 旃幸j f 论 第一章序论 随着半导体技术和通信技术的发展，我们已经由p c 时代和网络时代，进入 后p c 时代。自m a r kw e i s e r 在1 9 9 1 年首次提出普适计算 1 ( u b i q u i t o u s c o m p u t i n g ) 思想以来，普适计算作为2 1 世纪的计算模式曰益受到人们的关注 和重视。“普适计算”是指“无论何时何地，人们可以通过某种设备访问到所需 的信息”。从计算技术的角度来看，人类已经由网络计算逐步延伸到了普适计算。 从软件系统的角度来讲，普适计算是指使用各种微型的嵌入式计算设备在分布相 对广泛的地域范围内，采集处理各种相关信息然后利用各种通信技术于段同其它 异构的计算设备实现各种联机事务处理和数据交互。因为一般嵌入式设备的计算 资源( 内存、存储设备和c p u ) 和能源都相当有限，因此大部分复杂的处理工 作需要由功能强大的服务器完成。普适计算作为2 1 世纪的计算模式，受到人们 的普遍重视和关注。国内外研究机构投入大量的人力、物力和财力进行研究工作， 例如，进行中的“普适计算”项目有m i t 的o x y g e np r o j e c t s 2 ，c m u 的p r o j e c t a u r a 3 ，u c l a 的s m a r tk i n d e r g a r t e n 4 等，主要研究方向包括支持普适计算的 新型网络技术( 如无线传感器网络) 、软件系统f 如支持普适计算的操作系统与网 络中间件技术) ，上下文感知计算技术等。其中无线传感器网络技术作为普适计 算思想大系统中的一个典型的应用，因其在军事侦察、工业生产控制、森林火灾 监控、医疗监护、农业养殖和太空探索等领域的巨大的应用价值得到了各国政府、 军方、跨国公司和科研机构的关注与重视，成为当今世界工业界与学术界的研究 热点。 1 2 无线传感器网络的起源、发展与现状 随着传感器技术、嵌入式计算技术、通信技术和半导体与微机电系统制造技 术的飞速发展，具有感知、计算存储和通信能力的微型传感器开始出现在军事、 工业、农业和宇航各个领域。无线网络传感器是集传感器执行器、控制器和通信 装置于体集传感与驱动控制能力、计算能力、通信能力于一身的资源( 计算、 存储和能源) 受限的嵌入式设备。由这些微型传感器构成的无线传感器网络能够 实时监测、感知和采集网络分布区域内的各种监测对象信息。并对这些信息进行 处理，传送给需要这些信息的用户。 传感器网络在军事侦察、环境信息检测、农业生产、医疗健康监护、建筑与 家居、工业生产控制以及商业等领域有着广阔的应用前景： 环境监测：随着人们对于环境问题的日益关注环境科学所涉及的范围越来 缨强：无线忙堪器网络研究与尘现 第一一章序论 越广泛。通过传统方式采集原始数据是一件困难的工作。传感器网络为野外随机 性的研究数据获取提供了方便，比如，跟踪候鸟和昆虫的迁移研究环境变化对 农作物的影响，此外无线传感器网络还可以有效的检测到森林火灾发生，并向 相关部门有助于指定救火方案决策提供详实有效的火场信息。 军事领域：该领域的应用需求是无线传感器网络产生的主要推动力量，例如， u c b e r k e l e y 的s m a r tm o t e 的应用背景就是战场侦察系统，在未来无线传感器网 络将会成为c 4 i s r t ( c o m m a n d ，c o n t r o l ，c o m m u n i c a t i o n ，c o m p u t i n g ，i n t e l l i g e n c e ， s u r v e i l l a n c e ，r e c o n n a i s s a n c ea n dt a r g e t i n g ) 系统不可或缺的部分。c 4 i s r t 系统的 目标是利用先进的高科技技术，为未来的现代化战争设计一个集命令、控制、通 信、计算、智能、监视、侦察和定位于一体的战场指挥系统。因为无线传感器网 络是由密集型、低成本、随机分布的节点组成的，自组织性和容错能力使其不会 因为某些节点在恶意攻击中的损坏而导致整个系统的崩溃，而且由于无线传感器 网络的无需外界配置管理的自组织特性，使无线传感器网络易于快速部署，非常 适合应用于恶劣的战场环境中，可以提供监控我军兵力、装备和物资，监视冲突 区，侦察敌方地形和布防，定位攻击目标，评估损失，侦察和探测核、生物和化 学攻击等功能，及时准确地将采集到的各种信息，通过汇聚节点将数据传送到各 级指挥部门，最后融合决定战场胜败的完备的及时更新的战区信息库，为指挥决 策提供及时准确的信息。 医疗健康：如果在住院病人身上安装特殊用途的传感器节点，如心率和血压 监测设备，利用传感器网络，医生就可以随时了解被监护病人的病情，并进行及时 处理，而安装在被监测对象身上的微型传感器也不会给人的正常生活带来太多的 不便。传感器网络为未来的远程医疗提供了更加方便、快捷的技术实现手段。 其他商业应用：在灾难拯救、仓库管理、交互式博物馆、交互式玩具、工厂 自动化生产线等众多领域，无线传感器网络都将会孕育出全新的设计和应用模 式 无线传感器网络的研究起始于2 0 世纪9 0 年代末期。由于无线传感器网络的 巨大应用价值，它已经引起了世界许多国家的军事部门、工业界和学术界的极大 关注。从2 0 0 0 年起，国际上开始出现一些有关传感器网络研究结果的报道，美 国自然科学基金委员会2 0 0 3 年制定了传感器网络研究计划，支持相关基础理论 的研究。美国国防部和各军事部门都对传感器网络给予了高度重视，把传感器网 络作为一个熏要研究领域，设立了一系列的军事传感器网络研究项目。美国英特 尔公司、微软公司等信息业巨头也开始了传感器网络方面的研究工作。日本、德 国、英国、意大利等科技发达国家也对无线传感器网络表现出了极大的兴趣，纷 纷展开了该领域的研究工作。但是，目前大部分的研究尚处于起步阶段，少数投 入实用的商业产品距离实际需求还相差甚远。我国在传感器网络方面的研究工作 缨掘：无线他感器网络研究与实现 第章序论 还很少，目前，国内一些高等院校与研究机构已积极开展无线传感器网络的相关 研究工作，丰要有清华大学、中科院软件所、浙江大学、哈尔滨工业大学、中科 院自动化所、中国人民大学等。目前国内研究热点丰要集中在穿戴式计算、上下 文感知环境、智能教室等领域，在支持无线传感器网络的无线通信网络技术的研 究尚不多见。随着无线传感器网络应用的日益发展与不断深入，支持无线传感器 网络的无线通信网络技术、超微型嵌入式实时操作系统等若干关键技术的研究将 成为未来无线传感器网络应用的发展趋势和热点。 1 3 无线传感器网络系统所涉及到的关键技术 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。无线传感器网络 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向科技工作者提出了 大量的挑战性研究课题。浙江大学计算机科学与技术系以目前的无线通信技术 与嵌入式系统技术为基础开展了支持普适计算的无线传感器通信网络技术和 超微型操作系统等关键技术的研究。 1 3 1 无线通信网络技术 由于无线传感器网络的特点：高度自组织和多跳通信使适用于无线传感器网 络的专用无线通信软硬件技术尤其是无线通信软件技术成为一个全新的研究领 域，同时由于无线通信网络的功能与性能成为了决定无线传感器网络应用成败的 关键，因此支持无线传感器网络的无线通信网络技术应该作为无线传感器网络应 用研究的核心任务之受到更多的重视与关注。 1 3 2 嵌入式实时系统软件技术 无线传感器网络节点是一个典型的嵌入式系统，同时由于无线通信的异步特 性和传感器节点本身的信息采集等功能又要求系统对各种外部事件实时反应，这 就决定了无线传感器网络节点同时又是一个实时系统。因此，无线传感器网络节 点的软硬件设计必须要满足嵌入式系统和实时系统双重要求。 1 3 3 相关的硬件技术 现代计算机技术的发展，给人类文明带来了巨大的影响。计算机应用系统的 输入硬件主要是各种传感器，传感器技术的落后会极大的限制计算机功能的发 挥，如同人具有发达的大脑而没有灵敏的五官一样，传感器的发展将使计算机的 功能得到充分的利用，只有传感器与计算机技术协调发展，才能设计出真正能满 足需求的实用系统。 缨强：无线传懋器网络研究与实现 第审序论 执行器是构成自动控制系统不可缺少的重要部分，执行器在系统中的作用是 根据控制器的命令直接控制能量或物料等被控介质，达到调节温度、速度、压力 等物理参数的目的由于执行器代替了人的操作，通常被形象的称之为电予系统 的手脚。 自从1 9 7 1 年微型计算机问世以来， 展，微型机算计的发展出现了两个分支 随着大规模集成电路制造技术的不断发 一个是向高速度、高性能的高档方向发 展，p c 机、大型机就是这一发展方向的成果；另一个是向功能有限但稳定可靠 且微型廉价的嵌入式方向发展，这就产牛了把中央微处理器c p u 、随机存储器 r a m 、只读存储器r o m 、定时器计数器以及各种i o 控制器电路等主要的计算 机部件集成在同一片芯片上的完整的计算机系统。正是后者的不断发展为无线传 感器网络技术的产生提供了必要的物质基础。 1 4 本文的工作与文章组织 本文通过分析现有无线传感器网络节点的构架设计的利弊，提出将一个节点 分为传感与执行器平台和无线通信平台两大平台予系统的系统体系结构设计方 案，并将重点放在无线通信平台( s e n s o r r f ) 尤其是无线网络协议栈软件的设计 上，最后介绍了室内无线传感器网络的应用前景。 论文的第一章介绍了无线传感器网络的起源发展与现状，然后介绍了无线传 感器网络节点平台研制中所涉及到的技术重点与难点，重点阐明了无线通信网络 技术在无线传感器网络相关技术研究中的重要地位： 第二章首先详细分析了室内环境对无线传感器网络的挑战，然后阐述了各种 面向室内环境应用的室内无线传感器网络节点系统构架设计方案：一个完整的室 内无线传感器网络节点设计包括传感与执行器子平台和s e n s o r r f 无线通信子平 台，接着介绍了这两个子平台设计所涉及到的方法和流程。 第三章作为本论文的重点，着重讨论了s e n s o r r f 无线通信子平台的软硬件 详细设计尤其是无线通信网络协议栈软件的设计。第一节总述了s e n s o r r f 无线 通信平台的构架设计。第二节详细介绍了s e n s o r r f 的硬件系统设计；第三节介 绍了s e n s o r r f 的无线网络协议栈的设计，包括物理层协议、数据链路层协议和 网络层协议的设计与实现。第四节简要介绍了s e n s o r r f 无线通信平台和传感与 执行器平台之间的软件接口设计：第五节介绍了以r t x5 1r t o s 为基础的完整 的系统软件设计。 第四章介绍了室内无线传感器网络技术的应用前景。 第五章首先对本文的工作做了回顾与总结，最后对室内无线传感器网络未来 的发展方向、商业化和应用模式等其它方面的问题提出了自己的独特的想法与建 议，展望了未来室内无线传感器网络技术的应用远景。 缨强：无线f 感器网络研究与实现 第：章审内无线化感器网络节点设计 第二章室内无线传感器网络节点设计 2 1 传统意义上的无线传感器网络的特点和挑战 首先，传统意义上的无线传感器网络属于无线网络，而无线网络可以分为具 有基础设施的网络和没有基础设施的网络两大类。前者具有固定的和有线的基 站，网络节点从基站接收和向基站发送所有业务，这种网络的典型例子就是i e e e 8 0 2 1 1 a b g 系列无线局域网。无基础设施的无线网络的典型例子就是无线a d h o c 网络，无线a dh o e 网络 5 是由一组无线节点相互合作而组成的，不再需要 其它的基础设施并且采用分布式管理的一种自组织、自管理的网络。与传统的移 动蜂窝网络相比，无线a dh o e 网络中没有负责中继的慕站设施，网络中的每个 节点在分布式对等运行的同时具有路由器功能，可以发现并维护网络路由信息， 向相邻节点发射或转发分组，整个网络可以独立运行，也可以通过网关接入到有 线网络中。a dh o c 网络的起源可以追溯到1 9 6 8 年的a l o h a 网络和1 9 7 3 年 d a r p a 的分组无线电网络，当时的分组无线电网络主要用于大规模的军事与救 援行动，i e e e 在制定i e e e8 0 2 1 1 标准时，将分组无线电网络改称为a dh o c 网 络。a dh o c 来源于拉丁文，字面意义是“为特定目的或场合的”或“仅为这种 情况的”，因此可以将无线a dh o e 网络理解为专用无线网络。根据节点是否移动， 可以将无线a dh o c 网络分为移动a dh o c 网络和无线传感器网络，因此无线传感 器网络属于无基础设施( i n f r a s t r u c t u r e l e s sn e t w o r k ) 的无线a dh o c 网络。同传统 的以计算为核心的网络不同。无线传感器网络是以通信为核心的，其主要特征如 下： 高度自适应的自治能力：无线a dh o c 网络中的户节点都兼备数据采集和 无线网络路由功能，不存在一个网络中心控制点，用户节点之间的地位 是平等的：由于应用环境的限制，无线传感器网络必须是自我配置的， 网络路由协议必须能感知由于各种原因( 例如，在战场环境中某些传感 节点或网关节点可能会被毁坏无法工作，或者某些节点因电池能源耗尽 而无法工作) ，而导致无线传感器网络本身的拓扑结构所发生的变化， 具有很强的自适应性和健壮性。 多跳通信：由于低功率射频器件的信号传播范围有限，a dh o e 网络要求 支持多跳通信，即网络中每个节点都需具备路由器的功能。这种多跳通 信由此也带来了隐藏节点、暴露节点和公平性等问题。 能量受限的节点：移动节点依靠电池提供工作所需的能量。尽可能的降 低系统功耗将是影响网络协议栈设计的一个关键因素。 缨愠：无线传感器网络研究与实现 第带韶山无线忙感器网络节点设计 总之传统意义上的无线传感器网络面临的幸= 要技术挑战是在资源受限的条 件下完成感知、通信和控制功能。这些限制主要包括：有限的能量供应、有限的 计算能力、有限的存储空间和有限的通信能力。 2 2 室内环境对无线传感器网络技术的挑战 室内环境中的无线传感器网络系统已经突破了传统意义上的无线传感器网 络：首先节点异构化，不再完全由同类的节点组成：其次网络节点不再是完全静 止的，一方面由于某些办公电器或家电产品在环境中的位置并不固定，另一方面 室内环境中存在移动节点，例如，可以控制室内环境中所有电器的中央遥控器( 例 如，在p d a 上安装由家电厂商提供的控制软件) 。因此除了上述的传统意义上的 传感器网络面临的挑战外，室内无线传感器网络面临的丰要挑战来自于理论层面 的对移动节点的管理与相应的高效的路由算法的设计，其次是工程应用层面的实 施问题，即如何才能让来自不同电器j 商的各种电器设备以及传感器执干亍器系统 方便的互联。例如，在家居环境中的室内无线传感器网络：由于现代家居系统中 包括的家电种类繁多，而目前的各大家电生产商的产品只能是各有侧重，例如 p h i l i p s 的家用照明系统产品是同类产品中最好的，然而其洗衣机产品确未必有伊 莱克斯( e l e c t r o l u x ) 公司的产品好，此外再考虑到价格等其它因素，消费者很少会 一次性将电器购置齐全并且不太可能选用同一电器厂商的产品，因此如何实现这 些来自不同j 商的不同类型的电器产品之间的瓦联就成了未来的室内无线传感 器网络系统实用化要面临的主要挑战。 2 3 室内无线传感器网络节点设计 2 3 1 室内无线传感器节点的系统构架设计 嵌入式系统是面向应用的软硬件系统，不存在适用予所有应用的万能构架， 嵌入式系统构架设计决定了应用系统的可靠性、灵活性、性能和成本，可以说嵌 入式系统的构架设计成了决定嵌入式系统应用成败的关键。嵌入式系统的构架设 计实践性强，必须建立在对应用需求进行详尽分析的基础上，同时还要求系统设 计人员对该领域内现存的各种方案的利弊有较为全面的了解。 室内无线传感器网络节点可分为功能单一的传感器节点、执行器节点和兼具 传感与执行功能可独立工作的电气设备节点以及具有强大计算与存储功能的通 用处理平台节点( 例如p c 机) 等四大类节点，因此这种由形态结构和功能各异 的节点构成的室内无线传感器网络是一个异构网络。 缨强：无线f 感器网络研究与蜜现 第：章审内无线化感器网络节血| 殳汁 i 步进l 掣ii l 低n c p ui 1 电机卜+ 、+ 广十= i 或m c ur 执行器模块- i i 鬻h 熟h ； 扩展内存l i 一 二二二二二二二 耍圃 二二二二二二二 图2 1 单一结构的无线传感器网络节点 若在设计实现这些不同类型的室内无线传感器网络节点时仍采用如上图 所示的传统无线传感器网络节点的单一式的体系构架( 例如，u cb e r k e l e y 的 m i c a 6 ) ，将会出现以下的问题： 由于单一式构架中只有一个微处理器，其计算资源非常有限，在负责实 现节点本身的逻辑功能( 例如采集环境信息或者控制某个外部执行机 构等等) 的同时还要处理同通信相关的事务( 例如。作为信源节点发送 数据或者作为路由器转发其它节点的分组等等) 。由于这两大类任务都 属于异步实时任务，当节点本身的逻辑功能很复杂时，系统的实时性和 并行性变得很差以至可能产生通信过程中分组丢失的现象。 此外由于使用同个微控制器控制所有的外部设备如传感器、执行器 和无线通信器件等，而在具体节点的设计与实现时，根据节点的类型与 具体的功能需求的不同，可以选择的微处理器范围很大；此外根据应用 的不同系统的软件构架也有很大的差别，有的8 位系统由于功能单一， 结构简单不需要采用嵌入式操作系统，而有的系统功能复杂而且对实时 性要求很高，因此必须采用嵌入式实时操作系统，据不完全统计，目前 市场上存在的嵌入式操作系统有1 0 0 多种，例如w i n dr i v e r 的v x w o r k s 、 0 s 9 、s y m b i a n s 、n u c l e a r s 以及种类繁多的以l i n u x 为基础开发的针对 嵌入式系统应用的l i n u x 系列，如加强了系统实时性的r tl i n u x 、适用 于没有m m u 的嵌入式系统微处理器的u c l i n u x 等等，总之随着应用的 不同。节点的软硬件结构有很大的变化，这使系统的软硬件设计的复用 性很差。 由于无线传感器网络的多跳通信的特点要求该异构网络中的所有节点 能提供路由器功能也就是说处于同一环境中来自不同生产商的各种电 器和传感器设备必须采用相同的无线通信网络协议才能实现互联，然而 各电器生产商事先并不知道也不可能知道这种电器会同其它什么电器 处于同一环境中，因此除了在同一环境内采用来自同一电器厂商的产 品否则不可能实现来自不同家电厂商的产品的互联，然而电器产品种 类繁多，电器厂商也是各有侧重。目前还没有一个电器厂商可以提供工 缨强：无线传感器网络研究与实现 第审。 i 山无线f 0 感器网络节点设汁 业现场、办公与家居所需要的所有电器设备，因此采用这种单一结构 的无线传感器网络节点体系构架将不可能实现室内无线传感器网络的 互联。 为了解决上述问题，通过分析目前无线传感器网络应用范例并结合以前的传 感器系统应用经验，我们将整个无线传感器网络节点在逻辑上划分为两部分即同 节点的应用有关的功能逻辑部分( 例如，收集环境温度湿度等信息的传感器或微 型电机、可控硅、光耦和干簧管等执行器各种相关的控制算法等) 和无线通信部 分。 将系统分为传感器与执行器子平台和无线通信子平台一s e n s o r r f 两大模块， 这样这两大模块可以分别独立设计与实现并行的调试开发，降低了系统开发的成 本和研发周期以及系统投入使用后的符理与维护成本。此外，将电器本身的逻辑 功能部分与无线通信功能部分分开，各大电器生产商在设计自己的电器系统时， 无需在无线通信方面投入很多人力与资金去设计实现整个通信系统，而只需遵循 同无线通信平台的标准软硬件接口进行自己的通信应用层设计；由专门的公司负 责遵循传感与执行器平台与无线通信平台之间的软硬件接口标准设计与实现具 体的电器互联无线通信模块，要室内环境中的电器产品以及传感器产品互联时只 需要根据需求到市场上选购这些遵循某种标准的软硬件接口规范的无线通信模 块，这样就可以使来自不同生产厂商的不同种类的各种电器产品和传感器、执行 器方便互联了。 因此，在我们的原型系统中将室内无线传感器网络节点的设计分为负责实 现节点本身逻辑功能的传感与执行器子平台和实现无线通信功能的无线通信子 平台两个相对独立的软硬件子系统进行设计，后面将要介绍这两个平台的设计重 点和两个平台间的接口设计，最后在第五章中，本文将结合具体的实例示范采用 本文提出的这种体系构架的室内无线传感器网络节点的设计过程。 2 3 2 传感与执行器子平台的设计 传感与执行器平台负责实现节点本身逻辑功能，在上述室内环境中的四类网 络节点中，传感器节点、执行器节点这两类的节点的主要功能分别是采集环境信 息、控制外部执行机构，这两类节点的传感与执行器平台都要处理外部信号的采 集、外设控制、相关的数据缓冲和同无线通信平台的通信等异步实时任务，为了 使系统获得更好的实时性和并发性，一般需要采用实时操作系统内核，同时由于 这两类节点的传感与执行器平台的硬件一般都是8 位的微控制器，其计算与存储 资源都非常有限，因此，节能高效的超微型嵌入式实时操作系统的设计就成了这 两类节点的传感与执行器子平台的设计重点。由于支持传感器设备的超微型嵌入 式实时操作系统这部分内容是由项目组的其它同学负责，因此本文只重点介绍作 绺强：无线传感器网络研究与丈脱 第带市内无线化感器网络节点设计 者负责的无线通信平台一s e n s o r r f 的设计。 2 3 3 无线通信子平台s e n s o r r f 的设计 无线通信予平台的功能是向节点的传感与执行器予平台提供无线传感器网 络通信功能，因此它首先要支持单播或多播通信，要具备足各由功能，还要实现与 传感与执行器平台的接口的适配层。因此，室内无线传感器网络协议栈软件的设 计将是无线通信平台设计的重点，为了适应室内无线传感器网络中静态节点与移 动节点共存的格局，高效的路由算法设计将是这部分的重点。本文将在第三章中 详细讨论无线传感器网络协议栈的设计。 2 3 4 平台问的接口设计 在我们的原型系统中，将无线传感器网络节点分为传感与执行器予平台和无 线通信予平台两个相对独立的软硬件予系统进行设计，然而究竟应该在哪个层面 进行功能划分，两个部分的软硬件接口应该如何设计和实现? 首先这两个平台是有逻辑联系的，节点的传感与执行器子平台需要通过无线 通信予平台将采集到的数据发送给数据处理节点，还有可能通过无线通信子平台 接收来自数据处理节点的查询、配置或控制信息。无线通信部分中的主体即室内 无线传感器网络协议栈的软硬件可分为同基本的无线收发功能硬件决定的包含 了通信校验码算法和信道编解码算法的物理层协议。向上为支持物理信道共享和i 广播与多播的通信媒体访问控制层软件和负责路由转发的网络层软件，再上为同 与具体应用紧密相关的应用层协议，为了减少系统间的耦合和相互干扰，使系统 的逻辑功能单一化、模块化，我们决定将两个平台之间的软件接口放在网络协议 栈的网络层与应用层之间。传感与执行器平台主要负责实现包含了传输层协议在 内的同应用紧密相关的通信应用a p i ；无线通信平台负责实现网络协议栈中的物 理层、链路层和网络层协议软件。 目前，单片机系统中1 2 c 、s p i 等总线技术已经非常普及，然而从电器设备互 联的可行性和方便性出发( 例如，p c 机并不提供1 2 c 、s p i 总线插槽) ，两个平 台间的硬件接口不适宜采用这一类的内总线技术，应该采用外总线技术。通用串 行总线技术作为种使用广泛的外总线技术具有实现简单、成本低等优点，很多 的电器的硬件系统都提供了遵守e i a r s 2 3 2 标准的通用串行总线硬件接口，此外 作为传感器节点核心的微控制器一般也提供了通用串行总线控制器，同时由于通 用串行总线的带宽已足以满足室内无线传感器网络的通信需求并且从原型系统 开发调试的方便性出发我们采用符合e i ar s 2 3 2 标准的通用串行总线作为室内 无线传感器节点中两个平台之间的硬件接口。 缨灶：无线传感器网络研究与史现第三章无线通f 者! 鱼! 墨堑! ! ! ! ! ! 坠! 塑堕型兰i 兰型 第三章无线通信平台子系统s e n s o r r f 的设计与实现 3 1 平台的概要设计 3 1 1 平台的设计目标和设计时应考虑的因素 研制无线通信平台的目的是为了使通信机制与应用实现分离，并通过公开其 同传感与执行器予平台的软硬件接口来达到使来自不同家的不同类电器设备 方便互联的目的。s e n s o r r f 无线通信平台的主要功能是对传感与执行器平台完 全隐藏了无线传感器网络通信细节( 主要包括网络地址和网络协议两方面) 的同 时支持传感器节点的单播或多播通信。衡量平台设计优劣的主要因素主要是系统 的功能、价格和性能，其中性能因素又可以从系统实时性、系统的资源消耗、通 信传输率、通信的传输延时q o s 问题以及系统功耗等几个方面进行分析，这些 因素将是整个系统设计实现过程中技术方案选择与器件选型的主要依据。 3 1 2 平台设计的主要内容 无线通信予平台是个典型的嵌入式系统，设计内容包括软硬件两大部分， 设计的关键是在明确系统的功能要求的前提下，正确的确定软硬件的分工，以达 到功能、性能、灵活性和扩展性之间的平衡。通过对各种无线通信技术与器件的 调查分析，我们设计出了如下图所示的无线通信予平台原型系统构架。 传 癌 与 执 行 器 皿 台 无 线 通 信 皿 厶 l 传感与执行器平台的逻辑功能软件 ji 应用层协议软件 平台间串行链路通信协议 平台间接口硬件抽象层( p 2 p h a l ) 软件 r 平台间硬件接口 完整的 无线通信 平台间硬件接口 协议栈 平台间接口硬件抽象层( p 2 p h a l ) 软件 j 平台问串行链路通信协议 蓑毒 网络层协议软件 数据链路层协议软件 物理层协议软件 r f 硬件抽象层( i 吓h a l ) 软件 r f 硬件电路 j 1 图3 1s e n s o r r f 无线通信子平台原型系统掏架 第四节 讨论的内容 第二节 讨论的内容 第四节 讨论的内容 第三节 讨论的内容 第五节 讨论的内容 第二节 讨论的内窖 缨强：无线传感器网络研究与实现 第三章无线通信平台于系统s e n s o r r f 的设计与史现 3 1 2 1 平台的硬件系统设计 我们的无线通信予平台硬件系统可以分为无线通信电路、同传感与执行器平 台的接口电路和主控电路三大部分构成。 3 1 2 2 无线网络协议栈设计 作为无线通信予平台的核心和本论文工作的重点，无线通信部分的设计覆盖 了通信信道以及调制解调算法等相关的硬件设计问题，以及同硬件实现紧密相关 的事件同步、通信传输编码和上层同硬件实现无关的信道编码、信道复用算法和 媒体访问控制算法以及路由算法等软件的设计与实现。可以说无线通信电路实现 了单跳的通信，而无线网络协议栈在此基础上实现了多跳通信。由于同硬件相关 的无线通信接1 3 设计已经在上一部分中讨论了因此在这一部分我们将重点放在 同具体的硬件实现无关的上层通信软件的设计与实现上。 传感器网络中的无线通信软件是一个非常复杂的软件系统，并且它的很多核 心算法还可能随着应用需求的不同而改变，采用栈结构对其进行分层设计可以将 大而复杂的任务分化为容易解决的小任务，使各层软件的实现调试可以同时进 行，降低了系统实现和调试的整体复杂度，提高了开发效率，在提供强大逻辑功 能的同时赋予系统灵活性和扩展性。我们的网络协议栈的设计甘标之一就是使协 议栈内的各层协议模块化。我们无线通信平台原型系统上同硬件实现无关的网络 协议栈由物理层、数据链路层和网络层组成，具体的工作包括各层协议间的接e l 设计和本层协议核心算法的设计与实现。下面将分别介绍各层协议软件的设计。 这部分的内容将在本章第三节中介绍。 、 ：传感器节点设备i：传感器节点设备：传感器节点设备： 卜i 诗_ 烽擎笔芋咚凝炉笔嚣! 铡 i ：一璺! 曼1 i i 疆藉爰争i il 一! ! 曼节军；i 并i j f 璺竺曼 i j ：一登塑竺竺墨i j ：_ 塞堡竺兰堡；i i 。i ：塞璺竺竺里；l i 熊耋警誓籍一确付嵩柏萨i i 更差爨虿葡i ：ii 夏运石i 百一o ! il ：l1 匪瓣享fi ：ii一更丽i i 军苔i ：i l 生些些上ii1 【 k 些坚量if1 l - 里竺量ij 图3 - 2 无线网络协议栈示意图 3 1 2 2 1 无线网络协议栈设计概述 这部分讨论了原型系统的网络协议栈软件中各层软件的分工，重点介绍了无 线通信网络中的网络地址设计、可靠性保障以及服务质量等问题，然后确定了各 缨强：无线传感器网络研究与实现 第二带无线通f 占平台子系统s e n s o r r f 的汁与实现 层协议的设计甘标，接着讨论了同网络胁议栈实现紧密相关的协议栈数据包格式 以及协议栈的数据包缓冲等问题。 3 1 2 2 2 物理层协议设计 物理层协议的设计目标是在射频硬件提供的调制解调和硬件工作状态切换 等功能的基础上，向上一层协议即数据链路层协议提供在发送端将传输的原始数 据变换为适合无线信道传输的信号的信道编码以及接收端相反过程的信道解码、 原始数据帧的传输差错校验、用于实现链路层中媒体访问控制协议的信道状态检 测与通信启始信号检测等功能和用于减少系统功耗的射频硬件工作状态切换的 软件接口。 3 1 2 2 3 数据链路层协议设计 数据链路层协议主要功能包括信道的复用、通信冲突监测以及地址检查等， 此外由于无线传感器网络应用的特殊性我们将在t c p i p 中应有传输层实现的可 靠性保障放在数据链路层实现，因此，该协议的目标是向上层即网络层提供支持 单播和多播的可靠的与最大努力通信机制可选的软件接口。数据链路层协议主要 包括以防止通信冲突为目的的媒体访问控制( m a c ) 协议。 3 1 2 2 4 网络层协议设计 由于无线传感器网络属于多跳通信网络，因此每一个无线传感器网络节点都 可以充当路由器，中继转发其它节点发往相关节点的数据包。网络层协议是整个 无线通信网络协议栈的核心，它的主要目标是建立并维护无线传感器网络多跳通 信中使用的路由表，并根据本地地址信息和路由信息决定是否转发收到的数据 报，同时向上层即在传感与执行器平台中实现的应用层提供一个简单易用的软件 接口。 3 1 2 2 5 平台间接口软件设计 平台间接口的设计目标是屏蔽了传感器网络通信中的地址细节和网络协议 细节，使各种来自不同厂家的家电产品可以方便互联。这部分的接口软件包括平 台间硬件接口抽象层软件和平台间串行通信链路协议两部分。 3 1 2 2 6 完整的平台系统软件设计与实现 上面已经讨论了平台的硬件系统、无线通信平台的无线通信软件系统和其同 缪强：无线传感器网络研究与实小第三审无线通信平台子系统s e n s o r r f 的吐h 与实现 传感与执行器平台的接1 5 1 软件系统的设计与实现，但这些分立的软硬件系统仍然 是静态和分立的，整个平台仍然无法工作，因此我们接着介绍了可以同平台的硬 件系统相配合以提供平台功能的完整的平台系统软件的设计与实现。 3 1 3 平台的开发流程和开发调试工具简介 首先我们将上述讨论确定的平台的无线通信技术方案，然后对市场上实现这 一技术的具体产品进行芯片选型。接着根据具体通信芯片进行通信电路部分的硬 件设计，然后确定的无线通信予平台和传感与执行器予平台之间的硬件接口方案 确定合适的芯片，接着根据上述两个硬件予系统的需求确定系统的微控制器芯片 并基于此芯片设计出主控电路同两个子系统电路的硬件接口电路。硬件系统调通 之后，可以首先利用单片机仿真器等硬件仿真工具在裸硬件平台上进行嵌入式操 作系统在平台硬件上的移植、同硬件紧密相关的硬件抽象层软件以及简单显示功 能任务的开发和调试，然后进行无线通信平台与传感与执行器平台之间通过串口 的可靠的链路层协议软