（微电子学与固体电子学专业论文）基于嵌入式linux的无线传感器网络汇聚节点的研究.pdf

合肥工业大学 本论文经答辩委员会全体委员审查，确认符合合肥工业大 学硕士学位论文质量要求。 答辩委员会签名：( 工作单位、职称) 主席： 磁桫兹 委员： 棚梯锻物易嘎 v l7 文vl 砖亏 援反侬 够凯瑰彩 趣他 舵湖水刎 本学位论文作者完全了解金起王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权 金肥王些太 堂可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：矛敌、孳 签字日期如f | 年( | l 月2 7 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 卜寻 柳p 尹 一种新型网络。它能够实时采集和处理监测区域的信息，在军事、科学、工业 和医学等领域发挥着十分重要的作用。汇聚节点是无线传感器网络重要组成部 分，负责收集融合来自传感节点的数据与外界实现通信。因特网的蓬勃发展为 信息交流提供了重要的平台，利用汇聚节点将无线传感器网络中的数据发送到 因特网上可以实现传感数据的远程实时访问。 本文介绍无线传感器网络的基本概念和特点，分析无线通信协议 i e e e 8 0 2 1 5 4 z i g b e e 体系结构。研制了一种基于嵌入式l i n u x 的无线传感器网 络汇聚节点，该节点能够组建管理无线传感器网络并将无限传感器网络中的数 据以动态网页的形式提供给用户访问。 硬件部分选择a r m 9 处理器s 3 c 2 4 4 0 作为主控芯片，设计了射频模块 c c 2 4 3 0 、网络模块d m 9 0 0 0 与存储模块的电路并且给出了它们与a r m 9 的连 接方式。软件设计分为两个部分：首先是与硬件密切相关的嵌入式l i n u x 系统 软件开发平台的建立，包括嵌入式开发环境的搭建、u b o o t 的移植、嵌入式 l i n u x 系统的移植、根文件系统的建立、c c 2 4 3 0 驱动的设计和d m 9 0 0 0 网卡驱 动的移植。其次是远程监控体系的实现，在c 2 4 3 0 中实现无线网络的搭建管理 和数据汇聚融合的功能；在a r m 中移植一个嵌入式w e bs e r v e rb o a ，基于a j a x 技术与c g i 编程技术实现了无线传感器网络数据的动态网页监控。文章最后对 无线传感器网络汇聚节点的功能进行了验证，实验结果表明汇聚节点实现了无 线传感器网络数据接收的功能，并能够将数据以动态网页的形式提供给远端客 户。 关键词：无线传感器网络；汇聚节点；l i n u x ：a r m 9 ；w e b 服务器；a j a x w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ( w s n ) i san e wk i n do fn e t w o r kb a s e do nt h e t e c h n o l o g yo fm i c r o e l e c t r o n i c s ，w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n sa n de m b e d d e ds y s t e m ， w h i c hc a nr e a l t i m eg a t h e ra n dp r o c e s sd a t ai n f o r m a t i o n so ft h em o n i t o r e da r e aa n d i tp l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei nt h ef i e l d so fm i l i t a r y , s c i e n c e ，i n d u s t r ya n dm e d i c i n e a sa ni m p o r t a n tc o m p o n e n to fw s n ，s i n kn o d ei sr e s p o n s i b l ef o rc o l l e c t i n gd a t a f r o ms e n s o rn o d e sa n dc o m m u n i c a t i o nw i t ht h eo u t s i d ew o r l d t h er a p i d d e v e l o p m e n to fi n t e r n e tp r o v i d e sa ni m p o r t a n tp l a t f o r mf o ri n f o r m a t i o ne x c h a n g e i tc a na c h i e v er e a l t i m ea n dr e m o t ea c c e s so ft h es e n s o rd a t av i as i n kn o d et os e n d d a t af r o mt h ew i r e l e s ss e n s o rn e t w o r kt ot h ei n t e r n e t t h ec o n c e p ta n df e a t u r e so fw s na r ed e s c r i b e da n dt h ep r o t o c o ls t r u c t u r eo f t h ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o np r o t o c 0 1 i e e e 8 0 2 15 4 z i g b e ei si n t r o d u c e di nt h i s p a p e r t h e nad e s i g no fw s ns i n kn o d eb a s e do ne m b e d d e dl i n u xi sp r o p o s e di n t h i sa r t i c l ew h i c hc a nb u i l da n dm a n a g eaw s na n da l s oc a np r o v i d et h ed a t af r o m t h ew s nt or e m o t ec u s t o m e ri nt h ef o r mo fad y n a m i cw e bp a g e i nt h eh a r d w a r e t h ea r m 9p r o c e s s o rs 3 c 2 4 4 0i ss e l e c t e da st h em a s t e rc h i p t h ec i r c u i t so fr fc h i pc c 2 4 3 0 ，n e t w o r kc h i pd m 9 0 0 0a n dt h em e m o r ym o d u l e a r ea n a l y z e da n dt h ec o n n e c t i o n sb e t w e e nt h e ma n da r m 9a r ep r o v i d e di nd e t a i l s o f t w a r ed e s i g ni sd i v i d e di n t ot w op a n s o n ei st h ee s t a b l i s h m e n to fe m b e d d e d l i n u xs y s t e ms o f t w a r ed e v e l o p m e n tp l a t f o r mw h i c hi sc l o s e l yr e l a t e dt ot h e h a r d w a r e i nt h i ss e c t i o nt h et r a n s p l a n t a t i o no ft h eu b o o t ，t h et r a n s p l a n t a t i o no f k e r n e lo fe m b e d d e dl i n u x ，t h eb u i l d u po fr o o tf i l es y s t e m ，t h ed e s i g no ft h e c c 2 4 30d r i v e ra n dt h et r a n s p l a n t a t i o no ft h en e t w o r kd e v i c ed m 9 0 0 0d r i v e ra r e i n c l u d e d a n dt h eo t h e ri st h ed e s i g no fr e m o t em o n i t o r i n gs e r v e rs y s t e m t h e f u n c t i o no ft h eb u i l d u pa n dm a n a g e m e n to faw i r e l e s sn e t w o r ki si m p l e m e n t e db y t h ec c 2 4 30w h i c hi sa l s oi nc h a r g eo fd a t ac o l l e c t i o na n df u s i o n a ne m b e d d e db o a w e bs e r v e ri st r a n s p l a n t e di n t ot h ea r m 9 ，a n dt h e nt h ed y n a m i cm o n i t o r i n gp a g e f o rw s nd a t ai sa c h i e v e d w h i c hi sb a s e do nt h et e c h n o l o g yo fa j a xa n dc g i a t t h ee n do ft h i st h e s i s ，ap e r f o r m a n c ee x p e r i m e n to ft h es i n kn o d ei sp e r f o r m e d t h e r e s u l t so ft h et e s ts h o wt h a tt h es i n kn o d ec a nc o l l e c tw s nd a t aa n dp r o v i d et h e m t or e m o t ec l i e n ti nt h ef o r mo fad y n a m i cp a g e 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 ； s i n kn o d e ) l i n u x ：a r m 9 ；w e bs e r v e r ； a j a x 致谢 时光飞逝，岁月如梭，不知不觉中我已经完成了在合肥工业大学电子科学 与应用物理学院为期两年半的研究生学业。在此论文完成之际，首先感谢我的 导师刘士兴副教授，从论文的选题到课题的进展以至最终完成，都是在刘老师 的悉心指导下完成的。刘老师高深的学术造诣，严谨的治学态度、敏锐的学术 洞察力给我留下了深刻的印象，使我受益匪浅，并将对我今后的工作生活产生 深远的影响。在此，谨向我的导师致以崇高的敬意并表示衷心的感谢! 感谢我们实验室的所有同学，是他们在我研究生学习期间给予我不断的勉 励和无私的帮助，让我能够克服学习中遇到的各种困难，顺利地完成课题研究。 感谢这些陪我度过这两年半的朋友们，祝你们健康快乐，事业有成。 感谢电子科学与应用物理系的所有老师和工作人员，他们为我的学习、科 研提供了优良的环境，在此对他们的工作表示深深的感谢! 最后，谨以此文献给我最敬爱的家人，他们始终如一的支持和关爱，是我 前进的动力和精神支柱，谢谢您们多年来给予我无私的爱和奉献。 作者：谢武军 2 0 1 1 年3 月 2 1 2 无线传感器网络的特点一4 2 1 3 无线传感器网络节点”5 2 2 i e e e 8 0 2 15 4 z i g b e e 标准5 2 2 1i e e e 8 0 2 1 5 4 物理层规范“6 2 2 2i e e e 8 0 2 15 4 m a c 层规范”7 2 2 3 z i g b e e 网络层规范9 2 2 4 z i g b e e 应用层规范1 0 第三章汇聚节点的硬件设计1 1 3 1 总体结构“1 1 3 2s 3 c 2 4 4 0 l1 3 3 无线传输模块1 3 3 3 1c c 2 4 3 0 ”1 3 3 3 2 无线模块硬件电路设计1 4 3 4c c 2 4 3 0 与$ 3 c 2 4 4 0 的通信1 6 3 5 网络接口电路l7 3 6 数据存储系统1 8 3 6 1s d r a m 存储系统设计1 8 3 6 2f l a s h 存储系统设计18 3 7 硬件电路其它模块1 9 第四章嵌入式系统软件平台2 0 4 1 l i n u x 操作系统2 0 4 1 1l i n u x 操作系统的特点2 0 4 1 2l i n u x 操作系统结构”2 1 4 2嵌入式l i n u x 开发环境的建立2 2 4 2 1 交叉编译2 2 4 2 2 交叉编译环境的建立2 3 4 3 u b o o t 的移植2 3 4 3 1b o o t l o a d e r 2 3 4 3 2u b 0 0 t 的移植，2 4 4 6c c 2 4 3 0 设备驱动程序”3 0 4 6 1c c 2 4 3 0 设备驱动加载与卸载函数3 l 4 6 2 字符设备驱动的f i l eo p e r a t i o n s 结构体中的函数3 1 4 6 3 中断程序3 3 4 7 d m 9 0 0 0 网络设备驱动3 4 4 7 1l i n u x 下网络设备驱动的结构3 4 4 7 2l i n u x 下d m 9 0 0 0 驱动程序分析3 5 4 7 3d m 9 0 0 0 网卡驱动程序重要功能的实现”3 5 4 7 4d m 9 0 0 0 网卡驱动的移植”3 8 4 8 根文件系统的建立3 9 4 8 1 根文件系统3 9 4 8 2 根文件系统镜像的制作3 9 第五章远程监控软件系统4 l 5 1c c 2 4 3 0 无线通信模块”4 1 5 2a r m 中c c 2 4 3 0 监控程序4 3 5 3嵌入式b o aw e b 服务器的实现4 3 5 3 1w 曲技术分析4 3 5 3 2 嵌入式w 曲服务器4 4 5 3 3b o aw c b 服务器流程4 5 5 3 4b o aw e b 服务器的移植4 5 5 4 基于a j a x 的实时监控动态网页4 7 5 4 1a j a x 应用模式“4 7 5 4 2l i n u x 下c g i 编程实现4 9 5 4 3 基于f i l e s y s t e m o b j e c t 对象数据存储5 l 第六章测试与展望5 4 6 1系统测试实验5 4 6 2 总结与展望5 5 参考文献5 7 攻读硕士学位期间发表的论文6 0 图2 1 无线传感器网络系统构成”4 图2 2 无线传感器节点体系结构5 图2 3z i g b e e 通信标准体系结构6 图2 48 6 8 9 15 m h z 物理层信号处理过程”7 图2 52 4 g h z 物理层信号处理过程7 图2 62 4 g h z 物理层信号处理过程7 图2 7 超帧结构8 图2 8m a c 帧结构8 图2 9 控制信息结构9 图2 1 0z i g b e e 网络规范结构框架”9 图2 1 1z i g b e e 网络规范结构框架1 0 图3 1 系统硬件总体框图1 1 图3 25 级流水线流程1 2 图3 3 c c 2 4 3 0 内部结构示意图“1 3 图3 4 射频模块原理图1 4 图3 5 巴伦电路微带形状图1 5 图3 6c c 2 4 3 0 编程器接口电路图“1 5 图3 7 $ 3 c 2 4 4 0 与c c 2 4 3 0 的硬件连接图1 6 图3 8 c c 2 4 3 0 与s 3 c 2 4 4 0 通信时序图“1 7 图3 9s 3 c 2 4 4 0 与d m 9 0 0 0 硬件连接示意图”1 7 图3 1 0 a r m 9 模块外围电路s d r a m 电路图”1 8 图3 11a r m 9 与f l a s h 连接示意图”1 9 图3 1 2a r m 复位电路图1 9 图4 1l i n u x 操作系统结构图2 1 图4 2l i n u x 内核的组成部分2 1 图4 3 交叉编译图2 2 图4 4b o o t l o a d e r 加载内核和文件系统2 3 图4 5l i n u x 内核配置界面图2 9 图4 6 设备驱动与系统及硬件设备的逻辑关系图3 0 图4 7l i n u x 网络设备驱动程序体系结构3 4 图4 8d m 9 0 0 0 驱动主程序流程与中断处理流程3 5 图4 9d m 9 0 0 0 驱动探测函数流程3 6 图4 1 0d m 9 0 0 0 驱动数据包发送流程3 7 图4 1 1d m 9 0 0 0 驱动数据包接收流程3 7 图5 1 远程监控服务软件体系结构”4 l 图5 2i a r 编程环境示意图4 1 图5 3c c 2 4 3 0 程序基本流程4 2 图5 4c c 2 4 3 0 控制程序流程4 3 图5 5 嵌入式w e b 服务器内部模块关系图4 4 图5 6b o aw e b 服务器工作流程4 5 图5 7b o aw 曲服务器移植流程4 6 图5 8 传统w e b 应用模式与基于a j a x 的w e b 应用模式对比“4 7 图5 9a j a x 处理流程图4 9 图5 1 0c g i 程序流程5 0 图5 1 l 数据存储过程5 2 图5 1 2 基于f i l e s y s t e m o b j e c t 一次数据存储流程“5 3 图6 1 系统实验原理图o 5 4 图6 2 无线传感器网络实时数据监测页面”5 5 表格清单 表1 1 我国因特网发展情况”1 表1 2 几款嵌入式操作系统比较? “2 表2 1 载波频段参数7 表3 1 巴伦微带尺寸表1 5 表4 1u b o o t 结构目录表2 5 表4 2l i n u x 内核源码目录表2 7 表4 3 根文件系统目录表3 9 表5 1r e a d y s t a t e 属性表4 8 表5 2i o m o d e 参数表”5 2 第一章绪论 1 1 课题研究意义 人类社会现在正处于一个高速发展的信息时代，无线传感器网络( w s n ) 作为新型的信息获取系统已经掀起了信息科学领域中的一场革命。d e s t r i n 预 见性地指出：无线传感器网络将是二十一世纪人类信息研究领域最主要的挑战 之一【l 】。无线传感器网络可以在民用和军用领域发挥重要作用：在民用领域， 无线传感器网络可以用于生态环境监测、住宅安全监测、道路交通监测、工业 生产自动化、分布式机器人等等方面；在军用领域，无线传感器网络可以用于 国土安全，战场侦查、战场监测、目标定位、目标跟踪与目标识别等方面。正 是因为无线传感器网络的强大功能，美国商业周刊预测：在不久的将来，无线 传感器网络技术将和其它三项信息技术一起掀起新的产业浪潮【2 】。我国对于无 线传感器网络技术的发展也十分重视，2 0 0 6 年初我国制定并发布的国家中长 期科学与技术发展规划纲要【3 】为我国信息技术的研究提出了3 个前沿方向， 其中两个与无线传感器网络相关：智能感知技术与自组织网络技术，可见重视 之程度。 随着计算机网络技术和通信技术的发展，因特网作为一个大型广域计算机 网络得到了极大的发展并在当今社会中发挥着极其重要的作用，在人们的生活 中随处可见因特网。表1 1 是中国互联网信息中心发布的近几年来我国因特网 发展状况。 表1 1 我国因特网发展情况 统计时间上网计算机上网用户数c n 下注册的w w w 站点数国际线路总 数( 万) ( 万)域名数容量( m b s ) 1 9 9 7 1 02 9 96 24 0 6 61 5 0 02 5 4 0 8 1 9 9 9 17 4 72 1 01 8 3 9 65 3 0 01 4 3 2 5 6 2 0 0 1 18 9 22 2 5 01 2 2 0 9 9 2 6 5 4 0 52 7 9 9 2 0 0 3 12 0 8 35 9 1 01 7 9 5 4 4 3 7 1 6 0 09 3 8 0 2 0 0 5 14 1 6 09 4 0 04 3 2 0 7 7 6 6 8 9 0 07 4 4 2 9 2 0 0 7 15 9 4 01 3 7 0 01 8 0 3 3 9 3 8 4 3 0 0 02 5 6 6 9 6 在因特网的广泛使用的情况下，将无线传感器网络接入因特网后就可以使 客户在远端很方便地通过因特网实时监控无线传感器网络中的数据，这是无线 传感器网络走向广泛的商业应用非常重要的一步。 随着信息技术的发展，人类已经进入了后p c 时代，在后p c 时代，一场因 特网的革命已经悄然在进行，这场革命的目的在于今后的因特网中，不仅可以 将数以亿计的p c 机联网，而且越来越多的内置计算控制芯片的装置比如仪表、 智能家电、智能楼宇控制系统和工业现场设备等等也可以实现接入因特网的功 能。导致这场革命的关键技术就是嵌入式i n t c r n e t 技术。嵌入式系统是信息产 业在2 l 世纪知识经济时代中最重要的经济增长点之一【4 j 。 嵌入式i n t e r n e t 技术是以太网技术和嵌入式技术结合的一个必然产物，它 是近几年发展起来的_ 项新兴的技术，已经成为计算机远程监控技术研究中的 热点与重点。嵌入式i n t e r n e t 技术的功能就是实现i n t e r n e t 的信息范围更广，信 息类型更多，使得i n t e m e t 的网络覆盖更大，而将无线传感器网络数据接入 i n t e r n e t 也正是基于这一目的，使得无线传感器网络中的数据可以被普通的 i n t e r n e t 用户访问。 嵌入式i n t e r n e t 的发展得益于嵌入式技术的蓬勃发展，嵌入式i n t e r n e t 的实 现要求嵌入式设备软件上实现i n t e r n e t 通信协议( 也有部分嵌入式设备是硬件 实现t c p i p 协议的，例如w i z n e t 公司w 7 1 0 0 就是硬件实现t c p i p 协议栈 的) 能够完成数据包的封装解压以及接收与发送；硬件上要求嵌入式设备具有 一定的运算处理和数据处理能力。 嵌入式处理器和嵌入式操作系统是嵌入式应用系统的核心技术部分。目前 市场上的嵌入式处理器类型非常之多，仅3 2 位的c p u 架构体系芯片就有1 0 0 种以上型号，最具代表性的有x 8 6 、a r m 、p o w e rp c 、m i p s 等。其中的a r m 处理器由于其低成本高性能的特性，使得国内外的嵌入式系统处理器选型越来 越集中在a r m 处理器上。 由于嵌入式系统的功能越来越强大，使得嵌入式软件的研发越来越困难， 这个时候，就希望有一个通用稳定的软件集合模块为系统提供存储分配与管理、 进程间的通信、进程控制、中断控制及定时相应等功能，这部分软件集合就是 嵌入式操作系统所实现的功能【5 】。嵌入式操作系统使得嵌入式软件研发变得方 便而又快捷，嵌入式操作系统现在已经成为嵌入式研发中的一个热点和重点， 国内外目前比较流行的嵌入式操作系统主要有几款，表1 2 是对它们的比较6 1 。 表1 - 2 几款嵌入式操作系统比较 操作系统内核大开放性系统服务可定制性应用 小 p a l m o s几十k b多种软件支支持图形界面，可自由定主要是p d a 开发 持t c p 刀p 协议制 q n x 1 2 k b支持多种设备管理，t c p m可自由定 机项盒、消费类电子 c p u 、总线和协议，图形窗口支制和服务器系统等 外设持 u c o s最小可支持多种提供基本的内核服需要定制工业控制 到2 k bc p u 、代码开务服务不多 放 w i n c e核心在厂商支持图形窗口、t c p 口约束多，车载电脑、掌上电脑 5 0 0 k ，工具下有很协议、多种文件系定制很不 整个系好的开放性 统 方便 统约 1 5 m 嵌入式几十k b可得到u n 各种网络协议、x可完全自各个领域 l i n t l x到l m的全部开发w i n d o w $ 、u n 用由定制 工具，代码开 户的开发工具和应 放用软件、多种高级 语言编译器 2 嵌入式l i n u x 操作系统由于其诸多优势，例如源码开放，强大的网络功能， 稳定的内核，丰富的开发工具使得嵌入式l i n u x 操作系统得到大量采用，使用 嵌入式l i n u x 操作系统的嵌入式设备遍布各个领域。特别是强大的网络功能， 可以帮助开发人员十分方便地进行嵌入式i n t e m e t 的研发。本文就是硬件上采 用a r m 芯片，软件上采用嵌入式l i n u x 操作系统的基础上进行研发，最终实 现了无线传感器网络的嵌入式i n t e r n e t 接入。 1 2 课题的主要工作和论文结构 汇聚节点是无线传感器网络的核心部分，本文研究设计了一种基于a r m 9 与嵌入式l i n u x 的无线传感器网络汇聚节点，该节点能够实现无线传感器网络 探测数据的i n t e r n e t 接入，以实现远程监控。本文的章节安排如下： 第一章：绪论。介绍无线传感器网络的嵌入式i n t e r n e t 接入技术研究意义 和论文所做的主要工作及论文结构。 第二章：无线传感器网络概述。阐述无线传感器网络的概念和特点，分析 无线传感器网络通信协议标准i e e e 8 0 2 1 5 4 z i g b e e 。 第三章：汇聚节点硬件设计。在给出系统总体框架的基础上，具体分析了 各个模块的电路设计与各模块与主控芯片a r m 9 之间的连接。 第四章：嵌入式系统软件平台。介绍与硬件密切相关的嵌入式软件平台的 实现工作，主要包括嵌入式l i n u x 操作系统内核的移植、设备驱动的实现及根 文件系统的创建。 第五章：远程监控软件系统。在嵌入式l i n u x 系统软件平台上移植了一个 嵌入式w e b 服务器，实现了基于a j a x 技术与c g i 编程的动态网页监控技术。 第六章：测试与展望。设计了实验对汇聚节点进行功能测试，并提出下一 步工作目标。 图2 - 1 无线传感器网络系统构成 无线传感器网络中的传感器节点可以感知被探测区域中的一种或者多种参 数，探测数据沿着其它的节点进行多跳路由，在整个传输过程中，数据可能被 多个节点整合最后到达汇聚节点。汇聚节点将无线传感器网络采集到的数据通 过外部网络例如互联网，卫星通信网络或移动通信网络提供给客户实现远程监 控【7 1 。 2 1 2 无线传感器网络的特点 无线传感器网络与传统的无线通信网络相比，有以下几个特点邛】： ( 1 ) 规模大：为了获取信息的准确性，通常在监测区域会部署成千上万个 节点，甚至更多。无线传感器网络的大规模性的包含两方面的含义，一是无线 传感器网络探测区域大，比如要对某原始森林进行火灾探测和环境监测，就需 要在整个森林中部署大量的节点；二是传感器节点部署密集，在单位区域内需 要部署的节点多。 ( 2 ) 自组织：无线传感器网络经常使用在一些环境比较恶劣的地方，比如 要对某个无人区域进行环境探测，有时候会用飞机撤播节点，在类似的情况下， 节点的布置过程中，不能准确无误地固定每个节点的位置，甚至各个节点之间 的逻辑关系也不清楚，这就需要节点之间能够自动进行配置管理，自组织地形 成一个通信网络。 ( 3 ) 动态网络：有很多原因会使得无线传感器网络的拓扑结构发生变化， 4 例如由于很难给节点续能，部分节点会因能量损耗而失效：还有些会因为环境 的变化使节点时断时通；有些传感器节点在设计的过程中就设计成可移动的； 还有新的节点随时有可能加入网络从而改变网络的拓扑结构。无线传感器网络 的动态性就要求其有极强的自适应性。 ( 4 ) 以数据为中心：无线传感器网络的应用过程中，使用者关心的是某个 区域某个指标观测的值，而不会去关注某个节点的探测数据，以数据为中心的 特点要求无线传感器网络摆脱传统通信网络的寻址过程，而快速有效的组织起 各节点的信息融合，从中提取有用的信息向用户传递。 ( 5 ) 硬件资源有限：无线传感器网络节点体积小这就使得节点能量、数据 处理能力和存储空间比较小。由于节点的能量限制，这就要求在整个无线传感 器网络的设计过程中，从软件到硬件都要考虑到低功耗的问题，延长网络寿命； 数据处理能力与存储空间有限就要求在通信协议的设计时尽量采用一些简单的 容易实现的协议。 2 1 3 无线传感器网络节点 无线传感器网络节点是用于布置在探测区域以感知发送信息并且能够转发 来自别的节点的信息的装置，无线传感器网络节点结构如图2 2 所示，由处理 委u 整蓄 l 模块 处理器模 传感 器模 块 能量供应模块 图2 - 2 无线传感器节点体系结构 器块、传感器模块、射频通信模块和能量供应模块组成。传感器模块主要由传 感器和a d 转换器构成，负责探测区域内的信息的采集与数据转换，然后将数 据发送到控制存储模块。处理器模块是传感器网络节点的核心部分，负责控制 各个部分的工作，处理与存储传感器模块采集的以及其它节点发送过来的数据。 射频通信模块实现节点的无线通信功能，负责发送和接收感知信息与控制信息。 能量供应模块为整个节点提供能量供应，一般采用的是微型电池以减小节点的 体积。 2 2 i e e e 8 0 2 1 5 4 z i g b e e 标准 在无线传感器网络通信标准方面，i e e e 8 0 2 1 5 4 z i g b e e 通信标准由于其低 功耗、低成本的特征已经逐渐为业内所接受并推广。 - i e e e s 0 2 1 5 4 工作小组的成立是为了开发一种具有复杂度低、设备功耗低、 实现成本小的低速率的w p a n ( l r - w p a n ，l o w - r a t ew i r e l e s sp e r s o n a la r e a n e t w o r k ) 标准9 1 。i e e e s 0 2 1 5 4 工作小组为此专门制定了物理层和m a c 层的标 准。z i g b e e 联盟在i e e e 8 0 2 15 4 标准的基础上扩展了网络层和应用层框架的设 计1 们，z i g b e e 通信标准结构体系如图2 3 所示。z i g b e e 网络层主要用来实现无 线z i g b e e 通信网络的网络连接、网络安全和数据管理等功能；z i g b e e 应用层 是针对z i g b e e 网络的一些具体应用提出了一些具体的应用模型框架。 z i g b e e 应用层 z i g b e e 网络层 i e e e 8 0 2 15 4m a c i e e e 8 0 2 15 4 8 6 8 9 15 mp h y i e e e 8 0 2 15 4 2 4 gp h y _ 田 唧 唧 o t 、j 协 4 、 图2 3z i g b e e 通信标准体系结构 n 岛 o o 承 醯 2 2 1i e e e 8 0 2 1 5 4 物理层规范 物理层定义了物理信道和m a c 层之间的接口，提供物理层数据服务和物 理层管理服务。物理层数据服务实现从物理信道中收发数据，物理层数据管理 服务实现的是维护由物理层数据组成的数据库。 i e e e s 0 2 1 5 4 规定物理层实现的功能主要如下： ( 1 ) 数据的发送与接收 ( 2 ) 物理信道能力检测 ( 3 ) 射频收发器的激活与关闭 ( 4 ) 空闲信道评估( c c a ，c l e a rc h a n n e la s s e s s m e n t ) ( 5 ) 链路质量指示 ( 6 ) 物理层参数的 一、信道划分与载波调制 i e e e s 0 2 1 5 4 标准在物理层定义了通信所使用的三个载波频段： 8 6 8 8 6 8 6 m h z 、9 0 2 9 2 8 m h z 和2 4 0 0 2 4 8 。3 5 m h z ，并将这些波段划分为2 7 个信道，每个信道的中心频率规定如下【1 1 】： f = 8 6 8 3 m h zk = 0 f = 9 0 6 + 2 ( k 一1 ) m h zk = i ，2 ，3 ，1 0 f - - 2 4 0 5 + 5 ( k 1 1 ) m h z k = i l ，1 2 ，1 3 ，2 6 其中f 为中心频率，k 为信道编号。2 4 0 0 2 4 8 3 5 m h z 为全球通用频段， 8 6 8 8 6 8 6 m h z 为欧洲附加i s m 频段，9 0 2 9 2 8 m h z 为美国附加i s m 频段。 i e e e 8 0 2 1 5 4 标准对不同的频段上的信号处理过程使用的速率、以及调制 方式进行了不同的规定，如表2 1 所示： 6 送信标帧；设备与信标的同步；p a n 网络的关联和取消关联；为设备的安全性 提供支持；支持时槽保障( g u a r a n t e e dt i m es l o t ，g t s ) 机制；免冲突载波检测 多路访问( c s m a c a ) 的信道接入【1 2 】；为两个对等的m a c 实体之间提供可靠 的通信链路。介绍一下i e e e 8 0 2 1 5 4 标准中几个比较重要的规范。 一、超帧结构 i e e e 8 0 2 1 5 4 标准中采用时槽机制给有数据发送请求的设备分配时隙，时 槽机制的实现需要网络时间同步的支持，在i e e e 8 0 2 1 5 4 标准中采用超帧结构 实现网络时间的同步与设备时隙的分配，超帧结构如图2 7 所示。 l n 一v ， r v 藏, 争访( c f 问时p ) 段鬻争访( c f p 问) 信标帧 i 一一 _ 势霹群擎擘呷辅蟛鼍弦 _ 不活跃时期 m 磊女僦翩盔“矗矗m 。 illi l 0 2l 佻0 20 2 8 可变 2 目的p a n 目的地址 源p a n 源地址 帧控制 序列弓 标识符标识符 净荷帧校验 地制域 m a c 帧尾 m a c 帧负载m a c 帧头 表2 1 载波频段参数 物理层码率波特率符号 ( m h z ) 频段( 瑚z ) 调制方式符号 ( k c h i p s ) ( k b s )速率 8 6 8 8 6 8 6 3 0 0 b p s k 2 02 0 二进制 8 6 8 9 1 5 9 0 2 9 2 86 0 0b p s k4 04 0 二进制 2 4 5 02 4 0 m 乞4 8 3 52 0 0 0 o - q p s k 2 5 0 6 2 5 1 6 进制正交 8 6 8 m h z 和9 1 5 m h z 频段在物理层的信号处理基本上是一致的，只是速率 略有差别，其过程如图2 4 所示。8 6 8 9 1 5 m h z 物理层先将理层协议数据单元 ( p h yp r o t o c o ld a t au n i t ，p p d u ) 的二进制数据位进行差分编码，然后将差分 编码的数据位映射成长度为1 5 位的伪随机噪声数据码片，数据码片经过b p s k 调制加载到信道上。 二相相移 键控调制 p p d u - - 进制 数据码片( b p s k ) 数据 差分编码 信号 图2 - 48 6 8 1 9 15 m h z 物理层信号处理过程 2 4 g h z 频段物理层信号处理过程图2 5 所示。先将p p d u 中的二进制数据 位中的每四位转换成一个符号( s y m b 0 1 ) ，再将每个符号映射转化为长度为3 2 位的伪随机噪声数据码片，数据码片再经过0 q p s k 调制加载到信道中。 p p d u -