（通信与信息系统专业论文）基于wifi的无线传感器网络节点的设计及应用.pdf

本人 尽我所知 已经发表 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已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论 本人签名： 处，本人承担一切相关责任。 日期： 丝! ! ：；：1 2 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研 究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可 以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、 汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论文注 释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名：虿堑盎 日期： ! 竺：! ：! 兰 导师签名： i1 2 、丛 日期： 硷么芝3 。z 丝 基于w i - f i 的无线传感器网络节点的设计及应用 摘要 近年来，随着传感技术、无线通信技术以及低功耗嵌入式技术的快速 发展，无线传感器网络领域的研究在国内外众多科研机构迅速展开，并 已经成为了业界关注的热点。 目前，z i g b e e 协议作为一种近距离、低功耗、低成本的无线网络技术， 已被广泛应用于无线传感器网络中。然而，随着研究的逐步深入，其组 网较复杂、数据传输速率低等特点也逐渐显现出来，并且从一定程度上 限制了其在更广泛领域内的应用和进一步的发展。 无线保真技术( w i r e l e s sf i d e l i t y , w i f i ) 具有传输速率高、传播距离远、 覆盖范围广等特点，在无线局域网应用中得到了迅猛的发展。然而在过 去很长的一段时间内，w i f i 的高功耗、高成本和高复杂度等因素严重阻 碍了其在无线传感器网络中的应用，但随着w i f i 技术以及基于w i f i 技术的无线局域网建设的快速推广，这些影响因素在近年来逐步得到了 解决，基于w i f i 技术的无线传感器网络的应用时机已经成熟。 本文完成了一种基于w i f i 技术的无线传感器网络节点嵌入式软硬件 系统的设计及实现。其中，传感器节点硬件采用高集成、超低功耗的微 型芯片g s l 0 1 0 作为主控制器，实现了温湿度、光照、加速度传感器模块 以及其它外围通信、接口模块的硬件设计；节点软件基于u v e l o s i t y 嵌入 式实时操作系统和i p 网络协议栈，完成了底层驱动程序及系统应用程序 的开发，实现了传感器数据、所连接a p 的接收信号强度指示( r e c e i v e d s i g n a ls t r e n g t hi n d i c a t o r , r s s i ) 等数据的采集和网络传输功能。此外，文 中还实现了对多个a p 的r s s i 值的数据采集工作，并配合服务器端软件 成功地完成了节点的实时定位实验。最终结果表明：节点工作正常，性 能较稳定，能够准确地获取各传感数据及其它应用相关数据，与服务器 建立连接并完成数据的网络传输，具有一定的可用性，能够应用于无线 传感器网络的传感数据采集以及室内实时定位等相关领域。 关键j , 再- - - j ：无线传感器网络；w i f i ；z i g b e e ；传感器节点；r s s i ；u v e l o s i t y l l d e s i g na n da p p l i c 棚o no faw i - f ib a s e d w i r e l e s ss e n s o rn e l r w o r k sn o d e a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fs e n s o rt e c h n o l o g y , w i r e l e s s c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , a n dl o w p o w e re m b e d d e dt e c h n o l o g y , w i r e l e s s s e n s o rn e t w o r k s ( w s n s ) h a v eq u i c k l yb e c o m et h er e s e a r c hh i g h l i g h tb o t ha t h o m ea n da b r o a d a sas h o r t d i s t a n c e ，l o w p o w e r , l o w c o s tw i r e l e s sn e t w o r kt e c h n o l o g y , z i g b e eh a sb e e nw i d e l yu s e di nw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k sr e c e n t l y h o w e v e r , w i t ht h ef u r t h e rd e v e l o p m e n to ft h er e s e a r c h ，i t sc o m p l e xn e t w o r k i n g ， l o w r a t et r a n s m i s s i o nh a v e g r a d u a l l ye m e r g e d ，a n d l i m i t e di t sf u r t h e r d e v e l o p m e n ta n d w i d e rf i e l do fa p p l i c a t i o n w i f ih a sd e v e l o p e dr a p i d l ya saw i r e l e s sl a nt e c h n o l o g yb e c a u s eo fi t s h i g h t r a n s m i s s i o nr a t e ，l o n gp r o p a g a t i o nd i s t a n c e ，a n dw i d ec o v e r a g e h o w e v e r , d u r i n gt h ep a s tl o n gp e r i o do ft i m e ，i t sa p p l i c a t i o n si nw s n s h a v e b e e nh e l db a c ks e v e r e l yb yi t sh i g hp o w e rc o n s u m p t i o n ，h i g hc o s t sa n dh i g h c o m p l e x i t y b u ta st h er a p i de x t e n s i o no fw i f it e c h n o l o g ya n dw i - f i b a s e d n e t w o r kc o n s t r u c t i o n ，t h e s ei n f l u e n c ef a c t o r sh a v eb e e nr e s o l v e dg r a d u a l l y , a n di t st h er i p et i m ef o rt h ea p p l i c a t i o n si nw s n s t h i sp a p e rh a sc o m p l e t e dt h ee m b e d d e dh a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g n a n di m p l e m e n t a t i o no fak i n do fw i f i b a s e dw s n sn o d e w i t ht h eh i g h l y i n t e r g r a t e d u l t r a 1 0 wp o w e rg s l 0 1 0s o ca st h em a i nc o n t r o l l e r , t h es e n s o r n o d eh a r d w a r er e a l i z e dt h ed a t ac o l l e c t i o na n dn e t w o r kt r a n s m i s s i o n o f e x t e r n a lt e m p e r a t u r ea n dh u m i d i t ys e n s o r , l i g h ts e n s o r , a c c e l e r a t i o ns e n s o r , b a t t e r yv o l t a g ea n dr e c e i v e ds i g n a ls t r e n g t hi n d i c a t o r ( r s s i ) b a s e d o n u v e l o s i t ye m b e d d e dr e a l - t i m eo p e r a t i n gs y s t e ma n di pn e t w o r kp r o t o c o l s t a c k ，t h es e n s o rn o d es o f t w a r ew a sd e s i g n e di n c l u d i n gs e n s o rd r i v e r sa n d s y s t e ma p p l i c a t i o ns o f t w a r ed e v e l o p m e n t f i n a l l y , i n t h i sp a p e r , t w oe x p e r i m e n t sw e r ed e s i g n e dt o v e r i f y t h e p e r f o r m a n c eo ft h es e n s o rn o d eh a r d w a r ea n ds o f t w a r e ，i n c l u d i n gas e n s o r i i i i n f o r m a t i o nc o l l e c t i o ne x p e r i m e n ta n di n d o o rr e a l t i m el o c a t i o ne x p e r i m e n t t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w st h a t t h es e n s o rn o d ew o r k sn o r m a l l yw i t ha s t a b l ep e r f o r m a n c e ，w h i c hc a na c q u i r et h es e n s o rd a t aa n do t h e ra p p l i c a t i o n r e l a t e dd a t a ，e s t a b l i s hac o n n e c t i o nw i t ht h es e r v e ra n dr e a l i z et h ed a t a n e t w o r kt r a n s m i s s i o na c c u r a t e l y a sar e s u l t ，c o o p e r a t i n gw i t ht h es e r v e r a p p l i c a t i o ns o f t w a r e ，t h es e n s o rn o d eh a ss u c c e s s f u l l ya c h i e v e dt h es e n s o r i n f o r m a t i o nc o l l e c t i o na n di n d o o rr e a l t i m el o c a t i o nc a p a b i l i t i e s k e yw o r d s ：w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s ；w i - f i ；z i g b e e ；s e n s o rn o d e ；r s s i ； u v e l o s i t y i v 第一章 1 1 1 3 1 4 第二章 2 1 1 1 1 1 2 1 1 w i f i 的由来9 2 1 2w i f il 联盟9 2 2 i e e e 8 0 2 1 1 标准1 0 2 2 1网络拓扑结构1 0 2 2 2协议体系1 1 2 2 3物理层协议1 2 2 2 4m a c 层协议1 3 2 2 5网络管理1 5 2 3w i f i 技术的发展1 8 2 3 1网络建设1 8 2 3 2技术应用1 9 2 4本章小结2 0 第三章节点的硬件设计2 1 3 1节点构成2 1 3 1 1组成结构2 1 3 1 2 具体设计2 1 3 2电源供应模块2 2 3 3处理器模块2 3 3 3 1芯片介绍2 3 3 3 2内部结构2 5 v 3 3 3 外围接口。2 7 3 4传感器模块。2 8 3 4 1温湿度传感器模块2 8 3 4 2 光照传感器模块3 0 3 4 3加速度传感器模块3 2 3 5无线通信模块3 3 3 6配置模块3 4 3 7外围扩展模块3 5 3 8节点电路板设计3 5 3 9 本章小结3 5 第四章节点的软件设计3 6 4 1 软件平台j 3 6 4 1 1软件结构3 6 4 1 2g e p s 3 7 4 1 3 g s n 架构。3 8 4 2节点应用程序设计3 9 4 2 1 软件设计流程3 9 4 2 2数据存储4 1 4 2 3系统配置。4 3 4 2 4网络连接4 4 4 2 5电源管理4 5 4 2 6应用程序4 6 4 3 传感器数据采集。4 8 4 3 1s h t l l 温湿度数据采集4 8 4 - 3 2t s l 2 5 5 0 光照数据采集。5 0 4 3 3a d x l 2 0 2 加速度数据采集5 2 4 3 4应用程序实现5 3 4 4室内定位系统的节点软件实现5 5 4 4 1设计原理5 5 4 4 2数据采集与传输。5 6 4 5本章小结5 8 第五章系统实验与结果分析5 9 5 1传感数据采集实验5 9 5 1 1数据格式5 9 v l 5 2 5 3 第六章 6 1 6 2 参考文 附录 致谢 攻读学 i 北京邮电大学硕士学位论文基于w i f i 的无线传感器嘲络节点的设计及应用 1 1 无线传感器网络概述 第一章绪论 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 s ，w s n s ) 1 】是由大量具备感知、计算以及 无线通信能力的传感器节点组成的面向应用的无线网络。传感器节点上可以配置多种 类型的传感器，包括可以探测温度、湿度、光照强度、电磁场、声波、压力、运动物 体的速度、加速度和方向等信息的传感器等。当面向多媒体网络应用时，还可以监测 目标及其周围的音频、视频信息，结合无线信号强度、信号到达时间、信号到达角度 等参数实现环境监测、物流控制、目标的定位和跟踪等一系列功能。 无线传感器网络具有低成本、微型化、低功耗、组网灵活等特点，此技术已广泛 应用于国防、环境、交通、医疗等众多领域并一直保持着迅猛的发展势头，具有广阔 的应用前景。 1 1 1 无线传惑器网络的体系结构 无线传感器网络以传感器技术、通信技术和计算机技术为基础，是一种综合了信 息的采集、传输和分析于一体的全新的信息处理模式，它促进了现代信息技术的发展 及融合，拓宽了信息的传递和应用范围，使得人们在更广范围内实现数据的交换成为 可能【列。无线传感器网络体系结构如图1 - 1 所示。 传感 客户端 图1 - 1 无线传感器网络体系结构 图中所示，网络可分为传感数据采集系统、通信系统和数据处理系统三部分。其 中，传感数据采集系统是由部署在某个监测区域内的多个传感器节点及其相互间的信 北京邮电大学硕士学位论文基于w i f i 的无线传感器网络节点的设计及应用 息传输协议组成，能够将区域内的监测数据通过一定的协议进行传输，最终到达汇聚 节点接入通信系统；通信系统将接收到的传感器数据通过卫星、i n t e r a c t 等通信网络 无失真地传送至需要这些数据的用户或服务器；数据处理系统与通信系统相连，通过 通信网络接收传感数据，完成对监测区域内目标的监测、跟踪及其它相关的应用，这 些功能可在客户端或者服务器上实现，视不同的应用而定。 1 1 2 无线传感器网络的特点 无线传感器网络是一种集成了监测、控制以及无线通信功能的面向应用的网路， 通常情况下，网络节点的数目庞大且分布密集，其工作环境和应用方式的特殊性决定 了无线传感器网络具有许多与传统的无线通信网络不同的特点： ( 1 ) 电源能量有限。传感器网络中节点的数量大，要求制作成本低廉，而且受体 积所限，节点一般由电池供电。此外，传感器节点分布环境复杂，甚至有时部署在一 些人员不方便到达的区域，所以通过更换电池的方式对其进行能量的补充是不现实 的。因此，能量受限是无线传感器网络最为突出的一个特征，如何在网络的工作过程 中节省能量，提高能源的使用效率，是无线传感器网络设计中需要重点考虑的问题。 ( 2 ) 通信能力有限。无线通信中，随着通信距离的增大，能量消耗呈指数级急剧 增加。由于传感器网络中节点能量受限，每个节点的通信覆盖范围较小，通常只有几 十到几百米。此外，节点之间的无线通信链路经常受建筑物、障碍物等地形地貌等因 素的影响，在通信带宽较窄的情况下，很容易产生通信的中断。如何选择合适的通信 机制，保证高质量的传感数据的传输，也是传感器网络设计中面临的挑战之一。 ( 3 ) 计算和存储能力有限。传感器节点由于受成本、体积以及功耗的限制，其处 理器的计算能力比较弱，程序和内存空间容量比较小，所以需要利用有限的资源完成 传感数据的采集、处理和控制等复杂的功能。 ( 4 ) 自组织与自适应性。传感器网络的应用中，节点的分布和位置往往是预先不 可知的，需要节点具有自组织能力，自动进行检测及网络的配置，能够检测网络拓扑 结构并通过一定的网络协议完成网络数据的转发。此外，当某些节点因为能量耗尽或 者环境影响而失效，或者有新的节点加入时，无线传感器网络应保持其健壮性，网络 拓扑能够根据不同的情况而动态地变化，各节点能够自适应地调整工作状态，正确地 完成网络的监测任务。 ( 5 ) 应用相关性。客观物理世界的信息量多种多样，不同传感器网络应用所关注 的参量不尽相同，因此传感器应用系统的设计需要考虑具体应用的特点，选择不同的 硬件平台、软件系统和网络协议，这是传感器网络设计不同于传统网络的显著特征。 此外，近年来引起科研人员密切关注的多媒体传感器网络除了具有以上的特点之 外，还具有一些不同之处：由于大数据量的图像、音频、视频等媒体的引入，为了更 北京邮电大学硕士学位论文基于w i f i 的无线传感器网络节点的设计及应用 好地满足网络中大量数据的传输需求，节点以及网络间数据传输速率需要进一步提 高；传统的无线传感器网络采集的数据信息量少，处理简单，而多媒体传感器网络采 集的多媒体数据信息丰富且格式复杂，需要传感器节点上处理器具有更强的计算和存 储能力；相对传统无线传感器网络，所有软硬件功能上的增强都不应造成功耗的显著 增加，这使得高数据速率传感器网络的设计面临着严峻的挑战。 1 2 国内外研究现状 传感器网络的思想起源于2 0 世纪7 0 年代末期【1 1 ，从最早冷战时期应用于军事领 域的声音监测系统( s o u n ds u r v e i l l a n c es y s t e m 。s o s u s ) 以及空中预警与控制系统 ( a i r - b o r n ew a r n i n ga n dc o n t r o ls y s t e m ，a w a c s ) 至今，传感器网络的发展大致经历了 四个阶段：第1 代传感器网络为简单的点对点信号传输的传统传感器所组成的测控系 统；第2 代为由智能传感器和现场控制站组成的测控网络；第3 代为基于现场总线的 智能传感器网络；第4 代传感器网络为无线传感器网络。无线传感器网络的代表性论 述出现在1 9 9 9 年，题为传感器走向无线时代。随后，自2 0 0 0 年起，陆续出现了 一些有关无线传感器网络研究的相关报道，此项技术被证明具有巨大的应用价值，引 起了世界许多国家的军界、工业界和学术界的极大关注。 美国和欧洲相继启动了许多有关无线传感器网络的研究计划，美国国家自然基金 委员会、国防部投入巨资支持相关基础理论的研究。美国陆军、海军、能源部、交通 部都对无线传感器网络给予了高度的重视，分别确立了相关的研究项目，把无线传感 器网络作为一个重要的研究领域。 在工业界，美国的英特尔公司、微软公司等信息业巨头也启动了无线传感器网络 方面的研究工作，随后加拿大、英国、德国、日本和意大利等国家都加入了无线传感 器网络的研究阵营。同时，国外许多大学和研究机构纷纷投入大量的科研力量进行无 线传感器网络软硬件系统的开发，最具代表性的有美国力1 1 7 1 1 大学伯克利分校、麻省理 工学院、斯坦福大学等。 在国内，已经有许多研究所和高校加入了无线传感器网络领域的研究阵营，包括 中科院上海微系统研究所、沈阳自动化所、中科院计算所、电子所、清华大学、北京 邮电大学、国防科技大学、中国科学技术大学等。普遍来讲，国内的整体实力相对国 外还有一定的差距，需要投入更多的科研力量，而且需要进一步增强研究深度。 过去几年中，国内外众多科研工作者研制出了包括s m a r td u s t 、m o t e 等系列传感 器节点应用平台在内的众多无线传感器网络的应用实例1 3 1 。这些应用实例面向的应用 种类不同，运用的通信协议也有所不同，下面对无线传感器网络领域内所应用的多种 近距离无线通信技术以及高数据率传感器网络的应用现状进行分析和介绍。 北京邮电大学硕士学位论文基于w i f i 的无线传感器网络节点的设计及应用 1 2 1 短距离无线通信技术的应用 无线个域l 网( w i r e l e s sp e r s o n a l a r e an e t w o r k ，w e a n ) 是一种个人区域无线网，主要 用于提供个人及消费类电子设备之间短距离的网络互联。目前，针对w p a n 的应用 产生了一系列的标准，用于无线传感器网络的技术主要包括：蓝牙( b l u e t o o t h ) 、超宽 带( u l t r a w i d e b a n d ，u w b ) 、z i g b e e 和无线保真( w i r e l e s sf i d e l i t y , w i - f i ) 技术等。 ( 1 ) b l u e t o o t h 蓝牙技术1 4 5 】是由爱立信公司发起，与诺基亚、英特尔、i b m 、东芝四公司于1 9 9 8 年联合制定的一项全球性的短距离无线通信标准，目的是取代电脑、周边设备及移动 设备之间的一切电缆连接。蓝牙支持点对点、点对多点的语音及数据业务的传输，工 作于2 4 g h z 的i s m ( i n d u s t r i a ls c i e n t i f i cm e d i c a l ) 频段，信号覆盖范围为1 0 米左右， 数据传输速率约1 m b p s ，在较高版本中有所提升。 随着蓝牙芯片价格和耗电量的不断降低，蓝牙技术日益普及，已成为许多p d a 、 手机等电子产品的必备功能。然而，由于其通信范围和网络容量的限制，在无线传感 器网络中的应用比较少。 ( 2 ) u w b u w b 技术【6 ，7 ，8 】起源于2 0 世纪5 0 年代末，是一种采用时间间隔极短的脉冲进行 通信的无载波通信技术，最初主要在军事技术、雷达探测等应用领域中使用，美国联 邦通信委员会于2 0 0 2 年准许该技术进入民用领域。通过在较宽的频谱上传送极低功 率的信号，u w b 技术能够在1 0 米范围内实现数百m b p s 至数g b p s 的数据传输速率， 具有抗干扰能力强、传输速率高、发射功率小等特点。 随着商业化的推广，u w b 在短距离无线通信领域中有着越来越多的应用。其中， 无线传感器网络领域的典型应用有u b i s e n s e $ 7 0 0 0 传感器节点。 ( 3 ) z i g b e e z i g b e e 技术【9 ，1 0 l 是一种基于i e e e 8 0 2 1 5 4 标准的低复杂度、低功耗、低数据速率、 低成本的近距离无线网络技术，可以工作与8 6 8 9 1 5 m h z 频段或2 4 g h z 的i s m 频段， 具有很高的灵活性。在i e e e 8 0 2 1 5 4 标准中，定义了三种速率的信道，包括2 4 g h z 频段的1 6 个速率为2 5 0 k b p s 的信道、9 1 5 m h z 频段的1 0 个4 0 k b p s 的信道和8 6 8 m h z 频段1 个2 0 k b p s 的信道，可以根据可用性、拥挤状况和数据速率在此2 7 个信道中选 择一个用于工作信道进行数据的传输。 z i g b e e 协议的系统复杂度小，据估计运行z i g b e e 协议需要的系统资源可控制在 2 0 k b 左右。相对于现有的各种无线通信技术，z i g b e e 被证明是最低功耗和低成本的 技术之一，所以在过去几年当中，在节点计算能力受限并且节点能耗受限的无线传感 器网络应用中一直占据着相当大的市场份额。应用z i g b e e 技术的无线传感器网络的 典型节点包括m i c a 系列的w e c 、r e n e e 、m i c a 、m i c a 2 、m i c a 2 d o t 和s p e c 节点等。 4 北京邮电大学硕士学位论文基于w i f i 的无线传感器网络节点的设计及应用 ( 4 ) w i f i w i f i 最初是一个为了改善基于i e e e 8 0 2 1 1 标准的无线链路之间互通性的无线网 络通信技术的品牌，现被视为i e e e 8 0 2 1 1 无线局域网技术的代名词。w i f i 是以太网 的一种无线扩展，最初的i e e e 8 0 2 1 1 标准【l l l 提出于1 9 9 7 年，工作于2 4 g h z 的i s m 频段，最高速率为2 m b p s 。随后8 0 2 1 l a 和8 0 2 1 1 b g 标准的推出，使得数据速率最 高达到5 4 m b p s ，而最新发布的8 0 2 1 l n 支持百兆以至更高速率的扩展。目前，8 0 2 1 l b g 标准得到了广泛的应用，其组网方式比较灵活，在信号较弱或存在干扰的情况下，带 宽可调整为5 5 m b p s 、2 m b p s 和1 m b p s ，其通信距离在室外为3 0 0 米，室内1 0 0 米。 起初w i f i 器件比较昂贵、兼容性差、安全性不能让人满意，但随着研究的不断 深入，这些问题逐步得到了解决。此外，其带宽的自动调整有效地保障了网络的稳定 性和可靠性，再加上数据传输速率快、通信范围广等特点，w i f i 技术很快得到业界 的认同并得到迅猛的发展。近年来，随着芯片业巨头t i 、c o n e x a n t 、b r o a d c o m 、a t h e r o s c o m m u n i c a t i o n s 等公司的加入，相继推出w i f i 的低功耗应用芯片，w i 。f i 技术在 p d a 、手机等手持便携式设备上的应用越来越广泛，其在无线传感器网络中的应用时 机已经成熟，目前相关领域的应用芯片主要包括英特尔投资的g a i n s p a n 公司推出的 g s l 0 1 0 芯片、g 2m i c r o s y s t e m s 公司推出的g 2 c 5 4 x 系列芯片等。 以上四种短距离无线通信技术在无线传感器网络领域均有着一定的应用，技术本 身特性的不同决定了其应用范围和应用程度的差异1 1 0 ，1 2 1 。蓝牙、u w b 、z i g b e e 、w i f i 四种技术的特性比较如表1 - 1 所示。 表1 - 1 四种通信协议的特性比较 蓝牙u w b z i g b e e w i f i 工作频率h z 2 4 g3 1 - 1 0 6 g 8 6 8 9 1 5 m ，2 4 g 2 4 g 数据速率f o p s 1 m 数百m 以上最高2 5 0 kl l m 或更高 通信范围i n 1 0 1 01 0 7 52 5 1 0 0 功耗m w 1 1 0 0 1 3 0 1 0 0 节点成本美元 2 02 01 05 0 以上 网络容量个82 5 5 1 2 8 1 2 2 高数据率无线传感器网络 随着无线传感器网络研究的深入和多媒体应用需求的增长，迫切需要将信息量丰 富的图像、音频以至视频等媒体引入到以无线传感器网络为基础的环境监测活动中 来，因此，高数据率无线传感器网络应运而生，并引起了国内外众多学者的高度关注。 无线多媒体传感器网络( w i r e l e s sm u l t i m e d i as e n s o rn e t w o r k ，w m s n ) 1 3 ，1 4 】是最具 代表性的高数据率无线传感器网络技术，借助节点上的多媒体传感器感知所在周围环 北京邮电大学硕士学位论文 基于w i f i 的无线传感器网络节点的设计及应用 ，筲一! ；l ； 黝尹点乡票哥霸肺点 6 北京邮电大学硕士学位论文基于w i f i 的无线传感器网络节点的设计及应用 感器网络为代表的高数据率传感器网络应用中，采用混合通信协议的结构，即在资源 有限的簇内采用简单的、数据传输速率较低的z i g , b e e 协议进行通信，而簇间的通信 采用带宽较宽的高数据率传输协议，网络通过使用混合型的通信协议，兼顾网络资源、 能耗、传输速率等多方面的因素，适应高数据率传感器网络的应用需求，但这同样会 造成网络管理复杂，维护难度大等诸多问题。 1 3 研究内容及论文组织 本课题的研究在中国科学院计算技术研究所普适计算研究中心嵌入式系统课题 组完成，受助于多项无线传感器网络技术研究相关的8 6 3 课题( n o 2 0 0 9 a a 0 1 1 9 0 2 n o 2 0 0 7 a a l 2 2 3 2 1 ，n o 2 0 0 6 a a l 0 2 2 5 3 ) 和国家自然科学基金课题( n o 6 0 8 7 3 2 4 4 ， n o 6 0 7 7 2 0 7 0 ) ，研究并设计了一种基于w i f i 的无线传感器网络节点，并应用此节点 实现传感器数据的网络间传输以及节点定位等功能，本文主要工作如下： ( 1 ) 分析研究无线传感器网络的概念、体系结构、应用特点和发展趋势，并结合 课题内容，通过对现有几种近距离网络通信协议应用特点的比较，选用w i f i 协议作 为本设计中的通信协议，并对此协议的技术特点、协议层次结构、网络管理应用等方 面进行深入的分析和总结。 ( 2 ) 主要从系统稳定性、功耗、设计复杂度等几个方面出发，采用g a i n s p a n 公司 的g s l 0 1 0 片上系统作为主控制芯片，实现传感器模块以及其它外围通信、接口模块 的硬件设计，搭建基于w i f i 协议的无线传感器网络节点硬件平台。 ( 3 ) 在m u l t i 集成开发环境下，应用u v e l o s i t y 嵌入式实时操作系统和t c p i p 网络协议栈，实现底层相关硬件驱动程序以及系统应用程序的设计，结合硬件平台的 休眠机制完成软件的低功耗设计，实现对传感器数据的采集、存储、处理以及与服务 器端的w i f i 网络连接和数据通信功能。 ( 4 ) 根据课题需求，基于上述g s i o i o 节点的软硬件平台，实现温湿度、光照、 加速度等传感数据以及多a p 接入点r s s i 值的读取，并与服务器端应用软件相结合， 实现传感器数据采集和节点的实时定位跟踪等功能。此外，通过实验对所设计节点的 软硬件性能进行分析和验证，总结本文的研究成果以及不足之处。 针对以上工作内容，论文的结构安排如下： 第一章为绪论，主要介绍无线传感器网络的定义、特点、发展趋势和国内外研究 现状，以及论文的背景意义和文章的组织结构。 第二章为w i f i 技术综述，主要介绍i e e e 8 0 2 1 1 x 无线局域网协议的由来、特性、 发展历程以及应用前景，并从协议栈的结构入手，重点介绍了i e e e 8 0 2 1 1 b g 协议物 理层和m a c 层的规范，以及w i f i 的网络建设和技术的发展等内容。 北京邮电大学硕士学位论文基于w i - f i 的无线传感器网络节点的设计及应用 第三章为节点的硬件设计部分，包括电源供应模块、处理器模块、传感器模块、 无线通信模块、其它外围模块的设计，以及各个模块之间的连接、信号输入输出接口 的硬件设计等方面的内容。 第四章介绍节点的软件设计部分，基于嵌入式操作平台，完成节点底层驱动和应 用软件的设计与实现，以及传感器数据采集和采集多a p 数据的两个软件设计实例。 第五章主要应用第四章中的两个软件实例，与服务器端应用软件配合完成传感数 据采集和实时室内定位两个实验，并对实验结果和实验数据进行分析，从而验证了所 设计的传感器节点的软硬件性能。 第六章总结本文所做的工作，列举出设计中的不足和需要改进的地方，为以后系 统的改进和功能的扩展提供参考。 最后是致谢、附录和参考文献。 1 4 本章小结 本章在查阅了大量相关资料的基础上，概括总结了无线传感器网络的体系结构、 应用特点和国内外研究现状，比较了应用于无线传感器网络的多种短距离通信技术特 点，引出高数据率无线传感器网络的特点及其发展趋势，进而介绍了本课题的意义及 背景，以及文章的组织结构等内容。 8 北京邮电大学硕士学位论文基于w i f i 的无线传感器网络节点的设计及应用 第二章w 卜f i 技术综述 无线局域网( w i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k , m a 是指以无线信道代替传统有线 传输介质所构成的局域网络。w l a n 的出现能够使网络上的各种终端设备摆脱有线 介质的束缚，赋予其更多的移动性，实现与有线网络之间的互联互通。 w l a n 的自由和灵活性使其得到迅猛的发展，对应不同的传输速率和应用领域， 相继出现了家用射频、蓝牙、超宽带等多种不同的传输标准，本文采用i e e e 8 0 2 1 1 系列标准实现相关应用设计，下面针对此标准的技术特点、协议层次结构、网络管理 和技术的发展等方面进行深入的分析和介绍。 2 1w l fi 技术 2 1 1w i - f i 的由来 早期w l a n 技术提供的数据传输速率比较低，并且建立在互相竞争的专有标准 的基础之上。受到标准不统一、传输速率低等因素的影响，w i g h t 过去主要应用于 一般的数据采集和传输领域，未涉及高数据速率传输的领域。尽管如此，w l a n 还 是凭借着其自由和灵活性，在市场中迅速找到自己的位置并得到一定的发展。 随着w l a n 技术的发展和相关应用的不断推广，不同厂家的产品之间的不兼容 问题逐渐凸现出来。为了能够统一各商家的无线局域网设备，推动无线局域网的快速 发展，作为全球局域网领域权威的i e e e 组织于1 9 9 7 年推出了i e e e 8 0 2 1 1 标准，成 为第一个在国际上认可的无线局域网标准。当时，数据传输速率最高只能达到2 m b p s ， 远低于有线的水平，不能满足人们的需求。在不断研究之后，于1 9 9 9 年9 月推出 i e e e 8 0 2 1 l a 和i e e e 8 0 2 1 l b 标准，传输速率分别可达5 4 m b p s 和l l m b p s 。2 0 0 2 年， i e e e 8 0 2 1 l g 的标准获得通过，允许最大传输速率为5 4 m b p s ，工作于2 4 g h z 频段， 与i e e e 8 0 2 1 l b 标准兼容。 2 1 2w i - f i 联盟 w i f i 联盟成立于1 9 9 9 年，当时叫作无线以太网兼容性联盟( w i r e l e s se t h e m e t c o m p a t i b i l i t ya l l i a n c e w e c a ) ，目的是根据所提供的技术来建议和制定标准，改善 i e e e 8 0 2 1 1 标准的无线网络产品之间的互通性，于2 0 0 2 年1 0 月正式更名为w i f i 联盟。 到目前为止，w i - f i 联盟在全球有包括c i s c o 、i n t e l 、n o k i a 、a p p l e 、m i c r o s o f t 、 t i 等超过3 0 0 个公司成员，涵盖了半导体生产商、i p 服务提供商、消费类电子厂商等 北京邮电大学硕士学位论文基于w i - h 的无线传感器网络节点的设计及应用 众多信息领域的厂商，并在迅速发展壮大。自2 0 0 0 年3 月认证以来，已有6 0 0 0 多个产 品获得w i f i 认证，这也促使了w i f i 产品和服务在新的应用领域的迅猛发展。 2 2ie e e 8 0 2 1 1 标准 i e e e 8 0 2 1 1 标准定义了物理层和媒体访问控制层( m e d i u ma c c e s sc o n t r o l ，m a c ) 的规则，提供的主要服务是在数据链路层两端的逻辑链路控制层( l 0 酉c a ll i n kc o n t r o l ， l l c ) 设备之间提供m a c 服务数据单元，使得站点之间数据的无线传输对于高层是透 明的，从而做到支持站点移动的功能。 2 2 1 网络拓扑结构 在有线局域网中，一个m a c 地址对应于一个物理地址，这在有线局域网的设计 时就已经默认了。而在i e e e 8 0 2 1 1 中，可寻址的单元是一个站点( s t a t i o n ，s t a ) 。s t a 是无线局域网最基本的组成单元，通过网络实现站点之间的数据传输。 基本服务集( b a s i cs