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基于WSN的防盗系统设计Design of anti-theft system based on WSN 93摘要无线传感器网络(Wireless Sensor Network,简称为WSN) 是一种由大量微型的集成(包括传感器件、数据处理单元和无线通信模块)节点组成的以数据为中心的无线自组织网络。随着无线传感器网络的迅速发展，将WSN技术运用于实现家庭报警具有实际应用价值，在本设计中使用无线传感器采集信息，在zigbee网络，热释电红外传感器通过目标与背景的温差来探测目标，将信号输入cc2430模块，经过模块处理后，把信息发给接收端，接收节点处理后，将信息传入单片机中对信息进行处理，通过报警装置发生报警，人们就可以知道。现代人们对安全越来越重视，这个设计刚好满足现代人的需求。关键字：，传感器，单片机，WSNWireless sensor networks (Wireless Sensor Network, referred to as WSN) is composed of a large number of miniature integrated (including sensors, data processing unit and the wireless communication module) to data nodes as the center of the wireless ad hoc networks. With the rapid development of wireless sensor network, WSN technology will be applied to achieve home alarm with practical application value, the use of wireless sensors to collect information in this design, the ZigBee network, the pyroelectric infrared sensor through the temperature difference between the target and background to detect the target, the signal is input to the CC2430 module, the module processing ， the information to the the receiving end, the receiving node after processing, the information into the processing of information in single chip microcomputer through the alarm device, alarm occurs, people can know. The modern people more and more attention to security, this design can satisfy the needs of modern people.Keywords: Sensor; Single-chip microcomputer; WSN 第1章 绪论无线传感器网络(Wireless Sensor Network,简称为WSN) 是一种由大量微型的集成(包括传感器件、数据处理单元和无线通信模块)的节点组成的以数据为中心的无线自组织网络。无线传感器网络是信息科学领域中一个全新的发展方向，同时也是新兴学科与传统学科进行领域间交叉的结果。无线传感器网络经历了智能传感器、无线智能传感器、无线传感器网络3个阶段。智能传感器将计算能力嵌入到传感器中，使得传感器节点不仅具有数据采集能力，而且具有滤波和信息处理能力，无线智能传感器在智能传感器的基础上增加了无线通信能力，大大延长了传感器的感知触角，降低了传感器的工程实施成本；网络节点数量大、密度高，节点有一定的故障，节点在电池能量、计算能力和存储容量等方面有限制，网络拓扑结构变化很快，以数据为中心。无线传感器网络则将网络技术引入到无线智能传感器中，使得传感器不再是单个的感知单元，而是能够交换信息、协调控制的有机结合体，实现物与物的互联，把感知触角深入世界各个角落,必将成为下一代互联网的重要组成部分。1.1 无线传感网络的发展 早在上世纪70年代，就出现了将传统传感器采用点对点传输、连接传感控制器而构成传感器网络雏形，我们把它归之为第一代传感器网络。随着相关学科的不断发展和进步，传感器网络同时还具有了获取多种信息信号的综合处理能力，并通过与传感控制器的相联，组成了有信息综合和处理能力的传感器网络，这是第二代传感器网络。而从上世纪末开始，现场总线技术开始应用于传感器网络，人们用其组建智能化传感器网络，大量多功能传感器被运用，并使用无线技术连接，无线传感器网络逐渐形成。1996年，美国UCLA大学的William J Kaiser教授向DARPA提交的“低能耗无线集成微型传感器”揭开了现代WSN网络的序幕。1998年，同是UCLA大学的Gregory J Pottie教授从网络研究的角度重新阐释了WSN的科学意义。在其后的10余年里，WSN网络技术得到学术界、工业界乃至政府的广泛关注，成为在国防军事、环境监测和预报、健康护理、智能家居、建筑物结构监控、复杂机械监控、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众多领域中最有竞争力的应用技术之一。美国商业周刊将WSN网络列为21世纪最有影响的技术之一，麻省理工学院(MIT)技术评论则将其列为改变世界的10大技术之一。WSN网络技术一经提出，就迅速在研究界和工业界得到广泛的认可。1998年到2003年，各种与无线通信、Ad Hoc网络、分布式系统的会议开始大量收录与WSN网络技术相关的文章。2002年美国计算机学会(ACM)和IEEE成立了第一个专门针对传感网技术的会议International Conference on Information Processing in Sensor Network(IPSN)，为WSN网络的技术发展开拓了一片新的技术园地。2003年到2004年，一批针对传感网技术的会议相继组建。ACM在2005年还专门创刊ACM Transaction on Sensor Network，用来出版最优秀的传感器网络技术成果。2004年，Boston大学与BP、Honeywell、Inetco Systems、Invensys、Millennial Net、Radianse、Sensicast Systems等公司联合创办了传感器网络协会，旨在促进WSN技术的开发。2006年10月，在中国北京，中国计算机学会传感器网络专委会正式成立，标志着中国WSN技术研究开始进入一个新的历史阶段。2001年，中国科学院成立了微系统研究与发展中心，挂靠中科院上海微系统所，旨在整合中科院内部的相关单位，共同推进传感器网络的研究。从2002年开始，中国国家自然科学基金委员会开始部署传感器网络相关的课题。截至2008年底，中国国家自然基金共支持面上项目111项、重点项目3项国家“863”重点项目发展计划共支持面上项目30余项，国家重点基础研究发展计划“973”也设立2项与传感器网络直接相关的项目国家发改委中国下一代互联网工程项目(CNGI)也对传感器网络项目进行了连续资助。“中国未来20年技术预见研究”提出的157个技术课题中有7项直接涉及无线传感器网络。2006年初发布的国家中长期科学与技术发展规划纲要为信息技术确定了3个前沿方向，其中2个与无线传感器网络研究直接相关。最值得一提的是，中国工业与信息化部在2008年启动的“新一代宽带移动通信网”国家级重大专项中，有第6个子专题“短距离无线互联与无线传感器网络研发和产业化”是专门针对传感器网络技术而设立的。该专项的设立将大大推进WSN网络技术在应用领域的快速发展。1.2 WSN相关的会议和组织WSN网络技术一经提出，就迅速在研究界和工业界得到广泛的认可。1998年到2003年，各种与无线通信、Ad Hoc网络、分布式系统的会议开始大量收录与WSN网络技术相关的文章。2001年，美国计算机学会(ACM)和IEEE成立了第一个专门针对传感网技术的会议International Conference on Information Processing in Sensor Network(IPSN)，为WSN网络的技术发展开拓了一片新的技术园地。2003年到2004年，一批针对传感网技术的会议相继组建。ACM在2005年还专门创刊ACM Transaction on Sensor Network，用来出版最优秀的传感器网络技术成果。2004年，Boston大学与BP、Honeywell、Inetco Systems、Invensys、Millennial Net、Radianse、Sensicast Systems等公司联合创办了传感器网络协会，旨在促进WSN技术的开发。2006年10月，在中国北京，中国计算机学会传感器网络专委会正式成立，标志着中国WSN技术研究开始进入一个新的历史阶段。1.3 WSN在我国的发展现状 我国现代意义的WSN及其应用研究几乎与发达国家同步启动。2001年，中科院成立了微系统研究与发展中心推进WSN的研究。2006年，WSN作为重大专项、优先发展主题、前沿领域被列入国家中长期科学与技术发展规划(2006-2020)，并成为重大专项“新一代宽带移动无线通信网”的重要方向之一。 目前，中国的WSN应用已经深入到智能家电、智能楼宇、智能交通、中小企业管理等民用领域。2010年上海世博会上WSN也得到了示范和应用。 无线传感器网络技术在国内起步并不晚，但真正开始大规模研发是在2004年至2006年间。2007年后呈现出爆发性增长态势，有些年份的专利公开数量出现翻番，发明专利授权数量的增加也达到上一年的3倍以上。主要原因可能在于2004年后中国国家自然科学基金委员会、国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020)、国家“863”重点项目、国家重点基础研究发展计划“973”、国家发改委“中国下一代互联网工程项目(CNGI)”等相继将WSN技术列为重点领域和优先课题。随着2008年工业和信息化部“新一代宽带移动通信网”国家级重大专项的启动，专利申请趋势保持上扬。 目前中国与美国权利人/申请人分别拥有数量最多的发明专利授权与专利总数。日本、韩国次之。从比例上看，中日韩三国拥有的专利数大幅度领先于其他国家和地区。 在华拥有最多WSN技术相关专利的权利人/申请人主要为国外大型企业。排名前三的分别为三星公司、诺基亚公司与皇家飞利浦公司。只有华为一家国内企业进入前十。但相对的，在发明专利授权数量上华为公司排名第四位，相对国外企业的差距并不大。另外需要说明的是，排名前十位的企业申请的均为发明专利。与前述美国专利权利人/申请人排名对比可以发现，在WSN技术领域较为领先的公司在中美两国都有大量的申请。拥有最多美国专利的摩托罗拉公司在中国的排名也是第十一位，可见该领域技术竞争之激烈。 1.4 WSN技术的成熟度分析 Gartner信息技术研究与咨询公司从2005年到2008年对WSN网络的技术追踪和评估。2005年，Gartner认为WSN技术的关注度已经越过了膨胀高峰并回归理性，表现为以美国为首的科研人员开始理性反思这种技术模式是不是有进一步推广和发展的机会。当时的预期比较乐观，认为该技术将在2-5年内走向成熟。2006年，Gartner的评估认为该技术正按照预定曲线前行，但成熟时间要更长一些而到了2007年，Gartner发现对该技术的关注度又有大幅度回升，但其市场并没有走向高产能期，而是似乎又回到了技术膨胀期。同时，距离成熟的时间仍然是10年以上。 超过5年的市场预测往往意味公司对该项技术缺乏准确的判断。从这一点上看，WSN技术从市场的角度上看还有些扑朔迷离。Gartner的2008年技术预测报告中没有对该领域进行预测也正是基于这一点。这种结果的可能原因是杀手级应用所需的几项关键性的支撑技术目前难于突破，微型化、可靠性、能量供给在目前看来是制约应用的最大问题。另外，这些技术之间还彼此制约。首先，微型化使节点通信距离变短，路径长度增加，数据延迟难于预期其次，能量获取和存储容量与设备体积(表面积)呈正比，充足的能源和微型化设计之间的矛盾难于调和再有，现有电子技术还很难做到可降解的绿色设计，微型化给回收带来困难，从而威胁到环境健康。 市场不会向技术妥协，如果一项技术不能在方方面面做到完美就很难被市场所接受。无线传感器网络技术要想在未来十几年内有所发展，一方面要在这些关键的支撑技术上有所突破另一方面，就要在成熟的市场中寻找应用，构思更有趣、更高效的应用模式。值得庆幸的是，WSN技术在中国找到了发展机会。政府引导、研究人员推动和企业的积极参与大大加快了WSN技术的市场化进程。中国必将在WSN技术和市场推进中发挥重要作用。 1.5传感器网络的应用 ，（1）在军事上的应用，传感器网络具有可快速部署、可自组织、隐蔽性强和高容错性的特点，因此非常适合军事上的应用。通过飞机或炮弹直接将传感器节点散播到敌方阵地内部，或者在公共隔离带部署传感网络，就能隐蔽而且近距离的准确收集战场信息，美国国防部及各军事研究部门对WSN技术都给予了高度重视，在C4ISR基础上提出了C4KISR计划，强调基于WSN技术的战场情报感知能力、信息综合能力和信息利用能力。作为很有代表性的WSN军事应用研究项目，“智能灰尘(Smart DuST)”和“沙地直线(A Line in the Sanel)”也取得了令人瞩目的研究成果。“智能尘埃”的设计思想是，在战场上抛撒数千个具有计算能力和无线通信功能的低成本、低功耗超微型传感器模块并组成网络，用于监控敌人的活动情况，并将采集到的原始数据进行简单处理后发送回指挥部。“沙地直线”是国防高级研究计划局的资助下开发的一种WSN系统。该系统可将探测节点散布到整个战场，侦测战区内高金属含量的运动目标。欧洲，德国、芬兰、意大利、法国、英国等国家的研究机构也纷纷开展了WSN技术基础理论与军事应用的相关研究工作。日本与韩国甚至将建设WSN系统提升到国家战略高度。我国目前的WSN技术研究已具初步规模，但对于WSN技术的军事应用研究尚处于起步阶段。 ，（2）环境观测和预报系统，也应用到了无线通信网络，但是农业监测的范围很广，于是要用到成千上万的传感器，这样造成了庞大并复杂的控制网络。传统的农业主要靠孤立的、没有通信能力的机械设备，主要依靠人们亲自到耕地现场监测作物的生长状况。但是，自从采用了传感器和 ZigBee 网络，农业即将逐渐地面向信息化和智能化的方向发展。这种生产模式，就是采用更多的自动化、网络化、智能化以及远程控制的设备进行耕种。通过传感器能够收集到土壤的湿度、氮浓度、 pH 值、降水量、温度、空气湿度及气压等。这些信息将通过 ZigBee 网络传送给中心控制器，农民可通过监控设备对处于不同位置的传感器数据进行分析，分析后可对不同的地区采取对应措施。这样就可以提早发现问题并解决问题，从而有助于提高农作物的质量和产量。 （3）医疗护理，采用 ZigBee 无线通信网络和传感器，能够准确而实时地监测病人的信息，如血压、体温和心率等信息。传感器用来采集病人的信息，通过ZigBee网络将数据传送给监控设备。这样很大程度上减少了医生护士一个个查房的工作负担，而且这样节省了很多时间。医生通过监控设备可以快速的反应并想出对策，尤其是对重病和病危患者来说十分重要。用于人体的各种生理数据，跟踪和监控医院内医生和患者的行动，医院的药物管理等。 例一个可以成像的特殊发送器芯片与精巧设计的超低功率无线技术结合，就可以实现可用于一个胃肠道诊断的微型吞服摄像胶囊。患者吞下维C片大小的成像胶囊后，胶囊经过食道、胃和小肠时就可将图象广播出来。胶囊由一个摄象机、LED、电池、特制芯 片和天线组成。第2章 无线传感器网络无线传感器网络(WSN)是信息科学领域中一个全新的发展方向，同时也是新兴学科与传统学科进行领域间交叉的结果。无线传感器网络经历了智能传感器、无线智能传感器、无线传感器网络3个阶段。智能传感器将计算能力嵌入到传感器中，使得传感器节点不仅具有数据采集能力，而且具有滤波和信息处理能力，无线智能传感器在智能传感器的基础上增加了无线通信能力，大大延长了传感器的感知触角，降低了传感器的工程实施成本，无线传感器网络则将网络技术引入到无线智能传感器中，使得传感器不再是单个的感知单元，而是能够交换信息、协调控制的有机结合体，实现物与物的互联，把感知触角深入世界各个角落。 2.1 无线传感器网络的关键技术 无线传感器网络作为当今信息领域新的研究热点，有非常多的关键技术有待发现和研究。而功耗和安全问题对于无线传感器网络来说，是两个最重要的性能指标，所以WSN的关键技术必然以降低网络功耗和确保网络安全为主线。下面介绍网络拓扑控制、数据融合等部分关键技术。 2.1.1 网络拓扑控制 对于自组织的传感器网络而言，网络拓扑控制具有特别重要的意义。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MAC协议的效率，可为数据融合、目标定位等很多方面奠定基础，有利于节省节点的能量来延长网络的生存期。所以，拓扑控制是WSN研究的核心技术之一。WSN拓扑控制目前主要研究的问题是在满足网络覆盖度和连通度的前提下，通过功率控制和骨干网节点选择，剔除节点之间不必要的无线通信链路，生成一个高效的数据转发的网络拓扑结构。拓扑控制分为节点功率控制和层次型拓扑结构控制两个方面。功率控制机制调节网络中每个节点的发射功率，在满足网络连通度的前提下，减少节点的发送功率，均衡节点单跳可达的邻居数目，目前已经提出了以邻居节点度为参考依据的算法，以及利用邻近图思想生成拓扑结构的DRNG和DLSS算法。层次型的拓扑控制利用分簇机制，让一些节点作为簇头，由簇头形成一个处理并转发数据的骨干网，其他非骨干网节点可以暂时关闭通信模块，进入休眠状态以节省能量。 2.1.2 数据融合 在无线传感器网络中，节点传感器采集数据并将它发送到网络终端。但是在数据的采集和传输过程中，总要对采集的数据进行处理，因此存在如何对采集的数据进行处理、融合的问题。 如果完全在本地节点上处理采集的数据而只发送处理后的结果，可以降低传输数据的功耗，但增加了本地节点处理器的功耗，如果传输原始采集的数据，可以降低节点处理器的功耗但增加了节点传输数据的功耗。因此，如何对采集的数据进行处理与融合对降低节点能耗起到相当大的作用。通常网络中的传感器数量很多，传感器采集的数据具有一定的冗余度，因此将多个节点采集的数据相互结合起来进行处理可以降低整个网络数据的传输量，有效降低系统功耗，问题是如何寻找本地节点处理与节点联合处理的平衡点。 2.1.3 定位技术 位置信息是传感器节点采集数据中不可缺少的部分，没有位置信息的监测消息通常毫无意义。为了提供有效位置信息，随机部署的传感器节点必须能够在布置后确定自身位置。由于传感器节点存在资源有限、随机部署、通信易受环境干扰甚至节点失效等特点，定位机制必须满足自组织性、健壮性、能量高效、分布式计算等要求。现有的WSN定位算法根据定位机制的不同，可以分为基于测距的方法与不基于测距的方法两类。基于测距的定位机制利用到达时间延迟、信号到达时差和接收信号强度来估计距离或来波方向，然后使用三边测量法或最大似然估计等计算未知节点的位置。而不基于测距的定位机制无需距离或角度信息，或者不用直接测量这些信息，仅根据网络的连通性等信息实现节点的定位。距离无关的定位机制的定位性受环境因素的影响小，虽然定位误差相应有所增加，但定位精度能够满足多数传感器网络应用的需求，是目前大家重点关注的定位机制。 2.1.4 无线通信技术 传感器网络需要低功耗短距离的无线通信技术。IEEE802.15.4标准是针对低速无线个人域网络的无线通信标准，把低功耗、低成本作为设计的主要目标。由于IEEE802.15.4标准的网络特征与无线传感器网络存在很多相似之处，故很多研究机构把它作为无线传感器网络的无线通信平台。另外，超宽带无线通信以其高速率、低功耗、抗多径、低成本等诸多优势，已成为室内短距离无线网络的首选方案，这为WSN的数据传输开辟了一种崭新的方案。 2.1.5 时间同步 传感器网络中由于节能策略,节点在大部分时间是休眠的,所以要求解决通信同步问题,即通信节点双方需要在通信时同时唤醒。另外,传感器网络是一个分布式网络,所有节点在通信上地位对等,没有优先级可言。所以要让整个网络能够工作在有效状态,往往需要做到全网或者一定范围内所有节点的同步,而不是通信双方的简单同步。 2.2传感器的节点结构 无线传感器由传感器模块、处理器模块、无线通信模块和能量供应模块这四部分组成。其中，传感器模块（传感器和模数转换器）负责监测区域内信息的采集和数据转换处理器模块（CPU、存储器、嵌入式操作系统等）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无线通信模块，网络、MAC、收发器，负责与其他传感器节点进行无线通信能量供应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。除了这四个模块外，传感器节点还可以包括其他辅助单元，如移动系统、定位系统和自供电系统等。由于传感器节点采用电池供电，因此尽量采用低功耗器件，以获得更高的电源效率。 由于传感器节点采用电池供电，一旦电能耗尽，节点就失去了工作能力。为了最大限度的节约电能，在硬件设计方面要尽量的采用低功耗器件，在没有通信任务的时候，切断射频部分电源在软件设计方面，各通信协议都应该以节能为中心，必要时可以牺牲一些其他的一些网络性能指标，以获得更高的电源效率。 2.3 WSN组网模式 组网模式,在确定采用无线传感器网络技术进行应用系统设计后，首先面临的问题是采用何种组网模式。是否有基础设施支持，是否有移动终端参与，汇报频度与延迟等应用需求直接决定了组网模式。 (1)扁平组网模式 所有节点的角色相同，通过相互协作完成数据的交流和汇聚。最经典的定向扩散路由(Direct Diffusion)研究的就是这种网络结构。 (2)基于分簇的层次型组网模式 节点分为普通传感节点和用于数据汇聚的簇头节点，传感节点将数据先发送到簇头节点，然后由簇头节点汇聚到后台。簇头节点需要完成更多的工作、消耗更多的能量。如果使用相同的节点实现分簇，则要按需更换簇头，避免簇头节点因为过渡消耗能量而死亡。 (3)网状网(Mesh)模式 Mesh模式在传感器节点形成的网络上增加一层固定无线网络，用来收集传感节点数据，另一方面实现节点之间的信息通信，以及网内融合处理。Akyildiz L F等总结了无线Mesh网络的应用模式。 (4)移动汇聚模式 移动汇聚模式是指使用移动终端收集目标区域的传感数据，并转发到后端服务器。移动汇聚可以提高网络的容量，但数据的传递延迟与移动汇聚节点的轨迹 相关。如何控制移动终端轨迹和速率是该模式研究的重要目标。Kim等提出的SEAD分发协议就是针对这种组网模式。Bi Y等研究了多种Sink的移动汇聚模式，还有其他类型的网络。如当传感节点全部为移动节点，通过与固定的Mesh网络进行数据通信(移动产生的通信机会)，可形成目前另一个研究热点，即机会通信模式。 2.4 拓扑控制 组网模式决定了网络的总体拓扑结构，但为了实现WSN网络的低能耗运行，还需要对节点连接关系的时变规律进行细粒度控制。目前主要的拓扑控制技术分为时间控制、空间控制和逻辑控制3种。时间控制通过控制每个节点睡眠、工作的占空比，节点间睡眠起始时间的调度，让节点交替工作，网络拓扑在有限的拓扑结构间切换空间控制通过控制节点发送功率改变节点的连通区域，使网络呈现不同的连通形态，从而获得控制能耗、提高网络容量的效果逻辑控制则是通过邻居表将不“理想的”节点排除在外，从而形成更稳固、可靠和强健的拓扑。WSN技术中，拓扑控制的目的在于实现网络的连通(实时连通或者机会连通)的同时保证信息的能量高效、可靠的传输。 (1)媒体访问控制和链路控制 媒体访问控制(MAC)和链路控制解决无线网络中普遍存在的冲突和丢失问题，根据网络中数据流状态控制临近节点，乃至网络中所有节点的信道访问方式和顺序，达到高效利用网络容量，减低能耗的目的。要实现拓扑控制中的时间和空间控制，WSN的MAC层需要配合完成睡眠机制、时分信道分配和空分复用等功能。Ye W等提出了WSN最经典的基于睡眠的MAC协议S-MACAhn G-S等研究了在最后两跳内采用时分复用方式缓解由最后两跳冲突引入的“漏斗”效应Rajendran V等研究了WSN中无竞争访问的高能效方法Zhai H和Kim Y等则研究了基于多射频、多信道的MAC协议。MAC控制是WSN最为活跃的研究热点因为MAC层的运行效率直接反应整个网络的能量效率。 复杂环境的短距离无线链路特性与长距离完全不同短距离无线射频在其覆盖范围内的过渡临界区宽度与通信距离的比例要大得多因而更多链路呈现复杂的不稳定特性。Ganeson D等Zhao J等通过大量的实验验证了过渡区的存在Zuniga M等分析了过渡区的成因。复杂的链路特征需要在MAC控制中更充分地考虑链路特性Zhu H等研究了适应链路特性的多链路MAC控制机制。链路特征同时也是在数据转发和汇聚中需要考虑的重要因素。 (2)路由、数据转发及跨层设计 WSN网络中的数据流向与Internet相反在Internet网络中终端设备主要从网络上获取信息而在WSN网络中终端设备是向网络提供信息。因此WSN网络层协议设计有自己的独特要求。由于在WSN网络中对能量效率的苛刻要求研究人员通常利用MAC层的跨层服务信息来进行转发节点、数据流向的选择。另外网络在任务发布过程中一般要将任务信息传送给所有的节点因此设计能量高效的数据分发协议也是在网络层研究的重点。网络编码技术也是提高网络数据转发效率的一项技术。在分布式存储网络架构中一份数据往往有不同的代理对其感兴趣网络编码技术通过有效减少网络中数据包的转发次数来提高网络容量和效率。 (3)QoS保障和可靠性设计 QoS保障和可靠性设计技术是传感器网络走向可用的关键技术之一。QoS保障技术包括通信层控制和服务层控制。传感器网络大量的节点如果没有质量控制将很难完成实时监测环境变化的任务。可靠性设计技术目的则是保证节点和网络在恶劣工作条件下长时间工作。节点计算和通信模块的失效直接导致节点脱离网络而传感模块的失效则可能导致数据出现岐变造成网络的误警。如何通过数据检测失效节点也是关键研究内容之一。 (4)移动控制模型 随着WSN组织结构从固定模式向半移动乃至全移动转换节点的移动控制模型变得越来越重要。Luo J等指出当汇聚节点沿着网络边缘移动收集可以最大限度地提高网络生命周期Bi Y等提出了多种汇聚点移动策略根据每轮数据汇聚情况估计下一轮能够最大延长网络生命期的汇聚点位置。Butler Z等针对事件发生频度自适应移动节点的位置使感知节点更多地聚集在使事件经常发生的地方从而分担事件汇报任务延长网络寿命。 2.5 MAC协议的分类 无线信道的合理共享，介质访问控制， MAC，协议的设计是无线传感器关键技术之一，MAC协议的性能直接影响到整个网络的性能，从不同的角度入手，对MAC协议进行分类的方法有很多种，可以根据MAC协议使用的信道数目分为基于单信道、基于双信道和基于多信道三类可以根据MAC协议分配信道的方式分为竞争型、分配型以及混合型可以根据网络类型是同步网络还是异步网络，将 MAC协议分为同步、异步两类。 2.5.1竞争型MAC协议 (1)S-MAC S-MAC(Sensor MAC)是同步的，基于RTSCTS的MAC协议。采用周期性休眠的机制。节点苏醒后侦听信道，判断是否要接收或者发送数据。每个节点独立调度其工作状态，具有相同调度的节点形成一个虚拟簇，边界节点记录两个或者多个虚拟簇。每个节点定期广播自己的调度，使簇内的节点保持同步。节点在睡眠周期中关闭无线电。这种周期性休眠的机制，减少了节点的空闲侦听。图2.2描述了S-MAC的工作机制。 冲突避免方面S-MAC延续了IEEE 80211的虚拟和物理载波侦听机制以及RTSCTS握手机制。传输包中包含剩余传输时间。邻居节点可以据此计算NAV，得知自己需要休眠的时间。在无线传感器网络中，串音会造成巨大的浪费，在节点密度高。通信负载重的时候，这种现象尤为突出。S-MAC协议采用让非目的地址接收到RTS或者CTS后转入睡眠状态的机制来避免串音。通常数据帧比控制帧长很多，因此这种方法可以避免非目的节点收听到长数据帧以及其后的确认帧。 S-MAC协议。具有良好的扩展性。不要求严格的时间同步，但是节点活动时间无法根据负载动态变化，不能有效的节能能量。另外，节点休眠还会引起数据的延迟。这个延迟与跳教成比例。 (2)T-MAC T-MAC是在S-MAC协议上改进的同步协议。协议中定义了五种事件和一个记时器TA。根据TA确定侦听工作阶段的结束时间。五种事件分别是： 1、周期性帧计时器溢出，即帧长度超时 2、节点接收到数据 3、侦听到通信 4、节点数据或确认发送成功 5、邻居节点数据交换完毕 如果在TA时间内没有发生任一激活事件。则节点认为信道空闲，节点进入睡眠状态。T-MAC协议节点周期性的短时间侦听信道以确定信道空闲状态。节点发送数据时，帧前加入唤醒前导。使得接收节点在数据部分发送前进人接收状态。 每一帧中活跃时间可根据网络流量动态调整，增加了睡眠时间，减少了空闲侦听。但带来早睡问题，增加了延时。所谓早睡问题是指在多个传感器节点向一个或少数几个汇聚节点发送数据时。由于节点在当前TA没有收到激活事件，过早进入睡眠。没有监测到接下来的数据包，导致网络延迟。为此T-MAC提供两种解决方案未来请求发送(FRTS)策略和满缓冲区优先(FBP)策略。FRTS可以提高数据吞吐率。但DS分组和FRTS分组的引入，带来额外的通信开销FBP方法减少了早睡问题发生的可能性，具有一定的流量控制作用。但是增加了网络冲突的概率。 (3)WiseMAC WiseMAC协议是非同步的基于Aloha的协议。发送方能了解接收方的周期调度，从而动态调整前导长度。接收节点在数据确认报文中捎带下次信道侦听时间，使节点了解每个邻居节点周期调度。下次发送方要发送数据时，可以在稍微提前于接收方醒来时间时发送，从而缩短了唤醒前导的长度，减少了发送唤醒前导的能量。WiseMAC用重复的数据帧代替唤醒前导。从而减少了通信负载。为减少固定前导冲突概率，采用随机唤醒前导。WiseMAC能很好的适应网络流量的变化，但是由于节点要存储邻居节点的信道侦听时间，造成存储开销较大，这种现象在当网络密度大时尤为突出。 2.5.2非竞争的MAC协议 基于非竞争的MAC协议可以分为多种基于频分复用，FDMA，的协议、基于时分复用（TDMA）的协议以及基于码分复用（CDMA）的协议等。 (1)基于FDMA的协议 基于FDMA的协议将总频段划分为许多等间隔的信道。供多个节点使用，这些信道互不交叠，信道间有保护带。基于FDMA的协议易于和模拟系统兼容，但是通信质量和保密性都比较差。 (2)基于TDMA的协议 时分复用，TDMA，技术是为每个节点分配独立的用于数据发送或接收的时隙，节点在其他时隙转人空闲状态。相比于竞争机制，TDMA机制无碰撞重传问题，也无需过多控制信息，是实现无线传感器网络较为理想的技术。使用TDMA技术，要求节点之间严格的时间同步，很多研究针对这个问题提出许多基于TDMA的传感器网络的MAC协议。下面介绍几个典型协议。 通信量自适应介质访问，Traffic Adaptive Medium Access，TRAMA，协议，将时间分成时隙，根据局部两跳之内的邻居信道，用基于各节点流量信息的分布式选举算法来决定节点的传输时隙，从而减少冲突和空闲侦听。 TRAMA协议将时间划分为交替的随机访问周期和调度访问周期。随机访问周期通过基于竞争的信道获得两条拓扑信息。根据应用层传来的信息，MAC层计算需要的传输时间。 TRAMA协议需要存储两跳内的邻居调度信息和拓扑信息，需要较大的存储空间。时钟同步存在一定通信开销，随机和调度访同交替进行增加端到端延时，协议对节点存储空间和计算能力要求很高，实现难度大。TRAMA协议适用于周期性数据采集和监测等WSN应用。 采用数据采集树结构的MAC协议(Data Gathering Tree，DMAC)是针对竞争性MAC协议中的S-MAC和T-MAC协议的数据转发中断问题而提出的。从传感器感知节点到汇聚节点形成一棵汇聚树，树中数据流是单向的。该协议用汇聚树描述网络结构。摆动唤醒机制负责调整树中节点的工作周期，从而减少消息在网络中的传输延迟。 (3)基于CDMA的协议 CDMA是一种使用编码技术实现信道共享的通信技术。CDMA是利用相互正交的编码采实现频率、时间和空间上的叠加。在无线传感器网络中，要想实现CDMA技术就是要为每个传感嚣节点分配相互正交的地址码，这样多个节点同时传输消息，也不会有碰撞冲突发生。从而解决了信道冲突问题。 基于CDMA的协议，允许多个节点同时通信，增加了网络吞吐量，减少了消息的传输延迟，不需要严格的时间同步，能够适应网络拓扑结构的变化。具有良好的扩展性，减少了控制信息的额外开销。但是节点需要复杂的CDMA的编解码和两套独立的收发器件，要求传感器节点有较高的计算能力，大大提高了传感器节点的硬件成本。 2.5.3混合型MAC协议 ，(1)Z-MAC协议 Z-MAC是一种CSMATDMA混合MAC协议。在低流量条件下使用CSMA信道访同方式，提高信道利用率并降低延时，在高流量条件下使用TDMA信道方式，减少冲突和串音。 Z-MAC中节点有两种模式LCL（1ow contention level）和HCL(high contention level)，节点收到ECN(Explicit Contention Notification)就会进入HCL7模式，否则就处于LCL模式。在LCL模式下，任何节点都可以竞争任何时隙，在HCL模式下。只有时隙的拥有者和其一跳邻居才可以竞争。两种模式中，时隙拥有者优先级更高。当时隙没有拥有者或者拥有者不发 送数据时，其邻居节点以CSMA方式竞争信道，获胜者占用该时隙，Z-MAC使得在低竞争的情况下取得高的信道利用率。 Z-MAC使用检测信道噪声级别的方法检测两跳邻居的竞争情况，当节点检测到高竞争，就发送ECN，防止两跳邻居节点造成隐藏终端问题。 Z-MAC中节点只在邻近的发送者之间同步，而且这些发送者处在高竞争状态下，时钟同步的开销被限制在发送者的邻居关系内，|司步的频率就会根据发送者的速率调整，只需接收者的时钟被动地同步发送者的时钟。不需要发送任何同步的消息。 Z-MAC协议中，节点可以在任何时隙都可以发送数据，信道利用率得到了提高，其缺点是在网络开始的时候，会花费大量的开销来初始化网络，造成网络能最的大量消耗，DRAND会引起串音问题。 (2)Funneling-MAC协议 Funneling-MAC协议是一种CSMA/CA和TDMA混合的MAC协议。在无线传感器网络中多跳聚播通信方式造成漏斗效应，使得Sink节点附近易冲突，拥塞和丢失分组，能量消耗大。Funneling-MAC协议在全网范围内采用CSMA/CA，漏斗区域节点f-节点，则采用CSMA和TDMA混合的信道访问方式，因此，f-节点有更多的机会基于调度访问信道。 Sink节点周期广播信标，接收到信标的节点认为自己处于漏斗区域，成为f-节点，Sink节点通过控制信标的广播功率调节楼顶区域的范围。f-节点通过触发TDMA和界定漏斗区域的信标同步。f-节点使用CSMA和TDMA帧交替访问信道，一个CSMA帧和TDMA帧合成为一个超帧，TDMA帧包含多个时隙，用于f-节点根据调度转发数据，CSMA帧用以发送f-节点产生的数据以及路由和其他控制信息。 Funneling-MAC以CSMA为主，对时钟同步要求不高，但协议中时隙分配算法只提供松散的TDMA调度，无法消除隐藏终端问题。第3章 系统设计方案3.1设计流程 本系统主要由无线数据采集、数据处理和报警三部分组成。现在很多小区都安装了智能报警系统, 因而大大提高了小区的安全程度 , 有效保证了居民的人身财产安全。由于红外线是不可见光, 有很强的隐蔽性和保密性, 因此在防盗、警戒等安保装置中得到了广泛的应用。此外,在电子防盗、人体探测等领域中,被动式热释电红外探测器也以其价格低廉、技术性能稳定等特点而受到广大用户和专业人士的欢迎。我们把它应用在家庭防盗系统，把传感器按放在阳台上，它的最大优点就是可以移动，解决了有线系统的局限性，该系统主要有热释电红外传感器及相应的电路组成，假如有人进入房间时，热释电红外传感器就会探测到，就会有一个触发信号，触发信号经过无线传感网络将信号输入单片机进行数据处理后，给报警器一个信号，报警器一响就可以知道有陌生人进入房间，可以对事件处理。 在无线传感器网络中主要应用的zigbee技术，ZigBee技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的双向无线通讯技术。主要用于距离短、功耗低且传输速率不高的各种电子设备之间进行数据传输以及典型的有周期性数据、间歇性数据和低反应时间数据传输的应用。 Zigbee技术的起源与蜜蜂在发现花丛后会通过一种特殊的肢体语言来告知同伴新发现的食物源位置等信息，这种肢体语言就是ZigZag行舞蹈，是蜜蜂之间一种简单传达信息的方式。借此意义Zigbee作为新一代无线通讯技术的命名。在此之前Zigbee也被称为“HomeRF Lite”、“RF- EasyLink”或“firefly”无线电技术，目前统称为Zigbee，简单的说，Zigbee是一种高可靠的无线数传网络，类似于CDMA和GSM网络。Zigbee数传模块类似于移动网络基站。通讯距离从标准的75m到几百米、几公里，并且支持无限扩展。Zigbee是一个由可多到65000个无线数传模块组成的一个无线数传网络平台，在整个网络范围内，每一个Zigbee网络数传模块之间可以相互通信，每个网络节点间的距离可以从标准的75m无限扩展。 与移动通信的CDMA网或GSM网不同的是，Zigbee网络主要是为工业现场自动化控制数据传输而建立，因而，它必须具有简单，使用方便，工作可靠，价格低的特点。而移动通信网主要是为语音通信而建立，每个基站价值一般都在百万元人民币以上，而每个Zigbee“基站”却不到1000元人民币。每个Zigbee网络节点不仅本身可以作为监控对象，例如其所连接的传感器直接进行数据采集和监控，还可以自动中转别的网络节点传过来的数据资料。除此之外，每一个Zigbee网络节点(FFD)还可在自己信号覆盖的范围内，和多个不承担网络信息中转任务的孤立的子节点(RFD)无线连接。ZigBee是一种无线连接可工作在2.4GHz(全球流行)、868MHz(欧洲流行)和915 MHz(美国流行)3个频段上,分别具有最高250kbit/s、20kbit/s和40kbit/s的传输速率它的传输距离在10-75m的范围内,但可以继续增加。作为一种无线通信技术ZigBee具有如下特点：(1) 低功耗: 由于ZigBee的传输速率低,发射功率仅为1mW,而且采用了休眠模式功耗低,因此ZigBee设备非常省电。据估算ZigBee设备仅靠两节5号电池就可以维持长达6个月到2年左右的使用时间,这是其它无线设备望尘莫及的。(2) 成本低 ZigBee模块的初始成本在6美元左右估计很快就能降到1.52.5美元, 并且ZigBee协议是免专利费的。低成本对于ZigBee也是一个关键的因素。 (3) 时延短: 通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短典型的搜索设备时延30ms,休眠激活的时延是15ms, 活动设备信道接入的时延为15ms。因此ZigBee技术适用于对时延要求苛刻的无线控制(如工业控制场合等)应用。(4) 网络容量大一个星型结构的Zigbee网络最多可以容纳254个从设备和一个主设备一个区域内可以同时存在最多100个ZigBee网络, 而且网络组成灵活。(5) 可靠: 采取了碰撞避免策略同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙,避开了发送数据的竞争和冲突。MAC层采用了完全确认的数据传输模式 每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息。如果传输过程中出现问题可以进行重发。(6)安全:ZigBee提供了基于循环冗余校验(CRC)的数据包完整性检查功能,支持鉴权和认证,采用了AES-128的加密算法,各个应用可以灵活确定其安全属性。 详细的原理结构图原理如下 图 3.1详细的原理框图在信息的发端和收端主要用zigbeeZigBee传感器节点是信息采集的基本单位。传感器收集环境信号和原始信号将信号交给处理模块处理。然后将处理后的信号上传到ZigBee模块。ZigBee模块将信息发送到机器人节点。因此该节点应该有三种能力，感知能力计算能力和无线通信能力。系统由两节电池和稳压器模块来提供电力。传感器节点通常使用温度湿度烟雾气体红外探测传感器节点来实现信息采集。在设计过程中我们选择CC2430 作为ZigBee的芯片。作为硬件的CPUCC2430集成RF收发器和128K的内存并在CC2430的典型应用6中需要很少的外部元件的核心芯片。它还包括A/D转换定时器AES128协同处理器看门狗定时器32K晶振的休眠模式定时器电源上电复位欠压检测和21个I / O。RF收发器包括核心芯片和天线并且支持IEEE802.15.4协议。在CC2430的21个I/0端口中P0端口可以设置为ADC端口。这21个I/O端口可作为SPI端口GPIO等等。除了这些机器人节点传感器节点也具有相同的基本结构。这些端口被分配到传感器和外围设备。 CC2430是一颗真正的系统芯