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1、1.1 无线传感网的体系结构及结构 无线传感网是由一组无线传感器节点以Ad hoc（自组织）方式组成的无线网络，其目的是协作地感知、收集和处理无线传感网所覆盖的地理区域中感知对象的信息，并传递给观察者。这种无线传感网集中了传感器技术、嵌入式计算技术和无线通信技术，能协作地感知、监测和收集各种环境下所感知对象的信息，通过对这些信息的协作式信息处理，获得感知对象的准确信息，然后通过Ad hoc方式传送到需要这些信息的用户。传感器、感知对象和观察者构成了无线传感网的三个要素。 如图1-1 所示为典型的无线传感网体系结构，它由分布式传感器节点群组成。这些节点通过自组织方式构成无线网络，以协作的方式实时
2、感知、采集和处理网络覆盖区域中的信息，并通过多跳方式将整个区域内的信息传送给基站（BS）或汇集节点，BS 再通过传输通信网络（由互联网、卫星网或移动通信网构成）将数据传到数据中心或发送给远处的用户。反之，用户可以通过传输通信网发送命令给BS，而BS 再将命令转发给各个传感器节点。 无线传感网是以数据为中心的网络。分布式的无线传感网多为分簇形式，将传感器节点分成多个簇，每个簇存在一个簇头节点，负责簇内节点的管理和数据融合，分簇结构的无线传感网的体系结构如图1-2 所示。分簇方式的特点是簇群内的节点只能与本簇的簇头通信，簇头和簇头之间可以相互传递数据，可以通过多跳方式传送数据到数据中心。1.1.2
3、 无线传感器节点结构 无线传感器节点是一个微型化的嵌入式系统，它构成了无线传感网的基础层支持平台。典型的传感器节点由数据采集的感知单元、数据处理和存储单元、通信收发的传输单元和节点供电的能源供给单元4 个部分组成，感知单元由传感器、A/D 转换器组成，负责感知监控对象的信息；能源供给单元负责供给节点工作所消耗的能量，一般为小体积的电池；传输单元完成节点间的信息交互通信工作，一般为无线电收发装置，由物理层收发器、MAC 层协议、网络层路由协议组成；处理单元包括存储器和微处理器和应用部分，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来的数据。典型的传感器节点体积较小，可能小
4、于1cm3次方，常被部署在无人照看或恶劣的环境中，无法更换电池，节点能量受限。实际上各平台最主要区别是采用了不同的处理器、无线通信协议以及与应用相关的不同的传感器。目前国内外出现了多种无线传感网节点的硬件平台。如：美国的CrossBow公司开发的Mote系列节点Mica2、MicaZ、Mica2Dot，Infineon公司开发的EYES传感器节点等等。常用的处理器有Intel StrongARM、Texas Instrument MSP430和Atmel Atmega，常用的无线通信协议有802.llb、802.15.4/ZigBee 和Bluetooth 等；与应用相关的传感器有光传感器、热
5、传感器、压力传感器以及湿度传感器等。1.2.4 无线传感网的特点1. 无线传感网规模大，密度高2.传感器节点的能量、计算能力和存储容量有限3. 无线传感网的拓扑结构易变化，具有自组织能力4. 网络的自动管理和高度协作性5. 传感器节点具有数据融合能力6. 以数据为中心的网络7. 安全性问题严重1.3 无线传感网关键技术 1. 网络拓扑控制技术 2. 网络通信协议由于传感器节点的计算能力、存储能力、通信能力以及携带的能量都十分有限，每个节点只能获取局部网络的拓扑信息，其上运行的网络协议也不能太复杂。无线传感网协议负责使各个独立的节点形成一个多跳的数据传输网络，目前研究的重点是网络层协议和数据链路
6、层协议。 在无线传感网中，路由协议不仅关心单个节点的能量消耗，更关心整个网络能量的均衡消耗，这样才能延长整个网络的生存期。无线传感网是以数据为中心的。这在路由协议中表现得最为突出，每个节点没有必要采用全网统一的编址，选择路径可以不用根据节点的编址，更多的是根据感兴趣的数据建立数据源到汇聚节点之间的转发路径。无线传感网的MAC协议首先要考虑节省能源和可扩展性，其次才考虑公平性、利用率和实时性等。在MAC 层的能量浪费主要表现在空闲侦听、接收不必要数据和碰撞重传等。为了减少能量的消耗，MAC协议通常采用“侦听/睡眠”交替的无线信道侦听机制，传感器节点在需要收发数据时才侦听无线信道，没有数据需要收发
7、时就尽量进入睡眠状态。3. 网络安全技术 4. 时间同步技术 RBS、TINY/MINI-SYNC 和TPSN 被认为是三个基本的同步机制。RBS 机制是基于接收者-接收者的时钟同步：一个节点广播时钟参考分组，广播域内的两个节点分别采用本地时钟记录参考分组的到达时间，通过交换记录时间来实现它们间的时钟同步。TINY/MINI-SYNC 是简单的轻量级的同步机制：假设节点的时钟漂移遵循线性变化，那么两个节点之间的时间偏移也是线性的，可通过交换时标分组来估计两个节点间的最优匹配偏移量。TPSN 采用层次结构实现整个网络节点的时间同步：所有节点按照层次结构进行逻辑分级，通过基于发送者-接收者的节点对
8、方式，每个节点能够与上一级的某个节点进行同步，从而实现所有节点都与根节点的时间同步。5. 节点定位技术确定事件发生的位置或采集数据的节点位置是无线传感网最基本的功能之一。 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。根据节点位置是否确定，传感器节点分为信标节点和位置未知节点。信标节点的位置是已知的，位置未知节点需要根据少数信标节点，按照某种定位机制确定自身的位置。 在无线传感网定位过程中，通常会使用三边测量法、三角测量法或极大似然估计法确定节点位置。根据定位过程中是否实际测量节点间的距离或角度，把无线传
9、感网中的定位分类为基于测距的定位和无需测距的定位。6. 数据融合技术无线传感网是能量约束的网络，减少传输的数据量能够有效地节省能量，提高网络的生存期。数据融合技术在节省能量、提高信息准确度的同时，要以牺牲其他方面的性能为代价。首先是延迟的代价，在数据传送过程中寻找易于进行数据融合的路由、进行数据融合操作、为融合而等待其他数据的到来，这三个方面都可能增加网络的平均延迟。其次是鲁棒性的代价，无线传感网相对于传统网络有更高的节点失效率以及数据丢失率，数据融合可以大幅度降低数据的冗余性，但丢失相同的数据量可能损失更多的信息，因此相对而言也降低了网络的鲁棒性。数据融合技术可以与无线传感网的多个协议层次进
10、行结合。在应用层设计中，可以利用分布式数据库技术，对采集到的数据进行逐步筛选，达到融合的效果；在网络层中，很多路由协议均结合了数据融合机制，以期减少数据传输量。数据融合技术已经在目标跟踪、目标自动识别等领域得到了广泛的应用。7. 数据管理技术8. 无线通信技术9. 嵌入式操作系统10. 应用层技术第2章 物理层通信技术第3章 2.4 典型的物理层通信技术 无线传感网使用的典型物理层通信技术，包括近距离无线通信技术的ZigBee 技术、红外通信技术，蓝牙技术，以及WiFi、UWB 技术；广域网络通信技术的GPRS 和EDGE 技术、WiMax、3G 与LTE（4G）通信技术。 1. ZigBee
11、 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信技术。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 协议是由ZigBee 联盟制定的无线通信标准，该联盟成立于2001 年8 月。ZigBee 联盟的目的是为了在全球统一标准上实现简单可靠、价格低廉、功耗低、无线连接的监测和控制产品进行合作，并于2004 年12 月发布了第一个ZigBee 正式标准。 ZigBee 标准以IEEE802.15.4 标准定义的物理层及MAC 层为基础，并对其进行了扩展，对网络层协议和AP
12、I 进行了标准化，定义了一个灵活、安全的网络层，支持多种拓扑结构，在动态的射频环境中提供高可靠性的无线传输。此外，ZigBee 联盟还开发了应用层、安全管理、应用接口等规范。 ZigBee 的通信速率要求低于蓝牙，由电他供电设备提供无线通信功能，并希望在不更换电池并且不充电的情况下能正常工作几个月甚至几年。ZigBee 支持mesh 型网络拓扑结构。网络规模可以比蓝牙设备大得多，一个网络可支持65000 个节点，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。ZigBee 无线设备工作在免许可频段2.4GHz 频段和868/915MHz 频段，传输距离为1075m，具体数值
13、取决于射频环境以及特定应用条件下的传输功耗。ZigBee 物理层规范均基于直接序列扩频技术，对于不同频段的物理层，其码片的调制方式各不相同。ZigBee 的通信速率在2.4GHz 时为250kbps，在915MHz 时为40kbps，在868MH2 时为20kbps。第3章 无线传感网MAC协议3.2 基于争型MAC 协议 基于竞争的MAC 协议的基本思想是，当无线节点需要发送数据时，主动抢占无线信道，当在其通信范围内的其他无线节点需要发送数据时，也会发起对无线信道的抢占，这就需要相应的机制来保证任一时刻在通信区域内只能有一个无线节点获得信道使用权。如果发送的数据产生了碰撞，就按照某种策略重发
14、数据，直到数据发送成功或放弃发送。基于竞争的MAC 协议有如下优点：（1）由于基于竞争的MAC 协议是根据需要分配信道，所以这种协议能较好地满足节点数量和网络负载的变化；（2）基于竞争的MAC 协议能较好地适应网络拓扑的变化；（3）基于竞争的MAC 协议不需要复杂的时间同步或集中控制调度算法。 通信过程中造成能量损耗主要体现在以下几方面：（1） 空闲监听(idle listenning)：节点在不需要收发数据时仍保持对信道的空闲侦听。（2） 冲突重传：数据冲突导致的重传和等待重传。（3）控制开销：为了保证可靠传输，协议将使用一些控制分组，如RTS/CTS，虽然没有数据在其中，但是我们必须消耗一
15、定的能量来发送它们；（4）串扰(overhearng)：节点因接收并处理并非传输给自己的分组造成的串音。3.2.2 S-MAC 协议2关键技术（1）周期性监听和睡眠（2）自适应监听（3）冲突和串音避免（4）消息传递（分片传输机制）4.3 ZigBee 协议4.3.1 ZigBee 协议框架 相对于常见的无线通信标准，ZigBee 协议比较紧凑、简单，从总体框架来看，可以分为三个基本层次：物理层/数据链路层、ZigBee 堆栈层和应用层，物理层/数据链路层位于最底层，应用层位于最高层，ZigBee 协议的架构如图4-4 所示。各层的基本功能如下：1. 物理层/数据链路层物理层与物理传输媒介(这里
16、主要指无线电波)相关，负责物理媒介与数据比特的相互转化，以及数据比特与上层数据链路层数据帧的相互转化。数据链路层负责寻址功能，发送数据时决定数据发送的目的地址，接收数据时判定数据的源地址。此外也负责数据包或数据帧的装配以及接收到的数据帧的解析。2. ZigBee 堆栈层 ZigBee 堆栈层由网络层与安全平台组成，提供应用层与IEEE802.15.4 物理层/数据链路层的连接，由与网络拓扑结构、路由、安全相关的几个堆栈层次组成。3. 应用层应用层包含在网络节点上运行的应用程序，赋予节点自己的功能。应用层的主要功能是将输入转化为数字数据，或者将数字数据转化为输出。 4.3.2 ZigBee 协议主要特征（1）
