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1、HUBEI NORMAL UNIVERSITY无线传感器网络课程设计论文Courses Thesis课程名称无线传感器网络论文题目无线传感器网络课件概略学生姓名何 刚学 号2012115020342指导教师柯宗武所在院系计算机科学与技术学院专业名称通信工程完成时间2015/1/1无线传感器网络第一讲：无线传感器网络一、短距离无线通信红外（IrDA）例控、Blue Tooth（蓝牙）可穿设备、WIFI、802.15.4（MAC）、UWB（超宽带）、ZigBee等。二、无 线 网 络1.有基础设施网：需要固定基站,如使用的手机，属于无线蜂窝网，需要高大的天线和大功率基站来支持，基站就是最重要的基础
2、设施；使用无线网卡上网的无线局域网，由于采用了接入点这种固定设备，也属于有基础设施网。2.无基础设施网：2.1移动Ad hoc网络：节点是分布式的，没有专门的固定基站。无线Ad hoc网络分为两类: 一类是移动Ad hoc网络(Mobile Ad hoc Network,简称MANET)，终端是快速移动的；另一类就是无线传感器网络,节点是静止的或者移动很慢。2.2无线传感器网络：大量的静止或移动的传感器以自组织和多跳的方式构成的无线网络，目的是协作地采集、处理和传输网络覆盖地域内感知对象的监测信息，并报告给用户。传感器网络的标准定义是这样的：传感器网络是大量的静止或移动的传感器以自组织和多跳的
3、方式构成的无线网络，其目的是协作地感知、采集、处理和传输网络覆盖地理区域内感知对象的监测信息，并报告给用户。 它的英文是Wireless Sensor Network, 简称WSN。无线传感器网络的体系结构：终端节点（采集数据）、汇聚节点、路由器（konter）、协调器。五层协议包括物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层。物理层负责载波频率的产生、信号调制、解调；数据链路层负责媒体接入和差错控制；网络层负责路由发现与维护；传输层负责数据流的传输控制；应用层负责任务调度、数据分发等具体业务。三、基本工作过程(1) 传感器节点的处理器模块完成计算与控制功能，射频模块完成无线通信传输功能，传感器
4、探测模块完成数据采集功能，通常由电池供电，封装成完整的低功耗无线传感器网络。(2) 网关节点只需要具有处理器模块和射频模块，通过无线方式接收探测终端发送来的数据信息，再传输给有线网络的PC机或服务器。(3) 各种类型的低功耗网络终端节点可以构成星形拓扑结构，或者混合型的ZigBee拓扑结构，有的路由节点还可以采用电源供电方式。四、传感器网络节点的结构由数据采集部分（传感模块）、处理模块（CPU）和无线通信模块组成： 从无线联网的角度来看，传感器网络节点的体系由分层的网络通信协议、网络管理平台和应用支撑平台三个部分。 类似于传统Internet网络中的TCP/IP协议体系，它由物理层、数据链路层
5、、网络层、传输层和应用层组成。五、传感器节点的限制条件 传感器网络由数据获取子网、数据分布子网和控制管理中心三部分组成。主要组成部分是集成了传感器、数据处理单元和通信模块的节点，节点通过协议自组织成一个分布式网络，将采集的数据优化后经无线电波传输给信息处理中心。传感器节点在实现各种网络协议和应用系统时，存在一些限制和约束。 1、电源能量有限 耗能模块包括传感器模块、处理器模块和无线通信模块。随着集成电路工艺的进步，处理器和传感器模块的功耗变得很低，绝大部分能量主要消耗在无线通信模块上。传感器节点的绝大部分能量消耗在无线通信模块。传感器节点传输信息时要比执行计算时更消耗电能；传输l比特信息100
6、m距离需要的能量大约相当于执行3000条计算指令所消耗的能量。2、通信能力受限，传输距离小，采用多跳方式通信 通常无线通信的能量消耗与通信距离的关系符合如下规律：；n满足关系2n4。n的取值与很多因素有关，如传感器节点部署贴近地面时，障碍物多、干扰大，n取值就大；天线质量对信号发射质量影响也很大。通常取n为3，假定通信能耗与距离三次方成正比。随着通信距离的增加，能耗会急剧增加；在满足通信连通性的前提下应尽量减少单跳的通信距离。3、计算和存储能力受限，处理能力低，内存小花费少节点是微型嵌入式设备，价格低、功耗小，导致其携带的处理器能力比较弱，存储器容量比较小。节点需要完成监测数据的采集和转换、数
7、据的管理和处理、应答汇聚节点的任务请求和节点控制等多种工作。六、无线传感器网络特点具有Ad Hoc网络的移动性、断接性、电源能力局限性等共同特征；在组网方面具有一些鲜明的自身特点。它的主要特点包括自组织性、以数据为中心、应用相关性、动态性、网络规模大和需要高的可靠性等。七、传感器网络的应用情况（一）民事应用智能家居（智慧城市）、智慧医疗、环境监控、物种保护等（二）军事应用监测战场等八、传感器网络的关键技术1.无线通信技术；2.网络拓扑控制（目的是延长网络生命周期）；3.嵌入式操作系统（微操作系统，实时操作系统）；4.网络协议；5.数据融合（减少网络流量）；6.安全技术；7.时间同步；8.定位技
8、术（GPS）；9.数据管理；10.应用技术。九、无线传感器网络的开发平台微处理器（自带无线传输）第二讲：ZigBee协议栈ZigBee是IEEE 802.15.4协议的代名词。根据这个协议规定的技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术。这一名称来源于蜜蜂的八字舞，由于蜜蜂是靠飞翔和“嗡嗡”地抖动翅膀的“舞蹈”来与同伴传递花粉所在方位信息，也就是说蜜蜂依靠这样的方式构成了群体中的通信网络。其特点是近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低数据速率、低成本。主要适用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备。简而言之，ZigBee就是一种便宜的，低功耗的近距离无线组网通讯技术。ZigBee早期也被称为“H
9、omeRF Lite”、“RF-EasyLink”或“fireFly”无线电技术，目前统称为ZigBee技术。一、ZigBee的特点:1.数据传输速率低：一般在0-250kb/s；2.自组织：ZigBee网络是一个自组织网络在传输过程中采取了碰撞避免策略。3.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。4.低成本：由于ZigBee模块的复杂度不高，ZigBee协议免专利费，再加之使用的频段无需付费，所以它的成本较低。通过大幅度简化协议（不到蓝
10、牙的1/10），降低了对通信控制器的要求，按预测分析，以8051的8位微控制器测算，全功能的主节点需要32KB代码，子功能节点少至4KB代码。5.唤醒时延短：通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短，典型的搜素设备时延30ms，休眠激活的时延是15ms，活动设备信道接入的时延为15ms。相比较，蓝牙需要3-10s、WiFi需要3s。6.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。网状结构的ZigBee网络可有65536个节点，是16位编址。7.数据安全：ZigBee提供了基于循环冗余校验（
11、CRC）的数据包完整性检查功能，支持鉴权和认证，以及采用高级加密标准（AES-128）的对称密码，以灵活确定其安全属性。ZigBee提供了三级安全模式，包括无安全设定、使用接入控制清单（ACL）防止非法获取数据。8.工作频段广：采用直接序列扩频在工业科学医疗（ISM）频段，2.4GHz（全球）、915MHz（美国）和868MHz（欧洲）。二、ZigBee设备类型:1.半功能设备(精简功能设备)RFD：终端设备（End-device），一个终端设备对于维护这个网络设备没有具体的责任，所以它可以睡眠和唤醒看它自己选择。因此他能作为电池电节点。不能做的事，存放路由信息，路由列表。占有或者形成网络，允
12、许其它设备加入自己，扫描并发现一个PAN 并加入它，向父节点申请并收到信息，该功能可以关闭，可移动，CPU 与射频可以被关断。（感知）2.全功能设备：2.1协调器（Coordinator ）FDD：它包含所有的网络信息，是3种设备最复杂的，存储容量大、计算能力最强。它主要用于发送网络信标、建立一个网络、管理网络节点、存储网络节点信息、寻找一对节点间的路由信息并且不断的接收信息。一旦网络建立完成，这个协调器的作用就像路由器节点。协调器负责启动整个网络 。 协调器选择一个信道和一个网络 ID( 也称之为 PAN ID ，即 Personal Area Network ID) ，随后启动整个网络。允
13、许其他设备加入它，加入该网络。终端设备在睡眠时，为终端节点作缓冲器，提供绑定和地址列表服务，路由信息，维护动态路由，可以有I / O能力，管理安全。 （构造管理网络）2.2路由器（Router）FDD：它的执行功能包括允许其它设备加入这个网络，跳跃路由，辅助子树下电池供电终端的通信。通常，路由器全时间处在活动状态，因此为主供电。但是在树状拓扑中，允许路由器操作周期运行，因此这个情况下允许路由器电池供电。没有自己的PAN，也不自动启动一个PAN ；主要功能是扫描加入一个已经形成的网络，当本机已经加入PAN时,允许其它设备加入它，路由信息，动态路由维护，为正在休眠的设备充当数据缓冲器，支持加密信息
14、传送，允许对一些IO进行控制，射频收发器一直被开启。（路由、网络结构、感知）一个ZigBee网络由一个协调器节点、多个路由器和多个终端设备节点组成。上述的三种设备根据功能完整性可分为全功能(FFD)和半功能(RFD)设备。其中全功能设备可作为协调器、路由器和终端设备，而半功能设备只能用于终端设备。一个全功能设备可与多个RFD设备或多个其它FFD设备通信，而一个半功能设备只能与一个FFD通信。三、ZigBee网络结构ZigBee 网络层（NWK）支持星型、树型和网状网络拓扑。星状网络星型拓扑中网络由ZigBee 协调器的设备控制。ZigBee 协调器负责发起和维护网络中的设备,其它设备，称为终端
15、设备直接与ZigBee 协调器通信。网状网络在网状和树型拓扑中，ZigBee 协调器负责启动网络，选择某些关键的网络参数，但是网络可以通过使用ZigBee 路由器进行范围扩展，该网络还具备自动路由功能。 树状网络在树型网络中，路由器使用一个分级路由策略在网络中传送数据和控制信息。树型网络可以使用IEEE 802.15.4-2003 规范中描述的以信标为导向的通信。网状网络允许完全的点对点通信。四、ZigBee地址类型ZigBee 设备有两种类型的地址64 位 IEEE 地址，即 MAC 地址；16 位网络地址。64 位地址使全球唯一的地址 ， 设备将在它的生命周期中一直拥有它 。 它通常由制造商或者被安装时设置。这些地址由 IEEE 来维护和分配。16 为网络地址是当设备加入网络后分配的。它在网络中是唯一的，用来在网络中鉴别设备和发送数据。ZigBee物理地址（ MAC 地址）： 按照国际标准每一个ZigBee设备必需有全球唯一的64 位 IEEE 地址（物理地址），由于这些地址都获得ZigBee联盟认证，因此通过每一个物理地址可以追朔到相应的生产厂商。ZigBee网络地址：在一个新设备加入网络之后协调器会主动为它分配一个网络地址，以方便
