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一、无线传感器网络简介 1、1概述 科技发展的脚步越来越快，人类已经置身于信息时代。而作 为信息获取最重要和最基本的技术——传感器技术，也得到 了极大的发展。传感器信息获取技术已经从过去的单一化渐 渐向集成化、微型化和网络化方向发展，并将会带来一场信 息革命 无线传感器网络（WirelessSensorNetwork）综合了微电子 技术、嵌入式计算技术、现代网络及无线通信技术、分布式 信息处理技术等先进技术，能够协同地实时监测、感知和采 集网络覆盖区域中各种环境或监测对象的信息，并对其进行 处理，处理后的信息通过无线方式发送，并以自组多跳的网 络方式传送给观察者。 1．2无线传感器网络特点 1．传感器节点数目大，密度高，采用空间位置寻址。 2．传感器接点的能量、计算能力和存储能力有限（能量、 计算存储低、关键在有效简单的路由协议） 3．无线传感网络的拓扑结构易变化，有自组织能力。（与 传统的有不同的特点和技术要求：它根据需要可以在工作和 休眠之间切换，因此网络的拓扑结构容易发生变化于是运用 了嵌入式系统。传统重在QOS和更大的宽带保证，并且是静 止的。无线的要节省能量，连通性和延长运行寿命） 4．传感器节点具有数据融合能力（与Mesh网络区别，数据 小，移动，重能源。 与无线Ad-hoc网络比数量多、密度大、 易受损、拓扑结构频繁、广播式点对多通信、节点能量、计 算能力受限。） 1、3无线传感器网络系统及协议系统 结构 1、3、1无线传感器网络系统 无线传感器网络体系结构[1]如图1所示,传感器网络通常包括 传感器节点，汇聚节点和管理节点。传感器节点任意的分布 在某一监测区域内，节点以自组织的形式构成网络，通过多 跳中继方式将监测数据传送到汇聚节点，最后通过Internet 或其他网络通讯方式将监测信息传送到管理节点。同样的， 用户可以通过管理节点进行命令的发布，告知传感器节点收 集监测信息。 图1 无线传感器网络体系结构图 1.3.2无线传感器通信协议系统结构 物理层技术 为数据流传输所需的物理连接的建立、维 护和释放提供的机械的、电气的、功能和规 程性的模块就叫做物理层 在物理层面上，无线传感器网络遵从的主 要是IEEE 802.15.4标准（Zigbee） 数据链路层（MAC层协议） 数据链路层（MAC层协议） 信号的传输要靠信道，因此信道也就成为了一种 宝贵的资源。怎样合理有效的分配信道，就是数据 链路层中的MAC子层要解决的问题了 网络层（路由） 网络层（路由） 两个基本功能：确定最佳路径和通过网络传输信息 1 泛洪式路由 2 SPIN（SPIN是一组基于协商并且具有能量自适应功能的协 议） 3 LEACH（LEACH是一种分层网络协议，它以循环的方式随 机选择簇首节点，将全网络的能量负载平均分配到每个传感 器节点，从而达到降低网络能源消耗的目的。这里要解释一 下簇，簇是分层路由协议的概念，根据分层路由协议，网络 被划分成不同簇，每一个簇由一个簇首和簇成员组成，多个 簇首形成高级的网络，簇首节点不仅负责其辖下簇内信息的 收集和融合处理，还负责簇之间数据的转发） 4 PEGASIS（PEGASIS可谓LEACH的升级版本。） 传输层与应用层 传输层 传输层提供无线传感器网络内部以数据为基础的 寻址方式变换为外部网络的寻址方式，也就是完成 数据格式的转换。 应用层 无线传感器网络也有一个属于自己的操作系统— TinyOS。这个系统不同于传统意义上的操作系统， 它更像一个编程构架，在此构架下，搭配一组必要 的组件，就能方便地编译出面向特定应用的操作系 统 2、1无线传感网络拓扑结构 平面网络结构 分级网络结构 混合网络结构 Mesh网络结构 2、2无线传感器网络覆盖问题 覆盖问题是无线传感器网络配置首先面临的 基本问题，因为传感器节点可能任意分布在 配置区域，它反映了一个无线传感网络某区 域被鉴测和跟踪的状况 三、无线传感器网络关键技术 3.1 无线传感器网络MAC协议 所谓的MAC协议，就是通过一组规则和过程 来更有效、有序和公平地使用共享介质。它 实现两大基本功能目标：在密集散布的传感 器现场能够有助于建立起一个基本网络基础 设施所需的数据通信链路；协调共享介质的 访问 3.2无线传感器网络路由协议 主要完成两大功能：一是选择适合的优化路径， 一是沿着选定的路径正确转发数据 泛洪协议 SPIN协议 定向扩散(Directed Diffusion)协议 LEACH协议 3.3无线传感器能量管理机制 1) 动态功率管理(dynamic power management,简称DPM) 2) 动态电压调度(dynamic voltage scheduling,简称DVS) 3.3.1动态功率管理(dynamic power management,简称DPM) 在多数传感器网络的应用中,监测事件具有很强 的偶发性,节点上所有的工作单元没有必要时刻保持 在正常的工作状态.处于沉寂状态,甚至完全关闭,必 要时加以唤醒是一种有效的系统节能方案.传感器网 络节点的主要功耗器件有处理器、内存、带A/D的传 感器和无线收发单元.Sinhua等人根据它们的状态组 合的有效性,将整个节点分为5种工作状态,在嵌入式 操作系统的支持下进行切换,既满足了功能的需要, 又节省了功耗. 3.3.2动态电压调度(dynamic voltage scheduling,简称DVS) 3.4无线传感器网络QOS保证技术 3.5无线传感器网络数据融合技术 3.6无线传感器网络安全机制 3.7无线传感器网络定位技术 3.8无线传感器网络同步管理机制 四、无线传感器网络硬件平台 4、1硬件结构 传感器节点 汇聚节点 管理平台 传感器节点 无线传感器网络微型节点由数据采集单元、数据处理单元、 数据传输单元和电源管理单元4部分组成 汇聚节点 当节点作为汇聚节点时，其主要功能就足连接传感 器网络与外部网络(如Internet)，将传感器节点采集 到的数据通过互联网或卫星发送给用户。 管理平台 管理平台对整个网络进行检测、管理，它通 常为运行有网络管理软件的PC机或者手持终 端设备 4、2无线传感器网络硬件平台 目前传感器节点种类繁多，很多科研机构都 开放自己的硬件平台，但是这些硬件平台之 间主要区别在于所采用的处理器、无线通信 方式、传感器配置不同。下面具体介绍几家 公司的硬件平台。 Crossbow(公司) Wireless Module Sensor Boards Gateways Mote(公司)的 Tmote Sky Tmote Connect 其他的一些硬件平台 Intel 公司的intel mote2 Chipcon 公司的cc2420ZDK Ember公司的em250 Development kit Freescale公司的 mc13191 中科院的minigains系列 自行设计传感器节点 数据采集单元 负责监测区域内信息的采集和数据转换，本设计 中数据采集单元包括了温度、湿度、光强度、加速 度和大气压力传感器；数据处理单元负责控制整 个 节点的处理操作、路由协议、同步定位、功耗管理、 任务管理等；数据传输单元负责与其他节点进行无 线通信，交换控制消息和收发采集数据；电源管理 单元选通 所用到的传感器，节点电源由两节1.5V碱 性电池组成，今后将采用微型纽扣电池，以进一步 减小体积。为了调试方便及可扩展性，将数据采集 单元独立出来，做成两块能相互套接的可扩展主板 数据处理单元 如设计中数据处理单元选用Atmel公司的ATmega128L微控制器，它是 采用低功耗COMS工艺生产的基于RISC结构的8位微控制器，是目前 AVR系列中功能最强大的单片机。 ATmega128L具有丰富的资源和极低的功耗。它具有片内128KB的程序 Flash，4KB的数据SRAM，可外扩到64KB的E2PROM。此外，它还有8 个10位ADC通道，2个8位和2个16位硬件定时/计数器，并可在多种不同 的模式下工作；8个PWM通道、可编程看门狗定时器和片上振荡器、片 上模拟比较器；UART、SPI、I2C总线接口；JTAG接口。除了正常操作 模式外，还具有六种不同等级的低功耗操作模式，每种模式具有不同的 功耗 无线收发模块设计 CC2420是Chipcon公司开发的首款符合 Zigbee标准的2.4 GHz射频芯片，集成了所有 Zigbee技术的优点，可快速应用到Zigbee产 品中。Zigbee是建立在IEEE 802.15.4定义的 可靠的PHY(物理层)和MAC(媒体访问控制层) 之上的标准，它定义了网络层、安全层和应 用层。Zigbee的协议架构如图2所示 图3 数据传输单元接口电路 操作系统 TinyOS MANTIS OS SOS MagnetOS PEEROS AmbitentRT