項目七無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

1、項目七 ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計知識目標： 1. 掌握zigbee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計的基本要求。 2.了解zigbee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的安全設(shè)計。 3.掌握zigbee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的硬件和軟件設(shè)計。項目七 ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計技能目標： 1. 掌握Z-Stack協(xié)議棧的串口通信。 2.掌握Z-Stack協(xié)議棧的點播通信。 3.掌握Z-Stack協(xié)議棧程序的移植。項目七 ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計7.1.1 系統(tǒng)設(shè)計原則（1）節(jié)能是zigbee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)計最主要的問題（2）成本的高低也是衡量zigbee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)計好壞的重要指標（3）小型化也是zigb

2、ee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)追求目標（4）可擴展性也是傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計中必須要考慮的問題7.1 Zigbee無線傳感網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的基本要求7.1.2 WSN路由協(xié)議設(shè)計要求（1）健壯性（2）減少通信量來降低能耗（3）保持通信量負載均衡。（4）路由協(xié)議應(yīng)具有安全機制。（5）可擴展性7.1 Zigbee無線傳感網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的基本要求7.1.3 評價指標體系（1）能源有效性（2）生命周期（3）時間延遲。（4）感知精度（5）容錯性（6）可擴展性7.1 Zigbee無線傳感網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的基本要求7.2.1 傳感器網(wǎng)絡(luò)的安全分析1傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點（1）能量有限（2）計算能力有限（3）存儲能力有限（4）通信范圍有限（5）防篡改性7

3、.2 Zigbee無線傳感網(wǎng)絡(luò)的安全7.2.1 傳感器網(wǎng)絡(luò)的安全分析2Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的安全特點（1）資源受限、通信環(huán)境惡劣（2）部署區(qū)域的安全無法保證，節(jié)點容易失效（3）網(wǎng)絡(luò)無基礎(chǔ)框架（4）部署前地理位置具有不確定性7.2 Zigbee無線傳感網(wǎng)絡(luò)的安全7.2.2 傳感器網(wǎng)絡(luò)的安全性目標1WSN的安全目標及實現(xiàn)基礎(chǔ)將其安全問題歸結(jié)為消息安全和節(jié)點安全。所謂消息安全是指節(jié)點之間傳輸?shù)母鞣N報文的安全性。節(jié)點安全是指針對傳感器節(jié)點被俘獲并改造而變?yōu)閻阂夤?jié)點時，網(wǎng)絡(luò)能夠迅速地發(fā)現(xiàn)異常節(jié)點，并能有效地防止其產(chǎn)生更大的危害。維護傳感器節(jié)點安全的首要問題是建立節(jié)點信任機制。因此，密鑰管理是安全管

4、理中最重要、最基礎(chǔ)的環(huán)節(jié)。7.2 Zigbee無線傳感網(wǎng)絡(luò)的安全7.2.2 傳感器網(wǎng)絡(luò)的安全性目標2、WSN的安全需求（1）保密性。（2）完整性。（3）健壯性。（4）真實性。（5）時效性。（6）可用性。（7）訪問控制。7.2 Zigbee無線傳感網(wǎng)絡(luò)的安全7.2.3 傳感器網(wǎng)絡(luò)的安全策略1傳感器節(jié)點的物理操縱安全策略：由于傳感器節(jié)點容易被物理操縱是傳感器網(wǎng)絡(luò)不可回避的安全問題，必須通過其他的技術(shù)方案來提高傳感器網(wǎng)絡(luò)的安全性能。如在通信前進行節(jié)點與節(jié)點的身份認證；設(shè)計新的密鑰協(xié)商方案，使得即使有一小部分節(jié)點被操縱后，攻擊者也不能或很難從獲取的節(jié)點信息推導(dǎo)出其他節(jié)點的密鑰信息等。7.2 Zigbe

5、e無線傳感網(wǎng)絡(luò)的安全7.2.3 傳感器網(wǎng)絡(luò)的安全策略2信息竊聽安全策略：對傳輸信息加密可以解決竊聽問題，但需要一個靈活、強健的密鑰交換和管理方案。7.2 Zigbee無線傳感網(wǎng)絡(luò)的安全7.2.3 傳感器網(wǎng)絡(luò)的安全策略3、私有性問題安全策略：保證網(wǎng)絡(luò)中的傳感信息只有可信實體才可以訪問是保證私有性問題的最好方法，這可通過數(shù)據(jù)加密和訪問控制來實現(xiàn)；另外一種方法是限制網(wǎng)絡(luò)所發(fā)送信息的粒度，因為信息越詳細，越有可能泄露私有性。7.2 Zigbee無線傳感網(wǎng)絡(luò)的安全7.2.3 傳感器網(wǎng)絡(luò)的安全策略4、拒絕服務(wù)攻擊安全策略：一些跳頻和擴頻技術(shù)可以用來減輕網(wǎng)絡(luò)堵塞問題。恰當?shù)恼J證可以防止在網(wǎng)絡(luò)中插入無用信息。

6、然而，這些協(xié)議必須十分有效，否則它也可能用來當做拒絕服務(wù)攻擊的手段。7.2 Zigbee無線傳感網(wǎng)絡(luò)的安全7.3 Zigbee無線傳感網(wǎng)絡(luò)硬件的設(shè)計傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)zigbee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通用設(shè)計，服務(wù)于多個應(yīng)用單一設(shè)計，服務(wù)于特定應(yīng)用主要關(guān)注網(wǎng)絡(luò)性能和延遲功耗是主要設(shè)計關(guān)注點器件和網(wǎng)絡(luò)工作于可控的溫和環(huán)境 常布設(shè)于存在苛刻條件的環(huán)境中通常有維護與維修與節(jié)點物理接觸，很難甚至不可維修組件故障通過維修解決網(wǎng)絡(luò)設(shè)計需要預(yù)計存在組件故障，增加之冗余度輕松獲得全局網(wǎng)絡(luò)信息和實現(xiàn)集中式管理決策由本地節(jié)點完成，不支持集中式管理7.3.1 傳感節(jié)點的設(shè)計傳感節(jié)點主要包括感知單元、控制單元、無線收發(fā)單元和電源管理單

7、元4個部分。7.3 Zigbee無線傳感網(wǎng)絡(luò)硬件的設(shè)計7.3.1 傳感節(jié)點的設(shè)計1感知單元 感知單元負責物理信號的提取。信號采集單元包括信號調(diào)理電路和模/數(shù)轉(zhuǎn)換模塊。傳感器輸出的模擬信號需經(jīng)信號調(diào)理才能符合模/數(shù)轉(zhuǎn)換要求。7.3 Zigbee無線傳感網(wǎng)絡(luò)硬件的設(shè)計7.3.1 傳感節(jié)點的設(shè)計2控制單元控制單元將其他單元及外部接口連接在一起，處理有關(guān)感知、通信和自組織的指令?？刂茊卧刂破骷?、非易失性存儲器（通常是控制器件的片內(nèi)Flash）、隨機存儲器、內(nèi)部時鐘等。大部分控制器件集成了非易失性存儲器、隨機存儲器、內(nèi)部時鐘等7.3 Zigbee無線傳感網(wǎng)絡(luò)硬件的設(shè)計7.3.1 傳感節(jié)點的設(shè)計3無

8、線收發(fā)單元傳感節(jié)點之間通過無線收發(fā)單元實現(xiàn)互連，組成自組織傳感器網(wǎng)絡(luò)。傳感節(jié)點的無線收發(fā)單元主要由無線窄帶通信芯片和與其配套的濾波電路等外圍電路組成。7.3 Zigbee無線傳感網(wǎng)絡(luò)硬件的設(shè)計7.3.1 傳感節(jié)點的設(shè)計4、電源管理單元在傳感節(jié)點，電源管理單元是一個關(guān)鍵的系統(tǒng)組件，體現(xiàn)在兩方面：第一是存儲能量并為其他單元提供所需要電壓的穩(wěn)壓器件，第二是從外部環(huán)境中獲取額外的能量。7.3 Zigbee無線傳感網(wǎng)絡(luò)硬件的設(shè)計7.3.2 網(wǎng)關(guān)和匯聚節(jié)點的設(shè)計網(wǎng)關(guān)和匯聚節(jié)點具備信息聚合、處理、選擇、分發(fā)，以及子網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)管理等功能。傳感節(jié)點對其部署的區(qū)域進行監(jiān)控，獲取感知信息；網(wǎng)關(guān)和匯聚節(jié)點對其控制區(qū)域內(nèi)的

9、傳感節(jié)點實現(xiàn)任務(wù)調(diào)度、數(shù)據(jù)融合、網(wǎng)絡(luò)維護等功能。7.3 Zigbee無線傳感網(wǎng)絡(luò)硬件的設(shè)計7.3.2 網(wǎng)關(guān)和匯聚節(jié)點的設(shè)計傳感節(jié)點獲取的信息數(shù)據(jù)經(jīng)過匯聚節(jié)點融合、處理及打包后，由網(wǎng)關(guān)節(jié)點聚合，根據(jù)不同的業(yè)務(wù)需求和接入網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，經(jīng)由無線局域網(wǎng)接入點、有線以太網(wǎng)接入點、2GHz公網(wǎng)接入點、3GHz公網(wǎng)、中高速網(wǎng)絡(luò)等多類型的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，最終將信息數(shù)據(jù)傳送到終端用戶，實現(xiàn)針對zigbee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的遠程監(jiān)控。7.3 Zigbee無線傳感網(wǎng)絡(luò)硬件的設(shè)計7.3.3 典型節(jié)點1MICA節(jié)點MICA節(jié)點是伯克利大學(xué)研制的用于傳感器網(wǎng)絡(luò)研究演示平臺的實驗節(jié)點，主要包括微處理器、射頻收發(fā)單元、電源管理單元、存儲

10、單元四部分。7.3 Zigbee無線傳感網(wǎng)絡(luò)硬件的設(shè)計7.3.3 典型節(jié)點2Toles節(jié)點Toles節(jié)點是Moteiv公司推出的用于傳感器網(wǎng)絡(luò)研究演示平臺的實驗節(jié)點，主要包含微處理器、傳感器、無線收發(fā)芯片和PC接口。7.3 Zigbee無線傳感網(wǎng)絡(luò)硬件的設(shè)計7.3.3 典型節(jié)點3SIMIT-1節(jié)點SIMIT-1節(jié)點是中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所研制的用于野外環(huán)境監(jiān)測的傳感節(jié)點，主要由控制單元、無線收發(fā)單元、存儲模塊、定位模塊、信號采集單元和電源管理單元組成。7.3 Zigbee無線傳感網(wǎng)絡(luò)硬件的設(shè)計7.3.3 典型節(jié)點3SIMIT-1節(jié)點SIMIT-1節(jié)點是中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技

11、術(shù)研究所研制的用于野外環(huán)境監(jiān)測的傳感節(jié)點，主要由控制單元、無線收發(fā)單元、存儲模塊、定位模塊、信號采集單元和電源管理單元組成。7.3 Zigbee無線傳感網(wǎng)絡(luò)硬件的設(shè)計7.3.4 節(jié)點應(yīng)用選型zigbee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化，節(jié)點的性能受成本影響很大。針對節(jié)點應(yīng)用，提出了共性平臺+應(yīng)用子集的方案。7.3 Zigbee無線傳感網(wǎng)絡(luò)硬件的設(shè)計軟件架構(gòu)的設(shè)計應(yīng)遵循的主要原則：以操作系統(tǒng)為基礎(chǔ)的設(shè)備管理實體對程序進程進行優(yōu)先級管理和分配。層間交互以服務(wù)原語的形式實現(xiàn)；層內(nèi)功能實體之間交互以消息形式實現(xiàn)。各功能模塊具有可裁剪性和易重構(gòu)性。滿足軟件測試所必需的測試單元。遵守開放的公共接口規(guī)范。符合

12、存儲受限要求。7.4 Zigbee無線傳感網(wǎng)絡(luò)軟件的設(shè)計7.4.1 軟件架構(gòu)7.4 Zigbee無線傳感網(wǎng)絡(luò)軟件的設(shè)計傳感器接口設(shè)備驅(qū)動通信接口虛擬機軟件運行庫程序開發(fā)框架基礎(chǔ)軟件層安全管理定位服務(wù)時間同步服務(wù)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧群組管理體制服務(wù)與中間件層網(wǎng)絡(luò)管理體制信息管理防入侵應(yīng)用環(huán)境監(jiān)控應(yīng)用層程序管理設(shè)備管理資源管理標志管理7.4.2 中間件7.4 Zigbee無線傳感網(wǎng)絡(luò)軟件的設(shè)計支撐軟件件通用中間件硬件硬件操作系統(tǒng)（OS）運行環(huán)境（OS抽象/虛擬機）網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧硬件抽象（HAL）中間件管理器通用中間件傳感探測網(wǎng)絡(luò)管理安全管理定位代碼管理統(tǒng)計智能家居工業(yè)監(jiān)控域中間件域中間件7.4.3 操作系統(tǒng)1硬

13、件管理2任務(wù)協(xié)同3資源受限4電源管理5內(nèi)存6感知7應(yīng)用8維護7.4 Zigbee無線傳感網(wǎng)絡(luò)軟件的設(shè)計7.5.1 WSN操作系統(tǒng)概述zigbee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的操作系統(tǒng)是zigbee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本軟件環(huán)境，是zigbee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用軟件開發(fā)的基礎(chǔ)。它定義了一套通用的界面框架，允許應(yīng)用程序選擇服務(wù)的實現(xiàn)；另外還提供框架的模塊化，以適應(yīng)硬件的多樣性。7.5 Zigbee無線傳感網(wǎng)絡(luò)軟件的操作系統(tǒng)7.5.1 WSN操作系統(tǒng)概述7.5 Zigbee無線傳感網(wǎng)絡(luò)軟件的操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)編程模式調(diào)度方式內(nèi)存管理通信協(xié)議編程語言TinyOS基于組件和應(yīng)用的硬件抽 象架構(gòu)Nesc 語言 基于

14、組 件的編 程模型基于事件驅(qū)動，外部中 斷事件獲得高 優(yōu)先級靜態(tài)內(nèi)存管理主動消 息模式、數(shù)據(jù)分 發(fā)協(xié)議 與匯聚 協(xié)議NesCContiki模 塊 化原始線程和基于事件驅(qū)動基于事 件和消息傳遞 的進程間通信動態(tài)內(nèi)存管理、多個任務(wù)共享一個任 務(wù)棧uIP 和 RimeCMANTIS分層結(jié)構(gòu)線程模型基于優(yōu)先級的搶占調(diào)度動態(tài)內(nèi)存管理分層協(xié)議CNano-RK單內(nèi)核體系結(jié)構(gòu)線程模型搶占式 多任務(wù) 操作系 統(tǒng)靜態(tài)內(nèi)存管理基于socket 的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議CLiteOS模 塊化 線程和事件驅(qū)動 基于優(yōu)先級的調(diào)度動態(tài)內(nèi)存管理 基于文件形式的通信 LiteC+7.5.2 TinyOS技術(shù)特點1組件化編程2事件驅(qū)動模式3輕

15、量級線程（任務(wù)）4兩級調(diào)度方式5分階段作業(yè)6主動消息通信7.5 Zigbee無線傳感網(wǎng)絡(luò)軟件的操作系統(tǒng)7.5.3 TinyOS體系結(jié)構(gòu)組件由下到上通常分為硬件抽象組件、綜合硬件組件和高層軟件組件三類。（1）硬件抽象組件是將物理硬件映射到TinyOS的組件模型。（2）綜合硬件組件是模擬高級的硬件行為，如感知組件、通信組件等。應(yīng)用組件實現(xiàn)控制、路由以及數(shù)據(jù)傳輸?shù)葢?yīng)用層的功能。（3）高層軟件組件向底層組件發(fā)出命令，底層組件向高層組件報告事件。7.5 Zigbee無線傳感網(wǎng)絡(luò)軟件的操作系統(tǒng)7.5.3 TinyOS體系結(jié)構(gòu)TinyOS調(diào)度模型的主要特點如下。任務(wù)單線程結(jié)束，只分配單個任務(wù)棧，這對內(nèi)存受限的系統(tǒng)很有利。沒有進程管理概念，對任務(wù)按簡單的FIFO隊列進行調(diào)度。FIFO的任務(wù)調(diào)度策略具有能耗敏感性，當任務(wù)隊列為空時，處理器進入休眠狀態(tài)，隨后由外部中斷事件喚醒CPU進行任務(wù)調(diào)度。兩級的調(diào)度結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)優(yōu)先執(zhí)行少量相同事件相關(guān)的處理，同時打斷長時間運行的任務(wù)?；谑录恼{(diào)度策略，只需要少量空間就可獲得并發(fā)性，并允許獨立的組件共享單個執(zhí)行上下文。任務(wù)之間相互平等，沒有優(yōu)先級的概念。7.5 Zigbee無線傳感網(wǎng)絡(luò)軟件的操作系統(tǒng)1. 節(jié)能是zigbee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)計最主要的問題。2在設(shè)計過程中需要考慮的因素有節(jié)能（Energy Efficiency）、可擴展