短距離無線通信實驗報告

1、無線傳感器網絡隨著計算機技術、網絡技術與無線通信技術的迅速發(fā)展，人們開始將無線網絡技術與傳 感器技術相結合，無線傳感器網絡(WSN，wireless sensor network)應運而生。它由部署在 監(jiān)測區(qū)域內大量的微型傳感器節(jié)點組成，通過無線的方式形成的一個多跳的自組織網絡，不 僅可以接入Internet，還可適用于有線接入方式所不能勝任的場合，提供優(yōu)質的數據傳輸服 務。微機電系統(tǒng)(MEMS，Micro-Electro-Mechanical Systems)、超大規(guī)模集成電路技術(VLSI， Very-Large-Scale-Integration systems)和無線通信技術的飛速發(fā)展

2、，使得它的應用空間日趨 廣闊，遍及軍事、民用、科研等領域；但由于網絡結點自身固有的通信能力、能量、計算速 度及存儲容量等方面的限制，對無線傳感器網絡的研究具有很大的挑戰(zhàn)性和寬廣的空間。本 實驗系統(tǒng)采用IEEE802.15.4和Zigbee協(xié)議實現了多個傳感器節(jié)點之間的無線通信，通過對 本實驗提供的軟件操作以及對路由的觀察，能夠使學生對無線傳感器網絡的組網過程、路由 協(xié)議有一個較為深入的理解。1目的要求理解并掌握無線傳感器網絡的工作原理及組網過程。理解無線傳感器網絡的路由算法。2基本原理2.1概述微電子技術、計算技術和無線通信技術的進步推動了低功耗多功能傳感器的快速發(fā)展， 使其在微小的體積內能夠

3、集成信息采集、數據處理和無線通信等功能。部署在監(jiān)測區(qū)域內大 量的廉價微型傳感器節(jié)點通過無線通信的方式形成一個多跳的自組織網絡，即無線傳感器網 絡，這些節(jié)點可以協(xié)作地感知、采集和處理網絡覆蓋區(qū)域中感知對象的信息，并發(fā)送給觀察 者。傳感器、感知對象和觀察者構成了傳感器網絡的三個要素。2.2無線傳感器網絡結構無線傳感器網絡是一種特殊的Ad-hoc網絡，它是由許多無線傳感器節(jié)點協(xié)同組織起來 的。這些節(jié)點具有協(xié)同合作、信息采集、數據處理、無線通信等功能，可以隨機或者特定地 布置在監(jiān)測區(qū)域內部或附近，它們之間通過特定的協(xié)議自組織起來，能夠獲取周圍環(huán)境的信 息并且相互協(xié)同工作完成特定任務。無線傳感器網絡典型

4、的體系結構如圖1所示，包括分布式傳感器節(jié)點、網關、互聯網和 監(jiān)控中心等。在傳感器網絡中，各個節(jié)點的功能都是相同的，它們既是信息包的發(fā)起者，也 是信息包的轉發(fā)者。大量傳感器節(jié)點被布置在整個監(jiān)測區(qū)域中，每個節(jié)點將自己所探測到的 有用信息通過初步的數據處理和信息融合之后傳送給用戶，數據傳送的過程是通過相鄰節(jié)點 的接力傳送方式傳送給網關，然后再通過互聯網、衛(wèi)星信道或者移動通信網絡傳送給最終用 戶。用戶也可以對網絡進行配置和管理，發(fā)布監(jiān)測任務以及收集監(jiān)測數據等。監(jiān)測區(qū)域傳感器節(jié)點圖1無線傳感器網絡體系結構2.3傳感器節(jié)點結構傳感器節(jié)點通常是一個微型的嵌入式系統(tǒng)。從網絡功能上看，每個傳感器節(jié)點既具有傳 統(tǒng)

5、網絡節(jié)點的終端功能，又兼具路由器的功能。除了要進行本地信息收集和數據處理外，還 要對其他節(jié)點轉發(fā)來的數據進行存儲、管理和融合等處理。一個傳感器節(jié)點通常由傳感器模塊、處理器模塊、無線通信模塊和能量供應模塊四部分 組成，如圖2所示。傳感模塊負責采集監(jiān)測區(qū)域內的有用信息并進行數據轉換；處理器模塊 負責控制整個傳感器節(jié)點的運行，存儲和處理本身采集的數據以及其他節(jié)點發(fā)來的數據；無 線通信模塊負責與其他傳感器節(jié)點進行無線通信，交換控制信息和收發(fā)采集到的數據；能量 供應模塊為傳感器節(jié)點提供運行所需的能量，通常采用微型電池。傳感器節(jié)點為低功耗設備， 為了最大限度地節(jié)約電源，在硬件設計方面，要盡量采用低功耗器件

6、，處理器通常選用嵌入 式CPU，射頻單元主要由低功耗、短距離的無線通信模塊組成，在沒有通信任務的時候，要 切斷射頻部分電源；而且在軟件設計方面，各層通信協(xié)議都應該以節(jié)能為中心，必要時可以 犧牲一些網絡性能指標，以獲得更高的電源效率。圖2傳感器節(jié)點的體系結構2.4無線傳感器網絡協(xié)議棧無線傳感器網絡通信協(xié)議主要包括物理層、數據鏈路層、網絡層、傳輸層和應用層，與 互聯網協(xié)議棧的五層協(xié)議相對應。在低層采用IEEE802.15.4工作組所定義的MAC層和物理 層協(xié)議，而在MAC層以上的協(xié)議則是由Zigbee聯盟制定。完整的Zigbee協(xié)議棧模型如圖 3所示。另外，協(xié)議棧還包括能量管理平臺、移動管理平臺和

7、任務管理平臺。這些管理平臺 使得傳感器節(jié)點能夠按照能源高效的方式協(xié)同工作，在節(jié)點移動的傳感器網絡中轉發(fā)數據， 并支持多任務和資源共享。Zigbee Profiles 網絡應用層一 數據鏈路層IEEE 802.15.4 LLC802.2 LLCIEEE 802.15.4 MAC868/915 MHZ PHY2.4 GHZ PHY圖3 Zigbee協(xié)議棧2.4.1物理層物理層負責載波頻率產生、信號的調制解調等工作。IEEE802.15.4定義了2.4GHz物理層 和868/915MHz物理層兩個物理層標準，兩個物理層都基于DSSS （Direct Sequence Spread Spectrum，

8、直接序列擴頻），使用相同的物理層數據包格式，區(qū)別在于工作頻率、調制技術、 擴頻碼片長度和傳輸速率的不同。2.4GHz頻段有16個信道，能夠提供250kbps的傳輸速率， 物理層采用的是O-QPSK制；868MHz是歐洲的ISM頻段，只用一個信道，傳輸速率為 20kbps，物理層采用BPSK調制；915MHz是美國的ISM頻段，有10個信道，傳輸速率為40kbps， 物理層采用的也是BPSK調制方式。2.4.2數據鏈路層數據鏈路層負責數據成幀、幀檢測、媒體訪問和差錯控制。媒體訪問協(xié)議保證可靠的點 對點和點對多點通信，差錯控制則保證源節(jié)點發(fā)出的信息可以完整、無誤地到達目標節(jié)點。 就實現機制而言，介

9、質訪問控制（MAC）協(xié)議可分為3類：確定性分配、競爭占用和隨機訪 問。前兩者不是傳感器網絡的理想選擇。因為TDMA固定時隙的發(fā)送模式功耗過大，為了節(jié) 省功耗，空閑狀態(tài)應關閉發(fā)射機，競爭占用方案需要實時監(jiān)測信道狀態(tài)，也不是一種合理的 選擇，隨機介質訪問模式比較適合于無線傳感網絡的節(jié)能要求。IEEE802.15.4定義的MAC 層采用了 CSMA-CA（載波監(jiān)聽多信道接入/避免沖突）協(xié)議的信道共享多點接入技術；為了 保證傳輸的可靠行，還采用了完整的握手協(xié)議。在無線傳感器網絡中，兩個主要的錯誤控制 模式是前向錯誤修正（FEC）和自動重復請求（ARQ）兩種。2.4.3網絡層網絡層主要負責路由生成與路由

10、選擇。網絡層協(xié)議是無線傳感器網絡的重要因素，在無 線傳感器網絡中，大多數節(jié)點是無法直接與網關進行通信的，需要通過中間節(jié)點進行多跳路 由才能將采集到的數據發(fā)送給網關。針對無線傳感器網絡中數據傳送的特點和難題，人們提出許多新的路由協(xié)議。這些路由 協(xié)議可以大致分為四類：洪泛式路由協(xié)議、層次式路由協(xié)議、以數據為中心的路由協(xié)議、以 及基于位置信息的路由協(xié)議。洪泛式路由協(xié)議：這種協(xié)議是一種古老的協(xié)議。它不需要維護網絡的拓撲結構和路 由計算，接收到消息的節(jié)點以廣播形式轉發(fā)數據包給所有的鄰節(jié)點。對于自組織的傳感器網 絡，洪泛式路由是一種較直接的實現方法，但容易帶來消息的內爆”（implosion）和“重疊”（

11、overlap），而且它沒有考慮能源方面的限制，具有“資源盲點（resource blindness）的缺點。典型算法為擴散法（Flooding ）o層次式路由協(xié)議：它的基本思想是將傳感節(jié)點分簇，簇內通訊由簇頭節(jié)點來完成， 簇頭節(jié)點進行數據聚集和合成減少傳輸信息量，最后簇頭節(jié)點把聚集的數據傳送給終端節(jié) 點。這種方式能滿足傳感器網絡的可擴展性，有效的維持傳感節(jié)點的能量消耗，從而延長網 絡生命周期。典型算法為低功耗自適應聚類路由算法(LEACH)。LEACH (low energy adaptive clustering hierarchy)LEACH是MIT的Chandrakasan等人為 無線

12、傳感器網絡設計的低功耗自適應聚類路由算法。與一般的平面多跳路由協(xié)議和靜態(tài)聚類 算法相比，LEACH可以將網絡生命周期延長15%，主要通過隨機選擇聚類首領，平均分擔 中繼通信業(yè)務來實現。LEACH定義了“輪”(round)的概念，一輪由初始化和穩(wěn)定工作兩個階 段組成。為了避免額外的處理開銷，穩(wěn)定態(tài)一般持續(xù)相對較長的時間。在初始化階段，聚類首領是通過下面的機制產生的。傳感器節(jié)點生成),1之間的隨機數， 如果大于閾值T，則選該節(jié)點為聚類首領。T的計算方法如下：T =P1 - pr mod(1/ p)其中p為節(jié)點中成為聚類首領的百分數，r是當前的輪數。一旦聚類首領被選定，它們便主動 向所有節(jié)點廣播這一

13、消息。依據接收信號的強度，節(jié)點選擇它所要加入的組，并告知相應的 聚類首領?；跁r分復用的方式，聚類首領為其中的每個成員分配通信時隙。在穩(wěn)定工作階 段，節(jié)點持續(xù)采集監(jiān)測數據，傳與聚類首領，進行必要的融合處理之后，發(fā)送至虹nk節(jié)點， 這是一種減小通信業(yè)務量的合理工作模式。持續(xù)一段時間以后，整個網絡進入下一輪工作周 期，重新選擇聚類首領。以數據為中心的路由協(xié)議：它提出對傳感器網絡中的數據用特定的描述方式命名， 數據傳送基于數據查詢并依賴數據命名，所有的數據通信都限制局部范圍內。這種方式的通 信不再依賴特定的節(jié)點，而是依賴于網絡中的數據，從而減少了網絡中大量傳送的重復冗余 數據，降低了不必要的開銷，從

14、而延長網絡生命周期。典型算法為向擴散(Directed Diffusion)。定向擴散模型是Estrin等人專門為傳感器網絡設計的路由策略，與已有的路由算法有著 截然不同的實現機制。節(jié)點用一組屬性值來命名它所生成的數據，比如將地震波傳感器生成 的數據命名為Type=seismic，id=12, timestamp=02.01.22/21:10:23, location=75-80S/100-120E。 Sink節(jié)點發(fā)出的查詢業(yè)務也用屬性的組合表示，逐級擴散，最終遍歷全網，找到所有匹配的 原始數據。有一個稱為“梯度”的變量與整個業(yè)務請求的擴散過程相聯系，反映了網絡中間 節(jié)點對匹配請求條件的數據源

15、的近似判斷。更直接的方法是節(jié)點用一組標量值表示它的選 擇，值越大意味著向該方向繼續(xù)搜索獲得匹配數據的可能性越大，這樣的處理最終將會在整 個網絡中為sink節(jié)點的請求建立一個臨時的“梯度”場，匹配數據可以沿“梯度”最大的方 向中繼回s ink節(jié)點。圖4描述了定向擴散模型的工作原理。(a) E?equest difiusiou(b) Sei up sradictX5(c) Data transferGO請京擴散(b)啪度場建立(c)鴕據怙瑜圖4定向擴散路由原理基于位置信息的路由協(xié)議：它利用節(jié)點的位置信息，把查詢或者數據轉發(fā)給需要的 地域，從而縮減數據的傳送范圍。實際上許多傳感器網絡的路由協(xié)議都假設

16、節(jié)點的位置信息 為已知，所以可以方便的利用節(jié)點的位置信息將節(jié)點分為不同的域（region）?；谟蜻M行 數據傳送能縮減傳送范圍緩和中間節(jié)點，從而延長網絡生命周期。典型算法GEAR算法。GEAR是充分考慮了能源有效性的基于位置的路由協(xié)議，它比其他的基于位置的路由協(xié) 議能更好的應用于無線傳感器網絡之中。既然傳感器網絡中的數據經常包含了位置屬性信 息，那么可以利用這一信息，把在整個網絡中擴散的信息傳送到適當的位置區(qū)域中。同樣 GEAR也采用了查詢驅動數據傳送模式。它傳送數據分組到目標域中所有的節(jié)點的過程包括 兩個階段：目標域數據傳送和域內數據傳送。在目標域數據傳送階段，當節(jié)點接收到數據分組，它將鄰接

17、點同目標域的距離和它自己 與目標域的距離相比較，若存在更小距離，則選擇最小距離的鄰接點作為下一跳節(jié)點；若不 存在更小距離，則認為存在“hole”節(jié)點將根據鄰居的最小花銷來選擇下一跳節(jié)點。在域內數據傳送階段，可通過兩種方式讓數據在域內擴散：在域內直接洪泛和遞歸的目 標域數據傳送直到目標域剩下唯一的節(jié)點。GEAR將網絡中擴散的信息局限到適當的位置區(qū)域中，減少了中間節(jié)點的數量，從而降低了 路由建立和數據傳送的能源開銷，從而更有效的提高了網絡的生命周期。缺點是依賴節(jié)點的 GPS定位信息，成本較高。在本實驗中我們采用的是AODV路由算法（Ad hoc on demand distance vector,

18、Ad hoc按需 距離矢量協(xié)議）。它并不是傳感器網絡的最佳路由算法。但是通過它，我們可以了解到傳感 器網絡的一些路由特點。AODV是一個按需的路由協(xié)議，它只根據源節(jié)點的需要才建立節(jié)點之間的路由。在源節(jié) 點使用這條路由進行網絡通信時，路由程序會一直維護這些路由。AODV使用序列號來保證 路由的時效性。它通過一個路由請求/路由回應的查詢過程來建立路由。當一個源節(jié)點想要 與目標節(jié)點通信，但又不具備到目標節(jié)點的有效路由時，它廣播一個路由請求報文（RREQ）。 在RRE Q報文中包含了源節(jié)點的小地址、源節(jié)點當前的序列號和一個廣播【。，同時還包含了 源節(jié)點所知道的到目的節(jié)點的最新路由的序列號。其它節(jié)點收到

19、這個報文時，就在路由表中 建立到源節(jié)點的反向路由，并重新廣播RRE Q報文。當目標節(jié)點收到RRE Q報文時，它會單 播一個路由回答報文（RREP）給源節(jié)點。如果某一個中間節(jié)點具有一條到目的節(jié)點的較新 路由（意味著這條路由的序列號比RREQ中的目的節(jié)點的序列號要大），它也可以直接給源 節(jié)點發(fā)送RREP報文，而不在廣播RREQ報文。當然，如果一個節(jié)點收到了重復的RREQ （即 具有相同廣播ID的RREQ），它將忽略這個報文，而不將其繼續(xù)廣播。在RREP從目的節(jié)點向源節(jié)點傳播的過程中，沿途的節(jié)點都在各自的路由表中設定了到 目的節(jié)點的正向路由。當源節(jié)點收URREP報文之后，就可以開始向目的節(jié)點發(fā)送數據

20、包。 如果源節(jié)點在之后又再次收到RREP，并且RREP中的目標節(jié)點序列號比它當前所用的路由的 序列號更大時，它會更新自己的路由表，并開始使用新路由。當源節(jié)點頻繁給目的節(jié)點發(fā)送數據包時，其所用的路由會一直保持活躍狀態(tài)，并被沿途 的所用中間節(jié)點所維護。也就是說在AODV協(xié)議中，路由中的每個節(jié)點都維護路由表，因而 數據報文頭部不再需要攜帶完整的路由信息，從而提高了協(xié)議的效率。一旦源節(jié)點停止發(fā)包， 則這條路由會超時，并被中間節(jié)點從各自的路由表中刪除。如果一條活躍路由的中間某一段 鏈路發(fā)生了破裂（可能時由于節(jié)點移動，或外界干擾），則這條路由會產生錯誤。在鏈路破 裂處的上游節(jié)點會給源節(jié)點發(fā)送路由錯誤（RE

21、RR）報文。源節(jié)點收到RERR后，如果它還 需要繼續(xù)與目的節(jié)點通信，就必須重新建立路由。2.4.4傳輸層傳輸層負責數據流的傳輸控制，將傳感器網絡的數據提供給外部網絡，是保證通信服務 質量的重要部分。2.4.5應用層應用層包括一系列基于監(jiān)測任務的應用層軟件。2.4.6管理平臺（1）能量管理平臺管理傳感器節(jié)點如何使用能源，在各個協(xié)議層都需要考慮節(jié)省能量。主 要包括動態(tài)功率管理和動態(tài)電壓調度兩部分：動態(tài)功率管理（dynamic power management，簡稱DPM）在多數傳感器網絡的應用中， 監(jiān)測事件具有很強的偶發(fā)性，節(jié)點上所有的工作單元沒有必要時刻保持在正常的工作狀態(tài)。 處于沉寂狀態(tài)，甚至

22、完全關閉，必要時加以喚醒是一種有效的系統(tǒng)節(jié)能方案。傳感器網絡節(jié) 點的主要功耗器件有處理器、內存、帶A/D的傳感器和無線收發(fā)單元。Sinhua等人根據它 們的狀態(tài)組合的有效性，將整個節(jié)點分為5種工作狀態(tài)，在嵌入式操作系統(tǒng)的支持下進行切 換，既滿足了功能的需要，又節(jié)省了功耗。動態(tài)電壓調度（dynamic voltage scheduling簡稱DVS）主要原理是基于負載狀態(tài)動態(tài) 調節(jié)供電電壓來減小系統(tǒng)功耗。（2）移動管理平臺監(jiān)測并注冊傳感器節(jié)點的移動，維護到匯聚節(jié)點的路由，使得傳感器節(jié) 點能夠動態(tài)跟蹤其鄰居的位置。（3）任務管理平臺在一個給定的區(qū)域內平衡和調度監(jiān)測任務。2.5無線傳感器網絡特點無線

23、傳感器網絡與傳統(tǒng)的無線網絡（移動通信網、無線局域網、藍牙網絡、Ad hoc網 絡等）相比有一些獨有的特點，正是由于這些特點使得傳感器網絡存在很多新問題，提出了 很多新的挑戰(zhàn)。無線傳感器網絡的主要特點有：節(jié)點數量眾多，分布密集。為了對一個區(qū)域進行監(jiān)測，往往有成千上萬個傳感器節(jié) 點空投到該區(qū)域。傳感器節(jié)點分布非常密集，利用節(jié)點之間高度連接性來保證系統(tǒng)的容錯 性和抗毀性。硬件資源有限。節(jié)點由于受價格、體積和功耗的限制，其計算能力、內存空間比普 通的計算機功能要弱很多。這一點也決定了在節(jié)點操作系統(tǒng)設計中，協(xié)議層次不能太復雜。電源容量有限。網絡節(jié)點一般由電池供電，其特殊的應用領域決定了在使用過程中， 不

24、能給電池充電或更換電池，一旦電池能量用完，這個節(jié)點也就失去了作用（死亡）。因此 在傳感器網絡設計過程中，任何技術和協(xié)議的使用都要以節(jié)能為前提。自組織網絡。無線傳感器網絡的布設和展開無需依賴于任何預設的網絡設施，節(jié)點 通過分層協(xié)議和分布式算法協(xié)調各自的行為，節(jié)點開機后就可以快速、自動地組成一個獨立 的網絡。無中心的網絡。無線傳感器網絡中沒有嚴格的控制中心，所有結點地位平等，是一 個對等式網絡。結點可以隨時加入或離開網絡，任何結點的故障不會影響整個網絡的運行， 具有很強的抗毀性。多跳路由。網絡中節(jié)點通信距離有限，一般在幾百米范圍內，節(jié)點只能與它的鄰居 直接通信。如果希望與其射頻覆蓋范圍之外的節(jié)點進

25、行通信，則需要通過中間節(jié)點進行路由。 固定網絡的多跳路由使用網關和路由器來實現，而在無線傳感器網絡中沒有專門的路由備， 它的多跳路由可以由任一傳感器節(jié)點來完成。每個傳感器節(jié)點既是信息的發(fā)起者，也是信息 的轉發(fā)者。動態(tài)拓撲。無線傳感器網絡是一個動態(tài)的網絡，節(jié)點可以隨處移動；一個節(jié)點可能 會因為電池能量耗盡或其他故障，退出網絡；一個節(jié)點也可能由于工作的需要而被添加到網 絡中。這些都會使網絡的拓撲結構隨時發(fā)生變化，因此網絡應該具有動態(tài)拓撲組織功能。2.6無線傳感器網絡的應用MEMS支持下的微小傳感器技術和節(jié)點間的無線通信能力為傳感器網絡賦予了廣闊的 應用前景，主要表現在軍事、環(huán)境、健康、家庭和其他商

26、業(yè)領域。在空間探索和災難拯救等 特殊的領域，傳感器網絡也有其得天獨厚的技術優(yōu)勢。軍事應用：在軍事領域，傳感器網絡將會成為C4ISRT (command，control， communication， computing， intelligence， surveillance， reconnaissance and targeting)系統(tǒng) 不可或缺的一部分。C4ISRT系統(tǒng)的目標是利用先進的高科技技術，為未來的現代化戰(zhàn)爭設 計一個集命令、控制、通信、計算、智能、監(jiān)視、偵察和定位于一體的戰(zhàn)場指揮系統(tǒng)，受到 了軍事發(fā)達國家的普遍重視。因為傳感器網絡是由密集型、低成本、隨機分布的節(jié)點組成的， 自組織

27、性和容錯能力使其不會因為某些節(jié)點在惡意攻擊中的損壞而導致整個系統(tǒng)的崩潰，這 一點是傳統(tǒng)的傳感器技術所無法比擬的，也正是這一點，使傳感器網絡非常適合應用于惡劣 的戰(zhàn)場環(huán)境中，包括監(jiān)控我軍兵力、裝備和物資，監(jiān)視沖突區(qū)，偵察敵方地形和布防，定位 攻擊目標，評估損失，偵察和探測核、生物和化學攻擊。在戰(zhàn)場，指揮員往往需要及時準確 地了解部隊、武器裝備和軍用物資供給的情況，鋪設的傳感器將采集相應的信息，并通過匯 聚節(jié)點將數據送至指揮所，再轉發(fā)到指揮部，最后融合來自各戰(zhàn)場的數據形成我軍完備的戰(zhàn) 區(qū)態(tài)勢圖。在戰(zhàn)爭中，對沖突區(qū)和軍事要地的監(jiān)視也是至關重要的，通過鋪設傳感器網絡， 以更隱蔽的方式近距離地觀察敵方的

28、布防;當然，也可以直接將傳感器節(jié)點撒向敵方陣地，在敵方還未來得及反應時迅速收集利于作戰(zhàn)的信息。傳感器網絡也可以為火控和制導系統(tǒng)提 供準確的目標定位信息。在生物和化學戰(zhàn)中，利用傳感器網絡及時、準確地探測爆炸中心將 會為我軍提供寶貴的反應時間，從而最大可能地減小傷亡。傳感器網絡也可避免核反應部隊 直接暴露在核輻射的環(huán)境中。在軍事應用中，與獨立的衛(wèi)星和地面雷達系統(tǒng)相比，傳感器網 絡的潛在優(yōu)勢表現在以下幾個方面：分布節(jié)點中多角度和多方位信息的綜合有效地提高了信噪比，這一直是衛(wèi)星和雷 達這類獨立系統(tǒng)難以克服的技術問題之一。傳感器網絡低成本、高冗余的設計原則為整個系統(tǒng)提供了較強的容錯能力。傳感器節(jié)點與探測

29、目標的近距離接觸大大消除了環(huán)境噪聲對系統(tǒng)性能的影響。節(jié)點中多種傳感器的混合應用有利于提高探測的性能指標。多節(jié)點聯合，形成覆蓋面積較大的實時探測區(qū)域。借助于個別具有移動能力的節(jié)點對網絡拓撲結構的調整能力，可以有效地消除探 測區(qū)域內的陰影和盲點。環(huán)境科學：隨著人們對于環(huán)境的日益關注，環(huán)境科學所涉及的范圍越來越廣泛。通 過傳統(tǒng)方式采集原始數據是一件困難的工作。傳感器網絡為野外隨機性的研究數據獲取提供 了方便，比如，跟蹤候鳥和昆蟲的遷移，研究環(huán)境變化對農作物的影響，監(jiān)測海洋、大氣和 土壤的成分等。ALERT系統(tǒng)中就有數種傳感器來監(jiān)測降雨量、河水水位和土壤水分，并依 此預測爆發(fā)山洪的可能性。類似地，傳感

30、器網絡對森林火災準確、及時地預報也應該是有幫 助的。此外，傳感器網絡也可以應用在精細農業(yè)中，以監(jiān)測農作物中的害蟲、土壤的酸堿度 和施肥狀況等。醫(yī)療健康：如果在住院病人身上安裝特殊用途的傳感器節(jié)點，如心率和血壓監(jiān)測設 備，利用傳感器網絡，醫(yī)生就可以隨時了解被監(jiān)護病人的病情，進行及時處理。還可以利用 傳感器網絡長時間地收集人的生理數據，這些數據在研制新藥品的過程中是非常有用的，而 安裝在被監(jiān)測對象身上的微型傳感器也不會給人的正常生活帶來太多的不便。此外，在藥物 管理等諸多方面，它也有新穎而獨特的應用?？傊瑐鞲衅骶W絡為未來的遠程醫(yī)療提供了更 加方便、快捷的技術實現手段?？臻g探索：探索外部星球一直是

31、人類夢寐以求的理想，借助于航天器布撒的傳感器 網絡節(jié)點實現對星球表面長時間的監(jiān)測，應該是一種經濟可行的方案。NASA的JPL(Jet Propulsion Laboratory)實驗室研制的Sensor Webs就是為將來的火星探測進行技術準備的， 已在佛羅里達宇航中心周圍的環(huán)境監(jiān)測項目中進行測試和完善。其它商業(yè)應用：自組織、微型化和對外部世界的感知能力是傳感器網絡的三大特點， 這些特點決定了傳感器網絡在商業(yè)領域應該也會有不少的機會。比如，嵌入家具和家電中的 傳感器與執(zhí)行機構組成的無線網絡與Interne t連接在一起將會為我們提供更加舒適、方便和 具有人性化的智能家居環(huán)境，德國某研究機構正在

32、利用傳感器網絡技術為足球裁判研制一套 輔助系統(tǒng)，以減小足球比賽中越位和進球的誤判率。此外，在災難拯救、倉庫管理、交互式 博物館、交互式玩具、工廠自動化生產線等眾多領域，無線傳感器網絡都將會孕育出全新的 設計和應用模式。3無線傳感器網絡實驗平臺本實驗平臺采用基于2.4GHZ的Zigbee模塊進行傳感器節(jié)點的設計，傳感器節(jié)點可以組 成不同拓撲結構的網絡，并且可以通過多跳將采集到的數據傳輸到控制節(jié)點，并由控制節(jié)點 將采集到的數據通過GSM網絡發(fā)送到用戶的手機上；用戶也可以通過手機發(fā)送命令來控制 的傳感器網絡進行數據采集。圖5是本實驗的系統(tǒng)框圖。 TOC o 1-5 h z 主控節(jié)點-peaGSM 模

33、塊；基站GSM網絡.V / V 用戶I監(jiān)測區(qū)域傳感器節(jié)點(接有溫度傳感器)圖5無線傳感器網絡實驗系統(tǒng)框圖3.1系統(tǒng)硬件結構本實驗系統(tǒng)的硬件結構主要包括Zigbee無線傳感器節(jié)點和GSM模塊兩部分。每個 Zigbee無線傳感器節(jié)點上都配備有一個溫度傳感器，傳感器采集到的溫度數據可以通過模塊 的處理并經過多跳傳到主控節(jié)點，再通過GSM模塊將這些數據以SMS的形式發(fā)送到用戶 的手機上。3.1.1 Zigbee無線傳感器節(jié)點本實驗系統(tǒng)采用基于2.4GHZ的Zigbee模塊進行傳感器節(jié)點的設計，外面接有溫度傳 感器，溫度傳感器采集回來的數據送到Zigbee模塊進行處理，然后通過無線的方式發(fā)送給 其他節(jié)點

34、。模塊工作在2.4GHZ全球通用的ISM(Industrial， Scientific and Medical)免付費 頻段上，劃分為16個信道，在該頻段上，數據的最大傳輸速率為250kb/s。圖6為本實驗中 傳感器節(jié)點結構圖，主要由溫度傳感器模塊、微控制器模塊、無線通信模塊IEEE 802.15.4 RF IC)和能量供應模塊四部分組成。Zigbee模塊溫度傳感器溫度傳感器圖6 Zigbee無線傳感器節(jié)點結構圖因為無線傳感器節(jié)點為低功耗設備，所以在傳感器節(jié)點中所采用的微控制器必須具有較 低的功耗，本系統(tǒng)所采用的微控制器為ATME司生產的AVR處理器，這是一款采用哈佛 結構的RISC處理器，其

35、設計的主要目的是加快指令的執(zhí)行速度并減少系統(tǒng)的功耗。非常符 合傳感器節(jié)點低功耗的特點。表1中給出了該傳感器節(jié)點的一些性能參數。調制方式O-QPSK擴頻方式DSSS射頻頻率2.406-2.480GHz功耗W28 mA信道數16射頻發(fā)射功率0 dBm-24 dBm最大數據速率250kbps傳輸距離室外約75m (LOS)測溫范圍-10 C 100 C表1傳感器節(jié)點性能參數表3.1.2 GSM無線收發(fā)模塊GSM模塊負責將傳感器節(jié)點采集到的數據通過GSM網絡以SMS的方式發(fā)送到用戶的手 機上，還負責將用戶手機發(fā)送過來的命令傳給PC機來控制傳感器節(jié)點采集數據。本實驗中 的GSM模塊主要采用Motorol

36、a公司的G18模塊設計完成，可以快速、可靠地實現傳感器網絡 中數據的傳輸。3.2系統(tǒng)信息處理過程配置模塊，對各個模塊進行初始化。運行本實驗的軟件程序，通過PC機上串口對每 個模塊進行初始配置。如：發(fā)射功率、節(jié)點類型、網絡ID、節(jié)點ID等。由主控節(jié)點以無線的方式發(fā)送命令將幾個節(jié)點組成不同形狀的網絡拓撲(星形、鏈形、網狀），可以將任意一個配置好的模塊通過串口接到PC機上來作為主控節(jié)點。圖7給出 了三種不同的網絡拓撲結構。網形星形鏈形網形網形圖7本實驗中所組成的三種典型網絡拓撲網絡建立好后，即可進行數據采集，無線傳感器網絡中，傳送的基本上都是短消息 （Message）。信息的基本格式如圖8所示，包括

37、幀頭、目的地址、數據大小、數據內容和校 驗位。其中，目的地址可以是一個指定的傳感器節(jié)點，校驗位采用比較簡單的異或校驗。在 本傳感器網絡中可由主控節(jié)點發(fā)送命令采集各個節(jié)點的溫度，并把采集到的數據發(fā)送到用戶 的手機，可以設置一個報警溫度，當某一個節(jié)點采集到的溫度超過這一警戒溫度時向用戶發(fā) 送報警信息；主控節(jié)點還可以接收手機發(fā)送過來的控制命令來控制節(jié)點進行數據采集。幀頭 目的地址數據大小數據內容校驗位圖8 數據信息格式4實驗設備與軟件環(huán)境硬件：pc機，具體要求如下：CPU： Pentium II 300MHz 以上；內存：128MB以上；硬盤：50M以上程序儲存空間；顯示設備：至少支持1024*76

38、8分辨率的顯示器；（由于軟件界面顯示的信息較多，本軟件必須在1024*768以上的分辨率下運行）；光盤驅動器（用于安裝實驗軟件）；可用串口（9針）；實驗硬件板：6個無線傳感器模塊和1-2個GSM模塊；配套的串口連線和直流電源適 配器。軟件：操作系統(tǒng)為 Windows2000或 Windows XP；文檔閱讀軟件：Microsoft Word （用于撰寫實驗報告）。5實驗內容1 .配置模塊，對各個模塊進行初始化。由主控節(jié)點發(fā)命令將幾個節(jié)點組成不同形狀的網絡拓撲（星形、鏈形、網狀）。由主控節(jié)點發(fā)送命令采集各個節(jié)點的溫度，并把采集到的數據發(fā)送到用戶的手機， 可以設置一個報警溫度，當某一個節(jié)點采集到的

39、溫度超過這一警戒溫度時向用戶發(fā)送報警信 息；主控節(jié)點還可以接收手機發(fā)送過來的控制命令來控制節(jié)點進行數據采集。對本實驗中所采用的路由算法（AODV路由算法）進行軟件仿真。6實驗步驟在實驗之前，把硬件連接好。pc機上接兩個串口，其中串口 1接在傳感器模塊的串口 上，串口 2接在GSM模塊的串口上。然后打開實驗程序。從開始菜單中選擇 程序一SEMITTTP無線傳感器網絡實驗 菜單，程序啟動， 進入到配置節(jié)點界面，如圖9所示。圖9配置節(jié)點界面首先初始化串口，將實驗要用的6個傳感器模塊分別接到PC機的串口 1上寫入節(jié)點配置 信息，包括：射頻發(fā)射功率、節(jié)點類型（Master、RN、EN）、網絡ID、節(jié)點I

40、D、路由規(guī)則。 在寫入配置之前先要初始化模塊。選擇不同的射頻發(fā)射功率，則節(jié)點的通信范圍會有所不同，可選擇多種發(fā)射功率。節(jié)點 配置中的節(jié)點類型（Master、RN、EN）的含意如下：在組網過程中，主節(jié)點Master Node， 簡稱Master）是整個網絡的控制中心。它負責網絡準入，動態(tài)地址分配等。它能夠主動掃描 本身覆蓋法范圍內的傳感器節(jié)點。其它節(jié)點總是首先試圖與主節(jié)點進行連接，Master是一個 具有完整路由能力的節(jié)點，它維持整個網絡完整的路由表。Master的這些功能并不意味著每次 通信都要經過master節(jié)點，也不需要把它放在整個網絡的射頻中心；路由節(jié)點（Routing Node， 簡稱

41、RN），既可以被Master RN加入網絡，又可以加入其他的RN和EN?？煽闯墒且粋€簡單 的無線收發(fā)器，它能夠中繼信息，這樣就擴展了網絡的覆蓋范圍；末端節(jié)點End Node，簡 稱EN），僅僅能執(zhí)行被動掃描，是網絡中最簡單的類型，這種節(jié)點不支持任何路由功能，它 們只能夠與Master、RN節(jié)點進行連接。EN是一種理想的簡單且低功耗的設備。在本實驗中 網狀和鏈形拓撲采用AOD V路由算法，星形拓撲采用Cluster Tree+AOD V的路由算法。注意在配置節(jié)點時6個節(jié)點的網絡ID要設為一致，這樣才能代表幾個節(jié)點是處于同一個 網絡中，網絡ID用來標識不同的網絡，只有具有相同網絡ID的節(jié)點才能相互

42、通信。節(jié)點ID 用來標識同一網絡中的不同節(jié)點，同一網絡中節(jié)點ID不能重復，數據傳輸時就是按照節(jié)點ID 來進行的。Master節(jié)點的節(jié)點ID為0。在本實驗中也可以將6個節(jié)點分成兩組來組成兩個傳感 器網絡，每一組的節(jié)點數都小與6個。注意兩個網絡的網絡ID要選擇不同的兩個。在進行節(jié) 點ID的選擇時，每個網絡中的主節(jié)點的節(jié)點ID都要選0，其它節(jié)點的節(jié)，田。分別按順序依次 選為1、2、。節(jié)點信息配置好后，在界面的右上方會顯示節(jié)點的配置信息。點擊工具欄上的“組建網絡”按鈕或菜單中的“操作”一“組建網絡”，即可彈出 “組建網絡”實驗窗口。如圖10所示。圖10組建網絡界面在本實驗中可以將任一個節(jié)點連到PC機的

43、串口 1上作為主控節(jié)點，通過無線的方式進行 網絡控制操作。在拓撲結構中選擇一種拓撲結構（星形、鏈形、網形），然后點擊“組建網 絡”按鈕，即可組建成所選的拓撲結構網絡，右面的圖中會顯示出你所建成的網絡拓撲結構 圖。當某一個節(jié)點死亡（斷電等原因引起）或超出任何一個節(jié)點的通信范圍時，可通過網絡 刷新發(fā)現該節(jié)點，有兩種刷新方式供選擇：立即刷新、定時刷新（可設置定時刷新時間）。當網絡建立好后，可以利用模塊自身的命令進行命令測試，來驗證已經建好的網絡。各 個測試命令含意解釋如下：（1）獲取MAC地址：通過向目標節(jié)點發(fā)送該命令可以獲得該節(jié)點的64bitMAC地址， 命令的返回為以16進制表示的13個字節(jié)的字

44、符串，如：C9 04 09 8B 02 02 02 02 02 02 02 02 4F，其中第一個字節(jié)C9為命令頭，對用戶有用的字節(jié)為第二字節(jié)04代表上游節(jié)點號，第五 字節(jié)到12字節(jié)02 02 02 02 02 02 02 02表示目標節(jié)點的MAC地址。通過觀察每次命令返回值的第二個字節(jié)可以看出通信時的路由，例如：首先向5節(jié)點發(fā) 送該命令返回為C9 04 09 8B 05 05 05 05 05 05 05 05 5E，第二個字節(jié)為04，然后向4節(jié)點發(fā) 送該命令返回為C9 02 09 8B 04 04 04 04 04 04 04 04 3B，第二個字節(jié)為02,由此可得出從節(jié) 點2到節(jié)點5有路

45、由245。獲取臨節(jié)點表：通過向目標節(jié)點發(fā)送該命令可以獲得該節(jié)點的相鄰節(jié)點，命令的 返回為以16進制表示的43個字節(jié)的字符串，如：C9 02 39 97 00 00 03 FF 0E FF FF FF 05 05 03 FF 0F FF FF FF 04 04 03 FF 0F FF FF FF 03 03 03 FF 0F FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF 64。其中第5、13、21、29、37字節(jié)表示 該節(jié)點的臨節(jié)點?？赡苤禐?0、01、02、03、04、05、FF

46、，其中FF表示不存在該臨節(jié)點。獲取節(jié)點信息表：通過向Master節(jié)點發(fā)送該命令可獲得當前網絡中各個節(jié)點的節(jié) 點信息，命令的返回為返回16進制表示的125個字節(jié)的字符串，如：C9 00 79 A1 00 00 00 00 00 01 01 02 00 02 02 01 00 03 03 03 00 04 04 02 00 05 05 01 FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF F

47、F FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF 12。其中從第5個字節(jié)開始每4個字節(jié)來表示一個節(jié)點的信息。4個字節(jié)的信息含意依次為： 父節(jié)點的網絡ID，本節(jié)點的網絡ID，本節(jié)點的MAC地址，節(jié)點的路由類型(00： Master 01： RN 02： RN 03： EN)。點擊工具欄上的“數據采集”按鈕或菜單中的“操作”一“數據采集

48、”，即可彈出 “數據采集”實驗窗口。如圖11所示。砌啊iW獨粉說攤潔的點 希助 退出皿罷鋌昨.點r flio 節(jié)點1廠節(jié)點2 辛點9I節(jié)竟4 廠節(jié).道5控媚:定腳I；買地P二 3|r E0E1槎砌啊iW獨粉說攤潔的點 希助 退出皿罷鋌昨.點r flio 節(jié)點1廠節(jié)點2 辛點9I節(jié)竟4 廠節(jié).道5控媚:定腳I；買地P二 3|r E0E1槎目岳手吼號曰, T血叵中，L號叫事兢信胞21于節(jié)枷10Dm ：2 日 6 6 1012 H16 16 Ki K ffi；6 ：32 ：S 36 i42 S：i書 “Htls-占峭J11K子林12 4 E； 840谷14怡仍的廈制26的我32 3+飾泌4。也*6整50 于節(jié)居虬121予節(jié)和1D02 4 E； # iO 楮 14 1&怡制盟 8 26；：jO32 5+做泌W 也*6整50ai IUD :rtM ：-5D JS3 -26 6 1012 i4ie 16& ：32 :：S 36 aj42 4640