第3章傳感與感知層組網技術

物聯網工程技術

第3章傳感與感知層組網技術武漢理工大學物聯網工程系2011.9第3章傳感與感知層組網技術3.1傳感技術3.2無線傳感網絡3.3藍牙無線技術3.4現場總線技術3.1傳感技術傳感技術同計算機技術與通信技術一起被稱為信息技術的三大支柱。傳感技術是關于從自然信源獲取信息，并對之進行處理（變換）和識別的一門多學科交叉的現代科學與工程技術，涉及傳感器、信息處理/識別的規(guī)劃設計、開發(fā)、制／建造、測試、應用及評價改進等活動。3.1傳感技術信息的獲取或采集要依靠各類傳感器，傳感器的功能與品質決定了傳感系統獲取自然信息的信息量和信息質量，是構造高品質傳感技術系統的關鍵技術之一。信息處理包括信號的預處理、后置處理、特征提取與選擇等。識別的主要任務是利用被識別（或診斷）對象與特征信息間的關聯關系模型對輸入的特征信息集進行辨識、比較、分類和判斷。3.1.1傳感器的基本概念傳感器是傳感系統的第一個環(huán)節(jié)，屬系統的前端裝置。國家標準GB7665—1987規(guī)定：“傳感器（Sensor）是能感受規(guī)定的測量并按一定規(guī)律轉換成可用輸出信號的器件或裝置”。傳感器是一種按一定的精度把被測量轉換為與之有確定關系的、便于應用的某種物理量的測量器件或裝置，用于滿足系統的信息采集、傳輸、存儲、顯示、記錄及控制等要求。3.1.1傳感器的基本概念關于“傳感器”這個詞，目前國外還有許多提法，如變換器（Transducer）、轉換器（Converter）、檢測器（Detector）和變送器（Transmitter）等，而根據我國的規(guī)定，傳感器定名為Sensor；當傳感器的輸出信號為標準信號（1V～5V、4mA～20mA）時，稱為變送器（Transmitter），注意二者不要混淆。1傳感器的組成傳感器通常由敏感元件、轉換元件及測量電路（又稱轉換電路）組成，有時還要加上輔助電源，具體如下圖所示：被測量電量輔助電源轉換電路敏感元件轉換元件能直接感受被測量的變化，并輸出與被測量有確定關系的某一物理量的元件能將敏感元件輸出的物理量轉換成適于傳輸或測量的電信號的部件將轉換元件輸出的電信號作進一步的轉換和處理。一般有電橋電路、阻抗變換電路、振蕩電路等。2傳感器的發(fā)展趨勢傳感器技術是一項與現代技術密切相關的尖端技術，近年來發(fā)展很快，主要特點及發(fā)展趨勢表現在以下幾個方面：發(fā)現利用新現象、新效應開發(fā)新材料采用高新技術拓展應用領域提高傳感器的性能傳感器的微型化與低功耗傳感器的集成化與多功能化傳感器的智能與數字化傳感器的網絡化3.1.2傳感器的分類按工件原理分類：電參數式傳感器（電阻式、電感式和電容式傳感器）壓電式傳感器光電式傳感器（一般光電式、光纖式、激光式和紅外式傳感器等）熱電式傳感器半導體式傳感器波式傳感器輻射式傳感器……3.1.2傳感器的分類（續(xù)）按被測量分類：基本被測量派生被測量位移（線位移，角位移）長度，厚度，應變，振動，平面度，旋轉角，偏移角，偏轉角，角振動速度（線速度，角速度）振動，流量轉速，角振動加速度（線加速度，角加速度）振動，沖擊，質量角振動，轉矩，轉動慣量力（壓力）質量，應力，力矩時間（頻率）周期，計數光光通量與速度，光譜溫度熱容濕度水汽，含水量，露點濃度汽（液）體成分，黏度3.1.2傳感器的分類（續(xù)）按結構分類：類別子類傳感器名稱結構型機械式微動開關，彈道振動子磁電式磁電式傳感器電式電阻傳感器，電容傳感器，電感傳感器物性型壓電式壓電壓力傳感器，壓電力傳感器，壓電加速度傳感器壓磁式壓磁式傳感器，磁致伸縮傳感磁電式磁電感應式傳感器，霍爾式傳感器熱電式熱電偶傳感器、熱敏電阻、熱電阻，PN結型溫度傳感器光電式光敏電阻，光電管、光電倍增管、光電池，電荷耦合器件，光耦合器件仿生式視覺：光敏傳感器、色敏傳感器、紅外傳感器聽覺：超聲波傳感器、微波傳感器觸覺：壓力傳感器、溫度傳感器嗅覺：濕度傳感器、氣體傳感器味覺：酸度傳感器、鹽度傳感器超導傳感超導光傳感器，超導微波傳感器，超導磁場傳感器射線傳感X射線傳感器，β射線傳感器，Γ射線傳感器，射線劑量傳感器電化學傳感質量傳感器，光纖化學傳感器，化學量傳感器復合型傳感器壓力集成傳感器，溫度集成傳感器，傳感執(zhí)行器，自感知執(zhí)行器3.1.2傳感器的分類（續(xù)）按能量轉換關系分類：能量控制型傳感器——需要外部電源供給能量轉換型傳感器——不需要外部電源此外，根據被測量的性質，可以將傳感器分成物理型、化學型和生物型傳感器三大類；根據傳感器的使用材料，也可以將傳感器分為半導體傳感器、陶瓷傳感器、金屬材料傳感器、復合材料傳感器、高分子材料傳感器等；根據應用領域的不同，還可分為工業(yè)用、農用、民用、醫(yī)用及軍用等不同類型；根據具體的使用目的，又可分為測量用、監(jiān)視用、檢查用、診斷用、控制用和分析用傳感器等。3.1.3測控技術1.控制與檢測的概念控制系統可分為兩大類，開環(huán)控制系統和閉環(huán)控制系統。開環(huán)控制系統閉環(huán)控制系統檢測是判斷控制對象的狀態(tài)；控制是根據檢測狀態(tài)作出控制動作。控制的核心部件是單片機（或計算機），由于處理系統是數字系統，因此必須經過A/D、D/A轉換。檢測的手段是利用檢測各種狀態(tài)的傳感器；控制的執(zhí)行裝置一般是直流電機、步進電機、繼電器等。驅動信號放大控制器執(zhí)行機構控制信號放大控制信號驅動信號控制器執(zhí)行機構執(zhí)行結果檢測裝置2.傳感器中的測控技術（1）溫度傳感器溫度傳感器主要用于測量溫度，如工業(yè)爐溫、環(huán)境溫度及人體體溫等。選擇溫度傳感器應根據被測對象的溫度、精度、靈敏度、響應速度、安裝特點來選擇。R：鉑銠13、純鉑K：鎳鉻、鎳硅E：鎳鉻、銅鎳J：鐵、銅鎳類型測溫范圍℃類型測溫范圍℃石英晶體溫度計-100~220雙金屬片溫度計0~300熱敏電阻-200~800水銀溫度計-30~350集成溫度傳感器-55~150酒精溫度計-60~100鉑熱電阻-180~600熱電偶R:200~1400K：0~100E：200~700J：0~600銅熱電阻0~200使用較少鎳鎘熱電阻-20~300使用較少光高溫計800~2000按測量方法可分兩類：直接測量：溫度測量常用是熱敏電阻或鉑熱電阻，原理是溫度改變導致電阻的值改變。間接測量：常見的有非接觸紅外測溫儀，如非典時期使用的體溫測試儀。這種設備易于操作，只需在安全距離之外將溫度槍對準發(fā)熱或移動的物體。2.傳感器中的測控技術（2）光電傳感器光電傳感器主要用來接收編碼信息、計數或測速（生產線或移動物體）、自動控制（如路燈、閃光燈）等，檢測的對象包括可見光和不可見光。光電傳感器的產品主要有光敏二極管、光敏晶體管、光敏電阻（CdS）、集成光電傳感器、太陽電池、圖像傳感器等。選擇光電傳感器的原則是：高速的光檢測、寬范圍照度、超高速的激光宜選用光敏二極管；幾千赫茲的脈沖光、低速脈沖光宜選用光敏晶體管；響應速度慢、隨光的強弱成比例改變（如路燈控制）的情況宜選用CdS或PbS光敏電阻；旋轉編碼器、速度傳感器、超高速的激光宜選用集成光電傳感器。右圖是利用光敏晶體管對光的效應來實現對傳輸帶上物體的計數檢測。光敏光源2.傳感器中的測控技術（3）壓力傳感器壓力是很重要的物理量，它是指作用于單位面積上的力。壓力傳感器是檢測氣體、液體、固體、聲音等所有物質間作用力能量的總稱。按傳感器結構特點壓力傳感器可以分為：應變式傳感器電容式傳感器壓電式傳感器壓阻式傳感器2.傳感器中的測控技術（4）紅外傳感器紅外傳感器種類很多，一般分為量子型和熱電型。熱電型主要利用熱電效應，靈敏度較低，響應速度較慢；量子型主要利用光生伏特和光電效應，特點是靈敏度較高，響應速度快，但靈敏度與波長有關。紅外傳感器主要用于測量物體有無、位置、方向、厚度、濃度、光通信與光隔離等?，F在的遙控器大都使用紅外LED（如GL350）和PIN光敏二極管（如S2386）組合，而人體移動報警裝置多使用熱電傳感器來實現。GL350S2386IRA-E100SZ1（b）人體移動報警裝置（a）遙控器裝置2.傳感器中的測控技術（5）磁敏傳感器磁敏傳感器根據不同的工作原理有不同類型：利用磁感應的電流互感器和轉速傳感器，利用電流磁效應的霍爾元件和磁敏二極管，利用磁作用的舌簧繼電器和磁性流體，利用超導效應的量子擾動超導探測器，利用核磁共振的傳感器，利用磁光效應的不可逆倒相器，利用磁熱效應的熱敏繼電器和熱鐵氧體等。使用較多的是霍爾元件，霍爾元件是基于電流磁效應制成的一種磁敏傳感器，其工作原理如右圖所示。若在a、b間有流過半導體的電流IH，在垂直方向施加磁場B，則在c、e間感應與磁場B成比例的電動勢UH。其中：KH為霍爾系數，d為元件厚度，θ為磁場與磁敏元件表面垂直方向的夾角，Ke為不平衡系數。KeIH可以忽略，令KS=KH/d，則

dLWUHIHabced磁通B2.傳感器中的測控技術（6）超聲波傳感器超聲波使用直線傳播方式，頻率越高，繞射能力越弱，反射能力越強。利用超聲波的反射能力強的特點，可以制作超聲波傳感器。超聲波傳感器在空氣中的傳播速度為340m/s，可以用來測量距離，或者測量物體厚度。超聲波傳感器通常由發(fā)送器和接收器組成，但一個超聲波傳感器也可以同時兼具發(fā)送和接收聲波的雙重作用，即可逆元件。超聲波傳感器通常利用壓電效應的原理，所謂壓電逆效應就是在壓電元件施加電壓，元件就變形，壓電效應有逆效應和順效應。下圖所示的是超聲波傳感器結構。雙晶振子金屬板電極端子圓錐形振子2.傳感器中的測控技術（6）超聲波傳感器若在發(fā)送器的雙晶振子上施加諧振頻率為40kHz的高頻電壓，壓電陶瓷片就會根據所加高頻電壓極性伸長與縮短，于是就發(fā)出40kHz頻率的超聲波。其工作原理如下圖所示。3.2無線傳感網絡微電子、計算和無線通信等技術的進步，推動了低功耗多功能傳感器的快速發(fā)展，使其在微小體積內能夠集成信息采集、數據處理和無線通信等多種功能。無線傳感器網絡（WirelessSensorNetwork，WSN）就是由部署在監(jiān)測區(qū)域內大量的廉價微型傳感器節(jié)點組成，通過無線通信方式形成的一個多跳的自組織的網絡系統，目的是協作地感知、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。Internet構成了邏輯上的信息世界，改變了人與人之間的溝通方式；WSN就是將邏輯上的信息世界與客觀上的物理世界融合在一起，改變人類與自然界的交互方式。美國商業(yè)周刊和MIT技術評論在預測未來技術發(fā)展的報告中，分別將WSN列為21世紀最有影響的21項技術和改變世界的10大技術之一。3.2.1無線傳感網絡概述1.無線傳感器的先天缺陷WSN的首要設計目標是能源的高效使用，這也是WSN和傳統無線網絡最重要的區(qū)別之一。正是因為無線傳感器節(jié)點資源有限的特征，所以無線傳感器節(jié)點在實現各種網絡協議和應用系統時，要充分考慮其資源有限的約束。電源能量有限：體積微小，攜帶能量十分有限通信能力有限：無線通信能耗與距離關系E=kdn

其中n∈[2,4]計算和存儲能力有限傳感器節(jié)點的操作系統設計了動態(tài)能量管理（DynamicPowerManagement，DPM）和動態(tài)電壓調節(jié)（DynamicVoltageScaling，DVS）模塊，可以更有效地利用節(jié)點的各種資源。3.2.1無線傳感網絡概述2.無線傳感器網絡的特點網絡規(guī)模大網絡具有自組織能力網絡具有動態(tài)性網絡具有高可靠性網絡與應用相關網絡以數據為中心3.2.1無線傳感網絡概述3.無線傳感器網絡的應用傳感器網絡的應用前景非常廣闊：軍事應用：如軍事C4ISRT系統環(huán)境觀測和預報系統：如基于傳感器網絡的ALERT系統醫(yī)療護理：如人工視網膜等智能家居建筑物狀態(tài)監(jiān)控（StructureHealthMonitoring，SHM）：如CITRIS其他方面的應用傳感器網絡還可以應用于空間探索，借助于航天器在外星體撒播一些傳感器網絡節(jié)點，可以對星球表面進行長時間的監(jiān)測。這種方式成本很低，節(jié)點體積小，相互之間可以通信，也可以和地面站進行通信。3.2.2無線傳感網絡體系結構1.傳感器網絡結構WSN結構如下圖所示，傳感器網絡系統通常包括傳感器節(jié)點（sensornode）、匯聚節(jié)點（sinknode）和管理節(jié)點。大量傳感器節(jié)點隨機部署在監(jiān)測區(qū)域內部或附近，能夠通過自組織方式構成網絡。傳感器節(jié)點監(jiān)測的數據沿著其他傳感器節(jié)點逐跳地進行傳輸，在傳輸過程中監(jiān)測數據可能被多個節(jié)點處理，經過多跳后路由到匯聚節(jié)點，最后通過互聯網或衛(wèi)星到達管理節(jié)點。3.2.2無線傳感網絡體系結構2.傳感器節(jié)點的結構傳感器節(jié)點是一個微型的嵌入式系統，下圖是傳感器節(jié)點的硬件體系結構示意圖。傳感器節(jié)點主要是由數據采集模塊、數據處理和控制模塊、通信模塊和能量管理模塊組成。數據采集模塊與應用密切相關，主要包括采集物理信息的傳感器和模擬/數字（A/D）轉換部件。傳感器可以根據物理環(huán)境的變化產生相應的電流變化，由感應器根據觀察現象產生的模擬信號通過A/D轉換成數字信號，然后輸入到處理單元（MCU）。3.2.2無線傳感網絡體系結構3.無線傳感器網絡的協議棧WSN的通信協議棧包括物理層、數據鏈路層、網絡層、傳輸層和應用層，如右圖所示，與互聯網協議棧的五層協議相對應。另外，協議棧還包括能量管理平臺、移動管理平臺和任務管理平臺。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。3.2.3物理層協議國際標準化組織對開放系統互聯參考模型中的物理層做了如下定義：物理層為建立、維護和釋放數據鏈路實體之間的數據傳輸的物理鏈接提供機械的、電氣的、功能的和規(guī)程的特性。在WSN中，物理層是數據傳輸的最底層，向下直接與傳輸介質相連，物理層協議是各種網絡設備進行互聯時必須遵循的底層協議，具體來講，物理層具有如下功能：為終端設備傳送數據提供物理通道，數據通路可以是一種物理介質，也可以是多種物理介質連接而成；物理層主要用來承載數據傳輸，提供數據傳輸服務，物理層應該能保證數據傳輸的正確性，還必須提供足夠的帶寬，減小信道擁塞；物理層必須有一定的管理能力，進行信道狀態(tài)評估、能量檢測、收發(fā)管理以及物理層屬性管理。3.2.3物理層協議1.物理層介質WSN可以通過各種介質進行通信，常見的通信介質主要包括電磁波和聲波。電磁波是最主要的無線通信介質，而聲波一般僅用于水下無線通信。根據電磁波的波長，又可以分為無線電波、微波、紅外線以及光波（光通信）等。3.2.3物理層協議2.ZigBee技術（1）ZigBee技術概述2000年12月，IEEE802.15.4工作組成立(IEEE802.15.4工作組是ZigBee聯盟的核心成員和領導者)，2001年8月，ZigBee聯盟成立，2002年推出了低成本、低功耗無線數據傳輸技術——ZigBee技術。ZigBee作為一種無線連接新規(guī)格，可工作在2.4GHz（全球除歐美）、868MHz（歐洲）和915MHz（美國）這3個頻段上，并在這3個頻段上分別具有250kbps、20kbps和40kbps的最高數據傳輸速率。它的傳輸距離在10～75m的范圍內，但也可以更大，實際的傳輸距離依據發(fā)射功率的大小和應用模式而定。一臺ZigBee設備可以連接多達254個其他ZigBee設備3.2.3物理層協議2.ZigBee技術（1）ZigBee技術概述ZigBee工作頻率分配如下圖所示：3.2.3物理層協議2.ZigBee技術（1）ZigBee技術概述ZigBee工作參數如下表所示：物理層工作頻帶MHz頻道數頻道參數數據傳輸參數碼片率調頻方式傳輸率kbps數據符號868MHz868～868.61300BPSK（BinaryPhaseShiftKeying二相相移鍵控）20二進制915MHz902～9281060040二進制2.4GHz2400～483.5162000O-QPSK（偏移四相相移鍵控）25016狀態(tài)組3.2.3物理層協議2.ZigBee技術（1）ZigBee技術概述ZigBee是以一個個獨立的工作節(jié)點為依托，通過無線通信組成星狀、片狀或網狀網絡，因此，每個節(jié)點的功能并非都相同。為降低成本，系統中大部分的節(jié)點為子節(jié)點。另外一些節(jié)點，負責與所控制的子節(jié)點通信、匯集數據和發(fā)布控制，或起到通信路由的作用，因此被稱作全功能設備（也稱為協調器）。ZigBee技術是一種近距離、低復雜度、低功耗、低數據傳輸速率、低成本的雙向無線通信技術，主要適用于自動控制和遠程控制領域，可以嵌入各種設備中，同時支持地理定位功能。3.2.3物理層協議2.ZigBee技術（1）ZigBee技術概述相對于現有的各種無線通信技術，ZigBee技術是功耗和成本較低的技術，同時由于ZigBee技術的低數據傳輸速率和通信范圍較小的特點，也決定了ZigBee技術適合于承載數據流量較小的業(yè)務。ZigBee技術的特性詳如下表所示。3.2.3物理層協議2.ZigBee技術（2）

ZigBee協議棧ZigBee的協議結構如下圖所示，由高層應用規(guī)范、應用匯聚層、網絡層、數據鏈路層和物理層組成。IEEE802.15.4工作組主要負責制定物理層和MAC子層協議，其余協議主要參照和采用現有的傳統無線技術的標準。3.2.3物理層協議2.ZigBee技術（2）

ZigBee協議棧①物理層IEEE802.15.4定義了2.4GHz和868/915MHz兩個物理層，兩者都是基于直接序列擴頻方式，區(qū)別在于工作頻率、調制技術、擴頻碼片長度和傳輸速率。ZigBee協議將這3個頻段劃分為26個信道，信道0占用868.6MHz頻率；信道1～10占用（902～928）MHz頻率段，每個信道間隔2MHz；信道11～26占用（2.4～2.4835）GHz頻段，每個信道間隔5MHz。3.2.3物理層協議2.ZigBee技術（2）

ZigBee協議棧②數據鏈路層IEEE802系列標準將數據鏈路層分成LLC和MAC兩個子層。其中，LLC子層在IEEE802.6中定義，為IEEE802標準系列共用，而MAC子層協議依賴于各自的物理層。IEEE802.15.4的MAC子層能支持多種LLC標準，通過特定業(yè)務匯聚子層（SSCS，Service-SpecificConvergenceSublayer）協議承載IEEE802.2類型的LLC標準，同時也允許其他LLC標準直接使用IEEE802.15.4的MAC子層的服務。LLC子層的主要功能包括：a傳輸可靠性保障和控制；b數據包的分段與重組；c數據包的順序傳輸。MAC子層協議包括的功能有：a設備間無線鏈路的建立、維護和結束；b確認模式的幀傳送與接收；c信道接入控制、幀校驗、預留時隙管理、廣播信息管理。3.2.3物理層協議2.ZigBee技術（2）

ZigBee協議棧②數據鏈路層MAC子層中有4種類型的幀：數據幀、標志幀、命令幀及確認幀。為了提高傳輸數據的可靠性，ZigBee采用了CSMA/CA的信道接入方式和完全握手協議。其幀結構如左下圖所示，FC為幀控制字段，SN為序列號，AI地址信息；MAC子層數據傳遞過程如右下圖所示。3.2.3物理層協議2.ZigBee技術（3）ZigBee協議的網絡拓撲結構ZigBee協議中定義了兩種設備節(jié)點：一種是全功能設備（Full-FunctionDevice，FFD）或稱為主器件；另一種是簡化功能設備（Reduced-FunctionDevice，RFD）或稱為從器件。ZigBee協議主要采用了3種組網方式：星型網、對等網及混合網。如圖(a)所示，星型網以網絡協調器為中心，所有設備只能與中心網絡協調器進行通信。對等網，也可以分為點對點和簇樹兩種結構，如圖(b)(c)所示。星型網和對等網相結合則形成了混合網，各個子網內部以星形連接，其主器件間又以對等的方式連接在一起。3.2.4MAC層協議MAC層是WSN協議堆棧中的一個重要層次，用于實現網絡的自組織和節(jié)能。節(jié)點被隨機放置后，MAC層協議實現節(jié)點間鏈路的建立，保證所有的節(jié)點可以公平、有效地利用有限的帶寬。另外，網絡的節(jié)能也由MAC層實現。3.2.4MAC層協議1.MAC協議設計要素WSN與現有的AdHoc網絡有很大的區(qū)別，如下表所示，導致已有網絡中的許多技術并不能直接應用到WSN中。WSN無線AdHoe網絡節(jié)點監(jiān)測周圍環(huán)境事件，檢測區(qū)域的事件可以激活WSN無感知行為，網絡通信由用戶應用管理節(jié)點尺寸微小節(jié)點較大（如PDA、LAPTOPS等）節(jié)點電能有限有固定的電能供給節(jié)點成本低節(jié)點成本較高

節(jié)點部署一次成形，節(jié)點維護與失效處理困難節(jié)點維護相對方便，節(jié)點供電可以更換電池節(jié)點壽命與節(jié)點附帶的電池有關節(jié)點電池可以更換節(jié)點密度高，冗余度大低密度、低冗余短距離通信（3～30m）長距離傳輸（10～500m）節(jié)點處理能力和存儲能力有限節(jié)點處理能力、存儲能力較強節(jié)點周期性處于工作、休眠狀態(tài)節(jié)點大部分時間監(jiān)聽無線信道以數據為中心的通信方式；數據包目的根據采集的數據屬性而定

用戶間根據需求進行通信非連續(xù)通信，只在檢測到數據時才進行通信大部分持續(xù)通信，如多媒體數據流低帶寬（1～250Kbps）

高帶寬（如IEEE802．1lx達到1～54Mbps）網絡操作面向任務

網絡運行面向應用3.2.4MAC層協議1.MAC協議設計要素在WSN的設計中主要根據7個標準進行MAC層協議設計：高性能、高可擴展性、高自適應性、簡單、低能耗、對上層協議的良好支持和安全性。在設計MAC層協議時，影響其性能的主要因素也是7個：移動無線信道的傳播特點、移動無線信道的時變特點、網絡拓撲結構的影響、用戶規(guī)模以及移動特點的影響、網絡應用的特點、協議機制的影響、協議參數的影響。衡量無線MAC層協議的性能指標主要表現在對帶寬的需求、功率消耗、終端競爭程度、信息傳送延時以及網絡連通性等幾個方面，相比較IEEE802.11x協議，其衡量標準主要有系統有效吞吐量、系統平均延時、服務公平性。3.2.4MAC層協議2.MAC層協議概述目前常見的分類方法主要考慮兩個方面的問題：采用分布式控制還是集中控制、使用單一共享信道還是多個信道。WSN根據采用固定分配信道方式還是隨機訪問信道方式的不同，MAC協議可以分為如下3類：采用無線信道的時分多址接入（TimeDivisionMultipleAccess，TDMA）方式，給每個節(jié)點分配固定的無線通信信道使用時段，從而避免節(jié)點間的相互干擾；采用無線信道的隨機競爭方式，節(jié)點在需要發(fā)送數據時隨機使用無線信道，重點考慮盡量減少節(jié)點間的干擾；其他MAC協議，如采用頻分復用或碼分復用等方式，實現節(jié)點間無沖突的無線信道的分配。3.2.4MAC層協議2.MAC層協議概述目前研究者已經提出了很多MAC層設計的建議方案，下面分兩大類加以簡要介紹。（1）固定分配類MAC層協議固定分配類MAC層協議主要有SMACS、EAR、TRAMA、TDM-FDM、DE-MAC等協議，工作方式包括頻分多址接入（FequencyDivisionMultipleAccess，FDMA）、時分多址接入（TDMA）和碼分多址接入（CodeDivisionMultipleAccess，CDMA）三種。（2）基于競爭的MAC層協議3.2.4MAC層協議2.MAC層協議概述（2）基于競爭的MAC層協議“競爭”的含義是連接到信道上的節(jié)點遵循某種規(guī)則競爭信道，得到使用權的節(jié)點可以進行通信?；诟偁幍腗AC層協議有Sensor-MAC（S-MAC）、Timeout-MAC（T-MAC）、WiseMAC和B-MAC等。3.2.4MAC層協議2.MAC層協議概述常見MAC層協議的比較如下表所示MAC協議類型優(yōu)

點缺

點適用場景SMACS固定分配類無需全局范圍內的時間同步，避免沖突，降低網絡負載節(jié)點復雜性高，成本較高，不易實現適用于子網數目較少的網絡EAR固定分配類避免沖突，實現移動節(jié)點和固定節(jié)點間的通信不易實現，適用范圍有一定的局限性適用于移動節(jié)點較少，且移動節(jié)點周圍靜止節(jié)點較多的網絡TRAMA固定分配類具有較高吞吐量及較好的節(jié)能效果時延較大適用于對延遲要求不高的應S-MAC基于競爭類避免了沖突造成的能量浪費不易實現適用于拓撲變化頻繁的網絡T-MAC基于競爭類減少了空閑偵聽功耗不易實現適用于可變負載的場景WiseMAC基于競爭類對網絡流量變化具有較好的適應性不易實現適用于節(jié)點密度較低的網絡3.2.4MAC層協議2.MAC層協議概述WSN中基于競爭的方案的固有優(yōu)點包括：無需同步、無需中央調度、對于網絡的動態(tài)特性有更好的健壯性、無需聚類、更適應于事件驅動的WSN。在基于競爭的方案在通信期間時不可避免要出現以下問題，這些均要消耗節(jié)點能量：①沖突②串音③控制包過載④空閑監(jiān)聽3.2.4MAC層協議3.TRAMA協議基于TDMA的MAC層協議需要嚴格的時間同步，為了避免這一點，人們利用FDMA或CDMA與TDMA結合的方法，為節(jié)點分配互不干擾的傳輸信道，避免數據沖突，從而降低時間同步的要求。其基本思想是為每一對相鄰節(jié)點建立一個特有的頻率用于數據傳輸，并保證各對節(jié)點使用的頻率相互間沒有干擾，從而避免數據碰撞。TRAMA協議將時間劃分為連續(xù)時隙，根據局部兩跳內的鄰居節(jié)點信息，采用分布式選舉機制確定每個時隙的無沖突發(fā)送者。同時，通過避免把時隙分配給無流量的節(jié)點，并讓非發(fā)送和接收節(jié)點處于睡眠狀態(tài)達到節(jié)能的目的。TRAMA協議包括鄰居節(jié)點協議（NeighborProtoco1，NP）、調度交換協議（ScheduleExchangeProtocol，SEP）和自適應時隙選擇算法（AdaptiveElectionAlgorithm，AEA）。3.2.4MAC層協議3.TRAMA協議TRAMA協議的時隙結構如下圖所示。3.2.4MAC層協議3.TRAMA協議(1)鄰居節(jié)點協議(NP)鄰居節(jié)點協議在隨機接入周期內執(zhí)行，節(jié)點通過NP以競爭的方式使用無線信道，協議要求節(jié)點周期性地通告自己的節(jié)點編號ID，自身是否有數據需要發(fā)送，以及能夠直接通信的鄰居節(jié)點列表，并實現節(jié)點之間的時間同步。該協議要求所有節(jié)點在隨機接入周期內都一直處于活動(Active)狀態(tài)，同時要求流量信息廣播多次。在TRAMA協議中，每個節(jié)點有惟一的節(jié)點編號ID，節(jié)點根據ID獨立計算兩跳內所有節(jié)點在每個時隙上的優(yōu)先權。由于節(jié)點間獲取的鄰居信息是一致的，每個節(jié)點獨立計算的在每個時隙上各個節(jié)點的優(yōu)先級也是一致的，因此，節(jié)點能夠確定每個時隙上優(yōu)先級最高的節(jié)點。節(jié)點優(yōu)先級最高的時隙稱為節(jié)點的贏時隙。3.2.4MAC層協議3.TRAMA協議(2)高度交換協議(SEP)調度交換協議用來建立和維護發(fā)送節(jié)點和接收節(jié)點的調度信息。調度信息的產生過程如下：節(jié)點根據上層應用產生分組的速率首先計算它的調度間隔Tinterval，Tinterval代表一次調度對應的時隙個數；然后，節(jié)點計算在[t，t+Tinterval]內具有最高優(yōu)先級的時隙；最后，節(jié)點在贏時隙內發(fā)送數據，并要通過調度消息告訴相應的接收者。由于節(jié)點間保持一致的兩跳鄰居拓撲結構，可以將鄰居節(jié)點按照節(jié)點ID的升或降序排列，并采用位圖指定接收者。最后一個非0時隙稱為變更時隙（ChangeoverSlot），節(jié)點通過調度分組廣播其調度信息。節(jié)點采用捎帶技術，在發(fā)送數據分組中攜帶節(jié)點的調度摘要，減少調度分組在廣播過程中丟失造成的影響。3.2.4MAC層協議3.TRAMA協議(3)自適應時隙選擇算法(AEA)節(jié)點正常工作時有發(fā)送、接收和休眠3種狀態(tài)：在調度接入周期內的給定時隙，節(jié)點處于發(fā)送狀態(tài)當且僅當它有數據需要發(fā)送時，且在競爭者中有最高的優(yōu)先級；節(jié)點處于接收狀態(tài)當且僅當它是當前發(fā)送節(jié)點指定的接收者；其他情況下，節(jié)點處于休眠狀態(tài)，每個節(jié)點在調度周期的每個時隙運行AEA。該算法根據當前兩跳內鄰居節(jié)點的節(jié)點優(yōu)先級和一跳鄰居的調度信息，決定節(jié)點在當前時隙的所處狀態(tài)：發(fā)送、接收或休眠。3.2.4MAC層協議3.TRAMA協議在TRAMA協議中，節(jié)點通過NP獲得一致的兩跳內的拓撲信息，通過SEP建立和維護發(fā)送者和接收者的調度信息，通過AEA決定節(jié)點在當前時隙的活動狀態(tài)。TRAMA協議通過分布式協商保證節(jié)點無沖突地發(fā)送數據，無數據收發(fā)的節(jié)點處于休眠狀態(tài)；同時，避免把時隙分配給沒有信息發(fā)送的節(jié)點。3.2.4MAC層協議4.SensorMAC協議典型的基于競爭的隨機訪問MAC層協議是載波偵聽多點接入（CSMA，CarrierSenseMultipleAccess）。無線局域網IEEE802.11MAC層協議的分布式協調功能（DCF）工作模式采用帶沖突避免的載波偵聽多點接入（CSMA/CA，CSMAwithcollisionavoidance）協議，它可以作為基于競爭的MAC層協議的代表。WSN中基于競爭的MAC層協議有S-MAC、T-MAC、MD和SIFT等協議。S-MAC協議應用了3種新技術來減少能耗并支持自組織：節(jié)點定期睡眠以減少空閑監(jiān)聽造成的能耗；鄰近的節(jié)點組成虛擬簇，使睡眠調度時間自動同步；用消息傳遞的方法來減少時延。S-MAC仍采用類似IEEE802.11中的方式來避免沖突，包括虛擬和物理的載波偵聽和RTS／CTS交換。3.2.4MAC層協議4.SensorMAC協議S-MAC協議設計目標是減少能量消耗，提供良好的擴展性。S-MAC協議主要采用這些機制：周期性偵聽／睡眠的低占空比工作方式，控制節(jié)點盡可能處于睡眠狀態(tài)來降低節(jié)點能量的消耗；鄰居節(jié)點通過協商的一致性睡眠調度機制形成虛擬簇，減少節(jié)點的空閑偵聽時間；通過流量自適應的偵聽機制，減少消息在網絡中的傳輸延遲；采用內帶信令來減少重傳和避免偵聽不必要的數據；通過消息分割和突發(fā)傳遞機制來減少控制消息的開銷和消息的傳輸延遲。S-MAC協議減少了空閑偵聽所消耗的能源，但是不足之處在于：節(jié)點的工作循環(huán)周期在協議開始工作時就已確定下來，不能根據WSN的業(yè)務量變化來進行調整。3.2.4MAC層協議4.SensorMAC協議(1)數據包的嵌套結構S-MAC協議數據包的嵌套結構如下圖所示。在S-MAC協議中，上一層數據包包含了下一層數據包的內容。數據包傳送到哪一層，那一層只需要處理屬于它的部分。3.2.4MAC層協議4.SensorMAC協議(2)棧結構和功能在S-MAC協議棧內，當MAC層接收到上層傳送來的數據包后就開始載波偵聽。如果信道空閑，就會把數據傳遞給物理層；如果信道忙，它將會進入睡眠狀態(tài)，直到下個可用時間的到來，再重新發(fā)送。當MAC層收到物理層傳過來的數據包后，先通過循環(huán)冗余校驗(CRC)，沒有錯誤，MAC層就會將數據包傳向上層。具體協議棧模型如右圖所示。3.2.4MAC層協議4.SensorMAC協議(3)選擇和維護調度表在開始周期性地偵聽和睡眠之前，每個節(jié)點都需要選擇睡眠調度機制并與鄰居節(jié)點一致。如何選擇和保持調度機制分為以下3種情況：節(jié)點在偵聽時間內，如果它沒有偵聽到其他節(jié)點的睡眠調度機制，則立即選擇一個睡眠調度機制。當節(jié)點在選擇和宣布自己的調度機制之前，收到了鄰居節(jié)點廣播的睡眠調度機制，它將采用鄰居節(jié)點的睡眠調度機制。當節(jié)點在選擇和廣播自己的睡眠調度機制之后，收到幾種不同的睡眠調度機制時，就要分以下兩種情況考慮：當節(jié)點沒有鄰居節(jié)點的時候，它會舍棄自己當前的睡眠調度機制，采用剛接收到的睡眠調度機制；當節(jié)點有一個或更多鄰居節(jié)點的時候，它將同時采用不同的調度機制。3.2.4MAC層協議4.SensorMAC協議(4)時間同步在S-MAC協議中，節(jié)點與鄰居節(jié)點需要保持時間同步來同時偵聽和睡眠。S-MAC協議采用的是相對而不是絕對的時間戳，同時使偵聽時間遠大于時鐘誤差和漂移，來減少同步誤差，并且節(jié)點會根據收到的鄰居節(jié)點的數據包來更新自己的時間，從而與鄰居節(jié)點保持時間同步。3.2.4MAC層協議4.SensorMAC協議(5)CSMA/CACSMA/CA的基本思想是在接收者和發(fā)送者之間建立一個握手機制來傳輸數據。握手機制是：由發(fā)送端發(fā)送一個請求發(fā)送（RTS）包給它的接收者，接收者在收到以后就回復一個準備接收（CTS）包，發(fā)送端在收到CTS包后，開始發(fā)送數據包，RTS與CTS之間的握手是為了使發(fā)送端和接收端的鄰居節(jié)點知道它們正在進行數據傳輸，從而減少傳輸碰撞。3.2.4MAC層協議4.SensorMAC協議(6)網絡分配矢量在S-MAC協議中，每個節(jié)點都保持了一個網絡分配矢量（NAV）來表示鄰居節(jié)點的活動時間，S-MAC協議中在每個數據包中都包含了一個持續(xù)時間指示值，持續(xù)時間指示值表示目前這個通信需要持續(xù)的時間。鄰居節(jié)點收到發(fā)送者或接收者發(fā)往其他節(jié)點的數據包的時候，就可以知道它需要睡眠多久，即用數據包中的持續(xù)時間更新NAV的值。當NAV的值不為零的時候，節(jié)點應該進入睡眠狀態(tài)來避免串音；當NAV變?yōu)榱愕臅r候，它就馬上醒來，準備進行通信。3.2.5拓撲控制技術1.拓撲控制技術概述(1)拓撲控制的重要性一種重要的節(jié)能技術，可延長整個網絡的生命周期；可以實現對傳感器節(jié)點通信功率的控制，保證網絡的連通性，減少節(jié)點間的通信干擾，提高整個網絡的通信效率；能夠降低通信干擾、提高MAC層協議和路由協議的效率，為數據融合提供拓撲基礎；對路由協議中轉發(fā)節(jié)點的選擇和數據融合中對融合節(jié)點的選擇起著重要的作用，拓撲控制還能夠提高網絡的可靠性、可擴展性等其他性能。拓撲控制對網絡性能具有重大的影響，因而對它的研究具有十分重要的意義。3.2.5拓撲控制技術1.拓撲控制技術概述(2)拓撲控制的類型一般來講，WSN中的拓撲控制主要有3類：節(jié)點功率控制、層次型拓撲結構控制和節(jié)點睡眠調度。WSN拓撲可以根據節(jié)點的可移動與否（動態(tài)或靜態(tài)）和部署的可控與否分為如下4類：靜態(tài)節(jié)點、不可控部署動態(tài)節(jié)點、不可控部署靜態(tài)節(jié)點、可控部署動態(tài)節(jié)點、可控部署3.2.5拓撲控制技術1.拓撲控制技術概述(3)拓撲控制的設計目標在保證一定的網絡連通和覆蓋質量的前提下，一般以延長網絡的生命期為主要目標，兼顧通信干擾、網絡延遲、負載均衡、簡單性、可靠性、可擴展性等其他性能，形成一個優(yōu)化的網絡拓撲結構。WSN是與應用相關的，不同的應用對底層網絡的拓撲控制設計目標的要求也不盡相同。3.2.5拓撲控制技術2.功率控制RA(RangeAssignment)問題設N={u1,u2,…un}是d(d=1,2,3)維空間中代表網絡節(jié)點位置的點的集合，r(ui)代表節(jié)點ui的發(fā)射半徑。RA問題就是要在保證網絡連通的前提下，使網絡的發(fā)射功率（各節(jié)點的發(fā)射功率的總和）最小，也就是要最小化r(ui)的a次方和的值，其中，a是大于2的常數。在一維情況下，RA問題可以在多項式時間0(n4)內解決；然而在二維和三維情況下，RA問題是比較難的。實際的功率控制問題比RA問題更為復雜，因此一般采用尋找近似解來求解該問題。針對這一問題當前已提出了一些解決方案，其基本思想都是通過降低發(fā)射功率來延長網絡的生命期，常見的方案包括與路由協議結合的功率控制、基于節(jié)點度的功率控制、基于方向的功率控制、基于鄰近圖的功率控制等。3.2.5拓撲控制技術2.功率控制伊利諾斯大學的Narayanaswamy等人提出并實現了一種簡單的將功率控制與路由協議相結合的解決方案：COMPOW。其基本思想是：所有的傳感器節(jié)點使用一致的發(fā)射功率，在保證網絡連通的前提下，將功率最小化。COMPOW建立各個功率層上的路由表，在功率Pi層上，通過使用功率Pi交換HELLO消息建立路由表RTpi，所有可達節(jié)點都是路由表中的表項。COMPOW選擇最小的發(fā)射功率Pcom，使得RTPcom與RTPmax具有相同數量的表項（Pmax是最大發(fā)射功率），因此整個網絡都使用公共的發(fā)射功率Pcom。在節(jié)點均勻分布的情況下，COMPOW具有較好的性能，但是如果在WSN中存在一個相對孤立的節(jié)點將會導致所有的節(jié)點使用很大的發(fā)射功率，因此在節(jié)點分布不均的情況下，COMPOW的缺陷是較突出的。3.2.5拓撲控制技術2.功率控制Kawadia和Kumar提出的CLUSTERPOW算法是對COMPOW的改進。該算法的基本思想是：當轉發(fā)一個包到目的節(jié)點d時，CLUSTERPOW選擇出現d的最底層次的路由表，設為RTPmin，然后，以功率Pmin而不是Pcom將其發(fā)送到下一跳節(jié)點。在CLUSTERPOW算法中，分簇是隱含的，且無需要任何簇首節(jié)點，分簇通過給定功率層的可達性來實現，分簇的層次由功率的層次數來決定，分簇是動態(tài)的、分布式的。CLUSTERPOW的主要缺陷是開銷太大。3.2.5拓撲控制技術3.層次型拓撲結構控制分層機制通常將WSN中的節(jié)點分為兩種，一種為簇首，其余為普通節(jié)點，簇首對其周圍的普通節(jié)點進行管理。層次型拓撲結構具有很多優(yōu)點，可以減小通信負載、均衡能耗，可以顯著地延長整個網絡的壽命，非常適用于大規(guī)模部署的WSN。層次型拓撲結構控制的基本思想是：由簇首節(jié)點組成骨干網絡，則其他節(jié)點就可以（事實上未必）進入睡眠狀態(tài)。層次型拓撲結構控制的關鍵技術是分簇。層次型拓撲結構控制比較常見的算法包括：LEACH（LowEnergyAdaptiveC1usteringHierarchy，低功率自適應分簇拓撲）算法、EECS算法、LDS算法、GAF（GeographicAdaptiveFidelity，地理自適應保真）算法、GBR算法、基于圖論的最小支配集問題的拓撲發(fā)現（TopDisc，TopologyDiscovery）算法、HEED（HybridEnergyEfficientDistributedClustering，混合功效分簇）等。3.2.5拓撲控制技術3.層次型拓撲結構控制以LEACH算法為例，其基本思想是以循環(huán)的方式隨機選擇簇首節(jié)點。LEACH算法在運行過程中不斷地循環(huán)執(zhí)行簇的重構過程，每個簇重構過程可以用“輪（round）”的概念來描述。每輪可以分成兩個階段：簇的建立階段和傳輸數據的穩(wěn)定階段。為了節(jié)省資源開銷，通常穩(wěn)定階段的持續(xù)時間要大于建立階段的持續(xù)時間。簇的建立階段又可以分成4個步驟：簇首節(jié)點的選擇、簇首節(jié)點的廣播、簇的建立和調度機制的生成。簇首節(jié)點的選擇依據網絡中所需要的簇首節(jié)點總數和迄今為止每個節(jié)點已成為簇首的次數來決定。具體的選擇辦法是：每個傳感器節(jié)點選擇0～1之間的一個值，如果選定的值小于某個閾值T(n)（計算公式如下式），那么這個節(jié)點成為簇首節(jié)點。式中p是網絡中簇首數與總節(jié)點數的百分比；r是當前的選舉輪數；G是最近1／p輪不是簇首的節(jié)點集。3.2.5拓撲控制技術3.層次型拓撲結構控制選定簇首節(jié)點后，通過廣播告之整個網絡。網絡中的其他節(jié)點根據接收信號的強度決定其從屬的簇，并通知相應的簇首節(jié)點，完成簇的建立。最后，簇首節(jié)點采用TDMA方法為簇中每個節(jié)點分配向其傳送數據的時間片。在穩(wěn)定階段，傳感器節(jié)點將采集的數據傳送到簇首節(jié)點，簇首節(jié)點對簇中所有節(jié)點所采集的數據進行信息融合后再傳送給基站，這是一種減少通信業(yè)務量的合理工作模式。穩(wěn)定階段持續(xù)一段時間后，網絡重新進入簇的建立階段，進行下一輪的簇重構，不斷循環(huán)。每個簇采用不同的CDMA代碼進行通信以減少對其他簇內節(jié)點的干擾。3.2.5拓撲控制技術4.睡眠調度WSN通常是面向應用的事件驅動的網絡，骨干網節(jié)點在沒有檢測到事件時不用一直保持在活動狀態(tài)，所以有學者提出了網內節(jié)點協同啟發(fā)機制，用來保證節(jié)點在有事件發(fā)生時能夠及時自動醒來并喚醒鄰居節(jié)點，形成數據轉發(fā)的拓撲結構，無線通信模塊的長時間關閉進一步地節(jié)省了節(jié)點的能量開銷。使節(jié)點進入睡眠狀態(tài)，能大幅度地降低網絡的能量消耗，這對于節(jié)點密集型和事件驅動型的網絡十分有效。如果網絡中的節(jié)點都具有相同的功能，扮演相同的角色，就稱網絡是非層次的或平面的，否則就稱為是層次型的，層次型網絡通常又稱為基于簇的網絡。非層次型睡眠調度的基本思想是：每個節(jié)點根據自己所能獲得的信息，獨立地控制自己在工作狀態(tài)和睡眠狀態(tài)之間的轉換。它與層次型睡眠調度的主要區(qū)別在于：每個節(jié)點都不隸屬于某個簇，因而不受簇首節(jié)點的控制和影響。3.2.5拓撲控制技術4.睡眠調度俄亥俄州立大學的Kumar等人提出了一種簡單的睡眠調度算法RIS。賓西法尼亞州立大學的Berman等人提出了MSNL，將睡眠調度問題表示成帶有覆蓋約束的最大化網絡生命期問題。維克多利亞大學的Wu等人提出了一種不需要位置信息的LDAS算法。加州大學洛杉磯分校的cerpa和Estrin提出了一種基于保證數據通路暢通的ASCENT算法。加州大學洛杉磯分校的Ye等人提出了一種適用于惡劣環(huán)境中高密度WSN的PEAS算法。加州大學戴維斯分校的Gui等人提出的PECAS是對PEAS的擴展。此外，影響較大的還有華盛頓大學的Xing等人提出的CCP和麻省理工學院的Chen等人提出的SPAN等。3.2.6路由協議1.路由協議概述在WSN中，由于網絡內節(jié)點資源有限，應用背景特殊，數據包的傳輸需要通過多跳通信方式到達目的節(jié)點，因此路由協議的設計是WSN中的一項基本支撐技術。傳統無線網絡的路由設計以避免網絡沖突、保證網絡的連通性以及提供高質量的網絡服務為主要目的。在路由協議的實現過程中，首先利用網絡層定義的邏輯地址來區(qū)別不同的節(jié)點以便實現數據交換，然后通過路由選擇算法決定到達目的節(jié)點的最佳路徑。與傳統網絡不同，雖然WSN與AdHoc網絡極為相似，但是在網絡特點、通信模型和數據傳輸要求等方面卻還是有較大差異。3.2.6路由協議1.路由協議概述(1)AdHoc網絡路由協議的不足雖然當前AdHoc網絡路由協議研究相對比較成熟了，但是傳統的AdHoc網絡路由協議不能適用于WSN。具體表現在如下幾個方面：WSN是以數據為中心進行路由的網絡，而不同于AdHoe網絡的點對點通信模式。WSN隨應用需求而變化，很難設計通用性強的路由協議。WSN鄰近節(jié)點間采集的數據具有相似性，存在冗余信息。傳統網絡每一個節(jié)點都具有惟一的標識號。而WSN是基于屬性進行尋址的(Attribute-BasedAddressing)，不需給每一個節(jié)點分配惟一地址。由于WSN節(jié)點能量有限，所以路由設計一般將高能效放在第一位，WSN必須設計新的講究高能效的路由協議。資源受限，能量有限，而且由于受節(jié)點規(guī)格大小的限制，節(jié)點的處理能力、存儲能力、通信能力均有限。拓撲結構動態(tài)變化。3.2.6路由協議1.路由協議概述(2)WSN網絡層路由協議的要求WSN的特點要求路由協議的設計必須要以節(jié)能為首要目的，并采用折中機制，使用戶在延長網絡壽命的同時獲得較優(yōu)的網絡吞吐率、降低網絡通信延遲，一個好的WSN網絡層路由協議應該滿足如下幾個條件：高效利用有限的節(jié)點能量，在滿足WSN的前提下，最大限度地延長網絡壽命，使網絡能耗均勻分布在每個節(jié)點上。滿足WSN拓撲結構的動態(tài)變化，提高網絡的魯棒性，路由協議盡量分布式運行。盡可能減少節(jié)點間通信負載的冗余，節(jié)約有限的能量和通信資源；路由協議設計時以數據為中心，采用數據融合等技術降低通信負載。滿足WSN的可擴展性，能保證傳感器節(jié)點的隨時加入和退出不會影響到全局任務的執(zhí)行，路由協議的設計必須具備魯棒性和可擴展性。安全性，在路由協議的設計中需要考慮網絡的安全、數據的安全，提高網絡通信的可靠性同時降低遭受攻擊的可能性。3.2.6路由協議1.路由協議概述(3)WSN路由協議的分類從具體應用出發(fā)，根據不同應用對WSN的各種特性的敏感度不同，大致可將路由協議分為4種：能量感知路由協議，基于路由查詢的路由協議，地理位置路由協議，可靠的路由協議。根據路由發(fā)現策略的角度，可分為主動路由和被動路由兩種類型。主動路由也叫表驅動(TableDriven)路由，被動路由也叫按需(OnDemand)路由。根據網絡管理的邏輯結構可將路由協議分為包括泛洪、SPIN、SAR和定向擴散在內的幾種平面路由協議和包括LEACH、TEEN、PEGAGIS和多層類聚算法在內的分層路由協議兩類。3.2.6路由協議2.PEGASIS協議(1)PEGASIS的基本原理PEGASIS（Power-EfficientGAtheringinSensorInformationSystems）由LEACH發(fā)展而來，其主要思想是：在進行數據傳輸之前，各節(jié)點首先發(fā)送測試信號，通過檢測應答來確定離自己最近的相鄰節(jié)點并作為自己的下一節(jié)點，依次遍歷網絡中的所有節(jié)點最終形成一條鏈，通過這種方式，網絡中的所有節(jié)點都只與最相鄰的節(jié)點相連，所以每個節(jié)點都以最小功率發(fā)送數據分組；同時，各節(jié)點接收上個節(jié)點的數據，并完成必要的數據融合，減小了業(yè)務流量；另外，由各節(jié)點輪流充當簇首向基站傳送數據，均衡了能量耗費。PEGASIS協議的缺點包括單簇方法使得簇首成為關鍵點，其失效會導致路由失??；要求節(jié)點都具有與sink節(jié)點通信的能力；如果鏈過長，數據傳輸時延將會增大，不適合實時應用；成鏈算法要求節(jié)點知道其他節(jié)點位置，節(jié)點維護位置信息（相當于傳統網絡中的拓撲信息）需要額外的資源，開銷非常大。3.2.6路由協議2.PEGASIS協議(2)PEGASIS的流程PEGASIS（Power-EfficientGAtheringinSensorInformationSystems）由LEACH發(fā)展而來，其主要思想是：在進行數據傳輸之前，各節(jié)點首先發(fā)送測試信號，通過檢測應答來確定離自己最近的相鄰節(jié)點并作為自己的下一節(jié)點，依次遍歷網絡中的所有節(jié)點最終形成一條鏈，通過這種方式，網絡中的所有節(jié)點都只與最相鄰的節(jié)點相連，所以每個節(jié)點都以最小功率發(fā)送數據分組；同時，各節(jié)點接收上個節(jié)點的數據，并完成必要的數據融合，減小了業(yè)務流量；另外，由各節(jié)點輪流充當簇首向基站傳送數據，均衡了能量耗費。PEGASIS協議的缺點包括單簇方法使得簇首成為關鍵點，其失效會導致路由失?。灰蠊?jié)點都具有與sink節(jié)點通信的能力；如果鏈過長，數據傳輸時延將會增大，不適合實時應用；成鏈算法要求節(jié)點知道其他節(jié)點位置，節(jié)點維護位置信息（相當于傳統網絡中的拓撲信息）需要額外的資源，開銷非常大。3.2.6路由協議2.PEGASIS協議(3)PEGASIS的流程①成鏈階段采用貪心算法，從離基站最遠的節(jié)點開始，各節(jié)點依次（已經在鏈上的節(jié)點不再繼續(xù)參與后續(xù)的成鏈過程）找到與其最近的節(jié)點，該節(jié)點就作為鏈上的下一節(jié)點，依此最終遍歷全網形成鏈，數據傳輸只在鏈上相鄰的兩個節(jié)點之間進行，大大減小了傳輸距離。如下圖所示。3.2.6路由協議2.PEGASIS協議(3)PEGASIS的流程②數據傳輸階段數據傳輸從鏈的兩端開始，各節(jié)點都知道自己在鏈上的位置。每一輪中，都選出一個節(jié)點充當簇首（下圖所示的節(jié)點n3）。各節(jié)點接收鄰節(jié)點的數據并與自身的數據進行融合后傳向下一個鄰節(jié)點，最終由簇首傳向基站（BaseStation）。節(jié)點間的數據傳輸可采用時隙方式和令牌控制兩種方式。時隙方式：各傳感器節(jié)點間須嚴格同步，如右?？刂屏钆?Token)方式：由簇首控制Token，每輪開始時，由簇首將Token傳到端節(jié)點，由端節(jié)點開始，各節(jié)點沿鏈傳輸數據和Token，得到Token的節(jié)點才能將數據傳到下一鄰節(jié)點，當數據收集完畢，Token回到簇首時，由簇首最后將數據傳向基站，到此完成此輪的數據收集。3.2.6路由協議2.PEGASIS協議(3)PEGASIS的流程③能量模型在PEGASIS協議中，作如下假定：能量耗費主要在數據接收、數據融合和數據傳輸三個方面；成鏈階段的能量耗費相對數據傳送階段是很小的，忽略不計。在實際中，因接收機不接收數據時，可關閉接收機以節(jié)省能量，所以接收機接收不是自己的數據的能量耗費可不計。在此，采用目前比較常用的一階無線能量模型以及如下參數，則融合n個k位的數據信息再傳輸到d遠處，所耗費的能量為：接收數據耗費能量為ERx(k)=ERx-elec(k)=Eeleck融合數據耗費能量為Eda-fu(k,n)=Efunk發(fā)送數據耗費能量為ETx(k,d)=ETx-elec(k)+ETx-amp(k,d)=Eeleck+εampkd23.2.6路由協議2.PEGASIS協議(3)PEGASIS的流程③能量模型由上面的模型和參數值可以看出，發(fā)送數據的增益耗費是總耗能的主要部分，但接收數據的能量也是不可忽略的，所以為減少耗能，可以從以下三個方面來考慮：減少收發(fā)數據的次數和數據量；減少傳輸的距離d；減少需傳輸信息的節(jié)點總數，尤其是向基站傳輸的節(jié)點數。而PEGASIS協議正是從這三個方面出發(fā)從而有效地節(jié)省了能量。3.3藍牙無線技術“藍牙（Bluetooth）”技術始于愛立信公司的1994方案，起初是旨在研究一種在移動電話和其他配件間進行低功耗、低成本無線通信的連接方法。其發(fā)明者希望為設備間的通信創(chuàng)立統一的規(guī)則（標準化協議），以解決用戶間互不兼容的移動電子設備的通信問題。藍牙技術是一種支持設備短距離通信的無線電技術，能在包括移動電話、PDA、無線耳機、筆記本計算機、相關外設等眾多設備之間進行無線信息交換。利用藍牙技術，能夠有效地簡化移動通信終端設備之間的通信，也能成功地簡化設備與因特網Internet之間的通信，使數據傳輸變得更加簡便迅速高效，為無線通信提供了又一選擇。在寬帶網已經觸及尋常百姓家的今天，藍牙還享有寬帶網末梢神經的美譽。3.3藍牙無線技術藍牙技術本身不獨立構成完整的通信設備，也不涉及移動通信業(yè)務，它只是配合其他系統，使它們具有無線傳輸的能力，并可克服紅外通信要在直射路徑才能建立通信的缺陷。藍牙的小功率設備支持距離大約10m的無線通信，大功率設備也只支持距離大約100m的無線通信。藍牙規(guī)定了4種物理接口：通用串行總線（USB）、EIA-232、PC卡及通用異步收發(fā)器UART接口。藍牙允許在各種環(huán)境通信，包括機電工業(yè)區(qū)的應用，其發(fā)送與接收數據的模塊具有糾錯功能和自動重傳請求功能。藍牙使用跳頻（FrequencyHopping）、時分復用（TimeDivisionMulti-Access）和碼分復用（CodeDivisionMulti-Access）等先進技術來建立多種通信。藍牙工作在2.4GHzISM（IndustrialScientificMedical）的頻段上。藍牙作為一種射頻無線技術，采用分散式網絡結構短包技術，支持點對點和點對多點通信，即一個藍牙設備可以跟一個也可以跟多個藍牙設備通信，組成藍牙微微網（piconet，或匹克網），也稱為微網，采用時分雙工傳輸方案來實現全雙工傳輸。3.3.1藍牙標準化協議進程藍牙協議版本發(fā)布進程如下表所示。V1.1協議基本已經停用，目前市場上有不少產品采用了V2.0協議。V1.2最大數據速率已達1.3Mbps，已經足夠支持串口數據傳輸；V2.0提速到了3Mbps，提高了大文件傳輸效率，但文件傳輸應用中，802.11才是今后發(fā)展的主流。版本規(guī)范發(fā)布日期增強功能0.71998年10月19日Baseband、LMP0.81999年1月21日HCI、L2CAP、RFCOMM0.91999年4月30日OBEX與IrDA的互通性1.0Draft1999年7月5日SDP、TCS1999年7月26日/1.0B2000年10月1日WAP應用上更具互通性1.12001年2月22日IEEE802.15.11.22003年11月5日列入IEEE802.2.02004年11月9日EDR傳輸率提升至2-3Mbps2.12007年7月26日簡易安全配對、暫停與繼續(xù)加密、Sniff省電3.02009年4月21日全新的交替射頻技術，支持802.11，24Mbps3.3.1藍牙標準化協議進程1.藍牙V1.1由于沒有考慮到設備互操作性的問題，藍牙V1.0規(guī)范在標準方面有所欠缺。藍牙V1.1規(guī)范解決了這一問題，藍牙V1.1技術規(guī)范要求會話中的每一臺設備都需要確認其在主設備/從設備關系中所扮演的角色。藍牙V1.1標準取消了23子頻段的副標準，所有的藍牙V1.1設備都使用79個子頻段在2.4GHz的頻譜范圍之內進行相互的通信。藍牙V1.1規(guī)范也修正了互不兼容的數據格式會引發(fā)藍牙V1.0設備之間的互操作性問題的這個問題，允許從設備主動與主設備進行通信并告知主設備有關包尺寸方面的信息。3.3.1藍牙標準化協議進程2.藍牙V1.2在藍牙SIG（SpecialInterestGroup）宣布的最新的藍牙V1.2設備標準中，新發(fā)布的1.2標準就提供了更好的同頻抗干擾能力，并且加強了語言識別能力，并向下兼容1.1的設備。1.2版最大的改進在于增加了AFH自適應跳頻技術(AdaptiveFrequencyHopping)這項技術，并主要針對現有藍牙協議和802.11b/g之間的互相干擾問題進行了全面的改進，防止用戶在同時使用支持藍牙和無線局域網(WLAN)的兩種裝置的時候出現互相干擾的情況。增強了語音處理，改善了語音連接的品質(可以提高藍牙耳機的音質)；并能更快速的連接設置。3.3.1藍牙標準化協議進程3.藍牙V2.0與藍牙V3.0新版藍牙規(guī)范提高了帶寬，使得新版本的藍牙設備可以傳輸更大的文件，同時2.0+EDR（EnhancedDataRate）版本兼容所有舊版規(guī)范。藍牙核心規(guī)范2.0+EDR主要內容如下：3倍數據傳輸速率(最大可以達到10倍)更多的帶寬簡化了多連接模式向后兼容早期藍牙設備降低了比特誤差率BER(BitErrorRate)此外，藍牙技術聯盟(BluetoothSIG)頒布新一代標準規(guī)范“BluetoothCoreSpecificationVersion3.0+HighSpeed”(藍牙核心規(guī)范3.0版+高速)正式版本，可簡稱為“藍牙3.0+HS”，或者“藍牙3.0”。藍牙3.0的核心是加入了“GenericAlternateMAC/PHY”(AMP)。這是一種全新的交替射頻技術，允許藍牙協議棧針對任何具體的任務動態(tài)地選擇正確的射頻。使藍牙設備能最大限度的利用多種高速無線技術中更高的傳輸速率。3.3.1藍牙標準化協議進程3.3.2藍牙系統組成藍牙系統一般由天線單元、鏈路控制（固件）單元和軟件（協議棧）單元三個功能單元組成。1．天線單元藍牙要求其天線部分體積十分小巧、重量輕，因此，藍牙天線屬于微帶天線。藍牙空中接口建立在天線電平為0dB的基礎之上，遵循FCC有關電平為0dB的ISM頻段的標準。2．鏈路控制（硬件）單元在目前藍牙產品中使用了3個IC（集成電路）分別作為連接控制器、基帶處理器以及射頻傳輸／接收器，此外還使用了30～50個單獨調諧元件。本單元除了與天線相連，完成信號的調制、解調外，相應的芯片中的還應固化基帶協議和其他一些低層常規(guī)協議。很明顯固化的協議屬于軟件單元的內容。3.3.2藍牙系統組成3．軟件（協議棧）單元藍牙的軟件（協議棧）單元獨立于操作系統，不與任何操作系統捆綁，同時必須符合已經制定好的藍牙規(guī)范。藍牙規(guī)范是為個人區(qū)域內的無線通信而制定的協議，包括兩部分：第一部分為核心（Core）部分，用以規(guī)定諸如射頻、基帶、連接管理、服務搜尋（servicediscovery）、傳輸層以及與不同通信協議間的互聯、互操作性等組件；第二部分為協議子集（Profile）部分，用以規(guī)定不同藍牙應用（也稱使用模式）所需的協議和過程。3.3.3藍牙協議體系結構整個藍牙協議棧包括藍牙指定協議（LMP:LinkManagementProtocol;L2CAP:LogicalLinkControlandAdaptationProtocol）和非藍牙指定協議（如對象交換協議OBEX和用戶數據報協議UDP）。設計協議和協議棧的主要原則是盡可能利用現有的各種高層協議，保證現有協議與藍牙技術的融合以及各種應用之間的互通性，充分利用兼容藍牙技術規(guī)范的軟硬件系統。藍牙技術規(guī)范的開放性保證了設備制造商可自由地選用其他專利協議或常用的公共協議，以便在藍牙技術規(guī)范的基礎上開發(fā)新的應用。3.3.3藍牙協議體系結構藍牙體系結構中的協議可分為四層：核心協議：基帶、LMP、L2CAP、SDP；電纜替代協議：RFCOMM；電話傳送控制協議：TCS二進制、AT命令集；可選協議：PPP、UDP/TCP/IP、OBEX（ObjectExchange）、WAP（WirelessApplicationProtocol，無線應用協議）、vCard、vCal、IrMC（IrMobileCommunications）、WAE。除上述協議外，規(guī)范還定義了主機控制器接口（HCI）和音頻（Audio）接口，HCI是到基帶控制器、鏈路管理器以及訪問硬件狀態(tài)和控制寄存器的命令接口，利用音頻接口，可以在一個或多個藍牙設備之間傳遞音頻數據，該接口與基帶直接相連。在圖3-23中HCI位于L2CAP的下層，但HCI也可位于L2CAP上層。3.3.3藍牙協議體系結構藍牙協議規(guī)范的目的是允許遵循規(guī)范的應用能夠進行互操作，為了實現互操作，在遠程設備上的對應應用程序必須以同一協議棧運行。如下圖所示就是一個支持“業(yè)務卡片交換應用”的協議棧（自頂向下）實例。3.3.3藍牙協議體系結構1.藍牙核心協議（1）基帶協議基帶數據分組提供兩種物理連接方式：面向連接（SynchronousConnectionOriented，SCO）和無連接（AsynchronousConnectionless，ACL），而且在同一射頻上可實現多路數據傳送。ACL適用于數據分組，SCO適用于語音及數據/話音的組合。藍牙基帶部分在物理層為用戶提供保護和信息保密機制。所有語音與數據分組都附有不同級別的前向糾錯（FEC）或循環(huán)冗余校驗（CRC）。對傳輸錯誤的處理有3種解決方案：1/3比例前向糾錯（ForwardErrorCorrection，FEC）碼、2/3比例前向糾錯碼和數據的自動請求重發(fā)（ARQ）方案。此外，不同數據類型（包括連接管理信息和控制信息）都分配一個特殊通道?？墒褂酶鞣N用戶模型在藍牙設備間傳送話音，面向連接的話音分組只需經過基帶傳輸，而不到達L2CAP。話音模式在藍牙系統內相對簡單，只需開通話音連接，就可傳送話音。3.3.3藍牙協議體系結構1.藍牙核心協議（2）鏈路管理協議鏈路管理協議（LMP）負責藍牙各設備間連接的建立和設置。LMP通過連接的發(fā)起、交換、核實來進行身份驗證和加密，通過協商確定基帶數據分組大小；它還控制無線設備的節(jié)能模式和工作周期，以及微網內設備的連接狀態(tài)。無線設備的節(jié)能模式有：呼吸（Sniff）、保持（Hold）和休眠（Park）三種模式。其具體的工作方式為：設備設為呼吸模式，主設備只能有規(guī)律地在特定的時隙發(fā)送數據，從設備降低了從微網“收聽”