無線傳感器網(wǎng)絡(luò)復(fù)習(xí)提綱

1無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)2無線網(wǎng)絡(luò)有基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)無基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)移動Adhoc網(wǎng)絡(luò)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)一、什么是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)3

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)是大量的靜止或移動的傳感器以自組織和多跳的方式構(gòu)成的無線網(wǎng)絡(luò)，目的是協(xié)作地采集、處理和傳輸網(wǎng)絡(luò)覆蓋地域內(nèi)感知對象的監(jiān)測信息，并報告給用戶。“無線傳感器網(wǎng)絡(luò)”術(shù)語的標準定義45傳感器網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議分層6通信能力有限節(jié)點通信覆蓋范圍只有幾十到幾百米關(guān)鍵之一如何在有限的通信能力條件下,完成探測數(shù)據(jù)的傳輸？無線通信技術(shù)是第一項關(guān)鍵技術(shù)！四、傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)7電源能量有限通常電池供電，工作環(huán)境惡劣，一次部署終生使用，更換電池困難關(guān)鍵之二如何節(jié)省電源、最大化網(wǎng)絡(luò)的使用壽命？低功耗設(shè)計問題是第二項關(guān)鍵技術(shù)！四、傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)8計算能力有限節(jié)點體積小，處理器和存儲器性能有限，不允許進行復(fù)雜算法的運算關(guān)鍵之三嵌入式操作系統(tǒng)設(shè)計是第三項關(guān)鍵技術(shù)！四、傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)9自組織的動態(tài)網(wǎng)絡(luò)傳感器網(wǎng)絡(luò)沒有基站節(jié)點失效、新節(jié)點加入，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)的動態(tài)性，需要自動愈合關(guān)鍵之四多跳自組織的網(wǎng)絡(luò)路由是第四項關(guān)鍵技術(shù)！四、傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)10傳感器網(wǎng)絡(luò)是以數(shù)據(jù)為中心的網(wǎng)絡(luò)用戶感興趣的是數(shù)據(jù)而不是網(wǎng)絡(luò)和傳感器硬件關(guān)鍵之五如何建立以數(shù)據(jù)為中心的傳感器網(wǎng)絡(luò)？傳感器網(wǎng)絡(luò)的第五項關(guān)鍵技術(shù)是數(shù)據(jù)融合方法！四、傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)11網(wǎng)絡(luò)攻擊無處不在……關(guān)鍵之六安全性是傳感網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的重要問題。如何保護機密數(shù)據(jù)和防御網(wǎng)絡(luò)攻擊是第六項關(guān)鍵技術(shù)！四、傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)12第3章傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信與組網(wǎng)技術(shù)133.1物理層3.1.1物理層概述1、物理層的基本概念從定義可以看出，物理層的特點是負責(zé)在物理連接上傳輸二進制比特流，并提供為建立、維護和釋放物理連接所需要的機械、電氣、功能和規(guī)程的特性。14目前無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信傳輸介質(zhì)主要是無線電波、紅外線和光波三種類型。無線電波的通信限制較少，通常人們選擇“工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療”(Industrial，ScientificandMedical,ISM)頻段。3、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)物理層的特點152、物理層幀結(jié)構(gòu)物理幀的第一個字段是前導(dǎo)碼，字節(jié)數(shù)一般取4，用于收發(fā)器進行碼片或者符號的同步。第二個字段是幀頭，長度通常為一個字節(jié)，表示同步結(jié)束，數(shù)據(jù)包開始傳輸。幀頭與前導(dǎo)碼構(gòu)成了同步頭。幀長度字段通常由一個字節(jié)的低7位表示，其值就是后續(xù)的物理層PHY負載的長度，因此它的后續(xù)PHY負載的長度不會超過127個字節(jié)。物理幀PHY的負載長度可變，稱為物理服務(wù)數(shù)據(jù)單元(PHYServiceDataUnite,PSDU)，攜帶PHY數(shù)據(jù)包的數(shù)據(jù)，PSDU域是物理層的載荷

。3.1.2傳感器網(wǎng)絡(luò)物理層的設(shè)計163.2MAC協(xié)議3.2.1MAC協(xié)議概述介質(zhì)訪問控制(MediumAccessControl，MAC)協(xié)議。所謂MAC協(xié)議就是通過一組規(guī)則和過程來有效、有序和公平地使用共享介質(zhì)。17根據(jù)固定分配信道方式還是隨機訪問信道方式，將傳感器網(wǎng)絡(luò)的MAC協(xié)議分為以下三種：

(1)時分復(fù)用無競爭接入方式。無線信道時分復(fù)用(TimeDivisionMultipleAccess，TDMA)方式給每個傳感器節(jié)點分配固定的無線信道使用時段，避免節(jié)點之間相互干擾。3.2.1MAC協(xié)議概述18(2)隨機競爭接入方式。如果采用無線信道的隨機競爭接入方式，節(jié)點在需要發(fā)送數(shù)據(jù)時隨機使用無線信道，盡量減少節(jié)點間的干擾。典型的方法是采用載波偵聽多路訪問(CarrierSenseMultipleAccess，CSMA)的MAC協(xié)議。3.2.1MAC協(xié)議概述19(3)競爭與固定分配相結(jié)合的接入方式。通過混合采用頻分復(fù)用或者碼分復(fù)用等方式，實現(xiàn)節(jié)點間無沖突的無線信道分配。3.2.1MAC協(xié)議概述20典型的基于競爭的隨機訪問MAC協(xié)議是載波偵聽多路訪問(CSMA)接入方式。在無線局域網(wǎng)IEEE802.11MAC協(xié)議的分布式協(xié)調(diào)工作模式中，就采用了帶沖突避免的載波偵聽多路訪問(CSMAwithCollisionAvoidance，CSMA/CA)協(xié)議，它是基于競爭的無線網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議的典型代表。3.2.1MAC協(xié)議概述21所謂的CSMA/CA機制是指在信號傳輸之前，發(fā)射機先偵聽介質(zhì)中是否有同信道載波，若不存在，意味著信道空閑，將直接進入數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài)；若存在載波，則在隨機退避一段時間后重新檢測信道。這種介質(zhì)訪問控制層的方案簡化了實現(xiàn)自組織網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的過程。

3.2.1MAC協(xié)議概述223.2.2IEEE802.11MAC協(xié)議IEEE802.11MAC協(xié)議分為分布式協(xié)調(diào)功能(DCF)和點協(xié)調(diào)功能(PCF)兩種訪問控制方式，其中DCF方式是IEEE802.11協(xié)議的基本訪問控制方式。

PCF通過訪問接入點來協(xié)調(diào)節(jié)點的數(shù)據(jù)收發(fā)，通過設(shè)置好的一定間隔時間查詢當前哪些節(jié)點有數(shù)據(jù)發(fā)送的請求。

PCF是基于優(yōu)先級的無競爭訪問。23在DCF工作方式下，載波偵聽機制通過物理載波偵聽和虛擬載波偵聽來確定無線信道的狀態(tài)。物理載波偵聽由物理層提供，虛擬載波偵聽由MAC層提供。3.2.2IEEE802.11MAC協(xié)議24

源節(jié)點在發(fā)出RTS幀或data幀后的一段時間內(nèi)沒有收到CTS應(yīng)答，則說明發(fā)送失敗，節(jié)點立即重傳未收到應(yīng)答的RTS幀或data幀。如果3次發(fā)送仍未收到應(yīng)答，節(jié)點放棄發(fā)送，轉(zhuǎn)入睡眠，在下一個偵聽周期醒來重新競爭信道。3.2.2IEEE802.11MAC協(xié)議253.2.3典型MAC協(xié)議：S-MAC協(xié)議S-MAC協(xié)議(SensorMAC)是在802.1lMAC協(xié)議的基礎(chǔ)上，針對傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)省能量需求而提出的。S-MAC協(xié)議的適用條件是傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸量不大，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部能夠進行數(shù)據(jù)融合以減少數(shù)據(jù)通信量，網(wǎng)絡(luò)能容忍一定程度的通信延遲。它的設(shè)計目標是提供良好的擴展性，減少節(jié)點能耗。26通常無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的無效能耗主要來源于如下四種原因：①空閑監(jiān)聽：節(jié)點等待接收②數(shù)據(jù)沖突：相鄰節(jié)點同時發(fā)送數(shù)據(jù)③串擾：接收和處理無關(guān)數(shù)據(jù)④控制開銷：RTS，CTS，ACK3.2.3典型MAC協(xié)議：S-MAC協(xié)議27（1）周期性偵聽和睡眠機制

S-MAC協(xié)議將時間分為幀，幀長度由應(yīng)用程序決定。幀內(nèi)分監(jiān)聽工作階段和睡眠階段。監(jiān)聽/睡眠階段的持續(xù)時間要根據(jù)應(yīng)用情況進行調(diào)整。當節(jié)點處于睡眠階段時，關(guān)閉無線電波，以節(jié)省能量。

相鄰節(jié)點之間盡量保持各自的監(jiān)聽/睡眠時間表一致（時間同步）。具有相同時間表的節(jié)點組成一個虛擬簇。3.2.3典型MAC協(xié)議：S-MAC協(xié)議通過廣播SYNC包保持同步某些節(jié)點可以同時屬于兩個或多個虛擬簇28（2）流量自適應(yīng)偵聽機制

3.2.3典型MAC協(xié)議：S-MAC協(xié)議29（3）沖突和串音避免機制

為了減少沖突和避免串音，S-MAC協(xié)議采用了與802.11MAC協(xié)議類似的虛擬和物理載波監(jiān)聽機制，以及RTS/CTS握手交互機制。兩者的區(qū)別在于當鄰居節(jié)點處于通信過程時，執(zhí)行S-MAC協(xié)議的節(jié)點進入睡眠狀態(tài)。3.2.3典型MAC協(xié)議：S-MAC協(xié)議30（4）消息傳遞機制

由于無線信道的傳輸差錯與消息長度成正比，短消息傳輸成功的概率要大于長消息。將長消息分為若干個短消息，采用一次RTS/CTS交互的握手機制預(yù)約這個長消息發(fā)送的時間，集中連續(xù)發(fā)送全部短消息。這樣既可以減少控制報文的開銷，又可以提高消息發(fā)送的成功率。3.2.3典型MAC協(xié)議：S-MAC協(xié)議313.3路由協(xié)議3.3.1路由協(xié)議概述

路由選擇(routing)是指選擇互連網(wǎng)絡(luò)從源節(jié)點向目的節(jié)點傳輸信息的行為，并且信息至少通過一個中間節(jié)點。路由協(xié)議負責(zé)將數(shù)據(jù)分組從源節(jié)點通過網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)到目的節(jié)點，它包括兩個功能：

①尋找源節(jié)點和目的節(jié)點間的優(yōu)化路徑；

②將數(shù)據(jù)分組沿著優(yōu)化路徑正確轉(zhuǎn)發(fā)。323.3.2典型路由協(xié)議：定向擴散路由定向擴散（DirectedDiffusion，DD）路由協(xié)議是一種基于查詢的路由機制。擴散節(jié)點通過興趣信息發(fā)出查詢?nèi)蝿?wù)，采用洪泛方式傳播興趣信息到整個區(qū)域或部分區(qū)域內(nèi)的所有傳感器節(jié)點。興趣信息用來表示查詢的任務(wù)，表達了網(wǎng)絡(luò)用戶對監(jiān)測區(qū)域內(nèi)感興趣的具體內(nèi)容，例如監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的溫度、濕度和光照等數(shù)據(jù)。

33定向擴散路由機制可以分為周期性的興趣擴散、梯度建立和路徑加強三個階段:

3.3.2典型路由協(xié)議：定向擴散路由34（1）興趣擴散階段3.3.2典型路由協(xié)議：定向擴散路由35（2）數(shù)據(jù)傳播階段3.3.2典型路由協(xié)議：定向擴散路由36（3）路徑加強階段3.3.2典型路由協(xié)議：定向擴散路由37第4章傳感器網(wǎng)絡(luò)的支撐技術(shù)38傳感器網(wǎng)絡(luò)的支撐技術(shù)主要包括：時間同步機制定位技術(shù)數(shù)據(jù)融合能量管理安全機制第4章傳感器網(wǎng)絡(luò)的支撐技術(shù)394.1時間同步機制4.1.1傳感器網(wǎng)絡(luò)的時間同步機制1、傳感器網(wǎng)絡(luò)時間同步的意義在分布式的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中，每個傳感器節(jié)點都有自己的本地時鐘。不同節(jié)點的晶體振蕩器頻率存在偏差，以及溫度、濕度和電磁波的干擾等都會造成網(wǎng)絡(luò)節(jié)點之間的運行時間偏差。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時間同步機制的意義和作用主要體現(xiàn)在如下兩方面：（1）傳感器節(jié)點通常需要彼此協(xié)作，去完成復(fù)雜的監(jiān)測和感知任務(wù)。數(shù)據(jù)融合是協(xié)作操作的典型例子，不同的節(jié)點采集的數(shù)據(jù)最終融合形成了一個有意義的結(jié)果。（2）傳感器網(wǎng)絡(luò)的一些節(jié)能方案是利用時間同步來實現(xiàn)的。40通信模型

節(jié)點時間校正技術(shù)是WSN時間同步的核心和基礎(chǔ)。目前主要的時間校正技術(shù)有單向報文傳遞、雙向報文交換、廣播參考報文等技術(shù)。單向報文傳遞如果知道d的上界和下界，則

d=(dmax+dmin)/2這種時間校正技術(shù)的精度最低，因為它假設(shè)報文傳遞過程中只有傳播延時，忽略了無線信道的許多不確定因素的影響。4.1.1傳感器網(wǎng)絡(luò)的時間同步機制d41雙向報文交換設(shè)報文的往返時間為D=Tib-Tia

，報文的傳遞時延d在0～D之間。如果知道d的上界dmax和下界dmin，節(jié)點j可以確定d在D–dmax

到D-dmin

之間。4.1.1傳感器網(wǎng)絡(luò)的時間同步機制42廣播參考報文

4.1.1傳感器網(wǎng)絡(luò)的時間同步機制43時鐘同步的誤差來源同步信息的時延包括協(xié)議發(fā)送時延接入時延發(fā)送時延傳播時延接收時延接收處理時延4.1.1傳感器網(wǎng)絡(luò)的時間同步機制44RBS參考廣播同步機制接收者－接收者同步機制基本思想是多個節(jié)點接收同一個同步信號，然后多個收到同步信號的節(jié)點之間進行同步。這種同步算法消除了同步信號發(fā)送一方的時間不確定性。這種同步協(xié)議的缺點是協(xié)議開銷大。4.1.1傳感器網(wǎng)絡(luò)的時間同步機制454.1.2TPSN時間同步協(xié)議

TPSN協(xié)議采用層次型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，首先將所有節(jié)點按照層次結(jié)構(gòu)進行分級，然后每個節(jié)點與上一級的一個節(jié)點進行時間同步，最終所有節(jié)點都與根節(jié)點時間同步。節(jié)點對之間的時間同步是基于發(fā)送者-接收者的同步機制。46

1、TPSN協(xié)議的操作過程

TPSN協(xié)議包括兩個階段：第一個階段生成層次結(jié)構(gòu)，每個節(jié)點賦予一個級別，根節(jié)點賦予最高級別第0級，第i級的節(jié)點至少能夠與一個第（i－1）級的節(jié)點通信；第二個階段實現(xiàn)所有樹節(jié)點的時間同步，第1級節(jié)點同步到根節(jié)點，第i級的節(jié)點同步到第（i－1）級的一個節(jié)點，最終所有節(jié)點都同步到根節(jié)點，實現(xiàn)整個網(wǎng)絡(luò)的時間同步。4.1.2TPSN時間同步協(xié)議47

2、相鄰級別節(jié)點間的同步機制

鄰近級別的兩個節(jié)點對間通過交換兩個消息實現(xiàn)時間同步。4.1.2TPSN時間同步協(xié)議i-1級i級105926?151548優(yōu)點減少同步誤差TPSN同步協(xié)議在MAC層消息開始發(fā)送到無線信道是才給消息添加時標，消除了訪問時間帶來的時間同步誤差。提高同步精度考慮了傳播時間和接收時間，利用雙向消息交換計算消息的平均延遲，提高了時間同步的精度。4.1.2TPSN時間同步協(xié)議49缺點沒有考慮根節(jié)點失效問題。新的節(jié)點加入時，需要初始化層次發(fā)現(xiàn)階段，級別的靜態(tài)特性減少了算法的魯棒性。4.1.2TPSN時間同步協(xié)議50使用范圍TPSN能夠?qū)崿F(xiàn)全網(wǎng)范圍內(nèi)節(jié)點間的時間同步，同步誤差與跳數(shù)距離成正比。4.1.2TPSN時間同步協(xié)議511、測距方法(1)接收信號強度指示(RSSI)

4.2.2基于測距的定位技術(shù)52(2)到達時間/到達時間差(ToA/TDoA)這類方法通過測量傳輸時間來估算兩節(jié)點之間距離，精度較好。ToA機制是已知信號的傳播速度，根據(jù)信號的傳播時間來計算節(jié)點間的距離。4.2.2基于測距的定位技術(shù)53(3)到達角(AoA)該方法通過配備特殊天線來估測其它節(jié)點發(fā)射的無線信號的到達角度。AoA測距技術(shù)易受外界環(huán)境影響，且需要額外硬件，它的硬件尺寸和功耗指標不適用于大規(guī)模的傳感器網(wǎng)絡(luò)，在某些應(yīng)用領(lǐng)域可以發(fā)揮作用。4.2.2基于測距的定位技術(shù)542、多邊定位多邊定位法基于距離測量(如RSSI、ToA/TDoA)的結(jié)果。確定二維坐標至少具有三個節(jié)點至錨點的距離值；確定三維坐標，則需四個此類測距值。

4.2.2基于測距的定位技術(shù)55

第5章傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用開發(fā)基礎(chǔ)

56第1節(jié)

ZigBee協(xié)議棧原理5.1.1ZigBee概述ZigBee是一種開放式的基于IEEE802.15.4協(xié)定的無線個人局域網(wǎng)(WirelessPersonalAreaNetworks)標準。IEEE802.15.4定義了物理層和媒體接入控制層，而ZigBee則定義了更高層如網(wǎng)路層及應(yīng)用層等。ZigBee技術(shù)是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低速率、低成本的雙向無線通訊技術(shù)。57第1節(jié)

ZigBee協(xié)議棧原理5.1.1ZigBee概述ZigBee可工作在2.14GHz(全球流行)、868MHz(歐洲流行)和915MHz(美國流行)3個頻段上,分別具有最高250kbit/s、20kbit/s和40kbit/s的傳輸速率,它的傳輸距離在10-75m的范圍內(nèi),但可以繼續(xù)增加。58第1節(jié)

ZigBee協(xié)議棧原理5.1.1ZigBee概述ZigBee具體如下技術(shù)特點：

1.低功耗

2.低成本

59第1節(jié)

ZigBee協(xié)議棧原理5.1.1ZigBee概述

3.時延短

4.網(wǎng)絡(luò)容量大一個星型結(jié)構(gòu)的ZigBee網(wǎng)絡(luò)最多可以容納254個從設(shè)備和一個主設(shè)備,一個區(qū)域內(nèi)可以同時存在最多100個ZigBee網(wǎng)絡(luò),而且網(wǎng)絡(luò)組成靈活。網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的ZigBee網(wǎng)絡(luò)中可有65000多個節(jié)點。60第1節(jié)

ZigBee協(xié)議棧原理5.1.1ZigBee概述

5.可靠6.安全

ZigBee提供了基于循環(huán)冗余校驗(CRC)的數(shù)據(jù)包完整性檢查功能,支持鑒權(quán)和認證,采用了AES-128的加密算法61第1節(jié)

ZigBee協(xié)議棧原理5.1.2ZigBee技術(shù)體系ZigBee設(shè)備類型

1.ZigBee協(xié)調(diào)器（Coordinator）

2.ZigBee路由器（Router）

3.ZigBee終端設(shè)備（End-device）一個Zigbee網(wǎng)絡(luò)由一個協(xié)調(diào)器節(jié)點、多個路由器和多個終端設(shè)備節(jié)點組成。62第1節(jié)

ZigBee協(xié)議棧原理5.1.2ZigBee技術(shù)體系ZigBee協(xié)調(diào)器（Coordinator）協(xié)調(diào)器選擇一個信道和一個網(wǎng)絡(luò)PANID，隨后啟動整個網(wǎng)絡(luò)。63第1節(jié)

ZigBee協(xié)議棧原理5.1.2ZigBee技術(shù)體系ZigBee路由器（Router）64第1節(jié)

ZigBee協(xié)議棧原理5.1.2ZigBee技術(shù)體系ZigBee終端設(shè)備（End-device）一個終端設(shè)備對于維護這個網(wǎng)絡(luò)設(shè)備沒有具體的責(zé)任,所以它可以睡眠和喚配，看它自己的選擇。因此它能作為電池供電節(jié)點。65第1節(jié)

ZigBee協(xié)議棧原理5.1.2ZigBee技術(shù)體系ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)

ZigBee支持三種自組織無線網(wǎng)絡(luò)類型，即星型結(jié)構(gòu)、網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)(Mesh)和簇狀結(jié)構(gòu)(ClusterTree)，特別是網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，具有很強的網(wǎng)絡(luò)健壯性和系統(tǒng)可靠性。66第1節(jié)

ZigBee協(xié)議棧原理5.1.2ZigBee技術(shù)體系星型網(wǎng)狀型簇狀型網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器全功能設(shè)備(FFD,Router):可以支持任何一種拓撲結(jié)構(gòu)，可以作為網(wǎng)絡(luò)協(xié)商者和普通協(xié)商者，并且可以和任何一種設(shè)備進行通信精簡功能設(shè)備(RFD):只支持星型結(jié)構(gòu)，不能成為任何協(xié)商者，可以和網(wǎng)絡(luò)協(xié)商者進行通信，實現(xiàn)簡單。67第1節(jié)

ZigBee協(xié)議棧原理5.1.2ZigBee技術(shù)體系協(xié)調(diào)器負責(zé)整個網(wǎng)絡(luò)的建網(wǎng)，同時它也可作為與其它類型網(wǎng)絡(luò)的通訊節(jié)點（網(wǎng)關(guān)）。構(gòu)成協(xié)調(diào)器和路由器的器件必須是全功能器件（FFD），而構(gòu)成終端設(shè)備的器件可以是全功能器件，也可是簡約功能器件（RFD).68第1節(jié)

ZigBee協(xié)議棧原理5.1.2ZigBee技術(shù)體系ZigBee采用的路由算法ZigBee采用按需路由算法AODV。69第1節(jié)

ZigBee協(xié)議棧原理5.1.3Z-Stack協(xié)議棧地址類型ZigBee設(shè)備有兩種類型的地址：64位IEEE地址（MAC地址），全球唯一，設(shè)備將在其生命周期內(nèi)一直擁有它。MAC地址通常由制造商或者被安裝時設(shè)置。這些地址由IEEE維護和分配。16位網(wǎng)絡(luò)地址，即短地址。當設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)后分配短地址，在網(wǎng)絡(luò)中唯一，用來在網(wǎng)絡(luò)中鑒別設(shè)備和發(fā)送或接收數(shù)據(jù)。

70第1節(jié)

ZigBee協(xié)議棧原理5.1.3Z-Stack協(xié)議棧Z-Stack網(wǎng)絡(luò)地址分配每個ZigBee設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)時，從其父設(shè)備那里獲得一個網(wǎng)絡(luò)地址（短地址）MAX_DEPTH網(wǎng)絡(luò)的最大深度，協(xié)調(diào)器深度為0。MAX_CHILDREN路由器或協(xié)調(diào)器節(jié)點最大個數(shù)。MAX_ROUTER決定路由器或協(xié)調(diào)器可以處理的具有路由功能的子節(jié)點的最大個數(shù)，是MAX_CHILDREN

的一個子集，終端節(jié)點使用MAX_CHILDREN–MAX_ROUTER剩下的地址空間。71第1節(jié)

ZigBee協(xié)議棧原理5.1.3Z-Stack協(xié)議棧Z-Stack網(wǎng)絡(luò)地址分配兄弟節(jié)點之間的地址間隔Cskip的計算:

Cm:一個父節(jié)點可擁有的最多子節(jié)點數(shù)；Rm:一個父節(jié)點可擁有的最多路由節(jié)點數(shù)；Lm:網(wǎng)絡(luò)的最大深度；d:該設(shè)備深度。

72第1節(jié)

ZigBee協(xié)議棧原理5.1.3Z-Stack協(xié)議棧Cskip位置配置范例最多路由節(jié)點=4最多子節(jié)點=4最大深度=3CRRRRRRRRREAddr=0Addr=1Addr=22Addr=43Addr=64Addr=2Addr=23Addr=28Addr=65Addr=70Addr=6673PANID設(shè)置若PANID＝0xFFFF，則協(xié)調(diào)器隨機生成PANID，否則，使用指定的PANID。第1節(jié)

ZigBee協(xié)議棧原理5.1.4SappWsn工程74步進電機電路第2節(jié)

網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的硬件開發(fā)3、傳感器節(jié)點的開發(fā)實例75步進電機電路－四相步進電機半步模式下的脈沖分配：若按相反順序產(chǎn)生脈沖，則電機反轉(zhuǎn)第2節(jié)

網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的硬件開發(fā)3、傳感器節(jié)點的開發(fā)實例12345678A00111000B10000011C00001110D1110000076步進電機電路－四相步進電機整步模式下的脈沖分配若按相反順序產(chǎn)生脈沖，則電機反轉(zhuǎn)。1357A0100B1011C0011D1101第2節(jié)

網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的硬件開發(fā)3、傳感器節(jié)點的開發(fā)實例77第6章傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的技術(shù)標準786.2IEEE802.15.4標準6.2.1IEEE802.15標準概述802.15.1藍牙無線個人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)標準，中速、近距離，適用于手機、PDA等。802.15.4

低速無線個人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)，低能耗，低速率和低成本，針對個人和家庭范圍內(nèi)不同設(shè)備間的低速傳輸。79IEEE802.15.4標準定義的LR-WPAN網(wǎng)絡(luò)特點：在不同的載波頻率下實現(xiàn)20kbps、40kbps和250kbps三種不同的傳輸速率；有16位和64位兩種地址格式，其中64位地址是全球惟一的擴展地址；支持沖突避免的載波多路偵聽技術(shù)(CSMA-CA)；支持確認機制，保證傳輸可靠性。6.2IEEE802.15.4標準6.2.1IEEE802.15.4標準概述80IEEE802.15.4標準規(guī)定物理層任務(wù)：激活和休眠射頻收發(fā)器；信道能量檢測：測量目標信道中接收信號的功率強調(diào)，檢測結(jié)果為有效信號和噪聲信號功率之和；檢測接收數(shù)據(jù)包的鏈路質(zhì)量指示(LQI)，得出信噪比指標；空閑信道評估；收發(fā)數(shù)據(jù)。6.2IEEE802.15.4標準6.2.2物理層標準81IEEE802.15.4標準定義的信道0-26共27個；跨越3個頻段，具體包括2.4GHz頻段的16個信道、915MHz頻段的10個信道、868MHz頻段的1個信道。信道的頻段中心定義(其中k表示信道編號)：

fc=868.3MHzk=0fc=906+2×(k－1)MHzk=1，2，…，10fc=2405+5×(k－11)MHzk=11，12，…，266.2IEEE802.15.4標準6.2.2物理層標準82

頻帶

使用范圍

數(shù)據(jù)傳輸率

信道數(shù)2.4GHzISM 全世界250kbps16868MHz 歐洲 20kbps1915MHzISM 北美 40kbps106.2IEEE802.15.4標準6.2.2物理層標準832、物理層幀結(jié)構(gòu)前導(dǎo)碼由32個0組成，用于收發(fā)器之間進行同步。幀起始定界符（SFD）域由8位組成，表示同步結(jié)束，數(shù)據(jù)包開始傳輸。SFD與前導(dǎo)碼構(gòu)成同步頭。幀長度由7位組成，表示物理服務(wù)數(shù)據(jù)單元（PSDU）的字節(jié)數(shù)。幀長度域和1位的保留位構(gòu)成了物理頭。PSDU域是變長的，攜帶PHY數(shù)據(jù)包的數(shù)據(jù)，包含介質(zhì)訪問控制協(xié)議數(shù)據(jù)單元。PSDU域是物理層的載荷。4字節(jié)1字節(jié)1字節(jié)變

長前導(dǎo)碼SFD幀長度(7位)保留位(1位)PSDU同步頭物理幀頭PHY負載6.2IEEE802.15.4標準6.2.2物理層標準0xA7≤127字節(jié)承載MAC幀846.2IEEE802.15.4標準6.2.3MAC層標準MAC層需要處理接入到物理無線信道等事務(wù)，并負責(zé)下列的任務(wù)：能產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)信標（如果設(shè)備是協(xié)調(diào)器）與信標保持同步支持PAN（個人局域網(wǎng)）的連接和斷開連接支持設(shè)備的安全性信道接入采用CSMA-CA接入機制處理和維護GTS(保護時隙)機制在對等的MAC實體之間提供一個可靠的通信鏈路（單跳）856.2IEEE802.15.4標準6.2.3MAC層標準MAC層定義了四種幀結(jié)構(gòu)，其長度不超過127字節(jié)：信標幀數(shù)據(jù)幀確認幀命令幀86ZigBee無線設(shè)備工作在公共頻段上(全球2.4GHz、美國915MHz、歐洲868MHz)，傳輸距離為10～75m，具體數(shù)值取決于射頻環(huán)境和特定應(yīng)用條件下的輸出功耗。ZigBee的通信速率在2.4GHz時為250kbps，在915MHz時為40kbps，在868MHz時為20kbps。6.3ZigBee協(xié)議標準6.3.1ZigBee概述87ZigBee協(xié)議主要界定了網(wǎng)絡(luò)、安全和應(yīng)用框架層。支持三種拓撲結(jié)構(gòu)：星型(Star)結(jié)構(gòu)，可提供很長時間的電池使用壽命。網(wǎng)狀(Mesh)結(jié)構(gòu)，有多條傳輸路徑，具有較高的可靠性。簇樹型(ClusterTree)結(jié)構(gòu)，結(jié)合了星型和網(wǎng)狀型結(jié)構(gòu)，既有較高的可靠性，又節(jié)省電池能量。6.3ZigBee協(xié)議標準6.3.1ZigBee概述星型網(wǎng)狀型簇狀型協(xié)調(diào)器路由器終端設(shè)備88按節(jié)點在網(wǎng)絡(luò)中擔(dān)當?shù)慕巧珔f(xié)調(diào)器負責(zé)發(fā)起并維護一個無線網(wǎng)絡(luò)，識別網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)。路由器支撐網(wǎng)絡(luò)鏈路結(jié)構(gòu)，完成數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)。終端設(shè)備是網(wǎng)絡(luò)的感知者和執(zhí)行者，負責(zé)數(shù)據(jù)采集和可執(zhí)行的網(wǎng)絡(luò)動作。6.3ZigBee協(xié)議標準6.3.1ZigBee概述89按節(jié)點的復(fù)雜程度全功能設(shè)備（FFD）是一種功能完備的設(shè)備，可完成路由任務(wù)，充當網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器。它可與其它的功能完備型設(shè)備或功能簡化型設(shè)備連接通信，一般接有線電源。簡化功能設(shè)備（RFD）是網(wǎng)絡(luò)中簡單的發(fā)送接收節(jié)點，它一般由電池供電，只與功能完備型設(shè)備連接通信。6.3ZigBee協(xié)議標準6.3.1ZigBee概述903、ZigBee的技術(shù)特點(1)數(shù)據(jù)傳輸速率低:

(20～250kbps)，專注于低速應(yīng)用。(2)有效范圍小：有效覆蓋范圍10～75m之間。(3)工作頻段靈活：使用的頻段分別為2.4GHz(全球)、868MHz(歐洲)及915MHz(北美)，均為ISM頻段。(4)省電：6.3ZigBee協(xié)議標準6.3.1ZigBee概述91(5)可靠：(6)成本低：(7)時延短：(8)網(wǎng)絡(luò)容量大：一個ZigBee網(wǎng)絡(luò)可容納多達254個從設(shè)備和一個主設(shè)備，一個區(qū)域內(nèi)可同時布置多達100個ZigBee網(wǎng)絡(luò)。(9)安全：6.3ZigBee協(xié)議標準6.3.1ZigBee概述926.3ZigBee協(xié)議標準6.3.2網(wǎng)絡(luò)層規(guī)范4、協(xié)調(diào)器組網(wǎng)過程掃描信道指定PANID？是否是否有沖突？返回錯誤信息選擇合適的PANID返回成功信息現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)中有幾個節(jié)點？如何指定PANID？指定：0—0x3FFF未指定：0xFFFF僅協(xié)調(diào)器1個節(jié)點短地址設(shè)為0935、設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)子設(shè)備父設(shè)備子設(shè)備發(fā)送信標請求命令幀父設(shè)備發(fā)送信標幀子設(shè)備發(fā)送連接請求命令幀父設(shè)備發(fā)送ACK應(yīng)答幀，若允許入網(wǎng)，則未處理數(shù)據(jù)位置1，否則置0.若ACK幀中未處理數(shù)據(jù)位為1，則子設(shè)備發(fā)送上位數(shù)據(jù)請求命令幀父設(shè)備發(fā)送該設(shè)備所對應(yīng)的連接響應(yīng)命令幀子設(shè)備從響應(yīng)命令幀中獲取PANID和短地址，并更新父設(shè)備信息.6.3ZigBee協(xié)議標準6.3.2網(wǎng)絡(luò)層規(guī)范946、網(wǎng)絡(luò)地址分配

每個ZigBee設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)時，從其父設(shè)備那里獲得一個網(wǎng)絡(luò)地址（短地址）MAX_DEPTH網(wǎng)絡(luò)最大深度，協(xié)調(diào)器深度為0MAX_CHILDREN協(xié)調(diào)器或路由器的最多子節(jié)點數(shù)MAX_ROUTER協(xié)調(diào)器或路由器的子節(jié)點中最多路由器數(shù)6.3ZigBee協(xié)議標準6.3.2網(wǎng)絡(luò)層規(guī)范MAX_ROUTER≤MAX_CHILDREN95兄弟節(jié)點之間的地址間隔Cskip的計算:

Cm:MAX_CHILDREN

Rm:MAX_ROUTER

Lm:MAX_DEPTH

d:設(shè)備深度

6.3ZigBee協(xié)議標準6.3.2網(wǎng)絡(luò)層規(guī)范dCskip(d)021152130=4=4=396Addr=18Cskip位置配置范例最多子節(jié)點=4，最多路由節(jié)點=3，最大深度=3Addr=0Addr=1Addr=35Addr=2Addr=19Addr=246.3ZigBee協(xié)議標準6.3.2網(wǎng)絡(luò)層規(guī)范CRERRRR34569101187121314151617dCskip(d)01715213097實驗要求98具有捕獲功能的32-kHz睡眠定時器硬件支持CSMA/CA(載波偵聽多路訪問／沖突避免)

支持精確的數(shù)字化RSSI/LQI(鏈路質(zhì)量指示)21個通用I/O引腳看門狗定時CC2530的外設(shè)(1)99以下代碼使P0_0和P2_0腳電平每隔一定時間反向一次：1、軟件延時方式：#include"ioCC2530.h"voiddelay(void);voidmain(void){P0SEL&=0XFE;//~0X01P0DIR|=0x01;//設(shè)置P1.0為輸出方式

P2SEL&=0XFE;P2DIR|=0x01;//設(shè)置P2.0為輸出方式

while(1){P0_0=0;//點亮LEDP2_0=0;delay();//延時

P0_0=1;//熄滅LEDP2_0=1;delay();}}1002、定時器方式#include"ioCC2530.h"voiddelay(void);#pragmavector=T1_VECTOR//定時器1中斷函數(shù)__interruptvoidTimer1(void){P0_0=~P0_0;//LED閃爍}voidmain(void){P0DIR|=0x01;//設(shè)置P0.0為輸出方式

P2DIR|=0x01;//設(shè)置P2.0為輸出方式

P0_0=1;P2_0=1;//熄滅LED時鐘、定時器及中斷初始化代碼while(1){P2_0=~P2_0;//LED閃爍delay();}}

以下代碼使P0_0和P2_0腳電平每隔一定時間反向一次：101將P0_1初始化為三態(tài)輸入，讀取按鍵狀態(tài)#definekeyP0_1P0SEL&=~0X02;//P0_1作為通用I/O口P0DIR&=~0X02;//P0_1輸入P0INP|=0x02;//P0_1上拉ucharkey_main(void){while(1){ if(key==0){//低電平有效

delay(100);//延時消抖動

if(key==0){ ……//處理按鍵事件

while(!key);//直到松開按鍵}

} }}102串口0使用（發(fā)送字符串）voidUartTX_Send_St