无线传感器网络协议栈的设计与开发文档格式.docx
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工作。
这样从多个不同的角度采集得到的监测信息,可以采用分布式处理来提高数据的
精确度,从而从平均意义上来说,减低对单个具体的节点传感器的精度要求,降低了其
负担。
并且布置的大量冗余节点,增大了系统覆盖的监测区域,降低了洞穴或盲区[’4J
的现象发生概率,并提高了系统整体的抗毁性和容错性能。
(4)多跳路由。
网络中的节点通信能力非常有限,所设计的通信覆盖范围只有几十
2
硕士论文无线传感器网络协议栈的设计与开发
米,往往只可以和其周围的邻居节点直接通信。
当节点需要和自身通信覆盖范围之外的
节点进行通信,则可以利用“多跳”的形式,也就是经中间节点进行低功耗的数据传输路
由工作[15]。
(5)自适应性。
传感器网络通常工作在恶劣的环境中,网络一旦组织形成,人一般
很少会干预节点的运行。
环境变化或者能量耗尽等都有可能造成传感器节点的故障甚至
是死亡,又或者当有新节点加入网络,都会造成网络的拓扑形态和组织结构产生剧烈变
化。
这就要求所涉及的协议栈必须具有一定的自适应性与可重构性[‘6]。
(6)应用相关,以数据为中心。
设计传感器网络必须以管理和处理感知数据为中心,
实现一个以数据为中心的高性能网络系统,也就是说网络关心的是其应用所需要的数
据,而并不是怎样获得传送数据的过程。
在客户端上管理和处理采集感知到的信息变得
十分得简单,用户能够在PC机上自如地操作使用一记录,就如同使用一般的数据处理系
统及数据库管理系统一样【’7]。
1.2.2国内外研究现状
早在上个世纪九十年代末,无线传感器网络的研究就初见端倪。
近十年来,军界、
工业界及学术界对传感器网络开始给予极大的关注,多个国家与研究机关陆续开启了许
多相关的研究项目与研究计划,尤其是美国的国防部、国家自然基金委等多家机构对无
线传感器网络技术研究和开发投入了巨资支持。
早在2001一2005年间,美国陆军就曾经批准实施“智能传感器网络通信,’项目,计划
在战场上随机大规模布撒传感器节点以进行信息的采集、传输和过滤,再由各数据融合
中心融合比较重要的信息,提供分发给有需要的人员,帮助全方面地把握战场情报及场
面评估等,提高军方对战场信息的监控感知能力。
英特尔公司于2002年10月24日宣称,将致力于微型传感器网络的计算与发展,
并计划在未知空间探索、环境灾难防御监测和医学护理等多个方面的应用来展开相关规
划[’”一‘9]。
该计划一共有三个阶段:
物理阶段负责设计开发能够无线通信并进行数据的感
知融合的微型传感器节点;
实现阶段负责把网络采集到的信息进行传输融合处理;
应用
阶段则对应着各种不同的应用领域,如环境灾害监测、医学测量等。
2003年,无线传感网络研究计划作为美国国情咨文中涉及到hitemetZ的最为重要
的长期规划之一,交由美国自然科学基金委员会进行计划的制定实施。
为了能够使传感
网络对传统物理世界实现全方位的控制与感知,加州大学伯克利分校联合周边的科罗拉
多州大学、加州大学洛杉矶分校等,进行了“嵌入式智能传感器”[20l等一系列的研究项
目,并成立了传感网络研究中心。
无线传感器网络是一门典型的多交叉学科,涉及到集成电子技术、检测技术、无线
通信技术、分布式技术、传感技术等诸多研究领域。
日本和欧洲等许多国家都有研究组
织正在从事传感网络的研究,在美国几乎所有比较著名的高等院校都有至少一家研究机
3
1绪论
1.1研究背景和研究意义
Ll.1研究背景
随着片上系统(SystemonChip,SoC)、微机电系统(Micro一Eleetro一Meehanisms”tem,
MEMS)和通信网络技术、传感器技术的高速发展,过去相对单一的传感器信息获取技
术,已经逐渐成长为具有智能、微型、无线多跳等特点的系统化集成技术。
生产制造能
够把无线通信、数据处理和信息采集等多种功能集成为一体,从而使得生产低成本、低
功耗、微型化的传感器节点成为现实,大规模无线传感器网络(wirelesssensorNetwork,
WSN)因此顺应时代而生,为我们如今的科学社会带来了信息感知的一场巨大变革[’】。
无线传感器网络,就是指在无人值守的监控区域内部署的微型传感器节点网络系
统,系统中的节点将具有一定的通信计算能力,并能够完成网络覆盖环境内相关的信息
采集处理任务[2,3]。
有人将无线传感器网络和以太网相媲美,上个世纪以太网的出现及
其迅猛的发展普及,使整个世界的数字信息连接在了一起,而现在悄然兴起的无线传感
器网络则会把物理世界和信息世界结合在一起,改变人类对客观世界的感知方式,并能
够与自然界有比较直观的互动。
现有的网络能力和了解人类世界的能力将有比较大的扩
展。
Ll.2研究意义
随着通信网络技术、传感器技术、集成电路技术的发展,无线传感器网络已经有了
飞速的发展,对无线传感器网络的研究开发已成为目前信息网络领域的一个炙手可热的
热点,有越来越多的研究组织争先加入到这项研究工作中来,并且近些年来,国内外许
多大学的许多院系也都纷纷开展了无线传感器网络方面的研究开发工作,甚至把它作为
一门专门的课程来学习。
由于无线传感器网络具有部署方便、快速构建、微型系统化等
特点,能够实现自动化、大范围的实时信息采集,非常适合应用在需要自动收集数据的
场合或者人类不宜作业的恶劣环境叫。
无线传感器网络有着非常广阔的应用前景,1999年,无线传感器网络被美国商业
周刊列入21世纪最有影响的21项技术;
2003年,由麻省理工学院在预测未来技术发
展变化的报告列为将改变世界的十大技术之一。
如今人类生活的众多领域都可以有传感
器网络的涉及。
由于无线传感器网络具有容错能力高、不易被察觉、可自行修复更新网络和部署速
度快等特点,它特别适合军事方面的应用,如作战控制、目标定位l5]、情报侦察、战场
评估、实时监视等等。
在医疗保健方面,可以用于监测人体内的各种生理数据曲线,以
l)星型网络。
单跳结构,每个终端节点彼此之间并不建立连接,而是直接与汇聚
节点进行双向通信。
这样每个节点的发送功率会比较大,而传感器节点自身电量有限,
使电量很快耗尽。
另外由于节点比较近,每个节点各自为政,会监测到许多相似的信息,
产生大量冗余信息。
2)网状网络。
网络中所有节点可以直接通信,数据可以通过一定的路由协议选择
一条或多条路由进行多跳传输,每个节点都可以有多条路径到达汇聚节点。
这样优点是
减少了单个节点所需的发送功率,但缺点是进行多跳路由查找及路由修复维护将会变得
非常困难,整个网络的能量消耗较大,寿命也被减少。
3)混合网络。
混合网络兼顾了星状网和网状网的优点,既简洁易控,又可自愈和
多跳,使建立、维护、更新网络变得更加简单高效。
混合网络中,比较适合无线传感器
网络应用特点的是分层网络。
分层网络中,传感器节点通过自组织或者基站指定的方法
形成各个独立的簇,而每个簇选出相应的簇首来负责控制簇内节点,整合处理簇内数据,
并将数据传输到汇聚节点。
这样既可以降低网络数据负载和能量消耗,又降低了网络复
杂度和相应数据处理开销。
综上,无线传感器网络中,根据不同的应用应选择不同的网络拓扑结构。
星型网络
适合传感器节点非常接近汇聚节点的情况,因为星型网络构造简单方便,传输功率不大。
当监测区域离汇聚节点距离较近,且区域内的传感器节点分布较密的状况下,网状网络
比较合适。
而汇聚节点位置较远,传感器节点分布密度较高时,分层网络则比较适用,
能够充分整合处理来自密集的传感器网络节点的数据,满足用户需求。
2.1.2无线传感器网络协议栈分析
在诸多热门领域中,无线传感器网络都有应用,为了满足这些应用的要求,无线传
感器网络必须要有符合自己特色的协议栈,而并不是直接采用传统的无线网络的协议
栈。
为了给无线传感器网络各种应用开发建立一个优秀、健壮的软件平台,我们必须在
传感器硬件节点上的基础上编写底层和中层的软件,进行协议栈设计与研究。
协议栈在整个传感器网络中的重要作用毋庸置疑,不仅承上启下,更是灵魂所在。
在硬件平台上运行的协议栈,联合各个传感器节点形成一个自组织网络,并按照一定的
路有协议可靠地传输转发数据。
如果没有协议栈,各个传感器节点就将只是孤立的个体,
不能够形成网络,反映的只是个体所侦测到的数据,而不是一整个区域内的情况,其作
用十分有限。
而协议栈作为一个针对各种应用的数据处理软件平台,能整合处理并传输
各个传感器节点侦测到的数据,最后汇聚到控制中心,使得用户能够通过控制中心管理、
配置、控制传感器网络,发布监测任务,收集网络反馈及监测数据等[22]。
如图2.3所示
为协议栈在整个网络软硬件结构中的位置。
2协议栈整体设计硕士论文
2协议栈整体设计
2.1无线传感器网络结构及协议栈分析
2.1.1无线传感器网络结构
一个比较典型的无线传感器网络系统,主要由分布在一定范围内的无线传感器节点
(群)、sink汇聚节点(基站)、负责任务管理的节点(互联网或通信卫星和控制中心)
等组成。
如图2.1,传感区域内分布的传感器节点(群)能够采用自组织的形式组成网
络,并将采集到的数据沿着其他节点按一定规则地被传送、处理,经过多跳后数据汇总
到Sink汇聚节点,再经由卫星或互联网传输到控制中心。
从而使得用户能够通过控制
中心管理、配置整个无线传感器网络,进行监控命令的发布,监测数据及网络反馈的收
集等等。
传感器节点
图2.1无线传感器网络系统结构图
无线传感器网络拓扑结构种类繁多,但其中比较典型的有三种:
星型网络、网状
网络以及星一网混合网络,如图2.2。
总体来说,每种拓扑结构都具有网络节点数目多,
密度大,网络结构变化复杂纷繁的共同点,但也有自身的优点和缺点[2’]:
a.星型网络b.网状网络
图2,2无线传感器网络拓扑结构
c.星一网混合网络
引入的波侦听多点接入/冲突避免(CSMAjCA)机制和和时间同步概念,路由层算法的
改良方案。
第四章介绍了实验室Mote从/orks平台和TinyOS操作系统中,介绍了如何用
NesC编程实现所设计的协议栈,并对无线传感器网络的组网功能、环境监测等应用进
行了测试分析总结。
论文的结尾部分对整个课题的完成情况进行了总结和展望。
构进行传感网络的相关理论研究及相关项目开发。
我国关于无线传感网络的第一次正式出现,是在1999年中国科学研究院作出的“信
息与自动化领域研究报告”中,作为《知识创新工程试点领域方向研究》提出的五个重
大项目之一被提出的,可以说是步伐几乎与发达国家同步。
目前,国家自然科学基金、
国家863计划、973计划、“十二五”规划等都有对无线传感器网络领域关键技术研究的
专项资助。
不难推断,智能无线传感网络的更广泛应用和进一步发展,将对二十一世纪
人类的生产生活带来极大的变革并产生深远的影响。
在国内的相关机构中,中国科学院得到了基金的资助,开展的工作卓有成效,沈阳
自动化研究所的于海斌、曾鹏等人编著了《智能无线传感网络系统》,上海软件所的孙
利民、李建中等人编著了《无线传感器网络》,都是国内有关于这个领域的专著。
北京
交通大学开发出的BJTuIPv6MierosensorRouter,是一种成本低、稳定性强、功耗低
的新型IPv6微型传感路由器。
它能够采集控制节点的光强、温度、心率等信息,反馈
当前网络的拓扑和节点分布情况,实时更新路由,并绘制出温度、脉搏等的数据图。
鉴于智能无线传感网络的重大价值,几年来,在“985工程”、“ZH工程”和各级科
研项目的资助下,包括清华大学、电子科技大学、南京理工大学、西北工业大学在内的
许多高校对无线传感器网络开展了相应的探索,对理论、方法等关键技术都有比较深入
的研究。
目前,己在无线传感器网络的理论研究、应用研究和产品开发及产业化方面开
展全方位的工作。
1.3本文研究内容与组织结构
本文将针对无线传感器网络协议栈,参考诸多国内外已有的研究成果,并仔细考
量本系统应用需求,提出无线传感器网络协议栈的整体结构设计方案。
以传统的TcP/IP
协议为参考,给出了适合无线传感器网络应用的各个分层的功能及具体设计,对传统协
议栈进行了一定的改进。
MAC层将结合载波侦听多点接入/冲突避免(CsM刀CA)机
制,降低信号冲突发生的概率到最小。
同时结合了一种优化过的TPSN时间同步机制,
在实现全网同步的基础上,节点能够进行休眠/侦听的间歇工作。
而路由层协议将采取
一种改进的LEPS算法—具有到汇聚节点传输成本最小的链路估计父节点选择路由协
议,优化了网络协议栈,提高了传感器节点的网络生存时间。
本文最后在实验室Tinyos
实验平台对上述无线传感器网络协议栈的设计方案做了现场系统测试,成功实现了协议
栈的各层功能,并能最后实现以中等规模组网,以及环境参数监测的应用。
论文第一章为绪论,阐述了本文的研究背景及研究意义,将现有传统网络与无线传
感器网络作比较,以及国内外无线传感器网络研究现状。
第二章给出无线传感器网络体
系结构及拓扑结构,对无线传感器网络协议栈进行总体分析,然后从传统协议栈入手,
提出自己改良后的总体设计方案。
第三章开始进行分层的详细设计,重点在于MAC层
4
应应用层层
一一二二二二沈一—一一二二二一一
产产二二二-一二二〕二,,
网网络层层
传输层
物理
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嵌嵌入式:
:
CCCPUUU
\\\/}}}
无线信道二二厂l﹂
图2.4传感器节点硬件结构模块示意图
由于功能需求的不同,不同的传感器节点有着不同的配置。
通常无线传感器网络的
硬件节点有两种结构,一种是要求比较高,功能比较全面的全功能节点,另一种是功能
需求要低一些的精简功能节点。
一般全功能节点又称为汇聚节点、基站等,其在通信、
计算、存储、处理等方面的能力都相对较强,任务是实现外界服务器与无线传感器网络
节点之间的数据通讯。
它主要有三个作用,一是负责对节点采集上传的数据进行一定的
处理并传送到服务器平台,二是传送服务器平台下达的控制命令给传感器节点,三是对
整张网络的路由拓扑信息进行分析、管理与维护。
而精简节点就是一般意义上的传感器
节点,主要就是负责收集周围环境的数据信息,有时加以一定的简单融合后就经射频通
信模块传送至汇聚节点。
因此可见,全功能节点所需要的协议栈相对精简功能协议栈要
更加健壮和复杂。
我们在实际设计中,需要根据不同的应用,做不同的设计。
2.3协议栈整体结构设计
由于无线传感器网络研究的发展历史并不长,所以迄今为止,关于其协议栈的结构
在国际上尚未制订有通用的标准。
目前比较流行的传统协议栈如下图2.5。
图2.5所示
的层次结构从底层到高层分别是:
物理层、数据链路层、网络层、传输层以及应用层,
对应开放系统互连参考模型(OSFRM)的五个同名层次。
同时,定义了一些跨越整个
协议栈的管理平台126】:
l)能量管理平台。
管理节点能量使用情况,促使节点高效率使
用电源;
2)移动管理平台。
负责对可移动的节点进行定位,并完成数据收发;
3)任务
管理平台。
管理资源共享,支持多任务调度。
应应川层层
传传输层层
数数据链路层层
物物理层层
图2.5传统协议栈模型
各层协议和平台的功能分别如下:
l)物理层。
负责处理原始的数据比特流,进行信号检测与调制,频率选择与生成,
数据加密,无线收发等;
2)数据链路层。
负责将底层传输来的数据填充成帧,并对该帧进行检测,同时进
行介质的访问控制和数据的差错校验。
一个完整的帧,主要由一些控制信息(帧头),
原始数据包,一些校验信息(帧尾)构成。
通常,该层可以划分为两个子层,介质访问
控制层(MAC)以及逻辑链路控制层(LLC)。
这其中MAC层比较重要。
3)网络层。
负责生成路由与选择路由,从而能够确保每个节点发送的数据包能准
确地找到其目标节点。
主要是路由协议和网络拓扑结构的确定;
4)传输层。
负责数据流的传输控制,由于无线传感器网络本身应用及带宽等的限
制,其传输数据量较低,命令帧及数据帧都较小,故这层功能会相对简化;
5)应用层。
提供了无线传感器网络的一系列应用功能,目前已经实现了组网、监
测环境参数等任务;
6)能量管理平台。
由于节点在任务过程耗能很快,又无法自行补充外界能量,因
此在各个协议层都需要考虑节省能量,必须有相应的能量管理平台来管理能源的使用问
题;
7)移动管理平台。
负责检测并注册每个节点的移动,实现路由的动态维护,保证
良好的自组织性,使节点能动态地追踪其邻居节点的位置;
8)任务管理平台。
负责在给定的监测区域内实现对各种应用任务的平衡、管理和
调度。
而在传统TinyOS操作系统中,协议栈如下图2.6所示。
其中各层功能大致与图2.5
!
中相同,数据链路层精简为MAC层,网络层精简为路由层,而传输层的功能被弱化。
而路由层与MAc层中引入了ActiveMessage(AM)机制,一种消息驱动的异步通信方
式,来实现MAC层与路由层之间帧的封装和传递。
路路由层层
主主动消息机制制
MMMAC层层
2.6传统肠nyos协议栈
传统Tinyos操作系统协议栈作为第一个被实例化并影响广泛的无线传感器网络协
议栈,具有划时代的意义,但是其也有不少局限性和缺点,例如节点生存率不高,时间
漂移大,能量消耗高,只适合小型规模网络等特点。
为此,本文针对无线传感器网络在环境检测方面的开发,在参考了目前国际上对无
线传感器网络协议栈历年来的研究成果[z7一],并考虑到其本身的容错性、以数据为中心、
节能性等一些特性,可以对以上传统协议栈进行细化和优化,提出如下图2.7的协议栈
模型。
任务量能应用层
拓扑路由选择数据传输络理管网理移动管
信道接入机制}帧结构}时间同步机制
物理层
图2.7所设计的协议栈模型
该协议栈模型是在参考了传统无线传感器网络协议栈及传统毛nyos协议栈,并
加入了对无线传感器网络本身一些特性考虑后的结果。
MAC层中,将引入载波侦听多
点接入/冲突避免(CSMA/CA)机制,从而大大降低信号冲突的可能性。
同时还将引入
一种创新的时间同步机制,在实现全网时间同步的基础上,网络中的节点能够进行休眠
/侦听的间歇工作。
而将网络层的路由选择与传输层的数据传输功能合并为一个新的层
无无线传感器网络协议栈栈
时钟、SPI
串口等底底层驱动动
CPU射频模块
图2.3协议栈在软硬件结构中的位置
无线传感器网络的协议栈的研究尚处于未成熟阶段,目前为止没有形成统一的标
准。
许多公司、大学或研究机构都己经开发出一些可以被无线传感器网络使用的协议栈。
这其中较经典的有zighee联盟推出的zighee协议[23],但是由于zighee标准并非专为
无线传感器网络制订的,因此它并不是十分适用,很多研究机构正在研究对其的改进。
美国加州大学Berkelcy分校开发的Tinyosl24]操作系统平台是目前为止公认的比较适合
无线传感器网络开发的一个平台。
本文设计的协议栈正是基于Tinyos操作系统平台来
进行相关应用的开发测试的。
2.2无线传感器网络节点硬件设计
传感器节点兼具采集信息和自组织通信的任务,是无线传感器网络的最基本组成单
元,可以说,节点的硬件结构设计是所有无线传感器网络研究的根基所在。
无线传感器节点可以分为四大功能模块,分别是传感器模块,射频通信模块,嵌入
式CPU(即处理器)模块,电源模块。
其中传感器模块负责感知收集应用所需要的环
境信息数据;
射频通信模块则负责接收和发送来自传感器模块的数据,并通过无线通讯
与其他节点联系,以及交换路由等等;
嵌入式CPU模块是整个节点的控制中心,处理
传感器模块采集来的数据,协调整个节点工作等;
电源模块则负责对整个节点的所有元
件进行供能及能源管理等[251。
对于协议栈而言,物理层用通信芯片,传感器及电源器件
来实现,而其他各层则主要在处理器上运行。
将节点的各个功能模块结构化后如下图
2.4所示。
3协议栈分层详细设计
3.1物理层
3.1.1物理层功能
协议栈的物理层定义为无线信道与数据链路层之间的接口,主要负责的是调制与解
调数字化数据的问题,通常是由通信芯片来完成。
物理层主要提供两种服务,一种是数
据服务,负责利用无线物理信道进行数据收发,另一种是管理服务,负责维护一个数据
库,它由相关数据构成。
其中,数据服务的功能繁多,主要包括以下五方面:
①射频芯片的激活和休眠;
②检测信道接收信号能量;
③链路质量指示(Li吐QualityIndieation,LQI);
④评估信道是否空闲(elearehannelAssessment,CCA);
⑤数据接收与发送操作。
信道能量检测并不对信号进行分析解码,而是对目标信道中接收到信号的功率强度
进行测量,它检测到的是噪声信号与有效信
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- 无线 传感器 网络 协议 设计 开发