短距離無(wú)線通信實(shí)驗(yàn)報(bào)告

1、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與無(wú)線通信技術(shù)的迅速發(fā)展，人們開(kāi)始將無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與傳 感器技術(shù)相結(jié)合，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN，wireless sensor network)應(yīng)運(yùn)而生。它由部署在 監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)大量的微型傳感器節(jié)點(diǎn)組成，通過(guò)無(wú)線的方式形成的一個(gè)多跳的自組織網(wǎng)絡(luò)，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(chǎng)合，提供優(yōu)質(zhì)的數(shù)據(jù)傳輸服 務(wù)。微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS，Micro-Electro-Mechanical Systems)、超大規(guī)模集成電路技術(shù)(VLSI， Very-Large-Scale-Integration systems)和無(wú)線通信技術(shù)的飛速發(fā)展

2、，使得它的應(yīng)用空間日趨 廣闊，遍及軍事、民用、科研等領(lǐng)域；但由于網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)自身固有的通信能力、能量、計(jì)算速 度及存儲(chǔ)容量等方面的限制，對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究具有很大的挑戰(zhàn)性和寬廣的空間。本 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用IEEE802.15.4和Zigbee協(xié)議實(shí)現(xiàn)了多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)之間的無(wú)線通信，通過(guò)對(duì) 本實(shí)驗(yàn)提供的軟件操作以及對(duì)路由的觀察，能夠使學(xué)生對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)過(guò)程、路由 協(xié)議有一個(gè)較為深入的理解。1目的要求理解并掌握無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的工作原理及組網(wǎng)過(guò)程。理解無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由算法。2基本原理2.1概述微電子技術(shù)、計(jì)算技術(shù)和無(wú)線通信技術(shù)的進(jìn)步推動(dòng)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(nèi)能夠

3、集成信息采集、數(shù)據(jù)處理和無(wú)線通信等功能。部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)大 量的廉價(jià)微型傳感器節(jié)點(diǎn)通過(guò)無(wú)線通信的方式形成一個(gè)多跳的自組織網(wǎng)絡(luò)，即無(wú)線傳感器網(wǎng) 絡(luò)，這些節(jié)點(diǎn)可以協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中感知對(duì)象的信息，并發(fā)送給觀察 者。傳感器、感知對(duì)象和觀察者構(gòu)成了傳感器網(wǎng)絡(luò)的三個(gè)要素。2.2無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種特殊的Ad-hoc網(wǎng)絡(luò)，它是由許多無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)協(xié)同組織起來(lái) 的。這些節(jié)點(diǎn)具有協(xié)同合作、信息采集、數(shù)據(jù)處理、無(wú)線通信等功能，可以隨機(jī)或者特定地 布置在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)部或附近，它們之間通過(guò)特定的協(xié)議自組織起來(lái)，能夠獲取周?chē)h(huán)境的信 息并且相互協(xié)同工作完成特定任務(wù)。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)典型

4、的體系結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括分布式傳感器節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)關(guān)、互聯(lián)網(wǎng)和 監(jiān)控中心等。在傳感器網(wǎng)絡(luò)中，各個(gè)節(jié)點(diǎn)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(zhuǎn)發(fā)者。大量傳感器節(jié)點(diǎn)被布置在整個(gè)監(jiān)測(cè)區(qū)域中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)將自己所探測(cè)到的 有用信息通過(guò)初步的數(shù)據(jù)處理和信息融合之后傳送給用戶，數(shù)據(jù)傳送的過(guò)程是通過(guò)相鄰節(jié)點(diǎn) 的接力傳送方式傳送給網(wǎng)關(guān)，然后再通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)、衛(wèi)星信道或者移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)傳送給最終用 戶。用戶也可以對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行配置和管理，發(fā)布監(jiān)測(cè)任務(wù)以及收集監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)等。監(jiān)測(cè)區(qū)域傳感器節(jié)點(diǎn)圖1無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)2.3傳感器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)傳感器節(jié)點(diǎn)通常是一個(gè)微型的嵌入式系統(tǒng)。從網(wǎng)絡(luò)功能上看，每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)既具有傳 統(tǒng)

5、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的終端功能，又兼具路由器的功能。除了要進(jìn)行本地信息收集和數(shù)據(jù)處理外，還 要對(duì)其他節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、管理和融合等處理。一個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)通常由傳感器模塊、處理器模塊、無(wú)線通信模塊和能量供應(yīng)模塊四部分 組成，如圖2所示。傳感模塊負(fù)責(zé)采集監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的有用信息并進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換；處理器模塊 負(fù)責(zé)控制整個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行，存儲(chǔ)和處理本身采集的數(shù)據(jù)以及其他節(jié)點(diǎn)發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)；無(wú) 線通信模塊負(fù)責(zé)與其他傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行無(wú)線通信，交換控制信息和收發(fā)采集到的數(shù)據(jù)；能量 供應(yīng)模塊為傳感器節(jié)點(diǎn)提供運(yùn)行所需的能量，通常采用微型電池。傳感器節(jié)點(diǎn)為低功耗設(shè)備， 為了最大限度地節(jié)約電源，在硬件設(shè)計(jì)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(wú)線通信模塊組成，在沒(méi)有通信任務(wù)的時(shí)候，要 切斷射頻部分電源；而且在軟件設(shè)計(jì)方面，各層通信協(xié)議都應(yīng)該以節(jié)能為中心，必要時(shí)可以 犧牲一些網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)，以獲得更高的電源效率。圖2傳感器節(jié)點(diǎn)的體系結(jié)構(gòu)2.4無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議主要包括物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層和應(yīng)用層，與 互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議棧的五層協(xié)議相對(duì)應(yīng)。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(lián)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(tái)、移動(dòng)管理平臺(tái)和

7、任務(wù)管理平臺(tái)。這些管理平臺(tái) 使得傳感器節(jié)點(diǎn)能夠按照能源高效的方式協(xié)同工作，在節(jié)點(diǎn)移動(dòng)的傳感器網(wǎng)絡(luò)中轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)， 并支持多任務(wù)和資源共享。Zigbee Profiles 網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層一 數(shù)據(jù)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(fù)責(zé)載波頻率產(chǎn)生、信號(hào)的調(diào)制解調(diào)等工作。IEEE802.15.4定義了2.4GHz物理層 和868/915MHz物理層兩個(gè)物理層標(biāo)準(zhǔn)，兩個(gè)物理層都基于DSSS （Direct Sequence Spread Spectrum，

8、直接序列擴(kuò)頻），使用相同的物理層數(shù)據(jù)包格式，區(qū)別在于工作頻率、調(diào)制技術(shù)、 擴(kuò)頻碼片長(zhǎng)度和傳輸速率的不同。2.4GHz頻段有16個(gè)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(gè)信道，傳輸速率為 20kbps，物理層采用BPSK調(diào)制；915MHz是美國(guó)的ISM頻段，有10個(gè)信道，傳輸速率為40kbps， 物理層采用的也是BPSK調(diào)制方式。2.4.2數(shù)據(jù)鏈路層數(shù)據(jù)鏈路層負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)成幀、幀檢測(cè)、媒體訪問(wèn)和差錯(cuò)控制。媒體訪問(wèn)協(xié)議保證可靠的點(diǎn) 對(duì)點(diǎn)和點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)通信，差錯(cuò)控制則保證源節(jié)點(diǎn)發(fā)出的信息可以完整、無(wú)誤地到達(dá)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)。 就實(shí)現(xiàn)機(jī)制而言，介

9、質(zhì)訪問(wèn)控制（MAC）協(xié)議可分為3類(lèi)：確定性分配、競(jìng)爭(zhēng)占用和隨機(jī)訪 問(wèn)。前兩者不是傳感器網(wǎng)絡(luò)的理想選擇。因?yàn)門(mén)DMA固定時(shí)隙的發(fā)送模式功耗過(guò)大，為了節(jié) 省功耗，空閑狀態(tài)應(yīng)關(guān)閉發(fā)射機(jī)，競(jìng)爭(zhēng)占用方案需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)信道狀態(tài)，也不是一種合理的 選擇，隨機(jī)介質(zhì)訪問(wèn)模式比較適合于無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的節(jié)能要求。IEEE802.15.4定義的MAC 層采用了 CSMA-CA（載波監(jiān)聽(tīng)多信道接入/避免沖突）協(xié)議的信道共享多點(diǎn)接入技術(shù)；為了 保證傳輸?shù)目煽啃校€采用了完整的握手協(xié)議。在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，兩個(gè)主要的錯(cuò)誤控制 模式是前向錯(cuò)誤修正（FEC）和自動(dòng)重復(fù)請(qǐng)求（ARQ）兩種。2.4.3網(wǎng)絡(luò)層網(wǎng)絡(luò)層主要負(fù)責(zé)路由生成與路由

10、選擇。網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的重要因素，在無(wú) 線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，大多數(shù)節(jié)點(diǎn)是無(wú)法直接與網(wǎng)關(guān)進(jìn)行通信的，需要通過(guò)中間節(jié)點(diǎn)進(jìn)行多跳路 由才能將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送給網(wǎng)關(guān)。針對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)傳送的特點(diǎn)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(lèi)：洪泛式路由協(xié)議、層次式路由協(xié)議、以數(shù)據(jù)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(hù)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和路 由計(jì)算，接收到消息的節(jié)點(diǎn)以廣播形式轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包給所有的鄰節(jié)點(diǎn)。對(duì)于自組織的傳感器網(wǎng) 絡(luò)，洪泛式路由是一種較直接的實(shí)現(xiàn)方法，但容易帶來(lái)消息的內(nèi)爆”（implosion）和“重疊”（

11、overlap），而且它沒(méi)有考慮能源方面的限制，具有“資源盲點(diǎn)（resource blindness）的缺點(diǎn)。典型算法為擴(kuò)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(diǎn)分簇，簇內(nèi)通訊由簇頭節(jié)點(diǎn)來(lái)完成， 簇頭節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)聚集和合成減少傳輸信息量，最后簇頭節(jié)點(diǎn)把聚集的數(shù)據(jù)傳送給終端節(jié) 點(diǎn)。這種方式能滿足傳感器網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展性，有效的維持傳感節(jié)點(diǎn)的能量消耗，從而延長(zhǎng)網(wǎng) 絡(luò)生命周期。典型算法為低功耗自適應(yīng)聚類(lèi)路由算法(LEACH)。LEACH (low energy adaptive clustering hierarchy)LEACH是MIT的Chandrakasan等人為 無(wú)線

12、傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的低功耗自適應(yīng)聚類(lèi)路由算法。與一般的平面多跳路由協(xié)議和靜態(tài)聚類(lèi) 算法相比，LEACH可以將網(wǎng)絡(luò)生命周期延長(zhǎng)15%，主要通過(guò)隨機(jī)選擇聚類(lèi)首領(lǐng)，平均分擔(dān) 中繼通信業(yè)務(wù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。LEACH定義了“輪”(round)的概念，一輪由初始化和穩(wěn)定工作兩個(gè)階 段組成。為了避免額外的處理開(kāi)銷(xiāo)，穩(wěn)定態(tài)一般持續(xù)相對(duì)較長(zhǎng)的時(shí)間。在初始化階段，聚類(lèi)首領(lǐng)是通過(guò)下面的機(jī)制產(chǎn)生的。傳感器節(jié)點(diǎn)生成),1之間的隨機(jī)數(shù)， 如果大于閾值T，則選該節(jié)點(diǎn)為聚類(lèi)首領(lǐng)。T的計(jì)算方法如下：T =P1 - pr mod(1/ p)其中p為節(jié)點(diǎn)中成為聚類(lèi)首領(lǐng)的百分?jǐn)?shù)，r是當(dāng)前的輪數(shù)。一旦聚類(lèi)首領(lǐng)被選定，它們便主動(dòng) 向所有節(jié)點(diǎn)廣播這一

13、消息。依據(jù)接收信號(hào)的強(qiáng)度，節(jié)點(diǎn)選擇它所要加入的組，并告知相應(yīng)的 聚類(lèi)首領(lǐng)?；跁r(shí)分復(fù)用的方式，聚類(lèi)首領(lǐng)為其中的每個(gè)成員分配通信時(shí)隙。在穩(wěn)定工作階 段，節(jié)點(diǎn)持續(xù)采集監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，傳與聚類(lèi)首領(lǐng)，進(jìn)行必要的融合處理之后，發(fā)送至虹nk節(jié)點(diǎn)， 這是一種減小通信業(yè)務(wù)量的合理工作模式。持續(xù)一段時(shí)間以后，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入下一輪工作周 期，重新選擇聚類(lèi)首領(lǐng)。以數(shù)據(jù)為中心的路由協(xié)議：它提出對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)用特定的描述方式命名， 數(shù)據(jù)傳送基于數(shù)據(jù)查詢并依賴數(shù)據(jù)命名，所有的數(shù)據(jù)通信都限制局部范圍內(nèi)。這種方式的通 信不再依賴特定的節(jié)點(diǎn)，而是依賴于網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)，從而減少了網(wǎng)絡(luò)中大量傳送的重復(fù)冗余 數(shù)據(jù)，降低了不必要的開(kāi)銷(xiāo)，從

14、而延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生命周期。典型算法為向擴(kuò)散(Directed Diffusion)。定向擴(kuò)散模型是Estrin等人專門(mén)為傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的路由策略，與已有的路由算法有著 截然不同的實(shí)現(xiàn)機(jī)制。節(jié)點(diǎn)用一組屬性值來(lái)命名它所生成的數(shù)據(jù)，比如將地震波傳感器生成 的數(shù)據(jù)命名為T(mén)ype=seismic，id=12, timestamp=02.01.22/21:10:23, location=75-80S/100-120E。 Sink節(jié)點(diǎn)發(fā)出的查詢業(yè)務(wù)也用屬性的組合表示，逐級(jí)擴(kuò)散，最終遍歷全網(wǎng)，找到所有匹配的 原始數(shù)據(jù)。有一個(gè)稱為“梯度”的變量與整個(gè)業(yè)務(wù)請(qǐng)求的擴(kuò)散過(guò)程相聯(lián)系，反映了網(wǎng)絡(luò)中間 節(jié)點(diǎn)對(duì)匹配請(qǐng)求條件的數(shù)據(jù)源

15、的近似判斷。更直接的方法是節(jié)點(diǎn)用一組標(biāo)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(shù)據(jù)的可能性越大，這樣的處理最終將會(huì)在整 個(gè)網(wǎng)絡(luò)中為sink節(jié)點(diǎn)的請(qǐng)求建立一個(gè)臨時(shí)的“梯度”場(chǎng)，匹配數(shù)據(jù)可以沿“梯度”最大的方 向中繼回s ink節(jié)點(diǎn)。圖4描述了定向擴(kuò)散模型的工作原理。(a) E?equest difiusiou(b) Sei up sradictX5(c) Data transferGO請(qǐng)京擴(kuò)散(b)啪度場(chǎng)建立(c)鴕據(jù)怙瑜圖4定向擴(kuò)散路由原理基于位置信息的路由協(xié)議：它利用節(jié)點(diǎn)的位置信息，把查詢或者數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給需要的 地域，從而縮減數(shù)據(jù)的傳送范圍。實(shí)際上許多傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議都假設(shè)

16、節(jié)點(diǎn)的位置信息 為已知，所以可以方便的利用節(jié)點(diǎn)的位置信息將節(jié)點(diǎn)分為不同的域（region）?；谟蜻M(jìn)行 數(shù)據(jù)傳送能縮減傳送范圍緩和中間節(jié)點(diǎn)，從而延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)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(yīng)用于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)之中。既然傳感器網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)經(jīng)常包含了位置屬性信 息，那么可以利用這一信息，把在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中擴(kuò)散的信息傳送到適當(dāng)?shù)奈恢脜^(qū)域中。同樣 GEAR也采用了查詢驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)傳送模式。它傳送數(shù)據(jù)分組到目標(biāo)域中所有的節(jié)點(diǎn)的過(guò)程包括 兩個(gè)階段：目標(biāo)域數(shù)據(jù)傳送和域內(nèi)數(shù)據(jù)傳送。在目標(biāo)域數(shù)據(jù)傳送階段，當(dāng)節(jié)點(diǎn)接收到數(shù)據(jù)分組，它將鄰接

17、點(diǎn)同目標(biāo)域的距離和它自己 與目標(biāo)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(diǎn)作為下一跳節(jié)點(diǎn)；若不 存在更小距離，則認(rèn)為存在“hole”節(jié)點(diǎn)將根據(jù)鄰居的最小花銷(xiāo)來(lái)選擇下一跳節(jié)點(diǎn)。在域內(nèi)數(shù)據(jù)傳送階段，可通過(guò)兩種方式讓數(shù)據(jù)在域內(nèi)擴(kuò)散：在域內(nèi)直接洪泛和遞歸的目 標(biāo)域數(shù)據(jù)傳送直到目標(biāo)域剩下唯一的節(jié)點(diǎn)。GEAR將網(wǎng)絡(luò)中擴(kuò)散的信息局限到適當(dāng)?shù)奈恢脜^(qū)域中，減少了中間節(jié)點(diǎn)的數(shù)量，從而降低了 路由建立和數(shù)據(jù)傳送的能源開(kāi)銷(xiāo)，從而更有效的提高了網(wǎng)絡(luò)的生命周期。缺點(diǎn)是依賴節(jié)點(diǎn)的 GPS定位信息，成本較高。在本實(shí)驗(yàn)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(wǎng)絡(luò)的最佳路由算法。但是通過(guò)它，我們可以了解到傳感 器網(wǎng)絡(luò)的一些路由特點(diǎn)。AODV是一個(gè)按需的路由協(xié)議，它只根據(jù)源節(jié)點(diǎn)的需要才建立節(jié)點(diǎn)之間的路由。在源節(jié) 點(diǎn)使用這條路由進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信時(shí)，路由程序會(huì)一直維護(hù)這些路由。AODV使用序列號(hào)來(lái)保證 路由的時(shí)效性。它通過(guò)一個(gè)路由請(qǐng)求/路由回應(yīng)的查詢過(guò)程來(lái)建立路由。當(dāng)一個(gè)源節(jié)點(diǎn)想要 與目標(biāo)節(jié)點(diǎn)通信，但又不具備到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的有效路由時(shí)，它廣播一個(gè)路由請(qǐng)求報(bào)文（RREQ）。 在RRE Q報(bào)文中包含了源節(jié)點(diǎn)的小地址、源節(jié)點(diǎn)當(dāng)前的序列號(hào)和一個(gè)廣播【。，同時(shí)還包含了 源節(jié)點(diǎn)所知道的到目的節(jié)點(diǎn)的最新路由的序列號(hào)。其它節(jié)點(diǎn)收到

19、這個(gè)報(bào)文時(shí)，就在路由表中 建立到源節(jié)點(diǎn)的反向路由，并重新廣播RRE Q報(bào)文。當(dāng)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)收到RRE Q報(bào)文時(shí)，它會(huì)單 播一個(gè)路由回答報(bào)文（RREP）給源節(jié)點(diǎn)。如果某一個(gè)中間節(jié)點(diǎn)具有一條到目的節(jié)點(diǎn)的較新 路由（意味著這條路由的序列號(hào)比RREQ中的目的節(jié)點(diǎn)的序列號(hào)要大），它也可以直接給源 節(jié)點(diǎn)發(fā)送RREP報(bào)文，而不在廣播RREQ報(bào)文。當(dāng)然，如果一個(gè)節(jié)點(diǎn)收到了重復(fù)的RREQ （即 具有相同廣播ID的RREQ），它將忽略這個(gè)報(bào)文，而不將其繼續(xù)廣播。在RREP從目的節(jié)點(diǎn)向源節(jié)點(diǎn)傳播的過(guò)程中，沿途的節(jié)點(diǎn)都在各自的路由表中設(shè)定了到 目的節(jié)點(diǎn)的正向路由。當(dāng)源節(jié)點(diǎn)收URREP報(bào)文之后，就可以開(kāi)始向目的節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)

20、包。 如果源節(jié)點(diǎn)在之后又再次收到RREP，并且RREP中的目標(biāo)節(jié)點(diǎn)序列號(hào)比它當(dāng)前所用的路由的 序列號(hào)更大時(shí)，它會(huì)更新自己的路由表，并開(kāi)始使用新路由。當(dāng)源節(jié)點(diǎn)頻繁給目的節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)包時(shí)，其所用的路由會(huì)一直保持活躍狀態(tài)，并被沿途 的所用中間節(jié)點(diǎn)所維護(hù)。也就是說(shuō)在AODV協(xié)議中，路由中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都維護(hù)路由表，因而 數(shù)據(jù)報(bào)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(diǎn)停止發(fā)包， 則這條路由會(huì)超時(shí)，并被中間節(jié)點(diǎn)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(shí)由于節(jié)點(diǎn)移動(dòng)，或外界干擾），則這條路由會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)誤。在鏈路破 裂處的上游節(jié)點(diǎn)會(huì)給源節(jié)點(diǎn)發(fā)送路由錯(cuò)誤（RE

21、RR）報(bào)文。源節(jié)點(diǎn)收到RERR后，如果它還 需要繼續(xù)與目的節(jié)點(diǎn)通信，就必須重新建立路由。2.4.4傳輸層傳輸層負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)流的傳輸控制，將傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)提供給外部網(wǎng)絡(luò)，是保證通信服務(wù) 質(zhì)量的重要部分。2.4.5應(yīng)用層應(yīng)用層包括一系列基于監(jiān)測(cè)任務(wù)的應(yīng)用層軟件。2.4.6管理平臺(tái)（1）能量管理平臺(tái)管理傳感器節(jié)點(diǎn)如何使用能源，在各個(gè)協(xié)議層都需要考慮節(jié)省能量。主 要包括動(dòng)態(tài)功率管理和動(dòng)態(tài)電壓調(diào)度兩部分：動(dòng)態(tài)功率管理（dynamic power management，簡(jiǎn)稱DPM）在多數(shù)傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用中， 監(jiān)測(cè)事件具有很強(qiáng)的偶發(fā)性，節(jié)點(diǎn)上所有的工作單元沒(méi)有必要時(shí)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(guān)閉，必要時(shí)加以喚醒是一種有效的系統(tǒng)節(jié)能方案。傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié) 點(diǎn)的主要功耗器件有處理器、內(nèi)存、帶A/D的傳感器和無(wú)線收發(fā)單元。Sinhua等人根據(jù)它 們的狀態(tài)組合的有效性，將整個(gè)節(jié)點(diǎn)分為5種工作狀態(tài)，在嵌入式操作系統(tǒng)的支持下進(jìn)行切 換，既滿足了功能的需要，又節(jié)省了功耗。動(dòng)態(tài)電壓調(diào)度（dynamic voltage scheduling簡(jiǎn)稱DVS）主要原理是基于負(fù)載狀態(tài)動(dòng)態(tài) 調(diào)節(jié)供電電壓來(lái)減小系統(tǒng)功耗。（2）移動(dòng)管理平臺(tái)監(jiān)測(cè)并注冊(cè)傳感器節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)，維護(hù)到匯聚節(jié)點(diǎn)的路由，使得傳感器節(jié) 點(diǎn)能夠動(dòng)態(tài)跟蹤其鄰居的位置。（3）任務(wù)管理平臺(tái)在一個(gè)給定的區(qū)域內(nèi)平衡和調(diào)度監(jiān)測(cè)任務(wù)。2.5無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)無(wú)線

23、傳感器網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)（移動(dòng)通信網(wǎng)、無(wú)線局域網(wǎng)、藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)、Ad hoc網(wǎng) 絡(luò)等）相比有一些獨(dú)有的特點(diǎn)，正是由于這些特點(diǎn)使得傳感器網(wǎng)絡(luò)存在很多新問(wèn)題，提出了 很多新的挑戰(zhàn)。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的主要特點(diǎn)有：節(jié)點(diǎn)數(shù)量眾多，分布密集。為了對(duì)一個(gè)區(qū)域進(jìn)行監(jiān)測(cè)，往往有成千上萬(wàn)個(gè)傳感器節(jié) 點(diǎn)空投到該區(qū)域。傳感器節(jié)點(diǎn)分布非常密集，利用節(jié)點(diǎn)之間高度連接性來(lái)保證系統(tǒng)的容錯(cuò) 性和抗毀性。硬件資源有限。節(jié)點(diǎn)由于受價(jià)格、體積和功耗的限制，其計(jì)算能力、內(nèi)存空間比普 通的計(jì)算機(jī)功能要弱很多。這一點(diǎn)也決定了在節(jié)點(diǎn)操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，協(xié)議層次不能太復(fù)雜。電源容量有限。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)一般由電池供電，其特殊的應(yīng)用領(lǐng)域決定了在使用過(guò)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(gè)節(jié)點(diǎn)也就失去了作用（死亡）。因此 在傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)過(guò)程中，任何技術(shù)和協(xié)議的使用都要以節(jié)能為前提。自組織網(wǎng)絡(luò)。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的布設(shè)和展開(kāi)無(wú)需依賴于任何預(yù)設(shè)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)施，節(jié)點(diǎn) 通過(guò)分層協(xié)議和分布式算法協(xié)調(diào)各自的行為，節(jié)點(diǎn)開(kāi)機(jī)后就可以快速、自動(dòng)地組成一個(gè)獨(dú)立 的網(wǎng)絡(luò)。無(wú)中心的網(wǎng)絡(luò)。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中沒(méi)有嚴(yán)格的控制中心，所有結(jié)點(diǎn)地位平等，是一 個(gè)對(duì)等式網(wǎng)絡(luò)。結(jié)點(diǎn)可以隨時(shí)加入或離開(kāi)網(wǎng)絡(luò)，任何結(jié)點(diǎn)的故障不會(huì)影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行， 具有很強(qiáng)的抗毀性。多跳路由。網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)通信距離有限，一般在幾百米范圍內(nèi)，節(jié)點(diǎn)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(diǎn)進(jìn)

25、行通信，則需要通過(guò)中間節(jié)點(diǎn)進(jìn)行路由。 固定網(wǎng)絡(luò)的多跳路由使用網(wǎng)關(guān)和路由器來(lái)實(shí)現(xiàn)，而在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中沒(méi)有專門(mén)的路由備， 它的多跳路由可以由任一傳感器節(jié)點(diǎn)來(lái)完成。每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)既是信息的發(fā)起者，也是信息 的轉(zhuǎn)發(fā)者。動(dòng)態(tài)拓?fù)洹o(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)動(dòng)態(tài)的網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點(diǎn)可以隨處移動(dòng)；一個(gè)節(jié)點(diǎn)可能 會(huì)因?yàn)殡姵啬芰亢谋M或其他故障，退出網(wǎng)絡(luò)；一個(gè)節(jié)點(diǎn)也可能由于工作的需要而被添加到網(wǎng) 絡(luò)中。這些都會(huì)使網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)隨時(shí)發(fā)生變化，因此網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該具有動(dòng)態(tài)拓?fù)浣M織功能。2.6無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用MEMS支持下的微小傳感器技術(shù)和節(jié)點(diǎn)間的無(wú)線通信能力為傳感器網(wǎng)絡(luò)賦予了廣闊的 應(yīng)用前景，主要表現(xiàn)在軍事、環(huán)境、健康、家庭和其他商

26、業(yè)領(lǐng)域。在空間探索和災(zāi)難拯救等 特殊的領(lǐng)域，傳感器網(wǎng)絡(luò)也有其得天獨(dú)厚的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。軍事應(yīng)用：在軍事領(lǐng)域，傳感器網(wǎng)絡(luò)將會(huì)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(biāo)是利用先進(jìn)的高科技技術(shù)，為未來(lái)的現(xiàn)代化戰(zhàn)爭(zhēng)設(shè) 計(jì)一個(gè)集命令、控制、通信、計(jì)算、智能、監(jiān)視、偵察和定位于一體的戰(zhàn)場(chǎng)指揮系統(tǒng)，受到 了軍事發(fā)達(dá)國(guó)家的普遍重視。因?yàn)閭鞲衅骶W(wǎng)絡(luò)是由密集型、低成本、隨機(jī)分布的節(jié)點(diǎn)組成的， 自組織

27、性和容錯(cuò)能力使其不會(huì)因?yàn)槟承┕?jié)點(diǎn)在惡意攻擊中的損壞而導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的崩潰，這 一點(diǎn)是傳統(tǒng)的傳感器技術(shù)所無(wú)法比擬的，也正是這一點(diǎn)，使傳感器網(wǎng)絡(luò)非常適合應(yīng)用于惡劣 的戰(zhàn)場(chǎng)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(biāo)，評(píng)估損失，偵察和探測(cè)核、生物和化學(xué)攻擊。在戰(zhàn)場(chǎng)，指揮員往往需要及時(shí)準(zhǔn)確 地了解部隊(duì)、武器裝備和軍用物資供給的情況，鋪設(shè)的傳感器將采集相應(yīng)的信息，并通過(guò)匯 聚節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)送至指揮所，再轉(zhuǎn)發(fā)到指揮部，最后融合來(lái)自各戰(zhàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)形成我軍完備的戰(zhàn) 區(qū)態(tài)勢(shì)圖。在戰(zhàn)爭(zhēng)中，對(duì)沖突區(qū)和軍事要地的監(jiān)視也是至關(guān)重要的，通過(guò)鋪設(shè)傳感器網(wǎng)絡(luò)， 以更隱蔽的方式近距離地觀察敵方的

28、布防;當(dāng)然，也可以直接將傳感器節(jié)點(diǎn)撒向敵方陣地，在敵方還未來(lái)得及反應(yīng)時(shí)迅速收集利于作戰(zhàn)的信息。傳感器網(wǎng)絡(luò)也可以為火控和制導(dǎo)系統(tǒng)提 供準(zhǔn)確的目標(biāo)定位信息。在生物和化學(xué)戰(zhàn)中，利用傳感器網(wǎng)絡(luò)及時(shí)、準(zhǔn)確地探測(cè)爆炸中心將 會(huì)為我軍提供寶貴的反應(yīng)時(shí)間，從而最大可能地減小傷亡。傳感器網(wǎng)絡(luò)也可避免核反應(yīng)部隊(duì) 直接暴露在核輻射的環(huán)境中。在軍事應(yīng)用中，與獨(dú)立的衛(wèi)星和地面雷達(dá)系統(tǒng)相比，傳感器網(wǎng) 絡(luò)的潛在優(yōu)勢(shì)表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：分布節(jié)點(diǎn)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(dá)這類(lèi)獨(dú)立系統(tǒng)難以克服的技術(shù)問(wèn)題之一。傳感器網(wǎng)絡(luò)低成本、高冗余的設(shè)計(jì)原則為整個(gè)系統(tǒng)提供了較強(qiáng)的容錯(cuò)能力。傳感器節(jié)點(diǎn)與探測(cè)

29、目標(biāo)的近距離接觸大大消除了環(huán)境噪聲對(duì)系統(tǒng)性能的影響。節(jié)點(diǎn)中多種傳感器的混合應(yīng)用有利于提高探測(cè)的性能指標(biāo)。多節(jié)點(diǎn)聯(lián)合，形成覆蓋面積較大的實(shí)時(shí)探測(cè)區(qū)域。借助于個(gè)別具有移動(dòng)能力的節(jié)點(diǎn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的調(diào)整能力，可以有效地消除探 測(cè)區(qū)域內(nèi)的陰影和盲點(diǎn)。環(huán)境科學(xué)：隨著人們對(duì)于環(huán)境的日益關(guān)注，環(huán)境科學(xué)所涉及的范圍越來(lái)越廣泛。通 過(guò)傳統(tǒng)方式采集原始數(shù)據(jù)是一件困難的工作。傳感器網(wǎng)絡(luò)為野外隨機(jī)性的研究數(shù)據(jù)獲取提供 了方便，比如，跟蹤候鳥(niǎo)和昆蟲(chóng)的遷移，研究環(huán)境變化對(duì)農(nóng)作物的影響，監(jiān)測(cè)海洋、大氣和 土壤的成分等。ALERT系統(tǒng)中就有數(shù)種傳感器來(lái)監(jiān)測(cè)降雨量、河水水位和土壤水分，并依 此預(yù)測(cè)爆發(fā)山洪的可能性。類(lèi)似地，傳感

30、器網(wǎng)絡(luò)對(duì)森林火災(zāi)準(zhǔn)確、及時(shí)地預(yù)報(bào)也應(yīng)該是有幫 助的。此外，傳感器網(wǎng)絡(luò)也可以應(yīng)用在精細(xì)農(nóng)業(yè)中，以監(jiān)測(cè)農(nóng)作物中的害蟲(chóng)、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(diǎn)，如心率和血壓監(jiān)測(cè)設(shè) 備，利用傳感器網(wǎng)絡(luò)，醫(yī)生就可以隨時(shí)了解被監(jiān)護(hù)病人的病情，進(jìn)行及時(shí)處理。還可以利用 傳感器網(wǎng)絡(luò)長(zhǎng)時(shí)間地收集人的生理數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)在研制新藥品的過(guò)程中是非常有用的，而 安裝在被監(jiān)測(cè)對(duì)象身上的微型傳感器也不會(huì)給人的正常生活帶來(lái)太多的不便。此外，在藥物 管理等諸多方面，它也有新穎而獨(dú)特的應(yīng)用?？傊?，傳感器網(wǎng)絡(luò)為未來(lái)的遠(yuǎn)程醫(yī)療提供了更 加方便、快捷的技術(shù)實(shí)現(xiàn)手段?？臻g探索：探索外部星球一直是

31、人類(lèi)夢(mèng)寐以求的理想，借助于航天器布撒的傳感器 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)對(duì)星球表面長(zhǎng)時(shí)間的監(jiān)測(cè)，應(yīng)該是一種經(jīng)濟(jì)可行的方案。NASA的JPL(Jet Propulsion Laboratory)實(shí)驗(yàn)室研制的Sensor Webs就是為將來(lái)的火星探測(cè)進(jìn)行技術(shù)準(zhǔn)備的， 已在佛羅里達(dá)宇航中心周?chē)沫h(huán)境監(jiān)測(cè)項(xiàng)目中進(jìn)行測(cè)試和完善。其它商業(yè)應(yīng)用：自組織、微型化和對(duì)外部世界的感知能力是傳感器網(wǎng)絡(luò)的三大特點(diǎn)， 這些特點(diǎn)決定了傳感器網(wǎng)絡(luò)在商業(yè)領(lǐng)域應(yīng)該也會(huì)有不少的機(jī)會(huì)。比如，嵌入家具和家電中的 傳感器與執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)與Interne t連接在一起將會(huì)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(guó)某研究機(jī)構(gòu)正在

32、利用傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)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(jìn)球的誤判率。此外，在災(zāi)難拯救、倉(cāng)庫(kù)管理、交互式 博物館、交互式玩具、工廠自動(dòng)化生產(chǎn)線等眾多領(lǐng)域，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)都將會(huì)孕育出全新的 設(shè)計(jì)和應(yīng)用模式。3無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)采用基于2.4GHZ的Zigbee模塊進(jìn)行傳感器節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)，傳感器節(jié)點(diǎn)可以組 成不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)，并且可以通過(guò)多跳將采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇刂乒?jié)點(diǎn)，并由控制節(jié)點(diǎn) 將采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)GSM網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到用戶的手機(jī)上；用戶也可以通過(guò)手機(jī)發(fā)送命令來(lái)控制 的傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。圖5是本實(shí)驗(yàn)的系統(tǒng)框圖。 TOC o 1-5 h z 主控節(jié)點(diǎn)-peaGSM 模

33、塊；基站GSM網(wǎng)絡(luò).V / V 用戶I監(jiān)測(cè)區(qū)域傳感器節(jié)點(diǎn)(接有溫度傳感器)圖5無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)框圖3.1系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)主要包括Zigbee無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)和GSM模塊兩部分。每個(gè) Zigbee無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)上都配備有一個(gè)溫度傳感器，傳感器采集到的溫度數(shù)據(jù)可以通過(guò)模塊 的處理并經(jīng)過(guò)多跳傳到主控節(jié)點(diǎn)，再通過(guò)GSM模塊將這些數(shù)據(jù)以SMS的形式發(fā)送到用戶 的手機(jī)上。3.1.1 Zigbee無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用基于2.4GHZ的Zigbee模塊進(jìn)行傳感器節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)，外面接有溫度傳 感器，溫度傳感器采集回來(lái)的數(shù)據(jù)送到Zigbee模塊進(jìn)行處理，然后通過(guò)無(wú)線的方式發(fā)送給 其他節(jié)點(diǎn)

34、。模塊工作在2.4GHZ全球通用的ISM(Industrial， Scientific and Medical)免付費(fèi) 頻段上，劃分為16個(gè)信道，在該頻段上，數(shù)據(jù)的最大傳輸速率為250kb/s。圖6為本實(shí)驗(yàn)中 傳感器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖，主要由溫度傳感器模塊、微控制器模塊、無(wú)線通信模塊IEEE 802.15.4 RF IC)和能量供應(yīng)模塊四部分組成。Zigbee模塊溫度傳感器溫度傳感器圖6 Zigbee無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖因?yàn)闊o(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)為低功耗設(shè)備，所以在傳感器節(jié)點(diǎn)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(chǎn)的AVR處理器，這是一款采用哈佛 結(jié)構(gòu)的RISC處理器，其

35、設(shè)計(jì)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(diǎn)低功耗的特點(diǎn)。表1中給出了該傳感器節(jié)點(diǎn)的一些性能參數(shù)。調(diào)制方式O-QPSK擴(kuò)頻方式DSSS射頻頻率2.406-2.480GHz功耗W28 mA信道數(shù)16射頻發(fā)射功率0 dBm-24 dBm最大數(shù)據(jù)速率250kbps傳輸距離室外約75m (LOS)測(cè)溫范圍-10 C 100 C表1傳感器節(jié)點(diǎn)性能參數(shù)表3.1.2 GSM無(wú)線收發(fā)模塊GSM模塊負(fù)責(zé)將傳感器節(jié)點(diǎn)采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)GSM網(wǎng)絡(luò)以SMS的方式發(fā)送到用戶的手 機(jī)上，還負(fù)責(zé)將用戶手機(jī)發(fā)送過(guò)來(lái)的命令傳給PC機(jī)來(lái)控制傳感器節(jié)點(diǎn)采集數(shù)據(jù)。本實(shí)驗(yàn)中 的GSM模塊主要采用Motorol

36、a公司的G18模塊設(shè)計(jì)完成，可以快速、可靠地實(shí)現(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò) 中數(shù)據(jù)的傳輸。3.2系統(tǒng)信息處理過(guò)程配置模塊，對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行初始化。運(yùn)行本實(shí)驗(yàn)的軟件程序，通過(guò)PC機(jī)上串口對(duì)每 個(gè)模塊進(jìn)行初始配置。如：發(fā)射功率、節(jié)點(diǎn)類(lèi)型、網(wǎng)絡(luò)ID、節(jié)點(diǎn)ID等。由主控節(jié)點(diǎn)以無(wú)線的方式發(fā)送命令將幾個(gè)節(jié)點(diǎn)組成不同形狀的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?星形、鏈形、網(wǎng)狀），可以將任意一個(gè)配置好的模塊通過(guò)串口接到PC機(jī)上來(lái)作為主控節(jié)點(diǎn)。圖7給出 了三種不同的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。網(wǎng)形星形鏈形網(wǎng)形網(wǎng)形圖7本實(shí)驗(yàn)中所組成的三種典型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)建立好后，即可進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)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(shù)據(jù)大小、數(shù)據(jù)內(nèi)容和校 驗(yàn)位。其中，目的地址可以是一個(gè)指定的傳感器節(jié)點(diǎn)，校驗(yàn)位采用比較簡(jiǎn)單的異或校驗(yàn)。在 本傳感器網(wǎng)絡(luò)中可由主控節(jié)點(diǎn)發(fā)送命令采集各個(gè)節(jié)點(diǎn)的溫度，并把采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到用戶 的手機(jī)，可以設(shè)置一個(gè)報(bào)警溫度，當(dāng)某一個(gè)節(jié)點(diǎn)采集到的溫度超過(guò)這一警戒溫度時(shí)向用戶發(fā) 送報(bào)警信息；主控節(jié)點(diǎn)還可以接收手機(jī)發(fā)送過(guò)來(lái)的控制命令來(lái)控制節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。幀頭 目的地址數(shù)據(jù)大小數(shù)據(jù)內(nèi)容校驗(yàn)位圖8 數(shù)據(jù)信息格式4實(shí)驗(yàn)設(shè)備與軟件環(huán)境硬件：pc機(jī)，具體要求如下：CPU： Pentium II 300MHz 以上；內(nèi)存：128MB以上；硬盤(pán)：50M以上程序儲(chǔ)存空間；顯示設(shè)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(yùn)行）；光盤(pán)驅(qū)動(dòng)器（用于安裝實(shí)驗(yàn)軟件）；可用串口（9針）；實(shí)驗(yàn)硬件板：6個(gè)無(wú)線傳感器模塊和1-2個(gè)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(xiě)實(shí)驗(yàn)報(bào)告）。5實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1 .配置模塊，對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行初始化。由主控節(jié)點(diǎn)發(fā)命令將幾個(gè)節(jié)點(diǎn)組成不同形狀的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌ㄐ切?、鏈形、網(wǎng)狀）。由主控節(jié)點(diǎn)發(fā)送命令采集各個(gè)節(jié)點(diǎn)的溫度，并把采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到用戶的手機(jī)， 可以設(shè)置一個(gè)報(bào)警溫度，當(dāng)某一個(gè)節(jié)點(diǎn)采集到的

39、溫度超過(guò)這一警戒溫度時(shí)向用戶發(fā)送報(bào)警信 息；主控節(jié)點(diǎn)還可以接收手機(jī)發(fā)送過(guò)來(lái)的控制命令來(lái)控制節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。對(duì)本實(shí)驗(yàn)中所采用的路由算法（AODV路由算法）進(jìn)行軟件仿真。6實(shí)驗(yàn)步驟在實(shí)驗(yàn)之前，把硬件連接好。pc機(jī)上接兩個(gè)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(kāi)實(shí)驗(yàn)程序。從開(kāi)始菜單中選擇 程序一SEMITTTP無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn) 菜單，程序啟動(dòng)， 進(jìn)入到配置節(jié)點(diǎn)界面，如圖9所示。圖9配置節(jié)點(diǎn)界面首先初始化串口，將實(shí)驗(yàn)要用的6個(gè)傳感器模塊分別接到PC機(jī)的串口 1上寫(xiě)入節(jié)點(diǎn)配置 信息，包括：射頻發(fā)射功率、節(jié)點(diǎn)類(lèi)型（Master、RN、EN）、網(wǎng)絡(luò)ID、節(jié)點(diǎn)I

40、D、路由規(guī)則。 在寫(xiě)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(diǎn)的通信范圍會(huì)有所不同，可選擇多種發(fā)射功率。節(jié)點(diǎn) 配置中的節(jié)點(diǎn)類(lèi)型（Master、RN、EN）的含意如下：在組網(wǎng)過(guò)程中，主節(jié)點(diǎn)Master Node， 簡(jiǎn)稱Master）是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的控制中心。它負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)準(zhǔn)入，動(dòng)態(tài)地址分配等。它能夠主動(dòng)掃描 本身覆蓋法范圍內(nèi)的傳感器節(jié)點(diǎn)。其它節(jié)點(diǎn)總是首先試圖與主節(jié)點(diǎn)進(jìn)行連接，Master是一個(gè) 具有完整路由能力的節(jié)點(diǎn)，它維持整個(gè)網(wǎng)絡(luò)完整的路由表。Master的這些功能并不意味著每次 通信都要經(jīng)過(guò)master節(jié)點(diǎn)，也不需要把它放在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的射頻中心；路由節(jié)點(diǎn)（Routing Node， 簡(jiǎn)稱

41、RN），既可以被Master RN加入網(wǎng)絡(luò)，又可以加入其他的RN和EN?？煽闯墒且粋€(gè)簡(jiǎn)單 的無(wú)線收發(fā)器，它能夠中繼信息，這樣就擴(kuò)展了網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍；末端節(jié)點(diǎn)End Node，簡(jiǎn) 稱EN），僅僅能執(zhí)行被動(dòng)掃描，是網(wǎng)絡(luò)中最簡(jiǎn)單的類(lèi)型，這種節(jié)點(diǎn)不支持任何路由功能，它 們只能夠與Master、RN節(jié)點(diǎn)進(jìn)行連接。EN是一種理想的簡(jiǎn)單且低功耗的設(shè)備。在本實(shí)驗(yàn)中 網(wǎng)狀和鏈形拓?fù)洳捎肁OD V路由算法，星形拓?fù)洳捎肅luster Tree+AOD V的路由算法。注意在配置節(jié)點(diǎn)時(shí)6個(gè)節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)ID要設(shè)為一致，這樣才能代表幾個(gè)節(jié)點(diǎn)是處于同一個(gè) 網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)ID用來(lái)標(biāo)識(shí)不同的網(wǎng)絡(luò)，只有具有相同網(wǎng)絡(luò)ID的節(jié)點(diǎn)才能相互

42、通信。節(jié)點(diǎn)ID 用來(lái)標(biāo)識(shí)同一網(wǎng)絡(luò)中的不同節(jié)點(diǎn)，同一網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)ID不能重復(fù)，數(shù)據(jù)傳輸時(shí)就是按照節(jié)點(diǎn)ID 來(lái)進(jìn)行的。Master節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)ID為0。在本實(shí)驗(yàn)中也可以將6個(gè)節(jié)點(diǎn)分成兩組來(lái)組成兩個(gè)傳感 器網(wǎng)絡(luò)，每一組的節(jié)點(diǎn)數(shù)都小與6個(gè)。注意兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)ID要選擇不同的兩個(gè)。在進(jìn)行節(jié) 點(diǎn)ID的選擇時(shí)，每個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的主節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)ID都要選0，其它節(jié)點(diǎn)的節(jié)，田。分別按順序依次 選為1、2、。節(jié)點(diǎn)信息配置好后，在界面的右上方會(huì)顯示節(jié)點(diǎn)的配置信息。點(diǎn)擊工具欄上的“組建網(wǎng)絡(luò)”按鈕或菜單中的“操作”一“組建網(wǎng)絡(luò)”，即可彈出 “組建網(wǎng)絡(luò)”實(shí)驗(yàn)窗口。如圖10所示。圖10組建網(wǎng)絡(luò)界面在本實(shí)驗(yàn)中可以將任一個(gè)節(jié)點(diǎn)連到PC機(jī)的

43、串口 1上作為主控節(jié)點(diǎn)，通過(guò)無(wú)線的方式進(jìn)行 網(wǎng)絡(luò)控制操作。在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中選擇一種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（星形、鏈形、網(wǎng)形），然后點(diǎn)擊“組建網(wǎng) 絡(luò)”按鈕，即可組建成所選的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，右面的圖中會(huì)顯示出你所建成的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 圖。當(dāng)某一個(gè)節(jié)點(diǎn)死亡（斷電等原因引起）或超出任何一個(gè)節(jié)點(diǎn)的通信范圍時(shí)，可通過(guò)網(wǎng)絡(luò) 刷新發(fā)現(xiàn)該節(jié)點(diǎn)，有兩種刷新方式供選擇：立即刷新、定時(shí)刷新（可設(shè)置定時(shí)刷新時(shí)間）。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)建立好后，可以利用模塊自身的命令進(jìn)行命令測(cè)試，來(lái)驗(yàn)證已經(jīng)建好的網(wǎng)絡(luò)。各 個(gè)測(cè)試命令含意解釋如下：（1）獲取MAC地址：通過(guò)向目標(biāo)節(jié)點(diǎn)發(fā)送該命令可以獲得該節(jié)點(diǎn)的64bitMAC地址， 命令的返回為以16進(jìn)制表示的13個(gè)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(gè)字節(jié)C9為命令頭，對(duì)用戶有用的字節(jié)為第二字節(jié)04代表上游節(jié)點(diǎn)號(hào)，第五 字節(jié)到12字節(jié)02 02 02 02 02 02 02 02表示目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的MAC地址。通過(guò)觀察每次命令返回值的第二個(gè)字節(jié)可以看出通信時(shí)的路由，例如：首先向5節(jié)點(diǎn)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(gè)字節(jié)為04，然后向4節(jié)點(diǎn)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(gè)字節(jié)為02,由此可得出從節(jié) 點(diǎn)2到節(jié)點(diǎn)5有路

45、由245。獲取臨節(jié)點(diǎn)表：通過(guò)向目標(biāo)節(jié)點(diǎn)發(fā)送該命令可以獲得該節(jié)點(diǎn)的相鄰節(jié)點(diǎn)，命令的 返回為以16進(jìn)制表示的43個(gè)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(diǎn)的臨節(jié)點(diǎn)?？赡苤禐?0、01、02、03、04、05、FF

46、，其中FF表示不存在該臨節(jié)點(diǎn)。獲取節(jié)點(diǎn)信息表：通過(guò)向Master節(jié)點(diǎn)發(fā)送該命令可獲得當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)的節(jié) 點(diǎn)信息，命令的返回為返回16進(jìn)制表示的125個(gè)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(gè)字節(jié)開(kāi)始每4個(gè)字節(jié)來(lái)表示一個(gè)節(jié)點(diǎn)的信息。4個(gè)字節(jié)的信息含意依次為： 父節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)ID，本節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)ID，本節(jié)點(diǎn)的MAC地址，節(jié)點(diǎn)的路由類(lèi)型(00： Master 01： RN 02： RN 03： EN)。點(diǎn)擊工具欄上的“數(shù)據(jù)采集”按鈕或菜單中的“操作”一“數(shù)據(jù)采集

48、”，即可彈出 “數(shù)據(jù)采集”實(shí)驗(yàn)窗口。如圖11所示。砌啊iW獨(dú)粉說(shuō)攤潔的點(diǎn) 希助 退出皿罷鋌昨.點(diǎn)r flio 節(jié)點(diǎn)1廠節(jié)點(diǎn)2 辛點(diǎn)9I節(jié)竟4 廠節(jié).道5控媚:定腳I；買(mǎi)地P二 3|r E0E1槎砌啊iW獨(dú)粉說(shuō)攤潔的點(diǎn) 希助 退出皿罷鋌昨.點(diǎn)r flio 節(jié)點(diǎn)1廠節(jié)點(diǎn)2 辛點(diǎn)9I節(jié)竟4 廠節(jié).道5控媚:定腳I；買(mǎi)地P二 3|r E0E1槎目岳手吼號(hào)曰, T血叵中，L號(hào)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(shū) “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