《無線傳感器網(wǎng)絡(luò)》課件 第1章 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；第2章 IEEE 802.15.4無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信標(biāo)準(zhǔn)

第1章

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

2本章內(nèi)容簡介

☆無線傳感器網(wǎng)絡(luò)概述 ☆無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展歷程 ☆無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究現(xiàn)狀和前景 ☆無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn) ☆無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu) ☆無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù) ☆無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用與發(fā)展 ☆典型短距離無線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

31.1無線傳感器網(wǎng)絡(luò)概述無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）是一種通過無線通信技術(shù)把大量廉價(jià)的傳感器節(jié)點(diǎn)通過無線自組織通信方式，互相傳輸信息，協(xié)同完成特定功能的無線網(wǎng)絡(luò)。典型的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)通常由以下節(jié)點(diǎn)組成：若干傳感器節(jié)點(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)、管理節(jié)點(diǎn)等。傳感器節(jié)點(diǎn)部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)部或附近，通過自組織方式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)。傳感器節(jié)點(diǎn)監(jiān)測的數(shù)據(jù)沿著其他傳感器節(jié)點(diǎn)逐跳地進(jìn)行傳輸，在傳輸過程中監(jiān)測數(shù)據(jù)可能被多個(gè)節(jié)點(diǎn)處理，經(jīng)過多跳后路由到匯聚節(jié)點(diǎn)，最后通過互聯(lián)網(wǎng)或衛(wèi)星到達(dá)管理節(jié)點(diǎn)。用戶通過管理節(jié)點(diǎn)對傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行配置和管理，發(fā)布監(jiān)測任務(wù)以及收集監(jiān)測數(shù)據(jù)。第一階段：最早可以追溯二十世紀(jì)70年代越戰(zhàn)時(shí)期使用的傳統(tǒng)的傳感器系統(tǒng)。第二階段：二十世紀(jì)80年代至90年代之間。第三階段：21世紀(jì)開始至今。這個(gè)階段的傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)特點(diǎn)在于網(wǎng)絡(luò)傳輸自組織、節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)低功耗。

1.2無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展歷程

1999年中國科學(xué)院發(fā)布的“信息與自動(dòng)化領(lǐng)域研究報(bào)告”，該報(bào)告指出，無線傳感器已經(jīng)被列為信息與自動(dòng)化五個(gè)最有影響力的項(xiàng)目之一。另外許多國內(nèi)高校對無線傳感器網(wǎng)的研究也在加速進(jìn)行著。例如，中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)研究所從1998年開始就一直在跟蹤和研究無線傳感器網(wǎng)；國內(nèi)的一些高校如清華大學(xué)、國防科技大學(xué)、北京郵電大學(xué)、西安電子科技大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)、中南大學(xué)等在無線傳感器網(wǎng)方面也都在深入研究，并取得了一定的成果。1.3無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究現(xiàn)狀和前景(1)硬件資源有限。(2)電源容量有限。(3)通信能量有限。(4)計(jì)算能力有限。(5)規(guī)模大，分布密集，網(wǎng)絡(luò)密度高。1.4無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)

(6)自組織特性、自組網(wǎng)性與自維護(hù)性。(7)以數(shù)據(jù)為中心的網(wǎng)絡(luò)。(8)多跳路由。(9)應(yīng)用相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)。(10)傳感器節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障的可能性較大。1.4無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)

傳感器節(jié)點(diǎn)由四部分組成：傳感器模塊、處理器模塊、無線通信模塊和電源模塊，如圖所示。1.5無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)

傳感器模塊：負(fù)責(zé)采集監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的信息采集，并進(jìn)行數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換，將原始的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，將交流信號(hào)轉(zhuǎn)換成直流信號(hào)，以供后續(xù)模塊使用；處理器模塊：又分成兩部分，分別是處理器和存儲(chǔ)器，它們分別負(fù)責(zé)處理節(jié)點(diǎn)的控制和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的工作；無線通信模塊：專門負(fù)責(zé)節(jié)點(diǎn)之間的相互通信；電源模塊就用來為傳感器節(jié)點(diǎn)提供能量，一般都是采用微型電池供電。1.5無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)通常包括傳感器節(jié)點(diǎn)(sensornode)、匯聚節(jié)點(diǎn)(sinknode)和管理節(jié)點(diǎn)，如圖所示。1.5無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)

大量傳感器節(jié)點(diǎn)隨機(jī)部署在監(jiān)測區(qū)域，通過自組織的方式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)。傳感器節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)通過其它傳感器節(jié)點(diǎn)逐跳地在網(wǎng)絡(luò)中傳輸，傳輸過程中數(shù)據(jù)可能被多個(gè)節(jié)點(diǎn)處理，經(jīng)過多跳后路由到匯聚節(jié)點(diǎn)，最后通過互聯(lián)網(wǎng)或者衛(wèi)星到達(dá)數(shù)據(jù)處理中心。也可以沿著相反的方向，通過管理節(jié)點(diǎn)對傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行管理，發(fā)布監(jiān)測任務(wù)以及收集監(jiān)測數(shù)據(jù)。1.5無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)

網(wǎng)絡(luò)協(xié)議體系結(jié)構(gòu)是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的“軟件”部分，包括網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議分層以及網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的集合，是對網(wǎng)絡(luò)及其部件應(yīng)完成功能的定義與描述。由網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議、傳感器網(wǎng)絡(luò)管理以及應(yīng)用支撐技術(shù)組成，如圖所示。1.5無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)

各層協(xié)議和平臺(tái)的功能如下：

物理層提供簡單但健壯的信號(hào)調(diào)制和無線收發(fā)技術(shù)；數(shù)據(jù)鏈路層負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)成幀、幀檢測、媒體訪問和差錯(cuò)控制；

網(wǎng)絡(luò)層主要負(fù)責(zé)路由生成與路由選擇；

傳輸層負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)流的傳輸控制，是保證通信服務(wù)質(zhì)量的重要部分；

1.5無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)

應(yīng)用層包括一系列基于監(jiān)測任務(wù)的應(yīng)用層軟件；

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；

移動(dòng)管理平臺(tái)檢測并注冊傳感器節(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；

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)測任務(wù)。1.5無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)

傳感器節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)通過其它傳感器節(jié)點(diǎn)逐跳地在網(wǎng)絡(luò)中傳輸，傳輸過程中數(shù)據(jù)可能被多個(gè)節(jié)點(diǎn)處理，經(jīng)過多跳后路由到匯聚節(jié)點(diǎn)，最后通過互聯(lián)網(wǎng)或者衛(wèi)星到達(dá)數(shù)據(jù)處理中心。也可以沿著相反的方向，通過管理節(jié)點(diǎn)對傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行管理，發(fā)布監(jiān)測任務(wù)以及收集監(jiān)測數(shù)據(jù)。1.5無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議體系結(jié)構(gòu)是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的“軟件”部分，由網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議、傳感器網(wǎng)絡(luò)管理以及應(yīng)用支撐技術(shù)組成，如圖所示。1.5無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)各層協(xié)議和平臺(tái)的功能如下：

物理層提供簡單但健壯的信號(hào)調(diào)制和無線收發(fā)技術(shù)；數(shù)據(jù)鏈路層負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)成幀、幀檢測、媒體訪問和差錯(cuò)控制；

網(wǎng)絡(luò)層主要負(fù)責(zé)路由生成與路由選擇；

傳輸層負(fù)責(zé)端到端數(shù)據(jù)流的傳輸控制，是保證通信服務(wù)質(zhì)量的重要部分；應(yīng)用層包括一系列基于監(jiān)測任務(wù)的應(yīng)用層軟件；

1.5無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)時(shí)間同步技術(shù):時(shí)間同步技術(shù)是完成實(shí)時(shí)信息采集的基本要求，也是提高定位精度的關(guān)鍵手段。常用方法是通過時(shí)間同步協(xié)議完成節(jié)點(diǎn)間的對時(shí)，通過濾波技術(shù)抑制時(shí)鐘噪聲和漂移。最近，利用耦合振蕩器的同步技術(shù)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)無狀態(tài)自然同步方法也倍受關(guān)注，這是一種高效的、可無限擴(kuò)展的時(shí)間同步新技術(shù)。1.6無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)定位技術(shù)定位跟蹤技術(shù)包括節(jié)點(diǎn)自定位和網(wǎng)絡(luò)區(qū)域內(nèi)的目標(biāo)定位跟蹤。節(jié)點(diǎn)自定位是指確定網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)自身位置，這是隨機(jī)部署組網(wǎng)的基本要求。1.6無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)分布式數(shù)據(jù)管理和信息融合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可被視為一種分布式數(shù)據(jù)庫。以數(shù)據(jù)庫的方法在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行數(shù)據(jù)管理，可以將存儲(chǔ)在網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)的邏輯視圖與網(wǎng)絡(luò)中的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行分離，使得網(wǎng)絡(luò)中的用戶只需要關(guān)心數(shù)據(jù)查詢的邏輯結(jié)構(gòu)，無須關(guān)心實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)。雖然對網(wǎng)絡(luò)中所存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)進(jìn)行抽象會(huì)在一定分布式動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)管理是以數(shù)據(jù)中心為特征的WSN網(wǎng)絡(luò)的重要技術(shù)之一。該技術(shù)通過部署或者指定一些節(jié)點(diǎn)為代理節(jié)點(diǎn)，代理節(jié)點(diǎn)根據(jù)監(jiān)測任務(wù)收集興趣數(shù)據(jù)。監(jiān)測任務(wù)通過分布式數(shù)據(jù)庫的查詢語言下達(dá)給目標(biāo)區(qū)域的節(jié)點(diǎn)。在整個(gè)體系中，WSN網(wǎng)絡(luò)被當(dāng)作分布式數(shù)據(jù)庫獨(dú)立存在，實(shí)現(xiàn)對客觀物理世界的實(shí)時(shí)和動(dòng)態(tài)的監(jiān)測。1.6無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)安全技術(shù)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為任務(wù)型網(wǎng)絡(luò)，不僅要進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，而且要進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集和融合、任務(wù)的協(xié)同控制等，如何保證任務(wù)執(zhí)行的機(jī)密性、數(shù)據(jù)產(chǎn)生的可靠性、數(shù)據(jù)融合的高效性以及數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?，就成為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)需要全面考慮的安全內(nèi)容。安全通信和認(rèn)證技術(shù)在軍事和金融等敏感信息傳遞應(yīng)用中有直接需求。傳感器網(wǎng)絡(luò)由于部署環(huán)境和傳播介質(zhì)的開放性，很容易受到各種攻擊。但受無線傳感器網(wǎng)絡(luò)資源限制，直接應(yīng)用安全通信、完整性認(rèn)證、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性、廣播認(rèn)證等現(xiàn)有算法存在實(shí)現(xiàn)的困難。鑒于此，研究人員一方面探討在不同組網(wǎng)形式、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議設(shè)計(jì)中可能遭到的各種攻擊形式；另一方面設(shè)計(jì)安全強(qiáng)度可控的簡化算法和精巧協(xié)議，滿足傳感器網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)實(shí)需求。1.6無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)精細(xì)控制、深度嵌入的操作系統(tǒng)技術(shù)作為深度嵌入的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，WSN網(wǎng)絡(luò)對操作系統(tǒng)也有特別的要求，既要能夠完成基本體系結(jié)構(gòu)支持的各項(xiàng)功能，又不能過于復(fù)雜。從目前發(fā)展?fàn)顩r來看，TinyOS是最成功的WSN專用操作系統(tǒng)。但隨著芯片低功耗設(shè)計(jì)技術(shù)和能量工程技術(shù)水平的提高，更復(fù)雜的嵌入式操作系統(tǒng)，如Vxworks、Uclinux和Ucos等，也可能被WSN網(wǎng)絡(luò)所采用。。1.6無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)（1）智能交通。（2）智能農(nóng)業(yè)。（3）醫(yī)療健康。（4）工業(yè)監(jiān)控。（5）軍事應(yīng)用。（6）災(zāi)難救援與臨時(shí)場合。（7）家庭應(yīng)用。（8）環(huán)境監(jiān)測（9）其他領(lǐng)域應(yīng)用1.7無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用與發(fā)展紅外數(shù)據(jù)傳輸。紅外數(shù)據(jù)協(xié)會(huì)(IrDA)為短距離紅外無線數(shù)據(jù)通信制定了一系列開放的標(biāo)準(zhǔn)。IrDA（InfraredDataAssociation）是點(diǎn)對點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，通信距離很短，一般在0~1m，通信介質(zhì)為波長為900nm左右的近紅外線，傳輸速率最快可達(dá)16Mbps。其傳輸具備角度?。?0°角以內(nèi)）、距離短、數(shù)據(jù)直線傳輸、傳輸速率較高，保密性強(qiáng)等特點(diǎn)，適用于傳輸大容量的文件和多媒體數(shù)據(jù)。并且無須申請頻率的使用權(quán)，成本較為低廉。目前主流的軟硬件平臺(tái)均提供對IrDA的支持，IrDA已被全球范圍內(nèi)的眾多廠商采用。

1.8典型短距離無線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)藍(lán)牙(Bluetooth)。藍(lán)牙技術(shù)它是一種典型的支持設(shè)備短距離通信（一般10m內(nèi)）的無線電技術(shù)，用于移動(dòng)電話、PDA、無線耳機(jī)、筆記本電腦、相關(guān)外設(shè)等眾多設(shè)備之間進(jìn)行無線信息交換利用藍(lán)牙技術(shù)，能夠有效地簡化移動(dòng)通信終端設(shè)備之間的通信，也能夠成功地簡化設(shè)備與因特網(wǎng)之間的通信，從而使得數(shù)據(jù)傳輸變得更加迅速高效，為無線通信拓寬了道路。2014年推出的藍(lán)牙4.2版本讓BluetoothSmart成為連接生活中各種事物的最佳解決方案之一，其范圍從個(gè)人傳感器覆蓋到互聯(lián)家庭。除了規(guī)格本身的升級，還提供支持IPv6藍(lán)牙應(yīng)用的新配置文件（IPSP），這將為設(shè)備連網(wǎng)開啟全新領(lǐng)域。

1.8典型短距離無線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)無線局域網(wǎng)802.11(Wi-Fi)。WiFi的英文全稱為WirelessFidelity，原先是無線保真的縮寫，在無線局域網(wǎng)的范疇是指無線相容性認(rèn)證。WiFi技術(shù)由WiFi聯(lián)盟（WiFi

Alliance）所持有，目的是改善基于IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)的無線網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品之間的互通性，目前已經(jīng)成為無線局域網(wǎng)通信技術(shù)的品牌和無線設(shè)備高速互連的市場首選。WiFi能在數(shù)十米到幾公里范圍內(nèi)將個(gè)人電腦、手持設(shè)備（如手機(jī)、iPad）等終端設(shè)備以無線方式進(jìn)行高速互連，同時(shí)通過因特網(wǎng)接入點(diǎn)（AccessPoint,AP）為用戶提供無線的寬帶互聯(lián)網(wǎng)訪問。WiFi簡單方便。廠商只要在機(jī)場、車站、圖書館等人員較密集的地方進(jìn)行設(shè)置，并通過高速線路即可接入因特網(wǎng)。

1.8典型短距離無線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)超寬帶超寬帶（UltraWideband,UWB）即802.15.3a技術(shù)，是一種無載波通信技術(shù)，也是一種超高速的短距離無線接入技術(shù)。在較寬的頻譜上傳送極低功率的信號(hào)，能在10m左右的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)每秒數(shù)百兆比特的數(shù)據(jù)傳輸率，具有抗干擾性能強(qiáng)、傳輸速率高、帶寬極寬、消耗電能較小、保密性好、發(fā)送功率小等諸多優(yōu)勢。近年來國內(nèi)外開始利用其亞納秒級超窄脈沖做近距離精確室內(nèi)定位，如LocalSense無線定位系統(tǒng)。

1.8典型短距離無線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)射頻識(shí)別技術(shù)（RadioFrequencyIdentification,RFID）。RFID是一種非接觸式的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，通過射頻信號(hào)自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)對象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)。RFID由標(biāo)簽、閱讀器和天線三個(gè)基本要素組成，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于日常生活、物流行業(yè)、交通運(yùn)輸、醫(yī)藥、食品等各個(gè)領(lǐng)域。RFID技術(shù)大概有三大類：無源RFID、有源RFID、半有源RFID。無源RFID發(fā)展得最早、最成熟，市場應(yīng)用最廣泛，包括公交卡、食堂餐卡、銀行卡、門禁卡、二代身份證等，屬于近距離識(shí)別類。有源RFID技術(shù)具有遠(yuǎn)距離自動(dòng)識(shí)別的特性，這一特性決定了其巨大的應(yīng)用領(lǐng)域，如智能監(jiān)獄、智能醫(yī)院、智能停車場、智能交通、智慧城市、智慧地球及物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域。半有源RFID技術(shù)介于有源RFID和無源RFID之間，集有源RFID和無源RFID的優(yōu)勢于一體，在門禁進(jìn)出管理、人員精確定位、區(qū)域定位管理電子圍欄及安防報(bào)警等領(lǐng)域有著很大的優(yōu)勢，具有近距離激活定位、遠(yuǎn)距離識(shí)別及上傳數(shù)據(jù)的工作特點(diǎn)。RFID技術(shù)是物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)，隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，其應(yīng)用市場必將隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展而擴(kuò)大。

1.8典型短距離無線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)近距離通信（NearFieldCommunica-tion,NFC）。NFC也稱近場通信。是一種短距高頻的無線電技術(shù)，NFC近場通信技術(shù)是由非接觸式射頻識(shí)別及互聯(lián)互通技術(shù)整合演變而來，在單一芯片上結(jié)合感應(yīng)式讀卡器、感應(yīng)式卡片和點(diǎn)對點(diǎn)的功能，能在短距離內(nèi)與兼容設(shè)備進(jìn)行識(shí)別和數(shù)據(jù)交換。目前這項(xiàng)技術(shù)已在包括我國在內(nèi)的眾多國家廣泛應(yīng)用，市場上涌現(xiàn)出許多支持NFC功能的手機(jī)，手機(jī)用戶配置了支付功能的手機(jī)，可以用作機(jī)場登機(jī)驗(yàn)證、大廈的門禁鑰匙、交通一卡通、信用卡和支付卡等。NFC采用主動(dòng)和被動(dòng)兩種讀取模式。

1.8典型短距離無線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)6LoWPAN。

包括ZigBee等低功耗無線個(gè)域網(wǎng)都是采用非IP技術(shù)，基于IEEE802.15.4實(shí)現(xiàn)IPv6通信的IETF6LoWPAN草案標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)布有望改變這一局面。6LoWPAN具有的低功率運(yùn)行的潛力使它很適合應(yīng)用在從手持機(jī)到儀器的設(shè)備中，而其對AES-128加密的內(nèi)置支持為高質(zhì)量的認(rèn)證和安全性打下了基礎(chǔ)。

1.8典型短距離無線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)Z-Wave的工作頻段為908.42MHz（美國）和868.42MHz（歐洲），采用FSK（BFSK/GFSK）調(diào)制方式，數(shù)據(jù)傳輸速率為9.6Kbit/s，信號(hào)的有效覆蓋范圍在室內(nèi)是30m，室外可超過100m，適合于窄帶應(yīng)用場合。隨著通信距離的增大，設(shè)備的復(fù)雜度、功耗以及系統(tǒng)成本都在增加，相對于現(xiàn)有的各種無線通信技術(shù)，Z-Wave技術(shù)將是一種具有低功耗和低成本的技術(shù)，有力地推動(dòng)了低速率無線個(gè)人個(gè)域網(wǎng)的應(yīng)用。

1.8典型短距離無線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)第2章IEEE802.15.4無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信標(biāo)準(zhǔn)

傳感器網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用一般并不需要很高的信道帶寬，卻要求具有較低的傳輸延時(shí)和極低的功率消耗，使用戶能在有限的電池壽命內(nèi)完成任務(wù)。IEEE802.15.4/ZigBee標(biāo)準(zhǔn)把低功耗、低成本作為主要目標(biāo)，為傳感器網(wǎng)絡(luò)提供了一種互聯(lián)互通的平臺(tái)，各個(gè)射頻芯片廠商也陸續(xù)推出支持該標(biāo)準(zhǔn)的無線收發(fā)芯片。本章主要介紹了當(dāng)前工業(yè)界已有的或正在制定的與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議想過的通信標(biāo)準(zhǔn)。包括IEEE802.15.4/ZigBee協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。34本章內(nèi)容簡介

☆I(lǐng)EEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)概述 ☆網(wǎng)絡(luò)組成和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) ☆協(xié)議棧架構(gòu) ☆物理層PHY規(guī)范 ☆MAC規(guī)范 ☆MAC/PHY信息交互流程 ☆基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)352.1IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)概述IEEE802.15.4通信協(xié)議是短距離無線通信的IEEE標(biāo)準(zhǔn)，它是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議中物理層與MAC層的一個(gè)具體實(shí)現(xiàn)。IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，即IEEE用于低速無線個(gè)人域網(wǎng)(LR-WPAN)的物理層和媒體接入控制層規(guī)范。該協(xié)議支持兩種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，即單跳星狀或?dāng)通信線路超過10m時(shí)的多跳對等拓?fù)?。LR-WPAN中的器件既可以使用在關(guān)聯(lián)過程中指配的16位短地址，也可以使用64位IEEE地址。一個(gè)802.15.4網(wǎng)可以容納最多216個(gè)器件。36IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)具有如下特點(diǎn)：（1）支持簡單器件。（2）工作頻段和數(shù)據(jù)速率。（3）數(shù)據(jù)傳輸和低功耗。（4）信標(biāo)方式和超幀結(jié)構(gòu)。（5）自配置。（6）安全性。2.1IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)概述IEEE802.15.4網(wǎng)絡(luò)根據(jù)應(yīng)用的需要可以組織成兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和點(diǎn)對點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?。在星型結(jié)構(gòu)中，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的形成以及數(shù)據(jù)的傳輸由中心的網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)者集中控制，所有設(shè)備都與中心設(shè)備PAN網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器通信。各個(gè)終端設(shè)備（FFD或RFD）直接與網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)者進(jìn)行關(guān)聯(lián)和數(shù)據(jù)傳輸。

2.2網(wǎng)絡(luò)組成和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)IEEE802.15.4網(wǎng)絡(luò)根據(jù)應(yīng)用的需要可以組織成兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和點(diǎn)對點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?。點(diǎn)對點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)中也需要網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)管理鏈路狀態(tài)信息，認(rèn)證設(shè)備身份等功能。但與星型網(wǎng)絡(luò)不同，點(diǎn)對點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)只要彼此都在對方的無線輻射范圍之內(nèi)，任何兩個(gè)設(shè)備之都可以直接通信。

2.2網(wǎng)絡(luò)組成和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)IEEE802.15.4網(wǎng)絡(luò)協(xié)議?；陂_放系統(tǒng)互連模型（OSI），每一層都實(shí)現(xiàn)一部分通信功能，并向高層提供服務(wù)。在IEEE802系列標(biāo)準(zhǔn)中，OSI參考模型的數(shù)據(jù)鏈路層進(jìn)一步劃分為MAC和LLC兩個(gè)子層。MAC子層使用物理層提供的服務(wù)實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間的數(shù)據(jù)幀傳輸，而LLC子層在MAC子層的基礎(chǔ)上，在設(shè)備間提供面向連接和非面向連接的服務(wù)。2.3協(xié)議棧架構(gòu)

MAC子層以上的幾個(gè)層次，包括特定服務(wù)的聚合子層（ServiceSpecificConvergenceSublayer，SSCS），鏈路控制子層（logicallinkcontrol，LLC）等，只是IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)可能的上層協(xié)議，并不在IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的定義范圍之內(nèi)。SSCS為IEEE802.15.4的MAC層接入IEEE802.2標(biāo)準(zhǔn)中定義的LLC子層提供聚合服務(wù)。LLC子層可以使用SSCS的服務(wù)接口訪問IEEE802.15.4網(wǎng)絡(luò)，為應(yīng)用層提供鏈路層服務(wù)。2.3協(xié)議棧架構(gòu)

2.3協(xié)議棧架構(gòu)

2.3協(xié)議棧架構(gòu)

在OSI參考模型中，物理層處于最底層，是保障信號(hào)傳輸?shù)墓δ軐?，因此物理層涉及與信號(hào)傳輸有關(guān)的各個(gè)方面，包括信號(hào)發(fā)生、發(fā)送與接收電路，數(shù)據(jù)信號(hào)的傳輸編碼、同步與異步傳輸?shù)?。物理層的主要功能是在一條物理傳輸媒體上，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)鏈路實(shí)體之間透明地傳輸各種數(shù)據(jù)的比特流。它為鏈路層提供服務(wù)包括：物理連接的建立、維持與釋放、物理服務(wù)數(shù)據(jù)單元的傳輸、物理層管理、數(shù)據(jù)編碼。

2.4.物理層PHY規(guī)范

物理層數(shù)據(jù)服務(wù)包括以下五方面的功能：（1）激活和取消射頻收發(fā)器。（2）檢測當(dāng)前信道能量。（3）發(fā)送鏈路質(zhì)量指示。（4）評估CSMA/CA的空閑信道。（5）選擇信道頻率。（6）發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。2.4.物理層PHY規(guī)范

MAC子層提供兩種服務(wù)：MAC層數(shù)據(jù)服務(wù)和MAC層管理服務(wù)。前者保證MAC協(xié)議數(shù)據(jù)單元在物理層數(shù)據(jù)服務(wù)中的正確收發(fā)，后者維護(hù)一個(gè)存儲(chǔ)MAC子層協(xié)議狀態(tài)相關(guān)信息的數(shù)據(jù)庫。MAC子層的參考模型如圖所示。2.5.MAC規(guī)范

MAC子層主要功能包括下面八個(gè)方面：（1）如果設(shè)備是協(xié)調(diào)器，那么就需要產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)信標(biāo)；（2）信標(biāo)的同步；（3）支持個(gè)域網(wǎng)絡(luò)（PAN）的關(guān)聯(lián)（association）和取消關(guān)聯(lián)（disassociation）操作；（4）支持設(shè)備安全規(guī)范；

（5）使用CSMA-CA機(jī)制訪問物理信道；

（6）支持時(shí)槽保障（guaranteedtimeslot，GTS）機(jī)制；

（7）支持不同設(shè)備的MAC層間可靠傳輸。（8）協(xié)調(diào)器產(chǎn)生并發(fā)送信標(biāo)幀，普通設(shè)備根據(jù)協(xié)調(diào)器的信標(biāo)幀與協(xié)議器同步；2.5.MAC規(guī)范

超幀是一種用來組織網(wǎng)絡(luò)通信時(shí)間分配的邏輯結(jié)構(gòu)。超幀時(shí)間分配由網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器定義，主要包括活躍時(shí)段和非活躍時(shí)段。網(wǎng)絡(luò)中的所有通信都必須在活躍時(shí)段進(jìn)行，而在非活躍時(shí)段，設(shè)備可以進(jìn)入休眠模式以達(dá)到省電目的。超幀的活躍時(shí)段被劃分為16個(gè)等長的時(shí)槽，每個(gè)時(shí)槽的長度、競爭訪問時(shí)段包含的時(shí)槽數(shù)等參數(shù)，都由協(xié)調(diào)器設(shè)定，并通過超幀開始時(shí)發(fā)出的信標(biāo)幀廣播到整個(gè)網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)中普通設(shè)備接收到超幀開始時(shí)的信標(biāo)幀后，就可以根據(jù)其中的內(nèi)容安排自己的任務(wù)，例如進(jìn)入休眠狀態(tài)直到這個(gè)超幀結(jié)束。

超幀

LR-WPAN網(wǎng)絡(luò)中存在著三種數(shù)據(jù)傳輸方式：設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)給協(xié)調(diào)器、協(xié)調(diào)器發(fā)送數(shù)據(jù)給設(shè)備、對等設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸。星型拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)中只存在前兩種數(shù)據(jù)傳輸方式，因?yàn)閿?shù)據(jù)只在協(xié)調(diào)器和設(shè)備之間交換；而在點(diǎn)對點(diǎn)拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)中，三種數(shù)據(jù)傳輸方式都存在。

數(shù)據(jù)傳輸模型

每個(gè)MAC子層的幀都由幀頭、負(fù)載和幀尾三部分組成。幀頭由幀控制信息、幀序列號(hào)和地址信息組成。幀負(fù)載具有可變長度，具體內(nèi)容由幀類型決定。幀尾是幀頭和負(fù)載數(shù)據(jù)的16位CRC校驗(yàn)序列。如表所示

MAC層幀結(jié)構(gòu)

Ocets：210/20/2/80/20/2/80/5/6/10/14可變2幀控制域（FrameControl）幀序列號(hào)（SeqNum）目標(biāo)PANID目標(biāo)地址源PANID源地址附加安全頭部幀負(fù)載FCS校驗(yàn)

地址域

MAC負(fù)載幀尾（MFR）無線網(wǎng)關(guān)的通信模型如圖所示。2.6MAC/PHY信息交互流程

模型主要包括以下3個(gè)方面：①