教學(xué)課件-無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及應(yīng)用(熊茂華)

第1章無線傳感器網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)知識

1.1無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的概念與特點1.2無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展1.3無線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)1.4無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用及關(guān)鍵技術(shù)

1.1無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的概念與特點

1.1.1無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的概念

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WirelessSensorNetwork，WSN)是新一代的傳感器網(wǎng)絡(luò)，具有非常廣泛的應(yīng)用前景，其發(fā)展和應(yīng)用將會給人類的生活和生產(chǎn)的各個領(lǐng)域帶來深遠(yuǎn)影響。2001年1月《MIT技術(shù)評論》將無線傳感器列于十種改變未來世界新興技術(shù)之首。2003年8月，《商業(yè)周刊》預(yù)測：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)將會在不遠(yuǎn)的將來掀起新的產(chǎn)業(yè)浪潮。2004年《IEEESpectrum》雜志出版了專集《傳感器的國度》，論述無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展和可能的廣泛應(yīng)用。我國未來20年預(yù)見技術(shù)的調(diào)查報告中，信息領(lǐng)域157項技術(shù)課題有7項與傳感器網(wǎng)絡(luò)直接相關(guān)。2006年年初發(fā)布的《國家中長期科學(xué)與技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要》為信息技術(shù)確定了三個前沿方向，其中兩個與無線傳感器的研究直接相關(guān)，即智能感知技術(shù)和自組織網(wǎng)絡(luò)技術(shù)?？梢灶A(yù)計，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究與應(yīng)用的進(jìn)一步發(fā)展是一種必然趨勢，將會給人類社會帶來極大的變革。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)綜合了微電子技術(shù)、嵌入式計算技術(shù)、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)及無線通信技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)，能夠協(xié)同地實時監(jiān)測、感知和采集網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中各種環(huán)境或監(jiān)測對象的信息，并對其進(jìn)行處理，處理后的信息通過無線方式發(fā)送，并以多跳自組的網(wǎng)絡(luò)方式傳送給觀察者。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以定義為：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)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自組織網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其目的是協(xié)作感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中感知對象的信息，并發(fā)送給觀察者。

可以看出，傳感器、感知對象和觀察者是傳感器網(wǎng)絡(luò)的三個基本要素。這三個要素之間通過無線網(wǎng)絡(luò)建立通信路徑，協(xié)作地感知、采集、處理、發(fā)布感知信息。1.1.2無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點

目前常見的無線網(wǎng)絡(luò)包括移動通信網(wǎng)、無線局域網(wǎng)、藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)、AdHoc網(wǎng)絡(luò)等，它們在通信方式、動態(tài)組網(wǎng)以及多跳通信等方面有許多相似之處，但同時也存在很大的差別。與這些無線網(wǎng)絡(luò)相比，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有如下特點：

(1)電源能量有限。傳感器節(jié)點體積微小，通常攜帶能量十分有限的電池。由于傳感器節(jié)點數(shù)目龐大，成本要求低廉，分布區(qū)域廣，而且部署區(qū)域環(huán)境復(fù)雜，有些區(qū)域甚至人員不能到達(dá)，所以傳感器節(jié)點通過更換電池的方式來補充能源是不現(xiàn)實的。如何在使用過程中節(jié)省能源，最大化網(wǎng)絡(luò)的生命周期，是傳感器網(wǎng)絡(luò)面臨的首要挑戰(zhàn)。

(2)通信能量有限。傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信帶寬窄而且經(jīng)常變化，通信覆蓋范圍只有幾十到幾百米。傳感器網(wǎng)絡(luò)更容易受到高山、建筑物、障礙物等地勢地貌以及風(fēng)雨雷電等自然環(huán)境的影響，傳感器可能會長時間脫離網(wǎng)絡(luò)，離線工作。因此，如何在有限通信能力的條件下高質(zhì)量地完成感知信息的處理與傳輸，是傳感器網(wǎng)絡(luò)面臨的挑戰(zhàn)之一。

(3)傳感器節(jié)點的計算能力和存儲能力有限。傳感器節(jié)點是一種微型嵌入式設(shè)備，其價格低，功耗小，處理器能力比較弱，存儲器容量比較小。為了完成各種任務(wù)，傳感器節(jié)點需要完成監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集和轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)的管理和處理、應(yīng)答匯聚節(jié)點的任務(wù)請求和節(jié)點控制等多種工作。如何利用有限的計算和存儲資源完成諸多協(xié)同任務(wù)成為傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的挑戰(zhàn)。

(4)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模大，分布廣。傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點分布密集，數(shù)量巨大。此外，傳感器網(wǎng)絡(luò)可以分布在很廣泛的地理區(qū)域。傳感器網(wǎng)絡(luò)的這一特點使得網(wǎng)絡(luò)的維護(hù)十分困難甚至不可維護(hù)，因此傳感器網(wǎng)絡(luò)的軟、硬件必須具有高強壯性和容錯性，以滿足傳感器網(wǎng)絡(luò)的功能要求。

(5)自組織、動態(tài)性網(wǎng)絡(luò)。在傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中，傳感器節(jié)點多通過隨機布撒的方式放置，其位置往往不能預(yù)先精確設(shè)定，節(jié)點之間的相互鄰居關(guān)系預(yù)先也不知道。這就要求傳感器節(jié)點具有自組織能力，能夠自動進(jìn)行配置和管理，通過拓?fù)淇刂茩C制和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議自動形成轉(zhuǎn)發(fā)監(jiān)控數(shù)據(jù)的多跳無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。同時，由于部分傳感器節(jié)點能量耗盡或環(huán)境因素造成失效，以及經(jīng)常有新的節(jié)點加入，或是網(wǎng)絡(luò)中的傳感器、感知對象和觀察者這三要素都可能具有移動性，這就要求傳感器網(wǎng)絡(luò)必須具有很強的動態(tài)性，以適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的動態(tài)變化。

(6)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的傳感器節(jié)點具有數(shù)據(jù)融合能力，與Mesh網(wǎng)絡(luò)的區(qū)別是數(shù)據(jù)少、易移動以及注重節(jié)點的能源，與無線AdHoc網(wǎng)絡(luò)相比數(shù)量多、密度大、易受損、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變動頻繁。此外，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的傳感器節(jié)點還具有廣播式點對多通信、節(jié)點能量及計算能力受限等特點。

1.2無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展

1.2.1無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展階段

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展分為以下幾個階段：

第一階段：最早可以追溯至20世紀(jì)70年代越戰(zhàn)時期使用的傳統(tǒng)的傳感器系統(tǒng)。當(dāng)年美越雙方在密林覆蓋的“胡志明小道”上進(jìn)行了一場血腥較量，這條道路是胡志明部隊向南方游擊隊源源不斷輸送物資的秘密通道，美軍曾經(jīng)絞盡腦汁動用航空兵狂轟濫炸，但效果不理想。后來，美軍投放了2萬多個“熱帶樹”傳感器。所謂“熱帶樹”，實際上是由震動和聲響傳感器組成的系統(tǒng)，它由飛機投放，落地后插入泥土中，只露出偽裝成樹枝的無線電天線，因而被稱為“熱帶樹”。只要越軍車隊經(jīng)過，傳感器就會探測出目標(biāo)產(chǎn)生的震動和聲響信息并自動發(fā)送到指揮中心，美軍飛機立即展開追殺，總共炸毀或炸壞越軍4.6萬輛卡車。

第二階段：20世紀(jì)80年代至90年代。此階段主要是美軍研制的分布式傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、海軍協(xié)同交戰(zhàn)能力系統(tǒng)、遠(yuǎn)程戰(zhàn)場傳感器系統(tǒng)等。這種現(xiàn)代微型化的傳感器具備感知能力、計算能力和通信能力。第三階段：21世紀(jì)初至今。這個階段的傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)特點在于網(wǎng)絡(luò)傳輸自組織、節(jié)點設(shè)計低功耗。除了應(yīng)用于情報部門反恐活動以外，在其他領(lǐng)域也獲得了很好的應(yīng)用，所以2002年美國國家重點實驗室——橡樹嶺實驗室提出了“網(wǎng)絡(luò)就是傳感器”的論斷。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)經(jīng)歷了智能傳感器、無線智能傳感器和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)三個階段。智能傳感器將計算能力嵌入到傳感器中，使得傳感器節(jié)點不僅具有數(shù)據(jù)采集能力，而且具有濾波和信息處理能力；無線智能傳感器在智能傳感器的基礎(chǔ)上增加了無線通信能力，大大延長了傳感器的感知觸角，降低了傳感器的工程實施成本；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)則將網(wǎng)絡(luò)技術(shù)引入到無線智能傳感器中，使得傳感器不再是單個的感知單元，而是能夠交換信息、協(xié)調(diào)控制的有機結(jié)合體，實現(xiàn)了物與物的互聯(lián)，把感知觸角深入世界各個角落，必將成為下一代互聯(lián)網(wǎng)的重要組成部分。1.2.2無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展背景

1996年，美國UCLA的WilliamJ.?Kaiser教授向DARPA提交的“低能耗無線集成微型傳感器”揭開了現(xiàn)代WSN的序幕。1998年，同是UCLA的GregoryJ.Pottie教授從網(wǎng)絡(luò)研究的角度重新闡釋了WSN的科學(xué)意義。在其后的10余年里，WSN技術(shù)得到學(xué)術(shù)界、工業(yè)界乃至政府的廣泛關(guān)注，成為在國防軍事、環(huán)境監(jiān)測和預(yù)報、健康護(hù)理、智能家居、建筑物結(jié)構(gòu)監(jiān)控、復(fù)雜機械監(jiān)控、城市交通、空間探索、大型車間和倉庫管理以及機場、大型工業(yè)園區(qū)的安全監(jiān)測等眾多領(lǐng)域中最有競爭力的應(yīng)用技術(shù)之一。美國《商業(yè)周刊》將WSN列為21世紀(jì)最有影響的技術(shù)之一，麻省理工學(xué)院(MIT)技術(shù)評論則將其列為改變世界的十大技術(shù)之一。

1．WSN相關(guān)的會議和組織

WSN技術(shù)一經(jīng)提出，就迅速在研究界和工業(yè)界得到了廣泛的認(rèn)可。1998年到2003年，各種無線通信、AdHoc網(wǎng)絡(luò)、分布式系統(tǒng)的會議開始大量收錄與WSN技術(shù)相關(guān)的文章。2001年，美國計算機學(xué)會(ACM)和IEEE成立了第一個專門針對傳感網(wǎng)技術(shù)的會議InternationalConferenceonInformationProcessinginSensorNetwork(IPSN)，為WSN技術(shù)的發(fā)展開拓了一片新的技術(shù)園地。2003年到2004年，一批針對傳感網(wǎng)技術(shù)的會議相繼組建。ACM在2005年還專門創(chuàng)刊《ACMTransactiononSensorNetwork》，用來出版最優(yōu)秀的傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)成果。2004年，Boston大學(xué)與BP、Honeywell、InetcoSystems、Invensys、MillennialNet、Radianse、SensicastSystems等公司聯(lián)合創(chuàng)辦了傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)會，旨在促進(jìn)WSN技術(shù)的開發(fā)。2006年10月，中國計算機學(xué)會傳感器網(wǎng)絡(luò)專委會在北京正式成立，標(biāo)志著中國WSN技術(shù)研究開始進(jìn)入一個新的歷史階段。

2．相關(guān)科研和工程項目

從20世紀(jì)90年代開始，美國就陸續(xù)展開分布式傳感器網(wǎng)絡(luò)(DSN)、集成的無線網(wǎng)絡(luò)傳感器(WINS)、智能塵埃(SmartDust)、無線嵌入式系統(tǒng)(WEBS)、分布式系統(tǒng)可升級協(xié)調(diào)體系結(jié)構(gòu)研究(SCADDS)、嵌入式網(wǎng)絡(luò)傳感(CENS)等一系列重要的WSN研究項目。

自2001年起，美國國防部遠(yuǎn)景研究計劃局(DARPA)每年都投入千萬美元進(jìn)行WSN技術(shù)研究，設(shè)立了SmartSensorWeb、靈巧傳感器網(wǎng)絡(luò)通信、無人值守地面?zhèn)鞲衅魅骸鞲衅鹘M網(wǎng)系統(tǒng)、網(wǎng)狀傳感器系統(tǒng)等一系列軍事傳感器網(wǎng)絡(luò)研究項目。在美國自然科學(xué)基金委員會的推動下，美國麻省理工學(xué)院、加州大學(xué)伯克利分校、加州大學(xué)洛杉磯分校、南加州大學(xué)、康奈爾大學(xué)、伊利諾斯大學(xué)等許多著名高校也進(jìn)行了大量WSN的基礎(chǔ)理論和關(guān)鍵技術(shù)的研究。除美國以外，日本、英國、意大利、巴西等國家也對傳感器網(wǎng)絡(luò)表現(xiàn)出了極大的興趣，并各自展開了該領(lǐng)域的研究工作。

中國現(xiàn)代意義的WSN及其應(yīng)用研究幾乎與發(fā)達(dá)國家同步啟動，首先被記錄在1999年發(fā)表的中國科學(xué)院《知識創(chuàng)新工程試點領(lǐng)域方向研究》的《信息與自動化領(lǐng)域研究報告》中。

2001年，中國科學(xué)院成立了微系統(tǒng)研究與發(fā)展中心，掛靠中科院上海微系統(tǒng)所，旨在整合中科院內(nèi)部的相關(guān)單位，共同推進(jìn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究。從2002年開始，中國國家自然科學(xué)基金委員會開始部署傳感器網(wǎng)絡(luò)相關(guān)的課題。截至2008年年底，中國國家自然基金共支持面上項目111項、重點項目3項；國家“863”重點項目發(fā)展計劃共支持面上項目30余項，國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃“973”也設(shè)立了兩項與傳感器網(wǎng)絡(luò)直接相關(guān)的項目；國家發(fā)改委中國下一代互聯(lián)網(wǎng)工程項目(CNGI)也對傳感器網(wǎng)絡(luò)項目進(jìn)行了連續(xù)資助?！爸袊磥?0年技術(shù)預(yù)見研究”提出的157個技術(shù)課題中有7項直接涉及無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。這些專項的設(shè)立將大大推進(jìn)WSN網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在應(yīng)用領(lǐng)域的快速發(fā)展。

3．WSN技術(shù)的成熟度分析

Gartner信息技術(shù)研究與咨詢公司從2005年到2008年對WSN技術(shù)進(jìn)行了追蹤和評估。2005年，Gartner認(rèn)為WSN技術(shù)的關(guān)注度已經(jīng)越過了膨脹高峰并回歸理性，表現(xiàn)為以美國為首的科研人員開始理性反思這種技術(shù)模式是不是有進(jìn)一步推廣和發(fā)展的機會。當(dāng)時的預(yù)期比較樂觀，認(rèn)為該技術(shù)將在2～5年內(nèi)走向成熟。2006年，Gartner的評估認(rèn)為該技術(shù)正按照預(yù)定曲線前行，但成熟時間要更長一些。到了2007年，Gartner發(fā)現(xiàn)對該技術(shù)的關(guān)注度又有大幅度回升，但其市場并沒有走向高產(chǎn)能期，而似乎又回到了技術(shù)膨脹期。同時，距離成熟的時間仍然是10年以上。超過5年的市場預(yù)測往往意味著公司對該項技術(shù)缺乏準(zhǔn)確的判斷。從這一點上看，WSN技術(shù)從市場的角度上看還有些撲朔迷離。Gartner的2008年技術(shù)預(yù)測報告中沒有對該領(lǐng)域進(jìn)行預(yù)測也正是基于這一點。這種結(jié)果的可能原因是殺手級應(yīng)用所需的幾項關(guān)鍵性的支撐技術(shù)目前難于突破，微型化、可靠性、能量供給在目前看來是制約應(yīng)用的最大問題。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)要想在未來十幾年內(nèi)有所發(fā)展，一方面要在這些關(guān)鍵的支撐技術(shù)上有所突破，另一方面則要在成熟的市場中尋找應(yīng)用，構(gòu)思更有趣、更高效的應(yīng)用模式。值得慶幸的是，WSN技術(shù)在中國找到了發(fā)展機會。政府引導(dǎo)、研究人員的推動和企業(yè)的積極參與大大加快了WSN技術(shù)的市場化進(jìn)程。中國必將在WSN技術(shù)和市場推進(jìn)中發(fā)揮重要作用。

1.3無線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

1.3.1無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)如圖1.1所示。監(jiān)測區(qū)域中隨機分布著大量的傳感器節(jié)點，這些節(jié)點以自組織的方式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。每個節(jié)點既有數(shù)據(jù)采集又有路由功能，采集數(shù)據(jù)經(jīng)過多跳傳遞給匯聚節(jié)點，連接到互聯(lián)網(wǎng)。在網(wǎng)絡(luò)的任務(wù)管理節(jié)點對信息進(jìn)行管理、分類、處理，最后供用戶進(jìn)行集中處理。圖1.1無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)1.3.2無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點結(jié)構(gòu)

節(jié)點同時具有傳感、信息處理和進(jìn)行無線通信及路由的功能。對于不同的應(yīng)用環(huán)境，節(jié)點的結(jié)構(gòu)也可能不一樣，但它們的基本組成部分是一致的，一個節(jié)點通常由傳感器、微處理器、存儲器、A/D轉(zhuǎn)換接口、無線發(fā)射以及接收裝置和電源組成。概括之，無線傳感器節(jié)點可分為傳感器模塊、處理器模塊、無線通信模塊和能量供應(yīng)模塊四個部分，如圖1.2所示。圖1.2無線傳感器節(jié)點的體系結(jié)構(gòu)傳感器模塊負(fù)責(zé)信息采集和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換；處理器模塊控制整個傳感器節(jié)點的操作，處理本身采集的數(shù)據(jù)和其他節(jié)點發(fā)來的數(shù)據(jù)，運行高層網(wǎng)絡(luò)協(xié)議；無線通信模塊負(fù)責(zé)與其他傳感器節(jié)點進(jìn)行通信；能量供應(yīng)模塊為傳感器節(jié)點提供運行所需的能量，通常是微型蓄電池。1.3.3無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1.3所示。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用支撐層、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施和基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用程序以及管理、信息安全等部分組成了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中間件與平臺軟件。其基本含義是，應(yīng)用支撐層支持應(yīng)用業(yè)務(wù)層為各個應(yīng)用領(lǐng)域服務(wù)，提供所需的各種通用服務(wù)，這一層的核心是中間件軟件；管理和信息安全是貫穿各個層次的保障。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中間件與平臺軟件體系結(jié)構(gòu)主要分為四個層次：網(wǎng)絡(luò)適配層、基礎(chǔ)軟件層、應(yīng)用開發(fā)層和應(yīng)用業(yè)務(wù)適配層。其中，網(wǎng)絡(luò)適配層和基礎(chǔ)軟件層組成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點嵌入式軟件(部署在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點中)的體系結(jié)構(gòu)，應(yīng)用開發(fā)層和基礎(chǔ)軟件層組成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用支撐結(jié)構(gòu)(支持應(yīng)用業(yè)務(wù)的開發(fā)與實現(xiàn))。在網(wǎng)絡(luò)適配層中，網(wǎng)絡(luò)適配器是對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)底層(無線傳感器網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施、無線傳感器操作系統(tǒng))的封裝。基礎(chǔ)軟件層包含無線傳感器網(wǎng)絡(luò)各種中間件。這些中間件構(gòu)成了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)平臺軟件的公共基礎(chǔ)，并提供了高度的靈活性、模塊性和可移植性。圖1.3無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中間件有如下幾種：

(1)網(wǎng)絡(luò)中間件：完成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)接入服務(wù)、網(wǎng)絡(luò)生成服務(wù)、網(wǎng)絡(luò)自愈合服務(wù)、網(wǎng)絡(luò)連通等。

(2)配置中間件：完成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的各種配置工作，例如路由配置、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的調(diào)整等。

(3)功能中間件：完成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)各種應(yīng)用業(yè)務(wù)的共性功能，提供各種功能框架接口。

(4)管理中間件：為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用業(yè)務(wù)實現(xiàn)各種管理功能，例如目錄服務(wù)、資源管理、能量管理和生命周期管理。

(5)安全中間件：為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用業(yè)務(wù)實現(xiàn)各種安全功能，例如安全管理、安全監(jiān)控和安全審計。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中間件與平臺軟件采用層次化、模塊化的體系結(jié)構(gòu)，使其更加適應(yīng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用系統(tǒng)的要求，并用自身的復(fù)雜換取應(yīng)用開發(fā)的簡單，而中間件技術(shù)能夠更簡單明了地滿足應(yīng)用的需要。一方面，中間件提供滿足無線傳感器網(wǎng)絡(luò)個性化應(yīng)用的解決方案，形成了一種特別適用的支撐環(huán)境；另一方面，中間件通過整合，使無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用只需面對一個可以解決問題的軟件平臺。因此，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中間件與平臺軟件的靈活性、可擴展性保證了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的安全性，提高了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)管理能力和能量效率，降低了應(yīng)用開發(fā)的復(fù)雜性。1.3.4無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信體系結(jié)構(gòu)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的實現(xiàn)需要自組織網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，相對于一般意義上的自組織網(wǎng)絡(luò)，傳感器網(wǎng)絡(luò)具有以下特點，需要在體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計中加以特殊考慮。

(1)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點數(shù)目眾多，這就對傳感器網(wǎng)絡(luò)的可擴展性提出了要求。由于傳感器節(jié)點的數(shù)目多，開銷大，傳感器網(wǎng)絡(luò)通常不具備全球唯一的地址標(biāo)識，這使得傳感器網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層相對于一般網(wǎng)絡(luò)而言有很大的簡化。

(2)自組織傳感器網(wǎng)絡(luò)最大的特點就是能量受限，傳感器節(jié)點受環(huán)境的限制，通常由電量有限且不可更換的電池供電，所以在考慮傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)以及各層協(xié)議設(shè)計時，節(jié)能是設(shè)計的主要考慮目標(biāo)之一。

(3)由于傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用環(huán)境具有特殊性、無線信道不穩(wěn)定以及能源受限的特點，傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點受損的概率遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，因此自組織網(wǎng)絡(luò)的健壯性保障是必需的，以保證部分傳感器網(wǎng)絡(luò)的損壞不會影響全局任務(wù)的進(jìn)行。

(4)傳感器節(jié)點高密度部署，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化快，對拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的維護(hù)也提出了挑戰(zhàn)。根據(jù)以上特性分析，傳感器網(wǎng)絡(luò)需要根據(jù)用戶對網(wǎng)絡(luò)的需求設(shè)計適應(yīng)自身特點的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，為網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和算法的標(biāo)準(zhǔn)化提供統(tǒng)一的技術(shù)規(guī)范，使其能夠滿足用戶的需求。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信體系結(jié)構(gòu)如圖1.4所示，即橫向的通信協(xié)議層和縱向的傳感器網(wǎng)絡(luò)管理面。通信協(xié)議層可以劃分為物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層和應(yīng)用層，而網(wǎng)絡(luò)管理面可以劃分為能耗管理面、移動性管理面和任務(wù)管理面。網(wǎng)絡(luò)管理面主要用于協(xié)調(diào)不同層次的功能以求在能耗管理、移動性管理和任務(wù)管理方面獲得綜合考慮的最優(yōu)設(shè)計。圖1.4無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信體系結(jié)構(gòu)

1.4無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用及關(guān)鍵技術(shù)

1.4.1WSN的應(yīng)用

WSN的應(yīng)用可以分為監(jiān)測和追蹤兩類，如圖1.5所示。監(jiān)測應(yīng)用包括室環(huán)境監(jiān)測、公共衛(wèi)生監(jiān)測、商業(yè)監(jiān)測、生物監(jiān)測、軍事監(jiān)測等方面。跟蹤應(yīng)用包括工業(yè)追蹤、公共事業(yè)追蹤、商業(yè)追蹤、軍事追蹤等方面。圖1.5無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用分類

1．軍事領(lǐng)域

2005年，美國軍方成功測試了由美國Crossbow產(chǎn)品組建的槍聲定位系統(tǒng)，為救護(hù)、反恐提供了有力手段。美國科學(xué)應(yīng)用國際公司采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)筑了一個電子周邊防御系統(tǒng)，可為美國軍方提供軍事防御和情報信息。

中國中科院微系統(tǒng)所主導(dǎo)的團(tuán)隊積極開展基于WSN的電子圍欄技術(shù)的邊境防御系統(tǒng)的研發(fā)和試點，已取得了階段性的成果。

2．公共衛(wèi)生

WSN可用于殘疾人監(jiān)測、病人監(jiān)測、診斷及醫(yī)院藥品管理系統(tǒng)。C.R.Badker等人指出，在公共衛(wèi)生醫(yī)療監(jiān)測中應(yīng)用WSN能提高現(xiàn)有衛(wèi)生和病人的監(jiān)測狀況。他們提出了四種應(yīng)用原型：嬰兒監(jiān)測、聾人提醒、血壓監(jiān)測與追蹤以及消防員身體特征信號監(jiān)測。這些原型采用了SHIMME和T-mote節(jié)點。

在醫(yī)療監(jiān)控方面，美國英特爾公司目前正在研制家庭護(hù)理的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，它是美國“應(yīng)對老齡化社會技術(shù)項目”的一項重要內(nèi)容。另外，在對特殊醫(yī)院(精神類或殘障類)中病人的位置監(jiān)控方面，WSN也有巨大的應(yīng)用潛力。

3．環(huán)境應(yīng)用

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用包括跟蹤生物，如鳥類、小動物和昆蟲的遷移，監(jiān)測影響農(nóng)作物的環(huán)境，以及監(jiān)測大海、土壤及森林火災(zāi)等。美國加利福尼亞州索諾馬縣應(yīng)用WSN研究紅木樹林的現(xiàn)狀，每個傳感器節(jié)點用于測量空氣溫度、相對濕度以及光合有效輻射作用。在樹的不同高度放置節(jié)點，生物學(xué)家可以追蹤紅木樹林小氣候的空間漸變情況，從而驗證其生物學(xué)理論。哈佛大學(xué)MattWelsh等人將傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于火山的監(jiān)測。他們分別于2004年和2005年對厄瓜多爾的Tungurahua和Reventodaor兩座火山進(jìn)行了監(jiān)測。該網(wǎng)絡(luò)由16個傳感器節(jié)點組成，每個傳感器間隔200～400m不等。在19天的觀測中，網(wǎng)絡(luò)觀測到230次火山噴發(fā)和其他事件。在肯尼亞構(gòu)建的ZebraNet系統(tǒng)是一個移動傳感網(wǎng)絡(luò)，用于追蹤動物的遷移。該系統(tǒng)將跟蹤節(jié)點安裝在斑馬的項圈上，目的在于準(zhǔn)確記錄斑馬的位置，用于生物行為分析。在環(huán)境監(jiān)控和精細(xì)農(nóng)業(yè)方面，WSN的應(yīng)用最為廣泛。2002年，英特爾公司率先在俄勒岡建立了世界上第一個無線葡萄園，這是一個典型的精細(xì)農(nóng)業(yè)、智能耕種的實例。杭州齊格科技有限公司與浙江農(nóng)科院合作研發(fā)了遠(yuǎn)程農(nóng)作物管理決策服務(wù)平臺，該平臺利用無線傳感器技術(shù)實現(xiàn)了對農(nóng)田溫室大棚溫度、濕度、露點、光照等環(huán)境信息的監(jiān)測。

4．工業(yè)應(yīng)用

在工業(yè)監(jiān)控方面，美國英特爾公司為俄勒岡的一家芯片制造廠安裝了200臺無線傳感器，用來監(jiān)控部分工廠設(shè)備的振動情況，并在測量結(jié)果超出規(guī)定時提供監(jiān)測報告。西安成峰公司與陜西天和集團(tuán)合作開發(fā)了礦井環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)和礦工井下區(qū)段定位系統(tǒng)。

5．公共事業(yè)領(lǐng)域

在民用安全監(jiān)控方面，英國一家博物館的工作人員利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計了一個報警系統(tǒng)，他們將節(jié)點放在珍貴文物或藝術(shù)品的底部或背面，通過偵測燈光的亮度改變和振動情況，來判斷展覽品的安全狀態(tài)。中科院計算所在故宮博物院實施的文物安全監(jiān)控系統(tǒng)也是WSN技術(shù)在民用安防領(lǐng)域中的典型應(yīng)用。

現(xiàn)代建筑的發(fā)展不僅要求為人們提供更加舒適、安全的房屋和橋梁，而且希望建筑本身能夠?qū)ψ陨淼慕】禒顩r進(jìn)行評估。WSN技術(shù)在建筑結(jié)構(gòu)健康監(jiān)控方面發(fā)揮著重要作用。2004年，哈爾濱工業(yè)大學(xué)在深圳地王大廈實施部署了監(jiān)測環(huán)境噪聲和震動加速度響應(yīng)測試的WSN網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。在智能交通方面，美國交通部提出了“國家智能交通系統(tǒng)項目規(guī)劃”，預(yù)計到2025年全面投入使用。該系統(tǒng)綜合運用大量傳感器網(wǎng)絡(luò)，配合GPS系統(tǒng)、區(qū)域網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)等資源，實現(xiàn)對交通車輛的優(yōu)化調(diào)度，并為個體交通推薦實時的、最佳的行車路線服務(wù)。目前在美國賓夕法尼亞州的匹茲堡市已經(jīng)建有這樣的智能交通信息系統(tǒng)。

以中科院上海微系統(tǒng)所為首的研究團(tuán)隊正在積極開展WSN在城市交通中的應(yīng)用。中科院軟件所在地下停車場基于WSN網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實現(xiàn)了細(xì)粒度的智能車位管理系統(tǒng)，使得停車信息能夠迅速通過發(fā)布系統(tǒng)推送給附近的車輛，大大提高了停車效率。在物流領(lǐng)域中，基于RFID和傳感器節(jié)點在大粒度商品物流管理中已得到了廣泛的應(yīng)用。寧波中科萬通公司與寧波港合作，實現(xiàn)了基于RFID網(wǎng)絡(luò)的集裝箱和卡車的智能化管理。

在智能家居領(lǐng)域中，浙江大學(xué)計算機系的研究人員開發(fā)了一種基于WSN網(wǎng)絡(luò)的無線水表系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)水表的自動抄錄。復(fù)旦大學(xué)、電子科技大學(xué)等單位研制了基于WSN網(wǎng)絡(luò)的智能樓宇系統(tǒng)，其典型結(jié)構(gòu)包括照明控制、警報門禁以及家電控制的PC系統(tǒng)，各部件自治組網(wǎng)，最終由PC將信息發(fā)布到互聯(lián)網(wǎng)上，人們可以通過互聯(lián)網(wǎng)終端對家庭狀況實施監(jiān)測。1.4.2無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)

WSN技術(shù)是多學(xué)科交叉的研究領(lǐng)域，包含眾多研究方向。WSN技術(shù)具有應(yīng)用相關(guān)性，利用通用平臺構(gòu)建的系統(tǒng)都無法達(dá)到最優(yōu)效果。WSN技術(shù)的應(yīng)用定義要求網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點設(shè)備能夠在有限能量(功率)供給下實現(xiàn)對目標(biāo)的長時間監(jiān)控，因此網(wǎng)絡(luò)運行的能量效率是一切技術(shù)元素的優(yōu)化目標(biāo)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的核心關(guān)鍵技術(shù)和關(guān)鍵支撐技術(shù)如下。

1．核心關(guān)鍵技術(shù)

1)組網(wǎng)模式

在確定采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)行應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計后，首先面臨的問題是采用何種組網(wǎng)模式。

(1)扁平組網(wǎng)模式。此模式中所有節(jié)點的角色相同，通過相互協(xié)作完成數(shù)據(jù)的交流和匯聚。最經(jīng)典的定向擴散路由(DirectDiffusion)就是這種組網(wǎng)模式。

(2)基于分簇的層次型組網(wǎng)模式。此模式中的節(jié)點分為普通傳感器節(jié)點和用于數(shù)據(jù)匯聚的簇頭節(jié)點，傳感器節(jié)點將數(shù)據(jù)先發(fā)送到簇頭節(jié)點，然后由簇頭節(jié)點匯聚到后臺。簇頭節(jié)點完成的工作和消耗的能量更多。

(3)網(wǎng)狀網(wǎng)(Mesh)模式。Mesh模式在傳感器節(jié)點形成的網(wǎng)絡(luò)上增加一層固定無線網(wǎng)絡(luò)，用來收集傳感器節(jié)點的數(shù)據(jù)，另一方面實現(xiàn)節(jié)點之間的信息通信以及網(wǎng)內(nèi)融合處理。

(4)移動匯聚模式。此模式使用移動終端收集目標(biāo)區(qū)域的傳感數(shù)據(jù)，并轉(zhuǎn)發(fā)到后端服務(wù)器。采用移動匯聚模式可以提高網(wǎng)絡(luò)的容量，但數(shù)據(jù)的傳遞延遲與移動匯聚節(jié)點的軌跡相關(guān)。如何控制移動終端軌跡和速率是該模式研究的重要目標(biāo)。

2)拓?fù)淇刂?/p>

組網(wǎng)模式?jīng)Q定了網(wǎng)絡(luò)的總體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，但為了實現(xiàn)WSN網(wǎng)絡(luò)的低能耗運行，還需要對節(jié)點連接關(guān)系的時變規(guī)律進(jìn)行細(xì)粒度控制。目前主要的拓?fù)淇刂萍夹g(shù)分為時間控制、空間控制和邏輯控制三種。時間控制是通過控制每個節(jié)點睡眠、工作的占空比，調(diào)度節(jié)點間睡眠起始時間，讓節(jié)點交替工作，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓谟邢薜耐負(fù)浣Y(jié)構(gòu)間切換；空間控制是通過控制節(jié)點發(fā)送功率改變節(jié)點的連通區(qū)域，使網(wǎng)絡(luò)呈現(xiàn)不同的連通形態(tài)，從而獲得控制能耗、提高網(wǎng)絡(luò)容量的效果；邏輯控制是通過鄰居表將不“理想的”節(jié)點排除在外，從而形成更穩(wěn)固、可靠和強健的拓?fù)洹SN技術(shù)中，拓?fù)淇刂频哪康脑谟趯崿F(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的連通(實時連通或機會連通)的同時保證信息的能量高效、可靠地傳輸。

3)媒體訪問控制和鏈路控制

媒體訪問控制(MAC)和鏈路控制解決無線網(wǎng)絡(luò)中普遍存在的沖突和丟失問題，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)流狀態(tài)控制臨近節(jié)點乃至網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點的信道訪問方式和順序，達(dá)到高效利用網(wǎng)絡(luò)容量，減低能耗的目的。要實現(xiàn)拓?fù)淇刂浦械臅r間和空間控制，WSN的MAC層需要配合完成睡眠機制、時分信道分配和空分復(fù)用等功能。

4)路由、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)及跨層設(shè)計

WSN中的數(shù)據(jù)流向與Internet相反：在Internet中，終端設(shè)備主要從網(wǎng)絡(luò)上獲取信息；而在WSN中，終端設(shè)備是向網(wǎng)絡(luò)提供信息。因此，WSN網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議設(shè)計有自己的獨特要求。由于在WSN網(wǎng)絡(luò)中對能量效率的苛刻要求，研究人員通常利用MAC層的跨層服務(wù)信息來進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點、數(shù)據(jù)流向的選擇。另外，網(wǎng)絡(luò)在任務(wù)發(fā)布過程中一般要將任務(wù)信息傳送給所有的節(jié)點，因此設(shè)計能量高效的數(shù)據(jù)分發(fā)協(xié)議也是網(wǎng)絡(luò)層研究的重點。網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)也是提高網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)效率的一項技術(shù)。在分布式存儲網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，一份數(shù)據(jù)往往有不同的代理對其感興趣，網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)通過有效減少網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)，來提高網(wǎng)絡(luò)容量和效率。

5)?QoS保障和可靠性設(shè)計

QoS保障和可靠性設(shè)計技術(shù)是傳感器網(wǎng)絡(luò)走向可用的關(guān)鍵技術(shù)之一。QoS保障技術(shù)包括通信層控制和服務(wù)層控制。傳感器網(wǎng)絡(luò)大量的節(jié)點如果沒有質(zhì)量控制，將很難完成實時監(jiān)測環(huán)境變化的任務(wù)?？煽啃栽O(shè)計技術(shù)的目的是保證節(jié)點和網(wǎng)絡(luò)在惡劣工作條件下長時間工作。節(jié)點計算和通信模塊的失效直接導(dǎo)致節(jié)點脫離網(wǎng)絡(luò)，而傳感模塊的失效則可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)出現(xiàn)畸變，造成網(wǎng)絡(luò)的誤警。如何通過數(shù)據(jù)檢測失效節(jié)點也是關(guān)鍵研究內(nèi)容之一。

6)移動控制模型

隨著WSN組織結(jié)構(gòu)從固定模式向半移動乃至全移動轉(zhuǎn)換，節(jié)點的移動控制模型變得越來越重要。LuoJ.等指出，當(dāng)匯聚節(jié)點沿著網(wǎng)絡(luò)邊緣移動收集時可以最大限度地提高網(wǎng)絡(luò)生命周期；BiY.等提出了多種匯聚點移動策略，根據(jù)每輪數(shù)據(jù)匯聚情況，估計下一輪能夠最大延長網(wǎng)絡(luò)生命周期的匯聚點位置；ButlerZ.等針對事件發(fā)生頻度自適應(yīng)移動節(jié)點的位置，使感知節(jié)點更多地聚集在使事件經(jīng)常發(fā)生的地方，從而分擔(dān)事件匯報任務(wù)，延長網(wǎng)絡(luò)壽命。

2．關(guān)鍵支撐技術(shù)

1)?WSN網(wǎng)絡(luò)的時間同步技術(shù)

時間同步技術(shù)是完成實時信息采集的基本要求，也是提高定位精度的關(guān)鍵手段。常用方法是通過時間同步協(xié)議完成節(jié)點間的對時，通過濾波技術(shù)抑制時鐘噪聲和漂移。最近，利用耦合振蕩器的同步技術(shù)實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)無狀態(tài)自然同步方法也備受關(guān)注，這是一種高效的、可無限擴展的時間同步新技術(shù)。

2)基于WSN的自定位和目標(biāo)定位技術(shù)

定位跟蹤技術(shù)包括節(jié)點自定位和網(wǎng)絡(luò)區(qū)域內(nèi)的目標(biāo)定位跟蹤。節(jié)點自定位是指確定網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點自身位置，這是隨機部署組網(wǎng)的基本要求。GPS技術(shù)是室外慣常采用的自定位手段，但這種技術(shù)成本較高，另一方面在有遮擋的地區(qū)會失效。傳感器網(wǎng)絡(luò)更多采用混合定位方法，即手動部署少量的錨節(jié)點(攜帶GPS模塊)，其他節(jié)點根據(jù)拓?fù)浜途嚯x關(guān)系進(jìn)行間接位置估計。目標(biāo)定位跟蹤通過網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點之間的配合完成對網(wǎng)絡(luò)區(qū)域中特定目標(biāo)的定位和跟蹤，一般建立在節(jié)點自定位的基礎(chǔ)上。

3)分布式數(shù)據(jù)管理和信息融合

分布式動態(tài)實時數(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)部署或者指定一些節(jié)點為代理節(jié)點，代理節(jié)點根據(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。在整個體系中，WSN網(wǎng)絡(luò)被當(dāng)作分布式數(shù)據(jù)庫獨立存在，實現(xiàn)對客觀物理世界的實時和動態(tài)監(jiān)測。

信息融合技術(shù)是指節(jié)點根據(jù)類型、采集時間、地點、重要程度等信息標(biāo)度，通過聚類技術(shù)將收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行本地的融合和壓縮，一方面排除信息冗余，減少網(wǎng)絡(luò)通信開銷，節(jié)省能量；另一方面可以通過貝葉斯推理技術(shù)實現(xiàn)本地的智能決策。

4)?WSN的安全技術(shù)

安全通信和認(rèn)證技術(shù)在軍事、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)新鮮性、廣播認(rèn)證等現(xiàn)有算法存在實現(xiàn)困難的問題。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)計中可能遭到的各種攻擊形式，另一方面設(shè)計安全強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)實需求。

5)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。

6)能量工程

能量工程包括能量的獲取和存儲兩方面。能量獲取主要指將自然環(huán)境的能量轉(zhuǎn)換成節(jié)點可利用的電能，如太陽能、振動能量、地?zé)帷L(fēng)能等。在能量存儲技術(shù)方面，高容量電池技術(shù)是延長節(jié)點壽命，全面提高節(jié)點能力的關(guān)鍵性技術(shù)。納米電池技術(shù)是目前最有希望的技術(shù)之一。1.4.3無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的未來發(fā)展

WSN針對不同的應(yīng)用有不同假設(shè)和需求。目前已經(jīng)提出了一系列協(xié)議，它們有各自的優(yōu)點和適用的環(huán)境，也存在一些不足。而隨著工藝、計算機及其網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，WSN必將得到越來越廣泛的應(yīng)用，迫切需要高效的支撐技術(shù)算法和協(xié)議。下面列舉將來WSN的幾個發(fā)展方向：

(1)能效問題研究是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的熱點研究問題。針對不同應(yīng)用的能效節(jié)點自定位算法、優(yōu)化覆蓋算法、時間同步算法都是值得進(jìn)一步深入研究的問題，以進(jìn)一步提高網(wǎng)絡(luò)的性能，延長網(wǎng)絡(luò)的生命周期。

(2)在高密度網(wǎng)絡(luò)中，需要大范圍時間同步。時間同步可以減少事件碰撞、能量浪費和統(tǒng)一更新。現(xiàn)有的時間同步方案致力于同步網(wǎng)絡(luò)中的局部節(jié)點時鐘以及較少的能量負(fù)擔(dān)。接下來的研究可以更多地關(guān)注最小化長時間的不確定性誤差，提高精度。

(3)WSN中布置了大量的節(jié)點，隨著時間發(fā)展會產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)壓縮、融合和聚合技術(shù)能有效地減少數(shù)據(jù)傳送量。基于事件的壓縮、融合、聚合方案和連續(xù)時間采集網(wǎng)絡(luò)也是具有挑戰(zhàn)性的研究領(lǐng)域。

(4)WSN的安全檢測問題。安全協(xié)議需要能監(jiān)視、檢測，同時能應(yīng)對入侵者的攻擊?，F(xiàn)有的安全協(xié)議多數(shù)是針對網(wǎng)絡(luò)層和數(shù)據(jù)鏈路層的，然而惡意攻擊可能出現(xiàn)在任何層中，不同層的安全檢測是一個值得研究的問題?？鐚拥陌踩珯z測是網(wǎng)絡(luò)安全研究中的又一具有挑戰(zhàn)性的課題。

(5)可擴展性。保證網(wǎng)絡(luò)的可擴展性是WSN的另一項關(guān)鍵需求。由于能消耗盡、節(jié)點故障、通信故障等原因，網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)常常會發(fā)生變化，如果沒有網(wǎng)絡(luò)的可擴展性保證，網(wǎng)絡(luò)的性能就會隨著網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模增加或隨著時間而顯著降低。

(6)WSN有著分層的體系結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致各層的優(yōu)化設(shè)計不能保證整個網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計最優(yōu)。將MAC與路由相結(jié)合進(jìn)行跨層設(shè)計可以有效節(jié)省能量，延長網(wǎng)絡(luò)的壽命。傳感器網(wǎng)絡(luò)的能量管理、低功耗設(shè)計、時間同步和節(jié)點定位方面也可以結(jié)合實際，跨層優(yōu)化設(shè)計。第2章無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議規(guī)范

2.1IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)2.2ZigBee協(xié)議規(guī)范2.3無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議

2.1IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)

2.1.1IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)概述

隨著通信技術(shù)的迅速發(fā)展，人們提出了在人自身附近幾米范圍之內(nèi)通信的需求，由此出現(xiàn)了個人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)(PersonalAreaNetwork，PAN)和無線個人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)WirelessPersonalAreaNetwork，WPAN)的概念。WPAN網(wǎng)絡(luò)為近距離范圍內(nèi)的設(shè)備建立無線連接，把幾米范圍內(nèi)的多個設(shè)備通過無線方式連接在一起，使它們可以相互通信甚至接入LAN或Internet。1998年3月，IEEE802.15工作組致力于WPAN網(wǎng)絡(luò)的物理層(PHY)和媒體訪問層(MAC)的標(biāo)準(zhǔn)化工作，目標(biāo)是為在個人操作空間(PersonalOperatingSpace，POS)內(nèi)相互通信的無線通信設(shè)備提供通信標(biāo)準(zhǔn)。POS一般是指用戶附近10?m左右的空間范圍，在這個范圍內(nèi)用戶可以是固定的，也可以是移動的。

在IEEE802.15工作組內(nèi)有四個任務(wù)組(TaskGroup，TG)，分別制定適合不同應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)。這些標(biāo)準(zhǔn)在傳輸速率、功耗和支持的服務(wù)等方面存在差異。下面是四個任務(wù)組各自的主要任務(wù)：

(1)任務(wù)組TG1：制定IEEE802.15.1標(biāo)準(zhǔn)，又稱藍(lán)牙無線個人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)。這是一個中等速率、近距離的WPAN網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，通常用于手機、PDA(個人數(shù)字助理，俗稱掌上電腦)等設(shè)備的短距離通信。

(2)任務(wù)組TG2：制定IEEE802.15.2標(biāo)準(zhǔn)，研究IEEE802.15.1與IEEE802.11(無線局域網(wǎng)WLAN標(biāo)準(zhǔn))的共存問題。

(3)任務(wù)組TG3：制定IEEE802.15.3標(biāo)準(zhǔn)，研究高傳輸速率無線個人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)主要考慮無線個人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)在多媒體方面的應(yīng)用，以追求更高的傳輸速率與服務(wù)品質(zhì)。

(4)任務(wù)組TG4：制定IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，針對低速無線個人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)(Low-RateWirelessPersonalAreaNetwork，LR-WPAN)制定標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)把低能量消耗、低速率傳

輸、低成本作為重點目標(biāo)，旨在為個人或者家庭范圍內(nèi)不同設(shè)備之間的低速互連提供統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。

任務(wù)組TG4定義的LR-WPAN網(wǎng)絡(luò)的特征與傳感器網(wǎng)絡(luò)有很多相似之處，很多研究機構(gòu)把它作為傳感器的通信標(biāo)準(zhǔn)。

LR-WPAN網(wǎng)絡(luò)是一種結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉的無線通信網(wǎng)絡(luò)，它使得在低電能和低吞吐量的應(yīng)用環(huán)境中使用無線連接成為可能。與WLAN相比，LR-WPAN網(wǎng)絡(luò)只需很少的基礎(chǔ)設(shè)施，甚至不需要基礎(chǔ)設(shè)施。IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)為LR-WPAN網(wǎng)絡(luò)制定了PHY和MAC子層協(xié)議。

IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)定義的LR-WPAN網(wǎng)絡(luò)具有如下特點：

(1)在不同的載波頻率下實現(xiàn)了20?kb/s、40?kb/s和250?kb/s三種不同的傳輸速率；

(2)支持星型和點對點兩種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；

(3)有16位和64位兩種地址格式，其中64位地址是全球唯一的擴展地址；

(4)支持沖突避免的載波多路偵聽技術(shù)(CarrierSenseMultipleAccesswithCollisionAvoidance，CSMA-CA)；

(5)支持確認(rèn)(ACK)機制，保證傳輸可靠性。2.1.2IEEE802.15.4網(wǎng)絡(luò)簡介

IEEE802.15.4網(wǎng)絡(luò)是指在一個POS內(nèi)使用相同無線信道并通過IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)相互通信的一組設(shè)備的集合，又名LR-WPAN網(wǎng)絡(luò)。在這個網(wǎng)絡(luò)中，根據(jù)設(shè)備所具有的通信能力，可以分為全功能設(shè)備(FullFunctionDevice，F(xiàn)FD)和精簡功能設(shè)備(ReducedFunctionDevice，RFD)。FFD設(shè)備之間以及FFD設(shè)備與RFD設(shè)備之間都可以通信。RFD設(shè)備之間不能直接通信，只能與FFD設(shè)備通信，或者通過一個FFD設(shè)備向外轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。這個與RFD相關(guān)聯(lián)的FFD設(shè)備稱為該RFD的協(xié)調(diào)器(Coordinator)。RFD設(shè)備主要用于簡單的控制應(yīng)用，如燈的開關(guān)、被動式紅外線傳感器等，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量較少，對傳輸資源和通信資源占用不多，這樣RFD設(shè)備可以采用非常廉價的實現(xiàn)方案。

IEEE802.15.4網(wǎng)絡(luò)中，有一個稱為PAN網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器(PANCoordinator)的FFD設(shè)備，是LR-WPAN網(wǎng)絡(luò)中的主控制器。PAN網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器除了直接參與應(yīng)用以外，還要完成成員身份管理、鏈路狀態(tài)信息管理以及分組轉(zhuǎn)發(fā)等任務(wù)。

無線通信信道的特征是動態(tài)變化的。節(jié)點位置或天線方向的微小改變、物體移動等周圍環(huán)境的變化都有可能引起通信鏈路信號強度和質(zhì)量的劇烈變化，因而無線通信的覆蓋范圍不是確定的。這就造成了LR-WPAN網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備的數(shù)量以及它們之間關(guān)系的動態(tài)變化。

1．IEEE802.15.4網(wǎng)絡(luò)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星型網(wǎng)絡(luò)，也可以組織成點對點網(wǎng)絡(luò)。在星型結(jié)構(gòu)中，所有設(shè)備都與中心設(shè)備PAN網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器通信。星型網(wǎng)絡(luò)適合家庭自動化、個人計算機的外設(shè)以及個人健康護(hù)理等小范圍的室內(nèi)應(yīng)用。

2．網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的形成過程

雖然網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的形成過程屬于網(wǎng)絡(luò)層的功能，但I(xiàn)EEE802.15.4為形成各種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)提供了充分支持。

1)星型網(wǎng)絡(luò)的形成

星型網(wǎng)絡(luò)以網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器為中心，所有設(shè)備只能與網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器進(jìn)行通信，因此在星型網(wǎng)絡(luò)的形成過程中，第一步就是建立網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器。任何一個FFD設(shè)備都有成為網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的可能，一個網(wǎng)絡(luò)如何確定自己的網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器由上層協(xié)議決定。一種簡單的策略是一個FFD設(shè)備在第一次被激活后，首先廣播查詢網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的請求，如果接收到回應(yīng)，說明網(wǎng)絡(luò)中已經(jīng)存在網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，再通過一系列認(rèn)證過程，設(shè)備就成為了這個網(wǎng)絡(luò)中的普通設(shè)備。如果沒有收到回應(yīng)，或者認(rèn)證過程不成功，這個FFD設(shè)備就可以建立自己的網(wǎng)絡(luò)，并且成為這個網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器。網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器要為網(wǎng)絡(luò)選擇一個唯一的標(biāo)識符，所有該星型網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備都是用這個標(biāo)識符來規(guī)定自己的屬主關(guān)系的。不同星型網(wǎng)絡(luò)之間的設(shè)備通過設(shè)置專門的網(wǎng)關(guān)完成相互通信。選擇一個標(biāo)識符后，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器就允許其他設(shè)備加入自己的網(wǎng)絡(luò)，并為這些設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)分組。

星型網(wǎng)絡(luò)中的兩個設(shè)備如果需要互相通信，就需要先把各自的數(shù)據(jù)包發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，然后由網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器轉(zhuǎn)發(fā)給對方。

2)點對點網(wǎng)絡(luò)的形成

點對點網(wǎng)絡(luò)中，任意兩個設(shè)備只要能夠彼此收到對方的無線信號，就可以進(jìn)行直接通信，不需要其他設(shè)備的轉(zhuǎn)發(fā)。但點對點網(wǎng)絡(luò)中仍然需要一個網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，不過該協(xié)調(diào)器的功能不再是為其他設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，而是完成設(shè)備注冊和訪問控制等基本的網(wǎng)絡(luò)管理功能。網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的產(chǎn)生同樣由上層協(xié)議規(guī)定，比如把某個信道上第一個開始通信的設(shè)備作為該信道上的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議器。簇樹網(wǎng)絡(luò)是點對點網(wǎng)絡(luò)的一個例子，下面以簇樹網(wǎng)絡(luò)為例描述點到點網(wǎng)絡(luò)的形成過程。在簇樹網(wǎng)絡(luò)中，絕大多數(shù)設(shè)備是FFD設(shè)備，而RFD設(shè)備總是作為簇樹的葉設(shè)備連接到網(wǎng)絡(luò)中。任意一個FFD都可以充當(dāng)RFD協(xié)調(diào)器或者網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，為其他設(shè)備提供同步信息。在這些協(xié)調(diào)器中，只有一個可以充當(dāng)整個點對點網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器。網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器可能和網(wǎng)絡(luò)中其他設(shè)備一樣，也可能擁有比其他設(shè)備更多的計算資源和能量資源。網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器首先將自己設(shè)為簇頭(ClusterHeader，CLH)，并將簇標(biāo)識符(ClusterIdentifier，CID)設(shè)置為0，同時為該簇選擇一個未被使用的PAN網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識符，形成網(wǎng)絡(luò)中的第一個簇。接著網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器開始廣播信標(biāo)幀。鄰近設(shè)備收到信標(biāo)幀后，就可以申請加入該簇。設(shè)備可否成為簇成員，由網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器決定。如果請求被允許，則該設(shè)備將作為簇的子設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的鄰居列表。新加入的設(shè)備會將簇頭作為它的父設(shè)備加入到自己的鄰居列表中。2.1.3IEEE802.15.4網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧

IEEE802.15.4網(wǎng)絡(luò)協(xié)議?；陂_放系統(tǒng)互連(OSI)模型，每一層都實現(xiàn)一部分通信功能，并向高層提供服務(wù)。

IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)只定義了物理層PHY和介質(zhì)訪問控制MAC子層協(xié)議。PHY層由射頻收發(fā)器以及底層的控制模塊構(gòu)成。MAC子層為高層訪問物理信道提供點到點通信的服務(wù)接口。

MAC子層以上的幾個層次，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子層接入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)。

1．物理層

物理層定義了物理無線信道和MAC子層之間的接口，提供物理層數(shù)據(jù)服務(wù)和物理層管理服務(wù)。物理層數(shù)據(jù)服務(wù)從無線物理信道上收發(fā)數(shù)據(jù)，物理層管理服務(wù)維護(hù)一個由物理層相關(guān)數(shù)據(jù)組成的數(shù)據(jù)庫。

物理層數(shù)據(jù)服務(wù)包括以下五方面的功能：

(1)激活和休眠射頻收發(fā)器；

(2)信道能量檢測(EnergyDetect)；

(3)檢測接收數(shù)據(jù)包的鏈路質(zhì)量指示(LinkQualityIndication，LQI)；

(4)空閑信道評估(ClearChannelAssessment，CCA)；

(5)收發(fā)數(shù)據(jù)。信道能量檢測為網(wǎng)絡(luò)層提供信道選擇依據(jù)。它主要測量目標(biāo)信道中接收信號的功率強度，這個檢測本身不進(jìn)行解碼操作，檢測結(jié)果是有效信號功率和噪聲信號功率之和。

鏈路質(zhì)量指示為網(wǎng)絡(luò)層或應(yīng)用層提供接收數(shù)據(jù)幀時無線信號的強度和質(zhì)量信息，與信道能量檢測不同的是，它要對信號進(jìn)行解碼，生成的是一個信噪比指標(biāo)。這個信噪比指標(biāo)和物理層數(shù)據(jù)單元一道提交給上層處理?？臻e信道評估判斷信道是否空閑。IEEE802.15.4定義了三種空閑信道評估模式：第一種是簡單判斷信道的信號能量，當(dāng)信號能量低于某一門限值就認(rèn)為信道空閑；第二種是判斷無線信號的特征，這個特征主要包括兩方面，即擴頻信號特征和載波頻率；第三種模式是前兩種模式的綜合，即同時檢測信號強度和信號特征，給出信道空閑判斷。

1)物理層的幀結(jié)構(gòu)

物理幀第一個字段是四個字節(jié)的前導(dǎo)碼，收發(fā)器在接收前導(dǎo)碼期間，會根據(jù)前導(dǎo)碼序列的特征完成片同步和符號同步。幀起始分隔符(Start-of-Delimiter，SFD)字段長度為一個字節(jié)，其值固定為0xA7，標(biāo)識一個物理幀的開始。收發(fā)器接收完前導(dǎo)碼后只能做到數(shù)據(jù)的位同步，通過搜索SFD字段的值0xA7才能同步到字節(jié)上。幀長度由一個字節(jié)的低7位表示，其值就是物理幀負(fù)載的長度，因此物理幀負(fù)載的長度不會超過127個字節(jié)。物理幀的負(fù)載長度可變，稱之為物理層服務(wù)數(shù)據(jù)單元(PHYServiceDataUnit，PSDU)，一般用來承載MAC幀。

2)物理層的載波調(diào)制

PHY層定義了三個載波頻段用于收發(fā)數(shù)據(jù)。在這三個頻段上發(fā)送數(shù)據(jù)使用的速率、信號處理過程以及調(diào)制方式等方面存在一些差異。三個頻段總共提供了27個信道(Channel)：868?MHz頻段1個信道，915?MHz頻段10個信道，2450?MHz頻段16個信道。

在868?MHz和915?MHz這兩個頻段上，信號處理過程相同，只是數(shù)據(jù)速率不同。處理過程是首先將物理層協(xié)議數(shù)據(jù)單元(PHYProtocolDataUnit，PPDU)的二制數(shù)據(jù)差分編碼，然后再將差分編碼后的每一個位轉(zhuǎn)換為長度為15的片序列(ChipSequence)，最后由二相移相鍵控BPSK(BinaryPhaseShiftKeying)調(diào)制到信道上。

3)?2.4?GHz頻段

2.4?GHz是工作在ISM頻段的一個頻段。ISM頻段是工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)用頻段。一般來說，世界各國均保留了一些無線頻段，以用于工業(yè)、科學(xué)研究和微波醫(yī)療方面的應(yīng)用。應(yīng)用這些頻段無需許可證，只需要遵守一定的發(fā)射功率(一般低于1?W)，并且不要對其他頻段造成干擾即可。ISM頻段在各國的規(guī)定并不統(tǒng)一，而2.4?GHz為各國共同的ISM頻段。因此，無線局域網(wǎng)(IEEE802.11b/IEEE802.11g)、藍(lán)牙、ZigBee等無線網(wǎng)絡(luò)均可工作在2.4?GHz頻段上。一般所謂的2.4?G無線技術(shù)，指其頻段處于2.405～2.485?GHz(科學(xué)、醫(yī)藥、農(nóng)業(yè))，所以簡稱為2.4?G無線技術(shù)。

2．MAC子層

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LLC(LogicalLinkControl，邏輯鏈路控制)和MAC(MediaAccessControl，媒介接入控制)兩個子層。MAC子層使用物理層提供的服務(wù)實現(xiàn)設(shè)備之間的數(shù)據(jù)幀傳輸，而LLC在MAC子層的基礎(chǔ)上，在設(shè)備間提供面向連接和非連接的服務(wù)。

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)(MACSublayerManagementEntity，MLME)。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)一個存儲MAC子層協(xié)議狀態(tài)相關(guān)信息的數(shù)據(jù)庫。

MAC子層的主要功能包括以下六個方面：

(1)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)支持PAN網(wǎng)絡(luò)的關(guān)聯(lián)(Association)和取消關(guān)聯(lián)(Disassociation)操作；

(3)支持無線信道通信安全；

(4)使用CSMA-CA機制訪問信道；

(5)支持時隙保障(GuaranteedTimeSlot，GTS)機制；

(6)支持不同設(shè)備的MAC子層間可靠傳輸。關(guān)聯(lián)操作是指一個設(shè)備在加入一個特定網(wǎng)絡(luò)時，向協(xié)調(diào)器注冊和身份認(rèn)證的過程。LR-WPAN網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備有可能從一個網(wǎng)絡(luò)切換到另一個網(wǎng)絡(luò)，這時就需要進(jìn)行關(guān)聯(lián)和取消關(guān)聯(lián)操作。

時隙保障機制和時分復(fù)用(TimeDivisionMultipleAccess，TDMA)機制相似，但它可以動態(tài)地為有收發(fā)請求的設(shè)備分配時隙。使用時隙保障機制需要設(shè)備間的時間同步，IEEE802.15.4中的時間同步通過下面介紹的“超幀”機制實現(xiàn)。

1)超幀

在IEEE802.15.4中，LR-WPAN標(biāo)準(zhǔn)中允許使用超幀結(jié)構(gòu)，超幀格式由協(xié)調(diào)器定義。每個超幀都以網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器發(fā)出信標(biāo)幀(Beacon)為始，在這個信標(biāo)幀中包含了超幀將持續(xù)的時間以及對這段時間的分配等信息。網(wǎng)絡(luò)中普通設(shè)備接收到超幀開始時的信標(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)直到這個超幀結(jié)束。

超幀將通信時間劃分為活躍和不活躍兩個部分。在不活躍期間，PAN網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備不會相互通信，從而可以進(jìn)入休眠狀態(tài)以節(jié)省能量。超幀的活躍期間劃分為三個階段：信標(biāo)幀發(fā)送時段、競爭訪問時段(ContentionAccessPeriod，CAP)和非競爭訪問時段(Contention

FreePeriod，CFP)。超幀的活躍部分被劃分為16個等長的時隙，每個時隙的長度、競爭訪問時段包含的時隙數(shù)等參數(shù)都由協(xié)調(diào)器設(shè)定，并通過超幀開始時發(fā)出的信標(biāo)幀廣播到整個網(wǎng)絡(luò)。在超幀的競爭訪問時段，IEEE802.15.4網(wǎng)絡(luò)設(shè)備使用帶時隙的CSMA-CA訪問機制，并且任何通信都必須在競爭訪問時段結(jié)束前完成。在非競爭時段，協(xié)調(diào)器根據(jù)上一個超幀PAN網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備申請GTS的情況，將非競爭時段劃分成若干個GTS。每個GTS由若干時隙組成，時隙數(shù)目在設(shè)備申請GTS時指定。如果申請成功，申請設(shè)備就擁有了它指定的時隙數(shù)目。每個GTS中的時隙都指定分配給了時隙申請設(shè)備，因而不需要競爭信道。IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)要求任何通信都必須在自己分配的GTS內(nèi)完成。超幀中規(guī)定非競爭時段必須跟在競爭時段后面。競爭時段的功能包括網(wǎng)絡(luò)設(shè)備可以自由收發(fā)數(shù)據(jù)，域內(nèi)設(shè)備向協(xié)調(diào)者申請GTS時段，新設(shè)備加入當(dāng)前PAN網(wǎng)絡(luò)等。非競爭階段由協(xié)調(diào)者指定的設(shè)備發(fā)送或者接收數(shù)據(jù)包。如果某個設(shè)備在非競爭時段一直處在接收狀態(tài)，那么擁有GTS使用權(quán)的設(shè)備就可以在GTS階段直接向該設(shè)備發(fā)送信息。超幀由協(xié)調(diào)器發(fā)送并受網(wǎng)絡(luò)信標(biāo)的限制，如圖2.1和圖2.2所示。超幀分為16個大小相同的時隙，第?1?個時隙是用來傳輸信標(biāo)幀的，后面15個時隙是競爭接入期(ContentionAccessPeriod，CAP)，這16個時隙組成了超幀結(jié)構(gòu)。而最后一個時隙也是傳輸信標(biāo)幀，但是屬于下一個超幀結(jié)構(gòu)。超幀的第一個時隙用來傳輸信標(biāo)幀。如果協(xié)調(diào)器不希望使用超幀結(jié)構(gòu)，它就不發(fā)送信標(biāo)。

圖2.1無GTS的超幀結(jié)構(gòu)圖2.2有GTS的超幀結(jié)構(gòu)信標(biāo)在網(wǎng)絡(luò)中用于設(shè)備之間的同步、區(qū)分PAN和描述超幀結(jié)構(gòu)。

任何設(shè)備想要在兩個信標(biāo)之間的競爭接入期進(jìn)行通信，就必須同其他設(shè)備采用時隙免沖突載波檢測多路接入CSMA-CA機制進(jìn)行競爭，所有的處理必須在下一個網(wǎng)絡(luò)信標(biāo)到達(dá)之前完成。超幀有活動和不活動部分(網(wǎng)絡(luò)休眠區(qū)和網(wǎng)絡(luò)活動區(qū))。在不活動部分，協(xié)調(diào)器與PAN之間不能發(fā)生聯(lián)系，并進(jìn)入低功耗模式。對于應(yīng)用于低延遲或需要在特定數(shù)據(jù)帶寬的情況下，PAN協(xié)調(diào)器可以用活動超幀的一部分來實現(xiàn)，這部分稱為保證時隙(GTS)。保證時隙(可有多個)形成了非競爭期(CFP)，它始終出現(xiàn)在CAP之后和活動超幀之前。PAN協(xié)調(diào)器可分配七個GTS，而每個GTS時間不少于一個時隙。CAP的有效部分應(yīng)當(dāng)保留，以使基于競爭的其他網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和新設(shè)備能接入網(wǎng)絡(luò)。所有基于競爭的傳輸應(yīng)當(dāng)在CFP開始之前完成，同時每個工作在GTS時期的設(shè)備應(yīng)當(dāng)確保它的傳輸在下一個GTS開始和CFP結(jié)束之前完成。下面介紹幾個概念：

GTS(保證時隙)：是活動超幀的一部分，為實現(xiàn)一些特殊應(yīng)用開辟的。

CAP(競爭接入期)：任何設(shè)備想在此時通信，必須采用CSMA-CA競爭機制。

CFP(非競爭期)：由GTS組成，這段時期內(nèi)不需要競爭。

2)數(shù)據(jù)傳輸模型

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，因為數(shù)據(jù)只在協(xié)調(diào)器和設(shè)備之間交換；而在點對點拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)中，三種數(shù)據(jù)傳輸方式都存在。

LR-WPAN網(wǎng)絡(luò)中，有兩種通信模式可供選擇：信標(biāo)使能通信和信標(biāo)不使能通信。

在信標(biāo)使能的通信網(wǎng)絡(luò)中，PAN網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器定時廣播信標(biāo)幀。信標(biāo)幀表示超幀的開始。設(shè)備之間通信使用基于時隙的CSMA-CA信道訪問機制，PAN網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備都通過協(xié)調(diào)器發(fā)送的信標(biāo)幀進(jìn)行同步。在時隙CSMA-CA機制下，每當(dāng)設(shè)備需要發(fā)送數(shù)據(jù)幀或命令幀時，它首先定位下一個時隙的邊界，然后等待隨機的數(shù)個時隙。等待完畢后，設(shè)備開始檢測信道狀態(tài)。如果信道忙，設(shè)備需要重新等待隨機的數(shù)個時隙，再檢查信道狀態(tài)，重復(fù)這個過程直到有空閑信道出現(xiàn)。在這種機制下，確認(rèn)幀的發(fā)送不需要使用CSMA-CA機制，而是緊跟著接收幀發(fā)送回源設(shè)備。在信標(biāo)不使能的通信網(wǎng)絡(luò)中，PAN網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器不發(fā)送信標(biāo)幀，各個設(shè)備使用非分時隙的CSMA-CA機制訪問信道。該機制的通信過程為：每當(dāng)設(shè)備需要發(fā)送數(shù)據(jù)或者發(fā)送MAC命令時，它首先等候一段隨機長的時間，然后開始檢測信道狀態(tài)。如果信道空閑，該設(shè)備立即開始發(fā)送數(shù)據(jù)；如果信道忙，設(shè)備需要重復(fù)上面的等待一段隨機時間和檢測信道狀態(tài)的過程，直到能夠發(fā)送數(shù)據(jù)。在設(shè)備接收到數(shù)據(jù)幀或命令幀而需要回應(yīng)確認(rèn)幀的時候，確認(rèn)幀應(yīng)緊跟著接收幀發(fā)送，而不使用CSMA-CA機制競爭信道。

3)?MAC子層幀結(jié)構(gòu)

MAC子層幀結(jié)構(gòu)的設(shè)計目標(biāo)是用最低復(fù)雜度實現(xiàn)在多噪聲無線信道環(huán)境下的可靠數(shù)據(jù)傳輸。每個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、幀序列號和地址信息組成。MAC子層負(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校驗序列。在MAC子層中設(shè)備地址有兩種格式：16位(兩個字節(jié))的短地址和64位(8個字節(jié))的擴展地址。16位短地址是設(shè)備與PAN網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器關(guān)聯(lián)時，由協(xié)調(diào)器分配的網(wǎng)內(nèi)局部地址；64位擴展地址是全球唯一地址，在設(shè)備進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)之前就分配好了。16位短地址只能保證在PAN網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部是唯一的，所以在使用16位短地址通信時需要結(jié)合16位的PAN網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識符才有意義。兩種地址類型的地址信息的長度是不同的，從而導(dǎo)致MAC幀頭的長度也是可變的。一個數(shù)據(jù)幀使用哪種地址類型由幀控制字段的內(nèi)容指示。在幀結(jié)構(gòu)中沒有表示幀長度的字段，這是因為在物理層的幀里面有表示MAC幀長度的字段，MAC負(fù)載長度可以通過物理層幀長和MAC幀頭的長度計算出來。

IEEE802.15.4網(wǎng)絡(luò)共定義了四種類型的幀：信標(biāo)幀、數(shù)據(jù)幀、應(yīng)答幀和MAC命令幀。

(1)信標(biāo)幀。信標(biāo)幀MPDU由MAC子層產(chǎn)生。在信標(biāo)網(wǎng)絡(luò)中，協(xié)調(diào)器通過向網(wǎng)絡(luò)中的所有從設(shè)備發(fā)送信標(biāo)幀，以保證這些設(shè)備能夠與協(xié)調(diào)器同步(同步工作和同步休眠)，以達(dá)到網(wǎng)絡(luò)功耗最低(非信標(biāo)模式只允許ZE(ZigBeeEndDevice，ZigBee終端節(jié)點)進(jìn)行周期性休眠，ZC(ZigBeeCoordinator，協(xié)調(diào)點)和所有ZR(ZigBeeRouter，ZigBee路由節(jié)點)必須長期處于工作狀態(tài))。信標(biāo)幀結(jié)構(gòu)如圖2.3所示。圖2.3信標(biāo)幀結(jié)構(gòu)其中，MHR是MAC層幀頭；MSDU是MAC層服務(wù)數(shù)據(jù)單元，表示MAC層載荷；MFR是MAC層幀尾。這三部分共同構(gòu)成了MAC層協(xié)議數(shù)據(jù)單元(MPDU)。MFR中包含16位幀校驗序列(FCS)。當(dāng)MAC層協(xié)議數(shù)據(jù)單元被發(fā)送到物理層時，它便成為了物理層服務(wù)數(shù)據(jù)單元(PSDU)。如果在PSDU前面加上一個物理層幀頭(PHR)便可構(gòu)成物理層協(xié)議數(shù)據(jù)單元(PPDU)。如果再加上一個同步幀頭(SHR)，則這個數(shù)據(jù)包便成為最終在空氣中傳播的數(shù)據(jù)包。信標(biāo)幀結(jié)構(gòu)中各單元的名詞解釋如下：

MSDU=超幀域?+?未處理數(shù)據(jù)地址域?+?地址列表域?+?信標(biāo)凈荷域；

MHR=幀控制域?+?信標(biāo)序列號?+?尋址信息域；

MFR=16?bit的幀校驗序列FCS；

MPDU=MHR+MSDU+MFR；

MAC協(xié)議數(shù)據(jù)單元?=?MAC幀頭?+?MAC服務(wù)數(shù)據(jù)單元?+?MAC幀尾；

PPDU=PHR+PSDU+PFR；

物理層協(xié)議數(shù)據(jù)單元?=?物理層幀頭?+?物理層數(shù)據(jù)單元?+?物理層幀尾；

空氣中最終傳播的數(shù)據(jù)包?=?PPDU?+?同步幀頭SHR。

信標(biāo)幀的負(fù)載數(shù)據(jù)單元由四部分組成：超幀描述字段、GTS分配字段、待轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)目標(biāo)地址字段和信標(biāo)幀負(fù)載數(shù)據(jù)。

①信標(biāo)幀中超幀描述字段規(guī)定了這個超幀的持續(xù)時間、活躍部分持續(xù)時間以及競爭訪問時段持續(xù)時間等信息。

②GTS分配字段將無競爭時段劃分為若干GTS，并把每個GTS具體分配給某個設(shè)備。③轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)目標(biāo)地址列出了與協(xié)調(diào)者保存的數(shù)據(jù)相對應(yīng)的設(shè)備地址。一個設(shè)備如果發(fā)現(xiàn)自己的地址出現(xiàn)在待轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)目標(biāo)地址字段里，則意味著協(xié)調(diào)器存有屬于它的數(shù)據(jù)，所以它就會向協(xié)調(diào)器發(fā)出請求傳送數(shù)據(jù)的MAC命令幀。

④信標(biāo)幀負(fù)載數(shù)據(jù)為上層協(xié)議提供數(shù)據(jù)傳輸接口。例如，在使用安全機制時，這個負(fù)載域?qū)⒏鶕?jù)被通信設(shè)備設(shè)定的安全通信協(xié)議填入相應(yīng)的信息。通常情況下，這個字段可以忽略。

在信標(biāo)不使能網(wǎng)絡(luò)里，協(xié)調(diào)器在其他設(shè)備的請求下也會發(fā)送信標(biāo)幀。此時信標(biāo)幀的功能是輔助協(xié)調(diào)器向設(shè)備傳輸數(shù)據(jù)，整個幀只有待轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)目標(biāo)地址字段有意義。

(2)數(shù)據(jù)幀。數(shù)據(jù)幀用來傳輸上層(應(yīng)用層)發(fā)到MAC子層的數(shù)據(jù)，它的負(fù)載字段包含了上層需要傳送的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)負(fù)載傳送至MAC子層時，被稱為MAC服務(wù)數(shù)據(jù)單元(MSDU)。通過添加MAC層幀頭信息和幀尾，便形成了完整的MAC數(shù)據(jù)幀MPDU，其幀結(jié)構(gòu)如圖2.4所示。

MAC幀傳送至物理層后，就成為了物理幀的負(fù)載PSDU。PSDU在物理層被“包裝”，其首部增加了同步信息SHR和幀長度字段PHR字段。同步信息SHR包括用于同步的前導(dǎo)碼和SFD字段，它們都是固定值。幀長度字段的PHR標(biāo)識了MAC幀的長度，為一個字節(jié)長而且只有其中的低7位有效位，所以MAC幀的長度不會超過127個字節(jié)。圖2.4數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)中各單元的名詞解釋如下：

應(yīng)用層生成要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)→逐層數(shù)據(jù)處理→MSDU→添加MHR、MFR→MPDU→PSDU→添加SHR、PHR→PPDU；

SHR?=?前導(dǎo)碼序列?+?SFD域；

PHR?=?PSDU長度值。

(3)應(yīng)答幀。應(yīng)答幀由MAC子層發(fā)起。為了保證設(shè)備之間通信的可靠性，發(fā)送設(shè)備通常要求接收設(shè)備在接收到正確的幀信息后返回一個應(yīng)答幀，向發(fā)送設(shè)備表示已經(jīng)正確地接收了相應(yīng)的信息。其幀結(jié)構(gòu)如圖2.5所示。MAC子層應(yīng)答幀由MHR和MFR組成。MHR包括MAC幀控制域和數(shù)據(jù)序列號；MFR由16?bit的FCS組形成。

同樣，MPDU傳到物理層就形成了物理應(yīng)答幀的凈載荷，即PSDU。在PSDU前面加上SHR和PHR就形成了PPDU。其中，SHR由前導(dǎo)碼序列和SFD域構(gòu)成，PHR由PSDU的長度值域構(gòu)成。圖2.5應(yīng)答幀結(jié)構(gòu)

(4)?MAC命令幀。MAC命令幀由MAC子層發(fā)起。在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中，為了對設(shè)備的工作狀態(tài)進(jìn)行控制，同網(wǎng)絡(luò)中的其他設(shè)備進(jìn)行通信，MAC層將根據(jù)命令類型生成相應(yīng)的命令幀。其幀結(jié)構(gòu)如圖2.6所示。圖2.6命令幀結(jié)構(gòu)命令幀結(jié)構(gòu)中各單元的名詞解釋如下：

MSDU=命令類型域?+?數(shù)據(jù)域(命令凈載荷)；

MHR=MAC幀控制域?+?數(shù)據(jù)序列號?+?尋址信息域；

MFR=16?bitFCS；

MPDU=MHR?+?MSDU?+?MFR。

同樣，MPDU傳到物理層就形成了物理層命令幀的凈載荷，即PSDU。在PSDU前面加上SHR和PHR就形成了PPDU。其中，SHR由前導(dǎo)碼序列(保證接收機和符號同步)和SFD域構(gòu)成，PHR由PSDU的長度值域構(gòu)成。2.1.4IEEE802.15.4的安全服務(wù)

IEEE802.15.4提供的安全服務(wù)是在應(yīng)用層已經(jīng)提供密鑰的情況下的對稱密鑰服務(wù)。密鑰的管理和分配都由上層協(xié)議負(fù)責(zé)。這種機制提供的安全服務(wù)基于這樣一個假定：密鑰的產(chǎn)生、分配和存儲都在安全模式下進(jìn)行。在IEEE802.15.4中，以MAC幀為單位提供了四種幀安全服務(wù)，為了適用各種不同的應(yīng)用，設(shè)備可以在三種安全模式下進(jìn)行選擇。

1．幀安全

MAC子層可以為輸入輸出的MAC幀提供安全服務(wù)。提供的安全服務(wù)主要包括四種：訪問控制、數(shù)據(jù)加密、幀完整性檢查和順序更新。

訪問控制提供的安全服務(wù)是確保一個設(shè)備只和它愿意通信的設(shè)備通信。在這種方式下，設(shè)備需要維護(hù)一個列表，記錄它希望與之通信的設(shè)備。

數(shù)據(jù)加密服務(wù)使用對稱密鑰來保護(hù)數(shù)據(jù)，防止第三方直接讀取數(shù)據(jù)幀信息。在LR-WPAN網(wǎng)絡(luò)中，信標(biāo)幀、命令幀和數(shù)據(jù)幀的負(fù)載均可使用加密服務(wù)。幀完整性檢查通過一個不可逆的單向算法對整個MAC幀運算，生成一個消息完整性代碼，并將其附加在數(shù)據(jù)包的后面發(fā)送。接收方式用同樣的過程對MAC幀進(jìn)行運算，對比運算結(jié)果和發(fā)送端給出的結(jié)果是否一致，以此判斷數(shù)據(jù)幀是否被第三方修改。信標(biāo)幀、數(shù)據(jù)幀和命令幀均可使用幀完整性檢查保護(hù)。

順序更新使用一個有序編號避免幀重發(fā)攻擊。接收到一個數(shù)據(jù)幀后，新編號要與最后一個編號進(jìn)行比較。如果新編號比最后一個編號新，則校驗通過，編號更新為最新的；反之，校驗失敗。這項服務(wù)可以保證收到的數(shù)據(jù)是最新的，但不提供嚴(yán)格的與上一幀數(shù)據(jù)之間的時間間隔信息。

2．安全模式

在LR-WPAN網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備可以根據(jù)自身需要選擇不同的安全模式：無安全模式、ACL模式和安全模式。

無安全模式是MAC子層默認(rèn)的安全模式。處于這種模式下的設(shè)備不對接收到的幀進(jìn)行任何安全檢查。當(dāng)某個設(shè)備接收到一個幀時，只檢查幀的目的地址。如果目的地址是本設(shè)備地址或廣播地址，這個幀就會轉(zhuǎn)發(fā)給上層，否則丟棄。在設(shè)備被設(shè)置為混雜模式的情況下，它會向上層轉(zhuǎn)發(fā)接收到的幀。訪問控制列表模式為通信提供了訪問控制服務(wù)。高層可以通過設(shè)置MAC子層的ACL條目指示MAC子層根據(jù)源地址過濾接收到的幀。因此這種方式下MAC子層沒有提供加密保護(hù)，高層有必要采取其他機制來保證通信的安全。

安全模式對接收或發(fā)送的幀提供全部的四種安全服務(wù)：訪問控制、數(shù)據(jù)加密、幀完整性檢查和順序更新。

2.2ZigBee協(xié)議規(guī)范

2.2.1ZigBee協(xié)議概述

ZigBee的基礎(chǔ)是IEEE802.15.4，這是IEEE無線個人區(qū)域網(wǎng)(PAN)工作組的一項標(biāo)準(zhǔn)，被稱作IEEE802.15.4(ZigBee)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

ZigBee使用直接序列擴頻技