《物聯(lián)網(wǎng)工程及應(yīng)用》課件第5章

第5章無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議規(guī)范與通信技術(shù)5.1IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)

5.2IEEE802.15.4網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

5.3ZigBee協(xié)議規(guī)范

5.4無線傳感器網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)5.5無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的開發(fā)與應(yīng)用5.6無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用5.7本章小結(jié)

5.1IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)

IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)是低速無線個(gè)域網(wǎng)(LowRateWirelessPersonalAreaNetwork，LR-WPAN)進(jìn)行短距離無線通信的IEEE標(biāo)準(zhǔn)。美國(guó)電氣和電子工程師協(xié)會(huì)(InstituteofElectricalandElectronicsEngineers，IEEE)于2002年開始研究制定該標(biāo)準(zhǔn)——IEEE802.15.4。IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了在個(gè)域網(wǎng)中設(shè)備之間的無線通信協(xié)議和接口。該標(biāo)準(zhǔn)把低能量消耗、低速率傳輸、低成本作為重點(diǎn)目標(biāo)。

IEEE802.15.4定義的低速無線個(gè)域網(wǎng)具有如下特點(diǎn)：

(1)在不同的載波頻率下實(shí)現(xiàn)了20Kb/s、40Kb/s和250Kb/s三種不同傳輸速率；

(2)支持星型和點(diǎn)對(duì)點(diǎn)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(kuò)展地址；

(4)支持沖突避免的載波多路偵聽技術(shù)(CSMA/CA)；

(5)支持確認(rèn)(ACK)機(jī)制，保證傳輸可靠性。

5.2IEEE802.15.4網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

IEEE802.15.4網(wǎng)絡(luò)是指在一個(gè)個(gè)人操作空間(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。在這個(gè)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(jiǎn)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(gè)FFD設(shè)備向外發(fā)送數(shù)據(jù)。這個(gè)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(jiǎn)單的控制，其傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量少，對(duì)傳輸資源和通信資源占用有限，在費(fèi)用有限的實(shí)現(xiàn)方案中可以使用它。在IEEE802.15.4網(wǎng)絡(luò)中，有一個(gè)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)。圖5-1所示為IEEE802.15.4網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)示例，給出了網(wǎng)絡(luò)中各種設(shè)備的類型以及它們?cè)诰W(wǎng)絡(luò)中所處的地位。圖5-1IEEE802.15.4網(wǎng)絡(luò)組件及拓?fù)潢P(guān)系無線通信信道的特性是動(dòng)態(tài)變化的，節(jié)點(diǎn)位置或天線方向的變化、物體移動(dòng)等周圍環(huán)境的變化都有可能引起通信鏈路信號(hào)強(qiáng)度和質(zhì)量的劇烈變化，因此無線通信的覆蓋范圍是不確定的。這就造成IEEE802.15.4網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的數(shù)量以及它們之間關(guān)系的動(dòng)態(tài)變化。

IEEE802.15.4通信協(xié)議主要描述和定義物理層和MAC層的標(biāo)準(zhǔn)，換言之，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規(guī)定了物理層(PHY)和媒體接入控制亞層(MAC)與固定、便攜式及移動(dòng)設(shè)備之間的低數(shù)據(jù)率無線連接的規(guī)范。根據(jù)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特性，上述這些設(shè)備都沒有電池，而且電池電量和功耗要求都很小，一般在數(shù)十米的較小空間內(nèi)運(yùn)行。

IEEE802.15.4的物理層是實(shí)現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信架構(gòu)的基礎(chǔ)。IEEE802.15.4的MAC層用來處理所有對(duì)物理層的訪問，并負(fù)責(zé)完成信標(biāo)的同步、支持個(gè)域網(wǎng)絡(luò)關(guān)聯(lián)和去關(guān)聯(lián)、提供MAC實(shí)體間的可靠連接、執(zhí)行信道接入的CSMA/CA機(jī)制等任務(wù)。

IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)也采用了滿足國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織(ISO)開放系統(tǒng)互連(OSI)參考模型的分層結(jié)構(gòu)，定義了單一的MAC層和多樣的物理層，如圖5-2所示。圖5-2IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)體系層次圖5.2.1物理層

物理層定義了無線信道和MAC子層之間的接口，提供物理層數(shù)據(jù)傳輸和物理層管理服務(wù)。物理層數(shù)據(jù)服務(wù)是從無線物理信道上收發(fā)數(shù)據(jù)，物理層管理服務(wù)包括信道能量監(jiān)測(cè)(EnergyDetect，ED)，鏈接質(zhì)量指示(LinkQualityIndication,LQI)和空閑信道評(píng)估(ClearChannelAssessment，CCA)等，其模型如圖5-3所示。其中，RF-SAP是由驅(qū)動(dòng)程序提供的接口，PD-SAP是物理層提供的介質(zhì)訪問層(MAC)的數(shù)據(jù)服務(wù)接口，PLME-SAP是物理層給MAC層提供管理服務(wù)的接口。IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定物理層主要有以下功能：

(1)激活或使無線收發(fā)器休眠；

(2)對(duì)當(dāng)前信道進(jìn)行能量檢測(cè)；

(3)發(fā)送鏈路質(zhì)量指示；

(4)?CSMA/CA媒質(zhì)訪問控制方式的空閑信道評(píng)估；

(5)信道頻率的選擇；

(6)數(shù)據(jù)接收與發(fā)送。

信道能量檢測(cè)為上層提供信道選擇的依據(jù)，主要是測(cè)量目標(biāo)信道中接收信號(hào)的功率強(qiáng)度。該檢測(cè)本身不進(jìn)行解碼操作，檢測(cè)結(jié)果為有效信號(hào)功率和噪聲信號(hào)功率之和。鏈路質(zhì)量指示為上層服務(wù)提供接收數(shù)據(jù)時(shí)無線信號(hào)的強(qiáng)度和質(zhì)量信息，它要對(duì)檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行解碼，生成一個(gè)信噪比指標(biāo)。

空閑信道評(píng)估判斷信道是否空閑。IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)定義了三種空閑信道評(píng)估模式：第一，簡(jiǎn)單判斷信道的信號(hào)能量，當(dāng)信號(hào)能量低于某一門限值就認(rèn)為信道空閑；第二，判斷無線信號(hào)特征，該特征包含兩個(gè)方面，即擴(kuò)頻信號(hào)特征和載波頻率；第三，前兩種方法的綜合，同時(shí)檢測(cè)信號(hào)強(qiáng)度和特征，判斷信道是否空閑。

1．IEEE802.15.4工作頻段

IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)定義了三個(gè)工作頻段來收發(fā)數(shù)據(jù)，這三個(gè)工作頻率分別為2400～2483.5MHz頻段、902～928MHz頻段、868～868.6MHz頻段。其中2400MHz頻段是全球統(tǒng)一、無需申請(qǐng)的ISM頻段；868MHz是歐洲的ISM頻段，915MHz是美國(guó)的ISM頻段。

2400MHz的物理層通過采用高階調(diào)制技術(shù)提供250kb/s的傳輸速率；868MHz頻段的傳輸速率為20kb/s，915MHz頻段的傳輸速率為40kb/s。868MHz頻段和915MHz頻段的引入避免了2400MHz附近各種無線通信設(shè)備的相互干擾。由于868MHz頻段和915MHz頻段上無線信號(hào)傳播損耗較低,因此可以降低對(duì)接收機(jī)靈敏度的要求，獲得較遠(yuǎn)的有效通信距離，從而可以用較少的設(shè)備覆蓋被監(jiān)測(cè)區(qū)域。

IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的工作頻段、傳輸速率和調(diào)制方式分配如表5-1所示。表5-1IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的信道特性

IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)定義了27個(gè)物理信道，信道編號(hào)從0到26，每個(gè)具體的信道對(duì)應(yīng)一個(gè)中心頻率，這27個(gè)物理信道覆蓋了表5-1中的三個(gè)不同頻段。不同頻段對(duì)應(yīng)的寬度不同，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定868MHz頻段定義了1個(gè)信道(0號(hào)信道)；915MHz頻段定義了10個(gè)信道(1～10號(hào)信道)；2.4GHz頻段定義了16個(gè)信道(11～26號(hào)信道)。這些信道的中心頻率定義如下：

F?=?868.3MHz，k?=?0

F?=?906?+?2(k－1)MHz，k?=?1，2，…，10

F?=?2405?+?5(k－1)MHz，k?=?11，12，…，26

式中，k為信道編號(hào)，F(xiàn)為信道對(duì)應(yīng)的中心頻率。在PHY層的有關(guān)參數(shù)中，有四個(gè)重要參數(shù)需要注意：

(1)傳輸能量(Power)：約1mW；

(2)傳輸中心頻率的兼容性即頻率穩(wěn)定度(標(biāo)識(shí)了無線解碼器工作頻率的穩(wěn)定程度)：約±40ppm(partpermillion，百萬分比)；

(3)接收器感度：－85dBm(2450MHz)，－92dBm(868/915MHz)，分組差錯(cuò)率(PSDU?=?20B)；

(4)接收信號(hào)強(qiáng)度指示的測(cè)量(RSSI)。

2．物理層載波調(diào)制及擴(kuò)頻

物理層三個(gè)不同頻段上的數(shù)據(jù)傳輸速率、信號(hào)處理過程和調(diào)制方式等指標(biāo)都是不同的。圖5-4所示為2.4GHz頻段物理層調(diào)制及擴(kuò)頻工作模塊。圖5-42.4GHz物理層調(diào)制及擴(kuò)頻模塊

2.4GHz頻段物理層將協(xié)議數(shù)據(jù)單元(PHYProtocolDataUnit，PPDU)每字節(jié)的高四位和低四位分別映射組成數(shù)據(jù)符號(hào)(Symbol)，不同數(shù)據(jù)符號(hào)又被映射成32位偽隨機(jī)噪聲數(shù)碼片(Chip)，具體內(nèi)容見表5-2。數(shù)碼片序列采用半正弦波形的偏移四相移相鍵控技術(shù)(Q-QPSK)調(diào)制。對(duì)偶數(shù)序列碼片進(jìn)行同相調(diào)制，而對(duì)奇數(shù)序列碼片進(jìn)行正交調(diào)制。表5-2Symbol-Chip映射表圖5-5所示為868MHz/915MHz頻段物理層調(diào)制和擴(kuò)頻模塊。這兩個(gè)頻段上信號(hào)處理過程相同，只是數(shù)據(jù)速率不同。868/915頻段物理層先將PPDU二進(jìn)制數(shù)據(jù)進(jìn)行差分編碼，差分編碼是將當(dāng)前數(shù)據(jù)位與前一編碼位以模為2異或而成。其表達(dá)式如式5-1、5-2所示。經(jīng)編碼的數(shù)據(jù)位又被映射成15位偽隨機(jī)噪聲數(shù)碼片(Chip)，如表5-3所示。數(shù)據(jù)碼片序列采用二相的移相鍵控技術(shù)(BPSK)調(diào)制。圖5-5868MHz/915MHz物理層調(diào)制及擴(kuò)頻模塊表5-3數(shù)據(jù)符號(hào)-數(shù)據(jù)碼片映射表

發(fā)送表達(dá)式： (5-1)

接收表達(dá)式： (5-2)

式中，Rn為進(jìn)行編碼的原始數(shù)據(jù)；En為對(duì)應(yīng)的編碼位；En－1為前一編碼位。

3．PPDU結(jié)構(gòu)

PPDU數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)流同步的頭文件(SHR)、含有幀長(zhǎng)度信息的物理層報(bào)頭(PHR)和承載有MAC幀數(shù)據(jù)的凈荷組成，其具體結(jié)構(gòu)如表5-4所示。表5-4PPDU結(jié)構(gòu)

PPDU物理幀第一個(gè)字段是由4個(gè)字節(jié)組成的前導(dǎo)碼，前導(dǎo)碼由32個(gè)0組成，用于收發(fā)器進(jìn)行碼片或者符號(hào)的同步。物理幀起始分割符SFD(StartofFrameDelimiter，SFD)占一個(gè)字節(jié)，其值固定為0xA7，作為物理幀開始的標(biāo)識(shí)。收發(fā)器接收完畢前，前導(dǎo)碼僅實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的位同步，通過搜索物理幀起始分割符標(biāo)識(shí)字段0xA7才能同步到字節(jié)上。幀長(zhǎng)度(FrameLength)由一個(gè)字節(jié)的低7位表示，其值就是物理幀負(fù)載的長(zhǎng)度，物理幀負(fù)載的長(zhǎng)度不超過127個(gè)字節(jié)，物理幀負(fù)載長(zhǎng)度也叫物理服務(wù)數(shù)據(jù)單元(PHYServiceDataUnit，PSDU)，主要用來承載MAC幀。5.2.2MAC層

MAC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)。數(shù)據(jù)服務(wù)保障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)，而管理服務(wù)從事MAC層的管理活動(dòng)，并維護(hù)一個(gè)信息數(shù)據(jù)庫。

IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)定義的MAC協(xié)議，提供數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)(MCPS)和管理服務(wù)(MLME)，其特征是聯(lián)合、分離、確認(rèn)幀傳遞、通道訪問機(jī)制、幀確認(rèn)、保證時(shí)隙管理和信令管理，邏輯模型如圖5-6所示。其中，PD-SAP是PHY層提供給MAC層的數(shù)據(jù)服務(wù)接口；PLME-SAP是PHY層提供給MAC層的管理服務(wù)接口；MLME-SAP是MAC層提供給網(wǎng)絡(luò)層的管理服務(wù)接口，MCPS-SAP是MAC層提供給網(wǎng)絡(luò)層的數(shù)據(jù)服務(wù)接口；MAC層的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)主要是實(shí)現(xiàn)MAC數(shù)據(jù)幀的傳輸；MAC層的管理服務(wù)主要有信道的訪問、PAN的開始和維護(hù)、節(jié)點(diǎn)加入和退出PAN、設(shè)備間的同步實(shí)現(xiàn)、傳輸事務(wù)管理等。圖5-6MAC層模型

MAC層的主要具備以下7個(gè)功能：

(1)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器產(chǎn)生并發(fā)送信標(biāo)幀；

(2)網(wǎng)絡(luò)中普通設(shè)備與信標(biāo)同步；

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

(4)為設(shè)備的安全提供支持；

(5)信道接入方式采用CSMA-CA機(jī)制；

(6)處理和維護(hù)時(shí)槽保障(GuaranteedTimeSlot，GTS)機(jī)制；

(7)在兩個(gè)對(duì)等的MAC實(shí)體間提供一個(gè)可靠的通信鏈路。關(guān)聯(lián)操作是指一個(gè)設(shè)備在加入一個(gè)特定網(wǎng)絡(luò)時(shí)，向協(xié)調(diào)器注冊(cè)以及身份認(rèn)證的過程。LR-WPAN網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備有可能從一個(gè)網(wǎng)絡(luò)切換到另外一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，這時(shí)就需要進(jìn)行關(guān)聯(lián)操作和取消關(guān)聯(lián)操作。

時(shí)槽保障機(jī)制GTS和時(shí)分復(fù)用機(jī)制(TimeDivisionMultipleAccess，TDMA)相似，但它可以動(dòng)態(tài)地為有收發(fā)請(qǐng)求的設(shè)備分配時(shí)槽。使用GTS需要設(shè)備之間的時(shí)間同步，IEEE802.15.4中的時(shí)間同步通過“超幀”(SuperFrame)機(jī)制實(shí)現(xiàn)。

IEEE802.15.4網(wǎng)絡(luò)可以分為有信標(biāo)網(wǎng)絡(luò)(Beacon-EnableNetwork)和無信標(biāo)網(wǎng)絡(luò)(NonBeacon-EnableNetwork)。無信標(biāo)網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器一直處在監(jiān)聽狀態(tài)，在各設(shè)備要回傳信息時(shí)先會(huì)彼此競(jìng)爭(zhēng)，等通知協(xié)調(diào)器后，再傳送信息給協(xié)調(diào)器。而有信標(biāo)網(wǎng)絡(luò)中，含有超幀的結(jié)構(gòu)，其固定將包含信標(biāo)及超幀分為16個(gè)時(shí)隙，超幀持續(xù)時(shí)間(SuperFrameDuration)與信標(biāo)間距(BeaconInterval)依照協(xié)調(diào)器使用信標(biāo)級(jí)數(shù)(BeaconOrder,BO)及超幀級(jí)數(shù)(SuperFrameOrder，SO)來控制，彼此關(guān)系是0≤SO≤BO≤14，如此可限制超幀持續(xù)時(shí)間小于等于信標(biāo)間距；協(xié)調(diào)器發(fā)送信標(biāo)，除了用作同步外，也包含網(wǎng)絡(luò)相關(guān)信息；超幀以有無使用保證時(shí)隙來區(qū)別，有保證時(shí)隙的超幀可分為兩部分，一是競(jìng)爭(zhēng)存取周期(ContentionAccessPeriod，CAP)，二是無競(jìng)爭(zhēng)周期(ContentionFreePeriod，CFP)，而無保證時(shí)隙的超幀則全都是CAP。

1.超幀結(jié)構(gòu)

在IEEE802.15.4通信協(xié)議LR-WPAN中，超幀結(jié)構(gòu)屬于選擇使用部分，可以用其組織網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備進(jìn)行通信。超幀格式是由網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)調(diào)器來定義，而超幀結(jié)構(gòu)的大小邊界是由網(wǎng)絡(luò)中的信標(biāo)所設(shè)定的，一個(gè)超幀包括了16個(gè)相同大小的時(shí)隙。在網(wǎng)絡(luò)中的任何設(shè)備要通信時(shí)，會(huì)在競(jìng)爭(zhēng)存取周期CAP采用SlottedCSMA-MAmechanism去對(duì)頻道做競(jìng)爭(zhēng)。

超幀結(jié)構(gòu)還包含了另一部分叫做無競(jìng)爭(zhēng)周期(CFP)，在這部分我們稱保證時(shí)隙，采用預(yù)先請(qǐng)求的方式，讓在CFP中配置到GTS的設(shè)備可以不用競(jìng)爭(zhēng)就可以直接傳送。圖5-7為無GTS的超幀結(jié)構(gòu)。圖5-7無GTS的超幀結(jié)構(gòu)

2.數(shù)據(jù)傳送模式

在IEEE802.15.4通信協(xié)議中數(shù)據(jù)傳送有三種方式：一是設(shè)備傳送數(shù)據(jù)到協(xié)調(diào)器，二是協(xié)調(diào)器發(fā)送數(shù)據(jù)給設(shè)備，三是對(duì)等設(shè)備間傳送數(shù)據(jù)。星型拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)中只存在前兩種數(shù)據(jù)傳送方式，因?yàn)閿?shù)據(jù)只在協(xié)調(diào)器和設(shè)備間交換；而在對(duì)等網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中三種方式都存在。

(1)設(shè)備傳送數(shù)據(jù)到協(xié)調(diào)器。

在信標(biāo)使能方式中，設(shè)備必須先取得信標(biāo)來與協(xié)調(diào)器同步，之后使用開槽載波檢測(cè)多址與避免碰撞(SlottedCSMA-MA)方式傳送資料。在非信標(biāo)使能方式中，器件簡(jiǎn)單地利用無槽載波檢測(cè)多址與碰撞避免(UnslottedCSMA-MA)方式傳送資料。圖5-8左圖所示為信標(biāo)使能方式中設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)給協(xié)調(diào)器，右圖所示為非信標(biāo)使能方式中設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)給協(xié)調(diào)器。圖5-8數(shù)據(jù)傳送至協(xié)調(diào)器

(2)協(xié)調(diào)器傳送數(shù)據(jù)到設(shè)備。

在信標(biāo)使能方式中，協(xié)調(diào)器會(huì)利用信標(biāo)中的字段來告知設(shè)備有數(shù)據(jù)即將傳送。設(shè)備則周期性地監(jiān)聽信標(biāo)，如果判定自身就是協(xié)調(diào)器傳送數(shù)據(jù)的對(duì)象，則該器件利用開槽載波檢測(cè)多址與碰撞避免(SlottedCSMA-MA)方式將MAC命令請(qǐng)求控制信息傳送給協(xié)調(diào)器。

在非信標(biāo)使能方式中，設(shè)備利用無槽載波檢測(cè)多址與碰撞避免(UnslottedCSMA-MA)方式將MAC命令請(qǐng)求控制信息傳送給協(xié)調(diào)器，如果協(xié)調(diào)器有數(shù)據(jù)要傳送，則利用UnslottedCSMA-MA方式將數(shù)據(jù)送出。圖5-9左圖所示為信標(biāo)使能方式中協(xié)調(diào)器發(fā)送數(shù)據(jù)給設(shè)備，右圖所示為非信標(biāo)使能方式中協(xié)調(diào)器發(fā)送數(shù)據(jù)給設(shè)備。圖5-9協(xié)調(diào)器發(fā)送數(shù)據(jù)至設(shè)備

(3)設(shè)備間數(shù)據(jù)傳送。

在點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的PAN中，任一設(shè)備均可以與其無線輻射范圍內(nèi)的設(shè)備進(jìn)行通信。為了保障通信的有效性，這些設(shè)備需要保持持續(xù)接收狀態(tài)或者通過某些機(jī)制實(shí)現(xiàn)彼此同步。如果采用持續(xù)接收方式，設(shè)備間只是簡(jiǎn)單地使用CSMA-CA收發(fā)數(shù)據(jù)；如果采用同步方式，需要采取其他措施達(dá)到同步目的。超幀在某種程度上可以用來實(shí)現(xiàn)點(diǎn)到點(diǎn)通信的目的。

3.?MAC層通用幀格式

MAC層幀結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)目標(biāo)是用最低復(fù)雜度實(shí)現(xiàn)在多噪聲無線信道環(huán)境下的可靠數(shù)據(jù)傳送。MAC層的幀結(jié)構(gòu)主要包括MAC幀頭(MACHeadeR，MHR)、MAC負(fù)載和MAC幀尾(MACFooteR，MFR)三部分，其具體結(jié)構(gòu)如表5-5所示。表5-5MAC層幀格式幀頭由幀控制信息(FrameControl)、幀序列號(hào)(SequenceNumber)和地址域(AddressingFields)組成。MAC幀負(fù)載長(zhǎng)度可變，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位循環(huán)冗余碼校驗(yàn)(CRC)序列。

幀控制信息結(jié)構(gòu)如表5-6所示。其長(zhǎng)度為16bit，定義了幀類型、地址域和其他控制標(biāo)志。其各位具體意義如下：

(1)幀類型子域長(zhǎng)度為3bit，占據(jù)幀控制域結(jié)構(gòu)的0～2位。應(yīng)用中設(shè)置成表5-6中的某一非保留值。表5-6MAC幀控制域結(jié)構(gòu)

(2)加密控制子域。

值為0：當(dāng)前幀不需要MAC子層加密；

值為1：當(dāng)前幀用存儲(chǔ)在MACPIB中的密鑰加密。

(3)后續(xù)幀控制位。

值為1：表明傳輸當(dāng)前幀的器件有后續(xù)的數(shù)據(jù)要發(fā)送，因此接收器應(yīng)發(fā)送額外的數(shù)據(jù)請(qǐng)求以獲得后續(xù)數(shù)據(jù)；

值為0：表明傳輸當(dāng)前幀的器件沒有后續(xù)的數(shù)據(jù)。

(4)應(yīng)答請(qǐng)求位。

值為1：接收器在確認(rèn)收到的幀數(shù)據(jù)有效后應(yīng)該發(fā)送應(yīng)答幀；

值為0：接收器不需要發(fā)送應(yīng)答幀。

(5)同一PAN指示。

值為1：表明當(dāng)前幀是在同一PAN范圍內(nèi)，只需要目的地址與源地址，而不需要源PAN標(biāo)識(shí)符；

值為0：表明當(dāng)前幀是不在同一PAN范圍內(nèi)，不僅需要目的地址與源地址，也需要源目標(biāo)標(biāo)識(shí)符和PAN標(biāo)識(shí)符。

(6)目的地址長(zhǎng)度為2bit，應(yīng)設(shè)置為表5-6中某一值。如果此子域值為0且?guī)愋妥佑虮砻鞔藥皇菓?yīng)答幀或信標(biāo)幀，則源地址模式子域應(yīng)當(dāng)為非零，從而指出此幀是直接送至源PAN標(biāo)識(shí)符域所指定的PAN標(biāo)識(shí)符所在的協(xié)調(diào)器。

(7)源地址模式子域長(zhǎng)度2bit長(zhǎng)度，應(yīng)設(shè)置為表5-6中某一值。如果此子域值為0且?guī)愋妥佑虮砻鞔藥皇菓?yīng)答幀或信標(biāo)幀，則目的地址模式子域應(yīng)當(dāng)為非零，從而指出此幀是來自目的PAN標(biāo)識(shí)符域所指定的PAN標(biāo)識(shí)符所在的協(xié)調(diào)器。

(8)序列號(hào)長(zhǎng)度為8bit，為幀指定唯一的序列標(biāo)識(shí)號(hào),僅當(dāng)確認(rèn)幀的序列號(hào)與上一次數(shù)據(jù)傳輸幀的序列號(hào)一致時(shí)，才能判斷數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)成功。

(9)目的PAN標(biāo)識(shí)符長(zhǎng)度為16bit，指出接收當(dāng)前幀的器件唯一PAN標(biāo)識(shí)符。如此值為0xFFFF代表廣播PAN標(biāo)識(shí)符,所有當(dāng)前頻道的器件均可作為有效PAN標(biāo)識(shí)符接收。

(10)目的地址域，根據(jù)幀控制子域中目的地址模式，以16位短地址或64位擴(kuò)展地址指出接收幀的器件地址。0xFFFF代表廣播短地址，可以被當(dāng)前頻道上的所有器件接收。

(11)源PAN標(biāo)識(shí)符，長(zhǎng)度為16bit，指出發(fā)出當(dāng)前頻道上的所有器件接收。

(12)凈荷是MAC幀要承載的上層數(shù)據(jù)。

(13)幀校驗(yàn)序列是16位循環(huán)冗余校驗(yàn)，通過幀的MHR及MAC凈荷計(jì)算而得。FCS序列使用16次標(biāo)準(zhǔn)多項(xiàng)式生成

4.?MAC層幀分類

IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)中共定義了四種類型的幀，分別為信標(biāo)幀、數(shù)據(jù)幀、確認(rèn)幀和命令幀。

(1)信標(biāo)幀。

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)地址和信標(biāo)幀負(fù)載數(shù)據(jù)。信標(biāo)幀結(jié)構(gòu)如表5-7所示。表5-7信?標(biāo)?幀?結(jié)?構(gòu)①幀中超幀描述字段規(guī)定了這個(gè)超幀的持續(xù)時(shí)間，活躍部分持續(xù)時(shí)間以及競(jìng)爭(zhēng)訪問時(shí)段持續(xù)時(shí)間等信息。

②GTS分配字段將無競(jìng)爭(zhēng)時(shí)段劃分為若干個(gè)GTS，并把每個(gè)GTS具體分配給某個(gè)設(shè)備。

③待轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)目標(biāo)地址列出了與協(xié)調(diào)器保存的數(shù)據(jù)相對(duì)應(yīng)的設(shè)備地址。一個(gè)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)，它就會(huì)向協(xié)調(diào)器發(fā)出請(qǐng)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。通常情況下，這個(gè)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(qǐng)求下也會(huì)發(fā)送信標(biāo)幀。此時(shí)，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(gè)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)幀用來傳輸上層發(fā)送到MAC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層時(shí)，被稱為MAC層數(shù)據(jù)服務(wù)單元(MACServiceDataUnit，MSDU)。它的首尾被分別附加了MHR頭信息和MFR尾信息后，就構(gòu)成了MAC幀。MAC幀的長(zhǎng)度不會(huì)超過127字節(jié)。數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)如表5-8所示。

MAC幀傳送至物理層后，就成為物理幀的負(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(zhǎng)度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(zhǎng)度字段PHR標(biāo)識(shí)了MAC幀的長(zhǎng)度，為一個(gè)字節(jié)長(zhǎng)而且只有其中的低7位才是有效位。表5-8數(shù)?據(jù)?幀?結(jié)?構(gòu)

(3)確認(rèn)幀。

如果設(shè)備收到目的地址為其自身的數(shù)據(jù)幀或者M(jìn)AC命令幀，并且?guī)目刂菩畔⒆侄蔚拇_認(rèn)請(qǐng)求位被置為1，設(shè)備需要回應(yīng)一個(gè)確認(rèn)幀。確認(rèn)幀的序列號(hào)應(yīng)該與被確認(rèn)幀的序列號(hào)相同并且負(fù)載長(zhǎng)度應(yīng)該為零。確認(rèn)幀緊接著被確認(rèn)幀發(fā)送，不需要使用CSMA-CA機(jī)制競(jìng)爭(zhēng)信道，確認(rèn)幀結(jié)構(gòu)如表5-9所示。表5-9確?認(rèn)?幀?結(jié)?構(gòu)

(4)命令幀。

MAC命令幀主要用于組建PAN網(wǎng)絡(luò)，傳輸同步數(shù)據(jù)等。目前定義好的命令幀有9種類型，主要完成三方面的功能：把設(shè)備關(guān)聯(lián)到PAN網(wǎng)絡(luò)，與協(xié)調(diào)器交換數(shù)據(jù)，分頻GTS。命令幀在結(jié)構(gòu)上和其他幀沒有太多區(qū)別，只是幀控制字段的幀類型位有所不同。命令幀的具體功能由幀的負(fù)載數(shù)據(jù)表示。負(fù)載數(shù)據(jù)是一個(gè)變長(zhǎng)結(jié)構(gòu)，所有命令幀負(fù)載的第一個(gè)字節(jié)是命令類型字節(jié)，后面的數(shù)據(jù)針對(duì)不同的命令類型有不同的含義。命令幀結(jié)構(gòu)如表5-10所示。表5-10命?令?幀?結(jié)?構(gòu)5.2.3IEEE802.15.4安全服務(wù)

1．幀安全

MAC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(gè)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(gè)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(duì)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(gè)不可逆的單向算法對(duì)整個(gè)MAC幀進(jìn)行運(yùn)算，生成一個(gè)消息完整性代碼(MessageIntegrityCode，MIC)，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(duì)MAC幀進(jìn)行運(yùn)算，對(duì)比運(yùn)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(gè)有序編號(hào)避免幀重發(fā)攻擊。接收到一個(gè)數(shù)據(jù)幀后，新編號(hào)要與最后一個(gè)編號(hào)比較。如果新編號(hào)比最后一個(gè)編號(hào)新，則校驗(yàn)通過，編號(hào)更新為最新的；反之，校驗(yàn)失敗。這項(xiàng)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(shí)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、ALC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(duì)接收到的幀進(jìn)行任何安全檢查。當(dāng)某個(gè)設(shè)備接收到一個(gè)幀時(shí)，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(gè)幀就會(huì)被轉(zhuǎn)發(fā)給上層，否則丟棄。在設(shè)備被設(shè)置為混雜模式(Promiscuous)的情況下，它會(huì)向上層轉(zhuǎn)發(fā)所有接收到的幀。訪問控制列表(AccessControlList，ACL)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(jī)制來保證通信的安全。

安全模式對(duì)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。

5.3ZigBee協(xié)議規(guī)范

“ZigBee”一詞由“Zig”和“Bee”兩部分組成，“Zig”取自英文單詞“zigzag”，詞義是：“之字形的線條、道路”，“bee”在英文中是蜜蜂，所以“ZigBee”的合成意義是沿著“之”字形路線起舞的蜜蜂。“ZigBee”較形象地描述了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的傳感器節(jié)點(diǎn)在傳送數(shù)據(jù)時(shí)依循的路徑形同蜜蜂起舞，實(shí)際上，“ZigBee”與藍(lán)牙類似，是一種新興的短距離無線通信技術(shù)。

ZigBee技術(shù)是一種面向自動(dòng)化和無線控制的低速率、低功耗、低成本的無線網(wǎng)絡(luò)方案。在ZigBee方案被提出一段時(shí)間后，IEEE802.15.4工作組也開始了一種低速率無線通信標(biāo)準(zhǔn)的制定工作。最終ZigBee聯(lián)盟和IEEE802.15.4工作組決定合作共同制定一種通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，該協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)被命名為“ZigBee”。

ZigBee的通信速率要求低于藍(lán)牙，由電池供電設(shè)備提供無線通信功能，并希望在不更換電池并且不充電的情況下能正常工作幾個(gè)月甚至幾年。ZigBee支持mesh型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)規(guī)?？梢员人{(lán)牙設(shè)備大得多。ZigBee無線設(shè)備工作在公共頻段上(全球2.4GHz，美國(guó)915MHz，歐洲868MHz),傳輸距離為10～75m，具體數(shù)值取決于射頻環(huán)境以及特定應(yīng)用條件下的輸出功耗。ZigBee的通信速率在2.4GHz時(shí)為250kb/s，在915MHz時(shí)為40kb/s，在868MHz時(shí)為20kb/s。

IEEE802.15.4主要制定協(xié)議中的物理層和MAC層；ZigBee聯(lián)盟則制定協(xié)議中的網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層，主要負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)、安全服務(wù)等功能以及一系列無線家庭、建筑等解決方案，負(fù)責(zé)提供兼容性認(rèn)證、市場(chǎng)運(yùn)作以及協(xié)議的發(fā)展延伸。這樣就保證了消費(fèi)者從不同供應(yīng)商處買到的ZigBee設(shè)備可以一起工作。

IEEE802.15.4關(guān)于物理層和MAC層的協(xié)議為不同的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(如星型、mesh型以及簇樹型等)提供了不同的模塊。ZigBee協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)路由策略通過時(shí)隙機(jī)制可以保證較低的能量消耗和時(shí)延。ZigBee網(wǎng)絡(luò)層的一個(gè)特點(diǎn)就是通信冗余，這樣當(dāng)mesh網(wǎng)絡(luò)中的某個(gè)節(jié)點(diǎn)失效時(shí)，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)仍能夠正常工作。物理層的主要特點(diǎn)是具備能量和質(zhì)量監(jiān)測(cè)功能，采用空閑頻道評(píng)估以實(shí)現(xiàn)多個(gè)網(wǎng)絡(luò)的并存。圖5-10顯示了ZigBee技術(shù)在無線通信技術(shù)應(yīng)用中的定位。圖5-10ZigBee技術(shù)在無線通信技術(shù)應(yīng)用中的定位

ZigBee技術(shù)的優(yōu)勢(shì)表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

(1)省電。ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)備工作周期較短、收發(fā)信息功率低，并且采用了休眠模式(當(dāng)不傳送數(shù)據(jù)時(shí)處于休眠狀態(tài)，當(dāng)需要接收數(shù)據(jù)時(shí)由ZigBee網(wǎng)絡(luò)中稱做“協(xié)調(diào)器”的設(shè)備負(fù)責(zé)喚醒它們)，所以ZigBee技術(shù)特別省電，避免了頻繁更換電池或充電，從而減輕了網(wǎng)絡(luò)維護(hù)的負(fù)擔(dān)。

(2)可靠。由于采用了碰撞避免機(jī)制并為需要固定帶寬的通信業(yè)務(wù)預(yù)留了專用時(shí)隙，避免了發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)的競(jìng)爭(zhēng)和沖突，而且MAC層采用了完全確認(rèn)的數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制，每個(gè)發(fā)送的數(shù)據(jù)包都必須等待接收方的確認(rèn)信息，因此從根本上保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

(3)廉價(jià)。由于ZigBee協(xié)議棧設(shè)計(jì)簡(jiǎn)練，因此它的研發(fā)和生產(chǎn)成本相對(duì)較低。普通網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)硬件上只需8位微處理器(如80c51)，最小4KB、最大32KB的ROM；軟件實(shí)現(xiàn)上也較簡(jiǎn)單。隨著產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)化，ZigBee通信模塊價(jià)格預(yù)計(jì)能降到1.5～2.5美元。

(4)短時(shí)延。ZigBee技術(shù)與藍(lán)牙技術(shù)的時(shí)延對(duì)比可知，ZigBee的各項(xiàng)時(shí)延指標(biāo)都非常短。ZigBee節(jié)點(diǎn)休眠和工作狀態(tài)轉(zhuǎn)換只需15ms，入網(wǎng)約30ms，而藍(lán)牙為3～10s。

(5)大網(wǎng)絡(luò)容量。一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)最多可以容納254個(gè)從設(shè)備和1個(gè)主設(shè)備，一個(gè)區(qū)域內(nèi)最多可以同時(shí)存在100個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)。

(6)安全。ZigBee技術(shù)提供了數(shù)據(jù)完整性檢查和鑒權(quán)功能，加密算法采用AES-128，并且各應(yīng)用可以靈活地確定其安全屬性，使網(wǎng)絡(luò)安全能夠得到有效的保障。

5.3.1ZigBee協(xié)議框架

ZigBee標(biāo)準(zhǔn)采用分層結(jié)構(gòu)，每一層為上一層提供一系列特殊的服務(wù)。IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)定義了底層協(xié)議：物理層和MAC層。ZigBee標(biāo)準(zhǔn)在此基礎(chǔ)上定義了網(wǎng)絡(luò)層(NetworkLayer，NWK)和應(yīng)用層(ApplicationLayer，APL)架構(gòu)。在應(yīng)用層內(nèi)提供了應(yīng)用支持子層(ApplicationSupportSublayer，APS)和ZigBee設(shè)備對(duì)象(ZigBeeDeviceObject，ZDO)。完整的ZigBee協(xié)議棧如圖5-11所示。圖5-11ZigBee協(xié)議棧組成

1.網(wǎng)絡(luò)層

網(wǎng)絡(luò)層負(fù)責(zé)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的建立和維護(hù)網(wǎng)絡(luò)連接，主要功能包括設(shè)備連接和斷開網(wǎng)絡(luò)時(shí)所采用的機(jī)制，以及在幀信息傳遞過程中所采用的安全機(jī)制。此外，還包括設(shè)備的路由發(fā)現(xiàn)與路由維護(hù)和轉(zhuǎn)交。并且，網(wǎng)絡(luò)層完成對(duì)一跳(one-hop)鄰居設(shè)備的發(fā)現(xiàn)和相關(guān)節(jié)點(diǎn)信息的存儲(chǔ)。一個(gè)ZigBee協(xié)調(diào)器創(chuàng)建一個(gè)新網(wǎng)絡(luò)，為新加入的設(shè)備分配短地址等。同時(shí)，網(wǎng)絡(luò)層還提供一些必要的函數(shù)，確保ZigBee的MAC層正常工作，并且為應(yīng)用層提供合適的服務(wù)接口。網(wǎng)絡(luò)層要求能夠很好地完成在IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)中MAC子層所定義的功能，又要為應(yīng)用層提供適當(dāng)?shù)姆?wù)接口。為了與應(yīng)用層進(jìn)行更好的通信，網(wǎng)絡(luò)層中定義了兩種服務(wù)實(shí)體來實(shí)現(xiàn)必要的功能。這兩個(gè)服務(wù)實(shí)體分別為數(shù)據(jù)服務(wù)實(shí)體(NLDE)和管理服務(wù)實(shí)體(NLME)。網(wǎng)絡(luò)層NLDE通過網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)實(shí)體服務(wù)接入點(diǎn)(NLDE-SAP)提供數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，網(wǎng)絡(luò)層管理實(shí)體(NLME)通過網(wǎng)絡(luò)層管理實(shí)體服務(wù)接入點(diǎn)(NLME-SAP)提供網(wǎng)絡(luò)管理服務(wù)。NLME可以利用NLDE來激活它的管理工作，它還具有對(duì)網(wǎng)絡(luò)層信息數(shù)據(jù)庫(NIB)進(jìn)行維護(hù)的功能。網(wǎng)絡(luò)層的結(jié)構(gòu)如圖5-12所示，此圖直觀地給出了網(wǎng)絡(luò)層所提供的實(shí)體和服務(wù)接口等。圖5-12網(wǎng)絡(luò)層結(jié)構(gòu)

NLDE提供的數(shù)據(jù)服務(wù)允許在處于同一應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)中的兩個(gè)或多個(gè)設(shè)備之間傳輸應(yīng)用數(shù)據(jù)單元(APDU)。NLDE提供的服務(wù)有兩種：產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)協(xié)議數(shù)據(jù)單元(NPDU)和選擇通信路由。在通信中，NLDE要發(fā)送一個(gè)NPDU到一個(gè)合適的設(shè)備，這個(gè)設(shè)備可能是通信的終點(diǎn)也可能是通信鏈路中的一個(gè)點(diǎn)。

NLME需要提供一個(gè)管理服務(wù)以允許一個(gè)應(yīng)用來與協(xié)議棧操作進(jìn)行交互。NLME需要提供以下服務(wù)：

①配置一個(gè)新的設(shè)備(Congfiguringanewdevice)。具有充分配置所需操作棧的能力。配置選項(xiàng)包括ZigBee協(xié)調(diào)器的開始操作、加入一個(gè)現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)等。②開始一個(gè)新網(wǎng)絡(luò)(Startinganetwork)。具有建立一個(gè)新網(wǎng)絡(luò)的能力。

③加入和離開一個(gè)網(wǎng)絡(luò)(Joiningandleavinganetwork)。同由ZigBee協(xié)調(diào)器或者ZigBee路由器申請(qǐng)離開網(wǎng)絡(luò)的能力一樣，具有加入或離開一個(gè)網(wǎng)絡(luò)的能力。

④尋址(Addressing)。具有由ZigBee協(xié)調(diào)器或者ZigBee路由器來給新加入網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備分配地址的能力。

⑤臨近設(shè)備發(fā)現(xiàn)(Neighbordiscovery)。具有發(fā)現(xiàn)、記錄并報(bào)告一跳范圍內(nèi)設(shè)備的能力。

⑥路由發(fā)現(xiàn)(Routediscovery)。具有發(fā)現(xiàn)并記錄路徑的能力，并在這條路徑上的信息可能被有效發(fā)送。⑦接收控制(Receptioncontrol)。具有控制接收器何時(shí)處于激活狀態(tài)及其持續(xù)時(shí)間的能力，使得MAC子層同步或直接接收。

2.應(yīng)用層

1)應(yīng)用支持子層(APS)

APS子層的結(jié)構(gòu)如圖5-13所示。APS子層通過ZDO和制造商定義的應(yīng)用對(duì)象所用到的一系列服務(wù)來為網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層提供接口。APS子層所提供的服務(wù)由數(shù)據(jù)服務(wù)實(shí)體(APSDE)和管理服務(wù)實(shí)體(APSME)來實(shí)現(xiàn)。APSDE通過數(shù)據(jù)服務(wù)實(shí)體訪問點(diǎn)(APSDE-SAP)來提供數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)。APSME通過管理服務(wù)實(shí)體訪問點(diǎn)(APSME-SAP)來提供管理服務(wù)，它還負(fù)責(zé)APS信息數(shù)據(jù)庫(AIB)的維護(hù)工作。圖5-13APS結(jié)構(gòu)

APSDE為網(wǎng)絡(luò)層提供數(shù)據(jù)服務(wù)，也為在同一網(wǎng)絡(luò)中的兩個(gè)或多個(gè)ZDO和其他應(yīng)用對(duì)象設(shè)備之間提供傳輸應(yīng)用數(shù)據(jù)單元的數(shù)據(jù)服務(wù)。APSDE主要提供以下服務(wù)：

(1)產(chǎn)生應(yīng)用數(shù)據(jù)單元：APSDE通過在捕獲的應(yīng)用數(shù)據(jù)單元上加一個(gè)適當(dāng)?shù)膮f(xié)議來產(chǎn)生應(yīng)用支持子層數(shù)據(jù)單元(APSPDU)。

(2)綁定：在兩個(gè)設(shè)備的服務(wù)和需要相匹配的情況下才可以使用綁定。一旦兩個(gè)設(shè)備綁定后，APSDE具有把從一個(gè)綁定設(shè)備接收到的消息發(fā)送給另外一個(gè)設(shè)備的能力。

APSME提供的管理服務(wù)允許一個(gè)應(yīng)用連接到ZigBee系統(tǒng)。它提供把基于服務(wù)和需求相匹配的兩個(gè)設(shè)備作為一個(gè)整體來進(jìn)行管理的綁定服務(wù)，并未綁定服務(wù)構(gòu)建和保留綁定表。除了這些以外，APSME還提供以下服務(wù)：

(1)?AIB管理：APSME具有能從設(shè)備的AIP中獲得屬性或進(jìn)行屬性設(shè)置的能力。

(2)安全管理：APSME通過利用密鑰能夠與其他設(shè)備建立可靠的關(guān)聯(lián)。

APS子層主要提供ZigBee端點(diǎn)接口。應(yīng)用程序?qū)⑹褂迷搶哟蜷_或關(guān)閉一個(gè)或多個(gè)端點(diǎn)并讀取或發(fā)送數(shù)據(jù)，而且APS子層為鍵值對(duì)(KeyValuePair，KVP)和報(bào)文(MSG)數(shù)據(jù)傳輸提供了原語。APS子層也有綁定表，綁定表提供了端點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò)中兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間的簇ID對(duì)之間的邏輯鏈路。當(dāng)首次對(duì)主設(shè)備綁定時(shí)，綁定表為空，主應(yīng)用必須調(diào)用正確的綁定API來創(chuàng)建新的綁定項(xiàng)。

APS子層還有一個(gè)“間接發(fā)送緩沖器”RAM，用來存儲(chǔ)間接幀，直到目標(biāo)接收者請(qǐng)求這些數(shù)據(jù)幀為止。根據(jù)ZigBee規(guī)范，在星型網(wǎng)絡(luò)中，從設(shè)備總會(huì)將這些數(shù)據(jù)幀轉(zhuǎn)發(fā)到主設(shè)備中。從設(shè)備可能不知道該數(shù)據(jù)幀的目標(biāo)接收者，而且數(shù)據(jù)幀的實(shí)際接收者由綁定表項(xiàng)決定，這樣，如果主設(shè)備一旦接收到數(shù)據(jù)幀，它就會(huì)查找綁定表以確定目標(biāo)接收者。如果該數(shù)據(jù)有接收者，就會(huì)將該數(shù)據(jù)幀存儲(chǔ)在間接發(fā)送緩沖器里，直到目標(biāo)接收者明確請(qǐng)求該數(shù)據(jù)幀為止。根據(jù)請(qǐng)求的頻率，主設(shè)備必須將數(shù)據(jù)幀保存在間接發(fā)送緩沖器里。在此需要注意的是：節(jié)點(diǎn)請(qǐng)求數(shù)據(jù)時(shí)間越長(zhǎng)，數(shù)據(jù)包需要保存在間接發(fā)送緩沖器里的時(shí)間也越長(zhǎng)，因而所需要的間接發(fā)送緩沖器空間也將越大。間接發(fā)送緩沖器包含一個(gè)設(shè)計(jì)時(shí)分配的固定大小的RAM堆，可通過動(dòng)態(tài)分配間接發(fā)送緩沖器的RAM來添加新的數(shù)據(jù)幀，動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)管理可充分利用間接發(fā)送緩沖空間。

2.應(yīng)用層消息類型

在ZigBee應(yīng)用中，應(yīng)用框架(AF)提供了兩種標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)類型。一種是鍵值對(duì)(KeyValuePair，KVP)服務(wù)類型，一種是報(bào)文(Message，MSG)服務(wù)類型。KVP操作的命令有Set、Get、Event。其中，Set用于設(shè)置一個(gè)屬性值，Get用于獲取一個(gè)屬性值，Event用于通知一個(gè)屬性已經(jīng)發(fā)生改變。KVP消息主要用于傳輸一些較為簡(jiǎn)單的變量格式。由于ZigBee的很多應(yīng)用領(lǐng)域中的消息較為復(fù)雜并不適用于KVP格式，因此ZigBee協(xié)議規(guī)范定義了MSG服務(wù)類型。MSG服務(wù)對(duì)數(shù)據(jù)格式不作要求，適合任何格式的數(shù)據(jù)傳輸。因此可以用于傳送數(shù)據(jù)量大的消息。

KVP命令幀的格式如表5-11所示。MSG命令幀格式如表5-12所示。表5-11KVP命令幀格式表5-12MSG命令幀格式

3.?ZigBee尋址及尋址方式

ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都具有兩個(gè)地址：64位的IEEEMAC地址及16位的網(wǎng)絡(luò)地址。每一個(gè)使用ZigBee協(xié)議通信的設(shè)備都有一個(gè)全球唯一的64MAC地址，該地址由24位OUI與40位廠家分配地址組成，OUI可通過購買由IEEE分配得到，由于所有的OUI皆由IEEE指定，因此64位IEEEMAC地址具有唯一性。

當(dāng)設(shè)備執(zhí)行加入網(wǎng)絡(luò)操作時(shí)，它們會(huì)使用自己的擴(kuò)展地址進(jìn)行通信。成功加入ZigBee網(wǎng)絡(luò)后，網(wǎng)絡(luò)會(huì)為設(shè)備分配一個(gè)16位網(wǎng)絡(luò)地址。由此，設(shè)備便可使用該地址與網(wǎng)絡(luò)中的其他設(shè)備進(jìn)行通信。

ZigBee的尋址方式有兩種。第一種為單播：當(dāng)單播一個(gè)消息時(shí)，數(shù)據(jù)包的MAC報(bào)頭應(yīng)該含有目的節(jié)點(diǎn)的地址，只有知道了接收設(shè)備的地址，消息才能通過單播的方式進(jìn)行發(fā)送。第二種為廣播：要通過廣播來發(fā)送消息，應(yīng)將信息包MAC報(bào)頭中的地址域值設(shè)為0xFF。此時(shí)，所有使能終端都能夠接收該消息。該尋址方式可以用于加入一個(gè)網(wǎng)絡(luò)、查找路由及執(zhí)行ZigBee協(xié)議的其他查找功能。ZigBee協(xié)議對(duì)廣播信息包實(shí)現(xiàn)一種被動(dòng)應(yīng)答模式，即當(dāng)一個(gè)設(shè)備產(chǎn)生或轉(zhuǎn)發(fā)一個(gè)廣播信息包時(shí)，它將偵聽所有鄰居的轉(zhuǎn)發(fā)情況。如果所有的鄰居沒有在應(yīng)答時(shí)限內(nèi)復(fù)制數(shù)據(jù)包，設(shè)備將重復(fù)轉(zhuǎn)發(fā)信息包，直到它偵聽到該信息包已被所有鄰居轉(zhuǎn)發(fā)，或者廣播傳輸時(shí)間被耗盡為止。

4.?ZigBee設(shè)備配置層

ZigBee設(shè)備配置層提供標(biāo)準(zhǔn)的ZigBee配置服務(wù)，它定義和處理描述符請(qǐng)求。在ZigBee設(shè)備配置層中定義了成為ZigBee設(shè)備對(duì)象(ZigBeeDeviceObject，ZDO)的特殊軟件對(duì)象，它在其他服務(wù)中提供綁定服務(wù)。遠(yuǎn)程設(shè)備可以通過ZDO接口請(qǐng)求任何標(biāo)準(zhǔn)的描述符信息。當(dāng)接收到這些請(qǐng)求信息時(shí)，ZDO會(huì)調(diào)用配置對(duì)象以獲取相應(yīng)的描述符值。在目前的ZigBee協(xié)議棧版本中，還沒有完全實(shí)現(xiàn)設(shè)備配置層。ZDO是特殊的應(yīng)用對(duì)象，它在端點(diǎn)(EndPoint)0上實(shí)現(xiàn)。5.3.2ZigBee網(wǎng)絡(luò)配置

ZigBee網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)渲饕行切?、網(wǎng)狀和混合型，如圖5-14所示。星型拓?fù)渚哂薪M網(wǎng)簡(jiǎn)單、成本低和電池壽命長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)；但網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍有限，可靠性不及網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，一旦中心節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障，所有與之相連的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的通信都將中斷。網(wǎng)狀拓?fù)渚哂锌煽啃愿?、覆蓋范圍大的優(yōu)點(diǎn)；缺點(diǎn)是電池使用壽命短、管理復(fù)雜?；旌闲屯?fù)渚C合了以上兩種拓?fù)涞奶攸c(diǎn)，這種組網(wǎng)通常會(huì)使ZigBee網(wǎng)絡(luò)更加靈活、高效、可靠。圖5-14ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 5.4無線傳感器網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)

5.4.1基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

1．組網(wǎng)類型

本實(shí)例中，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采取星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，由一個(gè)與計(jì)算機(jī)相連的無線模塊作為中心節(jié)點(diǎn)，可以跟任何一個(gè)普通節(jié)點(diǎn)通信。普通節(jié)點(diǎn)由一組傳感器節(jié)點(diǎn)組成，如溫度傳感器、濕度傳感器、煙霧傳感器，它們對(duì)周圍環(huán)境中的各個(gè)參數(shù)進(jìn)行測(cè)量和采樣，并將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)往中心節(jié)點(diǎn)，由中心節(jié)點(diǎn)對(duì)發(fā)來的數(shù)據(jù)和命令進(jìn)行分析處理，完成相應(yīng)操作。普通節(jié)點(diǎn)只能接收從中心節(jié)點(diǎn)傳來的數(shù)據(jù)，與中心節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

2.數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制

在整個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，采取的是主機(jī)輪詢查問和突發(fā)事件報(bào)告的機(jī)制。主機(jī)每隔一定時(shí)間向每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送查詢命令；節(jié)點(diǎn)收到查詢命令后，向主機(jī)回發(fā)數(shù)據(jù)。如果發(fā)生緊急事件，節(jié)點(diǎn)可以主動(dòng)向中心節(jié)點(diǎn)發(fā)送報(bào)告。中心節(jié)點(diǎn)通過對(duì)普通節(jié)點(diǎn)的閾值參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，還可以滿足不同用戶的需求。

網(wǎng)內(nèi)的數(shù)據(jù)傳輸是根據(jù)無線模塊的網(wǎng)絡(luò)號(hào)、網(wǎng)內(nèi)IP地址進(jìn)行的。在初始設(shè)置的時(shí)候，先設(shè)定每個(gè)無線模塊所屬網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)號(hào)，再設(shè)定每個(gè)無線模塊的IP地址，通過這種方法能夠確定網(wǎng)絡(luò)中無線模塊地址的唯一性。若要加入一個(gè)新的節(jié)點(diǎn)，只需給它分配一個(gè)不同的IP地址即可，并在中心計(jì)算機(jī)上更改全網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)數(shù)，記錄新節(jié)點(diǎn)的IP地址。

1)傳輸流程

(1)命令幀的發(fā)送流程。命令幀的發(fā)送流程如圖5-15所示。

因?yàn)椴樵兠顜扇≥喸儼l(fā)送機(jī)制，所以，丟失一兩個(gè)查詢命令幀對(duì)數(shù)據(jù)的采集影響不大。而如果采取出錯(cuò)重發(fā)機(jī)制，則容易造成不同節(jié)點(diǎn)的查詢命令之間互相干擾。圖5-15命令幀的發(fā)送流程

(2)關(guān)鍵幀的發(fā)送流程。關(guān)鍵幀的發(fā)送流程如圖5-16所示，包括閾值幀、關(guān)鍵重啟命令幀等。采用出錯(cuò)重發(fā)機(jī)制。圖5-16關(guān)鍵幀的發(fā)送流程

2)傳輸?shù)膸袷郊捌渥饔?/p>

IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)定義了一套新的安全協(xié)議和數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議。本方案采用的無線模塊根據(jù)IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，定義了一套幀格式來傳輸各種數(shù)據(jù)。

(1)數(shù)據(jù)幀：數(shù)據(jù)型數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)的作用是把指定的數(shù)據(jù)傳送到網(wǎng)絡(luò)中指定節(jié)點(diǎn)上的外部設(shè)備中，具體的接收目標(biāo)也由這二種幀結(jié)構(gòu)中的“目標(biāo)地址”給定，其結(jié)構(gòu)如表5-13所示。表5-13數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)

(2)返回幀：返回型數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)的作用是無線模塊將網(wǎng)絡(luò)情況反饋給自身UART0上的外設(shè)，其結(jié)構(gòu)如表5-14所示。

利用這兩種幀格式定義了適用于傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)幀，并針對(duì)這些數(shù)據(jù)幀采取不同的應(yīng)對(duì)措施來保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠行?。?-14返回型數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)幀格式是在無線模塊數(shù)據(jù)幀的基礎(chǔ)上進(jìn)行修改的，主要包括傳感數(shù)據(jù)幀、中心節(jié)點(diǎn)的閾值設(shè)定幀、查詢命令幀及重啟命令幀。其中，傳感數(shù)據(jù)幀和閾值設(shè)定幀幀長(zhǎng)都為8字節(jié)，包括：無線模塊的數(shù)據(jù)類型1字節(jié)，目的地址1字節(jié)，“異或”校驗(yàn)段1字節(jié)以及數(shù)據(jù)長(zhǎng)度5字節(jié)。5字節(jié)的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度包括傳感數(shù)據(jù)類型1字節(jié)，數(shù)據(jù)3字節(jié)，源地址1字節(jié)。其中，當(dāng)傳感數(shù)據(jù)類型位為0xBB時(shí)，代表將要傳輸?shù)氖茿/D轉(zhuǎn)換器當(dāng)前采集到的數(shù)據(jù)，源地址是當(dāng)前無線模塊的IP地址；當(dāng)數(shù)據(jù)類型位為0xCC時(shí)，表示當(dāng)前數(shù)據(jù)是系統(tǒng)設(shè)置的閾值，源地址是中心節(jié)點(diǎn)的IP地址。重啟命令幀和查詢命令幀都為5字節(jié)，包括無線模塊的數(shù)據(jù)類型1字節(jié)，目的地址1字節(jié)，數(shù)據(jù)長(zhǎng)度1字節(jié)(只傳遞傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)類型位)，并用0xAA表示當(dāng)前的數(shù)據(jù)是查詢命令，用0xDD表示讓看門狗重啟的命令。

溫度傳感器節(jié)點(diǎn)給中心節(jié)點(diǎn)計(jì)算機(jī)的返回幀在無線模塊數(shù)據(jù)幀的基礎(chǔ)上加以修改，幀長(zhǎng)為6字節(jié)，包括無線模塊的數(shù)據(jù)類型1字節(jié)，目的地址1字節(jié)，數(shù)據(jù)長(zhǎng)度2字節(jié)，源地址1字節(jié)，“異或”校驗(yàn)1字節(jié)。在數(shù)據(jù)類型中，用0x00表示當(dāng)前接收到的數(shù)據(jù)是正確的，用0x01表示當(dāng)前接收到的數(shù)據(jù)是錯(cuò)誤的。中心節(jié)點(diǎn)若收到代表接收錯(cuò)誤的返回幀，則重發(fā)數(shù)據(jù)，直到溫度傳感器節(jié)點(diǎn)正確接收為止。若計(jì)算機(jī)收到10個(gè)沒有正確接收的返回幀，則從計(jì)算機(jī)發(fā)送命令讓看門狗重啟。對(duì)于無線模塊給外設(shè)的返回幀，當(dāng)無線模塊之間完成一次傳輸后，會(huì)將此次傳輸?shù)慕Y(jié)果反饋給與其相連接的外設(shè)。若成功傳輸，則類型為0x00；若兩個(gè)無線模塊之間通信失敗，則類型為0xFF。當(dāng)接收到通信失敗的幀時(shí)，傳感器節(jié)點(diǎn)重新發(fā)送當(dāng)前的傳感數(shù)據(jù)。若連續(xù)接收到10次發(fā)送失敗的返回幀，則停發(fā)數(shù)據(jù)，等待下一次的查詢命令。若傳感器節(jié)點(diǎn)此時(shí)發(fā)送的是報(bào)警信號(hào)，則在連續(xù)重發(fā)10次后開始采取延遲發(fā)送，即每隔一定的時(shí)間后，向中心節(jié)點(diǎn)發(fā)送報(bào)警報(bào)告，直到其發(fā)出。如果在此期間收到中心節(jié)點(diǎn)的任何命令，則先將警報(bào)命令立即發(fā)出。因?yàn)镮EEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)在底層定義了CSMA/CD的沖突監(jiān)測(cè)機(jī)制，所以在收到發(fā)送不成功的錯(cuò)誤幀后，中心計(jì)算機(jī)將隨機(jī)延遲一段時(shí)間(1～10個(gè)輪回)后再發(fā)送新一輪的命令幀，采取這種機(jī)制可避免重發(fā)的數(shù)據(jù)幀加劇網(wǎng)絡(luò)擁塞。如此10次以后，表示網(wǎng)絡(luò)暫時(shí)不可用，并且以后每隔10個(gè)輪回的時(shí)間發(fā)送一個(gè)命令幀，以測(cè)試網(wǎng)絡(luò)。如果收到正確的返回幀，則表示網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)正常，重新開始新的輪回。5.4.2基于ZigBee協(xié)議規(guī)范的傳感器網(wǎng)絡(luò)

1．無線傳感器的構(gòu)建

利用ZigBee技術(shù)和IEEE1451.2協(xié)議來構(gòu)建的無線傳感器，其基本結(jié)構(gòu)如圖5-17所示。圖5-17無線傳感器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)框圖

STIM部分包括傳感器、放大和濾波電路、A/D轉(zhuǎn)換；TII部分主要由控制單元組成；NCAP負(fù)責(zé)通信?！叭?xì)獗頂?shù)據(jù)無線傳輸系統(tǒng)”項(xiàng)目中實(shí)現(xiàn)了無線燃?xì)獗韨鞲衅鞯脑O(shè)計(jì)。STIM選用“CG—L—J2.5/4D型號(hào)”的燃?xì)獗?；TII選用Atmel公司的80C51，8位CPU；NCAP選用赫立訊公司的IP·Link1000-B無線模塊。在此方案中，燃?xì)獗淼臄?shù)據(jù)為已經(jīng)處理好的數(shù)據(jù)。由于燃?xì)獗頂?shù)據(jù)一個(gè)月抄一次，所以在設(shè)計(jì)的過程中不用考慮數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性問題。IP·Link1000-B模塊為赫立訊公司為ZigBee技術(shù)而開發(fā)的一款無線通信模塊。其主要特點(diǎn)如下：支持多達(dá)40個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的鏈接方式；300～1000MHz的無線收發(fā)器；高效率發(fā)射、高靈敏度接收；高達(dá)76.8Kb/s的無線數(shù)據(jù)速率；IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)兼容產(chǎn)品；內(nèi)置高性能微處理器；具有2個(gè)UART接口；10位、23K采樣率ADC接口；微功耗待機(jī)模式。這樣為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中降低功率損耗提供了一種靈活的電源管理方案。

存儲(chǔ)芯片選用有64KB的存儲(chǔ)空間的Ateml公司24C512EEPROM芯片；按一戶需要8字節(jié)的信息量計(jì)算，可以存儲(chǔ)8000多個(gè)用戶的海量信息，對(duì)一個(gè)小區(qū)來說完全夠用。

所有芯片選用3.3V的低壓芯片，可以降低設(shè)備的能源消耗。在無線傳輸中，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的表示是一個(gè)關(guān)鍵的部分，它往往可以決定設(shè)備的主要使用性能。這里把它設(shè)計(jì)成如表5-15所示結(jié)構(gòu)。

表5-15數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)頭：3字節(jié)固定為“AAAAAA”。

命令字：1字節(jié)具體的命令。01為發(fā)送數(shù)據(jù)，02為接受數(shù)據(jù)，03為進(jìn)入休眠，04為喚醒休眠。

數(shù)據(jù)長(zhǎng)度：1字節(jié)為后面“數(shù)據(jù)”長(zhǎng)度的字節(jié)數(shù)。

數(shù)據(jù)：0～20字節(jié)為具體的有效數(shù)據(jù)。

CRC校檢：2字節(jié)是從命令字到數(shù)據(jù)的所有數(shù)據(jù)進(jìn)行校檢。

在完整接收到以上格式的數(shù)據(jù)后，通過CRC校檢來完成對(duì)數(shù)據(jù)是否正確進(jìn)行判讀，這在無線通信中是十分必要的。

2．無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建

IEEE802.15.4提供了三種有效的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)(樹型、網(wǎng)狀、星型)和三種器件工作模式(協(xié)調(diào)器、全功能模式、簡(jiǎn)化功能模式)。簡(jiǎn)化功能模式只能作為終端無線傳感器節(jié)點(diǎn)；全功能模式既可以作為終端傳感器節(jié)點(diǎn)，也可以作為路由節(jié)點(diǎn)；協(xié)調(diào)器只能作為路由節(jié)點(diǎn)。

這樣無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以大致有以下三種基本的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

(1)基于星型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。它具有天然的分布式處理能力，星型中的路由節(jié)點(diǎn)就是分布式處理中心，即它具有路由功能，也有一定的數(shù)據(jù)處理和融合能力，每個(gè)終端無線傳感器節(jié)點(diǎn)都把數(shù)據(jù)傳給其所在拓?fù)涞穆酚晒?jié)點(diǎn)，在路由節(jié)點(diǎn)完成數(shù)據(jù)簡(jiǎn)單、有效的融合，然后對(duì)處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。相對(duì)于終端節(jié)點(diǎn)，路由節(jié)點(diǎn)功能更多，通信也更頻繁，一般其功耗也較高，所以其電源容量也較終端傳感器節(jié)點(diǎn)電源的容量大，可考慮為大容量電池或太陽能電源。

(2)基于網(wǎng)狀的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)連成一張網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)非常健壯，伸縮性好，在個(gè)別鏈路和傳感器節(jié)點(diǎn)失效時(shí)，不會(huì)引起網(wǎng)絡(luò)分立。可以同時(shí)通過多條路由通道傳輸數(shù)據(jù)，傳輸可靠性非常高。

(3)基于樹型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在這種結(jié)構(gòu)下傳感器節(jié)點(diǎn)被串聯(lián)在一條或多條鏈上，鏈尾與終端傳感器節(jié)點(diǎn)相連。這種方案在中間節(jié)點(diǎn)失效的情況下，會(huì)使某些終端節(jié)點(diǎn)失去連接。

“燃?xì)獗頂?shù)據(jù)無線傳輸系統(tǒng)”項(xiàng)目中采用的是星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，主要因?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)方便，不需要大量的協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，且可降低成本。每個(gè)終端無線傳感器節(jié)點(diǎn)為每家的氣表(平時(shí)無線通信模塊為掉電方式，通過路由節(jié)點(diǎn)來激活)，手持式接收機(jī)為移動(dòng)的路由節(jié)點(diǎn)。整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的建立是隨機(jī)的、臨時(shí)的；當(dāng)手持接收機(jī)在小區(qū)里移動(dòng)時(shí)，通過發(fā)出激活命令來激活所有能激活的節(jié)點(diǎn)，臨時(shí)建立一個(gè)星型的網(wǎng)絡(luò)；其網(wǎng)絡(luò)建立及數(shù)據(jù)流的傳輸過程如下：

①路由節(jié)點(diǎn)發(fā)出激活命令；

②終端無線傳感器節(jié)點(diǎn)被激活；

③在每個(gè)終端，無線傳感器節(jié)點(diǎn)分別延長(zhǎng)某固定時(shí)間段的隨機(jī)倍數(shù)后，節(jié)點(diǎn)通知路由節(jié)點(diǎn)自己被激活；

④路由節(jié)點(diǎn)建立激活終端無線傳感器節(jié)點(diǎn)表；

⑤路由節(jié)點(diǎn)通過此表對(duì)激活節(jié)點(diǎn)進(jìn)行點(diǎn)名通信，直到表中的節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)全部下載完成；⑥重復(fù)①～⑤，直到小區(qū)中所有終端節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)下載完畢。

這樣，當(dāng)一個(gè)移動(dòng)接收機(jī)在小區(qū)里移動(dòng)時(shí)，可以通過動(dòng)態(tài)組網(wǎng)把小區(qū)里用戶的燃?xì)庑畔⑾螺d到接收機(jī)中，再把接收機(jī)中的數(shù)據(jù)拿到處理中心去集中處理。通過以上步驟建立的通信，在小區(qū)實(shí)際無線抄表系統(tǒng)中得到了很好的應(yīng)用。5.4.3基于ZigBee的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與RFID技術(shù)的融合

利用RFID標(biāo)簽可只存儲(chǔ)一個(gè)唯一的身份識(shí)別號(hào)碼來標(biāo)識(shí)某個(gè)特定的設(shè)備的性能，但由于RFID抗干擾性較差，而且有效距離一般小于10m，這對(duì)它的應(yīng)用是個(gè)限制。如果將ZigBee的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)WSN與RFID結(jié)合起來，利用前者高達(dá)100m以上的有效半徑,形成無線傳感身份識(shí)別WSID網(wǎng)絡(luò)，其應(yīng)用前景將不可估量。ZigBee可以感知更復(fù)雜的信息并自覺分發(fā)這些信息。就目前情況而言，可讀RFID標(biāo)簽對(duì)大部分公司來說仍然略顯昂貴，以致公司不愿考慮推廣使用它。不過在未來的幾年里，其價(jià)格有望大幅降低，必然會(huì)大量應(yīng)用。另外，盡管ZigBee產(chǎn)品的主要用途并不是用來代替可讀RFID的，但利用更多的傳感器和更少的網(wǎng)關(guān)，可以降低可讀寫RFID的成本，促進(jìn)WSN與RFID結(jié)合應(yīng)用。這樣，在結(jié)合了RFID之后，大大拓展了基于ZigBee的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的功能，可以通過第7章的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)綜合實(shí)驗(yàn)加深對(duì)WSN的認(rèn)識(shí)。 5.5無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的開發(fā)與應(yīng)用

5.5.1無線傳感器網(wǎng)絡(luò)仿真技術(shù)

1.無線傳感網(wǎng)絡(luò)仿真需要解決的問題

數(shù)學(xué)分析、計(jì)算機(jī)仿真與物理測(cè)試是研究與分析傳統(tǒng)無線或有線網(wǎng)絡(luò)的三種主要技術(shù)手段。由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)新的特點(diǎn)與約束，無線傳感網(wǎng)絡(luò)的算法非常復(fù)雜，使得數(shù)學(xué)分析的實(shí)現(xiàn)十分困難。另外，由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)超大規(guī)模的特點(diǎn)，目前真正的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)少之又少，物理測(cè)試幾乎無法實(shí)現(xiàn)。而計(jì)算機(jī)仿真解決了大規(guī)模物理系統(tǒng)構(gòu)建的困難，節(jié)約了研究成本。所以，計(jì)算機(jī)仿真已經(jīng)成為超大規(guī)模無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)研究與開發(fā)的主要手段。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)使得無線傳感器網(wǎng)絡(luò)仿真需要解決以下問題：

(1)可擴(kuò)展性與仿真效率。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)超大規(guī)模和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)變化的特點(diǎn)要求仿真系統(tǒng)在支持網(wǎng)絡(luò)規(guī)模動(dòng)態(tài)變化的同時(shí)，保持高仿真效率。

(2)分布與異步特性。由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是以數(shù)據(jù)為中心的全分布式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，單個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)一般只能擁有局部信息，并且不具備全局唯一標(biāo)志，與傳統(tǒng)無線節(jié)點(diǎn)有較明顯的差別；同時(shí)，節(jié)點(diǎn)間通信的異步特性增加了仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的難度。

(3)動(dòng)態(tài)性。在實(shí)際應(yīng)用環(huán)境中，由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)可能移動(dòng)或者失效，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋾?huì)經(jīng)常變化；在能量管理機(jī)制的作用下，節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)也會(huì)不斷變化。因此，準(zhǔn)確建立無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性模型，對(duì)于提高仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可信度至關(guān)重要。

(4)綜合仿真平臺(tái)。作為一種測(cè)控網(wǎng)絡(luò)，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)集傳感、通信和協(xié)同信息處理于一身。另外，由于節(jié)能是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的主要目標(biāo)，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)引入了與能耗相關(guān)的性能評(píng)價(jià)指標(biāo)。所以，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)需要一個(gè)完整、綜合的仿真平臺(tái)。

2.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)仿真的研究

1)仿真體系結(jié)構(gòu)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)仿真平臺(tái)可分為軟件平臺(tái)和硬件平臺(tái)兩部分。傳統(tǒng)的仿真硬件平臺(tái)，主要是指支撐軟件平臺(tái)運(yùn)行的工作站或服務(wù)器等設(shè)備,但是隨著混合仿真(hybridsimulation)技術(shù)在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)仿真研究中的深入應(yīng)用，一些仿真系統(tǒng)開始在平臺(tái)中加入真實(shí)的傳感器節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，以求可以有效模擬更加復(fù)雜的實(shí)時(shí)系統(tǒng)，縮短開發(fā)周期并提高程序的實(shí)用性，這使得仿真系統(tǒng)的硬件平臺(tái)功能更加豐富和強(qiáng)大，軟硬件平臺(tái)的結(jié)合也更加緊密。如無說明，下文提到的仿真平臺(tái)指仿真的軟件平臺(tái)。開發(fā)仿真平臺(tái)，首先需要建立仿真體系結(jié)構(gòu)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的仿真體系結(jié)構(gòu)，由真實(shí)的目標(biāo)對(duì)象及其物理環(huán)境初步抽象所得，它反映了無線傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)內(nèi)外各因素的本質(zhì)聯(lián)系。在設(shè)計(jì)體系結(jié)構(gòu)的過程中，可以根據(jù)需要忽略次要因素，或者舍去不可觀測(cè)的變量，以提高無線傳感器網(wǎng)絡(luò)仿真的效率。

下面介紹UCLA提出的一種典型的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的仿真體系結(jié)構(gòu)—SensorSim。如圖5-18所示，SensorSim主要由以下五個(gè)部分組成。圖5-18SensorSim體系結(jié)構(gòu)

(1)傳感器節(jié)點(diǎn)。傳感器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)監(jiān)視周圍一定范圍內(nèi)的環(huán)境，接收信號(hào)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和通信。如圖5-19所示，傳感器節(jié)點(diǎn)由功能模塊和能耗模塊兩個(gè)模塊組成。圖5-19傳感器的節(jié)點(diǎn)模型體系結(jié)構(gòu)功能模塊由以下三個(gè)部分組成：

應(yīng)用：負(fù)責(zé)對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)的信號(hào)采集功能、通信行為等進(jìn)行初始化，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要建立統(tǒng)計(jì)指標(biāo)。

網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧：負(fù)責(zé)模擬傳感器節(jié)點(diǎn)中無線通信的各層協(xié)議。

傳感模塊：也稱為傳感協(xié)議棧，負(fù)責(zé)檢測(cè)和處理來自傳感信道的信號(hào)，將其送往上層應(yīng)用。

能耗模塊模擬節(jié)點(diǎn)的能量產(chǎn)生和能量消耗的過程，主要根據(jù)電池、無線收發(fā)設(shè)備、數(shù)模轉(zhuǎn)換器、信號(hào)采集設(shè)備等硬件的能量模型進(jìn)行模擬。

(2)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)。目標(biāo)節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生可以被傳感器節(jié)點(diǎn)感知的信號(hào)，通過特定介質(zhì)將信號(hào)傳播出去。如圖5-20所示，目標(biāo)節(jié)點(diǎn)包括以下模塊：

應(yīng)用：根據(jù)具體仿真應(yīng)用，對(duì)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的各種屬性進(jìn)行初始化。

傳感模塊：傳感模塊分為傳感層和物理層，其主要功能是根據(jù)仿真的實(shí)際物理環(huán)境，生成標(biāo)志目標(biāo)特征的信號(hào)，通過物理層發(fā)送給傳感器節(jié)點(diǎn)。圖5-20目標(biāo)節(jié)點(diǎn)模型的體系結(jié)構(gòu)

(3)用戶節(jié)點(diǎn)。用戶節(jié)點(diǎn)是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的使用者和管理者，主要功能是發(fā)出查詢及控制命令，并收集數(shù)據(jù)，通常不具備傳感功能。如圖5-21所示，用戶節(jié)點(diǎn)模型包括以下模塊：

應(yīng)用：負(fù)責(zé)對(duì)用戶節(jié)點(diǎn)的信息采集、通信行為等功能進(jìn)行初始化，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要建立統(tǒng)計(jì)指標(biāo)。

網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧：負(fù)責(zé)模擬用戶節(jié)點(diǎn)中無線通信的各層協(xié)議。圖5-21用戶節(jié)點(diǎn)模型的體系結(jié)構(gòu)

(4)傳感信道。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)直接與物理世界交互，信號(hào)由目標(biāo)信號(hào)源傳到傳感器節(jié)點(diǎn)需要通過某種介質(zhì)，如大地、空氣、水等，這些介質(zhì)的物理特性將會(huì)在很大程度上影響傳感器節(jié)點(diǎn)感知物理世界的精度，因此對(duì)于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)仿真系統(tǒng)來說，建立與傳感相關(guān)的傳播介質(zhì)模型是必要的。

(5)無線信道。傳感器節(jié)點(diǎn)和用戶節(jié)點(diǎn)之間、傳感器節(jié)點(diǎn)與傳感器節(jié)點(diǎn)之間的無線通信需要無線電、聲、光等介質(zhì)，因此仿真系統(tǒng)需要模擬這種通信介質(zhì)的模型，即建立無線信道模型。

目前，研究人員還提出了一些其他的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)仿真體系結(jié)構(gòu)，如SENS、EmStar、SWAN等，但是大多是在SensorSim體系結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上的改進(jìn)。

2)系統(tǒng)建模

系統(tǒng)模型的建立是仿真實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)?，F(xiàn)有的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)仿真模型主要包括節(jié)點(diǎn)能耗模型、網(wǎng)絡(luò)流量模型、無線信道模型等。

(1)能耗模型。

目前人們對(duì)能耗模型的研究主要集中在對(duì)電池、無線電、中央處理器等硬件設(shè)備的能耗分析。

①電池模型：無線傳感器節(jié)點(diǎn)主要由電池供電。一般情況下，理想的電池容量是由電池中剩余的活性物質(zhì)數(shù)量決定的，而在實(shí)際應(yīng)用中，電池容量還受電池放電速度、放電曲線以及操作電壓等因素的影響。電池模型主要處理三種事件：電池能耗變化、電池能量耗盡和電池能量達(dá)到閥值。電池能耗變化事件是指耗費(fèi)能量的設(shè)備改變其耗能速率，電池模塊需要重新計(jì)算節(jié)點(diǎn)的總體能耗和電池耗盡時(shí)間。電池能量耗盡事件指示電池能量被完全耗盡的時(shí)間，每當(dāng)發(fā)生電池能耗變化事件，耗盡時(shí)間將被重新設(shè)置。電池能量達(dá)到閾值事件則表示電池能量級(jí)別達(dá)到了某一閥值的情況。

②無線電能耗模型：在傳感器節(jié)點(diǎn)的耗能設(shè)備中，無線電模塊是主要耗能模塊，無線電模塊主要由無線電收發(fā)器和信號(hào)放大器組成。假設(shè)兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的距離為d，其通信能耗模型如圖5-22所示，通常取Eelec=50nJ·bit，εamp=100nJ·bit·m2。圖5-22無線通信能耗模型③中央處理器能耗模型：中央處理器能耗模型表示CPU的能量消耗，模型建立通?；趥鞲衅鞴?jié)點(diǎn)完成動(dòng)作或函數(shù)運(yùn)算所占用的時(shí)鐘周期。

除了上述模型，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的整體能耗還跟許多其他因素有關(guān)，如節(jié)點(diǎn)分布密度、網(wǎng)絡(luò)覆蓋面積、網(wǎng)絡(luò)流量的產(chǎn)生和分布等，因此仿真平臺(tái)設(shè)計(jì)僅僅建立硬件能耗模型是不夠的。加州技術(shù)學(xué)院空氣動(dòng)力研究室的J.L.Gao集成各方面模型，提出一種新的能耗統(tǒng)計(jì)體系，利用新的能耗標(biāo)準(zhǔn)——比特·米/焦耳，對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的整體能耗進(jìn)行分析，并取得了比較理想的結(jié)果。

(2)網(wǎng)絡(luò)流量模型。

由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是面向應(yīng)用的測(cè)控系統(tǒng)，在不同的應(yīng)用背景和物理環(huán)境下，網(wǎng)絡(luò)流量模型是不同的。當(dāng)被監(jiān)測(cè)目標(biāo)出現(xiàn)在傳感器節(jié)點(diǎn)的感知范圍內(nèi)，如果附近傳感器節(jié)點(diǎn)分布較密集，網(wǎng)絡(luò)將會(huì)產(chǎn)生瞬時(shí)的流量爆發(fā)；而在某些野外環(huán)境的監(jiān)測(cè)任務(wù)中，傳感器節(jié)點(diǎn)定期采集數(shù)據(jù)，并且位置基本固定，這種情況會(huì)產(chǎn)生穩(wěn)定的數(shù)據(jù)流量。同時(shí)，不同的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和信息處理技術(shù)，也會(huì)影響網(wǎng)絡(luò)整體流量。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信模型中，傳感器節(jié)點(diǎn)應(yīng)用模塊采用的數(shù)據(jù)源可分為固定比特率(CBR)和可變比特率(VBR)兩種，分別對(duì)應(yīng)穩(wěn)定流量和爆發(fā)流量。在網(wǎng)絡(luò)流量的模型分析中，大都將網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)包的到達(dá)假設(shè)為泊松過程，在理論分析上，泊松到達(dá)具有對(duì)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)男阅茉u(píng)價(jià)簡(jiǎn)單、有效等顯著特點(diǎn)。但根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，泊松過程并不適合無線自組網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)等具有大范圍相關(guān)、自相似特性的網(wǎng)絡(luò)。

(3)無線信道模型。

傳感器節(jié)點(diǎn)之間、用戶節(jié)點(diǎn)與傳感器節(jié)點(diǎn)之間需要通過無線信道進(jìn)行通信。由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)大規(guī)模和高密度等特點(diǎn)引發(fā)的高噪聲，使得其無線信道的模型更加復(fù)雜，所以無線信道的建模也是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)仿真研究的主要內(nèi)容之一。

3)仿真平臺(tái)的開發(fā)

仿真平臺(tái)開發(fā)是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)仿真研究的又一主要內(nèi)容。目前研究人員針對(duì)WSN開發(fā)的仿真平臺(tái)有TOSSIM、PROWLER、TOSSF、SensorSim、EmStar以及SENS等，但這些仿真平臺(tái)大多側(cè)重?zé)o線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信、傳感或協(xié)同信息處理中的一個(gè)方面。

3.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)常用仿真軟件

除了上文提到的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)仿真專用仿真平臺(tái)外，目前還有一些用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)仿真的通用網(wǎng)絡(luò)仿真軟件，如OPNET、NS(NetworkSimulator)等，并已成為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)仿真的主要平臺(tái)。下面介紹幾種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)仿真的常用軟件。

1)?TOSSIM

TOSSIM(TinyOSsimulator)是TinyOS自帶的一個(gè)仿真工具，可以支持大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)仿真。由于TOSSIM仿真程序直接編譯自實(shí)際運(yùn)行于硬件環(huán)境的代碼，所以還可以用來調(diào)試程序。

TOSSIM運(yùn)行和傳感器硬件相同的代碼，仿真編譯器能直接從TinyOS應(yīng)用的組件表編譯生成仿真程序。通過替換TinyOS下層部分硬件相關(guān)的組件，TOSSIM把硬件中斷轉(zhuǎn)換成離散仿真事件，由仿真器事件隊(duì)列拋出的中斷來驅(qū)動(dòng)上層應(yīng)用，其他的TinyOS組件尤其是上層的應(yīng)用組件都無須更改，因此用戶無須為仿真另外編寫代碼。TOSSIM具有以下幾個(gè)方面的特點(diǎn)：

(1)編譯器支持。TOSSIM改進(jìn)了nesC編譯器，通過使用不同的選項(xiàng)，用戶可以把在硬件節(jié)點(diǎn)上運(yùn)行的代碼編譯成仿真程序。編譯器支持可同時(shí)提供可擴(kuò)展性和仿真的真實(shí)性。

(2)執(zhí)行模型。TOSSIM的核心是一個(gè)仿真事件隊(duì)列。與TinyOS不同的是，硬件中斷被模擬成仿真事件插入隊(duì)列，仿真事件調(diào)用中斷處理程序，中斷處理程序又可以調(diào)用T