無線傳感器網(wǎng)絡(luò)復(fù)習(xí)提綱

1無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)2無線網(wǎng)絡(luò)有基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)無基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)移動(dòng)Adhoc網(wǎng)絡(luò)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)一、什么是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)3

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)是大量的靜止或移動(dòng)的傳感器以自組織和多跳的方式構(gòu)成的無線網(wǎng)絡(luò)，目的是協(xié)作地采集、處理和傳輸網(wǎng)絡(luò)覆蓋地域內(nèi)感知對(duì)象的監(jiān)測(cè)信息，并報(bào)告給用戶?！盁o線傳感器網(wǎng)絡(luò)”術(shù)語的標(biāo)準(zhǔn)定義45傳感器網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議分層6通信能力有限節(jié)點(diǎn)通信覆蓋范圍只有幾十到幾百米關(guān)鍵之一如何在有限的通信能力條件下,完成探測(cè)數(shù)據(jù)的傳輸？無線通信技術(shù)是第一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)！四、傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)7電源能量有限通常電池供電，工作環(huán)境惡劣，一次部署終生使用，更換電池困難關(guān)鍵之二如何節(jié)省電源、最大化網(wǎng)絡(luò)的使用壽命？低功耗設(shè)計(jì)問題是第二項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)！四、傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)8計(jì)算能力有限節(jié)點(diǎn)體積小，處理器和存儲(chǔ)器性能有限，不允許進(jìn)行復(fù)雜算法的運(yùn)算關(guān)鍵之三嵌入式操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)是第三項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)！四、傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)9自組織的動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)傳感器網(wǎng)絡(luò)沒有基站節(jié)點(diǎn)失效、新節(jié)點(diǎn)加入，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)性，需要自動(dòng)愈合關(guān)鍵之四多跳自組織的網(wǎng)絡(luò)路由是第四項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)！四、傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)10傳感器網(wǎng)絡(luò)是以數(shù)據(jù)為中心的網(wǎng)絡(luò)用戶感興趣的是數(shù)據(jù)而不是網(wǎng)絡(luò)和傳感器硬件關(guān)鍵之五如何建立以數(shù)據(jù)為中心的傳感器網(wǎng)絡(luò)？傳感器網(wǎng)絡(luò)的第五項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)是數(shù)據(jù)融合方法！四、傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)11網(wǎng)絡(luò)攻擊無處不在……關(guān)鍵之六安全性是傳感網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的重要問題。如何保護(hù)機(jī)密數(shù)據(jù)和防御網(wǎng)絡(luò)攻擊是第六項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)！四、傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)12第3章傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信與組網(wǎng)技術(shù)133.1物理層3.1.1物理層概述1、物理層的基本概念從定義可以看出，物理層的特點(diǎn)是負(fù)責(zé)在物理連接上傳輸二進(jìn)制比特流，并提供為建立、維護(hù)和釋放物理連接所需要的機(jī)械、電氣、功能和規(guī)程的特性。14目前無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信傳輸介質(zhì)主要是無線電波、紅外線和光波三種類型。無線電波的通信限制較少，通常人們選擇“工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療”(Industrial，ScientificandMedical,ISM)頻段。3、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)物理層的特點(diǎn)152、物理層幀結(jié)構(gòu)物理幀的第一個(gè)字段是前導(dǎo)碼，字節(jié)數(shù)一般取4，用于收發(fā)器進(jìn)行碼片或者符號(hào)的同步。第二個(gè)字段是幀頭，長(zhǎng)度通常為一個(gè)字節(jié)，表示同步結(jié)束，數(shù)據(jù)包開始傳輸。幀頭與前導(dǎo)碼構(gòu)成了同步頭。幀長(zhǎng)度字段通常由一個(gè)字節(jié)的低7位表示，其值就是后續(xù)的物理層PHY負(fù)載的長(zhǎng)度，因此它的后續(xù)PHY負(fù)載的長(zhǎng)度不會(huì)超過127個(gè)字節(jié)。物理幀PHY的負(fù)載長(zhǎng)度可變，稱為物理服務(wù)數(shù)據(jù)單元(PHYServiceDataUnite,PSDU)，攜帶PHY數(shù)據(jù)包的數(shù)據(jù)，PSDU域是物理層的載荷

。3.1.2傳感器網(wǎng)絡(luò)物理層的設(shè)計(jì)163.2MAC協(xié)議3.2.1MAC協(xié)議概述介質(zhì)訪問控制(MediumAccessControl，MAC)協(xié)議。所謂MAC協(xié)議就是通過一組規(guī)則和過程來有效、有序和公平地使用共享介質(zhì)。17根據(jù)固定分配信道方式還是隨機(jī)訪問信道方式，將傳感器網(wǎng)絡(luò)的MAC協(xié)議分為以下三種：

(1)時(shí)分復(fù)用無競(jìng)爭(zhēng)接入方式。無線信道時(shí)分復(fù)用(TimeDivisionMultipleAccess，TDMA)方式給每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)分配固定的無線信道使用時(shí)段，避免節(jié)點(diǎn)之間相互干擾。3.2.1MAC協(xié)議概述18(2)隨機(jī)競(jìng)爭(zhēng)接入方式。如果采用無線信道的隨機(jī)競(jìng)爭(zhēng)接入方式，節(jié)點(diǎn)在需要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)隨機(jī)使用無線信道，盡量減少節(jié)點(diǎn)間的干擾。典型的方法是采用載波偵聽多路訪問(CarrierSenseMultipleAccess，CSMA)的MAC協(xié)議。3.2.1MAC協(xié)議概述19(3)競(jìng)爭(zhēng)與固定分配相結(jié)合的接入方式。通過混合采用頻分復(fù)用或者碼分復(fù)用等方式，實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)間無沖突的無線信道分配。3.2.1MAC協(xié)議概述20典型的基于競(jìng)爭(zhēng)的隨機(jī)訪問MAC協(xié)議是載波偵聽多路訪問(CSMA)接入方式。在無線局域網(wǎng)IEEE802.11MAC協(xié)議的分布式協(xié)調(diào)工作模式中，就采用了帶沖突避免的載波偵聽多路訪問(CSMAwithCollisionAvoidance，CSMA/CA)協(xié)議，它是基于競(jìng)爭(zhēng)的無線網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議的典型代表。3.2.1MAC協(xié)議概述21所謂的CSMA/CA機(jī)制是指在信號(hào)傳輸之前，發(fā)射機(jī)先偵聽介質(zhì)中是否有同信道載波，若不存在，意味著信道空閑，將直接進(jìn)入數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài)；若存在載波，則在隨機(jī)退避一段時(shí)間后重新檢測(cè)信道。這種介質(zhì)訪問控制層的方案簡(jiǎn)化了實(shí)現(xiàn)自組織網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的過程。

3.2.1MAC協(xié)議概述223.2.2IEEE802.11MAC協(xié)議IEEE802.11MAC協(xié)議分為分布式協(xié)調(diào)功能(DCF)和點(diǎn)協(xié)調(diào)功能(PCF)兩種訪問控制方式，其中DCF方式是IEEE802.11協(xié)議的基本訪問控制方式。

PCF通過訪問接入點(diǎn)來協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)收發(fā)，通過設(shè)置好的一定間隔時(shí)間查詢當(dāng)前哪些節(jié)點(diǎn)有數(shù)據(jù)發(fā)送的請(qǐng)求。

PCF是基于優(yōu)先級(jí)的無競(jìng)爭(zhēng)訪問。23在DCF工作方式下，載波偵聽機(jī)制通過物理載波偵聽和虛擬載波偵聽來確定無線信道的狀態(tài)。物理載波偵聽由物理層提供，虛擬載波偵聽由MAC層提供。3.2.2IEEE802.11MAC協(xié)議24

源節(jié)點(diǎn)在發(fā)出RTS幀或data幀后的一段時(shí)間內(nèi)沒有收到CTS應(yīng)答，則說明發(fā)送失敗，節(jié)點(diǎn)立即重傳未收到應(yīng)答的RTS幀或data幀。如果3次發(fā)送仍未收到應(yīng)答，節(jié)點(diǎn)放棄發(fā)送，轉(zhuǎn)入睡眠，在下一個(gè)偵聽周期醒來重新競(jìng)爭(zhēng)信道。3.2.2IEEE802.11MAC協(xié)議253.2.3典型MAC協(xié)議：S-MAC協(xié)議S-MAC協(xié)議(SensorMAC)是在802.1lMAC協(xié)議的基礎(chǔ)上，針對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)省能量需求而提出的。S-MAC協(xié)議的適用條件是傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸量不大，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部能夠進(jìn)行數(shù)據(jù)融合以減少數(shù)據(jù)通信量，網(wǎng)絡(luò)能容忍一定程度的通信延遲。它的設(shè)計(jì)目標(biāo)是提供良好的擴(kuò)展性，減少節(jié)點(diǎn)能耗。26通常無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的無效能耗主要來源于如下四種原因：①空閑監(jiān)聽：節(jié)點(diǎn)等待接收②數(shù)據(jù)沖突：相鄰節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)③串?dāng)_：接收和處理無關(guān)數(shù)據(jù)④控制開銷：RTS，CTS，ACK3.2.3典型MAC協(xié)議：S-MAC協(xié)議27（1）周期性偵聽和睡眠機(jī)制

S-MAC協(xié)議將時(shí)間分為幀，幀長(zhǎng)度由應(yīng)用程序決定。幀內(nèi)分監(jiān)聽工作階段和睡眠階段。監(jiān)聽/睡眠階段的持續(xù)時(shí)間要根據(jù)應(yīng)用情況進(jìn)行調(diào)整。當(dāng)節(jié)點(diǎn)處于睡眠階段時(shí)，關(guān)閉無線電波，以節(jié)省能量。

相鄰節(jié)點(diǎn)之間盡量保持各自的監(jiān)聽/睡眠時(shí)間表一致（時(shí)間同步）。具有相同時(shí)間表的節(jié)點(diǎn)組成一個(gè)虛擬簇。3.2.3典型MAC協(xié)議：S-MAC協(xié)議通過廣播SYNC包保持同步某些節(jié)點(diǎn)可以同時(shí)屬于兩個(gè)或多個(gè)虛擬簇28（2）流量自適應(yīng)偵聽機(jī)制

3.2.3典型MAC協(xié)議：S-MAC協(xié)議29（3）沖突和串音避免機(jī)制

為了減少?zèng)_突和避免串音，S-MAC協(xié)議采用了與802.11MAC協(xié)議類似的虛擬和物理載波監(jiān)聽機(jī)制，以及RTS/CTS握手交互機(jī)制。兩者的區(qū)別在于當(dāng)鄰居節(jié)點(diǎn)處于通信過程時(shí)，執(zhí)行S-MAC協(xié)議的節(jié)點(diǎn)進(jìn)入睡眠狀態(tài)。3.2.3典型MAC協(xié)議：S-MAC協(xié)議30（4）消息傳遞機(jī)制

由于無線信道的傳輸差錯(cuò)與消息長(zhǎng)度成正比，短消息傳輸成功的概率要大于長(zhǎng)消息。將長(zhǎng)消息分為若干個(gè)短消息，采用一次RTS/CTS交互的握手機(jī)制預(yù)約這個(gè)長(zhǎng)消息發(fā)送的時(shí)間，集中連續(xù)發(fā)送全部短消息。這樣既可以減少控制報(bào)文的開銷，又可以提高消息發(fā)送的成功率。3.2.3典型MAC協(xié)議：S-MAC協(xié)議313.3路由協(xié)議3.3.1路由協(xié)議概述

路由選擇(routing)是指選擇互連網(wǎng)絡(luò)從源節(jié)點(diǎn)向目的節(jié)點(diǎn)傳輸信息的行為，并且信息至少通過一個(gè)中間節(jié)點(diǎn)。路由協(xié)議負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)分組從源節(jié)點(diǎn)通過網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)到目的節(jié)點(diǎn)，它包括兩個(gè)功能：

①尋找源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)間的優(yōu)化路徑；

②將數(shù)據(jù)分組沿著優(yōu)化路徑正確轉(zhuǎn)發(fā)。323.3.2典型路由協(xié)議：定向擴(kuò)散路由定向擴(kuò)散（DirectedDiffusion，DD）路由協(xié)議是一種基于查詢的路由機(jī)制。擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)通過興趣信息發(fā)出查詢?nèi)蝿?wù)，采用洪泛方式傳播興趣信息到整個(gè)區(qū)域或部分區(qū)域內(nèi)的所有傳感器節(jié)點(diǎn)。興趣信息用來表示查詢的任務(wù)，表達(dá)了網(wǎng)絡(luò)用戶對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)感興趣的具體內(nèi)容，例如監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的溫度、濕度和光照等數(shù)據(jù)。

33定向擴(kuò)散路由機(jī)制可以分為周期性的興趣擴(kuò)散、梯度建立和路徑加強(qiáng)三個(gè)階段:

3.3.2典型路由協(xié)議：定向擴(kuò)散路由34（1）興趣擴(kuò)散階段3.3.2典型路由協(xié)議：定向擴(kuò)散路由35（2）數(shù)據(jù)傳播階段3.3.2典型路由協(xié)議：定向擴(kuò)散路由36（3）路徑加強(qiáng)階段3.3.2典型路由協(xié)議：定向擴(kuò)散路由37第4章傳感器網(wǎng)絡(luò)的支撐技術(shù)38傳感器網(wǎng)絡(luò)的支撐技術(shù)主要包括：時(shí)間同步機(jī)制定位技術(shù)數(shù)據(jù)融合能量管理安全機(jī)制第4章傳感器網(wǎng)絡(luò)的支撐技術(shù)394.1時(shí)間同步機(jī)制4.1.1傳感器網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間同步機(jī)制1、傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步的意義在分布式的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中，每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)都有自己的本地時(shí)鐘。不同節(jié)點(diǎn)的晶體振蕩器頻率存在偏差，以及溫度、濕度和電磁波的干擾等都會(huì)造成網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間的運(yùn)行時(shí)間偏差。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步機(jī)制的意義和作用主要體現(xiàn)在如下兩方面：（1）傳感器節(jié)點(diǎn)通常需要彼此協(xié)作，去完成復(fù)雜的監(jiān)測(cè)和感知任務(wù)。數(shù)據(jù)融合是協(xié)作操作的典型例子，不同的節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)最終融合形成了一個(gè)有意義的結(jié)果。（2）傳感器網(wǎng)絡(luò)的一些節(jié)能方案是利用時(shí)間同步來實(shí)現(xiàn)的。40通信模型

節(jié)點(diǎn)時(shí)間校正技術(shù)是WSN時(shí)間同步的核心和基礎(chǔ)。目前主要的時(shí)間校正技術(shù)有單向報(bào)文傳遞、雙向報(bào)文交換、廣播參考報(bào)文等技術(shù)。單向報(bào)文傳遞如果知道d的上界和下界，則

d=(dmax+dmin)/2這種時(shí)間校正技術(shù)的精度最低，因?yàn)樗僭O(shè)報(bào)文傳遞過程中只有傳播延時(shí)，忽略了無線信道的許多不確定因素的影響。4.1.1傳感器網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間同步機(jī)制d41雙向報(bào)文交換設(shè)報(bào)文的往返時(shí)間為D=Tib-Tia

，報(bào)文的傳遞時(shí)延d在0～D之間。如果知道d的上界dmax和下界dmin，節(jié)點(diǎn)j可以確定d在D–dmax

到D-dmin

之間。4.1.1傳感器網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間同步機(jī)制42廣播參考報(bào)文

4.1.1傳感器網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間同步機(jī)制43時(shí)鐘同步的誤差來源同步信息的時(shí)延包括協(xié)議發(fā)送時(shí)延接入時(shí)延發(fā)送時(shí)延傳播時(shí)延接收時(shí)延接收處理時(shí)延4.1.1傳感器網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間同步機(jī)制44RBS參考廣播同步機(jī)制接收者－接收者同步機(jī)制基本思想是多個(gè)節(jié)點(diǎn)接收同一個(gè)同步信號(hào)，然后多個(gè)收到同步信號(hào)的節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行同步。這種同步算法消除了同步信號(hào)發(fā)送一方的時(shí)間不確定性。這種同步協(xié)議的缺點(diǎn)是協(xié)議開銷大。4.1.1傳感器網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間同步機(jī)制454.1.2TPSN時(shí)間同步協(xié)議

TPSN協(xié)議采用層次型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，首先將所有節(jié)點(diǎn)按照層次結(jié)構(gòu)進(jìn)行分級(jí)，然后每個(gè)節(jié)點(diǎn)與上一級(jí)的一個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行時(shí)間同步，最終所有節(jié)點(diǎn)都與根節(jié)點(diǎn)時(shí)間同步。節(jié)點(diǎn)對(duì)之間的時(shí)間同步是基于發(fā)送者-接收者的同步機(jī)制。46

1、TPSN協(xié)議的操作過程

TPSN協(xié)議包括兩個(gè)階段：第一個(gè)階段生成層次結(jié)構(gòu)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)賦予一個(gè)級(jí)別，根節(jié)點(diǎn)賦予最高級(jí)別第0級(jí)，第i級(jí)的節(jié)點(diǎn)至少能夠與一個(gè)第（i－1）級(jí)的節(jié)點(diǎn)通信；第二個(gè)階段實(shí)現(xiàn)所有樹節(jié)點(diǎn)的時(shí)間同步，第1級(jí)節(jié)點(diǎn)同步到根節(jié)點(diǎn)，第i級(jí)的節(jié)點(diǎn)同步到第（i－1）級(jí)的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，最終所有節(jié)點(diǎn)都同步到根節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間同步。4.1.2TPSN時(shí)間同步協(xié)議47

2、相鄰級(jí)別節(jié)點(diǎn)間的同步機(jī)制

鄰近級(jí)別的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)間通過交換兩個(gè)消息實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步。4.1.2TPSN時(shí)間同步協(xié)議i-1級(jí)i級(jí)105926?151548優(yōu)點(diǎn)減少同步誤差TPSN同步協(xié)議在MAC層消息開始發(fā)送到無線信道是才給消息添加時(shí)標(biāo)，消除了訪問時(shí)間帶來的時(shí)間同步誤差。提高同步精度考慮了傳播時(shí)間和接收時(shí)間，利用雙向消息交換計(jì)算消息的平均延遲，提高了時(shí)間同步的精度。4.1.2TPSN時(shí)間同步協(xié)議49缺點(diǎn)沒有考慮根節(jié)點(diǎn)失效問題。新的節(jié)點(diǎn)加入時(shí)，需要初始化層次發(fā)現(xiàn)階段，級(jí)別的靜態(tài)特性減少了算法的魯棒性。4.1.2TPSN時(shí)間同步協(xié)議50使用范圍TPSN能夠?qū)崿F(xiàn)全網(wǎng)范圍內(nèi)節(jié)點(diǎn)間的時(shí)間同步，同步誤差與跳數(shù)距離成正比。4.1.2TPSN時(shí)間同步協(xié)議511、測(cè)距方法(1)接收信號(hào)強(qiáng)度指示(RSSI)

4.2.2基于測(cè)距的定位技術(shù)52(2)到達(dá)時(shí)間/到達(dá)時(shí)間差(ToA/TDoA)這類方法通過測(cè)量傳輸時(shí)間來估算兩節(jié)點(diǎn)之間距離，精度較好。ToA機(jī)制是已知信號(hào)的傳播速度，根據(jù)信號(hào)的傳播時(shí)間來計(jì)算節(jié)點(diǎn)間的距離。4.2.2基于測(cè)距的定位技術(shù)53(3)到達(dá)角(AoA)該方法通過配備特殊天線來估測(cè)其它節(jié)點(diǎn)發(fā)射的無線信號(hào)的到達(dá)角度。AoA測(cè)距技術(shù)易受外界環(huán)境影響，且需要額外硬件，它的硬件尺寸和功耗指標(biāo)不適用于大規(guī)模的傳感器網(wǎng)絡(luò)，在某些應(yīng)用領(lǐng)域可以發(fā)揮作用。4.2.2基于測(cè)距的定位技術(shù)542、多邊定位多邊定位法基于距離測(cè)量(如RSSI、ToA/TDoA)的結(jié)果。確定二維坐標(biāo)至少具有三個(gè)節(jié)點(diǎn)至錨點(diǎn)的距離值；確定三維坐標(biāo)，則需四個(gè)此類測(cè)距值。

4.2.2基于測(cè)距的定位技術(shù)55

第5章傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用開發(fā)基礎(chǔ)

56第1節(jié)

ZigBee協(xié)議棧原理5.1.1ZigBee概述ZigBee是一種開放式的基于IEEE802.15.4協(xié)定的無線個(gè)人局域網(wǎng)(WirelessPersonalAreaNetworks)標(biāo)準(zhǔn)。IEEE802.15.4定義了物理層和媒體接入控制層，而ZigBee則定義了更高層如網(wǎng)路層及應(yīng)用層等。ZigBee技術(shù)是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低速率、低成本的雙向無線通訊技術(shù)。57第1節(jié)

ZigBee協(xié)議棧原理5.1.1ZigBee概述ZigBee可工作在2.14GHz(全球流行)、868MHz(歐洲流行)和915MHz(美國(guó)流行)3個(gè)頻段上,分別具有最高250kbit/s、20kbit/s和40kbit/s的傳輸速率,它的傳輸距離在10-75m的范圍內(nèi),但可以繼續(xù)增加。58第1節(jié)

ZigBee協(xié)議棧原理5.1.1ZigBee概述ZigBee具體如下技術(shù)特點(diǎn)：

1.低功耗

2.低成本

59第1節(jié)

ZigBee協(xié)議棧原理5.1.1ZigBee概述

3.時(shí)延短

4.網(wǎng)絡(luò)容量大一個(gè)星型結(jié)構(gòu)的ZigBee網(wǎng)絡(luò)最多可以容納254個(gè)從設(shè)備和一個(gè)主設(shè)備,一個(gè)區(qū)域內(nèi)可以同時(shí)存在最多100個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò),而且網(wǎng)絡(luò)組成靈活。網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的ZigBee網(wǎng)絡(luò)中可有65000多個(gè)節(jié)點(diǎn)。60第1節(jié)

ZigBee協(xié)議棧原理5.1.1ZigBee概述

5.可靠6.安全

ZigBee提供了基于循環(huán)冗余校驗(yàn)(CRC)的數(shù)據(jù)包完整性檢查功能,支持鑒權(quán)和認(rèn)證,采用了AES-128的加密算法61第1節(jié)

ZigBee協(xié)議棧原理5.1.2ZigBee技術(shù)體系ZigBee設(shè)備類型

1.ZigBee協(xié)調(diào)器（Coordinator）

2.ZigBee路由器（Router）

3.ZigBee終端設(shè)備（End-device）一個(gè)Zigbee網(wǎng)絡(luò)由一個(gè)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)、多個(gè)路由器和多個(gè)終端設(shè)備節(jié)點(diǎn)組成。62第1節(jié)

ZigBee協(xié)議棧原理5.1.2ZigBee技術(shù)體系ZigBee協(xié)調(diào)器（Coordinator）協(xié)調(diào)器選擇一個(gè)信道和一個(gè)網(wǎng)絡(luò)PANID，隨后啟動(dòng)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)。63第1節(jié)

ZigBee協(xié)議棧原理5.1.2ZigBee技術(shù)體系ZigBee路由器（Router）64第1節(jié)

ZigBee協(xié)議棧原理5.1.2ZigBee技術(shù)體系ZigBee終端設(shè)備（End-device）一個(gè)終端設(shè)備對(duì)于維護(hù)這個(gè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備沒有具體的責(zé)任,所以它可以睡眠和喚配，看它自己的選擇。因此它能作為電池供電節(jié)點(diǎn)。65第1節(jié)

ZigBee協(xié)議棧原理5.1.2ZigBee技術(shù)體系ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

ZigBee支持三種自組織無線網(wǎng)絡(luò)類型，即星型結(jié)構(gòu)、網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)(Mesh)和簇狀結(jié)構(gòu)(ClusterTree)，特別是網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，具有很強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)健壯性和系統(tǒng)可靠性。66第1節(jié)

ZigBee協(xié)議棧原理5.1.2ZigBee技術(shù)體系星型網(wǎng)狀型簇狀型網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器全功能設(shè)備(FFD,Router):可以支持任何一種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可以作為網(wǎng)絡(luò)協(xié)商者和普通協(xié)商者，并且可以和任何一種設(shè)備進(jìn)行通信精簡(jiǎn)功能設(shè)備(RFD):只支持星型結(jié)構(gòu)，不能成為任何協(xié)商者，可以和網(wǎng)絡(luò)協(xié)商者進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單。67第1節(jié)

ZigBee協(xié)議棧原理5.1.2ZigBee技術(shù)體系協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的建網(wǎng)，同時(shí)它也可作為與其它類型網(wǎng)絡(luò)的通訊節(jié)點(diǎn)（網(wǎng)關(guān)）。構(gòu)成協(xié)調(diào)器和路由器的器件必須是全功能器件（FFD），而構(gòu)成終端設(shè)備的器件可以是全功能器件，也可是簡(jiǎn)約功能器件（RFD).68第1節(jié)

ZigBee協(xié)議棧原理5.1.2ZigBee技術(shù)體系ZigBee采用的路由算法ZigBee采用按需路由算法AODV。69第1節(jié)

ZigBee協(xié)議棧原理5.1.3Z-Stack協(xié)議棧地址類型ZigBee設(shè)備有兩種類型的地址：64位IEEE地址（MAC地址），全球唯一，設(shè)備將在其生命周期內(nèi)一直擁有它。MAC地址通常由制造商或者被安裝時(shí)設(shè)置。這些地址由IEEE維護(hù)和分配。16位網(wǎng)絡(luò)地址，即短地址。當(dāng)設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)后分配短地址，在網(wǎng)絡(luò)中唯一，用來在網(wǎng)絡(luò)中鑒別設(shè)備和發(fā)送或接收數(shù)據(jù)。

70第1節(jié)

ZigBee協(xié)議棧原理5.1.3Z-Stack協(xié)議棧Z-Stack網(wǎng)絡(luò)地址分配每個(gè)ZigBee設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)時(shí)，從其父設(shè)備那里獲得一個(gè)網(wǎng)絡(luò)地址（短地址）MAX_DEPTH網(wǎng)絡(luò)的最大深度，協(xié)調(diào)器深度為0。MAX_CHILDREN路由器或協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)最大個(gè)數(shù)。MAX_ROUTER決定路由器或協(xié)調(diào)器可以處理的具有路由功能的子節(jié)點(diǎn)的最大個(gè)數(shù)，是MAX_CHILDREN

的一個(gè)子集，終端節(jié)點(diǎn)使用MAX_CHILDREN–MAX_ROUTER剩下的地址空間。71第1節(jié)

ZigBee協(xié)議棧原理5.1.3Z-Stack協(xié)議棧Z-Stack網(wǎng)絡(luò)地址分配兄弟節(jié)點(diǎn)之間的地址間隔Cskip的計(jì)算:

Cm:一個(gè)父節(jié)點(diǎn)可擁有的最多子節(jié)點(diǎn)數(shù)；Rm:一個(gè)父節(jié)點(diǎn)可擁有的最多路由節(jié)點(diǎn)數(shù)；Lm:網(wǎng)絡(luò)的最大深度；d:該設(shè)備深度。

72第1節(jié)

ZigBee協(xié)議棧原理5.1.3Z-Stack協(xié)議棧Cskip位置配置范例最多路由節(jié)點(diǎn)=4最多子節(jié)點(diǎn)=4最大深度=3CRRRRRRRRREAddr=0Addr=1Addr=22Addr=43Addr=64Addr=2Addr=23Addr=28Addr=65Addr=70Addr=6673PANID設(shè)置若PANID＝0xFFFF，則協(xié)調(diào)器隨機(jī)生成PANID，否則，使用指定的PANID。第1節(jié)

ZigBee協(xié)議棧原理5.1.4SappWsn工程74步進(jìn)電機(jī)電路第2節(jié)

網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的硬件開發(fā)3、傳感器節(jié)點(diǎn)的開發(fā)實(shí)例75步進(jìn)電機(jī)電路－四相步進(jìn)電機(jī)半步模式下的脈沖分配：若按相反順序產(chǎn)生脈沖，則電機(jī)反轉(zhuǎn)第2節(jié)

網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的硬件開發(fā)3、傳感器節(jié)點(diǎn)的開發(fā)實(shí)例12345678A00111000B10000011C00001110D1110000076步進(jìn)電機(jī)電路－四相步進(jìn)電機(jī)整步模式下的脈沖分配若按相反順序產(chǎn)生脈沖，則電機(jī)反轉(zhuǎn)。1357A0100B1011C0011D1101第2節(jié)

網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的硬件開發(fā)3、傳感器節(jié)點(diǎn)的開發(fā)實(shí)例77第6章傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)786.2IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)6.2.1IEEE802.15標(biāo)準(zhǔn)概述802.15.1藍(lán)牙無線個(gè)人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，中速、近距離，適用于手機(jī)、PDA等。802.15.4

低速無線個(gè)人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)，低能耗，低速率和低成本，針對(duì)個(gè)人和家庭范圍內(nèi)不同設(shè)備間的低速傳輸。79IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)定義的LR-WPAN網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)：在不同的載波頻率下實(shí)現(xiàn)20kbps、40kbps和250kbps三種不同的傳輸速率；有16位和64位兩種地址格式，其中64位地址是全球惟一的擴(kuò)展地址；支持沖突避免的載波多路偵聽技術(shù)(CSMA-CA)；支持確認(rèn)機(jī)制，保證傳輸可靠性。6.2IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)6.2.1IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)概述80IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定物理層任務(wù)：激活和休眠射頻收發(fā)器；信道能量檢測(cè)：測(cè)量目標(biāo)信道中接收信號(hào)的功率強(qiáng)調(diào)，檢測(cè)結(jié)果為有效信號(hào)和噪聲信號(hào)功率之和；檢測(cè)接收數(shù)據(jù)包的鏈路質(zhì)量指示(LQI)，得出信噪比指標(biāo)；空閑信道評(píng)估；收發(fā)數(shù)據(jù)。6.2IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)6.2.2物理層標(biāo)準(zhǔn)81IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)定義的信道0-26共27個(gè)；跨越3個(gè)頻段，具體包括2.4GHz頻段的16個(gè)信道、915MHz頻段的10個(gè)信道、868MHz頻段的1個(gè)信道。信道的頻段中心定義(其中k表示信道編號(hào))：

fc=868.3MHzk=0fc=906+2×(k－1)MHzk=1，2，…，10fc=2405+5×(k－11)MHzk=11，12，…，266.2IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)6.2.2物理層標(biāo)準(zhǔn)82

頻帶

使用范圍

數(shù)據(jù)傳輸率

信道數(shù)2.4GHzISM 全世界250kbps16868MHz 歐洲 20kbps1915MHzISM 北美 40kbps106.2IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)6.2.2物理層標(biāo)準(zhǔn)832、物理層幀結(jié)構(gòu)前導(dǎo)碼由32個(gè)0組成，用于收發(fā)器之間進(jìn)行同步。幀起始定界符（SFD）域由8位組成，表示同步結(jié)束，數(shù)據(jù)包開始傳輸。SFD與前導(dǎo)碼構(gòu)成同步頭。幀長(zhǎng)度由7位組成，表示物理服務(wù)數(shù)據(jù)單元（PSDU）的字節(jié)數(shù)。幀長(zhǎng)度域和1位的保留位構(gòu)成了物理頭。PSDU域是變長(zhǎng)的，攜帶PHY數(shù)據(jù)包的數(shù)據(jù)，包含介質(zhì)訪問控制協(xié)議數(shù)據(jù)單元。PSDU域是物理層的載荷。4字節(jié)1字節(jié)1字節(jié)變

長(zhǎng)前導(dǎo)碼SFD幀長(zhǎng)度(7位)保留位(1位)PSDU同步頭物理幀頭PHY負(fù)載6.2IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)6.2.2物理層標(biāo)準(zhǔn)0xA7≤127字節(jié)承載MAC幀846.2IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)6.2.3MAC層標(biāo)準(zhǔn)MAC層需要處理接入到物理無線信道等事務(wù)，并負(fù)責(zé)下列的任務(wù)：能產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)信標(biāo)（如果設(shè)備是協(xié)調(diào)器）與信標(biāo)保持同步支持PAN（個(gè)人局域網(wǎng)）的連接和斷開連接支持設(shè)備的安全性信道接入采用CSMA-CA接入機(jī)制處理和維護(hù)GTS(保護(hù)時(shí)隙)機(jī)制在對(duì)等的MAC實(shí)體之間提供一個(gè)可靠的通信鏈路（單跳）856.2IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)6.2.3MAC層標(biāo)準(zhǔn)MAC層定義了四種幀結(jié)構(gòu)，其長(zhǎng)度不超過127字節(jié)：信標(biāo)幀數(shù)據(jù)幀確認(rèn)幀命令幀86ZigBee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)境和特定應(yīng)用條件下的輸出功耗。ZigBee的通信速率在2.4GHz時(shí)為250kbps，在915MHz時(shí)為40kbps，在868MHz時(shí)為20kbps。6.3ZigBee協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)6.3.1ZigBee概述87ZigBee協(xié)議主要界定了網(wǎng)絡(luò)、安全和應(yīng)用框架層。支持三種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：星型(Star)結(jié)構(gòu)，可提供很長(zhǎng)時(shí)間的電池使用壽命。網(wǎng)狀(Mesh)結(jié)構(gòu)，有多條傳輸路徑，具有較高的可靠性。簇樹型(ClusterTree)結(jié)構(gòu)，結(jié)合了星型和網(wǎng)狀型結(jié)構(gòu)，既有較高的可靠性，又節(jié)省電池能量。6.3ZigBee協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)6.3.1ZigBee概述星型網(wǎng)狀型簇狀型協(xié)調(diào)器路由器終端設(shè)備88按節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中擔(dān)當(dāng)?shù)慕巧珔f(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)發(fā)起并維護(hù)一個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)，識(shí)別網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)。路由器支撐網(wǎng)絡(luò)鏈路結(jié)構(gòu)，完成數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)。終端設(shè)備是網(wǎng)絡(luò)的感知者和執(zhí)行者，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集和可執(zhí)行的網(wǎng)絡(luò)動(dòng)作。6.3ZigBee協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)6.3.1ZigBee概述89按節(jié)點(diǎn)的復(fù)雜程度全功能設(shè)備（FFD）是一種功能完備的設(shè)備，可完成路由任務(wù)，充當(dāng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器。它可與其它的功能完備型設(shè)備或功能簡(jiǎn)化型設(shè)備連接通信，一般接有線電源。簡(jiǎn)化功能設(shè)備（RFD）是網(wǎng)絡(luò)中簡(jiǎn)單的發(fā)送接收節(jié)點(diǎn)，它一般由電池供電，只與功能完備型設(shè)備連接通信。6.3ZigBee協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)6.3.1ZigBee概述903、ZigBee的技術(shù)特點(diǎn)(1)數(shù)據(jù)傳輸速率低:

(20～250kbps)，專注于低速應(yīng)用。(2)有效范圍?。河行Ц采w范圍10～75m之間。(3)工作頻段靈活：使用的頻段分別為2.4GHz(全球)、868MHz(歐洲)及915MHz(北美)，均為ISM頻段。(4)省電：6.3ZigBee協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)6.3.1ZigBee概述91(5)可靠：(6)成本低：(7)時(shí)延短：(8)網(wǎng)絡(luò)容量大：一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)可容納多達(dá)254個(gè)從設(shè)備和一個(gè)主設(shè)備，一個(gè)區(qū)域內(nèi)可同時(shí)布置多達(dá)100個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)。(9)安全：6.3ZigBee協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)6.3.1ZigBee概述926.3ZigBee協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)6.3.2網(wǎng)絡(luò)層規(guī)范4、協(xié)調(diào)器組網(wǎng)過程掃描信道指定PANID？是否是否有沖突？返回錯(cuò)誤信息選擇合適的PANID返回成功信息現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)中有幾個(gè)節(jié)點(diǎn)？如何指定PANID？指定：0—0x3FFF未指定：0xFFFF僅協(xié)調(diào)器1個(gè)節(jié)點(diǎn)短地址設(shè)為0935、設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)子設(shè)備父設(shè)備子設(shè)備發(fā)送信標(biāo)請(qǐng)求命令幀父設(shè)備發(fā)送信標(biāo)幀子設(shè)備發(fā)送連接請(qǐng)求命令幀父設(shè)備發(fā)送ACK應(yīng)答幀，若允許入網(wǎng)，則未處理數(shù)據(jù)位置1，否則置0.若ACK幀中未處理數(shù)據(jù)位為1，則子設(shè)備發(fā)送上位數(shù)據(jù)請(qǐng)求命令幀父設(shè)備發(fā)送該設(shè)備所對(duì)應(yīng)的連接響應(yīng)命令幀子設(shè)備從響應(yīng)命令幀中獲取PANID和短地址，并更新父設(shè)備信息.6.3ZigBee協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)6.3.2網(wǎng)絡(luò)層規(guī)范946、網(wǎng)絡(luò)地址分配

每個(gè)ZigBee設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)時(shí)，從其父設(shè)備那里獲得一個(gè)網(wǎng)絡(luò)地址（短地址）MAX_DEPTH網(wǎng)絡(luò)最大深度，協(xié)調(diào)器深度為0MAX_CHILDREN協(xié)調(diào)器或路由器的最多子節(jié)點(diǎn)數(shù)MAX_ROUTER協(xié)調(diào)器或路由器的子節(jié)點(diǎn)中最多路由器數(shù)6.3ZigBee協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)6.3.2網(wǎng)絡(luò)層規(guī)范MAX_ROUTER≤MAX_CHILDREN95兄弟節(jié)點(diǎn)之間的地址間隔Cskip的計(jì)算:

Cm:MAX_CHILDREN

Rm:MAX_ROUTER

Lm:MAX_DEPTH

d:設(shè)備深度

6.3ZigBee協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)6.3.2網(wǎng)絡(luò)層規(guī)范dCskip(d)021152130=4=4=396Addr=18Cskip位置配置范例最多子節(jié)點(diǎn)=4，最多路由節(jié)點(diǎn)=3，最大深度=3Addr=0Addr=1Addr=35Addr=2Addr=19Addr=246.3ZigBee協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)6.3.2網(wǎng)絡(luò)層規(guī)范CRERRRR34569101187121314151617dCskip(d)01715213097實(shí)驗(yàn)要求98具有捕獲功能的32-kHz睡眠定時(shí)器硬件支持CSMA/CA(載波偵聽多路訪問／沖突避免)

支持精確的數(shù)字化RSSI/LQI(鏈路質(zhì)量指示)21個(gè)通用I/O引腳看門狗定時(shí)CC2530的外設(shè)(1)99以下代碼使P0_0和P2_0腳電平每隔一定時(shí)間反向一次：1、軟件延時(shí)方式：#include"ioCC2530.h"voiddelay(void);voidmain(void){P0SEL&=0XFE;//~0X01P0DIR|=0x01;//設(shè)置P1.0為輸出方式

P2SEL&=0XFE;P2DIR|=0x01;//設(shè)置P2.0為輸出方式

while(1){P0_0=0;//點(diǎn)亮LEDP2_0=0;delay();//延時(shí)

P0_0=1;//熄滅LEDP2_0=1;delay();}}1002、定時(shí)器方式#include"ioCC2530.h"voiddelay(void);#pragmavector=T1_VECTOR//定時(shí)器1中斷函數(shù)__interruptvoidTimer1(void){P0_0=~P0_0;//LED閃爍}voidmain(void){P0DIR|=0x01;//設(shè)置P0.0為輸出方式

P2DIR|=0x01;//設(shè)置P2.0為輸出方式

P0_0=1;P2_0=1;//熄滅LED時(shí)鐘、定時(shí)器及中斷初始化代碼while(1){P2_0=~P2_0;//LED閃爍delay();}}

以下代碼使P0_0和P2_0腳電平每隔一定時(shí)間反向一次：101將P0_1初始化為三態(tài)輸入，讀取按鍵狀態(tài)#definekeyP0_1P0SEL&=~0X02;//P0_1作為通用I/O口P0DIR&=~0X02;//P0_1輸入P0INP|=0x02;//P0_1上拉ucharkey_main(void){while(1){ if(key==0){//低電平有效

delay(100);//延時(shí)消抖動(dòng)

if(key==0){ ……//處理按鍵事件

while(!key);//直到松開按鍵}

} }}102串口0使用（發(fā)送字符串）voidUartTX_Send_St