【正文】 在的管理節(jié)點。為了保證采集到的信息能夠通過多跳送到匯聚節(jié)點，節(jié)點的分布要相當密集。 無線傳感器網絡的體系結構無線傳感器網絡的體系結構由分層的網路通信協(xié)議、網絡管理平臺以及應用支撐平臺 3 個部分組成，如圖 所示 [4]。無線傳感器網絡的數據鏈路層負責數據成幀、幀檢測、媒體訪問和差錯控制。通常，大多數節(jié)點無法直接和網關通信，需要通過中間節(jié)點通過多跳路由的方式將數據傳送至匯聚節(jié)點。(2)網絡管理平臺主要是對傳感器節(jié)點自身的管理以及用戶對傳感器網絡的管理。拓撲控制利用鏈路層、路由層完成拓撲生成，反過來又為它們提供基礎信息支持，優(yōu)化 MAC 協(xié)議和路由協(xié)議，降低能耗。為滿足用戶的要求，無線傳感器網絡必須能夠為用戶提供足夠的資源，以用戶可接收的性能指標工作。每個協(xié)議層中都要增加能量控制代碼，并提供給操作系統(tǒng)進行能量分配決策。在某些無線傳感器網絡應用環(huán)境中節(jié)點可以移動，移動管理用來檢測和控制節(jié)點的移動，維護到匯聚節(jié)點的路由，還可以使傳感器節(jié)點跟蹤其鄰居節(jié)點。(3)應用支持平臺建立在分層網絡通信協(xié)議和網絡管理技術的基礎之上，它包括一系列基于檢測任務的應用層軟件，通過應用服務接口和網絡管理接口來為終端用戶提供具體的應用支持。2)定位。4)網絡管理接口。(1)網絡通信協(xié)議由于傳感器節(jié)點能源能量的限制，其計算、存儲和通信能力十分有限，每個節(jié)點只能獲取到局部網絡的信息。(2)核心支撐技術無線傳感器網絡里的核心支撐技術使用網絡通信協(xié)議提供的服務，并通過服務接口來屏蔽底層網絡的細節(jié)，使終端用戶可以方便的對無線傳感器網絡進行操作。自組織網絡技術使用網絡通信協(xié)議提夠的服務，通過網絡管理接口來屏蔽底層網絡的細節(jié)，使終端用戶可以方便的管理配置無線傳感器網絡。這些因素都是在設計一個無線傳感器網絡協(xié)議或算法時應該考慮的重要因素 【5】 。例如，如果傳感器節(jié)點被部署在房子追蹤濕度和溫度水平，由于這種無線傳感器網絡不易受干擾或破壞，所以容錯的要求低。另外，還要求能利用無線傳感器網絡這種高密度的特性來優(yōu)化。(3)網絡拓撲控制在無線傳感器網絡中，傳感器節(jié)點是體積微小的嵌入式設備，采用能量有限的電池供電，它的計算能力和通信能力都十分有限。因此，網絡拓撲控制是無線傳感器網絡中的一個基本問題。2)減小節(jié)點間通信干擾，提高網絡通信效率。3)為路由協(xié)議提供基礎。而骨干節(jié)點的選擇是網絡拓撲控制的一項重要內容。無線傳感器網絡拓撲控制主要研究的問題是在滿足網絡覆蓋度和連通度的前提下，通過功率控制和骨干節(jié)點選擇，剔除節(jié)點之間不必要的通信鏈路，形成一個數據轉發(fā)的優(yōu)化網絡結構。但是,這些算法往往考慮不夠全面，只是針對網絡拓撲的某一方而進行優(yōu)化設計。在一個多跳的無線傳感器網絡中，每個節(jié)點同時充當采集數據和轉發(fā)數據雙重角色，少數幾個節(jié)點出現(xiàn)故障可能導致網絡拓撲結構的變化，從而引起重新計算路由和重新組織網絡拓撲。根據 IEEE 協(xié)議標準， ZigBee 的工作頻段分為 3 個頻段，這 3 個工作頻段相距較大，而且在各個頻段的信道數據不同。在該頻段上，數據傳輸速率為 250kbps；另外兩個頻段為 915MHz 和 868MHz，其相應的信道個數分別為 10 個和 1 個，傳輸速率分別為 40kbps 和 20kbps。此外，為保證傳輸數據的可靠性，建立了完整的應答通信協(xié)議。只有 10kbps250kbps,專注于低傳輸速率應用。其次在非工作模式時 ZigBee 節(jié)點處于休眠模式，耗電量僅僅只有 1uW。對于典型應用，堿性電池可以使用數年，對于某些工作時間和總時間(工作時間+休眠時間) 之比小 1%的情況，電池的壽命甚至可以超過 10 年。若沒有得到確認信息的回復就表示發(fā)生了碰撞，將再傳一次。(4)網絡容量大。如果通過網絡協(xié)調器組建無線傳感器網絡，整個網絡最多可以支持超過 65000 個 ZigBee網絡節(jié)點，再加上各個網絡協(xié)調器可互相連接，整個 ZigBee 網絡節(jié)點的數目將十分可觀。ZigBee 技術與現(xiàn)有的控制網絡標準無縫集成。ZigBee 提供了數據完整性檢查和鑒權功能，在數據傳輸中提供了三級安全性。第三級安全級別在數據轉移中采用屬于高級加密標準(AES)的對稱密碼。無線傳感器網絡中可以具有成千上萬的節(jié)點，如果不能嚴格地控制節(jié)點的成本，那么網絡的規(guī)模必將受到嚴重的制約，從而將嚴重地制約無線傳感器網絡的強大功能。它的工作頻率為 ，有效范圍大約在10m 半徑內。 （二）WiFiWiFi（Wireless Fidelity，無線高保真）也是一種無線通信協(xié)議。IEEE 流行的幾個版本包括“a”（在 波段帶寬為 54MBps） 、“b”（波段 帶寬為 11MBps） 、 “g”（波段 帶寬為 22MBps） 。這些特點限制了它在工業(yè)場合的推廣和應用。它同樣使用 波段，采用跳頻技術和擴頻技術。如表 所示短距離無線通信的比較：表 幾種常用無線傳輸方式的主要性能比較市場名 GPRS/GSM Wifi Bletooth Zigbee標準 1xRTT/CDMA 應用重點 廣闊范圍 Web,Email, 電纜替代品 監(jiān)測amp。每個服務實體通過一個服務接入點(SAP)為其上層提供服務接口，并且每個 SAP 提供了一系列的基本服務指令來完成相應的功能。ZigBee 聯(lián)盟提供了網絡層和應用層(APL)框架的設計。ZigBee 聯(lián)盟希望建立一種可以連接每個電子設備的無線網，它預言 ZigBee 將很快成為全球高端的無線技術，2022 年 ZigBee 節(jié)點達到 30 億個。最低需求估計為：硬件需要 8 位處理器，如 8051；軟件需要 32KB 的 ROM，最小軟件需要 4KB 的 ROM，如 CC2430 芯片具有 8051 內核的、內存從 32KB 到 128KB的 ZigBee 無線單片機；網絡主節(jié)點需要更多的 RAM 以容納網絡內所有節(jié)點的設備信息、數據包轉發(fā)表、設備關聯(lián)表以及與安全有關的密鑰存儲器。ZigBee 協(xié)議比較緊湊、簡單，從總體框架來看，可以分為三個基本層次：物理層（PHY）／介質接入控制層（MAC） 、ZigBee 堆棧層和應用層。此外也負責數據包或數據幀的裝配以及接收到的數據幀的解析。圖 Zigbee 協(xié)議結構體系 物理層(PHY)ZigBee 的物理層規(guī)范了通信頻率，ZigBee 所使用的頻率范闌分別為 和868/915MHz。 的物理層通過采用 16 相調制技術，能夠提供 250kbps 的傳輸速率，從而提高了數據吞吐率，縮短了通信時延和數據收發(fā)的時間，所以更加省電。PHY 數據服務：在物理無線信道上接收和發(fā)送 PHY 協(xié)議數據單元(PPDUs) ，物理層負責下面的任務：? 無線收發(fā)信機的激活和去激活；? 在當前信道上的能量監(jiān)測(ED)；鏈路質量指示(LQI) ，用在接收的數據上；? 清除信道估計(CCA)算法用在 CSMA/CA 技術中；? 信道頻率選擇；? 數據發(fā)送和接收。從圖 可以看到，在物理層中存在數據服務接入點和物理層管理實體服務的接入點。同步包頭由前同步碼(前導碼)和數據包(幀)定界符組成，用于獲取符號同步、擴頻碼同步和幀同步，也有助于粗略的頻率調整；物理層包頭指示載荷部分的長度，物理層載荷部分含有 MAC 層數據包，載荷部分的最大長度是 127 字節(jié)。 IEEE MAC 子層實現(xiàn)包括設備間無線鏈路的建立、維護和斷開。從圖 可以看出，在MAC 層兩個不同服務的接入點提供了兩個不同的 MAC 層服務：MAC 層通過它的公共部分子層服務接入點為它提供數據服務；MAC 層通過它的管理實體服務接入點為它提供管理服務。幀控制域指明了 MAC 幀的類型、地址域的格式以及是否需要接收方確認等控制信息；幀序號域包含了發(fā)送方對幀的順序編號，用于匹配確認幀，實現(xiàn) MAC 子層的可靠傳輸；地址域采用的尋址方式可以是 64 位的 IEEE MAC 地址或者 8 位的ZigBee 網絡地址。網絡層管理實體利用網絡層數據實體完成一些網絡的管理工作，并且網絡層管理實體完成對網絡信息庫的維護和管理。網絡層數據實體為數據提供服務。網絡協(xié)議數據單元結構( 幀結構 )的基本組成部分是：網絡層幀報頭，包含幀控制、地址和序列信息；網絡層幀的可變長有效載荷，包含幀類型所指定的信息。應用支持層的功能包括維持綁定表、在綁定的設備之間傳送信息。需求水平和服務水平接口的關鍵是設備的綁定。2．應用框架應用框架是應用對象發(fā)包和收包的執(zhí)行環(huán)境。應用對象可以是燈泡、燈開關、LED、I/O 線等。241 號—254 號端點預留作未來使用。終端設備響應設備發(fā)現(xiàn)查詢后，根據請求發(fā)送自己的 IEEE 地址或網絡地址。服務發(fā)現(xiàn)是每個節(jié)點找出服務適合什么應用的過程。例如，家庭燈光配置文件方便了一家制造商生產的無線開關去控制另一家制造商生產的照明設備。 ZigBee 無線網絡的組網ZigBee 協(xié)議是分層的通信協(xié)議，層與層之間是通過服務接入點 SAP 相連接的。這樣就做到了數據層與層之間的透明傳輸。Indication：指示原語，本層發(fā)給上層，用來指示本層的某一內部事件。數據服務實體生成協(xié)議數據單元(PDU)，并通過數據實體服務接入點(NLDESAP)提供數據傳輸服務。這一過程通過發(fā)送 原語，并設置其狀態(tài)參數為 來實現(xiàn)。網絡層管理實體根據能量檢測來對這些信道進行排序，并忽略一些能量值低于某一可接受水平的信道。如果發(fā)現(xiàn)了合適的信道，網絡層管理實體就要為新網絡選擇一個 PAN 標識符。一旦網絡層管理實體做出選擇，它就要通過發(fā)送 原語把 MAC 層的 macPANID 屬性設置為該值。PAN 狀態(tài)通過 原語傳回網絡層。如果該程序己經在其他任意設備上被運行，網絡層。 (2)允許設備 ZigBee 網絡允許設備加入網絡的過程由 原語開始。如果該網絡地址被選定，網絡層管理實體發(fā)送 原語給 MAC 層以設定網絡幀格式。如果存在并且沒有與現(xiàn)有的 PANID 沖突，這個值就成為新網絡的PANID。為了選取建立新網絡的最佳信道，網絡層管理實體需要尋找現(xiàn)有網絡數量最少的第一個信道。信道掃描通過發(fā)送 原語到 MAC 層，將 ScanType 參數設置為能量掃描。只有那些可以成為 ZigBee 協(xié)調器并且當前沒有加入任何網絡的設備才能建立新網絡。ZigBee 標準提供了兩個必須的功能服務實體，它們分別為管理服務實體和數據服務實體。圖 服務原語Request：請求原語，用于上層向本層請求指定的服務。SAP 是層與層之間的唯一接口，而具體的服務是以通信原語的形式供層與層之間調用。公共層面由 ZigBee 聯(lián)盟管理，私立層面由 ZigBee 產品賣主定義，進行使用的限制。4．ZigBee 配置文件ZigBee 配置文件，也稱為層面，是不同設備上應用之間信息處理的協(xié)定，是應用領域和應用領域接口所需要的設備描述。(如果設備是協(xié)調器或路由器的子節(jié)點，設備就會關聯(lián)協(xié)調器或路由器。具體來說，ZDO 負責開啟應用支持子層和網絡層；定義設備的工作模式，如：協(xié)調器、路由器、終端設備；發(fā)現(xiàn)設備和確定設備提供什么應用服務；發(fā)起和響應綁定請求；安全管理。每個應用對象通過相應的端點尋址，端點號范圍從 1 號到 240 號。應用對象處于應用層的頂部，由設備制造商所決定。綁定表能把源地址和源端點映射到一個或多個目標地址和目標端點。ZigBee 應用層除了提供一些必要的函數以及為網絡層提供合適的服務接口外，一個重要的功能就是應用者可在這層定義自己的應用對象。有的 ZigBee 網絡協(xié)議中也定義了數據幀和網絡層命令幀。網絡層數據實體提供如下服務：生成網絡層協(xié)議數據單元(NPDU)；指定拓撲傳輸路由。網絡層管理實體提供網絡管理服務，允許應用與協(xié)議棧相互作用。為了向應用層提供接口，網絡層提供了兩個功能服務實體：數據服務實體和管理服務實體，如圖 所示。MAC 子層數據包由 MAC 子層幀頭(MHR， MAC Header)、MAC 子層載荷和 MAC 子層幀尾(MFR，MAC Footer)組成。MAC 子層處理所有物理層無線信道的接入，其主要工作有：? 網絡協(xié)調器產生并發(fā)送網絡信標幀；? 支持個域網(PAN)關聯(lián)和取消關聯(lián)；? 為設備的安全提供支持；? 與網絡信標同步；? 信道接入方式采用載波監(jiān)聽多址接入—沖突避免(CSMA/CA)機制? 處理和維護保護時隙(GTS)機制；? 在兩個對等的 MAC 實體之間提供一個可靠的通信鏈路。表３．２物理層數據包格式4 字節(jié) 1 字節(jié) 1 字節(jié) 變量前同步碼 幀定界符 真長度（7 位） 預留位（1 位） ＰＳＤＵ同步包頭 物理層包頭 物理層凈荷 IEEE 媒介接入控制層(MAC)在 IEEE 802 系列中，OSI 參考模型的數據鏈路層又被分力 MAC 和 LLC 兩個子層。數據服務接入點物理層實體服務接入點物理層個體網絡基本信息無線射頻服務接入點物理層物理層管理實體圖 物理層結構模型表 給出了物理層數據包的格式。在 的物理層，數據傳輸速率為 250kbps，采用的是 16 相位正交調制技術 (OQPSK)；在915MHz 的物理層，數據傳輸速率為 40kbps，采用的是帶有二進制移耜鍵控(BPSK)的直接序列擴頻(DSSS)技術；在 868MHz 的物理層，數據傳輸速率為 20kbps，采用的是帶有二進制移相鍵控(BPSK)的直接序列擴頻(DSSS)技術。868MHz 上的傳輸速