【文章內容簡介】 同請求。不同于其他的端點，EP0總是在啟動時就被打開并假設綁定到任何發(fā)往EP0的輸入數(shù)據(jù)幀。網(wǎng)絡層（NWK）負責建立和維護網(wǎng)絡連接。它獨立處理傳入數(shù)據(jù)請求、關聯(lián)、解除關聯(lián)和孤立通知請求。介質訪問控制層（Medium Access Control，MAC）實現(xiàn)了IEEE 規(guī)范所要求的功能。MAC層負責同物理（Physical，PHY）層進行交互。為支持不同類型的RF收發(fā)器，Microchip協(xié)議棧將不同的PHY交互歸類到不同的文件中。每個支持的收發(fā)器都有一個獨立的文件。物理層（PHY）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)服務和物理層管理服務。物理層數(shù)據(jù)服務從無線物理信道上收發(fā)數(shù)據(jù)，物理層管理服務維護一個由物理層相關數(shù)據(jù)組成的數(shù)據(jù)庫。2．2．2　基于 ZigBee協(xié)議的節(jié)點設計與實現(xiàn)南京航空航天大學碩士學位論文13比較通用的傳感器節(jié)點結構是由一個中央處理器模塊、射頻處理模塊以及天線組成。如圖 2－4 所示。圖 24　節(jié)點硬件結構MCU 選用 MICROCHIP 公司的 PIC18LF4620 芯片， PIC4620 單片機主要性能:DC－40MHZ 的時鐘輸入，10MIPS 的執(zhí)行速度，16 位寬指令，8 位寬數(shù)據(jù)通道，64K 字節(jié) Flash 存儲器， 4K 字節(jié)的 EEPROM, SPI 接口在線編程，JTAG 在線調試接口，1 個8 位定時器，3 個 16 位定時器，10 位 13 通道 A/D 轉換模塊, 省電休眠模式，可軟件選擇時鐘，5 個雙向 I/O 接口，并行從接口等，寬范圍的工作電壓（－）等。圖 2－5 為傳感器節(jié)點主板電路的 PCB 圖，圖 2－6 為主板電路布線圖。1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBA TitleNumber RevisionSizeBDate: 7Nov2022 Shet of File: E:\業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)\業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)\ Drawn By:S1SW DPSTR2470VCCY14MhzVCC/MCLROSC2OSC1J1PHONEJACK+9V60321N5817 C622uF_Tant 1 2JP4JUMPER1 23 45 67 89 1011 12J7HEADER 6X2RD1RD3RD5RD7RE1RD0RD2RD4RD6RE0VCCRE2/MCLROSC1OSC2RC7RC6RB7RB6RB5RB4RB3RB2 RC2RC1RC0RA2RA1RA0RC3RC4RC5RA3RA4RA51 23 45 67 89 1011 1213 1415 1617 1819 2021 2223 2425 2627 28J6HEADER 14X2RB1RB0 VCCC7 C9 12 34J3HEADER 2X2C1+2 C14 C2+5C26119/EN1GND14VCC 15V+ 3138/INVALID 10FORCEON 12FORCEOF 16V 7U5MAX3221CAERC6RC7C11 C10 VCCVCC162738495ISPDB9VDD11 VDD32/MCLR1RA02 RA13 RA24RA35 RA46 RA57RB033 RB134 RB235RB336 RB437 RB538RB639 RB740VS12 VS31 OSC1 13RC0 15RC1 16RC217RC3 18RC4 23RC5 24RC6 25RC726RD0 19RD1 20RD2 21RD3 22RD427RD5 28RD6 29RD7 30RE0 8RE19RE2 10OSC2 14U4PIC18LF4620RE2RE1RE0RD7RD6RD5RD4RD3RD2RD1RD0RC7RC6RC5RC4RC3RC2RC1RC0OSC2OSC1RB7RB6RB5RB4RB3RB2RB1RB0RA5RA4RA3RA2RA1RA0/MCLRVCC1 23 45 67 89 1011 12J2HEADER 6X2VCCRC2RB0RC5RC3RB2 RB3RB1RC4RC0RC1123456J5ICD/MCLRRB7RB6VCCR8470R7470R5330R6330S3SWDPSTS2SWDPSTD1LEDD2LED1 2JP2JUMPER1 2JP3JUMPERRB4RB5RA0RA1IN1 ON/OF3 OUT 5NC 4COM2U2POWER1123s18b20CON3 GNDVCC123D18B20CON3VCC圖 25　節(jié)點主板電路 PCB 圖基于復合定位的無線傳感器網(wǎng)絡層次路由協(xié)議設計與實現(xiàn)14圖 26　印刷電路板布線示意圖無線收發(fā)處理芯片選擇 CHIPCON 的 CC2420，它的 ZigBee 開發(fā)應用的實例比較多，同時 MICROCHIOP 公司開發(fā)了 ZigBee 開發(fā)平臺，是 ZigBee 聯(lián)盟的主席成員公司之一。CC2420 的主要性能特點：它是 ChipCon 公司推出的首款符合 標準的射頻收發(fā)器。該器件包括眾多額外功能，是第一款適用于 ZigBee 產(chǎn)品的 RF 器件。它基于 ChipCon 公司的 Smart RF03 技術，以 工藝制成 只需極少外部元器件，性能穩(wěn)定且功耗極低。CC2420 的選擇性和敏感性指數(shù)超過了 標準的要求，可確保短距離通信的有效性和可靠性。利用此芯片開發(fā)的無線通信設備支持數(shù)據(jù)傳輸率高達 250kbps，可以實現(xiàn)多點對多點的快速組網(wǎng)該芯片采用 SPI 通信接口，射頻輸出的功率可調，具有接收信號強度監(jiān)測器輸出接口，可方便用在基于接收信號強度的算法(比如定位)中信號強度的獲得。圖 27　CC2420 典型應用電路南京航空航天大學碩士學位論文15表 21 PIC18LF 與 CC2420 接口關系溫度傳感器選擇數(shù)字化 DS18b20 溫度傳感器，這是世界上第一片支持 “一線總線”接口的溫度傳感器，其主要特點有：只占用一個端口，屬于一線制芯片，無需外部器件，可通過數(shù)據(jù)線供電，零待機功耗，測溫范圍廣（－55℃~＋125℃） ，溫度以9 位數(shù)字量讀出，溫度轉換時間 200ms，具有價格低廉的特點，符合傳感器網(wǎng)絡節(jié)點價格低廉的要求。一線總線獨特而且經(jīng)濟的特點，使用戶可輕松地組建傳感器網(wǎng)絡。圖 27 所示為節(jié)點中射頻器件 CC2420 電路連線示意圖，表 21 列出了 CC2420 與主板電路的接口連接關系。DS18b20P I C 1 8 L F 4 6 2 0R D 0V D D+ 5 VG N D圖 28　DS18b20 與 PIC18F4620 連線示意圖圖 28 所示為 DS18b20 與 PIC18F4620 連線示意圖。基于復合定位的無線傳感器網(wǎng)絡層次路由協(xié)議設計與實現(xiàn)16圖 2－9 所示為帶溫度傳感器的節(jié)點實物圖樣。圖 29　節(jié)點實物圖2．2．3　節(jié)點間通信的實現(xiàn)由于制作的節(jié)點數(shù)量有限，本節(jié)通過對五個傳感器節(jié)點進行通連實驗來驗證節(jié)點間建立數(shù)據(jù)鏈路的執(zhí)行效果，因為沒有為節(jié)點配置超聲波接收裝置，采用人工方式為每個節(jié)點確定了具體位置。圖 2－10 至圖 2－12 是部分實驗結果圖，通過對圖中數(shù)據(jù)進行分析可以看出，節(jié)點間數(shù)據(jù)鏈咱的建立是可行的。通信幀各字段代表的意義如表 2－2 所示：時間 延遲 幀長 度 幀類 型 是否加密后繼包標識應答 節(jié)點 號 目的地址句柄 目的地 址 源節(jié)點 句柄 源地址 數(shù)據(jù)類型信號接收強度信號質量循環(huán)校驗T dT Len Type Encr Pnd Ack Seq DstPANDstAdd SrcPANSrcAdd Type RSSI LQI FCS. …. …. …. …. …. …. …. …. …. …. …. …. …. …. ….表 22　通信幀字段說明圖 2－10（見下頁）所示為各節(jié)點向上傳送節(jié)點信息過程的部分截圖，從圖中可以看出節(jié)點地址為 796F、4A30 以及 3A58 的孤兒節(jié)點（Orphan Notification）在廣播一個查找上級節(jié)點信息后（目的地址為 FFFF） ，地址為 6C18 的節(jié)點向它們分別發(fā)出了響應信息，之后，孤兒節(jié)點就與 6C18 節(jié)點發(fā)送請求建立數(shù)據(jù)鏈路的信號(Association Request),并報告自己的節(jié)點信息（如： RFD（簡化功能設備）類型，即葉節(jié)點，采用電池供電等） ，節(jié)點 6C18 繼續(xù)向上傳送尋找更高一級節(jié)點，直至匯聚節(jié)點(基站)。南京航空航天大學碩士學位論文17圖 210　節(jié)點信息收集（部分）圖 2－11 所示為在基站成功為各節(jié)點建立路由之后，節(jié)點間的數(shù)據(jù)請求應答過程，首先是地址為 6C18 的節(jié)點向地址為 796F 的節(jié)點發(fā)出數(shù)據(jù)請求，796F 收到請求信號后，向 6C18 作出應答，并傳送相應信息?；趶秃隙ㄎ坏臒o線傳感器網(wǎng)絡層次路由協(xié)議設計與實現(xiàn)18圖 211　節(jié)點數(shù)據(jù)交換（部分）圖 2－12 所示為控制終端發(fā)出收集溫度信息命令，節(jié)點成功返回數(shù)據(jù)的界面。圖 212　數(shù)據(jù)傳送結果2．3 傳感器網(wǎng)絡的關鍵技術 [9][10]無線傳感器網(wǎng)絡作為當今信息領域新的研究熱點，涉及多學科交叉的研究領域，有非常多的關鍵技術有待發(fā)現(xiàn)和研究。在此，本文僅簡單列出部分當前認為是比較重要的一些技術，并結合本文的研究內容，著重對網(wǎng)絡拓撲控制、網(wǎng)絡協(xié)議、節(jié)點定位做比較詳細的介紹。2．3．1 網(wǎng)絡拓撲控制對于無線傳感器網(wǎng)絡來說，網(wǎng)絡拓撲控制具有特別重要的意義。通過拓撲控制自動生成良好的網(wǎng)絡拓撲結構，能夠提高路由和 MAC 協(xié)議的效率，可為數(shù)據(jù)融合、時間同步和目標定位等很多方面奠定基礎，有利于節(jié)省節(jié)點的能量以延長網(wǎng)絡的生存期。所以，拓撲控制是無線傳感器網(wǎng)絡研究的核心技術之一。目前，傳感器網(wǎng)絡拓撲控制研究的主要問題是在滿足網(wǎng)絡覆蓋度和連通度的前提下，通過功率控制和骨干網(wǎng)節(jié)點選擇，剔除節(jié)點之間不必要的無線通信鏈路，生成一個高效的數(shù)據(jù)轉發(fā)網(wǎng)絡拓撲結構。拓撲控制可以分為節(jié)點功率控制和層次型拓撲結構組織 [12]兩個方面。節(jié)點功率控制機制調節(jié)網(wǎng)絡中每個節(jié)點的發(fā)射功率，在滿足網(wǎng)絡連通度的前提南京航空航天大學碩士學位論文19下，減少節(jié)點的發(fā)送功率，均衡節(jié)點單跳可達的鄰居數(shù)目。當前基于功率控制機制的算法主要有： COMPOW[13]等統(tǒng)一功率分配算法， LINT/LILT[14]和 LMN/LMA[15]等基于節(jié)點度數(shù)的算法，CBTC [16]、LMST [17]、RNG、DRNG 和 DLSS[18]等基于鄰近圖的近似算法。層次型的拓撲控制利用分簇機制，讓一些節(jié)點作為簇頭節(jié)點，由簇頭節(jié)點形成一個處理并轉發(fā)數(shù)據(jù)的骨干網(wǎng)，其他非骨干網(wǎng)節(jié)點可以暫時關閉通信模塊，進入休眠狀態(tài)以節(jié)省能量；目前提出了 TopDisc[19]成簇算法，改進的 GAF 虛擬地理網(wǎng)格分簇算法 [20]，以及 LEACH[21]和 HEED[22]等自組織成簇算法。除了傳統(tǒng)的功率控制和層次型拓撲控制，人們還提出了啟發(fā)式的節(jié)點喚醒和休眠機制。該機制能夠使節(jié)點在沒有事件發(fā)生時設置通信模塊為睡眠狀態(tài)，而在有事件發(fā)生時及時自動醒來并喚醒鄰居節(jié)點，形成數(shù)據(jù)轉發(fā)的拓撲結構。這種機制重點在于解決節(jié)點在睡眠狀態(tài)和活動狀態(tài)之間的轉換問題，不能夠獨立作為一種拓撲結構控制機制，因此需要與其他拓撲控制算法結合使用。2．3．2 網(wǎng)絡協(xié)議由于傳感器節(jié)點的計算能力、存儲能力、通信能量以及攜帶的能量都十分有限，每個節(jié)點只能獲取局部網(wǎng)絡的拓撲信息，其上運行的網(wǎng)絡協(xié)議也不能太復雜。同時，傳感器拓撲結構動態(tài)變化，網(wǎng)絡資源也在不斷變化，這些都對網(wǎng)絡協(xié)議提出了更高的要求。傳感器網(wǎng)絡協(xié)議負責使各個獨立的節(jié)點形成一個多跳的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡，目前研究的重點是網(wǎng)絡層協(xié)議和數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議。網(wǎng)絡層的路由協(xié)議決定監(jiān)測信息的傳輸路徑；數(shù)據(jù)鏈路層的介質訪問控制用來構建底層的基礎結構，控制傳感器節(jié)點的通信過程和工作模式。在無線傳感器網(wǎng)絡中，路由協(xié)議不僅關心單個節(jié)點的能量消耗，更關心整個網(wǎng)絡能量的均衡消耗，這樣才能延長整個網(wǎng)絡的生存期。同時，無線傳感器網(wǎng)絡是以數(shù)據(jù)為中心的，這在路由協(xié)議中表現(xiàn)得最為突出，每個節(jié)點沒有必要采用全網(wǎng)統(tǒng)一的編址，選擇路徑可以不用根據(jù)節(jié)點的編址，更多的是根據(jù)感興趣的數(shù)據(jù)建立數(shù)據(jù)源到匯聚節(jié)點之間的轉發(fā)路徑。目前提出了多種類型的傳感器網(wǎng)絡路由協(xié)議，如能量感知的路由協(xié)議、定向擴散 (directed diffusion, DD)[ 13]和謠傳路由(rumor routing, RR)[24]等基于查詢的路由協(xié)議，GEAR(geographical and energy aware routin)[25]和 GEM(graph embedding)[26]等基于地理位置的路由協(xié)議，SPEED [27]和 EAQR [28]等支持 QoS 的路由協(xié)議。傳感器網(wǎng)絡的 MAC 協(xié)議首先要考慮節(jié)省能源和可擴展性，其次才考慮公平性、利用率和實時性等。在 MAC 層的能量浪費主要表現(xiàn)在空閑偵聽、接收不必要的數(shù)據(jù)和碰撞重傳等。為了減少能量的消耗，MAC 協(xié)議通常采用