【文章內(nèi)容簡介】 包含剩余傳輸時間。鄰居節(jié)點可以據(jù)此計算NAV，得知自己需要休眠的時間。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，串音會造成巨大的浪費，在節(jié)點密度高。通信負(fù)載重的時候，這種現(xiàn)象尤為突出。SMAC協(xié)議采用讓非目的地址接收到RTS或者CTS后轉(zhuǎn)入睡眠狀態(tài)的機(jī)制來避免串音。通常數(shù)據(jù)幀比控制幀長很多，因此這種方法可以避免非目的節(jié)點收聽到長數(shù)據(jù)幀以及其后的確認(rèn)幀。 SMAC協(xié)議。具有良好的擴(kuò)展性。不要求嚴(yán)格的時間同步，但是節(jié)點活動時間無法根據(jù)負(fù)載動態(tài)變化，不能有效的節(jié)能能量。另外，節(jié)點休眠還會引起數(shù)據(jù)的延遲。這個延遲與跳教成比例。 (2)TMAC TMAC是在SMAC協(xié)議上改進(jìn)的同步協(xié)議。協(xié)議中定義了五種事件和一個記時器TA。根據(jù)TA確定偵聽工作階段的結(jié)束時間。五種事件分別是： 周期性幀計時器溢出，即幀長度超時 節(jié)點接收到數(shù)據(jù) 偵聽到通信 節(jié)點數(shù)據(jù)或確認(rèn)發(fā)送成功 鄰居節(jié)點數(shù)據(jù)交換完畢 如果在TA時間內(nèi)沒有發(fā)生任一激活事件。則節(jié)點認(rèn)為信道空閑，節(jié)點進(jìn)入睡眠狀態(tài)。TMAC協(xié)議節(jié)點周期性的短時間偵聽信道以確定信道空閑狀態(tài)。節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)時，幀前加入喚醒前導(dǎo)。使得接收節(jié)點在數(shù)據(jù)部分發(fā)送前進(jìn)人接收狀態(tài)。 每一幀中活躍時間可根據(jù)網(wǎng)絡(luò)流量動態(tài)調(diào)整，增加了睡眠時間，減少了空閑偵聽。但帶來早睡問題，增加了延時。所謂早睡問題是指在多個傳感器節(jié)點向一個或少數(shù)幾個匯聚節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)時。由于節(jié)點在當(dāng)前TA沒有收到激活事件，過早進(jìn)入睡眠。沒有監(jiān)測到接下來的數(shù)據(jù)包，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)延遲。為此TMAC提供兩種解決方案未來請求發(fā)送(FRTS)策略和滿緩沖區(qū)優(yōu)先(FBP)策略。FRTS可以提高數(shù)據(jù)吞吐率。但DS分組和FRTS分組的引入，帶來額外的通信開銷FBP方法減少了早睡問題發(fā)生的可能性，具有一定的流量控制作用。但是增加了網(wǎng)絡(luò)沖突的概率。 (3)WiseMAC WiseMAC協(xié)議是非同步的基于Aloha的協(xié)議。發(fā)送方能了解接收方的周期調(diào)度，從而動態(tài)調(diào)整前導(dǎo)長度。接收節(jié)點在數(shù)據(jù)確認(rèn)報文中捎帶下次信道偵聽時間，使節(jié)點了解每個鄰居節(jié)點周期調(diào)度。下次發(fā)送方要發(fā)送數(shù)據(jù)時，可以在稍微提前于接收方醒來時間時發(fā)送，從而縮短了喚醒前導(dǎo)的長度，減少了發(fā)送喚醒前導(dǎo)的能量。WiseMAC用重復(fù)的數(shù)據(jù)幀代替喚醒前導(dǎo)。從而減少了通信負(fù)載。為減少固定前導(dǎo)沖突概率，采用隨機(jī)喚醒前導(dǎo)。WiseMAC能很好的適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)流量的變化，但是由于節(jié)點要存儲鄰居節(jié)點的信道偵聽時間，造成存儲開銷較大，這種現(xiàn)象在當(dāng)網(wǎng)絡(luò)密度大時尤為突出。
基于非競爭的MAC協(xié)議可以分為多種基于頻分復(fù)用，F(xiàn)DMA，的協(xié)議、基于時分復(fù)用（TDMA）的協(xié)議以及基于碼分復(fù)用（CDMA）的協(xié)議等。
(1)基于FDMA的協(xié)議 基于FDMA的協(xié)議將總頻段劃分為許多等間隔的信道。供多個節(jié)點使用，這些信道互不交疊，信道間有保護(hù)帶?；贔DMA的協(xié)議易于和模擬系統(tǒng)兼容，但是通信質(zhì)量和保密性都比較差。 (2)基于TDMA的協(xié)議 時分復(fù)用，TDMA，技術(shù)是為每個節(jié)點分配獨立的用于數(shù)據(jù)發(fā)送或接收的時隙，節(jié)點在其他時隙轉(zhuǎn)人空閑狀態(tài)。相比于競爭機(jī)制，TDMA機(jī)制無碰撞重傳問題，也無需過多控制信息，是實現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)較為理想的技術(shù)。使用TDMA技術(shù)，要求節(jié)點之間嚴(yán)格的時間同步，很多研究針對這個問題提出許多基于TDMA的傳感器網(wǎng)絡(luò)的MAC協(xié)議。下面介紹幾個典型協(xié)議。 通信量自適應(yīng)介質(zhì)訪問，Traffic Adaptive Medium Access，TRAMA，協(xié)議，將時間分成時隙，根據(jù)局部兩跳之內(nèi)的鄰居信道，用基于各節(jié)點流量信息的分布式選舉算法來決定節(jié)點的傳輸時隙，從而減少沖突和空閑偵聽。 TRAMA協(xié)議將時間劃分為交替的隨機(jī)訪問周期和調(diào)度訪問周期。隨機(jī)訪問周期通過基于競爭的信道獲得兩條拓?fù)湫畔?。根?jù)應(yīng)用層傳來的信息，MAC層計算需要的傳輸時間。 TRAMA協(xié)議需要存儲兩跳內(nèi)的鄰居調(diào)度信息和拓?fù)湫畔?，需要較大的存儲空間。時鐘同步存在一定通信開銷，隨機(jī)和調(diào)度訪同交替進(jìn)行增加端到端延時，協(xié)議對節(jié)點存儲空間和計算能力要求很高，實現(xiàn)難度大。TRAMA協(xié)議適用于周期性數(shù)據(jù)采集和監(jiān)測等WSN應(yīng)用。 采用數(shù)據(jù)采集樹結(jié)構(gòu)的MAC協(xié)議(Data Gathering Tree，DMAC)是針對競爭性MAC協(xié)議中的SMAC和TMAC協(xié)議的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)中斷問題而提出的。從傳感器感知節(jié)點到匯聚節(jié)點形成一棵匯聚樹，樹中數(shù)據(jù)流是單向的。該協(xié)議用匯聚樹描述網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。擺動喚醒機(jī)制負(fù)責(zé)調(diào)整樹中節(jié)點的工作周期，從而減少消息在網(wǎng)絡(luò)中的傳輸延遲。
(3)基于CDMA的協(xié)議 CDMA是一種使用編碼技術(shù)實現(xiàn)信道共享的通信技術(shù)。CDMA是利用相互正交的編碼采實現(xiàn)頻率、時間和空間上的疊加。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，要想實現(xiàn)CDMA技術(shù)就是要為每個傳感囂節(jié)點分配相互正交的地址碼，這樣多個節(jié)點同時傳輸消息，也不會有碰撞沖突發(fā)生。從而解決了信道沖突問題。 基于CDMA的協(xié)議，允許多個節(jié)點同時通信，增加了網(wǎng)絡(luò)吞吐量，減少了消息的傳輸延遲，不需要嚴(yán)格的時間同步，能夠適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化。具有良好的擴(kuò)展性，減少了控制信息的額外開銷。但是節(jié)點需要復(fù)雜的CDMA的編解碼和兩套獨立的收發(fā)器件，要求傳感器節(jié)點有較高的計算能力，大大提高了傳感器節(jié)點的硬件成本。 ，(1)ZMAC協(xié)議 ZMAC是一種CSMATDMA混合MAC協(xié)議。在低流量條件下使用CSMA信道訪同方式，提高信道利用率并降低延時，在高流量條件下使用TDMA信道方式，減少沖突和串音。 ZMAC中節(jié)點有兩種模式LCL（1ow contention level）和HCL(high contention level)，節(jié)點收到ECN(Explicit Contention Notification)就會進(jìn)入HCL[7]模式，否則就處于LCL模式。在LCL模式下，任何節(jié)點都可以競爭任何時隙，在HCL模式下。只有時隙的擁有者和其一跳鄰居才可以競爭。兩種模式中，時隙擁有者優(yōu)先級更高。當(dāng)時隙沒有擁有者或者擁有者不發(fā) 送數(shù)據(jù)時，其鄰居節(jié)點以CSMA方式競爭信道，獲勝者占用該時隙，ZMAC使得在低競爭的情況下取得高的信道利用率。 ZMAC使用檢測信道噪聲級別的方法檢測兩跳鄰居的競爭情況，當(dāng)節(jié)點檢測到高競爭，就發(fā)送ECN，防止兩跳鄰居節(jié)點造成隱藏終端問題。 ZMAC中節(jié)點只在鄰近的發(fā)送者之間同步，而且這些發(fā)送者處在高競爭狀態(tài)下，時鐘同步的開銷被限制在發(fā)送者的鄰居關(guān)系內(nèi)，|司步的頻率就會根據(jù)發(fā)送者的速率調(diào)整，只需接收者的時鐘被動地同步發(fā)送者的時鐘。不需要發(fā)送任何同步的消息。 ZMAC協(xié)議中，節(jié)點可以在任何時隙都可以發(fā)送數(shù)據(jù)，信道利用率得到了提高，其缺點是在網(wǎng)絡(luò)開始的時候，會花費大量的開銷來初始化網(wǎng)絡(luò)，造成網(wǎng)絡(luò)能最的大量消耗，DRAND會引起串音問題。 (2)FunnelingMAC協(xié)議 FunnelingMAC協(xié)議是一種CSMA/CA和TDMA混合的MAC協(xié)議。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中多跳聚播通信方式造成漏斗效應(yīng)，使得Sink節(jié)點附近易沖突，擁塞和丟失分組，能量消耗大。FunnelingMAC協(xié)議在全網(wǎng)范圍內(nèi)采用CSMA/CA，漏斗區(qū)域節(jié)點f節(jié)點，則采用CSMA和TDMA混合的信道訪問方式，因此，f節(jié)點有更多的機(jī)會基于調(diào)度訪問信道。 Sink節(jié)點周期廣播信標(biāo)，接收到信標(biāo)的節(jié)點認(rèn)為自己處于漏斗區(qū)域，成為f節(jié)點，Sink節(jié)點通過控制信標(biāo)的廣播功率調(diào)節(jié)樓頂區(qū)域的范圍。f節(jié)點通過觸發(fā)TDMA和界定漏斗區(qū)域的信標(biāo)同步。f節(jié)點使用CSMA和TDMA幀交替訪問信道，一個CSMA幀和TDMA幀合成為一個超幀，TDMA幀包含多個時隙，用于f節(jié)點根據(jù)調(diào)度轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，CSMA幀用以發(fā)送f節(jié)點產(chǎn)生的數(shù)據(jù)以及路由和其他控制信息。 FunnelingMAC以CSMA為主，對時鐘同步要求不高，但協(xié)議中時隙分配算法只提供松散的TDMA調(diào)度，無法消除隱藏終端問題。
第3章 系統(tǒng)設(shè)計方案 本系統(tǒng)主要由無線數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和報警三部分組成?，F(xiàn)在很多小區(qū)都安裝了智能報警系統(tǒng), 因而大大提高了小區(qū)的安全程度 , 有效保證了居民的人身財產(chǎn)安全。由于紅外線是不可見光, 有很強(qiáng)的隱蔽性和保密性, 因此在防盜、警戒等安保裝置中得到了廣泛的應(yīng)用。此外,在電子防盜、人體探測等領(lǐng)域中,被動式熱釋電紅外探測器也以其價格低廉、技術(shù)性能穩(wěn)定等特點而受到廣大用戶和專業(yè)人士的歡迎。我們把它應(yīng)用在家庭防盜系統(tǒng)，把傳感器按放在陽臺上，它的最大優(yōu)點就是可以移動，解決了有線系統(tǒng)的局限性，該系統(tǒng)主要有熱釋電紅外傳感器及相應(yīng)的電路組成，假如有人進(jìn)入房間時，熱釋電紅外傳感器就會探測到，就會有一個觸發(fā)信號，觸發(fā)信號經(jīng)過無線傳感網(wǎng)絡(luò)將信號輸入單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后，給報警器一個信號，報警器一響就可以知道有陌生人進(jìn)入房間，可以對事件處理。 在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中主要應(yīng)用的zigbee技術(shù)，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)。主要用于距離短、功耗低且傳輸速率不高的各種電子設(shè)備之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸以及典型的有周期性數(shù)據(jù)、間歇性數(shù)據(jù)和低反應(yīng)時間數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽?yīng)用。 Zigbee技術(shù)的起源與蜜蜂在發(fā)現(xiàn)花叢后會通過一種特殊的肢體語言來告知同伴新發(fā)現(xiàn)的食物源位置等信息，這種肢體語言就是ZigZag行舞蹈，是蜜蜂之間一種簡單傳達(dá)信息的方式。借此意義Zigbee作為新一代無線通訊技術(shù)的命名。在此之前Zigbee也被稱為“HomeRF Lite”、“RF EasyLink”或“firefly”無線電技術(shù)，目前統(tǒng)稱為Zigbee，簡單的說，Zigbee是一種高可靠的無線數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)，類似于CDMA和GSM網(wǎng)絡(luò)。Zigbee數(shù)傳模塊類似于移動網(wǎng)絡(luò)基站。通訊距離從標(biāo)準(zhǔn)的75m到幾百米、幾公里，并且支持無限擴(kuò)展。Zigbee是一個由可多到65000個無線數(shù)傳模塊組成的一個無線數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)平臺，在整個網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)，每一個Zigbee網(wǎng)絡(luò)數(shù)傳模塊之間可以相互通信，每個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點間的距離可以從標(biāo)準(zhǔn)的75m無限擴(kuò)展。 與移動通信的CDMA網(wǎng)或GSM網(wǎng)不同的是，Zigbee網(wǎng)絡(luò)主要是為工業(yè)現(xiàn)場自動化控制數(shù)據(jù)傳輸而建立，因而，它必須具有簡單，使用方便，工作可靠，價格低的特點。而移動通信網(wǎng)主要是為語音通信而建立，每個基站價值一般都在百萬元人民幣以上，而每個Zigbee“基站”卻不到1000元人民幣。每個Zigbee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點不僅本身可以作為監(jiān)控對象，例如其所連接的傳感器直接進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控，還可以自動中轉(zhuǎn)別的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點傳過來的數(shù)據(jù)資料。除此之外，每一個Zigbee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(FFD)還可在自己信號覆蓋的范圍內(nèi)，和多個不承擔(dān)網(wǎng)絡(luò)信息中轉(zhuǎn)任務(wù)的孤立的子節(jié)點(RFD)無線連接。ZigBee是一種無線連接(全球流行)、868MHz(歐洲流行)和915 MHz(美國流行)3個頻段上,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1075m的范圍內(nèi),但可以繼續(xù)增加。作為一種無線通信技術(shù)ZigBee具有如下特點：(1) 低功耗: 由于ZigBee的傳輸速率低,發(fā)射功率僅為1mW,而且采用了休眠模式功耗低,因此ZigBee設(shè)備非常省電。據(jù)估算ZigBee設(shè)備僅靠兩節(jié)5號電池就可以維持長達(dá)6個月到2年左右的使用時間,這是其它無線設(shè)備望塵莫及的。(2) 成本低 ZigBee模塊的初始成本在6美元左右—, 并且ZigBee協(xié)議是免專利費的。低成本對于ZigBee也是一個關(guān)鍵的因素。 (3) 時延短: 通信時延和從休眠狀態(tài)激活的時延都非常短典型的搜索設(shè)備時延30ms,休眠激活的時延是15ms, 活動設(shè)備信道接入的時延為15ms。因此ZigBee技術(shù)適用于對時延要求苛刻的無線控制(如工業(yè)控制場合等)應(yīng)用。(4) 網(wǎng)絡(luò)容量大一個星型結(jié)構(gòu)的Zigbee網(wǎng)絡(luò)最多可以容納254個從設(shè)備和一個主設(shè)備一個區(qū)域內(nèi)可以同時存在最多100個ZigBee網(wǎng)絡(luò), 而且網(wǎng)絡(luò)組成靈活。(5) 可靠: 采取了碰撞避免策略同時為需要固定帶寬的通信業(yè)務(wù)預(yù)留了專用時隙,避開了發(fā)送數(shù)據(jù)的競爭和沖突。MAC層采用了完全確認(rèn)的數(shù)據(jù)傳輸模式 每個發(fā)送的數(shù)據(jù)包都必須等待接收方的確認(rèn)信息。如果傳輸過程中出現(xiàn)問題可以進(jìn)行重發(fā)。(6)安全:ZigBee提供了基于循環(huán)冗余校驗(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AES128的加密算法,各個應(yīng)用可以靈活確定其安全屬性。 詳細(xì)的原理結(jié)構(gòu)圖原理如下
圖 在信息的發(fā)端和收端主要用zigbeeZigBee傳感器節(jié)點是信息采集的基本單位。傳感器收集環(huán)境信號和原始信號將信號交給處理模塊處理。然后將處理后的信號上傳到ZigBee模塊。ZigBee模塊將信息發(fā)送到機(jī)器人節(jié)點。因此該節(jié)點應(yīng)該有三種能力，感知能力計算能力和無線通信能力。系統(tǒng)由兩節(jié)電池和穩(wěn)壓器模塊來提供電力。傳感器節(jié)點通常使用溫度濕度煙霧氣體紅外探測傳感器節(jié)點來實現(xiàn)信息采集。在設(shè)計過程中我們選擇CC2430 作為ZigBee的芯片。作為硬件的CPUCC2430集成RF收發(fā)器和128K的內(nèi)存并在CC2430的典型應(yīng)用[6]中需要很少的外部元件的核心芯片。它還包括A/D轉(zhuǎn)換定時器AES128協(xié)同處理器看門狗定時器32K晶振的休眠模式定時器電源上電復(fù)位欠壓檢測和21個I / O。RF收發(fā)器包括核心芯片和天線。在CC2430的21個I/0端口中P0端口可以設(shè)置為ADC端口。這21個I/O端口可作為SPI端口GPIO等等。除了這些機(jī)器人節(jié)點傳感器節(jié)點也具有相同的基本結(jié)構(gòu)。這些端口被分配到傳感器和外圍設(shè)備。 CC2430是一顆真正的系統(tǒng)芯片(SoC)CMOS解決方案。 ISM波段應(yīng)用及對低成本低功耗的要求。 DSSS(直接序列擴(kuò)頻)射頻收發(fā)器核心和一顆工業(yè)級小巧高效的8051控制器。CC2430的設(shè)計結(jié)合了8Kbyte的RAM及強(qiáng)大的外圍模塊并且有3種不同的版本他們是根據(jù)不同的閃存空間3264和128kByte來優(yōu)化復(fù)雜度與成本的組合。
如上圖所示，在無線傳感器一塊，傳感器到發(fā)射模塊，傳感器有3個拐腳，分別是電源正、負(fù)拐腳以及數(shù)據(jù)拐腳，具體在程序上設(shè)定，確定那一個端子連接數(shù)據(jù)拐腳，電源的負(fù)極接在如上圖的41引腳，電源的正極接在上圖的4