【正文】 ，著重對網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂?、網(wǎng)絡(luò) 協(xié)議、節(jié)點(diǎn)定位做比較詳細(xì)的 介紹。 圖 211 節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)交換（部分） 基于復(fù)合定位的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)層次路由協(xié)議設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 18 圖 2－ 12所示為控制終端發(fā)出收集溫度信息命令，節(jié)點(diǎn)成功返回?cái)?shù)據(jù) 的 界面 。 通信幀各字段代表的意義如表 2－ 2所示： 時(shí)間 延遲 幀長 度 幀類 型 是否加密 后繼包標(biāo)識 應(yīng)答 節(jié)點(diǎn) 號 目的地址句柄 目的地 址 源節(jié)點(diǎn) 句柄 源地址 數(shù)據(jù)類型 信號接收強(qiáng)度 信號質(zhì)量 循環(huán)校驗(yàn) T dT Len Type Encr Pnd Ack Seq DstPAN DstAdd SrcPAN SrcAdd 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(diǎn)向上傳送節(jié)點(diǎn)信息 過程 的部分截圖 ， 從圖中可以看出節(jié)點(diǎn)地址為 796F、 4A30 以及 3A58 的孤兒節(jié)點(diǎn)（ Orphan Notification） 在廣播一個(gè)查找上級節(jié)點(diǎn)信息后（目的地址為 FFFF），地址為 6C18 的節(jié)點(diǎn)向它們分別發(fā)出了響應(yīng)信息，之后，孤兒節(jié)點(diǎn)就與 6C18 節(jié)點(diǎn)發(fā)送請求建立數(shù)據(jù)鏈路的信號 (Association Request),并報(bào)告自己的節(jié)點(diǎn)信息（如： RFD（簡化功能設(shè)備）類型，即葉節(jié)點(diǎn)，采用電池供電等），節(jié)點(diǎn) 6C18 繼續(xù)向上傳送尋找更高一級節(jié)點(diǎn)，直至匯聚節(jié)點(diǎn) (基站 )。 圖 29 節(jié)點(diǎn)實(shí)物圖 2． 2． 3 節(jié)點(diǎn)間通信的實(shí)現(xiàn) 由于制作的節(jié)點(diǎn)數(shù)量有限，本節(jié)通過對 五個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn) 進(jìn)行通連實(shí)驗(yàn) 來驗(yàn)證 節(jié)點(diǎn)間建立數(shù)據(jù)鏈路的 執(zhí)行效果，因?yàn)闆]有為節(jié)點(diǎn)配置超聲波接收裝置， 采用 人工方式為每個(gè)節(jié) 點(diǎn)確定了具體位置。 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 。 一線總線獨(dú)特而且經(jīng)濟(jì)的特點(diǎn)，使用戶可輕松地組建傳感器網(wǎng)絡(luò)。利用此芯片開發(fā)的無線通信設(shè)備支持?jǐn)?shù)據(jù)傳輸率高達(dá) 250kbps， 可以實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)對多點(diǎn)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(diào)，具有接收信號強(qiáng)度監(jiān)測器輸出接口，可方便用在基于接收信號強(qiáng)度的算法 (比如定位 )中信號強(qiáng)度的獲得。它基于 ChipCon 公司的 Smart RF03 技術(shù)，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 主要性能特點(diǎn) ： 它是 ChipCon 公司推 出的首款符合 標(biāo)準(zhǔn)的射頻收發(fā)器。 圖 2－ 5 為傳感器節(jié)點(diǎn)主板電路的 PCB 圖，圖 2－ 6為主板電路布線圖。如 圖 2－ 4 所示 。物理層數(shù)據(jù)服務(wù)從無線物理信道上收發(fā)數(shù)據(jù)，物理層管理服務(wù)維護(hù)一個(gè)由物理層相關(guān)數(shù)據(jù)組成的數(shù)據(jù)庫。每個(gè)支持的收發(fā)器都有一個(gè)獨(dú)立的文件。 MAC層負(fù)責(zé)同物理（ Physical， PHY）層進(jìn)行交互。它獨(dú)立處理傳入數(shù)據(jù)請求、關(guān)聯(lián)、解除關(guān)聯(lián)和孤立通知請求。不同于其他的端點(diǎn)， EP0總是在啟動時(shí)就被打開并假設(shè)綁定到任何發(fā)往 EP0的輸入數(shù)據(jù)幀。 ZigBee 設(shè)備對象（ ZDO） 負(fù)責(zé)打 開和處理 EP0接口。 APL邏輯，而 APL模塊支持的 API。 應(yīng)用層（ APL）模塊提供高級協(xié)議棧管理功能。 圖 23 ZigBee 協(xié)議棧 典型的應(yīng)用程序總是與應(yīng)用層（ APL）和應(yīng)用支持子層（ APS）接口。如有需要，能很容易地修改該協(xié)議棧以支持 其他編譯器。該函數(shù)庫是專為僅需對上層軟件做極小更改就可支持多個(gè) RF 收發(fā)器而設(shè)計(jì)的。如果需要的話，可以修改非易失性存儲器（ NVM）程序來支持任何其他類型的 NVM 而不使用可自編程的單片機(jī)。協(xié)議棧使用內(nèi)部閃存程序存儲器來存儲可配置的 MAC 地址、網(wǎng)絡(luò)表和綁定表。 ZigBee 協(xié)議棧是采用 C語言編寫的，可用 MPLABC18 和 HiTech PICC18 編譯器進(jìn)行編譯 。在這個(gè)超級幀中為每個(gè)節(jié)點(diǎn)分配了一個(gè)特定的時(shí)隙，在該時(shí)隙內(nèi)允許節(jié)點(diǎn)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。 二是 在使能了信標(biāo)的網(wǎng)絡(luò)中，僅允許節(jié)點(diǎn)在預(yù)定義的時(shí)隙內(nèi)進(jìn)行發(fā)送。和任何網(wǎng)絡(luò)一樣， ZigBee 網(wǎng)絡(luò)也是多點(diǎn)接入 網(wǎng)絡(luò)， 它主要 有兩種類型的多點(diǎn)接入機(jī)制。除了星型網(wǎng)絡(luò)之外， ZigBee 還可以采用點(diǎn)對點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)、群集或網(wǎng)狀（ mesh）網(wǎng)絡(luò)配置。在星型網(wǎng)絡(luò)中，所有的終端設(shè)備都只與協(xié)調(diào)器通信。 RFD 是最小而且最簡單的 ZigBee 節(jié)點(diǎn)。協(xié)調(diào)器是實(shí)現(xiàn)了一組很多 ZigBee 服務(wù)的一種特殊的全功能設(shè)備（ Full Function Device， FFD）。 ZigBee 無線網(wǎng)絡(luò)可采用多種類型的配置。與其他無線協(xié)議相比， ZigBee 提供了低復(fù)雜性、縮減的資源要求 和 一組標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)范。 南京航空航天大學(xué)碩士學(xué)位論文 11 2． 2 傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 為 研究無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在實(shí)際應(yīng)用中的有關(guān)問題，驗(yàn)證協(xié)議算法的有效性， 設(shè)計(jì)了基于 ZigBee 技術(shù)的 溫度傳感器 節(jié)點(diǎn) ，為 下 一步的研究打下基礎(chǔ)。移動管理平臺檢測 傳感器節(jié)點(diǎn)的移動，維護(hù)到匯聚節(jié)點(diǎn)的路由，使得傳感器節(jié)點(diǎn)能夠動態(tài)跟蹤其鄰居的位置； 其功能如下： 除 上文 提到的六層協(xié)議 外，協(xié)議棧還包括能量管理平臺、移動管理和任務(wù)管理平臺。 雖然 QoS、移動性控制、能量管理、配置管理、安全管理和遠(yuǎn)程管理可以由多個(gè)層次共同完成，每個(gè)層次都可以針對相應(yīng)的功能加入自己的實(shí)現(xiàn)機(jī)制，但由于數(shù)據(jù)鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層對網(wǎng)絡(luò)的 QoS 屬性、節(jié)點(diǎn)移動性和能耗比較敏感，更加適合實(shí)現(xiàn)這方面的特性 。另一方面，現(xiàn)有 WSN 都是和應(yīng)用相關(guān)的，在 WSN 有了自己的傳輸層協(xié)議之后，這種情況也將大大改善 如果封裝成 TCP 報(bào)文，則節(jié)點(diǎn)必須維護(hù)滑動窗口和 3 次握手等 TCP 機(jī)制，勢必對能力十分有限的傳感器節(jié)點(diǎn)造成很大負(fù)荷，因此封裝成 UDP 報(bào)文更現(xiàn)實(shí)些。 WSN 對數(shù)據(jù)鏈 路層協(xié)議的要求主要體現(xiàn)在 MAC 層介質(zhì)訪問控制的可靠性和高效性，而由于傳輸層是建立在數(shù)據(jù)鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層提供的服務(wù)之上的，如果數(shù)據(jù)鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層提供的服務(wù)確實(shí)是高效可靠的，那么傳輸層就不是必須的。 網(wǎng)絡(luò)層 ： 與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的路由層類似，傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由層也是負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的路由轉(zhuǎn)發(fā)。數(shù)據(jù)鏈路層的 Mac 子層不僅 要 能使成千上萬的傳感器節(jié)點(diǎn)建立起自組織的多跳網(wǎng)絡(luò)，基于復(fù)合定位的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)層次路由協(xié)議設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 10 還要保證這種多跳自組網(wǎng)的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有公平和高效的通信環(huán)境，是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究的熱點(diǎn)問題之一。 數(shù)據(jù)鏈路層 ： 數(shù)據(jù)鏈路層主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)幀檢測、介質(zhì)訪問控制 (MAC)和差錯控制等，以保證可靠的點(diǎn)到點(diǎn)和點(diǎn)到多點(diǎn)的通信。 物理層 ： 物理層負(fù)責(zé)頻率選擇、載波生成、信號檢測、調(diào)制解調(diào)、編碼、定時(shí)和同步 等問題，物理層設(shè)計(jì)直接影響到電路的復(fù)雜度和傳輸能耗等問題。 在此基礎(chǔ)上，由于定位和時(shí)間同步在網(wǎng)絡(luò)的特殊性，又 增加 了定位和時(shí)間同步子層。傳感器模塊負(fù)責(zé)監(jiān)測區(qū)域內(nèi)信息的采集和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換；系統(tǒng)控制模塊負(fù)責(zé)控制整個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的操作，存儲和處理本身采集的數(shù)據(jù)以及其他節(jié)點(diǎn)發(fā)來的數(shù)據(jù)，路由協(xié)議管理模塊負(fù)責(zé)與其他傳感 器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行無線通信，交換控制消息和收發(fā)采集數(shù)據(jù)；能量模塊為傳感器節(jié)點(diǎn)提供運(yùn)行所需的能量， 電源 通常采用微型電池。從網(wǎng)絡(luò)功能上看，每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)兼顧傳統(tǒng)網(wǎng)南京航空航天大學(xué)碩士學(xué)位論文 9 絡(luò)節(jié)點(diǎn)終端和路由器雙重功能，除了進(jìn)行本地信息收集和數(shù)據(jù)處理外，還要對其他節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)來的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲、管理和融合等處理，同時(shí)與其他節(jié)點(diǎn)協(xié)作完成一些特定任務(wù)。匯聚節(jié)點(diǎn)既可是一個(gè)具有增強(qiáng)功能的傳感器節(jié)點(diǎn)，有足夠的能量供給和更多的內(nèi)存與計(jì)算資源，也可是沒有監(jiān)測功能僅帶有無線通信接口的特殊網(wǎng)關(guān)設(shè)備。整個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò) 是一個(gè)以數(shù)據(jù)為中心的網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)融合的數(shù)據(jù)相當(dāng)于來自一個(gè)分布式的數(shù)據(jù)庫 。 監(jiān) 測 區(qū) 域傳 感 器 節(jié) 點(diǎn)匯 聚 節(jié) 點(diǎn)用 戶互 聯(lián) 網(wǎng) 圖 21 傳感器網(wǎng)絡(luò) 體系 結(jié)構(gòu) 部署或 拋撒在感興趣區(qū)域的傳感器節(jié)點(diǎn)以自組織方式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)，采集數(shù)據(jù)之后以多跳中繼方式將數(shù)據(jù)傳回 匯聚 節(jié)點(diǎn)，由 匯聚 節(jié)點(diǎn)將收集到的數(shù)據(jù)通過互聯(lián)網(wǎng)或移動通信網(wǎng)絡(luò)傳送到遠(yuǎn)程監(jiān)控中心進(jìn)行處理。 第 四章 ， 對路由協(xié)議作了分類介紹 ，并對其中一些定位算法作了分析比較 ，詳細(xì)討論了 GEM 路由協(xié)議 ， 針對 GEM路由協(xié)議的不足 ， 提出了 相應(yīng)的改進(jìn)措施， 這 是本文的重點(diǎn) 內(nèi)容 ； 第 五 章 總結(jié)與展望，對全文作了總結(jié)，提出了下一步的工作 目標(biāo) 。為此， 本文 提南京航空航天大學(xué)碩士學(xué)位論文 7 出了一種基于節(jié)點(diǎn)位置的無線傳感器路由協(xié)議，通過節(jié)點(diǎn)自組網(wǎng)過程中形成的節(jié)點(diǎn)位置拓?fù)鋱D，使節(jié)點(diǎn)能動態(tài)地根據(jù) 自身 剩余能量選擇合適的路由，從而達(dá)到充分利用每個(gè)節(jié)點(diǎn)能量的目的，以此延長網(wǎng)絡(luò)使用壽命。節(jié)點(diǎn)消耗能源的主要部份在于其無線電收發(fā)方面，如何在當(dāng)前的節(jié)點(diǎn)制作水平上延長節(jié)點(diǎn)生存時(shí)間，最為主要的是構(gòu)建高效節(jié)能的路由協(xié)議，減少數(shù)據(jù)收發(fā)量，降低其收發(fā)、偵聽時(shí)間。 1． 5 課題背景與研究內(nèi)容 從當(dāng)前的研究工作來看，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用受限最大的問題在于傳感器節(jié)點(diǎn)的能源有限上。通信 蜂窩電話網(wǎng)絡(luò)、 Ad hoc 和藍(lán)牙技術(shù)是當(dāng)前主流的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，但它們各自的 MAC 協(xié)議 也 不適合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。就實(shí) 現(xiàn)機(jī)制而言， MAC 協(xié)議分 3 類 ： 確定性分配、競爭占用和隨機(jī)訪問。 麻省理工學(xué)院開始研究超低能源無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的問題，試圖解決超低能源無線傳感器系統(tǒng)的方法學(xué)和技術(shù)問題。南加州大學(xué)提出了在生疏環(huán)境部署移動傳感器的方法、傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)視結(jié)構(gòu)及其聚集函數(shù)計(jì)算方法、節(jié)省能源的計(jì)算聚集的樹構(gòu)造算法等。 (1)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的研究進(jìn)展 加州大學(xué)伯克力分校提出了應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)連通性重構(gòu)傳感器位置的方法、基于相關(guān)性的 Sensor 數(shù)據(jù)編碼模式、用稀疏傳感器網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)跟蹤移動對象路線的方法、傳感器網(wǎng)絡(luò)上隨時(shí)間變化的連續(xù)流可視化方法、允許系統(tǒng)級優(yōu)化時(shí)有 效通信機(jī)制的一般化解、基于復(fù)合定位的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)層次路由協(xié)議設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 6 傳感器網(wǎng)絡(luò)上的數(shù)據(jù)分布式存儲的地理 Hash 表方法、確定傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)位置的分布式算法等，并研制了一個(gè)專門適用 于 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的操作系統(tǒng) TinyOS[11]。目前的研究工作還處于起步階段，大量的問題還沒有涉及到，未來的研究工作任重而道遠(yuǎn)。從網(wǎng)絡(luò) 分層模型的角度分析，每一層都有需要結(jié)合傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)進(jìn)行細(xì)致研究的問題 。到現(xiàn)在為止，學(xué)術(shù)界對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究大致經(jīng)過了兩個(gè)階段。 學(xué)術(shù)界的研究進(jìn)展 在美國自然科學(xué)基金委員會的推動下，美國的加州大學(xué)伯克力分校、麻省理工學(xué)院、康奈爾大學(xué)、加州大學(xué)洛杉磯分校等學(xué)校開始了傳感器網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)理論和關(guān)鍵技術(shù)的研究。 Mica2 工作在 915MHz 的 ISM 頻段上，有兩個(gè)可調(diào)的工作頻率 ： 和 ，它以 AA 電池或鈕扣電池作為能源，現(xiàn)在關(guān)于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的大多數(shù)科研和演示系統(tǒng)都是以 Mica 為平臺的。他們還為 Mica 開發(fā)了一套微型的操作系統(tǒng)。英特爾研究中心伯克利實(shí)驗(yàn)室和大西洋學(xué)院的研究人員計(jì)劃部署和使用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)來研究島上環(huán)境，這些傳感器由溫 度、濕度、氣壓等芯片和紅外線傳感器組成，科學(xué)家們使用這些設(shè)備可以在不干擾野生動植物正常生活的情況下監(jiān)視它們及其生存環(huán)境。實(shí)現(xiàn)該計(jì)劃需要 3 個(gè)階段，即物理階段、實(shí)現(xiàn)階段和應(yīng)用階段。根據(jù)具體情況，計(jì)算機(jī)可以自動進(jìn)行調(diào)整，使車輛保持在高效低耗的最佳運(yùn)行狀態(tài)，并就潛在的故障發(fā)出警告，或直接與事故搶救中心取得聯(lián)系。這種新型系統(tǒng)將有效地使用傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行交通管理，不僅可以使汽車按照一定的速度行駛、前后車距自動地保持一定的距離，而且還可以提供有關(guān)道路堵塞的最新消息，推薦最佳行車路線以及提醒駕駛員避免交通事故等。 民用領(lǐng)域的研究進(jìn)展情況 ： 1995 年，美國交通部提出了“國家智能交通系統(tǒng)項(xiàng)目規(guī)劃”，預(yù)計(jì)到 2025 年全面投入使用。該系統(tǒng)適用于艦船或飛機(jī)戰(zhàn)斗群攜帶的電腦進(jìn)行感知數(shù)據(jù)的處理，每艘戰(zhàn)船不但依賴于自己的雷達(dá)，還依靠其他戰(zhàn)船或者裝載 CEC 的戰(zhàn)機(jī)來獲取感知數(shù)據(jù)，極大地提高了測量精度， 進(jìn)而可以快速 準(zhǔn)確地跟蹤混亂中的敵機(jī)和導(dǎo)彈。美國海軍最近開展的網(wǎng)狀傳感器系統(tǒng) CEC(Cooperative Engagement Capability)是一項(xiàng)革命性的技術(shù)。 2020 年 5 月，美國 Sandia國家實(shí)驗(yàn)室與美國能源部合作，共同研究能夠盡早發(fā)現(xiàn)以地鐵、車站等場所為目標(biāo)的生化武器襲擊，并及時(shí)采取防范對策的系統(tǒng)。美國海軍最近也確立了“傳感器組網(wǎng)系統(tǒng)”研究項(xiàng)目。它通過“數(shù)字化路標(biāo)”作為傳輸工具，為各作戰(zhàn)平臺與單位提供“各取所需”的情報(bào)服務(wù)，使情報(bào)偵察與獲取能力產(chǎn)生質(zhì)的飛躍。美國陸軍最近還確立了“戰(zhàn)場環(huán)境偵察與監(jiān)視系統(tǒng) ” 項(xiàng)目。 軍事領(lǐng)域的研究進(jìn)展情況 ： 美國陸軍 2020 年提出了“靈巧傳感器網(wǎng)絡(luò)通信”計(jì)劃，己被批準(zhǔn)為 2020 財(cái)政年度的一項(xiàng)科學(xué)技術(shù)研究計(jì)劃，并在 20202020 財(cái)政年度期間實(shí)施。此外，在災(zāi)難拯救、倉庫管理、交互式博物館、交互式玩具、工廠自動 化生產(chǎn)線等眾多領(lǐng)域，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)都將會孕育出全