淺談無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的平臺開發(fā)與組網(wǎng)技術(shù)

陳先芳

【摘要】無線傳感器網(wǎng)絡(luò)有著許多特點和優(yōu)點，一是具有功耗低、成本低的優(yōu)點；二是具有分布式和自組織的特點。除此之外，它還具有采集信息、傳輸信息和處理信息的功能。目前，隨著無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的廣泛應(yīng)用，人們對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)平臺及其組網(wǎng)方式上的研究和開發(fā)越來越重視。本文從無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的理論研究出發(fā)，介紹了其平臺開發(fā)和組網(wǎng)的國內(nèi)外技術(shù)研究現(xiàn)狀和發(fā)展方向，并提出了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)開發(fā)平臺和組網(wǎng)方式選擇方法。

【關(guān)鍵詞】無線；傳感器；網(wǎng)絡(luò)；技術(shù)

1.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

2.無線傳感器開發(fā)平臺

（1）硬件平臺

目前，Crossbow公司的Sensor Boards 、Gateways Mote公司的Tmote sky Intel公司的Intel mote2、Chipcon公司的cc2420ZDK、Ember公司的em250 Development kit、Freescale公司的 mc13191、中科院的minigains系列等。中科院開發(fā)的SIA-MS_1.0硬件平臺，價格相對國外的同類產(chǎn)品要低，使得無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)平臺開發(fā)和實現(xiàn)的成本較低。它主要是由1個MSDB-1.0下載板、4個MSB系統(tǒng)板和2個MSTB系列傳感器板構(gòu)成。

（2）軟件平臺

系統(tǒng)的每一個節(jié)點均由一個單片機系統(tǒng)構(gòu)成。系統(tǒng)設(shè)計者選擇一個操作系統(tǒng)平臺，并且在該平臺上完成一系列的操作，即為每個節(jié)點設(shè)計相應(yīng)的微核和節(jié)能的操作系統(tǒng)。在現(xiàn)代無線傳感器操作平臺有TinyOS、SOS、MANTIS、MagnetOS、 PEEROS等。其中，開源、微核、節(jié)能、支持大規(guī)模和白配置的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)TinyOS操作系統(tǒng)占主流地位，它可對MICA2、MICA2DOT等多種節(jié)點編程。TinyOS系統(tǒng)windows系統(tǒng)環(huán)境下安裝，簡單易安裝。

3.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)

（1）網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建

低速率、低功耗且安全可靠是ZigBee協(xié)議的主要特點，它是一種無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)?，F(xiàn)在這種協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)被大量采用，它包含支持標(biāo)準(zhǔn)定義所有功能和特性的FFD（全功能設(shè)備）和功能簡潔且需存儲器容量少的RFD（精簡功能設(shè)備）。ZigBee協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點一般有三種類型，即協(xié)調(diào)器、路由器、終端設(shè)備這三種類型，協(xié)調(diào)器與路由器為全功能設(shè)備，終端設(shè)備為精簡功能設(shè)備。需要啟動網(wǎng)絡(luò)時，通常需要只含1個協(xié)調(diào)器的1個ZigBee網(wǎng)絡(luò)PAN、配置網(wǎng)絡(luò)成員地址、維護網(wǎng)絡(luò)等。路由器的作用是實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)擴展及息消路由，路由節(jié)點存在于樹狀網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)中，信息路由協(xié)調(diào)器和路由器完成。

ZigBee網(wǎng)絡(luò)有三種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，一般分為星狀，樹狀和網(wǎng)狀三種。星狀網(wǎng)絡(luò)包含多個終端設(shè)備和1個PAN協(xié)調(diào)器，它們呈星狀連接構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)，只完成終端設(shè)備與PAN協(xié)調(diào)器的通訊，通常以轉(zhuǎn)發(fā)信息的方式完成它們之間的通訊；樹狀網(wǎng)絡(luò)包含1個協(xié)調(diào)器和1個及其以上的多個星狀結(jié)構(gòu)，協(xié)調(diào)器和連接組成，設(shè)備可以與自身父節(jié)點或子節(jié)點完成點對點通訊，也可以通過樹狀路由來傳輸消息。網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)具有路由功能的節(jié)點直接相連，消息的網(wǎng)狀路由由路由表配合實現(xiàn)，增強了信息傳輸?shù)目煽啃?，減少了延時，但需更多的空間來存儲信息。

（2）原語規(guī)范構(gòu)建

層與層之間的通信靠原語來實現(xiàn)，可根據(jù)其訪問方法分為求原語、確認(rèn)原語、指示原語等原語類別。要實現(xiàn)分層通信協(xié)議的層與層連接，可以通過服務(wù)訪問點來實現(xiàn)，層與層之間的唯一接口是服務(wù)訪問點。需要服務(wù)時，以通信原語的形式供其上層調(diào)用。當(dāng)需要調(diào)用下層服務(wù)時，原語的處理方法和過程不需要知道，統(tǒng)一的原語規(guī)范就可以了。

（3）PAN網(wǎng)絡(luò)建立

PAN網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器作為網(wǎng)建的起點，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點主動掃描時，如果沒有收到信標(biāo)幀或者收到的信標(biāo)幀參數(shù)與自身節(jié)點能力不匹配，那么會建一個新PAN網(wǎng)絡(luò)。

步驟一：協(xié)調(diào)器節(jié)點加電啟動后，由網(wǎng)絡(luò)層發(fā)布原語，再由NLME發(fā)布NLME-SCAN.request原語請求MAC層檢測網(wǎng)絡(luò)信道并掃描信道，NLME-SCAN.confirm原語返回掃描結(jié)果到網(wǎng)絡(luò)層管理實體。能量檢測結(jié)果有高有低，NLME丟棄能量水平較低的信道并找出最佳信道。

步驟二：選網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識。每一個網(wǎng)絡(luò)對應(yīng)一個獨立的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識，且小于或等于Ox3fff，且不為Oxffff。網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備參照此網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識確認(rèn)自己所屬網(wǎng)絡(luò)。協(xié)調(diào)器節(jié)點在此信道隨機選1個網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識開始偵聽。

步驟三：設(shè)定網(wǎng)絡(luò)地址。選定網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識后， 1個16位的網(wǎng)絡(luò)地址隨即被NLME選定，同時發(fā)布MLME-SET.request原語，修改MAC子層的PIB屬性。NLME向MAC層發(fā)布MLME-START.request原語，開始一個新PAN操作。最后，NLME發(fā)送NLME-NETWORK-FROMATION.confirm原語，將協(xié)調(diào)器的執(zhí)行結(jié)果通知上一層。

（4）加入網(wǎng)絡(luò)

一個ZigBee協(xié)調(diào)器設(shè)備建立網(wǎng)絡(luò)后，有兩種方式加入網(wǎng)絡(luò)，一種方式是路由器或終端設(shè)備作為子節(jié)點通過MAC層關(guān)聯(lián)方式（當(dāng)節(jié)點的鄰接表無父節(jié)點的信息時）以新設(shè)備的身份加入網(wǎng)絡(luò)。第二種方式是之前指定的父節(jié)點直接方式加入網(wǎng)絡(luò)。

4.總結(jié)與展望

ZigBee網(wǎng)絡(luò)作為擴充網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的一種有效手段，有著廣闊的前景，為實現(xiàn)低功耗的組網(wǎng)和路由，不僅可點對點連接還可樹狀的路由，隨著ZigBee協(xié)議的不斷升級，我們將根據(jù)實際工程需要，選擇網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)開發(fā)平臺，設(shè)計出高性能的ZigBee網(wǎng)絡(luò)。

參考文獻

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