无线传感网络初学笔记

Posted 2020-09-30 wzzkaifa



无线传感网络（wireless sensor network），由部署在监測区域内的大量传感器以自组织和多跳的方式构成的，以协作方式感知、採集、传输和处理网络覆盖区域内监測对象信息的无线网络。

无线传感网络系统通常包含传感器节点（sensor node）、汇聚节点（sink node）和管理节点。大量传感器节点随机部署在监測区域内或附近，可以通过自组织方式构成网络。传感器节点监測的数据沿着其它传感器节点逐跳地进行传输。在传输过程中监測数据可能被多个节点处理，经过多跳路由到汇聚节点，最后通过互联网或卫星到达管理节点。

用户通过管理节点对传感器网络进行配置和管理，公布监測任务以及收集监測数据。

传感器节点由传感器模块、处理器模块、无线通信模块和能量供应模块四部分组成：
　　传感器模块负责监測区域内信息的採集和数据转换；
　　处理器模块负责控制整个传感器节点的操作。存储和处理本身採集的数据以及其它节点
　　发来的数据；
　　无线通信模块负责与其它传感器节点进行无线通信。交换控制信息和採集数据；
　　能量供应模块为传感器节点提供进行执行所需的能量，通常採用卫星电池

传感器节点上的协议栈包含物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层，与互联网协议栈的五层协议相相应。另外，协议栈还包含能量管理平台、移动管理平台和任务管理平台。

这些管理平台是的传感器节点可以依照能源高效的方式协同工作，在节点移动的传感器网络中转发数据，并支持多任务和资源共享。

传统无线网络的首要设计目标是提供高服务质量和高效带宽利用。其次才考虑节约能源，而传感器网络的首要设计目的是能源的高效利用，这也是传感器网络和传统网络最重要的差别之中的一个。

无线传感器网络中的关键技术：
1 网络拓扑控制
  传感器网络拓扑控制眼下基本的研究问题是满足网络覆盖度和连通度的前提下，通过功率控制和骨干网节点选择。删除节点之间不必要的无线通信链路，生产一个高效的数据转发的网络拓扑结构。

拓扑控制能够分为节点功率控制和层次拓扑结构形成两个方面。功率控制方面眼下已经提出了COMPOW，LINT/lilt。CBTC。LMST。RNG，DRNG和DLSS等算法，层次拓扑控制眼下提出了TopDisc。GAF，LEACH和HEED等算法。

2网络协议
  因为传感器网络节点的硬件资源有限和拓扑结构的动态变化。网络协议不能太复杂但又要高效。眼下研究的重点是网络层协议和数据链路层协议。网络层的路由协议决定监測信息的传输路径，眼下提出了多种类型的协议，如多个能量感知的路由协议，定向扩散和谣传路由等基于查询的路由协议，GEAR和GEM等基于地理位置的路由协议，SPEED和ReInForM等支持的Qos的路由协议。数据链路层的介质訪问控制用来构建底层的基础结构，控制传感器节点的通信过程和工作模式。

眼下提出了S-MAC。T-MAC和Sift等基于竞争的MAC协议,DEANA、TRAMA、DMAC和周期性调度等时分复用的MAC协议等。

3 时间同步
  时间同步是须要协同工作的传感器网络系统的一个关键机制。眼下已提出了多个时间同步机制，当中RBS、TINY/MINI-SYNC和TPSN被觉得是三个主要的同步机制。

4 定位技术
 位置信息是传感器节点採集数据中必不可少的部分，没有位置信息的检測一般是毫无意义。确定事件发生的位置或採集数据的节点位置是传感器网络最主要的功能之中的一个。眼下的定位技术有基于距离的定位，如基于TOA的定位、基于AOA的定位、基于RSSI的定位等；和与距离无关的定位算法。如质心算法、DV-Hop算法、APIT算法等等。

5 数据融合
 传感器网络存在能量约束。降低传输的数据量可以有效地节省能量，因此在从各个节点收集数据的过程中，可利用节点的本地计算和存储能力处理数据的融合，去除冗余信息，从而达到节省能量的目的。因为节点的易失效性，传感器网络也须要数据融合技术对多分数据进行综合，提高信息的精确度。

但融合技术会牺牲其它方面的性能。如延迟和鲁棒性的代价。

6 嵌入式操作系统
  传感器节点是一个微型的嵌入式系统。携带很有限的硬件资源。须要操作系统可以节能高效地使用其有限的内存、处理器和通信模块，且可以对各种特定应用提供最大的支持。在面向无线传感器网络的操作系统的支持下，多个应用可以并发地使用系统的有限资源。

美国加州大学伯克利分校研发的tinyos操作系统，得到了比較广泛的使用，但仍然存在不足。

无线传感器网络
振动传感器：假设选择带有USB接口的节点，能够把存储器内的数据下载到计算机
应变传感器：有效传输距离可达300m
扭矩传感器：对于长期监測应用，可数年不更换电池，大大提高了系统的免维护性

无线传感器节点是一种很小的计算机，一般由下面几部分组成：
1 处理器和内存（一般能力都比較有限）
2 各类传感器（温度，湿度。声音。加速度，全球定位等）
3 通讯设备（一般都是无线电收发器或光学通信设备）
4 电池（通常是干电池，也有使用太阳能电池）
5 其它设备。包含各种特定用途的芯片，串行并行接口等（USB，RS232）

网络协议栈
物理层提供简单但健壮的信号调制和无线收发技术
数据链路层负责数据成帧、帧检測、媒体訪问和差错控制
网络层主要负责路由生成与路由选择
传输层负责数据的传输控制。是保证通信服务质量的重要部分
应用层包含一系列基于监測任务的应用层软件
能量管理平台管理传感器节点怎样使用能源，在各个协议层都须要考虑节省能量
移动管理平台监測并注冊传感器节点的移动，维护到汇聚节点的路由。使得传感器节点可以动态跟踪其邻居的位置
任务管理平台在一个给定的区域内平衡和调度监測任务

安全需求
1 数据机密性
2 数据完整性
3 数据新奇性
4 可用性
5 鲁棒性：无线传感器网络具有非常强的动态性和不确定性，包含网络拓扑的变化。节点的小时或增加，面临各种威胁等，因此。无线传感器网络对各种攻击应具有较强的适应性，即使某次攻击行为得逞，该性能也能保障其影响最小化。

6 訪问控制

无线传感器网络拓扑控制由两部分组成。即拓扑构建和拓扑维护。

ZigBee是一种无线连接，可工作在2.4GHZ（全球流行），868MHZ（欧洲流行）和915MHZ（美国流行）3个频段上，分别具有最高250kbit/s、20kbit/s和40kbit/s的传输速率。它的传输距离在10-75m的范围内。但能够继续添加。

ZigBee技术特点
1 低功耗：紧靠两节5号电池就能够维持长达半年到2年左右的使用时间
2 成本低： ZigBee模块的初始成本在6美元左右。而且ZigBee协议是免专利费
3 时延短：典型的搜搜设备时延30ms。休眠激活时延15ms。活动设备信道接入时延15ms
4 网络容量大：星型结构的ZigBee网络最多能够容纳254个设备和一个主设备，一个区域              内能够同一时候存在最多100个ZigBee网络。并且网络组成灵活
5可靠：採取了碰撞避免策略，同一时候为须要固定带宽的通信业务预留了专用时隙，避开了发    送数据的竞争和冲突。MAC层採用了全然确认的传输数据模式，每一个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息。假设传输过程中出现故障能够进行重发
6 安全：ZigBee提供了基于循环冗余校验（CRC）的数据包完整性检查功能。支持鉴权和认证，採用了AES-128的加密算法，各个应用能够灵活确定其安全属性

ZigBee主要採用三种组网方式：
星型网
对等网
混合网

节点类型
ZigBee协调者（ZC）
　　每一个ZigBee网络必须有一个
　　初始化网络信息
ZigBee路由器（ZR）
　　路由信息
ZigBee终端节点（ZED）
　　没有路由功能
　　低价格
　　
　　
ZigBee选型方案

方案一所使用的单芯片方案是空间占用最少的。将微控制器、协议栈和射频收发前端整合到单一的芯片上，从而降低了芯片成本和功耗，成为真正意义上的SoC（System on Chip）解决方式。该方案的长处是利用单芯片集成电路有效地降低系统功耗；内嵌的线路能够降低甚至避免电路板信号传送时所造成的系统信号串扰。降低芯片对外引脚数，简化系统加工的复杂性；降低外围驱动接口单元及电路板之间的信号传递，加快了传输数据和处理的速度。TI 公司的 CC2430、CC2431、CC2530、CC2531都是第一种方案的典型的应用有。

方案二採用的是 MCU 或 DSP+ZigBee 处理器，典型应用有 MSP430+CC2480，CC2480 是德州仪器 (TI)近日推出的最新 Z-Accel 系列 2.4GHz ZigBee 认证网络处理器中的首款产品。CC2480 把已经做好的 ZigBee 协议栈的软件放到芯片内部。用户通过外加一个 MCU，把应用程序放在外面的 MCU，这样就不用花非常多的时间去开发 ZigBee协议栈方面的软件。

CC2480 可以处理全部时序关键型与处理密集型 ZigBee 协议任务，而将应用 MCU 的资源占用空间释放出来用于满足其它应用要求。CC2480 可以通过 SPI 或 UART 接口与各种 MCU 通信。

方案三採用含有 ZigBee stack 的 MCU+RF 芯片的方案。典型的应用有 MSP430+CC2420，MSP430+CC2520。

这样的方案的长处是灵活性大。功耗相对较低。

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