无线传感器网络的协议栈设计方法

⑴ 无线传感器网络原理及方法 什么是分层设计，什么是跨层设计

我觉得您的问题太笼统了。就分层设计而言，也分系统分层设计和协议栈分层设计。一个WSN网络一般有三层设计，上位机、下位机和网关，其中网关是连接上位机和下位机的中间枢纽，实现上、下行数据流的交互。而协议栈分层是为了让协议栈更好地对网络进行数据管理、流量控制、差错控制等。

⑵ 如何开始设计无线传感器网络系统

1、如何选择合适的无线传感器技术

无线传感器网络系统的基本架构包括三部分,第一部分是无线收发芯片,其职责是将数字信息转换为高频无线信号传送出去和将接收到的高频无线信号恢复成数字信息。无线传感器收发芯片而言,IEEE 802.15.4能为无线传感器应用提供最佳方案,这是因为IEEE 802.15.4规范可能是主要且可能唯一的实用标准。目前全球有多家公司提供这方面的收发芯片。像TI公司的CC2420,CC2520等芯片都特别适用于钮扣电池和低电能应用的低功耗特性。实现一个典型的无线传感器网络节点和路由器,可以采用多芯片方案,如图3所示,由一个无线收发芯片和一个微控制器(单片机)组成,微处理器可以采用低功耗的MSP430,无线芯片可以采用CC2520,CC2420等;

典型的无线传感器网络节点或者路由器随着技术不断发展,已经有越来越多的公司,将无线收发器芯片和微控制器和无线收发器做成了一个片上系统(SoC),例如TI公司采用8051内核的CC2430、CC2431等ZIGBEE无线单片机,随着无线传感器网络对计算能力提高要求,最近Freescale公司也推出了ARM内核的32位ZIGBEE无线单片机. 使用这些SoC无线单片机设计无线传感器网络,将使无线传感器节点具有更小的体积,更低的功耗和更低的价格;TI公司在国内的技术合作伙伴深圳无线龙科技公司等,也同时提供这些芯片,开发工具的相关技术支持;无线传感器网络构架第二部分是运行于单片机或者无线单片机内部的嵌入式软件,也称软件协议栈(network stack), 网络堆栈有两个职责。

首先,它必须要处理节点间的无线链接通信质量的频繁变化和环境因数对无线通讯造成的干扰,具有对网络自组织,自恢复的能力;网络堆栈的第二个职能是要具有很强的路由算法能力,确保讯息可靠高效地通过各种网络拓扑(星状,网状等等)从源节点(如果现有,可以通过成百上千路由节点)发送到目标节点。确保通讯的实时性要求。

ZigBee联盟是由众多技术供应商和开发商组成的独立标准组织。也是目前世界是最大的,基于IEEE 802.15.4平台的网络软件协议栈标准提供联盟;

该组织从ZIGBEE2004,ZIGBEE2006,ZIGBEE2007 ,不断发展,目前提供的的两个网络栈是:ZigBee和ZigBee PRO。从使用角度看,ZigBee堆栈很适合一般包含十到几百个节点的小型网络。而ZigBee PRO是ZigBee的超集,它增加了一些功能,可对网络进行扩展并更好地应对来自其他技术的无线干扰,而且可以适应更大型的网络和具有更加可靠的路由通讯算法和无线通讯可靠性;无线传感器网络构架第三部分应用软件,这部分包括各种根据用户现有开发的软件代码,这些代码目前大部分是采用C语言来进行开发,可以之间以接口和API方式,调用软件协议栈的功能;在多种无线传感器网络技术中,我们认为采用802.15.4国际标准和ZIGBEE技术,作为我们设计无线传感器系统的起步,有如下优点:

1)兼容一个全球化的可靠的国际标准;

2)可以通过TI, Freescale这样的大型芯片供应商.获得稳定的无线收发芯片和无线单片机来源,也可以获得免费的ZIGBEE协议栈和相关源代码,降低开放门槛;

3)能够采用KEIL和IAR这样的高性能软件编译调试环境,可以大大加快开放速度,缩短上市周期;

2、开始无线传感器网络系统设计准备些什么?

首先,我们现需要进行一些知识准备,对无线传感器网络需要的技术和知识,进行准备,虽然可能我们已经熟悉单片机和相关软件开发技术,但是无线收发器和无线SoC(无线单片机)还是有独特的地方,而且IEEE802.15.4和ZIGBEE协议栈等,也是具有一定难度的知识领域;好在目前在无线传感器网络和无线单片机方面,已经有大量的技术书籍可供参考,图四是一些无线传感器相关技术书籍,对入门无线传感器网络可能开卷有益;

其次,我们仍然需要一套容易使用的无线传感器网络(WSN)开发系统,这是因为:

1)我们需要一套完整的软件编译开发平台,包括IAR和KEIL的编译调试环境,在线仿真器等必要的开发工具;

2)我们进入无线传感器系统设计的难度重心,是尽快掌握无线传感器网络协议栈软件使用,同时尽快进入相关应用软件开发,所以我们需要一套已经完成高频测试的无线节点,网关,路由器和无线模块来进行硬件评估和运行我们的嵌入式应用软件和协议栈软件;

3)我们需要相关温度,压力,加速度,光线,湿度等传感器接口到这个系统,方便我们系统设计;

4)我们在进入一个陌生的技术领域时,往往会有很多的困难,我们需要相应的技术支持和知识支持;

目前,很多国内企业,都已经推出了各种无线传感器网络开发工具,图五是国内企业成都无线龙通讯科技公司的一种最新的,支持美国德州仪器TI CC2520无线收发器和TI ZIGBEE 2007/PRO协议栈的无线传感器网络(WSN)开发系统的新产品,包括在线仿真器,PC GUI网络监视控制软件,相关源代码无线传感器网络示范代码包装等,是快速进入无线传感器网络系统设计的可选择国产工具之一;

3、设计无线传感器系统具体过程

当我们完成了上述的知识准备和相关开发工具准备后,我们就可以开始一个无线传感器设计过程了,下面,我们以一个家庭节能无线传感器网络系统为实例,看看一个无线传感器网络的实际过程;家庭节能系统框图如图六所示:

家庭中的电器,包括空调,洗衣机,冰箱等,构成一个典型的无线传感器网络,通过能源管理网关和安装在户外的无线转发路由器,实时传输到能源公司电脑化管理网络和数据库,实现对家庭能源的管理;设计任务包括设计嵌入到家电内部的无线传感器网络单元(无线节点),家庭无线显示单元和家庭能源控制单元(无线节点或者无线路由器),能源管理网关(无线网关)等;

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⑷ 无线传感网络协议包括哪三种方式

ZIGBEE协议。最适合传感器网络的无线通信技术。相应的就是ZIGBEE协议，实现是ZIGBEE协议栈。
此外无线通信技术还有WIFI，蓝牙，GPRS等

⑸ 基于Zigbee的远程家庭监护系统的应用研究

无线传感器网络是由大量的传感器节点采用无线自组织方式构成的网络 其应用前景广阔[ ][ ] Zigbee技术是一种具有统一技术标准的短距离无线通信技术 其PHY层和MAC层协议基于IEEE ． ． 协议标准 该标准把低能耗 低成本作为重要目标 主要应用于低速传输 可以作为无线传感器网络的通信协议

随着社会老龄化的加剧 解决长期慢性病的监护成为重要的社会问题 一些突发性疾病和家庭保健 如心血管疾病 老人的日常护理 孕妇 胎儿 婴儿 幼儿的保健也需要长期的家庭监护 由于我国医疗资源紧缺 研究基于公用网络的家庭医疗监护 建立小区医疗网络 可以提高医疗服务水平 减轻病人负担 以往的解决方案是采用有线方式或简单的无线数据发射接收方式 被监护者身上安装的传感设备难以自由灵活地移动和接入 系统没有扩展性 成本高 Zigbee 技术的出现为传感器信号的无线传输提供了新的解决方案 Zigbee节点有几十米的覆盖范围 且可以增加路由节点 扩展覆盖范围 因此适用于家庭住宅 同时由于生理监护信号的数据传输流量不大 传输速率为 kbps的Zigbee能够满足生理数据传输要求 Zigbee传感节点可自由灵活地加入和离开网络 具有低功耗和低成本的特点

Zigbee无线传感器网络的上述特点使其在个人生理信号监测和远程家庭监护方面将有很好的应用前景 本文在分析Zigbee无线传感器网络技术的基础上 对其在移动监护的应用进行了研究

基于Zigbee的无线网络家庭监护系统架构

． 远程家庭监护系统对网络的要求

家庭监护网络需要考虑能耗 覆盖面 传输速率和互联网进行通信等因素 本研究采用基于Zigbee技术的无线网络实现在室内对生理信号的采集 通过互联网将生理数据传输到远程监护服务器 人体携带可移动生理信号传感器终端 在网络的可覆盖范围内活动 通过网络内的路由节点接入互联网 Zigbee网络具有自组织 动态路由 网络节点少等特点 同时Zigbee网络考虑了节点的能量节约 减少节点处理器的计算负担等问题 医院或社区的医生可以随时通过互联网查看患者的生理信息 可以对生理传感器的采集方式进行控制 同时也可以获得无线网络中其他监护设备的信息

． 网络拓扑结构

IEEE ． ． 协议的网络拓扑结构有三种类型 星形结构 网格状伍凳结构和族状结构．如图 所示 其中网格状结构和族状结构属于点对点的结构 在 ． ． 网络中 根据设备所具有的通信能力可肢燃以分为全功能设备(FFD)和精简功能设备(fIFD) FFD设备之间以及FFB设备与RFD设备之间可以直接通信 RFD之间不能直接通信 在IEEE ． + 网络中 有一个称为PAN网络协调器的FFD设备 是传感器网络中的主控制器 每个网络仅有一个主控制器 网络协调器除了直接参与应用以外 还要完成成员的身份管理 链路状态信息管理以及分组转发等功能[ ][ ]

星形网络中所有节点都与中心协调器通信 节点间不能直接通信 中心节点的能量消耗大 适合于网络节点较少 网络结构简单 小范围的网络应用 而点对点网络中只要通信双方都在其辐射范围之内 任何两个设备之间都可以通信 点对点网络中的协调器主要负责实现管理链路状态信息 认证设备身份等功能 点对点网络支持Ad Hoc网络 且可以构造更复杂的网络结构

在家庭监护系统中 被监护对象可能在多个房间内活动 为了能随时扩大覆盖范围 且方便以后功能扩展 选用族状网络拓扑结构 在与互联网的连接方面 建立zi卤ee无线网络与以太网的网桥 将监护信息传送到监控服务器 实现监护信息的共享

家庭监护网络体系结构

基于上述分析 本文设计的远程家庭监护网络体系结构如图 所示 Zigbee无线系统主要由Zigbee无线传感器节点(脉搏传感器节点) 若干个具有路由功能的无线节点和zigbee中心网络协调器(连接家庭无线网桥)组成 无线网桥连接zigbee无线网络与以太网 是家庭无线网络的核心部分 负责无线传感器网历橘虚络节点和设备节点的管理 图中A B C D为具有路由功能的FFD节点 传感器节点与路由节点自主形成一个多跳的网络

脉搏传感器节点可以通过A B C D节点向网关发送数据 由于被监护者在家庭内自由活动 所以其携带的传感器节点的路由可能是动态变化的 所设计的 Zigbee无线节点的室内通信距离为 ～ m A B C D节点可根据房间的分布进行布置 以能够最大程度地覆盖活动区域 脉搏生理数据经过家庭网关传输到远程监护服务器 远程监护服务器负责脉搏生理数据的实时采集 显示和保存 其他的监护信息如监护图像 安全设备状态等也可以传输到服务器 医院监护中心和医生可以登录监护服务器查看被监护者的生理信息．也可以远程控制家庭Zigbee无线网络中的传感器和设备 从而在被监护病人出现异常时 能及时检测到并采取抢救措施 被监护者的亲属等也可以登录监护服务器随时了解被监护者的健康状况

Zigbee家庭无线网络监护系统硬件结构

对于传感器节点 需要具有小尺寸 低功耗 适应性强的特点 根据 Zigbee协议标准 Zigbee设备发射输出为 ~ ． dbm 通信距离为 ~ m 能够检测能量和链路质量 根据这些检测结果 可自动调整设备的发射功率 在保证通信链路质量的条件下 最小地消耗设备能量 目前市场上的无线发射 接收芯片典型的有Chipcon公司和Freeseale公司的产品 本文选用Freescale的 作为系统的射频芯片 此芯片可以结合Freescale公司的控制器GT 一起组成低功耗的无线模块 无线传感器节点的结构框图如图 所示

由于无线传感器具有随身携带要求 因此采用纽扣电池 脉搏传感器采用PVDF压电薄膜 其输出阻抗很大 由调理电路实现信号放大和滤波 设计时考虑到高频电路对传感器信号的干扰 传感器调理电路与高频发射接收部分分开设计 天线设计是无线模块设计的关键 直接影响到传感器节点的通信质量和通信距离 可以参照常用的 ． GHz天线的设计方法 本设计采用偶极子微带PCB板天线 所有铜箔的走线均采用微带传输线的原理 以减少反射引起的传输损耗 获得较大的输出功率和较高的接收灵敏度

家庭网关负责家庭无线传感器网络的控制和管理 实现信息的融合处理 并将信息传输到互联网 家庭网关的数据传输和运算量较大 并且可以采用外部电力作为电源供应 因此采用具有较强的信息处理能力和网络功能的arm 系列作为控制器 本文采用三星的S C 作为控制器 无线发射芯片采用 Freeseale的MCl 无线控制器芯片采用GT 两者通过SPI口通信 无线网关的硬件结构如图 所示

Zigbee无线网络软件系统

Zigbee协议栈由一系列分层结构组成 每一层为上一层提供服务 数据实体提供数据传输服务 管理实体提供其他功能服务 每种服务实体通过服务接入点CsAP)为上层提供接口 基于Zigtme网络软件分层结构如图 所示

PHY层和MAC层由IEEE ． ． 标准组制定 物理层定义了物理无线信道和MAC子层之间的接口 提供物理层数据服务和物理层管理服务 物理层数据服务从无线信道上收发数据 物理管理层维护一个由物理层相关数据组成的数据库

Zigbee联盟基于 ． ． 标准提供了网络层和应用支持层及应用层框架 Zigbee网络层提供加入和离开网络机制 对数据进行加密以及帧路由等功能 路由协议负责将数据分组从源节点通过网络转发到目的节点 主要完成两个功能 ( )寻找源节点和目的节点间的优化路径 ( )将数据分组沿着优化路径转发 为了能够高效利用能量 减少通信量 Zigbee网络允许树形路由选择 即树形结构选址 有了树形路由选择 设备不必保存占有庞大内存的路由表或者进行额外的空中下载操作来发现路径 从而减小了网络流量 为避免错误信息超过一定长度的过渡路由而产生额外的流量 Zigbee路由允许路由器去发现捷径

路由算法采用AODV(Ad hoc On Demand Distance Vetor)算法 每个路由器维护一张路由表 并定期与其邻居路由器交换路由信息 根据最小路由矢量更新自己的路由表 应用层框架定义监护网络节点协议

无线网关连接内部无线网络与外部有线以太网 网关设计模型如图 所示 网关采用arm 系列实现 运行Linux操作系统 在Zigbee协议帧的基础上 建立无线阿关的通信协议 包括设备编号 数据流方向 数据信息等 开机上电后．系统自检 硬件初始化 与远程监护服务器连接后进入数据流中继服务 实现数据协议的转换等功能 远程服务器接受连接后 随时接收传输的数据．并根据需要分类保存到数据库服务器

实验结果分析

根据设计的zigbee无线监护网络平台 对人体随身携带的脉搏压力信号进行连续采集 并在监护服务器上实时显示 采用 位A/D转换器 数据采样频率 Hz 有线网络环境为校园局域网 采集数据的波形如图 所示 图 为投有使用网络传输 直接经过计算机采集的脉搏信号的波形曲线 采样频率为 Hz

通过对比图 和图 可以看出 经过家庭监护网络采集到的脉搏数据信号波形基本没有变形 只是网络的延时使信号产生了微小的抖动 当系统接入互联网 延时会加大 抖动更加明显 通过增加缓冲区等方法可以减小影响网络延时对实时信号采集 另一方面 由于人体的活动也会给信号带来很大的干扰．可进一步采取滤波等措施减小干扰