淺談無線傳感器網絡的平臺開發(fā)與組網技術

陳先芳

【摘要】無線傳感器網絡有著許多特點和優(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，隨著無線傳感器網絡的廣泛應用，人們對無線傳感器網絡平臺及其組網方式上的研究和開發(fā)越來越重視。本文從無線傳感器網絡的理論研究出發(fā)，介紹了其平臺開發(fā)和組網的國內外技術研究現狀和發(fā)展方向，并提出了無線傳感器網絡開發(fā)平臺和組網方式選擇方法。

【關鍵詞】無線；傳感器；網絡；技術

1.無線傳感器網絡

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品要低，使得無線傳感器網絡系統(tǒng)平臺開發(fā)和實現的成本較低。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)構成。系統(tǒng)設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)點設計相應的微核和節(jié)能的操作系統(tǒng)。在現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絡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.無線傳感器網絡的組網

（1）網絡構建

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

ZigBee網絡有三種拓撲結構，一般分為星狀，樹狀和網狀三種。星狀網絡包含多個終端設備和1個PAN協(xié)調器，它們呈星狀連接構成網絡，只完成終端設備與PAN協(xié)調器的通訊，通常以轉發(fā)信息的方式完成它們之間的通訊；樹狀網絡包含1個協(xié)調器和1個及其以上的多個星狀結構，協(xié)調器和連接組成，設備可以與自身父節(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。網狀網絡具有路由功能的節(jié)點直接相連，消息的網狀路由由路由表配合實現，增強了信息傳輸的可靠性，減少了延時，但需更多的空間來存儲信息。

（2）原語規(guī)范構建

層與層之間的通信靠原語來實現，可根據其訪問方法分為求原語、確認原語、指示原語等原語類別。要實現分層通信協(xié)議的層與層連接，可以通過服務訪問點來實現，層與層之間的唯一接口是服務訪問點。需要服務時，以通信原語的形式供其上層調用。當需要調用下層服務時，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網絡建立

PAN網絡協(xié)調器作為網建的起點，網絡節(jié)點主動掃描時，如果沒有收到信標幀或者收到的信標幀參數與自身節(jié)點能力不匹配，那么會建一個新PAN網絡。

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

步驟二：選網絡標識。每一個網絡對應一個獨立的網絡標識，且小于或等于Ox3fff，且不為Oxffff。網絡中的設備參照此網絡標識確認自己所屬網絡。協(xié)調器節(jié)點在此信道隨機選1個網絡標識開始偵聽。

步驟三：設定網絡地址。選定網絡標識后， 1個16位的網絡地址隨即被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)調器的執(zhí)行結果通知上一層。

（4）加入網絡

一個ZigBee協(xié)調器設備建立網絡后，有兩種方式加入網絡，一種方式是路由器或終端設備作為子節(jié)點通過MAC層關聯(lián)方式（當節(jié)點的鄰接表無父節(jié)點的信息時）以新設備的身份加入網絡。第二種方式是之前指定的父節(jié)點直接方式加入網絡。

4.總結與展望

ZigBee網絡作為擴充網絡應用的一種有效手段，有著廣闊的前景，為實現低功耗的組網和路由，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，我們將根據實際工程需要，選擇網絡系統(tǒng)開發(fā)平臺，設計出高性能的ZigBee網絡。

參考文獻

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