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[资料] ZigBee技术实践教程-基于CC2430/CC2431的无线传感器网络解决方案

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发表于 2021-8-10 10:54:48 | 显示全部楼层 |阅读模式 来自 广东省深圳市
无线传感器网络(wireless sensor networks,WSN)是当前在国际上备受关注的、涉及多学科高度交叉 、知识高度集成的前沿热点研究领域。它综合了传感器、嵌入式计算、现代网络及无线通信和分布式信息处理等技术,能够通过各类集成化的微型传感器协同完成对各种环境或监测对象的信息的实时监测、感知和采集,这些信息通过无线方式被发送,并以自组多跳的网络方式传送到用户终端,从而实现物理世界、计算世界以及人类社会这三元世界的连通。

无线传感器网络的研究现状:
无线传感器网络是新一代的传感器网络,具有非常广泛的应用前景,其发展和应用。将会给人们的生活和生产的各个领域带来深远的影响。各国都非常重视无线传感器网络的发展, IEEE 正在努力推进无线传感器网络的应用和发展,波士顿大学(Boston University)还于最近创办了传感器网络协会(sensor network consortium),期望能促进传感器联网技术开发。除了波士顿大学,该协会还 包括 BP、霍尼韦 尔(Honeywell)、Inetco Systems、Invensys、 L3Communications、Millennial Net、Radianse、Sensicast Systems 及 Textron Systems。美国《技术评论》杂志在论述未来新兴十大技术时,更是将无线传感器网络也列入其中。在"中国未来 20 年技术预见研究"中总共157 个技术课题,其中有 7 项是直接论述传感网络的。2006 年初发布的《国家中长期科学与技术发展规划纲要》为信息技术确定了三个前沿方向,其中两个与无线传感器网络的研究直接相关,即智能感知技术和自组织网络技术。可以预计,无线传感器网络的广泛应用是一种必然趋势,它的出现将会给人类社会带来极大的变革。

无线传感器网络体系结构
体系结构是无线传感器网络的研究热点之一。 无线传感器网络是一种大规模自组织网络,在研究无线传感器网络体系结构时,需要考虑以下几个特点;
①由干无线传感器网络具有较—般 Ad Hoc 网络的节点,从网络的可扩展性来说要复杂很多;
②无线传感器网络节点主要通过电池供电,所以其能耗是在网络系统设计中最重要的因素之一;
③由于无线传感器网络应用环境的特殊性,其无线通信信道很不稳定,而日 由干能源受限,传感器节 占受损概率元大于一般的自组织网络,因此必须保证无线传感器网络的健壮性;
④ 无线传感器网络的拓扑结构具有动态变化的特性。这些特点使得无线传感器网络有别于传统的自组织网络,在体系结构设计中需要重点考虑。
在无线传感器网络中,节点通过飞机布撒、人工布置等方式,大量部署在感知对象内部或附近。这些节点通过自组织方式构成无线网络,以协作的方式感知、采集和处理网络覆盖区域中特定的信息,可以实现对任意地点信息在任意时间的采集、处理和分析。这种以自组织形式构成的网络,通过多跳中继方式将数据传回 SINK 节点(接收发送器),最后借助 SINK 链路将整个区域内的数据传送到远程控制中心进行集中处理。一个典型的无线传感器网络的体系结构包括分布式传感器节点(群)、SINK 节点、互联网和用户界面等,如图1.1所示。在无线传感器网络中绝大多数的节点只有很小的发射范围,而 SINK 节点的发射能力较强,具有较高的电能,可以把数据发回远程控制节点。

无线传感器网络协议
通常根据无线传感器网络特性设计的网络体系结构具有二维结构,即横向的通信协议层和纵向的传感器网络管理面,如图 1.3 所示。通信协议层可以划分为物理层、链路层、网络层、传输层和应用层,而网络管理面则可以划分为能耗管理面、移动性管理面以及任务管理面。管理面的存在主要是用以协调不同层次的功能以求在能耗管理、移动性管理和任务管理方面获得综合考虑的最优设计。
1.物理层
物理层负责数据的调制发送与接收该层的设计将直接影响到电路的复杂度和能耗。研究的目标是设计低成本、低功耗、小体积的传感器节点。无线传感器网络的传输介质可以是无线电、红外或者光介质,实践中大量采用的是基于无线电射频电路。无线传感器网络的典型信道属于近地面信道,其传播损耗因子较大,并且天线距离地面越近其损耗因子就越大,这是无线传感器网络物理层设计的不利因素。然而,无线传感器网络的某些内在特征也有利于设计的方面。如高密度部署的无线传感器网络具有分集特性,可以用来克服阴影效应和路径损耗。
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1.5 无线传感器网络的关键技术
无线传感器网络是信息感知与采集和计算模式的一场革命。它作为一个全新的研究领域在基础理论研究和工程技术研究两个层面上对科技工作者提出了大量的挑战性研究课题。网络协议、网络安全、能量管理、数据融合、移动管理、扩展性和健壮性等就是影响无线传感器网络性能的关键技术。
1.网络协议
鉴于降低能源消耗是无线传感器网络设计中要考虑的最重要方面,而经研究显示;路由协议和 MAC协议对无线通信模块的能量消耗起着关键影响。下面对这两个协议进行阐述。
(1)MAC层协议
同所有共享介质的网络一样,无线传感器网络的 MAC 协议的主要目标是使节点公平、有效地共享无线信道,避免多个节点同时发送数据产生冲突。通常有固定分配和随机访问两种主要的使用无线信道的类型。
在 DEANA(distributed energy-aware node activation)协议中将帧分为调度访问部分和随机访问部分。 调度访问部分由多个时隙组成,某个时隙协商为特定节点发送数据的时间.其他节点在该时隙内处于接收状态或者睡眠状态。为了进一步节省能量,每个时隙又细分为前部的控制部分和后部的数据部分,如果节点在其发送时隙内有数据需要发送,则在时隙的控制部分发出控制消息,指出接收数据的节点 ID,然后在时隙的数据部分发送出数据。在控制部分,所有节点都处于接收状态,如果节点不是数据接收者,则可以在随后的数据发送部分进入睡眠状态,以减少接收不必要的数据。与传统的 TDMA 协议相比,DEANA 协议在节点得知不需要接收数据时进入睡眠状态,能够部分解决接收不必要数据的过度监听(overhearing)问题。但是,DEANA协议需要所有节点的帧同步,不能很好支持节点移动,可扩展性差。

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