无线传感网络协议栈介绍

【⽆线通信篇Zstack协议栈】CC2530ZigbeeZstack协议栈组⽹项⽬及详细讲解篇物联⽹⽆线通信技术，ZigBee⽆线传感⽹络CC2530最⼤的特点就是⼀个拥有⽆线收发器（RF）的单⽚机，既能实现单⽚机功能，也能实现⽆线传输Zstack协议栈是ZigBee协议栈⾥的翘楚，是ZigBee组⽹的⾸选协议栈项⽬实现功能：l 总共有三个端点，⼀个协调器和两个终端节点l 终端节点1连接DHT11温湿度传感器，定时上传给协调器l 终端节点2连接LED，可以通过协调器按键控制，定时上报LED开关状态l 协调器连接12864 OLED 屏幕，实时显⽰温湿度和LED状态l 协调器可以通过按键控制终端2的LED开关，控制后将会显⽰控制结果扩展功能（当前未实现，可进⼀步开发实现）：l 连接协调器串⼝，将终端节点采集的数据通过串⼝发送，PC写上位机实现数据展⽰l 连接WIFI或者4G模块，WIFI模块如ESP8266，实现数据局域⽹⽆线传输或者上传到OneNET、机智云、阿⾥云、⾃⼰开发云服务器等，实现WEB或⼿机APP显⽰和控制。

⼀、项⽬测试（可想⽽知，⼴州的天⽓有多热，39℃了都）实现功能汇总：l 总共有三个端点，⼀个协调器和两个终端节点l 终端节点1连接DHT11温湿度传感器，定时上传给协调器l 终端节点2连接LED，可以通过协调器按键控制，定时上报LED开关状态l 协调器连接12864 OLED 屏幕，实时显⽰温湿度和LED状态l 协调器可以通过按键控制终端2的LED开关，控制后将会显⽰控制结果(⼀) 环境汇总芯⽚：CC2530F256Zstack协议栈：ZStack-CC2530-2.5.1a编程环境：IAR(⼆) 引脚分配协调器：128*64 OLED 0.96⼨屏幕供电：3.3V通信协议：IIC引脚：SDA P0_6SCL P0_7按键：IO：P0_1下降沿触发中断终端1：DHT11：通信⽅式：单总线协议供电：3.3VIO:P0_6终端2：LEDIO：P1_0说明：⾼电平点亮，低电平熄灭⼆、基础认识(⼀) CC2530单⽚机CC2530最⼤的特点就是⼀个拥有⽆线收发器（RF）的单⽚机，既能实现单⽚机功能，也能实现⽆线传输。

l绪论硕士论文及管理医院内的人及仪器等。

预报系统和环境监测方面，无线传感器网络同样可以应用于很多方面，如气象l6]和地理研究[7]、农业环境监测l8]、森林火灾监控[9]、物种追踪等等。

无线传感器网络还可以在未知空间探索【’0]、现代物流、仓储管理、建筑物状态监控【川、复杂机械监控、智能交通控制管理〔’21、智能家居及安全监测等非常广泛的领域得到应用。

除了上面列出的，也有许多其他方面的应用潜力。

毫无疑问的是，在传感器网络中尚隐藏着巨大的未被挖掘的商机。

随着社会经济和科学技术的发展进步，传感器网络必将会多方面地应用到科学研究与生产生活中来。

虽说无线传感器网络与传统的移动自组织网有不少相似之处，例如都具有节点自组织及网络拓扑动态构建等特性，但也有着不少的区别。

由于无线传感器网络具有微型化，规模化，硬件资源少等特性，因此拥有自己特有的协议栈体系，是十分必须的。

而现阶段国内外针对无线传感器网络一协议栈的系统研究，还相对缺乏。

1.2无线传感器网络特点及国内外研究现状1.2.1无线传感器网络特点蓝牙、蜂窝网络、移动自组织网等比较传统的无线网络，主要设计目标都是能够在移动环境下提供高质量的和高带宽的数据传输服务。

在网络设计中，节点能量消耗往往不是主要考虑因素，并且一方面把中间节点的功能削弱，仅负责数据分组转发，另一方面强调了网络端点的功能，包揽了一切与功能有关的处理【’31。

无线传感器网络除了具有无线网络的传统特征以外，它还具有以下一些明显的特点:(1)节点硬件资源有限。

传感器节点具有体积小，成本低，集成度高、能源消耗快的特性，其处理器芯片的计算能力和存储容量要明显弱于普通的计算机程序。

因此在节点的系统设计中，协议栈必须精巧高效。

(z)电源容量有限。

由于电池技术在近年来没有突破性的发展，并且传感器节点个数多，体积微小，再加之成本要求低廉、分布范围广，部署区域复杂，甚至是在常人无法到达的远程环境中，无法及时得到能源补给，只能由电池供电，而十分有限的电池容量导致了网络中的节点经常由于能源耗尽的原因废弃或失效。

无线传感器网络路由协议无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）是由大量低成本、低功耗的传感器节点组成的网络系统，用于感知和收集环境信息。

无线传感器网络的路由协议起着关键作用，它决定了数据在网络中的传输路径和方式，影响着整个网络的性能、能耗以及生存时间。

1. LEACH（Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy）是一种经典的层次化路由协议。

它将网络中的节点划分为若干个簇（Cluster），每个簇有一个簇首节点（Cluster Head）。

簇首节点负责收集和聚合簇内节点的数据，并将聚合后的数据传输给基站节点，从而减少了网络中节点之间的通信量，节省了能耗。

2. AODV（Ad Hoc On-Demand Distance Vector）是一种平面路由协议，适用于无线传感器网络中节点数量较少且网络拓扑较稳定的情况。

AODV协议通过维护路由表来选择最短路径，当节点需要发送数据时，它会向周围节点发起路由请求，并根据收到的响应建立起路由路径。

3. GPSR（Greedy Perimeter Stateless Routing）是一种基于地理位置的路由协议。

它通过利用节点的地理位置信息来进行路由选择，具有低能耗和高效的特点。

GPSR协议将整个网络划分为若干个区域，每个节点知道自己的位置以及周围节点的位置，当需要发送数据时，节点会选择最近的邻居节点来进行转发，直到达到目的节点。

除了以上几种常见的路由协议，还有很多其他的无线传感器网络路由协议，如HEED（Hybrid Energy-Efficient Distributed clustering）、PEGASIS（Power-Efficient Gathering in Sensor Information Systems）等，它们各自具备不同的优势和适用场景。

总之，无线传感器网络的路由协议在保证数据传输可靠性和网络能耗方面起着重要的作用。

南京邮电大学硕士研究生学位论文术语表术语表Adaptive Threshold sensitive Energy APTEEN 自适应敏感阀值节能型传感网络协议CDMA码分多址Code Division Multiple AccessCSMA 载波侦听多路访问Carrier Sense Multiple AccessDD 定向扩散Directed DiffusionGEAR 地理和能量感知路由Geographic and Energy Routing LEACH 低功耗自适应分簇协议介质访问控制Media Access ControlMCU 微控制单元Micro-Controller UnitPEGASIS Po-Efficient Gathering in SensorInformation System服务质量Quality of Service信息协商传感协议Sensor Protocol for Information viaNegotiationTCP 传输控制协议Transfer Control ProtocolTDMA 时分多址Time Division Multiple AccessTEEN 敏感阀值节能型传感网络协议Threshold sensitive Energy Efficient sensorNetwork protocol用户数据包协议User Datagram ProtocolWSN 无线传感器网络Wireless Sensor Network南京邮电大学学位论文原创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。

尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南京邮电大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。

与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。

CATALOGUE目录•无线传感器网络概述•无线传感器网络通信协议基础•典型的无线传感器网络通信协议•无线传感器网络通信协议的性能评价与优化•无线传感器网络通信协议的未来发展趋势无线传感器网络概述无线传感器网络定义•定义：无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）是由一组自主、分布式、无线连接的传感器节点组成的网络，用于监测和记录环境参数，并将数据传输到中心节点进行处理和分析。

传感器节点具有自主性，能够独立完成数据采集和传输任务，同时具备分布式处理能力，能够实现节点间的协同工作。

自主性和分布式采用无线通信技术，实现节点间的数据传输和通信，降低了网络布线的成本和复杂性。

无线连接传感器节点通常具有有限的计算、存储和能量资源，需要在资源受限的情况下实现高效的数据采集和传输。

资源受限无线传感器网络的特点用于监测环境参数，如温度、湿度、气压、光照等，广泛应用于农业、林业、气象等领域。

环境监测监测工业生产过程中的参数，如温度、压力、流量等，实现工业自动化控制和优化。

工业控制用于智能家居系统中的环境参数监测和设备控制，提高家居生活的舒适性和智能化程度。

智能家居监测人体生理参数，如体温、心率、血压等，实现远程医疗和健康管理。

医疗健康无线传感器网络的应用场景议基础通信协议是一种规定设备间如何进行数据交互的规则和标准。

定义在无线传感器网络中，通信协议确保了各个传感器节点能够准确、高效地交换信息，是实现协同工作和数据收集的基础。

重要性通信协议的定义与重要性用于媒体访问控制，决定无线信道的使用方式，如何分配通信资源等。

MAC协议路由协议数据融合协议确定数据在传感器节点间的传输路径，以保证数据的可靠传输和能量的高效利用。

用于减少数据冗余，提高信息的质量，同时降低能量消耗。

030201无线传感器网络通信协议的分类能量高效可扩展性可靠性安全性无线传感器网络通信协议的设计目标01020304由于传感器节点通常能量受限，因此协议需要优化能量消耗，延长网络寿命。

无线传感器网络的基本原理和工作方式无线传感器网络（Wireless Sensor Network，简称WSN）是一种由大量分布在空间中的无线传感器节点组成的网络系统。

这些无线传感器节点可以感知、采集和传输环境中的各种信息，如温度、湿度、压力、光线等，从而实现对环境的实时监测和数据采集。

本文将介绍无线传感器网络的基本原理和工作方式。

一、无线传感器网络的基本原理无线传感器网络的基本原理是将大量的无线传感器节点分布在感兴趣的区域内，通过无线通信技术进行连接和协作，实现对环境的感知和监测。

每个无线传感器节点都具有一定的计算、存储和通信能力，能够独立地感知环境并与其他节点进行通信。

无线传感器节点通常由传感器、处理器、存储器和无线通信模块组成。

传感器负责采集环境中的各种信息，如温度、湿度等。

处理器负责对采集到的数据进行处理和分析，存储器用于存储数据和程序。

无线通信模块负责与其他节点进行通信，传输数据和接收指令。

二、无线传感器网络的工作方式无线传感器网络的工作方式可以分为感知层、网络层和应用层三个层次。

1. 感知层：感知层是无线传感器网络的最底层，负责采集环境中的各种信息。

每个无线传感器节点通过传感器采集环境数据，并将数据传输到处理器进行处理和分析。

感知层的主要任务是实时采集环境数据，并对数据进行预处理，如滤波、压缩等。

2. 网络层：网络层是无线传感器网络的中间层，负责无线传感器节点之间的通信和数据传输。

每个无线传感器节点通过无线通信模块与其他节点进行通信，传输数据和接收指令。

网络层的主要任务是实现节点之间的无线通信和数据传输，保证数据的可靠传输和网络的稳定运行。

3. 应用层：应用层是无线传感器网络的最高层，负责对采集到的数据进行应用和处理。

通过应用层的处理，无线传感器网络可以实现各种应用，如环境监测、智能农业、智能交通等。

应用层的主要任务是对采集到的数据进行处理和分析，并根据应用需求进行相应的控制和决策。

无线传感器网络的工作方式可以通过协议栈来实现。

无线传感器网络中的数据传输和网络协议无线传感器网络是一种由许多相互连接的无线传感器节点组成的网络，它可以感知和收集环境中的各种数据，并传输到指定的目的地。

数据传输和网络协议是无线传感器网络正常运行的基础，本文将详细介绍无线传感器网络中的数据传输和网络协议，以及相应的步骤。

一、无线传感器网络中的数据传输无线传感器网络中的数据传输是指将传感器节点收集到的数据通过网络传输到指定的目的地。

数据传输的步骤如下：1. 数据采集：传感器节点根据预设的任务进行数据采集，可以是环境温度、湿度、压力等各种物理量。

2. 数据压缩：由于无线传感器网络的资源有限，需要对采集到的数据进行压缩，减小数据的大小。

3. 数据编码：将压缩后的数据进行编码，为了节省能量和网络带宽，通常采用低功耗的编码算法。

4. 数据传输：将编码后的数据通过无线信道传输到目标节点或基站。

数据传输可以采用单跳传输或多跳传输的方式。

5. 数据接收：目标节点或基站接收到传输的数据，通过解码和解压缩还原成原始数据。

二、无线传感器网络中的网络协议无线传感器网络中的网络协议用于管理和控制传感器节点之间的通信，确保数据传输的可靠性和稳定性。

常用的网络协议有以下几种：1. MAC协议：MAC协议用于控制传感器节点之间的介质访问，避免冲突和碰撞。

常用的MAC协议有CSMA/CA、TDMA和FDMA等。

2. 路由协议：路由协议用于确定数据传输的路径，将数据从源节点传输到目标节点。

常用的路由协议有LEACH、AODV、DSDV等。

3. 网络协议：网络协议用于实现节点之间的通信，包括寻址、拓扑管理和数据传输协议等。

常用的网络协议有IP、ICMP、UDP和TCP等。

4. 安全协议：安全协议用于保护无线传感器网络的数据和节点的安全。

常用的安全协议有AES、DES和RSA等。

5. 应用层协议：应用层协议用于实现特定的应用功能，例如数据的存储、查询和处理。

常用的应用层协议有HTTP、FTP、SNMP和CoAP等。

⽆线传感器⽹络第⼀章⽆线传感器⽹络概述1.⽆线传感器⽹络的基本概念⽆线传感器⽹络是由部署在监测区域内⼤量的成本很低、微型传感器节点组成，通过⽆线通信⽅式形成的⼀种多跳⾃组织⽹络系统，其⽬的是协作地感知、采集和处理覆盖范围内感知对象的信息，并发送给观察者或者⽤户。

2.典型的⽆线传感器⽹络结构包括哪⼏部分？传感节点、汇聚节点以及互联⽹或通信卫星和管理节点。

3.⽆线传感器⽹络的体系结构（协议栈）描述⽆线传感器⽹络的协议栈，并简述各层的功能。

⽆线传感器⽹络的协议栈包括物理层、数据链路层、⽹络层、传输层和应⽤层，与互联⽹协议的五层相对应。

另外还包括能量管理平台、移动管理平台和任务管理平台。

各层的功能：物理层：负责数据传输的介质规范，如规定了传感器⼯作频率、⼯作温度、数据调制、信道编码、定时、同步等标准。

研究⽬标是设计低成本、低功耗和⼩体积，简单但健壮的传感器节点。

数据链路层：负责数据成帧、帧检测、介质访问和差错控制。

⽹络层：主要实现数据融合，负责路由⽣成和路由选择；主要功能包括分组路由、路由互联、阻塞控制。

传输层：负责数据流的传输控制。

应⽤层：获取数据并进⾏初步处理，包括⼀系列⽤于检测任务的应⽤层软件。

4.⽆线传感器⽹络的基本特点传感器节点体积⼩，能量有限传感器节点计算和存储能⼒有限通信半径⼩，带宽低传感器节点数量⼤且具有⾃适应性⽆中⼼和⾃组织⽹络动态性强以数据为中⼼第⼆章物理层及信道介⼊技术1.频率分配：1W以下⽆线电波是⽬前WSN的主流传输⽅式。

对于⽆线传感器⽹络来说，频段的选择必须根据应⽤场合来选择。

因为频率的选择直接决定⽆线传感器⽹络节点的⽆线尺⼨、电感的集成度以及节点功耗。

ISM波段是⾸要的选择。

频率的选择是影响⽆线传感器⽹络性能、成本的重要参数。

基于竞争的MAC协议。

即节点在需要发送数据时采⽤某种机制随机地使⽤⽆线信道，基于固定分配的MAC协议。

即节点发送数据的时刻和持续时间是按照协议规定的标准来执⾏，这样以来就避免了冲突，基于按需分配的MAC协议。

无线传感器网络安全协议无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）是由大量的微型传感器节点组成的网络系统，这些节点可以进行无线通信和数据采集。

随着WSN在军事、环境监测、智能交通等领域的广泛应用，保护WSN的安全性成为迫切的问题。

为了确保WSN的数据传输和节点之间的通信过程安全可靠，各种安全协议被提出并广泛应用。

一、简介无线传感器网络安全协议是指通过密钥管理、数据加密、认证和防护等技术手段，保护无线传感器网络中的数据和通信过程不受未授权的访问、攻击或篡改，确保系统的可靠性和隐私性。

二、数据加密协议数据加密协议是保障无线传感器网络中数据传输安全性的重要手段。

其中最常用的是对称加密和非对称加密。

对称加密使用相同的密钥进行加解密，速度快但密钥管理较为复杂；非对称加密使用公钥和私钥进行加解密，安全性较高但速度较慢。

在保护WSN数据传输的过程中，可以根据具体的需求选择合适的加密算法和密钥长度。

三、身份认证协议身份认证协议是确保无线传感器网络中节点身份合法性的关键手段。

常见的身份认证协议包括基于密码学方法的挑战-应答认证、公钥基础设施（PKI）认证等。

挑战-应答认证是指系统向节点发送挑战，节点通过相应的计算返回认证结果，以验证其身份合法性。

PKI认证则是通过证书颁发机构（CA）颁发的数字证书验证节点的身份。

四、密钥管理协议密钥管理是保障无线传感器网络安全的重要环节。

在无线传感器网络中，大量节点需要高效地进行密钥的协商、分发和更新。

常见的密钥管理协议包括LEAP（Lightweight Efficient Authentication Protocol）、TEK（Temporal Key Integrity Protocol）等。

LEAP通过预先共享密钥的方式实现节点之间的身份认证和通信安全，其优点是简单高效；TEK则通过周期性更换密钥来保持通信的安全性。

五、防护协议防护协议是指保护无线传感器网络节点免受攻击的手段。

ZigBee协议解析低功耗无线传感器网络的协议ZigBee协议是一种专门为低功耗无线传感器网络设计的协议。

它提供了一种可靠且高效的通信方式，适用于各种物联网应用。

本文将对ZigBee协议进行详细解析，并探讨其在低功耗无线传感器网络中的应用。

一、ZigBee协议的概述ZigBee协议是一种基于IEEE 802.15.4标准的无线通信协议，主要面向低功耗无线传感器网络。

它采用短距离无线传输技术，支持低速、低功耗的设备间通信。

ZigBee协议提供了一个自组织的网络结构，可以连接数百个设备，形成一个完整的传感器网络。

ZigBee协议具有以下特点：1. 低功耗：ZigBee设备的电池寿命长，通信过程中的能量消耗极低，适用于长期运行的无线传感器网络；2. 低速率：ZigBee协议的数据传输速率较低，适合传输小量的数据，如温度、湿度等传感器数据；3. 自组织：ZigBee网络能够自动进行网络拓扑结构的组织和调整，无需人工干预；4. 网络容量大：一个ZigBee网络可以支持数百个设备，覆盖范围广，适用于大规模传感器部署；5. 低成本：由于ZigBee设备的成本较低，使得它在物联网领域得到广泛应用。

二、ZigBee协议栈ZigBee协议栈是ZigBee协议的软件实现，由不同层次的协议组成。

ZigBee协议栈分为物理层、数据链路层、网络层和应用层。

1. 物理层：物理层是ZigBee协议栈的最底层，负责实现无线通信的物理传输。

它定义了无线信道的参数设置、频率选择以及信号调制等功能。

2. 数据链路层：数据链路层负责数据的传输和错误检测等功能。

它将数据分成小的数据帧，并通过可靠的无线信道传输。

3. 网络层：网络层负责发送和路由数据。

它使用一种分层的网络拓扑结构，将网络划分为不同的区域，通过路由表选择最佳路径进行数据传输。

4. 应用层：应用层是ZigBee协议栈的最高层，负责定义应用数据的格式和传输方式。

它可以根据不同的应用需求，定义相应的数据协议。

无线传感器网络的协议与优化技术无线传感器网络是一种由许多分布在广域范围内的小型传感器节点组成的网络系统。

这些节点能够通过无线通信进行数据传输，从而实现对环境中各种参数的监测与感知。

在无线传感器网络的建设和应用过程中，协议和优化技术的选择与设计起着至关重要的作用。

本文将重点介绍无线传感器网络中常用的协议和优化技术，以及它们对网络性能和能耗的影响。

一、传感器网络的协议类型1. MAC协议（媒体访问控制协议）在无线传感器网络中，MAC协议起到决定节点之间如何共享无线信道的作用。

常见的MAC协议有以下几种：- CSMA/CA（载波监听多点协调/碰撞避免）是一种常用的MAC协议，通过在发送数据前进行信道监听，可以避免节点之间的碰撞，提高数据传输效率。

- TDMA（时分多路复用）协议将时间分割为多个时隙，每个节点在指定的时隙内进行数据传输，从而避免了碰撞问题，但是限制了网络的灵活性。

- FDMA（频分多路复用）协议将频谱分割为多个频段，每个节点在独占的频段内进行传输，提高了网络的并发性，但对频谱资源的利用不够高效。

2. 路由协议路由协议用于确定数据在传感器网络中的传输路径。

常见的路由协议有以下几种：- LEACH（低能耗自适应簇头）协议是一种典型的分簇式路由协议，将网络节点划分为多个簇，每个簇中选举一个簇头节点来进行数据的汇聚和转发，有效降低能耗。

- AODV（自适应按需跳跃）协议是一种基于跳跃的路由协议，通过维护路由表，动态选择最优的跳跃节点，实现数据的高效传输。

- DSR（动态源路由）协议是一种基于源节点的路由协议，数据包携带完整的源节点到目的节点之间的路径信息，每个中间节点仅需进行简单的转发操作，减少了路由表的维护开销。

二、优化技术在传感器网络中的应用1. 能量管理与优化由于传感器网络中的节点通常由电池供电，能耗问题一直是制约网络寿命和可靠性的关键因素。

为了延长网络的寿命，需要采用一系列的能量管理与优化技术，如：- 路由优化：选择较短的路由路径，减少能耗，延长节点寿命。