无线传感器网络设计

摘 要

I 摘 要

无线传感器网络是集成了传感器技术、微电子技术、无线通信技术而形成的全新的信息获取和处理技术，能够协作地实时感知、采集和处理网络覆盖区域内被监测对象的信息。无线传感器网络在军事、医疗、工业、环境监测等方面都有着巨大的应用价值，已成为计算机科学领域的一个活跃的研究分支。目前虽然已经取得了一定的研究成果，但是在一些关键技术上，仍然存在着许多问题需要解决。本文针对如何在无线传感器网络中应用数据融合技术节省网络能量进行研究。

本文介绍了应用在无线传感器网络中的数据融合技术的概念、特点和研究现状。并由浅入深的讨论了，在基于事件驱动的网络环境下，应用数据融合技术的方法。

针对由单一事件驱动的网络环境，本文提出了一种求图中心点的分布式算法，并以此为基础，提出了基于事件驱动的中心点融合算法。详细介绍了寻找中心点和建立融合树的过程，分析了网络密度和事件相对汇聚节点位置对节能效果的影响。与最短路路由算法进行比较，从数学推导和程序仿真两方面验证中心点融合算法的有效性。

针对多个互斥事件同时驱动的情况，本文引入群组意识网络结构的概念，改进中心点融合算法中建立融合树部分的算法。并利用弱势父节点和强势父节点的概念为子节点选择更“优”的父亲节点，达到节省网络能量的目的。

关键词：无线传感器网络；数据融合；事件驱动

Abstract

II Abstract

The wireless sensor network, which is integration of sensor techniques, MEMS

techniques and wireless communication techniques, is an innovative technique of information

acquisition and processing. It can sense, collect and process information of monitored object

科技信息０　１Ｔ　ｉ￣１￣ｏ　ＳＣＩＥＮＣＥ＆ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ　ＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮ　２００９年第３１期　

ＺｉｇＢｅｅ无线传感器网络的设计与实现　

钟艮林　（安徽理工大学计算机学院安徽淮南２３２００１）　

【摘　要】本文研究了无线传感器网络以及ＺｉｇＢｅｅ技术，开发了　ｇＢｅｅ无线节点硬件系统，采用了３２位ＡＲＭ７　ＣＰＵ、ＣＣ２４２０　ＺｉｓＢｅｅ模块　构成。具有接ｉ３＇简单、功耗低、稳定性好等特点。　【关键词】ＺｉｇＢｅｅ；无线传感器网络；ＣＣ２４２０；ＡＲＭ７　Ｉｍ＃ｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｗｉｒｅｌｅｓｓ　Ｓｅｎｓｏｒ　Ｎｅｔｗｏｒｋ　ｆｏｒ　ＺｉｇＢｅｅ　ＺＨｏＮＧ　Ｇｅｎ－ｌｉｎ　（Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ　ｏｆ　Ｃｏｍｐｕ￣ｒ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ａｎｈｕｉ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｙ，Ｈｕａｉｎａｎ　Ａｎｈｕｉ，２３２００１，Ｃｈｉｎａ）　【Ａｂｓｔｒａｃｔ］Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｄｉｓｃｕｓｓｅｓ　ｔｈｅ　ｗｉｒｅｌｅｓｓ　ｓｅｎｓｏｒ　ｎｅｔｗｏｒｋ　ａｎｄ　ＺｉｇＢｅｅ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｔｈｅ　ｈａｒｄｗａｒｅ　ｏｆ　ＺｉｇＢｅｅ　ｎｏｄｅ　ｗｈｉｃｈ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ　ｗｉｔｈ　３２　ｂｉｔ　ＡＲＭ７　ＣＰＵ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ＣＣ２４２０　ｆｏｒ　ＺｉｇＢｅｅ　ｈａｓ　ａｄｖａｎｔａｇｅｓ　ｏｆ　ｓｉｍｐｌｅ　ｉｎｔｅｒｆａｃｅ，ｌｏｗ　ｐｏｗｅｒ　ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｇｏｏｄ　ｓｔａｂｉｌｉｔｙ．　【Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ】ＺｉｇＢｅｅ；Ｗｉｒｅｌｅｓｓ　ｓｅｎｓｏｒ　ｎｅｔｗｏｒｋ；ＣＣ２４２０；ＡＲＭ７　

无线传感器网络（ｗｉｒｅｌｅｓｓ　ｓｅｎｓｏｒ　ｎｅｔｗｏｒｋ，ＷＳＮ）是近几年来国内外　研究的热点．ＷＳＮ引起了世界上许多国家军界、学术界和工业界的高　度重视，其应用前景十分广阔。无线传感器网络是指由大量无处不在　的，具有通信与计算能力的微小传感器节点密集分布在监控区域内而　构成的根据环境自主完成指定任务的自治测控网络系统［１１２］。目前，在　无线传感器网络中，短距离、低成本、低功耗的ｚｉｇＢｅｅ技术是无线通　信应用的首选技术之一。　１．ＺｉｆｌＢｅｅ技术　ｚｉｇＢｅｅ是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的　双向无线通信技术，主要用于自动控制和远程控制领域。其可工作在　２．１４ＧＨｚ、８６８ＭＨｚ和９１５ＭＨｚ三个频段上，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．　但可以继续增加。作为一种无线通信技术，ＺｉｇＢｅｅ具有如下特点日：　（１）低功耗：由于ＺｉｇＢｅｅ的传输速率低，发射功率仅为１ｍＷ，而且　采用了休眠模式，功耗低，因此ＺｉｇＢｅｅ设备非常省电。ＺｆｇＢｅｅ设备仅　靠两节５号电池就可以维持长达６个月到２年左右的使用时间．这是　其他无线设备望尘莫及的。　（２）成本低：ＺｉｇＢｅｅ模块的初始成本在６美元左右，估计很快就能　教导１．５—２．５美元。并且ｚｉｇＢｅｅ协议是免专利费的。低成本对于　ｚｉｇＢｅｅ也是一个关键因素。　（３）时延短：通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短。典型的　搜索设备时延为３０ｍｓ、休眠激活的时延是１５ｍｓ，活动设备信道接人的　时延为１５ｍｓ。因此ｚｉ邸ｅｅ技术设用于对时延要求苛刻的无线控制应　用。　（４）网络容量大：一个星型结构的ＺｉｇＢｅｅ网络最多可以容纳２５４　个从设备和一个主设备，一个区域内可以同时存在最多１００个ＺｉｇＢｅｅ　网络，而且网络组成灵活。　（５）可靠：采取了碰撞避免策略，同时为需要固定带宽的通信业务　预留了专用时隙，避开可发送数据的竞争和冲突。ＭＡＣ层采用了完全　确认的数据传输模式，每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信　息。如果传输过程中出现问题可以进行重发。　（６）安全：ｚｉｇＢｅｅ提供了基于循环冗余校验的数据包完整性检查　功能，支持鉴权和认证，采用了ＡＥＳ一１２８的加密算法，各个应用可灵　活确定其安全属性。　２．ＺｉｇＢｅｅ设备与网络　ｚｉｇＢｅｅ定义了两种物理设备类型：全功能设备ＦＦＤ（Ｆｕｌｌ　Ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ　Ｄｅｖｉｃｅ）和精简功能设备ＲＦＤ（Ｒｅｄｕｃｅｄ　Ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ　Ｄｅｖｌｅｅ）．其中ＦＦＤ实　现了全部功能，而ＲＦＤ只是实现了部分功能。ＦＦＤ设备之间以及ＦＦＤ　和ＲＦＤ之间可以相互通信；但ＲＦＤ只能和ＦＦＤ设备通信，而不能与　其它ＲＦＤ设备通信　。ＺｉｇＢｅｅ规范根据设备所处的角色定义了三种逻　辑设备类ｆｆ￣：ＺｉｇＢｅｅ协调器（ＺｉｇＢｅｅ　Ｃｏｏｒｄｉｎａｔｏｒ），ＺｉｇＢｅｅ路由器ｆｚｉｇＢｅｅ　Ｒｏｕｔｅｒ）和ＺｉｇＢｅｅ终端￣（ＺｉｇＢｅｅ　Ｅｎｄ　Ｄｅｖｉｃｅ）。通常协调器和路由器节　点一般由ＦＦＤ功能设备构成，终端设备由ＲＦＤ设备组成ｌ引。ＺｉｇＢｅｅ　协调器负责建立和维护网络，在每个网络中有且只有一个；ＺｉｇＢｅｅ路　由器是中继节点，可以选路并转发数据；ＺｉｇＢｅ。终端设备功能比较单　一，往往只是发送和接收简单信息。　ＺｉｇＢｅｅ网络根据应用的需要可以组织成星型网络，也可以组织成　点对点网络．如图１所示。在星型网络中，所有设备都与中心设备ＰＡＮ　网络协调器通信。在这种网络中，网络协调器一般使用持续电力系统　供电，而其他设备采用电池供电。与星型网络不同，点对点网络只要彼　此都在对方的无线辐射范围之内，任何两个设备之间都可以直接通　信。点对点网络也需要网络协调器，负责实现管理链路状态信息，认证　设备身份等功能。　

ｏＵＴＬｏｏＫ　

无线传感器网络节点的开发设计　

图１　无线传　引言　

在无线传感器网络系统中，每个传感器节　

点都具有无线通信功能，各个检测点的传感器　

单元，均可对此处的参数进行测量，从而组成　

一个无线网络，并将测量数据通过该网络以无　

线方式传送到监控中心。无线传感器网络系统　

与传统的有线传感器网络相比，具有耗资小、　

安装方便、维护和更新费用低等优势，非常适　

合用于对布线困难的区域、人员不能到达的区　

域和一些对临时场合的状况进行远程监测，如　

大型建筑的健康状态监测、空间探索、灾害预　

测、获取敌方战场信息等，因此成为国际上的　

前沿热点研究领域。　

针对环境及结构状态监测设计的一种无线　

传感器网络的具体结构如图１所示。该网络由若　

干传感器节点、一个无线接收功能的网络控制　节点及一台计算机构成。无线传感器节点分布　

于需要监测的区域内，执行数据采集、处理和　

无线通信等工作，网络控制节点接收各传感器　

的数据并以有线的方式将数据传送给计算机。　

图２无线传感器　节点结构　传感器节点的硬件设计　

◇总体结构　

传感器节点是网络的基本单元，一般由下　

列部件组成：微功耗微处理器、微功耗短距离　

射频收发器、采集部分（各种传感器）组成。节　

点结构示意图如图２所示。　

射频收发器　——韵瓣赣　（ＲＦ、Ｖ１０２）　Ｉ　—　娠摊　嘴　按　褥睽　——一温度传感器　

４６　电子元器件盔硐　２００６．７　ＷＷＷ．ＣｈｉｎａＥＣＤ．ｎｅｔ　◇微处理器　

微处理器采用ＴＩ公司的ＭＳＰ４３０　Ｆ１４９单片　

机。ＴＩ公司的ＭＳＰ４３０系列单片机是一种超低　

功耗的混合信号控制器，能够在低电压下以超　

低功耗状态工作；其控制器具有强大的处理能　

力和丰富的片内外设；带ＦＬＡＳＨ存储器的单片　

机还可以方便高效地进行在线仿真和编程。　

ＭＳＰ４３０家族分为ＭＳＰ４３０ｘ１ＸＸ、ＭＳＰ４３０Ｘ３ＸＸ、　

ＭＳＰ４３０Ｘ４ＸＸ三个系列。其中ＭＳＰ４３０Ｆ１４９是　

ＭＳＰ４３０Ｘ１ＸＸ系列中的功能最强的单片机。它　

无线传感器网络中的网络拓扑结构

无线传感器网络是由大量的无线传感器节点组成的，这些节点可以相互通信并协同工作，以收集、处理和传输环境中的信息。在无线传感器网络中，网络拓扑结构的设计和选择对于网络的性能和可靠性起着至关重要的作用。

一、星型拓扑结构

星型拓扑结构是最简单和最常见的网络拓扑结构之一。在星型拓扑结构中，所有的传感器节点都直接连接到一个中心节点。中心节点负责收集和处理来自其他节点的数据，并将结果传输到其他节点。星型拓扑结构具有简单、易于实现和维护的优点，但也存在单点故障的风险，如果中心节点发生故障，整个网络将无法正常运行。

二、树型拓扑结构

树型拓扑结构是一种层次结构，其中一个节点作为根节点，其他节点按照层次结构连接到根节点。树型拓扑结构具有良好的可扩展性和灵活性，可以根据实际需求进行扩展和调整。此外，树型拓扑结构还具有较好的容错性，即使某些节点发生故障，网络的其他部分仍然可以正常工作。然而，树型拓扑结构也存在一些缺点，如较长的传输延迟和较高的能耗。

三、网状拓扑结构

网状拓扑结构是一种多对多的连接方式，其中每个节点都与其他节点直接相连。网状拓扑结构具有高度的灵活性和可靠性，即使某些节点发生故障，网络仍然可以通过其他路径进行通信。此外，网状拓扑结构还具有较低的传输延迟和较好的能耗控制。然而，网状拓扑结构也存在一些问题，如较高的成本和复杂性。由于每个节点都需要与其他节点直接通信，所以节点之间的通信距离较短，这限制了网络的覆盖范围。 四、混合拓扑结构

混合拓扑结构是将多种拓扑结构组合在一起形成的。通过灵活地组合不同的拓扑结构，可以充分发挥每种拓扑结构的优点，并弥补其缺点。例如，可以将星型结构用于数据收集和处理，而将树型或网状结构用于数据传输。混合拓扑结构可以根据实际需求进行灵活调整，以实现更好的性能和可靠性。

总结：

无线传感器网络中的网络拓扑结构选择应根据具体应用需求和网络性能要求来确定。不同的拓扑结构具有不同的特点和适用场景，需要综合考虑各种因素进行选择。在实际应用中，可以根据网络规模、通信距离、能耗要求等因素来选择合适的网络拓扑结构，以提高网络的性能和可靠性。同时，还可以通过混合不同的拓扑结构来充分发挥各种结构的优点，以满足不同的应用需求。无线传感器网络的发展和应用将进一步推动网络拓扑结构的研究和创新，为实现智能化、自动化的环境监测和控制提供更好的支持。