短距离无线通信实验报告无线传感器网络实验.docx
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短距离无线通信实验报告无线传感器网络实验
无线传感器网络
随着计算机技术、网络技术与无线通信技术的迅速发展，人们开始将无线网络技术与传感器技术相结合，无线传感器网络（WSN，wirelesssensornetwork）应运而生。
它由部署在监测区域内大量的微型传感器节点组成，通过无线的方式形成的一个多跳的自组织网络，不仅可以接入Internet，还可适用于有线接入方式所不能胜任的场合，提供优质的数据传输服务。
微机电系统（MEMS，Micro-Electro-MechanicalSystems）、超大规模集成电路技术（VLSI，Very-Large-Scale-Integrationsystems）和无线通信技术的飞速发展，使得它的应用空间日趋广阔，遍及军事、民用、科研等领域；但由于网络结点自身固有的通信能力、能量、计算速度及存储容量等方面的限制，对无线传感器网络的研究具有很大的挑战性和宽广的空间。
本实验系统采用IEEE802.15.4和Zigbee协议实现了多个传感器节点之间的无线通信，通过对本实验提供的软件操作以及对路由的观察，能够使学生对无线传感器网络的组网过程、路由协议有一个较为深入的理解。
1目的要求
（1）理解并掌握无线传感器网络的工作原理及组网过程。
（2）理解无线传感器网络的路由算法。
2基本原理
2.1概述
微电子技术、计算技术和无线通信技术的进步推动了低功耗多功能传感器的快速发展，使其在微小的体积内能够集成信息采集、数据处理和无线通信等功能。
部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点通过无线通信的方式形成一个多跳的自组织网络，即无线传感器网络，这些节点可以协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息，并发送给观察者。
传感器、感知对象和观察者构成了传感器网络的三个要素。
2.2无线传感器网络结构
无线传感器网络是一种特殊的Ad-hoc网络，它是由许多无线传感器节点协同组织起来的。
这些节点具有协同合作、信息采集、数据处理、无线通信等功能，可以随机或者特定地布置在监测区域内部或附近，它们之间通过特定的协议自组织起来，能够获取周围环境的信息并且相互协同工作完成特定任务。
无线传感器网络典型的体系结构如图1所示，包括分布式传感器节点、网关、互联网和监控中心等。
在传感器网络中，各个节点的功能都是相同的，它们既是信息包的发起者，也是信息包的转发者。
大量传感器节点被布置在整个监测区域中，每个节点将自己所探测到的有用信息通过初步的数据处理和信息融合之后传送给用户，数据传送的过程是通过相邻节点的接力传送方式传送给网关，然后再通过互联网、卫星信道或者移动通信网络传送给最终用户。
用户也可以对网络进行配置和管理，发布监测任务以及收集监测数据等。
图1无线传感器网络体系结构
2.3传感器节点结构
传感器节点通常是一个微型的嵌入式系统。
从网络功能上看，每个传感器节点既具有传统网络节点的终端功能，又兼具路由器的功能。
除了要进行本地信息收集和数据处理外，还要对其他节点转发来的数据进行存储、管理和融合等处理。
一个传感器节点通常由传感器模块、处理器模块、无线通信模块和能量供应模块四部分组成，如图2所示。
传感模块负责采集监测区域内的有用信息并进行数据转换；处理器模块负责控制整个传感器节点的运行，存储和处理本身采集的数据以及其他节点发来的数据；无线通信模块负责与其他传感器节点进行无线通信，交换控制信息和收发采集到的数据；能量供应模块为传感器节点提供运行所需的能量，通常采用微型电池。
传感器节点为低功耗设备，为了最大限度地节约电源，在硬件设计方面，要尽量采用低功耗器件，处理器通常选用嵌入式CPU，射频单元主要由低功耗、短距离的无线通信模块组成,在没有通信任务的时候，要切断射频部分电源；而且在软件设计方面，各层通信协议都应该以节能为中心，必要时可以牺牲一些网络性能指标，以获得更高的电源效率。
图2传感器节点的体系结构
2.4无线传感器网络协议栈
无线传感器网络通信协议主要包括物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层，与互联网协议栈的五层协议相对应。
在低层采用IEEE802.15.4工作组所定义的MAC层和物理层协议，而在MAC层以上的协议则是由Zigbee联盟制定。
完整的Zigbee协议栈模型如图3所示。
另外，协议栈还包括能量管理平台、移动管理平台和任务管理平台。
这些管理平台使得传感器节点能够按照能源高效的方式协同工作，在节点移动的传感器网络中转发数据，并支持多任务和资源共享。
图3Zigbee协议栈
2.4.1物理层
物理层负责载波频率产生、信号的调制解调等工作。
IEEE802.15.4定义了2.4GHz物理层和868/915MHz物理层两个物理层标准，两个物理层都基于DSSS（DirectSequenceSpreadSpectrum,直接序列扩频），使用相同的物理层数据包格式，区别在于工作频率、调制技术、扩频码片长度和传输速率的不同。
2.4GHz频段有16个信道，能够提供250kbps的传输速率，物理层采用的是O-QPSK调制；868MHz是欧洲的ISM频段，只用一个信道，传输速率为20kbps，物理层采用BPSK调制；915MHz是美国的ISM频段，有10个信道，传输速率为40kbps，物理层采用的也是BPSK调制方式。
2.4.2数据链路层
数据链路层负责数据成帧、帧检测、媒体访问和差错控制。
媒体访问协议保证可靠的点对点和点对多点通信，差错控制则保证源节点发出的信息可以完整、无误地到达目标节点。
就实现机制而言，介质访问控制（MAC）协议可分为3类：
确定性分配、竞争占用和随机访问。
前两者不是传感器网络的理想选择。
因为TDMA固定时隙的发送模式功耗过大，为了节省功耗，空闲状态应关闭发射机，竞争占用方案需要实时监测信道状态，也不是一种合理的选择，随机介质访问模式比较适合于无线传感网络的节能要求。
IEEE802.15.4定义的MAC层采用了CSMA-CA（载波监听多信道接入/避免冲突）协议的信道共享多点接入技术；为了保证传输的可靠行，还采用了完整的握手协议。
在无线传感器网络中，两个主要的错误控制模式是前向错误修正（FEC）和自动重复请求（ARQ）两种。
2.4.3网络层
网络层主要负责路由生成与路由选择。
网络层协议是无线传感器网络的重要因素，在无线传感器网络中，大多数节点是无法直接与网关进行通信的，需要通过中间节点进行多跳路由才能将采集到的数据发送给网关。
针对无线传感器网络中数据传送的特点和难题，人们提出许多新的路由协议。
这些路由协议可以大致分为四类：
洪泛式路由协议、层次式路由协议、以数据为中心的路由协议、以及基于位置信息的路由协议。
1．洪泛式路由协议：
这种协议是一种古老的协议。
它不需要维护网络的拓扑结构和路由计算，接收到消息的节点以广播形式转发数据包给所有的邻节点。
对于自组织的传感器网络，洪泛式路由是一种较直接的实现方法，但容易带来消息的“内爆”（implosion）和“重叠”（overlap），而且它没有考虑能源方面的限制，具有“资源盲点”（resourceblindness）的缺点。
典型算法为扩散法（Flooding）。
2．层次式路由协议：
它的基本思想是将传感节点分簇，簇内通讯由簇头节点来完成，簇头节点进行数据聚集和合成减少传输信息量，最后簇头节点把聚集的数据传送给终端节点。
这种方式能满足传感器网络的可扩展性，有效的维持传感节点的能量消耗，从而延长网络生命周期。
典型算法为低功耗自适应聚类路由算法（LEACH）。
LEACH（lowenergyadaptiveclusteringhierarchy）LEACH是MIT的Chandrakasan等人为无线传感器网络设计的低功耗自适应聚类路由算法。
与一般的平面多跳路由协议和静态聚类算法相比，LEACH可以将网络生命周期延长15%，主要通过随机选择聚类首领，平均分担中继通信业务来实现。
LEACH定义了“轮”（round）的概念，一轮由初始化和稳定工作两个阶段组成。
为了避免额外的处理开销，稳定态一般持续相对较长的时间。
在初始化阶段，聚类首领是通过下面的机制产生的。
传感器节点生成0,1之间的随机数,如果大于阈值T，则选该节点为聚类首领。
T的计算方法如下：
其中p为节点中成为聚类首领的百分数，r是当前的轮数。
一旦聚类首领被选定，它们便主动向所有节点广播这一消息。
依据接收信号的强度，节点选择它所要加入的组，并告知相应的聚类首领。
基于时分复用的方式，聚类首领为其中的每个成员分配通信时隙。
在稳定工作阶段，节点持续采集监测数据，传与聚类首领，进行必要的融合处理之后，发送到sink节点，这是一种减小通信业务量的合理工作模式。
持续一段时间以后，整个网络进入下一轮工作周期，重新选择聚类首领。
3．以数据为中心的路由协议：
它提出对传感器网络中的数据用特定的描述方式命名，数据传送基于数据查询并依赖数据命名，所有的数据通信都限制局部范围内。
这种方式的通信不再依赖特定的节点，而是依赖于网络中的数据，从而减少了网络中大量传送的重复冗余数据，降低了不必要的开销，从而延长网络生命周期。
典型算法为向扩散（DirectedDiffusion）。
定向扩散模型是Estrin等人专门为传感器网络设计的路由策略，与已有的路由算法有着截然不同的实现机制。
节点用一组属性值来命名它所生成的数据，比如将地震波传感器生成的数据命名为Type=seismic，id=12，timestamp=02.01.22/21:
10:
23，location=75−80S/100−120E。
Sink节点发出的查询业务也用属性的组合表示，逐级扩散，最终遍历全网，找到所有匹配的原始数据。
有一个称为“梯度”的变量与整个业务请求的扩散过程相联系，反映了网络中间节点对匹配请求条件的数据源的近似判断。
更直接的方法是节点用一组标量值表示它的选择，值越大意味着向该方向继续搜索获得匹配数据的可能性越大，这样的处理最终将会在整个网络中为sink节点的请求建立一个临时的“梯度”场，匹配数据可以沿“梯度”最大的方向中继回sink节点。
图4描述了定向扩散模型的工作原理。
图4定向扩散路由原理
4．基于位置信息的路由协议：
它利用节点的位置信息，把查询或者数据转发给需要的地域，从而缩减数据的传送范围。
实际上许多传感器网络的路由协议都假设节点的位置信息为已知，所以可以方便的利用节点的位置信息将节点分为不同的域（region）。
基于域进行数据传送能缩减传送范围缓和中间节点，从而延长网络生命周期。
典型算法为GEAR算法。
GEAR是充分考虑了能源有效性的基于位置的路由协议，它比其他的基于位置的路由协议能更好的应用于无线传感器网络之中。
既然传感器网络中的数据经常包含了位置属性信息，那么可以利用这一信息，把在整个网络中扩散的信息传送到适当的位置区域中。
同样GEAR也采用了查询驱动数据传送模式。
它传送数据分组到目标域中所有的节点的过程包括两个阶段：
目标域数据传送和域内数据传送。
在目标域数据传送阶段，当节点接收到数据分组，它将邻接点同目标域的距离和它自己与目标域的距离相比较，若存在更小距离，则选择最小距离的邻接点作为下一跳节点；若不存在更小距离，则认为存在“hole”，节点将根据邻居的最小花销来选择下一跳节点。
在域内数据传送阶段，可通过两种方式让数据在域内扩散：
在域内直接洪泛和递归的目标域数据传送直到目标域剩下唯一的节点。
GEAR将网络中扩散的信息局限到适当的位置区域中，减少了中间节点的数量，从而降低了路由建立和数据传送的能源开销，从而更有效的提高了网络的生命周期。
缺点是依赖节点的GPS定位信息，成本较高。
在本实验中我们采用的是AODV路由算法（Adhocondemanddistancevector,Adhoc按需距离矢量协议）。
它并不是传感器网络的最佳路由算法。
但是通过它，我们可以了解到传感器网络的一些路由特点。
AODV是一个按需的路由协议，它只根据源节点的需要才建立节点之间的路由。
在源节点使用这条路由进行网络通信时，路由程序会一直维护这些路由。
AODV使用序列号来保证路由的时效性。
它通过一个路由请求/路由回应的查询过程来建立路由。
当一个源节点想要与目标节点通信，但又不具备到目标节点的有效路由时，它广播一个路由请求报文（RREQ）。
在RREQ报文中包含了源节点的IP地址、源节点当前的序列号和一个广播ID，同时还包含了源节点所知道的到目的节点的最新路由的序列号。
其它节点收到这个报文时，就在路由表中建立到源节点的反向路由，并重新广播RREQ报文。
当目标节点收到RREQ报文时，它会单播一个路由回答报文（RREP）给源节点。
如果某一个中间节点具有一条到目的节点的较新路由（意味着这条路由的序列号比RREQ中的目的节点的序列号要大），它也可以直接给源节点发送RREP报文，而不在广播RREQ报文。
当然，如果一个节点收到了重复的RREQ（即具有相同广播ID的RREQ），它将忽略这个报文，而不将其继续广播。
在RREP从目的节点向源节点传播的过程中，沿途的节点都在各自的路由表中设定了到目的节点的正向路由。
当源节点收到RREP报文之后，就可以开始向目的节点发送数据包。
如果源节点在之后又再次收到RREP，并且RREP中的目标节点序列号比它当前所用的路由的序列号更大时，它会更新自己的路由表，并开始使用新路由。
当源节点频繁给目的节点发送数据包时，其所用的路由会一直保持活跃状态，并被沿途的所用中间节点所维护。
也就是说在AODV协议中，路由中的每个节点都维护路由表，因而数据报文头部不再需要携带完整的路由信息，从而提高了协议的效率。
一旦源节点停止发包，则这条路由会超时，并被中间节点从各自的路由表中删除。
如果一条活跃路由的中间某一段链路发生了破裂（可能时由于节点移动，或外界干扰），则这条路由会产生错误。
在链路破裂处的上游节点会给源节点发送路由错误（RERR）报文。
源节点收到RERR后，如果它还需要继续与目的节点通信，就必须重新建立路由。
2.4.4传输层
传输层负责数据流的传输控制，将传感器网络的数据提供给外部网络，是保证通信服务质量的重要部分。
2.4.5应用层
应用层包括一系列基于监测任务的应用层软件。
2.4.6管理平台
（1）能量管理平台管理传感器节点如何使用能源，在各个协议层都需要考虑节省能量。
主要包括动态功率管理和动态电压调度两部分：
动态功率管理（dynamicpowermanagement，简称DPM）在多数传感器网络的应用中，监测事件具有很强的偶发性，节点上所有的工作单元没有必要时刻保持在正常的工作状态。
处于沉寂状态，甚至完全关闭，必要时加以唤醒是一种有效的系统节能方案。
传感器网络节点的主要功耗器件有处理器、内存、带A/D的传感器和无线收发单元。
Sinhua等人根据它们的状态组合的有效性，将整个节点分为5种工作状态，在嵌入式操作系统的支持下进行切换，既满足了功能的需要，又节省了功耗。
动态电压调度（dynamicvoltagescheduling，简称DVS）主要原理是基于负载状态动态调节供电电压来减小系统功耗。
（2）移动管理平台监测并注册传感器节点的移动，维护到汇聚节点的路由，使得传感器节点能够动态跟踪其邻居的位置。
（3）任务管理平台在一个给定的区域内平衡和调度监测任务。
2.5无线传感器网络特点
无线传感器网络与传统的无线网络（移动通信网、无线局域网、蓝牙网络、Adhoc网络等）相比有一些独有的特点，正是由于这些特点使得传感器网络存在很多新问题，提出了很多新的挑战。
无线传感器网络的主要特点有：
1．节点数量众多，分布密集。
为了对一个区域进行监测，往往有成千上万个传感器节点空投到该区域。
传感器节点分布非常密集，利用节点之间高度连接性来保证系统的容错
性和抗毁性。
2．硬件资源有限。
节点由于受价格、体积和功耗的限制，其计算能力、内存空间比普通的计算机功能要弱很多。
这一点也决定了在节点操作系统设计中，协议层次不能太复杂。
3．电源容量有限。
网络节点一般由电池供电，其特殊的应用领域决定了在使用过程中，不能给电池充电或更换电池，一旦电池能量用完，这个节点也就失去了作用（死亡）。
因此在传感器网络设计过程中，任何技术和协议的使用都要以节能为前提。
4．自组织网络。
无线传感器网络的布设和展开无需依赖于任何预设的网络设施，节点通过分层协议和分布式算法协调各自的行为，节点开机后就可以快速、自动地组成一个独立的网络。
4．无中心的网络。
无线传感器网络中没有严格的控制中心，所有结点地位平等，是一个对等式网络。
结点可以随时加入或离开网络，任何结点的故障不会影响整个网络的运行，具有很强的抗毁性。
5．多跳路由。
网络中节点通信距离有限，一般在几百米范围内，节点只能与它的邻居
直接通信。
如果希望与其射频覆盖范围之外的节点进行通信，则需要通过中间节点进行路由。
固定网络的多跳路由使用网关和路由器来实现，而在无线传感器网络中没有专门的路由备，它的多跳路由可以由任一传感器节点来完成。
每个传感器节点既是信息的发起者，也是信息的转发者。
6．动态拓扑。
无线传感器网络是一个动态的网络，节点可以随处移动；一个节点可能
会因为电池能量耗尽或其他故障，退出网络；一个节点也可能由于工作的需要而被添加到网络中。
这些都会使网络的拓扑结构随时发生变化，因此网络应该具有动态拓扑组织功能。
2.6无线传感器网络的应用
MEMS支持下的微小传感器技术和节点间的无线通信能力为传感器网络赋予了广阔的应用前景，主要表现在军事、环境、健康、家庭和其他商业领域。
在空间探索和灾难拯救等特殊的领域，传感器网络也有其得天独厚的技术优势。
1．军事应用：
在军事领域，传感器网络将会成为C4ISRT（command，control，communication，computing，intelligence，surveillance，reconnaissanceandtargeting）系统不可或缺的一部分。
C4ISRT系统的目标是利用先进的高科技技术，为未来的现代化战争设计一个集命令、控制、通信、计算、智能、监视、侦察和定位于一体的战场指挥系统，受到了军事发达国家的普遍重视。
因为传感器网络是由密集型、低成本、随机分布的节点组成的，自组织性和容错能力使其不会因为某些节点在恶意攻击中的损坏而导致整个系统的崩溃，这一点是传统的传感器技术所无法比拟的，也正是这一点，使传感器网络非常适合应用于恶劣的战场环境中，包括监控我军兵力、装备和物资，监视冲突区，侦察敌方地形和布防，定位攻击目标，评估损失，侦察和探测核、生物和化学攻击。
在战场，指挥员往往需要及时准确地了解部队、武器装备和军用物资供给的情况，铺设的传感器将采集相应的信息，并通过汇聚节点将数据送至指挥所，再转发到指挥部，最后融合来自各战场的数据形成我军完备的战区态势图。
在战争中，对冲突区和军事要地的监视也是至关重要的，通过铺设传感器网络，以更隐蔽的方式近距离地观察敌方的布防;当然，也可以直接将传感器节点撒向敌方阵地，在敌方还未来得及反应时迅速收集利于作战的信息。
传感器网络也可以为火控和制导系统提供准确的目标定位信息。
在生物和化学战中，利用传感器网络及时、准确地探测爆炸中心将会为我军提供宝贵的反应时间，从而最大可能地减小伤亡。
传感器网络也可避免核反应部队直接暴露在核辐射的环境中。
在军事应用中，与独立的卫星和地面雷达系统相比，传感器网络的潜在优势表现在以下几个方面：
（1）分布节点中多角度和多方位信息的综合有效地提高了信噪比，这一直是卫星和雷达这类独立系统难以克服的技术问题之一。
（2）传感器网络低成本、高冗余的设计原则为整个系统提供了较强的容错能力。
（3）传感器节点与探测目标的近距离接触大大消除了环境噪声对系统性能的影响。
（4）节点中多种传感器的混合应用有利于提高探测的性能指标。
（5）多节点联合，形成覆盖面积较大的实时探测区域。
（6）借助于个别具有移动能力的节点对网络拓扑结构的调整能力，可以有效地消除探测区域内的阴影和盲点。
2．环境科学：
随着人们对于环境的日益关注，环境科学所涉及的范围越来越广泛。
通过传统方式采集原始数据是一件困难的工作。
传感器网络为野外随机性的研究数据获取提供了方便，比如，跟踪候鸟和昆虫的迁移，研究环境变化对农作物的影响，监测海洋、大气和土壤的成分等。
ALERT系统中就有数种传感器来监测降雨量、河水水位和土壤水分，并依此预测爆发山洪的可能性。
类似地，传感器网络对森林火灾准确、及时地预报也应该是有帮助的。
此外，传感器网络也可以应用在精细农业中，以监测农作物中的害虫、土壤的酸碱度和施肥状况等。
3．医疗健康：
如果在住院病人身上安装特殊用途的传感器节点，如心率和血压监测设备，利用传感器网络，医生就可以随时了解被监护病人的病情，进行及时处理。
还可以利用传感器网络长时间地收集人的生理数据，这些数据在研制新药品的过程中是非常有用的，而安装在被监测对象身上的微型传感器也不会给人的正常生活带来太多的不便。
此外，在药物管理等诸多方面，它也有新颖而独特的应用。
总之，传感器网络为未来的远程医疗提供了更加方便、快捷的技术实现手段。
4．空间探索：
探索外部星球一直是人类梦寐以求的理想，借助于航天器布撒的传感器网络节点实现对星球表面长时间的监测，应该是一种经济可行的方案。
NASA的JPL（JetPropulsionLaboratory）实验室研制的SensorWebs就是为将来的火星探测进行技术准备的，已在佛罗里达宇航中心周围的环境监测项目中进行测试和完善。
5．其它商业应用：
自组织、微型化和对外部世界的感知能力是传感器网络的三大特点，这些特点决定了传感器网络在商业领域应该也会有不少的机会。
比如，嵌入家具和家电中的传感器与执行机构组成的无线网络与Internet连接在一起将会为我们提供更加舒适、方便和具有人性化的智能家居环境，德国某研究机构正在利用传感器网络技术为足球裁判研制一套辅助系统，以减小足球比赛中越位和进球的误判率。
此外，在灾难拯救、仓库管理、交互式博物馆、交互式玩具、工厂自动化生产线等众多领域，无线传感器网络都将会孕育出全新的设计和应用模式。
3无线传感器网络实验平台
本实验平台采用基于2.4GHZ的Zigbee模块进行传感器节点的设计，传感器节点可以组成不同拓扑结构的网络，并且可以通过多跳将采集到的数据传输到控制节点，并由控制节点将采集到的数据通过GSM网络发送到用户的手机上；用户也可以通过手机发送命令来控制的传感器网络进行数据采集。
图5是本实验的系统框图。
图5无线传感器网络实验系统框图
3.1系统硬件结构
本实验系统的硬件结构主要包括Zigbee无线传感器节点和GSM模块两部分。
每个Zigbee无线传感器节点上都配备有一个温度传感器，传感器采集到的温度数据可以通过模块的处理并经过多跳传到主控节点，再通过GSM模块将这些数据以SMS的形式发送到用户的手机上。
3.1.1Zigbee无线传感器节点
本实验系统采用基于2.4GHZ的Zigbee模块进行传感器节点的设计，外面接有温度传感器，温度传感器采集回来的数据送到Zigbee模块进行处理，然后通过无线的方式发送给其他节点。
模块工作在2.4GHZ全球通用的ISM（Industrial，ScientificandMedical）免付费频段上，划分为16个信道，在该频段上，数据的最大传输速率为250kb/s。
图6为本实验中传感器节点结构图，主要由温度传感器模块、微控制器模块、无线通信模块（IEEE802.15.4RFIC）和能量供应模块四部分组成。
图6Zigbee无线传感器节点结构图
因为无线传感器节点为低功耗设备，所以在传感器节点中所采用的微控制器必须具有较低的功耗，本系统所采用的微控
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