淺談無線傳感器網絡的平臺開發與組網技術

陳先芳

【摘要】無線傳感器網絡有著許多特點和優點，一是具有功耗低、成本低的優點；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越來越重視。本文從無線傳感器網絡的理論研究出發，介紹了其平臺開發和組網的國內外技術研究現狀和發展方向，并提出了無線傳感器網絡開發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平臺開發和實現的成本較低。它主要是由1個MSDB-1.0下載板、4個MSB系統板和2個MSTB系列傳感器板構成。

（2）軟件平臺

系統的每一個節點均由一個單片機系統構成。系統設計者選擇一個操作系統平臺，并且在該平臺上完成一系列的操作，即為每個節點設計相應的微核和節能的操作系統。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、節能、支持大規模和白配置的無線傳感器網絡TinyOS操作系統占主流地位，它可對MICA2、MICA2DOT等多種節點編程。TinyOS系統windows系統環境下安裝，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協議的主要特點，它是一種無線網絡協議的標準和技術?，F在這種協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協議的網絡節點一般有三種類型，即協調器、路由器、終端設備這三種類型，協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，路由節點存在于樹狀網絡和網狀網絡中，信息路由協調器和路由器完成。

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協調器，它們呈星狀連接構成網絡，只完成終端設備與PAN協調器的通訊，通常以轉發信息的方式完成它們之間的通訊；樹狀網絡包含1個協調器和1個及其以上的多個星狀結構，協調器和連接組成，設備可以與自身父節點或子節點完成點對點通訊，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，統一的原語規范就可以了。

（3）PAN網絡建立

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

步驟一：協調器節點加電啟動后，由網絡層發布原語，再由NLME發布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。協調器節點在此信道隨機選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，同時發布MLME-SET.request原語，修改MAC子層的PIB屬性。NLME向MAC層發布MLME-START.request原語，開始一個新PAN操作。最后，NLME發送NLME-NETWORK-FROMATION.confirm原語，將協調器的執行結果通知上一層。

（4）加入網絡

一個ZigBee協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點通過MAC層關聯方式（當節點的鄰接表無父節點的信息時）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協議的不斷升級，我們將根據實際工程需要，選擇網絡系統開發平臺，設計出高性能的ZigBee網絡。

參考文獻

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