基于IEEE802.15.4无线个人局域网的研究与实现

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3.0 陈辉 2024-11-19 6 4 3.15MB 71 页 15积分
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第一章 绪论
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第一章 绪论
§1.1 前言
无线网络在近年来的发展相当的快速，尤其在一些新型的技术与应用上更是
快速发展。像是无线区域网络(WLAN)在短短的两年就已经成为目前炙手可热的网
络技术之一，在各种公共场合上，热点(hot spot)的建立，以及各种个人数字设备(像
notebook, PDA, 手机)上，都可见无线区域网络的应用。而无线个人区域网络同样
是使用无线的技术，但由于其特性在于强调短距离以及低功率，因此在应用领域
上与无线区域网络并无直接的关联。而由于蓝牙(Bluetooth)近年的成功发展，使得
无线个人区域网络(WPAN)也成为一个热门的研究议题，其中之一就是无线传感网
络而其所使用的网络通讯协议也是一个新协议 IEEE 802.15.4 (LR-WPAN, Low
Rate -Wireless Personal Area Network) [4~5]。
无线传感器网络(Wireless Sensor Network, WSN)主要是用来探测一些物理状
况的改变，例如温度、湿度的变化、声音、压力等等。并利用无线传感网络中广
泛发布的感应节点(sensor nodes)在特定的区域中去探测特定的项目，并将探测到的
资料经由无线传输技术送至特定汇集点(Sink)，来做后继的资料处理及分析，并做
出相对应的行动。除上述之外，无线传感网络的应用相当的广泛。而在无线传感
器网络对于无线传输通讯协议上，目前并无规格制定该使用何种通讯协议，目前
在相关研究中所出现过的只有 IEEE 802.11 DCF[1]，以及针对 IEEE 802.11 进行修改
以符合无线传感网络。此外，也有几种另外发展的通讯协议(SMACS, EAR, Hybird
TDMA/FDMA) [2,7]，主要也是针对无线传感网络的应用。
上述几种通讯协议虽然都是属于无线网络应用的通讯协议，但其特性并无法
完全相符于无线传感网络；而 IEEE 新兴的通讯协议 IEEE 802.15.4[4,5]低速率无线
个人区域网络(Low-Rate Wireless Personal Area Network)，将有机会成为无线传感
网络的适用规格，其具有短距离、低传输速率、低能量损耗等特性，且架构简单，
能使得硬体相对能减小体积大小，成本也减少，都与无线传感网络的特征相同。
而本篇论文也将针对 IEEE 802.15.4 进行研究。
§1.2 研究动机与目的
目前的无线传感网络由于并无规格制定，在目前发展中所审视的，以 IEEE
802.15.4 低速率无线个人区域网路(Low Rate Wireless Personal Area Network,
LR-WPAN)为目前最适用的规格协议。而 IEEE 802.15.4 是一个仍在制定的新的通
讯协议，在 2003 年2月的 Draft 18 (D18)版本初步定义了短距离低速率之实体层
(PHY) 以及媒体存取层(MAC) [4~6]。而在此新兴的通讯协定，虽然适用在无线传感
网络上，但并不是完全为了无线传感网络所发展的，因此仍有许多部分值得探讨
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及研究。像是如何去避免在网络上传输过多不必要的资料而损耗能量；由于传感
环境条件充满不确定性，数据的传输能否可靠的传送到数据汇集点，或是当广播
传送时，可能造成的资料泛滥或浪费电力，都是可探讨的研究议题。我们针对目
前无线传感网络所采用的 IEEE 802.15.4 通讯协议进行研究及实现,以及基于该协
议栈在 Jennic 模块上的实现。
§1.3 本论文之组织架构
本篇论文之架构主要分为六章：
第一章 绪论
主要在介绍本论文之基本概念、研究动机与目的以及研究内容和主要任务介
绍。
第二章 无线传感器网络与协议简介
主要对于无线传感网络做一些介绍，包括了无线传感网络之简介和应用、以
及无线传感网络相关研究之探讨，并且针对了 IEEE 802.15.4 通讯协议讨论其特性。
第三章 硬件平台与结构
描述了开发所采用的 JENNIC 公司的 JN5121 芯片的特性，架构和各种性能指
标，以及整体的硬件平台结构，最后讨论了用于项目开发的实际产品特性。
第四章 IEEE 802.15.4 机制分析与数据结构设计
则是针对了 IEEE 802.15.4 通讯协议讨论其特性、PHY 和MAC 的底层调用机
制和各种数据帧格式并根据需要定义了主要的数据结构。
第五章 系统设计与软件实现
分析软件的整体结构，层次模块以及实现流程，对于中心节点 FFD 进行了重
点剖析。对树形网络中的关键路由节点进行了分析。最后 ，对核心源代码进行了
注释和讲解。
第六章 系统测试
描述了系统的监控，通过两种不同工具手段来验证系统运行状态，即无线监
控定位系统和串口调试方式来验证。
第七章 结论与未来总结
对于在论文中的工作进行了总结，并对该主题进行了一定的展望与拓展。
§1.4 本论文的主要任务及完成的工作
本论文是结合我在 Versalinks 公司参与 Zigbee/802.15.4 项目开发的实际经历
进行的，研究了目前短距离无线个域网通信技术的新秀——802.15.4 技术，目的是
开发出基于 802.15.4 无线传感器网络节点及实现树形网络的基本应用。我在该项
目中的工作主要在于底层协议栈软件的编写，具体完成的工作如下：
第一章 绪论
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（1） 学习与剖析 802.15.4 协议。
（2） 掌握软件开发环境及编程语言，编写底层协议栈程序实现节点之间的
树形网络连接，并对硬件电路进行软件调试。
（3） 对协议栈通过 COM 与PC 机通信系统进行系统联调，其中包含大量的
调试和跟踪工作。
（4） 开发应用程序，组建了多节点，多路由的无线传感器监控网络，并能
够通过协调器串口对网络进行控制和管理。
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第二章 无线传感器网络与协议简介
无线传感器网络是由大量具有特定功能的传感器节点通过自组织的无线通信
方式，相互传递信息，协同的完成特定功能的智能专用网络。它综合了传感器技
术，嵌入式计算技术，通信技术，分布式信息处理技术，微电子制造技术和软件
编程技术等，可以实时监测，传感和采集网络所监控区域内的各种环境或监测对
象的信息，并对收集到信息进行处理后传送给终端用户。无线传感器网络在工业，
农业，交通，军事，安全，医疗，空间探测，以及家庭和办公环境等众多领域都
有着广泛的应用，其研究，开发和应用关系到国家安全，经济发展等许多重要方
面。
§2.1 无线传感网络的发展现状
在目前网络的快速发展下，现在各种无线网络技术(如：IEEE 802.11 WLAN、
蓝牙(Bluetooth)、
HomeRF 等)快速的发展，以及微机电技术的进步发展，无线传感
网络在日常生活的应用范围越来越广。无线传感网络（Sensor Network）主要便是
因应「探测」功能所发展出的网络架构模式，目前国内已有部分学校与研究机构
开始对其研究，但尚未有显著的成果；对于正在制定规格的 IEEE 802.15.4 低速率
无线个人区域网络(Low-Rate Wireless Personal Area Network – LR-WPAN)与无线传
感网络，由于其架构与理念近似，因此有机会成为未来传感器物理层(Physical Layer)
与数据链路层(Data Link Layer)规格。
基本上，无线传感网络设备，主要用来进行的相关探测是在于一些物理状况
的改变，例如温度的变化、声音、光线等等。而这些设备的特性为低耗电、低数
据传输率、实体体积小、功能简单，以及能独立工作并互相协调。而其发展方向，
并不同于一般网络所要求的高频宽、高可靠性，甚至多媒体的应用，而是针对特
定探测任务之需求，来进行数据传输、数据收集、及数据处理，并使管理者能以
此做出适当之回应动作，这都是无线传感网络的一个发展方向。
§2.2 无线传感网络系统及协议体系结构
通常情况下，具有射频功能的传感器节点发布于无线传感器网络的各个部分，
其负责对数据的感知和采集，并且通过无线传感器网络通信技术将数据发送至汇
聚节点（网关或者基站）。汇聚节点与监控或管理中心通过公共网络等进行通信，
从而用户对收集到的数据进行处理分析，以便做判断或者决策。
第二章 无线传感器网络与协议简介
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图2.1 无线传感器网络体系结构
其实传感网络的环境就像分散式系统，对于每个节点来说，彼此都是独立的
个体，不容易了解各个节点的行动；因此对资料的共享(Information Sharing)、延展
性(Scalability)、可利用性(Availability)、容错性(Fault Tolerance)、价格(Price)和效能
(Performance)等，都是设计时的参考标准；所以因此在管理分散式系统，可采用主
从 式 架 构 (Client/Server) 、 组 群 式 架 构 (Group Computing) 、协同合作式架构
(Collaborative Computing)、平行式架构(Parallel Computing)等等。
在分散式系统中，若是采用广播方式(Broadcast)来传送数据，会造成资讯泛滥
(Flooding)而瘫痪整个系统；若采用单一传送方式(Unicast)则将会因为要传送的数
据过多，而造成系统传送延迟增加和耗电等问题；相较之下，多播方式(Multicast)
则是一个折衷的方法。在设计系统时，适当地使用这些方法，可增加系统效能；
近来分散式系统多以可靠的多播方式来传送，也就是系统使用群组通讯(Group
Communication)来简化系统管理、提升延展性（Scalability) 、可利用性(Availability)
及效能(Performance)，并且进一步可以提高容错(Fault Tolerance) 的功能。
传感器网络的运行方式，与传统无基础架构网络(Ad Hoc Network)很相似，有
以下相同的特征：
1.每点之间的连结范围是有限的，与讯号强弱有关。
2.使用一个需要共享的传输媒介。
3.传送的讯号未被保护，易受外来讯号干扰。
4.对数据传送的可靠性，较有线网络来的差。
5.具有动态的网路拓扑结构。
6.目的地址通常不等于目的位置。
而传感器不同于无基础架构，本身自有的特征如下：
1.低制造成本(Low Cost)。
2.低功率(Low Power)。
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3.低传输速率(Low Data Rate)。
4.传输距离短(Short Distances)。
5.体积小(Small Size)。
6.多功能的探测节点(Multifunctional Sensor Nodes)。
7.有错误容忍功能(Fault Tolerance)。
8.构建网络时，传感器的数量比无基础架构网络的行动基站(Mobile Station)要多，
密度也较高。
9.无基础架构网络以点对点传输为主，而传感网络以组播为主并可能需支援多点跳
跃传输路由(Multi-hop Routing)。
10.为节省传输资料的能量，传感器网路的 ID(MAC Address)将不适用传统 IEEE 802
系列的 6个位元组。
Ad Hoc 网络有名的路由协议（routing protocol）如 DSR[10]和AODV[11]便无法
直接运用于传感器网络。传感器网络为能节省能量及增加效能，在资料送回基站
之前必须加以处理，此过程通常称为数据聚集（data aggregation）或数据融合（data
fusion）[12~13]。但 Ad Hoc 网络协定如 DSR 及AODV 都无法支持数据融合的功能，
因此它们将无法有效运用于传感网络上[4]。
§2.2.1 传感器硬件构造及功能[14]
一个传感器的硬件结构包含四大部份：感应装置（sensing unit）、处理器
（processing unit）、收发器（transceiver unit）和能量装置（power unit）。对于不同
的应用，传感器也可能包含定位装置（location finding system）、 移动器（mobilizer）
及能源产生器（power generator）。
传感器网络最重要的功能便是探测环境的变异，因此感应装置为最基本的组
成单位。当传感器收集到环境的参数，便经过类比/数位转换器将类比讯号转成数
位资料供处理器处理。处理器除拥有运算功能外，亦有一个小的存储器储存资料。
由于负担相同任务传感器彼此会互相合作处理数据，因此处理器必需与其它传感
器合作处理数据。处理后的数据（也可能是一个决定）将由收发器负责间接或直
接传送到基站。能源装置提供所需电源当然是传感器最重要的装置。大多现有传
感器路由演算法及传感器的应用都需要知道传感器的位置，因此传感器多会有一
个定位装置。此装置可为纯硬件或软硬件合并装置。某些应用要求传感器具有移
动的功能，此类传感器便需要一个移动装置。
第二章 无线传感器网络与协议简介
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图2.2 传感器硬件构造及功能
§2.2.2 数据及网络通讯模式
数据通讯为传感器网络能源消耗最大的部份。为能与其它传感器或基站互传
数据，传感器必须透过无线传输的技术发送及接收数据。为能节省能源消耗，传
感器网络多进行短距离数据传送，目前大多传感器的设计为将能量消耗目标定为
-20dbm[14]。由于降低能源消耗为传感器设计之首要考虑，因此除了设计低功率电
波接受器外，建议传感器需具有睡眠装置以节省能源消耗。研究显示，唯有进入
睡眠状态，接收器才能真正节省能源，但开关收发器（亦即进入睡眠状态或结束
睡眠状态）所消耗的能源相对而言也是十分可观[7]。因此如何安排传感器睡眠为一
重要研究课题。
网络通讯泛指传感器网络中，传感器彼此之间交换信息的动作。此类通讯可
分为应用（application）及基础建设（infrastructure）两种[15]。
应用通讯主要是将探测到的资料及数据传送给基站，因此通讯模式多为端点
对端点（end-to-end）形态，而其对于资料收集及处理的方式又可分为合作型
（cooperative）及非合作型（non-cooperative）两种。
合作型主要是多个传感器将其收集的资讯先行处理，并设法满足基地台的观
测者或使用者的要求，然后才将结果送回基站。此过程一般称为资料聚集或融合。
合作型通讯已被证明能够提升传感器网络的效能并有效降低能源消耗[16~17]。
基础建设通讯主要是发生在传感器网络需要装置（configure），维持（maintain）
和最佳化（optimize）网络时。一般而言，当传感器网络开始建设时，因任务需求，
传感器网络将依据不同的演算法进行调整。例如根据路由协议，传感器可能必需
建立其与基站的路径；安排如何进入睡眠的时程；建立进行资料融合的伙伴等。
此类通讯可视为增进网路效能的额外通讯负担。
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§2.2.3 信息传送模式[15]
传感器探测环境并将结果送回基站的方式大致分为四类，连续型（continuous）、
事件驱动型（even-driven）、观测者启动型（observer-initiated）及混合型（hybrid）。
在连续型的模式中，传感器将探测到的资料于固定时段不断传回给基站。而事件
驱动型的模式中，当要探测的事件发生时，传感器才将资料回传给基站。在基站
的观测者也可送出指令或需求至传感器网络，传感器则依据此指令或需求回传资
料，此种形态为观测者启动型。例如于环境温度监控应用中，观测者可能发出温
度高于 40°C 的区域为何种询问。当每一传感器收到此询问后，便判断探测到的数
值。如果是超过 40°C，则传回自己的位置。以上三种形态皆有可能同时出现在同
一个传感器网络，此时则称为混合型资料传送模式。
以上所谈及的为应用方面的资料传送方式，而网络物理层（physical layer）的
资料传送方式可分为以下三种：泛播（flooding）、单播（unicast）及组播（multicast）。
泛播方式传送资料为传感器广播（broadcast）欲传送的资料给它的邻居们（邻居指
的是在传感器传输范围内其它的传感器），然后它的邻居们再将此数据广播给它们
的邻居，直到基站收到资料或广播次数到达上限为止。这种传送资料方式不受网
络形态影响，但将有大量重复资料在网络中传送，因而能量消耗将十分可观。单
播为传感器将资料传送至单一目的地，其可能为路由路径的下一个节点或基站，
此类传送资料方式除了传感器可以直接传送给基站外，传感器传送资料前路由路
径必须建置完成。在组播方式中，邻近传感器根据应用需求建立团体，而资料传
送可直接传给自己团体中每一个成员。研究显示因为传感器不需建立及维护路由
路径至基站，对于无线传感器网络，泛播为一较佳选择的资料传送方式。
§2.2.4 网络架构
根据应用的不同需求，传感器网络有不同的架构。依据传感器及基站是否移
动，网络架构可分为静态（static）及动态（dynamic）两种。在静态传感器网络中，
传感器及基站皆不移动。这种类型的传感器网络经常会进行最佳化网络的结构，
因为最佳化的额外能量消耗通常远小于网络最佳化后所降低的能量损耗。而静态
传感器网络的最佳化演算法也并不复杂，因此所消耗的能量也较少。动态传感器
网络的最佳化演算法相对而言较为复杂，因而所消耗的额外能量较多。同时当网
络架构改变后，网络需要再次进行最佳化，此时不但网络的探测功能暂停且必须
消耗额外能量，因此动态传感器网络的最佳化与总消耗的额外能量必须加以比较
考虑。
不论是静态或动态传感器网络，为了节省能量消耗，资料融合是无可避免的
功能。为能进行资料融合，一定数量的邻近传感器会形成一个小组进行资料融合。
摘要：

第一章绪论-1-第一章绪论§1.1前言无线网络在近年来的发展相当的快速，尤其在一些新型的技术与应用上更是快速发展。像是无线区域网络(WLAN)在短短的两年就已经成为目前炙手可热的网络技术之一，在各种公共场合上，热点(hotspot)的建立，以及各种个人数字设备(像notebook,PDA,手机)上，都可见无线区域网络的应用。而无线个人区域网络同样是使用无线的技术，但由于其特性在于强调短距离以及低功率，因此在应用领域上与无线区域网络并无直接的关联。而由于蓝牙(Bluetooth)近年的成功发展，使得无线个人区域网络(WPAN)也成为一个热门的研究议题，其中之一就是无线传感网络而其所使用的网络通讯...

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