基于ieee802154的无线传感器网络的研究定稿.docx

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基于ieee802154的无线传感器网络的研究定稿

摘要

在当今信息技术飞速发展的时代，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，能够集成信息采集、数据处理和无线通信等多种功能。

无线传感器网络（WSN）就是由在监测区域内大量的微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个以数据为中心，多跳的自组织网络系统。

低成本、低功耗、应用简单的IEEE802.15.4标准的诞生为无线传感器网络及大量基于微控制应用提供了互联互通的国际标准，也为这些应用及相关产业的发展提供了有力的契机。

IEEE802.15.4是一种针对低速无线个人区域网络（LR-WPAN）制定的标准，该标准经济、高效、低速率传输、工作在2.4GHzISM频段，用于个人区域网和对等网状网络。

基于IEEE802.15.4的无线传感器网络以其突出的特点和应用前景，将成为今后无线传感器网络发展的一大方向。

本文介绍了IEEE802.15.4标准的特点、构件及体系结构、发展前景，着重描述了基于IEEE802.15.4的无线传感器网络。

本文还针对IEEE802.15.4标准及其相关应用做了分析，重点研究了应用IEEE802.15.4无线传感器网络进行无线通信时影响其稳定性的各种可能因素。

通过SiliabsLaboratories公司2.4GHz802.15.4开发硬件平台组建无线传感器网络，使网络节点间相互通信，采集终端节点的信号强度，进行分析，得出结论。

并提出了各因素影响的解决方法以及其实现的可行性,对无线通信系统的实现进行了较完整的分析。

关键字：

无线传感器网络（WSN）；IEEE802.15.4；RSSI；无线信号强度

Abstract

Withthetoday'srapiddevelopmentofinformationtechnology,themagicimprovementofwirelesscommunicationstechnologypromotesthelow-powermultifunctionalsensorrapiddeveloping,andmakeitintegrateinformationcollecting,dataprocessing,wirelesscommunicationsandmanyotherfunctions.

Wirelesssensornetworks（WSN）isakindofmulti-hopandself-organizationnetworksystemwhichtakingthedataascenter.Itconsistsofalargenumberofmicro-sensornodesforwirelesscommunicationinthemonitorregions.TheappearanceofIEEE802.15.4protocolwhichislowcost,lowpowerconsumptionandsimpleapplicationofferstheinternationalstandardforwirelesssensornetworkandapplicationbasedonmicro-control.Atthesametimeitoffersthechancefortheapplicationsandthedevelopmentofrelatedindustries.LowRateWirelessPersonalAreaNetworks（LR-WPAN）definedbyIEEE802.15.4iseconomic,efficient,low-ratetransmission,andworkinginthe2.4GHzISMband.Itusesinthepersonalareanetworkandpeer-to-peermeshnetwork.BasedonIEEE802.15.4WSNwithoutstandingcharacteristicsandprospectswillbecomeadevelopingdirectionofWSNinthefuture.

Firstofall,inthisthesisitintroducestheIEEE802.15.4protocol,aboutitsfeatures,systemarchitecture,thepresentsituationanddevelopingprospectsandfocusedonthedescriptionofIEEE802.15.4WSN.ThispaperalsoanalyzedIEEE802.15.4standardanditsrelatedapplication.AnditemphasisvariouspossiblefactorswhichaffectthestabilityofIEEE802.15.4WSNforwirelesscommunications,receiveingthedatabyexperimentscommunication.Furthermore,thepaperproposesthecorrespondingsolutionsandthefeasibilityofitsrealization,makeamorecompleteanalysisfortherealizationofwirelesscommunicationsystem.

Keywords:

Wirelesssensornetwork;IEEE802.15.4;RSSI;wirelesssignalstrength

目录

摘要I

AbstractII

第一章绪论1

1.1引言1

1.2.2IEEE802.15.4标准的应用1

1.3基于IEEE802.15.4的无线传感器网络1

第二章IEEE802.15.4标准4

2.1物理层4

2.2介质访问层（MAC层）5

2.3网络层6

2.4IEEE802.15.4与IEEE802.15.1的比较7

第三章基于IEEE802.15.4的无线传感器网络的组建9

3.12.4GHz802.15.4开发平台9

3.1.1无线通信模块：

射频芯片CC24209

3.1.2微控制模块：

微控制器C8051F12111

3.2构建IEEE802.15.4无线传感器网络12

3.2.1IEEE802.15.4无线传感器网络拓扑结构12

3.2.2节点配置13

第四章IEEE802.15.4无线传感器网络的稳定性研究15

4.1信号强度单位的选择15

4.2影响信号强度的主要因素16

4.2.1频率的影响17

4.2.3天线增益的影响18

4.2.4障碍物影响20

4.3影响信号强度的其他因素21

4.3.1功耗影响21

4.3.2传输介质影响22

4.3.3封闭金属环境影响25

4.4本章小结25

第五章总结与展望27

5.1本文总结27

5.2802.15.4无线传感器网络问题分析及展望27

参考文献28

致谢29

基于IEEE802.15.4的无线传感器网络的研究

第一章绪论

1.1引言

IEEE802.15.4的早期客户是高端工业用户[4]，这是由于早期IEEE802.15.4主要应用于工业控制、远程监控和楼宇自动化领域；后期IEEE802.15.4的市场转向消费者和家庭用户，主要应用于家庭自动化、安全和交互式玩具，其市场的驱动力来自其低造价、小功耗以及方便灵活、易于连接、实用可靠及可升级换代的特点。

将传感器与IEEE802.15.4WPAN设备组合，进行数据采集、处理和分析，就可以决定是否需要或何时需要用户操作。

其应用实例包括恶劣环境下的检测，诸如涉及危险的火和化学物质的现场、监测以及维护正在旋转的机器等。

在这些应用上，一个IEEE802.15.4网络可以极大地降低新传感器网络的安装成本，简化对现有网络的扩充。

1.2基于IEEE802.15.4的无线传感器网络

基于IEEE802.15.4的无线传感器网络突出的特点是网络系统支持极低成本、易实现、可靠的数据传输、短距离操作、极低功耗、各层次的安全性等。

为了达到极低的设计成本和极低的功率消耗，协议定义了两种相互配合使用的物理设备，全功能设备和精简功能设备：

（1）全功能设备（Fullfunctiondevice,FFD），可以支持任何一种拓扑结构，FFD是具有转发与路由能力的节点，可以作为网络协调器，并且可以和任何一种设备进行通信；

（2）精简功能设备（Reducedfunctiondevice,RFD），只支持星型结构，RFD是最小且最简单的网络节点，可以和网络协调器进行通信，只发送与接收信号，不起转发器、路由器的作用。

图1·1IEEE802.15.4网络拓扑结构

与物理节点相对应，在IEEE802.15.4网络需要至少一个全功能设备作为网络协调器，终端节点一般使用精简功能设备来降低系统成本和功耗，提高电池使用寿命。

另外所有设备必须使用一个64位的IEEE地址；可以使用16位短地址来减少数据包大小；寻址模式可以为网络加设备标识符的星型结构，或者源和目标标识符的点到点结构（包括簇状和网状网络）两种。

物理层的设计是面向低成本和更高层次的集成需求的，对大部分较低端的实现来说，直接序列（DirectSequence）的应用使用模拟电路变得非常简单，具有更高的容错性能：

MAC层的设计不但使得多种拓扑结构网络的应用变得简单，可以实现非常有效的功耗管理，而不需要在很多管理模式之间的切换。

MAC层可以使用一种精简功能设备，由于其结构简单，不需要大量的Flash,ROM和RAM等存储设备，从而保证了较长的电池寿命。

MAC还进行了特别的设计，可以支持极大数目的网络节点，而不需要对它们进行包装处理；网络层的设计支持网络规模在空间上的增长而不需要使用高功耗的中继器，而且网络层在较少网络负载的条件下可以支持更大数目的网络节点。

IEEE802.15.4的特有特征决定了其适合传感器网络使用。

IEEE802.15.4有如下优点:

（1）网络能力强

IEEE802.15.4具有卓越的网络能力，可对多达254个网络设备进行动态设备寻址。

基于IEEE802.15.4标准，可在数千个微小的传感器之间实现相互协调通信。

另外，采用接力的方式通过无线电波将数据从一个传感器传到另一个传感器，可使得通信效率非常高。

一般而言，随着通信距离的增大，设备的复杂度、功耗以及系统成本都在增加。

相对于现有的各种无线通信技术，IEEE802.15.4的低功耗、低速率是最适合作为传感器网络的标准。

单个网络中可容纳更高密度的节点。

一个IEEE802.15.4网络可以容纳最多254个从设备和1个主设备，一个区域可以有100个IEEE802.15.4网络同时存在，很好地满足大规模传感器阵列的要求。

（2）时延小：

针对时延敏感的应用做了优化，通信时延和休眠状态激活的时延都非常短。

设备搜索时延典型值为30ms，休眠激活时延典型值为15ms，活动设备信道接入时延为15ms。

（3）适应性好

IEEE802.15.4可与现有控制网络标准无缝融合。

通过网络协调器可自动建立网络，采用载波侦听多路访问/冲突防止（CSMA-CA）方式进行信道存取。

为了可靠传递，提供全握手协议。

支持星型和点对点两种拓扑结构。

（4）可靠性高

IEEE802.15.4提供全握手协议，能可靠地传递数据。

IEEE802.15.4将提供一个低成本的用于数据采集和传输的网状网络，网络上的每个监测节点只需在有限的时间内发送几个比特的数据，数据流是异步的并在数据等待时间上限制极小，这些因素都利于电源使用寿命的延长。

在基于IEEE802.15.4的传感器网络中,可以由全功能设备作为接收节点，终端节点一般使用精简功能设备来降低系统成本和功耗，提高电池使用寿命。

IEEE802.15.4协议栈长度平均只有蓝牙或其他标准的1/4，这种简化对低成本、可交互性和可维护性非常重要。

基于IEEE802.15.4的无线传感器网络以其突出的特点和应用前景，必将成为今后无线网络发展的一大方向。

第二章IEEE802.15.4标准

IEEE802.15.4[1]满足国际标准组织（ISO）开放系统互连（OSD）参考模式。

如图2·1所示，它的体系结构包括物理层、媒介接入控制层和网络层。

该标准具有低功耗、低成本、大容量、短时延、标准简单、高安全性的特点。

图2·1IEEE802.15.4体系结构

2.1物理层

IEEE802.15.4定义了2.4GHr频段和868/915h1Hr频段两种物理层标准，物理层与MAC层的协作扩大了网络应用的范畴[11]。

这两种物理层都采用直接序列扩频（DSSS）技术，降低数字集成电路的成本，并且都使用相同的帧结构，实现短工作周期、低功耗地运作。

2.4GHz物理层的数据传输率为250Kbps,868/915MHz物理层的数据传输率分别是20Kbps,40Kbps。

2.4GHz物理层的较高速率主要归因于一个较好的调制方案:

基于DSSS方法（16个状态）的准正交调制技术。

来自PPDU的二进制数据被依次（按字节从低到高）组成4位二进制数据符号，每种数据符号（对应16状态组中的一组）被映射成32位伪噪音CHIP，以便传输。

然后这个连续的伪噪音CHIP序列被调制（采用最小移位键控方式MSK）到载波上，即采用半正弦脉冲波形的偏移四相移相键控调制方式。

868/915MHZ物理层使用简单DSSS方法，每个PPDU数据传输位被最长为15的CHIP序列所扩展。

即被多组+1，-1构成的m序列编码，然后使用二进制相移键控技术调制这个扩展的位元序列。

不同的数据传输率适用于不同的场合。

物理层的主要功能包括:

（1）激活和休眠射频收发器；

（2）信道能量检测（energydetect）；

（3）检测接收数据包的链路质量指示（linkqualityindication，LQI）；

（4）空闲信道评估（clearchannelassessment，CCA）；

（5）收发数据。

信道能量检测为网络层提供信道选择依据。

它主要测量目标信道中接收信号的功率强度，由于这个检测本身不进行解码操作，所以检测结果是有效信号功率和噪声信号功率之和。

链路质量指示为网络层或者应用层提供接收数据帧时无线信号的强度和质量信息，与信道能量检测不同的是，它要对信号进行解码，生成的是一个信噪比指标。

这个信噪比指标和物理层数据单元一道提交给上层处理。

空闲信道评估判断信道是否空闲。

IEEE802.15.4定义了三种空闲信道评估模式：

第一种简单判断信道的信号能量，当信号能量低于某一个门限值就认为信道空闲；第二种是通过判断无线信号的特征，这个特征主要包括两方面，即扩频信号特征和载波频率；第三种模式是前两种模式的综合，同时检测信号强度和信号特征，给出信道空闲判断。

2.2介质访问层（MAC层）

（1）MAC层功能概述

IEEE802.15.4MAC层的特征是:

联合，分离，确认帧传递，通道访问机制，帧确认，保证时隙管理，和信令管理。

MAC子层提供两个服务与高层联系，即通过两个服务访问点（SAP）访问高层。

通过MAC通用部分子层SAP（MCPS-SAP）访问MAC数据服务，用MAC层管理实体SAP（MLME-SAP）访问MAC管理服务。

这两个服务为网络层和物理层提供了一个接口。

图2·2MAC子层参考模型

IEEE802.15.4MAC协议包括以下功能:

①设备间无线链路的建立、维护和结束；

②确认模式的帧传送与接收；

③数据包的顺序传输、信道接入控制；

④帧校验；

⑤预留时隙管理；

⑥广播信息管理。

（2）MAC帧的通用格式

灵活的MAC帧结构适应了不同的应用及网络拓扑的需要，同时也保证了协议的简洁。

MAC层帧结构的设计目标是用最低的复杂度来实现在多噪声无线信道环境下的可靠数据传输。

每个MAC子层的帧都由帧头、负载和帧尾三部分组成。

帧头由帧控制信息、帧序列号和地址信息组成。

MAC子层负载具有可变长度，具体内容由帧类型决定。

帧尾是帧头和负载数据的16位CRC校验序列。

MAC帧结构如下表2·2所示

表2·2MAC帧结构

字节数：

2

1

0/2

0/2/8

0/2

0/2/8

可变

2

帧控制

信息

帧序列号

目的设备标识符

目标地址

源设备

标识符

源设备

地址

帧数据

单元

FCS校

验码

帧头

MAC

负载

MFR

帧尾

帧控制说明了如何看待帧的其余部分及它们包含什么。

帧序列号是传输数据帧及确认帧的序号。

仅当确认帧的序列号与上次数据传输帧的序列号一致时，才能判定数据传输成功。

帧校验序列是16位循环冗余校验。

有效负荷（payload）是MAC帧要承载的上层数据。

MAC数据帧被送至物理层，它的字段长度可变。

作为物理层帧数据（PPDU）的一部分。

一个数据帧使用哪种地址类型由帧控制字段的内容指示。

在帧结构中没有表示帧长度的字段，这是因为在物理层的帧里面有表示MAC帧长度的字段，MAC负载长度可以通过物理层帧长和MAC帧头的长度计算出来。

2.3网络层

网络层包括逻辑链路控制子层。

802.2标准定义了LLC，并且通用于诸如802.3,802.11及802.15.1等802系列标准中，而MAC子层与硬件联系较为紧密，并随不同的物理层实现而变化。

网络层负责拓扑结构的建立和维护、命名和捆绑服务，它们协同完成寻址、路由及安全这些必须的任务。

这个标准的网络层被期望能自己组织和维护。

LLC子层的主要功能包括:

（1）传输可靠性保障和控制；

（2）数据包的分段与重组；

（3）数据包的顺序传输。

IEEE802.15.4标准支持多种网络拓扑结构，包括星型和点对点拓扑结构。

应用的设计选择决定了拓扑结构；一些应用，诸如PC外设，适合低延时的星型连接，而对于其他，诸如涉及安全要求领域，适合大面积的点对点拓扑结构IEEE802.15.4特性：

（1）数据传输速率分别为：

250Kbps,40Kbps和20Kbps；

（2）两种寻址模式：

16位短地址和64位IEEE寻址；

（3）支持可能的使用装置，如游戏操纵杆；

（4）CSMA-CA信道访问；

（5）配位仪自动建立网络；

（6）用于传输可靠性的全握手协议；

（7）实现低功耗的电源管理；

（8）2.4GHzISM频段上16信道，915MHz频段上10信道及868MHz频段上1个信道。

2.4IEEE802.15.4与IEEE802.15.1的比较

IEEE802.15.4和IEEE802.15.1是IEEE802.15工作组制定的无线通信标准。

两者都针对于个人区域网络制定。

IEEE802.15.1又称蓝牙无线[2]个人区域网络标准。

蓝牙标准主要用来打破以红外线或电缆线联系不同产品时受到的限制，使移动电话等设备与个人电脑或任何其他设备、仪器之间，能够在约几十米的距离内无需连接电缆线或红外接口就可进行数据交换。

蓝牙标准是实现话音和数据无线传输的开放性规范，是一种低成本、短距离、支持点到点和点到多点的通信的无线通信标准。

蓝牙额定输出功率0dBm，传输距离10cm～10m，增大功率可达100m。

蓝牙标准具有强大数据通讯优势，但由于蓝牙标准主要针对的是数据交换及语音信号传输，有协议过于复杂、芯片成本较高的缺点。

蓝牙是一种无线数据与通信的开放性标准，它基本上只是设计作为有线的替代品。

蓝牙同样工作在2.4GHzISM频段，使用跳频频谱扩展技术。

它可以在不充电的情况下工作几周，但无法工作几个月，更不可能达到几年。

一般情况下，蓝牙同一时间只能处理8个设备，如果更多的话，通信速率将显著下降。

 蓝牙标准和802.15.4都致力于短距离无线连接，有很多相似之处，但也有很多不同点。

将802.15.4与蓝牙的特征进行比较如表2·3所示。

表2·3802.15.4与蓝牙（802.15.1）比较

802.15.4

蓝牙（802.15.1）

传输距离

10m-100m

10m-100m

节点接入网络

30ms

20s

休眠节点唤醒

15ms

3s

节点接入信道

15ms

2ms

传输速率

20kb/s-250kb/s

700kb/s-2Mkb/s

复杂程度

非常简单

复杂

节点数

254

7

连接层结构

开放式

TCP/IP

功耗

约45µA

约70mA

应用

传感器、玩具、控制领域……

声音、数据、玩具……

由表2·3我们可以清楚地看到蓝牙标准集中在1Mbit/s以上的速率，而且在能量持续时间、节点数以及反应时间等方面都无法与802.15.4相比拟。

可以说802.15.4填补了低速率端无线通信技术的空缺，而且它与其他标准在应用上几乎是无交叉的，这使得802.15.4在工业控制、无线传感器网络等领域中比蓝牙更具有优势。

第三章基于IEEE802.15.4的无线传感器网络的组建

3.12.4GHz802.15.4开发平台

在进行802.15.4无线传感器网络的稳定性研究中，选用了SiliconLaboratories公司的2.4GHz802.15.4开发工具，用于构建无线传感器网络。

此开发工具包括了802.15.4解决方案所必需的所有硬件和软件，SiliconLaboratories公司提供的综合开发平台,因其与其它厂商设备互通性，兼容性好，所以可以不必考虑硬件的选择与整合。

如图3·1所示，开发工具包括两块2.4GHz802.15.4开发板（配置天线），一个9V、1.5A通用电源，一个USBdebugadapter，两根用于实现协调器与计算机通讯的USB连接线。

图3·1SiliconLaboratories公司2.4GHz802.15.4开发硬件平台

开发板结合了高性能C8051F121微控制器、用于实现USB与UART格式之间转换数据通信的芯片CP2101，LM2936超低静态电流3.3V稳压器，MAC固件和SiliconLaboratoriesIDE。

并且采用符合IEEE802.15.4标准的射频收发器CC2420作为其无线通信模块。

3.1.1无线通信模块：

射频芯片CC2420

802.15.4无线通信模块负责数据的无线收发，2.4GHz802.15.4开发硬件平台采用CC2420射频芯片为数据传输提供空中接口。

CC2420射频芯片[7]是挪威半导体公司Chipcon推出的一款兼容2.4GHzIEEE802.15.4的无线收发芯片。

250Kbps数据传输率，电流消耗为16-20mA，电压范围在2.1V至3.6V之间；基于Chipcon公司的SmartRF03技术