浅谈无线传感器网络的平台开发与组网技术

陈先芳

【摘要】无线传感器网络有着许多特点和优点，一是具有功耗低、成本低的优点；二是具有分布式和自组织的特点。除此之外，它还具有采集信息、传输信息和处理信息的功能。目前，随着无线传感器网络的广泛应用，人们对无线传感器网络平台及其组网方式上的研究和开发越来越重视。本文从无线传感器网络的理论研究出发，介绍了其平台开发和组网的国内外技术研究现状和发展方向，并提出了无线传感器网络开发平台和组网方式选择方法。

【关键词】无线；传感器；网络；技术

1.无线传感器网络

2.无线传感器开发平台

（1）硬件平台

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。中科院开发的SIA-MS_1.0硬件平台，价格相对国外的同类产品要低，使得无线传感器网络系统平台开发和实现的成本较低。它主要是由1个MSDB-1.0下载板、4个MSB系统板和2个MSTB系列传感器板构成。

（2）软件平台

系统的每一个节点均由一个单片机系统构成。系统设计者选择一个操作系统平台，并且在该平台上完成一系列的操作，即为每个节点设计相应的微核和节能的操作系统。在现代无线传感器操作平台有TinyOS、SOS、MANTIS、MagnetOS、 PEEROS等。其中，开源、微核、节能、支持大规模和白配置的无线传感器网络TinyOS操作系统占主流地位，它可对MICA2、MICA2DOT等多种节点编程。TinyOS系统windows系统环境下安装，简单易安装。

3.无线传感器网络的组网

（1）网络构建

低速率、低功耗且安全可靠是ZigBee协议的主要特点，它是一种无线网络协议的标准和技术。现在这种协议标准和技术被大量采用，它包含支持标准定义所有功能和特性的FFD（全功能设备）和功能简洁且需存储器容量少的RFD（精简功能设备）。ZigBee协议的网络节点一般有三种类型，即协调器、路由器、终端设备这三种类型，协调器与路由器为全功能设备，终端设备为精简功能设备。需要启动网络时，通常需要只含1个协调器的1个ZigBee网络PAN、配置网络成员地址、维护网络等。路由器的作用是实现网络扩展及息消路由，路由节點存在于树状网络和网状网络中，信息路由协调器和路由器完成。

ZigBee网络有三种拓扑结构，一般分为星状，树状和网状三种。星状网络包含多个终端设备和1个PAN协调器，它们呈星状连接构成网络，只完成终端设备与PAN协调器的通讯，通常以转发信息的方式完成它们之间的通讯；树状网络包含1个协调器和1个及其以上的多个星状结构，协调器和连接组成，设备可以与自身父节点或子节点完成点对点通讯，也可以通过树状路由来传输消息。网状网络具有路由功能的节点直接相连，消息的网状路由由路由表配合实现，增强了信息传输的可靠性，减少了延时，但需更多的空间来存储信息。

（2）原语规范构建

层与层之间的通信靠原语来实现，可根据其访问方法分为求原语、确认原语、指示原语等原语类别。要实现分层通信协议的层与层连接，可以通过服务访问点来实现，层与层之间的唯一接口是服务访问点。需要服务时，以通信原语的形式供其上层调用。当需要调用下层服务时，原语的处理方法和过程不需要知道，统一的原语规范就可以了。

（3）PAN网络建立

PAN网络协调器作为网建的起点，网络节点主动扫描时，如果没有收到信标帧或者收到的信标帧参数与自身节点能力不匹配，那么会建一个新PAN网络。

步骤一：协调器节点加电启动后，由网络层发布原语，再由NLME发布NLME-SCAN.request原语请求MAC层检测网络信道并扫描信道，NLME-SCAN.confirm原语返回扫描结果到网络层管理实体。能量检测结果有高有低，NLME丢弃能量水平较低的信道并找出最佳信道。

步骤二：选网络标识。每一个网络对应一个独立的网络标识，且小于或等于Ox3fff，且不为Oxffff。网络中的设备参照此网络标识确认自己所属网络。协调器节点在此信道随机选1个网络标识开始侦听。

步骤三：设定网络地址。选定网络标识后， 1个16位的网络地址随即被NLME选定，同时发布MLME-SET.request原语，修改MAC子层的PIB属性。NLME向MAC层发布MLME-START.request原语，开始一个新PAN操作。最后，NLME发送NLME-NETWORK-FROMATION.confirm原语，将协调器的执行结果通知上一层。

（4）加入网络

一个ZigBee协调器设备建立网络后，有两种方式加入网络，一种方式是路由器或终端设备作为子节点通过MAC层关联方式（当节点的邻接表无父节点的信息时）以新设备的身份加入网络。第二种方式是之前指定的父节点直接方式加入网络。

4.总结与展望

ZigBee网络作为扩充网络应用的一种有效手段，有着广阔的前景，为实现低功耗的组网和路由，不仅可点对点连接还可树状的路由，随着ZigBee协议的不断升级，我们将根据实际工程需要，选择网络系统开发平台，设计出高性能的ZigBee网络。

参考文献

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