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通信与信息工程学院 2012 /2013 学年 第 一 学期 实 验 报 告 模 块 名 称 无线传感器网络 专 业 网络工程 学 生 班 级 18 学 生 学 号 学 生 姓 名 孙 冉 指 导 教 师 朱晓荣 实验简介： 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。 基本原理： 无线传感器网络特点 无线传感器网络（Wireless Sensor Network, WSN）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。 无线传感器网络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。 协作：WSN节点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。 无线传感器网络特点 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。 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。 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；也可能由于工作的需要而被添加到网络中。 传感器节点结构 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。 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。 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工作组所定义的数据链路层和物理层协议，而在数据链路层以上的协议则是由Zigbee联盟制定。 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。 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（Direct Sequence Spread Spectrum，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。 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。 差错控制保证源节点发出的信息可以完整、无误地到达目标节点。 在无线传感器网络中，两个主要的差错控制模式是前向错误修正（FEC）和自动重复请求（ARQ）两种。 就实现机制而言，介质访问控制（MAC）子层协议可分为3类：确定性分配、竞争占用和随机访问。 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。 网络层 网络层主要负责路由生成与路由选择。 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。 洪泛式路由协议：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。典型算法为扩散法（Flo