项目七 无线传感器网络设计

7.3 Zigbee无线传感网络 硬件的设计
7.3.1 传感节点的设计 3．无线收发单元 传感节点之间通过无线收发单元实现互连，组成自 组织传感器网络。传感节点的无线收发单元主要由 无线窄带通信芯片和与其配套的滤波电路等外围电 路组成。
7.3 Zigbee无线传感网络 硬件的设计
7.3.1 传感节点的设计 4、电源管理单元 在传感节点，电源管理单元是一个关键的系统组件， 体现在两方面：第一是存储能量并为其他单元提供 所需要电压的稳压器件，第二是从外部环境中获取 额外的能量。
7.3 Zigbee无线传感网络 硬件的设计
7.3.2 网关和汇聚节点的设计 网关和汇聚节点具备信息聚合、处理、选择、分发， 以及子网网络管理等功能。 传感节点对其部署的区域进行监控，获取感知信息； 网关和汇聚节点对其控制区域内的传感节点实现任 务调度、数据融合、网络维护等功能。
7.3 Zigbee无线传感网络 硬件的设计
线程模型
线程模型
线程和事件 驱动
调度方式
基于事件驱 动，外部中 断事件获得 高 优先级
基于事 件和 消息传递 的 进程间通信
基于优先级 的抢占调度
抢占式 多任务 操作系 统
基于优先级 的调度
内存管理 静态内存管 理
动态内存管 理、多个任 务共享一个 任 务栈 动态内存管 理 静态内存管 理
动态内存管 理
7.2 Zigbee无线传感网络 的安全
7.2.2 传感器网络的安全性目标 1．WSN的安全目标及实现基础 将其安全问题归结为消息安全和节点安全。所谓消 息安全是指节点之间传输的各种报文的安全性。节 点安全是指针对传感器节点被俘获并改造而变为恶 意节点时，网络能够迅速地发现异常节点，并能有 效地防止其产生更大的危害。 维护传感器节点安全的首要问题是建立节点信任机 制。因此，密钥管理是安全管理中最重要、最基础 的环节。
7.1 Zigbee无线传感网络 设计的基本要求
7.1.1 系统设计原则 （1）节能是zigbee无线传感器网络节点设计最主要 的问题 （2）成本的高低也是衡量zigbee无线传感器网络节 点设计好坏的重要指标 （3）小型化也是zigbee无线传感器网络追求目标 （4）可扩展性也是传感器网络设计中必须要考虑的 问题
传统网络 通用设计，服务于多个应用 主要关注网络性能和延迟 器件和网络工作于可控的温和环境 通常有维护与维修 组件故障通过维修解决 轻松获得全局网络信息和实现集中式管理
zigbee无线传感器网络 单一设计，服务于特定应用 功耗是主要设计关注点 常布设于存在苛刻条件的环境中 与节点物理接触，很难甚至不可维修 网络设计需要预计存在组件故障，增加之冗余度 决策由本地节点完成，不支持集中式管理
通信协议
主动消 息模 式、数据分 发协议 与汇 聚 协议
uIP 和 Rime
编程语言 NesC
C
分层协议
C
基于socket C 的网络协议
基于文件形 LiteC++ 式的通信
7.5 Zigbee无线传感网络 软件的操作系统
7.5.2 TinyOS技术特点 1．组件化编程 2．事件驱动模式 3．轻量级线程（任务） 4．两级调度方式 5．分阶段作业 6．主动消息通信
7.3 Zigbee无线传感网络 硬件的设计
7.3.3 典型节点 1．MICA节点 MICA节点是伯克利大学研制的用于传感器网络研究 演示平台的实验节点，主要包括微处理器、射频收 发单元、电源管理单元、存储单元四部分。
7.3 Zigbee无线传感网络 硬件的设计
7.3.3 典型节点 2．Toles节点 Toles节点是Moteiv公司推出的用于传感器网络研究 演示平台的实验节点，主要包含微处理器、传感器、 无线收发芯片和PC接口。
7.3 Zigbee无线传感网络 硬件的设计
7.3.1 传感节点的设计 传感节点主要包括感知单元、控制单元、无线收发 单元和电源管理单元4个部分。
7.3 Zigbee无线传感网络 硬件的设计
7.3.1 传感节点的设计 1．感知单元 感知单元负责物理信号的提取。信号采集单元包括 信号调理电路和模/数转换模块。传感器输出的模拟 信号需经信号调理才能符合模/数转换要求。
7.4 Zigbee无线传感网络 软件的设计
软件架构的设计应遵循的主要原则： ①以操作系统为基础的设备管理实体对程序进程进 行优先级管理和分配。 ②层间交互以服务原语的形式实现；层内功能实体 之间交互以消息形式实现。 ③各功能模块具有可裁剪性和易重构性。 ④满足软件测试所必需的测试单元。 ⑤遵守开放的公共接口规范。 ⑥符合存储受限要求。
7.5 Zigbee无线传感网络 软件的操作系统
7.5.3 TinyOS体系结构 TinyOS调度模型的主要特点如下。 ①任务单线程结束，只分配单个任务栈，这对内存受限的系 统很有利。 ②没有进程管理概念，对任务按简单的FIFO队列进行调度。 ③FIFO的任务调度策略具有能耗敏感性，当任务队列为空时， 处理器进入休眠状态，随后由外部中断事件唤醒CPU进行任 务调度。 ④两级的调度结构可以实现优先执行少量相同事件相关的处 理，同时打断长时间运行的任务。 ⑤基于事件的调度策略，只需要少量空间就可获得并发性， 并允许独立的组件共享单个执行上下文。 ⑥任务之间相互平等，没有优先级的概念。
7.1 Zigbee无线传感网络 设计的基本要求
7.1.2 WSN路由协议设计要求 （1）健壮性 （2）减少通信量来降低能耗 （3）保持通信量负载均衡。 （4）路由协议应具有安全机制。 （5）可扩展性
7.1 Zigbee无线传感网络 设计的基本要求
7.1.3 评价指标体系 （1）能源有效性 （2）生命周期 （3）时间延迟。 （4）感知精度 （5）容错性 （6）可扩展性
7.3 Zigbee无线传感网络 硬件的设计
7.3.3 典型节点 3．SIMIT-1节点 SIMIT-1节点是中国科学院上海微系统与信息技术研 究所研制的用于野外环境监测的传感节点，主要由 控制单元、无线收发单元、存储模块、定位模块、 信号采集单元和电源管理单元组成。
7.3 Zigbee无线传感网络 硬件的设计
7.2 Zigbee无线传感网络 的安全
7.2.3 传感器网络的安全策略 4、拒绝服务攻击 安全策略：一些跳频和扩频技术可以用来减轻网络 堵塞问题。恰当的认证可以防止在网络中插入无用 信息。然而，这些协议必须十分有效，否则它也可 能用来当做拒绝服务攻击的手段。
7.3 Zigbee无线传感网络 硬件的设计
7.3.2 网关和汇聚节点的设计 传感节点获取的信息数据经过汇聚节点融合、处理 及打包后，由网关节点聚合，根据不同的业务需求 和接入网络环境，经由无线局域网接入点、有线以 太网接入点、2GHz公网接入点、3GHz公网、中高 速网络等多类型的异构网络，最终将信息数据传送 到终端用户，实现针对zigbee无线传感器网络的远 程监控。
7.2 Zigbee无线传感网络 的安全
7.2.1 传感器网络的安全分析 1．传感器网络的特点 （1）能量有限 （2）计算能力有限 （3）存储能力有限 （4）通信范围有限 （5）防篡改性
7.2 Zigbee无线传感网络 的安全
7.2.1 传感器网络的安全分析 2．Zigbee无线传感器网络的安全特点 （1）资源受限、通信环境恶劣 （2）部署区域的安全无法保证，节点容易失效 （3）网络无基础框架 （4）部署前地理位置具有不确定性
7.5 Zigbee无线传感网络 软件的操作系统
7.5.1 WSN操作系统概述
操作系统 TinyOS
Contiki
MANTIS Nano-RK
LiteOS
体系结构 基于组件和 应用的硬件 抽 象架构 模块化
分层结构
单内核体系 结构
模 块化
编程模式 Nesc 语言 基于组 件的 编 程模型
原始线程和 基于事件驱 动
项目七 ZigBee无线传感器网络设计
项目七 ZigBee无线传感 器网络设计
知识目标： 1. 掌握zigbee无线传感器网络系统设计的基本
要求。 2.了解zigbee无线传感器网络的安全设计。 3.掌握zigbee无线传感器网络的硬件和软件设计。
项目七 ZigBee无线传感器 网络设计
技能目标： 1. 掌握Z-Stack协议栈的串口通信。 2.掌握Z-Stack协议栈的点播通信。 3.掌握Z-Stack协议栈程序的移植。
7.4 Zigbee无线传感网络 软件的设计
7.4.2 中间件
域中间件
通用中间件
支撑软件 件 硬件
智能家居
… 域中间件
传网安 感络全 探管管 测理理
…
通用中间件 中间件管理器
网络协议栈 运行环境（OS抽象/虚拟机）
操作系统（OS） 硬件
工业监控 代
定统 码 位计 管
理
硬件抽象 （HAL）
7.4 Zigbee无线传感网络 软件的设计
7.2 Zigbee无线传感网络 的安全
7.2.2 传感器网络的安全性目标 2、WSN的安全需求 （1）保密性。 （2）完整性。 （3）健壮性。 （4）真实性。 （5）时效性。 （6）可用性。 （7）访问控制。
7.2 Zigbee无线传感网络 的安全
7.2.3 传感器网络的安全策略 1．传感器节点的物理操纵 安全策略：由于传感器节点容易被物理操纵是传感 器网络不可回避的安全问题，必须通过其他的技术 方案来提高传感器网络的安全性能。如在通信前进 行节点与节点的身份认证；设计新的密钥协商方案， 使得即使有一小部分节点被操纵后，攻击者也不能 或很难从获取的节点信息推导出其他节点的密钥信 息等。
7.3 Zigbee无线传感网络 硬件的设计
7.3.1 传感节点的设计 2．控制单元 控制单元将其他单元及外部接口连接在一起，处理 有关感知、通信和自组织的指令。控制单元包括控 制器件、非易失性存储器（通常是控制器件的片内 Flash）、随机存储器、内部时钟等。大部分控制器 件集成了非易失性存储器、随机存储器、内部时钟 等
7.2 Zigbee无线传感网络 的安全
7.2.3 传感器网络的安全策略 2．信息窃听 安全策略：对传输信息加密可以解决窃听问题，但 需要一个灵活、强健的密钥交换和管理方案。
7.2 Zigbee无线传感网络 的安全
7.2.3 传感器网络的安全策略 3、私有性问题 安全策略：保证网络中的传感信息只有可信实体才 可以访问是保证私有性问题的最好方法，这可通过 数据加密和访问控制来实现；另外一种方法是限制 网络所发送信息的粒度，因为信息越详细，越有可 能泄露私有性。
7.3.3 典型节点 3．SIMIT-1节点 SIMIT-1节点是中国科学院上海微系统与信息技术研 究所研制的用于野外环境监测的传感节点，主要由 控制单元、无线收发单元、存储模块、定位模块、 信号采集单元和电源管理单元组成。
7.3 Zigbee无线传感网络 硬件的设计
7.3.4 节点应用选型 zigbee无线传感器网络节点大规模产业化，节点的 性能受成本影响很大。针对节点应用，提出了共性 平台+应用子集的方案。
7.4 Zigbee无线传感网络 软件的设计
7.4.1 软件架构
应用层 防入侵应用
环境监控
服务与中间件层
安全管理 定位服务
群 组 管 理 网 络 管 理 信息管理
体制
体制
时间同步服务 网络协议栈
基础软件层 传感器接口 设备驱动
wenku.baidu.com
软件运行库 通信接口
程序开发框架 虚拟机
设备管理 程序管理 资源管理 标志管理
7.4.3 操作系统 1．硬件管理 2．任务协同 3．资源受限 4．电源管理 5．内存 6．感知 7．应用 8．维护
7.5 Zigbee无线传感网络 软件的操作系统
7.5.1 WSN操作系统概述 zigbee无线传感器网络的操作系统是zigbee无线传 感器网络的基本软件环境，是zigbee无线传感器网 络应用软件开发的基础。它定义了一套通用的界面 框架，允许应用程序选择服务的实现；另外还提供 框架的模块化，以适应硬件的多样性。
7.5 Zigbee无线传感网络 软件的操作系统
7.5.3 TinyOS体系结构 组件由下到上通常分为硬件抽象组件、综合硬件组 件和高层软件组件三类。 （1）硬件抽象组件是将物理硬件映射到TinyOS的 组件模型。 （2）综合硬件组件是模拟高级的硬件行为，如感知 组件、通信组件等。应用组件实现控制、路由以及 数据传输等应用层的功能。 （3）高层软件组件向底层组件发出命令，底层组件 向高层组件报告事件。