无线传感器网络协议栈研究与设计

汇聚节点
一级中继 二级中继 传感器节点
控制节点
- 14 -
03 低功耗环境测控网络协议栈详细设计 物理层设计 MSP430单片机+CC1100射频芯片
✓ 能量检测ED； ✓ 载波检测CS； ✓ 空闲信道评估CCA； ✓ 循环冗余检测CRC。
上位机
负责低功耗协议栈的运行多任务 负责传感器网络的无线通信
终端节点
1
1
子节点总数 64 64 64 0
父节点数 1 1 1 1
汇聚节点
一级中继 二级中继 传感器节点 控制节点
Cluster-Tree
-9-
02 低功耗环境测控网络协议栈总体设计 MAC层信道接入方式选择
1
基于时分复用的MAC协议
优点：无冲突、低功耗
缺点：同步要求高、增加成本、扩展性差
2
基于竞争的MAC协议
20米 60米
网络高可靠性
环低境功中耗的有信较道多共享屏方障式
电源供电
低功耗要求 数据汇聚型网络拓扑
电源供电
可识别且唯一的网络地址
1000mAA电电池池供供电电下下能能使使用用至至少少一一年年
不休眠
低成本的路由
不休眠
网络的组建及维护
工作//休休眠眠（（1100秒秒为为一一周周期期）） 5%（多点共享信道）
汇聚节点
一级中继 二级中继 传感器节点
控制节点
- 13 -
03 低功耗环境测控网络协议栈详细设计 网络运行流程 汇二一聚级级节中中点继继组失失网效效：：终端二节级中点中继重解节新散点入其组网下网子节点 传感器解节散点节周点期重性新工入作网
发送控制命令
应用层 任 务
网络层 管 理
MAC层 平 台
物物理理层层
01
02
背景 意义
03
04
环境测控无线网络
✓ WSN中环境领域的应用实现 ✓ 实现环境数据的采集和设备控制 ✓ 应用环境特殊、设备依赖电池供电
无线网络专有协议栈
✓ 小型的数据采集型网络 ✓ 低功耗、位置固定、多跳 ✓ 轻量级
-4-
目录
Contents Page
01 课题研究背景及意义 0022 低低功功耗耗环环境境测测控控网网络络协协议议栈栈总总体体设设计计 03 低功耗环境测控网络协议栈详细设计 04 协议栈实现方案及测试
01 课题研究背景及意义
本课题来源于校企合作项目：短距离无线通信关键技术及开发
无线传感器网络 WSN
✓ 应用于军事、环境、家庭等领域 ✓ 实现检测和自动控制 ✓ 分部广泛、设备隐蔽
无线网络中的协议栈
✓ 节点之间协调合作的桥梁 ✓ Zigbee、Zwave、Enocean ✓ 非开源、开发难度大、功能复杂
任 务
✓ 上传环境数据
管 ✓ 接收环境数据
理
平
台
μC/OS
同步码
导前码
物理层
CRC
能量检测
信道空闲评估
-8-
02 低功耗环境测控网络协议栈总体设计 网络层关键技术选择
网络拓扑选择 树簇型网络拓扑
路由算法选择
消息触发模式： 周期性触发+查询触发
业务模式：
节点多名对一+一一级对中一继 二级中继
Байду номын сангаас
汇一聚级节中以点继数据为中40心的路由：04 二级中集继中式数据1汇聚+AC路由0
无线传感器网络协议栈研究与设计
目录
Contents Page
01 课题研究背景及意义
主要工作
02 低功耗环境测控网络协议栈总体设计
03 低功耗环境测控网络协议栈详细设计
04 协议栈实现方案及测试
目录
Contents Page
0011 课课题题研研究究背背景景及及意意义义 02 低功耗环境测控网络协议栈总体设计 03 低功耗环境测控网络协议栈详细设计 04 协议栈实现方案及测试
SIFS
基R于TS时分复用的MAC协议DATA
优点：S无IF冲S 突、低功耗
缺点SI：FS同步要求高、增加成本、扩展性差
CTS
ACK
B节点 2
DIFS 竞争窗口
IEEE802.11MAC协议 IEEE802.15.4MAC协议 C节点
基于竞争的MAC协议
(RTS)NAV=3*SIFS+CTS+DATA+ACK
多数据的正确发送接收
-7-
02 低功耗环境测控网络协议栈总体设计 协议栈总体分层设计
数据采集 地址回收
应用层
数据应用
数据转发
数据上传
开关设备
管理应用
网络组建
地址分配
网络层
设备类型
网络维护
消息寻址
差错控制
低功耗传输
MAC层
传输可靠性
冲突避免
休眠唤醒
帧类型
配对码
握手
汇聚节点面临多任务情况：
✓ 组网
✓ 接收发送上位机指令
的调度以及对射频芯片的控制
串口
SPI
微控制器
射频电路
电源及芯片外围电路
- 15 -
03 低功耗环境测控网络协议栈详细设计
汇二一聚级级节中中点继继组失失网效效：：终端二节级中点中继重解节新散点入其组网下网子节点 传感器解节散点节周点期重性新工入作网
优点：易实现、网络扩展性好、信道利用率高 缺点：网络时延长、空闲等待功耗
3
其它MAC协议 （码分复用、频分复用）
优点：网络可靠性高、容错率强 缺点：对硬件要求高、开发难度大
网络容量 硬件资源 开发难度 低功耗
- 10 -
02 低功耗环境测控网络协议栈总体设计 MAC层信道接入方式选择
A节点
D1IFS
02 低功耗环境测控网络协议栈总体设计 环境测控系统总体设计
环境测控无线网
管理终端
面向用户现实监测信息 向汇聚节点下达指令
云端处理中心
处理、分析、保存
四种设备 传感器节点
采集环境数据
终端节点
汇聚节点
汇聚数据 发送控制命令 上传数据
控制节点
开关设备
一级中继节点
组网、阔程
二级级中继节点
组网、阔程
-6-
01 课题研究背景及意义 02 低功耗环境测控网络协议栈总体设计 03 低功耗环境测控网络协议栈详细设计 04 协议栈实现方案及测试
03 低功耗环境测控网络协议栈详细设计 网络运行流程 汇在聚进节行点各组层网详细之前需中要继明节确点网组络网的运行流传程感器节点周期性工作
发送控制命令
入确网认请AC求K 入网响应
02 低功耗环境测控网络协议栈总体设计 需求分析 +协议栈设计目标
单项名称 网络容量 通信距离
低功耗
工作频率 丢包率
65个节点
点对点 经中继 汇聚节点 中继节点 终终端端节节点点 汇聚节点 中继节点 传感器节点
指标
协议栈功能目标
汇聚节点1个
节点实现网络任务
中继节点最多8个（一共两级、每级最多4个）
优点：易实现、网络扩展性好、信道利用率高 缺点：网络时延长、空闲等待功耗
(CTS)NAV=2*SIFS+DATA+ACK
时间轴
3
信道不可用时间
其它MAC协议 （码分复用、频分复用）
优点：网络可靠性高、容错率强 缺点：对硬件要求高、开发难度大
非时隙CSMA/CA+NAV
- 11 -
目录
Contents Page