无线传感器网络协议栈研究与设计

 随着无线通信技术、传感器技术的快速发展，无线传感器网络作为一种综合性技术在多种领域得到了广泛应用。无线传感器网络协议栈作为其中的关键技术负责维护网络中节点之间的互连，实现其信息的交互和差错控制。目前，许多商用无线传感器网络协议栈已经成功地被运用于各种环境中。但对于某些特殊的小型网络，已有的商用协议栈功能繁多，反而导致了网络功耗的增加。因此，对于有特殊性需求的小型网络，重新制定其网络协议栈十分有意义。
本文以低功耗为原则设计了一种应用于环境测控系统的无线传感器网络协议栈。首先针对应用场景，对环境测控系统进行了需求分析；然后根据网络设备类型和需求指标，选择了簇树型网络拓扑；最后在遵循无线传感器网络协议栈分层标准的基础上，设计了环境测控网络协议栈的整体方案。该协议栈具有轻量级、组网快速、分层结构简单等特点。
本文研究和设计的重点是环境测控网络协议栈的MAC层和网络层。首先，根据网络拓扑、数据业务模式和消息触发方式选择了Cluster-Tree路由，并在该路由的基础上设计了地址回收机制；然后，在分析比较IEEE802.11和IEEE802.15.4两种标准的MAC层技术的基础上，选择了CSMA/CA作为网络节点接入信道的方式，并加入周期性休眠机制来降低节点空闲等待的时间；同时，为了进一步避免信道冲突，设计了一种自适应休眠机制，来协调节点休眠唤醒的时间；其次，为保证网络的可靠性，分别为MAC层和网络层设计了不同的差错处理机制；最后，制定了不同节点的入网流程，并规范了协议栈各层的帧格式。本文在设计的基础上，选择了μC/OS嵌入式操作系统作为协议栈的软件实现平台，并给出了协议栈的实现方案和测试方案。
本文对环境测控网络协议栈已实现的功能进行了测试，包括物理层数据收发、MAC层点对点传输和信道共享、网络层地址分配。结果表明协议栈满足环境测控系统的要求，基本达到预期目标。

关键字：无线传感器网络，协议栈，低功耗，CSMA/CA，Cluster-Tree路由

Abstract
With the continuous development of wireless communication technology and sensor technology, wireless sensor network (WSN) as an emerging technology is generated, and it has been widely used in environmental monitoring, home control and other fields. Protocol stack of WSN is the essential technology of coordination and cooperation among wireless sensor network nodes Protocol stack is responsible for maintaining the interconnection among the nodes, guiding and realizing the exchange of message. At present, many commercial protocol stacks of WSN have been applied to various kinds of environment successfully. But for some special small-size networks, the existing commercial protocol stack is so complex that it increases the network’s power consumption. Therefore, it is meaningful to research and design a wireless network protocol stack for a small-size network with special needs.
In this thesis, a kind of low-power protocol stack of WSN is proposed which can be used in environmental monitoring system. The most important objective of the design is to achieve low power consumption of WSN. Firstly, the demand analysis of system which is applied to monitor and control environmental parameters is made. Secondly, the cluster tree network topologies are chosen according to the network device type and demand indicators. Thirdly, the overall architecture of protocol stack is projected following the hierarchical structure of traditional protocol stack. As a result, a simple-layered lightweight protocol stack of WSN which can form network rapidly is designed.
This thesis is focused on MAC layer and network layer in protocol stack of WSN. Firstly, for the network layer, Cluster-Tree routing is chosen based on network topology, data volume and the direction of data flow, and address collection mechanism on the basis of the routing are designd. Secondly, for MAC layer, two standard MAC layer technologies IEEE802.11 and IEEE802.15.4 are analysed, so CSMA/CA is chosen as the way that a network node accesses channel, and nodes sleep periodically to reduce the idle time. In order to avoid information conflict better, an adaptive mechanism of nodes which can adjust the begining time of sleep is designed. Thirdly, to ensure the reliability of MAC layer and network layer, different error handling mechanism are designed respectively. Finally, different networking process of nodes are developed, and the frame format of each layer is defined. Based on the design, the μC/OS as a software platform is chosen to implement protocol stack, and testing proposal are given.
In the end, functions which the protocol stack of WSN has achieved are tested, including data transmission of the physical layer, point to point transmission and channel sharing of MAC layer and address assignment of the network layer. Results show that the performance indicators meet the design requirements.

Keywords: wireless sensor network, protocol stack, CSMA/CA, cluster-tree

目录
图录 VIII
表录 X
注释表 XI
第1章 绪论 1
1.1 研究背景 1
1.2 国内外发展现状 2
1.2.1 国外发展现状 2
1.2.2 国内发展现状 2
1.3 论文研究的意义和目的 3
1.4 论文主要研究内容 3
1.5 论文章节安排 4
第2章 低功耗无线传感器网络及协议栈分析 6
2.1 环境测控无线传感器网络介绍 6
2.1.1 无线传感器网络的应用 7
2.1.2 环境测控无线网络的结构 7
2.1.3 环境测控无线网络的特殊性 8
2.2 无线传感器网络协议栈分析 9
2.2.1 传统无线传感器协议栈的结构 9
2.2.2 三种适用于环境领域的协议栈分析 11
2.3 无线传感器网络传输能耗分析 14
2.3.1 传感器网络能耗特点分析 14
2.3.2 无线传输节能技术研究 15
2.4 小结 17
第3章 低功耗无线传感器网络协议栈整体设计 18
3.1 网络需求分析 18
3.1.1 应用场景介绍 18
3.1.2 网络设备 20
3.2 协议栈整体架构设计 20
3.2.1 协议栈设计要求 20
3.2.2 协议栈架构设计 21
3.3 网络拓扑选择 22
3.4 网络层路由算法的分析与选择 23
3.4.1 消息触发模式 24
3.4.2 业务模式 24
3.4.3 以数据为中心的路由 25
3.4.4 簇树路由 26
3.5 低功耗MAC层协议分析与设计 27
3.5.1 MAC协议的分类与选择 27
3.5.2 两种典型MAC层标准 29
3.5.3 两种标准的比较 31
3.5.4 低功耗MAC核心机制 32
3.6 小结 32
第4章 低功耗无线传感器网络协议栈详细设计 34
4.1 物理层设计 34
4.1.1 物理层功能描述 34
4.1.2 硬件平台介绍 35
4.1.3 物理帧格式 35
4.2 MAC层设计 36
4.2.1 自适应休眠机制 36
4.2.2 无线唤醒机制 38
4.2.3 基于CSMA/CA的信道接入机制 38
4.2.4 MAC层差错控制 40
4.2.5 MAC层帧格式 41
4.3 网络层设计 44
4.3.1 地址分配和寻址策略 44
4.3.2 地址回收 46
4.3.3 组网算法 47
4.3.4 网络层差错控制 49
4.3.5 网络层表格式和帧格式 50
4.4 应用层设计 52
4.4.1 汇聚节点应用程序 52
4.4.2 中继节点应用程序 53
4.4.3 传感器节点应用程序 54
4.4.4 控制节点应用程序 55
4.5 小结 55
第5章 协议栈的实现方案与测试 56
5.1 协议栈总体实现方案 56
5.2 物理层实现 58
5.2.1 数据发送和接收 58
5.2.2 信道评估和能量检测 59
5.2.3 物理层属性设置 59
5.3 MAC层实现 60
5.3.1 入网请求与响应 60
5.3.2 失效与解散 61
5.3.3 CSMA/CA算法实现 61
5.4 网络层实现 61
5.4.1 设备类型识别 62
5.4.2 网络层加入网络 62
5.4.3 网络地址分配 63
5.5 应用层实现 63
5.6 协议栈测试 63
5.6.1 测试平台 63
5.6.2 物理层测试 64
5.6.3 MAC层丢包率测试 66
5.6.4 网络层地址分配测试 69
5.7 小结 71
第6章 总结与展望 72
6.1 总结 72
6.2 展望 73
参考文献 74
致谢 78
攻读硕士学位期间从事的科研工作及取得的成果 79

图录
图2.1 无线传感器网络体系结构 6
图2.2 环境测控无线网络结构 8
图2.3 协议栈在无线传感器系统中的位置 9
图2.4 无线传感器网络协议栈体系结构 10
图2.5 ZigBee协议栈体系结构图 12
图2.6 ISO/IEC 14543-3-10协议标准 13
图2.7 Z-Wave协议栈 13
图2.8 各模块能量消耗对比图 14
图3.1 环境测控系统框图 18
图3.2 协议栈层次结构 21
图3.3 传感器网络树簇型拓扑 23
图3.4 AC路由与DC路由 25
图3.5 CSMA/CA的基本方式 29
图3.6 IEEE802.11的虚拟载波时序图 30
图3.7 IEEE802.15.4的超帧的结构 30
图3.8 两种模式下数据的传输过程 31
图4.1 物理层硬件平台框架图 35
图4.2 物理层帧格式 36
图4.3 簇内碰撞和簇间碰撞 37
图4.4 簇间节点发送数据发生碰撞 37
图4.5 自适应休眠机制时序图 38
图4.6 本设计中MAC层的CSMA/CA 39
图4.7 CSMA/CA算法流程 39
图4.8 差错控制图 40
图4.9 MAC层通用帧格式 41
图4.10 入网请求帧格式 42
图4.11 入网响应帧格式 42
图4.12 入网通知帧格式 42
图4.13 失效帧格式 43
图4.14 数据帧格式 43
图4.15 确认帧格式 43
图4.16 无线唤醒帧格式 44
图4.17 解散帧格式 44
图4.18 休眠帧格式 44
图4.19 簇树网络地址分配 46
图4.20 地址回收机制 47
图4.21 网络层通用帧格式 51
图4.22 网络层命令帧格式 52
图4.23 网络层数据帧格式 52
图4.24 汇聚节点应用层状态转移图 53
图4.25 中继节点应用层状态转移图 54
图4.26 传感器节点应用层状态转移图 54
图4.27 控制节点应用层状态转移图 55
图5.1 COORDINATOR_TASK运行的流程图 57
图5.2 各层任务运行流程图 58
图5.3 硬件平台实物图 63
图5.4 汇聚节点接收到预设载荷 64
图5.5 10米点对点传输丢包率 66
图5.6 多点对点测试拓扑图 67
图5.7 地址分配测试拓扑 69
图5.8 传感器节点A入网地址分配 70
图5.9 中继节点入网地址分配 70
图5.10 传感器节点B入网地址分配 71

表录
表3.1 环境测控系统需求指标 19
表3.2 环境测控无线设备 20
表3.3 环境测控无线网络各层功能 22
表3.4 节点的邻居最大维持数量 25
表4.1 控制域字段 41
表4.2 低功耗传感器网络节点地址分配参数表 45
表4.3 网络层邻居表 50
表4.4 网络层全局表 50
表4.5 网络层路由表 51
表4.6 网络层控制域字段 51
表5.1 各层任务的优先级 56
表5.2 各层任务的邮箱名称 57
表5.3 物理层主要文件 58
表5.4 MAC层主要文件 60
表5.5 网络层主要文件 62
表5.6 物理预设载荷 64
表5.7 不同工作模式下的节点的电流 65
表5.8 点对点10米到50米丢包率统计 67
表5.9 点的对多点发送测试各节点发送载荷 68
表5.10 汇聚节点接收数据包顺序 68
表5.11 多点对点丢包率 68
表5.12 各节点地址分配参数 69
表5.13 各节点地址预判 70

注释表
WSN Wireless Sensor Network，无线传感器网络
CSMA/CA Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance，载波侦听多点接入/冲突检测
PHY Physical Layer，物理层
MAC Medium Access Control Layer，媒体介入层
NWK Network Layer，网络层
APL Application Layer，应用层
IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers，电气电子工程师协会
ACR Address-Centric Routing，以地址为中心的路由
DCR Data-Centric Routing，以数据汇聚为中心的路由
DEANA Distributed Energy-aware Node Activation
TRAMA Traffic Adaptive Medium Access
DIFS Distributed Inter Frame Space，分布式帧间间隔
SIFS Short Interframe Space，短帧间间隔
NAV Norton AntiVirus，虚拟载波
WPAN Wireless Personal Area Networks，无线个域网
GTS Guaranteed Time Slot，槽保障机制
CAP Contention Access Period，信道竞争期
CFP Contention Free Period ，非信道竞争期
ED Energy Detection，能量检测
CS Carrier Sense，载波检测
CCA Clear Channel Assessment，空闲信道评估
CRC Cyclic Redundancy Check，循环冗余检测
UHF Ultra High Frequency，超高频
WOR Wake-On-Radio，无线唤醒
RMS Rate Monotonic Scheduling，单调速率调度

第1章 绪论
1.1 研究背景
在微电技术和无线通信技术日益发展的今天，人们越来越关注由大量具有计算能力和通信能力的传感器节点无线连接构成的无线传感器网络(WSN)[1]。各种新式多样、易携带的传感器设备组成强大的无线传感器网络，实现了自动化的监测和控制，使人们在办公室、家或者路上就能获取大量详实、可靠的信息。利用这样的优势，无线传感器网络在军事、环境、家居、智慧楼宇等领域发挥着不可小觑的作用。无线传感器网络中的各种技术已经成为学者们研究的热点，具有很大的发展前景。
在许多应用中，传感器设备通常需要部署在偏僻的野外或者条件恶劣且无人值守的环境下，这就需要传感器节点能单独长时间依靠电池工作。为了尽可能的延长网络生命周期，研究如何实现无线传感器网节点的低功耗显得十分必要。有研究发现无线节点将大部分能量用于无线收发，而传感器节点在不收发送数据或者休眠时消耗的能量却不多[2]。因此合理控制网络节点的工作时间，减少空闲侦听、信道扫描的次数就可以直接降低传感器节点的能量消耗，从而延长整个网络的使用寿命。
无线传感器网络协议栈是无线传感器网络节点之间协调合作的桥梁[3]。协议栈规范了节点之间如何共享无线信道、实现数据交互、避免和发现差错等。如果没有无线传感器网络协议栈的支持，大量随机部署的传感器节点将无法完成网络的自组，不能适应拓扑的动态变化，甚至相互之间也无法进行通信成为信息孤岛。因此对无线传感器网络协议栈进行研究十分必要。随着传感器设备日益先进以及越来越广泛的应用，学者们将更多的关注放在MAC层协议及网络层路由协议的研究上。
目前应用于无线传感器网络的协议种类繁多，由于应用场合的不同各种无线传感器网络协议以及协议栈的关注重点也不同[4]。本文以低功耗为设计准则，在综合考虑和分析主流无线网络协议以及协议标准的基础上，设计出一种适合于课题要求的环境测控系统下的无线传感器网络协议栈。
1.2 国内外发展现状
1.2.1 国外发展现状
无线传感器网络最早的应用需求是军事领域，梅隆大学在美国国防先进研究项目局DARPA的资助下成立了分布式无线传感器网络工作组，主要研究如何在军事上使用无线传感器网络[5]。从上世纪开始，以美国为首的许多国家在无线传感器网络研究上投入了大量资金。2002年，英特尔公司发布了“基于微型传感器网络的新型计算发展规划”，这项规划的实施包括三个阶段：物理阶段（主要开发集成感知、计算和通信功能的超微型传感器）、实现阶段（在实际的商务中用传感器网络感知数据）以及应用阶段（将传感器网络应用于预防医学、环境监测和灾害对策等领域）[6]。2003年，美国自然科学基金委员会制定了针对WSN的研究计划，并在加州大学成立了研发中心。这个研发中心研发了一种不依赖于网络拓扑的分布式无线传感器网络。在日本，东京大学的泛在网络工作实验室(UNL)利用小型无线终端传感器构筑网络，主要进行适合泛在环境的传感器的网络应用和网络管理研究[7]。近几年，ZigBee Alliance制定的ZigBee协议栈由于低功耗、组网容易等特点得到了各行各业的积极推广，国外各大厂商都相继推出了以ZigBee为标准的无线芯片和传感器模块，这使得ZigBee几乎成为了众多无线传感器网络协议栈中的标杆。
在国外，除了高等学府的研究外，Dust Networks公司发布了用于与互联网协议无缝连接的无线传感器网络应用SmartMesh IP[8]，Crossbow Technologies推出的“智能尘埃-Mote”[9]已被投入到各种领域使用。
1.2.2 国内发展现状
我国针对WSN的研究也紧随国际的脚步，2001年，中科院成立了微系统研究与发展中心，旨在整合中科院和各大高校资源，共同推进传感器网络的研究。上海市在早期就部署了大量的传感器网络课题，并与中科院上海微系统所一起组建了传感网产学研上海联盟。目前以清华大学、国防科技大学为代表的各大高校已经开始了对传感器网络的研究。除高效外，中国移动、华为、中兴、等大型企业也加入了研究行列，并研发和生产了无线传感器网络的相关设备。2009年首届国际无线传感器网络标准化大会暨ISO/IEC JTC1传感器网络工作组第一次会议(1st ISO/IEC JTC1 Study Group on Sensor Networking Meeting)在中国开幕，我国代表团向大会提交了《传感器网络标准体系框架》和《传感器网络系统构架》等8项技术报告。2014年11月，在日本东京召开的国际电工委员会正式发布了IEC白皮书《物联网：无线传感器》，它是由我国提交的第一版草案为基础完成的，这表明我国在无线传感器领域的研究已经处于国际前列。
1.3 论文研究的意义和目的
本课题来源于研究生校企合作项目：“ESN智慧节能系统”，该项目的主要内容是研究和设计应用在环境监测系统中的无线传感器网络，包括网络节点的设计开发和网络协议栈的设计。协议栈是无线传感器网络合理运作的关键技术，因此本文的研究和设计十分有必要。
本文的研究目的是在对无线传感网络技术和环境监控系统协议栈进行需求分析的基础上，结合通用的无线协议栈标准，设计一种周期性采集环境数据的低功耗无线传感器网络协议栈。
设计协议栈的目的是为了解决以下问题：
1.目前商用的无线传感网络协议栈运行机制复杂，这会阻碍具有特殊需求的小型无线传感器网络实现低功耗的目标，因此在设计过程中需根据要求简化协议栈功能。
2.目前现有的无线传感器网络协议栈数据包长且帧格式复杂，设计过程中应考虑缩短帧总长度，减少帧类型。
3.根据设备类型和网络结构，考虑如何解决多节点共享信道的数据包冲突问题以及如何实现网络低功耗。
1.4 论文主要研究内容
本文的研究内容是：基于项目背景是设计应用于环境测控系统的无线传感器网络协议栈。协议栈的设计以低功耗为准则，网络层和MAC层是设计的重点。本文围绕设计目标展开了以下几个方面的研究：
1.无线传感器网络的基本概念及基本结构，包括无线传感器网络的特点、应用和实现低功耗的方法。
2.无线传感器网络协议栈关键技术，包括目前已商用协议栈的结构、各层功能划分和协议节能相关技术。
3.IEEE802.11和IEEE802.15.4两种标准下的MAC层，主要是基于两种标准下的信道接入机制和防冲突退避机制。
4.无线树形网络组网以及路由算法，主要包括ZigBee簇树形网络的地址分配、消息寻址方式和网络差错控制等。
基于以上研究内容，本文的主要成果有：
1.设计了一种具有微功耗、短距离、编码简单、信道传输可靠特点的无线传感器网络协议栈。它适用于由终端节点、中继节点、汇聚节点形成的簇树型网络拓扑的环境测控无线传感器网络。
2.结合IEEE802.11与IEEE802.15.4的MAC层标准，设计出了一种基于CSMA/CA的自适应休眠机制，使节点根据邻居调整休眠时间，减少信道竞争的几率，从而降低功耗。
3.根据Cluster-Tree路由算法设计了节点邻居表以及路由表，并在地址分配的基础上提出了一种地址回收机制，避免了网络节点地址空间的浪费。
4.根据已实现的功能，从功耗、可靠性以及分配地址功能方面对无线传感器协议栈进行测试和验证。
1.5 论文章节安排
本文一共分为六章，其组织结构如下：
第一章为绪论，主要介绍了本课题的研究背景、无线传感器网络的国内外发展现状，以及本文的主要研究内容。
第二章概述了环境测控无线传感器网络和无线传感网络协议栈的结构、特点，并分析了三种商用无线传感器协议栈，研究了无线传感器网络能耗受限的原因，总结了当前无线传感器网络中用以降低功耗的策略和方法。
第三章首先对环境测控系统进行了需求分析，选择了网络的拓扑结构，并给出适合该系统的协议栈分层结构。然后研究和选择了网络层和MAC层的关键技术。
第四章是在第三章总体架构的基础上对低功耗环境测控网络协议栈进行的详细设计，包括：各层的数据帧格式，物理层的硬件平台选择，MAC层的信道接入机制、差错控制和休眠唤醒机制，网络层的组网算法、路由算法、差错处理机制以及应用层的状态转移过程。
第五章给出了低功耗环境测控网络协议栈的实现方案以及对已实现功能的测试，测试表明协议栈基本符合课题提出的需求。
第六章是对本文工作的总结，并提出了进一步展望。

第2章 低功耗无线传感器网络及协议栈分析
本文的目标是设计一种应用于环境测控系统中的低功耗无线传感器网络协议栈。第二章首先概述环境测控无线传感器网络并分析其网络结构和特点；然后，对无线传感器网络协议栈的分层结构进行研究，同时比较了三种适用于环境领域下的商用无线传感器协议栈；最后，针对应用环境的特殊性总结了能耗产生的原因，以及有效的无线传感器网络节能相关技术。
2.1 环境测控无线传感器网络介绍
环境测控网络是典型无线传感器网络的一种应用实例，本文在分析这种实例之前首先介绍典型的无线传感器网络结构[1]，如图2.1所示。

图2.1 无线传感器网络体系结构

如上图所示，在监测区域，大量的传感器节点按需部署，通过一定的组网规则和通信方式构成无线网络。当监测区域较大时，传感器所监测到的数据通常需要依靠其他传感器节点或者设置中继节点转发信息，再由互联网、卫星等传统网络到达管理节点。在小型的传感器网络中，管理节点也能替代汇聚节点直接收集数据，这样的管理节点往往是类似PC、手机、PAID等人机交互设备，用户可以直接面向这些设备配置和管理网络中的各个传感器节点[10]。
2.1.1 无线传感器网络的应用
作为当今信息领域的研究热点，无线传感器网络在网络协议、拓扑控制、时间同步、加密、定位等关键技术衍生出不同的应用领域。
1.军事领域。由于无线传感器节点具隐蔽性强、自组织性好、容错性强等的特点，因此最早应用于军事领域。该领域的传感器能够实现及时反馈战局情况、快速锁定敌军目的等功能[11]。
2.环境领域。无线传感器网络具有低成本、随机分布、规模大等优点，为环境科学监测提供了便捷，如气象地理、自然灾害、农田农场管理、动物迁徙等方面的监测和预警。
3.医疗领域。微型的无线传感器节点可以被应用到需要长期监护的病人身上以及药物的自动管理系统中。此应用领域可以实现远程医疗，因而在医疗领域潜力十足。
4.智慧楼宇和智能家居。利用传感器节点监测室内的湿度、温度、空气质量、门窗开合状况等信息不仅能降低空调、电暖产生的能耗，还能提高居住者的舒适度。目前各大公司纷纷推出独特的智慧生活方案，使得智能家居技术已经趋于成熟。
5.运输领域。在物流运输过程中，传感器可以安置在货物中，以便对目标货物进行精确跟踪或对库存货物进行方便管理。
随着传感器网络关键技术的逐渐成熟，它将被应用到更多领域，给人们带来更多如今无法想象的便捷。