基于tinyos的无线传感器 第一章：绪论

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§1.1 协议开发的背景及意义
       本文要介绍的是无线传感器网络（WSN）里一种路由协议的设计与实现，该路由协议的开发属于苏州中科集成电路设计中心（苏州中科）在孵项目，苏州中科RF项目组的三个课题组之一——无线传感器网络组的一个研究方向。无线传感器网络小组主要研究无线传感器网络应用系统、路由协议开发、mac层协议开发、超宽带(UWB)以及数据融合等方向。
    无线传感器网络作为一个新兴的领域，吸引了国内外众多科研单位和学者对其各方面进行深入的研究。无线传感器网络涉及到的学科很多，应用到的领域也很广，路由协议是其中非常重要的一个方向。无线传感器网络可以看作是一种ad hoc网络，它支持点对点通信和数据的多跳传播。但是，无线传感器网络与一般的ad hoc网络又有所不同，它所应用的环境更加复杂，传感器节点本身的功能简单，节点的部署更加密集，拓扑结构更容易变化，这就要求无线传感器网络不能使用传统的ad hoc 网络里的路由协议。
    应用于无线传感器网络的路由协议是与应用紧密相关的，不同的应用对数据传输的要求不同，对能量的限制不同，对网络延迟的要求也不同。比如：应用于军方侦察敌方目标区域环境参数的无线传感器网络要求数据传输的可靠性高，要对大量数据进行融合计算提取有用信息。另外，由于不方便或不可能更换传感器节点的电池，要求无线传感器网络的生命周期尽可能的长，这就要平衡网络负载，在选路过程中均衡节点能量的使用，避免出现部分节点由于过度使用而出现节点失效，导致整个网络存在不能到达的网络空洞。
    路由协议的好坏直接影响着无线传感器网络的整体性能，况且在无线传感器网络中，路由协议与应用类型关系密切。不同应用对传感器网络性能的侧重面不同，没有任何一种路由协议可以适用于所有环境。这种情况下针对不同类型的应用开发相应的路由就显的特别重要，国内外对于无线传感器网络路由协议的研究也是非常的热门。无线传感器网络可应用于军方、民用以及外太空探索等多种领域，应用前景非常广阔，它一出现就在科技界激起了很大反响。目前国际市场和国内市场正在逐渐产生无线传感器网络的产品和应用，比如传感器网络先锋公司——Crossbow公司生产的MPR系列的传感器节点以及提供的家庭解决方案等，我国深圳先进技术研究院正在进行解决煤矿安全的项目，宁波中科也已经自行研发出了无线传感器网络软硬件产品：gains系列节点以及配套的操作系统gainsOs。
优化配置无线传感器网络中的资源，适应网络拓扑的动态变化，没有相应的路由协议是不可能做到的。随着无线传感器网络应用的范围日益扩展，和具体应用紧密相关的路由协议的研发就显的越来越重要，对路由协议的研究对发挥无线传感器网络的整体性能，提高应用效率起着非常重要的作用。路由协议以及下层mac层和物理层协议的研发水平从一定程度上决定了无线传感器网络的研发水平，它们在一定程度上决定了无线传感器网络的整体性能。
§1.2无线传感器网络概述
微电子技术、计算机技术和无线通信技等技术的进步，推动了低功耗多功能传感器的快速发展，使其在微小体积内能够集成信息采集、数据处理和无线通信等多种功能。无线传感器网络（wireless sensor network, WSN）就是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统，其目的是协作地感知、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。人们可以通过传感器网络直接感知客观世界，从而极大地扩展现有网络的功能和人类认识世界的能力。美国商业周刊和MIT技术评论在预测未来技术发展的报告中，分别将无线传感器网络列为21世纪最有影响的21项技术和改变世界的10大技术之一。无线传感器网络、塑料电子学和仿生人体器官又被称为全球未来的三大高科技产业。
早在上世纪70年代，就出现了将传统传感器采用点对点传输、连接传感控制器而构成无线传感器网络雏形，我们把它归之为第一代无线传感器网络。随着相关学科的不断发展和进步，无线传感器网络同时还具有了获取多种信息信号的综合处理能力，并通过与传感控制器的相联，组成了有信息综合和处理能力的传感器网络，这是第二代传感器网络。而从上世纪末开始，现场总线技术开始应用于传感器网络，人们用其组建智能化传感器网络，大量多功能传感器被运用，并使用无线技术连接，无线传感器网络逐渐形成。
无线传感器网络起源于1994年加州伯克利分校的William Kaiser提交的“Lol Power Wireless Integrated Microsensors”研究计划书。该计划书提出了MEMS微小节点的概念模型，描述了极具想象力的应用背景。
在无线传感器网络的研究初期，人们一度认为成熟的Internet技术加上Ad-hoc路由机制对传感器网络的设计是足够充分的，但深入的研究表明:传感器网络有着与传统网络明显不同的技术要求。无线传感网络具有如下特点：
（1）资源受限(Resource Constrain) 传感器节点是微型嵌入式设备，它的价格要求非常低廉，因而造成它的处理能力、存储能力、通信带宽和携带的能量都非常有限，特别是为每个传感器节点供电的电源能量有限，通常不易或无需更换，节省能量成了无线传感器网络系统设计中的重要目标。
（2）自组织(Self- Organized) 无线传感器网络系统更适合于人不能或不宜到达的地域，节点的部署采用非人工、随机方式实施。无线传感器网络系统可以通过一套合适的通信协议保证网络在无人干预的情况下自动组网，自动运行。在节点失效等问题出现的情况下，系统能自动调整，实现无人值守。
    （3）以数据为中心(Data - Centric) 传统网络是以IP为中心的网络，每个节点拥有全网唯一的IP地址，数据转发以目的节点的IP为依赖。在无线传感器网络中，节点没有IP地址，是以数据为中心的网络，它关心的是数据本身，如事件、时间和地点，而并不关注数据是由哪个节点采集。
    （4）与应用相关(Application一Related) 无线传感器网络系统与应用密切相关，不同的应用背景，无线传感器网络的设计具有差别，甚至完全不同。
§1.3 无线传感器网络体系结构
⒈ 传感器网络结构

    近几年，针对无线传感器网络路由协议的研究相对于传统的无线通讯路由协议吸引了更多人的研究视线，使路由协议的研究经历了从传统On-Demand路由机制到Data Driven 路由机制两个阶段，出现了洪泛、谣传、定向扩散等很多种不同类型的路由协议，最近几年又出现了把zigbee 协议应用于传感器网络的新热门。随着无线传感器网络各项技术的不断进步，路由协议的研究也将逐步走向成熟，好的路由算法将不断产生和更新。

传感器网络结构（如无特殊说明，“传感器网络”即指“无线传感器网络”）如图1-1所示，传感器网络系统通常包括传感器节点（sensor node）、汇聚节点（sink node）和与用户交互的管理节点。大量传感器节点采集到的信息通过其他节点逐跳发送给汇聚节点。在这个过程中，其他节点可能要运行路由算法寻找最近或耗能最少的路径；转发信息的同时，对要转发的数据进行必要的数据融合，进行信息的提取，以减少要发送的信息量，减少网络流量。汇聚节点收到发回的信息包后，提取出“感兴趣”的消息，提交给管理节点。用户通过管理节点与整个网络进行交互，比如：数据查询，远程控制节点的行为，对处于不同网格中的节点进行任务布置。下面是一个利用数据管理工具通过管理节点查询数据的例子：


图1-2所示是一种针对无线传感器网络的数据管理工具tinydb，集成在嵌入式操作系统tinyos中，对于tinyos第三章中会有介绍，暂且不做介绍。Tinydb 是一种数据库管理工具，用于实时查询传感器网络中的各种传感器信息，也可以以命令的模式与网络交互，通知传感器节点把信息放在本地存储设备，等需要时再统一传送。这个例子是查询采集到的光照信息，指定ID号为2的节点（在试验用的无线传感器网络中每个传感器节点有一个唯一的ID号，汇聚节点的ID号为0，其他节点从1开始）把采集的信息发送回汇聚节点。图1-3是节点ID号为2的节点发送回来的信息内容显示。由于传感器对光的敏感度较高，用手遮一下便有了中间那个凹槽。利用tinydb可以定时采集传感器数据，对采集到的数据进行求平均值，最大值等等运算，还可以设置节点的采集频率等功能。


2． 传感器节点构成
组成传感器网络的节点，通常是一个微型的嵌入式系统。目前这方面做的比较出色的有美国的Crossbow 公司的MPR系列节点，宁波中科做的gains系列节点。他们生产的节点的共同之处是采用处理能力、存储能力都不强的微控制器，通信能力相对较弱的通信芯片，以及一个外置或内置的微型天线来架构节点。比如Crossbow公司的mica2节点以及宁波中科的gains3节点，都采用Atmel公司的Atmega128微控制器作为处理器，Chipcon 公司的cc1000芯片作为收发器。
从逻辑上划分，传感器节点由传感器模块、处理器模块、无线通信模块和能量供应模块四部分组成，如图1-4所示。传感器模块把监测区域内采集到的信息经过数模转换变成数字信息交给处理器；处理器模块控制整个传感器节点的运作，存储和处理本身以及其他节点转发来的数据；无线通信模块负责与其他传感器节点进行无线通信，交换各种控制信息和采集到的数据；能量供应模块为传感器节点提供所需的能量，所采取的供能方式一般采用微型电池。


⒊ 传感器节点的约束条件
1、电源能量有限
由于传感器体积很小，携带的电源所带的电量十分有限。目前出现
的节点多数使用普通化学电池或者纽扣电池，比如crossbow 公司的mica2节点和mica2dot节点分别使用5号普通电池和锂电池。由于传感器网络本身节点多、成本低、应用环境复杂等特点，对于电源的要求也十分苛刻。随着微电子技术、计算技术和无线通信等技术的进步，传感器节点会变的越来越小，这样电源本身也要求体积尽量小，这样就使得每个传感器节点能携带的能量十分有限。有些应用会把节点部署在一些人员不能到达的地区，更换电源几乎是不可能的。为了让网络长时间不间断地工作，需要在协议，调度，能量管理诸多方面的精心设计。当然，高容量燃料电池和太阳能电池应用是提高传感器网络节点续航能力的重要方向。如何能高效使用确定的能量来维持最大的网络生命周期是传感器网络里非常重要的一个课题。
2、通信能力不强
由于受能量限制和网络覆盖区域大的限制，传感器节点尽可能减少
单跳通信距离。一般而言，传感器节点的无线通信半径在100m以内比较合适。
3、计算存储能力有限
传感器节点采用存储能力和计算能力较弱的微处理器作为其中央处
理单元，因为它要求功耗低、价格低廉。为了完成各种任务，传感器节点需要完成监测区域数据的采集、转换、数据的管理、节点控制等工作。
如何能高效的利用有限的计算资源和存储资源完成诸多协同任务成为传感器网络设计的挑战。
   4.微型化加剧信号窜扰
    无线传感器网络节点是一个多功能，数模混合的射频电路集成设备。无线射频与传感器模拟，数字电路非常容易相互干扰。这种矛盾在实现多功能芯片设计时更为突出。
§1.4 传感器网络的协议栈
随着传感器网络的深入研究，目前提出了多个传感器节点上的协议栈。这里就拿伯克利大学开发的tinyos系统中实现的协议栈为例进行说明，后面要设计和实现的路由协议也是在这个基础上进行的。



在tinyos系统中实现的网络协议栈，把各个模块用单独的组件实现，比如mac层模块有单独的组件来完成它的各个功能，向上层提供sendMsg（）和recieveMsg（）接口供路由层使用，路由层模块也实现成独立的组件，使用AM层的收发接口完成消息的收发，同时提供给上层收发接口以及用于数据融合等数据处理的Intercept（）接口和snoop（）接口。其中AM（Active Message）模块是主动消息模块，它负责和mac层进行数据交互，属于承接MAC层和上层协议的一个中间模块。由于在无线传感器网络里进行传输的消息有很多种类型，比如有的是消息包里放的是采集的数据，有的是从控制节点发送过来的控制信息，有的是节点更新路由表的选路信息等。为了识别这些不同类型的消息，在消息包格式种定义一个无符号单字节的数据类型type来标识不同类型的消息，AM层根据消息类型提交到相应的处理接口。主动消息可以使消息的处理异步执行，把下层实现屏蔽起来，为上层提供基本的、一致的通信原语，便于协议的替换，适合无线传感器网络这种网络协议与具体应用结合紧密这种情况。
路由层负责寻找传送消息的最佳路径，它通过mac层提供给它的信息和通过广播选路信息得到的信息，建立和更新路由表。它提供给上层send（）和receive（）接口用于消息的收发，Intercept()和snoop()接口用于数据融合等数据处理。传输层负责数据流的传输控制，是保证通信服务质量的重要部分。现在虽然在图1-5中把传输层列了出来，实际却没有实现。实际上应用层直接使用路由层或主动消息层。PHP层即物理层提供健壮的信号调制和无线收发技术，它直接与收发模块即射频模块RFM交互。
§1.5 无线传感器网络的研究进展
虽然本文主要研究的是无线传感器网络中的路由协议，但是路由协议与无线传感器网络其他方面的技术紧密关联，路由协议的研究是随着对无线传感器网络整体的研究开展起来的。因此有必要介绍一下传感器网络的研究状况。传感器网络起步于20世纪90年代末期。从21世纪开始，传感器网络引起了学术届、军界和工业界的极大关注，美国和欧洲相继启动了许多关于无线传感器网络的研究计划。特别是美国通过国家自然基金委、国防部等多种渠道投入巨资支持传感器网络技术的研究。
1、军事领域
美国陆军2001年就提出了“灵巧传感器网络通信”计划，在2001-2005财政年度期间批准实施。其基本思想是：在战场上布设大量的传感器以收集和传输信息，并对相关原始数据进行过滤，然后再把那些重要的信息传送到各数据融合中心，将大量的信息集成为一幅战场全景图。当参战人员需要时可以分发给他们，使其对战场态势的感知能力大大提高。
美国陆军近期又确立了“无人值守地面传感器群”项目,其主要目标是使基层部队指挥员具有在他们所希望部署传感器的任何地方灵活地部署传感器的能力.该项目是支持陆军“更广阔视野”的3个项目之一。
美国陆军最近还确立了“战场环境侦察与监视系统”项目.该系统是一个智能化传感器网络,可以更为详尽、准确地探测到精确信息,如一些特殊地形地域的特种信息(登陆作战中敌方岸滩的翔实地理特征信息,丛林地带的地面坚硬度、干湿度)等,为更准确地制定战斗行动方案提供情报依据。它通过“数字化路标”作为传输工具,为各作战平台与单位提供“各取所需”的情报服务,使情报侦察与获取能力产生质的飞跃.该系统组由撒布型微传感器网络系统、机载和车载型侦察与探测设备等构成。
美国海军展开的“传感器组网系统”研究项目.传感器组网系统的核心是一套实时数据库管理系统.该系统可以利用现有的通信机制对从战术级到战略级的传感器信息进行管理,而管理工作只需通过一台专用的商用便携机即可,不需要其他专用设备.该系统以现有的带宽进行通信,并可协调来自地面和空中监视传感器以及太空监视设备的信息。该系统可以部署到各级指挥单位。
美国海军部署的的网状传感器系统CEC(cooperative engagement capability)是一项革命性的技术.CEC是一个无线网络,其感知数据是原始的雷达数据.该系统适用于舰船或飞机战斗群携带的电脑进行感知数据的处理。每艘战船不但依赖于自己的雷达,还依靠其他战船或者装载CEC的战机来获取感知数据。例如,一艘战舰除了从自己的雷达获取数据以外,还从舰船战斗群的20个以上的雷达中获取数据,也可以从鸟瞰战场的战机上获取数据。空中的传感器负责侦察更大范围的低空目标,这些传感器也是网络中重要的一部分。利用这些数据合成图片具有很高的精度.由于CEC可以从多方面探测目标,极大地提高了测量精度。利用CEC数据可以准确地击中目标.CEC还可以快速而准确地跟踪混乱战争环境中的敌机和导弹,使战船可以击中多个地平线或地平线以上近海面飞行的超声波目标。因此,即使是今天最先进的反舰巡航导弹也会被实时地监测到并被击中。
美国海军最近开展的协同交战能力(cooperative engagement capability, CEC)是一项革命性技术。CEC的实质就是把高性能传感器网络与高性能交战网络有机地结合起来。高效的传感器网络能快速生成交战质量的态势信息，交战网络则可把这一态势信息转化为更高的作战能力。
2、民用领域
美国交通部1995年提出了“国家智能交通系统项目规划”，预计划
到2025年全面投入使用。该计划试图有效集成先进的信息技术、数据通信技术，传感器技术，控制技术及计算机处理技术并运用于整个地面交通管理，建立一个大范围全方位的实时高效的综合交通运输管理系统。这种新型系统将有效地使用传感器网络进行交通管理，不仅可以使汽车按照一定的速度行驶，前后车辆自动保持一定的距离，而且还可以提供有关道路堵塞的最新消息，推荐最佳行车路线以及提醒驾驶员避免交通事故等。
   
2002年10月24日,美国英特尔公司发布了“基于微型传感器网络的新型计算发展规划”.今后,英特尔将致力于微型传感器网络在预防医学、环境监测、森林灭火乃至海底板块调查、行星探查等领域的应用.实现该计划需要3个阶段,即物理阶段、实现阶段和应用阶段.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(也被称作尘粒(MOTE)或智能微尘(smart dust)).实现阶段将在实际商务中使用来自传感器网络的感知数据.应用阶段将应用传感器网络于预防医学、环境监测及灾害对策等领域.英特尔研究中心伯克利实验室和大西洋学院的研究人员计划部署和使用无线传感器网络来研究岛上环境.这些传感器由温度、湿度、气压等芯片和红外线传感器组成.科学家们使用这些设备可以在不干扰野生动植物正常生活的情况下监视它们及其生存环境.

    2006年6月，中国科学院计算技术研究所与内蒙古信息化办公室合作，开展“面向煤矿安全生产的无线传感器设备”项目。该项目的目标是解决目前煤矿居高不下的意外事故的防范。方法是在煤矿里布置无线传感器网络，传感器节点实时监测煤矿里瓦斯等气体的指标，一旦发现有安全隐患，立即报警，后台服务系统产生相应的处理方案。通过联网，可以把一个地区甚至整个中国的煤矿通过互联网连接起来，集中监测。目前深圳先进技术研究院也在进行煤矿、医疗的传感器网络项目。
3、科研机构
美国自然科学基金委员会2003年指定了无线传感器网络研究计划，
在加州大学洛山矶分校成立了传感器网络研究中心，联合周边的加州大学伯克利分校、南加州大学等，展开“嵌入式智能传感器”的研究项目，以求利用传感器网络对我们的生活的物理世界实现全方位的测试与控制，支持相关基础理论的研究。
    此外，欧洲及亚洲的很多大学也开始这方面的研究。如：新加坡国立大学（NUS）的无线传感器网络实验室也在从事无线传感器网络方面的研究。
    特别是2000年以后，微型传感器网络技术的研究进入蓬勃发展时期，随着专业的微型传感器网络芯片的推出以及硬件体系结构的逐步稳定，无线传感器实用节点硬件逐渐从大学和研究所转向公司研发生产。Crossbow、MoteIV
等一批以传感器网络节点为产业的公司为大家所熟知。他们的产品mica2 、micadot、micaz、 telos 为众多的研究机构搭起了硬件平台。方便的开发平台使大部分研究机构得以大规模组网研究。

     国内的无线传感器网络技术起步稍晚，我国中科院上海微系统所从1998年开始对无线传感器网络进行跟踪和研究，用系统集成的方式完成了一些终端节点和基站节点的研发。中科院电子技术研究所和沈阳自动化所也分别从传感器技术和控制技术两种技术角度研究节点设计。浙江大学现代控制工程研究所成立了“无线传感器网络控制实验室”专门从事传感器网络的分布自治系统关键技术及协调控制理论方面的研究。此外，软件研究所、计算所、电子所、自动化所和合肥智能技术研究所等科研机构，哈尔滨工业大学、清华大学、北京邮电大学、西北工业大学、天津大学和国防科技大学等院校在国内较早开展了传感器网络的研究，在传感器网络方面进行了大量的工作。