随着芯片技术、通信技术和传感技术的飞速发展，目前传感技术正迈入无线传感器网络新时代。这种网络由大量集成有传感器、数据处理单元和无线通信模块的微小代写硕士论文节点组成，通过自组织方式构成网络，借助于节点中内置形式多样的传感器，可以将所在周边环境信号，通过网络方式及时有效地传输到信息接收端，极大提高了传感器监测面积和性能，提高了监测网络可靠性和生存性，可以被广泛地应用于国防军事、国家安全、环境监测、交通管理、医疗卫生、制造业、反恐抗灾等领域。
然而，由于节点靠电池供给能量，而又不易对如此众多的节点更换电池，节省能耗延长网络生命期就成为了无线传感器网络的关键；因此，设计低能耗的无线传感器网络技术，对于无线传感器网络实用化具有非常重要的意义。
根据对节点部件的分析，发现其能耗主要来源于传感、无线传输以及数据处理三个操作，而无线传输能耗远远超过其他两项操作需要重点考虑。另一方面，无线传感器网络各项技术，如网络路由技术，分布式信息处理技术都需要无线传输，因此，无线传输技术被公认为其余各项技术的基础，其性能好坏直接影响到其余技术设计，因此，本文首先对无线传感器网络的能耗特点进行分析，对比了现有的节能技术，之后以无线传感器网络中的无线传输技术作为切入点，重点对802.15.4标准的MAC子层进行了研究。进而提出了一种基于时钟同步机制的低功耗改进策略，并进行了实验论证。
关键字：无线传感器网络，IEEE802.15.4/ZigBee协议，NesC语言 Abstract
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1 绪论 6 1.1概述 6
1.2 无线传感器网络的国内外发展现状 7 1.2.1 国外现状 7 1.2.2 国内现状 8
1.2.3 无线传感器网络的应用 8
1.3 基于IEEE802.15.4/ZigBee的无线传感器网络简介 10 1.4 本文的工作和组织结构 10 2 无线传感器网络简介 11 2.1 无线传感器网络的概念 11 2.2 无线传感器网络的特点 12 2.3 无线传感器网络的体系结构 13 2.3.1 无线传感器网络节点组成 13 2.3.2 典型无线传感器网络体系结构 14 2.4 无线传感器网络中的各层协议 14 2.4.1 物理层和数据链路层 14 2.4.1.1 物理层 14 2.4.1.2 数据链路层 15 2.4.2 网络层 16
2.4.2.1 平面路由协议 16 2.4.2.2 层次化路由协议 17
2.4.3 传输层和应用层 17
2.5 无线传感器网络的关键技术 17 2.5 无线传感器网络能耗特点分析 20 3 IEEE802.15.4/ZigBee标准 22 3.1 概述 22
3.1.1 IEEE802.15.4/ZigBee协议框架 23 3.1.2 IEEE802.15.4/ZigBee网络拓扑 25 3.1.3 关键概念 25 3.1.3.1 通信原语 25 3.1.3.2 数据单元 26
3.2 IEEE802.15.4/ZigBee网络层 26 3.2.1 网络层数据实体（NLDE） 27 3.2.2 网络层管理实体（NLME） 27 3.3 IEEE802.15.4/ZigBee应用层 28 3.3.1 应用支持子层（APS） 28
3.3.1.1 应用支持子层数据实体（APSDE） 29 3.3.1.2 应用支持子层管理实体（APSME） 29 3.3.2 应用层架构（AF） 29
3.3.3 ZigBee设备对象（ZDO） 29 3.4 IEEE802.15.4-2003 30
3.4.1 IEEE802.15.4-2003 PHY层 30 3.4.2 IEEE802.15.4-2003 MAC层 31 3.4.2.1 超帧结构 32
3.4.2.2 CAP（竞争接入周期） 33 3.4.2.3 CFP（无竞争周期） 33
3.4.2.4 IFS（Inter-Frame Space） 33 3.4.2.5 GTS（Guaranteed Time Slot） 34 3.4.3 小结 35
4 35
4.1 DMTS同步机制 35 参考文献 36 论文发表情况 37
1 绪论 1.1概述
近几年，随着无线通信技术的高速发展，以其作为基础的其他相关网络技术也应运而生。例如无线局域网在近几年已经成为炙手可热的网络技术之一，在PDA、手机上有了广泛的应用。无线传感器网络（Wireless Sensor Networks缩写为WSNs）同样使用无线技术，是随着传感器技术、嵌入式计算技术、现代网络及无线通信技术的发展而出现的一个新的研究领域。它实现了全新的信息获取和处理方法。传感器网络的结合可以随机或者特定地布置在目标环境中，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信息并且相互协同工作完成特定任务。传感器网络被认为是21世纪最重要的技术之一，它将会对人类未来的生活方式产生深远影响。2003年2月份的美国《技术评论》杂志（《Technology Review》）评出对人类未来生活产生深远影响的十大新兴技术，传感器网络被列为第一。
无线传感器网络（WSNs）主要用来监测一些物理状况的改变，如温度、湿度、声音、压力、气温等。利用无线传感器网络散布在监测区域的大面积结点（Sensor Node）收集特定的区域环境数据，利用多跳中继方式将数据传回到一个预先设定的无线传感器结点（Sink），由此结点通过一般网络将数据传到远端控制中心进行信息的分析处理进而做出相应的行动。无线传感器网络应用领域非常广泛，几乎涵盖了所有的与信息采集，环境监测相关的行业应用。如楼宇控制、智能家居、远程医疗、军事情报收集、农业种植环境监测等。
目前的无线传感器网络尚未出现统一的标准，在业界所提出的各种标准协议中，IEEE802.15.4低速个人无线局域网（Low Rate Wireless Personal Area Network，LR-WPAN）是目前最为适应最为认可的标准协议之一。这个标准是由国际标准组织在2003年2月开始制定公布的，目前初步完成了物理层和数据链路层。此标准最初是为了适应低速率、短距离无线数据传输所制定，在无线传感器网络出现后，将此标准应用在其物理层和MAC层。由于该标准并非完全为无线传感器网络所制定，所以仍有很多值得研究和探讨的地方。像如何去避免在网络上传输过多不必要的资料而损耗能量，由于周围环境条件的不确定性造成的资料传输的非可行性，信息广播方式传输时造成的数据冗余和电力消耗等课题。 本文针对目前无线传感器网络所采用的IEEE802.15.4标准协议进行研究。在重点对MAC子层进行研究及分析的基础上，利用Crossbow公司的MOTE KIT2600开发平台上对MAC层进行了优化。
1.2 无线传感器网络的国内外发展现状
无线传感器网络的挑战性也为研究人员提供了广阔的研究空间，在短短几年时间内已经在国内外取得了很大的进展，特别是在国外的很多大学和科研机构。 1.2.1 国外现状
1995年，美国交通部提出了―国家智能交通系统项目规划‖，预计到2025年全面投入使用。该计划试图把先进的信息技术、数据通信技术、传感器技术、控制技术及计算机处理技术有效地集成运用于整个地面交通管理，建立一个在大范围内、全方位发挥作用的，实时、准确、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、前后车距自动地保持一定的距离，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。由于该系统将应用大量的传感器与各种车辆保持联系，人们可以利用计算机来监视每一辆汽车的运行状况，如制动质量、发动机调速时间等。根据具体情况，计算机可以自动进行调整，使车辆保持在高效低耗的最佳运行状态，并就潜在的故障发出警告，或直接与事故抢救中心取得联系[1]。 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机发展规划‖。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、森林灭火及至海底板块调查、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[1]。
在美国自然科学基金委员会的推动下，美国的加州大学伯克力分校、麻省理工学院、康奈尔大学、加州大学洛杉矶分校等学校开始了传感器网络的基础理论和关键技术的研究。英国、日本、意大利等国家的一些大学和研究机构也纷纷开展了该领域的研究工作。
加州大学伯克力分校提出了应用网络连通性重构传感器位置的方法、基于相关性的Sensor数据编码模式、用稀疏传感器网络重构跟踪移动对象路线的方法、传感器网络上随时间变化
的连续流可视化方法、允许系统级优化时有效通信机制的一般化解、传感器网络上的数据分布式存储的地理Hash表方法、确定传感器网络中结点位置的分布式算法等，并研制了一个传感器操作系统TinyOS。
加州大学洛杉矶分校开发了一个无线传感器网络和一个无线传感器网络模拟环境，用于考察传感器网络各方面的问题。他们提出了低级通信不依赖于网络拓扑结构的分布式系统技术、支持多应用传感器网络中命名数据和网内数据处理的软件结构、变换初始感知为高级数据流层次系统结构、传感器网络的时间同步的解决方法、自组织传感器网络的设计问题和解决方法、新的多路径模式等。
东京大学泛在网络工作实验室（UNL）主要以泛在计算为主要研究方向，并对利用小型无线终端传感器构筑网络、泛在环境下的安全、无线传感器网络等进行相关研究。其中在传感器网络方面，主要进行适合泛在环境的传感器网络应用、网络的管理方面的研究。 1.2.2 国内现状
无线传感器网络在国内的研究进步较晚，目前国内的一些科研单位和大学，如清华大学、中国科学院沈阳自动化研究所、哈尔滨工业大学等已经初步开展了研究工作。从总体来讲，国内关于无线传感器网络的研究还处于刚刚起步的阶段，但由于无线传感器网络是一门新兴技术，国内与国际水平的差距并不很大，及时开展这项对人类未来生活影响深远的前沿科技的研究，对整个国家的社会、经济将有重大的战略意义[1]。 1.2.3 无线传感器网络的应用
无线传感器网络在军事领域的应用十分重要，军方可以通过飞机空投等方式在预定区域散布大量微型廉价的传感器节点，通过这些传感器节点实时监测周围环境的变化，并将监测到的数据通过卫星信道等方式发送回基地这样就可以方便地监控我军布防的阵地是否有敌军入侵，也可以将网络布置在敌方阵地上，以隐密的方式监控敌方阵地和敌军活动情况。 虽然无线传感器网络最初主要应用于军事领域，但是随着技术的发展，传感器节点的成本越来越低而功能却日益强大，使得以前造价昂贵的无线传感器网络现在已经能够进入民用领域。现在无线传感器网络已经在民用领域中得到了很多应用，越来越多的可能的应用领域也不断展现在人们的面前，毫无疑问在无线传感器网络中隐藏着巨大的商机，无线传感器网络在民用方面的应用主要有： (1) 环境的监测和保护
随着众对于环境问题的关注程度越来越高，需要采集的环境数据也越来越多，无线传感器网络的出现为研究数据获取提供了便利，并且还可以避免传统数据收集方式给环境带来的侵入式破坏。无线传感器网络可以跟踪候鸟和昆虫的迁移，研究环境变化对农作物的影响，监测海洋、大气和土壤的成分等。 在美国，拥有两百多个节点的无线传感器网络已被部署在旧金山的金门大桥。这些传感器节点用于确定大桥从一边到另一边的摆动距离，精度在几英尺之内。当传感器节点检测出移动距离时，它将把该位移数据通过传感器网络中的网关传递到Internet，位移数据最后到达一台数据处理机进行分析。任何与当前天气情况不吻合的异常数据都可能预示着大桥存在隐患。系统将根据这一信息通知工程师对其进行修缮，以确保桥梁始终牌安全状态。 (2) 医疗护理
无线传感器网络也可以应用在医疗研究、护理领域。罗彻斯特大学的科学家使用无线传感器创建了一个智能医疗房间，使用无线传感器来测量居住者的重要征兆（血压、脉搏和呼吸）、睡觉姿势以及每天24小时的活动状况。英特尔公司也推出了无线传感器网络的家庭护理技术。该技术是作为探讨应对老龄化社会的技术项目Center for Aging Services Technologies（CAST）的一个环节开发的。该系统通过在鞋、家具以家用电器中嵌入半导体传感器，帮助老龄人士、阿尔茨海默氏病患者以及殘障人士的家庭生活。利用无线通信将各传感器联网
可高效传递必要的信息从而方便接受护理。而且还可以减轻护理人员的负担。英特尔主管预防性健康保险研究的董事Eric Dishman称：―在开发家庭用护理技术方面，无线传感器网络是非常有前途的领域‖。 (3) 工业控制及监测
现代化的生产车间以及厂房、仓库都需要对温度、压力、以及其他中设备有关的数据进行监测，利用无线传感器网络可以有效降低成本，提高系统的可靠性。在一些特殊的工业场合如矿井、核电厂等，工作人员可以通过它来实施安全监测。英特尔正在对工厂中的一个无线网络进行测试，该网络由40个传感器节点上的210个传感器组成，这样组成的监控系统将可以大大改善工厂的动作备件。它可以大幅降低检查设备的成本，同时由于可以提前发现问题，因此将能够缩短停机时间，提高效率，并延长设备的使用时间。
另外还可应用到基础设施安全，先进制造，物流管理，智能交通控制，智能能源等。总之无线传感器网络还有很多其他方面的应用，前景无限，这里就不一一列举了。可以肯定的是，随着技术的进步和经济的发展，无线传感器网络必将会越来越多的应用到社会生活的各个方面。
1.3 基于IEEE802.15.4/ZigBee的无线传感器网络简介
IEEE802.15.4/ZigBee协议是由IEEE802.15.4-2003[2]标准的PHY和MAC层再加上ZigBee的网络和应用支持层所组成的。其突出的特点是网络系统支持极低成本、易实现、可靠的数据传输、短距离操作、极低功耗、各层次的安全性等。为了达到极低的设计成本和极低的功率消耗，协议定义了两种相互配合使用的物理设备，全功能设备和消减功能设备： (1) 全功能设备（Full Function Device, FFD），可以支持任何一种拓扑结构，可以作为网络协商者和普通协商者，并且可以和任何一种设备进行通信；
(2) 消减功能设备（Reduced Function Device, RFD），只支持星型结构，不能成为任何协商者，可以和网络协商者进行通信，实现简单。
与物理节点相对应，在IEEE802.15.4/ZigBee网络需要至少一个全功能设备作为网络协商者，终端节点一般使用消减功能设备来降低系统成本和功耗，提高电池使用寿命。另外所有设备必须使用一个64位的IEEE地址；可以使用16位短地址来减少数据包大小；寻址模式可以为网络加设备标识符的星型结构，或者源和目标标识符的点到点结构（包括了簇树和Mesh网络）两种。
物理层的设计是面向低成本和更高层次的集成需求的，对大部分较低端的实现来主，直接序列（Direct Sequence）的应用使用模拟电路变得非常简单，具有更高的容错性能；MAC层的设计不但使得多种拓扑结构网络的应用变得简单，可以实现非常有效的功耗管理，而不需要在很多管理模式之间的切换。MAC层可以使用一种消减功能设备（Reduced Functional Device），由于其结构简单，不需要大量的Flash、ROM和RAM等存储设备，从而保证了较长的电池寿命。MAC还进行了特别的设计，可以支持极大数目的网络节点，而不需要对它们进行包装处理；网络层的设计支持网络规模在空间上增长而不需要使用高功耗的中继器，而且网络层在较少网络负载的条件下可以支持更大数目的网络节点。
基于IEEE802.15.4/ZigBee的无线传感器网络以其突出的特点和应用前景，必将成为今后无线网络发展的一大方向。
1.4 本文的工作和组织结构
本文的主要工作就是对无线传感器网络的技术特点进行分析，掌握它与一般网络的不同之处；对无线传感器网络各层协议进行研究分析，找到制约其应用的难点；重点对目前无线传感器网络MAC层协议的主流标准IEEE802.15.4进行研究分析，并在此基础上，结合Crossbow公司的MOTE KIT2600无线传感器网络开发平台,提出一种基于时间同步机制的改进策略,使整网能耗进一步减少；在TinyOS操作系统中用NesC语言实现这一策略，并进行实验分