目錄

一?無線傳感器網絡簡介

二?無線傳感器網絡體系結構

三?路由協議

四 MAC協議

五 拓撲控制

六 WSN定位技術

七?時間同步

八 協議標準

九 ZigBee硬件平臺

十 NesC語言

十一?TinyOS操作系統

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一?無線傳感器網絡簡介

短距離無線通信特點：通信距離短，覆蓋距離一般為10~200m。無線發射器的發射功率較低，發射功率一般小于100mW。工作頻率多為免付費、免申請的全球通用的工業、科學、醫療頻段。

短距離無線通信技術的概念：指集信息采集、信息傳輸、信息處理于一體的綜合型智能信息系統，并且其傳輸距離限制在一個較短的范圍內。

低成本、低功耗和對等通信是短距離無線通信技術的三個重要特征和優勢。

常見的無線通信技術有IrDA技術、藍牙技術、WIFI技術、RFID技術、UWB技術、Zigbee技術。

以數據傳輸為主要功能的無線網絡技術稱為無線數據網絡。

ALOHA協議是一種使用無線廣播技術的分組交換計算機網絡協議，也是最早最基本的無線數據通信協議。

ALOHA協議分為純ALOHA和時隙ALOHA兩種。

ALOHA技術的特點：原理非常簡單，特別便于無線設備實現。

無線局域網是在各工作站和設備之間，不再使用通信電纜，而采用無線的通信方式連接的局域網。

無線局域網的傳輸媒體主要有兩種：無線電波和紅外線。

根據調制的方式不同，無線電波方式可分為擴展頻譜方式和窄帶調制方式。

擴展頻譜方式是指用來傳輸信息的射頻帶寬遠大于信息本身帶寬的一種通信方式，它雖然犧牲了頻帶帶寬，卻提高了通信系統的抗干擾能力和安全性。

窄帶調制方式是指數據基帶信號的頻譜不做任何擴展即被直接搬移到射頻發射出去，與擴展頻譜方式相比，窄帶調制方式占用頻帶少，頻帶利用率高，但是通信可靠性較差。

紅外線方式最大的有限是不受無線電干擾，且紅外線的使用不受國家無線電管理委員會限制，但是紅外線對非透明物體的透過性較差，傳輸距離受限。

無線個域網是一種與無線廣域網、無線城域網、無線局域網并列但覆蓋范圍較小的無線網絡，是為了實現活動半徑小、業務類型豐富、面向特定群體、無線無縫的連接而提出的新興無線通信網絡技術。

無線自組織網絡是一個由幾十到上百個節點組成的、采用無線通信方式的、動態組的多跳的移動性對等網絡。其目的是通過動態路由和移動管理技術傳輸具有服務質量要求的多媒體信息流。

無線傳感器網絡的主要組成部分是集成有傳感器、數據處理單元和通信模塊的節點，各節點通過協議自組成一個分布式網絡，再將采集來的數據通過優化后經無線電波傳輸給信息處理中心。

傳感器網絡的特點：

大規模網絡

自組織網絡

多跳路由

動態性網絡

以數據為中心的網絡

兼容性應用的網絡

傳感器節點的限制

電源能量有限

通信能量有限

計算和存儲能力有限

拓撲控制是無線傳感器網絡研究的核心技術之一。

傳感器網絡中的拓撲控制按照研究方向可分為：節點功率控制和層次型拓撲結構組織。

無線傳感器網絡最基本的安全機制：機密性、點到點的消息認證、完整性鑒別、新鮮性、認證廣播和安全管理。

時間同步是需要協同工作的傳感器網絡系統的一個關鍵機制。

三個基本的時間同步機制：RBS、TINY/MINI-SYNC和TPSN。

RBS機制是基于接收者-接收者的時鐘同步一個節點廣播時鐘參考分組，廣播域內的兩個節點分別采用本地時鐘記錄參考分組的到達時間，通過交換記錄時間來實現它們之間的時鐘同步。

TINY/MINI-SYNC是簡單的輕量級的同步機制：假設節點的時鐘漂移遵循線性變化，那么兩個節點之間的時間偏移也是線性的，可通過減緩時標分組來估計兩個節點之間最優匹配偏移量。

TPSN采用層次結構實現整個網絡節點的時間同步：所有節點按照層次結構進行邏輯分級，通過基于發送者-接收者的節點對方式，每個節點能夠與上一級的某個節點進行同步，從而實現所有節點都與根節點的時間同步。

基于距離的定位機制：通過測量相鄰節點間的實際距離或方位來確定未知節點的位置，通常采用測距、定位和修正等步驟實現。

根據測量節點間距離或方位時所用的方法，基于距離的定位分為基于TOA的定位、基于TDOA的定位、基于AOA的定位、基于RSSI的定位。

傳感器網絡的數據管理系統的結構主要有集中式、半分布式、分布式以及層次式結構，目前大多數研究工作集中在半分布式結構方面。

傳感器網絡中數據的存儲采用網絡外部存儲、本地存儲和以數據為中心的存儲三種方式。

查詢操作可以按照集中式、分布式或流水線式查詢進行設計。

IEEE 802.15.4標準設計的主要目標是：低功耗、低成本。

傳感器節點兩個突出的特點：并發性密集、傳感器節點模塊化程度很高。

應用層的作用：研究各種傳感器網絡應用系統的開發和多任務之間的協調。

無線傳感器網絡的應用：

軍事應用

智能家居

環境監測

建筑物質量監控

醫療護理

其他方面應用

二?無線傳感器網絡體系結構

無線傳感器網絡是由大量的密集部署在監控區域的智能傳感器節點構成的一種網絡應用系統。

自組織網絡拓撲結構傳感器節點通過局部的數據采集、預處理以及節點間的數據交互來完成全局任務。

多跳、對等通信方式比傳統的單跳、主從通信方式更適合在無線傳感器網絡中使用，由于每跳的距離較短，無線收發器可以在較低的能量級別上工作，另外，多跳通信方式可以有效地避免在長距離無線信號傳播過程中遇到的信號衰減和干擾等各種問題。

無線傳感器網絡包括4類基本實體對象：目標、觀測節點、傳感節點和感知視場。

傳感節點具有原始數據采集、本地信息處理、無線數據傳輸及與其他節點協同工作的能力，依據應用需求，還可能攜帶定位、能源補給或移動等模塊。節點可采用飛行器撒播、火箭彈發射或人工埋置等方式部署。

目標是網絡感興趣的對象及其屬性，有時特指某類信號源。

觀測節點身份：觀測節點有雙重身份。一方面，在網內作為接收者和控制者，被授權監聽和處理網絡的事件消息和數據，可向傳感器網絡發布查詢請求或派發任務；另一方面，面向網外作為中繼和網關完成傳感器網絡與外部網絡間信令和數據的轉換，是連接傳感器網絡與其他網絡的橋梁。

無線傳感器網絡系統通常包括：傳感器節點、匯聚節點和管理節點。

匯聚節點：匯聚節點處理能力、存儲能力和通信能力相對較強，它連接傳感器網絡和Internet等外部網絡，實現兩種協議棧之間的通信協議的轉換，同時發布管理節點的監測任務，并把收集的數據轉發到外部網絡上。

管理節點：即用戶節點，用戶通過管理節點對傳感器網絡進行配置和管理，發布監測任務以及收集監測數據。

傳感器節點的功能模塊：

數據采集模塊：它是硬件平臺中真正與外部信號量接觸的模塊，一般包括傳感器探頭和變送系統兩部分，負責對感知對象的信息進行采集和數據轉換。

處理控制模塊：它是無線傳感器網絡節點的核心，負責控制整個傳感器節點的操作、存儲與處理自身采集的數據以及其他節點發來的數據。

無線通信模塊：用于傳感器網絡節點間的數據通信，負責與其他傳感器節點進行無線通信、交換控制信息和收發采集數據。

能量供應模塊：是整個無線傳感器網絡節點的基礎模塊，為傳感器節點提供運行所需的能量，是節點正常順利工作的保證。

無線傳感器網絡應用系統架構：管理和信息安全縱向貫穿于各個層次的技術架構，最底層是無線傳感器網絡基礎設施層，逐漸向上展開的是應用支撐層、應用業務層、具體的應用領域——軍事、環境、健康和商業等。

無線傳感器網絡中間件和平臺軟件體系結構主要分為4個層次：網絡適配層、基礎軟件層、應用開發層和應用業務適配層。

無線傳感器網絡中間件和平臺軟件體系結構：

網絡適配層：在網絡適配層中，網絡適配器是對無線傳感器網絡底層的封裝。

基礎軟件層：基礎軟件層包含無線傳感器網絡各種中間件。這些中間件構成無線傳感器網絡平臺軟件的公共基礎，并提高了高度的靈活性、模塊化和可移植性。

網絡中間件：完成無線傳感器網絡接入服務、網絡生成服務、網絡自愈合服務、網絡連通性服務等。

配置中間件：完成無線傳感器網絡的各種配置工作，例如路由配置，拓撲結構的調整等。

功能中間件：完成無線傳感器網絡各種應用業務的共性功能，提供各種功能框架接口。

管理中間件：為無線傳感器網絡應用業務實現各種管理功能，例如目錄服務、資源管理、能量管理、生命周期管理。

安全中間件：為無線傳感器網絡應用業務實現各種安全功能，例如安全管理、安全監控、安全審計。

無線傳感器網絡的協議棧包括物理層、數據鏈路層、網絡層、傳輸層和應用層，還包括能量管理、移動管理和任務管理等平臺。

無線傳感器網絡通信體系結構各層次功能：

物理層：負責數據傳輸的介質規范，規定了工作頻段、工作溫度、數據調制、信道編碼、定時、同步等標準。

數據鏈路層：負責數據流的多路復用、數據幀檢測、媒體介入和差錯控制，以保證無線傳感器網絡中節點之間的連接。

網絡層：負責路由發現、路由維護和路由選擇，實現數據融合，使得傳感器節點可以實現有效的相互通信。

傳輸控制層：負責數據流的傳輸控制，實現將傳感器網絡的數據提供給外部網絡，是保證通信服務質量的重要部分。

應用層：包括一系列基于監測任務的應用層軟件。

三?路由協議

?路由協議的基本概念：無線傳感器網絡的路由協議設計是無線傳感器自組網中的一個核心環節，路由協議負責將數據分組從源節點通過網絡轉發到目的節點，它主要包括尋找源節點和目的節點間的優化路徑、并沿此優化路徑正確轉發數據包等兩個方面的功能。

路由協議的固有特點：在WSN中，節點能量有限且一般沒有能量補充，因此路由協議需以節約能源為主要目標，高效利用能量，延長網絡壽命。

路由協議新的問題和挑戰：

節點沒有統一的標志

能量受限

面向特定應用

頻繁變化的拓撲結構

容錯性

可擴展性

連通性

數據融合

服務質量

安全機制

路由協議設計要求：

能量高效：傳感器網絡路由協議不僅要選擇能量消耗小的消息傳輸路徑，而且要從整個網絡的角度考慮，選擇能使整個網絡能量均衡消耗的路由。傳感器節點的資源有限，傳感器的路由機制要能夠簡單而且高效的實現信息傳輸。

可擴展：在WSN中，檢測區域范圍或節點密度不同，都會造成網絡規模大小不同，節點失敗、新節點加入以及節點移動等，都會使得網絡拓撲結構動態發生變化，這就要求路由機制具有可擴展性，能夠適應網絡結構的變化。

具有魯棒性：能量用盡或環境因素造成的傳感器網絡節點的失敗，周圍環境影響無線鏈路的通信質量以及無線鏈路本身的缺點等，這些WSN的不可靠特性要求路由機制具有一定的容錯能力。

快速收斂性：傳感器網絡的拓撲結構動態變化，節點能量和通信帶寬等資源有限，因此要求路由機制能夠快速收斂，以適應網絡拓撲的動態變化，減少通信協議開銷，提高消息傳輸的效率。

路由協議標準：WSN路由協議負責在sink點和其余節點間可靠地傳輸數據。

路由協議類型：

網絡的拓撲結構	平面路由協議
	層次路由協議
數據傳輸的路徑條數	單路徑路由協議
	多路徑路由協議
路由是否由源節點指定	基于源路徑路由協議
	非基于源路徑路由協議
路由建立是否與查詢相關	查詢驅動路由協議
	非查詢驅動路由協議
節點是否編制、是否以地址標識目的地	基于地址路由協議
	非基于地址路由協議
是否以地理位置來標識目的地	基于地址路由協議
	非基于地址路由協議?
路由建立時機與數據發送的先后關系	主動路由協議
	按需路由協議
	混合路由協議
路由選擇是否考慮QoS約束	保證QoS路由協議
	非保證QoS路由協議
是否以數據類型來尋找路徑	基于數據路由協議
	非基于數據路由協議

平面路由簡單，健壯性號，但建立、維護路由的開銷大，數據傳輸跳數多，適合小規模網絡。

層次路由擴展性好，適合大規模網絡，但簇的維護開銷大，且簇頭是路由的關鍵節點，其失效將導致路由失敗。

Rumor協議：Rumor協議的優點是避免了大量擴散，顯著節省能量，適用于數據傳輸量較小的情況，但如果網絡拓撲結構頻繁變動，則Rumor協議的性能會大幅下降，

EAR協議：EAR協議是一個反應式路由協議，其主要目的是用于延長網絡的生存時間。

HREEMR協議：HREEMR協議利用多路徑技術實現了能源有效的故障修復，并解決了DD協議為提高協議的健壯性，采用周期低速率擴散數據而帶來的能源浪費問題。

SMECN協議：SMECN協議是節點定位的路由協議，它是針對Ad hoc網絡設計的MECN協議基礎上進行改進的。該協議通過構建具有ME屬性的子圖來降低傳輸數據所消耗的能量，從而更好地滿足了WSN對節能性的需求。

GEM協議：GEM路由協議是一種適用于數據中心存儲方式的基于位置的路由協議。其基本思想是建立一個虛擬極坐標系統，用來表示實際的網絡拓撲結構。

Flooding/Gossiping協議：在Flooding協議中，節點產生或收到數據后向所有鄰節點廣播，直到數據包過期或到達目的地。Gossiping協議是對Flooding協議的改進，節點將產生或收到的數據隨機轉發，而不是用廣播。這種方式避免了以廣播形式進行信息傳播的能量消耗，節約能量，在一定程度上解決了信息的內爆問題，但增加了信息的數據傳輸平均時延，傳輸速度變慢，并且無法解決部分交疊現象和盲目利用資源問題。

DD路由協議：DD協議是以數據為中心的路由算法，是一種基于查詢的路由機制。整個過程分為興趣擴散、梯度建立以及路徑加強三個階段。

SPIN協議：SPIN路由算法是一種以數據為中心的自適應通信路由協議。節點僅廣播采集數據的屬性描述信息而不是數據本身，當有相應的請求時，才有目的地發送數據信息。其目標是通過使用節點間的協商制度和資源自適應機制，解決傳統泛洪法存在的不足之處。

SPIN協議中使用的三種消息類型：

ADV，用于新數據廣播。

REQ，用于請求發送數據。

DATA，包含了元數據頭，傳感器節點采集數據的數據包。

SPIN協議的優缺點：

優點：元數據的傳輸耗能相對較少；只廣播其他節點沒有的數據，減少了能耗；不維護鄰居節點信息，適應節點移動的情況。

缺點：健壯性差，會出現數據盲點，它的擴展受限，如果sink對網絡中的多個事件感興趣，sink周圍的節點能量會很快耗盡，不適用于高密度節點分部的情況。

SAR協議：SAR協議是第一個具有QoS的路由協議。該協議通過構建以sink的單跳鄰居節點為根節點的多播樹實現傳感器節點到Sink的多跳路徑。它的特點是路由決策不僅要考慮到每條路徑的能源，還涉及到端到端的延遲需求和待發送數據包的優先級。

層次結構基本概念：將所有節點劃分為若干簇，每個簇按照一定規則來選舉一個簇頭。各個節點采集的數據在簇頭節點進行融合，再由簇頭節點與sink節點進行通信。

層級機制的優點：

簇頭融合了成員節點的數據之后再進行轉發，減少了數據通信量，從而節省了網絡能量。

成員節點大部分時間可以關閉通信模塊，由簇頭構成一個更上一層的連通網絡來負責數據的長距離路由轉發。這樣既保證了原有覆蓋范圍內的數據通信，也在很大程度上節省了網絡能量。

成員節點的功能比較簡單，無須維護復雜的路由信息，這大大的減少了網絡中路由控制信息的數量，減少了通信量。

分簇拓撲結構便于管理，有利于分布式算法的應用，可以對系統變化做出快速反應，具有較好的可擴展性，適合大規模網絡。

與平面路由相比，更容易克服傳感器節點移動帶來的問題。

層級機制的缺點：簇頭節點容易成為網絡的瓶頸，因此要求路由算法具有一定的容錯性；同時簇的負載均衡也是分布式成簇的一大挑戰。

LEACH協議基本思想： 通過等概率地隨機循環選擇簇頭，將整個網絡的能量負載平均分配到每個傳感器節點，從而達到降低網絡能量耗費、延長網絡生命周期的目的。

PEGASIS協議：PEGASIS協議要求每個節點都知道網絡中其他節點的位置，通過貪婪算法選擇最近的鄰節點形成鏈。

TEEN協議：TEEN協議根據數據傳輸模式的不同，通常可以簡單地把WSN分為主動型和響應型兩種類型。主動型WSN持續監測周圍環境，并以恒定速率發送監測數據；而響應性WSN只是在被監測對象發生突變時才傳送監測數據。

GAF協議：GAF路由協議是基于位置信息的能量感知路由協議，其最初是應用在Ad hoc網絡中，但對于很多傳感器網絡同樣適用。協議的基本思想是將網絡區域劃分成很多小區，每個小區內的節點相互協作，一部分節點保持正常工作狀態，完成數據收集和轉發等任務；另一部分節點可以處于睡眠狀態以節省能量，延長網絡整體壽命。

缺點：每個節點都需要通過GPS得到自己的地理信息，這大大的增加了節點的成本和復雜度，不適用于很多場合。

GEAR協議：GEAR協議是一種基于位置信息的能量感知路由，并將整體網絡按地理區域劃分成多個小區域。GEAR路由機制根據時間區域的地理位置信息，建立匯聚節點到事件區域的優化路徑，避免了泛洪傳播，從而減少了路由建立的開銷。

SPAN協議：SPAN協議是一種基于位置的路由協議，協議根據各個節點的地理位置，從中選取出一些協調點。協調點將組成一個骨干網；傳感器節點將手機的信息沿著協調點組成的骨干網傳送到sink點。

協調點的選取原則：如果兩個鄰居節點不能直接通信，并且通過現有的一個或者兩個協調點依然無法連接通信，那么這個節點將成為協調點。

SOP協議：SOP協議將網絡中的節點分成兩類，即傳感器節點和路由節點。協議中的傳感器節點是可以移動的，但路由節點不能移動。

四 MAC協議

MAC研究現狀：研究如何將節能策略引入傳統自組網MAC協議，并避免對協議性能產生不利影響，以及如何使無業務節點最大可能進入休眠而避免能耗。

MAC研究趨勢：業務流的方向性、節點的不同轉發角色、監測信息在時間和空間上的相關性以及監測信息冗余。針對應用需求或業務特點量身設計，或者與節能策略相結合，以進一步提高能量有效性或在多個其他特殊需求中權衡取舍逐漸成為MAC協議的研究趨勢；

MAC協議分類：

根據采用分布式控制還是集中控制，可分為分布式執行的協議和集中控制的協議。這類協議與網絡的規模直接有關，在大規模網絡中通常采用分布式的協議。

根據使用的信道數，可分為單信道、雙信道和多信道。

根據信道的分配方式，可分為基于TDMA的時分復用固定模式、基于CSMA的隨機競爭式和混合式三種。

根據接收節點的工作方式，可分為偵聽、喚醒和調度三種。

影響WSN的MAC協議因素

WSN的MAC協議設計主要問題

能量有效性

可擴展性

沖突避免

信道利用率

延遲

吞吐量

公平性

能耗因素分析

空閑偵聽

消息碰撞

竊聽

控制報文開銷

發送失效

在控制節點之間的信道分配時，如果控制消息過多，也會消耗較多的網絡能量

通信模式

廣播模式：通常在由基站向整個網絡節點發送消息時使用。

會聚模式：WSN中的節點在感知到興趣的事件時，所有監測到事件的節點都把所感知的信息發送給信息中心。

本地通信：監測同一個事件的節點之間，在本地的相互通信。

多播模式：節點把信息發送給一組特定的節點。

MAC協議的特點

采用基于TDMA的接入方式

利用分群結構群首局部集中控制的機制

與多跳轉發相關的資源分配策略

冗余相關數據的隱聚合

吞吐量：在給定的時間內發送端能夠成功發送給接收端的數據量。

C-TDMA協議將WSN的節點劃分為4種狀態：感應、轉發、感應并轉發、非活動。

SMACS/EAR協議：SMACS協議主要用于靜止的節點之間連接的建立，而對于靜止節點與運動節點之間的通信，則需要通過EAR協議進行管理。其基本思想是，為每一對鄰居節點分配一個特有頻率進行數據傳輸，不同節點對間的頻率互補干擾，從而避免同時傳輸的數據之間產生碰撞。

S-MAC協議：S-MAC協議設計的主要目標是減少能量消耗，提供良好的可擴展性。

S-MAC減少能耗的技術措施：

周期性偵聽和休眠

消息分割和突發傳輸

避免接收不必要消息

T-MAC協議：在保持周期偵聽長度不變的情況下，根據通信流量動態調整節點活動時間，用突發方式發送消息，減少空閑偵聽時間。

PMAC協議的主要思想：用一串二進制字符來代表某一節點所處的模式，節點把各自的模式信息通告給其相鄰節點，根據收到的鄰居節點模式信息節點調整其睡眠與工作時間。

LPL協議的主要思想：使每個發送節點知道鄰居接收節點的具體抽樣調度，從而縮短Preamble的長度。

LMAC協議：通過在時間上把信道分成許多時隙，形成一個固定長度的幀結構。一個時隙包含一個業務控制時段和固定長度的數據時段。

Z-MAC協議的主要特點：節點根據網絡的信道競爭程度，自適應地調整信道的接入方式，以CSMA作為基本的接入方式，而利用TDMA解決競爭等級高的情況下節點間對信道的競爭。

節能研究策略：隨著微電子機械技術的發展，低能、低成本、集成具有多信道或兩個不同頻率無線模塊的收發器已經成為可能。合理地使用多個信道的資源，基于局部節點協作的方法，進行信道的動態分配，可以實現節能和改進網絡性能。

跨層優化設計：WSN網絡由于受到節點的資源限制，分層的協議棧已不適應能量、內存等節點資源的有效利用。將MAC層、物理層以及網絡層的設計相結合，根據局部網絡的拓撲信息，采用綜合各層的設計方法，實現對節點工作模式的有效控制，減少控制開銷，從而取得更好的網絡性能。

應用特點和業務模式：WSN應用領域的廣泛性和特殊性，意味著MAC協議的設計面臨著各種各樣與應用相關的業務特性和需求，這些正是刺激MAC協議研究不斷發展的原動力。隨著WSN研究的逐漸深入，不可能針對各種具體應用一一進行業務特性和需求的分析，有必要對傳感器網絡特殊的應用特點和業務模式進行深入分析和總結，抽象出通用的分析模型。

能量有效性和其他性能指標權衡：通常為解決作為研究核心的能量有效性問題，對WSN的MAC協議其他性能都進行了一定折中。隨著各種具體應用的發展，WSN的應用需求不單是能量有效性的問題，還同時存在著對某個或某些指標作特別優化的需求。

安全問題：由于WSN具有無線傳播、能量受限、分布式控制等特點，使其更加容易受到被動竊聽、主動干擾、拒絕服務、剝奪休眠、偽造數據等各種形式的網絡攻擊，從而使安全問題成為WSN網絡研究的一個重點。

五 拓撲控制

拓撲控制的重要性：

拓撲控制是一種重要的節能技術

拓撲控制保證覆蓋質量和連通質量

拓撲控制能夠降低通信干擾，提高MAC協議和路由協議的效率，為數據融合提供拓撲基礎

拓撲控制能夠提高網絡的可靠性、可擴展性等其他性能

拓撲控制的發展和研究方向：功率控制和睡眠調度。

功率控制：為傳感器節點選擇合適的發射功率

睡眠調度：控制傳感器節點在工作狀態和睡眠狀態之間的轉換

靜態節點、不可控部署：靜態節點隨機地部署到給定的區域。這是大部分拓撲控制研究所作的假設。對稀疏網絡的功率控制和對密集網絡的睡眠調度室兩種主要的拓撲控制技術。

動態節點、不可控部署：這樣的系統稱為移動自組織網絡。其挑戰是無論獨立自治的節點如何運動，都要保證網絡的正常運轉。功率控制是主要的拓撲控制技術。

靜態節點、可控部署：節點通過人或機器人部署到固定的位置。拓撲控制主要是通過控制節點的位置來實現的，功率控制和睡眠調度雖然可以使用，但已經是次要的了。

動態節點。可控部署：在這類網絡中，移動節點能夠相互定位的。拓撲控制機制融入移動和定位策略中。因為移動是主要的能量消耗，所以節點間的能量高效通信不再是首要問題。因為移動節點的部署不太可能是密集的，所以睡眠調度也不重要。

拓撲控制要考慮的設計目標和相關概念：

覆蓋：覆蓋可以看成是對傳感器網絡服務質量的度量。在覆蓋問題中，最重要的因素是網絡對物理世界的感知能力。

連通：傳感器網絡一遍是大規模的，所以傳感器節點感知到的數據一般要以多跳的方式傳送到匯聚節點。

網絡生命期：一般講網絡生命期定義為直到死亡節點的百分比低于某個閾值時的持續時間。

吞吐能力：通過功率控制減小發射半徑和通過睡眠調度減小工作網絡的規模，在節省能量的同時，可以在一定程度上提高網絡的吞吐能力。

干擾和競爭：減小通信干擾、減少MAC層的競爭和延長網絡的生命期基本上是一致的。功率控制可以調節發射范圍，睡眠調度可以調節工作節點的數量。

網絡延遲（功率控制和網絡延時的關系）：當網絡負載較高時，低發射功率會帶來較小的端到端延遲；而在低負載情況下，低發射功率會帶來較大的端到端延遲。

拓撲性質：在設計拓撲控制方案時，往往退而追求良好的拓撲性質。除連通性之外，對稱性、平面性、稀疏性、節點度的有界性、有限伸展性等，都是希望具有的拓撲性質。

功率控制型拓撲研究方向：

與路由協議結合的功率控制

基于節點度的功率控制

基于方向的功率控制

基于鄰近圖的功率控制

基于鄰近圖的功率控制算法的基本思想：設所有節點都使用最大發射功率發射時形成的拓撲圖是G，按照一定的鄰居判別條件求出該圖的鄰近圖G’，每個節點以自己所鄰接的最遠節點來確定發射功率。

睡眠調度型拓撲研究方向：

非層次型網絡的睡眠調度算法

層次型網絡的睡眠調度算法

單位圓圖UDG：假定網絡中N個節點構成了二維平面中的節點集V，所有節點都以最大功率工作時所生產的拓撲結構稱為單位圓圖。

準規則單位圓圖QUDG：假設V，R是兩個空間平面的節點集，且V?R，設參數d∈[0,1],則對稱的歐氏圖（V,E）被稱為以d為參數的準規則單位圓圖。

Gabriel圖：在傳輸功率正比傳輸距離的平方時，GG是最節能的拓撲模型。

相關鄰近圖：RNG是有GG產生的，RNG稀疏程度和連通性均介于MST與GG之間，由于MST，且沖突干擾優于GG，易于用分布式算法構造。

最小生成樹：MST是RNG的子圖，其特征是連通但不形成回路，任意兩個節點均可以相互通信。每個節點出現在樹上，鏈路總長度最小。

概率分析法：在節點按照某種概率密度分布的情況下，計算使拓撲滿足某些性質所需要的最小發射功率和最小鄰節點個數。

計算幾何法：以某些幾何結構為基礎構建網絡拓撲結構，以，滿足某些性質。

采用支配集的層次型網絡：在網絡中選出一些虛擬骨干節點組成虛擬骨干網，這些節點又稱做支配集。

基于引導信號的功率控制：在建立初始的分簇結構之后，簇首在引導信號和數據通信中使用功率控制。如果基于這些引導信號，所有節點都加入了同一個簇，那么就可以使用引導信號功率控制來控制簇的成員。

Adhoc網絡設計算法：Ad?hoc算法允許簇首通過功率控制來控制簇的大小，并且導出了一些具體的規則以盡可能延長網絡的生存期。

CLUSTERPOW的基本思想：簡單的假設一組離散的發射功率值，在每個功率值處，簇都是獨立形成的，而且對于每個功率值都有單獨的路由表。如果用最小功率就能保證到達目的節點，那么就發送數據，一旦數據進入了包含節目的節點的最小功率簇后，功率值就會被降低。

六 WSN定位技術

節點定位是WSN的關鍵技術之一。

WSN定位的基本概念：對于一組未知位置坐標的網絡節點，依靠有限的位置已知的錨節點，通過測量未知節點至其余節點的距離或跳數，或者通過估計節點可能處于的區域范圍，結合節點間交換的信息和錨節點的已知位置，來確定每個節點的位置。

WSN定位評價指標：

定位精度

規模

錨節點密度

節點密度

容錯性和自適應性

功耗

代價

WSN定位基本術語：

鄰居節點：傳感器節點通信半徑內的所有其他節點，也就是說，在一個節點通信半徑內，可以與其直接通信的所有其他點。

跳數：兩個節點之間間隔的跳段總數。

跳段距離：兩個節點間隔的各跳段距離之和。

接收信號強度指示：節點接收到無線信號的強度大小。

到達時間：信號從一個節點傳播到另一個節點所需要的時間。

到達時間差：兩種具有不同傳播速度的信號從一個節點傳播到另一個節點所需要的時間之差。

達到角度：節點接收到的信號相對于自身軸線的角度。

視線關系：兩個節點間沒有障礙物間隔，能夠直接通信。

非視線關系：兩個節點之間存在障礙物。

基礎設施：協助傳感器節點定位的已知自身位置的固定設備。

測距類和非測距類：

測距類：利用測量得到的距離或角度信息來進行位置計算。

非測距類：利用節點的連通性和多跳路由信息交換等方法來估計節點間的距離或角度，并完成位置估計。

基于錨節點和非基于錨節點：

基于錨節點：各節點在定位過程結束后可以獲得相對于某個全局坐標系的坐標。

非基于錨節點：只能產生相對坐標，在需要和某全局坐標系保持一致的時候可以通過引入少數幾個錨節點和進行坐標變換的方式來完成。

遞增式和并發式：

遞增式：通常是從3-4個節點開始，然后根據未知節點與已經完成定位的節點之間的距離或角度等信息采用簡單的三角法或局部最優策略逐步對未知節點進行位置估計。

并發式：節點以并行的方式同時開始計算位置。

集中式計算和分布式計算

集中式計算：把所需信息傳送到某個中心節點，并在那里進行節點定位計算。

分布式計算：依賴節點間的信息交換和協調，由節點進行定位計算。

絕對定位和相對定位

絕對定位：定位結果是一個標準的坐標位置，如經緯度。

相對定位：以網絡中部分節點為參考，建立整個網絡的相對坐標系統。

到達角法?AOA：通過配備天線陣列或多個接收器來估測其他節點發射的無線信號的到達角度。

?接收信號強度指示法 RSSI：接收機通過測量射頻信號的能量來確定與發送機的距離。

不足：遮蓋或折射會引起接收端產生嚴重的測量誤差，因此精度較低。

到達時間法 TOA：通過測量信號的傳輸時間來估算兩節點之間的距離，精度較高。

缺點:無線信號的傳輸速度快，時間測量上的很小誤差可導致很大的距離誤差值，另外要求傳感器節點的計算能力較強。

到達時間法的兩種測量方法：

一種用來測量信號傳輸時間的方法是測量信號單向傳播時間。這種方法測量發送并到達接收方的絕對時間差，發送方和接收方的本地時間需精確同步。

一種是測量信號往返時間差，接收節點在收到信號后直接發回，發送節點測量收發的時間差，由于僅使用發送節點的時鐘，因此避免節點間時間同步的要求。

達到時間差發：測量不同的接收節點接收到同一個發射信號的時間差。

極大似然估計法：

Active?Badge定位系統：最早為大樓內定位而設計的便攜式定位系統，采用紅外光。

Active Office：采用超聲波定位。

SPA相對定位：選擇網絡中密度最大處的一組節點作為建立網絡全局坐標系統的參考點，并在其中選擇連通度最大的一個節點作為坐標系統的原點。首先根據節點間的測距結果對各個節點建立局部坐標系統，通過節點間的信息交換與相互協調，以參考點為基準通過坐標變換建立全局坐標系統。

APIT 近似三角形內點測試法：APIT算法是一種適用于大規模無線傳感器網絡的分布式無需測距的定位算法，利用了電磁波強度大小與距離的相對關系，相比其他無需測距定位算法有著定位精度高、對節點密度要求低、通信量小等優點，且適用于電磁波不規則模型。

DV-Hop定位算法步驟：首先使用典型的距離矢量交換協議，使網絡中所有節點獲得錨節點的跳數。第二階段，在獲得其他錨節點位置和彼此的相隔跳距之后，錨節點計算網絡平均每跳距離，然后將其作為一個校正值廣播至網絡中。

缺點：僅在各向同性的密集網絡中，利用校正值才能合理地估算平均每跳距離。

DV-Distance定位算法：相鄰節點使用RSSI測量節點間點到點距離，然后利用類似于距離矢量路由的方法傳播與錨節點的累計距離。

定位算法設計的注意問題：

未知節點必須與錨節點直接相鄰，錨節點密度過高。

定位精度依賴于網絡部署條件。

沒有對距離/角度測量誤差采取抑制措施，造成誤差傳播和誤差累積，定位精度依賴于距離/角度測量的精度。

依靠循環求精過程抑制測距誤差和提高定位精度。雖然循環求精過程可以明顯地減小測距誤差的影響，但不僅產生了大量的通信和計算開銷，而且因無法預估循環的次數而增加了算法的不確定性。

算法收斂速度較慢。

七?時間同步

時間同步的意義和作用：不同的節點都有自己的本地時間，由于不同節點的晶體振蕩器頻率存在偏差，以及受溫度變化和電磁波干擾等影響，即使在某個時刻所有的節點都達到時間同步，它們的工作時間也會逐漸出現偏差，因此為了讓WSN能協調地工作，必須進行節點間的時間同步。

算法設計的影響因素：

傳感器節點需要彼此并行操作和協作去完成復雜的傳感任務。

許多節能方案是利用時間同步來實現的。

消息傳遞過程分解：

Send time：發送節點構造一條消息所需要的時間，包括內核協議處理和緩沖時間等，它取決于系統調用開銷和處理器當前負載。

Access Time：消息等待傳輸信道空閑所需時間，即從等待信道空閑到消息發送開始時的延遲，它取決于網絡當前負載情況。

Transmission Time：發送節點按位發送消息所需時間，該時間取決于消息長度和發送速率。

Propagation Time：消息在兩個節點之間傳輸介質中的傳播時間，該時間主要取決于節點間的距離。

Reception Time：接收節點按位接收消息并傳遞給MAC層所需的時間，這個過程和3相對應。

Receive Time：接收節點重新組裝消息并傳遞給上層應用所需的時間。

算法的性能指標：

能量效率

可擴展性

精確度

健壯性

壽命

有效范圍

成本和尺寸

直接性

RBS時間同步算法的原理和優缺點：

原理：利用無線鏈路層廣播信道特點，一個節點發送廣播消息，在同一個廣播域的其他節點同時接收廣播消息，并記錄該點的時間戳。之后接收節點通過消息交換它們的時間戳，通過比較和計算達到時間同步。

優缺點：精度高，能廣泛應用于商用硬件設備和無線傳感器網絡中已有的軟件，不需要訪問操作系統的底層。缺點是節點間必須交換含有時間信息的附加消息，復雜度高。

TPSN算法：該算法分兩步：分級和同步。

分級：目的是建立分級的拓撲網絡，每個節點有個級別。只有一個節點定為零級，叫做根節點。

同步：i級節點與i-1級節點同步，最后所有的節點都與根節點同步，從而達到整個網絡的時間同步。

Tiny-Sync算法：該算法假設每個時鐘能夠與固定頻率的振蕩器近似，采用傳統的雙向消息設計來估計節點時鐘間的相對漂移和相對偏移。

LTS算法：該算法的目的是減小時間同步的復雜度，分為兩種算法：集中式算法和多跳LTS算法。

DMTS算法：在多跳網絡中采用了層次型的分級結構來實現全網范圍內的時間同步，它避免了冗余分組的傳輸，只接收級別比自己低的節點廣播的分組。該協議能更好地支持與外部時間源及多個網絡的同步，是一種基于廣播時間的時間同步機制。

FTSP算法：FTSP算法的目標是實現整個網絡的時間同步并將誤差控制在微秒級，它考慮了根節點的選擇，根節點和子節點的失效所造成的拓撲變化以及對冗余信息的處理等方面的問題，同時它采用了線性回歸算法可以提高同步精度，比較適合用于軍事場合。

后同步思想：通常情況下節點不進行時間同步，只有檢測到一個感興趣的事件發生后，節點才進行時間同步。

八 協議標準

IEEE 802.15.4標準（LR-WPAN網絡）：IEEE802.15.4網絡是指在一個POS內使用相同無線信道并通過IEEE802.15.4標準相互通信的一組設備的集合。

IEEE 802.15.4 拓撲結構：星型網絡、點對點網絡。

IEEE 802.15.4 拓撲形成過程：

星型網絡：星型網絡以網絡協調器為中心，所有設備只能與網絡協調器進行通信，因此在星型網絡的形成過程中，第一步就是建立網絡協調器。

點對點網絡：任意兩個設備只要能夠彼此收到對方的無線信號，就可以進行直接通信，不需要其他設備的轉發。

IEEE802.11標準：主要用于無法布線或移動環境中計算機的無線接入。

IEEE802.15.1標準：IEEE802.15.1是一種藍牙通信標準，主要應用于無線個域網，具有近距離通信、低能耗、低成本的特點。

IEEE802.15.4標準：IEEE802.15.4是用于低速無線個域網LR-WPAN的物理層和媒體訪問控制層的規范，是ZigBee、Wireless HART及MiWi規范的基礎。旨在為無線個域網中的通信設備提供一種基本的底層網絡，支持兩種網絡拓撲，即單跳星狀和當通信線路距離超過10m時的多跳對等拓撲。

IEEE?802.15.4a中采用的關鍵技術（調制方式）：

多維度多存取技術

正弦脈波和Chirp脈波

調制技術對MDMA的作用

Chirp擴頻技術

IEEE802.15.4網絡協議棧基于開放系統互聯模型。

MAC子層包括特定服務的聚合子層、鏈路控制子層等。

物理層：物理層定義了物理無線信道和MAC子層之間的接口，提供物理層數據服務和物理層管理服務。物理層數據服務從無線物理信道上收發數據，物理層管理服務維護一個由物理層相關數據組成的數據庫。

物理層數據服務包括以下5個方面的功能:

激活和休眠射頻收發器

信道能量檢測

檢測和接收數據包的鏈路質量指示

空閑信道評估

收發數據

OSI參考模型的數據鏈路層分為MAC和LLC兩個子層。

MAC子層使用物理層提供的服務實現設備之間的數據幀傳輸。

LLC子層在MAC子層的基礎上，在設備間提供面向連接和非連接的服務。

MAC子層提供兩種服務：

MAC層數據服務：保證MAC協議數據單元在物理層數據服務中的正確收發；

MAC層管理服務：維護一個存儲MAC子層協議狀態相關信息的數據庫；

MAC子層的主要功能：

協調器產生并發送信標幀，普通設備根據協調器的信標幀與協調器同步；

支持PAN網絡的關聯和取消關聯操作；

支持無線信道通信安全；

使用CSMA-CA機制訪問通道；

支持時槽保障機制；

支持不同設備的MAC層間可靠傳輸；

PAN?網絡解調器：除了直接參與應用以外，還要完成成員身份管理、鏈路狀態信息管理以及分組轉發等任務。

ZigBee標準概要：ZigBee協議基于IEEE802.15.4標準，其目的是為了適用于低功耗，無線連接的監測和控制系統。ZigBee的應用定位是低速率、復雜網絡、低功耗和低成本應用。

ZigBee技術優勢：

數據傳輸率低

功耗低

成本低

網絡容量大

時延短

網絡的自組織、自愈能力強，通信可靠

數據安全

工作頻段靈活

ZigBee消息格式和幀格式：

消息格式：一個ZigBee消息格式由127個字節組成，主要包括：MAC報頭、NWK報頭、APS報頭、APS有效載荷；

幀格式：zigbee定義了兩種幀格式：KVP關鍵值對、MSG消息幀；

Zigbee的兩類地址：64位的IEEE?MAC地址、16位的網絡地址。

ZigBee尋址方式：單播和廣播。

ZigBee網絡拓撲：星形、樹狀、網狀。

星形：每個End?Device節點只能和Co-ordinator節點進行通信。兩個End?Device節點之間通信必須通過Co-ordinator節點進行信息的轉發。

缺點：節點之間的數據路由只有唯一的一條路徑。

樹形通信規則：

每一個節點都只能和它的父節點和子節點之間通信；

如果需要從一個節點向另一個節點發送數據，那么信息將沿著樹的路徑向上傳遞到最近的祖先節點然后再向下傳遞到目標亮點；

缺點：信息只有唯一的路由通道，另外信息的路由是由協議棧層處理的，整個路由過程對于應用層是完全透明的。

網狀：Mesh拓撲包含一個Co-ordinator和一系列的Router和End?Device。

九 ZigBee硬件平臺

CC2430/CC2431是一顆真正的片上系統CMOS解決方案。

CC2430/CC2431的區別在于：CC2431有定位跟蹤引擎，CC2430無定位跟蹤引擎。

CC2430/CC2431的主要特點如下：

高性能、低功耗的8051微控制器內核；

適應2.4Ghz?IEEE?802.15.4的RF收發器；

極高的接收靈敏度和抗干擾能力；

32/64/128KB閃存；

8KB?SRAM，具備在各種供電方式下的數據存儲能力；

強大的DMA功能；

只需要極少的外接元件；

只需要一個晶體，即可滿足組網需要；電流消耗小；

掉電方式下，電流只有0.9uA，外部中斷或者實時控制器能喚醒系統；

掛起方式下，電流消耗小魚0.6uA，外部中斷能喚醒系統；

硬件支持避免沖突的載波偵聽多路存取；

電源電壓范圍寬2V~3.6V；

支持數字化的接收信號強度指示器/鏈路質量指示器；

電池監視器和溫度傳感器；

具有8路輸入的8~14位ADC；

高級加密標準協處理器；

兩個支持多種串行通信協議的USART；

看門狗；

一個IEEE?802.5.4媒體存取控制定時器；

一個通用的16位和兩個8位定時器；

支持硬件調試；

21個通用I/O引腳，其中兩個具有20mA的電流吸收和電流供給能力；

提供強大、靈活的開發工具；

小尺寸QLP48封裝，為7*7mm；

芯片功能結構：IO端口線引腳功能、電源線引腳功能、控制線引腳功能。

CC2430/CC2431包含一個增強型工業標準的8位8051微控制器內核，運行時鐘為32Mhz。

8051 CPU由4個不同的存儲空間：

代碼CODE：16位只讀存儲空間，用于程序存儲；

數據DATA：8位可存取存儲空間，可以直接或間接被單個的CPU指令訪問。

外部數據XDATA：16位可存取存儲空間，通常需要4~5個CPU指令周期來訪問。

特殊功能寄存器SFR：7位可存取寄存器存儲空間，可以被單個CPU指令訪問。

特殊功能寄存器：R0~R7、程序狀態字PSW、累加器A、寄存器B、堆棧指針SP。

程序狀態字PSW：程序狀態字顯示CPU的運行狀態，可以理解成為一個可位尋址的功能寄存器。程序狀態字包括進位標志、輔助進位標志、寄存器組選擇、溢出標志、奇偶標志等。

累加器A：主要用于數據累加以及數據移動。

寄存器B：主要功能是配合累加器A進行乘法或除法運算。

堆棧指針SP：在RAM中開辟某個區域用于重要數據的存儲，但這個區域中的數據存取方式必須遵循從先進先出，或稱后進先出的原則，不能隨意存取。這塊存儲區稱作堆棧。

DMA控制器：用來減輕8051CPU內核傳送數據時的負擔，實現CC2430能夠高效利用電源。

CC2430/CC2431無線部分主要參數：

工作頻帶范圍：2.4~2.4835GHz;

采用IEEE?802.15.4規范要求的直接序列擴頻方式；

數據速率達250Kps，碎片速率達2Mchip/s；

采用O-QPSK調制方式；

高接收靈敏度；

抗鄰頻道干擾能力強；

內部集成有VCO，LNA，PA以及電源穩壓器；

采用低電壓供電；

輸出功率編程可控；

IEEE?802.15.4 MAC硬件可支持自動幀格式生產、同步插入與檢測、10bit的CRC校驗、電源檢測、完全自動化MAC層保護；

ZigBee物理層清除信道評估CCA的三種方法：超出閾值的能量、載波判斷、帶有超出閾值能量的載波判斷。

直接序列擴頻通信技術特點

抗干擾性強

隱蔽性好

易于實現碼分多址

抗多徑干擾

直擴通信速率高

直接序列擴頻與窄帶相比的優點

低功率頻譜密度；

對其他系統沒有干擾或干擾很小；

在所有情況下，都使用整個頻譜；

隨機碼難以識別，保護用戶隱私；

應用擴頻技術，降低多徑干擾；

解決同區使用的問題；

CSMA/CA算法是用于節點間數據傳輸時的信道爭用機制，此算法中有三個重要的參數，有每個要傳送數據的設備去維護：NB、CW和BE。

十 NesC語言

nesC的最大的特點：支持組件化編程模型，將組件化、模塊化的思想和事件驅動的執行模型結合起來。

nesC語言的設計目的：把組件化/模塊化思想和基于事件驅動的執行模型結合起來，并利用該語言對TinyOS進行了重新編寫。

nesC語言組成：組件、接口和連接。

組件：nesC程序的基本單元。一個組件包括定義和實現兩部分。組件分模塊和配件兩種。

模塊：主要用C語言實現的組件規范，它是組件的功能實體，主要包括命令、事件、任務等具體實現。

配件：通過接口將不同組件連接起來，成為邏輯和功能的統一體。主要功能是用于組件的功能和相互間連接形式的描述。

接口：接口由組件提供和被組件使用的，具有雙向性，它們是描述提供者組件與使用者組件之間的一個多功能交互渠道。

作用：進行功能描述。

連接：連接用來把定義的元素聯系在一起，以完成相互之間的調用。

nesC語言基本特點：

nesC是C語言的一個擴展

整體程序分析

程序的結構機制和組合機制分離

通過一組接口說明組件行為

接口雙向性

組件通過接口彼此靜態地相連

設計nesC時，期待由“整體程序”編譯器產生代碼

nesC的并發控制模型是基于任務和中斷處理程序的

安裝插件程序的步驟：

確認TinyOS系統和Eclipse已經安裝好，可以同時運行；

下載TinyOS插件TinyOS?Eclipcs?Pulg?vinversion?0.0.6；

將壓縮包文件解壓后放在Eclipse的插件目錄plugins中；

將TingOS的解析外殼bash放到windows系統環境中；

啟動Eclipse，即可在IDE中進行nesC程序開發；

十一?TinyOS操作系統

TinyOS是依托美國國防部的“智能微塵”項目，于2002年開發的開源的構建化無線傳感器網絡操作系統。

TinyOS是一個單線程、事件驅動的操作系統，其調度系統器按照不可搶占式的FIFO的調度策略運行。

TinyOS的特點：

模塊化設計，核心尺寸小；

組件化編程

事件驅動模式

任務和事件并發模式

分段執行

主動消息

基于可重用組件的體系結構，具有單一任務棧，內核非常簡單

TinyOS由一個調度器和一些組件組成。

組件由下到上可分為硬件抽象組件、綜合硬件組件和高層軟件組件。

TinyOS中輕量線程實現

輕量線程在TinyOS以任務方式體現，系統運行時會不斷地從任務隊列中提取任務，完成任務后再提取下一任務，直到任務隊列中沒有任務。如果沒有任務，系統進入節能狀態。

TinyOS中輕量線程的實現：任務隊列數據結構、TinyOS中任務調度機制。

主動消息機制：

主動消息模式：面向消息通信是早期應用在并行計算中的高性能通信模式，主動消息模式是其中一種模式。每個消息由一個應用層的句柄進行維護，當目標節點收到消息后，會將消息中的數據作為參數，傳遞給應用層的相應句柄進行處理。

非阻塞方式：當主動消息到達時，AM組件會將該事件分派給所有帶有相關消息處理程序的組件。每個組件通常會主存一個或多個消息處理程序，消息處理程序的輸入是由AM組件提供的運行時消息緩沖區的一個引用。

硬件抽象層：將底層與硬件相關的部分單獨設計成硬件抽象層的思想。

優點：提高了程序的可移植性和簡化程序開發，隱藏特定平臺的硬件接口實現細節，為操作系統提供統一的虛擬硬件平臺接口，使其具有硬件無關性，可在多種平臺上進行移植。

TinyOS的并發模型：TinyOS的并行處理是通過任務和中斷處理事件來體現的。TinyOS采用分級調度機制實現對不同級別事件的處理：對于不緊迫的事件采用任務方式，通過排隊進行處理，任務執行具有原子性；對于緊急的事件采用中斷處理事件，由于中斷處理程序具有競爭性和優先級，中斷處理程序則可以中斷任務執行，依據中斷級別判斷當前發生的中斷是否可以終止正在處理的中斷處理程序，因而可以實現對事件做出快速響應。

TinyOS的組件通常可分為三種類型：

硬件抽象組件：將物理硬件映射到TinyOS組件模型。

合成組件：將數據以字節為單位與上層組件交互，以位為單位與下面的RFM模塊交互。

高層次軟件組件：完成控制、路由以及數據傳輸等。

TinyOS的系統模型：

應用相關層：負責提供給用戶一些基本的應用邏輯構件，即應用案例構件庫。

系統相關層：是TinyOS的主體部分，負責提供給應用開發所需的系統構件和無線傳感器節點正常運行的構件。具體包括：硬件抽象層構件、消息管理構件庫、狀態機構件庫、內存管理構件庫、任務調度構件庫、時鐘構件庫、網絡協議構件庫。

硬件平臺的相關層：是TinyOS的HAL以下的構件庫，劃分的目的是為了使開發的系統具有可移植性。具體包括：硬件平臺配置構件庫、設備驅動構件庫、芯片構件庫、電源管理構件庫。

采用主動消息機制的主要目的：使無線傳感器網絡的節點的計算和通信重疊，讓軟件層的通信原語與無線傳感器網絡節點的硬件能力匹配，充分節省無線傳感器網絡節點的有限存儲空間。

主動消息的三個最基本的通信機制：帶確認信息的消息傳遞，有明確的消息地址，消息分發。

主動通信的緩存管理機制：每個應用程序在消息被釋放后，能夠返回一塊未用的消息緩存，用于接收下一個即將到來的消息。

主動消息的顯示確認消息機制：每次消息發送后，接收方都會發送一個同步的確認消息。在TinyOS主動消息層的最底層生產消息確認包，這樣比在應用層生產確認消息包省開銷，反饋時間短。

Active?Message的基本思想：讓消息本身帶有消息處理程序的地址和參數，消息到達目的地的節點后系統立即產生中斷調用，并由中斷處理機制啟動消息處理程序。

基于Active?Message的TinyOS通信類型：

Beacon消息：該消息起源于槽節點，網絡中的其他節點通過接收此消息建立從自己到槽節點的路由。

Report消息：各節點通過此消息把采集到的環境數據發送至槽節點。

Hello消息：用于各相鄰節點之間交換信息。

事件驅動機制：事件直接或間接的由硬件中斷產生，TinyOS接收到事件后，立即執行此事件對應的事件處理函數。

事件驅動分硬件事件驅動和軟件事件驅動。

TinyOS的調度策略：高優先級的硬件事件句柄以及使用FIFO調度的低優先級的輕量級線程。任務之間不允許互相搶占；而硬件事件句柄，即中斷處理線程可以搶占用戶的任務和低優先級的中斷處理線程，保證硬件中斷快速響應。

TinyOS的并發模塊：由任務和硬件事件句柄構成，采用任務和事件驅動相結合的兩級并發模型。

TinyOS的任務調度：采用先進先出的簡單的策略，任務之間不允許互相搶占。

TinyOS的中斷處理程序具有比所有任務更高的優先級。

TinyOS的任務隊列：TinyOS具有一個長度為8個單元的環形任務隊列，每個單元用于存儲任務函數入口地址，兩個指針FULL和FREE分別指向最早進入隊列的任務單元和第一個為空的單元。

TinyOS調度模型的特點：

任務單線程運行到結束，任務之間不能相互切換，只分配單個任務棧，這對內存受限的系統很有利，這樣主要是為了適應內存資源十分有限的WSN節點。

沒有進程管理的概念，對任務按簡單的FIFO隊列進行調度。對資源采取預先分配，且目前這個隊列里最多只能有7個待運行的任務。

TinyOS的調度策略是功耗敏感的，當任務隊列為空時，則使處理器進入睡眠模式，保留外圍設備運行，當外圍設備發生中斷，也即是產生了一個事件時，系統將被喚醒，對事件進行處理。

兩級的調度結構可以實現有線執行少量與事件相關的處理，同時打斷長時間運行的任務。

基于事件的調度策略，只需要少量空間就可獲得并發性，并允許獨立的組件共享單個執行任務上下文。同事件相關的任務集合可以很快被處理，不允許阻塞，具有高度并發性。

任務之間互相平等，沒有優先級的概念。

TinyOS的調度機制不足：節點上任務的多少取決于節點處理數據的方式。如果節點只是直接把原始數據發往基站，則任務大多數是通信路由任務；如果節點在本地采集數據并處理后才往基站發送，則本地任務比較多。當節點上待處理的任務超過其處理能力時，就會發生過載。當節點上中斷發生頻率很高，導致CPU除了進行中斷處理外不執行其他任何任務時也會出現過載。當系統處理任務的速率低于任務發生的頻率時，任務隊列很快就滿了，則會導致任務的丟失。

總結

以上是生活随笔為你收集整理的无线传感器网络笔记的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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