项目七 无线传感器网络设计
无线传感器网络的设计与应用
无线传感器网络的设计与应用无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）是一种由大量的、低成本的、具备处理能力的传感器节点组成的网络系统。
这些传感器节点能够感知环境中的物理量、采集数据，并将数据通过网络传输给基站进行处理和分析。
无线传感器网络的设计与应用已经广泛涉及生活的各个领域和行业，如农业、环境监测、智能交通等。
一、无线传感器网络的设计无线传感器网络的设计包括网络拓扑的构建、传感器节点的布置以及通信协议的选择等方面。
1. 网络拓扑的构建无线传感器网络的网络拓扑可以采用多种结构，如星型、树状、网状等。
在设计过程中，需要考虑网络的可扩展性、鲁棒性和能耗等因素。
合理选择网络拓扑结构可以最大程度地降低能量消耗，提高网络的稳定性和可靠性。
2. 传感器节点的布置传感器节点的布置决定了网络的采样范围和采样密度。
在设计过程中，需要综合考虑感兴趣区域的特点、网络的覆盖需求以及节点之间的通信距离等因素，合理布置传感器节点可以有效地提高数据采集的准确性和高效性。
3. 通信协议的选择在无线传感器网络中，通信协议的选择对于网络的性能和能耗具有重要影响。
常用的通信协议包括LEACH、SPIN、TPS等。
在设计过程中，需要分析网络的实际应用需求，选择适合的通信协议以提高网络的性能和能效。
二、无线传感器网络的应用无线传感器网络的应用涵盖了各个领域，以下仅列举几个典型的应用案例：1. 农业领域无线传感器网络可以在农业领域中实现精准的农业管理和故障检测。
通过在农田中布置传感器节点，实时采集土壤湿度、气温、光照等环境信息，并通过数据分析和决策模型，实现对土壤肥力、作物生长状态、病虫害等情况的监测和管理，提高农田的利用效率和作物的产量。
2. 环境监测领域无线传感器网络可以用于环境监测，实时采集和传输大气污染、水质安全、噪声等环境信息。
通过对环境数据的实时监测和分析，可以及时发现环境异常情况并采取相应的措施，保护生态环境和人民的健康安全。
无线传感器网络的设计和实现
无线传感器网络的设计和实现一、概述无线传感器网络是一种自组织、自适应、具有分布式智能的网络。
它由多个相互连接的、能够自主运行的传感器节点组成。
每个传感器节点具有感知、处理、存储和通信等功能。
传感器节点通过通信协议将其感知到的信息传递给其他节点。
无线传感器网络具有广阔的应用前景，在环境监测、智能交通、医疗健康、物联网等领域发挥着重要作用。
二、无线传感器网络系统框架及组成部分1、无线传感器节点传感器节点是无线传感器网络的最小单元，其主要功能为感知、处理和通信。
传感器节点通常由处理器、传感器、无线通信模块和能量供应模块等组成。
2、传感器网络协议栈传感器网络协议栈是传感器网络通信的核心，它包括应用层、传输层、网络层、链路层和物理层等。
应用层包括传感器数据处理、数据存储和查询等功能。
传输层主要解决传输控制和传输错误检测等问题。
网络层负责数据包的路由和转发。
链路层主要解决传感器节点间的数据帧传输和接收问题。
物理层则负责传输媒介的选择和动态调整。
3、无线传感器网络数据中心无线传感器网络数据中心是一个汇集和管理传感器数据的中心化节点。
它能够获取网络中传感器节点采集到的数据，并进行处理、分析和存储。
无线传感器网络数据中心通常由计算机、数据库、网络设备和应用软件等组成。
4、应用软件无线传感器网络的应用程序包括数据采集、数据传输、数据处理及应用服务等多个方面。
应用软件可以根据不同的应用领域设计和开发，以达到更好的适应性和灵活性。
三、无线传感器网络设计和实现关键问题解决方案1、传感器节点能力优化为提高传感器节点的能力，可以通过优化传感器节点能耗、数据处理和通信质量等方面来实现。
针对能耗的优化，可以通过采用能耗较低的硬件平台、数据冗余去除、分布式能源管理和睡眠唤醒等技术来实现。
数据处理方面优化可采用流处理和分布式处理等技术。
通信质量方面优化可采用协议优化算法、自适应调节和数据压缩等技术。
2、传感器网络安全保障传感器网络的信息安全需要从节点和网络两方面考虑。
无线传感器网络的设计与实现
无线传感器网络的设计与实现无线传感器网络是指由多个无线传感器节点组成的网络，每个节点可以感知环境中的物理参数，并将这些数据通过网络传输到数据中心或其他节点进行处理和分析。
设计和实现一个高效可靠的无线传感器网络对于实现物联网、智能城市等领域的发展至关重要。
本文将介绍无线传感器网络的设计原则、节点通信协议、能量管理和数据处理等方面的内容。
一、无线传感器网络设计原则1. 系统整体设计：根据实际需求和场景特点，确定网络拓扑结构、节点数量及部署方式等。
2. 传感器节点设计：选择适当的传感器类型，考虑其感知范围、灵敏度、准确性和功耗等方面因素。
3. 路由协议选择：根据传感器节点通信特点选择合适的路由协议，如LEACH、TEEN等。
4. 安全性设计：采用加密算法、身份认证等措施保障数据传输的安全性。
5. 能源管理：设计合理的能源管理策略，延长节点寿命，如通过异构节点和能量收集技术等手段降低节点能耗。
二、节点通信协议1. MAC层协议：无线传感器网络中常用的MAC层协议有S-MAC、T-MAC和B-MAC等，它们通过无线信道调度、功率控制等方式提高通信的可靠性和能效。
2. 网络层协议：常用的无线传感器网络网络层协议有LEACH、HEED和PEGASIS等，它们决定了节点之间的通信路径和数据传输方式。
3. 传输层协议：传输层协议主要负责数据分组的可靠传输，常用的协议有CTP、RTP和DTLS等。
三、能量管理1. 能量收集技术：利用太阳能、振动能、热能等能量收集技术为无线传感器节点提供能源，延长节点寿命。
2. 能量分配策略：通过调整节点的工作模式和功率控制等方式，使能量消耗均衡，增加整个网络的稳定性和可靠性。
3. 节能算法：设计节点休眠和唤醒策略，减少节点的能耗，延长网络寿命。
四、数据处理1. 数据采集与压缩：设计合理的数据采集和压缩算法，减少数据传输量，降低能耗。
2. 数据挖掘与分析：利用数据挖掘和机器学习等技术对大量传感器数据进行处理和分析，提取有用信息，为实时监测、预测和决策提供支持。
无线传感器网络的设计方案
无线传感器网络的设计方案随着科技的不断发展，无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）在各个领域得到了广泛的应用。
它利用分布在空间中的传感器节点，通过无线通信和数据处理技术，实现对环境信息的采集、处理和传输。
本文将就无线传感器网络的设计方案展开讨论，以期能够为该领域的研究者和工程师提供一些有益的参考。
一、网络拓扑结构设计无线传感器网络具有分散、大规模、自组织等特点，因此在网络拓扑结构设计上需要考虑以下几个方面：1.1 节点布局：节点在空间中的布局是影响网络性能的重要因素。
为了实现全面的覆盖和高效的通信，节点的布局应该充分考虑网络拓扑结构的连通性和覆盖范围。
1.2 网络分簇：为了降低能源消耗和延长网络寿命，在无线传感器网络中常采用分簇的方式组织节点。
分簇可以提高网络的扩展性和抗干扰性，并且减少了网络中的冗余信息。
1.3 网络层次结构：为了适应大规模传感器网络的管理和维护，可以将传感器网络划分为多个层次。
不同层次的节点拥有不同的功能，实现了网络的分工与协作。
常见的层次结构有单层、双层和多层结构。
二、能量管理方案无线传感器网络的节点通常由电池提供能量，因此能量管理是设计中需要重点考虑的问题。
以下是几个常用的能量管理方案：2.1 睡眠调度：节点在不采集数据和传输数据时可以进入睡眠状态，以降低能源消耗。
通过合理的睡眠调度策略，可以兼顾能源节约和网络质量。
2.2 路由优化：节点之间的通信通常通过多跳方式完成，因此路由协议的设计对能耗有着直接影响。
合理的路由选择、数据聚集和数据压缩等技术能够减少传输的数据量和通信跳数，从而降低能耗。
2.3 能量回收：无线传感器网络节点在工作过程中生成的废热和振动等能量可以通过能量回收技术进行回收利用。
能量回收可以为节点提供稳定的能源补给，延长节点的使用寿命。
三、协议与通信设计无线传感器网络的协议与通信设计是保证网络正常运行的关键。
以下是几个关键的方面：3.1 MAC协议：在传感器网络中，MAC（Medium Access Control）协议用于控制节点之间的信道访问。
无线传感器网络方案设计
无线传感器网络方案设计无线传感器网络（WSN）是一种由大量分布在广域范围内的低成本无线传感器节点组成的网络系统。
这些传感器节点可以感知环境中的各种参数，并将所感知到的信息通过网络进行传输和处理。
无线传感器网络在农业、环境监测、智能交通等领域具有广泛的应用前景。
本文旨在设计一个适用于某种特定场景的无线传感器网络方案。
一、方案需求分析在开始设计无线传感器网络方案之前，我们首先需要对场景需求进行分析。
该场景可能需要监测的参数、传感器节点数量、网络拓扑结构、数据传输要求等都需要明确。
例如，在环境监测方案中，传感器节点可能需要感知温度、湿度、光照等参数，并将这些数据传输至中央控制中心进行监测和分析。
二、选择传感器节点和通信协议根据场景需求，选择适合的传感器节点和通信协议是关键。
常见的传感器节点包括温度传感器、湿度传感器、光照传感器等。
通信协议方面，常用的有无线HART、LoRa、ZigBee等。
根据具体需求，我们需要综合考虑节点功耗、传输距离、通信带宽等因素来选择合适的传感器节点和通信协议。
三、确定节点布局和网络拓扑在布置传感器节点时，需要考虑节点之间的距离、传输范围、互联互通等因素。
通常，节点应该均匀分布在整个监测区域内，以便能够全面感知环境参数。
网络拓扑方面，常见的有星型拓扑、网状拓扑等。
具体选择哪种拓扑结构取决于场景需求，比如星型拓扑适合节点数量较少的场景，而网状拓扑适合节点数量较多且需要互联互通的场景。
四、考虑能量供应和能耗优化由于无线传感器节点通常需要长时间运行，因此能量供应和能耗优化是不可忽视的因素。
传感器节点可以通过太阳能、电池等方式获取能量供应。
为了优化能耗，可以采取以下策略：降低通信功率以减少能耗、优化传输距离以减少功率消耗、选择低功耗的传感器节点等。
五、数据传输和处理设计合适的数据传输和处理方案对于无线传感器网络的正常运行是至关重要的。
数据传输可以通过无线信道进行，在传输过程中需要考虑信号干扰、数据安全等问题。
无线传感器网络的设计和实现
无线传感器网络的设计和实现近年来，随着物联网技术的不断发展，无线传感器网络也越来越受到人们的关注。
无线传感器网络是由多个节点组成的，每个节点通过传感器采集周围环境的参数，并通过无线协议将这些参数传输到其他节点或者基站，从而实现网络通信和数据采集。
本文将探讨无线传感器网络的设计和实现。
一、无线传感器网络的系统架构无线传感器网络的系统架构主要包括节点、中间件和应用程序三部分。
节点是无线传感器网络的基本组成单元，每个节点由传感器、存储器、处理器、无线收发器等组件构成。
中间件是无线传感器网络的管理平台，主要负责网络拓扑管理、节点部署和配置、网络监测和控制等工作。
应用程序则是无线传感器网络最终服务的实现，可以是数据采集、环境监测、智能控制等。
二、无线传感器网络的通信协议无线传感器网络的通信协议必须满足网络低能耗、低成本、小规模、低速率等特点。
目前，常用的无线传感器网络通信协议主要有以下几种。
1、ZigBee协议ZigBee是一种低功耗、低数据速率无线通信协议，最初被设计用于自组织和自适应无线网络。
它主要用于简单的、低功耗的自组织网络，例如家庭自动化系统或者智能楼宇控制。
2、Bluetooth协议Bluetooth是一种短距离的无线通信协议，通常用于设备间的数据传输。
它支持低功耗模式，可以用于确保无线传感器网络中的节点低功耗运行。
3、WiFi协议WiFi协议支持高速数据传输，适用于数据密集场景。
它可以用于需要大规模数据传输和网络覆盖范围较大的无线传感器网络。
三、无线传感器网络的系统优化为了优化无线传感器网络的系统性能，需要从多个方面进行优化。
1、节点能耗优化节点能耗优化是无线传感器网络中最重要的系统优化措施。
通过优化节点工作控制策略，尽量减少节点工作时间和能量消耗，可以提高节点的工作寿命，并降低节点维护成本。
2、网络拓扑优化网络拓扑优化是无线传感器网络中另一个重要的系统优化措施。
通过优化网络节点的部署和位置，可以减少节点之间的通信距离和网络拥堵程度，提高网络的传输效率和稳定性。
无线传感器网络的设计与实现
无线传感器网络的设计与实现无线传感器网络是近年来新兴的网络技术，它将微型传感器与通信技术结合起来，能够实现对物理世界的实时监测和控制。
本文将从网络构架、传感器节点、数据传输与处理等方面论述无线传感器网络的设计和实现。
一、网络构架无线传感器网络一般由传感器节点、中继节点和基站组成。
传感器节点通过感知物理环境获取数据，并将数据传输到中继节点。
中继节点负责将接收到的数据传输给基站，同时维护整个网络的稳定。
基站是无线传感器网络的管理中心，负责对传感器节点进行配置和管理，同时接收和处理传感器数据。
在设计无线传感器网络时，需要考虑网络规模、网络拓扑结构、能量管理等因素。
网络规模决定了节点数量和网络半径的大小，网络拓扑结构选择合理的拓扑结构可以提高网络的可靠性和能效，能量管理则是为了节约传感器节点的电能，延长其使用寿命。
二、传感器节点传感器节点是无线传感网络中最基本的组成部分，一般包括传感器、无线通信模块、微控制器和电源等部分。
传感器用于采集物理环境所需的数据，无线通信模块用于将数据传输到中继节点，微控制器用于数据的处理和存储，电源提供节点所需的电能。
在传感器的选择上，需要考虑传感器的精度、灵敏度、抗干扰能力、响应速度等因素。
通信模块需要考虑传输距离、数据传输速率、通信协议等因素。
微控制器需要考虑运算速度、存储容量等因素。
电源需要选择能够满足节点长时间工作的电池，同时需要考虑电池寿命和充电方式等因素。
三、数据传输与处理无线传感器网络中的数据传输主要有两种方式：集中式和分散式。
集中式数据传输一般由中继节点将传感器节点采集到的数据汇集到基站，基站进行数据处理和存储，然后返回指令给节点。
分散式数据传输一般通过节点之间的协作来完成数据传输和处理。
在传输和处理数据时需要考虑能源的消耗，因为传感器节点的电池是有限的。
因此，一些数据冗余删除、压缩和预处理等技术可以在传输前对数据进行处理，以降低传输数据量，从而节约能源。
同时，数据传输过程中也需要考虑数据安全和防止数据丢失的问题。
无线传感器网络的设计方案
无线传感器网络的设计方案无线传感器网络（Wireless Sensor Network, WSN）是由多个分布式、自组织的传感器节点组成的网络系统，用于收集、处理和传输环境中的物理或化学参数。
在各种应用领域，例如环境监测、智能交通、无人机控制等，无线传感器网络都发挥着重要的作用。
为了确保无线传感器网络的高效运行和可靠性，设计一个合理的网络架构和通信方案至关重要。
本文将介绍一个设计方案，以实现一个具有高性能和可靠性的无线传感器网络。
一、网络拓扑结构设计为了达到高效的通信和资源利用，无线传感器网络通常采用多层、分布式的拓扑结构。
其中，典型的拓扑结构包括星型、网状和集簇等。
在设计网络拓扑结构时，需要考虑以下几个因素：1. 覆盖范围：根据应用需求和监测区域大小，选择合适的网络拓扑结构。
对于大范围的监测区域，可以采用星型或网状结构；而对于局部区域监测，可以采用集簇结构。
2. 能量消耗：无线传感器节点通常由电池供电，因此在设计网络拓扑结构时，需要考虑节点能量消耗的均衡。
合理选择节点的位置，减少能量消耗不均衡现象，延长整个网络的寿命。
3. 通信效率：网络拓扑结构的设计应该确保节点之间的距离尽量接近，以提高通信效率。
同时，避免冗余的节点连接，减少通信负载。
二、节点通信协议设计在无线传感器网络中，节点之间的通信是通过协议来实现的。
设计一个高效的通信协议可以提高网络的可靠性和传输效率。
以下是设计节点通信协议时需要考虑的几个因素：1. 数据传输方式：根据应用需求和传输特性，选择合适的数据传输方式。
例如，可以采用直接传输方式、多跳传输方式或基于路由的传输方式。
2. 路由选择算法：根据网络拓扑结构和节点分布情况，设计合适的路由选择算法。
例如，可以采用最短路径算法、最小代价算法或基于能量消耗的路由算法。
3. 数据压缩和聚合：为了减少能量消耗和网络带宽占用，可以设计数据压缩和聚合技术。
将相似的数据进行压缩和聚合，减少无用数据的传输。
无线传感器网络方案设计
无线传感器网络方案设计随着科技的不断进步，无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）在各个领域的应用越来越广泛。
本文将针对无线传感器网络进行方案设计，以满足各种应用需求。
一、引言在无线传感器网络中，传感器节点通过自组织的方式进行通信和协作，实现对环境的实时监测和数据采集。
为了设计一个高效、可靠、安全的无线传感器网络方案，我们需要考虑以下几个关键因素：传感器节点的布局，能耗管理，网络拓扑结构和数据传输协议选择。
二、传感器节点布局传感器节点的布局是无线传感器网络方案设计的重要一环。
传感器节点的位置决定了网络的覆盖范围和数据采集的准确性。
合理的节点布局可以降低能耗和信号传输损耗，同时提高网络的稳定性和性能。
在节点布局时，我们需要考虑以下几个因素：网络的监测区域、环境特征、传感器节点的数量和类型以及节点之间的通信距离等。
三、能耗管理能耗管理对于无线传感器网络的长期运行至关重要。
传感器节点的能源有限，如果能耗不得当，将导致节点死亡，从而影响整个网络的性能。
为了延长网络的生命周期，我们需要采取以下措施来进行能耗管理：节点休眠和唤醒策略、能量平衡机制、数据压缩和聚合、分簇技术以及能源补给等。
四、网络拓扑结构网络拓扑结构决定了无线传感器网络的整体性能和可靠性。
常见的网络拓扑结构包括星型、树型、网状和混合型等。
在选择网络拓扑结构时，需要考虑网络规模、数据传输距离、节点通信频率和资源分配等方面的因素。
不同的应用场景可能需要不同的网络拓扑结构，因此我们需要根据实际需求，选择最适合的网络拓扑结构。
五、数据传输协议选择数据传输协议是无线传感器网络中数据通信的基础。
常见的数据传输协议有LEACH、SPIN、TEEN等。
在选择数据传输协议时，需要考虑网络的实时性、吞吐量、能耗和安全性等方面的因素。
不同的应用场景可能需要不同的数据传输协议，因此我们需要根据实际需求，选择最合适的数据传输协议。
六、安全性保障无线传感器网络中的数据传输往往涉及重要的隐私信息，因此安全性保障是不可忽视的因素。
物联网无线传感器网络技术与应用项目七 无线传感器网络设计
6.4 zigbee无线传感器网 络网关选型
6.4.3 网关协议的转换
CC2530模块
ZigBee 串口
STM32F107VCT6
以太网
网关开发板
小结
1．网关又称为网间连接器，协议转换器，是多个网络间提供数据 转换服务的计算机系统或设备。 2．协议网关在不同协议的网络区域作协议转化。 3．应用网关是在应用层连接两部分应用程序的网关，是在不同数 据格式间翻译数据的系统。 4．安全网关类似防火墙，网关可以是本地的，也可以是远程的。 5．在igbee无线传感器网络网关在完成协议转换的同时可以承担组 建和管理zigbee无线传感器网络的诸多工作。 6．无线传感器网关是协议网关的一种，主要完成不同协议之间的 转化。
6.1 概述
网关，又称为网间连接器。网关在传输层上实现网 络互联，是最复杂的网络互联设备，用于两个或两 个以上高层协议不同的网络互联。网关的结构类似 于路由器设备，不同的是互联层。网关既可以用于 广域网互联，也可用于局域网互联，是一种充当协 议转换重任的计算机系统或设备。
6.2 网关的分类
网关根据应用领域的不同，一般可以分为协议网关、 应用网关和安全网关。
6.3 网关的特点与功能
6.3.1 网关的特点 （1）连接不同协议的网络。在一个大型的计算机网 络中，当类型不同而协议又差别很大时，可以利用 网关实现多个物理上或逻辑上独立的网络间的连接。 由于协议转换的复杂性，一般只进行一对一的转换 或者少数集中应用协议的转换。 （2）可以用于广域网互联，也可以用于局域网互联。 对具有不同网络体系结构而且物理上又彼此独立的 网络，可以使用网关连接起来。被连接的两个网络 可以是相同的，也可以是不同的。用网关互联的两 个网络在物理上可以是同一个网络。
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7.5 Zigbee无线传感网络 软件的操作系统
7.5.3 TinyOS体系结构 TinyOS调度模型的主要特点如下。 ①任务单线程结束，只分配单个任务栈，这对内存受限的系 统很有利。 ②没有进程管理概念，对任务按简单的FIFO队列进行调度。 ③FIFO的任务调度策略具有能耗敏感性，当任务队列为空时， 处理器进入休眠状态，随后由外部中断事件唤醒CPU进行任 务调度。 ④两级的调度结构可以实现优先执行少量相同事件相关的处 理，同时打断长时间运行的任务。 ⑤基于事件的调度策略，只需要少量空间就可获得并发性， 并允许独立的组件共享单个执行上下文。 ⑥任务之间相互平等，没有优先级的概念。
传统网络 通用设计，服务于多个应用 主要关注网络性能和延迟 器件和网络工作于可控的温和环境 通常有维护与维修 组件故障通过维修解决 轻松获得全局网络信息和实现集中式管理
zigbee无线传感器网络 单一设计，服务于特定应用 功耗是主要设计关注点 常布设于存在苛刻条件的环境中 与节点物理接触，很难甚至不可维修 网络设计需要预计存在组件故障，增加之冗余度 决策由本地节点完成，不支持集中式管理
7.2 Zigbee无线传感网络 的安全
7.2.2 传感器网络的安全性目标 2、WSN的安全需求 （1）保密性。 （2）完整性。 （3）健壮性。 （4）真实性。 （5）时效性。 （6）可用性。 （7）访问控制。
7.2 Zigbee无线传感网络 的安全
7.2.3 传感器网络的安全策略 1．传感器节点的物理操纵 安全策略：由于传感器节点容易被物理操纵是传感 器网络不可回避的安全问题，必须通过其他的技术 方案来提高传感器网络的安全性能。如在通信前进 行节点与节点的身份认证；设计新的密钥协商方案， 使得即使有一小部分节点被操纵后，攻击者也不能 或很难从获取的节点信息推导出其他节点的密钥信 息等。
7.3 Zigbee无线传感网络 硬件的设计
7.3.3 典型节点 3．SIMIT-1节点 SIMIT-1节点是中国科学院上海微系统与信息技术研 究所研制的用于野外环境监测的传感节点，主要由 控制单元、无线收发单元、存储模块、定位模块、 信号采集单元和电源管理单元组成。
7.3 Zigbee无线传感网络 硬件的设计
7.3.3 典型节点 3．SIMIT-1节点 SIMIT-1节点是中国科学院上海微系统与信息技术研 究所研制的用于野外环境监测的传感节点，主要由 控制单元、无线收发单元、存储模块、定位模块、 信号采集单元和电源管理单元组成。
7.3 Zigbee无线传感网络 硬件的设计
7.3.4 节点应用选型 zigbee无线传感器网络节点大规模产业化，节点的 性能受成本影响很大。针对节点应用，提出了共性 平台+应用子集的方案。
7.1 Zigbee无线传感网络 设计的基本要求
7.1.2 WSN路由协议设计要求 （1）健壮性 （2）减少通信量来降低能耗 （3）保持通信量负载均衡。 （4）路由协议应具有安全机制。 （5）可扩展性
7.1 Zigbee无线传感网络 设计的基本要求
7.1.3 评价指标体系 （1）能源有效性 （2）生命周期 （3）时间延迟。 （4）感知精度 （5）容错性 （6）可扩展性
7.3 Zigbee无线传感网络 硬件的设计
7.3.2 网关和汇聚节点的设计 网关和汇聚节点具备信息聚合、处理、选择、分发， 以及子网网络管理等功能。 传感节点对其部署的区域进行监控，获取感知信息； 网关和汇聚节点对其控制区域内的传感节点实现任 务调度、数据融合、网络维护等功能。
7.3 Zigbee无线传感网络 硬件的设计
7.5 Zigbee无线传感网络 软件的操作系统
7.5.1 WSN操作系统概述
操作系统 TinyOS
Contiki
MANTIS Nano-RK
LiteOS
体系结构 基于组件和 应用的硬件 抽 象架构 模块化
分层结构
单内核体系 结构
模 块化
编程模式 Nesc 语言 基于组 件的 编 程模型
原始线程和 基于事件驱 动
7.3 Zigbee无线传感网络 硬件的设计
7.3.1 传感节点的设计 2．控制单元 控制单元将其他单元及外部接口连接在一起，处理 有关感知、通信和自组织的指令。控制单元包括控 制器件、非易失性存储器（通常是控制器件的片内 Flash）、随机存储器、内部时钟等。大部分控制器 件集成了非易失性存储器、随机存储器、内部时钟 等
7.3 Zigbee无线传感网络 硬件的设计
7.3.1 传感节点的设计 3．无线收发单元 传感节点之间通过无线收发单元实现互连，组成自 组织传感器网络。传感节点的无线收发单元主要由 无线窄带通信芯片和与其配套的滤波电路等外围电 路组成。
7.3 Zigbee无线传感网络 硬件的设计
7.3.1 传感节点的设计 4、电源管理单元 在传感节点，电源管理单元是一个关键的系统组件， 体现在两方面：第一是存储能量并为其他单元提供 所需要电压的稳压器件，第二是从外部环境中获取 额外的能量。
7.3 Zigbee无线传感网络 硬件的设计
7.3.3 典型节点 1．MICA节点 MICA节点是伯克利大学研制的用于传感器网络研究 演示平台的实验节点，主要包括微处理器、射频收 发单元、电源管理单元、存储单元四部分。
7.3 Zigbee无线传感网络 硬件的设计
7.3.3 典型节点 2．Toles节点 Toles节点是Moteiv公司推出的用于传感器网络研究 演示平台的实验节点，主要包含微处理器、传感器、 无线收发芯片和PC接口。
7.3 Zigbee无线传感网络 硬件的设计
7.3.1 传感节点的设计 传感节点主要包括感知单元、控制单元、无线收发 单元和电源管理单元4个部分。
7.3 Zigbee无线传感网络 硬件的设计
7.3.1 传感节点的设计 1．感知单元 感知单元负责物理信号的提取。信号采集单元包括 信号调理电路和模/数转换模块。传感器输出的模拟 信号需经信号调理才能符合模/数转换要求。
线程模型
线程模型
线程和事件 驱动
调度方式
基于事件驱 动，外部中 断事件获得 高 优先级
基于事 件和 消息传递 的 进程间通信
基于优先级 的抢占调度
抢占式 多任务 操作系 统
基于优先级 的调度
内存管理 静态内存管 理
动态内存管 理、多个任 务共享一个 任 务栈 动态内存管 理 静态内存管 理
动态内存管 理
7.2 Zigbee无线传感网络 的安全
7.2.3 传感器网络的安全策略 2．信息窃听 安全策略：对传输信息加密可以解决窃听问题，但 需要一个灵活、强健的密钥交换和管理方案。
7.2 Zigbee无线传感网络 的安全
7.2.3 传感器网络的安全策略 3、私有性问题 安全策略：保证网络中的传感信息只有可信实体才 可以访问是保证私有性问题的最好方法，这可通过 数据加密和访问控制来实现；另外一种方法是限制 网络所发送信息的粒度，因为信息越详细，越有可 能泄露私有性。
项目七 ZigBee无线传感器网络设计
项目七 ZigBee无线传感 器网络设计
知识目标： 1. 掌握zigbee无线传感器网络系统设计的基本
要求。 2.了解zigbee无线传感器网络的安全设计。 3.掌握zigbee无线传感器网络的硬件和软件设计。
项目七 ZigBee无线传感器 网络设计
技能目标： 1. 掌握Z-Stack协议栈的串口通信。 2.掌握Z-Stack协议栈的点播通信。 3.掌握Z-Stack协议栈程序的移植。
7.2 Zigbee无线传感网络 的安全
7.2.2 传感器网络的安全性目标 1．WSN的安全目标及实现基础 将其安全问题归结为消息安全和节点安全。所谓消 息安全是指节点之间传输的各种报文的安全性。节 点安全是指针对传感器节点被俘获并改造而变为恶 意节点时，网络能够迅速地发现异常节点，并能有 效地防止其产生更大的危害。 维护传感器节点安全的首要问题是建立节点信任机 制。因此，密钥管理是安全管理中最重要、最基础 的环节。
7.1 Zigbee无线传感网络 设计的基本要求
7.1.1 系统设计原则 （1）节能是zigbee无线传感器网络节点设计最主要 的问题 （2）成本的高低也是衡量zigbee无线传感器网络节 点设计好坏的重要指标 （3）小型化也是zigbee无线传感器网络追求目标 （4）可扩展性也是传感器网络设计中必须要考虑的 问题
7.2 Zigbee无线传感网络 的安全
7.2.1 传感器网络的安全分析 1．传感器网络的特点 （1）能量有限 （2）计算能力有限 （3）存储能力有限 （4）通信范围有限 （5）防篡改性
7.2 Zigbee无线传感网络 的安全
7.2.1 传感器网络的安全分析 2．Zigbee无线传感器网络的安全特点 （1）资源受限、通信环境恶劣 （2）部署区域的安全无法保证，节点容易失效 （3）网络无基础框架 （4）部署前地理位置具有不确定性
7.5 Zigbee无线传感网络 软件的操作系统
7.5.3 TinyOS体系结构 组件由下到上通常分为硬件抽象组件、综合硬件组 件和高层软件组件三类。 （1）硬件抽象组件是将物理硬件映射到TinyOS的 组件模型。 （2）综合硬件组件是模拟高级的硬件行为，如感知 组件、通信组件等。应用组件实现控制、路由以及 数据传输等应用层的功能。 （3）高层软件组件向底层组件发出命令，底层组件 向高层组件报告事件。
7.2 Zigbee无线传感网络 的安全
7.2.3 传感器网络的安全策略 4、拒绝服务攻击 安全策略：一些跳频和扩频技术可以用来减轻网络 堵塞问题。恰当的认证可以防止在网络中插入无用 信息。然而，这些协议必须十分有效，否则它也可 能用来当做拒绝服务攻击的手段。
7.3 Zigbee无线传感网络 硬件的设计
7.4 Zigbee无线传感网络 软件的设计
软件架构的设计应遵循的主要原则： ①以操作系统为基础的设备管理实体对程序进程进 行优先级管理和分配。 ②层间交互以服务原语的形式实现；层内功能实体 之间交互以消息形式实现。 ③各功能模块具有可裁剪性和易重构性。 ④满足软件测试所必需的测试单元。 ⑤遵守开放的公共接口规范。 ⑥符合存储受限要求。