无线传感网络协议栈介绍
网络层
MAC
数据链路层
负责无冲突的接入信道； LLC 负责点对点数据可靠通信。
负责射频单元控制； 负责信道能量检测； 物理层 负责数据收发。
协议栈工作流程
应用层
路由
数据 数据
应用层
路由
网络层
MAC LLC
分组
分组
网络层
MAC LLC
数据链路层 物理层
RF
数据帧
数பைடு நூலகம்帧
数据链路层 物理层
RF
Bit流 电信号
MLME
PD-SAP
PLME-SAP
PHY layer
PLME
PHY PIB
RF-SAP
PHY： physical MAC： Medium Access Control SAP： Service Access Point PIB： PAN Information Base RF： Radio Frequency PD： PHY Data PLME：Physical Layer Management Entity MCPS：MAC Common Part Sublayer MLME：MAC subLayer Management Entity
Bit流
协议栈工作流程
1 (25) 3 0 (25) (6;0;25) (2;0;6;0;25) Tx(100110…) (6;0;25) 2 4 (6;0;25) 6 (6;0;25) (6;4;6;0;25) Rx(110010…)
(2;0;6;0;25) (4;2;6;0;25) (4;2;6;0;25) (6;4;6;0;25)
Rx(100110…) Tx(100101…) Rx(100101…) Tx(110010…)
802.15.4标准
目的：for Low-Rate Wireless Personal Area Networks (LR-WPANs)
MCPS-SAP MLME-SAP MAC PIB
MAC layer
无线传感器网络协议栈
唐云建 Yunjian.tang@
网络协议？
网络
通信规则
网络协议：网络上所有设备之间通信规则 集合 通信规则的集合 通信规则 集合。
网络协议栈？
上层规则 分类 特点：复杂、 网络协议：通信规则的集合 规则多 底层规则 网络协议栈：层次化的通信规则 通信规则。 通信规则
协议栈例子
Node433协议栈体系结构
End！
无线网络协议栈的任务
任务 （Task）
定义与具体应用相关的语义； 将数据从源节点多跳转发到目的节点； 规则由具体任务定义 QoS（服务质量）保证； 无冲突的接入信道； 点对点数据可靠通信； 射频单元控制； 信道能量检测； 数据收发。
无线传感器网络协议栈
定义与具体应用相关的语义。 应用层 负责将数据从源节点多跳转发到目的节点； 路由 负责QoS。
【无线通信篇Zstack协议栈】CC2530ZigbeeZstack协议栈组网项目及详细讲解篇
【⽆线通信篇Zstack协议栈】CC2530ZigbeeZstack协议栈组⽹项⽬及详细讲解篇物联⽹⽆线通信技术，ZigBee⽆线传感⽹络CC2530最⼤的特点就是⼀个拥有⽆线收发器（RF）的单⽚机，既能实现单⽚机功能，也能实现⽆线传输Zstack协议栈是ZigBee协议栈⾥的翘楚，是ZigBee组⽹的⾸选协议栈项⽬实现功能：l 总共有三个端点，⼀个协调器和两个终端节点l 终端节点1连接DHT11温湿度传感器，定时上传给协调器l 终端节点2连接LED，可以通过协调器按键控制，定时上报LED开关状态l 协调器连接12864 OLED 屏幕，实时显⽰温湿度和LED状态l 协调器可以通过按键控制终端2的LED开关，控制后将会显⽰控制结果扩展功能（当前未实现，可进⼀步开发实现）：l 连接协调器串⼝，将终端节点采集的数据通过串⼝发送，PC写上位机实现数据展⽰l 连接WIFI或者4G模块，WIFI模块如ESP8266，实现数据局域⽹⽆线传输或者上传到OneNET、机智云、阿⾥云、⾃⼰开发云服务器等，实现WEB或⼿机APP显⽰和控制。
⼀、项⽬测试（可想⽽知，⼴州的天⽓有多热，39℃了都）实现功能汇总：l 总共有三个端点，⼀个协调器和两个终端节点l 终端节点1连接DHT11温湿度传感器，定时上传给协调器l 终端节点2连接LED，可以通过协调器按键控制，定时上报LED开关状态l 协调器连接12864 OLED 屏幕，实时显⽰温湿度和LED状态l 协调器可以通过按键控制终端2的LED开关，控制后将会显⽰控制结果(⼀) 环境汇总芯⽚：CC2530F256Zstack协议栈：ZStack-CC2530-2.5.1a编程环境：IAR(⼆) 引脚分配协调器：128*64 OLED 0.96⼨屏幕供电：3.3V通信协议：IIC引脚：SDA P0_6SCL P0_7按键：IO：P0_1下降沿触发中断终端1：DHT11：通信⽅式：单总线协议供电：3.3VIO:P0_6终端2：LEDIO：P1_0说明：⾼电平点亮，低电平熄灭⼆、基础认识(⼀) CC2530单⽚机CC2530最⼤的特点就是⼀个拥有⽆线收发器（RF）的单⽚机，既能实现单⽚机功能，也能实现⽆线传输。
无线传感器网络协议栈的设计与开发
l绪论硕士论文及管理医院内的人及仪器等。
预报系统和环境监测方面，无线传感器网络同样可以应用于很多方面，如气象l6]和地理研究[7]、农业环境监测l8]、森林火灾监控[9]、物种追踪等等。
无线传感器网络还可以在未知空间探索【’0]、现代物流、仓储管理、建筑物状态监控【川、复杂机械监控、智能交通控制管理〔’21、智能家居及安全监测等非常广泛的领域得到应用。
除了上面列出的，也有许多其他方面的应用潜力。
毫无疑问的是，在传感器网络中尚隐藏着巨大的未被挖掘的商机。
随着社会经济和科学技术的发展进步，传感器网络必将会多方面地应用到科学研究与生产生活中来。
虽说无线传感器网络与传统的移动自组织网有不少相似之处，例如都具有节点自组织及网络拓扑动态构建等特性，但也有着不少的区别。
由于无线传感器网络具有微型化，规模化，硬件资源少等特性，因此拥有自己特有的协议栈体系，是十分必须的。
而现阶段国内外针对无线传感器网络一协议栈的系统研究，还相对缺乏。
1.2无线传感器网络特点及国内外研究现状1.2.1无线传感器网络特点蓝牙、蜂窝网络、移动自组织网等比较传统的无线网络，主要设计目标都是能够在移动环境下提供高质量的和高带宽的数据传输服务。
在网络设计中，节点能量消耗往往不是主要考虑因素，并且一方面把中间节点的功能削弱，仅负责数据分组转发，另一方面强调了网络端点的功能，包揽了一切与功能有关的处理【’31。
无线传感器网络除了具有无线网络的传统特征以外，它还具有以下一些明显的特点:(1)节点硬件资源有限。
传感器节点具有体积小，成本低，集成度高、能源消耗快的特性，其处理器芯片的计算能力和存储容量要明显弱于普通的计算机程序。
因此在节点的系统设计中，协议栈必须精巧高效。
(z)电源容量有限。
由于电池技术在近年来没有突破性的发展，并且传感器节点个数多，体积微小，再加之成本要求低廉、分布范围广，部署区域复杂，甚至是在常人无法到达的远程环境中，无法及时得到能源补给，只能由电池供电，而十分有限的电池容量导致了网络中的节点经常由于能源耗尽的原因废弃或失效。
无线传感器网络路由协议
无线传感器网络路由协议无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）是由大量低成本、低功耗的传感器节点组成的网络系统，用于感知和收集环境信息。
无线传感器网络的路由协议起着关键作用，它决定了数据在网络中的传输路径和方式，影响着整个网络的性能、能耗以及生存时间。
1. LEACH（Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy）是一种经典的层次化路由协议。
它将网络中的节点划分为若干个簇（Cluster），每个簇有一个簇首节点（Cluster Head）。
簇首节点负责收集和聚合簇内节点的数据，并将聚合后的数据传输给基站节点，从而减少了网络中节点之间的通信量，节省了能耗。
2. AODV（Ad Hoc On-Demand Distance Vector）是一种平面路由协议，适用于无线传感器网络中节点数量较少且网络拓扑较稳定的情况。
AODV协议通过维护路由表来选择最短路径，当节点需要发送数据时，它会向周围节点发起路由请求，并根据收到的响应建立起路由路径。
3. GPSR（Greedy Perimeter Stateless Routing）是一种基于地理位置的路由协议。
它通过利用节点的地理位置信息来进行路由选择，具有低能耗和高效的特点。
GPSR协议将整个网络划分为若干个区域，每个节点知道自己的位置以及周围节点的位置，当需要发送数据时，节点会选择最近的邻居节点来进行转发，直到达到目的节点。
除了以上几种常见的路由协议，还有很多其他的无线传感器网络路由协议，如HEED（Hybrid Energy-Efficient Distributed clustering）、PEGASIS（Power-Efficient Gathering in Sensor Information Systems）等，它们各自具备不同的优势和适用场景。
总之，无线传感器网络的路由协议在保证数据传输可靠性和网络能耗方面起着重要的作用。
无线传感器网络路由协议分析
南京邮电大学硕士研究生学位论文术语表术语表Adaptive Threshold sensitive Energy APTEEN 自适应敏感阀值节能型传感网络协议CDMA码分多址Code Division Multiple AccessCSMA 载波侦听多路访问Carrier Sense Multiple AccessDD 定向扩散Directed DiffusionGEAR 地理和能量感知路由Geographic and Energy Routing LEACH 低功耗自适应分簇协议介质访问控制Media Access ControlMCU 微控制单元Micro-Controller UnitPEGASIS Po-Efficient Gathering in SensorInformation System服务质量Quality of Service信息协商传感协议Sensor Protocol for Information viaNegotiationTCP 传输控制协议Transfer Control ProtocolTDMA 时分多址Time Division Multiple AccessTEEN 敏感阀值节能型传感网络协议Threshold sensitive Energy Efficient sensorNetwork protocol用户数据包协议User Datagram ProtocolWSN 无线传感器网络Wireless Sensor Network南京邮电大学学位论文原创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。
尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南京邮电大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。
与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。
无线传感器网络体系结构
Internet、卫星或移动 通信网络等
任务管理中心
汇聚节点
监测区域 传感器节点
无线传感器网络物理体系结构
传感器节点包括 （1）数据采集模块 （2）处理控制模块 （3）无线通信模块 （4）能量供应模块
Internet、卫星或移动 通信网络等
任务管理中心
汇聚节点
监测区域 传感器节点
无线传感器网络物理体系结构
外部网络 （UAV、卫星通信
网、互联网等）
观测节点
目标
远程任务管理
用户
数据传输或 信令交换
传感器节点
感知现场
体系结构概述
观测节点（汇聚节点）的各方面能力相对于上述节点群而言相对比较强，具有双重 身份。它连接传感器网络、Internet等外部网络，实现两种协议栈之间的通信协议转 换。同时发布管理点的监测任务，并把收集的数据转发到外部网络上。通常假设观 测节点能力较强，资源充分或可补充。观测节点有被动触发和主动查询两种工作模 式，前者被动地由传感节点发出的感兴趣事件或消息触发，后者则周期扫描网络和 查询传感节点，较常用。
的目标信息。
外部网络 （UAV、卫星通信
网、互联网等）
观测节点
目标
远程任务管理
用户
数据传输或 信令交换
传感器节点
感知现场
体系结构概述
传感器节点具有原始数据采集、本地信息处理、无线数据传输及与其它 节点协同工作的能力，这些节点群随机部署在监测区域 内部或附近，能够通过自组织方式构成网络。
外部网络 （UAV、卫星通信
应用层
表示层
会话层
OSI参考模型
传输层 网络层
数据链路层
物理层
开放式系统互联（OSI）协议参考模型
无线传感器网络通信协议
CATALOGUE目录•无线传感器网络概述•无线传感器网络通信协议基础•典型的无线传感器网络通信协议•无线传感器网络通信协议的性能评价与优化•无线传感器网络通信协议的未来发展趋势无线传感器网络概述无线传感器网络定义•定义：无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）是由一组自主、分布式、无线连接的传感器节点组成的网络，用于监测和记录环境参数，并将数据传输到中心节点进行处理和分析。
传感器节点具有自主性，能够独立完成数据采集和传输任务，同时具备分布式处理能力，能够实现节点间的协同工作。
自主性和分布式采用无线通信技术，实现节点间的数据传输和通信，降低了网络布线的成本和复杂性。
无线连接传感器节点通常具有有限的计算、存储和能量资源，需要在资源受限的情况下实现高效的数据采集和传输。
资源受限无线传感器网络的特点用于监测环境参数，如温度、湿度、气压、光照等，广泛应用于农业、林业、气象等领域。
环境监测监测工业生产过程中的参数，如温度、压力、流量等，实现工业自动化控制和优化。
工业控制用于智能家居系统中的环境参数监测和设备控制，提高家居生活的舒适性和智能化程度。
智能家居监测人体生理参数，如体温、心率、血压等，实现远程医疗和健康管理。
医疗健康无线传感器网络的应用场景议基础通信协议是一种规定设备间如何进行数据交互的规则和标准。
定义在无线传感器网络中，通信协议确保了各个传感器节点能够准确、高效地交换信息，是实现协同工作和数据收集的基础。
重要性通信协议的定义与重要性用于媒体访问控制，决定无线信道的使用方式，如何分配通信资源等。
MAC协议路由协议数据融合协议确定数据在传感器节点间的传输路径，以保证数据的可靠传输和能量的高效利用。
用于减少数据冗余，提高信息的质量，同时降低能量消耗。
030201无线传感器网络通信协议的分类能量高效可扩展性可靠性安全性无线传感器网络通信协议的设计目标01020304由于传感器节点通常能量受限，因此协议需要优化能量消耗，延长网络寿命。
传感器与无线传感网络ZigBee介绍
Zigbee技术在智能农业中的应用
低功耗
Zigbee技术采用低功耗设计，延长了传感器节 点的使用寿命。
可靠性
Zigbee技术具有较高的通信可靠性和稳定性， 保证了数据传输的质量。
ABCD
无线传输
Zigbee技术实现传感器节点之间的无线通信， 降低了布线成本和难度。
自组网
Zigbee节点可自组织形成网络，无需中心节 点控制。
可靠传输
Zigbee传输速率低，但可靠性高，适用于环 境监测等对数据准确性要求高的场景。
低成本
Zigbee节点成本低，易于大规模部署。
环境监测的发展趋势
智能化
利用人工智能技术对环境数据进行深度分析，提 高预警和决策的准确性。
物联网化
将环境监测与物联网技术相结合，实现更广泛的 数据采集和远程控制。
数据中心架构
数据中心对接收到的数据进行处理、分析和可视化，为农业生产提供决策支持 。
传感器在智能农业中的应用
土壤湿度传感器
监测土壤湿度，为灌溉提供依据，避免过度 或不足灌溉。
光照传感器
监测光照强度，优化植物光合作用，提高农 作物产量。
温度传感器
监测农田温度，预测病虫害发生风险，及时 采取措施。
CO2浓度传感器
各子系统通过统一的通信协议和数据接口进行连接，实现数据共享和远程 控制。
传感器作为智能家居系统中的重要组成部分，负责采集环境参数和设备状 态信息，为系统提供数据支持。
传感器在智能家居中的应用
温度传感器
用于监测室内温度，实现温度自动调节和节能控制。
湿度传感器
用于监测室内湿度，保持室内舒适度。
无线传感器网络通信协议
要点二
基于协调的MAC协议
节点通过与其它节点协调，分配无线 信道的使用权，例如TDMA（Time Division Multiple Access）和 FDMA（Frequency Division Multiple Access）等。
要点三
基于混合的MAC协议
结合了竞争和协调两种方式，例如 CDMA（Code Division Multiple Access）和OFDMA（Orthogonal Frequency Division Multiple Access）等。
用于农田管理、作物协议的重要性
无线传感器网络通信协议是WSN的核心技术之一， 对于网络的性能和稳定性起着至关重要的作用。
通信协议需要满足低功耗、可扩展性、安全性、可 靠性等要求，以适应不同的应用场景和需求。
采用高效的通信协议可以提高网络的寿命、降低能 耗，同时保证数据传输的实时性和准确性。
常见的MAC协议比较
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05
CSMA/CA和CSMA/CD ：这两种协议简单易实现 ，适用于小型网络。但它 们在大型网络中性能较差 ，因为它们不能很好地处 理节点之间的干扰和碰撞 。
TDMA：TDMA将时间划 分为多个时隙，每个节点 只能在特定的时隙内进行 数据传输。它适用于大型 网络，但实现较为复杂。
安全与隐私保护研究
• 总结词：安全与隐私保护是无线传感器网络通信协议的重要 研究课题，旨在保障网络数据安全和用户隐私。
• 详细描述：无线传感器网络面临着多种安全威胁和隐私泄露 风险，如恶意攻击、数据窃取、节点伪造等。因此，研究安 全与隐私保护机制至关重要。目前，研究工作主要集中在加 密算法、访问控制、安全认证等方面。例如，基于公钥加密 算法的密钥分配机制，保证数据传输和存储的安全性；基于 属性基密码的访问控制机制，根据用户属性授予相应权限； 基于联邦学习的安全认证机制，保护节点身份隐私和数据安 全。此外，还有一些研究工作致力于开发轻量级安全协议和 隐私保护技术，提高网络安全性。
无线传感器网络的MAC协议全解
基于竞争的MAC层协议
T-MAC协议
解决早睡问题的方法之一——FRTSFuture Request To Send ◆节点C监听到B发送给A的CTS时;立即向D 发送FRTS;告知D所需等待时间;D睡眠后醒 来与C通信; ◆A在发送DS占用信道;DS与FRTS长度相同 无有效信息;DS发送后;A开始发送数据; ◆FRTS机制提高了网络吞吐量;增大了数据 量和碰撞概率
知其它可能隐蔽的站点的效果 避免了隐蔽站点造成的冲突
CSMA机制
MAC层CSMA/CA机制
数个节点进入退避阶段，如选择的退避时间一致，有可能会发生碰 撞，CSMA采用二进制指数退避机制规避再次碰撞。 ◆确定基本退避时间（基数），一般定为2T，即一个竞争窗口 ◆定义K为重传次数，K=min[重传次数，10] ◆从集合[0,1,2,···,2k-1]中，随机取出一个数R，令退避时间为 t=R×2T ◆如数据帧在重传16次后仍无法成功发送，则认为传输失败并报告 给高层协议
MAC层能耗来源
空闲侦听(Idlelistening)
◆射频模块处于活动状态会消耗大量的能源。这是节点能量消耗的 最主要来源，射频收发器处于接收模式时消耗的能量比其处于待命 模式多两个数量级。 ◆为避免冲突，节点也需要不断的侦听信道，查询信道是否被占用。 空闲侦听的代价也是很大的。
MAC层能耗来源
DMAC协议基本机制
基于竞争的MAC层协议
DMAC协议
自适应忙闲比机制
◆如果节点在一个发送周期内有多个数据包要发送，就需要该节 点和树状路径上的上层节点一起加大发送周期占空比 ◆通过在MAC层数据帧的帧头加入一个标记(more data flag)，以较小 的控制开销发送占空比更新请求。在ACK帧中加入同样的标记位 ◆节点提高忙闲比的条件：节点将相关标志位置1，或收到了该标 志位置1的ACK帧，传输路径上的节点依次提高忙闲比，增加了网 络的数据传输量。
无线传感器网络的基本原理和工作方式
无线传感器网络的基本原理和工作方式无线传感器网络（Wireless Sensor Network，简称WSN）是一种由大量分布在空间中的无线传感器节点组成的网络系统。
这些无线传感器节点可以感知、采集和传输环境中的各种信息，如温度、湿度、压力、光线等，从而实现对环境的实时监测和数据采集。
本文将介绍无线传感器网络的基本原理和工作方式。
一、无线传感器网络的基本原理无线传感器网络的基本原理是将大量的无线传感器节点分布在感兴趣的区域内，通过无线通信技术进行连接和协作，实现对环境的感知和监测。
每个无线传感器节点都具有一定的计算、存储和通信能力，能够独立地感知环境并与其他节点进行通信。
无线传感器节点通常由传感器、处理器、存储器和无线通信模块组成。
传感器负责采集环境中的各种信息，如温度、湿度等。
处理器负责对采集到的数据进行处理和分析，存储器用于存储数据和程序。
无线通信模块负责与其他节点进行通信，传输数据和接收指令。
二、无线传感器网络的工作方式无线传感器网络的工作方式可以分为感知层、网络层和应用层三个层次。
1. 感知层：感知层是无线传感器网络的最底层，负责采集环境中的各种信息。
每个无线传感器节点通过传感器采集环境数据，并将数据传输到处理器进行处理和分析。
感知层的主要任务是实时采集环境数据，并对数据进行预处理，如滤波、压缩等。
2. 网络层：网络层是无线传感器网络的中间层，负责无线传感器节点之间的通信和数据传输。
每个无线传感器节点通过无线通信模块与其他节点进行通信，传输数据和接收指令。
网络层的主要任务是实现节点之间的无线通信和数据传输，保证数据的可靠传输和网络的稳定运行。
3. 应用层：应用层是无线传感器网络的最高层，负责对采集到的数据进行应用和处理。
通过应用层的处理，无线传感器网络可以实现各种应用，如环境监测、智能农业、智能交通等。
应用层的主要任务是对采集到的数据进行处理和分析，并根据应用需求进行相应的控制和决策。
无线传感器网络的工作方式可以通过协议栈来实现。