物联网技术与应用第2版武奇生电子课件第6章节无线传感器网络协议规范与通信技术.ppt

3.无线传感器网络常用仿真软件 TOSSIM：是TinyOS自带的一个仿真工具，可以支持大规模网络仿真。具有编译器支持、执行模型、硬件模拟、无线模型、仿真监控等特点。 OPNET：在MIT研究成果的基础上由MIL3公司开发的网络仿真软件产品。OPNET网络仿真软件系列主要包括以下四个产品：Planner、Modeler、Modeler/Radio、OXD NS：位于美国加州的Lawrence Berkeley国家实验室于1989年开始开发的软件。NS是一种可扩展、以配置和可编程的事件驱动的仿真工具，它是由REAL仿真器发展而来。 RADSIM：是一个离散事件驱动的仿真工具，主要是针对雷达传感器节点构成的网络而设计的。RADSIM的仿真对象包括移动目标、传感器节点和通信信道等。 Synopsys：是完整的IC设计解决方案。其中Synopsys的CoCentricSystemStudio提供了一个IC仿真器和仿真技术规范，可以在多个抽象级别对算法、体系结构、硬件和软件进行联合分析和验证，其模型库包含2000多个常用算法的模型，可用于无线通信、多媒体和计算机网络领域的IC仿真。 6.5.2无线传感器网络软件开发 1.无线传感器网络软件开发的特点与设计要求 图6-24 无线传感器网络软件运行的分层结构 无线传感器网络的特点：资源受限、动态性强、数据中心。 软件系统的开发设计提出了如下一些要求： (1)软的实时性 (2)能量优化 (3)模块化 (4)面向具体应用 (5)可管理 2.无线传感器网络软件开发的内容 无线传感器网络软件设计的主要内容就是开发这些基于框架的组件，以支持下面三个层次的应用： (1)传感器应用(sensor application)。提供传感器节点必要的本地基本功能，包括数据采集、本地存储、硬件访问，直接存取操作系统等。 (2)节点应用(node application)。包含针对专门应用的任务和用于建立和维护网络的中间件功能。 (3)网络应用(network application)。描述整个网络应用的任务和所需要的服务，为用户提供操作界面来管理网络并评估运行效果。 3.无线传感器网络软件开发的主要技术挑战 (1)安全问题 (2)可控的QoS操作 (3)中间件系统 6.5.3 无线传感器网络的硬件开发概述 1.硬件系统的设计特点与要求 无线传感器网络的特点，决定了传感器节点的硬件设计应该重点考虑三个方面的问题 (1)低功耗 (2)低成本 (3)稳定性和安全性 2.硬件系统的设计内容 传感器节点的基本硬件功能模块主要由数据处理模块、换能器模块、无线通信模块、电源模块和其他外围模块组成。 图6-27 无线传感器网络节点结构 硬件系统设计的主要挑战 (1)多种应用需求之间的矛盾和权衡 (2)高能量密度电池和能量收集技术 (3)硬件的可扩展性设计 3.传感器节点的开发 1）数据处理模块设计：应主要考虑节能设计、处理速度的选择、低成本、小体积、安全性这五个方面 2）换能器模块设计 3）无线通信模块设计 4）电源模块设计 5）外围模块设计 6.6无线传感器网络应用实例-环境监测 传统的环境监测手段相比，使用传感器网络进行环境监测有三个显著优势： ①由于传感器节点的体积很小且整个网络只需要部署一次，因此传感器网络对被监测环境的人为影响要小得多。这尤其适用于那些对环境非常敏感的生物场所监测。 ②传感器节点数最大，分布密度高，每个节点可以采集到某个局部环境的详细信息，这些信息经汇总融合后传到基站，因此传感器网络具有数据采集量大、探测精度高的特点。 ③传感器节点本身具有一定的计算能力和存储能力，可以根据物理环境的变化进行较为复杂的监测。 图6-29 一种典型的传感器网络系统结构 6.7本章小结 本章就无线通信协议规范与通信技术进行系统介绍。详细介绍了IEEE 802.15.4协议结构和ZigBee网络架构，并就两种协议的组网方式进行了实例探讨和深入介绍。最后介绍了无线传感器网络的仿真方法和软硬件开发基本内容，使读者能够对无线传感器网络最基本的两种协议有了具体而直观的认识。 6.2.3 IEEE 802.15.4安全服务 1.帧安全 MAC层可以为输入输出的MAC帧提供安全服务。提供的安全服务主要包括4种：访问控制、数据加密、帧完整性检查和顺序更新。 访问控制提供的安全服务是确保—个设备只和它愿意通信的设备通信。 数据加密服务使用对称密钥来保护数据，防止第三方直接读取数据帧信息。 帧完整性检查通过一个不可逆的单向算法对整个MAC帧进行运算，生成一个消息完整性代码(Message Integrity Code，MIC)，并将其附加在数据包的后面发送。接收方式用同样的过程对MAC帧进行运算，对比运