基于ieee802.15.4的无线传感器网络的研究(定稿).doc

沈阳化工学院学士学位论文 题目：基于IEEE802.15.4的无线传感器网络的研究 摘 要在当今信息技术飞速发展的时代，无线通信技术的进步推动了低功耗多功能传感器的快速发展，能够集成信息采集、数据处理和无线通信等多种功能。无线传感器网络（WSN）就是由在监测区域内大量的微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个以数据为中心，多跳的自组织网络系统。低成本、低功耗、应用简单的IEEE802.15.4标准的诞生为无线传感器网络及大量基于微控制应用提供了互联互通的国际标准，也为这些应用及相关产业的发展提供了有力的契机。IEEE802.15.4是一种针对低速无线个人区域网络（LR-WPAN）制定的标准，该标准经济、高效、低速率传输、工作在2.4 GHz ISM频段，用于个人区域网和对等网状网络。基于IEEE 802.15.4的无线传感器网络以其突出的特点和应用前景，将成为今后无线传感器网络发展的一大方向。本文介绍了IEEE802.15.4标准的特点、构件及体系结构、发展前景，着重描述了基于IEEE802.15.4的无线传感器网络。本文还针对IEEE802.15.4标准及其相关应用做了分析，重点研究了应用IEEE802.15.4无线传感器网络进行无线通信时影响其稳定性的各种可能因素。通过Siliabs Laboratories公司2.4GHz 802.15.4开发硬件平台组建无线传感器网络，使网络节点间相互通信，采集终端节点的信号强度，进行分析，得出结论。并提出了各因素影响的解决方法以及其实现的可行性,对无线通信系统的实现进行了较完整的分析。关键字：无线传感器网络(WSN)；IEEE 802.15.4；RSSI；无线信号强度AbstractWith the todays rapid development of information technology, the magic improvement of wireless communications technology promotes the low-power multifunctional sensor rapid developing, and make it integrate information collecting, data processing , wireless communications and many other functions.Wireless sensor networks (WSN) is a kind of multi-hop and self-organization network system which taking the data as center. It consists of a large number of micro-sensor nodes for wireless communication in the monitor regions. The appearance of IEEE802.15.4 protocol which is low cost, low power consumption and simple application offers the international standard for wireless sensor network and application based on micro-control. At the same time it offers the chance for the applications and the development of related industries. Low Rate Wireless Personal Area Networks (LR-WPAN) defined by IEEE802.15.4 is economic, efficient, low-rate transmission, and working in the 2.4 GHz ISM band. It uses in the personal area network and peer-to-peer mesh network. Based on IEEE802.15.4 WSN with outstanding characteristics and prospects will become a developing direction of WSN in the future. First of all, in this thesis it introduces the IEEE802.15.4 protocol , about its features, system architecture, the present situation and developing prospects and focused on the description of IEEE802.15.4 WSN. This paper also analyzed IEEE802.15.4 standard and its related application. And it emphasis various possible factors which affect the stability of IEEE802.15.4 WSN for wireless communications, receiveing the data by experiments communication. Further more, the paper proposes the corresponding solutions and the feasibility of its realization, make a more complete analysis for the realization of wireless communication system. Key words : Wireless sensor network; IEEE802.15.4; RSSI; wireless signal strength目 录摘 要IAbstractII第一章 绪论11.1引言11.2.2 IEEE802.15.4标准的应用11.3 基于IEEE802.15.4的无线传感器网络1第二章IEEE802.15.4标准42.1 物理层42.2 介质访问层(MAC层)52.3 网络层62.4 IEEE802.15.4与IEEE802.15.1的比较7第三章 基于IEEE 802.15.4的无线传感器网络的组建93.1 2.4GHz 802.15.4开发平台93.1.1无线通信模块：射频芯片CC242093.1.2微控制模块：微控制器C8051F121113.2 构建IEEE 802.15.4无线传感器网络123.2.1 IEEE 802.15.4无线传感器网络拓扑结构123.2.2节点配置13第四章IEEE802.15.4无线传感器网络的稳定性研究154.1信号强度单位的选择154.2影响信号强度的主要因素164.2.1 频率的影响174.2.3 天线增益的影响184.2.4 障碍物影响204.3影响信号强度的其他因素214.3.1 功耗影响214.3.2传输介质影响224.3.3封闭金属环境影响254.4本章小结25第五章 总结与展望275.1 本文总结275.2 802.15.4无线传感器网络问题分析及展望27参考文献28致 谢29IV沈阳化工学院学士学位论文 题目：基于IEEE802.15.4的无线传感器网络的研究基于IEEE802.15.4的无线传感器网络的研究第一章 绪论1.1引言IEEE 802.15.4的早期客户是高端工业用户4，这是由于早期IEEE 802.15.4主要应用于工业控制、远程监控和楼宇自动化领域；后期IEEE 802.15.4的市场转向消费者和家庭用户，主要应用于家庭自动化、安全和交互式玩具，其市场的驱动力来自其低造价、小功耗以及方便灵活、易于连接、实用可靠及可升级换代的特点。将传感器与IEEE 802.15.4 WPAN设备组合，进行数据采集、处理和分析，就可以决定是否需要或何时需要用户操作。其应用实例包括恶劣环境下的检测，诸如涉及危险的火和化学物质的现场、监测以及维护正在旋转的机器等。在这些应用上，一个IEEE 802.15.4网络可以极大地降低新传感器网络的安装成本，简化对现有网络的扩充。1.2 基于IEEE802.15.4的无线传感器网络基于IEEE802.15.4的无线传感器网络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，全功能设备和精简功能设备：(1)全功能设备(Full function device, FFD )，可以支持任何一种拓扑结构，FFD是具有转发与路由能力的节点，可以作为网络协调器，并且可以和任何一种设备进行通信；(2)精简功能设备(Reduced function device, RFD)，只支持星型结构，RFD 是最小且最简单的网络节点，可以和网络协调器进行通信，只发送与接收信号，不起转发器、路由器的作用。簇状结构PAN协调器全功能设备精简功能设备星型结构网状结构图11 IEEE 802.15.4网络拓扑结构与物理节点相对应，在IEEE 802.15.4网络需要至少一个全功能设备作为网络协调器，终端节点一般使用精简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(包括簇状和网状网络)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说，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层可以使用一种精简功能设备，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的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。IEEE 802.15.4的特有特征决定了其适合传感器网络使用。IEEE 802.15.4有如下优点:(1)网络能力强IEEE 802.15.4具有卓越的网络能力，可对多达254个网络设备进行动态设备寻址。基于IEEE802.15.4标准，可在数千个微小的传感器之间实现相互协调通信。另外，采用接力的方式通过无线电波将数据从一个传感器传到另一个传感器，可使得通信效率非常高。一般而言，随着通信距离的增大，设备的复杂度、功耗以及系统成本都在增加。相对于现有的各种无线通信技术，IEEE 802.15.4的低功耗、低速率是最适合作为传感器网络的标准。单个网络中可容纳更高密度的节点。一个IEEE802.15.4网络可以容纳最多254个从设备和1个主设备，一个区域可以有100个IEEE802.15.4网络同时存在，很好地满足大规模传感器阵列的要求。(2)时延小：针对时延敏感的应用做了优化，通信时延和休眠状态激活的时延都非常短。设备搜索时延典型值为30ms，休眠激活时延典型值为15ms，活动设备信道接入时延为15ms。(3)适应性好IEEE 802.15.4可与现有控制网络标准无缝融合。通过网络协调器可自动建立网络，采用载波侦听多路访问/冲突防止(CSMA-CA)方式进行信道存取。为了可靠传递，提供全握手协议。支持星型和点对点两种拓扑结构。(4)可靠性高IEEE 802.15.4提供全握手协议，能可靠地传递数据。IEEE 802.15.4将提供一个低成本的用于数据采集和传输的网状网络，网络上的每个监测节点只需在有限的时间内发送几个比特的数据，数据流是异步的并在数据等待时间上限制极小，这些因素都利于电源使用寿命的延长。在基于IEEE802.15.4的传感器网络中,可以由全功能设备作为接收节点，终端节点一般使用精简功能设备来降低系统成本和功耗，提高电池使用寿命。IEEE802.15.4协议栈长度平均只有蓝牙或其他标准的1/4，这种简化对低成本、可交互性和可维护性非常重要。基于IEEE802.15.4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。第二章IEEE802.15.4标准IEEE 802.15.41满足国际标准组织(ISO)开放系统互连(OSD)参考模式。如图21所示，它的体系结构包括物理层、媒介接入控制层和网络层。该标准具有低功耗、低成本 、大容量、短时延、 标准简单、高安全性的特点。IEEE802.15.4网络层媒介接入控制层（MAC）物理层（PHY） 图21 IEEE 802.15.4 体系结构2.1 物理层IEEE 802.15.4定义了2.4GHr频段和868/915h1Hr频段两种物理层标准，物理层与MAC层的协作扩大了网络应用的范畴11。这两种物理层都采用直接序列扩频(DSSS)技术，降低数字集成电路的成本，并且都使用相同的帧结构，实现短工作周期、低功耗地运作。2.4GHz物理层的数据传输率为250Kbps,868/915MHz物理层的数据传输率分别是20 Kbps, 40 Kbps 。2.4GHz物理层的较高速率主要归因于一个较好的调制方案:基于DSSS方法(16个状态)的准正交调制技术。来自PPDU的二进制数据被依次(按字节从低到高)组成4位二进制数据符号，每种数据符号(对应16状态组中的一组)被映射成32位伪噪音CHIP，以便传输。然后这个连续的伪噪音CHIP序列被调制(采用最小移位键控方式MSK)到载波上，即采用半正弦脉冲波形的偏移四相移相键控调制方式。868/915MHZ物理层使用简单DSSS方法，每个PPDU数据传输位被最长为15的CHIP序列所扩展。即被多组+1，-1构成的m序列编码，然后使用二进制相移键控技术调制这个扩展的位元序列。不同的数据传输率适用于不同的场合。物理层的主要功能包括:（1）激活和休眠射频收发器；（2）信道能量检测（energy detect）；（3）检测接收数据包的链路质量指示（link quality indication ，LQI）；（4）空闲信道评估(clear channel assessment ，CCA)；（5）收发数据。信道能量检测为网络层提供信道选择依据。它主要测量目标信道中接收信号的功率强度，由于这个检测本身不进行解码操作，所以检测结果是有效信号功率和噪声信号功率之和。链路质量指示为网络层或者应用层提供接收数据帧时无线信号的强度和质量信息，与信道能量检测不同的是，它要对信号进行解码，生成的是一个信噪比指标。这个信噪比指标和物理层数据单元一道提交给上层处理。空闲信道评估判断信道是否空闲。IEEE 802.15.4定义了三种空闲信道评估模式：第一种简单判断信道的信号能量，当信号能量低于某一个门限值就认为信道空闲；第二种是通过判断无线信号的特征，这个特征主要包括两方面，即扩频信号特征和载波频率；第三种模式是前两种模式的综合，同时检测信号强度和信号特征，给出信道空闲判断。2.2 介质访问层(MAC层)（1）MAC层功能概述IEEE 802.15.4 MAC层的特征是:联合，分离，确认帧传递，通道访问机制，帧确认，保证时隙管理，和信令管理。MAC子层提供两个服务与高层联系，即通过两个服务访问点(SAP)访问高层。通过MAC通用部分子层SAP(MCPS-SAP)访问MAC数据服务，用MAC层管理实体SAP(MLME-SAP)访问MAC管理服务。这两个服务为网络层和物理层提供了一个接口。MAC通用部分子层（MCPS-SAP）MAC层管理实体（LME-SAP）PHY层数据（PD-SAP）PHY层管理实体（PLE-SAP）MAC层管理实体(MLME）MAC命令子层图22 MAC子层参考模型IEEE 802.15.4 MAC协议包括以下功能:设备间无线链路的建立、维护和结束；确认模式的帧传送与接收；数据包的顺序传输、信道接入控制；帧校验；预留时隙管理；广播信息管理。（2）MAC帧的通用格式灵活的MAC帧结构适应了不同的应用及网络拓扑的需要，同时也保证了协议的简洁。MAC层帧结构的设计目标是用最低的复杂度来实现在多噪声无线信道环境下的可靠数据传输。每个MAC子层的帧都由帧头、负载和帧尾三部分组成。帧头由帧控制信息、帧序列号和地址信息组成。MAC子层负载具有可变长度，具体内容由帧类型决定。帧尾是帧头和负载数据的16位CRC校验序列。MAC帧结构如下表22所示表22 MAC帧结构字节数：210/20/2/80/20/2/8可变2帧控制信息帧序列号目的设备标识符目标地址源设备标识符源设备地址帧数据单元FCS校验码帧头MAC负载MFR帧尾帧控制说明了如何看待帧的其余部分及它们包含什么。帧序列号是传输数据帧及确认帧的序号。仅当确认帧的序列号与上次数据传输帧的序列号一致时，才能判定数据传输成功。帧校验序列是16位循环冗余校验。有效负荷(payload)是MAC帧要承载的上层数据。MAC数据帧被送至物理层，它的字段长度可变。作为物理层帧数据(PPDU)的一部分。一个数据帧使用哪种地址类型由帧控制字段的内容指示。在帧结构中没有表示帧长度的字段，这是因为在物理层的帧里面有表示MAC帧长度的字段，MAC负载长度可以通过物理层帧长和MAC帧头的长度计算出来。2.3 网络层网络层包括逻辑链路控制子层。802.2标准定义了LLC，并且通用于诸如802.3,802.11及802.15.1等802系列标准中，而MAC子层与硬件联系较为紧密，并随不同的物理层实现而变化。网络层负责拓扑结构的建立和维护、命名和捆绑服务，它们协同完成寻址、路由及安全这些必须的任务。这个标准的网络层被期望能自己组织和维护。LLC子层的主要功能包括:(1)传输可靠性保障和控制；(2)数据包的分段与重组；(3)数据包的顺序传输。IEEE 802.15.4标准支持多种网络拓扑结构，包括星型和点对点拓扑结构。应用的设计选择决定了拓扑结构；一些应用，诸如PC外设，适合低延时的星型连接，而对于其他，诸如涉及安全要求领域，适合大面积的点对点拓扑结构IEEE 802.15.4 特性：(1)数据传输速率分别为：250 Kbps, 40 Kbps和20 Kbps；(2)两种寻址模式：16位短地址和64位IEEE寻址；(3)支持可能的使用装置，如游戏操纵杆；(4) CSMA-CA信道访问；(5)配位仪自动建立网络；(6)用于传输可靠性的全握手协议；(7)实现低功耗的电源管理；(8)2.4GHz ISM频段上16信道，915MHz频段上10信道及868MHz频段上1个信道。2.4 IEEE802.15.4与IEEE802.15.1的比较IEEE802.15.4和IEEE802.15.1是IEEE802.15工作组制定的无线通信标准。两者都针对于个人区域网络制定。IEEE802.15.1又称蓝牙无线2个人区域网络标准。蓝牙标准主要用来打破以红外线或电缆线联系不同产品时受到的限制，使移动电话等设备与个人电脑或任何其他设备、仪器之间，能够在约几十米的距离内无需连接电缆线或红外接口就可进行数据交换。蓝牙标准是实现话音和数据无线传输的开放性规范，是一种低成本、短距离、支持点到点和点到多点的通信的无线通信标准。蓝牙额定输出功率0dBm，传输距离 10cm10m，增大功率可达100m。蓝牙标准具有强大数据通讯优势，但由于蓝牙标准主要针对的是数据交换及语音信号传输，有协议过于复杂、芯片成本较高的缺点。蓝牙是一种无线数据与通信的开放性标准，它基本上只是设计作为有线的替代品。蓝牙同样工作在2.4GHz ISM频段，使用跳频频谱扩展技术。它可以在不充电的情况下工作几周，但无法工作几个月，更不可能达到几年。一般情况下，蓝牙同一时间只能处理8个设备，如果更多的话，通信速率将显著下降。蓝牙标准和802.15.4都致力于短距离无线连接，有很多相似之处，但也有很多不同点。将802.15.4与蓝牙的特征进行比较如表23所示。表23 802.15.4与蓝牙（802.15.1）比较802.15.4蓝牙（802.15.1）传输距离10 m-100 m10 m-100 m节点接入网络30 ms20 s休眠节点唤醒15 ms3 s节点接入信道15 ms2 ms传输速率20 kb/s-250 kb/s700 kb/s-2 Mkb/s复杂程度非常简单复杂节点数2547连接层结构开放式TCP/IP功耗约 45A约70 mA应用传感器、玩具、控制领域声音、数据、玩具由表23我们可以清楚地看到蓝牙标准集中在1Mbit/s以上的速率，而且在能量持续时间、节点数以及反应时间等方面都无法与802.15.4相比拟。可以说802.15.4填补了低速率端无线通信技术的空缺，而且它与其他标准在应用上几乎是无交叉的，这使得802.15.4在工业控制、无线传感器网络等领域中比蓝牙更具有优势。第三章 基于IEEE 802.15.4的无线传感器网络的组建3.1 2.4GHz 802.15.4开发平台在进行802.15.4无线传感器网络的稳定性研究中，选用了Silicon Laboratories公司的2.4GHz 802.15.4开发工具，用于构建无线传感器网络。此开发工具包括了802.15.4解决方案所必需的所有硬件和软件，Silicon Laboratories公司提供的综合开发平台,因其与其它厂商设备互通性，兼容性好，所以可以不必考虑硬件的选择与整合。如图31所示，开发工具包括两块2.4GHz 802.15.4开发板（配置天线），一个9 V 、1.5A通用电源，一个USB debug adapter，两根用于实现协调器与计算机通讯的USB连接线。 图31 Silicon Laboratories公司2.4GHz 802.15.4开发硬件平台开发板结合了高性能C8051F121 微控制器、用于实现USB与UART格式之间转换数据通信的芯片CP2101 ，LM2936超低静态电流3.3V稳压器，MAC 固件和Silicon Laboratories IDE。并且采用符合 IEEE 802.15.4 标准的射频收发器CC2420作为其无线通信模块。 3.1.1无线通信模块：射频芯片CC2420802.15.4无线通信模块负责数据的无线收发，2.4GHz 802.15.4开发硬件平台采用CC2420射频芯片为数据传输提供空中接口。CC2420射频芯片7是挪威半导体公司Chipcon推出的一款兼容2.4GHz IEEE 802.15.4的无线收发芯片。250Kbps数据传输率，电流消耗为16-20mA，电压范围在2.1V至3.6V之间；基于Chipcon公司的SmartRF03技术，采用0.18m工艺；尺寸为7 7mm，是48针QFN封装； CC2420采用直接序列扩频(DSSS)技术，外部采用类似于SPI的接口，可以和微控制器直接接口，非常适合于低能耗和小体积的应用场合。CC2420芯片的内部结构如图32 所示。CC2420从天线接收到射频信号，首先经过低噪声放大器，然后正交下变频到2MHz的中频上。两路信号经过滤波和放大后，直接通过模数转换器转换成数字信号。后继处理，如自动增益控制、最终信道选择、解扩以及字节同步等，都是以数字信号的形式处理。它的FIFO缓存区保存MAC帧的长度、帧头和帧负载数据三个部分，而不保存帧校验码。发送数据时，数据帧的前导序列、帧开始分隔符以及帧检验序列由硬件产生；接收数据时，这些部分只用于同步和CRC校验，而不会保存到接收FIFO缓存区。CC2420用硬件实现了IEEE 802.15.4的MAC子层的安全操作。图32 CC2420芯片内部结构CC2420具有完全集成的压控振荡器，只需要天线、16MHz晶体等非常少的外围电路就能在2.4GHz频段上工作。CC2420内部使用1.8V工作电压，因而功耗很低，适合于电池供电的设备；外部数字I/O接口使用3.3V电压，这样可以保持和3.3V逻辑器件的兼容性。它在片上集成了一个直流稳压器，能够把3.3V电压转换成1.8V电压。这样对于只有3.3V电源的设备，不需要额外的电压转换电路就能正常工作。其射频信号的收发采用差分方式传送，16MHz的参考时钟用于250Kbps数据的收发。IEEE802.15.4标准中规定使用DSSS调制方式，CC2420中的调制和扩频功能符合IEEE802.15.4的工作模式。近距离节点采用CC2420无线收发芯片，其传输距离为60-120m (0dBm)，利用此芯片开发的短距离射频传输系统成本低、功耗小，适于电池长期供电。3.1.2微控制模块：微控制器C8051F121微控制器负责链路管理与控制，执行基带通信协议和相关的处理过程，包括建立链接、频率选择、链路类型支持、媒体接入控制、功率模式和安全算法等。经过调理的传感器模拟信号，由802.15.4无线通信模块通过无线信道发送到主控。2.4GHz 802.15.4开发硬件平台采用精密混合信号微控制器C8051F121作为其微控制模块。芯片的内部结构如图33所示。该芯片具有以下特性：l 128kB/8kB可在系统编程的FLASH 存储器；l 8448字节内部数据RAM，64x4字节高速缓冲存储器；l 真正12位或10位、100ksps的ADC，带PGA和8通道模拟多路开关；l 真正8位500ksps 的ADC，带PGA和8通道模拟多路开关；l 2个12位DAC，具有可编程数据更新方式；l 片内看门狗定时器，2个模拟比较器，VDD监视器和温度传感器； l 硬件实现的SPI，SMBus/IIC和2个UART串行接口；l 5个通用的16位定时器；l 具有6个捕捉/比较模块的可编程计数器/定时器阵列；l 32个数字输入/输出引脚；l 64针脚TQFP封装。图33 C8051F121内部结构框图微控制器C8051F1218是完全集成的混合信号片上系统型MCU芯片，具有高速、流水线结构的8051兼容的CIP-51内核以及全速、侵入式的在系统调试接口（片内），与标准的8051结构相比指令执行速度有很大的提高。在标准8051中，除MUL和DIV以外所有指令都需要12或24个系统时钟周期，最大系统时钟频率为12-24MHz。而对于CIP-51内核，70%的指令的执行时间为1或2个系统时钟周期，只有4条指令的执行时间大于4个系统时钟周期。CIP-51内核和外设有几项关键性的改进，提高了整体性能，更易于在最终应用中使用。扩展的中断系统向CIP-51 提供20个中断源（标准8051只有7个中断源），允许大量的模拟和数字外设中断微控制器。C8051F121工作在最大系统时钟频率100MHz时其最高处理速度100MIPS，具有增益可编程放大器及采样率达100 ksps的12位A/D转换器，额定输出功率为0dBm。C8051F121含有内部温度传感器,因此可以用于采集温度数据。C8051F121为802.15.4 MAC无线网络固件的发展提供充足的内部资源，大容量闪存与RAM为开发和调试软件提供足够的存储空间。3.2 构建IEEE 802.15.4无线传感器网络3.2.1 IEEE 802.15.4无线传感器网络拓扑结构IEEE 802.15.4网络根据应用的需要可以组织成星型网络，也可以组织成点对点网络，星型网络适合家庭自动化、个人计算机的外设以及个人健康护理等小范围的室内应用。与星型网不同，点对点网络只要彼此都在对方的无线辐射范围之内，任何两个设备之间都可以直接通信。点对点网络中需要网络协调器，负责实现管理链路状态信息，认证设备身份等功能。点对点网络模式可以支持ad hoc网络（无线移动自组网络），允许通过多跳路由的方式在网络中传输数据。点对点网络可以构造更复杂的网络结构，适合于设备分布范围广的应用，比如在工业检测与控制、货物库存跟踪和智能农业等方面有非常好的应用前景。在应用IEEE 802.15.4进行传感器网络的稳定性研究中，采用的网络拓扑结构如图34所示，为一种点对点的网状网络，与传统无线星型网络的不同在于，其采用了对等式的网络拓扑结构，其中的每个节点都具备路由选择的功能，而且每个节点只与其临近节点进行通信。是一种自组织和自管理网络。这种结构具有较多的优势，链路为网状结构，每个节点可使用的链路数大大增加，且每个网络节点都具有选路功能，如果其中的某一条链路出现了故障节点便可以自动转向其他可选链路进行接入，因而对网络的可靠性有了很大程度的提高。并且单个连接点的故障只影响一个设备，不会影响全网，容易检测和隔离故障，便于维护。 图34 应用IEEE 802.15.4的网络拓扑结构如图所示，节点A、B、C、D、E、F分别为六块无线通讯模块，PC为计算机。其中，节点A、B、C、D、E、F间通信采用基于IEEE802.15.4 标准的无线通讯的方式，而节点F与计算机PC间的通信采用有线的方式，通过USB连线来实现。节点A、B、C、D、E构成IEEE802.15.4 网络拓扑结构中的网状结构，节点A为网状拓扑结构中协调器（Coordinator）,作为固定点；节点B、C、D、E为网络中的终端设备（End device），采用其中任意一点作为移动点。IEEE802.15.4 网络建立以后，协调器节点A可以获得终端节点B、C、D、E的RSSI(接收到的信号强度)，并将信号强度通过无线通讯的方式传输到节点F，再通过有线的方式将信号强度传输到计算机中。在计算机中，通过对不同情况下得出的信号强度与距离的关系曲线进行分析，得出影响无线传感器网络稳定性的主要因素。3.2.2节点配置在IEEE802.15.4传感器网络稳定性研究中，选择了Silicon Laboratories公司的2.4GHz 802.15.4开发工具作为硬件平台。首先，通过配置节点实现IEEE 802.15.4无线通讯网络的建立。使用silicon laboratories公司提供的2.4 GHz 802.15.4 Demonstration和Silicon Laboratories IDE软件实现节点的配置，具体过程如下：首先，通过USB debug adapter将一块实验模块与计算机连接起来，启动Silicon Laboratories IDE，并通过外接电源或安装9V电池的方式为实验模块供电，如图35所示。图35 开发环境的构成在Silicon Laboratories公司提供的集成开发环境当中，将用于实现802.15.4技术的可执行文件2_4GHz_802_15_4 _demo_kit_firmware_rev_1_0_5. hex下载到实验模块的微处理器C8051F121中。下载成功后，断开连接，依次分别对其他四块实验模块进行同样操作。然后，通过USB连线将一块开发模块与计算机相连，启动软件2.4GHz 802.15.4 Demonstration，在计算机中，实验模块与计算机间通过虚拟COM端口实现通讯，每一块实验模块都有唯一的COM端口标识，如COM3、COM4等。在构建802.15.4网络成功后，节点A、B、C、D、E在网络中的地址依次分配为00、01、02、03和04。第四章IEEE802.15.4无线传感器网络的稳定性研究4.1信号强度单位的选择一般情况下，信号强度与距离成指数关系衰减。信号强度的单位通常为瓦（w）或毫瓦（mw），当信号强度为10-9mw和10-7mw时，两者之间相差100倍，但绝对差非常小，为10-9-10-7，近似为0，很难区别。因此，将其转换为对数关系，分别为，两者绝对差变为2，数据间可以进行比较。以移动点B的信号强度与距离关系为例，图41中图（1）为接收到的点B处的无线通讯模块的信号强度单位为mw时，与距离的变化关系。在固定点A与移动点B间距离大于100cm后，信号强度的变化不显著，很难建立信号强度与距离的关系。如图（2）所示，信号强度单位为dBm时与距离的变化关系明显。综上所述，采用dBm作为信号强度的单位，则可以把信号强度换算成可以比较的数量级内。(1)信号强度采用mw为单位 (2)信号强度采用dBm 为单位图41移动点B的信号强度单位关系的比较信号强度dBm分贝毫瓦为一个指代功率的绝对值，而不同于dB分贝,只是一个相对值。其定义如下: (41) 式中，P是以毫瓦为单位的功率值；P0为1mw的参考功率。根据分贝毫瓦定义公式可以得出，1毫瓦(1mw)换算成分贝毫瓦为0dBm。1瓦(1w)换算成分贝毫瓦则为30dBm。 4.2影响信号强度的主要因素在无线通信过程中，影响无线通信质量的因素有很多，包括系统参数、环境因素以及其他因素。系统参数主要指无线设备的工作频率、发射功率、接收机灵敏度以及天线的增益、高度等。环境因素指有无障碍物存在，如钢筋混凝土墙体和金属、玻璃、木板等会影响到无线网络的稳定性，其他因素指在电量不足的情况下通信效果也会受到一定的影响。利用2.4GHz 802.15.4开发工具组建无线传感器网络，将各类情况下采集到的信号强度进行比较，分析其对无线传感器网络稳定性的影响。如图42所示，在室内环境中组建无线传感器网络，无线设备的工作频率为2.405GHz，发射功