69XMesh无线网络架构设计与论述

XMesh开发详解第一章XMesh概述1.1mesh网络基础基于无线mesh网络结构的短距离、小范围网络已经发展到使用有效的能量方式来管理非计算机设备。自组织的mesh网络结构已经使能新的无线设备应用，包括战场上的传感监控；视频生产和运输中温度监控；及医疗设备用信号对病人的诊断。无线传感网络可以在不同的方式被设计不同的地址优先级并。所有的无线mesh网络系统都有一些基本的应用要求：低功耗——为了提供较长时间的操作，radio连接的能量的消耗必须被缩减，这样设备就可由轻的就像硬币大小的电池来供电较长时间。容易使用——网络协议允许网络以一种高度的adhoc、自组织方式来初始化自己。可扩展性——网络必须能对节点提供实时支持，并支持未来的增长而不会引起过载。Responsiveness——协议发现和重发现必须有效，尤其是对移动的传感节点，比如在移动设备或无线传感中范围——发射低能量的RF信号在一个短的距离内传输，可以被中转多次，这比起在一个长范围内传输高能量的信号来更加有效。使用协议构建中继网络，能支持多跳路由，这样，数据包就可以被中转从一个中继站到另外一个，当移动RF终端远离基站的时候。Bi-directionalcommunication——网关和传感器之间的通信是bi-directional，它能使基站传输信号来适当调节操作参数，此外，接收传感器数据。可靠性——当数据的可靠性很重要时，它对很多应用来说变成了一个关键性的设备，比如在医疗监控中。Smallmoduleformfactor——一个非常小的构成因素对网络模块来说是需要的，因为这样终端节点能适应内部或很容易的接到已存在的设备上。一个鲁棒性强的网络协议是为满足上述要求，以及那些在特别是mesh网络而设计得。网络协议提供支持的网络拓扑结构和管理路由数据通过网络。为了让应用从无线传感网络中受益，基本协议必须支持所有这些基本要求。1.2拓扑有几种结构可以用来实现无线传感网络的应用，包括星型、拓扑及星型—拓扑混合的。每一种结构都有他自己的难点和优缺点。一个无线我网络包括以下这些组件：终端节点——传感和制动器一起来捕获数据。对ZiggBee网络，这些通常指的是RFDs。RFDs不能向上、向下传送报文。XMesh-ELPMotes类似一个RFDs设备路由——扩大网络覆盖，路由绕过障碍物，并在网络拥塞或设备故障下提供主干路由备份。某些情况下，路由也能作为终端节点。路由也可以指ZigBee网络中的FFD设备。XMesh里的所有版本就像FFDs网关——统计网络中的数据，提供到主机、LAN或者因特网的接口，就像一个入口来管理网络性能和参数。系统软件——提供网络歇息来使能自组织、自处理的adhoc网络。CrossbowXMesh网络在RFDs和FFDs之间没有明显的差别，所以有整合传感的节点都可以向上、向下传送报文。拓扑指的是硬件的布局和数据如何通过这样的布局。1.3XMeshOverviewXMesh是一个由多跳、adhoc、mesh网络协议构成的网络，由Crossbow公司开发。一个XMesh网络包含许多节点能无线地彼此间通信，也能将radio报文传递给基站，然后给PC或其他用户。多跳性有效地扩展了radio的通信范围并减小传输报文的能量需求。用这种方式多跳数据。节点不需要在一个raidio的范围内直接相连通信。另外，如果2各节点之间有一个坏的radio连接，这个障碍可以通过周围路由来克服。典型地，节点运行在一个低能量的mode上，大多数时间处于睡眠状态，这样是为了延长多年的电池使用寿命。XMesh是一个软件库，它使用TinyOS操作系统，并运行在嵌入式设备上，被称作Motes。Motes包含：1、Microprocessor(AtmelATmega128forMICA2,MICA2DOTandMICAz).ATmega128has128Kofflashmemory,4KofRAM,and4KofEEPROM.(AtmelATmega1281M9100,M2100andM2110).ATmega1281has128Kofflashmemory,8KofRAM4KofEEPROM.2.Radio:aMICA2radioat916/433MHzoraM9100radioat916MHz,aMICAz/M2100/M2110radioat2.4GHz.3.SerialFlash:ExternalflashstoragememorytosupportOTAP(over-the-airprogramming)anddatalogging.4.UID:Anintegratedcircuitthatisprogrammedwithaunique64-bitidentifier(forMICA2andMICA2DOT)XMesh网络包含：1、一或更多的Motes参与网络2、一个基站节点。这是一个有XMeshBase应用程序的MICA2接口板。它管理网络并提供数据报文进入和离开mesh3、PC,给桥和其他客户提供向mesh网络发送数据的图形化界面。XMesh提供一个mesh网络服务同时具有自组织和自处理功能。XMesh能把数据向上路由值基站或向下路由到单个节点。也可以在一个节点簇中任意广播。并使用QOS服务保障数据通信质量。XMesh有各种不同能量的节点构成包括HP、LP、ELP等。XMesh网络协议有许多选项包括：低功耗侦听、时间同步、节点睡眠、任意路由。所有Crossbow传感和数据获得板都可以为一个XMesh网路提供支持。XMesh网络有如下结构：•MICA2,MICA2DOT,andMICAzsupport•Lowpower(typicallylessthan220µAaveragecurrent(withoutsensorboard)•Networktimesynchronizationto±1msec.•Lowpowerlisteningwithan8timespersecondwake-upinterval,allowingforrapidmessagetransferacrossthenetwork.Thedefaultsamplingperiodis3minutes,althoughmanyothersamplingintervalsXMesh的网络已经被广泛的测试过，不管在室内还是户外，在一个典型的室内测试中，节点每300平方英尺放置一个，能覆盖1万平方英尺内的设施。为了仿真较远距离间的通信，无线电的传输功率传输频率下降到-6dBm。在户外的测试中，节点以每10000平方米一个的分布传越几个崎岖不平英亩。关于许多发展的静态分析表明大于90%的范围在任何节点都会被收基站集到，无需使用端到端的确认机制。1.4XMesh网络概况一个无限网络设备由3个层级分明的软件组成：1、节点层：XMesh的所在地，是一个运行在传感节点簇的软件，来构成一个拓扑网络。XMesh软件提供网络算法以构建一个可靠地通信主干，它包含了mesh所能提供服务的所有的节点。2、服务层：是一个总是处于可用状态的设施来处理来自无线网络的数据通信和缓冲，并为无线节点和因特网用户提供一个通道。XServer和XOtap是服务层的应用可以运行在PC或Stargate上3、用户层：为用户提供可视化软件和图形化接口来管理网络。Crossbow提供免费的客户端软件叫做MoteView，但是Xmesh也是一个客户软件接口。一个XMesh传感网络系统包含多跳的节点（MICAz）和一个基站单元(MICAz)，这些被集成在一个MIB520板上。基站提供的服务有2个目的：1、作为节点层和拂去七层的网关。基站通过无线电和其他节点通信，通过端口和服务器通信。这样，基站在主机系统和其他的mesh网络上提供了一个发送和接收信息的桥梁。2、他构成了了网络的一部分并且是数据从各节点直接传到他自身上。对网络上的其他节点来说，基站节点能无功耗的向PC主机发送信息。基站节点在一个本地系统中总是被标记为“node0”.另外，对于基站，mesh网络包含了一定数量的其他节点，每一个带有一个可识别的序号。这个节点系统可运行XMesh，自组织到一个网络，向上至基站，向下直接点路由信息。1.5XMesh结构和优点包括：TrueMesh；更多的传输服务；更多的服务质量保证；更多的节点控制；健壮性检查；时间同步；空中编程TrueMeshTrueMesh技术指的是节点的这样一种能力，当由于无线电磁干扰或控制权的循环使用导致部分网络掉线时，它能动态地为传递数据包寻找新的途径。一个网络通过简单的节点间彼此互联的散射构建本地无线网络。基于一个特殊的无线网络环境，节点间可相互发现和构建一个路由树。因此，在XMesh网络中的节点真正可以是自组织和自处理的。1.5.2多传输服务XMesh提供多种传输服务协议在彼此的通信之间，他们是：上溯——从一个node运输包至基站Mote下溯——从基站到节点单跳——只向邻近的节点传输包1.5.3更多的质量服务保证XMesh可提供更多的质量服务的模型，他们是：最好的努力——通过链路层的确认，Mote将多次传送一个消息给他的直接邻居。可靠的传输——提供端到端的确认，消息通过mesh传到基站，然后基站返回一个确认。1.5.4多功能Modes1HighPower——HP提供：TrueMesh能力网络中的每一个节点能路由数据高带宽，低latencyMote无线电总是上电的2LowPower——LP提供：TrueMesh能力网络中的每一个节点能路由数据高带宽，低latencyMote的频率通常停在一个低的睡眠状态，然后定期醒来检查无线频率的传输。3扩展的低功耗：只供网络的终端节点使用节点不能路由数据使用星型—网络的混合结构1.5.5健壮性诊断在一个XMesh网络里，节点可以自动地传输健壮性信息给基站，这些信息包括节点在网络里的无线传输，电池电压及父节点的无线电信号强度指示(RSSI)。基站Mote将把这些健壮性的信息传递给Moteview和XSniffer来监控和诊断XMesh的健壮性。1.5.6时间同步XMesh-LP支持网络的全球时间同步到±1毫秒，时间戳用来同步频率信息，但也用作用户传感器测量的同步1.5.7OTAPXMesh支持空中编程，它允许用户对网络的所有节点用新的代码进行重新编程。OTAP使用直接下载的策略将不同的代码影响下载到不同的Motes。这允许用户开发传感板并仅在感兴趣的单元上编程。OTAP也使用一种promiscuous帧听模式。基站可以偷听到新节点的下载，并得知他们需要同样的影响，然后存储代码存储器中。（transmissions）第二章构建XMesh主要内容：XMesh的搭建环境搭建一个XMesh的应用开发和测试一个小型网络用二进制搭建应用获得CrossbiwCVS代码库2.1XMesh的搭建环境XMesh使用MoteWorks来编译和搭建，你必须有以下3个文件：•MakeXbowlocal•Makefile•Makefile.component在构建任何应用时应根据需要在以上每一个文件中设置正确的参数2.1.1MakeXbowlocal这个MakeXbowlocal文件包含全局参数，他对一个特别的安装包含了所有的应用。这个文件在/MoteWorks/apps中参数描述RADIO_CLASS这个参数定义了MICA2/MICADOT网络通信的频率。这个波特率由无线硬件设定，需要和board上的label相对应。可用的类对Mica2和Mica2Dot是916MHZ、433MHZ和315MHZRADIO_CHANNEL这个参数定义了操作的网络无线波段，每一个波特率有多种波段可供操作，用户应选择一个网络上不被其他无线设备使用的channel参看MICAz设置表RADIO_POWER这个参数定义了radio的powerjibieDEFAULT_LOCAL_GROUP本地组标记了网络中每一个可通信的节点。群标号是一个供多网络在同一个波特率上操