论文总字数：31202字

摘 要

基于传统架构的无线传感器网络（WSN，Wireless Sensor Network）一般为具体应用而设计，各个节点的行为属性在部署时已制定；由于节点能量受限，节点功能简单，由节点自适应地更改自身属性难以实现。为解决这一问题，本文引入一种新型网络架构--软件定义网络（SDN, Software-Defined Network），SDN技术的设计理念是将网络的控制平面与数据转发平面相分离，并实现可编程化控制。因此本文将新兴的SDN技术与现有WSN相结合，提出一种基于SDN的新型传感器网络结构，即软件定义传感技术网络（Software-Defined Sensor Network，SDSN），在SDSN中新型节点的行为规则可以通过无线通信重新定义。

本文首先介绍WSN和SDN的研究背景、意义及其国内外研究现状，然后分析现有经典传感器网络节点的体系结构和软件定义网络的定义及特点，在此基础上根据项目的要求设计了一种新型节点，即SDSN新型节点，本文将SDSN定义为：主要由大量软件定义传感器节点和集中式管控中心两部分构成的网络，其节点结构由传感器模块和通用可编程数据转发（收发）单元两部分组成，网络控制技术由集中式管控中心统一配置。该新型节点主要由CC2530主从节点组成，将CC2530节点作为数据转发平面，分别为主节点A、从节点B和从节点C；同时，主节点A和PC机构成了控制平面。数据转发平面负责数据采集和无线发送，主要实现了简单的路由功能及无线串口功能；控制平面负责集中式控制， PC机通过串口给主节点A发送指令，主节点A根据指令的内容来决定是否接收从节点B和从节点C的数据。

最后，对本文所设计的新型节点进行了一些测试，包括转发平面的路由功能，无线串口收发功能以及控制平面的集中控制功能。测试结果表明，研制的软件定义传感器网络节点满足最初的设计要求。

关键词：软件定义传感器网络；新型节点；CC2530；数据采集

Development of Novel Node in Software-Defined Sensor Network

Abstract

Based on the traditional architecture of Wireless Sensor Network (WSN) is generally designed for specific applications, each node behavior attributes have been developed at the time of deployment. Due to limited energy and simple features, it is difficult for nodes to adaptively change their own attributes. To solve the above problem, this paper introduces a new network architecture --- Software-Defined Network (SDN). The design concept of SDN is the separation of the control plane and the data forwarding plane, and programmable control. Therefore, combining the emerging SDN and the existing WSN, a new sensor network architecture which is based on SDN is proposed, that is, software-defined sensor network (SDSN). The behavior rules of new node in SDSN can be redefined by wireless communication.

The thesis first introduces the research background, significance and research status of wireless sensor network and software defined network. Then the systematic structure of wireless sensor networks and the definition and feature of software-defined network are discussed, and a kind of novel node in accordance with the requirements of the project is developed, that is, SDSN novel node. The definition of SDSN is that: the network is composed of a number of software-defined sensor nodes and centralized control center; the nodes of the network are composed of sensor modules and general-purpose programmable data transfer unit, network control technology is unified configured by a centralized control center. The novel nodes are composed of some CC2530 nodes. The CC2530 nodes are used for data forwarding plane, they are node A, node B, and node C; at the same time, the control plane is consisted of node A and a PC. The data forwarding plane is responsible for data acquisition and wireless transmission, the main achievements of which are simple routing function and wireless serial port function. The control plane is responsible for centralized control, PC sends commands to node A via the serial port and then node A determines whether or not receiving data from node B and node C based on the commands from PC.

Finally, some test has been done on the novel nodes that have been designed, including the function of data forwarding and centralized control. The test results show that the development of software-defined network nodes meeting the original design requirements.

Keywords: software-defined sensor network; novel nodes; CC2530; data acquisition

目录

第一章 绪论 6

1.1 课题背景及意义 6

1.2国内外研究现状 6

1.2.1 无线传感器网络 6

1.2.2 软件定义网络 7

1.3 课题来源及本文工作 7

1.4 论文的组织结构 7

第二章 软件定义传感器网络 9

2.1 无线传感器网络 9

2.1.1 无线传感器网络节点架构 9

2.1.2 无线传感器网络节点限制 10

2.1.3 无线传感器网络节点能耗分析 10

2.1.4 无线传感器网络的特点 11

2.2 软件定义网络 11

2.2.1 SDN架构 12

2.2.2 SDN面临的挑战 12

2.3 软件定义传感器网络 13

2.3.1软件定义传感器网络的新型架构 13

2.3.2 软件定义传感器网络的优点 14

2.4软件定义传感器网络节点的研制方法 15

2.5 本章小结 16

第三章 基于CC2530的SDSN新型节点的设计与实现 17

3.1 CC2530单片机简介 17

3.1.1 CC2530模块 17

3.1.2 主从节点开发板 17

1. 主节点结构 17

3.2 几种典型的无线传感器网络节点 19

3.3 SDSN节点的设计 19

3.3.1 设计思路 20

3.3.2 整体架构 20

3.3.3 应用相关模块功能的设计 22

3.4软件定义无线传感器网络节点的实现 23

3.4.1 数据转发平面 23

3.4.2 控制平面 30

3.5 本章小结 33

第四章：基于CC2530的软件定义传感器网络节点的测试结果 34

4.1 数据转发平面 34

4.2 控制平面 35

4.3 本章小结 40

第五章 工作总结与展望 41

5.1 工作总结 41

5.2 工作展望 41

参考文献 42

致谢 44

第一章 绪论

1.1 课题背景及意义

随着网络规模的急剧扩大和应用类型的不断扩展，以因特网为代表的信息网络对人们生活方式的影响越来越大，并且将在未来各个领域的持续发展中不断提高影响力。无线传感器网络（WSN，Wireless Sensor Network）是指大规模、无线、自组织、无分区、多跳、无基础设施支持的网络。其节点成本低，体积小，被随意分布在待监测区域，且大部分不可移动，一般由不可随意更换的电池提供能量，并且网络系统被要求有尽能长的工作时间。WSN主要由一些无线设备组成，可以从监测区域采集信息，如温度，压力，声音，光，震动等。无线连接允许在不预先建立物理基础设施或中央管理的情况下创建Ad hoc网络。无线传感器网络可应用于智能空间，栖息地的监测和跟踪等等。一般来说，知道网络节点的位置可以更容易地在网络中增加新功能或提高网络工作效率。因此节点定位功能对许多WSN应用来说是一个关键因素。WSN作为一项新兴的测控网络技术，与传统网络不同的是，可以自主实现数据采集、数据融合和无线传输等功能[^[1]]。

经过10多年的发展，传统无线传感器网络的基础理论体系已经基本建立。但是其现有理论体系的分布式架构构建于多年以前，其发展已遇不少瓶颈，需要将其与最近几年新兴的先进技术相结合，以进一步提高其能量利用效率，简化其硬件结构，并且有机地整合网内节点的分布式管理机制，实现统一的网络管理控制系统，从而提高网络的信息采集和管理效率，以形成无线传感器网络全网优化的无线传输和资源分配技术。

无线传感器网络的主要限制是传感器资源有限，例如处理器，存储器，能源和通信能力上的限制。这些限制也许可以通过网络资源的智能管理来解决，但是这是非常困难的，因为在自组织网络中，每个节点都参与一个分散路由来给其他节点转发数据，这样在网络连通的基础上，动态地转发数据的节点便被其他节点孤立开来。这使得实现全局网络优化和智能管理的任务十分艰巨。

随着WSN的快速发展，基于传统网络架构下的WSN已不能满足大多数的应用，其路由协议在适应高拓扑变化上面临着很大挑战 [^[2]]。另一方面，传统的WSN一般为具体应用而设计，各个节点的行为属性在部署时已制定；由于节点能量受限，节点功能简单，由节点自适应地更改自身属性难以实现。为解决以上问题，我们将基于OpenFlow的软件定义网络（SDN, Software-Defined Network）架构引入WSN领域。SDN技术将网络的控制平面和数据转发平面相分离，提高了网络的创新能力 [^[3]]。因此在软件定义传感器网络（SDSN, Software-Defined Sensor Network）中新型节点的行为规则可以通过无线通信的方式重新定义。这种新型节点的结构由MCU、通用可编程模块、数据收发单元等组成。其中通用可编程模块接收并处理来自传感器模块的数据以减轻MCU的负担，MCU上则运行事先定义的简单程序。一旦通过无线通信检测到“节点重配置”的要求，MCU则解析协议，根据要求下载刷新运行程序。

1.2国内外研究现状

1.2.1 无线传感器网络

通过以上分析可知，无线传感器网络的应用将会给人们的生活和生产带来深远的影响。接下来对无线传感器网络的起源和发展历程做一个简单的介绍。

1994年加州大学的William J. Kaiser教授向DARPA提交“Low Power Wireless Integrated Microsensors”的研究计划书标志着无线传感器网络正式投入研究[^[4]]。紧接着，美国英特尔公司于1998年提出“智能灰尘”的概念，所谓“智能灰尘”设备就是指微机电系统（MEMS, Micro-Electro-Mechanical System），它的探测灵敏度极高，从光线到震动之间的任何东西都能探测到 [^[5]]。然后，美国陆军于2001年提出的“灵巧传感器网络通信”计划，将传感器网络首次运用到军事设备中，将无人值守式弹药、各种传感器和机器人系统组成一个自组织网络，可以提高传感器的感应能力 [^[6]]。从此，学术界在无线传感器网络技术上掀起了一股理论研究和应用研究的热潮。WSN相关技术的研究在美国各大著名高校随处可见。加拿大、英国、德国、日本和意大利等国家的高校和研究所也掀起了一股研究WSN的热潮。

而我国对于无线传感器网络的应用研究首次正式出现在1999年中国科学院《知识创新工程试点领域方向研究》中信息与自动化领域的研究报告中。紧接着，国内的研究所和著名高校相继开始从事无线传感器网络应用方面的研究。随着各大高校及企业先后加入WSN技术的研究，中国在WSN的应用研究方面有了很大进展，近年来，传感器网络的高速发展与多样化应用已对各大行业产生了深远影响，因此研究WSN应用的热潮将会会继续持续下去。

1.2.2 软件定义网络

SDN作为一种新兴的网络架构，具有广阔的发展和应用前景。本节将对SDN的起源与发展做一个简单的介绍。

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