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1、精选优质文档-倾情为你奉上一、1 图示说明CAN总线系统中点到点通信的主要环节，哪几个环节与初始化有关？以任一款通信控制器为例介绍CAN2.0A协议规范下相关初始化细节。一、 点对点通信主要环节： 首先描述两节点的一次点对点通信过程。通信开始时, 通信发起方建立用于本次通信的缓冲区, 并申请一个空闲的端口号, 向通信的另一方发送请求连接信息, 另一方收到请求信息后建立通信缓冲区和端口号, 并发确认信息给请求方, 通信建立完成, 接下来通信双方互发数据, 任务完成时, 通信一方发结束通信息给对方, 双方释放通信缓冲区和端口号, 至此一次点对点的通信过程完成。主要环节如图所示：节点发送数据帧：（1
2、），总线访问:采用载波监听多路访问，CAN控制器之恩能够在总线空闲时，就是节点侦听到网络上至少存在3个空闲位（隐性位）时开始发送，采用硬同步，所有的控制器同步都为与帧的起始的前沿。过了一定时间，并在一定条件后，重同步。（2），仲裁：各节点向总线发电平时，也对总线上电平进行读取，并于自身发送的电平进行比较，相同则发下一位，直至全部发完。不同则说明网络上有更高优先级的信息帧正在发送，即停止发送，退出竞争。（3），编码/解码：帧起始域，仲裁域，控制域，数据域和CRC序列均使用位填充技术进行编码，就是5个连续的同状态电平插入一位与它相补的电平，还原时每5个同状态的电平后的相补电平被删除。（组织发送数据
3、帧）（4），出错标注：当检测到位错误，填充错误，形式错误或应答错误时，检测出错条件的CAN控制器将发送一个出错标志。（5），超载标注，一些控制器会发送一个或多个超载帧以延迟下一个数据帧或远程帧的发送。节点接收数据帧：（1），滤波器：为了实现点对点通信，必须有一个表示通信双方身份的信息，该身份信息称为节点ID，节点ID包含在帧标识符中，使用滤波器对标识符进行滤波。另外每一帧都包含通信双方的节点ID，下面将标识符的29位进行分配，以使其有效支持点对点通信，这29位标识符表示如下：节点ID用8位表示，因为帧标识符的最高7位不能全为1，所以，节点ID表示的范围从0到253。目的节点表示本帧的接收者，它
4、可以使一个具体的节点也可以是广播ID。源节点ID表示本帧的发送者。滤波器是通过验收滤波来决定总线上的数据帧的ID是否和本节点相吻合，如果与本节点吻合，那么总线上的数据就被存入总线控制器的相应寄存器里，否则就抛弃该数据。（2），校验：对数据帧进行校验，确认数据帧信息是否正确。（3），发送应答帧。二、下面以意法半导体公司STM32系列的STM32F103VCT6介绍CAN2.0A协议规范下相关初始化细节1、时钟配置。控制器为每个外设配置有时钟，该控制器包含有2个CAN。打开CAN复用IO的时钟、复用时钟和CAN总线时钟，CAN时钟位于低速APB(APB1)上，IO时钟和复用时钟位于高速APB（AP
5、B2）上。2、 CAN总线IO管脚配置。PB8为CAN_RX，配置为上拉输入（IPU），PB9为CAN_TX，配置为复用推挽输出，最高输出频率为50MHz。3、 工作模式。STM32的CAN主要有3个工作模式：初始化、正常和睡眠模式。4、 发送优先级。发送优先级可配置为由标识符决定，或者由发送请求次序决定。5、 报文自动重传选择。报文重传可以配置为使能和禁止模式，在使能条件下，报文的重传由CAN内部定时器产生的时间戳决定，在禁止模式下，报文只发送一次，如果发送操作失败了，不管是由于仲裁丢失或出错，硬件都不会再自动发送该报文。6、 时间触发。使能时间触发模式时，CAN硬件的内部定事情被激活，并且
6、被用于产生（发送与接收邮箱的）时间戳。内部定事情在每个CAN位时间累加。内部定时器在接收和发送的帧起始位的采样点位置被采样，并生成时间戳。7、 接收管理。应用程序只能通过读取FIFO输出邮箱，来读取FIFO中最先受到的报文。a) FIFO管理。FIFO从空状态开始，在接收到第一个有效的报文后，FIFO状态变为pending_1，软件可以读取FIFO输出邮箱来独处邮箱中的报文，然后通过对CAN_RFR寄存器的RFOM位设置1来释放邮箱，这样FIFO有变为空状态。如果在释放邮箱的同时，又收到一个有效的报文，那么FIFO仍然保留在pending_1状态，软件可以读取FIFO输出邮箱来读出新收到的报文
7、。如果程序不释放邮箱，在接收到下一个有效的报文后，FIFO状态变为pending_2，重复上面的过程，第三个有效的报文把FIFO变为pending_3.此时，软件必须对RFOM位设置1来释放邮箱，以便FIFO可以有空间来存放下一个有效的报文。否则，下一个邮箱的报文到来时就会导致一个报文的的丢失。b) 溢出。当3个邮箱都是满的，下一个邮箱的报文就会导致溢出。如果禁用FIFO锁定功能，那么FIFO中最后收到的报文就会被新报文覆盖。如果使能FIFO锁定功能，那么新收到的报文就会被丢弃，软件可以读到FIFO中最早收到的3个报文。c) 接收中断。当FIFO变满时，如果CAN_IER的FFIE位为1，那么
8、就会产生一个满中断请求。在溢出的情况下，如果CAN_IER寄存器的FOVIE位为1，那么就会产生一个溢出中断请求。8、 标识符过滤a) 可变的位宽。每个过滤器组（013）课提供1和32位过滤器或者2个16位过滤器b) 屏蔽位模式。在该模式下，标识符寄存器和屏蔽寄存器一起，指定报文标识符的任何一位，应该按照“必须匹配”或“不用关心”处理。c) 标识符列表模式。在该模式下，屏蔽位寄存器也被当作标识符寄存器使用。d) 过滤器组位宽和模式的设置。为过滤出一组标识符，应该设置过滤器组工作在屏蔽位模式下。为过滤出一个标识符，应该设置过滤器组工作在标识符列表模式。9 出错管理。CAN协议描述的出错管理，完全
9、由硬件通过发送错误计数器（TEC域）和接收错误计数器（REC域）来实现。当TEC等于255时，CAN进入离线状态。根据CAN_MCR寄存器的ABOM位设置，CAN可以自动活在软件请求下，从离线状态恢复。10 位时间特性。位时间特性逻辑通过采样来监视串行的CAN总线，并且通过跟帧起始位的边沿进行同步，及通过跟后面的边沿进行重新同步，来调整其采样点。他的操作可以简单解释为，如下所述把名义上的每位的时间分为3段：同步段：通常期望位的变化发生在该时间段内。其值固定为一个时间单元。时间段1：定义采样点位置。其值为016个时间单元，但也可以被自动延长，以补偿因为网络中不同节点的频率差异所造成的相位的正向漂
10、移。时间段2：定义发送点的位置。其值为18个时间单元，但也可以被自动缩短，以补偿相位的负向漂移。二、2，图示说明Can总线系统的通信节点滤波环节的作用和实现机制，比较CAN2.0A和CAN2.0B滤波环节的差异。以CAN总线控制器SJA1000作为CAN总线系统通信节点来分析滤波环节。SJA1000内部结构如下所示：滤波环节的作用是：把它的内容和接收到的标识码相比较，以决定是否接收这条报文，接收的报文存储在接收缓冲器中。SJA1000滤波器（PeliCAN模式）由4个验收代码寄存器和4个屏蔽代码寄存器组成，分别为ACR0,ACR1,ACR2, ACR3,AMR0, AMR1,AMR2,AMR3
11、。其中每个寄存器都为一个字节。SJA1000滤波器包括单/双接收滤波两种方式。在单接收滤波方式下，32位的接收码和接收屏蔽码组成一组滤波器，RTR位也要参加滤波，若收到的为标准帧，其前两个数据字节也要参加滤波。接受标准帧报文的单滤波器配置如下所示：接受扩展帧报文的单滤波器配置如下所示：在双接收滤波方式下，32位的接收码和接收屏蔽码分成两组16位滤波器进行滤波，接收到的数据只要通过了其中任何一组滤波，即被写入RXFIFO。若收到的为标准帧，其第一数据字节也要参加滤波。双接收滤波方式与单接收滤波方式比较类似，这里不再分析其具体原理和配置。CAN2.0A和CAN2.0B滤波环节的差异：CAN2.0A
12、中，接收代码寄存器决定接收滤波。当接收码（AC7AC0）与报文高8位（ID10ID3）相等时，报文通过接收滤波。如果1条报文通过了接收滤波，而且接收缓冲区有可用空间，那么，对应的描述符和数据场就依次进入RXFIFO。CAN2.0B中，接受滤波器不仅使用了接收代码 ACR，还使用了接收屏蔽寄存器AMR，并且有单/双滤波两种方式，可见，CAN2.0B的滤波方式更加复杂，但是也更加灵活，功能更加强大。三、论述基于CAN总线的网络化控制系统的通信实时确定性和可靠稳定通信的解决办法和实现技术，以一个实际的应用案例加以说明。 2、CAN总线实时确定性的解决办法和实现技术CAN总线实时确定性解决办法有下面几
13、种不同的思路。第一种是在设计控制系统中对实时性进行改进。(1)当标准帧能满足系统对控制容量、传输可靠性等性能需求时，尽量避免使用扩展帧。(2)在满足控制系统稳定性的前提下，尽量提高控制网络的传输速率，增加带宽。(3)尽量减小控制网络中不必要的节点及报文信息，降低网络负载，以预留较大的网络带宽裕量。(4)尽量选取性能稳定、均一的器件构建网络硬件，以提高网络的整体性能。(5)可适当增大控制采样周期，尽可能采用同步传输方式，并避免网络的微观拥塞情况。第二种是利用恰当的实时通信调度来解决通信实时性问题。原始的办法采用轮询的方式，无法保证系统确定的时态特性，对通信的滞后无法预测和控制，因此可以采用恰当的
14、实时通信策略保证通信实时性。一个实时系统中，CAN总线上的传输数据主要分为周期性实时数据和非周期性实时数据。周期性的数据以时间为触发，非周期性的实时数据以事件为触发。针对时间触发的周期性数据和事件茶法的非周期性数据，学者分别提出了时分复用和动态优先级分配方法来提高CAN总线的实时性。时分复用方法：将CAN总线上的所有节点动作时间划分成多个连续的在时间上正交的时隙，每个时隙分配给不同的CAN总线节点，各总线节点只允许在自己的时序内发送数据帧。动态优先级分配方法：传统的CAN总线中，优先级高的帧占用带宽较多，优先级低的占用较少，因此，低优先级的数据有时候发送延迟很大甚至是丢失，为此，提出了动态的提
15、升优先级的方法。3、CAN总线可靠稳定性通信的解决办法和实现技术 一个提高CAN错误检测的方法是利用数据域的最后一个或两个字节来计算一个附加的CRC或者是报文的校验和。当用两字节来计算一个附加的16位的CRC时，所有的错误报文都被CAN仿真检测出来了。但这会降低CAN网络25%的传输效率。 除了软件解决外，也可用硬件解决方法。如果CAN协议能够在位元填充后而不是位元填充前计算CRC，这将消除把填充位当作信息位或是相反的情况。但需要调整报文的格式以保证CRC域自己不需要位元填充。通过CRC提高CAN可靠性的另一种方法便是冗余。在目前的CAN协议暂时不能改进的情况下，我们可以通过组建冗余网络来提高
16、CAN网络的可靠性。在遵从TTCAN协议的网络中，都对时间主控节点进行了冗余，每个网络内可以设计多达8个备用时间主控器供冗余，这足以保证网络在任何时候都不会丢失引导报文。由于TTCAN采用了分时传送，不会出现因网络拥塞而导致的传输延时，保证了实时性，从而不会出现误操作，也即保证了可靠性。4、实际应用案例这里介绍一个简单的应用案例，利用CAN总线实现单片机之间的通信。CAN总线智能I/O站点的软件主要包括六大部分：AT89S52初始化、CAN 控制器SJA100初始化、报文发送、报文接收、对输出点的输出访问和输入点的扫描输入。SJA1000初始化主要包括工作方式的设置、接收滤波方式的设置、接收屏
17、蔽寄存器（AMR）和接收代码寄存器（ACR）的设置、波特率设置和中断允许寄存器（IER）的设置等 SJA1000 在完成初始化后就可以回到工作状态进行正常的通信任务了。由于选用的是ATMEL公司的AT89S52，其本身带有看门狗计时器，可通过向看门狗寄存器依次写入0E1H和01EH来启动看门狗计时器，并定时清空它，这可以有效的防止程序跑飞。CAN 总线节点要有效、实时地完成通信任务，软件是关键，也是难点。CAN控制器芯片SJA1000的内部寄存器是以作为微控制器的片外寄存器存在并起作用的。微控制器AT89S52和SJA1000之间状态、控制和命令的交换都是通过在复位模式或工作模式下对这些寄存器
18、的读写来完成的。报文的接收主要有两种方式：中断和查询接收方式。为提高通信的实时性，一般采用中断接收方式，这样也可保证接收缓存器不会出现数据溢出现象。4、论述基于CAN总线的网络化控制系统的通信故障容错的解决办法和实现技术，要求从通信控制器芯片、节点及系统三个层次进行深入说明。CAN协议本身具有容错控制的功能,但是当网络信息负载较大时,网络容易出错,且CAN总线网络排除永久性故障的能力较差。传统的冗余技术中,基本上都只对总线进行了冗余设计。为了使系统具有更强的通信故障容错能力,实现对CAN总线网络的实时控制,在传统冗余技术的基础上提出一种新型的CAN总线容错冗余技术。4.1控制器芯片冗余：基本思
19、路如图4.1所示，同时使用两条CAN总线，两个CAN总线驱动器和两个CAN总线控制器，单片机通过不同的端口和中断同时控制两个CAN控制器。该电路既可以进行热冗余，也可以进行冷冗余。当节点发送时，CPU通过两个总线控制器同时向两条总线发送相同的报文（不管其中一条总线是否发生故障）。在热冗余的情况下，同时打开两个总线控制器的中断。在接收时，在两个总线控制器都收到一个报文的情况下，分别向单片机申请中断，会有一个申请成功，则在中断服务程序中，马上关闭中断，进行数据处理，处理完毕后，适当加一个小的延时，再清除所有的中断，于退出前打开所有的中断。至于另一个CAN控制器的中断，如果是同时到达的则被清除，如果
20、是稍后到达的，则会因为中断处理程序的延时也同样会被清除。这样就实现了热冗余。在冷冗余的情况下，则将两个总线控制器的中断设置好，一次打开一个CAN控制器的中断，对其中一个CAN控制器进行数据的接收。各个节点上在单片机内部设一定时器，该定时器在计数到预先设定的数值后发出中断，单片机在收到该中断后，从另一个CAN控制器进行数据的接收。在级别最高的节点上，以广播的方式定时发出一个特殊的报文作为“复位信号”，各节点在收到该报文后，将定时器复位。如果一个节点的正在接收的总线驱动器发生了故障，则该节点的单片机就收不到这个“复位报文”，单片机的定时器就将发生溢出产生中断，这样单片机就关闭发生故障的CAN控制器
21、的中断，打开另一个没有发生故障的CAN控制器的中断，进行数据的接收。图4.1控制器芯片冗余4.2节点冗余基于节点冗余的CAN总线网络双冗余方法网络中作用最为重要的主节点进行了冗余设计。若系统默认的主节点出现故障时,系统能在很短的时间内检测到其出现故障,自动启用备份主节点,而在默认主节点恢复正常工作时,重新将网络主控权交还给默认主节点。主节点以T1为周期循环向备份主节点发送状态请求帧,备份主节点收到后回应状态信息帧;若主节点出现故障时,备份主节点若在T1内未能收到状态请求帧,则由第0路总线切换到第1路总线上。切换总线后若在T2内仍未收到主节点发送的状态请求帧,则发挥主节点作用,在第1路总线上向功
22、能节点发送同步帧以及数据请求帧。若能收到功能节点发送的数据信息帧,则证明主节点发生故障,回到第0路总线上,发挥主节点作用。如果回到第0路总线上后T1内无法与功能节点1正常通信,则证明此时总线发生故障,自动跳转到第1路总线上。当默认主节点恢复正常后,备份主节点回到备用状态。图4.2节点冗余4.3系统冗余该冗余的思路是对整个系统进行冗余，如图所示。该系统做成冷冗余比较方便。如配合精细的电源管理，可先对一个系统进行供电，进行工作，失效后再启动另一套系统，这样电源消耗也较小如做成热冗余，则两套系统同时工作，其中一套系统作为主系统，另一套作为备份系统，中间增加一个切换电路，一旦发现主系统出现故障，就通过
23、切换电路自动切换到备份系统。图4.3系统冗余五、4，以任意一种工业以太网或工业无线网为例，说明通信实时性的解决方案和实现技术工业以太网在技术上与商用以太网( IEEE802. 3 标准)兼容，习惯上将用于工业控制系统的以太网称为工业以太网。但是在其产品的设计方面，材质的选用、产品的强度以及产品的适用性方面都可以满足工业现象的实际需求，具有了应用广泛、适应环境、可靠安全、安装方便、通信速率高以及与Internet连接方便等各方面的优势。一般情况下所表示的工业以太网不仅包括了其物理层以及数据链路层， 而且还包括了Internet中的网络层以及传输层中的 TCP/IP 协议。在工业以太网的网络控制系
24、统中，存在着较多的不确定性，无法满足控制系统实时性的要求，同时这也是以太网在工业控制领域的主要问题。目前国内提高工业以太网的网络控制系统的实时性的方案可以分为两类， 一种是硬实时改进，另一种是软实时改进。硬实时改进指的是通过设计出适当的硬件电路， 对节点访问网络的时间及速度等进行限制，减少网络碰撞以及排队延时，从而实现网络实时性的目的。但是这种方法的缺点是极大地提高了节点的硬件成本，不利于大面积的广泛使用。软实时改进指的是在不进行节点增加的同时，采用软件的调度对载波检测多址接入（CSMA）/冲突检测（CD）机制以及BEB算法进行改进，从而实现以太网的实时性目的。1工业以太网网络控制系统的硬件设
25、计（1）采用高速交换机传统的集线器以及网桥由高速交换机替换，在工业以太网中，从任意节点发出的信号都将被传输到集线器端口设备上，因此并没有对其信号区域进行隔离，从而导致严重的信息堵塞。而采用交换机则会在内部建立一个媒体访问控制（MAC）地址以及端口的映射表，并通过虚拟局域网的配置功能，将若干个端口进行组别的划分，从而实现某组别发送的信号数据包只能传输到该组别内的其他端口上， 有效地隔离了端口冲突的区域。另外，交换机还可以实现对数据帧的临时缓冲， 可以在短时间内有效地解决同一端口内的输出端矛盾。总之，采用交换器能够最大限度地减少信息冲突， 减轻网络系统的负担， 避免了因过重的负载引起的网络奔溃故障
26、， 从而提高了网络控制系统的可靠性及实时性。（2）采用千兆以太网千兆以太网具有传统百兆以太网10倍的线速度，可以充分满足高宽带的项目设计应用要求。另外，千兆以太网要比百兆以太网具有更好的数据冲突恢复功能，其信息冲突后退的反应时间是百兆以太网的1/10。一旦出现网络系统负载较重，而出现较多的信息冲突情况下，千兆以太网性能要大大优越于百兆以太网。在网络负荷不重的情况下，千兆以太网可以支持更多、更大的宽带，从而支持更多的网络控制系统负荷量。2工业以太网网络控制系统的通信协议设计（1）实时以太网访问控制协议设计该协议是面向工业控制以太网MAC协议的改进方案。该协议利用了信息的冲突， 通知非实时的节点停
27、止传输，将通信信息通道让给级别优先的实施节点。该设计协议是一种与普通以太网标准相互兼容的实时性的通信协议， 这样设计的优点在于， 对工业以太网节点不需要做任何的修改就可以直接在系统上面进行通信， 这样既保证了以太网通信的实时性，又保证了其独特的兼容性。（2）IEEE1588网络测控系统时间同步协议设计该协议的设计定义了一种精确的时间协议（Precision Time Protocol，PTP），该协议适用于工业以太网的分布式总线系统中的传感器、执行器等终端设备的亚微秒级同步。该协议的主要原理是通过同步信号的周期性，对该网络系统中的所有节点进行时间的校正，保持系统时钟可以与其他的时钟相同步，从而
28、实现整个以太网的网络控制系统的精确同步，保证系统的实时性。（3）RTPS协议（此部分为弹性部分可以不要，看时间够否，试卷写满否）2001年11月，IDA(Interface for Distributed Automation)组织公布了它的第1份技术规定，它为以太网建立一个新的实时通信用户层，采用一个新的通信协议RTPS (Real-Time Publish/Subscribe)实现实时通信。RTPS协议的实现由RTPS 中间件(RTPS Middleware)来完成。RTPS可以简化一个数据发送者和多个数据接收者之间通信编程的工作，极大地减轻了网络的负荷，可以实现快速和有效的通信，称为第1
29、种通信协议。接着出现了一种完全基于软件的协议Rether，它可以在不改变以太网现有硬件的情况下确保实时性。第3种是RTCC(Real-Time Communication Control)以太网协议，它是加在EtherNet之上的一层协议，能提供高速可靠实时的通信。第4种改进协议的方法是在UDP或TCP/IP与EtherNet MAC之间加一流量平衡器。它被安装在每个网络节点上，在本地节点它可以给实时数据包以优先权来消除实时信息与非实时信息之间的竞争，从而保证通信的实时性 第5 种是一种面向控制应用的总线以太网 CSMA/CD- Master /Slave 切换混合协议， 并在其上构建了UDP
30、/IP协议，切换混合协议在网络负载轻时具有良好的实时性，在负载加重时能够保证通信的确定性，协议切换根据负载情况会自动实现。实例说明：EtherCAT（Ethernet for Control Automation Technology）是一个可用于实现现场级超高速I/O网络，它使用标准的以太网物理层和常规的以太网卡，媒体可为双绞线或光纤。EtherCAT技术用于现场级最大的问题就是通信效率低。由于Interbus现场总线的通信效率较高。EtherCAT采用类似Interbus技术的集总帧等实时通信原理。它开发了专用ASIC芯片FMMU（Fieldbus Memory Management Un
31、it）用于I/O模块。这样一来，EtherCAT可采用标准以太网帧，并以特定的环状拓扑发送数据。在FFMU的控制下，网络上的每个站或I/O单元均从以太网帧上取走与该站有关的数据，或者插入该站要输出的数据。EtherCAT还通过内部优先级系统，使实时以太网帧比其他数据帧有较高的优先级。组态数据只在实时数据的传输间隙期间传送或通过专用通道传送。EtherCAT采用了IEEE1588时间同步机制实现分布时钟精确同步，从而使EtherCAT可以再30us内处理1000个开关量，或在50us内处理200个16位模拟量，其通信能力可以使100个伺服轴的控制、位置和状态数据在100us内更新。六、5，以你所
32、在实验室的研究方向为例，说明网络化控制系统的应用情况，并论述具体应用时需解决的关键技术和具体的解决方案。自组织无线传感网络系统应用概述 无线传感器网络技术是集成了传感器技术、自动化技术、数据网络传输、存储、处理与分析技术的现代化信息技术，是信息领域中一个全新的发展方向。无线传感器网络中的网络节点可实现相互间的网络通讯、指令和数据的传输，并自动构建网络拓扑。它与具有固定基础设施的通信网络相比，其自组织机制增强了系统的抗毁性和灵活性；与无线自组织，其自组织机制实施对象能力有限而规模更加庞大。自组织无线网络在工业控制中的应用，主要是构建自组织无线传感器网络。当前，在无线传感器网络自组织方面的研究主要
33、从拓扑控制、能耗和协议的角度保证网络组织的稳定和高效。目前，无线传感器网络的主要研究热点是能耗问题和拓扑控制问题。在能耗问题方面。节点是构成传感器网络的主要因素，也是其中能量消耗的主体，通常无线传感器网络节点由数据采集模块、数据处理模块、数据传输模块刚和能量供应模块四部分组成。能量消耗的主要包括以传感器、微处理器、无线收发器等期间正常待机所引起的硬件消耗和协议软件工作所引起的软件消耗两方面。对于该问题，有以下五种解决方案可供选择（我们可选择其中两三个进行摘抄）：节点冗余技术：该方法的基本思想是在节点布设过程中，在某一区域通过设置冗余节点（数量可视环境而定），并在节点间建立唤醒机制，在一段时间内
34、。让其中一个节点处于工作状态，并且保证该节点能够维持一定的网络覆盖质量，其它节点休眠，待工作节点任务完成进入休眠状态前，通过互唤醒机制唤醒距离它最近的节点。通过这种节点轮流的工作方式可有效提高单节点的生存周期，从而延长整个网络的生存时间。优化介质访问控制（MAC）技术：在无线传感器网络中，通过介质访问控制协议将有限的无线信道资源提供给各节点竞争使用，由此可能引起一下几方面的能量消耗：a.数据碰撞，各节点使用共享信道发送或接受数据，共享信道上的数据可能会发生碰撞而导致节点数据重传，造成了节点的能量消耗。B.冗余数据处理，节点在工作过程中接收处理大量冗余数据，导致能量的浪费。C.过度的空闲侦听，节
35、点处发送数据将外基本处于空闲侦听状态，而节点空闲状态的也要消耗大量的能量。D.附加开销，节点在传输数据时，数据帧中会附加控制信息，从而加长了数据帧长度，数据量的增加造成了额外的能量开销。在进行MAC协议优化时，采用载波多路监听/冲突避免（CSMA/CA）机制和随机退避机制实现信道共享，并可通过设置退避时间来减少数据碰撞的可能，避免数据重传带来的能量消耗；对节点采用“监听/休眠”状态交替转换机制，减少节点空闲监听时间，同时可以减少节点对冗余数据的处理。降低节点能量消耗；在保证数据信息正常传输的基础上尽可能地减少控制信息，降低附加能量消耗。节能路由协议与数据融合技术。，路由协议负责将数据分组从源节
36、点转发到目的节点，它主要包括两方面的功能：路由寻径和数据转发。对于无线传感器网络而言，由于网络工作在有限能源环境下，对路由协议相应的就提出了节能的要求，为保证网络的生存时间的最大化，无线传感器网络的路由协议涉及必须遵从能量消耗最小、能量消耗均衡的原则。路由协议设计时，首先必须保证具有搜索源节点个目的节点之间所有可能路径的功能，然后根据各路径上节点的通信能量消耗以及节点的剩余能量情况，给每条路径赋予一定的权重或选择概率，似的数据传输能均衡的消耗整个网络的能量。同时可与数据融合技术结合，在完成数据转发之前，通过节点处理器的比较分析，去除冗余数据，减少冗余数据传输，降低无线传输能耗，提高网络生存时间
37、。功率控制技术。无线通信模块具有发送、接收、空闲和睡眠四种工作方式。根据Deborah Estrin对节点能耗的统计分析可知，无线通信模块的发送。接收。空闲三种状态能量消耗最大，睡眠状态能量消耗最小。要降低无线通信模块的能耗可采用的基本方法时保证节点正常通信的状况下尽量降低发射功率，即节点可根据目标节点的距离控制数据包的发送功率，通过这种动态地功率调节技术即可达到降耗的目的，同时又能有效避免节点的信号干扰。DPM技术。动态能耗管理（DPM）是指系统可根据工作负载的变化情况将系统中诶被使用的组件转入低功耗模式或者关闭。由于目前大部分的微处理器和外设均考虑了低功耗需求，并且提供可多种功耗操作模式，
38、这位动态功耗管理提供了条件。同时，随着CMOS技术的发展，高效DC-CD电压转换器的出现亦为动态调压提供了便利。在网络拓扑控制问题方面。拓扑控制研究的问题是：在保证一定的网络连通质量和覆盖质量的前提下，一般以延长网络的生命期为主要目标，兼顾通信干扰网络延迟负载均衡简单性可扩展性等性能，形成一个优化的网络拓扑结构。当前，拓扑控制的研究主要以最大限度的延长网络的生命期作为设计目标，并集中于功率控制和睡眠调度两个方面。对于功率控制，针对这一问题，当前以提出一些解决方案，其基本思想都是通过降低发射功率来延长网络的生命期。有以下几种典型的解决方案：与路由协议结合的功率控制。其基本思想是，所有的传感器节点
39、使用一致的发射功率，在保证网络连通的前提下，将功率最小化。基于节点度的功率控制。基于节点算法的基本思想是，给定节点度的上限和下限，每个节点动态地调整自己的发射功率，使得节点的度数落在上限和下限之间。但是，基于节点度数的算法一般难以保证网络的连通性。基于方向的功率控制。微软亚洲研究院Wattenhofer和康奈尔大学的Li等人提出了一种能够保证网络连通性的基于方向的CBCT算法。其基本思想是，节点u选择最小功率p(u)，使得在任何以u为中心的角度为r的锥形区域内至少有一个邻居。MIT的Bahramiri等人又将其推广到三维空间，提出了容错的CBCT。基于方向的算法需要可靠的方向信息，因而需要很好
40、地解决到达角度问题；节点需要配备多个有向天线，因而对传感器节点提出了较高的要求。基于邻近图的功率控制。伊利诺斯大学的Li和Hou提出的DRNG和DLMST是两个具有代表性的基于邻近图理论的算法。基于邻近图的功率控制算法的基本思想是，色所有节点都是用最大发射功率发射形成的拓扑图是G，按照一定的邻近判别条件求出该图的邻近图G1，每个节点以自己所邻近的最远节点来确定发射功率从，经典的邻近图模型有RNG(relative neighborhood graph)，GG（gabriel graph），DG（delaunay graph），YG（yao graph）和MST（minimum panning
41、tree）等。DGRN是基于有向RNG的，DLMS是基于有向局部MST的。DRNG和DLMST能够保证网络的连通性，在平均功率和节点度等方面具有较好的性能。基于邻近图的功率控制一般需要精确的位置信息。此外，微软亚洲研究院的Wattenhofer等人提出的XTC算法对传感器节点没有太高的要求，对部署环境也没有过强的假设，提供了一个面向简单实用的研究方向，因为XTC代表了功率控制的发展趋势。对于睡眠调度。功率控制通过降低节点的发射功率来延长网络的生存时间，但却没有考虑空闲侦听时的能量消耗和覆盖冗余。事实上，无线通信模块在空闲侦听时的能量消耗与收发状态时是相当的。覆盖冗余也造成了很大的能量浪费。所以，只有是节点进入索面状态，才能大幅度的降低网络的能量消耗，这对于节点密集型和事件驱动型的网络十分有效。如果网络中的节点都具有相同的功能，扮演相同的角色，就称额昂罗是非层次的或平面的，否则就称为是层次型的。目前有两种典型的层次型和非层次型睡眠调度算法。非层次型调度的基本思想是，每个节点根据自己所能获得的信息，独立的控制自己在工作状态和睡眠状态间的转换。它与层次型睡眠调度的主要区别在于，每个节点都不隶属于某个簇，因而不受簇头节点的控制各影响。层次型网络睡眠调度的基本思想是，有簇头节点组成骨干网络，则其他节点就可以进入睡眠状态。层次型网络的睡眠调度的关键技术就是分簇。专心-专注-专业