2012年第12期福建电脑
一种层次型无线传感器网络的集中式节能分簇算法
陈振华
（钦州学院广西钦州535000）
【摘要】：无线传感器网络节点受能量有限、计算能力弱、存储空间小等特点的限制，需要设计高效节能的路由协议来延长网络的生存时间。本文提出一种集中式分簇算法CEEC，采用“定簇异头，集中控制”的方式，均匀分布各个簇，由基站根据各节点的能量状态和位置信息，选取簇内通信代价最小的节点作为簇头，使整个网络的能量开销最小，从而延长了网络的生存时间。
【关键词】：无线传感器网络；LEACH；簇头；CEEC；能量开销
0．引言
随着微机电系统（MEMS，Micro－Electro－Mechanism System）、片上系统（SOC，System On Chip）和无线通信技术高速发展，一种新的信息获取和处理模式：无线传感器网络（WSN，Wireless Sensor Network）产生并得到了快速的发展。无线传感器网络是由大量具有特定功能的传感器节点通过自组织的无线通信方式，相互传递信息，协同地完成特定功能的智能专用网络[1]。传感器节点具有能量有限、计算能力弱、存储空间小等特点，受这些特点的限制，设计高效节能的路由算法，减少网络能量消耗，延长网络的生存时间是设计无线传感器网络协议必须首先考虑的问题。
LEACH是一个较早提出的优秀的层次型无线传感器网络分簇协议，通过自适应分布式成簇和TDMA技术，可以有效地降低能耗，延长网络生存时间。但由于其簇头的选择是基于一个随机数来判断，并且没有实时考虑节点能量状态，能量的分布具有很大的随机性，容易出现能量分布不均匀、网络负载不平衡等问题，影响了网络的效率。本文在LEACH成簇思想的基础上，考虑了各节点的能量状态和能耗因素，提出了一种集中式节能分簇算法，由基站根据各节点的能量状态和位置集中选择簇头，使网络总能耗最小化，从而有效地延长了网络的生存时间。
1．LEACH算法简介
LEACH(low-energy adaptive clustering hierarchy)[2]是由MIT的Heinzelman等人提出的一种层次型网络分簇协议，其基本思想是通过随机地循环选择簇头,将整个网络的能量负载平均分配到每个传感器节点,从而达到降低网络能量耗费、延长网络生命周期的目的。
LEACH算法建立在网内所有节点都是同构且无线电信号的传送能耗各向同性的的假设上。在LEACH算法中,节点自组织形成不同的簇,每个簇只有一个簇头。所有非簇头节点将自己的数据发给所在簇的簇头节点,簇头节点在将数据融合后发送给基站。每个非簇头节点只需要知道自己所在簇的簇头信息即可，无须与周围节点通信，簇头也只需要维持很小的路由表。
LEACH的执行过程是周期性的,每轮循环的基本过程由簇头选择、簇的形成、时刻表的创建、数据传输阶段四个阶段组成。节点在［0，1］之间产生一个随机数，该随机数如果比系统中预设定的阈值大，则该节点在当前轮竞选成为簇头。节点成为簇头后，向周围节点广播自己成为簇头的消息，等候周围节点申请加入形成一个簇。簇头根据簇内节点的数量创建TDMA时刻表并通知每个节点何时开始传输数据。在经历一段时间后，新的一轮又从新开始。上述过程循环进行，直到所有节点失效。
LEACH算法是较早提出的一种层次型无线传感器网络的分簇算法,其思想影响了以后很多算法的设计。和平面路由算法相比,LEACH算法可以延长将近30%的网络生存时间[3]。但是,由于LEACH算法中簇头的产生具有极大的随机性,可能会出现部分簇头相距过近或部分区域的节点离簇头太远的情况,大大增加了节点的传输能耗,故不能有效地延长网络生存时间。而且由于簇头选举的随机性使得网络的簇头需要负担的节点数不
基金项目：广西自然科学基金（桂科自09236004）
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南京航空航天大学 硕士学位论文 基于无线传感器网络的环境监测系统设计与实现 姓名：耿长剑 申请学位级别：硕士 专业：电路与系统 指导教师：王成华 20090101
南京航空航天大学硕士学位论文 摘要 无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）是一种集成了计算机技术、通信技术、传感器技术的新型智能监控网络，已成为当前无线通信领域研究的热点。 随着生活水平的提高，环境问题开始得到人们的重视。传统的环境监测系统由于传感器成本高，部署比较困难，并且维护成本高，因此很难应用。本文以环境温度和湿度监控为应用背景，实现了一种基于无线传感器网络的监测系统。 本系统将传感器节点部署在监测区域内，通过自组网的方式构成传感器网络，每个节点采集的数据经过多跳的方式路由到汇聚节点，汇聚节点将数据经过初步处理后存储到数据中心，远程用户可以通过网络访问采集的数据。基于CC2430无线单片机设计了无线传感器网络传感器节点，主要完成了温湿度传感器SHT10的软硬件设计和部分无线通讯程序的设计。以PXA270为处理器的汇聚节点，完成了嵌入式Linux系统的构建，将Linux2.6内核剪裁移植到平台上，并且实现了JFFS2根文件系统。为了方便调试和数据的传输，还开发了网络设备驱动程序。 测试表明，各个节点能够正确的采集温度和湿度信息，并且通信良好，信号稳定。本系统易于部署，降低了开发和维护成本，并且可以通过无线通信方式获取数据或进行远程控制，使用和维护方便。 关键词：无线传感器网络，环境监测，温湿度传感器，嵌入式Linux，设备驱动
Abstract Wireless Sensor Network, a new intelligent control and monitoring network combining sensor technology with computer and communication technology, has become a hot spot in the field of wireless communication. With the improvement of living standards, people pay more attention to environmental issues. Because of the high maintenance cost and complexity of dispose, traditional environmental monitoring system is restricted in several applications. In order to surveil the temperature and humidity of the environment, a new surveillance system based on WSN is implemented in this thesis. Sensor nodes are placed in the surveillance area casually and they construct ad hoc network automatieally. Sensor nodes send the collection data to the sink node via multi-hop routing, which is determined by a specific routing protocol. Then sink node reveives data and sends it to the remoted database server, remote users can access data through Internet. The wireless sensor network node is designed based on a wireless mcu CC2430, in which we mainly design the temperature and humidity sensors’ hardware and software as well as part of the wireless communications program. Sink node's processors is PXA270, in which we construct the sink node embedded Linux System. Port the Linux2.6 core to the platform, then implement the JFFS2 root file system. In order to facilitate debugging and data transmission, the thesis also develops the network device driver. Testing showed that each node can collect the right temperature and humidity information, and the communication is stable and good. The system is easy to deploy so the development and maintenance costs is reduced, it can be obtained data through wireless communication. It's easy to use and maintain. Key Words: Wireless Sensor Network, Environment Monitoring, Temperature and Humidity Sensor, Embedded Linux, Device Drivers
1.简述无线网络介质访问控制方法CSMA/CA的工作原理 CSMA/CA机制: 当某个站点（源站点）有数据帧要发送时，检测信道。若信道空闲，且在DIFS时间内一直空闲，则发送这个数据帧。发送结束后，源站点等待接收ACK确认帧。如果目的站点接收到正确的数据帧，还需要等待SIFS时间，然后向源站点发送ACK确认帧。若源站点在规定的时间内接收到ACK确认帧，则说明没有发生冲突，这一帧发送成功。否则执行退避算法。 2.802.11无线LAN提供的服务有哪些？ ?802.11规定每个遵从该标准的无线局域网必须提供9种服务，这些服务分为两类，5种分布式服务和4种站服务。 分布式服务涉及到对单元（cell）的成员关系的管理，并且会与其它单元中的站点进行交互。由AP提供的5种服务将移动节点与AP关联起来，或者将它们与AP解除关联。 ?⑴建立关联：当移动站点进入一个新的单元后，立即通告它的身份与能力。能力包括支持的数据速率、需要PCF服务和功率管理需求等。 AP可以接受或拒绝移动站点的加入。如果移动站点被接受，它必须证明它自己的身份。 ?⑵解除关联。无论是AP还是站点都可以主动解除关联，从而中止它们之间的关系?⑶重建关联。站点可以使用该服务来改变它的首选AP 。 ?⑷分发。该服务决定如何将发送到AP的帧发送出去。如果目的站在同一个AP下，帧可以被直接发送出去，否则必须通过有线网络转发。 ?⑸集成。如果一个帧需要通过一个非802.11网络（具有不同的编址方案或帧格式）传输，该服务可将802.11格式转换成目的网络要求的格式 站服务4种站服务用于管理单元内的活动。 ?⑴身份认证。当移动站点与AP建立了关联后， AP会向移动站点发送一个质询帧，看它是否知道以前分配给它的密钥；移动站点用自己所知道的密钥加密质询帧，然后发回给AP ，就可以证明它是知道密钥的；如果AP检验正确，则该移动站点就会被正式加入到单元中。 ?⑵解除认证。一个以前经过认证的站想要离开网络时，需要解除认证。 ?⑶保密。处理加密和解密，加密算法为RC4。 ⑷数据传递。提供了一种数据传送和接收方法 3.简述无线传感器网络系统工作过程 无线传感器网络(WSN)是大量的静止或移动的传感器以自组织和多跳的方式构成的无线网络，目的是协作地采集、处理和传输网络覆盖地域内感知对象的监测信息，并报告给用户 4.为什么无线传感器网络需要时间同步，简述RBS、TPSN时间同步算法工作原理？ 在分布式的无线传感器网络应用中，每个传感器节点都有自己的本地时钟。不同节点的晶体振荡器频率存在偏差，以及湿度和电磁波的干扰等都会造成网络节点之间的运行时间偏差， RBS同步协议的基本思想是多个节点接收同一个同步信号，然后多个收到同步信号的节点之间进行同步。这种同步算法消除了同步信号发送一方的时间不确定性。这种同步协议的缺点是协议开销大
无线传感器网络面临的安全隐患及安全定位机制 随着通信技术的发展，安全问题显得越来越重要。在现实生活中，有线网络已经深入到千家万户：互联网、有线电视网络、有线电话网络等与人们生活的联系越来越紧密，已经成为必不可少的一部分，有线网络的安全问题已经能够得到有效的解决。在日常生活中，人们可以放心的使用这些网络，利用它来更好的生活和学习。然而随着无线通信技术的不断发展，无线网络在日常生活中已占据重要的地位，如无线LAN技术、3G技术、4G技术等，同时也有许多新兴的无线网络技术如无线传感器网络， Ad-hoc 等有待进一步发展。随着人们对无线通信的依赖越来越强烈，无线通信的安全问题也面临着重要的考验。本章首先介绍普通网络安全定位研究方法，随后介绍无线传感器网络存在的安全隐患以及常见的网络攻击模型，分析比较这些攻击模型对定位的影响，最后介绍已有的一些安全定位算法，为后续章节的相关研究工作打下基础。 3.1 安全定位研究方法 不同的定位算法会面临着不同的安全方面的问题，安全定位的研究方法可以 采用图 3-1 所示的流程来进行。
图3-1安全定位方法研究流程图 Figure 3-1 Flowchart of security positi oning research method 在研究中首先要找出针对不同定位算法的攻击模型，分析这些攻击对定位精 度所造成的影响，然后从两方面入手来解决这个安全问题或隐患：一方面改进定 位算法使得该定位算法不易受到来自外界的攻击，另一方面可以设计进行攻击检 测判断及剔除掉受到攻击的节点的安全定位算法或者把已有的安全算法进行改进使之能够应用于无线传感器网络定位，还可以从理论上建立安全定位算法的数学模型，分析各种参数对系统性能的影响，最后根据这个数学模型对算法进行仿真，并把仿真结果作为反馈信息，对安全定位算法进一步优化和改进，直到达到最优为止。 3.2安全隐患 由于无线传感器网络随机部署、网络拓扑易变、自组织成网络和无线链路等特点，使其面临着更为严峻的安全隐患。在传感器网络不同的定位算法中具有不同的定位思想，所面临的安全问题也不尽相同。攻击者会利用定位技术的弱点设计不同的攻击手段，因此了解各定位系统自身存在的安全隐患和常见的攻击模型对安全定位至
基于无线传感器网络的桥梁安全检测系统 摘要 根据桥梁监测无线传感器网络技术的桥梁安全监测系统，以实现方案的安全参数的需要；对整个系统的结构和工作原理的节点集、分簇和关键技术，虽然近年来在无线传感器网络中，已经证明了其潜在的提供连续结构响应数据进行定量评估结构健康，许多重要的问题，包括网络寿命可靠性和稳定性、损伤检测技术，例如拥塞控制进行了讨论。 关键词：桥梁安全监测；无线传感器网络的总体结构；关键技术 1 阻断 随着交通运输业的不断发展，桥梁安全问题受到越来越多人的关注。对于桥梁的建设与运行规律，而特设的桥梁检测的工作情况，起到一定作用，但是一座桥的信息通常是一个孤立的片面性，这是由于主观和客观因素，一些桥梁安全参数复杂多变[1]。某些问题使用传统的监测方法难以发现桥梁存在的安全风险。因此长期实时监测，预报和评估桥梁的安全局势，目前在中国乃至全世界是一个亟待解决的重要问题。 桥梁安全监测系统的设计方案，即通过长期实时桥跨的压力、变形等参数及测试，分析结构的动力特性参数和结构的评价科关键控制安全性和可靠性，以及问题的发现并及时维修，从而确保了桥的安全和长期耐久性。 近年来，桥梁安全监测技术已成为一个多学科的应用，它是在结构工程的传感器技术、计算机技术、网络通讯技术以及道路交通等基础上引入现代科技手段，已成为这一领域中科学和技术研究的重点。 无线传感器网络技术，在桥梁的安全监测系统方案的实现上，具有一定的参考价值。 无线传感器网络（WSN）是一种新兴的网络科学技术是大量的传感器节点，通过自组织无线通信，信息的相互传输，对一个具体的完成特定功能的智能功能的协调的专用网络。它是传感器技术的一个结合，通过集成的嵌入式微传感器实时监控各类计算机技术、网络和无线通信技术、布式信息处理技术、传感以及无线发送收集到的环境或各种信息监测和多跳网络传输到用户终端[2]。在军事、工业和农业，环境监测，健康，智能交通，安全，以及空间探索等领域无线传感器网络具有广泛应用前景和巨大的价值。 一个典型的无线传感器网络，通常包括传感器节点，网关和服务器，如图1
2012年第12期福建电脑 一种层次型无线传感器网络的集中式节能分簇算法 陈振华 （钦州学院广西钦州535000） 【摘要】：无线传感器网络节点受能量有限、计算能力弱、存储空间小等特点的限制，需要设计高效节能的路由协议来延长网络的生存时间。本文提出一种集中式分簇算法CEEC，采用“定簇异头，集中控制”的方式，均匀分布各个簇，由基站根据各节点的能量状态和位置信息，选取簇内通信代价最小的节点作为簇头，使整个网络的能量开销最小，从而延长了网络的生存时间。 【关键词】：无线传感器网络；LEACH；簇头；CEEC；能量开销 0．引言 随着微机电系统（MEMS，Micro－Electro－Mechanism System）、片上系统（SOC，System On Chip）和无线通信技术高速发展，一种新的信息获取和处理模式：无线传感器网络（WSN，Wireless Sensor Network）产生并得到了快速的发展。无线传感器网络是由大量具有特定功能的传感器节点通过自组织的无线通信方式，相互传递信息，协同地完成特定功能的智能专用网络[1]。传感器节点具有能量有限、计算能力弱、存储空间小等特点，受这些特点的限制，设计高效节能的路由算法，减少网络能量消耗，延长网络的生存时间是设计无线传感器网络协议必须首先考虑的问题。 LEACH是一个较早提出的优秀的层次型无线传感器网络分簇协议，通过自适应分布式成簇和TDMA技术，可以有效地降低能耗，延长网络生存时间。但由于其簇头的选择是基于一个随机数来判断，并且没有实时考虑节点能量状态，能量的分布具有很大的随机性，容易出现能量分布不均匀、网络负载不平衡等问题，影响了网络的效率。本文在LEACH成簇思想的基础上，考虑了各节点的能量状态和能耗因素，提出了一种集中式节能分簇算法，由基站根据各节点的能量状态和位置集中选择簇头，使网络总能耗最小化，从而有效地延长了网络的生存时间。 1．LEACH算法简介 LEACH(low-energy adaptive clustering hierarchy)[2]是由MIT的Heinzelman等人提出的一种层次型网络分簇协议，其基本思想是通过随机地循环选择簇头,将整个网络的能量负载平均分配到每个传感器节点,从而达到降低网络能量耗费、延长网络生命周期的目的。 LEACH算法建立在网内所有节点都是同构且无线电信号的传送能耗各向同性的的假设上。在LEACH算法中,节点自组织形成不同的簇,每个簇只有一个簇头。所有非簇头节点将自己的数据发给所在簇的簇头节点,簇头节点在将数据融合后发送给基站。每个非簇头节点只需要知道自己所在簇的簇头信息即可，无须与周围节点通信，簇头也只需要维持很小的路由表。 LEACH的执行过程是周期性的,每轮循环的基本过程由簇头选择、簇的形成、时刻表的创建、数据传输阶段四个阶段组成。节点在［0，1］之间产生一个随机数，该随机数如果比系统中预设定的阈值大，则该节点在当前轮竞选成为簇头。节点成为簇头后，向周围节点广播自己成为簇头的消息，等候周围节点申请加入形成一个簇。簇头根据簇内节点的数量创建TDMA时刻表并通知每个节点何时开始传输数据。在经历一段时间后，新的一轮又从新开始。上述过程循环进行，直到所有节点失效。 LEACH算法是较早提出的一种层次型无线传感器网络的分簇算法,其思想影响了以后很多算法的设计。和平面路由算法相比,LEACH算法可以延长将近30%的网络生存时间[3]。但是,由于LEACH算法中簇头的产生具有极大的随机性,可能会出现部分簇头相距过近或部分区域的节点离簇头太远的情况,大大增加了节点的传输能耗,故不能有效地延长网络生存时间。而且由于簇头选举的随机性使得网络的簇头需要负担的节点数不 基金项目：广西自然科学基金（桂科自09236004） 13
ＩＳＳＮ１０００．９８２５．ＣＯＤＥＮＲＵＸＵＥＷ ＪｏｕｒｎａｌｏｆＳｏｆｔｗａｒｅ，Ｖ０１．１７，Ｎｏ．７，Ｊｕｌｙ２００６，ＰＰ．１５８８—１６００ ＤＯＩ：１０．１３６０／ｊｏｓｌ７１５８８ ＠２００６ｂｙＪｏｕｒｎａｌｏｆＳｏｆｔｗａｒｅ．Ａｌｌｒｉｇｈｔｓｒｅｓｅｒｖｅｄ． 无线传感器网络分簇路由协议水 沈波＋，张世永，钟亦平 （复旦大学计算机与信息技术系，上海２００４３３） Ｃｌｕｓｔｅｒ－ＢａｓｅｄＲｏｕｔｉｎｇＰｒｏｔｏｃｏｌｓｆｏｒ ＷｉｒｅｌｅｓｓＳｅｎｓｏｒＮｅｔｗｏｒｋｓ ＳＨＥＮＢｏ＋，ＺＨＡＮＧＳｈｉ—Ｙｏｎｇ，ＺＨＯＮＧＹｉ—Ｐｉｎｇ （ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＣｏｍｐｕｔｉｎｇａｎｄＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ＦｕｄａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ２００４３３，Ｃｈｉｎａ） ＋Ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇａｕｔｈｏｒ：Ｐｈｎ：＋８６—２１—６５６４３２３５，Ｅ—ｍａｉｌ：０４２０２１１６５＠ｆｕｄａｎ．ｅｄｕ．ｃａ，ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｆｕｄａｎ．ｅｄｕ．ｃａ Ｅ－ｍａｉｌ：ｊｏｓ＠ｉｓｃａｓ．ａｃ．ｃｎｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｊｏｓ．ｏｒｇ．ｃａＴ乩，Ｆａｘ：＋８６．１０—６２５６２５６３ ＳｈｅｎＢ，ＺｈａｎｇＳＹ，ＺｈｏｎｇＹＰ．Ｃｌｕｓｔｅｒ－Ｂａｓｅｄｒｏｕｔｉｎｇｐｒｏｔｏｃｏｌｓｆｏｒｗｉｒｅｌｅｓｓｓｅｎｓｏｒｎｅｔｗｏｒｋｓ．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＳｏｆｔｗａｒｅ，２００６，１７（７）：１５８８—１６００．ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｊｏｓ．ｏｒｇ．ｃｎ／１０００－９８２５／１７／１５８８．ｈｔｍ Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｒｏｕｔｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｔｔｈｅｎｅｔｗｏｒｋｌａｙｅｒｉｓｐｉｖｏｔａｌｉｎｔｈｅａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅｏｆｗｉｒｅｌｅｓｓｓｅｎｓｏｒｎｅｔｗｏｒｋｓ．Ａｓａｎａｃｔｉｖｅｂｒａｎｃｈｏｆｒｏｕｔｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｃｌｕｓｔｅｒ－ｂａｓｅｄｒｏｕｔｉｎｇｐｒｏｔｏｃｏｌｓｅｘｃｅｌｉｎｎｅｔｗｏｒｋｔｏｐｏｌｏｇｙｍａｎａｇｅｍｅｎｔ，ｅｎｅｒｇｙｍｉｎｉｍｉｚａｔｉｏｎ，ｄａｔａａｇｇｒｅｇａｔｉｏｎａｎｄＳＯｏｎ．Ｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ，ｃｌｕｓｔｅｒ－ｂａｓｅｄｒｏｕｔｉｎｇｍｅｃｈａｎｉｓｍｓｆｏｒｗｉｒｅｌｅｓｓｓｅｎｓｏｒｎｅｔｗｏｒｋｓａｒｅａｎａｌｙｚｅｄ．Ｃｌｕｓｔｅｒｈｅａｄｓｅｌｅｃｔｉｏｎ，ｃｌｕｓｔｅｒｆｏｒｍａｔｉｏｎａｎｄｄａｔａｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎａｒｅｔｈｒｅｅｋｅｙｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓｉｎｃｌｕｓｔｅｒ－ｂａｓｅｄｒｏｕｔｉｎｇｐｒｏｔｏｃｏｌｓ．Ａｓｖｉｅｗｅｄｆｒｏｍｔｈｅｔｈｒｅｅｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ，ｒｅｃｅｎｔｒｅｐｒｅｓｅｎｔａｔｉｖｅｃｌｕｓｔｅｒ－ｂａｓｅｄｒｏｕｔｉｎｇｐｒｏｔｏｃｏｌｓａｒｅｐｒｅｓｅｎｔｅｄ，ａｎｄｔｈｅｉｒｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ａｎｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎａｒｅａｓａｒｅｃｏｍｐａｒｅｄ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｔｈｅｆｕｔｕｒｅｒｅｓｅａｒｃｈｉｓｓｕｅｓｉｎｔｈｉｓａｒｅａａｒｅｐｏｉｎｔｅｄｏｕｔ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｗｉｒｅｌｅｓｓｓｅｎｓｏｒｎｅｔｗｏｒｋ；ｃｌｕｓｔｅｒ－ｂａｓｅｄｒｏｕｔｉｎｇｐｒｏｔｏｃｏｌ；ｃｌｕｓｔｅｒ；ｃｌｕｓｔｅｒｈｅａｄ 摘要：在无线传感器网络体系结构中，网络层的路由技术至关重要．分簇路由具有拓扑管理方便、能量利用高效、数据融合简单等优点，成为当前重点研究的路由技术．分析了无线传感器网络分簇路由机制，着重从簇头的产生、簇的形成和簇的路由角度系统地描述了当前典型的分簇路由算法，并比较和分析了这些算法的特点和适用情况．最后结合该领域当前研究现状，指出分簇路由算法未来的研究重点． 关键词：无线传感器网络；分簇路由协议；簇；簇头 中图法分类号：ＴＰ３９３文献标识码：Ａ 作为一种新的信息获取方式和处理模式，无线传感器网络（ｗｉｒｅｌｅｓｓｓｅｎｓｏｒｎｅｔｗｏｒｋ，简称ＷＳＮ）Ⅲ目前已成为国内外备受关注的研究热点． 作为一种典型的普适计算（ｐｅｒｖａｓｉｖｅｃｏｍｐｕｔｉｎｇ）应用，ＷＳＮ通过大量部署在监测区域内的传感器节点，采集网络覆盖区域内感知对象的信息，通过多跳的无线通信方式，将收集、处理后的信息提供给终端用户．ＷＳＮ不需要固定的网络支持，具有快速展开、抗毁性强等特点，可广泛应用于军事侦察、环境监测、医疗监护、农业养殖和其他商业领域，以及空间探索和灾难抢险等特殊领域【２，３】． ?Ｒｅｃｅｉｖｅｄ２００５—１２—２０；Ａｃｃｅｐｔｅｄ２００６—０２—２３
无线传感器网络的应用与影响因素分析 摘要：无线传感器网络在信息传输、采集、处理方面的能力非常强。最初，由于军事方面的需要，无线传感网络不断发展，传感器网络技术不断进步，其应用的范围也日益广泛，已从军事防御领域扩展以及普及到社会生活的各个方面。本文全面描述了无线传感器网络的发展过程、研究领域的现状和影响传感器应用的若干因素。关键词：无线传感器网络；传感器节点；限制因素 applications of wireless sensor networks and influencing factors analysis liu peng (college of computer science,yangtze university,jingzhou434023,china) abstract:wireless sensor networks in the transmission of informa- tion,collecting,processing capacity is very strong.initially,due to the needs of the military aspects of wireless sensor networks,the continuous development of sensor network technology continues to progress its increasingly wide range of applications,from military defense field to expand and spread to various aspects of social life.a comprehensive description of the development
第36卷 增刊Ⅰ2008年 10月 华 中 科 技 大 学 学 报(自然科学版) J.Huazhong Univ.of Sci.&Tech.(Natural Science Edition )Vol.36Sup.Ⅰ Oct. 2008 收稿日期:2008207215. 作者简介:郝志凯(19832),男,博士研究生,E 2mail :zk -hao @https://www.doczj.com/doc/0d13401378.html,. 基金项目:国家高技术研究发展计划资助项目(2006AA11Z225);国家自然科学基金资助项目(60635010, 60605026). 无线传感器网络定位方法综述 郝志凯 王 硕 (中国科学院自动化研究所复杂系统与智能科学实验室,北京100190) 摘要:介绍了国内外研究机构在无线传感器网络定位方法方面开展的研究工作,并对这些研究工作进行了归纳和总结.定位的基本方法分为距离式定位和非距离式定位.距离式定位是通过测量距离或角度进行位置估计,测量数据的精度对定位精度有很大影响.非距离式定位是通过节点间的hop 数或估计距离计算节点的坐标,这种方法不需要测量距离或角度,利用估计距离代替真实距离,算法简单但精度不高.无线传感器网络中定位方法的应用需要针对不同的应用场合,综合考虑节点的规模、成本及系统对定位精度等要求来进行设计和选择. 关 键 词:无线传感器网络;定位方法;距离式定位;非距离式定位;相对定位 中图分类号:TN919.2;TP732 文献标识码:A 文章编号:167124512(2008)S120224204 Survey on localization algorithms for wireless sensor net w orks H ao Zhi k ai W ang S huo (Laboratory of Complex Systems and Intelligence Science ,Institute of Automation , Chinese Academy of Sciences ,Beijing 100190) Abstract :Current researches in wireless sensor networks (WSNs ′ )localization algorit hms are int ro 2duced ,and t hese researches are analyzed and concluded.The p recision of t he nodes ′locations are im 2portant for t he data ′s effectiveness in WSNs ′.The localization algorit hms are divided into range 2based and range 2free.Range 2based algorit hms use t he measured distance and angle to calculate t he nodes ′coordinates.However ,t he range 2f ree researches use hop s or evaluated distance to localization ,which are simple but low 2precision.In different occasions ,t he algorit hm should be taken account in t he net 2work ′s size ,co st ,p recision and so on. K ey w ords :wireless sensor networks (WSNs ′ );localization ;range 2based ;range 2f ree ;relative po sitio 2ning 目前广泛使用的全球卫星导航定位系统GPS 可用来确定携带者的绝对位置,但不适合在 无线传感器网络中大量使用.主要有以下原因[1]:a .成本高.无线传感器网络中的节点数量多、分 布密集,如果各节点都配备GPS 接收器成本很高;b .能源限制.网络中的节点通常是通过内部电池进行供电,由于其工作环境有时在森林、山地等人迹罕至的地方,对其进行电源更换困难;c .工作环境限制.节点有时会分布在室内等电磁 波较难到达的环境中,这种工作环境下GPS 无法完成定位任务;d .尺寸较大.由于上述种种原因使得GPS 不能广泛用在无线传感器网络系统的节点上,这就需要发展适合于无线传感器网络应用的节点定位方法. 鉴于无线传感器网络节点在能耗、计算能力、通信能力等方面的限制,其节点的定位方法应该具有分布式、低复杂性、精度较高、通用性较好等特点,国内外的研究机构已开展了大量工作[2～9].
一、课题研究目的 针对目前中国的交叉路口多，车流量大，交通混乱的现象研究一种控制交通信号灯的基于无线传感器的智能交通系统。 二、课题背景 随着经济的快速发展，生活方式变得更加快捷，城市的道路也逐渐变得纵横交错，快捷方便的交通在人们生活中占有及其重要的位置，而交通安全问题则是重中之重。据世界卫生组织统计，全世界每年死于道路交通事故的人数约有120 万，另有数100 万人受伤。中国拥有全世界1. 9 %的汽车，引发的交通事故占了全球的15 % ，已经成为交通事故最多发的国家。2000 年后全国每年的交通事故死亡人数约在10 万人，受伤人数约50万，其中60 %以上是行人、乘客和骑自行车者。中国每年由于汽车安全方面所受到的损失约为5180 亿(人民币)，死亡率为9 人/ 万·车，因此，有效地解决交通安全问题成为摆在人们面前一个棘手的问题。 在中国，城市的道路纵横交错，形成很多交叉口，相交道路的各种车辆和行人都要在交叉口处汇集通过。而目前的交通情况是人车混行现象严重，非机动车的数量较大，路口混乱。由于车辆和过街行人之间、车辆和车辆之间、特别是非机动车和机动车之间的干扰，不仅会阻滞交通，而且还容易发生交通事故。根据调查数据统计，我国发生在交叉口的交通事故约占道路交通事故的1/ 3，在所有交通事故类型中居首位，对交叉口交通安全影响最大的是冲突点问题，其在很大程度上是由于信号灯配时不合理(如黄灯时间太短,驾驶员来不及反应)，以及驾驶员不遵循交通信号灯，抢绿灯末或红灯头所引发交通流运行的不够稳定。随着我国经济的快速发展，私家车也越来越多，交通控制还是延续原有的定时控制，在车辆增加的基础上，这种控制弊端也越来越多的体现出来，造成了十字交叉路口的交通拥堵和秩序混乱，严重的影响了人们的出行。智能交通中的信号灯控制显示出了越来越多的重要性。国外已经率先开展了智能交通方面的研究。 美国VII系统(vehicle infrastructure integration)，利用车辆与车辆、车辆与路边装置的信息交流实现某些功能，从而提高交通的安全和效率。其功能主要有提供天气信息、路面状况、交叉口防碰撞、电子收费等。目前发展的重点主要集中在2个应用上: ①以车辆为基础; ②以路边装置为基础。欧洲主要是CVIS 系统(cooperative vehicle infrastructure system)。它有60 多个合作者，由布鲁塞尔的ERTICO 组织统筹，从2006 年2 月开始到2010年6月，工作期为4年。其目标是开发出集硬件和软件于一体的综合交流平台，这个平台能运用到车辆和路边装置提高交通管理效率，其中车辆不仅仅局限于私人小汽车，还包括公共交通和商业运输。日本主要的系统是UTMS 21 ( universal traffic management system for the 21st century , UTMS 21)。是以ITS 为基础的综合系统概念,由NPA (National Police Agency) 等5个相关部门和机构共同开发的，是继20 世纪90 年代初UTMS 系统以来的第2代交通管理系统，DSSS是UTMS21中保障安全的核心项目，用于提高车辆与过街行人的安全。因此，从国外的交通控制的发展趋势可以看出，现代的交通控制向着智能化的方向发展，大多采用计算机技术、自动化控制技术和无线传感器网络系统，使车辆行驶和道路导航实现智能化，从而缓解道路交通拥堵，减少交通事故，改善道路交通环境，节约交通能源，减轻驾驶疲劳等功能，最终实现安全、舒适、快速、经济的交通环境。
《无线传感器网络》 一、填空题（每题4分，共计60分） 1.传感器网络的三个基本要素：传感器、感知对象、用户(观察者) 2.传感器网络的基本功能：协作式的感知、数据采集、数据处理、发布感知信息 3、 3.无线传感器节点的基本功能：采集数据、数据处理、控制、通信 4.无线通信物理层的主要技术包括：介质选择、频段选取、调制技术、扩频技术 5.扩频技术按照工作方式的不同，可以分为以下四种：直接序列扩频、跳频、跳时、宽带 线性调频扩频 6.定向扩散路由机制可以分为三个阶段：兴趣扩展阶段、梯度建立阶段、路径加强阶段 7.无线传感器网络特点：大规模网络、自组织网络、可靠的网络、以数据为中心的网络、 应用相关的网络 8.无线传感器网络的关键技术主要包括：网络拓扑控制、网络协议、时间同步、定位技术、 数据融合及管理、网络安全、应用层技术 9.IEEE 标准主要包括：物理层。介质访问控制层 10.简述无线传感器网络后台管理软件结构与组成：后台管理软件通常由数据库、数据处理 引擎、图形用户界面和后台组件四个部分组成。 11.数据融合的内容主要包括：多传感器的目标探测、数据关联、跟踪与识别、情况评估和 预测 12.无线传感器网络可以选择的频段有：_800MHz___915M__、、___5GHz 13.传感器网络的电源节能方法：_休眠（技术）机制、__数据融合 14.传感器网络的安全问题：(1) 机密性问题。 (2) 点到点的消息认证问题。 (3) 完整 性鉴别问题。 15.规定三种帧间间隔：短帧间间隔SIFS，长度为 28 s a)、点协调功能帧间间隔PIFS长度是 SIFS 加一个时隙(slot)长度，即78 s b)分布协调功能帧间间隔DIFS ，DIFS长度=PIFS +1个时隙长度，DIFS 的长度为 128 s 16.任意相邻区域使用无频率交叉的频道是，如：1、6、11频道。 17.网络的基本元素SSID标示了一个无线服务，这个服务的内容包括了：接入速率、工作 信道、认证加密方法、网络访问权限等 18.传感器是将外界信号转换为电信号的装置，传感器一般由敏感元件、转换元件、转换电 路三部分组成 19.传感器节点由传感器模块、处理器模块、无线通信模块和能量供应模块四部分组成 20.物联网是在计算机互联网的基础上，利用RFID、无线数据通信等技术，构造一个覆盖 万物的网络。RIFD无线识别、嵌入式系统技术、能量供给模块和纳米技术列为物联网关键技术。 二、基本概念解释（每题5分，共40分） 1.简述无线网络介质访问控制方法CSMA/CA的工作原理 CSMA/CA机制: 当某个站点（源站点）有数据帧要发送时，检测信道。若信道空闲，且在DIFS时间内一直空闲，则发送这个数据帧。发送结束后，源站点等待接收ACK确认帧。如果目的站点接收到正确的数据帧，还需要等待SIFS时间，然后向源站点发送ACK确认帧。若源站点在规定的时间内接收到ACK确认帧，则说明没有发生冲突，这一帧发送成功。否则执行退避算法。
1武警部队监控平台架构介绍与设计 1.1监控系统的系统结构 基站监控系统的结构组成如上图所示，主要由三个大的部分构成，分别是监控中心、监控站点、监控单元。整个系统从资金、功能以及方便维护性出发，我们采用了干点加节点方式的监控方法。 监控中心（SC）：SC的定义是指整个系统的中心枢纽点，控制整个分监控站，主要的功能是起管理作用和数据处理作用。一般只在市级包括（地、州）设置相应的监控中心，位置一般在武警部队的交换中心机房内或者指挥中心大楼内。 区域监控中心（SS）：又称分点监控站，主要是分散在各个更低等级的区县，主要功能是监控自己所负责辖区的所有基站。对于固话网络，区域监控中心的管辖范围为一个县/区；移动通信网络由于其组网不同于固话本地网，则相对弱化了这一级。区域监控中心SS的机房内的设备配置与SC的差不多，但是不同的是功能不同以及SS的等级低于SC,SS的功能主要是维护设备和监控。 监控单元（SU）：是整个监控系统中等级最低的单元了，它的功能就是监控并且起供电，传输等等作用，主要由SM和其他供电设备由若干监控模块、辅助设备构成。SU侧集成有无线传感网络微设备，比如定位设备或者光感，温感设备等等。 监控模块（SM）：SM是监控单元的组成部分之一，主要作用监控信息的采集功能以及传输，提供相应的通信接口，完成相关信息的上传于接收。
2监控系统的分级管理结构及监控中心功能 基站监控系统的组网分级如果从管理上来看，主要采用两级结构：CSC集中监控中心和现场监控单元。CSC主要设置在运营商的枢纽大楼，主要功能为数据处理，管理远程监控单元，对告警信息进行分类统计，可实现告警查询和存储的功能。一般管理员可以在CSC实现中心调度的功能，并将告警信息进行分发。而FSU一般针对具体的某一个基站，具体作用于如何采集数据参数并进行传输。CSC集中监控中心的需要对FSU采集的数据参数进行报表统计和分析，自动生产图表并为我们的客户提供直观，方便的可视化操作，为维护工作提供依据，维护管理者可以根据大量的分析数据和报表进行快速反应，以最快的速度发现网络的故障点和优先处理点，将人力资源使用在刀刃上。监控中心CSC系统的功能中，还有维护管理类，具体描述如下： 1）实时报警功能 该系统的报警功能是指发现机房里的各种故障后，通过声音，短信，主界面显示的方式及时的上报给操作者。当机房内的动力环境，空调，烟感，人体红外等等发生变量后，这些数据通过基站监控终端上传到BTS再到BSC。最后由数据库进行分类整理后存储到SQLSEVRER2000中。下面介绍主要的几种报警方式： 2)声音报警 基站发生告警后，系统采集后，会用声卡对不一样的告警类别发出对应的语音提示。比如：声音的设置有几种，主要是以鸣叫的长短来区分的。为便于引起现场维护人员的重视紧急告警可设置为长鸣，不重要的告警故障设置为短鸣。这样一来可以用声音区分故障的等级，比方某地市的中心交换机房内相关告警声音设置，它的开关电源柜当平均电流达到40AH的时候，提示声音设置为长鸣，并立即发生短信告警工单。如果在夜晚机房无人值守的情况下：
摘要 无线传感器网络（WSN，Wireless Sensor Network）是近年来迅速发展并受到普遍重视的新型网络技术，它的出现和发展给人类的生活和生产的各个领域带来了深远的影响。无线传感器网络节点定位技术是无线传感器网络应用研究的基础。目前，已有多种定位技术被应用于室内定位中，尤其是基于接收信号强度（RSSI，Received Signal Strength Indication）的定位技术以其低功耗、低成本、易于实现等优点，得到了无线传感器网络研究学者们的青睐。 本文重点研究了基于RSSI的室内定位的关键技术，主要包括定位模型分析和定位算法设计。首先，为了获得较为精确的定位，根据RSSI测距原理和无线信号传播衰减模型在设定的室内环境进行多次实验，通过计算及均值处理等方法反复调整以获得标准的定位模型参数，得到高精度的等效距离。接着，根据三边定位算法原理简化定位算法，建立更为简单的定位模型，采用双边定位得到两个可能的定位点，再利用RSSI测距原理对两个定位点进行择优选择确定定位点。最后，在Arduino开发平台上对参考节点与未知节点这两类iDuino节点的室内定位模型进行了软件开发设计和程序开发。在设定的室内环境部署iDuino节点，搭建实验定位模型，并实现了定位。 关键词：无线传感器网络，节点，室内定位，RSSI，Arduino
ABSTRACT Wireless sensor network (WSN) is developed rapidly and universally emphasized as a new network technology in recent years, the advent and development of WSN have had a profound and lasting impact on the life and all areas of production of human beings. Wireless nodes localization technology is the basis in the application and studies of wireless sensor network. There are a variety of positioning technology have been used in indoor location at present, especially the based on RSSI (received signal strength) positioning technology gets a great preference from many scholars of studies of wireless sensor network with the advantages of low power consumption, low cost and easy to realize. This paper mainly studies the key technology of indoor positioning based on RSSI, which mainly includes the positioning model analysis and positioning algorithm design. First, in order to obtain more accurate positioning, we perform several experiments according to the RSSI ranging principle and wireless signal propagation attenuation model in the setting of indoor environment, and get accurate positioning model parameters and equivalent distance by the methods of calculation and mean processing. Then, we simplify Trilateral Localization Algorithm to Bilateral Location Algorithm and establish a simpler positioning model, with which we can get two nodes of possible location, and determine the better node according to the RSSI ranging principle. At last, we make software designing and programming of these nodes that are anchor nodes and nodes of unknown on the Arduino development platform. Combined with the indoor environment we selected, we deploy the iDuino nodes and then build location model, with which we implement the location. KEY WORDS：Wireless Sensor Network，Nodes，Indoor Location，RSSI，Arduino