无线传感器网络路由协议的研究
摘
要：对无线传感器网络及其特点进行了学习归纳，指出了无线传感网络 无线自组网的差别及其需要解决的关键问题。对当今流行的几种WSN分层路由协议进行的分析 和总结。在是否以数据为中心、是否支持数据融合、是否基于节点定位，服务质量 扩展性、鲁棒性和安全性等方面对其进行比较，并指出其优缺点。最后指出当前WSN路由协议 致力于在满足基本性能上的QoS的提高。 关键词：无线传感器网络；路由协议；分层；性能比较 Abstract:Inductive learning on the characteristics of wireless sensor networks,. Pointed out that the wireless sensor network (WSN> and sensor networks and wireless ad hoc networks and their differences on key issues to be resolved. Several of today's popular WSN routing protocols layered analysis and summary. Compare them on whether data-centric, whether to support data fusion, whether based on node location, and the Quality of Service (QoS>, scalability, robustness, security, and point their advantages and disadvantages. Last, point that the current WSN is committed to meet the basic performance of routing protocols on the improvement of QoS. Key words:wireless sensor network 。 routing protocol 。 Stratified。 Performance Comparison 0前言 传感器是数据采集、信息处理的关键部件，它可以将物理世界中的一个物理量映射到一个定量的测量值，使人们对物理世界形成量化认识。传感器技术是新技术革命和信息社会的重要技术基础[1]。随着微电子、计算机和网络技术的发展，传感器技术正向着微型化、智能化、网络化、集成化的方向发展[2]。无线传感网络 本文主要对这些路由协议进行总结和比较。 1无线传感器网络的特点 WSN是一种分布式、自组织传感网络，具有覆盖面广、自适应强、布局方便灵活等特点。它与传统固定网络有很大的不同，主要有以下两大特征[4]： 以数据为中心。环境感知数据的处理和传送时整个无线传感器网络的核心，无线传感器网络中所有的功能都是围绕数据的接收、处理、发送和应用进行的。用户在使用无线传感器网络时是将想要知道的事情告诉传感器网络，传感器网络在获取指定目标事件的信息后汇聚并汇报给用户，用户无需知道数据到底是来自于哪个传感器节点。 高度面向应用系统。传感器的任务是感知客观环境，不同的应用背景所处的环境不同，所关心的物理量和不同，因此对传感器网络的要求也各不相同。 与WSN最为相似的是移动自组织网络(mobile ad hoc networks，简称MANET>，尽管二者都是无线自组织多跳网络，但差异很大[5]：WSNs节点因能量耗尽而易失效。 WSNs节点通信高能耗，数据计算低能耗，而这种差异在MANET中并不重要。 WSNs节点的计算、存储、通信能力也有限。 WSNs节点不移动或很少移动，而MANET节点移动性强。 WSNs的数据包更小，因而数据传输开销更大。 WSNs一般独立成网，主要用于监测功能，是以数据为中心的网络，MANET则能为分布式应用提供互联、计算能力。 WSNs节点可达上千，远大于MANET的几十个节点。 WSNs网络流量具有many-to-one和one-to-many的特点。 WSNs面向特定的应用。 WSNs邻居节点数据很相似。 WSNs节点一般没有统一编址(在某些应用中可对节点编址>. WSNs的上述特点使得传统固定网络和移动自组织网络的路由协议在直接应用于WSN 时效率很低。近些年来很多研究人员涉足于这个领域的研究。 2无线传感器网络路由协议需要解决的问题 由于无线传感网络与传统网络的不同，在设计WSN路由协议时应根据其特点设计合适的路由协议。一个好的WSN网络层路由协议设计应该满足以下条件[1]： 简单性和节能性。为了高效地利用有限的网络资源，尽可能压缩不必要的开销，以最大限度地延长网络生存时间，路由协议的设计必须具备简单性和节能性。 为了尽可能地减少无线传感器网络内冗余信息的发送，节约有限的工作能源。路由协议的设计需要以数据为中心，具备数据融合能力。 （3）路由协议应该采用分布式运行方式，以适应拓扑动态变化的网络结构，提高系统的鲁棒性。 可扩展性。这是为了适应WSN节点数量多、网络规模大和网络易受损的特点，保证传感器节点的随时加入和退出不会影响到全局任务的正常执行。 （5）路由协议尽可能具有安全性，降低遭受攻击的可能性。 3无线传感器网络路由协议的分类 目前，已有很多路由协议，这些路由协议大都具有以下特征： （1）传感器节点按照数据属性寻址，而不是IP寻址。 （2）传感器节点检测到的数据往往被发送到Sink节点。 （3）原始检测数据中有大量的冗余信息，路由协议可以合并数据、减少冗余性。 （4）节约传感器节点的处理能力、存储空间、发射功率、电源能量等有限资源。 由于无线传感器技术面向应用，不同应用背景下对传感器路由协议的要求就不同，这就使人们不断设计出各种类型的路由协议。这里采用唐勇等的划分方法[5]，按照通信模式、路由结构、路由建立时机、状态维护、节点标识和投递方式等策略对众多的路由协议进行分类： (1> 根据传输过程中采用路径的多少，可分为单路径路由协议和多路径路由协议。单路径路由节约存储空间，数据通信量少；多路径路由容错性强，健壮性好，且可从众多路由中选择一条最优路由。 (2> 根据节点在路由过程中是否有层次结构、作用是否有差异，可分为平面路由协议和层次路由协议。平面路由简单，健壮性好，但建立、维护路由的开销大，数据传输跳数多，适合小规模网络。层次路由扩展性好，适合大规模网络，但簇的维护开销大，且簇头是路由的关键节点，其失效将导致路由失败。 (3> 根据路由建立时机与数据发送的关系，可分为主动路由协议、按需路由协议和混合路由协议。主动路由建立、维护路由的开销大，资源要求高。按需路由在传输前需计算路由，时延大；混合路由则综合利用这两种方式。 (4> 根据是否以地理位置来标识目的地、路由计算中是否利用地理位置信息，可分为基于位置的路由协议和非基于位置的路由协议。有大量WSNs应用需要知道突发事件的地理位置，这是基于位置的路由协议的应用基础，但需要GPS定位系统或者其他定位方法协助节点计算位置信息。 (5> 根据是否以数据来标识目的地，可分为基于数据的路由协议和非基于数据的路由协议。有大量WSNs应用要求查询或上报具有某种类型的数据，这是基于数据的路由协议的应用基础，但需要分类机制对数据类型进行命名。 (6> 根据节点是否编址、是否以地址标识目的地，可分为基于地址的路由协议和非基于地址的路由协议。基于地址的路由在传统路由协议中较常见，而在WSNs中一般不单独使用而与其他策略结合使用。 (7> 根据路由选择是否考虑QoS约束，可分为保证QoS的路由协议和不保证QoS的路由协议。保证QoS的路由协议是指在路由建立时，考虑时延、丢包率等QoS参数，从众多可行路由中选择一条最适合QoS应用要求的路由。 (8> 根据数据在传输过程中是否进行聚合处理，可分为数据聚合的路由协议和非数据聚合的路 由协议。数据聚合能减少通信量，但需要时间同步技术的支持，并使传输时延增加。 (9> 根据路由是否由源节点指定，可分为源站路由协议和非源站路由协议。源站路由协议节点无须建立、维护路由信息，从而节约存储空间，减少通信开销。但如果网络规模较大，数据包头的路由信息开销也大，而且如果网络拓扑变化频繁，将导致路由失败。 (10> 根据路由建立时机是否与查询有关，可分为查询驱动的路由协议和非查询驱动的路由协议。查询驱动的路由协议能够节约节点存储空间，但数据时延较大，且不适合环境监测等需紧急上报的应用。 4分层路由协议分析 在平面路由协议中,所有网络节点的地位是平等的,不存在等级和层次差异.它们通过相 互之间的局部操作和信息反馈来生成路由.在这类协议中,目的节点(sink>向监测区域的节点( source>发出查询命令,监测区域内的节点收到查询命令后,向目的节点发送监测数据.平面路 由的优点是简单、易扩展,无须进行任何结构维护工作,所有网络节点的地位平等,不易产生 瓶颈效应,因此具有较好的健壮性.典型的平面路由算法有DD(directed diffusion>[6], SAR (sequential assignment routing>[7],SPIN(sensor protocols for information via negotiation>[8],Romor Routing[9]等.平面路由的最大缺点在于:网络中无管理节点,缺乏对通信资源的优化管理,自组织协同工作算法复杂,对网络动态变化的反应速度较慢等[10]. 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.层次路由协议的基本思想是选取一些节点负责某个区域的路由，相对于其他节点具有更大的责任，而节点之间不是完全平等的关系。簇类协议具有良好的节能效果和可扩展性。具有代表性的、成熟的路由协议主要有：LEACH(Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy>、TEEN(Thresholdsensitive Energy Efficient sensor Network protocol>、PE-GASIS (Power-Efficient Gathering in Sensor InformationSystems>，以及在此基础上改进的协议。 4.1LEACH协议[11] LEACH的基本思想是将整个网络划分为不同的簇，簇类节点的数据发送和接收由簇头负责，簇头节点以循环的方式随机选择，这样把网络的负载均匀地分布在整个网络上，很大程度上节约了通信过程中的能量损耗。文献[1]126页仿真表明与一般的平面多跳路由协 议和静态分层算法相比，LEACH可以将网络生命周期延长15%。LEACH定义了"轮"或者" 回合 ：簇的建立阶段和传输数据的稳定阶段。在簇的建立阶段，相邻节点动态地形成簇，随机产生簇头；在数据通信阶段，簇内节点把数据发给簇头，簇头进行数据融合后把结果发送给基站。其中，簇的建立过程又可以分成4个阶段：簇首节点的选择、簇首节点的广播、簇的建立和调度机制的生成。 关于簇头选择的算法，LEACH采用分布式。选择簇头的具体做法是：在每一个回合即 轮的第1阶段，传感器节点随机的选择0～1之间的一个数值，如果这个数值小于某一个阈值T(n>，那么这个节点就被选为簇头节点。节点n的阈值T(n>的计算公式如下： 式中：N为网络中传感器节点的总数；k为一轮网络中的簇头节点数；r为已完成的轮数；G为在剩余的r轮中未成为簇头节点的传感器节点的集合。 选定簇首节点后，通过广播告知整个网络。网络中的其他节点根据结合信息的信号强度决定从属的簇，并通知相应的簇首节点，完成簇的建立。最后簇首节点采用TDMA的方法为簇中每个节点分配向其传送数据的时间片。 LEACH协议的特点有[1]： 为了减少传送到汇聚点的信息数量，簇首节点负责融合来自于簇内不同源节点所产生的数据，并将融合后的数据发送到汇聚点。 （2）LEACH采用基于TDMA/CDMA的MAC层机制来减少簇内和簇间的冲突。 （3）由于数据采集是集中的和周期的，因此该协议非常适合于要求连续监控的应用系统。 对于终端使用者来说，由于它并不需要立即得到所有的数据，因此协议不需要周期性地传输数据，这样可以达到限制传感器节点能量消耗的目的。 （5）在给定的时间间隔后，协议重新选举簇首节点，以保证无线传感器网络获取统一的能量分布。 LEACH协议的缺点[1]： 由于LEACH假定所有节点能够与汇聚点直接通信，并且每个节点都具备支持不同MAC协议的计算能力，因此该协议不适合在大规模的无线传感器网络中应用。 协议没有说明簇首节点的数目怎样分布才能遍及到整个网络。因此，很可能出现被选的簇首节点集中在网络某一区域的现象，这样就会使得一些节点的周围没有任何簇首。 由于LEACH假定在最初的簇首选择回合中，所有节点都携带相同的能量，并且每个成为簇首的节点都消耗大致相同的能量。因此，协议不合适节点能量不均衡的网络。 4.2TEEN协议[12] LEACH是主动型传感器网络，而TEEN是响应型传感器网络。所谓主动型传感器网络，它持续监测周围的物质现象，并以恒定速率发送监测数据。所谓响应型传感器网络，只在被观测变量发生突变时才传送数据。后者更适合应用在对时问敏感的场合中。 TEEN的基本思想是设置硬、软阈值以减少数据的传输量。硬、软阈值在每次簇头轮换时广播出去，节点监测到的数据第1次超过设置的硬阈值时，就把这次数据设为新的硬阈值，并在下一个时隙发送给簇头。然后在下面的过程中，只有当监测到的数据超过硬阈值并且监测数据的变化幅度大于软阈值时，节点才会传送最新的监测数据，并将它设为新的硬阈值。 TEEN根据硬、软两个阈值来确定是否传送数据，传送的数据量要比主动网络少得多，所以节点因传送数据消耗的能量也减少。仿真结果也表明，TEEN在平均能量消耗和存活的总节点数这两个性能方面要优于LEACH。 TEEN协议的优点汇总如下： （1）协议适合于需要实时感知的应用环境中。 （2）通过设置硬阈值和软阈值两个参数，TEEN能够大大地减少数据传送的次数，比LEACH算法更节能。 （3）由于软阈值可以改变，监控者通过设置不同的软阈值可以方便地平衡监测准确性与系统节能性两项指标。 TEEN存在的问题是：一方面，如果节点监测的数据一直不能超过设定的硬阈值，节 点就不会传送数据，用户将无法得到任何数据，也不知道这个节点是否失效了；另一方面，节点监测到合适的数据会实时传送数据，采用TDMA的机制会造成数据延迟。 4.3APTEEN协议[13,14] APTEEN(adaptive periodic threshold sensitive energy efficient sensor network protocol>是LEACH和TEEN两者的结合,兼有主动和响应两种类型的数据传输模式,是一种混合型数据传输模式的WSN.APTEEN基于邻近节点监测同一对象的假设,由基站采用模拟退 火算法将簇内节点分成sleeping- idle节点对,idle节点负责响应查询,sleeping节点进入睡眠状态以节省能量,两个节点在簇头轮换时转换角色.APTEEN修改了LEACH的TDMA(如图1[14]所示>,每对sleeping- idle节点所属时隙相隔TDMA帧长的一半,如果有紧急数据,sleeping- idle节点对可以相互占用对方时隙,提高数据响应速度. 图1 APTEEN 的TDMA帧格式 4.4PEGASIS协议[14,15] PEGASIS实在LEACH协议的基础上改进设计的，并不是非常严格的簇类协议，却延用了簇的思想。PEGASIS的基本思想是：节点通过定位装置或者通过发送能量递减的测试信号来发现距自己最近的邻居节点，然后从距基站最远的节点开始，采用贪婪算法来构造一条链，这条基于地理位置的链就是PEGASIS中的簇。链上的相邻节点是地理位置上距离最短的两个邻居节点，前提是假设这些节点都是静止的。PEGASIS中的数据传输使用令牌(To ken>机制：簇头产生一个令牌，发送到链的一端，通知末梢节点开始传输数据，簇头与末梢之间的每个节点接收到数据之后，先与自己采集的数据进行融合处理，再向下一个节点转发，直至数据传输到簇头，簇头受到一侧的数据后再将令牌发送到链的另一端，开始同样的过程。簇接收到两侧传送来的数据后再发送给BS。 PEGASIS中的数据在距离最短的相邻节点之间传输，因而节点只以最小功率发送数据分组，在每个中间节点还进行了数据融合，这样减少了业务流量，整个网络的功耗也就减少了。而事实上，参考文献[15]研究结果也表明，使用PEGASIS的传感器网络的生命周期是使用LEACH的网络的近2倍。 PEGASIS协议的缺点是[1]： 协议假定每个传感器节点都能够直接与汇聚点通信，而在实际情况中，传感器节点一般需要采用多跳方式到达汇聚点。 （5）PEGASIS假定所有的传感器节点都具有相同级别的能量，因此节点很可能在同 一时间内全部死亡。 尽管协议避免了构建簇的开销，但由于传感器节点需要知道其邻居节点的能量状态信息以便传送数据，协议仍需要动态调整拓扑结构。对那些利用率较高的网络而言，拓扑的调整会带来更大的能源开销。 （7）协议所构建的节点链路中，远距离的节点会引起过多的数据延迟，而且链首节点的唯一性使得链首会成为瓶颈。 4.5 HEED[14,16] HEED(hybrid energy-efficient distributed clustering>指出:延长生命周期、可扩展性和负载平衡是WSN中3个最重要的需求,并通过将能量消耗平均分布到整个网络来延长网络的生命周期. 簇头的选择主要依据主、次两个参数.主参数依赖于剩余能量,用于随机选取初始簇头集合.具有较多剩余能量的节点将有较大的概率暂时成为簇头,而最终该节点是否一定是簇头取决于剩余能量是否比周围节点多得多,即迭代过程是否比周围节点收敛得快。次参数依赖于簇内通信代价,用于确定落在多个簇范围内的节点最终属于哪个簇,以及平衡簇头之间的负载.考虑到分簇后簇内的通信开销,HEED以AMRP(簇内平均可达能量>作为衡量簇内通信代价的标准. HEED的簇头选择算法具有以下特点:完全分布式的簇头产生方式。簇头产生在有限次迭代内完成。最小化控制报文开销。簇头分布均衡.HEED的主要改进是:在簇头选择中考虑了节点的剩余能量,并以主从关系引入了多个约束条件作用于簇头的选择过程.HEED在簇头选择标准以及簇头竞争机制上都与LEACH不同.实验结果表明,HEED分簇速度更快,能产生更加分布均匀的簇头、更合理的网络拓扑. 4.6ACE协议[14,17] ACE(algorithm for cluster establishment>是一种具有良好反馈机制的自适应分布式成簇算法.簇的形成包括簇的产生和簇的迁移两个逻辑部分.基于相邻节点之间的信息反馈,每个节点独立运行ACE算法,最终由两个逻辑部分交叉迭代形成簇. 算法运行过程中,ACE把节点分为3种状态:unclustered,clustered和cluster- head.unclustered节点未加入任何簇,clustered节点已经成为一个或多个簇的成员,cluster- head节点已经成为簇头.每轮迭代周期到来,节点依状态不同运行不同的迭代算法. 如果A是unclustered节点,它计算假如它成为簇头,邻居节点中忠诚节点(忠诚节点是指那些只属于一个簇的节点>的个数L,如果L≥fmin(t>,则A成为簇头,然后选择一个随机数作为簇I D,广播RECRUIT消息,收到该消息的节点加入A簇.fmin(t>是一个成簇限制函数,随着协议运行时间t的增加,fmin会减小.这样有利于一开始形成拓扑比较合理的簇,而后降低成簇的阈值,使未被覆盖的节点较为容易地形成簇. 如果A是cluster- head节点,它从整个簇内找出最佳候选簇头B(最佳候选簇头是指拥有最多忠诚节点的节点>, B的忠诚节点包括B邻居节点中unclustered的节点以及只属于A簇的成员节点.如果B就是A本身,则本轮迭代终止,簇结构不变。如果B是其他节点,则开始运行迁移算法:A向B发出PROM OTE消息,B收到后用A簇ID广播RECRUIT消息,收到该消息的所有节点加入B簇.A收到B的R ECRUIT消息之后广播ABDICATE消息.这样,原来A簇的节点如果是B的邻居节点,则从A迁移 到了B。不是B的邻居节点,则退出了该簇.由此完成了从A到B的簇的迁移. 如果A是clustered节点,则它什么都不做,等待它的下一个迭代周期. 当所有节点都完成迭代算法之后,有可能少量节点没有被覆盖,所以最后还需要进行一次“clean- up”迭代,该过程不再发生簇的迁移,所有未被覆盖的节点成为簇头或者通过邻居节点成为其他簇的多跳成员节点. ACE算法具有良好的健壮性,对节点失效和报文丢失反应迅速,生成的簇能有效减少相互之间的重叠,降低簇间通信干扰的概率,并且成簇收敛速度与网络规模无关. 4.7LEACH-S1协议[18] 由于大多数无线传感器路由协议设计简单，很容易遭受攻击，攻击方法主要有以下几种[19]：虚假路由信息攻击；选择性转发(selective fonⅣarding>攻击；Sinkhole攻击；Sybil攻击；Wo咖hole攻击；HELL0泛洪攻击；确认欺骗(Acknowledgement spoofing>攻击。几种典型的WSN路由协议可能遭受到的攻击类型展示如下表[20~23]： LEACH协议容易受到三种类型的路由攻击：选择性转发攻击、Sybil攻击和HELLO泛洪攻击。 LEACH— S1协议以I。EACH协议为基础，结合定位技术，增加安全机制，分别对簇头的选举、簇的形成以及数据通信等几个方面进行了改进，建立了动态随机多路径簇头链。从安全机制上讲，LEACH— S1协议采用三重安全机制，分别为防御、检测和重选三个层次。不仅能够有效地防止恶意节点冒充合法节点并将恶意节点加入网络黑名单，组织恶意节点进行路由破坏。而且能够有效地防止窃听，以致恶意监听节点无法破解侦听的packet。该协议可以有效地抵御Sybil 、HELLO攻击。 此协议还有低耗能的优点，仿真分析，LEACH- S1的网络生存时间更长。然而由于其加入了验证机制，算法却LEACH复杂。 5路由协议的比较 理想的无线传感器网络的路由协议，在设计上首先应充分考虑节点能量有限性的特点，注重能量使用效率问题。此外，还应该根据应用的具体特点，满足以下方面的性能要求：以数据为中心、支持数据融合、基于节点定位，具有可扩展性、鲁棒性和安全性，提供QoS支持。如何提供有效的节能策略是无线传感器网络路由协议需要解决的首要问题。以数据为中心和支持数据融合是大多数WSN应用的基本要求，可扩展性和鲁棒性则是路由协议应满足的基本要求。 在满足基本要求的基础上，能很好地利用节点的位置信息，提供安全性和QoS支持的路由协议将由良好的发展前景。 这里，将上文提到的分层路由协议和三个平面路由协议泛洪、DD、SAR一起做比较，得出表2如下[1, 14, 18]： 泛洪DD SAR LEAC H TEEN APTEE N PEGA SIS HEE D ACE LEA CH- S1 路由结构平面平面平面层次层次层次层次层 次 层 次 层 次 网络生存时间不好好好好很好很好很好 很 好 好 很 好 鲁棒性不好好好好好好好好好好提供节能 策略 否是是是是是是是是是 路由策略按需按需按需主动按需主动+ 按需 主动 主 动 主 动 主 动 可扩展性好受限受限很好好好好好好好基于QoS 支持 否否是否否否否否否否提供安全 机制 否否否否否否否否否是以数据为 中心 不是是是不是是是是是是是有无数据 融合 没有有有有有有有有有有维护多条 路径 否是否否否否否否否否是否基予 节点定位 否否否否否否否是否否 表2 路由协议的比较 6总结 在本文中，主要对一些经典的分层路由协议进行了分析，分层路由协议在鲁棒性、节能型和可扩展性方面有很大优势，以致于如今的很多路由协议都在分层的基础上进行设计。理想的无线传感器路由协议不可能实现，因为其中一些优点是相互矛盾的，而且由于无线传感器面向应用，应用背景的巨大差异使对无线传感器网络路由协议的性能要求侧重点不同，这就让人们在实际的应用中针对不同应用选择最合适的路由协议。 在分簇路由协议设计中,可以从以下3个角度入手进一步解决WSN分簇路由的问题[4, 14] (1> 在簇头选择中,考虑更有效的簇头选择算法和簇头负载平衡算法.能量并非挑选簇头的唯一约束因素,在复杂的特定应用中,我们还必须考虑节点的位置、到基站的距离、计算能力和移动性等,特别是Actuator节点的应用. (2> 在簇的形成过程中,考虑减少拓扑生成过程中的控制报文开销以及降低拓扑结构变动的频率,减少网络通信开销.如何利用WSN分布式的特点建立更高效的启发机制、通过节点之间的互动和信息反馈来分簇,是目前重点研究的一个方向.结合具体网络的动态性,设计合理的簇的重建频率,降低簇的维护开销. (3> 设计兼有平面结构和分簇结构优点的新型数据传输模式。这类协议既能有效地管理网络拓扑结构,较好地处理节点的移动性,又能有效地利用能量传输数据.此外,如何在簇内和簇间进行数据融合和处理,也很值得探索. <4）在新的网络应用中，服务质量已经成为一个重要指标，所以无线传感器网络路由协议对QoS的要求也更加迫切。表格中SAR协议即为一种，如今很多人致力于QoS路由协议的设计。几种典型的路由协议有：基于QoS的无线传感器网络自适应分簇算法 无线传感器的路由技术在自组网中占有很重要的位置，仍存在大量的问题有待研究人员去解决。 参考文献 [1]于海斌,曾鹏,梁韦.智能无线传感器网络系统.北京: 科学出版社, 2006: 118～141. Zhao F, Guibas L J. Wireless Sensor Nerworks: An Inofrmation Processing Approach [M]. Morgan Kaufmann, 2004 Akyildiz IF, Su W, Sankarasubramaniam Y, Cayirci E. A survey on sensor networks. IEEE Communications Magazine, 2002,40(8>: 102?114. [4]李文峰.无线传感器网络与移动机器人控制.北京: 科学出版社, 2009: 25～53. 唐勇,周明天,张欣. 无线传感器网络路由协议研究进展: Journal of Software, V ol.17, No.3, March 2006, pp.410?421. Intanagonwiwat C, Govindan R, Estrin D, Heidemann J. Directed diffusion for wireless sensor networking. IEEE/ACMTrans.on Networking, 2003,11(1>:2?16. Sohrabi K, Gao J, Ailawadhi V, Pottie GJ. Protocols for self-organization of a wireless sensor network. IEEE Personal Communications, 2000,7(5>:16?27. Heinzelman WR, Kulik J, Balakrishnan H. Adaptive protocols for information dissemination in wireless sensor networks. In: Proc. of the ACM MobiCom’99. Seattle: ACM Press, 1999. 174?185. Braginsky D, Estrin D. Rumor routing algorithm for sensor networks. In: Proc. of the 1st Workshop on Sensor Networks and Applications. Atlanta: ACM Press, 2002. 22?31. Yu HB, Zeng P, Wang ZF, Liang Y, Shang ZJ. Study of communication protocol of distributed sensor network. Journal of China Institute of Communications, 2004,25(10>:102?110 (in Chinese with English abstract>. Heinzelman W, Chandrakasan A, Balakrishnan H. Energy-efficient Communication Protocols, for Wireless Sensor Networks[A]. IEEE Proceedings of the Hawaii International Conference System Sciences' 00[C], 2000: 3005~3014 Manjeshwar A, Grawal DP. TEEN: A protocol for enhanced efficiency in wireless sensor networks. In: Proc. of the 15th Parallel and Distributed Processing Symp. San Francisco: IEEE Computer Society, 2001. 2009?2018. https://www.doczj.com/doc/5b8067814.html,/search/ wrapper.jsp?arnumber=925197 Manjeshwar A, Agrawal DP. APTEEN: A hybrid protocol for efficient routing and comprehensive information retrieval in wireless sensor networks. In: Proc. of the 2nd Int’l Workshop on Parallel and Distributed Computing Issues in Wireless Networks and Mobile Computing. IEEE Computer Society, 2002. 195?202. https://www.doczj.com/doc/5b8067814.html,/search/wrapper.jsp?arnumber=1016600 Shen B, Zhang SY, Zhong YP. Cluster-Based routing protocols for wireless sensor networks. Journal of Software, 2006,17(7>:1588-1600. https://www.doczj.com/doc/5b8067814.html,/1000-9825/17/1588.Htm Lindsey S, Raghavendra CS, Sivalingam K. Data gathering in sensor networks using the energy*delay metric. In: Proc. of the IPDPS Workshop on Issues in Wireless Networks and Mobile Computing. San Francisco: IEEE Computer Society, 2001. 2001-2008. Younis O, Fahmy S. Heed: A hybrid, energy-efficient, distributed clustering approach for ad-hoc sensor networks. IEEE Trans. on Mobile Computing, 2004,3(4>:660?669. Chan H, Perrig A. ACE: An emergent algorithm for highly uniform cluster formation. In: Proc. of the 1st European Workshop on Wireless Sensor Networks. LNCS 2920, Berlin: Springer-Verlag, 2004. 154?171. https://www.doczj.com/doc/5b8067814.html,/672023.html 吴迪,胡钢,倪刚,李威,张卓.无线传感器网络安全路由协议的研究.传感技术学报,2008: 第21卷第7期Karlof C.Wagner D Secure Routing in Wireless Sensor Networks:Attacks and Countermeasures 2003 [20]郭志远.贺其元无线传感器网络路由协议安全性研究[期刊论文]-无线电工程 2006(1> Karlof C.Wagner D Secure Routing in Wireless Sensor Networks:Attacks and Countermeasures 2003 Newsome J.Shi E.Song D The Sybil Attack in Sensor Networks:Analysis & Defenses 2004 [23]赵海霞.喻晓峰无线传感器网络安全路由研究[期刊论文]-仪器仪表用户 2005(6> 倪巍伟,陆介平,陈耿等.基于k均值分区的数据流离群点检测算法.计算机研究与发展,2006,43<9）: 1639～1643. 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 无线传感器网络的关键技术有路由协议、MAC协议、拓扑控制、定位技术等。路由协议: 数据包的传送需要通过多跳通信方式到达目的端,因此路由选择算法就是网络层设计的一个主要任务。路由协议主要负责将数据分组从源节点通过网络转发到目的节点,它主要包括两个方面的功能: 1、寻找源节点与目的节点间的优化路径。 2、将数据分组沿着优化路径正确转发。 无线传感器与传统的无线网络协议不同之处,它受到能量消耗的制约,并且只能获取到局部拓扑结构的信息,由于这两个原因,无线传感器的路由协议要能够在局部网络信息的基础上选择合适路径。传感器由于它很强的应用相关性,不同应用中的路由协议差别很大,没有通用的路由协议。无线路由器的路由协议应具备以下特点: （1）能量优先。需要考虑到节点的能量消耗以及网络能量均衡使用的问题。（2）基于局部拓扑信息。WSN为了节省通信能量,通常采用多跳的通信模式,因此节点如何在只能获取到局部拓扑信息与资源有限的情况下实现简单高效的路由机制,这就是WSN的一个基本问题。 （3）以数据为中心。传统路由协议通常以地址作为节点的标识与路由的依据,而WSN由于节点的随机分布,所关注的就是监测区域的感知数据,而不就是具体哪个节点获取的信息,要形成以数据为中心的消息转发路径。（4）应用相关。设计者需要针对每一个具体应用的需求,设计与之适应的特定路由机制。 现介绍几种常见的路由协议(平面路由协议、网络分层路由协议、地理定位辅助路由协议): 一、平面路由协议 平面路由协议中,逻辑结构时平面结构,节点间地位平等,通过局部操作与反馈信息来生成路由。当汇聚点向某些区域发送查询并等待来自于这些区域内传感器所采集的相关数据,其中的数据不能采用全局统一的ID,而就是要采用基于属性的命名机制进行描述。平面路由的优点就是结构简单、鲁棒性(即路由机制的容错能力)较好,缺点就是缺乏对通信资源的优化管理,对网络动态变化的反应速度较慢。其中典型的平面路由协议有以下几种: 1、1、洪泛式路由(Flooding): 这就是一种传统的网络通信路由协议。这种算法不要求维护网络的拓扑结构与相关路由的计算,仅要求接受到信息的节点以广播形式转发数据包。例如:S节点要传送一段数据给D节点,它需要通过网络将副本传送给它每一个邻居节点,一直到传送到节点D为止或者为该数据所设定的生存期限为零为止。优点在于:实现简单;不需要为保持网络拓扑信息与实现复杂路由发现算法消耗计算资源;适用于鲁棒性较高的场合。但同时也有相应的缺点:一个节点可能得到一个数据的多个副本;存在部分重叠,如果相邻节点同时对某件事作出反应,则两个节点的邻居节点将收到两份数据副本;盲目使用资源,无法作出自适应的路由选择。 为克服Flooding算法这些固有的缺陷,S、Hedetniemi等人提出闲聊式(Gossiping)策略。这种算法采用随机性原则,即节点发送数据时不再采用广播形式,而就是随机选取一个相邻节点转发它接收到的数据副本(避免了消息爆炸的结果)。 项目三了解无线传感器协议栈 项目三了解ZigBee无线传感器网络协议栈知识目标1.掌握zigbee无线传感器网络的协议栈和协议的区别等知识。 2.掌握Z-Stack协议栈的OSAL分配机制。 3.了解Z-Stack协议栈的OSAL运行机制。 4.掌握Z-Stack协议栈的OSAL常用函数。 项目三了解ZigBee无线传感器网络协议栈技能目标1.掌握 Z-Stack协议栈的运行机制。 2.掌握Z-Stack协议栈中OSAL的添加新任务的方法。 项目三了解ZigBee无线传感器网络协议栈在实际zigbee无线传感器网络工程的开发过程中首先借助TI提供的协议栈中例程SampleApp，接着根据需要完成的功能，查看支持Z-Stack协议栈的硬件电路图，再查阅数据手册（CC2530的数据手册、Z-Stack协议栈说明、Z-Stack协议栈API函数使用说明等）文件，然后再进行协议栈的修改。 最后，还需要烧录器下载到相应的硬件，实现zigbee无线传感器网络的组建和开发。 设计思路3.1.1协议与协议栈协议定义的是一系列的通信标准，通信双方需要共同按照这一标准进行正常的数据收发；议栈是协议的具体实现形式。 通俗的理解为代码实现的函数库，以便于开发人员调用。 3.1Z-Stack协议栈3.1.1协议与协议栈协议栈是指网络中各层协议的总和，一套协议的规范。 其形象地反映了一个网络中文件传输的过程由上层协议到底层协议，再由底层协议到上层协议。 使用最广泛的是因特网协议栈，由上到下的协议分别是应用层（Http、Tel、DNS、Email等），运输层（TCP、UDP），网络层（IP），链路层（WI-FI、以太网、令牌环、FDDI等）。 3.1Z-Stack协议栈3.1.1协议与协议栈3.1Z-Stack协议栈3.1.1协议与协议栈Zigbee协议栈开发的基本思路如下。 ①借助TI提供的协议栈中例程SampleApp进行二次开发，用户不需要深入研究复杂的zigbee协议栈，这样可以减轻开发者的工作量。 ②Zigbee无线传感器网络中数据采集，只需要用户在应用层加入传感器的读取函数和添加头文件即可实现。 ③如果考虑节能，可以根据数据采集周期（zigbee协议栈例程中已开发了定时程序）进行定时，定时时间到就唤醒zigbee终端节点，终端节点唤醒后，自动采集传感器数据，然后将数据发送给路由器或者直接发给协调器，即监测节点定时汇报监测数据。 ④协调器（网关）根据下发的控制命令，将控制信息转发到具体的节点，即控制节点等待控制命令下发。 3.1Z-Stack协议栈3.1.2使用Z-Stack协议栈传输SampleApp.c 中定义了发送函数static voidSampleApp_SendTheMessage(void)。 该函数通过调用AF_DataRequest来发送数据。 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 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： 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3章 低功耗无线传感器网络协议栈整体设计 本章的目标是对低功耗环境测控网络协议栈进行整体设计。首先对环境测控系统进行需求分析明确其适用场景和网络设备类型；然后，根据需求分析确定协议栈的设计目标，并选择适合的网络拓扑结构和协议栈的分层架构。协议栈的网络层和MAC 层将作为本章的设计的重点。 3.1 网络需求分析 3.1.1 应用场景介绍 本课题来源于研究生校企合作项目，所设计的低功耗无线传感器协议栈主要应用于环境测控系统中。该系统长期无人值守，其温度、湿度等环境参数由连接无线节点的传感器实时采集并上传至汇聚节点，汇聚节点再通过有线的方式传输至面向用户的管理终端。多个子系统采集的数据最后由各自的管理终端传送至云端处理中心进行数据的保存，整个系统框图如图3.1所示。 云端处理中心 二级中继 汇聚节点 图3.1 环境测控系统框图 图中的环境测控无线网络是执行数据采集和设备控制的主体，也是协议栈发挥作用的区域。一个环境测控无线网络负责一个区域，区域之间有一定的距离， 因此无线网络之间不存在干扰，但无线网络的运行方式一致。该项目处于初期开发阶段，所以本文设计的协议栈只应用于单个环境测控无线网络中。 该课题所涉及的环境测控系统处于室内，人员进出频率低。网络中节点数不超过65个，包含一个汇聚节点。点对点通信的距离要求达到20米。传感器节点以10秒为周期采集并发送环境数据。考虑到室内可能会出现一些特殊设备、隔断等障碍影响通信距离，并使得部分节点处于屏蔽的位置，因此网络通过设置中继节点来扩展通信距离，经过中继后的通信距离要求60米及以上。由于成本等原因，课题设定数据包最多经过两级中继传递，每级中继最多4个，中继数量不超过8个。同时，系统中存在少量控制节点，控制节点连接室内的控温设备来调节室内温度。控制节点由工作人员从软件端下达命令进行开关，因此不具备周期性。该课题要求除汇聚节点、中继节点之外的所有节点能在1000mA/h电池的支持下工作一年以上。为保证数据采集的有效性和传输的可靠性，该课题要求多节点共享信道的丢包率在5%以内。此外，由于环境的特殊性，人员不能随时到场，还要求该环境测控网络中的节点具有安装简单、组网快速、配置容易的特点。以上需求总结如表3.1所示。 表3.1 环境测控系统需求指标 表3.1明确了该环境测控无线网络的要求。通过需求指标能使协议栈的设计更有约束性，设计方向也会更加明确。 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。 无线传感器网络的研究现状及发展 默认分类 2008-06-12 18:19:20 阅读910 评论0 字号：大中小 摘要：无线传感器网络(WSN>综合了传感器技术、微电子机械系统(MEMS>嵌入式计算技术．分布式信息处理技术和无线通信技术，能够协作地实时感知、采集、处理和传输各种环境或监测对象的信息．具有十分广阔的应用前景，成为国内外学术界和工业界新的研究领域研究热点。本文简要介绍了无线传感器网络的网络结构、节点组成，分析了无线传感器网络的特点及其与现有网络的区别。进而介绍现有无线传感器网络中的MAC层技术、路由技术、节点技术和跨层设计等关键技术。最后展望无线传俄器网络的应用和发展并指出关键技术的进步将起到决定性的促进作用。 关键词：无线传感器网络节点 MAC层路由协议跨层设计 Abstract: Wireless sensor network (WSN> is integration of sensor techniques, Micro-Electro-Mechanical Systems, embedded computation techniques, distributed computation techniques and wireless communication technique. They can be used for sensing, collecting, processing and transferring information of monitored objects for users. As a new research area and interest hotspot of academia and industries, Wireless Sensor Network(WSN> has a wide application future. This paper briefly introduced the wireless sensor network of networks, nodes, the analysis of the characteristics of wireless sensor networks and the differences wih the existing networks. And the MAC layer technology, routing technology, joint cross-layer design technology and key technology are introduced . At last the prospects of wireless sensor network are discussed in this article. Key Words: Wireless Sensor Network, node, MAC, routing protocol, Cross-layer design 一、概述 随着通信技术、嵌入式计算技术和传感器技术的发展进步，包括微电子机械系统 毕业设计开题报告 计算机科学与技术 无线传感器网络路由协议研究 一、选题的背景与意义 选题背景 随着微机电系统、无线通信技术、微型传感器技术和嵌入式技术的飞速发展，集数据采集、处理及通信功能于一体的无线传感器网络开始得到广泛的研究。网络层的路由协议是无线传感器网络研究的关键问题之一，它完成把数据分组从源节点引导到目的节点的功能。无线传感器节点是随机分布，电池供电，绝大部分的能量消耗是集中在无线通讯模块上，约占整个传感器节点能量消耗的80%。因此，目前提出的传感器节点通讯网络路由协议主要是围绕着减少能量消耗延长网络生命周期而进行设计的。 AOMDV多路径路由协议是无线传感器网络最重要的协议之一。通过它可以获得多条通信路径并且能够减少路由发现延迟，实现负载均衡，能够显著节省节点能量和防止瓶颈的产生。LEACH协议是传感器中具有负载均衡的很有用的一种协议。LEACH协议以循环的方式随机选择蔟首节点，将整个网络的能量负载平均分配到每个传感器节点中，从而达到降低网络能源消耗、提高网络整体生存时间的目的。这两种协议的研究对无线传感器路由协议的改进有很大帮助。 由于无线信道的广播特性，无线网络中任一节点发送的无线信号都可能被其通信范围的节点接收到。当局部空间范围内有两个以上的节点同时发送时，就有可能在接收节点处发生信号叠加，造成冲突，以至于接收节点无法正确接收到发送的信息。有效协调多个节点共享信道资源，避免冲突发生时无线网络面临的关键问题之一，直接影响着无线资源的使用效率、网络吞吐和时延等重要性能。所以，媒质接入控制（MAC）协议的研究也是无线传感器网络的重要课题之一。 课题意义 无线传感器网络是当前信息领域研究的热点，路由技术是无线传感器网络通信层的核心技术。目前，无线传感器网络路由协议研究的首要目标就是能量的高效利用，通过对网络层的路由协议的研究和分析，总结出优化的措施，同时基于NS2仿真平台对LEACH协议和AOMDV协议进行仿真和实验，在实验的基础上，对协议给予改进和优化， 文章编号:1004-9037(2009)02-0254-05 基于无线传感网络的大型结构健康监测系统 尚 盈 袁慎芳 吴 键 丁建伟 李耀曾 (南京航空航天大学智能材料与结构航空科技重点实验室,南京,210016) 摘要:针对大型碳纤维复合材料机翼盒段壁板结构,实现了基于无线传感网络的多点应变结构健康监测系统,采用自组织竞争神经网络成功判别了集中载荷模拟的损伤位置。本系统由传感采集子系统、无线传感网络子系统和终端监控子系统三部分组成。为了降低系统网络功耗及成本,提高系统的稳定性和可靠性,改善传感网络的实时性和同步性,设计了可直接配接无线传感网络节点的低功耗多通道应变传感器信号调理电路和基于无线传感网络的层次路由协议,开发了多通道应变数据采集、网络簇头转发和中继节点接收等主要软件模块。实验证明,相比于传统有线的监测方法和数据采集系统,基于无线传感网络的结构健康监测系统具有负重轻、成本低、易维护和搭建移动方便等优点。 关键词:无线传感网络;结构健康监测;层次路由协议;自组织竞争网络中图分类号:T P2;T P9 文献标识码:A 基金项目:国家“八六三”高技术研究发展计划(2007AA 032117)资助项目;国家自然科学基金(60772072,50420120133)资助项目;航空基金(20060952)资助项目。 收稿日期:2007-09-05;修订日期:2008-04-17 Large -Scale Structural Health Monitoring System Based on Wireless Sensor Networks S hang Ying ,Yuan Shenf ang ,Wu J ian ,Ding J ianw ei ,L i Yaoz eng (T he A ero nautic Key La bo rat or y o f Smart M ater ial and Str uct ur e,N anjing U niv ersit y o f Aer onautics and A str onautics,N anjing,210016,China) Abstract :Aimed at the large-scale structure and anisotropy nature o f the carbon fiber compos-ite material w ing box ,a large-scale structural health m onitoring system based on w ireless sen-sor netw orks is presented .A kind of artificial neural netw ork is designed to distinguish the damag e locatio n simulated by the co ncentrated load .The sy stem co nsists o f the sensor data ac-quisition,the w ireless sensor netw or ks,and the terminal monitoring sub-sy stem s.To im pro ve the performance o f the system ,the signal conditio ning circuit and the hierarchical routing pro -to col are designed based o n w ireless sensor netw orks ,the prog rams of data acquisition and Sink node are ex ploited.Experimental result pro ves that the system has advantag es of flexibili-ty o f deplo yment,low maintenance and deploym ent costs . Key words :w ir eless senso r netw or ks ;str uctural health monitoring ;hierarchical routing ;self -org anizing com petitive netw o rk 引 言 结构健康监测技术是采用智能材料结构的新概念,利用集成在结构中的先进传感/驱动元件网络,在线实时地获取与结构健康状况相关的信息(如应力、应变、温度、振动模态、波传播特性等),结 合先进的信号信息处理方法和材料结构力学建模 方法,提取特征参数,识别结构的状态,包括损伤,并对结构的不安全因素在其早期就加以控制,以消除安全隐患或控制安全隐患的进一步发展,从而实现结构健康自诊断、自修复、保证结构的安全和降低维修费用[1]。 无线传感网络节点具有局部信号处理的功能, 第24卷第2期2009年3月数据采集与处理Jour nal of D ata A cquisition &P ro cessing Vo l.24N o.2M a r.2009 无线传感网路由协议的分析比较 无线传感网技术是对当今经济和社会进步发挥重要作用的技术，对于现代军事、信息技术、制造业等多个重要的领域产生着巨大的影响。而无线路由协议则是无线传感网研究中的热点问题。文章对于几个典型的平面路由协议和分层路由协议进行了介绍，分析了它们各自的利弊，并对它们进行了比较。 标签：无线传感网；路由协议；传感器节点 1 无线传感网概述 无线网络即使用无线传输介质的网络。目前有两种无线网络，基础设施网络和对等网络。基础设施网络的无线终端需要配置无线网卡，并通过接入点（AP）连接入网。对等网络即Ad hoc网络，不需要AP的支持，终端设备之间可以直接通信。无线Ad hoc网络又可分为两类，移动Ad hoc网络和无线传感器网络。前者的终端是快速移动的，后者的结点是静止的或者移动很慢。 无线传感网由大量的静止或移动的传感器组成，它们以自组织和多跳的方式构成无线网络，相互协作以探测、处理和传输网络覆盖区域内感知对象的监测信息，并报告给用户。无线传感器网络技术在军事应用、智能家居、环境监测、建筑物质量监控、医疗护理等各个方面都有广泛应用[1]。 无线传感网的系统结构包括监测区域（Sensor Field）、传感器节点（Sensor Node）和汇聚节点（Sink Node）[2]。监测区域中包含了各种需要采集数据的观察对象；传感器节点用于采集观察对象的相关数据，并将处理后数据传给汇聚节点；汇聚节点用于收集由传感器节点传递来数据，并将数据传送到远程中心进行集中处理。 2 无线路由协议 无线路由协议是无线传感网研究中的热点问题。无线传感网的路由协议负责在源节点和目的节点之间可靠地传输数据，包括路由选择和数据转发两个功能。根据网络的拓扑结构是否有层次，可以将路由无线路由协议分为平面路由协议和分层路由协议[3]。 2.1 平面路由协议 平面路由协议适用于具有平面结构的网络，所有节点之间地位平等，协议相对简单。源节点和目的节点之间一般存在多条路径，可共同承担网络负荷，通常不存在瓶颈，网络具有较强的健壮性。然而，节点的组织、路由的建立、控制与维持所产生的开销需要占用较大的带宽，从而影响网络数据的传输速率。另外，当网络规模较大时需要损耗很大的能量，并且网络的可扩展性较差。因此，平面路由协议只适用于规模较小的网络。 基于ZigBee 协议栈的无线传感器网络的设计 徐振峰，尹晶晶，陈小林，周全 （安徽国防科技职业学院机电工程系，安徽六安237011） 摘要：首先介绍了无线传感器网络的基本拓扑结构与传感器节点的结构，详细说明了基于ZigBee 协议栈的无线传感网络的建立过程，包括协调器启动及建立网络、传感器节点启动及加入网络、传感器节点与协调器之间建立绑定以及传感器节点向协调器发送数据的过程。设计了基于ZigBee 协议栈的无线传感网络系统。以采集温度信息为例，协调器能够接收到传感器节点发来的数据，并能通过RS232串口，将收到的数据发送给PC 机进行显示。实验显示在距离 80m 远处，系统仍能保持良好的通信质量。 关键词：ZigBee 协议栈；无线传感器网络；协调器；传感器节点中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1674－6236（2012）05-0075-03 Design of wireless sensor networks based on ZigBee stack XU Zhen -feng ，YIN Jing -jing ，CHEN Xiao -lin ，ZHOU Quan （Department of Mechanical and Electrical Engineering ，Anhui Vocational College of Defense Technology ，Liu ’an 237011，China ） Abstract:First ，the basic topological structures of wireless sensor network and the structure of sensor node are introduced.The starting -up process of wireless sensor network based on ZigBee stack is explained in details ，including startup and establishing network of coordinator ，startup and joining network of sensor node ，binding between sensor nodes and coordinator ，and the process of terminal nodes sending data to coordinator.The wireless sensor network is designed based on ZigBee stack.Taking sampling temperature information as a example ，the coordinator can collect the information from sensor nodes ，and send them to PC by using RS232.The temperature information can be displayed in PC.The experiment shows that good communication quality of this system can be obtained ，although at the distance of 80meters.Key words:ZigBee stack ；wireless sensor network ；coordinator ；sensor node 收稿日期：2012-01-12 稿件编号：201201050 基金项目：安徽省高校省级优秀青年人才基金项目（2010SQRL202） 作者简介：徐振峰（1981—），男，山东郓城人，硕士，讲师。研究方向：无线传感器网络理论及应用。 无线传感器网络（Wireless Sensor Network ，WSN ）是由部署在监测区域内大量廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成多跳、自组织网络系统，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息，并发送给观察者[1]。 目前能够用于短距离无线传感网络的通信技术主要有5种[2]：Wi-Fi 技术、超宽带通信（Ultra Wideband ，UWB ）技术、近场通信（Near Field Communication ，NFC ）技术、蓝牙以及 ZigBee 技术。其中，ZigBee [3]是基于IEEE802.15.4的一种新兴 短距离无线通信技术，其特点是低功耗、低速率、低复杂度、低成本等。这些特点决定了ZigBee 技术非常适合应用于无线传感网络中，因此ZigBee 技术被认为是最有可能应用于工业监控、传感器网络、家庭监控、安全监控等领域的无线技术。在ZigBee 协议的制定中，IEEE802.15.4无线标准定义了物理层（Physical Layer ，PHY ）和介质访问控制层（Medium Access Control Sub -Layer ，MAC ），而ZigBee 协议栈的网络层和应用 层是由ZigBee 联盟制定的。 支持ZigBee 协议的无线通信芯片主要有TI 公司推出的CC2420、CC2430、CC2530以及Freescale 半导体公司推出的MC13191、MC13192及MC13193等芯片。CC2430是世界上首 个单芯片ZigBee 解决方案，除了保持CC2420所包括的优良射频性能之外，其内部还集成了一个增强型8051内核，这使得 CC2430成为市面上最具有竞争力的ZigBee 无线收发芯片。 文中设计了基于ZigBee 协议栈的无线传感网络，该系统包括一个协调器和四个终端传感节点。以采集温度信息为例，实现了无线通信功能。协调器节点通过RS232串口，将收到的数据发送给PC 机进行处理及显示。 1 无线传感网络的结构 1.1 网络体系结构 无线传感网路中的基本单元是传感器节点，根据其在网 络中的所承担的任务不同，传感器节点可以分为3类：协调器、路由器和传感器节点。在网络中，协调器负责建立网络，允许路由器和传感器节点与其绑定，并接收路由器和传感器节点发送来的数据信息，以及传送给PC 机进行处理、存储等；传感器节点负责感知被测对象的物理信息，并将其无线 电子设计工程 Electronic Design Engineering 第20卷Vol.20第5期No.52012年3月Mar.2012 －75－基于无线传感器网络的环境监测系统设计与实现
无线传感器网络路由协议
项目三了解无线传感器协议栈
(中文)基于无线传感器网络桥梁安全监测系统
无线传感器网络的应用研究
无线传感器网络的应用与影响因素分析
无线传感器网络协议栈研究与设计-第3章
基于无线传感器网络的智能交通系统的设计
无线传感器网络研究报告现状及发展
无线传感器网络路由协议研究【开题报告】
基于无线传感网络的大型结构健康监测系统_尚盈
无线传感网路由协议的分析比较
基于ZigBee协议栈的无线传感器网络的设计
相关主题
文本预览