无线传感器网络路由协议研究毕业论文
目录
前言................................................................... I 第1章无线局域网技术. (2)
1.1 引言 (2)
1.2 无线局域网的组成及工作原理 (2)
1.2.1 无线网卡 (2)
1.2.2 无线接入点 (2)
1.3 无线局域网的主要特征 (2)
1.3.1 网络拓扑结构 (2)
1.3.2 传输媒质及传输方式 (2)
第2章无线局域网的分析与发展 (3)
2.1 引言 (3)
2.2 无线局域网的现状 (3)
2.4 无线局域网的发展前景 (4)
第3章无线传感器网络路由协议分析 (5)
3.1 引言 (6)
3.2 无线传感器网络简介 (7)
3.3 无线传感器路由协议的特点 (10)
3.3 无线传感器网络路由协议分类 (17)
3.3.1 基于梯度的路由协议 (12)
3.3.2 基于等级的路由协议 (14)
3.3.3 基于平面的路由协议 (2)
3.3.4基于位置的路由协议 (2)
第4章无线传感器路由协议比较研究与趋势 (15)
4.1 引言 (16)
4.2 路由协议的比较研究 (17)
4.2.1 泛洪方式【Flooding】 (12)
4.2.2 集群方式(Clustering) (14)
4.2.3 地理信息方式(Geographic) (2)
4.3.1 基于服务质量方式 (12)
4.3 无线传感器路由协议的发展方向 (17)
注释 (26)
致谢 (27)
参考文献 (28)
附录一 (30)
附录二 (31)
前言
目前，人们工作、生活已经离不开互联网，上网也成为人们工作、生活中的必需。在解决了办公室的上网问题以后，人们又在考虑如何在出行的时候也能方便地上网。无线局域网满足了人们的这种需求，这个领域也正在成为发展非常迅猛的市场之一。无线局域网(WLAN，Wireless IDca1 Area Networks)是计算机网络技术与无线电通信技术结合的产物，是在有线局域网的基础上发展起来的。与有线局域网相比，无线局域网采用的是无线链路(Cable-free link)构成网络。局域网广泛应用于办公自动化、工业自动化和银行等金融系统，并且符合队、公安部门等其它特殊场合的要求。具有很大的发展潜力。无线传感器网络(WSN)是传感器技术、通信技术和计算机技术相结合的产物，南于无线传感器网络将逻辑上的信息世界与客观上的物理世界融合在了一起，改变了人类与自然界的交互方式，因而它具有了广泛的应用前景。美国商业周刊和MIT技术评论在预测未来技术发展的报告中，分别将无线传感器网络列为2l世纪最有影响的技术和改变世界的技术之一。
本文介绍了无线局域网的技术，并且设想了一下它的发展趋势。也详细的分析了影响路由协议性能的一些因素，最后对主要的路由协议进行了分析和阐述。
第一章无线局域网技术
1.1 引言
目前，人们工作、生活已经离不开互联网，上网也成为人们工作、生活中的必需。在解决了办公室的上网问题以后，人们又在考虑如何在出行的时候也能方便地上网。无线局域网满足了人们的这种需求，这个领域也正在成为发展非常迅猛的市场之一。
1.2 无线局域网的组成及工作原理
1.2.1 无线网卡
无线网卡是在无线局域网的覆盖下，通过无线连接网络上网所使用的无线终端设备。无线网卡一般由网络接口控制器(NIC)、扩频调制及解扩解调单元及微波收发信机单元等三部分组成，如图l所示。其中：NIC为网络接口控制单元；BBP是基带处理单元；IF是中频调制解调器；RF是射频单元。
图1 无线局域网网卡的组成
NIC可以实现IEEES02．I1的协议规的MAC层功能，主要负责接入控制，在移动主机有数据要发送时，NIC负责接收主机发送的数据，并按照一定的格式封装成帧，然后根据多址接入协议(在WLAN中为IEEE802．11协议)把数据帧发送到信道中去。当接收数据时，NIC根据接收帧中的目的地址，判别是否是发往本机的数据，如果
是则接收该帧信息，并进行CRC校验。为了实现上述功能，NIC还需要完成发送和接收缓存的管理，通过计算机总线进行DMA操作和I／O操作，与计算机交换数据后面三个单元组成一个通信机，用来实现物理层功能，并与NIC进行必要的信息交换。由于宽带无线IP网络中的通信业务具有宽带、突发的特点，因此对通信机提出了更高的要求。BBP在发送数据时对数据进行调制，IF处理器把基带数据调制到中频载波上去，再由RF单元进行上变频，把中频信号变换到射频上发射。在接收数据时，先由RF单元把射频信号变换到中频上，然后由IF进行中频处理，得到基带接收信号。BBP对基带信号进行解调处理，恢复位定时信息，把最后获得的数据交给NIC 处理。事实上，在物理实现上可以将不同的功能单元组合到一起。例如NIC与BBP 处理器都工作在基带，可以将两者集成到一起；IF可以全数字化，它与BBP结合在一起可以更方便地实现一些功能。无线网卡的软件主要包括基于MAC控制芯片的固件和主机操作系统下的驱动程序。固件是网卡上最基本的控制系统，主要基于MA C 芯片来实现对整个网卡的控制和管理。在固件中完成了最底层、最复杂的传输／K 送模块功能，并向下提供与物理层的接I21，向上提供一个程序开发接口，为程序开发人员开发附加的移动主机应用功能提供支持。
1.2.2无线接入点(AP)
无线接入点作为移动终端与有线网络通信的接入点，其主要任务是协调多个移动终端对无线信道的访问，所以其功能主要对应于0sI模型中的MAC层。和有线以太网中的Hub类似可以实现。无线网络的帧格式(IEEDq02．11帧)与有线网络的帧式(IEEES02．3帧)之间的转换；负责本CELL的管理，包括终端的登陆、认证、散步和漫游的管理；具有简单网管功能。做到“操作透明性”和“性能透明性”。从逻辑上讲，AP由无线收发部分、有线收发部分、管理与软件部分及天线组成，如图2所示。
图2 AP组成图
上有两个端口，一个是无线端口，所连接的是无线小区中的移动终端；另一个是有线端口，连接的是有线网络。在AP的无线端口，接收无线信道上的帧，经过格式转换后成为有线网格式的帧结构，再转发到有线网络上；同样，AP把从有线端口上接收到的帧，转换成无线信道上的帧格式转发到无线端口上。AP在对帧处理过程中，可以相应地完成对帧的过滤及加密工作，从而可以保证无线信道上数据的安全。
1.3 无线局域网的主要特征
1.3.1网络拓扑结构
WLAN拓扑结构可分为有中心(Hub-Based)和无中心(Peer to peer)局域网两类。在有中心结构的网络拓扑中，设有一个无线节点充当基站，所有节点访问均由其控制，每个节点只要在中心站覆盖围之就可与其它节点通信，并且中心节点为访问有线主干网提供了一个逻辑节点，这与蜂窝式移动通信的方式非常相似。这种结构的缺点是抗毁性差，中心节点的故障容易导致整个网络的瘫痪；对于无中心结构的网络，要求其中任意节点均可与其它节点通信，所以又称自组织网络(Ad hoc)。由于无中心节点控制网络的接入，各节点都具有路由器功能，又都可以竞争共用信道，为此，大多数无中心结构的WLAN都要采用CS^ 类型的MAC协议。应该指出的是，自组局域网在军用和民用领域都有很好的应用前景，在军事领域中，由于战场往往没有预先建好的固定接入节点，携带移动站的战士就可以利用临时建立的移动自组网络进行通信。这种组网方式也能够应用到作战的地面装甲
车辆和坦克群，以及海上舰艇群、空中的机群。由于每一个移动设备都具有路由器的转发分组的功能，因此，这种自组局域网的生存能力非常好。在民用领域，当出现自然灾害时，在抢险救灾中利用移动自组网络进行及时的通信往往也是很有效的，因为这时事先已经建好的固定网络基础设施可能都已被毁坏。
1.3.2 传输媒质及传输方式
WLAN的传送介质有两种，即无线电波和红外线，前者使用居多。红外线局域网有较强的方向性，适于近距离通信。而采用无线电波作为媒体的局域网，覆盖围大，而且，这种局域网多采用扩频技术，发射功率比自然背景的噪声低，有效的避免了信号的偷听和窃取，使通信非常安全，具有很高的实用性。无线局域网采用微波传输，使用的频段有三个，L频段、S频段、C频段。目前大多数产品使用S频段（2．4GHz～2．4835GHz)，在这些波段的WLAN的产品大多数采用扩频调制方式，主要有DS和FH两种。
第二章无线局域网的分析与发展
2.1 引言
无线局域网(Witeless local—al-ea network，WLAN)是90年代计算机网络与无线通信技术相结合的产物，它提供了使用无线多址信道的一种有效方法来支持计算机之间的通信，并为通信的移动化、个人化和多媒体应用提供了潜在的手段。通俗的说，无线局域网就是在不采用传统电缆线的同时，提供传统有线局域网的所有功能，网络所需的基础设施不需要再埋在地下或隐藏在墙里，网络却能够随着你的需要移动或变化。进入90年代以来，随着个人数据通信的发展，功能强大的便携式数据终端以及多媒体终端的广泛应用，为了实现任何人在任何时间、任何地点均能实现数据通信的目标，要求传统的计算机网络由有线向无线，由固定向移动，由单一业务向多媒体发展，更进一步推动了wLAN的发展。过去几年，人们对无线局域网(WLAN)硬件的需求有了显著的增长，无线局域网很快从新奇的技术发展成为生活必需品。2005年WLAN芯片组出货量突破1亿套大关，k~2oo]年不足1000万套增长了10多倍，这些数字说明WLAN市场正在快速扩。
2.1 无线局域网的现状
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 绪论 1.1 课题背景和研究意义 无线传感器网络综合了传感器技术、嵌入式计算技术、现代网络及无线通信技术等多种先进技术。其主体是集成化微型传感器，这些微型传感器具有无线通信、数据采集和处理、协同合作的功能。无线传感器网络就是由成千上万的传感器节点通过自组织方式构成的网络，它通过这些传感器协作地实时监测、感知和采集各种环境或监测对象的信息，通过嵌入式系统对信息进行处理，并通过随机自组织无线通信网络以多跳中继方式将所感知信息传送到用户终端，使用户完全掌握监测区域的情况并做出反应[1]。 无线传感器网络的自组织性和容错能力使其不会因为某些节点在恶意攻击中的损坏而导致整个系统的崩溃，所以传感器网络非常适合应用于恶劣的战场环境，包括监控我军兵力、装备和物资状态；监视冲突区域，侦察敌方地形和布防，定位攻击目标；评估损失，侦察和探测核、生物及化学攻击等。在战场上，铺设的传感器将采集相应的信息，并通过汇聚节点将数据送至数据处理中心，再转发到指挥部，最后融合来自各战场的数据，形成我军完备的战区态势图。也可以更隐蔽的方式近距离地观察敌方的布防，或直接将传感器节点撒向敌方阵地，在敌方还未来得及反应时迅速收集有利于作战的信息。在生物和化学战中，利用传感器网络，可及时、准确地探测爆炸中心，这会为我军提供宝贵的反应时间，从而最大可能地减小伤亡。 无线传感器网络是继因特网之后，将对21世纪人类生活方式产生重大影响的IT 热点技术。如果说因特网改变了人与人之间交流、沟通的方式，那么无线传感器网络则将逻辑上的信息世界与真实物理世界融合在一起，将改变人与自然交互的方式[2][3]。无线传感器网络是新兴的下一代传感器网络，最早的代表性论述出现在1999年，题为“传感器走向无线时代”。随后在美国的移动计算和网络国际会议上，提出了无线传感器网络是下一个世纪面临的发展机遇。2003年，美国《技术评论》杂志论述未来新兴十大技术时，无线传感器网络被列为第一项未来新兴技术。同年，美国《商业周刊》又在其“未来技术专版”中发表文章指出，传感器网络是全球未来四大高技术产业之一，将掀起新的的产业浪潮。美国《今日防务》杂志更认为无线传感器网络的应用和发展，将引起一场划时代的军事技术革命和未来战争的变
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
目录 摘要 ......................................................................................... I Abstract ................................................................................... II 第一章前言 . (1) 1.1 研究目的和意义 (1) 1.2 国内外研究现状 (1) 1.3 研究内容 (1) 第二章无线传感器网络 (2) 2.1 无线传感器网络及其特点 (2) 2.2 无线传感器的拓扑结构 (3) 2.3 无线传感器网络的应用 (4) 第三章无线传感器网络通信协议概述 (6) 第四章路由协议 (8) 4.1路由协议的分类 (8) 4.2典型路由协议的比较 (13) 4.2路由协议下一步研究方向 (14) 第五章 MAC协议 (15) 5.1 MAC协议研究进展 (15) 5.2 MAC协议的主要问题 (15) 5.3 MAC协议的分类 (18) 5.4 MAC协议的分析和比较 (18) 5.5 MAC协议下一步研究方向 (27) 第六章总结和展望 (28) 致谢 ...............................................................错误！未定义书签。参考文献 (30)
摘要 随着无线通信技术、低功耗处理器和芯片集成工艺的飞速发展，无线传感器网络应运而生了。由于其成本低、适应性强，功能强大等特点，无线传感器网络（WSNs）在军事、环保、生产、医药和智能空间等领域都具有广阔的应用前景，其通信协议研究面临许多新的挑战。本文着重分析了路由协议和MAC协议两大网络协议的分类，并提出未来的研究方向。 关键词：无线传感器网络，通信协议，路由协议，MAC协议
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。
实习报告 实习目的与任务： 本次实习是研究基于S-MAC的无线传感器网络MAC协议的分析与优化。了解S-MAC协议及其相关应用方向和基本性能，以求对SMAC协议有一个全面的认识，为毕业的开展打下良好的认识基础和知识储备，并对该方向研究的可行性进行评估，以期在毕业设计时能够有的放矢，把握好方向。 实习单位： 河南理工大学 实习内容： 主要是在图书馆查询相关知识，二十多天的辛劳成果，现归纳如下： 无线传感器网络(WSN)技术是指将传感器技术、自动控制技术、数据网络传输、储存、处理与分析技术集成的现代信息技术(宫鹏, 2007)。WSN 由具备记忆能力的存储器、处理器、传感器、无线通讯和电池等硬件组成。在环境监测中应用WSN 是遥感技术的新的生长点。Whelan 等(2008)把无线传感器网络在环境监测中的应用称为大尺度遥感。在环境应用中, 无线传感器网络和有线网络结合被称为环境传感器网络或生态传感器网络(ESNs)(Rundel等, 2009)。对科学索引网(ISI Web of Science)搜索发现, 过去10 多年来, 有关无线传感器网络的论文急剧增多。1998－2001 年仅发表13 篇, 但是2002－2005 年成倍增长, 到2006－2007 年每年发表400 多篇, 2008 年发表587 篇。到2009 年6 月初, 已经发表290 余篇。《商业周刊》把WSN 技术做为21 世纪21 项最重要的技术之一(Evans 等, 2008)。WSN 的传感器一般与小型计算机和无线发送装置集于一体, 称作网络传感器节点。每个节点可以挂接机械的、热、生物、化学、光学和磁力传感器。一般置于观测对象的附近, 或与观测对象直接接触, 甚至埋于感兴趣观测对象中。获得关于观测对象的图像、声音、气味、震动等物理、化学、生物学特性。人们通过手机、因特网等无线通讯技术控制传感器开启或关闭, 获得各种数据, 对所获数据进行显示、储存或分析, 并通过网络传输到数据收集中心。它的发展及其广泛应用主要归因于传感器技术的微型化、智能化、廉价性和数据无线传输的可能性。网络传感器节点置于野外, 自己就能寻找附近的同类传感器网络节点, 实现相互间的网络通讯, 指令和数据传输, 并自动构建网络拓扑。其中之一不工作后, 节点间可以自动跳接到其
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
基于无线传感器的振动检测毕业论文目录 摘要........................................................... I Abstract....................................................... I I 目录........................................................ I II 1 绪论 (1) 1.1 选题意义 (1) 1.2 技术背景 (2) 1.3 本文工作 (2) 2 系统设计 (4) 2.1 需求分析 (4) 2.2 硬件结构 (5) 2.3 软件结构 (8) 2.4 功能流程 (16) 3 关键技术 (17) 3.1 振动数据采集 (17) 3.2 XMesh网络协议 (19) 3.3 数据处理 (22) 3.4 数据格式转换 (23) 4 测试 (25)
5 结论 (27) 致谢 (28) 参考文献 (29) 1 绪论 1.1 选题意义 当代社会的工业生产中，设备的机械化，自动化，信息化，智能化程度都日新月异的发展和进步着。设备规模越来越大，结构越来越复杂，功能越来越多，性能越来越高；这极大地提高了生产效率，改变了人们的生活方式。同时这些设备一旦产生故障也将造成重大的经济损失，有时还会带来人员伤亡和严重的环境污染。 传统的维护方式是出了故障再修理或者定期检修，但是现代工业体系中的设备往往具备大型化，连续化，高速化，自动化的特性[1]。一旦产生故障就会使整条生产线停顿，甚至对生产设备造成严重损伤，由此带来的经济损失将是不可承受的。而传统的定期检测需要大量技术娴熟经验丰富的技术员，但是此种方式往往带来检修过剩及生产线的不必要停顿。这将给企业带来额外的损失和经济负担，同时此种方法并不能及时发现机械故障。因此基于传感器的即时
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－