数学计算机学院软件工程专业2012届黑敏星
摘要：无线传感器网络综合了传感器技术、嵌入式计算技术、无线网络通信技术、分布式信息处理技术，能够实时监测和采集网络分布区域内的各种检测对象的信息，并发送给观测者。传感器网络具有硬件资源有限、动态拓扑、电源能量有限、无中心基站、多跳路由、以数据为中心等特点，能够应用于军事、环境检测、机械监控等领域。
本文首先概述了无线传感器网络的概念、特点、体系结构、协议栈、应用领域和关键技术。接着通过对无线传感器网络路由协议的分类，对几种典型的无线传感器网络路由协议进行了详细的介绍。最后对几种典型的协议在分类和性能上进行了比较。其次，本文先对洪泛协议(MFlood)进行了简单的介绍，然后详细介绍了网络模拟器NS2，并且了解了NS2的层次结构、组成部分、NS2仿真模拟的步骤。最后，利用NS2对MFlood协议进行仿真，并由仿真得到的trace文件对MFlood协议的端到端延时、节点间的传说速率、延时的抖动率和网络吞吐量进行了分析。
关键词：无线传感器网络；路由协议；MFlood；trace；NS2
中图分类号：TP393
1 引言
近年来，随着传感器技术、嵌入式计算技术、无线通信技术的快速发展，由具有感知能力、计算能力、通信能力的微型传感器自组织而成的无线传感器网络(WSN)引起了人们的极大关注。
国内外对无线传感器网络有着一些特定的研究。在国外，1996年，美国学者straser、Kiremidjian提出运用无线技术替代结构监测有线系统的思想，开辟了无线传感技术在结构监测领域中应用，并研制了一套实时的损伤识别结构健康监测系统:以上述学者的工作为基础，Lynch等运用标准的集成电路开发了一个无线传感器的模型:整个传感器节点包括一个八位微处理器，检测单元采用微加速度芯片构成，并且所集成的无线传感器在实验室中得到了验证。比如日本大型机械监控技术应用研究主要利用移动通信技术与智能传感器技术相结合，实现了对集装箱装卸设备的远程监控；马来西亚港口设备监控与调度管理系统；德国基于非线性神经网络的钢板厚度监控系统；荷兰基于GIS和无线通信的港口智能化信息管理系统等等。
在我国，无线传感器网络研究起步较早，中科院、哈尔滨工业大学、清华大学、北京邮电大学、西北工业大学、天津大学、国防科技大学较早开展了无线传感器网络方面的研究工作[1]。如上海交通大学基于移动通信技术的港口起重机远程监控系统；天津港基于短信平台的起重机动态监测装置；华中科技大学网络化远程监控等等[2]。
2 无线传感器网络概述
2.1无线传感器网络概念
无线传感器网络[3](wireless sensor network, WSN)是一项新兴的网络技术，它是由大量随机分布的包括集成传感器、数据处理段元和通信单元的微小节点通过自组织方式构成的
无线网络，所有网络节点协同合作完成特定的任务。它综合了传感器技术、嵌入式计算技术、现代网络技术、无线通信技术和分布式信息处理技术等多种技术。
2.2 无线传感器网络的特点
无线传感器网络与传统的无线通信网络有着不同的设计目标和技术要求。前者以数据位中心，而后者则以传输数据为目的。无线传感器网络因其所应用的特殊性决定了无线传感器网络具有以下的一些特征：
(1)硬件资源有限
无线传感器网络传感器节点的数量较大，往往需要投放在特定的检测区域。由于受体积及成本等因素的限制，其计算能力、对数据的处理能力、存储能力都相当的有限。
(2)动态拓扑
无线传感器网络的拓扑是动态变化的，节点是可以随处移动的，并且有多节点可能受到自然或人为的破坏，有的节点可能由于电池耗尽而退出网络，还有的节点则可能是新加入的节点。这些原因都会使整个网络的拓扑结构随时发生变化，因此网络具有动态拓扑的特点。
(3)电源能量有限
由于传感器节点往往被投放在一些不适合进行电源补给的环境和无人区域，所以一般都为一次性供电，一旦电池耗尽，很难再给电池充电或者更换电池。
(4)无中心基站
无线传感器网络没有像传统网络中的基站之类的控制中心，所以节点都是平等的，是一个对等式网络。
(5)多跳路由
无线传感器网络的传感器节点散布的检测区域往往比较大，而由于受到节点能量的限制以及对等网络无中心的特点，网络数据的转发往往采取多跳转发的方式，不仅可以节省发射功率，还可以不用专门设置路由器，同时每个节点都有附加路由转发的功能。
(6)以数据为中心
无线传感器网络是用来检测各种感兴趣的被测量的数据，其主要目的是为了获得检测区域的检测数据。在网络设计过程中，主要考虑如何高效处理感知数据，并将获取的数据传送到用户节点，因此无线传感器网络的特点是以数据为中心。
同时无线传感器网络还具有组网快捷、灵活，且不受有线网络约束的特点。
2.3 无线传感器网络体系结构
无线传感器网络体系结构[4]如图2.1所示。无线传感器网络系统通常包括传感器节点、汇聚节点和监控中心主机（包括服务器和用户访问管理终端）。大量的传感器节点随机散步在指定检测区域内。传感器节点将检测到的信息以多跳中继的方式传送到汇聚节点。汇聚节点是一个固定的或可以移动的节点，一般具有更多的能量、更强大的数据处理能量和存储能力。汇聚节点将从外部网络接收到的控制命令发送到检测区域内的传感器节点，以及传感器节点的数据信息传送到外部网络，再由外部网络传送给服务器。服务器用于接收检测区域内的数据，用户可以远程访问服务器，从而获得检测目标的状态信息以及实现对传感器网络进行配置和管理、发布检测任务等功能。
图2.1 无线传感器网络体系结构
2.4 无线传感器网络协议栈
无线传感器网络协议栈[5]主要包括物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层，与互联网的五层协议相对应。如图2.2所示：
图2.2 无线传感器网络协议栈
另外，无线传感器网络协议栈同时还包括能量管理平台、移动管理平台和任务管理平台。这种管理平台使得传感器节点能够按照能量高效的方式协同工作，在节点移动的传感器网络中转发数据，并支持多任务与资源共享。各层协议和平台的相关功能如下：
1)物理层提供简单和健壮的信号调制和无线收发技术；
2) 数据链路层负责数据成帧，帧控制，媒体访问和差错控制；
3) 网络层负责路由的生成和路由选择
4) 传输层负责数据流的传输控制，使保证通过通讯服务质量的重要部分；
5) 应用层包括一系列基于检测任务的应用层软件
6) 能量管理平台管理传感器节点如何使用资源，在各个协议层都要考虑节省能量；
7) 移动管理平台检测并注册传感器节点的移动，维护到汇聚节点的路由，使得传感器节点能够动态跟踪其邻居节点的位置；
8) 任务管理平台在一个给定的区域平衡和调度检测任务。
2.5 无线传感器网络的应用
随着研究的深入，无线传感器网络的应用领域非常广泛。目前，随着传感器技术、通信技术、嵌入式技术及分布式信息处理技术的快速发展，无线传感器网络正被广泛应用在人们生活的各种领域，例如：军事领域、工业领域、农业领域、生态环境监测、家具生活领域、医疗健康领域、城市交通领域等等，总之，无线传感器网络已经是当今科学领域最具有代表性的通信技术性支持，已经渗透到千家万户、各行各业。
2.6 无线传感器网络的关键技术
在无线传感器网络研究的过程中，存在着一些关键技术问题，主要的问题有：路由技术、安全问题、时间同步、数据融合、能量问题等等。
(1) 路由技术
由于传感器节点的计算能量，存储能力、自身能量有限，大部分节点并不能直接将数据发送到汇聚节点，而要采用多跳路由方式向汇聚节点发送数据，因此，每个节点不仅要进行数据的采集和传输，还要具有转发数据的能力。
(2) 安全问题
在无线传感器网络中，大量的传感器节点密集分布在一个区域里面，消息可能需要经过若干节点才能达到目的地，而且传感器网络具有动态性和多跳结构，要求每个节点都应该具有路由功能。由于每个节点都是潜在的路由节点，因此更容易受到攻击，使网络部安全。网络层路由协议为整个无线传感器网络提供了关键的路由服务，安全路由算法可以直接影响无线传感器网络的安全性和可用性。
(3) 时间同步[4]
时间同步技术是完成实时信息采集的基本要求，也是提高定位精度的关键手段。常用方法是通过时间同步协议完成节点间的对时。同时传感器节点需要相互合作，完成复杂的检测和感知任务，这样往往需要各节点保持时间上的一致性，方便出来一些与时间有关的操作。
(4) 数据融合
由于无线传感器网络的资源有限，电池能量、出来能力、存储容量及通信带宽都要统筹使用，在满足用户需求的情况下，需要对众多传感器节点的检测数据进行融合出来，从而节省通信带宽的能量，提高信息收集的效率。
(5) 能量问题
在多数情况下，传感器网络中的节点都是由电池供电，电池容量非常有限，并且对于成千上万节点的无线传感器网络来说，更换电池非常困难，甚至是不可能的。如果网络中的节点因为能力耗尽而不能工作，会带来网络拓扑结果的改变以及路由的重新建立等问题，甚至可能是网络分成不连通的部分，造成通信的中断。因此，如何在不影响功能的前提下，尽可能地节约无线传感器网络的电池容量成为无线传感器网络软硬件设计中的核心问题。
3 无线传感器网络路由协议概述
3.1无线传感器网络路由协议的分类
无线传感器网络路由协议从驱动机制的角度可以分为主动式路由协议、按需式路由协议和混合式路由协议：主动式路由协议，所有的路由在使用之前已经形成；按需式路由协议只有在需要使用的时候才形成；混合式路由协议是将上述两种思想结合起来的一种新的路由协议。由于无线传感器节点资源受限，且传感器网络中节点数目众多，传感器节点没有足够的空间来存储大量的路由表，因此在实际应用中，按需式路由协议和混合式路由协议更加受青睐。
无线传感器网络路由协议从网络拓扑结构的角度可以分为：平面路由协议和层次路由协议，如图3.1所示。在平面路由协议中，所有节点的地位都是平等的，通过局部操作和反馈信息来生成路由。平面路由协议的优点是简单、以扩展，其缺点是缺乏对通信资源的
规范化管理，每一个节点都需要知道到达其它所有节点的路由，维护动态变化的路由需要大量的控制信息。在层次路由协议中，网络通常被划分为簇，每个簇由一个簇头和多个簇成员节点组成，簇成员节点负责采集数据，并将采集到的数据转发给簇头，簇头节点负责簇内部数据的接收和数据融合，然后将数据转发给更高层的簇。簇成员的功能比较简单，不需要维护复杂的路由信息，不同层次的节点的作用不同。这大大减少了网络中路由控制信息的数量，具有良好的可扩充性，其缺点是簇头节点能量消耗大，可能会成为整个网络的瓶颈。
图3.1 无线传感器网络按拓扑结构的路由协议分类
3.2平面路由协议
在平面路由协议中，各网络中的各节点在路由功能上地位相同，没有引入分层管理机制。平面结构路由的优点是网络中没有特殊的节点，网络流量均匀的分布在网络中，路由算法易于实现。缺点是可扩展性小，在一定程度上限制了网络的规模，对网络动态变化的反应速度较慢。以数据位中心的典型平面路由协议主要有：泛洪(Flooding)、SPIN(Sensor Protocols for Information via Negotiation)、定向扩散DD协议(Directed Diffusion)等。
3.2.1洪泛路由协议
洪泛协议(Flooding)是以中传统的网络路由协议，不需要任何路由算法，也不需要维护网络拓扑结构。在该协议中，节点向它的所有邻居节点广播接收到的数据，如此反复，直到数据到达目的节点或者所有节点拥有此数据副本为止。
洪泛协议所具有的优点是：①实现简单；②不需要为保持网络拓扑信息和实现复杂的路由发现算法而消耗计算资源；③适用于健壮性要求高的场合。
洪泛协议存在的问题有[5]：①存在消息内爆问题，即出现一个节点收到一个数据的多个副本现象。如图3.2(a)所示，节点S要将数据发送给节点D，首先节点S要将数据发送到它的所有邻居节点A、B、C。A、B、C再将数据广播给各自的邻居节点(除了发送此数据给自己的邻节点外)，这样节点D就会收到很多份一样的数据。②存在信息重叠的问题，即处于同一观测环境的相邻同类传感器节点同时向一个节点发送数据，从而收到双份数据副本的想象。如图3.2(b)所示，节点A收到节点B、C对同一区域R2的检测数据。③盲目利用资源，即节点不考虑自身能力状况，只要接收数据就进行转发。
图3.2(a) 消息“内爆”现象图3.1(b) 消息“重叠”现象
针对以上提到的消息内爆和重叠现象，S.hedetniemi等人提出了闲聊(Gossping)协议。避免洪泛协议的内爆问题，节点随机选取一个邻居节点转发数据包，而不是向所有邻居节点广播数据包。然而，这却增加了数据端到端的传输延迟。
3.2.2SPIN
SPIN(Sensor Protocols for Information via Negotiation)[6]是一种以数据为中心的自适应
通信路由协议，其目标是通过使用节点间的协商机制和资源自适应机制，从而解决泛洪协议存在的数据内爆问题和重叠现象。传感器节点在传送数据之前彼此进行协商，协商制度可确保传输有用数据。节点间通过发送元数据，而不是采集的整个数据进行协商。由于元数据大小小于采集的数据，所以传输元数据消耗的能量相对较少。
SPIN协议有3 种数据包类型，即ADV、REQ和DATA。ADV用于元数据的广播，REQ用于请求发送数据，DATA为传感器采集的数据包。数据发送之前，节点要进行“元数据协商”，协商是通过发送端广播ADV包告知邻居节点自己有数据要发送，如果邻居节点愿意接受数据中转，就会返回REQ信号来完成握手过程，握手完成后就进行DATA 的传输，DATA可以经过多个节点的中转最后到达目的节点，这样就保证了网络中没有冗余数据。
3.2.3定向扩散DD路由协议
定向扩散(Directed Diffusion)[7]是一种以数据位中心且基于查询的路由机制，其最大的特点就是引入了网络梯度概念，并将局部算法相结合应用于无线传感器网络的路由通信机制。网络梯度[7]的思想本身源于生物学中的蚂蚁种群模型，一般定义为属性值和方向。属性值可以依据数据速率、功率或者地理信息确定，方向由接收节点指向发送兴趣的邻居节点，引导数据扩散。
定向扩散路由机制分为兴趣的洪泛，双向梯度的建立，探测分组的洪泛，路径的选择与将强，数据的发送五个阶段组成。
3.3层次路由协议
与平面路由协议相对应的是分层结构的路由协议。分层路由协议采用簇的概念对传感器节点进行层次划分。若干个相邻节点构成一个簇，每一个簇有一个簇首。簇与簇之间可以通过网关通信。网关可以是簇首也可以是其它簇成员。网关之间的连接构成上层骨干网，所以簇间通信都通过骨干网转发。
分层路由协议[8]包括成簇协议、簇维护协议、簇内路由协议和簇间路由协议四个部分。成簇协议解决如何在动态分布式网络环境下使移动节点高效地聚集成簇，它是分层路由协议的关键。簇维护协议要解决在节点移动过程中的簇结构维护，其中包括移动节点的退出和加入簇，簇的产生和消亡等功能。分层路由协议比较适合于无线传感器网络，但成簇过程会产生一定的能源消耗。
分层路由协议主要有：低功耗自适应聚类路由协议LEACH、门限敏感的高效能耗传感器网络协议TEEN等。
3.3.1低功耗自适应聚类路由协议LEACH(low energy adaptive clustering hierarchy)
LEACH[9]协议是有MIT的Heinzelman等人提出，它是第一种基于分簇结构和分层技术的无线传感器网络协议，在无线传感器网络路由协议中占有重要地位。LEACH协议的基本思想是通过随机循环地选择簇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，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。与一般的基于平面结构的路由协议和静态的基于多簇结构的路由协议相比，具有以上的优点。
在数据通信阶段，簇内节点把数据发送给簇头，簇头进行数据融合并把结果发送给汇聚节点。由于簇头需要完成数据融合、与基站通信等工作，所以能量消耗大。LEACH算法能够保证各节点等概率地担任簇头，使得网络中的节点相对均衡地消耗能量。
3.3.2 TEEN
TEEN协议就是为反应式无线传感器网络而设计的路由策略，它具有实时性，可以对突发事件作出快速反应。TEEN和LEACH的实现机制非常相似，只是前者是响应型的，而后者属于主动型传感器网络。TEEN协议的优点：协议适合于需要实时感知的应用环境中；通过设置硬阀值和软阀值2个参数，TEEN可以大大减少数据传送的次数，比LEACH 节约能量等。缺点：不适合应用在需要周期性采集的应用系统中，这是因为如果网络中的节点没有收到相关的阀值，那么节点就不会与汇聚节点进行通信，用户也就完全得不到网络的任何数据。
3.4各路由协议之间的比较
平面路由协议的优点在于实现简单，但是它也存在着可扩展性差的缺点，无线传感器网络拓扑结构通常是由分布在一点区域内的成千上万个节点所构成的，网络的规模非常之大。相比之下，分层路由协议由于它的可扩展性好的优点，能够适合大型的无线传感器网络。
分层路由协议之所以要优于平面路由协议的原因在于：分层路由协议把所有的节点分为多个簇，每个簇拥有一个簇首和多个成员节点。成员节点在收集有效的信息后，不是无目的的传输信息，而是在簇首节点分配给自己的时隙内发送信息，信息发送完成后，该节点可以进入睡眠状态，等待信息收集的开始或传输时隙的到来。
同时各种路由协议还有以下的比较：
表3.1 无线传感器网络路由协议的分类比较
表3.2 无线传感器网络路由协议的性能比较
说明：这些路由协议都是基于特定的应用环境下而设计，在不同的条件下，不同的协议表现出不同的性能，因此，不能绝对说哪种协议最优。
4 洪泛(MFlood)协议的仿真分析与评价
无线路由通讯协议MFlood路由算法是一种传统的广播式路由协议[10]。它不需要维护网络的拓扑结构和路由计算，每个节点都使用广播转发收到的数据分组，若收到重复的分组则进行丢弃处理。通过设定合适的TTL值来避免由于大面积的扩散而占用过多的网络资源，使扩散收敛，保证数据分组只经过有限跳路由；此外为了进行重复分组检测，每个节点需要维护一个数据分组序号SEQ和一张路由表，原节点每发送一个分组则将SEQ加1，并将该SEQ添加到数据分组的IP头部，其余节点受到数据分组后会将该SEQ记录到路由表并根据该SEQ进行重复分组检测。由于洪泛算法会产生大量的分组，占用网络资源，所有效率很低。但是它是一个最简单又有效的路由算法
4.1 NS2简介
4.1.1 NS-2概述
NS-2[11]的全称为Network Simulator Version 2。是美国加州大学伯克利分校(University of Califorlia, Berkley)开发的一个事件驱动的网络仿真器。由于具有开放源代码、可扩展性强、仿真速度快效率高等优点，目前NS2已被研究者广泛地用于各种网络的仿真。
NS-2是面向对象的，离散事件驱动的网络环境模拟器，主要用于解决网络研究方面的问题。NS-2提供在无线或有线网络上，TCP、路由、多播等多种协议的模拟。
NS具有开放性好、扩展性强、适用于Windows和Linux系统平台的特点，是一个出色的研究网络拓扑结构、分析网络传输的仿真工具。与其他的网络仿真工具相比，NS对相应数据流的仿真能量尤为突出。
NS仿真环境中有两种分工不同的开发语言：C++和Otcl ( ObjectTcl, 即Tcl面向对象的扩展)。C++描述网络协议的细节，Otcl提供面向对象的接口，通过配置仿真活动中的各种参数，建立仿真的整体框架，C++和OTCL之间通过TclCL关联起来。C++运行速度快，使模拟具有高性能；而用Otcl进行模拟配置，可以不必重新编译情况下随意修改模拟参数和模拟过程，提高了模拟的效率。
4.1.2 NS-2的层次结构
NS2是一个用C++编写的面向对象的仿真器，它的前端是一个OTcl解释器仿真器内核定义了有层次结构的多种类，称为编译类结构；OTcl解释器中有相似的类结构，称为解释类结构。NS2内核的层次结构[9]如下图所示。
图4.1 NS2的层次结构
如上图所示：NS2用到了六种TCL类，分别是：
(1)Tcl类：封装了OTcl解释器实例，向外界提供方法来访问解释器。
(2)TclObject类：它是两种类结构中的大多数的基类。
(3)Tclclass类：把用户通过类TclObject在解释器中建立的类结构映射到编译类结构，
提供方法来实例化新的对象
(4)TclCommand类：提供一种机制使NS2内核向解释器输出简单的命令。
(5)EmbededTcl类：允许用户以编译代码或解释代码来扩展NS2功能。
(6)Instvar类：定义了一些方法和机制，在编译类结构对象的成员变量和对应的解释
类结构对象的成员变量之间建立映射，使两类变量一致共享。
4.1.3 NS-2模块概述
NS2功能非常强大，由12个模块组成，下面分别介绍各模块的功能：
(1) Tcl：Tcl提供了一个强有力的平台，可以生成面向多种平台的应用程序，协议，驱动程序等等。它与TK(toolkit)协作，可生成GUI应用程序，可在PC、Unix和Macintosh
上运行。Tcl还可用来完成与网页的相关任务，或是为应用程序提供强有力的命令语言。
(2) TK：与Tcl协调工作的图形工具包。
(3) OTcl：MIT Object Tcl的简称，是Tcl/TK面向对象编程的扩展。
(4) Tclcl：此目录下含有tcl/C++的接口，vic、vat、ns、rtp_play和nam都会用到。
(5) NS：NS的主体代码，内含一个节点移动产生器、两个传输事件产生器。
(6) TclDebug：Tcl调试工具包。
(7) Nam：即UCB/LBNL Network AniMator，它与NS协同工作，将NS仿真过程动态的表现出来。
(8) Xgraph：Xgraph是X-Windows应用程序，包含：交互式测量和绘制和动画效果。
4.1.4 NS-2的组成部分
（1）离散事件调度器（Scheduler）：调度器是仿真器的心脏，它记录当前时间，调度网络事件链表中的事件。它有一个静态成员变量instance，供所有的类访问同一个调度器，提供函数产生新事件，指定事件发生的时间。
目前NS2支持四种事件调度器，分别为链表式（linked-list）、堆式（heap）、时间队列式（calendar）和实时（real-time）调度器，其中时间队列式为默认的事件调度器。
（2）事件处理器(Handler)：Handle是所有处理事件类的基类，它只是一个虚拟函数，每个继承类实现自己的功能。
（3）节点（Node）：节点是对实际网络中分布在不同地理位置的主机、交换机、路由器等网络设备的统一抽象，是构成网络拓扑结构的一个重要组成部分。
（4）链路(Link)：链路用来连接节点和路由器。一个节点可以有一条或多条输出链路(如路由器)，所有的链路都以队列的形式来管理分组到达、离开或丢弃，统计并保存字节数和分组数。另外还有一个独立的对象来记录队列日志。
（5）代理(Agent)：代理是实际产生和消费分组的对象，它们属于传输层实体，运行在端主机，节点的每一个代理自动被赋与一个唯一的端口号(模拟udp/tcp端口)，代理知道
与它相连的节点，以便把分组转发给节点，它也知道分组大小，业务类型，目的地址。Agent 类是各种UDP/TCP实现类的基类，代理被保存在一个称为demux的链表中。
（6）NS对象(NsObject)：NsObject是所有网络实体的基类，包括节点、链路、代理，业务记录(Trace)和数据源等。节点、链路、代理同时继承了NsObject和事件处理器类，因为这三种对象要处理多种事件，其他对象则不需要。
（7）匹配器类(Matcher)：匹配器类用来标识有实例对象生成的类，用户给出标识匹配器类的关键字，匹配器类返回相应的新建对象。
4.1.5 NS2仿真模拟的步骤
进行网络模拟前，首先要分析模拟要涉及哪几个层次。NS模拟分两个层次：一个是基于Otcl编程的层次，利用NS已有的网络元素实现模拟，无需对NS本事进行任何修改，只要编写Otcl脚本；另一个层次是基于C++和Otcl编程的层次，如果NS中没有所需的网络元素，就需要首先对NS进行扩展，添加所需要的网络元素。这就要利用分裂对象模型，添加新的C++类和Otcl类，然后再编写Otcl脚本。整个模拟过程图4.2所示，步骤如下：
(1) 如果有需要，则对NS2进行扩展，添加新的模块或者对NS2中已有的模块进行修改；
(2) 开始编写Otcl脚本。包括配置模拟网络的拓扑结构、确定链路的基本属性等；
(3) 建立协议代理，包括端设备的协议绑定和通信业务模型的建立等；
(4) 配置业务模型的参数，从而确定网络上的业务量分布；
(5) 设置Trace对象。Trace对象能够把模拟过程中发生的特定类型的事件记录在trace 文件中。NS2通过trace文件保存整个模拟过程。模拟完成后可以对trace文件进行分析研究。
(6) 设定模拟结束时间，编写其它辅助过程，至此Otcl脚本编写结束；
(7) 用ns执行刚才的Otcl脚本，得到trace文件；
(8) 对trace文件进行分析，得出有用的数据；
(9) 调整配置模拟中的参数，重新进行模拟过程。
图4.2 NS2仿真模拟流程
4.2仿真环境搭配
4.2.1 Cygwin环境
NS2是在UNIX系统上开发的，因此可以再FreeBSD、SunOSc、Solaris定UNIX和类UNIX系统上安装。而本次仿真设计是建立在Windows环境下的，因此我们将要使用基于Windows平台的Cygwin环境来进行仿真。
Cygwin[11]是一个在Windows平台上运行的Unix模拟环境，是Cygnus Solution公司开发的自由软件。它对学习Unix/Linux操作系统，或者从Unix到Windows的应用程序移植，或者进行某些特殊的开发工作，尤其是使用gnu工具集在Windows上进行嵌入式系统开发，非常有用。运行Cygwin后，你会得到一个类似于Linux的Shell环境，在其中还可以使用绝大部分Linux软件和功能，如Gcc，Make，Vim，Emacs等等。
4.2.2 实验环境
在仿真实验中采用了NS-2作为网络仿真的工具，它提供了通信模型、随机拓扑和节点移动模型生成等辅助工具。在仿真中使用的场景文件就使用了随机模型工具实现。在仿真中设置了以下的仿真情景：场景文件scene-50n-0p-40s-400t-1200-1200中的50n表示50个节点，0p表示到一个地方的停留时间是0秒，40s表示节点移动的最大速度为40秒，400t 表示模拟场景的持续时间是400秒，1200-1200表示场景的大小为1200m×1200m。在模拟仿真的过程中，同时还需要为50个节点在某个随机时刻启动一个cbr流，该cbr流各节点间最大的连接数为30，每秒发送1个长度为512Byte的包。
4.23 代码实现
#Agent/UDP set packetSize_ 6000 ;#设置包的大小
set val(chan) Channel/WirelessChannel ;#信道类型
set val(prop) Propagation/TwoRayGround ;#无线传播模式
set val(netif) Phy/WirelessPhy ;#网络接口类型
set val(mac) Mac/802_11 ;#MAC类型
set val(ifq) Queue/DropTail/PriQueue ;#接口队列类型
set val(ll) LL ;#逻辑链路层类型
set val(ant) Antenna/OmniAntenna ;#天线类型
set val(x) 1200 ;#移动拓扑的宽度
set val(y) 1200 ;#移动拓扑的长度
set val(ifqlen) 50 ;#接口队列最大长度
set val(seed) 0.0
set val(rp) MFlood ;#仿真协议的类型
set val(nn) 50 ;#移动节点的个数
set val(cp) "cbr-50n-30c-1p" ;#cbr流文件
#set val(sc) "../scene-50n-0p-2s-400t-1200-1200" ;#场景文件
set val(sc) "scene-50n-0p-40s-400t-1200-1200" ;#场景文件
#set val(sc) "../scene/jscene-50n-0p-2s-400t-1200-1200-1" ;#场景文件
set val(stop) 100 ;#仿真时间
===================================================================== # 主程序
===================================================================== # 初始化模拟参数和跟踪对象
set ns_ [new Simulator]
set tracefd [open mflood-scene2.tr w] ;#trace文件跟踪
$ns_ trace-all $tracefd
#创建移动拓扑
set topo [new Topography]
#设定移动场景范围
$topo load_flatgrid $val(x) $val(y)
#nam文件跟踪
set namtrace [open wireless1-out.nam w]
$ns_ namtrace-all-wireless $namtrace $val(x) $val(y)
# 创建God对象
set god_ [create-god $val(nn)]
# 创建$val(nn)个移动节点并将它们连接到信道
#配置节点属性
set channel [new Channel/WirelessChannel]
$channel set errorProbability_ 0.0
$ns_ node-config -adhocRouting $val(rp) \ ;#路由协议类型-llType $val(ll) \ ;#链路层类型
-macType $val(mac) \ ;#MAC类型
-ifqType $val(ifq) \ ;#接口队列类型
-ifqLen $val(ifqlen) \ ;#接口队列的最大分组数
-antType $val(ant) \ ;#天线模式
-propType $val(prop) \ ;#无线信号传输模式
-phyType $val(netif) \ ;#网络接口类
-channel $channel \ ;#通信信道类型
-topoInstance $topo \ ;#拓扑范围
-agentTrace ON \ ;#打开agent层trace
-routerTrace ON\ ;#打开路由层trace
-macTrace OFF \ ;#关闭Mac层trace
-movementTrace OFF ;#关闭移动trace
#创建移动节点
for {set i 0} {$i < $val(nn) } {incr i} {
set node_($i) [$ns_ node]
$node_($i) random-motion 0;
}
# 定义节点移动模型
puts "Loading connection pattern..."
source $val(cp)
#定义节点运行的模型
puts "Loading scenario file..."
source $val(sc)
# 设置在nam中移动节点显示的大小
for {set i 0} {$i < $val(nn)} {incr i} {
$ns_ initial_node_pos $node_($i) 20
}
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
1-2.什么是无线传感器网络? 无线传感器网络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。 1-4.图示说明无线传感器网络的系统架构。 1-5.传感器网络的终端探测结点由哪些部分组成?这些组成模块的功能分别是什么? (1)传感模块（传感器、数模转换）、计算模块、通信模块、存储模块电源模块和嵌入式软件系统 (2)传感模块负责探测目标的物理特征和现象，计算模块负责处理数据和系统管理，存储模块负责存放程序和数据，通信模块负责网络管理信息和探测数据两种信息的发送和接收。另外，电源模块负责结点供电，结点由嵌入式软件系统支撑，运行网络的五层协议。 1-8.传感器网络的体系结构包括哪些部分?各部分的功能分别是什么? (1)网络通信协议：类似于传统Internet网络中的TCP/IP协议体系。它由物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层组成。 (2)网络管理平台：主要是对传感器结点自身的管理和用户对传感器网络的管理。包括拓扑控制、服务质量管理、能量管理、安全管理、移动管理、网络管理等。 (3)应用支撑平台：建立在网络通信协议和网络管理技术的基础之上。包括一系列基于监测任务的应用层软件，通过应用服务接口和网络管理接口来为终端用户提供各种具体应用的支持。 1-9.传感器网络的结构有哪些类型?分别说明各种网络结构的特征及优缺点。 （1）根据结点数目的多少，传感器网络的结构可以分为平面结构和分级结构。如果网络的规模较小，一般采用平面结构；如果网络规模很大，则必须采用分级网络结构。 （2）平面结构：
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)。
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：
无线传感器网络的特点 大规模网络 为了获取精确信息，在监测区域通常部署大量传感器节点，传感器节点数量可能达到成千上万，甚至更多。传感器网络的大规模性包括两方面的含义：一方面是传感器节点分布在很大的地理区域内，如在原始大森林采用传感器网络进行森林防火和环境监测，需要部署大量的传感器节点；另一方面，传感器节点部署很密集，在一个面积不是很大的空间内，密集部署了大量的传感器节点。 传感器网络的大规模性具有如下优点：通过不同空间视角获得的信息具有更大的信噪比；通过分布式处理大量的采集信息能够提高监测的精确度，降低对单个节点传感器的精度要求；大量冗余节点的存在，使得系统具有很强的容错性能；大量节点能够增大覆盖的监测区域，减少洞穴或者盲区。 自组织网络在 传感器网络应用中，通常情况下传感器节点被放置在没有基础结构的地方。传感器节点的位置不能预先精确设定，节点之间的相互邻居关系预先也不知道，如通过飞机播撒大量传感器节点到面积广阔的原始森林中，或随意放置到人不可到达或危险的区域。这样就要求传感器节点具有自组织的能力，能够自动进行配置和管理，通过拓扑控制机制和网络协议自动形成转发监测数据的多跳无线网络系统。在传
感器网络使用过程中，部分传感器节点由于能量耗尽或环境因素造成失效，也有一些节点为了弥补失效节点、增加监测精度而补充到网络中，这样在传感器网络中的节点个数就动态地增加或减少，
从而使网络的拓扑结构随之动态地变化。传感器网络的自组织性要能够适应这种网络拓扑结构的动态变化。动态性网络传感器网络的拓扑结构可能因为下列因素而改变：①环境因素或电能耗尽造成的传感器节点出现故障或失效；②环境条件变化可能造成无线通信链路带宽变化，甚至时断时通；③传感器网络的传感器、感知对象和观察者这三要素都可能具有移动性；④新节点的加入。这就要求传感器网络系统要能够适应这种变化，具有动态的系统可重构性。 可靠的网络 传感器网络特别适合部署在恶劣环境或人类不宜到达的区域，传感器节点可能工作在露天环境中，遭受太阳的暴晒或风吹雨淋，甚至遭到无关人员或动物的破坏。传感器节点往往采用随机部署，如通过飞机撒播或发射炮弹到指定区域进行部署。这些都要求传感器节点非常坚固，不易损坏，适应各种恶劣环境条件。由于监测区域环境的限制以及传感器节点数目巨大，不可能人工“照顾每个传感器节点，网络的维护十分困难甚至不可维护。传感器网络的通信保密性和安全性也十分重要，要防止监测数据被盗取和获取伪造的监测信息。因此，传感器网络的软硬件必须具有鲁棒性和容错性。
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
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 无线传感器网络技术试 题 Company Document number：WTUT-WT88Y-W8BBGB-BWYTT-19998 一、填空题 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. 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. 传感节点中处理部件用于协调节点各个部分的工作的部件。 5. 基站节点不属于传感器节点的组成部分 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. NTP时间同步协议不是传感器网络的的时间同步机制。 物理层。介质访问控制层 10. 从用户的角度看，汇聚节点被称为网关节点。 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 13. 传感器网络的电源节能方法：_休眠（技术）机制、__数据融合 14. 分布式系统协同工作的基础是时间同步机制 15. 无线网络可以被分为有基础设施的网络与没有基础设施的网络，在无线传感器网络，Internet网络，WLan网络，拨号网络中，无线传感器网络属于没有基础设施的网络。 16. 传感器网络中，MAC层与物理层采用的是IEEE制定的IEEE协议 17. 分级结构的传感器网络可以解决平面结构的拥塞问题 18. 以数据为中心特点是传感器网络的组网特点，但不是Ad-Hoc的组网特点 19. 为了确保目标节点在发送ACK过程中不与其它节点发生冲突，目标节点使用了SIFS帧间间隔 20. 典型的基于竞争的MAC协议为CSMA 二、选择题 1.无线传感器网络的组成模块分为：通信模块、（）、计算模块、存储模块和电源模块。A A．传感模块模块 C网络模块 D实验模块 2..在开阔空间无线信号的发散形状成（）。A A．球状 B网络 C直线 D射线 3.当前传感器网络应用最广的两种通信协议是（）D A. B. C. D. 4.ZigBee主要界定了网络、安全和应用框架层，通常它的网络层支持三种拓扑结构，下列哪种不是。D A．星型结构、B网状结构C簇树型结构D树形结构 5.下面不是传感器网络的支撑技术的技术。B A．定位技术B节能管理C时间同步D数据融合 6.下面不是无线传感器网络的路由协议具有的特点D A．能量优先 B.基于局部拓扑信息 C.以数据为中心 D预算相关 7.下面不是限制传感器网络有的条件C A电源能量有限 B通信能力受限 C环境受限 D计算和存储能力受限 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。 无线传感器网络技术的应用 摘要：无线传感器网络(WSN)是新兴的下一代传感器网络，在国防安全和国民经济各方面均有着广阔的应用前景。本文介绍了无线传感器网络的组成和特点，讨论了无线传感器网络在军事、瓦斯监测系统、智能家具，环境监测，农业。交通等方面的现有应用，最后提出无线传感器网络技术需要解决的问题。 关键词：无线传感器网络，军事、瓦斯监测系统、智能家具，环境监测，农业。交通。 1．无线传感器网络研究背景以及发展现状 随着半导体技术、通信技术、计算机技术的快速发展，90年代末，美国首先出现无线传感器网络（WSN）。1996年，美国UCLA大学的William J Kaiser教授向DARPA提交的“低能耗无线集成微型传感器”揭开了现代WSN网络的序幕。1998年，同是UCLA大学的Gregory J Pottie教授从网络研究的角度重新阐释了WSN的科学意义。在其后的10余年里，WSN网络技术得到学术界、工业界乃至政府的广泛关注，成为在国防军事、环境监测和预报、健康护理、智能家居、建筑物结构监控、复杂机械监控、城市交通、空间探索、大型车间和仓库管理以及机场、大型工业园区的安全监测等众多领域中最有竞争力的应用技术之一。美国商业周刊将WSN网络列为21世纪最有影响的技术之一，麻省理工学院(MIT)技术评论则将其列为改变世界的10大技术之一。WSN是由布置在监测区域内传感器节点以无线通信方式形成一个多跳的无线自组网（Ad hoc），其目的是协作的感知，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。传感器、感知对象和观察者是WSN的三要素。将Ad hoc技术与传感器技术相结合，人们可以通过WSN感知客观世界，扩展现有网络功能和人类认识世界的能力。WSN技术现已经被广泛应用。图为WSN基本结构。 WSN经历了从智能传感器，无线智能传感器到无线传感器三个发展阶段，智能传感器将计算能力嵌入传感器中，使传感器节点具有数据采集和信息处理能力。而无线智能传感器又增加了无线通信能力，WSN将交换网络技术引入到智能传感器中使其具备交换信息和协调控制功能。 无线传感网络结构由传感器节点，汇聚节点，现场数据收集处理决策部分及分散用户接收装置组成，节点间能够通过自组织方式构成网络。传感器节点获得的数据沿着相邻节点逐跳进行传输，在传输过程中所得的数据可被多个节点处理，经多跳路由到协调节点，最后通过互联网或无线传输方式到达管理节点，用户可以对传感器网络进行决策管理、发出命令以及获得信息。无线传感器网络在农业中的运用是推进农业生产走向智能化、自动化的最可行的方法之一。近年来国际上十分关注WSN在军事，环境，农业生产等领域的发展，美国和欧洲相继启动了WSN研究计划，我国于1999年正式启动研究。国家自然科学基金委员会在2005年将网络传感器中基础理论在一篇我国20年预见技术调查报告中，信息领域157项技术课题中7项与传感器网络有直接关系，2006年初发布的《国家长期科学与技术发展无线传感器网络技术试题
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
无线传感器网络技术的应用
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