文章编号: 1673 9965(2010)06 560 05
无线传感器网络多跳时间同步算法*
侯宏录1,杨朋伟2,谢矿生2,胡民效2
(1.西安工业大学光电工程学院,西安710032;2.武警西安指挥学院教研部,西安710038)
摘 要: 针对多跳网络中同步误差累积和同步开销大的问题,提出了一种最优拓扑结构的时间同步算法.通过构造最优拓扑结构和在网络节点之间传递时间同步报文来减小累积误差和时间同步开销.借鉴无线传感器网络时间同步延迟测量算法的打时间戳技术进行时间偏差估计来提高时间同步的精度.应用结果表明:在具有33个节点的传感器网络中,相比无线传感器网络时间同步协议算法,该算法的时间同步开销减小了2/3,引起累积误差的关键路径长度减小了1/2.
关键词: 最优拓扑结构;时间同步;关键路径;无线传感器网络
中图号: T P301.6 文献标志码: A
传统的传感器网络时间同步算法有参考广播同步(Reference Bro adcast Sy nchr onization,RBS)算法[1]、无线传感器网络时间同步协议(T iming Sync Protocol for Sensor N etw orks,T PSN)算法[2]、FT SP[3](Flooding Tim e Synchronization Pro to col)算法、基于累计时延统计的传感器网络数据同步算法[4]以及基于连通支配集的时间同步算法[5].这些算法都采用提高单跳同步精度、采用最短路径同步以减少跳数,降低多跳误差累积,却没有充分利用周围节点的时钟信息以降低误差随跳数累积的速度.另外这些算法为了提高时间同步的精确度,节点之间信息交换的次数比较多,因此同步开销和节点功耗较大.
基于连通支配集的时间同步算法通过在支配节点之间传递时间同步报文,非支配节点只接收时间同步报文,从而实现时间同步,由于只有支配节点发送时间同步报文,该算法大大减少了时间同步开销,但是,该算法仍然存在着较大的累积误差,在网络规模较大时这种情况更加明显.
为更好的减小累积误差,受到基于连通支配集的时间同步算法的启发,考虑到通过构造最优拓扑结构的方法来减小时间同步过程中关键路径的长度,从而实现减小累积误差和减少时间同步开销.受到无线传感器网络时间同步延迟测量(Delay M easurement Time Synchronizatio n for Wireless Sensor Netw orks,DM TS)算法打时间戳技术的启发,以及研究时间同步报文在传感器网络中的传播规律,通过在MAC层进行标记时间戳及应用累计时延统计方法来进行时延估计,从而及时调整和更正错误的时间包信息,以减小累积误差,进而实现时间的精确同步.
文中通过构造最优拓扑结构及时 估计的方法实现了全网节点的时间同步.设计了一种低同步开销及低累计误差的时间同步算法.
1 传感器网络多跳时间同步算法
算法的基本思想是通过构造拓扑结构和借鉴DM TS算法的打时间戳技术,在拓扑结构中传递时间同步报文以实现整个网络中节点的时间同步.
1.1 相关概念定义
定义1 (相邻节点)给定图中的两个节点,若
第30卷第6期 西 安 工 业 大 学 学 报 V ol.30N o.6 2010年12月 Jo ur nal of X i an T echno lo gical U niver sity Dec.2010
*收稿日期:2009 05 05
基金资助:国防基础预研项目(B2220061084)
作者简介:侯宏录(1960 ),男,西安工业大学教授,主要研究方向为光电检测技术、智能控制、复杂系统建模仿真及效能评估.
E mail:hlhou@https://www.doczj.com/doc/8518770696.html,.
存在一条边连接这两个节点,称它们为相邻节点.
定义2 (节点的度数)一个节点在整个图中的邻居节点的个数定义为该节点的度数.
定义3 (相邻节点集)给定图中的一个节点,它的所有邻居节点的集合定义为它的相邻节点集.
定义4 (区域)给定图中的任意一个节点,它的相邻节点集和它本身的并集定义为区域.
定义5 (一跳联系)对于任意两个节点来说,如果其中一个是另一个的邻居节点成立,则称它们构成一跳联系.
定义6 (二跳联系)对于任意两个节点来说,如果它们不构成一跳联系,并且它们的邻居节点存在交集,则称这两个节点构成二跳联系.
1.2 区域簇首节点集
给定一网络拓扑结构,在进行算法之前,每个节点必需获得:相邻节点的有关信息;!相邻节点的个数信息;?相邻节点的度数信息.这些信息可以通过各节点周期性地与自身的邻居节点交换信息获得.
求区域簇首节点集的具体算法过程为
开始,初始化拓扑结构.
!求所有节点的度.
?求度最大的节点,定义为区域簇首节点,并记录下它的邻居节点集.
#在余下的节点中继续求度最大的节点,判断此节点是否是前面区域簇首节点的邻居节点,如果是,确定它的邻居节点集(去掉它的区域簇首节点及所有区域簇首节点的邻居节点).否则的话,确定它的邻居节点集(去掉它的区域簇首节点的所有邻居节点).
?继续执行上一步,直到最后一个度最大节点记录的邻居节点个数为0为止.
%算法结束.得到的区域簇首节点的集合称为区域簇首节点集.
1.3 求支配节点集
首先根据1.2可以得到网络拓扑结构的区域簇首节点集.从区域簇首节点集的第一个元素开始,每个元素可与它后面的所有元素建立一跳或二跳联系,根据区域簇首节点和区域簇首节点之间的联系建立新的拓扑结构.
求支配节点集的具体算法过程为
开始,初始化拓扑结构.
!求拓扑结构的区域簇首节点,并将其存放在指定的数组中.
?从区域簇首节点集的第一个元素开始,寻找后面与它构成一跳联系的所有区域簇首节点,并将这些节点和这个区域簇首节点建立联系.
#寻找这个区域簇首节点与它构成二跳联系的所有区域簇首节点,求这个节点和它的二跳关系节点的共同邻居节点中度最大的一个,用这个度最大节点把这个区域簇首节点和其二跳关系节点建立联系.
?执行完上面的步骤后,形成了一个网络拓扑结构,将这个拓扑结构中原来构成一跳联系的节点连接起来,进而形成了一个新的网络拓扑结构,称它为支配节点网络拓扑结构,这个支配节点网络拓扑结构中的节点定义为支配节点.
%转向?,重复,直到最后一个支配节点网络拓扑结构为链状为止.
&算法结束,所有支配节点网络拓扑结构中的节点为支配节点,初始网络拓扑结构中的其他节点称为非支配节点.
1.4 最优拓扑结构的构造
定义M为拓扑层数,N为链状拓扑结构路由跳数.X为第倒数第二层支配节点网络拓扑结构中簇首节点的个数.
根据1.3过程可求出网络拓扑结构的支配节点集及各级支配节点网络拓扑结构,接下来构造最优拓扑结构.具体过程为
根据各级支配节点网络拓扑结构计算拓扑层数M和链状支配节点网络拓扑结构路由跳数N,进而计算关键路径长度,关键路径长度=(M-1)+(N/2+1).
!判断M和N/2+1的关系,如果M>=N/ 2+1,转向?;如果M<=N/2+1,转向#.
?让链状结构中的中间节点作为根节点,两边节点作为子节点,构造一层树状结构,然后前面支配节点拓扑结构构造一层拓扑结构,依此类推,可实现构造最优拓扑结构(在最优拓扑结构中去掉重复的节点),转向?.
#构造低一级的最优拓扑结构:首先,构造X 级的树状拓扑结构,在倒数第二层支配节点网络拓扑结构的簇首节点集中找度最大的那个簇首节点,联合其子节点构成一个树结构1,称为独立树结构.接着找度最大的簇首节点(除去属于树结构1的那些子节点),若存在则构造树结构2,若不存
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第6期 侯宏录等:无线传感器网络多跳时间同步算法
在,则根据已有的树结构给其添加子节点(子节点为(M -1)层拓扑结构的簇首节点),直到分配完所有的节点为止.根据(M -1)层拓扑结构的拓扑关系,继续给树结构添加叶子节点,树结构1和树结构2的公共交点可获得,任取一个作为根节点,构造X 级的树状拓扑结构.若独立树结构为三个,则依照上面的办法求三个树结构的公共交点作为根节点,可构造相应的树状拓扑结构.依次类推,最终可实现构造X 级的树状拓扑结构.
其次,根据上面所求的X 级树状拓扑结构作为第一层拓扑结构,然后上一层支配节点拓扑结构构造第2层拓扑结构,依次类推,可以构造成(M -1)?(N /2+1)级最优拓扑结构,转向?.
?算法结束.1.5 时间同步的实现
通过最优拓扑结构的根节点广播时间同步报文启动同步阶段,第一层拓扑结构中的节点收到这个报文后,估算时间延迟等参数并调整自己的逻辑时钟值,然后更新并转发这个同步报文,更新方法参考基于累计时延统计的传感器网络数据同步算法.第二层拓扑结构中的节点收到同步报文后,仅仅估计时间延迟等参数并调整自己的时钟值以达到与其簇首节点同步,依此类推,最终可实现所有节点与根节点的时间同步.
2 算法性能分析
2.1 时间同步开销和累积误差的比较
同步开销用发送信令包和接收信令包的次数来衡量.设广播域内有1个时间基准节点,n 个接收节点,RBS 算法需要k 个时间记录以完成线性拟合,RBS 算法的同步开销为k(n +1)个发送信令包和k(n +1)个接收信令包.TPSN 算法的同步开销为2n 个发送信令包和2n 个接收信令包,而本算法的同步开销为m(m 为簇首节点的个数)个发送信令包和n -1个接收信令包.若采用最小连通支配子集算法,同步开销为L (L 为最小连通支配节子集中节点的个数)个发送信令包和n -1个接收信令包.关键路径的长度决定了累积误差的大小,可以很容易求得各种算法的关键路径长度,因此用关键路径长度来衡量累积误差.2.2 算法分析
在大规模无线传感器网络中,时间同步技术变
得尤为重要,数据融合、广播认证、节点定位、时分多路复用、节点状态切换等均依赖于全网节点的时间同步.缺乏有效的时间同步机制,无线传感器网络难以为用户提供有效服务.
传感器网络中每个节点采用晶体振荡器来维持本地时钟,由于晶体振荡器的频率存在偏差,以及外界环境(如温度、压力的变化和电磁波的干扰)的影响,在运行一段时间后,传感器网络往往会产生时间漂移和时间偏移.当传感器网络中网络节点数目增加时,时间漂移和时间偏移会急剧增大,使得实现时间同步变得很困难.
为解决这一问题,通过构造最优拓扑结构以及研究时间同步报文在网络中的传播规律,文中算法实现了全网节点的时间同步.实验验证:当网络规模增大时,文中算法的时间同步开销相比较于T PSN 算法的时间同步开销急剧减小,关键路径长度相比较于TPSN 算法的关键路径长度也急剧减小,在给定传感器网络中,力求寻找时间同步报文传播的最佳路径,因此取得了明显的效果.
3 应用举例
3.1 应用举例
文中利用一个传感器网络环境的实例来说明算法实现的给定初始网络拓扑结构,如图1所示.
图1 拓扑结构图Fig.1 T he to po log y ma p
在图1中有33个网络节点,每个网络节点代表一个具有数据采集、数据处理及数据传输功能的智能传感器网络节点,这样的节点可以分为三类:终端节点、路由器节点以及协调器节点,它们分别实现不同的功能.在图1中,相邻节点之间通过实线连接,表示可以进行时间信息交换,没有实线连
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西 安 工 业 大 学 学 报 第30卷
接的节点不能进行时间信息交换.由于在实际应用中节点的部署是任意的,因此本文给出的传感器网络拓扑结构具有任意性,仅作示例.3.2 求各级支配节点
根据1.3中的方法可以得到给定网络拓扑结构的各级支配节点.通过计算第一层支配节点为3,4,7,8,11,12,14,15,19,20,21,25,27;第二层支配节点为7,8,11,20.
各层支配节点根据1.3中的方法可以形成各自的支配节点网络拓扑结构.
3.3 构造最优拓扑结构实现时间同步
根据1.4中的方法可以构造最优拓扑结构,如图2所示.根据1.5中的方法可实现全网节点的时间同步,在图2中,首先由根节点11广播时间同步报文启动同步阶段,第一层拓扑结构中的节点7,8,20收到这个同步报文后,估算时间延迟等参数并调整自己的逻辑时钟值,然后修改并转发同步报文.依此类推,支配节点通过接收其父节点的时间同步报文实现时间同步,并转发时间同步报文;非支配节点通过接收其簇首节点的时间同步报文进行时间同步,最终所有节点都同步到根节点
11.
图2 最优拓扑结构F ig.2 Optimal topolog y
3.4 算法性能比较
在表1中,结合实例,列举了RBS 算法、T PSN 算法及本算法实现全网节点时间同步的关键路径长度、发送信令包数及接收信令包数.
表1 文中算法与RBS 算法、T P SN 算法性能比较T ab.1 T he perfo rmance co mpar ison of the art icle
alg or ithm and RBS,T PSN alg or ithm
参数
R BS 算法
T PSN 算法
文中算法
关键路径长度/跳88
4
发送信令包数/个32k 6212 表1中k 为RBS 算法完成数据线性拟合的时间记录个数,关键路径长度用网络路由跳数来衡量.从表1中看出:相比RBS 算法及TPSN 算法,文中算法实现全网节点时间同步的关键路径长度、发送信令包数及接收信令包数都明显减小.
4 结论
由于时间漂移、温度以及压力等因素的影响,传感器网络中节点的本地时间和全局时间之间存在时间偏差,随着时间的推移,这种时间偏差会逐渐增大.为了减小时间偏差,文中采用构造最优拓扑结构,以及在M AC 层进行标记时间戳的方法实现了全网络节点的时间同步.应用结果表明该算法明显减小了时间同步偏差,主要表现在:
1)最大限度减少了时间同步信息包在传递过程中的冗余信息,只选择关键的、必须的路径进行传递信息,从而降低了能耗;
2)在同步信息包的传递过程中,考虑时延估计,以便及时调整和更正错误的时间同步信息包,从而提高了同步算法精度;
3)相比RBS 算法和TPSN 算法,其时间同步开销和时间累积误差都急剧减小.尽管如此,时间同步技术还需要继续改进,在下一步的研究中,将开展对钟频率偏差补偿及多次时间信息数据参数估计的研究.参考文献:
[1] Elso n J,G iro d L ,Estrin D.Fine g rained N etw ork
T ime Sy nchro nizat ion U sing Reference Br oadcasts [C]//Pr oceeding s o f the 5th Sy nposlum o n O per a
tio n Sy stems Design and Implementatio n
(OSDl2002),Boston,M A,2002:147.
[2] Ganeriwal S,Kumar R,Sriv ast av a M.T iming Sy nc
P roto col for Sensor Netw o rks [C]//Pr oceeding of 1st Inter national Conference o n Embedded N et wo rked Sensor Sy stems,L os Ang eles,2003:138.[3] M ar oti M ,K usy B,Simo n G,et al.T he F lo oding
T ime Sy nchro nization Pro toco l[C]//P roceedings of the 2nd ACM Conference on Embedded N et wo rked Senso r Sy stems (SenSy s ),Baltimo re,M ar iland,
2004:39.
[4] 赵大胜,杨宗凯,王玉明,等.基于累计时延统计的传
感器网络数据同步算法[J].华中科技大学学报:自然2005,33(7):26.
563
第6期 侯宏录等:无线传感器网络多跳时间同步算法
ZH A O Da sheng,Y A NG Zo ng kai,WA N G Yu ming, et a l.Accumulative based Delay Stat istics for Data
Synchronizatio n A lg or ithm W ir eless Senso r N etwo rk
[J].J Huazho ng U niv of Sci&T ech:Natur e Science
Editio n,2005,33(7):26.(in Chinese)
[5] 彭伟,卢锡城.一种新的分布式最小连通支配集近似
算法[J].计算机学报,2001,24(13):255.
PENG Wei,L U Xi cheng.A N ov el Distr ibuted A p pro ximat ion Algo rithm for M inimum Connected Do m inating Set[J].Chinese Jo ur nal of Computer s,2001, 24(13):255.(in Chinese)
Multi hop Time Synchronization Algorithm for
Wireless Sensor Network
H OU H ong lu1,YA N G P eng w ei2,X I E K uang sheng2,H U M in x iao2
(1.Scho ol of O pto electro nic Eng ineer ing,Xi an T echnolog ical U niv ersity,X i an710032,China;
2.Depar tment o f T eaching and R esear ch,Xi an Command Co llege of CA PF,Xi an710038,China)
Abstract: T o so lve the pr oblem s of error acum ulation and overhead of tim e synchronizatio n,a new tim e synchro nization algor ithm w as pr opo sed based o n o ptimal topolog y.It can reduce the a cumulativ e erro rs and o ver head of time sy nchr onization thro ug h building the optimal topo logy and conveying the tim e synchro nization packet among those netw or k no des.The time synchronizatio n accuracy can be improved thro ug h estimating the time error,fro m the timestamp techno logy of DMT S algor ithm.The result show s that the sy nchronization o ver head can be reduced by2/3,and that the critical path length w hich causes the a cumulative err ors can be reduced by1/2.
Key words: optim al topolog y;time synchronization;critical path;w ireless senso r netw o rk
(责任编辑、校对 张立新)
(上接第559页)
Oxidation Kinetics of TP304and TP347Steels under
the High temperature Water vapour Condition
WA N G Zheng p in1,FEN G H ong f ei1,T AN G L i y ing2,J I N Yao hua1,YA O Yu hong1
(1.School of M ater ials and Chemical Eng ineer ing,Xi an T echnolog y U niv ersity,Xi an710032,China;
2.Xi an T her mal P ow er Research Institut e Co.,L td,X i an710032,China)
Abstract: Ox idatio n kinetics of the TP347H and the TP304H steels under high temperature w ater vapour co ndition is studied by disco ntinuous w eighing.T he results indicate:the ox idatio n kinetics of the TP347H and the T P304H steels at560(,590(,620(and650(follow s parabolic equatio n( m= kt z);the oxidation resistance of T P347H is higher than that of TP304H;ox idation of the TP347H and the T P304H steel of increases as the temperature r ises;the ox idatio n speed of the TP347H and the TP304H steel increnses w ithin fro m590(to620(.
Key words: T P347H steel;T P304H steel;high temperature w ater vapo ur;ox idation kinetics
(责任编辑、校对 张立新) 564 西 安 工 业 大 学 学 报 第30卷
《无线传感器网络原理与应用》复习题 一、填空题： 1.无线传感器网络的三个基本要素是：、和。 2.无线传感器网络实现了、? 和的三种功能。 3.无线传感器网络包括四类基本实体对象：目标、观测节点、和 。 4.根据无线传感器网络系统架构，无线传感器网络系统通常包括传感器节点(sensor node)、和。 5.无线传感器节点通常包含四个模块，他们是：数据采集模块、、无线通信模块和。 6.无线传感器网络的协议栈包括物理层、、、传输层 和，还包括能量管理、移动管理和任务管理等平台。 7.无线传感器网络的MAC层和物理层协议采用的是国际电气电子工程师协会(IEEE)制定的协议。 8.无线通信物理层的主要技术包括、、调制技术 和。 9.在无线通信系统中，有三种影响信号传播的基本机制：、绕射和。 10.无线传感器节点处于、接收状态、侦听状态和时单位时间内消耗的能量是依次减少的。 11.无线传感器网络MAC协议根据信道的分配方式可分为、 和混合式三种。 12.根据无线传感器网络不同的应用可以将其路由协议分为五类，你知道的有：、、。（任意给出3种）。 13. IEEE 标准将无线传感器网络的数据链路层分为两个子层，即和。 14. Zigbee的最低两层即物理层和MAC层使用标准，而网络层和应用层由Zigbee联盟制定。 15. Zigbee协议中定义了三种设备，它们是：、和Zigbee终端设备。
16.Zigbee支持三种拓扑结构的网络，它们是：、和。 17.无线传感器网络的时间同步方法有很多，按照网络应用的深度可 以划分三种：、和。 18.无线传感器网络的时间同步方法有很多，按照时间同步的参考时 间可以划分为和。 19.无线传感器网络的时间同步方法有很多，根据需要时间同步的不 同应用需求以及同步对象的范围不同可以划分为和。20.无线传感器网络定位技术大致可以划分为三类：、和 。 21.无线传感器网络典型的非测距定位算法有、APIT算法、 以及等。 22.无线传感器网络的数据融合策略可以分为、以 及。 23.无线传感器网络的故障可以划分为三个层次：、和 。 24. 根据网络提供服务的能力可以将QoS分为3种等级，分别是：、 和。 25. 传感器网络的支撑技术包括：、、及安全机制等。 26. 无线传感器节点的能耗主要集中在模块。 二、名词解释： 1.无线自组织网络 2.无线传感器网络(WSN) 3.基带信号 4.模拟调制 5.数字调制 6.物理信道 7.逻辑信道 8.路由选择 9.路由协议
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。
摘要 无线多媒体传感器网络(Wireless Multimedia Sensor Networks，WMSN)是随着半导体技术的发展，在无线传感器网络(Wireless Sensor Networks, WSN)中引入低功耗视频和音频传感器而形成的。无线多媒体传感器网络由于丰富的传感信息已经成为一个研究热点，被广泛应用于图像注册、分布式视频监控、环境监控以及目标跟踪等项目中。 由于传感器类型的变化，在基于无线多媒体传感器网络的目标跟踪过程中，需要采用不同于传统无线传感器网络的新方法和策略。本文提出了目标定位方法和基于动态分簇的目标跟踪架构，以提高目标跟踪的性能。 在提出的目标定位方法中，首先分析了无线音频传感器的信号衰减特性和传感器分布位置对目标定位精度的影响，形成目标跟踪的传感器节点选择原则。然后，分析了现有计算机视觉领域的摄像头标定技术和无线视频传感器节点的特点，利用监控区域有限点的位置坐标，通过CamShift单目标跟踪和双节点的平移特性，求解出摄像头标定的旋转矩阵R与内部参数矩阵K，从而通过视频传感器节点以低复杂度的方法完成了目标定位。 在动态分簇研究中，提出了基于动态分簇的目标跟踪架构，通过设计架构中的动态分簇算法以及路由协议，提高了目标跟踪的鲁棒性和精度，降低了目标跟踪的能量消耗。动态分簇算法基于运动目标的历史轨迹数据，对目标的将来轨迹和当前速度进行预测。通过预测结果优化选择簇头和簇半径，并以簇内节点完成目标跟踪。簇内普通节点完成目标的感知后，将数据发送给簇头。簇头完成目标定位，再将位置坐标发送给汇聚节点以完成目标跟踪。为了保证目标跟踪数据传输的可靠性，降低链路的丢包率，基于蚁群算法设计了最小能量消耗率路由协议，对链路的最大负载进行限制。 在具有安全机制的动态分簇协作处理研究中，首先利用节点的自定位功能，提出了基于位置坐标的任务分配算法TAAC。TAAC以最小的能量消耗为目的，以任务处理的实时性为限制条件，将计算与通信任务分配给目标附近的传感器节点，通过传感器节点的并行计算提高网络的处理能力，降低网络能量消耗。为了保证协作处理的安全，针对两跳分簇协作处理架构，提出一种新的密钥管理协议。通过建立簇密钥对，降低了密钥存储开销，解决了密钥对建立和更新过程中通信
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
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：
多媒体传感器网络综述 摘要：随着监测环境的日趋复杂多变，无线多媒体传感器网络应运而生，作为一种全新的信息获取和处理技术，多媒体传感器网络较之传统传感器网络更多地关注于音频、视频、图像等大数据量、大信息量媒体的采集与处理,在军事、民用及商业领域中具有广阔的应用前景。 关键词：多媒体传感器网络体系结构特点关键技术 0.引言 随着监测环境的日趋复杂多变，传统无线传感器网络所获取的简单数据愈加不能满足人们对环境监测的全面需求，迫切需要将信息量丰富的图像、音频、视频等媒体引入到以传感器网络为基础的环境监测活动中来，实现细粒度、精准信息的环境监测。由此，无线多媒体传感器网络(wireless multimedia sensor networks，WMSNs)应运而生[1]。 多媒体传感器网络是由一组具有计算、存储和通信能力的多媒体传感器节点组成的分布式感知网络，它借助于节点上多媒体传感器感知所在周边环境的多种媒体信息(音频、视频、图像、数值等)，通过多跳中继方式将数据传到信息汇聚中心，汇聚中心对监测数据进行分析，实现全面而有效的环境监测[2]。 1.多媒体传感器网络体系结构 一个典型的多媒体传感器网络通常由多媒体传感器节点(multimedia sensor)、汇聚节点(sink node)、控制中心(control center)等。 多媒体传感器节点散布在指定的感知区域内。其采集的数据沿着其他多媒体传感器节点逐跳进行传输，经过“多跳”路由传送节点，最后通过Internet网络或通信卫星到达控制中心。用户通过控制中心对传感器网络进行配置和管理。发布监测任务以监测数据，如图l所示[2, 3]。
《无线传感器网络》试题 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，观察者 2、传感器网络的基本功能：协作地感知、采集、处理和发布感知信息 3、无线传感器节点的基本功能：采集、处理、控制和通信等 4、传感器网络常见的时间同步机制有： 5、无线通信物理层的主要技术包括：介质的选择、频段的选择、调制技术和扩频技术 6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 7、定向扩散路由机制可以分为三个阶段：周期性的兴趣扩散、梯度建立和路径加强 8、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 9、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、应用层技术等 10、IEEE 802.15.4标准主要包括：物理层和MAC层的标准 11、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。 12、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、无线传感器网络可以选择的频段有：868MHZ、915MHZ、2.4GHZ 5GHZ 14、传感器网络的电源节能方法：休眠机制、数据融合等， 15、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。 16、802.11规定三种帧间间隔：短帧间间隔SIFS，长度为 28 μs 、点协调功能帧间间隔PIFS长度是 SIFS 加一个时隙(slot)长度，即78 μs 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 μs
ＷＷＷ．ｃｉｓｍａｇ．ｃｏｍ．ｃｎ 54 引 言 无线传感器网络（ＷＳＮｓ）是当前的一个研究热点，被称为是２１世纪最重要的技术之一。一般来说，无线传感器网络是由大量的传感器节点组成，这些节点能够感知周围的环境，具有数据采集、处理、无线通信和自动组网的能力，能协作完成大型或复杂的监测任务。无线传感器网络有监测精度高、容错性好、覆盖区域大等显著优点，在军事、环境监测、工业控制和城市交通等方面有着广泛的应用前景，特别适合部署在恶劣环境和人不宜到达的场所。时间同步是ＷＳＮｓ中的一项关键技术，无线传感器网络的许多应用和关键技术中都离不开时间同步，例如，在多传感器数据融合技术中，网络中的节点必须以一定的精度保持时间同步，否则根本无法实现数据融合。在低能耗ＭＡＣ协议的设计中，为减少能量的消耗，通常是通过调节占空比来实现ＴＭＤＡ调度算法的，但需要参与通信的双方首先实现时间同步，并且同步精度越高，防护频带越小，相应的功耗也越低。定位技术也依赖于时间同步，在声波测距定位中，如果网络中的节点保持时间同步，则声波在节点间的传输时间很容易被确定，反之亦然。节点间的数据处理也离不开时间同步，通信是无线传感器网络中最主要的能 耗单元，传统分布式系统中的集中式 数据处理模式需要频繁交换原始数据，不适合无线传感器网络；利用节点上的独立处理能力，发挥节点间的协同作用，对原始采样数据进行加工与萃取，以减小网络传输开销是延长网络生命周期的有效途径。另外，进行数据压缩和剔除冗余数据等也是减小网络传输的手段，但进行这些处理需要目标附近的节点具有统一的时标来判定不同的原始监测数据是对同一事件的刻画，还是不同事件的描述。更重要的是，无线传感器网络的一些独特的特性：对于能量、带宽等的限制等，使得现有网络的同步技术不再适合于这种新型的网络，因而有必要研究ＷＳＮ中的时间同步。 同步算法分析 １． 时间同步的基本原理要设计网络中的时间同步算法，必须要了解同步的原理。图１通过一对节点的双向信息交换，介绍了两个节点是如何同步的。 如图１所示，在Ｔ１时刻，节点Ａ向节点Ｂ发送一个包含Ａ的标识和Ｔ１值的ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎ＿ｐｕｌｓｅ信息包，要求与节点Ｂ同步；在Ｔ２时刻，节点Ｂ收到节点Ａ发送的包，此时Ｔ２＝Ｔ１＋ｄｒ＋ｄｅ，其中ｄｒ表示时钟漂移，ｄｅ表示传播时延；在Ｔ３时刻，节点Ｂ向节点Ａ返回一个ａｃｋｎｏｗｌ－ｅｄｇｍｅｎｔ信息包，该包包含Ｂ的标识以及Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３的值；在Ｔ４时刻，节点Ａ接收到节点Ｂ返回的ａｃ－ｋｎｏｗｌｅｄｇｍｅｎｔ信息包，此时Ｔ４＝Ｔ３－ｄｒ＋ｄｅ。 假定，在Ｔ１到Ｔ４这么短的时间内，时钟漂移和传播时延不会发生变化，则可以算出时钟漂移ｄｒ＝［（Ｔ２－Ｔ１）－（Ｔ４－Ｔ３）］／２，传播时延ｄｅ＝［（Ｔ２－Ｔ１）＋（Ｔ４－Ｔ３）］／２。 知道了时钟漂移，则节点Ａ就能纠正其时钟，从而与节点Ｂ的时钟达到同步，即发送方把其时钟与接收方的时钟同步，这就是发送方－接收方同步的基本原理。 在传统计算机网络中，时间同步 基本上都是采用这种发送方－接收方的同步算法，那么在传感器网络中能不能采用这种方法 呢？ 通信技术 无线传感器网络中的同步算法 摘 要：无线传感器网络由于其自身的独特性，使得传统网络的时间同步算法不适合于这种网络。本文分析了当前传感器网络中两种典型的同步算法，提出了一种新的设想。 韩翠红 李立宏 赵尔沅／ 文 图１ 节点间双向消息交换的时间线
《无线传感器网络及应用》第一次作业答案 一、单项选择题。本大题共11个小题，每小题2.5 分，共27.5分。在每小题给出的选项中，只有一项是符合题目要求的。 1.下面哪种协议不属于路由协议（ C ）。 A.地理位置路由协议 B.能量感知路由协议 C.基于跳数的路由协议 D.可靠的路由协议 2.ZigBee的通信速率在2.4GHz时为（ D ）。 A.40Kbps B.20Kbps C.256 Kbps D.250kbps 3.传感器节点（ D ）范围以内的所有其它节点，称为该节点的邻居节点。 A.视线 B.跳数 C.网络 D.通信半径 4.TinyOS是一个开源的（ D ）操作系统，它是由加州大学的伯利克分校开发， 主要应用于无线传感器网络方面。 A.桌面 B.后台 C.批处理 D.嵌入式 https://www.doczj.com/doc/8518770696.html,N技术使用了哪种介质（ A ）。 A.无线电波 B.双绞线 C.光波 D.沙狼 6.传感器节点消耗能量主要消耗在（ A ）上。 A.无线通信模块 B.处理器模块 C.传感器模块 D.管理模块 7.传感器最早起于二十世纪（ B ）年代。 A.60年代 B.70年代 C.80年代 D.90年代 8.定向扩散（Directed Diffusion，DD）路由协议是一种（ B ）机制。 A.能量感知路 B.基于查询的路由
C.地理位置路由 D.可靠的路由 9.传感器的灵敏度是有方向性的。当被测量是单向量，而且对方向性要求较高时，应 选择在其它方向上灵敏度（）的传感器；如果被测量是多维向量，则要求传感器的交叉灵敏度越（）越好。 A A.小；小 B.小；大 C.高；高 D.高；底 10.传感器的频率响应越（），则可测的信号频率范围就越（）。C A.小；高 B.大；宽 C.高；宽 D.大；高 11.传感器的线形范围是指输出与输入成正比的范围。理论上在此范围内，灵敏度保持 定值。传感器的线性范围越（），则它的量程就越（），并且能保证一定的测量精度。D A.小；宽 B.小；高 C.高；大 D.宽；大 二、多项选择题。本大题共29个小题，每小题2.5 分，共72.5分。在每小题给出的选项中，有一项或多项是符合题目要求的。 1.根据节点数目的多少，传感器网络的结构可以分为（AD）。 A.平面结构 B.网络结构 C.星形结构 D.分级结构 2.传感器节点消耗能量的模块包括（ACD）。 A.传感器模块 B.存储模块 C.处理器模块 D.无线通信模块 3.下面哪些属于数据融合的方法（ABD）。 A.模糊逻辑法 B.神经网络方法 C.优选法 D.综合平均法 4.目前人们采用的节能策略主要有（AC）。 A.休眠机制 B.定时发送机制 C.数据融合机制
无线传感器网络的时间同步问题 摘要 时间同步对任何分布式系统都是一个关键的基础问题。分布式无线传感器网络广泛使用的同步时间，往往在范围，寿命和精度同步实现等方面有特殊要求，以及实现同步所需的时间和所需的能源。现有的时间同步方法需要扩展，以满足这些新的需求。我们列举了传感器网络未来的同步要求，并提出了我们自己的低能耗同步方案，事后同步。我们还描述了一个实验，其性能特点是使用很少的能量创造短暂的，局部的，但高精度的同步。 1.介绍 最近的发展小型化和低成本，低能耗设计导致积极研究在大规模，高度分散的小系统，无线，低功耗，无人值守传感器和致动器[ 1，7， 4 ] 。许多研究人员提出了创造传感器丰富的“聪明环境”的设想。通过有计划或临时部署数千个传感器，每一个短距离无线通信通道，并能够检测环境条件如温度，运动，声，光，或存在某些物体。 时间同步对任何分布式系统都是一个关键的基础设施。分布式，无线传感器网络使特别是广泛使用的同步时间：例如，将时间序列的接近侦测到的速度估计[ 3 ] ;测量声音的运行时间定位其来源[ 5 ] ;分发波束阵列[ 13 ] ;或制止重复邮件，由认识到他们所描述重复检测同一事件不同的传感器[ 6 ] 。传感器网络也有许多相同的要求，传统的分布式系统：精确的时间戳，往往需要在加密计划，以协调活动定于今后，供订购记录的事件在系统调试，等等。传感器网络应用的广泛性导致时间要求的范围，寿命和精度不同于传统的系统。此外，许多节点新兴的传感器系统将非系留，因此有小型的能源储备。所有通讯，甚至被动的听，将产生重大的影响，这些储备时间同步方法的传感器网络 因此，必须也考虑到他们消费的时间和精力。 在本文中，我们认为，非均质性要求在传感器网络应用的需要能源效率和其他方面的限制没有发现在常规分布式系统，甚至是各种硬件而传感器网络将部署，使目前的同步计划不足以完成这项任务。传感器网络，现有的计划将需要扩大和合并后新的方式，以便提供服务，以满足应用的需要与可能的最低能量支出。 在此框架内，我们提出我们的想法事后同步，极低功耗同步方法时钟在一个地方时，准确的时间戳记是需要具体的事件。我们还提出了实验这表明这个多式联运计划能够精确在1微秒。为了更好地级比的两种模式，它的组成。这些结果是令人鼓舞的，但仍是初步的，表现实验室条件下的理想化。 第2节中，我们提出了一些指标，可以用来区分两种类型所提供的服务同步 方法和要求的应用使用这些方法。第3节介绍我们的事后同步的想法，并介绍了实验的特点其表现。第4节描述今后的工作中，我们的结论在第5节。 2．时间同步的特征 许多不同的方法分配的时间同步在共同使用。如美国全球定位系统（GPS ）[ 8 ]和WWV / WWVB广播电台由国家研究所标准与技术[ 2 ]提供参考美国时间和频率标准。网络时间协议，特别是在Mills的NTP [ 10 ] ，从这些主要来源的网络连接电脑分配时间。 在研究适用于传感器网络，我们已发现有用的特点是不同类型的时间沿线各轴同步。我们认为某些指标特别重要： 精密，无论是分散之间的一组同龄人，或最大误差对外部标准。 生命周期，这可以从持续同步持续只要网络运营，几乎瞬时（有益的，例如，如果节点要比
基于系统集成技术的节点类型和特点 在节点的功能设计和实现方面，目前常用的节点均为采用分立元器件的系统集成技术。已出现的多种节点的设计和平台套件，在体系结构上有相似性，主要区别在于采用了不同的微处理器，如AVR系列和MSP430系列等；或者采用了不同的射频芯片或通信协议，比如采用自定义协议、802.11协议、ZigBee[1]协议、蓝牙协议以及UWB通信方式等。典型的节点包括Berkeley Motes [2，3], Sensoria WINS[4], MIT μAMPs [5], Intel iMote [6], Intel XScale nodes [7], CSRIO研究室的CSRIO节点[8]、Tmote [9]、ShockFish公司的TinyNode[10]、耶鲁大学的XYZ节点[11] 、smart-its BTNodes[12]等。国内也出现诸多研究开发平台套件，包括中科院计算所的EASI系列[13-14]，中科院软件所、清华大学、中科大、哈工大、大连海事大学等单位也都已经开发出了节点平台支持网络研究和应用开发。 这些由不同公司以及研究机构研制的无线节点在硬件结构上基本相同，包括处理器单元、存储器单元、射频单元，扩展接口单元、传感器以及电源模块。其中，核心部分为处理器模块以及射频通信模块。处理器决定了节点的数据处理能力和运行速度等，射频通信模块决定了节点的工作频率和无线传输距离，它们的选型能在很大程度上影响节点的功能、整体能耗和工作寿命。 目前问世的传感节点（负责通过传感器采集数据的节点）大多使用如下几种处理器：ATMEL公司AVR系列的ATMega128L处理器，TI公司生产的MSP430系列处理器，而汇聚节点（负责会聚数据的节点）则采用了功能强大的ARM处理器、8051内核处理器、ML67Q500x系列或PXA270处理器。这些处理器的性能综合比较见表1。 表1、无线传感器网络节点中采用的处理器性能比较
1．从无线联网的角度来看，传感器网络结点的体系由分层的网络通信协 议、 、 三部分组成。 2． 传感器一般由__________、敏感元件、__________组成。 3．传感器网络的无效能量主要来源于_________、串扰、_________和控制开销。 4． 根据数据进行融合操作前后的信息含量，可以将数据融合分为 、 两类。 5. 通常计算机网络的研究与设计方法包括 、实验方法和、 。 二、单项选择题（每题2分，共20分） 1．谣传路由协议属于（ ）。 A. 能量感知路由协议 B. 基于查询的路由协议 C. 地理位置路由协议 D. 可靠的路由协议 2．下列哪一种类型的帧不属于IEEE802.15.4网络定义的帧（ ）。 A. 信标帧 B. MAC 命令帧 C. 数据帧 D. 超帧 3．下列定位算法中，距离无关的定位算法有( )。 A.APIT 算法 B. TOA 算法 C. RSSI 算法 D. AOA 定位算法 4．下列不属于传感器数据处理模块设计时需考虑的是( )。 A 、节能设计 B 、小体积 C 、高速率 D 、低成本 5．IEEE802.11MAC 协议规定的三种帧间隔的关系为（ ）。 A. SIFS >PIFS> DIFS B. PIFS > DIFS >SIFS C. DIFS> SIFS > PIFS D. DIFS>PIFS>SIFS 6．设计传感器网络的硬件结点，以下无需考虑的是( )。 A. 微型化 B. 阻抗匹配 C. 高速率 D. 稳定性 7．下列不属于IEEE802.15.4标准规定的物理层负责的任务为（ ）。 A. 信道能量检测 B. 信道频率选择 C. 数据的发送和接收 D. 数据检测与压缩 8．下列不属于网络安全考虑的问题是( )。 A.机密性问题 B.低能耗性问题 C.完整性鉴别问题 D.新鲜性问题。 9．下列不属于传感器网络数据融合的作用是( )。 A.提高信息的准确性和全面性 B. 提高系统的可靠性 C.提高数据的实时性 D. 降低信息的不确定性 10．下列不属于传感器网络时间同步机制的主要性能参数为( )。 A.最大误差 B.同步范围 C.可用性 D.鲁棒性 三、名词解释（每题4分，共20分） 1．无线自组织网 2．LR-WPAN 网络 3．传感器的灵敏度 4．战场感知 5. TODA 四、简答题（每题5分，共20分） 1．传感器网络的体系结构包括哪些部分？ 2．设计基于竞争的MAC 协议的基本思想是什么？ 3．传感器网络实现时间同步的作用是什么？ 4. 如何对传感器网络的定位方法进行分类？ 五、综述题（共20分） 传感器网络的终端探测节点由哪些部分组成？这些组成模块的功能分别是什么？ 络与应用 B 1 3
无线传感器网络结课论文 学号： 姓名： 学院：
目录 一.无线传感器网时间同步技术综述 (1) <一>引言 (1) <二>同步技术研究现状 (1) <三>时间同步算法 (2) 3.1泛洪时间同步协议 (2) 3.2 RBS 协议 (2) 3.3LTS协议 (3) <四>小结 (3) 二.基于无线传感器网络的环境监测系统 (3) <一>网络系统简介 (3) <二>网络系统结构 (3) 2.1总体结构 (3) 2.2传感器节点结构 (4) 2.3汇聚节点结构 (5) <三>应用无线传感器网络的意义 (6) 三．学习心得 (7) 四. 参考文献 (8)
一.无线传感器网时间同步技术综述 <一>引言 无线传感器网络 ( Wireless Sensors Network，WSN) 是一种在一定区域内投放大量的传感器节点，通过无线通信形成的一个单跳或多跳的自组织式的网络系统，它通常采集和处理监测区域中被感知目标的信息，并通过网络发送给主机端以提高人类对物理环境的远端监视和控制能力。无线传感网络技术在交通、国防、医学、农业等方面有着重要的运用。无线传感器网络由大量的节点构成，通常包括传感器节点、汇聚节点和任务管理节点。大量体积小、精度高的传感器节点随机部署在监测区域内，通过自组织的方式构成网络。传感器节点将监测到的数据传输给其它传感器节点，经过多跳后路由到汇聚节点，最后通过互联网或卫星到达任务管理节点。用户则通过任务管理节点发布监测任务以及收集监测数据，对无线传感器网络进行管理。 无线传感器网络是许多领域里的关键技术之一，而时间同步则是无线传感器网络中的关键技术之一。简而言之，在检测与监视某对象的过程中，目标定位和追踪、协同数据处理、能量管理等都对物理时间的精确度都有着敏感的需求。因此，无线传感器网络的应用通常需要一个适应性比较好的时间同步服务，以保证数据的一致性和协调性。此外，数据融合、通信信道复用等也都需要时间同步的保障。所以，如何根据无线传感器网络的特点对物理时间进行同步是一个重要的问题。 目前，学术界和业界对无线传感器网络的时间同步技术进行了一定的研究，本章节描述了无线传感器网络时间同步技术的研究现状，对3种不同时间同步机制的经典算法进行分析和比较。 <二>同步技术研究现状 时间同步技术相对于计算机网络的相关技术而言尚为年轻，自从2002年学术会议Hot Nets上首次提出了时间同步这一研究课题后，到目前为止，无线传感器网络的时间同步技术也取得了一定进展，同时也开发出了多种极其有价值时间同步的算法。 目前，对于单跳网络的同步研究已趋于成熟，但由于同步误差的累积，导致单跳网络的同步技术难以扩展到多跳网络，使得多跳网络的同步技术研究较为薄弱。若再考虑节点的移动性，则会极大增加同步技术的研究难度。因此，无线传感器网络的时间同步技术还有很大的研究空间。
无线传感器网络试题库附答案 《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28s a)、点协调功能帧间间隔PIFS长度是SIFS加一个时隙(slot)长度，即78s 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
文章编号: 1673 9965(2010)06 560 05 无线传感器网络多跳时间同步算法* 侯宏录1,杨朋伟2,谢矿生2,胡民效2 (1.西安工业大学光电工程学院,西安710032;2.武警西安指挥学院教研部,西安710038) 摘 要: 针对多跳网络中同步误差累积和同步开销大的问题,提出了一种最优拓扑结构的时间同步算法.通过构造最优拓扑结构和在网络节点之间传递时间同步报文来减小累积误差和时间同步开销.借鉴无线传感器网络时间同步延迟测量算法的打时间戳技术进行时间偏差估计来提高时间同步的精度.应用结果表明:在具有33个节点的传感器网络中,相比无线传感器网络时间同步协议算法,该算法的时间同步开销减小了2/3,引起累积误差的关键路径长度减小了1/2. 关键词: 最优拓扑结构;时间同步;关键路径;无线传感器网络 中图号: T P301.6 文献标志码: A 传统的传感器网络时间同步算法有参考广播同步(Reference Bro adcast Sy nchr onization,RBS)算法[1]、无线传感器网络时间同步协议(T iming Sync Protocol for Sensor N etw orks,T PSN)算法[2]、FT SP[3](Flooding Tim e Synchronization Pro to col)算法、基于累计时延统计的传感器网络数据同步算法[4]以及基于连通支配集的时间同步算法[5].这些算法都采用提高单跳同步精度、采用最短路径同步以减少跳数,降低多跳误差累积,却没有充分利用周围节点的时钟信息以降低误差随跳数累积的速度.另外这些算法为了提高时间同步的精确度,节点之间信息交换的次数比较多,因此同步开销和节点功耗较大. 基于连通支配集的时间同步算法通过在支配节点之间传递时间同步报文,非支配节点只接收时间同步报文,从而实现时间同步,由于只有支配节点发送时间同步报文,该算法大大减少了时间同步开销,但是,该算法仍然存在着较大的累积误差,在网络规模较大时这种情况更加明显. 为更好的减小累积误差,受到基于连通支配集的时间同步算法的启发,考虑到通过构造最优拓扑结构的方法来减小时间同步过程中关键路径的长度,从而实现减小累积误差和减少时间同步开销.受到无线传感器网络时间同步延迟测量(Delay M easurement Time Synchronizatio n for Wireless Sensor Netw orks,DM TS)算法打时间戳技术的启发,以及研究时间同步报文在传感器网络中的传播规律,通过在MAC层进行标记时间戳及应用累计时延统计方法来进行时延估计,从而及时调整和更正错误的时间包信息,以减小累积误差,进而实现时间的精确同步. 文中通过构造最优拓扑结构及时 估计的方法实现了全网节点的时间同步.设计了一种低同步开销及低累计误差的时间同步算法. 1 传感器网络多跳时间同步算法 算法的基本思想是通过构造拓扑结构和借鉴DM TS算法的打时间戳技术,在拓扑结构中传递时间同步报文以实现整个网络中节点的时间同步. 1.1 相关概念定义 定义1 (相邻节点)给定图中的两个节点,若 第30卷第6期 西 安 工 业 大 学 学 报 V ol.30N o.6 2010年12月 Jo ur nal of X i an T echno lo gical U niver sity Dec.2010 *收稿日期:2009 05 05 基金资助:国防基础预研项目(B2220061084) 作者简介:侯宏录(1960 ),男,西安工业大学教授,主要研究方向为光电检测技术、智能控制、复杂系统建模仿真及效能评估. E mail:hlhou@https://www.doczj.com/doc/8518770696.html,.
1 系统结构概述 本文设计的WSN硬件平台，由若干传感器节点，具有无线接收功能的汇聚节点，以及一台PC机组成。 根据无线传感器网络的应用需求以及功能要求，节点的设计主要包括如下几个基本部分：传感器单元、处理器单元、A/D单元、射频单元、供电单元以及扩展接口单元。节点的硬件体系结构框架如图1-1 所示。 图1-1 传感器单元负责对所关心的物理量进行测量并采集数据，提供给处理器单元进行处理；处理器单元负责数据处理及控制整个节点的正常工作；射频天线单元负责与其他节点进行无线通信，交换控制信息和相关数据；供电单元负责为节点提供运行所需的能量；扩展接口可以实现节点平台的功能拓展，以适应不同的应用需求。 2 节点核心模块设计： 2-1电源模块设计： 电源是设计中的关键部分，电源稳定工作是整个节点正常工作的保证，设计合理的电源电路至关重要。节点包含模拟器件和数字器件，模拟器件的抗干扰能力较差，且数字器件常常为模拟器件的噪声源，故为了 图2-1-1 提高电路的抗干扰能力，模拟器件接模拟地并采用数字地与模拟地单点共地。电源可选用电池或干电池，电源芯片可选用XC6209、XC6221系列的LDO电源芯片，分别提供3.3V和1.8V的数字与模拟电压，电路如图2-1-1所示。 2-2传感器 模块设计： 温度传感器设 计：本设计采用 LM75DM-33R2串行 可编程温度传感 器，这种传感器在 环境温度超出用户 变成设置时通知主 控制器。滞后也是 可以编程解决。它 采用2线总线方式，允许读入当前温度，并可配置器件。它是数字型温度传感器，直接从
寄存器读出温度参数，并可实现编程设置INT/CMPTR输出极性。 图2-2-1是其功能图，因为设计中只是简单的监测环境的温度，故只需一片 LM75，所以地址线A0、A1、A2置地，INT/CMPTR悬空，设计的接口电路如图2-2-2所示。 图2-2-1 图2-2-2 因为cc2431本身带有A/D模块，也可采用温度传感器AD590测量温度，其接口电路如图2-2-3。
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