无线传感器网络单元定位算法研究与实现毕
业论文
绪论
1.1 选题背景和研究意义
微电子、无线通讯与计算机技术的发展，促使低能耗多用途传感器被广泛运用在各个领域。无线传感器网络[1](Wireless Sensor Network，WSN)由许多小、价格低的传感器节点构成，它们被撒播在监测围中，利用无线通讯自组织成为具有多跳的系统。WSN能够感应、获取监测围的数据，之后把这些感兴趣的数据传递给监测人员。传感技术的任务是获取数据，通讯技术的任务是传递数据，计算机技术的任务是处理数据。在真实的运用环境中，获取数据会遇到以下难题:不容易布置线路、获取信息的面积大。
在传感器网络中，位置信息对传感器网络的监测活动至关重要，事件发生的位置或获取信息的节点位置是传感器节点监测消息中所包含的重要信息，没有位置信息的监测消息往往毫无意义对于这些问题，传感器节点必须首先知道自身的地理位置信息，这是进一步采取措施和做出决策的基础。
定位信息除用做报告事件发生的地点外，还具有下列用途:目标跟踪实时监视目标的行动路线，预测目标的前进轨迹;协助路由，为网络提供命名空间，如直接用节点位置信息进行数据传递的地理路由一协议，避免信息在整个网络中的扩散，并可以实现定向的信息查询；进行网络管理，利用传感器节点传回的位置信息构建网络拓扑图，并实时统计网络覆盖隋况，对节点密度低的区域及时采取必要的措施，实现网络负载均衡以及网络拓扑的自配置，等等。因此在传感器网络中，传感器节点的精确、快速定位对各种应用有着重要的作用。
WSN在国防军事、环境监控、灾害预测等多个领域被广泛运用。在WSN 中，若有某几个节点被蓄谋攻击致使不能使用，这将不可能使网络整体瘫痪。如果我们认为互联网组建了虚拟世界，使人们的通讯方式发生了变化，则WSN便融合了虚拟世界与现实世界，这无疑使人和自然的交流发生了变化。
这会让我们现在的生活发生翻天覆地的变化。
一般情况下，我们会认为采用GPS(Global Positioning System)来确定节点的坐标。但在WSN中，并不完全适合使用GPS进行定位，具体理由如下:首先，传感器(sensor)节点[2]使用电池供电(2节五号电池)，其能量受限，并不能及时更换电池来维持能量。因为GPS消耗能量特别大，所以不适合给每个传感器节点都配置能耗较大的GPS设备。其次，WSN的工作环境特别复杂，不能一定使接收仪器与卫星之间可以无阻碍的进行通讯。在没有阻碍物的情况下，GPS设备才能够正常工作。再次，传感器节点的体积较小，然而GPS设备增大了传感器节点的体积，不符合WSN中传感器节点小的特性。最后，WSN中的传感器节点被大量分布在监测围，数量达到了几千乃至上万个。用GPS定位使得成本增大，不符合WSN的价格低廉性。
由于监测是一个长期与漫长的过程，一般情况下，监测围的环境都比较恶劣，监测人员不容易抵达这些区域，故不能及时给传感器节点补充能量。又因传感器节点具有以下特性:能量受限、通讯能力受限、密集且随机分布，故节省能耗和效率高是实现WSN节点定位技术需要考虑的第一因素。考虑到传感器节点在能量、体积、环境、价格等方面的一些要素，可知GPS不完全适用于WSN。这就要求我们必须设计出适合在WSN中使用的节点定位算法。
1.2 国外研究现状
国际上比较有代表性和影响力的无线传感网络实用和研发项目有遥控战场传感器系统[2]（Remote Battlefield Sensor System，简称REMBASS --伦巴斯）、网络中心战[2]（NCW）及灵巧传感器网络[2]（SSW）、智能尘[2]（smart dust）、Intel ?Mote、Smart-Its项目、行为习性监控[2]（Habitat Monitoring）项目等。尤其是今年最新试制成功的低成本美军“狼群”地面无线传感器网络标志着电子战领域战术的最新突破。俄亥俄州正在开发“沙地直线”（A Line in the Sand）无线传感器网络系统。这个系统能够散射电子网（tripwires）到任何地方。民用方面，美日等发达国家在对该技术不断研发的基础上在多领域进行了应用。
对于国的研究现状。清华大学、中国科技大学、大学、华中科技大学、
天津大学、南开大学、北京邮电大学、东北大学、西北工业大学、西南交通大学、理工大学和上海交通大学等单位纷纷开展了有关无线传感器网络方面的基础研究工作。一些企业如中兴通讯公司等单位也加入无线传感器网络研究的行列。但是我国的关于无线传感器网络的研究仍旧处于起步阶段。1.3 研究前景
WSN是新出现的传感器网络，它的发展与运用给人们生活与生产中不同领域都产生了有意义的影响。无基本设备支撑的无线自组织网，其具有以下特性:多跳、自组织与可重构。这类网络的拓扑结构与信道环境都会因节点走动而动态变换。它能够为普通领域的运用与国防军事领域的运用迅速搭设通讯环境。
未来移动通讯网[3]不仅能使数据进行传递，而且还要求在无专用通讯基本设备的情况下，应该具备以下特性:自适应能力与生存能力。因此，WSN 与自组织网，能够对其发展起到促进作用。小型传感器节点具备感知、计算与通讯能力，在监测围撒播的这些传感器节点构成了WSN。任意一个传感器节点至少装一类感知器(声、红外线或磁感应器等)。监测围的所有传感器节点之间，都通过特定协议进行传递与获取数据，最终定位并跟踪对象。通讯、嵌入式与传感器这3项技术的逐渐成熟，使得WSN快速发展。这使得学者与专业研究人员高度重视WSN。在国防军事、环境监控、医疗护理等众多领域，WSN都被广泛运用。
在WSN中，获取位置是其监测对象的重要任务，知道事件准确发生地是整个监测活动的重要环节。传感器节点一般被随机撒播在监测围，例如它们被撒播在监测生态环境、火灾现场等场所，这些传感器节点并不清楚自己的位置，故要求传感器节点一旦被分布，就应该可以快速自定位。除了这些描述，定位技术还具有别的功能:网络管理、改善路由、目标跟踪等。
对于网络管理，获取的传感器节点数据被用来构造拓扑结构图，为了及时知道网络的涵盖围，使得节点不太多的地方可以快速采取相应挽救措施。节点坐标数据还有一个特别功能，就是用来辅助实现路由。在知道任意一个节点与其周边节点的坐标后，网络才可以达到改善路由的目的。优化路由的
好处是:改善系统的性能、安全性与节约电量。
因此，在WSN的任何一类运用中，准确定位传感器节点起着举足轻重的作用。准确定位是WSN运用的基础，是其支撑技术。可以看出，WSN节点定位技术的运用前景相当好。
1.4 论文主要研究容和结构
本研究旨在设计与实现一种高效、鲁棒性[4]好、代价小的无线传感器网络节点定位算法，使之适应于一些复杂环境下的定位需要。
由于传感器网络部署完成之后，我们要面临的首要问题就是无线传感器网络目标节点的定位。所以可知，定位技术是WSN的一项重要支撑技术。本文研究了基于测距和无需测距的定位算法，并总结了这类算法的优劣势。其中重点研究与分析了己有的DV-HOP[5]算法及其改进和基于多维标度定位算法的定位原理。针对DV-HOP算法固有的一些不足，提出了一种改进方案。
对于本论文重点研究的DV-HOP定位算法，重点研究了以下容：计算出用RSSI测量的距离值与每跳距离和的均值，然后利用该均值与实际距离的差值，得到总距离与平均每跳的距离误差校正值。用MIN-MAX[5]与加权最小二乘法的混合定位法替换了三边测量法。该算法不仅降低了平均定位误差、提高了节点的定位覆盖率，同时还减少了计算代价。
本文的主要容安排如下:
第一章首先简单介绍了论文的选题背景和国外研究现状，之后，简要说明了此课题的国外研究现状和存在的问题。最后是介绍了论文的主要研究容和论文结构。
第二章主要介绍无线传感器网络相关背景知识。阐包括无线传感器网络的基本概念及其体系结构；分析了无线传感器网络不同于传统网络的一些自身特点。
第三章根据WSN的特点介绍了WSN的体系结构和特征；然后重点研究了基于测距技术的定位算法分析和与距离有关、与距离无关的定位算法分析。
第四章重点对DV-HOP的改进。重点研究了以下容：计算出用RSSI[5]测量的距离值与每跳距离和的均值，然后利用该均值与实际距离的差值，得到
总距离与平均每跳的距离误差校正值。用MIN-MAX与加权最小二乘法的混合定位法替换了三边测量法。该算法不仅降低了平均定位误差、提高了节点的定位覆盖率，同时还减少了计算代价。同时对DV-Hop算法进行了MATLAB 仿真结果分析，得出结论，给出最佳方案。
最后是参考文献、致谢、附录。
1.5 本章小结
本章首先简单介绍了无线传感器网络的起源和研究进展状况，之后，简要分析了节点定位技术对无线传感器网络的意义并详细描述了定位技术的国外研究趋势和研究热点。最后简要描述了本文的组织结构和容安排。
第2章无线传感器网络
2.1 无线传感器网络的体系结构
2.1.1 无线传感器网络结构
图2-1表示了无线传感器网络的体系结构。WSN由以下几个部分组成:传感器节点(sensor node)、网关[12](或汇聚节点sink node)、互联网或通讯卫星、任务管理节点。
监测区域
图2-1 无线传感器网络体系结构
在WSN中，人们通过飞机撒播或手动分布等方式，把许多传感器节点随意撒播在监控区域（sensor field）中或者周边，这些传感器节点自组织组建了网络。传感器节点把感知信息通过除它之外的传感器节点进行传递，在逐跳传递时，其它很多节点也许会处理这些感知信息(比如数据融合等)，感知数据凭借多跳路由的方式抵达汇聚节点。它们最终借助卫星或Internet 到管理节点。监测人员通过任务管理节点配置与管理WSN，发布监测任务及获取监测数据。
一般情况下，传感器节点是一类很小的嵌入式系统。因为电池给传感器节点提供电量，所以传感器节点的计算、储蓄与通讯能力都不太强。节点的通讯长度较短，通常只与周边节点交换数据，它借助多跳路由来传递这些容。故从网络用途的角度来考虑，所有传感器节点都具备普通网络节点的2个功
能:终端与路由。所有传感器节点不只需要获取与处理信息，还需保存、管理与融合其它节点传输来的信息。它们共同合作来实现一系列功能。
与普通节点相比，汇聚节点具有相对强的计算、储蓄与通讯能力。它实现了WSN与外部网络的互连，能够使2个协议栈间的通讯协议相互转变，并且广播管理节点的感知容，最后监测到的信息被传递给互联网。汇聚节点不仅能是无通讯功能的网关仪器，而且同样能是含多用途的传感器节点。
2.1.2 传感器节点结构
运用需求不一样，使得传感器节点的结构也不完全一样。但通常情况下，传感器节点都包含以下4个模块:传感器模块、处理器模块、无线通讯模块与能量供应模块。
传感器节点结构[14]的示意图如图2-2所示:
无线通信模块
图2-2 传感器节点结构
传感器模块的作用是，获取监控围中的数据与转换这些容。它的类型通常取决于被监控信号的种类。
处理器模块的作用是，操作所有的传感器节点，保存与处理自己获取的信息与除它之外的节点传递给它的信息。处理器一般会采用嵌入式CPU。
无线通讯模块的作用是，能够使传感器节点与除它之外的传感器节点取得联系(通讯)，并互换操作的数据、获取并发送监测信息。长度短、能耗小的无线通讯仪器构成了无线通讯模块。
能量供应模块的作用是，供给传感器节点运行时总共要的电量。在一般情况下，使用特别小的电池为其供应电量。
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
摘要 无线传感器网络（WSN，Wireless Sensor Network）是近年来迅速发展并受到普遍重视的新型网络技术，它的出现和发展给人类的生活和生产的各个领域带来了深远的影响。无线传感器网络节点定位技术是无线传感器网络应用研究的基础。目前，已有多种定位技术被应用于室内定位中，尤其是基于接收信号强度（RSSI，Received Signal Strength Indication）的定位技术以其低功耗、低成本、易于实现等优点，得到了无线传感器网络研究学者们的青睐。 本文重点研究了基于RSSI的室内定位的关键技术，主要包括定位模型分析和定位算法设计。首先，为了获得较为精确的定位，根据RSSI测距原理和无线信号传播衰减模型在设定的室内环境进行多次实验，通过计算及均值处理等方法反复调整以获得标准的定位模型参数，得到高精度的等效距离。接着，根据三边定位算法原理简化定位算法，建立更为简单的定位模型，采用双边定位得到两个可能的定位点，再利用RSSI测距原理对两个定位点进行择优选择确定定位点。最后，在Arduino开发平台上对参考节点与未知节点这两类iDuino节点的室内定位模型进行了软件开发设计和程序开发。在设定的室内环境部署iDuino节点，搭建实验定位模型，并实现了定位。 关键词：无线传感器网络，节点，室内定位，RSSI，Arduino
ABSTRACT Wireless sensor network (WSN) is developed rapidly and universally emphasized as a new network technology in recent years, the advent and development of WSN have had a profound and lasting impact on the life and all areas of production of human beings. Wireless nodes localization technology is the basis in the application and studies of wireless sensor network. There are a variety of positioning technology have been used in indoor location at present, especially the based on RSSI (received signal strength) positioning technology gets a great preference from many scholars of studies of wireless sensor network with the advantages of low power consumption, low cost and easy to realize. This paper mainly studies the key technology of indoor positioning based on RSSI, which mainly includes the positioning model analysis and positioning algorithm design. First, in order to obtain more accurate positioning, we perform several experiments according to the RSSI ranging principle and wireless signal propagation attenuation model in the setting of indoor environment, and get accurate positioning model parameters and equivalent distance by the methods of calculation and mean processing. Then, we simplify Trilateral Localization Algorithm to Bilateral Location Algorithm and establish a simpler positioning model, with which we can get two nodes of possible location, and determine the better node according to the RSSI ranging principle. At last, we make software designing and programming of these nodes that are anchor nodes and nodes of unknown on the Arduino development platform. Combined with the indoor environment we selected, we deploy the iDuino nodes and then build location model, with which we implement the location. KEY WORDS：Wireless Sensor Network，Nodes，Indoor Location，RSSI，Arduino
无线传感器网络面临的安全隐患及安全定位机制 随着通信技术的发展，安全问题显得越来越重要。在现实生活中，有线网络已经深入到千家万户：互联网、有线电视网络、有线电话网络等与人们生活的联系越来越紧密，已经成为必不可少的一部分，有线网络的安全问题已经能够得到有效的解决。在日常生活中，人们可以放心的使用这些网络，利用它来更好的生活和学习。然而随着无线通信技术的不断发展，无线网络在日常生活中已占据重要的地位，如无线LAN技术、3G技术、4G技术等，同时也有许多新兴的无线网络技术如无线传感器网络， Ad-hoc 等有待进一步发展。随着人们对无线通信的依赖越来越强烈，无线通信的安全问题也面临着重要的考验。本章首先介绍普通网络安全定位研究方法，随后介绍无线传感器网络存在的安全隐患以及常见的网络攻击模型，分析比较这些攻击模型对定位的影响，最后介绍已有的一些安全定位算法，为后续章节的相关研究工作打下基础。 3.1 安全定位研究方法 不同的定位算法会面临着不同的安全方面的问题，安全定位的研究方法可以 采用图 3-1 所示的流程来进行。
图3-1安全定位方法研究流程图 Figure 3-1 Flowchart of security positi oning research method 在研究中首先要找出针对不同定位算法的攻击模型，分析这些攻击对定位精 度所造成的影响，然后从两方面入手来解决这个安全问题或隐患：一方面改进定 位算法使得该定位算法不易受到来自外界的攻击，另一方面可以设计进行攻击检 测判断及剔除掉受到攻击的节点的安全定位算法或者把已有的安全算法进行改进使之能够应用于无线传感器网络定位，还可以从理论上建立安全定位算法的数学模型，分析各种参数对系统性能的影响，最后根据这个数学模型对算法进行仿真，并把仿真结果作为反馈信息，对安全定位算法进一步优化和改进，直到达到最优为止。 3.2安全隐患 由于无线传感器网络随机部署、网络拓扑易变、自组织成网络和无线链路等特点，使其面临着更为严峻的安全隐患。在传感器网络不同的定位算法中具有不同的定位思想，所面临的安全问题也不尽相同。攻击者会利用定位技术的弱点设计不同的攻击手段，因此了解各定位系统自身存在的安全隐患和常见的攻击模型对安全定位至
基于无线传感器网络的桥梁安全检测系统 摘要 根据桥梁监测无线传感器网络技术的桥梁安全监测系统，以实现方案的安全参数的需要；对整个系统的结构和工作原理的节点集、分簇和关键技术，虽然近年来在无线传感器网络中，已经证明了其潜在的提供连续结构响应数据进行定量评估结构健康，许多重要的问题，包括网络寿命可靠性和稳定性、损伤检测技术，例如拥塞控制进行了讨论。 关键词：桥梁安全监测；无线传感器网络的总体结构；关键技术 1 阻断 随着交通运输业的不断发展，桥梁安全问题受到越来越多人的关注。对于桥梁的建设与运行规律，而特设的桥梁检测的工作情况，起到一定作用，但是一座桥的信息通常是一个孤立的片面性，这是由于主观和客观因素，一些桥梁安全参数复杂多变[1]。某些问题使用传统的监测方法难以发现桥梁存在的安全风险。因此长期实时监测，预报和评估桥梁的安全局势，目前在中国乃至全世界是一个亟待解决的重要问题。 桥梁安全监测系统的设计方案，即通过长期实时桥跨的压力、变形等参数及测试，分析结构的动力特性参数和结构的评价科关键控制安全性和可靠性，以及问题的发现并及时维修，从而确保了桥的安全和长期耐久性。 近年来，桥梁安全监测技术已成为一个多学科的应用，它是在结构工程的传感器技术、计算机技术、网络通讯技术以及道路交通等基础上引入现代科技手段，已成为这一领域中科学和技术研究的重点。 无线传感器网络技术，在桥梁的安全监测系统方案的实现上，具有一定的参考价值。 无线传感器网络（WSN）是一种新兴的网络科学技术是大量的传感器节点，通过自组织无线通信，信息的相互传输，对一个具体的完成特定功能的智能功能的协调的专用网络。它是传感器技术的一个结合，通过集成的嵌入式微传感器实时监控各类计算机技术、网络和无线通信技术、布式信息处理技术、传感以及无线发送收集到的环境或各种信息监测和多跳网络传输到用户终端[2]。在军事、工业和农业，环境监测，健康，智能交通，安全，以及空间探索等领域无线传感器网络具有广泛应用前景和巨大的价值。 一个典型的无线传感器网络，通常包括传感器节点，网关和服务器，如图1
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
无线传感器网络的应用与影响因素分析 摘要：无线传感器网络在信息传输、采集、处理方面的能力非常强。最初，由于军事方面的需要，无线传感网络不断发展，传感器网络技术不断进步，其应用的范围也日益广泛，已从军事防御领域扩展以及普及到社会生活的各个方面。本文全面描述了无线传感器网络的发展过程、研究领域的现状和影响传感器应用的若干因素。关键词：无线传感器网络；传感器节点；限制因素 applications of wireless sensor networks and influencing factors analysis liu peng (college of computer science,yangtze university,jingzhou434023,china) abstract:wireless sensor networks in the transmission of informa- tion,collecting,processing capacity is very strong.initially,due to the needs of the military aspects of wireless sensor networks,the continuous development of sensor network technology continues to progress its increasingly wide range of applications,from military defense field to expand and spread to various aspects of social life.a comprehensive description of the development
第36卷 增刊Ⅰ2008年 10月 华 中 科 技 大 学 学 报(自然科学版) J.Huazhong Univ.of Sci.&Tech.(Natural Science Edition )Vol.36Sup.Ⅰ Oct. 2008 收稿日期:2008207215. 作者简介:郝志凯(19832),男,博士研究生,E 2mail :zk -hao @https://www.doczj.com/doc/be5800483.html,. 基金项目:国家高技术研究发展计划资助项目(2006AA11Z225);国家自然科学基金资助项目(60635010, 60605026). 无线传感器网络定位方法综述 郝志凯 王 硕 (中国科学院自动化研究所复杂系统与智能科学实验室,北京100190) 摘要:介绍了国内外研究机构在无线传感器网络定位方法方面开展的研究工作,并对这些研究工作进行了归纳和总结.定位的基本方法分为距离式定位和非距离式定位.距离式定位是通过测量距离或角度进行位置估计,测量数据的精度对定位精度有很大影响.非距离式定位是通过节点间的hop 数或估计距离计算节点的坐标,这种方法不需要测量距离或角度,利用估计距离代替真实距离,算法简单但精度不高.无线传感器网络中定位方法的应用需要针对不同的应用场合,综合考虑节点的规模、成本及系统对定位精度等要求来进行设计和选择. 关 键 词:无线传感器网络;定位方法;距离式定位;非距离式定位;相对定位 中图分类号:TN919.2;TP732 文献标识码:A 文章编号:167124512(2008)S120224204 Survey on localization algorithms for wireless sensor net w orks H ao Zhi k ai W ang S huo (Laboratory of Complex Systems and Intelligence Science ,Institute of Automation , Chinese Academy of Sciences ,Beijing 100190) Abstract :Current researches in wireless sensor networks (WSNs ′ )localization algorit hms are int ro 2duced ,and t hese researches are analyzed and concluded.The p recision of t he nodes ′locations are im 2portant for t he data ′s effectiveness in WSNs ′.The localization algorit hms are divided into range 2based and range 2free.Range 2based algorit hms use t he measured distance and angle to calculate t he nodes ′coordinates.However ,t he range 2f ree researches use hop s or evaluated distance to localization ,which are simple but low 2precision.In different occasions ,t he algorit hm should be taken account in t he net 2work ′s size ,co st ,p recision and so on. K ey w ords :wireless sensor networks (WSNs ′ );localization ;range 2based ;range 2f ree ;relative po sitio 2ning 目前广泛使用的全球卫星导航定位系统GPS 可用来确定携带者的绝对位置,但不适合在 无线传感器网络中大量使用.主要有以下原因[1]:a .成本高.无线传感器网络中的节点数量多、分 布密集,如果各节点都配备GPS 接收器成本很高;b .能源限制.网络中的节点通常是通过内部电池进行供电,由于其工作环境有时在森林、山地等人迹罕至的地方,对其进行电源更换困难;c .工作环境限制.节点有时会分布在室内等电磁 波较难到达的环境中,这种工作环境下GPS 无法完成定位任务;d .尺寸较大.由于上述种种原因使得GPS 不能广泛用在无线传感器网络系统的节点上,这就需要发展适合于无线传感器网络应用的节点定位方法. 鉴于无线传感器网络节点在能耗、计算能力、通信能力等方面的限制,其节点的定位方法应该具有分布式、低复杂性、精度较高、通用性较好等特点,国内外的研究机构已开展了大量工作[2～9].
一、课题研究目的 针对目前中国的交叉路口多，车流量大，交通混乱的现象研究一种控制交通信号灯的基于无线传感器的智能交通系统。 二、课题背景 随着经济的快速发展，生活方式变得更加快捷，城市的道路也逐渐变得纵横交错，快捷方便的交通在人们生活中占有及其重要的位置，而交通安全问题则是重中之重。据世界卫生组织统计，全世界每年死于道路交通事故的人数约有120 万，另有数100 万人受伤。中国拥有全世界1. 9 %的汽车，引发的交通事故占了全球的15 % ，已经成为交通事故最多发的国家。2000 年后全国每年的交通事故死亡人数约在10 万人，受伤人数约50万，其中60 %以上是行人、乘客和骑自行车者。中国每年由于汽车安全方面所受到的损失约为5180 亿(人民币)，死亡率为9 人/ 万·车，因此，有效地解决交通安全问题成为摆在人们面前一个棘手的问题。 在中国，城市的道路纵横交错，形成很多交叉口，相交道路的各种车辆和行人都要在交叉口处汇集通过。而目前的交通情况是人车混行现象严重，非机动车的数量较大，路口混乱。由于车辆和过街行人之间、车辆和车辆之间、特别是非机动车和机动车之间的干扰，不仅会阻滞交通，而且还容易发生交通事故。根据调查数据统计，我国发生在交叉口的交通事故约占道路交通事故的1/ 3，在所有交通事故类型中居首位，对交叉口交通安全影响最大的是冲突点问题，其在很大程度上是由于信号灯配时不合理(如黄灯时间太短,驾驶员来不及反应)，以及驾驶员不遵循交通信号灯，抢绿灯末或红灯头所引发交通流运行的不够稳定。随着我国经济的快速发展，私家车也越来越多，交通控制还是延续原有的定时控制，在车辆增加的基础上，这种控制弊端也越来越多的体现出来，造成了十字交叉路口的交通拥堵和秩序混乱，严重的影响了人们的出行。智能交通中的信号灯控制显示出了越来越多的重要性。国外已经率先开展了智能交通方面的研究。 美国VII系统(vehicle infrastructure integration)，利用车辆与车辆、车辆与路边装置的信息交流实现某些功能，从而提高交通的安全和效率。其功能主要有提供天气信息、路面状况、交叉口防碰撞、电子收费等。目前发展的重点主要集中在2个应用上: ①以车辆为基础; ②以路边装置为基础。欧洲主要是CVIS 系统(cooperative vehicle infrastructure system)。它有60 多个合作者，由布鲁塞尔的ERTICO 组织统筹，从2006 年2 月开始到2010年6月，工作期为4年。其目标是开发出集硬件和软件于一体的综合交流平台，这个平台能运用到车辆和路边装置提高交通管理效率，其中车辆不仅仅局限于私人小汽车，还包括公共交通和商业运输。日本主要的系统是UTMS 21 ( universal traffic management system for the 21st century , UTMS 21)。是以ITS 为基础的综合系统概念,由NPA (National Police Agency) 等5个相关部门和机构共同开发的，是继20 世纪90 年代初UTMS 系统以来的第2代交通管理系统，DSSS是UTMS21中保障安全的核心项目，用于提高车辆与过街行人的安全。因此，从国外的交通控制的发展趋势可以看出，现代的交通控制向着智能化的方向发展，大多采用计算机技术、自动化控制技术和无线传感器网络系统，使车辆行驶和道路导航实现智能化，从而缓解道路交通拥堵，减少交通事故，改善道路交通环境，节约交通能源，减轻驾驶疲劳等功能，最终实现安全、舒适、快速、经济的交通环境。
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
《无线传感器网络》 一、填空题（每题4分，共计60分） 1.传感器网络的三个基本要素：传感器、感知对象、用户(观察者) 2.传感器网络的基本功能：协作式的感知、数据采集、数据处理、发布感知信息 3、 3.无线传感器节点的基本功能：采集数据、数据处理、控制、通信 4.无线通信物理层的主要技术包括：介质选择、频段选取、调制技术、扩频技术 5.扩频技术按照工作方式的不同，可以分为以下四种：直接序列扩频、跳频、跳时、宽带 线性调频扩频 6.定向扩散路由机制可以分为三个阶段：兴趣扩展阶段、梯度建立阶段、路径加强阶段 7.无线传感器网络特点：大规模网络、自组织网络、可靠的网络、以数据为中心的网络、 应用相关的网络 8.无线传感器网络的关键技术主要包括：网络拓扑控制、网络协议、时间同步、定位技术、 数据融合及管理、网络安全、应用层技术 9.IEEE 标准主要包括：物理层。介质访问控制层 10.简述无线传感器网络后台管理软件结构与组成：后台管理软件通常由数据库、数据处理 引擎、图形用户界面和后台组件四个部分组成。 11.数据融合的内容主要包括：多传感器的目标探测、数据关联、跟踪与识别、情况评估和 预测 12.无线传感器网络可以选择的频段有：_800MHz___915M__、、___5GHz 13.传感器网络的电源节能方法：_休眠（技术）机制、__数据融合 14.传感器网络的安全问题：(1) 机密性问题。 (2) 点到点的消息认证问题。 (3) 完整 性鉴别问题。 15.规定三种帧间间隔：短帧间间隔SIFS，长度为 28 s a)、点协调功能帧间间隔PIFS长度是 SIFS 加一个时隙(slot)长度，即78 s b)分布协调功能帧间间隔DIFS ，DIFS长度=PIFS +1个时隙长度，DIFS 的长度为 128 s 16.任意相邻区域使用无频率交叉的频道是，如：1、6、11频道。 17.网络的基本元素SSID标示了一个无线服务，这个服务的内容包括了：接入速率、工作 信道、认证加密方法、网络访问权限等 18.传感器是将外界信号转换为电信号的装置，传感器一般由敏感元件、转换元件、转换电 路三部分组成 19.传感器节点由传感器模块、处理器模块、无线通信模块和能量供应模块四部分组成 20.物联网是在计算机互联网的基础上，利用RFID、无线数据通信等技术，构造一个覆盖 万物的网络。RIFD无线识别、嵌入式系统技术、能量供给模块和纳米技术列为物联网关键技术。 二、基本概念解释（每题5分，共40分） 1.简述无线网络介质访问控制方法CSMA/CA的工作原理 CSMA/CA机制: 当某个站点（源站点）有数据帧要发送时，检测信道。若信道空闲，且在DIFS时间内一直空闲，则发送这个数据帧。发送结束后，源站点等待接收ACK确认帧。如果目的站点接收到正确的数据帧，还需要等待SIFS时间，然后向源站点发送ACK确认帧。若源站点在规定的时间内接收到ACK确认帧，则说明没有发生冲突，这一帧发送成功。否则执行退避算法。
1武警部队监控平台架构介绍与设计 1.1监控系统的系统结构 基站监控系统的结构组成如上图所示，主要由三个大的部分构成，分别是监控中心、监控站点、监控单元。整个系统从资金、功能以及方便维护性出发，我们采用了干点加节点方式的监控方法。 监控中心（SC）：SC的定义是指整个系统的中心枢纽点，控制整个分监控站，主要的功能是起管理作用和数据处理作用。一般只在市级包括（地、州）设置相应的监控中心，位置一般在武警部队的交换中心机房内或者指挥中心大楼内。 区域监控中心（SS）：又称分点监控站，主要是分散在各个更低等级的区县，主要功能是监控自己所负责辖区的所有基站。对于固话网络，区域监控中心的管辖范围为一个县/区；移动通信网络由于其组网不同于固话本地网，则相对弱化了这一级。区域监控中心SS的机房内的设备配置与SC的差不多，但是不同的是功能不同以及SS的等级低于SC,SS的功能主要是维护设备和监控。 监控单元（SU）：是整个监控系统中等级最低的单元了，它的功能就是监控并且起供电，传输等等作用，主要由SM和其他供电设备由若干监控模块、辅助设备构成。SU侧集成有无线传感网络微设备，比如定位设备或者光感，温感设备等等。 监控模块（SM）：SM是监控单元的组成部分之一，主要作用监控信息的采集功能以及传输，提供相应的通信接口，完成相关信息的上传于接收。
2监控系统的分级管理结构及监控中心功能 基站监控系统的组网分级如果从管理上来看，主要采用两级结构：CSC集中监控中心和现场监控单元。CSC主要设置在运营商的枢纽大楼，主要功能为数据处理，管理远程监控单元，对告警信息进行分类统计，可实现告警查询和存储的功能。一般管理员可以在CSC实现中心调度的功能，并将告警信息进行分发。而FSU一般针对具体的某一个基站，具体作用于如何采集数据参数并进行传输。CSC集中监控中心的需要对FSU采集的数据参数进行报表统计和分析，自动生产图表并为我们的客户提供直观，方便的可视化操作，为维护工作提供依据，维护管理者可以根据大量的分析数据和报表进行快速反应，以最快的速度发现网络的故障点和优先处理点，将人力资源使用在刀刃上。监控中心CSC系统的功能中，还有维护管理类，具体描述如下： 1）实时报警功能 该系统的报警功能是指发现机房里的各种故障后，通过声音，短信，主界面显示的方式及时的上报给操作者。当机房内的动力环境，空调，烟感，人体红外等等发生变量后，这些数据通过基站监控终端上传到BTS再到BSC。最后由数据库进行分类整理后存储到SQLSEVRER2000中。下面介绍主要的几种报警方式： 2)声音报警 基站发生告警后，系统采集后，会用声卡对不一样的告警类别发出对应的语音提示。比如：声音的设置有几种，主要是以鸣叫的长短来区分的。为便于引起现场维护人员的重视紧急告警可设置为长鸣，不重要的告警故障设置为短鸣。这样一来可以用声音区分故障的等级，比方某地市的中心交换机房内相关告警声音设置，它的开关电源柜当平均电流达到40AH的时候，提示声音设置为长鸣，并立即发生短信告警工单。如果在夜晚机房无人值守的情况下：
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