当前位置:文档之家› 无线传感器网络的能量有效性网络层路由算法

无线传感器网络的能量有效性网络层路由算法

无线传感器网络的能量有效性网络层路由算法
无线传感器网络的能量有效性网络层路由算法

摘要本文提出了一个能量有效性的适用于无线传感器网络的网络层路由算法—最小跳数路由算法(mhra )。mhra算法分为两个阶段;在感知任务交付阶段,节点通过洪泛感知任务建立路由;在感知数据交付阶段将感知数据沿该路由返回收发器。实验结果表明mhra路由算法通过采用多跳通信工作方式、按需驱动的路由策略、使用传感器节点到sink节点的最佳路径和次最佳路径、数据融合等方案,减少了路由的建立和维持开销,有效地实现了能量节省,实现了算法的简单性、正确性、能量有效性和健壮性。

关键词无线传感器网络、路由协议、能量有效性、能量管理策略

1 算法概述

mhra路由算法采用按需求驱动的路由策略,采用多跳路由通信模式,网络应用者通过sink 节点洪泛查询,激活一个工作节点子集,并在洪泛过程中建立路由。算法可分为两个阶段:感知任务交付和感知数据交付阶段。

在感知任务交付阶段,sink节点向与其相邻的传感器节点发送感知任务查询包,传感器节点收到查询包后,确定自己是否有sink节点需要的感知数据,如果没有就继续向其相邻节点洪泛查询包,在洪泛查询过程中,收到查询包的各个传感器节点根据查询包的信息确定其距离sink最近的上一跳节点,完成路由建立。在感知任务交付阶段,由于查询包是通过洪泛传播到网络中去的,所以要解决洪泛的信息“爆炸”和“重叠”问题,以减少不必要的能量损失。路由的建立是通过每次洪泛查询的过程中完成的,因此,mhra路由算法属于反应路由策略。当收到查询包的传感器节点有sink节点需要的感知数据时,进入感知数据交付阶段,这时传感器节点不再洪泛查询包,并利用感知任务交付阶段建立的路由信息,将感知数据返回给其距离sink的上一跳节点,使感知数据沿着一条最佳路由返回sink。为了解决洪泛的信息爆炸问题,sink节点发送的查询包中,包含跳点计数器(即最大跳点数限制,根据网络尺寸、节点密度等因素确定最大跳点数),每个收到查询包的节点将跳点计数器的值减1,如果为0则不再洪泛该查询包,同时拥有匹配感知数据的传感器节点也不再继续洪泛查询包,因此,查询包不是洪泛到整个网络,mhra路由算法只激活了一个工作节点的子集,能量消耗只集中在这个节点子集上,有效地降低了整个网络的能量损耗。另外,在感知数据交付阶段,通过采用数据融合技术,消除冗余的感知数据,虽然产生一定的数据处理的能量开销和网络延迟,但可以有效地降低通信量,降低了无线通信的能量损耗。

能量有效性的主要目的是延长网络生命期,mhra路由算法可以通过激活一个有限的节点子集、建立传感器节点到sink节点的最佳路径、采用多跳通信模式和数据融合技术,有效地实现能量节省。

2 mhra路由算法的工作原理与描述

mhra路由算法是基于多跳路由通信模式的以数据为中心的路由选择算法。mhra算法通过在查询洪泛中建立数据源节点到sink节点间的最佳路径,并在感知数据沿着路径返回sink节点时利用了简单的数据融合技术,有效地实现能量节省。

2.1 路由算法工作过程的两个阶段

如前文所述,mhra路由算法的工作过程可以分为两个阶段:感知任务交付阶段和感知数据交付阶段。在感知任务交付阶段,应用者通过sink节点向网络洪泛一个查询包,收到查询包的传感器节点利用查询包中的内容建立到sink节点的反向路径;在感知数据交付阶段,拥有匹配数据的传感器节点通过在感知任务交付阶段建立的路径,向sink节点返回感知数据。

2.1.1 感知任务交付阶段

感知任务交付阶段的主要任务是向洪泛查询包,并在洪泛查询包的过程中建立数据源节点到sink节点的最佳路由。为了实现能量有效性,在感知任务交付阶段mhra路由算法要解决的

主要问题是:查询包在洪泛过程中的信息爆炸和重叠;如何通过查询包洪泛建立最佳路由。在网络的初始阶段,所有的传感器节点处于休眠状态,网络应用者通过sink节点向网络发送一个查询,这里的“查询”在mba路由算法中被理解为一次数据请求,查询是对一个物理目标的物理属性进行的数据采集请求,如某个目标或对象的位置、温度等。

sink节点首先根据应用者的数据请求内容建立查询包,设置queryid(查询编号);设置querydata(数据请求内容)字段;将hopcount(跳点计数器)字段设置为mhra路由算法要求的最大跳点数(即允许的最大路径长度):将sourcenodeid(发送节点id)设置为sink:将minhoptosink(距离sink节点最小跳数)字段设置为o。sink节点向网络中与其相邻的传感器节点发出查询包后,进入感知任务交付阶段。

(1)查询包洪泛

传感器节点收到查询包后,如果满足以下条件则向其相邻节点转发查询包:查询包hopcount(跳点计数器)字段的值大于0;根据节点的que行buffer(查询缓冲一)确认该查询包没有收到或转发过:根据查询包的querydata(数据请求内容)字段的内容确认没有匹配数据。洪泛查询包的传感器节点修改查询包中的sourcenodeid(发送节点标识)和m}nhoptosink(距离sink最小跳数)字段,然后将查询包发送到它的相邻节点。

在查询洪泛过程中,算法需要解决洪泛的信息爆炸问题,解决的办法是每一个收到查询包的传感器节点,将查询包中的hopcount(跳点计数器)字段中的值减1,当其值为0时,传感器节点丢弃该包。在查询洪泛时,还要解决信息重叠问题,即当节点收到重复的查询包时,应丢弃该包,解决的办法是在节点中维持一个querybuffer(查询缓冲),每个查询包中都包含有该次查询的编号,利用这两个数据结构可以确定该查询是否己经接收、响应或转发过。

(2)路由建立

建立数据源节点到sink节点的最佳路由,是mhra路由算法的核心问题。最佳路由的建立是通过洪泛查询包的过程中完成的。在特定的网络拓朴和节点密度环境下,一个数据源节点到sink节点会有存在很多可以交付数据的路径。

为了建立最佳路由,传感器节点维护一个minhopbuffer(最小跳数相邻节点缓冲),初始时,该缓冲中的最小跳数字段为一个极大值或无穷大,上一跳节点字段为空。每一个收到查询包的节点,如果满足洪泛该查询包的条件,则修改查询包中的sourcenodeid和minhoptosink 字段,然后向相邻节点发送该查询包。它的相邻节点在接收到这个查询包后,会检查minhoptosink字段,并与minhopbuffer中的minhop(最小跳数)字段进行比较,如果查询包中的minhoptosink字段的值小于minhopbuffer中mitihop字段的值,则将查询包中的sourcenodeid和minhoptosink两个字段内容记录在minhopbuffer的prepnodeid和minhop 字段,并修改查询包中的sourcenodeid为自己的网络标识,修改查询包中的minhopto$ink 字段为最小跳数相邻节点缓冲中的minhop字段值加1。

根据上面的描述,mhra路由算法确定最佳路径的标准是跳点数最短的路径,显然,可能在数据源节点到sink节点之间存在着多条跳点数相同且最短的路径,这些路径可能交叉也可能互不交叉。如果只选择其中一条路径作为感知数据交付路径,由于传感器网络动态性强,因为传感器节点的不断移动和节点的能量损耗,路径可能在感知数据返回前成为失败路径。为了保证路由算法的健壮性,可能考虑在增加传感器节点最小跳数节点缓冲的缓冲深度,形成健壮的多路径交付。

2.1.2 感知数据交付阶段

感知数据交付阶段的主要任务是将匹配数据请求的感知数据沿着感知任务交付阶段建立的路由交付给sink节点,如果是多路径交付,在感知数据交付阶段还要通过数据融合消除冗余的匹配感知数据,以减少通信量,降低通信能量消耗。

当收到查询包的传感器节点有sink节点需要的感知数据时,进入感知数据交付阶段,这时

传感器节点不再洪泛查询包,并利用感知任务交付阶段建立的路由信息,即数据源节点的最小跳数缓冲中记录的minhop和prepnodeid,将感知数据返回给其返回sink节点路径的上一跳节点,使感知数据沿着该路径返回sink节点。

如果在感知任务交付阶段建立的是一个多路径交付的路由,如果这是一个交叉多路径,在路径交叉的节点完成数据融合,消除冗余数据。根据前面的假设,对于同一个查询来说,可能存在多个数据源节点拥有匹配的感知数据,该感知数据是完全冗余的,因此,在路径交叉的节点,在接收到感知数据包时,根据数据包中的查询编号,检查自己的查询缓冲,在对应的查询编号记录中的相应字段,可以确定这个查询的匹配感知数据包是否己经转发过,如果己经转发,则丢弃后来的数据包,以减少网络中的冗余数据,减少通信量。因此带来的通信能量的节省是远远大于数据融合的数据处理能量开销。

无线传感器网络技术试题

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

基于无线传感器网络的环境监测系统设计与实现

南京航空航天大学 硕士学位论文 基于无线传感器网络的环境监测系统设计与实现 姓名:耿长剑 申请学位级别:硕士 专业:电路与系统 指导教师:王成华 20090101

南京航空航天大学硕士学位论文 摘要 无线传感器网络(Wireless Sensor Network,WSN)是一种集成了计算机技术、通信技术、传感器技术的新型智能监控网络,已成为当前无线通信领域研究的热点。 随着生活水平的提高,环境问题开始得到人们的重视。传统的环境监测系统由于传感器成本高,部署比较困难,并且维护成本高,因此很难应用。本文以环境温度和湿度监控为应用背景,实现了一种基于无线传感器网络的监测系统。 本系统将传感器节点部署在监测区域内,通过自组网的方式构成传感器网络,每个节点采集的数据经过多跳的方式路由到汇聚节点,汇聚节点将数据经过初步处理后存储到数据中心,远程用户可以通过网络访问采集的数据。基于CC2430无线单片机设计了无线传感器网络传感器节点,主要完成了温湿度传感器SHT10的软硬件设计和部分无线通讯程序的设计。以PXA270为处理器的汇聚节点,完成了嵌入式Linux系统的构建,将Linux2.6内核剪裁移植到平台上,并且实现了JFFS2根文件系统。为了方便调试和数据的传输,还开发了网络设备驱动程序。 测试表明,各个节点能够正确的采集温度和湿度信息,并且通信良好,信号稳定。本系统易于部署,降低了开发和维护成本,并且可以通过无线通信方式获取数据或进行远程控制,使用和维护方便。 关键词:无线传感器网络,环境监测,温湿度传感器,嵌入式Linux,设备驱动

Abstract Wireless Sensor Network, a new intelligent control and monitoring network combining sensor technology with computer and communication technology, has become a hot spot in the field of wireless communication. With the improvement of living standards, people pay more attention to environmental issues. Because of the high maintenance cost and complexity of dispose, traditional environmental monitoring system is restricted in several applications. In order to surveil the temperature and humidity of the environment, a new surveillance system based on WSN is implemented in this thesis. Sensor nodes are placed in the surveillance area casually and they construct ad hoc network automatieally. Sensor nodes send the collection data to the sink node via multi-hop routing, which is determined by a specific routing protocol. Then sink node reveives data and sends it to the remoted database server, remote users can access data through Internet. The wireless sensor network node is designed based on a wireless mcu CC2430, in which we mainly design the temperature and humidity sensors’ hardware and software as well as part of the wireless communications program. Sink node's processors is PXA270, in which we construct the sink node embedded Linux System. Port the Linux2.6 core to the platform, then implement the JFFS2 root file system. In order to facilitate debugging and data transmission, the thesis also develops the network device driver. Testing showed that each node can collect the right temperature and humidity information, and the communication is stable and good. The system is easy to deploy so the development and maintenance costs is reduced, it can be obtained data through wireless communication. It's easy to use and maintain. Key Words: Wireless Sensor Network, Environment Monitoring, Temperature and Humidity Sensor, Embedded Linux, Device Drivers

无线传感器网络课后习题答案.doc

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: 特征:平面结构的网络比较简单,所有结点的地位平等,所以又可以称为对等式结构。

无线传感器网络的安全性研究

无线传感器网络的安全性研究 0 引言 无线传感器网络(WSN,Wireless Sensor Network)是一种自组织网络,由大量具有无线通信、数据采集和处理、协同合作等功能的节点协同组织构成。WSN在军事、环境、工控和交通等方面有着广阔的应用前景。由于大多数用户对WSN的安全性有较高要求,而WSN有着与传统的Ad hoc网络不同的特点,大多数传统的安全机制和安全协议难以直接应用于WSN,因此有必要设计适合WSN的安全性方案。 无线传感器网络与传统的ad hoc网络相比有如下独有的特点[1]: (1)传感器节点数量巨大,网络规模庞大; (2)节点密集分布在目标区域; (3)节点的能量、存储空间及计算能力受限,容易失效; (4)动态的网络拓扑结构; (5)通常节点不具有统一的身份(ID)。 1 WSN的安全性问题 WSN中,最小的资源消耗和最大的安全性能之间的矛盾,是传感器网络安全性的首要问题。通常两者之间的平衡需要考虑到有限的能量、有限的存储空间、有限的计算能力、有限的通信带宽和通信距离这五个方面的问题。 WSN在空间上的开放性,使得攻击者可以很容易地窃听、拦截、篡改、重播数据包。网络中的节点能量有限,使得WSN易受到资源消耗型攻击。而且由于节点部署区域的特殊性,攻击者可能捕获节点并对节点本身进行破坏或破解。 另外,WSN是以数据通信为中心的,将相邻节点采集到的相同或相近的数据发送至基站前要进行数据融合,中间节点要能访问数据包的内容,因此不适合使用传统端到端的安全机制。通常采用链路层的安全机制来满足WSN的要求。 2 常见的攻击和解决方案 在WSN协议栈的不同层次上,会受到不同的攻击,需要不同的防御措施和安全机制。 2.1 物理层 物理层完成频率选择、载波生成、信号检测和数据加密的功能。所受到的攻击通常有: 1)拥塞攻击:攻击节点在WSN的工作频段上不断的发送无用信号,可以使在攻击节点通信半径内的节点不能正常工作。如这种攻击节点达到一定的密度,整个网络将面临瘫痪。 拥塞攻击对单频点无线通信网络影响很大,采用扩频和跳频的方法可很好地解决它。 2)物理破坏:WSN节点分布在一个很大的区域内,很难保证每个节点都是物理安全的。攻击者可能俘获一些节点,对它进行物理上的分析和修改,并利用它干扰网络的正常功能。甚至可以通过分析其内部敏感信息和上层协议机制,破坏网络的安全性。 对抗物理破坏可在节点设计时采用抗窜改硬件,同时增加物理损害感知机制。另外,可对敏感信息采用轻量级的对称加密算法进行加密存储。 2.2 MAC层 MAC层为相邻节点提供可靠的通信通道。MAC协议分3类:确定性分配、竞争占用和随机访问。其中随机访问模式比较适合无线传感网络的节能要求。 随机访问模式中,节点通过载波监听的方式来确定自身是否能访问信道,因此易遭到拒绝服务攻击(Distributed Denial of Service,DOS)[2]。一旦信道发生冲突,节点使用二进指数倒退算法确定重发数据的时机。攻击者只需产生一个字节的冲突就可以破坏整个数据包的发送,这时接收者回送数据冲突的应答ACK,发送节点则倒退并重新选择发送时机。如此这般反复冲突,节点不断倒退,导致信道阻塞,且很快耗尽节点有限的能量。

无线传感器网络技术试题

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。 9. IEEE 802.15.4标准主要包括: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 802.15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

(中文)基于无线传感器网络桥梁安全监测系统

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

无线传感器网络能量管理

无线传感器网络的能量管理 班级:信息1502 学号:2015485 姓名:张蕊

1 进行能量管理的原因 无线传感器网络节点密度大,一般部署在恶劣环境中,能源通常很难替代,节点能量供给大都是采用电池供电方式,并要求工作相当长的时间。因此,如何在不影响功能的前提下,尽可能节约无线传感器网络的能量成为无线传感器网络软、硬件设计中的核心问题。通过能量管理机制尽量减少节点的能量消耗,可有效延长节点的工作时间和网络的整体寿命,达到应用的需求。 因为节点的能量非常有限,所以能量消耗是WSN重点关注的问题。事实上,所有的无线设备都面临能量不足的问题,而以下原因使得WSN的能耗问题更加严重: 1.与其承担的感知、处理、自主管理和通信等复杂功能相比,节点的体积非常小,难以容纳大容量电源。 2.一个理想的无线传感器网络由大量节点组成,因此,不能通过人工方式更换节点电池或者给电池充电。 3.虽然学术界正在研究可再生能源和自动充电机制,但节点太小仍然是限制其应用的因素。 4.部分节点失效可能会导致整个网络过早地分离成一些子网。 在实现无线传感器网络能量管理方面普遍从每个节点出发,除了在无线传感器网络节点设计过程中采用低功耗硬件之外,还通过动态能量管理等技术使系统各个部分运行在节能模式,可以节约大量的能量。另外,还可以针对无线传感器网络不同应用进行专门的优化,并采用软、硬件整合设计、跨层网络协议设计等一体化能量管理方案来为无线传感器网络节能。 2 无线传感器网络节点的能耗分析 一个传感器节点主要由四部分组成:电源、传感器、处理器和射频模块。传感器感知各种信息,包括温度、湿度、压强、化学物浓度等物理量,然后交由处理器进行信息的处理和融合,最后通过射频模块对信息进行转发。传感器节点的射频模块不仅仅负责接收或发送数据包,还负责侦听通信信道,或控制射频模块的开/关以进入工作或休眠状态。除了产生能量的电源模块以外,传感器、处理器和射频模块都是传感器节点的能耗源。下面就这三个构成部分来详细分析它们对节点能耗所产生的影响。 (1)传感器的能耗主要来源于:变换器、前端处理与信号调节、模数转换器。传感器的种类很多,测量不同的物理量时传感器所需要的能耗不同:感应温度和感应声音所需消耗的能量不同,感应声音和感应图像所需消耗的能量也不同。根

无线传感器网络的应用及影响因素分析

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X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 puter 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 prehensive description of the development process of the wireless sensor network,the status of the research areas and a number of factors affecting the application of the sensor. keywords:wireless sensor networks;sensor nodes;limiting factor 一、无线传感器网络的技术起源以及特点

无线传感器网络的特点

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。

基于无线传感器网络的智能交通系统的设计

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。

无线传感器网络练习题(1)

一、填空 1.无线传感器网络系统通常包含汇聚节点、传感器节点、管理节点。 2.传感器节点一般由通信模块、传感器模块、存储模块和电源模块 组成。 3.无线传感器节点的基本功能是:采集数据、数据处理、控制和通 信。 4.传感器节点通信模块的工作模式有发送、接收和空闲。 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,可以分为四种:直接序列扩频、 跳频、跳时和宽带线性调频扩频。 7.目前无线传感器网络采用的主要传输介质包括无线电波、光纤、 红外线等。 8.无线传感器网络可以选择的频段有:868MHz、915MHz、和5GHz。 9.传感器网络的电源节能方法:休眠机制、数据融合。 10.根据对传感器数据的操作级别,可将数据融合技术分为一下三类: 决策级融合、特征级融合、数据级融合。 11.根据融合前后数据的信息含量分类(无损失融合和有损失融合) 12.根据数据融合与应用层数据语义的关系分类(依赖于应用的数据 融合、独立于应用的数据融合、结合以上两种技术的数据融合)13.定向扩散路由机制可以分为三个阶段:兴趣扩散、梯度建立、路 径加强。

14.无线传感器网络的关键技术主要包括:时间同步机制、数据融合、 路由选择、定位技术、安全机制等。 15.无线传感器网络通信安全需求主要包括结点的安全保证、被动抵 御的入侵能力、主动反击入侵的能力。 16.标准用于无线局域网,标准用于低速无线个域网。 17.规定三种帧间间隔:SIFS、PIFS、DIFS。 18.标准为低速个域网制定了物理层和MAC子层协议。 19.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:网状网络、树形网络、星型网络。 20.传感器网络中常用的测距方法有:接收信号强度指示、到达时间 差、到达角。 21.ZigBee网络分4层分别为:物理层、网络层、应用层、数据链路 层。 22.与传统网络的路由协议相比,无线传感器网络的路由协议具有以 下特点:能量优先、基于局部拓扑、以数据为中心、应用相关。 23.数据融合的内容主要包括:目标探测、数据关联、跟踪与识别、 情况评估与预测。 24.无线传感器网络信息安全需求主要包括数据的机密性、数据鉴别、 数据的完整性、数据的实效性。 25.传感器结点的限制条件是电源能量有限、通信能力有限、计算和 存储能力有限。

基于无线传感网络的大型结构健康监测系统_尚盈

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

无线传感器网络作业

无线传感器作业 1.1:传感器网络节点使用的限制因素有哪些? 1.电源能量有限传感器节点体积微小通常只携带能量十分有限的电池。 2.通信能力有限 3.计算和存储能力有限,传感器节点是一种微型嵌入式设备,要求他价格低功耗小,这些 限制必然导致其携带的处理器能力比较弱,存储器容量比较小。 1.2:网络传感器有哪些特点? 1.自组织性 2.数据为中心 3.应用相关性 4.动态性 5.网络规模 6.可靠性 2.1:按照节点功能和结构层次划分,将传感器网络的结构有哪几种?各有什么特点? 答: 1.平面网络结构拓扑结构简单,易维护具有较好的健壮性事实上就是一种,a d h o c网络 结构的形成。由于没有中心管理节点,故采用自组织协同算法组成网络,其组网算法比较复杂。 2.分级网络结构:网络拓扑结构扩展性好,便于集中管理,可以降低系统的建设成本,提 高网络覆盖率和可靠性。 3.混合网络结构:同级网络结构相比较,支持功能更强大,但所需要的硬件成本更高。 4.m e s h网络结构:由无线节点构成网络,按mes h拓扑结构部署,网内有个节点至少 可以和一个其他节点通信支持多跳路由,功耗限制和移动性取决于节点类型及应用的特点,存在多种网络接入方式。 2.2:传感器半径r,被监测区域面积为A,要求达到概率为p的覆盖率,确定传感器数目。 3.1:WSN数据链路层中的媒体访问控制和误差控制的基本思想是什么? 媒体访问控制:①对于感知区域内密集布置节点的多跳无线通信,需要建立数据通信链路以获得基本的网络基础设施。②为了使无线传感器节点公平有效的共享通信资源,需要对共享媒体的访问进行管理。 误差控制:一般基于ARQ的误差控制,主要采用重新传送发费和管理发费。具有低复杂的编码与解码方式的简单误差控制码可能是无线传感器网络中误差控制的最佳解决方案。 3.2:传输层中的Event-to-sink传输和Sink-to-Sensors传说的基本思想是什么? Event-to-sink 由于无线传感网络中存在大量的数据流,Sink节点需要获得一定精度,Event-to-sink的可靠度是必要的,包括了事件特征到Sink’节点的可靠通信,而不是针对区域内各节点生成的单个传感报告/数据包进行基于数据包的可靠传递。 Sink-to-Sensors

无线传感器网络面临的安全隐患及安全定位机制

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 positioning 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关重要。 影响无线传感器网络定位的原因大致可以分为两类:其一,节点失效(如节点被破坏、电量耗尽)、环境毁坏(通信干扰)等引起的定位误差;其二,恶意攻击[30],攻击者主要是通过内部攻击和外部攻击两种方式来增大无线传感器网络的定位误差或使节点定位失效。 采用不同的定位算法,系统存在不同的安全隐患。按照定位算法的分类将安全隐患大致分为:基于测距的定位的安全隐患和基于无需测距定位的安全隐患。 3.2.1 基于测距定位的安全隐患 基于测距的定位技术需要测量未知节点和参考节点之间的距离或方位信息。攻击者主要针对定位系统位置关系的测量阶段和距离估计阶段进行攻击。在测距阶段,攻击者通过改变测距所需要的参数或者产生干扰和欺骗以增大误差,达到攻击的目的。 基于测距定位的攻击手段主要有以下几种:(1)通过移动、隔离信标节点来

无线传感器网络技术试题及答案

无线传感器网络技术试题及答案 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。 9.IEEE标准主要包括: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.

相关主题
文本预览
相关文档 最新文档