《无线传感器网络》论文

无线传感器在网络中的应用设计论文1引言无线传感器网络(Wireless Sensor Networks，简称WSNs)是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信形成一个多跳自组织网络系统，能够实时监测、感知和采集网络分布区域内监视对象的各种信息，并加以处理，完成数据采集和监测任务。

WSNs综合了传感器、嵌入式计算、无线通讯、分布式信息处理等技术，具有快速构建、自配置、自调整拓扑、多跳路由、高密度、节点数可变、无统一地址、无线通信等特点，特别适用于大范围、偏远距离、危险环境等条件下的实时信息监测，可以广泛应用于军事、交通、环境监测和预报、卫生保健、空间探索等各个领域。

2节点的总体设计和器件选型2.1节点的总体设计WSNs微型节点应用数量比较大，更换和维护比较困难，要求其节点成本低廉和工作时间尽可能长;功能上要求WSNs中不应该存在专门的路由器节点，每个节点既是终端节点，又是路由器节点。

节点间采用移动自组织网络联系起来，并采用多跳的路由机制进行通信。

因此，在单个节点上，一方面硬件必须低能耗，采用无线传输方式;另一方面软件必须支持多跳的路由协议。

基于这些基本思想，设计了以高档8位AVR单片机ATmega128L为核心，结合外围传感器和2.4 GHz无线收发模块CC2420的WSNs微型节点。

这两款器件的体积非常小，加上外围电路，其整体体积也很小，非常适合用作WSNs节点的元件。

图1给出WSNs微型节点结构。

它由数据采集单元、数据处理单元、数据传输单元和电源管理单元4部分组成。

数据采集单元负责监测区域内信息的采集和数据转换，设计中包括了可燃性气体传感器和湿度传感器;数据处理单元负责控制整个节点的处理操作、路由协议、同步定位、功耗管理、任务管理等;数据传输单元负责与其他节点进行无线通信，交换控制消息和收发采集数据;电源管理单元选通所用到的传感器，节点电源由几节AA电池组成，实际工业应用中采用微型纽扣电池，以进一步减小体积。

论无线传感器网络的设计和应用一、引言随着物联网的不断发展，无线传感器网络成为了重要的组成部分。

无线传感器网络可以通过传感器收集物理环境数据，而且具备低成本、低功耗、灵活部署等优点。

本文将探讨无线传感器网络的设计和应用。

二、无线传感器网络的组成无线传感器网络由若干个节点组成，每个节点包括传感器、处理器、电源、天线、通信模块等部分。

其中，传感器用于收集环境数据，处理器用于对数据进行处理，电源用于为系统提供能量，天线用于接收和发送信号，通信模块用于与其他节点通信。

这些节点通过无线通信建立起一张网络，构成了无线传感器网络。

三、无线传感器网络的设计无线传感器网络的设计需要考虑多方面因素。

以下是几个关键方面：1. 能量管理由于无线传感器网络的节点数量可能较多且分布广泛，节点电池能量的充电与管理十分关键。

在节点设计时，需要考虑能量消耗情况，比如节点处于闲置状态，如何让其进入低功耗模式，以节省用电量。

此外，还可以采取分层设计，对于功能相同的节点废除重复工作，实现功率节约。

2. 网络拓扑结构无线传感器网络的通信方式有点到点通信，点到多点通信以及多点到多点通信等不同形式。

根据应用场景，选择合适的拓扑结构可以更好地满足资源约束条件，提高传输速度和减少能量消耗。

3. 安全保障无线传感器网络的节点通常部署在公共空间中，而且可能暴露在黑客和恶意攻击的风险之下。

为了保证网络安全性，需要对网络进行安全防护，比如数据加密、数据完整性保护等。

四、无线传感器网络的应用相较于有线传感器网络，无线传感器网络更适用于分散且大范围的环境监测。

以下是几个典型的应用案例：1. 环境监测无线传感器节点可安装在环境监测对象附近，通过传感器采集数据，比如室内温度、湿度等，将数据传输到数据处理器中，实时显示。

同时，还可将数据上传到云端，进行更深度的分析、处理。

这对众多领域有重大影响，如气象、环境监测、节能等。

2. 农业控制无线传感器网络可应用于农业领域，通过节点安装在部署在湿度、温度等监测点，收集农田的环境信息，并对这些数据进行处理。

无线传感器应用与发展关键词：无线传感器网络；组成；应用；发展科技发展的脚步越来越快，人类已经置身于信息时代。

而作为信息获取最重要和最基本的技术——传感器技术，也得到了极大的发展。

传感器信息获取技术已经从过去的单一化渐渐向集成化、微型化和网络化方向发展，并将会带来一场信息革命。

具有感知能力、计算能力和通信能力的无线传感器网络（WSN,wirelesssensornetworks）综合了传感器技术、嵌人式计算技术、分布式信息处理技术和通信技术，能够协作地实时监测、感知和采集网络分布区域内的各种环境或监测对象的信息，并对这些信息进行处理，获得详尽而准确的信息，传送到需要这些信息的用户。

由于WSN的巨大应用价值，它已经引起了世界许多国家的军事部门、工业界和学术界的广泛关注，被广泛地应用于军事，工业过程控制、国家安全、环境监测等领域。

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、分布式信息处理技术等多种领域，是当前计算机网络研究的热点。

一、发展概述早在上世纪70年代，就出现了将传统传感器采用点对点传输、连接传感控制器而构成传感器网络雏形，我们把它归之为第一代传感器网络。

随着相关学科的不断发展和进步，传感器网络同时还具有了获取多种信息信号的综合处理能力，并通过与传感控制器的相联，组成了有信息综合和处理能力的传感器网络，这是第二代传感器网络。

而从上世纪末开始，现场总线技术开始应用于传感器网络，人们用其组建智能化传感器网络，大量多功能传感器被运用，并使用无线技术连接，无线传感器网络逐渐形成。

无线传感器网络是新一代的传感器网络，具有非常广泛的应用前景，其发展和应用，将会给人类的生活和生产的各个领域带来深远影响。

发达国家如美国，非常重视无线传感器网络的发展，IEEE正在努力推进无线传感器网络的应用和发展，波士顿大学（BostonUniversity）还于最近创办了传感器网络协会（SensorNetworkConsortium），期望能促进传感器联网技术开发。

无线传感器网络技术-网络技术论文-计算机论文——文章均为WORD文档，下载后可直接编辑使用亦可打印——传感器，即能够感受物体属性参数的元器件，这一概念对于普通人来说并不陌生和新鲜，然而随着IT和无线通信技术的快速发展，其测量系统的组成已发展到智能化和网络化。

上世纪70年代，是模拟控制和显示器时代，传感器测量参数只能实现所谓的点对点传输，即多个参数的测控需要多个显示/控制器，这样的通信网只能说是传感器测量网络的雏形;80年代采用微处理器串/并接口(ＲS-232、ＲS-485等)与传感器连接，而构成具有信息综合处理能力的传感器网络;90年代至21世纪初采用现场总线连接传感器构成局域网，产生有线连接的智能传感器网络;至目前为止无线传感器网络(WirelessSensorNetworks，WSN)已成为业界讨论和研究的热点。

它是随着无线通信技术与网络技术、嵌入式计算机技术、分布式信息处理技术等发展，应运而生的。

时下，物联网(Internetofthings，IOT)产业及技术如雨后春笋般蓬勃发展，作为其最底层的最基本的也是最重要的最关键的WSN网络的性能好坏和功能强弱显得尤为突出。

应用中，WSN是由众多功能相同或者不同的传感器节点组成，并把它们科学地分布于被监测区域，各节点间自组织形成无线网络(一般多采用Zigbee协议)，采用多条链路进行数据传送，最终把各类属性测量数据(如温/湿度、烟雾浓度、物体移动等)汇聚和融合处理后经网关与外网联结，到达用户终端(电脑、手机等)，给用户提供安全正常的信息，或者危险的非正常的信息，以便进行及时干预。

1对WSN的约束条件及性能要求实际应用中各个传感器节点多数是分布于无人区、野外、甚至是军事区和剧毒、易腐蚀、等恶劣环境中，因此有以下约束限制:1)自带电源提供能量，如钮扣电池、蓄电池、太阳能电池等;2)安装要隐蔽。

要求节点的体积小、外壳设计要防水、防氧化，甚至有抗爆能力;3)无线通信距离不能太远，一般限制在几米至几十米，以节省能量。

移动互联技术下的无线传感器网络研究随着移动互联技术的发展，无线传感器网络这样的新兴技术变得越来越重要。

无线传感器网络是由一组节点组成的，这些节点可以感知周围环境的特定参数，并将这些信息传输给其他节点或中央基站。

与传统的有线环境监测系统相比，无线传感器网络具有成本低、易于部署和灵活等优点。

因此，它们广泛应用于环境监测、智能交通、智能家居等领域。

本篇文章将探讨移动互联技术下的无线传感器网络的研究进展和应用。

一、传感器传感器是无线传感器网络的基础。

它们负责监测环境参数，例如温度、湿度、气压等。

在节点通信之间，大多数传感器具有低功耗和小尺寸等特点，使它们适用于集成在移动设备如智能手机中。

具有集成传感器的智能设备相关技术已经发展到了一定的阶段，逐渐应用到了智能家居和健康监测等领域。

二、网络拓扑网络拓扑是无线传感器网络的结构。

在过去，无线传感器网络主要采用树形结构或单跳网络。

然而，现在的研究趋势是建立分层和多跳网络形式以提高网络安全性和可靠性。

在分层网络中，将节点按照其位置和功能划分为不同的层次，这对于更准确和高效的数据收集和处理非常有效。

在多跳网络中，消息可以通过多个节点直接或间接传递，这可以通过增加节点间的多跳路径来提高网络的覆盖率和可靠性。

三、传输协议在无线传感器网络中，传输协议对数据的处理和传输起着至关重要的作用。

传输协议应该保证数据传输是高效、安全、可靠的。

特别是，在移动互联网络环境下，网络状态不稳定，节点可能会不断加入或退出网络，传输协议还必须具有适应性和可靠性。

常见的传输协议有SPIN、LEACH、ADEM等。

四、应用无线传感器网络在环境监测是广泛应用，示例如下：智能交通：无线传感器网络可以在道路上配置传感器节点和摄像头来监视交通的情况，如路况、车速和车流量等，提供实时的交通信息和导航路线。

智能家居：无线传感器网络可以在房屋内配置传感器节点来监测温度、湿度、照明强度等参数，以自动控制家庭电器，提高家居舒适度，节省能源。

海南大学无线传感器网络论文题目：无线传感器网络技术在智能农业中的应用学院：信息学院专业：姓名：导师姓名：无线传感器网络技术在智能农业中的应用前言] 无线传感器网络技术是一门深奥但是具有趣味的学科。

在这个日新月异的时代，无数高尖端的技术被人们发明并推广出来。

无线传感器网络技术就是这么一门具有时代特色的新兴技术。

经过这一学期的学习，无线传感器网络技术终于露出了庐山一角。

中国是个古老而人口众多的国家，要养活这13亿人口就要依仗农业生产。

于是，如何提高农业生产效率，科学地进行农业生产及管理就显得尤为重要。

在这里我将对无线传感器网络技术在智能农业中的作用作下介绍。

一、什么是传感器网络？无线传感器网络是一种无中心节点的全分布系统。

通过随机投放的方式，众多传感器节点被密集部署于监控区域。

这些传感器节点集成有传感器、数据处理单元、通信模块和能源单元，它们通过无线信道相连，自组织地构成网络系统。

其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中被监测对象的信息并发送给观察者。

无线传感器网络集传感器技术、微机电系统(MEMS) 技术、无线通信技术、嵌入式计算技术和分布式信息处理技术于一体。

二、无线传感器网络改变传统农业在传统农业中，人们获取农田信息的方式都很有限，主要是通过人工测量，获取过程需要消耗大量的人力，而通过使用无线传感器网络可以有效降低人力消耗和对农田环境的影响，获取精确的作物环境和作物信息。

这样农业将逐渐地从以人力为中心、依赖于孤立机械的生产模式转向以信息和软件为中心的生产模式, 从而大量使用各种自动化、智能化、远程控制的生产设备，迅速提高生产力。

三、三、无线传感器网络在农业中的具体应用1. 无线传感器网络应用于温室环境信息采集和控制。

在温室环境里单个温室即可成为无线传感器网络一个测量控制区，采用不同的传感器节点和具有简单执行机构的节点(风机、低压电机、阀门等工作电流偏低的执行机构) 构成无线网络来测量土壤湿度、土壤成分、pH 值、降水量、温度、空气湿度和气压、光照强度、CO2浓度等来获得作物生长的最佳条件，同时将生物信息获取方法应用于无线传感器节点，为温室精准调控提供科学依据。

编号：无线传感器网络题目：位置辅助按需距离矢量路由协议院（系）：电子工程与自动化学院专业：控制理论与控制工程学生姓名：郝涛学号：102081405同作者：郝涛指导教师：李小龙职称：副教授题目类型：理论研究实验研究工程技术研究2010 年12 月6 日一种位置信息辅助的Ad Hoc 网络按需距离矢量路由协议摘要: 针对Ad Hoc 网络中按需距离矢量路由协议路由开销大, 以及位置路由中位置信息在获取方式上存在的缺点, 提出一种位置信息辅助的按需距离矢量路由协议( LAODV) , 协议结合AODV 以按需的方式获取网络节点的位置信息, 并以泛洪、位置信息修正的贪婪转发和局部受限泛洪相结合方式进行路由发现, 同时提出了路由维护策略和局部多径备份路由策略.关键词: ad hoc 网络; 路由; 贪婪转发; 多径Abstract: To decrease o verhead of on demand vector routing protocol andovercome shortcomings of location aided routing s about getting location information, a novel location aided ad hoc on demand vector routing protoco l ( LAODV) is proposed. In LAODV, location information is got on demand. During ro ute discovery , flooding , location correct based greedy forward strategy ( LCGF) and limited flooding in expected zone are combined to improve the performance. In addition, a no vel method for routing maintenance and a strategy of local multi path backup routing are illustrated.Key words: ad hoc networks; ro uting; greedy forward; multi path1引言近年来Ad Hoc 网络的路由协议研究取得了很大进展, 大部分路由协议主要采取主动维护路由表或按需利用泛洪方式发现路由, 由于Ad Hoc 网络信道资源受限和动态拓扑, 使得降低路由发现和维护开销成为重要研究内容. 相比之下, 按需路由比主动式路由更适合动态拓扑环境下的应用. GPS、GLONASS、北斗等定位系统的普及, 使得网络中各个节点获得自己的位置信息变得可行, 基于位置信息的路由协议由于具有很强的鲁棒性近来引起了关注, 但当前的位置路由大多假设节点已知目的节点的位置信息, 且位置信息获取通过位置服务器分发各节点位置信息或周期性广播节点位置信息, 消耗了较多的网络资源, 且网络的动态拓扑也降低了位置信息的时效性.以按需方式获取节点位置信息既能够保证位置信息的时效性, 又能有效节省网络资源开销. AODV 路由算法是性能最好的按需路由算法之一, 但由于其路由发现过程只能形成一条从源至目的节点的单径路由, 在分组转发过程中, 一旦路径断裂, 便需重新进行路由发现. 由于Ad Hoc 网络的高动态拓扑, 必然导致要进行频繁的路由发现, 从而增加路由开销, 消耗过多网络资源. 因此, 如何降低AODV 的路由开销显得非常必要.本章正是基于以上考虑, 结合按需路由和位置路由的特点, 提出了一种位置信息辅助的按需距离矢量路由协议LAODV.2 LAODV协议描述LAODV 协议是在传统AODV 中有效地引入位置信息进行混合路由发现、维护等操作, 降低路由发现开销, 提高协议可扩展性.2.1 位置信息获取与传播LAODV 的位置信息获取是反应式、按需的, 主要通过各种控制分组和数据分组学习获得, 以这种方式获取的位置信息比通过节点或位置服务器周期性广播获取的位置信息具有更强的时效性. 因为后者获取的位置信息时效性与广播间隔周期相关, 周期越长, 时效性越差, 且存储的位置信息随着节点移动性加快, 时效性越差. 而按需的位置信息获取以及通过学习方式获得的其它节点位置信息,其时效性较强, 这对于AODV 路由断裂后, 采用基于位置信息的路由发现是非常有利的.2. 2 路由发现策略2.2 1 路由发现基本过程根据目的节点位置信息是否可用, 路由发现过程主要有两种方式: 一是目的节点位置信息不可用时以传统AODV 方式的路由发现; 二是目的节点位置信息可用时以贪婪转发和受限泛洪相结合的混合路由发现.具体过程为: 当源节点需要发现一条到达目的节点的路由时, 首先检查其本地路由表, 如果有可用路由, 则直接使用; 如果路由表中没有可用路由, 则在本地位置信息列表中查询目的节点的位置信息, 如果位置信息列表中有目的节点的位置信息, 则采用2. 2. 2 节提出的LCGF 转发策略进行路由发现; 如果没有目的节点的位置信息, 则采用AODV 的泛洪方式广播其路由请求分组RREQ 来查找路由.路由响应过程与传统AODV 的路由响应机制相同.2.2 .2 位置信息修正的贪婪转发策略LCGF贪婪转发策略是指在分组转发时, 中间节点将分组转发到位于目的方向上的一个邻节点, 通常情况下,分组能够被有效地转发至目的节点. 但有时贪婪转发在源和目的节点间存在路由的情况下也找不到路由.当源节点利用目的节点位置信息进行基于位置的路由发现时, 采用这里提出的LCGF 策略. LCGF 策略遵循如下几个原则:1 目的节点位置信息修正在传统基于位置的贪婪转发中, 源节点将t0 时刻更新的目的节点d 的位置信息包含于RREQ 分组中, 中间参与转发的节点都以该时刻目的节点位置信息作为选择下一跳转发节点的参考方向. 而在本文的位置信息获取可以通过不断从其它分组中学习得到, 具有更强的时效性. 如图2 所示,假设源节点S 位置信息列表中存在t 0 时刻更新的目的节点有效位置信息, 如果在t 1> t0 时刻节点S∀需要与节点D 通信, 则节点B 会从节点D 发至S∀的RREP 分组中获得节点D 在t 2> t 1 时刻的更新位置信息. 所以当节点S 在t3 时刻需要与节点D 通信, 且路由表中无可用路由和t3- UT ( D) < T ,UT ( D) 表示节点存贮的关于节点D 的位置信息更新时间, T 表示位置信息有效生存时间. 则S 将节点D 在t 0时刻更新的位置信息插入RREQ 分组中. 当S 发送的RREQ 分组以贪婪方式转发至节点B 时, 显然, 节点B存储的节点D 的位置信息比RREQ 中的时效性强, 则利用更新的位置信息替换RREQ 中的相应选项.在以贪婪方式转发分组的过程中, 如果中间转发节点存储的关于目的节点的位置信息比来自源节点的RREQ 分组中包含的目的节点位置信息时效性更强时,则在转发该RREQ 分组前, 利用本地关于目的节点的位置信息将RREQ 中的目的节点位置信息替代, 这一过程称为目的节点位置信息修正.2 采用最大前程的贪婪转发策略当源节点具有目的节点的位置信息时, 则利用贪婪转发策略进行路由请求. 在一个带宽受限的网络中,路径越长, 则端到端时延越大, 消耗的网络带宽也相应较多. 因此, 最小跳数的路由发现成为大多数路由协议进行路由发现时的度量准则. 本文的贪婪转发策略也以最短路径为目标, 在贪婪转发过程中, 选择具有最大前程的邻节点作为下一跳转发节点.3 局部受限泛洪的贪婪转发失败恢复策略所谓局部受限泛洪就是在贪婪转发失败时, 由转发失败的节点确定的局部区域进行泛洪. 局部受限泛洪区域是一个矩形区域, 如图3 所示, 其中R= ( t1-t 0) , 其中 、t0 和t 1 分别为目的节点平均移动速度、获知目的节点位置信息时的时刻以及发起路由请求时的时刻. 受限泛洪基本过程为:源节点S 进行贪婪转发, 设贪婪转发过程中依次选择的下一跳节点为B, ∃, E, F, G;当转发至G 时, G 在其与目的节点方向没有邻节点, 则发送一个贪婪转发失败分组G- FAIL 至上一跳节点F, G- FAIL 分组中包括修正后的目的节点D 的位置信息;节点F 收到G- FAIL 分组后, 对目的节点位置信息进行修正, 然后判决区域Fbcd 与F 的传输范围重叠区域内是否有除G 以外的节点, 如果有其它邻节点, 则节点在Fbcd 区域内以泛洪方式向目的节点发起路由请求, 路由请求的源节点S 替换为本节点F;如果重叠区域内没有邻节点, 则F 向E 发送一个错误分组G- FAIL; 节点E 收到G- FAIL 分组后, 与F的处理相同;如果源节点S 收到G- FAIL 分组, 则本次贪婪转发失败, S 在全网泛洪路由请求;至此, 路径B, ∃, E, F 中的某个节点能够确定一个受限的泛洪区域, 并等待节点D 的路由响应分组RREP, 目的节点只对最先到达的RREQ 进行响应; 收到目的节点RREP 后, 向源节点S 发送路由响应RREP.根据以上三个准则, 利用位置信息进行路由发现的LCGF 策略的完整过程为:当源节点S 需要利用目的节点位置信息进行路由发现时, 将目的节点D 的位置信息插入RREQ 分组,采用最大前程的贪婪转发策略在其邻居节点集中选择一个距离目的节点最近的邻节点X 作为下一跳转发节点, 发送RREQ 分组至节点X ;一个中间节点收到来自上一跳节点的RREQ 分组且需要转发时, 如果本节点是目的节点, 或者本节点路由表中存在一条到达目的节点的有效路由, 且目的节点序列号满足AODV 要求, 则向上一跳节点发送RREP 分组, 路由请求结束; 如果无有效路由存在, 则转入第三步;利用目的节点位置信息修正机制进行位置信息修正, 并检查其邻居节点列表, 如果目的节点在其邻居节点集中, 则发送RREQ 至目的节点, 路由请求结束; 否则, 如果在到目的节点的方向上有邻节点, 则转入第四步;如果在到目的节点的方向上没有邻节点, 则转入第五步;选择距离目的节点最近的邻节点Y 作为下一跳转发节点, 发送RREQ 分组至Y, 转入第二步重复;采用局部受限泛洪的贪婪转发失败恢复策略转发RREQ 分组.对于路由请求的响应过程, 与传统的AODV 响应机制相同, 沿着路由请求的逆向路径发送RREP 分组至源节点.2. 3 路由维护策略在进行路由协议设计时考虑路由维护策略是必要的, 可以有效提高数据分组的转发效率. 路由修复有两种情况: 当节点路由表中存贮的路由当前正在使用, 这类路由的断裂对网络的影响较大, 需要及时修复; 另一些路由当前可能未被使用, 当其断裂时, 在一定时间内不对网络产生影响, 不需要实时修复. 在LAODV 中, 我们将路由表中的路由分为两类: 活动路由( active, 正在被使用的路由) ; 后活动路由( postactive, 一个路由被使用过, 但现在没有被使用) , 对这两种路由分别进行不同策略的维护, 从而降低路由开销. 路由维护策略分为两部分:(1) 活动路由维护当一个活动路由的下一跳发生方向性链路中断时, 则节点发送一个Hello 消息至该邻节点, 并设置定时器T 1;在T 1 内如果收到该邻节点的响应分组, 则修复该链路;如果在T1 超时后, 没有收到响应分组, 且其至目的节点的距离小于MAX- REPAIR- TTL[ 1] 时, 则转入第四步, 如果距离大于MAX- REPAIR- TTL, 则转入第五步;如果本节点存有目的节点位置信息, 则利用LCGF 算法向目的节点发送RREQ, 如果本地没有目的节点可用位置信息, 则本节点向目的节点广播RREQ;向所有前趋节点(precursor)广播一个路由错误分组RRER.(2) 后活动路由维护由于在路由表中的后活动路由长时间不被使用,对其进行实时修复没有必要, 而且消耗网络资源, 所以采用被动的修复方式. 所谓被动修复是指当本地路由表中一条后活动路由的下一跳链路断裂时, 以链路层Hello 消息的周期TMAC作为超时间隔, 如果在TMAC内收到任何来自于该连链路的对端节点的分组(Hello, RTS,CTS,DATA 等) , 则自动修复该方向性链路, 如果在TMAC超时后没有收到来自该节点的任何分组, 则向所有前驱节点发送RERR.2. 4 局部多径备份路由策略为提高在高动态网络环境下, 路由频繁断裂时的路由性能, 提出了局部多径备份路由策略.定义: 节点A 至节点B 之间的一条主路径P, 主路径节点集合N( P ) , N( P) 中各节点邻居集的并集为N( all ) = ∗v N( P )N( v ) , 其中N( v ) 为节点v 不包括P 中节点的邻居节点集. 如果在A 和B 之间除了路径P 以外,还存在由N( P) ∗N( all ) 中节点形成的路径, 则称A和B 之间存在局部备份路由.局部多径备份路由策略设计目标是在尽量降低路由发现开销的情况下, 尽可能满足主路径上任何两个节点间存在局部备份路由, 使得在分组转发过程中, 当转发节点发现与下一跳节点链路断裂时, 能够选择备份路径进行转发. 该策略仅仅在路由响应过程中形成,对路由开销的影响很小. 主要过程如下:每个节点维护一个备份路由表( BRT BackupRoute Table) , BRT 中到达同一目的节点的路由记录可能有多个, 主路径中节点的邻节点发送备份路由响应的分组为B- REPP;源节点S 和目的节点D 的主路径P 中某一个节点u 向上一跳节点发送RREP, w N ( u) 的节点监听到该RREP 时: 如果BRT 中有到D 的路由, 则节点w 向节点u 发送备份路由响应分组B- REPP, 其中指示该路由为备份路由; 如果BRT 中没有到D 的路由, 则在BRT中记录REPP 中到达D 的路由; ( v P, x N( all ) , 节点v 收到节点x 发送的B- REPP 分组时, 节点v 在其BRT 中记录该备份路由; ( x, y N ( all ) , 节点y 收到节点x 的B- REPP 分组时: 如果节点y 的BRT 中有到目的节点D 的备份路由, 且到目的节点的跳数小于该分组中包含的路由跳数, 则y 向x 发送B- REPP 分组; 如果节点y 的BRT 中没有到目的节点D 的路由, 则丢弃该R- REPP 分组.为了使得局部备份路由能够有效地满足主路径链路断裂时的应用, 局部备份路由应满足如下约束条件:约束1: BRT 中备份路由不用于路由请求RREQ 的响应;由于BRT 中可能存在到达同一目的节点的多个跳数不同的备份路由, 且通常不是最短路径, 如果利用局部备份路由进行路由响应会导致LAODV 非最短路径经常发生.约束2: 对局部备份路由不进行本地修复;为了降低多径路由修复开销, 当局部备份路由发生断裂时, 不进行本地修复.约束3: 当主路径中的一个转发节点利用局部备份路由进行数据分组转发时, 该转发节点要将数据分组头部的剩余路由跳数选项改为剩余跳数的两倍, 以保证在该转发节点至目的节点之间存在任意一条备份路径情况下数据分组都能够成功转发.因为主路径上某个节点的局部备份路由的最长跳数是从该节点至目的节点跳数的两倍, 如图4 所示, 主路径P= { S, A , B, C, E, D} , 节点A 至目的节点D 的距离是4 跳, 节点A 在转发数据分组时, 最坏情况下, A至D 之间的主路径全断裂, 此时的备份路径是{ A , G,B,H , C, I , E, J, D} , 距离为8 跳. 所以, 当采用局部备份路径进行分组转发时, 数据分组的跳数应该设为原跳数的两倍, 以保证在最坏情况下分组的成功递交.3总结本文结合位置信息与按需距离矢量机制进行路由设计, 提出了一种位置信息辅助的按需距离矢量路由协议( LAODV) , 协议以按需的方式获取网络节点的位置信息, 并结合泛洪、贪婪转发和局部受限泛洪方式进行路由发现, 对路由进行区分维护, 同时提出了LAODV 协议的多径备份路由策略, 以提高路由协议性能. 仿真结果表明, LAODV 能够有效适应Ad Hoc 网络的动态拓扑, 具有较好的路由性能.谢辞这次论文我是在李小龙老师的精心指导下完成的，从他那里学习到了许多宝贵的知识和经验。

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;<三>时间同步算法3.1泛洪时间同步协议泛洪时间同步协议 Flooding Time Synchronization,FTSP的目标是实现整个网络的时间同步并且误差控制在μs 级,可以灵活的适应大量的传感器节对网络拓扑结构的变化或节点的失效有容错性;该算法通过采用 MAC 层标记时间戳和线性回归偏差补偿弥补了相关的错误源;FTSP通过发送节点广播同步信息,在广播范围内的接收节点根据同步信息中的全局时间,计算自身与发送节点间的时钟偏差,实现在广播范围内的接收节点与发送节点的时间同步;如下图1所示;根节点第一层节点第二层节点图1 FTSP时间同步FTSP 可以应用在已有的多跳时间同步协议上,以增加它们的精确度;它和先前的时间戳算法不同,因为它除了传播时间外,排除大部分同步错误源,并利用单一的广播信息确定发送和接受者间的同步点;FTSP在动态 leader-election 算法中结合时钟偏差补偿算法显示出突出的性能;3.2 RBS协议RBS Reference Broadcast Synchronization是无线传感器时间同步技术领域的开创性成果;该算法通过指定的“时标”节点周期广播时间信息分组,位于广播域内的节点用各自的时钟记录接收到该分组的时间,随即接收节点再两两互换消息以确定节点之间的时钟偏移量,最终达到各节点的时钟同步;在RBS中,节点周期性地无线广播beacon消息给它的邻居节点,邻居节点利用广播 beacon到达地时间作为参照以比较时钟;邻居节点间互相交换本地时间戳计算偏差,并以此同步各个时钟;该协议的一个优点就是缩短了关键路径;对于传统的时钟同步协议关键路径是指从发送端读取时钟到接收端读取时钟所经过的时间,其中包含了信息包在进入信道之前在网络适配器内的停留时间,如图2所示;而 RBS 的关键路径指从信息包进入信道到最后一个接收端读取时钟所经过的时间,消除了发送和访问时间,从而提高了精度,这也是 RBS 的优点所在,从图2可以看出RBS 协议和传统的基于发送接收方式的时钟同步协议在影响非决定性误差上有明显的差异;a传统的时间同步协议b RBS协议图2关键路径对比RBS算法的缺点是需要用于广播交换以得到成对节点同步的开销;随之网络密度的增加,这种开销也随之增加;已有人提出一种对RBS改进的同步算法,可以在多跳网络间实现同步;为了达到处于不同区域的节点实现同步,需要建立一条用于交换时间戳的时间同步的网关多跳链;3.3LTS协议LTS协议 Lightweight Time Synchronization同步算法实用于低成本、低复杂度、对时间同步精度要求并不是很高的传感器节点时间同步;通过减少时间同步的频率和参与同步的节点数目,在满足同步精度要求的同时降低节点的通信和计算开销,减少网络能量的消耗;LTS协议主要分为集中式和分布式两类 LTS多跳时间同步算法;集中式 LTS 多跳同步算法是单跳同步的简单线性扩展,其基本思想是构造低深度的生成树,然后以树根为参考点,依次向叶节点进行逐级同步,最终达到全网同步;在分布式 LTS 多跳同步算法中,任何节点 j 在需要同步时都可以发起同步请求,从参考节点到节点 j 路径上的所有节点采用节点对的同步方式,逐跳实现与参考节点的时间同步;当所有节点需要同时进行时间同步时,集中式多跳同步算法更加高效; 当部分节点需要频繁进行同步时,分布式机制需要相对较少的成对同步;<四>小结通过上述分析与介绍,可以看到现有的时间同步协议算法都有着自身的缺陷,更多的是因为无线传感器网络节点本身能量有限,这就要求时间同步算法的能量开销小,但同时又要保证同步的精度;从现有的趋势看,一个方法是要降低单次同步的算法复杂度,另一个则要尽量减少同步的次数;随着技术的不断发展,算法研究的不断拓展,未来一定会出现更为完善的时间同步协议,给无线传感器网络的发展普及带来更为深远的影响;二.基于无线传感器网络的环境监测系统<一>网络系统简介由于有线监测系统其自身的局限性以及各类环境的复杂性,各类待采集的环境参数都无法有效的获得监测;而基于无线传感器网络的环境监测系统就是在采集目标地点散布无线传感器节点,这些结点通过自组织方式构成无线网络;主要采集,大气、水质、土壤、噪声、辐射、固体废物、农药等环境参数;通常以离线的形式进行分析处理后传输到根节点再传输给监测人员;<二>网络系统结构2.1总体结构网络系统结构的设计方式通常可采用树型结构路由将数据送往收集点,这种应用情况通常需要低数据率和长的时间周期,在部署之后网络的物理结构基本保持恒定;如下图3所示;图3环境监测网络系统结构图由图3可知,在左边的无线传感器网络中监测节点将检测数据通过无线收发节点1 节点2 汇聚节点模块或者直接或者通过其他节点转发的方式发送给汇聚节点,汇聚节点不仅集成了无线模块,还集成了网卡协议芯片,这使主节点具有因特网功能,可以将接收到的数据发送到Internet,从而安装了相应接收软件的上位机就可以接收到这部分数据;2.2传感器节点结构传感器节点由传感器模块、CC2430 模块和能量供应模块三部分组成,CC2430 模块内部集成了处理器模块和无线通信模块,节点体系结构框图如图4所示;传感器模块负责监测区域内信息的采集和数据转换；处理器模块负责控制整个传感器节点的操作,存储和处理本身采集的数据以及其他节点发来的数据；无线通信模块负责与其他传感器节点进行无线通信,交换控制信息和收发采集数据；能量供应模块为传感器节点提供运行所需的能量,采用电池供电;图4 节点结构2.3汇聚节点结构汇聚节点的功能就是负责对节点采集的数据进行分析、汇总和预处理,因此汇聚节点应该是一个功能强大的嵌入式系统,有足够的能量供给、大容量的内存和较强的计算能力;汇聚节点主要由处理器、存储器模块、通信模块和电源模块组成;根据汇聚节点的需求分析可以得出汇聚节点的结构设计如图5所示;图5 汇聚节点结构处理器是系统的核心,主要用来处理从传感器采集到的数据以及完成一些控制功能,在无线传感器网络中,数据收发要比数据处理消耗大得多的能量,一般先将数据进行处理,然后再传送,因此对处理器计算能力的要求很高;从汇聚节点功能分析结果考虑,处理器应该具有较高的工作频率；大量的 I/O 接口满足扩充性要求；片内集成众多外设控制器,实现外设连接而不增加其他外部控制器；要具有很好的电源管理功能,达到最小的功耗控制;汇聚节点还要配备大容量的 FLASH 存储器来安装应用程序和保存数据,以及SDRAM存储器来运行程序;汇聚节点同时叠加与传感器节点相同的射频收发模块,用于接收传感器节点发送的数据;为了方便调试和与外界通信,汇聚节点还配置了通信模块;<三>应用无线传感器网络的意义无线传感器网络技术作为改变 21 世纪人类生活的新技术之一,已经成为国内外研究的热点;其低功耗、低成本、高可靠性、自组织等不同于其他无线网络的征,具有传统系统无可比拟的优势,使得无线传感器网络具有广阔的应用前景,人已经越来越多地将传感器网络应用到各种监测、跟踪系统中;无线传感网络技术近几年来得到了突飞猛进的发展,能够长期自动获取客观物理信息,具有十分广阔的应用前景;人们己经越来越多地将无线传感器网络应用到环境监测中,总的来说,无线传感器在环境监测中具有以下几点优势：1 传感器节点的体积很小且整个网络只需要部署一次,这一点在对外来生物活动敏感的环境中极其有意义;2 传感器节点数量很大,分布密度高,每个节点可以监测到局部环境的详细信息并汇总到基站;因此无线传感器网络具有数据采集量大,正确度高的特点;这对精度要求高的环境监测很有意义;3 无线传感器网络的节点本身具有一定的计算能力和存储能力,可以根据环境的变化进行较为复杂的监测;4 传感器节点还具有无线通信的能力,可以在节点间进行协同监测;无线传感器网络适用于多种环境监测的应用,例如在河流沿线分区域部署传感器节点,随时监测各种污染指标,及时掌握水资源被污染的情况；代替传统的在线仪,部署在企业的生产废水、生活污水排放口,掌握企业废水处理情况,同时也对企业的排污行为起到监督的作用;无线传感器网络实时采集任何需要监控、连接、互动的物体或过程,采集其声、光、热、电、力学、化学、生物、位置等各种需要的信息,与互联网结合形成的一个巨大网络;其目的是实现物与物、物与人,所有的物品与网络的连接,方便识别、管理和控制;这对未来各个行业都将产生重要且长远的影响;三．学习心得通过孟老师的无线传感器网络课程的学习,我理解了无线传感器网络的很多知识,知道了它与传统网络的重大区别；理解了传感器路由协议、MAC协议的原理以及它的与功能；知道了拓扑控制的结构体系与功能；还对定位技术与时间同步技术进行了一个探究;在课外,我阅读了IEEE的标准以及压缩感知的相关知识;可以这么说,这门课程给我打开了一扇广阔的大门,扩大了我的视野与知识面;在学习过程中,个人觉得孟老师讲课很生动形象,课堂上提供了大量的实例来佐证一些理论,让我对传感器网络有了一个直观的感受;但是我在对于相关原理的仔细探讨方面还有所遗憾,就需要在课外补足,这可能与课时限制以及课程定位有关;总的来说,孟老师的这门课让我受益不菲,我对于传感器方向的思维方式、视野均得到了较好的提升,这个过程非常值得;谢谢孟老师与其他帮助过我的同学;四. 参考文献[1]林晓鹏.无线传感器网络及关键技术综述J.智能计算机与应用.2015,5 1 : 81－83.[2]赵遵军.无线传感器网络在农田中的应用J.电脑知识与技术.201212:71.2720-2722.[3]焦尚彬,宋丹,张青等.基于无线传感器网络的环境监测系统J.电子测量与仪器学报.2013, 275:436-442.[4]REFERENCES Wheeler Andrewmercial applications of wireless sensor Network susingZigbeeJ.IEEE Communications Magazine.2010: 70-77.[5]Yizhong Ma,Hui Cao,Jun Ma.The intrusion detection method based on game theoryin wireless sensor network. 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第一章无线传感器网络1.1 研究背景与意义在当代大多数信息技术领域中，作为基础的传感器技术取得了飞快的发展，在获取信息方面是一种很重要的方式。

它作为基础知识出现在物联网等一些新兴概念中，随着现代传感器技术的发展，人们获取信息数据的技术的方式由过去单一化逐渐的朝微型化和网络的转变，带来了无线传感器网络的迅猛发展。

近年来，随着技术水平的大规模提高，无线传感器网络的应用条件越来越成熟，应用范围也越来越广。

例如在环境监测中，可以用于监测大气成分、温度、湿度、亮度、压力、噪声等; 在医疗方面，在病人身上安置传感器，可以随时远程监控病人病情; 在工业控制中，许多大型设备需要监控关键部件的技术参数;在科学研究领域，传感器网络提供了一种新型的研究手段，可以应用在地震、火山活动过程、生态系统微观行为的观察等研究中;在军事领域，传感器网络可应用在战场监测及武器装备试验中，也可以用于对军用物资的管理; 传感器网络与农业结合，对农作物和环境进行监测，根据实际情况调整水分、肥料和杀虫剂的使用量，可以达到低耗费、低污染、高产出的目的;在交通控制领域，车辆若装有传感器，可以监测车辆位置、速度、道路状况和车辆密度等信息，有助于司机了解路况。

此外，无线传感器网络在智能家居、智能办公环境等方而也大有用武之地。

因此，无线传感器网络的研究与开发成为近年来信息领域的研究热点[1]。

1.2 无线传感器网络1.2.1 无线传感器网络的基本概念1．WSN 概述无线传感器网络是由分布在一定范围内的大量传感器节点组成，各节点之间多以无线多跳无中心方式连接，并且能够协作地感知、采集和处理网络覆盖区域内目标对象的信息，并将相应信息返回给观察者。

从上述定义可以看到，传感器、感知对象和观察者是传感器网络的 3 个基本要素；无线网络是传感器之间、传感器与观察者之间的通信方式，用于在传感器与观察者之间建立通信路径；协作地感知、采集、处理、发布感知信息是传感器网络的基本功能。

无线传感器网络作为一项新兴的信息采集技术正日趋成熟，随着硬件成本的进一步降低，其巨大的应用前景正逐渐体现。

介绍了现场总线湿度测量系统、数字式湿度测量系统和短距离无线多点湿度测量系统三种系统，并对比系统之间的优缺点。

本文采用低电压、低功耗的湿度传感器设计一种湿度信息采集的无线传感器网络节点。

将湿度传感模块和数据发送模块都放在一个单片机上，这样可以节省系统开发维护成本。

设计节点和组网的时候，节点只负责短距离传输数据，通过多跳的方式，将数据发送到基站上。

这样设计可以节省节点能源消耗，增加大规模数据传输距离，提升系统的应用范围。

基于WSN湿度采集节点，采集完数据后，传输到基站上，保证数据的可靠性和实时性。

再由节点以多跳的方式把数据传输到基站上，由基站统一传送，大大提高了数据的传输距离。

其可支持节点数，大大超越了现有系统所支持的节点数，支持节点的增加和删除，并且自动形成网络拓扑结构，不需要人为的干预。

虽然或多或少的会受环境所影响，但是通过实时监控节点状态和WSN所特有的可扩展性，可以第一时间检测出无效节点，可以减少损失。

对远程数据采集和传感器网络组网方案进行了研究和选择，并根据系统应用的要求，提出了层次型的体系结构，无线湿度测量系统的三种层次结构为PC机及监控软件构成的监控中心；由中心控制节点构成的传感器主网和由传感器节点、中继节点、路由节点构成的传感器子网。

关键词：无线传感器网络湿度采集路由协议监控系统A STUDY AND DESIGN OF HUMIDITY MEASURINGSYSTEM BASED ON WSNABSTRACTWireless sensor networks as a new information collection technology is becoming more mature, with a further reduction of hardware cost, and its greatprospect is gradually reflected. Describes the field bus and humidity measurementsystem, digital humidity measurement system and the short-range wireless multi-pointhumidity measurement system of three systems, and compare the advantages anddisadvantages between the systems. This low-voltage, low power humidity sensor andhumidity information to design a wireless sensor network node collection. Thehumidity sensor module and data transmission modules are on a single chip, so thatsaves system development and maintenance costs. When the nodes and networkdesign, node is only responsible for short-distance transmission of data, throughmulti-hop manner, to send data to the base station. This design can save node energyconsumption, increased large-scale data transmission distance and enhance systemapplications.Moisture collecting on WSN nodes, collecting complete data, transmitted to the base station to ensure data reliability and real-time. Then the node multi-hop way tothe data to the base station by base station to send a unified, greatly improving thedata transmission distance. The number of nodes can support, well beyond theexisting number of nodes supported by the system to support add ing and remov ingnodes, and automatically form a network topology, without human intervention.Although more or less be influenced by the environment, but through real-timemonitoring WSN node status and unique scalability, can be the first time to detectinvalid nodes, can reduce the losses.Remote data acquisition and sensor network research and networking program choices and requirements of the application of the system proposed hierarchicalarchitecture, wireless humidity measurement system, the hierarchy of the threemonitoring software for the PC, and composition of the monitoring center, by thecentral control node and the main network of sensors constituted by the sensor nodes,relay nodes, the routing nodes of the sensor subnets.KEY WORDS:WSN; humidity acquisition;route protocol; monitoring system无线传感器网络技术的迅速发展引起了全世界范围的广泛关注。