无线传感器网络拓扑控制

一、实验背景随着物联网技术的飞速发展，无线传感器网络（Wireless Sensor Networks，WSN）作为一种重要的信息获取和传输手段，在军事、环境监测、智能交通、智能家居等领域得到了广泛应用。

为了深入了解无线传感器网络的工作原理和关键技术，我们进行了本次实验。

二、实验目的1. 熟悉无线传感器网络的基本概念和组成；2. 掌握无线传感器网络的通信协议和拓扑结构；3. 熟悉无线传感器网络的编程与调试方法；4. 通过实验，提高动手能力和实践能力。

三、实验内容1. 无线传感器网络概述无线传感器网络由传感器节点、汇聚节点和终端节点组成。

传感器节点负责感知环境信息，汇聚节点负责收集和转发数据，终端节点负责处理和显示数据。

传感器节点通常由微控制器、传感器、无线通信模块和电源模块组成。

2. 无线传感器网络通信协议无线传感器网络的通信协议主要包括物理层、数据链路层和网络层。

物理层负责无线信号的传输，数据链路层负责数据的可靠传输，网络层负责数据路由和传输。

3. 无线传感器网络拓扑结构无线传感器网络的拓扑结构主要有星形、树形、网状和混合形等。

星形拓扑结构简单，但易受中心节点故障影响；树形拓扑结构具有较高的路由效率，但节点间距离较长；网状拓扑结构具有较高的可靠性和路由效率，但节点间距离较远。

4. 无线传感器网络编程与调试本实验采用ZigBee模块作为无线通信模块，利用IAR Embedded WorkBench开发环境进行编程。

实验内容如下：（1）编写传感器节点程序，实现数据的采集和发送；（2）编写汇聚节点程序，实现数据的收集、处理和转发；（3）编写终端节点程序，实现数据的接收和显示。

5. 实验步骤（1）搭建实验平台，包括传感器节点、汇聚节点和终端节点；（2）编写传感器节点程序，实现数据的采集和发送；（3）编写汇聚节点程序，实现数据的收集、处理和转发；（4）编写终端节点程序，实现数据的接收和显示；（5）调试程序，确保各节点间通信正常；（6）观察实验结果，分析实验现象。

摘要无线传感器网络融合了片上科技、传感器科技与小功耗通讯这几个如今快速改进的优秀科技。

此类网络一般通过很多多点布置的传感器单元经过一定的形式组成，如今已大面积推广到国防、科技和环境监控等范围中。

伴随科技的逐步改进，无线传感器网络科技也会在物联网中发挥自身的特点。

因为传感器单个单元的运算量都有约束，怎样增加其有效活动周期是此研究的关键点。

文章对于无线传感器网络有关程序进行分析，把遗传算法使用到其系统当中，使用遗传算法处理繁复的平台改进算法的特殊特点，对其进行优化，寻求最佳途径来减少单个单元的运算量。

作者具体的研究内容如下：首先，针对无线传感器网络的开展状况和有关定义做出归纳；介绍了几类典型的路由协议，并提出了一种新的路由协议分类方法，按照节点数据的传播方式将路由协议分为广播式、坐标式和分簇式三种。

其次，针对各层级的单元来分析，对LEACH还有对应改善的、拓展的路由协约实现进程做出研究，某些协约也做出了模拟，评测了此类协约的优劣势。

再次，给出了一个根据遗传算法的无线传感器网络程序，把剩下的能量加入考虑的范围内，并且对提出的办法做了模拟，把其和非动态的算法比较，证实了新程序的先进性。

第四，在结合LEACH优点的基础上对其簇头选择、成簇过程以及簇间通信做了改进，并且把遗传算法作用在寻求功耗最小的信息传递途径。

最终对改良的程序做了模拟，和LEACH与某些相关的程序进行比较，证明了此程序的先进性。

关键词：无线传感器网络，拓扑控制，节能，遗传算法，LEACH第一章绪论1.1 研究背景及意义计算机技术、微电子技术以及网络技术的不断成熟促进着信息社会的不断发展，人类社会对于各种场合下信息采集和处理的需求也日趋强烈，为此促进了低功率传感器技术的发展，这种传感器相对廉价，具备体积小、能通过射频的方式相互连接的特性，它们能被大量投放于特定区域，以获取环境数据，进行环可靠性监控（包括生化检测、机械状态检测等），获得高精确度的传感信息并且经过一定的无线通讯形式传递信息。

无线传感器网络技术与应用无线传感器网络（Wireless Sensor Network, WSN）是近年来兴起的一种新型网络技术，它通过大规模分布在监测区域内的传感器节点，实时采集、处理并传输监测数据。

随着物联网技术的不断发展，无线传感器网络在各个领域的应用也越来越广泛。

本文将围绕无线传感器网络技术的基本原理和典型应用进行论述。

一、无线传感器网络技术的基本原理无线传感器网络由庞大数量的分布在监测区域内的传感器节点组成。

每个传感器节点都具备自主采集环境信息、处理数据并通过无线通信进行传输的能力。

传感器节点之间可以通过无线连接建立起通信网络，将采集到的数据实时传输给基站或其他节点。

无线传感器网络的技术原理主要包括传感器节点的自组织、数据采集与传输以及能源管理。

首先，传感器节点可以通过自组织和自适应的方式建立网络连接，实现动态部署和组网，灵活适应网络拓扑结构的变化。

其次，传感器节点通过感知环境并进行数据采集，将采集到的数据进行处理，并选择合适的传输方式将数据传输给其他节点或基站。

最后，考虑到传感器节点的能源有限，能源管理是无线传感器网络技术的重要方面，包括节点休眠、能量收集与节能优化等。

二、无线传感器网络的典型应用领域1. 环境监测无线传感器网络在环境监测领域的应用得到了广泛关注。

通过部署大量的传感器节点，可以实时监测空气质量、水质、温度、湿度等环境参数，以便及时发现和应对环境污染、灾害等情况。

2. 智能交通利用无线传感器网络技术可以实现智能交通系统的建设与优化。

传感器节点可以实时感知车流量、交通拥堵情况，并将这些信息传输给中心控制系统，该系统可以根据实时数据进行调度，优化交通流量，提高道路利用率，减少交通事故等。

3. 农业监测无线传感器网络可以应用于农业领域，实现对土地、作物、水资源等的实时监测和精确管理。

通过传感器节点采集农田土壤、作物生长环境以及气象等数据，农民和相关管理人员可以及时了解农业生产状况，进行科学决策，提高农业生产效益。

无线传感器网络在物联网中的使用教程随着物联网的快速发展，无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）逐渐成为实现智能化、自动化的重要组成部分。

无线传感器网络通过将大量的传感器节点分布在被监测区域内，通过无线通信方式进行数据的采集、传输和处理，为物联网提供了广泛的应用场景。

本文将详细介绍无线传感器网络在物联网中的使用教程，帮助读者快速上手并有效利用该技术。

一、无线传感器网络简介无线传感器网络由大量的传感器节点组成，每个传感器节点都具有自身的处理能力和通信功能。

传感器节点通常包括传感器、处理器、无线模块和电源等组件。

这些传感器节点通过无线通信协议（如Wi-Fi、Bluetooth、ZigBee等）相互连接，构成一个网络，用于实时、远程地采集和传输环境中的各种数据。

无线传感器网络在物联网中的使用广泛，例如环境监测、智能家居、农业灌溉、智能交通等领域。

通过无线传感器网络，我们可以实时监测环境的温度、湿度、光照等参数，从而实现对环境的精细化管理和控制。

二、无线传感器网络的组成与工作原理无线传感器网络由若干个传感器节点组成，每个节点通常由传感器、处理器和无线模块等组件构成。

传感器负责采集环境中的各种数据，处理器将采集到的数据进行处理和分析，无线模块实现传输功能。

传感器节点之间通过无线通信方式相互连接，构成一个网络。

每个节点通过自身的无线模块实现数据的传输和接收。

这些传感器节点可以通过星型、网状等不同的拓扑结构组成，实现数据的汇聚和传输。

在工作过程中，有几个关键步骤需要注意：1. 部署传感器节点：根据实际的监测需求，合理地部署传感器节点。

传感器节点之间的距离和布局对数据的采集和传输影响较大，需要根据不同的应用场景进行合理规划。

2. 网络连接与配置：通过无线通信协议将传感器节点连接成一个网络。

在进行网络连接之前，需要对每个传感器节点进行配置，包括网络地址、传感器类型、采样频率等信息。

无线传感网络概述学号031241119姓名魏巧班级0312411一、无线传感器网络（WSN）的定义：无线传感器网络（WSN）是指将大量的具有通信与计算能力的微小传感器节点，通过人工布设、空投、火炮投射等方法设置在预定的监控区域，构成的“智能”自治监控网络系统，能够检测、感知和采集各种环境信息或检测对象的信息。

二、传感器的节点分布及通信方式：由于传感器节点数量众多，布设时智能采用随机投放的方式，传感器节点的位置不能预先确定。

节点之间可以通过无线信道连接，并具有很强的协同能力，通过局部的数据采集、预处理以及节点间的数据交互来完成全局任务，同时节点之间采用自组织网络拓扑结构。

由于传感器节点是密集布设的，因此节点之间的距离很短，在传输信息方面多跳（multi—hop）、对等（peer to peer）通信方式比传统的单跳、主从通信方式更适合在无线传感器网络中使用，例如：使用多跳的通信方式可以有效地避免在长距离无线信号传播过程中遇到的信号衰落和干扰等各种问题。

三、WSN运行的环境：1、WSN可以在独立封闭的环境下（如局域网中）运行。

2、WSN也可以通过网关连接到网络基础设施上（如Internet）。

在这种情况中，远程用户可以通过Internet 浏览无线传感器网络采集的信息。

四、无线数据网络的定义及无线自组网络的特点：主流的无线网络技术，如IEEE 802.11、Bluetooth都是为了数据传输而设计的，我们称之为无线数据网络。

目前，无线数据网络研究的热点问题就是无线自组网络技术，这项技术可以实现不依赖于任何基础设施的移动节点在短时间内的互联。

特点有如下几点：（1）无中心和自组性（优点）：无线自组网络没有绝对的控制中心，网络中节点通知分布式的算法来协调彼此的行为，这种算法无需人工干预和其他预置网络设施就可以在任何时刻任何地方快速展开并自动组网。

（2）动态变化的网络拓扑（缺点）：移动终端能够以任意速度和方式在网中移动，在通过无线信道形成的网络拓扑随时可能发生变化。

物联网简介及基于ZigBee的无线传感器网络第一篇：物联网简介及基于ZigBee的无线传感器网络物联网简介及基于ZigBee的无线传感器网络摘要物联网，是继计算机、互联网与移动通信网之后的又一次信息产业浪潮，是一个全新的技术领域，给IT和通信带来了广阔的新市场。

积极发展物联网技术，尽快扩展其应用领域，尽快使其投入到生产、生活中去，将具有重要意义。

ZigBee无线通信技术是一种新兴的短距离无线通信技术，具有低功耗、低速率、低时延等特性，具有强大的组网能力与超大的网络容量，可以广泛应用在消费电子品、家居与楼宇自动化、工业控制、医疗设备等领域。

由于其独有的特性，ZigBee无线技术也是无线传感器网络的首选技术，具有广阔的发展前景。

ZigBee协议标准采用开放系统接口(051)分层结构，其中物理层和媒体接入层由IEEE802.15.4工作小组制定，而网络层，安全层和应用框架层由ZigBee联盟制定。

本文首先从概念、技术架构、关键技术和应用领域介绍了物联网的相关知识，然后着重介绍了基于ZigBee的无线传感器网络，其中包括无线传感网简介、ZigBee技术概述和基于ZigBee的无线组网技术。

关键词：物联网；ZigBee；无线传感器网络物联网简介物联网概念“物联网概念”是在“互联网概念”的基础上，将其用户端延伸和扩展到任何物品与物品之间，进行信息交换和通信的一种网络概念。

其定义是：通过射频识别（RFID）、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物品与互联网相连接，进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络概念。

最简洁明了的定义：物联网(Internet of Things)是一个基于互联网、传统电信网等信息承载体，让所有能够被独立寻址的普通物理对象实现互联互通的网络。

它具有普通对象设备化、自治终端互联化和普适服务智能化3个重要特征。

技术架构从技术架构上来看，物联网一般可分为三层：感知层、网络层和应用层。

无线传感器网络中的覆盖问题及算法研究无线传感器网络是由大量分布在特定区域内的无线传感器节点组成的网络，每个节点可以感知环境信息并将其传输给其他节点。

覆盖问题是无线传感器网络中的一个重要问题，指的是如何高效地利用有限数量的传感器节点，使得整个区域被充分覆盖，以便实时监测和获取目标区域的相关信息。

无线传感器网络中的覆盖问题不仅仅是简单的节点布置问题，而是考虑到各种约束条件和问题，如节点有限的能量和计算能力、网络传输的延迟和带宽等。

在设计覆盖算法时，需要综合考虑这些因素，以实现最优的覆盖效果和网络性能。

为了解决无线传感器网络中的覆盖问题，研究者们提出了许多不同的算法和方法。

以下是其中几种常见的算法：1. 贪心算法：贪心算法是最简单和常用的覆盖算法。

它通过每次选择一个最优节点来覆盖未被覆盖的区域，直到所有区域都被覆盖。

贪心算法的优点是简单、易于实现和计算效率高。

然而，贪心算法可能无法找到全局最优解，在节点有限的情况下可能导致覆盖率不高。

2. 排列算法：排列算法是一种基于全排列的覆盖算法。

它将所有节点进行排列组合，然后通过计算每种排列对应的覆盖度来选择最佳排列方式。

排列算法可以得到较高的覆盖率，但其计算复杂度随着节点数量的增加而急剧增加，对于大规模网络不适用。

3. 基于生命周期的覆盖算法：基于生命周期的覆盖算法是为了解决传感器节点能量有限的问题而提出的。

该算法考虑节点的能量消耗，通过动态调整节点的工作状态，延长整个网络的生命周期。

具体方法包括轮流休眠和节点聚合等。

该算法能够有效延长网络寿命，但可能会导致覆盖率降低。

4. 分簇算法：分簇算法将节点分为多个簇，每个簇由一个簇头负责，其他节点则作为簇成员。

簇头负责收集簇内成员节点的数据，并将其传输给其他簇头，最终传输到基站。

通过对节点进行合理的分簇，可以有效减少能量消耗和传输延迟，提高整个网络的覆盖效率。

除了上述的算法外，还有许多其他的覆盖算法被提出和研究，如基于传感器选择的算法、拓扑控制的算法等。