基于matlab的无线传感器网络毕业设计论文.docx

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基于matlab的无线传感器网络毕业设计论文

基于matlab的无线传感器网络

1引言

1.1背景和发展

俗语有云“水火无情”。

当今，火灾是世界各国人民所面临的一个共同的灾难性问题。

它给人类社会造成过不少生命、财产的严重损失。

随着社会生产力的发展，社会财富的日益增加，火灾损失上升及火灾危害范围扩大的总趋势是客观规律。

据联合国“世界火灾统计中心”提供的资料介绍，发生火灾的损失，美国不到7年翻一番，日本平均16年翻一番，中国平均12年翻一番。

全世界每天发生火灾1万多起，造成数百人死亡。

近几年来，我国每年发生火灾约4万起，死2000多人，伤3000—4000人，每年火灾造成的直接财产损失10多亿元，尤其是造成几十人、几百人死亡的特大恶性火灾时有发生，给国家和人民群众的生命财产造成了巨大的损失。

严峻的现实证明，火灾是当今世界上多发性灾害中发生频率较高的一种灾害，也是时空跨度最大的一种灾害。

因此，火灾的监控成为科研工作的一大课题。

随着科技的进步,现代火灾监控系统正朝着分布式、网络化、智能化的方向发展。

人们不仅要求系统稳定可靠,功能齐全,而且还要求能够结合无线通信的优势,实现无线监控,实时掌握系统的运行状态。

传统的火灾监测系统主要安装红外或微波等各种类型的报警探测器,通过有线方式与计算机安全综合管理系统联网,计算机系统对报警系统进行集中管理和控制。

由于电子设备长期处于运行状态,电气设备过载、过热、短路的火灾隐患较多。

因此,传统的火灾监控系统本身存在着很多的安全隐患。

本次设计便运用了无线传感器网络和动态机器人联合工作的思想设计了火灾监控系统。

该系统共有传感器节点、机器人节点、危险敌对区域搜索节点和远端用户节点四种节点。

无线传感器网络是由大量的具有温度、湿度采集功能、无线通信、计算功能的微小传感器节点构成的自组织分布网络系统。

每个节点具有数据采集与路由功能。

传感器节点最后把数据都发送到机器人节点处,机器人节点相当于网关负责融合、存储数据,并把它传送到Internet或卫星网络上将信息传给用户节点。

用户管理节点可以远程接收、分析数据,对火险进行监测和预报，即使发生火灾的时候具有消防功能的机器人节点也可以即时的通过传感器网络的数据信息最快的赶到火灾发生地点给予扑救。

1.2章节的安排

本文重点研究了无线传感器网络应用于区域火灾监控，当区域内发生火灾的时候可以通过无线传感器网络导航机器人执行任务，解决危险事件。

本设计主要是对无线传感器网络实现火灾监控与营救的方法进行仿真研究。

设计内容安排如下:

第一章是引言主要介绍了火灾监控技术的背景和发展，以及本文章节的安排；

第二章主要介绍无线传感器网络的基本知识，包括传感器网络的简介和发展、与有线网络的区别、网络特点，传感器节点、在社会各个领域的应用；

第三章介绍基于MATLAB7.0的仿真，包括MATLAB7.0的简介、特点及图形用户界面；

第四章分析火灾监控与营救，简要说明硬件要求，并软件实现本仿真过程；

第五章对全部设计进行总结。

2无线传感器网络

2.1无线传感器网络的简介和发展

无线传感器网络（WirelessSensorNetworks．WSN）就是由部署在监测区域内大量的具有特定功能的传感器节点（sensornode）通过自组织的无线通信方式，形成一个多跳的网络系统，从而相互传递信息，协同合作来完成特定任务。

无线传感器网络具有十分广阔的应用前景，在军事国防、工农业、城市管理、生物医疗、环境监测、抢险救灾、防恐反恐、危险区域远程控制等许多重要领域都有重要的实用价值，已经引起了许多国家学术界和工业界的高度重视，被认为是对21世纪产生巨大影响力的技术之一[1]。

近年来,国内外在无线传感器网络的研究应用上取得了很多成果。

无线传感器网络目前主要应用在环境监测和目标跟踪领域。

学者提出了利用无线传感器网络构造一个支持火灾即时检测和灾后引导撤离的系统框架和用于森林火灾预警的无线传感器网络系统。

前者由火灾检测传感器网络、数据收集层、中间件、逃离引导系统四部分组成。

后者则描述了在森林火灾预警方面无线传感器网络比传统的基于卫星检测方法的优越性,且在对数据进行融合时采用了神经网络的方法大大提升了数据处理的效率。

相关文献还论述了铺设无线传感器网络用于住宅、商业区的危害检测方面的独特优势,并介绍一种混合无线通信方法—SIGMASPASE。

它具有更大的检测范围和较小传输能量损耗[2]。

伴随着无线传感器网络的快速发展，以及人们对居住环境的要求越来越高，将无线传感器网络应用到火灾监控系统将是一种必然的选择。

2.2传统的有线传感器网络和无线传感器网络的区别

传统的有线传感器网络，传感器的位置是固定的，拆卸、安装、调试、校准都不方便，对于环境条件差的地方信号线极易损坏，并且采用有线网铺建大范围网络投资大，网络布线困难传输距离有限。

有线网络的终端，不仅铺设麻烦，而且维护就是很大的一个障碍。

相比之下，无线传感器网络采集到的数据更为准确、直接地反映监控现场的各种环境因素变化情况，而且时效性更好。

无线传感器网络在无人值守的环境监测、灾害扑救等特殊领域，具有传统技无可比拟的优势。

无线传感器网络技术在森林火险实时监测领域有着广阔应用前景，这已经引起了国内外许多研究者的高度重视。

针对此，本文中提出了基于无线传感器网络的火灾监测系统的设计[3]。

2.3无线传感器网络的结构

无线传感器网络通常包括传感器节点（sensornode）、汇聚节点（sinknode）和管理节点（managernode）。

大量的传感器节点随机的部署在监测区域，通过自组织方式构成网络，随机分布的集成有传感器、数据处理单元和通信模块的微小节点通过自组织的方式构成网络,借助于节点中内置的形式多样的传感器测量所在周边环境中的热、红外、声纳、雷达和地震波信号,从而探测包括温度、湿度、噪声、光强度、压力、土壤成分、移动物体的大小、速度和方向等众多我们感兴趣的物质现象。

将监测到的数据通过路由方式送到汇聚节点，最终通过互联网或卫星送到管理节点，用户（个人电脑/PC）通过管理节点收到的信息对传感器网络进行配置管理和监测任务[4]。

无线传感器体系结构如图2.1所示。

图2.1无线传感器体系结构

其中传感器节点通常是一个微型的嵌入式系统，它的体积很小。

其处理能力，存储能力和通信能力都相对较弱，一般都是通过携带有限的电池供电。

一个节点主要由传感器模块（Sensingunit），处理器模块（Processingunit），无线通信模块（transceiver）和能量供应模块（Powerunit）四部分组成。

传感器模块负责监测区域内的信息采集和数据转换；处理器模块负责控制整传感器节点的操作，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，交换信息与收发采集数据；能量供给模块为传感器提供运行所需要的能量，通常采用微型电池。

另外汇聚节点的处理能力、存储能力和通信能力相对比较强，它连接传感器网络与外部网络，实现两种协议之间的通信和协议转换，同时发布管理节点的监测任务并把收集的数据发到外部的网络上。

汇聚节点机可以是一个具有增强功能的的传感器节点，有足够的能量供给和存储能力和计算机资源，也可以作为没有监测能力仅带有无线通信接口的特殊网关设备[4,5]。

2.4传感器网络的特点

（1）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。

（2）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。

（3）动态性网络

移动终端可以在网络中随意的移动，由于受能量或环境等各方面的影响网络拓扑容易发生变化。

整个网络可以适应各种变化，具有动态系统可重构性。

（4）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。

（5）应用相关的网络

　　传感器网络用来感知客观物理世界，获取物理世界的信息量。

客观世界的物理量多种多样，不可穷尽。

不同的传感器网络应用关心不同的物理量，因此对传感器的应用系统也有多种多样的要求。

不同的应用背景对传感器网络的要求不同，其硬件平台和网络协议必然会有很大差别。

所以传感器网络不能像Internet一样，有统一的通信协议平台。

对于不同的传感器网络应用虽然存在一些共性问题，但在开发传感器网络应用中，更关心传感器网络的差异。

只有让系统更贴近应用，才能做出最高效的目标系统。

针对每一个具体应用来研究传感器网络技术，这是传感器网络设计不同于传统网络的显著特征。

（6）以数据为中心的网络

　　目前的互联网是先有计算机终端系统，然后再互联成为网络，终端系统可以脱离网络独立存在。

在互联网中，网络设备用网络中惟一的IP地址标识，资源定位和信息传输依赖于终端、路由器、服务器等网络设备的IP地址。

如果想访问互联网中的资源，首先要知道存放资源的服务器IP地址。

可以说目前的互联网是一个以地址为中心的网络。

　　传感器网络是任务型的网络，脱离传感器网络谈论传感器节点没有任何意义。

传感器网络中的节点采用节点编号标识，节点编号是否需要全网惟一取决于网络通信协议的设计。

由于传感器节点随机部署，构成的传感器网络与节点编号之间的关系是完全动态的，表现为节点编号与节点位置没有必然联系。

用户使用传感器网络查询事件时，直接将所关心的事件通告给网络，而不是通告给某个确定编号的节点。

网络在获得指定事件的信息后汇报给用户。

这种以数据本身作为查询或传输线索的思想更接近于自然语言交流的习惯。

所以通常说传感器网络是一个以数据为中心的网络[6,7]。

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2.5传感器节点

由前面可知一个传感器节点主要由传感器模块（Sensingunit），处理器模块（Processingunit），无线通信模块（transceiver）和能量供应模块（Powerunit）四部分组成。

当前传感器的硬件平台的市场竞争相当激烈，例如：

有美国Crossbow公司生产的MICA,MICA2,和MICA2DOT节点；有Millennia