无线传感器课程设计.docx

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无线传感器课程设计

第一章绪论

1.1国内外研究现状

WSNs作为一种新的计算模式正在推动科技发展和社会进步，关系到国家经济和社会安全，已成为国际竞争的制高点，引起了世界各国军事部门、工业界和学术界的极大关注。

美国自然科学基金委员会2003年制定了WSNs研究计划，投资3400万美元支持相关基础理论的研究。

美国国防部和各军事部门都对WSNs给予高度重视，把WSNs作为一个重要研究领域，设立了一系列的军事WSNs研究项目。

英特尔公司、微软公司等信息工业界巨头也纷纷设立或启动相应的行动计划。

世界很多国家都纷纷展开了该领域的研究工作。

我国最近几年也开始重视WSNs技术的研究。

国家自然科学基金委员会资助了很多WSNs研究项目，包括重点项目和面上项目。

在“中国未来20年技术预见研究”报告中，有7项技术课题直接论述了传感器网络。

2006年初发布的《国家中长期科学与技术发展规划纲要》为信息技术确定了3个前沿方向，其中有两个与WSNs研究直接相关。

1.2研究内容

本课题在介绍无线传感器网络及其特点的基础上，对无线传感器网络通信协议进行研究。

其中考虑到节能是无线传感器网络设计中最重要的方面，着重对影响能耗的网络层路由协议和数据链路层MAC协议进行了分析。

第二章无线传感器网络

2.1无线传感器网络及其特点

计算机网络自产生之日起，尤其是上世纪90年代初的迅猛发展，使人们的生活发生了极大的改变。

通信技术日新月异。

近年来，无线通信更是大行其道，各种无线通信应用层出不穷。

无线通信和有线通信相比较，无需对网络通信的物理通道进行配置，具有很大的灵活性，并节约了网络设施的成本，这使得它比有线通信具有更光明的前景。

全球无线通信应用的规模，将很快超过有线网络应用的规模。

随着集成电路技术的发展，芯片越做越小，功能却越来越强。

这为生产大量廉价的、体积很小的、具有多种功能的器件提供了保证。

在无线通信技术及芯片制造技术的双重作用下，同时伴随着各种实际应用的需求，无线传感器网络的产生也就很自然了。

这是一种新型的无线通信架构。

现在美国的UARPA和NSF都已经设立了专项的基金对无线传感器网络的研究进行资助。

美国的许多大学都有针对无线传感器网络的研究小组，而其中又以UCB，UCLA，USC的研究最为领先。

以前的监控系统经常是将少量的大功率的，具有很强数据分析能力的传感装置安放在离目标有一定距离的观测点进行监控，这样获得的数据很不准确，需要传感装置具有较强的处理分析能力，从混杂的信号中分析出有用的信息。

现在，可以将体积小、耗能少、造价低、但是功能却很强的传感器，高密度的分布在观测区域，从而获得全面的、精确度相当高的数据，这从根本上改变了传统监控系统的模式。

无线传感器网络就是由大量的能与物理环境进行交互，同时具有数据处理功能和无线通信功能的新型传感器构成的互连系统，该系统可以完成复杂的监控任务。

这里的传感器，并不是传统意义上的单纯的对物理信号进行感知并转化为数字信号的传感器，它是将感应模块，数据处理模块和无线通信模块集成在一块很小的物理单元上，功能比传统的传感器大了许多，不仅能够对环境信息进行感知，而且具有数据处理及无线通信的功能。

将这类传感器节点高密度的分散在某个环境里，通过无线通信进行连接，它们就从整体上构成了一种特殊的网络。

每个节点都有自己控制的一个区域，通过感知设备，如声学光学设备，化学分析装置，电磁感应装置等，对它周围的物理环境进行监控，当然也可以通过配置一些功能单元来实现特定的与环境交互的功能。

无线传感器网络的特点具有以下几个特点：

1、无线传感器网络是通过无线方式连通的。

无线的连接具有很强的灵活性，电

磁波可以进行“无介质传输”，它不需要有固定的事先建立好的节点之间的连接，而且即便网络节点的位置发生了变化，也不会太大的影响网络的连通，适合于动态的网络环境。

最重要的一点是在很多复杂的环境下，根本无法事先建立节点之间的连接。

比如说某些恶劣的自然环境里，生物无法生存，人类不能亲自的深入到这些地方，只能通过飞机将大量的传感器节点随机的投放到监控区。

这时，无线通信方式是唯一可用的方式。

2、无线传感器网络是一种分布式的传感系统。

通过在某一区域分散了大量的传感器节点，各个节点对其附近的有限的区域进行观测，全部的节点从整体上实现了对整个区域的监控。

一个区域的空间越大，它各个部分的环境信息的差异也会越咀显，这时，单单依靠一两个传感器在少量的几个点测得的环境信息根本不可能代表整个区域的情况。

由于传感器节点的成本相对来说比较低，可以安置大量的传感器节点，使得它们覆盖了被测区域的各个角落，这样所获得的信息综合起来，就会比较精确的反映整个区域的情况。

节点的冗余度越高，获得信息的精确度也会越高。

3、无线传感器网络通过广播的方式进行通信，不同于传统的网络应用的端到端的信息传送。

4、无线传感器网络应该是一种自组织网络。

与传统的有线网络相比，对无线传感器网络进行人工干预的机会可能很少。

很多情况下，比如说在复杂的环境里，无法对网络进行人工的配置，这就需要各个节点可以相互协调建立之间的连接，完成网络的初始化，启动监测的任务。

而且由于各种不可预测的环境变化，网络节点的分布，节点之间的连接情况，甚至网络节点的工作状态都会发生不可知的变化。

所有的这些，都要求无线传感器网络具有自我调节的能力，即各个传感器节点能够感知到网络结构的变化，通过相互协调，适应网络的这种动态性，维护应用的正常运行。

5、无线传感器网络对系统的能量以及带宽资源的利用率要求很高。

当传感器节点被用于某个无线传感器网络应用任务之后，几乎没有机会对它们的能量进行更新，各个节点所携带的电池的容量是有限的，是不可再生的资源，电能势必将会慢慢的耗尽，系统将会失去工作能力。

所以，无线传感器网络需要高效的利用这些能量，以延长网络的“生命”，完成更多的工作。

6、无线传感器网络是以数据为中心的。

不同于传统的具有中央控制节点的系统，无线传感器网络里并不是将各个节点的数据都传送到中央节点统一处理。

由于传感器网络是高密度网络，很多节点会探测同一个物理现象，因此传感器节点发送的数据就会存在冗余。

每个节点都有数据处理的能力，把来自多条路由的数据进行聚合，消除冗余，让传输的数据最小化，从而达到节省能量的目的。

磁波可以进行“无介质传输”，它不需要有固定的事先建立好的节点之间的连接，而且即便网络节点的位置发生了变化，也不会太大的影响网络的连通，适合于动态的网络环境。

最重要的一点是在很多复杂的环境下，根本无法事先建立节点之间的连接。

比如说某些恶劣的自然环境里，生物无法生存，人类不能亲自的深入到这些地方，只能通过飞机将大量的传感器节点随机的投放到监控区。

这时，无线通信方式是唯一可用的方式。

2、无线传感器网络是一种分布式的传感系统。

通过在某一区域分散了大量的传感器节点，各个节点对其附近的有限的区域进行观测，全部的节点从整体上实现了对整个区域的监控。

一个区域的空间越大，它各个部分的环境信息的差异也会越咀显，这时，单单依靠一两个传感器在少量的几个点测得的环境信息根本不可能代表整个区域的情况。

由于传感器节点的成本相对来说比较低，可以安置大量的传感器节点，使得它们覆盖了被测区域的各个角落，这样所获得的信息综合起来，就会比较精确的反映整个区域的情况。

节点的冗余度越高，获得信息的精确度也会越高。

3、无线传感器网络通过广播的方式进行通信，不同于传统的网络应用的端到端的信息传送。

4、无线传感器网络应该是一种自组织网络。

与传统的有线网络相比，对无线传感器网络进行人工干预的机会可能很少。

很多情况下，比如说在复杂的环境里，无法对网络进行人工的配置，这就需要各个节点可以相互协调建立之间的连接，完成网络的初始化，启动监测的任务。

而且由于各种不可预测的环境变化，网络节点的分布，节点之间的连接情况，甚至网络节点的工作状态都会发生不可知的变化。

所有的这些，都要求无线传感器网络具有自我调节的能力，即各个传感器节点能够感知到网络结构的变化，通过相互协调，适应网络的这种动态性，维护应用的正常运行。

5、无线传感器网络对系统的能量以及带宽资源的利用率要求很高。

当传感器节点被用于某个无线传感器网络应用任务之后，几乎没有机会对它们的能量进行更新，各个节点所携带的电池的容量是有限的，是不可再生的资源，电能势必将会慢慢的耗尽，系统将会失去工作能力。

所以，无线传感器网络需要高效的利用这些能量，以延长网络的“生命”，完成更多的工作。

6、无线传感器网络是以数据为中心的。

不同于传统的具有中央控制节点的系统，无线传感器网络里并不是将各个节点的数据都传送到中央节点统一处理。

由于传感器网络是高密度网络，很多节点会探测同一个物理现象，因此传感器节点发送的数据就会存在冗余。

每个节点都有数据处理的能力，把来自多条路由的数据进行聚合，消除冗余，让传输的数据最小化，从而达到节省能量的目的。

2.2无线传感器的拓扑结构

图2-1无线传感器网络拓扑结构一

传统意义上的这种环境监控系统，大多采用c/s结构的，即存在着一个主要的数据处理中心控制节点，其他的各个监控点都和这个中心控制节点连接起来，所有的数据都直接传送到该节点，进行集中的分析处理。

无线传感器网络不同于这种传统的网络结构，无线传感器网络里各个节点的地位都是相同的，它们只与邻近的节点进行通信。

无线传感器网络所处的外部环境往往是复杂多变的，不是人类所能到达的，无线传感器网络所处各个节点能够根据网络结构的变化，自适应的维护网络的通信。

网络中的大量的节点协调工作，实现较高层次的对环境的监控任务。

图2-1为无线传感器网络拓扑图，每个节点都对其附近的物理环境进行监控，节点在无线通信可以的范围内，与它的邻节点存在通信信道。

实际中大量节点的控制范围将会覆盖整个区域。

整个网络可以对整个监控区域进行复杂度很高的监控任务。

如上展示了目前大家比较认同的无线传感器网络的拓扑结构。

大量的传感器节点分布在监控区域。

用户利用任务管理节点，经过某些途径，如Internet或卫星通信等等，与传感器节点中的某些节点（sink）建立连接。

通过这些Sink节点，向传感器集合发送监控任务，并接受返回信息。

所有的节点都有能力采集数据并采用多跳的路由方式将数据返回给Sink节点。

采用多跳方式的最大理由主要是短距离的数据传输最能节省节点能量。

随着研究的深入，许多学者对无线传感器网络的路由拓扑设计综合考虑之后提出各种路由以及组网方案，研究证明单纯多跳的方式未必是最佳的方式，要根据传感器网络的具体应用，具体情况，譬如网络规模，节点分布等等因素综合起来考虑。

即传感器节点收集的数据既可通过单跳方式直接传送到Sink节点，也可通过多跳中继方式将监测数据传到Sink节点，或者通过上述介绍的本地数据收集节点传送给Sink节点。

最终借助长距离或临时建立的Sink链路将整个区域内的数据传送到远程中心进行

集中处理。

例如图2-2，监测区域中被划为分多个子控制区域，每个小区域中有一个本地处理节点，负责收集该控制区域节点的数据，再送往Sink节点。

图2-2无线传感器网络拓扑结构二

2.3无线传感器网络的应用

无线传感器网络是一种基于特定应用的系统，针对不同的应用，要进行不同的系统设计。

目前，实用的无线传感器网络系统不是很多，还没有一种统一的标准来定义无线传感器网络的架构，毕竟，从这个概念的提出到现在，才仅仅几年左右的时间。

尽管如此，人们还是看到了无线传感器网络具有广阔的应用前景。

由于它的成本低，适应性强，功能强大等特点，在军事、环保、生产、医药、智能空间等领域都将大有用武之地。

在军事领域，传感器节点由于具有的体积小的特点，隐蔽性较强，可以通过一些方法，比如利用飞机进行投放，将大量的具有侦察功能的传感器布置在敌军的控制区域，来对敌军的情况进行监控。

在环保方面，可以利用无线传感器网络来对某地区的环境数据进行采集，尤其是对于一些不适合生物生存，工作人员无法亲临进行观察的区域，如高温，高腐蚀，强烈的辐射等等不利的环境。

比如，在被污染了的河流底部投放大量的具有化学分析功能的传感器节点，来对河水的污染情况进行数据采集；可以在被怀疑受到核辐射污染的地区安放大量的传感器，来对各个位置的辐射强度进行测量。

在对珍稀动物的保护方面，无线传感器网络也起到了很大的重用。

比如可以利用飞机向充满着未知危险的热带雨林投放大量的传感器节点，这些节点都具有光学成像设备，并可以对某些珍惜物种进行识别，利用无线传感器网络，生物学家就可以无需进入危险的雨林，实现对珍稀物种的分布统计。

在工业生产领域，可以在生产线的各个环节安放传感器节点来对整个生产线过程进行监控。

目前，人们研究的较多的是在“智能空间”方面的应用。

如“活动徽章系统”就体现了无线传感器网络的基本思想。

它通过在每个建筑物里安放大量的传感器，这些节点构成了一个监控系统，而建筑物里的工作人员，每个人身上都佩戴了一个会周期性发送信号的徽章，传感器节点能够接收到这个徽章发送的信号。

这样，当大楼里的接待员要将某个电话转接给某人时，就可以通过这个监控系统来确定某人的具体位置，将电话转接到离他最近的分机上。

活动办公室系统里，设定好的无线传感器网络将监控物体定位在误差很低。

“移动病人系统”应用于医院中，能够很好的监控病人的活动，尤其对于病情突发性很强的病人，可以避免意外的发生。

第三章无线传感器网络通信协议概述

无线传感器网络协议包括物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层上的协议。

1、物理层

物理层的研究主要涉及无线传感器网络采用的物理媒体、频段选择以及调制方式。

目前，无线传感器网络采用的传输媒体主要有：

无线电、红外线、光波等。

无线电传输是目前无线传感器网络采用的主流传输方式，需要解决的问题有：

频段选择、节能的编码方式、调制算法设计等。

目前对无线传感器网络物理层的研究迫切需要解决的问题有：

在降低硬件成本方面需要研究集成化，全数字化、通用化的电路设计方法；在节能方面需要设计需要具有高数据率、低符号率的编码、调制算法。

2、数据链路层

数据链路层用于建立可靠的点到点或点到多点的通信链路，主要涉及媒介访问控制（MAC）协议。

现有的蜂窝电话网络Ad-hoc网络中的MAC协议主要关心如何满足用户的需求、节省带宽资源以及如何在节点告诉移动的环境中建立彼此的连接，功耗是第二位的，这些协议并不适合无线传感器网络。

3、网络层

针对无线传感器网络的特点与通信需求，国内外科研人员设计了多种路由协议。

从网络拓扑结构的角度可以分为两类：

平面路由协议和聚集型路由协议。

同时对于无线的自组织的传感器网络而言，网络拓扑控制具有特别重要的意义，通过拓扑控制自动生成的良好的网络拓扑结构，能够提高路由协议和MAC协议的效率，可为数据融合、时间同步和目标定位等很多方面奠定基础，有利于节省节点的能量来延长网络的生存期。

拓扑控制可以分为节点功率控制和层次性拓扑结构形成两个方面。

除了传统的功率控制和层次型拓扑控制，人们也提出了启发式的节点唤醒和休眠机制。

同时传感器网络拓扑结构动态变化，网络资源也在不断变化，这些都对网络协议提出了更高的要求。

传感器网络协议负责使各个独立的节点形成一个收集数据并传输的网络，因而在网络层相关技术的研究的同时，经常将网络拓扑设计以及网络层协议和数据链路层协议结合起来考虑进行研究。

网络拓扑决定了网络的设计架构，网络层的路由协议决定监测信息的传输路径；数据链路层的介质访问控制用来构建底层的基础结构，控制传感器节点的通信过程和工作模式。

4、传输层

现阶段对传输控制的研究主要集中于错误恢复机制。

目前对无线传感器网络传输控制的研究还很少，如何在拓扑结构、信道质量动态变化的条件下，为上层应用提供节能，可靠、实时性高的数据传输服务是今后研究的重点。

5、应用层

应用层与具体应用场合和环境密切相关，因此其设计不可能是通用的，必须针对

具体应用的需求进行设计。

尽管如此，应用层的主要任务是获取数据并进行初步处理，这一点是共同的。

以数据为中心和面向特定应用的特点要求无线传感器网络能够脱离传统网络的寻址过程，快速有效地组织起各个节点的信息并融合提取出有用信息直接传送给用户。

然而网络节点实现数据采集计算或传输功能，都需要消耗能量，所需消耗的能量和产生的数据量、采样频率、传感器类型以及应用需求有关。

同时，在短时间产生大数据量如果不加处理直接传输，会造成网络拥塞，导致网络寿命缩短。

所以，考虑采用能效高的网络通信协议和数据局部处理策略，如数据融合技术，是一种可行的解决思路。

由于节能是无线传感器网络设计中最重要的方面，而且大量的研究显示：

网络层上的路由协议和数据链路层上的MAC协议对无线通信模块的能量消耗起着至关重要的影响。

第四章路由协议

传统的无线网络路由协议设计的主要目的是为网络提供高的服务质量和高效的利用带宽，而对于节能的考虑只是一个次要的方面；但是传感器网络路由协议设计的首要目标是高效节能，延长整个的网络生命周期。

路由协议的任务是在传感器节点和Sink节点之间建立路由，从而为用户可靠地传递数据。

由于传感器网络资源严重受限，因此路由协议的设计必须遵守执行计算简单、节点保存信息少等原则。

4.1路由协议的分类

无线传感器路由协议从路由的表现形式、与应用的相关程度等不同的角度有以下两种分类方法：

（1）单跳路由协议与多跳路由协议；

（2）平面路由协议与层次路由协议；

几种典型路由协议与类别所属关系如表4-1：

分类方式

直接传输

泛洪

定向扩散

LEACH

TEEN

单跳

○

○

○

多跳

○

○

平面式

○

○

○

层次式

○

○

表4-1典型路由协议研究

4.1.1平面型路由协议

平面型协议多是以数据为中心的，基于数据查询服务的策略，对监测数据按照属性命名，对相同属性的数据在传输过程中进行融合，从而减少冗余数据的传输。

这类协议同时集成了网络层路由任务和应用层数据管理任务。

优点是不存在特殊节点，路由协议的鲁棒性较好，网络流量平均地分散在网络中。

缺点是缺乏可扩展性，限制了网络的规模。

只适用于规模较小的传感器网络。

平面型路由协议典型代表主要有：

Flooding，Gossiping，SPIN，DD。

泛洪Flooding协议和Gossiping协议[1，2]是两个最为经典的传统网络路由协议，可以应用到WSNs中。

这两个协议都不要求维护网络的拓扑结构，不需要维护路由信息，也不需要任何算法，但是扩展性很差。

1、泛洪（Flooding）

泛洪Flooding是一种古老的传统泛洪式路由技术，它不需要维护网络的拓扑结构和路由计算，接收到消息的节点以广播形式转发数据包给所有的邻节点，这个过程重复执行，直到数据包到达目的地或者预先设定的最大跳数。

对于自组织的无线传感网络，泛洪法是一种较直接的简单的实现方法，但存在消息“内爆”（implosion）和“重叠”（overlap）的问题，也没有考虑能量方面的限制。

下面通过分析一些简单的例子说明泛洪法的能量效率很低。

如图4-1中的“内爆”，源节点S只需要两次发送就能将消息传播到目的节点D，但是使用泛洪法将产生4次数据发送，而且目的节点D会收到3个数据副本。

又如图4-1中的“重叠”，处于同一观测环境的两个相邻的同类传感器节点A和B同时对一个事件C做出反应，二者采集的数据性质相同，数值相近，这两个节点的邻居节点C将收到两个数据副本。

图4-1内爆与重叠

在Flooding协议中，节点产生或收到数据后向所有相邻节点广播。

数据包直到过期或到达目的地才停止传播。

因此，消息的“内爆”（implosion）（节点几乎同时从邻节点收到多份相同数据）和“重叠”（overlap）（节点先后收到监控同一区域的多个节点发送的相同数据）和资源利用盲目（节点不考虑自身资源限制，在任何情况下都转发数据）是其固有的缺陷为了克服这些缺陷[3]，文献提出了Gossiping策略[3]。

节点随机选取一个相邻节点转发它接收到的分组，而不是采用广播形式。

这种方法避免了消息“内爆”现象，但数据传输的时延增加了。

2、SPIN

传感器协商SPIN（SensorProtocolstorInformationviaNegotiation）协议[4]是以数据为中心的、具有能源调整功能的、自适应路由协议。

SPIN使用三种类型的信息进行通信，即ADV．REQ和DATA信息。

在传送DATA信息前，传感器节点仅广播该包含DATA数据描述机制的ADV信息，当接收到相应的REQ请求信息时，才有目的地发送DATA信息。

使用基于数据描述的协商机制和能量自适应机制的SPIN协议，能够很好地解决传统的泛洪flooding和Gossiping协议所带来的信息内爆、信息冗余和资源浪费等问题。

与flooding和Gossiping协议相比有效地节约了能量。

但其缺点是：

当产生或收到数据的节点的所有相邻节点都不需要该数据时，将导致数据不能继续转发，以致较远节点无法得到数据，当网络中大多节点都是潜在sink点时，问题并不严重。

但当sink点较少时，则是一个很严重的问题：

且当某sink点对任何数据都需要时，其周围节点的能量容易耗尽，虽然减轻了数据内爆，但在较大规模网络中，信息内爆仍然存在。

3、定向扩散协议DD

定向扩散（DirectedDiffusion）是一种以数据为中心的信息传播协议，运行基于属性的命名机制来描述数据，并通过向所有节点发送对某个命名数据的“兴趣”（任务描述符）来完成数据收集。

网络中的每个节点只了解给它发送请求的相邻节点，节点通过建立一个梯度来转发“兴趣”给它的相邻节点，梯度指向“兴趣”数据包来自的节点，当“兴趣”到达了源节点，一个临时的梯度场就建立了，传感器网络就会"加强"梯度最大的路径，一旦源节点采集到和“兴趣”相匹配的数据信息，就以事件驱动的方式，沿着梯度最大的方向传输数据到Sink节点。

梯度最大的路径也就是功耗最低的路径。

兴趣的扩散：

用命名机制描述的数据就构成了一个“兴趣”，首先由Sink节点产生，然后按照一定的数据率扩散到网络中的每个节点。

每个节点都有一个“兴趣”缓存，缓存中的每项都对应着不同的“兴趣”。

缓存中的每个“兴趣”包含如下几个字段：

时间字段指示最近收到匹配“兴趣”的时间信息，梯度字段指示相邻节点所需的数据率和数据发送方向，持续时间字段指示“兴趣”大致的生存周期。

当一个节点接收到一个“兴趣”时，它首先在缓存中检查是否存在相同的“兴趣”，如果没有相同的“兴趣”存在，那就根据接收到的“兴趣”信息在缓存中创建一个新的“兴趣”，包含的信息有数据率和一个指向“兴趣”来源的梯度；如果有相同的“兴趣”存在，但是没有“兴趣”来源的梯度信息，节点会以指定的数据率增加一个梯度，并更新“兴趣”的时间信息和持续字段；如果该节点都包含了“兴趣”的梯度信息，那么只是简单进行时间信息和持续字段的更新。

节点接收到一个“兴趣”之后，把“兴趣”发送给与自己相邻的节点。

如果一个节点是最近才收到过此"兴趣"，那么就不再予以接收。

（如图4-2兴趣扩散）

梯度的建立：

网络中的节点从相邻节点接收到一个“兴趣”时，它无法判断此“兴趣”是否自己已经处理过，或者是否和另一个方向的邻节点所发来的“兴趣”相同。

因此，“兴趣”在整个网络扩散的时候，梯度的建立情况如图4-3梯度建立。

增强路径：

梯度建立完之后，需要通过路径增强形成一条梯度值最大的路径用于数据传输，而其他路径作为备选路径以增加网络可靠性。

Sink节点以一个更高的数据率再次将“兴趣”发送给相邻节点。

相邻节点收到“兴趣”后，通过查看“兴趣”缓存，发现自己已经接收过相同的“兴趣”，并且当前新数据率更高，该节点以同样的方法继续加强它的相邻节点，直到到达源节点，最后会形成一条梯度值最大的路径。

如果已建立的路径出现断路，路径中加强过的节点会触发和启动路径加强以修复失败的路径。

同时S