基于无线传感器网络的低功耗信息收集机制研究.docx

1、理工大学学士学位论文摘 要无线传感器网络是计算机科学技术的一个新的研究领域，是传感器技术、嵌入式计算技术、分布式信息处理技术和无线通信技术相结合的产物。路由技术对无线传感器网络的生命周期有着至关重要的影响。能量有限性是无线传感器网络的最重要的特性，在网络路由算法中也是优先考虑的一个主要因素。分簇路由具有拓扑管理方便、能量利用高效、数据融合简单等优点，已成为当前路由技术一个十分重要的研究方向。本文对现有的无线传感器网络路由协议进行了分类和比较研究，然后有针对性地选择了典型的分簇式路由协议LEACH协议作为研究对象。LEACH 协议使用了自适应成簇技术和簇头节点的轮换技术。它将所有节点分为若干簇，

2、使用簇头节点的轮换技术使每个簇随机选举一个簇头。簇形成后系统进入稳定工作阶段，开始信息的收集和传递。分簇的方式可以优化资源分配，提高能量使用效率。论文最后，采用MATLAB软件对LEACH协议的网络生存时间进行了研究和仿真，实验结果表明，算法具有较好的节能性和可扩展性。关键词：无线传感器网络；LEACH路由协议；MATLAB仿真AbstractRouting technology is vital to the lifecycle of wireless sensor network.One important feature of wireless sensor networks is th

3、at the energy is limited.This feature is considered to be the main element in routing algorithm of WSN.As an active branch of routing technology, cluster-based routing protocols havemany advantages, such as network topology management, energy minimization,data aggregation and so on,which has become

4、a very important routing technology research.The LEACH protocol uses the adaptive clustering and cluster head node rotation technique. It will be all the nodes are divided into several clusters, the cluster head nodes rotation technology enables each cluster random elect a cluster head. After the fo

5、rmation of cluster,system entered into a stable stage, information collection and transmission. The clustering method can optimize the allocation of resources, improve energy use efficiency. Finally, using MATLAB software on the LEACH protocol network survival time was studied and the simulation, ex

6、perimental results show that the algorithm has better energy saving, and extended propertiesKey words：WSN；LEACH routing protocols；MATLAB Simulation目 录1 绪论11.1 课题研究背景与意义11.2 国内外研究现状21.3 本文研究内容与结构32 无线传感器网络概述42.1 无线传感器网络基本概念42.1.1 无线传感器网络体系结构42.1.2 传感器网络的特征42.2 无线传感器网络的应用52.3 无线传感器的关键技术83 无线传感器网络路由协议1

7、13.1 无线传感器网络路由协议概述113.2 无线传感器网络路由协议分类123.3 无线传感器网络路由协议的特点及设计要求133.4 无线传感器网络路由的典型协议154 LEACH算法协议244.1 LEACH协议工作原理244.1.1 簇的构建阶段254.1.2 稳定工作阶段274.2 LEACH协议的能量传输模型284.3 LEACH算法的仿真294.3.1 LEACH算法的仿真模型294.3.2 仿真实验参数的设置304.3.3 LEACH算法仿真过程314.3.4 LEACH算法仿真结果分析35结 论36致 谢37参考文献38附录A 英文原文39附录B 汉语翻译45附录C 程序代码4

8、9581 绪论1.1 课题研究背景与意义无线传感器网络(Wireless Sensor Networks)是由许多传感器以自组织的方式构成的无线网络，这些传感器都必须具有收集信息、处理信息、传输信息的能力，通过部署足够量的传感器到需要监控的区域，人们可以方便的收集到想要检测到的信息。无线传感器网络使逻辑上的信息世界与客观上的物理世界相结合，改变了人与自然的交互方式。作为一种新型的网络，它越来越受到各界人士的关注，2003年美国MIT科技评论在预测未来技术的报告中，将无线传感器网络列为了二十一世纪改变世界的十大技术之一。传感器网络也被誉为未来全球的三大高科技产业之一。国家中长期科技发展规划纲要（

9、2006-2020）把传感器网络与智能信息处理列为重点领域及其优先主题之一。无线传感器网络与普通的无线网络有着很大的不同，规模比普通无线网络要大，是动态的自组织网络，并且高度面向应用的以数据为中心的网络。节点也不像普通的无线网络，在传感器网络中的节点能量是有限的，并且不能充电。所有的信息处理策略都必须考虑到尽可能地降低节点能耗，以便延长网络和整个系统的寿命。虽然传感器节点的能量、通信能力、计算能力和存储能力都很有限，但每个节点还是要在特定的环境中完成特定的任务，因此构造无线传感器网络必须要有非常先进的技术支持，收集、处理和传输信息这三个基本功能也正好是现代信息技术的三大基础。无线传感器网络是新

10、兴的下一代传感器网络。最早的代表性论述出现在 1999 年，题为“传感器走向无线时代”。随后在美国的移动计算和网络国际会议上，提出了无线传感器网络是下一个世纪面临的发展机遇。2003年，美国技术评论 杂志论述未来新兴十大技术时，无线传感器网络被列为第一项未来新兴技术。同年，美国商业周刊未来技术专版，论述四大新技术时，无线传感器网络也列人其中。美国今日防务杂志更认为无线传感器网络的应用和发展，将引起 一场划时代的军事技术革命和未来战争的变革。2004年(IEEE Spectrum)杂志发表一期专集：传感器的国度，论述无线传感器网络的发展和可能的广泛应用。可以预计，无线传感器网络的发展和广泛应用，

11、将对人们的社会生活、产业变革带来极大的影响和产生巨大的推动。1.2 国内外研究现状 1998年，美国国防部提出了“智能尘埃”的概念，最先开始无线传感器网络技术的研究，目的是为监控敌方的活动情况而不被察觉。2001年，美国陆军提出“灵巧传感器网络通信”计划，将无人值守式弹药、传感器和未来战斗系统所用的机器人系统连成网络，以便成倍提高单一传感器的能力，从而提高未来战斗系统的生存能力。2002年，英特尔公司发布了“基于微型传感器网络的新型计算发展规划”，该规划主要致力于微型传感器网络在医学、环境监测、森林灭火、海底板块和行星探测等领域的应用。同年欧盟提出了一项为期3年的EYES（自组织和协作有效能量

12、的传感器网络）计划，主要研究无线传感器网络的构架、节点的协作、网络协议和安全等。美国科学基金委员会2003年制定了无线传感器网络研究计划，研究领域涉及能感知有毒化学物、生物攻击等的传感器节点、分布环境下传感器网络的特性等问题。2005年，对网络技术和系统的研究计划中，主要研究下一代可靠性高、安全的可扩展的网络、可编程的无线网络及传感器系统的网络特性，资助金额达4000万美元。此外，美国交通部、能源部、美同国家航空航天局也相继启动了相关的研究项目。美国著名院校几乎都有研究小组在从事无线传感器网络相关技术的研究。加州大学伯克利分校、麻省理工学院、康奈尔大学、哈佛大学等在无线传感器网络研究领域成绩较

13、为突出。加拿大、英国、德国、意大利和日本等国家的研究机构也加入了无线传感器网络的研究。欧盟的Philips、France Telecom、Siemens、Ericsson等公司，日本的NEC、欧姆龙、OKI、Sky2等公司都开展了无线传感器网络的研究。我国无线传感器网络及其应用研究几乎与发达国家同步启动，首次正式出现于1999年中国科学院知识创新工程试点领域方向研究的“信息与自动化领域研究报告”中。国内的一些科研单位和大学，如中国科学院自动化所、软件所及清华大学、哈尔滨工业大学从2002年开始在时间同步与定位、传感器数据管理系统方面开展了研究工作。重庆大学也在同一时间开始研究嵌入式无线传感器网

14、络节点、可重构技术、无线传感器中的定位等技术。2004年，中国国家自然科学基金委员会将一项无线传感器网络项目(面上传感器网络的分布自治系统关键技术及协调控制理论）列为重点研究项目；2005年，将无线传感器网络基础理论和关键技术列入计划；2006年，将水下移动传感器网络的关键技术列为重点研究项目。国家发改委下一代互联网(CNGI)示范工程中，也部署了无线传感器网络相关的课题。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定义了3个前沿方向，其中2个与无线传感器网络的研究直接相关，即智能感知技术和自组织网络技术。国内也有越来越多的企业开始关注无线传感器网络技术的发展，开始推出针对无线

15、传感器网络及ZigBee的解决方案。1.3 本文研究内容与结构本文主要是针对无线传感器网络路由协议的研宄，在分析比较了部分经典的路由协议后，重点描述了LEACH路由协议，本论文以无线传感器网络的研究为背景，在有关无线传感器网络文献的基础上，对LEACH 协议进行详细的研究和分析。论文结构安排如下：第一章为绪论，首先介绍了本文的课题背景，阐述了本课题的研究目的以及意义，并介绍了国外研究进展，最后说明了本论文的主要工作；第二章分析了无线传感器网络的体系结构、特征、关键技术和应用等相关概念；第三章阐述了无线传感网路由协议这一关键技术，对无线传感器网络的路由协议进行介绍，对比分析了现有无线传感器网络中的多种路由协议和算法，归纳总结了无线传感器网络路由协议的特点以及设计无线传感器网络路由协议应该考虑的因素。第四章对无线传感器网络中的低功耗自适应分簇分层型协议LEACH协议进行研究和分析，详细描述了LEACH路由协议的机制和算法流程，并介绍了LEACH协议的能量传输模型。最后基于MATLAB软件对LEACH算法进行仿真，并对结果进行分析。第五章对全文进行总结，并得出结论。2 无线传感器网络概述2.1 无线传感器网络基本概念2.1.1 无线传感器