無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能量路由研究畢業(yè)論文

1、<p>　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能量路由研究</p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是目前計算機(jī)領(lǐng)域的一項(xiàng)研究熱點(diǎn)，它為人們獲取信息提供了有利條件。傳感器節(jié)點(diǎn)小容易隱蔽，價格便宜，所以可以大面積分布在要監(jiān)測區(qū)域，而且容易部署、節(jié)點(diǎn)自組織形成網(wǎng)絡(luò)。</p><p>　　傳感器節(jié)點(diǎn)常常通過空投或飛機(jī)隨機(jī)播撒

2、在人難以到達(dá)的地方。但是傳感器節(jié)點(diǎn)的電池能量有限，而且大多數(shù)情況下不能充電和更換節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)能量一旦用完，意味著節(jié)點(diǎn)死亡，網(wǎng)絡(luò)則受到影響。因此，傳感器節(jié)點(diǎn)的能量消耗情況對整個網(wǎng)絡(luò)的生命周期起到至關(guān)重要的作用。所以國內(nèi)外的研究人員紛紛提出了基于能量的路由協(xié)議，怎樣減少節(jié)點(diǎn)的能量消耗，延長網(wǎng)絡(luò)壽命成為當(dāng)今無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議研究的關(guān)鍵。由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是應(yīng)用性相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)不同應(yīng)用將路由協(xié)議分為不同的類別。相關(guān)的研究表明，分層的網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議

3、是一種可以有效節(jié)約能量的路由方法。</p><p>　　本文闡述了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由設(shè)計的特點(diǎn)和評價標(biāo)準(zhǔn)，并對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)典型的路由協(xié)議做出分析和總結(jié)。論文將視點(diǎn)放在了分簇技術(shù)和節(jié)能技術(shù)上，對現(xiàn)有的分簇路由協(xié)議進(jìn)行研究總結(jié)，并分析節(jié)能策略和常用的節(jié)能技術(shù),最終對leach算法進(jìn)行了仿真研究。</p><p>　　關(guān)鍵詞 ： 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；分簇路由研究；低功耗；LEACH仿真</

4、p><p>　　Research on Routing for Wireless Sensor Networks</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　With the development of sensor technology, micro-mechanism technology, modern net

5、work and wireless communication, a new technology emerged Wireless Sensor Network(WSN) .The wireless sensor network becomes a hotspot all over the computer areas, it provided favorable conditions for people to get inform

6、ation. The sensor nodes easily concealed for its very small and very cheap, so they can be large located in the monitored region, and also easy to deploy and form self-organizing network. </p><p>　　Sensor no

7、des are usually sent to areas where man can hardly reach by the means of airdrop.But the sensor node must operate on a tiny battery whit limited energy that recharge or replacement is not an option due to the complex env

8、ironment it deployed, so the energy become the issue of the wireless sensor networks. so the energy consumption of sensor nodes plays an important role in the life cycle of WSN.Researchers at home and abroad have improve

9、d many energy-based routing protocols, how to reduc</p><p>　　This paper describes a wireless sensor network routing design features and evaluation criteria,and makes analysis and summary for type wireless se

10、nsor network routing protocols. Then, it placed in perspective clustering technology and energy-saving technology, research and summary the existing clustering routing protocol, and analysis the energy-saving strategies

11、and energy-saving technologies which is commonly used,at last this thesis analyzes the LEACH routing algorithm.</p><p>　　Key words：Wireless sensor networks; Clustering routing research; Low power consumption

12、; LEACH simulation</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　第1章 緒論6</b></p><p>　　1.1研究背景和意義6</p><p>　　1.2研究現(xiàn)狀與應(yīng)用7</p><p>　　1.3主要研究內(nèi)容8<

13、/p><p>　　第2章 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)概述9</p><p>　　2.1無線傳感器的體系結(jié)構(gòu)9</p><p>　　2.2無線傳感器的網(wǎng)絡(luò)特征12</p><p>　　2.3 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用13</p><p>　　第3章 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議研究15</p><p>　　3.1

14、 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由算法特點(diǎn)15</p><p>　　3.2無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議分類16</p><p>　　3.2.1 層次型和平面型路由協(xié)議16</p><p>　　3.2.2 主動被動和混合型路由協(xié)議17</p><p>　　3.3無線傳感器網(wǎng)絡(luò)典型路由協(xié)議分析17</p><p>　　第4章 LEA

15、CH仿真23</p><p>　　4.1 LEACH算法簡介23</p><p>　　4.2 LEACH仿真流程圖24</p><p>　　4.3仿真結(jié)果與分析25</p><p>　　4.3.1仿真結(jié)果25</p><p>　　4.3.2仿真分析30</p><p><b&g

16、t;　　總結(jié)31</b></p><p><b>　　致謝32</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)33</b></p><p><b>　　附錄35</b></p><p><b>　　外文資料翻譯48</b></p&

17、gt;<p><b>　　緒論</b></p><p>　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN,Wireless Sensor Network）是由多學(xué)科交叉形成的新興熱點(diǎn)領(lǐng)域。它一出現(xiàn)便引起了世界范圍的廣泛關(guān)注。傳感器的特點(diǎn)是節(jié)點(diǎn)小，容易隱蔽，價格便宜，因此可以大面積分布在要監(jiān)測區(qū)域，而且容易部署、節(jié)點(diǎn)自組織形成網(wǎng)絡(luò)。它可以實(shí)時地監(jiān)測和感知監(jiān)測對象的數(shù)據(jù)，通過嵌入式計算技術(shù)處理監(jiān)測到的信

18、息，并利用無線網(wǎng)絡(luò)將它傳回至用戶手中。</p><p>　　1.1研究背景和意義</p><p>　　但是由于應(yīng)用領(lǐng)域的特殊性，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)的無線網(wǎng)絡(luò)有很大的區(qū)別。傳統(tǒng)無線通信網(wǎng)絡(luò)的主要設(shè)計目標(biāo)是提高服務(wù)質(zhì)量和帶寬利用率，這里能源問題是傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)的一個小問題；但在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)就是一個非常重要的問題。因?yàn)閭鞲衅鞯碾姵啬芰坑邢?，一旦耗盡，不能更換，而提高電池容量就目前的技術(shù)來說比較

19、困難，更換電池對于某些特殊地方的無線傳感器而言更是難以實(shí)現(xiàn)，因此無線傳感器網(wǎng)絡(luò)本身的節(jié)能就成為了研究重點(diǎn)，而路由協(xié)議就是其中的關(guān)鍵問題。</p><p>　　從路由協(xié)議的結(jié)構(gòu)來看，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議可以分為平面路由協(xié)議和分層的路由協(xié)議。平面路由協(xié)議是指網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)在路由功能上的地位是相同的，沒有引入分層管理機(jī)制。分層路由協(xié)議采用簇的概念對傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行層次劃分。即把網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)分成簇（Cluster），根據(jù)某種聯(lián)系，將一部

20、分節(jié)點(diǎn)組成一個節(jié)點(diǎn)群。每個簇內(nèi)選出一個簇頭節(jié)點(diǎn)，其余的為成員節(jié)點(diǎn)。簇頭節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)對簇內(nèi)的成員進(jìn)行管理和數(shù)據(jù)的收集，并且負(fù)責(zé)將收集到的數(shù)據(jù)傳送至匯聚節(jié)點(diǎn)（Sink節(jié)點(diǎn)/基站）。在發(fā)出數(shù)據(jù)之前，簇頭可將數(shù)據(jù)集合起來，一起發(fā)送。有了簇頭的管理，組內(nèi)成員節(jié)點(diǎn)可進(jìn)入休眠狀態(tài)，這就大大的減少了能源的利用。</p><p>　　本文對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能量路由進(jìn)行研究，主要的著重點(diǎn)就是低功耗無線傳感器中采用簇機(jī)制的路由協(xié)議。<

21、/p><p>　　1.2研究現(xiàn)狀與應(yīng)用</p><p>　　無線傳感器網(wǎng) 絡(luò)是由美國軍方最先提出來的，將之主要應(yīng)用在國防軍事、戰(zhàn)場監(jiān)測、防恐反恐等領(lǐng)域，隨后國內(nèi)外的許多公司、高校和研究機(jī)構(gòu)都漸漸投入到這一新興的領(lǐng)域[1]。從 20 世紀(jì) 90 年代開始，到目前為止已有大量的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究工作展開?？v觀無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展歷程，根據(jù)研究側(cè)重點(diǎn)的不同將它分為三個階段。第一階段主要是對小型化、低

22、功耗、低成本的傳感器節(jié)點(diǎn)的開發(fā)研制，得到了很多的傳感器節(jié)點(diǎn)和研究平臺。第二階段主要是研究無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信特性，主要表現(xiàn)為通信、路由協(xié)議的設(shè)計和實(shí)現(xiàn)。雖然在第一階段中也涉及到對通信協(xié)議的研究和設(shè)計，但主要是在原有 Ad Hoc 網(wǎng)絡(luò)相關(guān)協(xié)議的基礎(chǔ)上做了改進(jìn)，添加了能耗的有效性。而在第二階段，研究學(xué)者們提出了許多無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信協(xié)議，如數(shù)據(jù)鏈路層的 MAC 協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)層的路由協(xié)議等。其中有以數(shù)據(jù)為中心的路由協(xié)議、分層路由協(xié)議等。同時

23、也開始對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中間件等相關(guān)問題的研究，如部署覆蓋、時間同步、節(jié)點(diǎn)定位、系統(tǒng)管理等。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的第三階段研究的重點(diǎn)，是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的群體智能行為和實(shí)際應(yīng)用，如無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的信息處理、數(shù)據(jù)融合、數(shù)據(jù)壓縮、數(shù)據(jù)查</p><p>　　目前這些領(lǐng)域的研究剛剛開始研究，還沒有形成相對較為完善的描述和方案設(shè)計。我國對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究起步雖然比較晚，但非常重視此項(xiàng)研究。2004 年中國國家自然科學(xué)基金委員

24、會將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)列為重點(diǎn)研究項(xiàng)目。國內(nèi)一些高校和科研機(jī)構(gòu)也投入到無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中來，在傳感器網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)、路由、分簇、時鐘同步與定位、數(shù)據(jù)管理方面展開了研究工作。重慶大學(xué)同時也開始研究了嵌入式無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)、可重構(gòu)技術(shù)、無線傳感器定位等。在《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要(200622020)》中支持的重點(diǎn)領(lǐng)域以及 “信息產(chǎn)業(yè)及現(xiàn)代服務(wù)業(yè)” 的優(yōu)先主題中列入了“傳感器網(wǎng)絡(luò)及智能信息處理”，并在前沿技術(shù)中重點(diǎn)支持“自組織傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

25、”。2005、2006 年國家自然科學(xué)基金分別將傳感器網(wǎng)絡(luò)和水下移動傳感器網(wǎng)絡(luò)中的基礎(chǔ)理論和關(guān)鍵技術(shù)列入計劃，以及“無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)理論及關(guān)鍵技術(shù)研究”[18]作為國家“973”重點(diǎn)發(fā)展規(guī)劃基金項(xiàng)目(2006CB30300)啟動。多方面來說我國對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究已步入了規(guī)模，并且在不斷的完善。</p><p><b>　　1.3主要研究內(nèi)容</b></p><p&

26、gt;　　1.基于matlab進(jìn)行程序設(shè)計</p><p>　　2.對協(xié)議算法進(jìn)行仿真分析</p><p>　　2.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)概述</p><p>　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Network, WSN）是一種新興的科學(xué)技術(shù)網(wǎng)絡(luò)，是由大量具有特定功能的傳感器節(jié)點(diǎn)通過自組織的無線通信方式，相互傳遞信息，協(xié)同地完成特定功能的智能專用網(wǎng)絡(luò)[1]。

27、由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的大量的廉價微型傳感器節(jié)點(diǎn)組成，通過無線通信方式形成的一個多跳的、自組織的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中感知對象的信息，并發(fā)送給觀察者[2]。</p><p>　　2.1無線傳感器的體系結(jié)構(gòu)</p><p>　　器網(wǎng)絡(luò)是一種無基礎(chǔ)設(shè)施的網(wǎng)絡(luò)，是一個多跳的臨時性無中心網(wǎng)絡(luò)，是一個以數(shù)據(jù)傳輸為目的的網(wǎng)絡(luò)。它是由大量體積小、成本低、具有無線通信能力、感知

28、能力和數(shù)據(jù)處理能力的傳感器節(jié)點(diǎn)組成的。傳感器節(jié)點(diǎn)一般由傳感單元、數(shù)據(jù)處理單元、收發(fā)單元和電源單元四個功能模塊組成。其中電源單元是最重要的模塊之一，大多數(shù)情況下傳感器節(jié)點(diǎn)的電池能量不可補(bǔ)充。</p><p>　　大量傳感器節(jié)點(diǎn)通過空投的方式被隨機(jī)布設(shè)在被檢測區(qū)域內(nèi)部或者附近，節(jié)點(diǎn)間通過自組織方式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)。節(jié)點(diǎn)既是數(shù)據(jù)的檢測者，又是數(shù)據(jù)的傳遞者，監(jiān)測的數(shù)據(jù)通過多跳的方式進(jìn)行傳輸，節(jié)點(diǎn)完成數(shù)據(jù)監(jiān)測和數(shù)據(jù)傳輸?shù)碾p重功能，

29、并對數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理，最后信息通過互聯(lián)網(wǎng)或衛(wèi)星到達(dá)管理節(jié)點(diǎn)。觀測者可通過管理節(jié)點(diǎn)對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行配置和管理，發(fā)布檢測任務(wù)以及收集監(jiān)測數(shù)據(jù)。觀察者是傳感器網(wǎng)絡(luò)的用戶，是感知信息的接受者和應(yīng)用者，他可以是人，也可以是計算機(jī)或其它設(shè)備。例如，軍隊指揮官可以是傳感器網(wǎng)絡(luò)的觀察者，一個由飛機(jī)攜帶的移動計算機(jī)也可以是傳感器網(wǎng)絡(luò)的觀察者。觀察者可以主動地查詢或收集傳感器網(wǎng)絡(luò)的感知信息，也可以被動地接收傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)布的信息。觀察者將對感知信息進(jìn)行觀

30、察、分析、挖掘、制定決策，或?qū)Ω兄獙ο蟛扇∠鄳?yīng)的行動。典型的WSN 系統(tǒng)示意圖如圖 1-1 所示</p><p>　　圖 1-1 典型的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)</p><p>　　圖 1-2 所示的是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的另一種體系結(jié)構(gòu)即本文的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，這一類傳感器網(wǎng)絡(luò)中有可移動節(jié)點(diǎn)和固定節(jié)點(diǎn)兩種不同的傳感器節(jié)點(diǎn)。預(yù)先將固定節(jié)點(diǎn)安放在某些特定的位置上，再通過隨機(jī)撒播的方式在區(qū)域內(nèi)布置一

31、些傳感器節(jié)點(diǎn)，使之覆蓋整個監(jiān)測范圍，節(jié)點(diǎn)根據(jù)收集到的數(shù)據(jù)與固定節(jié)點(diǎn)形成簇，然后通過移動節(jié)點(diǎn)與固定節(jié)點(diǎn)之間、固定節(jié)之間、固定節(jié)點(diǎn)與遠(yuǎn)程基站之間通信傳遞數(shù)據(jù)。</p><p>　　圖1-2 本文的無線傳感器體系結(jié)構(gòu)</p><p>　　WSN 節(jié)點(diǎn)由傳感器模塊、處理器模塊、無線通信模塊和能量供應(yīng)模塊四部分組成，如圖 1-3所示。傳感器模塊主要負(fù)責(zé)被檢測區(qū)域內(nèi)信息的采集和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換；處理器模塊主要

32、負(fù)責(zé)控制整個傳感器節(jié)點(diǎn)的操作、存儲和處理本身采集的數(shù)據(jù)以及其它節(jié)點(diǎn)發(fā)來的數(shù)據(jù)；無線通信模塊主要負(fù)責(zé)與其它傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行無線通信、交換控制消息和收發(fā)采集數(shù)據(jù)；能量供應(yīng)模塊為傳感器節(jié)點(diǎn)提供運(yùn)行所需的能量，通常采用能量有限且不可補(bǔ)充的微型電池。 </p><p>　　圖 1-3傳感器節(jié)點(diǎn)體系結(jié)構(gòu)</p><p>　　2.2無線傳感器的網(wǎng)絡(luò)特征</p><p>　　無線網(wǎng)絡(luò)

33、相比，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有如下的特征。</p><p>　　(1)無中心和自組織性</p><p>　　無線傳感器網(wǎng)屬于無線自組織網(wǎng)絡(luò)，在一般情況下，沒有絕對的控制中心，理想的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)地位平等，網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)通過分布式算法來協(xié)調(diào)彼此的行為，無需要人工的干預(yù)，可以在任何地方迅速的展開并組織網(wǎng)絡(luò)。由于分布式的特性，每個節(jié)點(diǎn)都可以獨(dú)立的完成任務(wù)，網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)數(shù)目眾多有節(jié)點(diǎn)冗余，個別節(jié)點(diǎn)

34、的故障不會影響整個網(wǎng)絡(luò)的性能，魯棒性好。</p><p>　　(2)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不固定</p><p>　　WSN 是一個動態(tài)的網(wǎng)絡(luò)，在網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行過程中，某些節(jié)點(diǎn)可能會因?yàn)殡姵啬芰亢谋M或其他故障，退出網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行；或者可能由于網(wǎng)絡(luò)任務(wù)的需要，向網(wǎng)絡(luò)中被添加新的節(jié)點(diǎn)。處理這引起變化的節(jié)點(diǎn)都會引起網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)生變化，導(dǎo)致傳感器、感知對象和觀察者三者之間傳遞數(shù)據(jù)時的路徑也隨之變化。因此，網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該具有可

35、重構(gòu)和自調(diào)整性等特性的動態(tài)拓?fù)浣M織功能。</p><p><b>　　3、多跳路由</b></p><p>　　由于節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率有限，節(jié)點(diǎn)的覆蓋范圍受到限制。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的布置范圍一般比較廣，每個節(jié)點(diǎn)只能跟距離自己很近的鄰居節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，當(dāng)節(jié)點(diǎn)需要向匯聚節(jié)點(diǎn)傳遞數(shù)據(jù)而進(jìn)行通信時需要經(jīng)過中間節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)發(fā)。</p><p><b>　　

36、4、節(jié)點(diǎn)能力有限</b></p><p>　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)雖然有體積小，價格低的優(yōu)點(diǎn)，同時也決定了它的缺陷，如能源受限、內(nèi)存小、處理器性能低等。給無線網(wǎng)絡(luò)的形成和維持帶來的相當(dāng)</p><p>　　2.3 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用</p><p>　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種“無處不在”的傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，它包括生產(chǎn)生活的各個領(lǐng)域，如軍事、工業(yè)控制、醫(yī)療、環(huán)境

37、和農(nóng)業(yè)等方面有很高的應(yīng)用前景和應(yīng)用價值。</p><p><b>　　(1)軍事應(yīng)用</b></p><p>　　在軍事領(lǐng)域，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是 C4ISRT 系統(tǒng)不可缺少的一部分。C4ISRT 系統(tǒng)是美國海軍信息戰(zhàn)系統(tǒng)，它的目標(biāo)是利用先進(jìn)的高科技技術(shù)，為未來現(xiàn)代化戰(zhàn)爭設(shè)計一個集指揮、控制、通信、計算機(jī)、情報、監(jiān)視、偵察、目標(biāo)捕獲等于一體的戰(zhàn)場指揮系統(tǒng)。由于無線傳感器網(wǎng)

38、絡(luò)節(jié)點(diǎn)密度大、成本低，較強(qiáng)自組性和魯棒性使其不會因?yàn)槟承┕?jié)點(diǎn)在惡意攻擊中的損壞而導(dǎo)致整個系統(tǒng)的崩潰。因此，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)非常適用于惡劣的、人難以到達(dá)的環(huán)境中，如：監(jiān)控我軍兵力、裝備和物資、監(jiān)視沖突區(qū)、偵查敵方地形和布防、定位攻擊目標(biāo)、評估損失、偵查和探測核、生物和化學(xué)攻擊等。由此，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)受到了軍事發(fā)達(dá)國家的普遍重視。</p><p><b>　　工業(yè)控制</b></p>

39、<p>　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可用于車間中各種設(shè)備控制狀態(tài)如車間中機(jī)床各種閥門的狀態(tài)、設(shè)備的狀態(tài)、貯存原料的溫度和壓力等，將各種設(shè)備狀態(tài)信號通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳送至中央控制室進(jìn)行設(shè)備的監(jiān)控和集中管理，在工業(yè)安全方面可以使用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)檢測有害、有毒或其他危險物質(zhì)的存在，在造成嚴(yán)重破壞之前就檢測和識別出化學(xué)物質(zhì)或生物制劑的泄露或溢出，防止這些危險物質(zhì)擴(kuò)散到公眾場合。</p><p><b>

40、　　3）醫(yī)療應(yīng)用</b></p><p>　　如果在住院病人身上安裝特殊用途的傳感器節(jié)點(diǎn)，無線裝置定期檢測人體內(nèi)的心率、血壓、葡萄糖水平、脈搏或含氧飽和度等病變信息，并及時將信息反饋給本人或醫(yī)生，這樣醫(yī)生就可以隨時了解被監(jiān)護(hù)病人的病情，進(jìn)行及時處理。如，嵌在手鐲內(nèi)的傳感器可以測量血壓，地毯下的壓力傳感器可以測量老人的行動及體重變化，衣服里的傳感器送出體溫的變化信息等。而安裝在被監(jiān)測對象身上的微型傳感器

41、并不會給人的正常生活帶來太多的不便，這都是人類為無線傳感網(wǎng)絡(luò)在醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用描繪的宏偉藍(lán)圖。</p><p>　　4）智能農(nóng)業(yè)與環(huán)境感知</p><p>　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在智能農(nóng)業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用的典型案例是降雨量的測量，大型農(nóng)場由于面積具大，如果降雨只發(fā)生在農(nóng)場中的某些區(qū)域，知道需要灌溉的區(qū)域可以很大的節(jié)省灌溉的費(fèi)用，由于這種網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量低，允許的消息延遲也可以比較長，所以節(jié)點(diǎn)的價格必須

42、十分的低，并且節(jié)點(diǎn)的功耗也必須低到可以在整個作物的生長期內(nèi)正常的工作。由于無線傳感器節(jié)點(diǎn)可以安裝化學(xué)或生物的傳感器，能夠檢測到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的許多有用的信息，如土壤溫度、濕度，是否需要灑農(nóng)藥、是否需要施肥等。還可以將其先進(jìn)的定位功能用于牧場的管理，監(jiān)控每個牲畜的位置，檢測牲畜體內(nèi)的狀況判斷是否需要預(yù)防寄生蟲等。另外，還可以用于監(jiān)測環(huán)境中的污染物。</p><p>　　3.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議研究</p>

43、<p>　　在 OSI 參考模型中，網(wǎng)絡(luò)層是通信子網(wǎng)的最高層。將數(shù)據(jù)從一端送到另一端就產(chǎn)生了把任意兩個節(jié)點(diǎn)鏈接起來的網(wǎng)絡(luò)路由問題。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)即是數(shù)據(jù)的監(jiān)測者也是數(shù)據(jù)的傳遞者，路由協(xié)議的作用就是選擇路徑和交換信息。</p><p>　　3.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由算法特點(diǎn)</p><p>　　對比以前的網(wǎng)絡(luò)，主要是按需要求為目的，傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的主要任務(wù)是在進(jìn)行從監(jiān)測

44、數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)到達(dá)匯聚節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r候，需要沿著最優(yōu)的路徑，傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)并不是主要研究能量消耗[4]。位于感知區(qū)域的傳感器節(jié)點(diǎn)的能力是有限的，不能重新部署，不能提供能量的補(bǔ)給，因此，降低能耗成為了研究的主要目的，同時，由于感知區(qū)域面積廣，分布著若干個節(jié)點(diǎn)，并且不能得到全局的數(shù)據(jù)，只能是局部的，因此，研究算法[5]時，只能得到部分信息，滿足無線網(wǎng)絡(luò)的要求，具有以下特點(diǎn)： </p><p>　　1.節(jié)點(diǎn)能量是有一定限制的

45、，設(shè)計路由算法時，降低能量消耗和高效地利用傳感器節(jié)點(diǎn)有限的能量成為關(guān)鍵的因素。 </p><p>　　2.簇間傳輸數(shù)據(jù)的時候，是通過很多節(jié)點(diǎn)最后到達(dá)匯聚節(jié)點(diǎn)的，將數(shù)據(jù)從數(shù)據(jù)源節(jié)點(diǎn)發(fā)送至遠(yuǎn)處匯聚節(jié)點(diǎn)，使網(wǎng)絡(luò)具有很好的魯棒性。 </p><p>　　3.現(xiàn)在主要是按照按需的要求，人們現(xiàn)在只需要知道有用的信息，無關(guān)緊要的信息不用傳送，不同于以地址為中心的傳統(tǒng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。 </p>

46、<p>　　4.傳感器節(jié)點(diǎn)具有數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)融合融合(Data Fusion)的功能。</p><p>　　3.2無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議分類</p><p>　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種應(yīng)用性相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)，因而它的路由協(xié)議機(jī)制也會隨著應(yīng)用目標(biāo)的不同而不同。依據(jù)應(yīng)用的不同和路由機(jī)制的特點(diǎn)，人們將路由協(xié)議劃分為不同的分類方法[6-7]，總的來說，目前路由協(xié)議主要有以下幾種分類：層次型和

47、平面型的路由協(xié)議、主動型，被動型和主動被動混合型路由協(xié)議、以數(shù)據(jù)為中心的路由協(xié)議、基于位置的路由協(xié)議、可靠的路由協(xié)議、多路徑和單路徑的路由協(xié)議。下面對不同類型的路由特點(diǎn)及其運(yùn)行機(jī)制進(jìn)行簡單介紹分析。</p><p>　　3.2.1 層次型和平面型路由協(xié)議</p><p>　　層次型路由：讓節(jié)點(diǎn)參與簇內(nèi)的多跳通信，簇頭節(jié)點(diǎn)再對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，減少了路由中繼節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)量和整個網(wǎng)絡(luò)的通

48、信量，減少了數(shù)據(jù)傳輸所消耗的能量，從而節(jié)省了網(wǎng)絡(luò)的能量，實(shí)現(xiàn)負(fù)載均衡的能力。典型的協(xié)議有:LEACH，是傳感器網(wǎng)絡(luò)中最早的比較典型的分層次路由協(xié)議。基于 LEACH協(xié)議基礎(chǔ)上的分層次路由協(xié)議有：TEEN[8]，PEGASIS[9]，還有具有能量感知的分層協(xié)議 Energy-aware Routing for Cluster-Based SensorNetwork等。目前大量傳感器節(jié)點(diǎn)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中一般都使用層次型路由協(xié)議。平面型路由

49、：每個節(jié)點(diǎn)具有相同的作用與功能，此類協(xié)議很多，如 DSDV[10]，AODV[11]，DSR[12]等。由于傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)眾多，使得在網(wǎng)絡(luò)路由查詢和維護(hù)中，占用了大量的通信、計算和存儲等資源，因此，此類協(xié)議不適合大量節(jié)點(diǎn)的無線傳感網(wǎng)絡(luò)，而一般用于局部路由算法中。</p><p>　　3.2.2 主動被動和混合型路由協(xié)議</p><p>　　根據(jù)路由的建立時機(jī)與數(shù)據(jù)傳輸相互的關(guān)系，可將無線

50、傳感器路由協(xié)議分為主動型路由協(xié)議、被動型路由協(xié)議和兼有兩種路由機(jī)制的混合路由協(xié)議。</p><p>　　主動路由協(xié)議常見的有 DSDV，CGSR，其特點(diǎn)是：數(shù)據(jù)傳輸?shù)难舆t小，因而實(shí)時性比較好，但是與此同時整個網(wǎng)絡(luò)要不斷的更新路由信息，從而頻繁的數(shù)據(jù)傳輸會占用大量的通信資源，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)的效率不高。所以當(dāng)節(jié)點(diǎn)數(shù)目達(dá)到一定時，會耗盡整個網(wǎng)絡(luò)的資源。基于分層的路由協(xié)議中，有部分也是主動路由，如 LEACH，TEEN，PEG

51、ASIS 等。</p><p>　　被動路由協(xié)議，又稱為按需路由協(xié)議，只有當(dāng)發(fā)生數(shù)據(jù)傳輸時才開始查詢建立路由。這種類型的路由延遲大。常見的路由有:DSR，TORA，ABR，SPIN，DD，SAR等。</p><p>　　混合型路由協(xié)議將層次型、主動型和被動型路由協(xié)議的路由機(jī)制綜合起來，根據(jù)具體的應(yīng)用不同而不同。如：ZRP，LANMARK路由協(xié)議。</p><p>　

52、　3.3無線傳感器網(wǎng)絡(luò)典型路由協(xié)議分析</p><p>　　1.DSDV 路由協(xié)議</p><p>　　DSDV（Destination-Sequenced Distance-Vector）協(xié)議是先驗(yàn)式路由協(xié)議，是由傳統(tǒng)的 Bellman-Ford 路由協(xié)議改進(jìn)得到的。屬于表驅(qū)動路由協(xié)議，在DSDV協(xié)議中,每個節(jié)點(diǎn)都有一張相對穩(wěn)定的路由表，即下一跳的節(jié)點(diǎn)表，同時它同其他鄰節(jié)點(diǎn)不斷交換下一跳

53、節(jié)點(diǎn)表。DSDV 在組網(wǎng)階段或有新節(jié)點(diǎn)加入時，節(jié)點(diǎn)通過廣播來告訴其他節(jié)點(diǎn)自己的存在，鄰居節(jié)點(diǎn)收到這個廣播包后就將信息插入到路由表，并立即發(fā)送新的路由表。這樣，經(jīng)過一段時間后，每個節(jié)點(diǎn)就可以建立一個完整的路由表，表中包括了到達(dá)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部所有可能的目的節(jié)點(diǎn)的路由。路由</p><p>　　表中包含如下信息：目的地址、下一跳地址、路由跳數(shù)、目的節(jié)點(diǎn)的序列號以及路由建立時間、路由穩(wěn)定時間、穩(wěn)定數(shù)據(jù)指針。為了減少分組的長度，

54、DSDV 路由在維護(hù)的過程中，提供了完全更新和增量更新兩種更新路由的方式。用于完全更新的分組中需要包含路由表中的所有信息，而增量更新中，路由分組只包含了部分更新的路由信息。</p><p>　　2.flooding</p><p>　　泛洪式路由[13]（flooding）是一種傳統(tǒng)的通信路由協(xié)議。該算法不要求維護(hù)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和相關(guān)的路由計算，僅要求接收到消息的節(jié)點(diǎn)以廣播形式轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包。

55、例如，某節(jié)點(diǎn) S 希望發(fā)送一段數(shù)據(jù)給節(jié)點(diǎn) D，節(jié)點(diǎn) S 首先通過網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)副本傳送給它的每一個節(jié)點(diǎn)，每一個鄰居節(jié)點(diǎn)又將其傳輸給各自的每一個鄰居節(jié)點(diǎn)，除了剛剛給他們發(fā)送數(shù)據(jù)副本的節(jié)點(diǎn) S 外。如此繼續(xù)下去，直到將數(shù)據(jù)傳輸?shù)侥繕?biāo)節(jié)點(diǎn) D 為止，或者為該數(shù)據(jù)所設(shè)定的生存期限變?yōu)榱銥橹埂Ｔ撍惴ň哂袑?shí)現(xiàn)簡單、不需要維護(hù)去往全網(wǎng)路由信息、魯棒性要求較高等優(yōu)點(diǎn)。同時也存在信息爆炸、信息重疊、盲目使用數(shù)據(jù)資源等缺點(diǎn)。</p><p&

56、gt;　　為了克服flooding算法的缺陷，S.Hedetniemi等人提出了閑聊式（gossiping）18策略。該算法不再采用廣播形式，而是隨機(jī)選取一個相鄰節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)它接收到的數(shù)據(jù)副本，避免了消息的“內(nèi)爆”現(xiàn)象，但是仍無法解決部分重疊現(xiàn)象和盲目使用資源現(xiàn)象所引起的傳輸時延長、傳輸速度慢等問題。如圖 1-3 所示。</p><p>　　圖 3-1 flooding 爆炸問題</p><p&g

57、t;　　3.PEGASIS 協(xié)議 </p><p>　　PEGASIS[14] 協(xié)議中，假設(shè)每個傳感器節(jié)點(diǎn)知道自己的地理位置，在建簇的時候，減少能耗，在感知區(qū)域，存在一個鏈，一個鏈頭。利用貪心算法，使前后節(jié)點(diǎn)相連，最后成為鏈，簇頭選擇的產(chǎn)生不是固定，而是動態(tài)的，距離遠(yuǎn)處最近的匯聚節(jié)點(diǎn)成為簇頭節(jié)點(diǎn)，假設(shè)感知區(qū)域存在 K 個傳感器節(jié)點(diǎn)，用 1~K 標(biāo)識，在第 j 輪，第i個節(jié)點(diǎn)被選擇為簇頭節(jié)點(diǎn) i=jmodK (j

58、 為 0 時，取 K)。充當(dāng)簇頭的節(jié)點(diǎn)直接將數(shù)據(jù)發(fā)送至遠(yuǎn)處的匯聚節(jié)點(diǎn)，信息全部到達(dá)基站表示開始新一輪的工作。該協(xié)議只構(gòu)建一個簇，選舉一個簇頭節(jié)點(diǎn)，減少了因?yàn)闃?gòu)建若干簇而帶來的能量的消耗，免得浪費(fèi)資源，降低了通信量，減少能量開支。但與此同時，也發(fā)現(xiàn)問題的所在，感知區(qū)域存在無數(shù)的傳感器節(jié)點(diǎn)，簇頭數(shù)量為 1，節(jié)點(diǎn)的能量必然過快的消耗殆盡，這將造成簇頭節(jié)點(diǎn)失效，網(wǎng)絡(luò)通信中斷。在實(shí)際應(yīng)用總，因?yàn)殒湹拈L度太大，傳輸數(shù)據(jù)的時間也會變長，因此在監(jiān)測的時

59、候，不能時時監(jiān)測。制造數(shù)據(jù)鏈，會消耗很多的能量，這點(diǎn)也不是可以忽略的。PEGASIS 協(xié)議數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓ぷ鬟^程[14] 如圖 2-7</p><p><b>　　所示。 </b></p><p>　　圖 3-2PEGASIS 的數(shù)據(jù)傳輸</p><p>　　4. LEACH協(xié)議</p><p>　　LEACH協(xié)議[]是 M

60、IT學(xué)者 A．Chandrakasan等人為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的低功耗 白適應(yīng)聚類路由協(xié)議。該協(xié)議的特征主要有：動態(tài)地選舉簇頭、本地協(xié)調(diào) 以 產(chǎn) 生簇 群 。同數(shù) 據(jù) 融 合 技 術(shù) 相 結(jié) 合。LEACH定義了“輪”(Round)的概念 ，每一輪存在初始化階段和穩(wěn)定階段 2個狀態(tài)。初始化階段是簇頭的形成階段。每個節(jié)點(diǎn)決定在當(dāng)前“輪”中是否成為簇 頭，成為簇頭的概率是一個建議的固定值 ，需要根據(jù)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的數(shù) 目而定 。</p&g

61、t;<p>　　在初始化階段，每一個節(jié)點(diǎn)從 0～1中選取一個隨機(jī)數(shù) ，如果這個隨機(jī)數(shù)小于這一“輪”所設(shè)定 的門限值T（n），那么這個節(jié)點(diǎn)就成為簇頭。隨機(jī)性確保簇頭與網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)母吣芎某杀揪鶆虻胤謹(jǐn)偟剿袀鞲衅鞴?jié)點(diǎn)上。T（n）的計算公式如下所示 ：</p><p><b>　　(3-1)</b></p><p>　　其中：P是節(jié)點(diǎn)成為一個簇頭的期

62、望百分比；r為當(dāng)前的輪數(shù)；G為在最后的 1／p輪中還沒有成為簇頭的節(jié)點(diǎn)集。在第 0“輪”中，即 r=0時 ，每一個節(jié)點(diǎn)都有概率為p的可能性成為簇頭。在第 0“輪”中成為簇頭的節(jié)點(diǎn) ，在接下來的 1／p輪中不會再成為簇頭，在經(jīng)過 1／ p一1輪后 ，T值變?yōu)?1，這時還沒有成為簇頭的節(jié)點(diǎn)就被選擇為簇類節(jié)點(diǎn)；在經(jīng)過 1／p輪后 ，所有節(jié)點(diǎn)再次開始平等地競爭是否當(dāng)選簇頭。</p><p>　　在隨機(jī)產(chǎn)生出簇首后 ，成為

63、簇首的節(jié)點(diǎn)再向網(wǎng)絡(luò)廣播分簇信息，告知其他節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生了一個新的簇首。其他節(jié)點(diǎn)接收到的分簇消息后 ，根據(jù)信號強(qiáng)度來選擇它要加入的簇 ，并通知相應(yīng)的簇首。各簇 中的節(jié)點(diǎn)通過 TDMA方式 與簇 首進(jìn)行通信。在穩(wěn)定階段 ，節(jié)點(diǎn)持續(xù)采集監(jiān)測數(shù)據(jù)，傳給簇首。簇首在將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給 Sink節(jié)點(diǎn)前，先對從各節(jié)點(diǎn)接收來的數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的數(shù)據(jù)融合處理，減小通信業(yè)務(wù)量。為了避免額外的處理開銷 ，穩(wěn)定階段一般比初始化階段的時間要長得多。在 LEACH路 由算法中，使

64、用的能量消耗公式是一階無線電模式，如圖3-3</p><p>　　圖3-3無線通信模型</p><p>　　根據(jù)圖 3-3這種模式 ，傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送 kbit數(shù)據(jù)所消耗的能量為</p><p><b>　　()</b></p><p>　　傳感器節(jié)點(diǎn)接收 kbit數(shù)據(jù)所消耗的能量為：</p><p&g

65、t;　　其中 Efs,Emp 是信號放大器的放大倍數(shù) ，d是發(fā)送節(jié)點(diǎn)和接收節(jié)點(diǎn)之間的距離，定義d0為d0=。</p><p><b>　　4.LEACH仿真</b></p><p>　　該算法基本思想是：以循環(huán)的方式隨機(jī)選擇簇頭節(jié)點(diǎn)，將整個網(wǎng)絡(luò)的能量負(fù)載平均分配到每個傳感器節(jié)點(diǎn)中，從而達(dá)到降低網(wǎng)絡(luò)能源消耗、提高網(wǎng)絡(luò)整體生存時間的目的。</p><p

66、>　　4.1 LEACH算法簡介</p><p>　　LEACH在運(yùn)行過程中不斷的循環(huán)執(zhí)行簇的重構(gòu)過程，每個簇重構(gòu)過程可以用回合的概念來描述。每個回合可以分成兩個階段：簇的建立階段和傳輸數(shù)據(jù)的穩(wěn)定階段。為了節(jié)省資源開銷，穩(wěn)定階段的持續(xù)時間要大于建立階段的持續(xù)時間。簇的建立過程可分成4個階段：簇頭節(jié)點(diǎn)的選擇、簇頭節(jié)點(diǎn)的廣播、簇頭節(jié)點(diǎn)的建立和調(diào)度機(jī)制的生成。這里不再一一細(xì)說。在簇的穩(wěn)定階段，傳感器節(jié)點(diǎn)將采集的數(shù)

67、據(jù)傳送到簇頭節(jié)點(diǎn)。簇頭節(jié)點(diǎn)對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合后再將信息傳送給匯聚節(jié)點(diǎn)，匯聚節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)傳送給監(jiān)控中心來進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理。穩(wěn)定階段持續(xù)一段時間后，網(wǎng)絡(luò)重新進(jìn)入簇的建立階段，進(jìn)行下一輪的簇重建，不斷循環(huán)。</p><p>　　4.2 LEACH仿真流程圖</p><p>　　圖4-1 程序總流程</p><p>　　圖4-2 簇首的選擇</p><

68、p>　　4.3仿真結(jié)果與分析</p><p><b>　　4.3.1仿真結(jié)果</b></p><p>　　本文中的以下給出的結(jié)果都在以下參數(shù)下仿真，節(jié)點(diǎn)總數(shù)n為150，簇頭概率p為0.08，數(shù)據(jù)包長度為4000B，控制包長度為100B。初始能量為0.01B。</p><p>　　圖4-3 第八輪網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)圖</p><p

69、>　　圖4-4第十九輪網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)圖</p><p>　　上面兩幅圖為leach仿真協(xié)議中的兩輪網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)圖，其中的藍(lán)色與綠色小點(diǎn)點(diǎn)代表的一個個的無線傳感器。藍(lán)色的小點(diǎn)點(diǎn)代表存活的無線傳感器，綠色的小點(diǎn)點(diǎn)代表死亡的無線傳感器，圖中中間的黑色圓圈代表基站，紅色圓圈代表簇頭。</p><p><b>　　總結(jié)</b></p><p>　　無線傳感器

70、網(wǎng)絡(luò)作為一項(xiàng)新興技術(shù)，它的發(fā)展將對未來人們的生活產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)的無線網(wǎng)絡(luò)有很大的不同，如受能量限制、計算能力、通信能力的限制等，決定了它的特殊性。</p><p>　　由于傳感器節(jié)點(diǎn)一般不能補(bǔ)充能量，所以能耗的考慮始終是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的一個重要方面，而網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議對能量的影響又是十分顯著的。對網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分簇的路由算法被證明是一種可以顯著改善網(wǎng)絡(luò)性能的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。</p>

71、<p>　　本文主要是對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能量路由研究中的分簇的路由算法即leach算法做了較詳細(xì)的敘述與仿真。并且分析、對比了仿真的結(jié)果，得出了一定的結(jié)論。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] I. F. Akyildiz, W. Su, Y. Sankarasubramaniam, et. al. Wireless Se

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