基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計【畢業(yè)設(shè)計+開題報告+文獻綜述】

1、<p>　　本科畢業(yè)設(shè)計(論文)</p><p><b>　　（二零 屆）</b></p><p>　　基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計</p><p>　　所在學(xué)院 </p><p>　　專業(yè)班級 電子信息工程 <

2、/p><p>　　學(xué)生姓名 學(xué)號 </p><p>　　指導(dǎo)教師 職稱 </p><p>　　完成日期 年 月 </p><p><b>　　摘 要</b></p><p&g

3、t;　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN，Wireless Sensor Network）是綜合了傳感器技術(shù)、嵌入式計算機技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)、微電子技術(shù)和通信技術(shù)等各種先進現(xiàn)代技術(shù)為一體的，能夠協(xié)作地進行實時監(jiān)測、感知和采集網(wǎng)絡(luò)分布區(qū)域內(nèi)的各種環(huán)境或監(jiān)測對象的信息，并對其進行處理，傳輸給用戶終端的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。</p><p>　　本文將首先介紹無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的概念和特點，并對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展歷程現(xiàn)狀和應(yīng)用前景進行闡

4、述。再探討無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展中面臨的一些技術(shù)難點和挑戰(zhàn)。然后重點的介紹了無線傳感網(wǎng)絡(luò)中的路由協(xié)議。對已有主要的路由協(xié)議和算法都做出了簡要性的列舉和介紹，并且對各種路由算法的性能優(yōu)缺點進行了分析，通過對現(xiàn)有路由算法的歸納和比較，總結(jié)出了無線傳感器路由協(xié)議和算法所需要具備的基本特征。最后針對傳感節(jié)點的結(jié)構(gòu)特點進行分析，提出傳感器節(jié)點的低功耗設(shè)計策略。通過對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的各組成環(huán)節(jié)的功耗進行分析提出相應(yīng)降低節(jié)點功耗的措施和方法。&l

5、t;/p><p>　　關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，傳感節(jié)點，協(xié)議棧，路由協(xié)議，低功耗</p><p>　　Data Acquisition System Based on wireless sensor networks</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　Wireless sensor n

6、etwork is a combination of sensor technology, including embedded computer technology, distributed information processing technology, microelectronics and communications technology and other advanced modern technology, wh

7、ich can collaborate to carry out real-time monitoring, sensing the distribution and collection networks within the region or monitoring of various environmental objects, and process to obtain detailed and accurate inform

8、ation, transmitted to the user terminal.</p><p>　　This article will first introduce the concept of wireless sensor networks and characteristics, and course of development of wireless sensor network status an

9、d prospects for elaboration. Second will talk about some technical difficulties and challenges which the development of wireless sensor networks face. Then focus on the analysis of the wireless sensor network routing pro

10、tocols. The main route of existing protocols and algorithms to make a brief list and description of and the performance of </p><p>　　Keywords: wireless sensor networks, sensor nodes, protocol stacks, routing

11、 protocols, low power consumption</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　摘 要I</b></p><p>　　AbstractII</p><p><b>　　1 緒論1</b></p>&

12、lt;p>　　1.1課題的來源1</p><p>　　1.2課題的意義1</p><p><b>　　1.3概述1</b></p><p>　　1.3.1 無線傳感網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展歷程1</p><p>　　1.3.2無線傳感網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展現(xiàn)狀1</p><p>　　1.3.3無線傳感網(wǎng)絡(luò)的

13、應(yīng)用前景2</p><p>　　1.3.4無線傳感網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵性技術(shù)5</p><p>　　1.4課題研究的主要內(nèi)容6</p><p>　　2無線傳感器網(wǎng)絡(luò)8</p><p>　　2.1傳感器網(wǎng)絡(luò)的概念及特點8</p><p>　　2.1.1 傳感器網(wǎng)絡(luò)的概念8</p><p>　　2.

14、1.2 傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點8</p><p>　　2.2傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)9</p><p>　　2.2.1 傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)9</p><p>　　2.2.2 傳感器節(jié)點結(jié)構(gòu)9</p><p>　　2.2.3 傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧11</p><p>　　3無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的分類及比較13</p>

15、;<p>　　3.1無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議概述13</p><p>　　3.2路由協(xié)議的分類13</p><p>　　3.3 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的分析與比較14</p><p>　　3.3.1 泛洪路由算法和協(xié)商路由算法14</p><p>　　3.3.2 隨機漫步路由算法16</p><p>

16、　　3.3.3定向擴散路由17</p><p>　　3.3.4謠傳路由18</p><p>　　3.3.5LEACH算法19</p><p>　　3.3.6高能效傳感信息采集協(xié)議（PEGASIS）20</p><p>　　3.3.7閾值敏感的高能效傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議（TEEN）21</p><p>　　3.4無線

17、傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的特征分析22</p><p>　　4傳感器節(jié)點硬件低功耗分析23</p><p>　　4.1傳感器模塊功耗23</p><p>　　4.2信息處理模塊的低功耗23</p><p>　　4.3無線通信模塊的低功耗23</p><p>　　4.4電源管理24</p><p

18、><b>　　總結(jié)25</b></p><p><b>　　參考文獻26</b></p><p>　　致謝錯誤!未定義書簽。</p><p><b>　　1 緒論</b></p><p><b>　　1.1課題的來源</b></p>

19、<p>　　隨著信息技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴大，傳統(tǒng)的單一傳感器已經(jīng)不能滿足人們對信息獲取的要求。人們所希望的是能夠監(jiān)測一定區(qū)域的各種環(huán)境變量和被監(jiān)測對象的詳細(xì)的數(shù)據(jù)信息，綜合處理并傳輸?shù)玫降男畔?，以便用戶獲得所需要的數(shù)據(jù)信息，于是傳感器網(wǎng)的概念被提出了。</p><p><b>　　1.2課題的意義</b></p><p>　　傳感器網(wǎng)由大量具有感知、數(shù)據(jù)

20、處理和無線通訊能力的微傳感節(jié)點構(gòu)成。不僅能夠監(jiān)測到周圍環(huán)境的變化，而且可以處理收集到探測數(shù)據(jù)，并將處理后的數(shù)據(jù)以無線傳輸?shù)姆绞剿偷綌?shù)據(jù)收集點或基地站。</p><p>　　無線傳感網(wǎng)絡(luò)可應(yīng)用于布線和電源供給困難的區(qū)域、人員不能到達的區(qū)域（如受到環(huán)境污染的區(qū)域、環(huán)境被破壞的區(qū)域或敵對區(qū)域）和一些臨時場合（如發(fā)生自然災(zāi)害時固定的通信網(wǎng)絡(luò)被破壞）等。它不需要如何固定網(wǎng)絡(luò)的支持，具有快速展開、抗毀性強等特點。</p

21、><p>　　至今，人們始終未中斷對這項技術(shù)的應(yīng)用研究，并不斷對以往的設(shè)備、工藝進行完善和改進，使之更趨實用化、經(jīng)濟化、系統(tǒng)化。</p><p><b>　　1.3概述</b></p><p>　　1.3.1 無線傳感網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展歷程</p><p>　　早在20世紀(jì)70年代，便出現(xiàn)了采用點對點傳輸、連接傳感控制器而構(gòu)成傳感器

22、網(wǎng)模型，這便是第一代傳感器網(wǎng)絡(luò)。伴隨相關(guān)技術(shù)的不斷發(fā)展和進步，傳感器網(wǎng)同時還具備了獲取并綜合處理多種信息信號的能力，而且通過與傳感控制器的相連，構(gòu)成具有信息綜合處理能力的傳感器網(wǎng)絡(luò)，這樣第二代傳感器網(wǎng)也就產(chǎn)生了。而從20世紀(jì)末開始，現(xiàn)場總線技術(shù)開始應(yīng)用于傳感器網(wǎng)絡(luò)，人們開始組建智能化傳感器網(wǎng)絡(luò)，運用大量多功能傳感器，并使用無線技術(shù)連接，逐漸形成無線傳感網(wǎng)路[2]。</p><p>　　1.3.2無線傳感網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展

23、現(xiàn)狀</p><p>　　傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究起源于美國軍方的作戰(zhàn)要求，1978年DARPA在卡耐基梅隆大學(xué)成立了分布式傳感器網(wǎng)絡(luò)工作組。而WSN在20世紀(jì)90年代中期以后得到世界科研界極大的關(guān)注。從21世紀(jì)開始，美國和歐洲相繼啟動了許多關(guān)于無線傳感網(wǎng)的研究項目。特別是美國向國家自然基金委、國防部等多部門投入巨資支持傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的研究。</p><p>　　在軍事領(lǐng)域方面，美國國防部和其他各

24、軍事部門很早已經(jīng)啟動了對傳感器網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)研究，在C4ISR項目的基礎(chǔ)上提出了C4KISR計劃[3]，強調(diào)搜集戰(zhàn)場相關(guān)情報的能力、綜合處理和利用信息的能力，將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為一個重要研究領(lǐng)域。接著各部門又啟動了一系列軍事的傳感器網(wǎng)絡(luò)研究項目。例如，美國陸軍在2001年提出的“智能無線傳感網(wǎng)絡(luò)通信”計劃，之后又設(shè)立的“無人值守傳感器群”項目和“戰(zhàn)場環(huán)境偵察與監(jiān)視系統(tǒng)”項目。以及美國海軍設(shè)立了“傳感器組網(wǎng)系統(tǒng)”研究項目，他們近期開展高性能的

25、協(xié)同合作交戰(zhàn)能力（Cooperative Engagement Capability，CEC)就是高性能的傳感器網(wǎng)絡(luò)與高效交戰(zhàn)網(wǎng)絡(luò)的有機地結(jié)合。2002年5月，美國Sandia國家實驗室與能源部合作確立了開發(fā)檢測有毒氣體化學(xué)成分WSN的反恐項目。</p><p>　　在民用領(lǐng)域，美國交通部在1995年提出的“國家智能交通系統(tǒng)項目規(guī)劃”項目，預(yù)測到2025年將開發(fā)完成并投入使用。該項目企圖將先進的信息技術(shù)、計算機處

26、理技術(shù)、傳感節(jié)點技術(shù)、數(shù)據(jù)通信技術(shù)和控制技術(shù)集成為一個統(tǒng)一體用以管理全國的地面交通系統(tǒng)，在大范圍內(nèi)建立實時且高效率的全方位交通運輸綜合管理系統(tǒng)。Intel公司餓在2002年公布了“基于微型傳感器網(wǎng)絡(luò)的新型計算發(fā)展規(guī)劃”[4]。英特爾宣稱，其將傾力于研究微型傳感器網(wǎng)絡(luò)在環(huán)境監(jiān)測、預(yù)防醫(yī)學(xué)、森林滅火、洪澇災(zāi)害、地質(zhì)災(zāi)害甚至行星探查等領(lǐng)域的應(yīng)用。2002年12月美國加州大學(xué)洛杉磯分校啟動嵌入式傳感器網(wǎng)絡(luò)中心（Center for Embedd

27、ed Network Sensing, CENS）項目來跟蹤調(diào)查環(huán)境變化及其對鳥類活動的影響。歐洲則在2002年啟動了EYES研究項目，這是一個自組織協(xié)同能量高效的WSN計劃，其目的是研制出一個WSN平臺。</p><p>　　至于國內(nèi)方面，2004 年我國國家自然科學(xué)基金委員會把無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究列為重點研究項目，《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要(2006-2020)》[5]將“傳感器網(wǎng)絡(luò)及智能信息處理”

28、列為其重點支持的領(lǐng)域和優(yōu)先主題，并把“自組織傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)”作為其重點支持的前沿技術(shù)。 2005年我國國家自然科學(xué)基金委員會將傳感器網(wǎng)的基礎(chǔ)理論和關(guān)鍵技術(shù)研究列入計劃，在2006年進一步將水下移動傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)列為重點研究對象。</p><p>　　1.3.3無線傳感網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用前景</p><p>　　無線傳感網(wǎng)是新一代的傳感器網(wǎng)絡(luò)，具有非常廣泛的應(yīng)用前景，其發(fā)展和應(yīng)用將給人類的生活

29、和生產(chǎn)的各個領(lǐng)域帶來深遠(yuǎn)影響。美國的《技術(shù)評論》雜志在論述未來新興十大技術(shù)時，將無線傳感網(wǎng)絡(luò)列為第一項未來新興技術(shù)，而《商業(yè)周刊》也將其列為未來四大新興技術(shù)之一。</p><p>　　隨著嵌入式系統(tǒng)成本的降低以及其體積的不斷縮小，為數(shù)不少的無線傳感網(wǎng)絡(luò)已開始投入使用。目前無線傳感網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用主要集中在以下領(lǐng)域：環(huán)境的監(jiān)測和保護、醫(yī)療護理、軍事、一些危險的工業(yè)環(huán)境如礦井和核電、交通領(lǐng)域的車輛監(jiān)控以及工業(yè)自動化生產(chǎn)線等

30、。</p><p><b>　　軍事應(yīng)用</b></p><p>　　WSN在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用十分廣泛，其中主要包括以下幾方面：</p><p>　　1、在盟軍的人員、裝備、及軍火上安裝傳感器方便識別。</p><p>　　2、實時監(jiān)測戰(zhàn)場上的任何情況。</p><p>　　3、投擲傳感器于敵

31、軍陣地中，執(zhí)行偵察任務(wù)。</p><p>　　4、可作為智能型武器的引導(dǎo)器。</p><p>　　5、偵察及判定核武器和生化武器的攻擊。</p><p>　　在軍事應(yīng)用中，與其他技術(shù)偵察手段相比，傳感器網(wǎng)的潛在優(yōu)勢表現(xiàn)在以下幾個方面[4-7]：</p><p>　　1.傳感器網(wǎng)低成本、高冗余的設(shè)計原則為整個系統(tǒng)提供了較強的容錯能力。<

32、;/p><p>　　2.對分布式節(jié)點所采集到的數(shù)據(jù)進行融合處理，能夠大幅提升數(shù)據(jù)精度，克服之前單機系統(tǒng)存在的精度不高問題。</p><p>　　3.多節(jié)點聯(lián)合，形成覆蓋面積較大的實時探測區(qū)域。</p><p>　　4.傳感器節(jié)點能夠近距離對目標(biāo)物體進行監(jiān)測，在很大程度上消除了環(huán)境狀況變化對系統(tǒng)各方面性能的影響。</p><p>　　5.利用個別具

33、有移動能力的節(jié)點調(diào)整網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可以有效地消除探測區(qū)域的陰影和盲點。</p><p><b>　　環(huán)境應(yīng)用</b></p><p>　　現(xiàn)代人們對時候的環(huán)境質(zhì)量愈來愈關(guān)注，環(huán)境科學(xué)所涉及的范圍也日益廣泛。由于現(xiàn)代人類社會生活和生產(chǎn)對環(huán)境的破壞使得環(huán)境變化日趨復(fù)雜，研究環(huán)境變化所需收集的數(shù)據(jù)信息也越來越復(fù)雜龐大，在這種情況下，傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集模式不能滿足數(shù)據(jù)采集要求。

34、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)為野外隨機性的研究數(shù)據(jù)的獲取提供了方便，特別是在如下幾方面[8]：</p><p>　　1.降雨情況的判定，為防洪抗旱提供準(zhǔn)確信息。</p><p>　　2.當(dāng)發(fā)生森林火災(zāi)時，能夠為準(zhǔn)確判斷火災(zāi)地點提供最快的信息。</p><p>　　3.不需要人工冒險進入遭受化學(xué)污染的區(qū)域，便能得到判定污染源位置和分析化學(xué)污染的成分的相關(guān)信息。</p>

35、<p>　　4.實時監(jiān)測海洋、大氣和土壤的成分，同時掌握空氣污染、水污染以及土壤污染的程度。</p><p>　　5.研究環(huán)境變化對生物的活動的影響。</p><p><b>　　醫(yī)療健康</b></p><p>　　可以將網(wǎng)絡(luò)傳感器嵌入在鞋、家具以及家用電器等設(shè)備中，采集各種信息同時利用傳感器網(wǎng)可高效傳遞必要的信息，從而幫助老年人

36、、重病患者以及殘疾人士的家庭生活，也可以方便接受護理，同時減輕護理人員的負(fù)擔(dān)，提高護理質(zhì)量。對于一些需要24小時不間斷照顧的人員和家庭來說，傳感器網(wǎng)事一個不錯的選擇[6]。</p><p>　　利用傳感器網(wǎng)長時間地收集人的生理數(shù)據(jù)，可以加快研制新藥品的過程，而安裝在被監(jiān)測對象身上的微型傳感器幾乎不會對人們的正常生活造成多大的影響。此外，在其他諸多醫(yī)療方面，它也有獨特而新穎的應(yīng)用?？傊瑹o線傳感器網(wǎng)的進一步發(fā)展將加

37、快未來的遠(yuǎn)程醫(yī)療的實現(xiàn)過程。</p><p><b>　　空間探索</b></p><p>　　人類可以通過向現(xiàn)在還無法到達的或無法長期工作的外太空的其他天體上設(shè)置傳感器網(wǎng)節(jié)點的方法，來實現(xiàn)對它們的長期的監(jiān)測。我們通過對這些傳感器網(wǎng)發(fā)回的信息進行分析，可以知道這些天體的具體情況，為更好地了解它們，利用它們提供了一個有效的手段。</p><p>

38、<b>　　其他應(yīng)用</b></p><p>　　自組織、微型化和對外部世界的感知能力是傳感器網(wǎng)的三個特點，這些特點決定了傳感器網(wǎng)在其他領(lǐng)域應(yīng)該也會有不少的應(yīng)用機會。比如，在科學(xué)研究領(lǐng)域，傳感器網(wǎng)可以幫助科研人員完成很多信息搜集工作。2002年夏，有研究人員未來獲取海島上海燕的生活資料，把許多被稱為“塵?！盵9]的很小的網(wǎng)絡(luò)傳感器裝到了有海燕巢的洞穴中。通過它們監(jiān)測氣溫、風(fēng)力、海燕的活動來進

39、行生物學(xué)研究。僅僅3個月，研究人員在不影響海燕正常生活的情況下就收集到300多萬條信息。</p><p>　　傳感器網(wǎng)還可以和PDA之類的個人數(shù)字設(shè)備相結(jié)合，組成個人服務(wù)器。它不僅能夠?qū)崟r從網(wǎng)絡(luò)中獲取信息，而且通過訪問信息站按需求過濾所有相關(guān)信息，以便給人們提供快捷有效的所需信息。如果你想要去旅游，你也可以通過傳感器網(wǎng)事先查詢你所想要去的地方的溫度、濕度、旅游景點、風(fēng)景名勝甚至于海拔高度等信息，根據(jù)所獲得的信息對

40、比自身情況你可以判斷自己是否適合前往該處，或制定行程計劃[10,11]。</p><p>　　此外，交互式博物館、交互式玩具、工廠生產(chǎn)自動化等眾多領(lǐng)域，無線傳感器網(wǎng)都將會孕育出全新的設(shè)計和應(yīng)用。</p><p>　　1.3.4無線傳感網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵性技術(shù)</p><p>　　無線傳感網(wǎng)絡(luò)作為當(dāng)今信息領(lǐng)域的研究熱點，涉及多個學(xué)科的交叉，所需要研究的內(nèi)容可以分為四個部分，核心

41、支撐技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議、自組織管理、開發(fā)與應(yīng)用。每個部分都有一些關(guān)鍵技術(shù)需要解決。</p><p><b>　?。?）核心支撐技術(shù)</b></p><p>　　WSN里的核心支撐技術(shù)使用網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議提供的服務(wù)，并通過應(yīng)用服務(wù)接口來屏蔽底層網(wǎng)絡(luò)的細(xì)節(jié)，使終端用戶可以方便地對WSN進行操作。它的核心技術(shù)包括：能量挖掘、能量節(jié)省管理、拓?fù)淇刂啤⒐?jié)點定位、時間同步、網(wǎng)內(nèi)信息處

42、理、網(wǎng)絡(luò)安全等。</p><p>　　節(jié)點的能量消耗是發(fā)揮無線傳感器網(wǎng)絡(luò)效能的瓶頸[4]。無線網(wǎng)絡(luò)傳感器節(jié)點的能量供應(yīng)系統(tǒng)應(yīng)根據(jù)不同應(yīng)用環(huán)境特點進行設(shè)計。 傳感器節(jié)點雖然功耗較低, 但是其有較大的變化范圍。如果利用能量挖掘技術(shù)從環(huán)境中挖掘能量, 使節(jié)點具有能量補充的能力, 這將從根本上解決節(jié)點的能量供給問題。典型方法是利用能量挖掘裝置, 可以挖掘各類能量如風(fēng)能、太陽能、溫差、振動等形式的能量[9]。</p&

43、gt;<p>　　在能量管理方面，由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍大,節(jié)點多, 工作環(huán)境復(fù)雜, 能源無法替代等問題, 使得如何設(shè)計有效延長網(wǎng)絡(luò)的生命周期的策略成為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的核心問題。目前普遍認(rèn)為節(jié)省能耗的最有效方式之一是休眠機制, 但是如何進行有效地休眠調(diào)度而不影響傳感器網(wǎng)絡(luò)的正常運行是一個關(guān)鍵問題。</p><p>　　定位技術(shù)主要指的是節(jié)點定位, 即確定傳感器的每個節(jié)點的相對位置或絕對位置。它是

44、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究領(lǐng)域中非常重要的一個研究方向, 特別是軍事應(yīng)用的基礎(chǔ)。WSN系統(tǒng)可以智能地選擇一些特定的節(jié)點來完成任務(wù), 從而大大降低整個系統(tǒng)的能耗, 提高系統(tǒng)的存活時間。典型的基于距離的定位算法分別利用RSSI、TOA、TDOA、AOA 測距來定位節(jié)點[14]。由于距離無關(guān)的定位機制沒有需要測量節(jié)點間的絕對距離或方位, 因此對節(jié)點硬件的要求也就降低了,隨之節(jié)點成本下降使其更適合于集成大規(guī)模WSN [10]。</p>&

45、lt;p>　　當(dāng)然，安全問題也是目前無線傳感網(wǎng)所面臨的一個關(guān)鍵的問題。WSN通常使用無線電射頻技術(shù)來進行連接,很容易受到無線電磁的干擾而造成信噪比變差最終導(dǎo)致其無法正常工作。人為所造成的干擾主要來自于對由從網(wǎng)絡(luò)中監(jiān)聽獲取到的數(shù)據(jù)包內(nèi)容進行解析和傳送, 或者主動產(chǎn)生并傳輸入侵?jǐn)?shù)據(jù)包從而非法的獲取或修改一些重要信息, 亦或是針對無線傳感網(wǎng)絡(luò)的能量有限性的特點, 向網(wǎng)絡(luò)中發(fā)送大量無用的數(shù)據(jù)包導(dǎo)致其能量耗盡而癱瘓。在無線傳感網(wǎng)絡(luò)中有兩種專

46、用安全協(xié)議:SNEP 和Utesla[12]。SNEP 具有提供節(jié)點到接收機之間數(shù)據(jù)的檢測、刷新、加密的功能, uTESLA具有對廣播數(shù)據(jù)的鑒權(quán)能力。目前對無線傳感網(wǎng)絡(luò)安全方面的研究主要集中于基于計算處理能力以及通信能力有限情況下的自適應(yīng)性的安全機制。這類研究主要著重于加密與消息認(rèn)證機制, 以及密鑰組管理。</p><p><b>　?。?）自組織管理</b></p><

47、p>　　網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)以及外界環(huán)境的多變要求無線傳感器網(wǎng)絡(luò)要具有自組織能力，能夠自動地組網(wǎng)運行、能夠適時地轉(zhuǎn)發(fā)監(jiān)測道德數(shù)據(jù)、自行地進行網(wǎng)絡(luò)配置和維護。自組織管理技術(shù)通過網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議中提供的網(wǎng)絡(luò)管理接口服務(wù)來屏蔽底層的細(xì)節(jié)，使終端用戶可以方便地管理和分配資源。其自組織管理技術(shù)包括：節(jié)點管理、資源和任務(wù)管理、數(shù)據(jù)管理、初始化與系統(tǒng)維護等。</p><p><b>　?。?）網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議</b>&

48、lt;/p><p>　　由于傳感器節(jié)點能量很受限，其計算、存儲和通信能力十分有限，每個節(jié)點能夠獲取的只是局部網(wǎng)絡(luò)的信息，所以節(jié)點上適宜運行較簡單的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議；同時，WSN拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和外界環(huán)境也是不斷地變化，對通信協(xié)議的設(shè)計也提出了更高的要求。WSN通信協(xié)議包括物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層，它們相互配合運行[16]。</p><p><b>　　（4）開發(fā)與應(yīng)用</b>

49、;</p><p>　　作為一種源于應(yīng)用而又服務(wù)于應(yīng)用的現(xiàn)行網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，WSN還要有完整的軟硬件設(shè)計原則，高效的開發(fā)平臺以及一系列別具特色的應(yīng)用實例。其內(nèi)容包括：仿真平臺的建立，硬件系統(tǒng)開發(fā)、操作系統(tǒng)、軟件開發(fā)、環(huán)境監(jiān)測應(yīng)用、目標(biāo)追蹤應(yīng)用等。</p><p>　　1.4課題研究的主要內(nèi)容</p><p>　　本文將首先介紹無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的概念和特點，并對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

50、的發(fā)展歷程現(xiàn)狀和應(yīng)用前景進行闡述。再探討無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展中面臨的一些技術(shù)難點和挑戰(zhàn)。最后針對傳感節(jié)點的結(jié)構(gòu)特點進行重點分析，提出傳感器節(jié)點的低功耗設(shè)計策略。通過對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的各組成環(huán)節(jié)的功耗進行分析，對降低節(jié)點功耗的措施和方法及其不足進行論述。</p><p>　　本文共分為四章，各章節(jié)安排如下：</p><p>　　第一章為緒論，主要介紹本論文課題的研究背景，發(fā)展歷程現(xiàn)狀，

51、應(yīng)用前景和選題來源和研究意義，以及其研究的關(guān)鍵性技術(shù)問題，并介紹論文的主要內(nèi)容。</p><p>　　第二章，首先介紹了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的概念和特點，然后主要對無線傳感網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)進行分析，包括網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、傳感節(jié)點結(jié)構(gòu)和傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧。同時介紹無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)特征、節(jié)點特征和協(xié)議棧特征。</p><p>　　第三章，主要對無線傳感器網(wǎng)路的路由協(xié)議進行分析與比較。針對無線傳感網(wǎng)絡(luò)的特點，研

52、究者們目前已經(jīng)提出了很多種不同的路由協(xié)議和路由算法。對已有主要的路由協(xié)議和算法都做出了簡要性的列舉和介紹，并且對各種路由算法的性能優(yōu)缺點進行了分析，通過對現(xiàn)有路由算法的歸納和比較，總結(jié)出了無線傳感器路由協(xié)議和算法所需要具備的基本特征。</p><p>　　第四章，主要對無線傳感器網(wǎng)路的傳感節(jié)點的功耗進行分析，通過對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的各組成環(huán)節(jié)的功耗進行分析提出相應(yīng)的降低節(jié)點功耗的措施和方法。</p>

53、<p><b>　　2無線傳感器網(wǎng)絡(luò)</b></p><p>　　2.1傳感器網(wǎng)絡(luò)的概念及特點</p><p>　　2.1.1 傳感器網(wǎng)絡(luò)的概念</p><p>　　我們一般把傳感器網(wǎng)定義為由一組集成有數(shù)據(jù)采集單元、數(shù)據(jù)處理和無線通信模塊的微型傳感器以自組織方式組成的無線傳感網(wǎng)絡(luò)，其目的在于協(xié)作地感知、收集和處理傳感節(jié)器在網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測

54、范圍內(nèi)從感知對象處所能獲得的數(shù)據(jù)信息，并傳送給信息獲取者。</p><p>　　這里的信息獲取者就是傳感器網(wǎng)絡(luò)的用戶，即感知信息的接收者和使用者。信息獲取者不僅可以是人，也可以是計算機或其他各種設(shè)備。另外，一個WSN可以對應(yīng)多個信息獲得者，而一個信息獲得者也可以是多個WSN的用戶。信息獲取者可以主動地查詢或收集傳感器網(wǎng)的感知信息，也可以被動地接收傳感器網(wǎng)發(fā)布的信息。信息獲取者將對應(yīng)的感知信息進行觀察、挖掘、分析、

55、制定策略，甚至對感知對象采取合適的措施。</p><p>　　傳感器網(wǎng)的感知對象就是信息獲取者所感興趣的想要監(jiān)測的目標(biāo)。感知對象的信息通常使用表現(xiàn)化學(xué)現(xiàn)象、物理現(xiàn)象或其他各種現(xiàn)象的數(shù)字量來表征。一個傳感器網(wǎng)可以同時感知網(wǎng)絡(luò)分布區(qū)域內(nèi)的多個對象，同樣的一個對象也可以被多個傳感器網(wǎng)路所監(jiān)測。</p><p>　　2.1.2 傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點</p><p>　　傳感器網(wǎng)

56、具有以下特點[17-20]：</p><p>　　1、網(wǎng)絡(luò)規(guī)模大，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)靈活復(fù)雜。傳感器網(wǎng)中傳感器節(jié)點分布密集，數(shù)量巨大，可以達到幾百甚至幾千萬個。此外，傳感器網(wǎng)可以分布在很廣泛的地理區(qū)域，感知的范圍也很大。而且，傳感網(wǎng)絡(luò)中的傳感器、感知對象和觀察者這三者所處的為都會隨時發(fā)生改變，并且經(jīng)常會有新的節(jié)點參加工作也會有舊節(jié)點失效不能正常工作。因此，網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)會不斷變化，而同時傳感器和觀察者之間的路徑也隨之變化。

57、</p><p>　　2、計算能力有限。傳感器網(wǎng)中的傳感器普遍采用嵌入式存儲器和處理器。具有一定的計算能力，可以完成一些信息處理工作。但是，由于嵌入式存儲器和處理器的能力和容量有限，傳感器的處理能力十分有限。</p><p>　　3、電源能量有限。傳感器網(wǎng)中的傳感器通常都是使用電池供電，傳感器網(wǎng)又通常要求長時間工作（某些特殊場合下要求正常工作時間超過10年），而傳又不方便隨時補充感器節(jié)點的

58、電池能量，這樣就造成了能源方面的突出矛盾。</p><p>　　4、傳感器節(jié)點的通信能力有限。由于傳感器網(wǎng)中的傳感器的傳輸速率比較低，而且通信距離一般只有幾十到幾百米。又因為傳感器常常工作在環(huán)境惡劣地區(qū)受環(huán)境因素影響比較多。一方面容易造成傳感器之間不可靠的通信，另一方面也可能會導(dǎo)致傳感器出現(xiàn)長時間的故障嚴(yán)重的甚至?xí)粨p壞。</p><p>　　5、具有較強的數(shù)據(jù)傳送方向性。傳感器網(wǎng)絡(luò)，具有

59、很強的數(shù)據(jù)傳輸方向性。通常，我們用廣播擴散方式從獲取者向網(wǎng)絡(luò)中傳感器傳送查詢信息，而利用散布在各個位置的傳感節(jié)點向查詢節(jié)點匯報監(jiān)測到的有效數(shù)據(jù)。</p><p>　　2.2傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)</p><p>　　2.2.1 傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)</p><p>　　傳感器網(wǎng)絡(luò)一般是由傳感器節(jié)點(sensor node)、匯聚節(jié)點(sink node)、因特網(wǎng)或衛(wèi)星系統(tǒng)、任

60、務(wù)管理節(jié)點等部分組成[18]。通過人工埋置、飛行器撒播和火箭彈射等方式將傳感器節(jié)點任意散布在所需監(jiān)測的區(qū)域內(nèi)。節(jié)點以自組織形式組成網(wǎng)絡(luò)，通過多跳中繼方式傳送監(jiān)測到的數(shù)據(jù)到接收節(jié)點，最后借助長距離或臨時建立的接收鏈路將整個監(jiān)測區(qū)域內(nèi)所采集到的全部數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程中心進行集中處理. 圖2-1為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的典型體系結(jié)構(gòu)[22]。</p><p>　　圖 2-1 WSN的典型體系結(jié)構(gòu)示意圖</p><

61、;p>　　2.2.2 傳感器節(jié)點結(jié)構(gòu)</p><p>　　每一個傳感器節(jié)點由數(shù)據(jù)采集模塊（傳感器和A/D轉(zhuǎn)換器）、數(shù)據(jù)處理和控制模塊（微處理器及存儲器）、通信模塊（無線收發(fā)器）和電源模塊（電池、能量轉(zhuǎn)換器），如圖2-2所示[13]。</p><p><b>　　1）數(shù)據(jù)采集模塊</b></p><p>　　數(shù)據(jù)采集模塊主要由各種傳感器和A

62、/D轉(zhuǎn)換器構(gòu)成，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集并調(diào)理數(shù)據(jù)信號。根據(jù)不同的應(yīng)用環(huán)境，適當(dāng)選擇相應(yīng)類型的傳感器，由A/D轉(zhuǎn)換器將傳感器采集到的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。</p><p>　　2）數(shù)據(jù)處理和控制模塊</p><p>　　數(shù)據(jù)處理和控制模塊主要由微處理器和存儲器構(gòu)成。</p><p><b>　　3）通信模塊</b></p><p>

63、;　　通信模塊主要是無線收發(fā)器，負(fù)責(zé)各節(jié)點之間的無線通信，在各節(jié)點點路中起著重要作用，在軟硬件設(shè)計上一旦出現(xiàn)缺陷就很有可能會影響整個系統(tǒng)。因此，雖然該模塊的設(shè)計并不復(fù)雜，但要達到很理想地效果卻是一件很困難的事情。</p><p><b>　　4）供電模塊</b></p><p>　　供電模塊主要由電池和能量轉(zhuǎn)換器構(gòu)成，負(fù)責(zé)供應(yīng)各部分正常工作所需電源。</p>

64、;<p>　　圖2-2無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　2.2.3 傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧</p><p>　　隨著相關(guān)研究人員對無線傳感網(wǎng)絡(luò)的不斷的深入研究，多種傳感器節(jié)點的協(xié)議棧已經(jīng)被提出。圖2-3是一個比較常見的協(xié)議棧[23]，它包括物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層和應(yīng)用層[20]，與互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議棧的五層協(xié)議相互對應(yīng)。此外，協(xié)議棧還包含有能量管理平臺、移動管理平

65、臺和任務(wù)管理平臺。這些管理平臺確保了傳感器節(jié)點能夠按照能量高效的方式協(xié)同工作，在節(jié)點移動的傳感器網(wǎng)絡(luò)中轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，并支持多任務(wù)和咨源共享。各層協(xié)議和平臺的功能[21-24]如下：</p><p>　　物理層提供簡單但健壯的信號調(diào)制和無線收發(fā)技術(shù)；</p><p>　　數(shù)據(jù)鏈路層負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)成幀、幀監(jiān)測、媒體訪問和差錯控制；</p><p>　　網(wǎng)絡(luò)層主要負(fù)責(zé)路由生成與路由

66、選擇；</p><p>　　傳輸層負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)流的傳輸控制，是保證通信服務(wù)質(zhì)量的重要部分；</p><p>　　應(yīng)用層包括一系列基于監(jiān)測任務(wù)的應(yīng)用層軟件；</p><p>　　能量管理平臺管理傳感器節(jié)點如何使用能量，綜合協(xié)調(diào)各層節(jié)省能量；</p><p>　　移動管理平臺監(jiān)測并注冊傳感器節(jié)點的移動，維護到網(wǎng)關(guān)節(jié)點的路由，</p>&

67、lt;p>　　使得傳感器節(jié)點能夠動態(tài)跟蹤其鄰居的位置；</p><p>　　任務(wù)管理平臺在一個給定的區(qū)域內(nèi)平衡和調(diào)度監(jiān)測任務(wù)。</p><p>　　圖2-3 常見傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧</p><p>　　圖2-4所示的協(xié)議棧細(xì)化并改進了圖2-3中的協(xié)議棧模型[25]。定位和時間同步子層在協(xié)議棧中處于比較特殊的位置。它們不僅要依賴于數(shù)據(jù)傳輸通道進行時間同步協(xié)商及協(xié)

68、作定位，同時又要為各個層次的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議提供信息支持。所以在圖2-4中用倒L型描述這兩個功能子層。</p><p>　　圖2-4中的這些多種機制中中一部將分融入到圖2-3所示的各個層次的協(xié)議中，用來達到優(yōu)化和管理協(xié)議的工作流程的目的；剩余部分則是獨立于協(xié)議外的，通過各種各樣的接受和配置接口對相應(yīng)機制進行有效監(jiān)控和配置。</p><p>　　能量管理，增加了能量控制指令代碼到圖2-3中的每個協(xié)議

69、層次中，并提</p><p>　　供給操作系統(tǒng)進行有效的能量分配和決策。</p><p>　　QOS管理，在每個協(xié)議層中設(shè)計隊列管理、優(yōu)先級機制或者帶寬預(yù)留等機</p><p>　　制，并對特定的應(yīng)用的數(shù)據(jù)給予特殊處理。</p><p>　　拓?fù)淇刂?，利用物理層、路由層或?shù)據(jù)鏈路層完成拓?fù)渖桑瑫r又回饋給它們以基本的信息數(shù)據(jù)支持，提高協(xié)議效

70、率，減少網(wǎng)絡(luò)能量消耗。</p><p>　　網(wǎng)絡(luò)管理，要求嵌入各種信息接口到協(xié)議各層，而且周期性地收集協(xié)議運行情況和流量相關(guān)信息，協(xié)作控制網(wǎng)絡(luò)中所有協(xié)議組件的正常運行。</p><p>　　圖2-4 傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧細(xì)化模型</p><p>　　3無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的分類及比較</p><p>　　3.1無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議概述</

71、p><p>　　從功能上講，WSN中的路由協(xié)議是一套將數(shù)據(jù)從源點傳輸?shù)侥康墓?jié)點的機制。WSN路由協(xié)議的主要設(shè)計目標(biāo)是在滿足應(yīng)用需求的同時盡量降低網(wǎng)絡(luò)開銷，取得資源利用的整體有效性，擴大網(wǎng)絡(luò)容量，提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量。</p><p>　　由于傳感器節(jié)點能量有限，且大多只能獲得局部網(wǎng)絡(luò)信息，傳感器網(wǎng)絡(luò)中的路由協(xié)議具有很多傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議沒有的特點[5-9]。</p><p>　

72、　首先，無線傳感網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議注重于均衡整個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的能量開銷。由于節(jié)點消耗的能量較小且有限，只有減少整個協(xié)議的能量開銷，并且盡量均衡在節(jié)點之間的能量開銷，才能最大可能的加長網(wǎng)絡(luò)正常工作的時間。</p><p>　　其次，無線傳感網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議是大多以數(shù)據(jù)為中心的。無線傳感網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議不再使用傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中以地址為中心的路由算法，而是依據(jù)想要收集的數(shù)據(jù)建立數(shù)據(jù)源到網(wǎng)關(guān)或目標(biāo)節(jié)點的路徑。</p><

73、p>　　最后，傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議與其應(yīng)用環(huán)境具有很強的相互關(guān)聯(lián)性，依據(jù)應(yīng)用環(huán)境的不同路由協(xié)議的差別也可能很大，沒有一個通用的路由協(xié)議。</p><p>　　3.2路由協(xié)議的分類</p><p>　　現(xiàn)有的無線傳感器路由協(xié)議可以分為四類[7-9]：以數(shù)據(jù)為中心的路由協(xié)議、基于集群（Clustering）結(jié)構(gòu)的路由協(xié)議、基于地理信息的路由協(xié)議和基于Qos的路由協(xié)議。</p>

74、<p>　　以數(shù)據(jù)為中心的路由協(xié)議</p><p>　　以數(shù)據(jù)為中心的路由協(xié)議會對感知到的數(shù)據(jù)按照屬性命名，在傳輸過程中對具有相同屬性的數(shù)據(jù)進行融合操作，減少網(wǎng)絡(luò)中的冗余數(shù)據(jù)的傳輸開銷。這一類型的路由協(xié)議同時集成了網(wǎng)絡(luò)路由任務(wù)和應(yīng)用層數(shù)據(jù)管理任務(wù)。</p><p><b>　　集群結(jié)構(gòu)的路由協(xié)議</b></p><p>　　集群結(jié)

75、構(gòu)的路由協(xié)議對路由算法的可擴展性進行重點考慮。它的主要特點就是按照特定的規(guī)則將傳感器節(jié)點劃分為不同集群，通過每個集群的頭節(jié)點匯聚集群內(nèi)的感知數(shù)據(jù)或轉(zhuǎn)發(fā)其他集群頭結(jié)點的數(shù)據(jù)。</p><p>　　這種類型的協(xié)議一般具有兩種工作模式：單層模式和多層模式。單層模式，是指路由協(xié)議只對網(wǎng)絡(luò)中的傳感器節(jié)點進行一次集群劃分，通常要假設(shè)每個集群的頭節(jié)點能直接與Sink節(jié)點進行通訊。多層模式，則是指路由協(xié)議會對傳感器節(jié)點進行多次劃

76、分，即對集群頭節(jié)點也進行集群劃分。</p><p>　　集群結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的可控制性要比平面網(wǎng)絡(luò)好，而且擴展性也比較好，網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)時間也相對較短。</p><p>　　基于地理位置信息的路由協(xié)議</p><p>　　基于地理位置信息的路由協(xié)議首先假定傳感器節(jié)點能夠知道自身所處的地理位置或能夠借助基于部分標(biāo)定節(jié)點的地理位置信息計算出自己所處的地理位置。節(jié)點的地理位置信息可以作

77、為一個用來改善本部分已有路由算法的性能的輔助條件。比如通過將查詢請求或者感知信息發(fā)送給指定目標(biāo)億減少泛洪（Flooding）算法的數(shù)據(jù)無效傳輸問題，也可直接利用地理位置信息來實現(xiàn)路由。</p><p>　　基于Qos的路由協(xié)議</p><p>　　基于Qos的路由協(xié)議在實現(xiàn)路由發(fā)現(xiàn)和維護的同時，也力求滿足網(wǎng)絡(luò)的Qos需求。一些協(xié)議在建立路由路徑時會同時考慮節(jié)點的剩余能量、各個數(shù)據(jù)包的優(yōu)先級

78、、估計點到點的延時，進而為數(shù)據(jù)包的傳遞選擇一條最優(yōu)路徑。</p><p>　　3.3 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的分析與比較</p><p>　　3.3.1 泛洪路由算法和協(xié)商路由算法</p><p>　　泛洪路由（Flooding routing）是一個包括較少硬件設(shè)備的簡單的路由決策。該路由決策最基本的思想是從一個節(jié)點受到的數(shù)據(jù)包被復(fù)制并且在所有輸出鏈路上傳送，但傳

79、送給它的那條鏈路除外。經(jīng)過第一次傳送后，在一跳之內(nèi)的所有路由器都收到了該數(shù)據(jù)包，經(jīng)過第一次傳輸之后，在兩跳之內(nèi)的所有路由器都收到了該數(shù)據(jù)包，收到該數(shù)據(jù)包的節(jié)點重復(fù)上述操作，一次進行下去······直到有一個設(shè)備停止傳送為止。因此，這一算法會導(dǎo)致業(yè)務(wù)流量隨時不斷增加（如圖3-1所示）[15]。</p><p>　　在圖3-1中，有三個數(shù)據(jù)包從源點到達了A節(jié)

80、點，第一個數(shù)據(jù)包被復(fù)制給了B節(jié)點和C節(jié)點。在B節(jié)點和C節(jié)點上，所復(fù)制的數(shù)據(jù)包又被再次復(fù)制它們的相鄰節(jié)點。該方式在包反射方面具有缺陷：一個節(jié)點可能會收到一個它不想要的數(shù)據(jù)包副本。盡管這一問題可以通過隨時丟棄它不想要的數(shù)據(jù)包來防止數(shù)據(jù)包的擴散，但仍造成不必要的傳輸流量的增加使得網(wǎng)絡(luò)不能有效地運行。一種有效防止數(shù)據(jù)包被重復(fù)復(fù)制的方法是給每個節(jié)點裝置一個存儲器，通過這個存儲器來識別并阻止那些已經(jīng)被重復(fù)傳遞過的數(shù)據(jù)包。</p>&l

81、t;p>　　圖3-1泛洪算法示意圖</p><p>　　協(xié)商路由是泛洪路由的改進版本。協(xié)商路由（SPIN, Sensor Protocol for Information via Negotiation）[27]是一種以數(shù)據(jù)為中心的自適應(yīng)路由協(xié)議。該協(xié)議考慮了WSN中的數(shù)據(jù)冗余問題— —鄰近的節(jié)點所感知的數(shù)據(jù)具有相似性，采用節(jié)點間協(xié)商的方式減少網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)的傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量。節(jié)點僅廣播其他節(jié)點所沒有的數(shù)據(jù)來減少

82、冗余數(shù)據(jù)，從而有效減少能量開銷。</p><p>　　SPIN協(xié)議采用三次握手協(xié)議來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的交互，協(xié)議運行過程中使用三種報文數(shù)據(jù)：ADV、REQ、DATA[28]。ADV用于數(shù)據(jù)的廣播，REQ由于請求發(fā)送數(shù)據(jù)，DATA為原始感知數(shù)據(jù)包。</p><p>　　SPIN協(xié)議有兩種工作模式：SPIN1和SPIN2，SPIN2在SPIN1的基礎(chǔ)上做了一些能量上的考慮。如圖3-2所示，在SPIN1

83、中，當(dāng)節(jié)點A感知到有新事件發(fā)生之后，便會主動給其相鄰節(jié)點廣播該事件的ADV報文，收到該報文的B節(jié)點首先檢查自己是否擁有報文中所描述的數(shù)據(jù)，如圖3-2（1）所示。如果沒有，則B節(jié)點就向A節(jié)點發(fā)送REQ報文，在REQ報文中給出了需要節(jié)點A給出的數(shù)據(jù)列表，如圖3-2（2）所示。當(dāng)A節(jié)點收到REQ報文后，就將相關(guān)數(shù)據(jù)發(fā)送給B節(jié)點，如圖3-2（3）所示。接著B節(jié)點發(fā)送ADV報文到其相鄰節(jié)點如圖3-2（4）所示，但由于A節(jié)點已具有ADV描述的內(nèi)容，

84、故A不響應(yīng)B的ADV報文，即不會發(fā)送REQ給B。協(xié)議按照這樣的方式進行一實現(xiàn)SPIN1算法。若B節(jié)點發(fā)現(xiàn)自己已保存有ADV中所描述的數(shù)據(jù)，則它就不響應(yīng)A節(jié)點的ADV報文，即不會發(fā)送REQ請求報文，如圖3-2（5）[27-30]。</p><p>　　SPIN2模式則考慮了節(jié)點剩余能量值，當(dāng)節(jié)點剩余能量值低于某個已設(shè)定的門限值時就不參與任何報文的轉(zhuǎn)發(fā)，僅能夠接收來自相鄰節(jié)點的報文和發(fā)出REQ報文。</p>

85、;<p>　　在SPIN協(xié)議下，節(jié)點不需要維護鄰居節(jié)點的信息，一定程度上適應(yīng)了節(jié)點移動的情況。在耗能方面，模擬結(jié)果證明比傳統(tǒng)模式減少一半。不過，該算法不能確保數(shù)據(jù)一定能到達目標(biāo)節(jié)點，尤其不適應(yīng)于節(jié)點分布密度高的網(wǎng)絡(luò)。</p><p>　　圖3-2 SPIN協(xié)議工作流程 </p><p>　　3.3.2 隨機漫步路由算法</p><p>　　隨機漫步

86、路由算法[31]是第一個同時實現(xiàn)了多跳路由和統(tǒng)計意義上的載荷平衡的算法。該算法模型首先需要做如下幾點假設(shè)[27]：</p><p><b>　　(1)大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)。</b></p><p>　　(2) 一旦安裝網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，其移動性便非常有限，但是可以隨機的開啟和關(guān)閉。</p><p>　　(3)每個節(jié)點有唯一的標(biāo)志但不需要知道位置信息。</p

87、><p>　　(4)每一個節(jié)點都位于一個方格的頂點，但是整個網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是不規(guī)則的。</p><p>　　現(xiàn)在為數(shù)據(jù)源傳遞尋找一條到達目的節(jié)點的路徑的具體過程做介紹：用分布式異步版本的Bellman-Ford算法[33]計算節(jié)點間的距離來獲得位置信息。對于每個中間節(jié)點，它通過一個概率計算選擇最優(yōu)路徑，即選擇一個離目標(biāo)最近的相鄰節(jié)點作為下一跳的路徑。只要概率計算足夠準(zhǔn)確，就能保證網(wǎng)絡(luò)中的載荷平

88、衡。</p><p>　　雖然是一種相對比較簡單的路由算法，但它的確是一種全新的路由算法。其主要不足之處在于是網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相對難以實現(xiàn)。</p><p>　　該算法的優(yōu)勢則在于節(jié)點所需存儲的狀態(tài)信息量比較少，均衡了路由和通信的開銷；即使是同一對源節(jié)點和目的節(jié)點之間的傳輸，每次算出的路徑也都有可能是不盡相同的。</p><p>　　3.3.3定向擴散路由</p&

89、gt;<p>　　定向擴散協(xié)議（DD，Directed Diffusion）[34]是一種基于查詢的路由協(xié)議，協(xié)議中引入了幾個基本概念：興趣、梯度和路徑加強。整個過程可以分為興趣擴散、梯度建立以及路徑加強三個階段，如圖3-3所示。</p><p>　　興趣描述的是網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點所需要采集的信息類型內(nèi)容。梯度方向則是節(jié)點從另一個節(jié)點處收到或查詢興趣的方向，梯度能夠按成本最小化和能量自適應(yīng)原則指出“興趣”

90、擴散的方向和數(shù)據(jù)速率。路徑加強則是從多可能條路徑中選擇一條最優(yōu)路徑。</p><p>　　圖3-3 定向擴散路由機制</p><p>　　DD協(xié)議的路徑建立過程是由Sink節(jié)點發(fā)起的，Sink周期的廣播“興趣”。在“興趣”的傳播過程中，根據(jù)成本最小化和能量自適應(yīng)原則協(xié)議逐跳地在每個傳感器節(jié)點上建立從Sink節(jié)點到數(shù)據(jù)源的反向的梯度場，傳感器節(jié)點將收集到的數(shù)據(jù)沿著梯度場傳遞到Sink節(jié)點。完

91、成“興趣”擴散的同時網(wǎng)絡(luò)的梯度場也建立完成。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中的傳感器節(jié)點感知到相關(guān)匹配的數(shù)據(jù)以后，向所有感興趣的相鄰節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)這個數(shù)據(jù)，收到數(shù)據(jù)的節(jié)點若不是Sink節(jié)點，就采取相同的方法轉(zhuǎn)發(fā)該數(shù)據(jù)。這樣Sink節(jié)點就會獲得從不同路徑傳來的相同的數(shù)據(jù)，在收到數(shù)據(jù)后選擇一條最佳路徑，作為后續(xù)數(shù)據(jù)的傳輸路徑。</p><p>　　通過定向擴散協(xié)議，可以實現(xiàn)質(zhì)量良好的多徑傳輸，同時選擇最優(yōu)路徑可以節(jié)約不少通信開銷。不過，在實現(xiàn)數(shù)據(jù)

92、聚合的時候，使用到的時間同步技術(shù)在傳感器網(wǎng)絡(luò)中不容易實現(xiàn)。另外，DD協(xié)議通過Sink節(jié)點完成對節(jié)點的查詢，不適用于大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)。</p><p><b>　　3.3.4謠傳路由</b></p><p>　　謠傳路由[25-27]（Rumor Routing）[30]協(xié)議針對DD算法中采用泛洪方法建立路徑帶來的開銷過大問題，引入了基于代理消息的單播隨機轉(zhuǎn)發(fā)方法。<

93、/p><p>　　單播隨機轉(zhuǎn)發(fā)方法的主要思想如圖3-4所示。在事件發(fā)生區(qū)域內(nèi)的傳感器節(jié)點產(chǎn)生代理消息，在代理消息沿著隨機路徑向外擴散傳播的同時，匯聚節(jié)點發(fā)送的查詢數(shù)據(jù)包也將沿隨機路徑的在網(wǎng)絡(luò)中進行傳播。當(dāng)代理消息和查詢消息的傳輸路徑相遇的時候，就會形成一條Sink節(jié)點到事件區(qū)域的完整路由路徑。</p><p>　　圖3-4 謠傳路由原理圖</p><p>　　WSN的某

94、些應(yīng)用要求有較高的通信的服務(wù)質(zhì)量，例如實時性和可靠性等。而在無線傳感網(wǎng)絡(luò)中，鏈路的穩(wěn)定性是比較難以保證的，通信信道質(zhì)量比較低，頻繁的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化，為滿足服務(wù)質(zhì)量的保證要求，需要設(shè)計相應(yīng)的可靠路由協(xié)議。相對而言，謠傳路由由于具有較大的路徑選擇余地，使得其可靠性比較高。</p><p>　　3.3.5LEACH算法</p><p>　　LEACH(Low-Energy Adaptive Clu

95、stering Hierarchy)[25]是最早提出的分層路由算法，它主要以簇內(nèi)節(jié)點的能量消費問題為切入點，目的在于實現(xiàn)節(jié)點的工作時間的延長和能耗平衡。</p><p>　　LEACH協(xié)議的基本思路是網(wǎng)絡(luò)周期性地隨機選擇簇頭節(jié)點，其他的非簇頭節(jié)點以就近原則加入到相應(yīng)簇頭的簇內(nèi)，形成虛擬簇。簇內(nèi)節(jié)點首先把收集得到的數(shù)據(jù)直接發(fā)送給簇頭，再經(jīng)由簇頭轉(zhuǎn)發(fā)給Sink節(jié)點，簇頭節(jié)點可以將本簇內(nèi)的數(shù)據(jù)進行融合處理以減少網(wǎng)絡(luò)傳

96、輸?shù)臄?shù)據(jù)量，如圖3-5所示。</p><p>　　LEACH中的每個節(jié)點可以直接同Sink節(jié)點進行通訊，由于Sink和節(jié)點的距離較大，節(jié)點直接和Sink通訊會消耗大量能量。使用LEACH后，形成一個兩級的星型網(wǎng)絡(luò)，如圖3-5所示。簇內(nèi)節(jié)點直接與簇頭通信，再由簇頭節(jié)點和Sink節(jié)點進行通信。由于簇內(nèi)節(jié)點和簇頭節(jié)點的距離比較近，比節(jié)點直接與Sink節(jié)點通信的能量開銷要節(jié)省得多。同時簇頭還可以進行數(shù)據(jù)融合處理減少網(wǎng)路的

97、傳輸數(shù)據(jù)量，但這樣一來簇頭節(jié)點的能量開銷會增加，因此為避免某些節(jié)點的過早失效局面，需要定期的更換簇頭節(jié)點。</p><p>　　圖3-5 LEACH協(xié)議網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　簇頭節(jié)點的選擇依據(jù)網(wǎng)絡(luò)中所需的簇頭節(jié)點數(shù)和迄今為止的每個節(jié)點已經(jīng)成為過簇頭節(jié)點的次數(shù)來決定。具體的選擇辦法是：每個傳感器節(jié)點在[0,1]之間選擇一個隨機數(shù)，如果選定的值小于某一閾值T（n）,那么這個節(jié)點就成為

98、簇頭節(jié)點，T（n）的計算式如下：</p><p>　　式中，N表示網(wǎng)絡(luò)中傳感器節(jié)點的個數(shù)，k為一個網(wǎng)絡(luò)中的簇頭節(jié)點數(shù)，r為已完成的周期數(shù)，G為網(wǎng)絡(luò)生存期總的周期數(shù)。</p><p>　　這里的每個周期分為2個階段：簇的建立和穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸階段。穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸階段的持續(xù)時間要大于簇建立所需要的時間。在選定了簇頭節(jié)點以后，簇頭節(jié)點通過廣播告知整個網(wǎng)絡(luò)中所有其他節(jié)點自己已成為簇頭的事實。網(wǎng)絡(luò)中的

99、非簇頭節(jié)點根據(jù)接收到的信號的強度決定從屬的簇，并通知相應(yīng)簇頭，最后簇頭節(jié)點采用TDMA方式為簇中的每個節(jié)點分配傳輸數(shù)據(jù)的時間片。</p><p>　　3.3.6高能效傳感信息采集協(xié)議（PEGASIS）</p><p>　　高能效傳感信息采集協(xié)議(Power Efficient Gathering in Sensor Information Systerms, PEGASIS)協(xié)議[11,2

100、7,34]是為避免頻繁選舉簇頭的通信開銷在LEACH基礎(chǔ)上改進而來的基于“鏈”的協(xié)議。PEGASIS將網(wǎng)絡(luò)中的所有傳感節(jié)點連接成一條鏈，如圖3-6所示。</p><p>　　PEGASIS協(xié)議利用貪婪算法從距離Sink節(jié)點最遠(yuǎn)的傳感節(jié)點開始依次連接下一個最近的傳感節(jié)點，從而把整個傳感網(wǎng)中的所有節(jié)點組合成一條鏈。鏈中只有一個充當(dāng)簇頭節(jié)點角色的節(jié)點，而且簇頭節(jié)點在鏈中順序游走，實現(xiàn)節(jié)點的能耗均衡。</p>

101、<p>　　PEGASIS協(xié)議中每個節(jié)點利用信號的強度來衡量其所有相鄰節(jié)點與其距離的遠(yuǎn)近，在確定與其距離最近的節(jié)點位置同時調(diào)整發(fā)送信號的強度以便只有這個節(jié)點能夠“聽到”。每當(dāng)節(jié)點電源耗盡，鏈更新一次。鏈中每個節(jié)點智能向相鄰節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)，每個傳感節(jié)點沿著鏈傳輸數(shù)據(jù)到簇頭節(jié)點，在數(shù)據(jù)傳遞過程中同時進行數(shù)據(jù)融合，簇頭節(jié)點將收集到的數(shù)據(jù)傳輸給基站。由于只有一個節(jié)點和遠(yuǎn)距基站通信，其他節(jié)點的發(fā)送距離較小，進一步減少了能耗。但同時該協(xié)

102、議也存在一個突出的缺點，PEGASIS算法對傳感器網(wǎng)絡(luò)壽命的提高建立在所有節(jié)點知道網(wǎng)絡(luò)全局信息的基礎(chǔ)上，當(dāng)節(jié)點規(guī)模龐大，保存和更新網(wǎng)絡(luò)的全局信息對于單個節(jié)點就顯得十分困難；而且由于網(wǎng)絡(luò)中的全部節(jié)點構(gòu)造成一條鏈，如果鏈上的某一節(jié)點死亡，若圖中節(jié)點6死亡則使得從鏈端到該節(jié)點的所有數(shù)據(jù)都丟失，導(dǎo)致PEGA SIS的容錯性不佳。</p><p>　　圖3-6 PEGASIS協(xié)議示意圖</p><p&g

103、t;　　3.3.7閾值敏感的高能效傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議（TEEN）</p><p>　　閉值敏感的高能效傳感器網(wǎng)絡(luò)(Threshold sensitive Energy Efficient SensorNetwork protocol, TEEN)協(xié)議，是針對LEACH算法實時性不強的問題提出的一種解決方案，但TEEN不能實現(xiàn)周期性地采集數(shù)據(jù)。</p><p>　　TEEN協(xié)議采用與LEACH相

104、同的多簇結(jié)構(gòu)和運行方式。不同的是，在簇的建立過程中，隨著簇頭節(jié)點的選定，簇頭除了通過TDMA方法實現(xiàn)對節(jié)點的調(diào)度外，還向簇內(nèi)節(jié)點廣播有關(guān)數(shù)據(jù)的硬閾值和軟閾值。</p><p>　　硬閾值，是被監(jiān)測數(shù)據(jù)所不能逾越的門限值，當(dāng)節(jié)點檢測到的數(shù)據(jù)達到硬閾值時便打開發(fā)射機向簇頭傳送數(shù)據(jù)，同時將檢測值存入節(jié)點內(nèi)部變量SV中。</p><p>　　軟閾值，則規(guī)定被測數(shù)據(jù)的變動范圍，當(dāng)節(jié)點檢測到的數(shù)據(jù)的變

105、化值大于硬閾值，而且同時檢測到的數(shù)據(jù)與其內(nèi)部變量SV的值的差異大于等于軟閾值的時候，才打開發(fā)射機向簇頭傳送數(shù)據(jù)。</p><p>　　TEEN協(xié)議通過設(shè)置硬閾值和軟閾值這兩個參數(shù)能夠大大減少不必要的數(shù)據(jù)傳輸?shù)拇螖?shù)。這個算法的優(yōu)點是適用于實時性要求較高的應(yīng)用系統(tǒng)，可以對突發(fā)事件做出快速的反應(yīng)。它的缺點在于不適用與需要持續(xù)采集數(shù)據(jù)的應(yīng)用環(huán)境。</p><p>　　3.4無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的

106、特征分析</p><p>　　通過對前一節(jié)的各種路由協(xié)議的介紹，我們可以看出，LEACH, PEGASIS和TEEN這三種協(xié)議是屬于同一個系列的具有相似特征的協(xié)議，這三種協(xié)議都是基于相同的思想開發(fā)出來的。但在相比較于TEEN和PEGASIS協(xié)議，LEACH算法簇頭選舉的方法較簡單，也更易于實現(xiàn)，不需要網(wǎng)絡(luò)中的每個節(jié)點都知道網(wǎng)絡(luò)全局信息，同時容錯性較好，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳送的延時也對網(wǎng)絡(luò)規(guī)模相對不敏感，因此更能被推廣應(yīng)用。

107、</p><p>　　基于對上面各種無線傳感網(wǎng)絡(luò)路由的優(yōu)缺點的分析，可以歸納出一個好的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議應(yīng)具備如下特征：具有動態(tài)的選擇匯聚節(jié)點的能力；在傳感器節(jié)點上能夠進行快速的信息融合和分離；根據(jù)整個網(wǎng)絡(luò)的能量消耗進行平衡，從多條路徑中隨機選擇最佳路徑。</p><p>　　4傳感器節(jié)點硬件低功耗分析</p><p>　　傳感器節(jié)點由傳感器模塊、處理器模塊、無

108、線通信模塊和能量供應(yīng)模塊四部分構(gòu)成。各個部分的功耗差異較大，因此應(yīng)靈活采用低功耗設(shè)計策略[35]。</p><p>　　4.1傳感器模塊功耗</p><p>　　傳感器的功耗占系統(tǒng)功耗的比例很小。優(yōu)先選擇耗電少的傳感器，應(yīng)盡量避免選用如電磁式、電容式等功耗大的傳感器。</p><p>　　改進傳感器電源的供電電路設(shè)計，可以明顯得降低傳感器模塊的能耗。對于小電流工作的

109、傳感器，可由處理器i/o口直接驅(qū)動，當(dāng)不用該傳感器時，將i/o口設(shè)置為輸入方式。這樣，外部傳感器沒有能量輸入也就不會產(chǎn)生能量消耗。</p><p>　　4.2信息處理模塊的低功耗</p><p>　　從處理器的角度看，采用ARM處理器為代表的高端處理器能量消耗比采用微控制器大很多，但其處理能力（精度）更強。故在選擇處理器時應(yīng)在滿足系統(tǒng)處理能力（精度）的前提下，再考慮功耗問題。</p&