無線傳感器網絡論文正文(已修改)

　

【正文】 第一章 無線傳感器網絡 研究背景與意義在當代大多數信息技術領域中，作為基礎的傳感器技術取得了飛快的發(fā)展，在獲取信息方面是一種很重要的方式。它作為基礎知識出現(xiàn)在物聯(lián)網等一些新興概念中，隨著現(xiàn)代傳感器技術的發(fā)展，人們獲取信息數據的技術的方式由過去單一化逐漸的朝微型化和網絡的轉變，帶來了無線傳感器網絡的迅猛發(fā)展。 近年來，隨著技術水平的大規(guī)模提高，無線傳感器網絡的應用條件越來越成熟，應用范圍也越來越廣。例如在環(huán)境監(jiān)測中，可以用于監(jiān)測大氣成分、溫度、濕度、亮度、壓力、噪聲等。 在醫(yī)療方面，在病人身上安置傳感器，可以隨時遠程監(jiān)控病人病情。 在工業(yè)控制中，許多大型設備需要監(jiān)控關鍵部件的技術參數。在科學研究領域，傳感器網絡提供了一種新型的研究手段，可以應用在地震、火山活動過程、生態(tài)系統(tǒng)微觀行為的觀察等研究中。在軍事領域，傳感器網絡可應用在戰(zhàn)場監(jiān)測及武器裝備試驗中，也可以用于對軍用物資的管理。 傳感器網絡與農業(yè)結合，對農作物和環(huán)境進行監(jiān)測，根據實際情況調整水分、肥料和殺蟲劑的使用量，可以達到低耗費、低污染、高產出的目的。在交通控制領域，車輛若裝有傳感器，可以監(jiān)測車輛位置、速度、道路狀況和車輛密度等信息，有助于司機了解路況。此外，無線傳感器網絡在智能家居、智能辦公環(huán)境等方而也大有用武之地。因此，無線傳感器網絡的研究與開發(fā)成為近年來信息領域的研究熱點[1]。 無線傳感器網絡 無線傳感器網絡的基本概念1．WSN 概述無線傳感器網絡是由分布在一定范圍內的大量傳感器節(jié)點組成，各節(jié)點之間多以無線多跳無中心方式連接，并且能夠協(xié)作地感知、采集和處理網絡覆蓋區(qū)域內目標對象的信息，并將相應信息返回給觀察者。從上述定義可以看到，傳感器、感知對象和觀察者是傳感器網絡的 3 個基本要素；無線網絡是傳感器之間、傳感器與觀察者之間的通信方式，用于在傳感器與觀察者之間建立通信路徑；協(xié)作地感知、采集、處理、發(fā)布感知信息是傳感器網絡的基本功能。一組功能有限的傳感器協(xié)作地完成大的感知任務是傳感器網絡的重要特點。傳感器網絡中的部分或全部節(jié)點可以移動。傳感器網絡的拓撲結構也會隨著節(jié)點的移動而不斷地動態(tài)變化。節(jié)點間以 AdHoc 方式進行通信，每個節(jié)點都可以充當路由器的角色，并且每個節(jié)點都具備動態(tài)搜索、定位和恢復連接的能力。傳感器由電源、感知部件、嵌入式處理器、存儲器、無線通信部件和軟件這幾部分構成，電源為傳感器提供正常工作所必需的能源。感知部件用于感知、獲取外界的信息，并將其轉換為數字信號。處理部件負責協(xié)調節(jié)點各部分的工作，如對感知部件獲取的信息進行必要的處理、保存，控制感知部件和電源的工作模式等。無線通信部件負責與其他傳感器或觀察者的通信。軟件則為傳感器提供必要的軟件支持，如嵌入式操作系統(tǒng)、嵌入式數據庫管理系統(tǒng)等。觀察者是傳感器網絡的用戶，是感知信息的接收者和應用者。觀察者可以是人，也可以是計算機或其他設備。例如，軍隊指揮官可以是傳感器網絡的觀察者；一個由飛機攜帶的移動計算機也可以是傳感器網絡的觀察者。一個傳感器網絡可以有多個觀察者。一個觀察者也可以是多個傳感器網絡的用戶。觀察者可以主動地查詢或收集傳感器網絡的感知信息，也可以被動地接收傳感器網絡發(fā)布的信息。觀察者將對感知信息進行觀察、分析、挖掘、制定決策，或對感知對象采取相應的行動。感知對象是觀察者感興趣的監(jiān)測目標，也是傳感器網絡的感知對象，如坦克、軍隊、動物、有害氣體等[2]。感知對象一般通過表示物理現(xiàn)象、化學現(xiàn)象或其他現(xiàn)象的數字量來表征，如溫度、濕度等。一個傳感器網絡可以感知網絡分布區(qū)域內的多個對象。一個對象也可以被多個傳感器網絡所感知。2．WSN 特點 從路由的方面來看，無線傳感器網絡既不同于傳統(tǒng)因特網和蜂窩移動網，也不同于移動自組網(MANET，Mobile Adhoc Network)。無線傳感器網絡主要特點如下：1) 微型傳感器價格低廉。 適合大規(guī)模應用，微型傳感器集成了多種功能 ，如無線通信、數據采集、數據處理等，并且微型傳感器體積小，適合隱蔽安裝，也被稱為智能塵埃。2) 節(jié)點資源有限。節(jié)點微型化導致了節(jié)點硬件資源有限。節(jié)點通常由電池供電，一般情況下 5 號電池供電，半年左右就需要更換，所以節(jié)點的能源是受限的，一旦電池能量耗盡，節(jié)點便無法繼續(xù)提供服務。3) 節(jié)點數目眾多。為了能夠捕獲精確信息，需要在目標區(qū)域放置大量節(jié)點 ，以防出現(xiàn)盲區(qū)，數目眾多的節(jié)點可以給網絡提供冗余，保證了網絡的健壯性，不會因為某個節(jié)點出現(xiàn)差錯，導致工作異常。4) 動態(tài)拓撲。因為無線傳感器工作時，受到多種外界環(huán)境因素的制約和干擾 ，某些節(jié)點可能會隨時終止工作, 節(jié)點本身也可能是移動的，所以無線傳感器網絡的拓撲不是一成不變的, 而是處在變化中。5) 自組織網絡。在現(xiàn)實的應用中，節(jié)點安放的位置可能無法預先精確定位 ，相鄰情況也無法準確估計, 這就要求節(jié)點能夠自組網絡，自動進行配置及通信，相互協(xié)調工作，對不斷變化的網絡拓撲做出響應。6) 多跳路由。因為無線節(jié)點的功率都比較小，為了節(jié)省電力，信號覆蓋范圍往往很有限，不可能覆蓋整個網絡，信號的對外傳輸需要相鄰的節(jié)點來完成，這就要求網絡中的節(jié)點還要擔負路由的工作，要參與信號的轉發(fā)，每個節(jié)點都要擔負中繼的角色，信號往往經過多個網絡中節(jié)點接力傳輸后才能到達匯聚點[3]。 無線傳感器網絡體系結構無線傳感器網絡一般包括傳感器節(jié)點、sink 匯聚節(jié)點和任務管理節(jié)點，這些節(jié)點可以通過人工、機械、飛行器拋撒等方式隨機部署到監(jiān)測區(qū)域內，一般的無線傳感器網絡的結構如圖 11所示。 圖11 無線傳感器網絡的體系結構 The system architecture of WSN 無線傳感器網絡根據需要和應用環(huán)境的不同，其結構可能會做出相應的調整。在傳感器節(jié)點部署好以后，傳感器節(jié)點會以自組織的形式構成無線網絡，通過多跳中繼的方式將采集到的數據發(fā)送給 sink 匯聚節(jié)點，同時，sink 匯聚節(jié)點也可以同樣的方式將信息發(fā)送給各個傳感器節(jié)點。最終，借助于長距離通信或 internet，sink 節(jié)點將監(jiān)測區(qū)域內的感知數據發(fā)送給遠端的任務管理節(jié)點。3．網絡拓撲結構 在 WSN 中，主要可以分為二種結構。分別為平面結構和分層網絡結構。當區(qū)域內的節(jié)點數量偏小時，基本采用平面拓撲方式。相反，當網絡規(guī)模很大，節(jié)點數目眾多，此時應采用分層網絡結構[4]。(1) 平面結構存在于平面結構的網絡中的節(jié)點都是完全相同。在規(guī)定的通信范圍內，它們可以和任意節(jié)點進行通信，有的節(jié)點能量耗盡不能工作，網絡受其影響較小，可以看出平面結構的容錯性較高。為保證區(qū)域內的節(jié)點都可以正常的接收發(fā)送數據，因此每個節(jié)點都要存儲詳細的路由信息，顯然能量利用率很低。(2) 分層結構在分層結構的網絡中的節(jié)點有三種存在方式。一個完整網絡是有許多的簇組成，而每個簇都含有一個簇頭節(jié)點和普通成員節(jié)點，而傳感器節(jié)點和通信節(jié)點又構成了普通成員節(jié)點。這里的普通節(jié)點功能單一，沒有較為復雜的工作任務，減少了路由記錄的過程，擴展性很強。但其也存在不足，因為執(zhí)行分簇路由算法，因而在能量消耗上和網絡運行的穩(wěn)定程度上都存在一定困難。 無線傳感器網絡具有廣泛的應用前景，已經成為信息領域研究的一個熱點問題。由于它具有鮮明的多學科交叉特點，從關鍵技術的研究來看，研究的熱點和難點主要集中在以下幾個方面： (1) MAC 層協(xié)議。無線傳感器