無線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)課論文.

1、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)課論文學號：姓名：學院：目錄一. 無線傳感器網(wǎng)時間同步技術(shù)綜述 .1<一 >引言 .1<二 >同步技術(shù)研究現(xiàn)狀 .1<三 >時間同步算法 .23.1泛洪時間同步協(xié)議 .23.2 RBS 協(xié)議 .23.3LTS 協(xié)議 .3<四 >小結(jié) .3二. 基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng) .3<一 >網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)簡介 .3<二 >網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) .32.1總體結(jié)構(gòu) .32.2傳感器節(jié)點結(jié)構(gòu) . .42.3匯聚節(jié)點結(jié)構(gòu) .5<三 >應(yīng)用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的意義 .6三學習心得 .7四.參考文獻 .8一.無線傳感器網(wǎng)時間

2、同步技術(shù)綜述<一 >引言無線傳感器網(wǎng)絡(luò) ( Wireless Sensors Network，WSN) 是一種在一定區(qū)域內(nèi)投放大量的傳感器節(jié)點， 通過無線通信形成的一個單跳或多跳的自組織式的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，它通常采集和處理監(jiān)測區(qū)域中被感知目標的信息， 并通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給主機端以提高人類對物理環(huán)境的遠端監(jiān)視和控制能力。 無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在交通、 國防、醫(yī)學、農(nóng)業(yè)等方面有著重要的運用。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由大量的節(jié)點構(gòu)成，通常包括傳感器節(jié)點、匯聚節(jié)點和任務(wù)管理節(jié)點。大量體積小、精度高的傳感器節(jié)點隨機部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)，通過自組織的方式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)。傳感器節(jié)點將監(jiān)測到的數(shù)據(jù)傳輸給其它傳感器節(jié)點，經(jīng)過多跳后路

3、由到匯聚節(jié)點，最后通過互聯(lián)網(wǎng)或衛(wèi)星到達任務(wù)管理節(jié)點。用戶則通過任務(wù)管理節(jié)點發(fā)布監(jiān)測任務(wù)以及收集監(jiān)測數(shù)據(jù)，對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進行管理。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是許多領(lǐng)域里的關(guān)鍵技術(shù)之一，而時間同步則是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵技術(shù)之一。 簡而言之，在檢測與監(jiān)視某對象的過程中， 目標定位和追蹤、協(xié)同數(shù)據(jù)處理、 能量管理等都對物理時間的精確度都有著敏感的需求。 因此，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用通常需要一個適應(yīng)性比較好的時間同步服務(wù)， 以保證數(shù)據(jù)的一致性和協(xié)調(diào)性。 此外，數(shù)據(jù)融合、 通信信道復用等也都需要時間同步的保障。所以，如何根據(jù)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點對物理時間進行同步是一個重要的問題。目前，學術(shù)界和業(yè)界對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

4、的時間同步技術(shù)進行了一定的研究，本章節(jié)描述了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時間同步技術(shù)的研究現(xiàn)狀， 對 3 種不同時間同步機制的經(jīng)典算法進行分析和比較。<二 >同步技術(shù)研究現(xiàn)狀時間同步技術(shù)相對于計算機網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)技術(shù)而言尚為年輕，自從 2002 年學術(shù)會議 Hot Nets 上首次提出了時間同步這一研究課題后， 到目前為止，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的時間同步技術(shù)也取得了一定進展， 同時也開發(fā)出了多種極其有價值時間同步的算法。目前，對于單跳網(wǎng)絡(luò)的同步研究已趨于成熟， 但由于同步誤差的累積， 導致單跳網(wǎng)絡(luò)的同步技術(shù)難以擴展到多跳網(wǎng)絡(luò)， 使得多跳網(wǎng)絡(luò)的同步技術(shù)研究較為薄弱。若再考慮節(jié)點的移動性，則會極大增加同步技術(shù)

5、的研究難度。因此，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的時間同步技術(shù)還有很大的研究空間。<三 >時間同步算法3.1 泛洪時間同步協(xié)議泛洪時間同步協(xié)議 ( Flooding Time Synchronization ， FTSP) 的目標是實現(xiàn)整個網(wǎng)絡(luò)的時間同步并且誤差控制在s 級，可以靈活的適應(yīng)大量的傳感器節(jié)對網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)的變化或節(jié)點的失效有容錯性。該算法通過采用MAC 層標記時間戳和線性回歸偏差補償彌補了相關(guān)的錯誤源。FTSP 通過發(fā)送節(jié)點廣播同步信息，在廣播范圍內(nèi)的接收節(jié)點根據(jù)同步信息中的全局時間， 計算自身與發(fā)送節(jié)點間的時鐘偏差， 實現(xiàn)在廣播范圍內(nèi)的接收節(jié)點與發(fā)送節(jié)點的時間同步。如下圖1 所示。根

6、節(jié)點第一層節(jié)點第二層節(jié)點圖 1 FTSP 時間同步FTSP 可以應(yīng)用在已有的多跳時間同步協(xié)議上，以增加它們的精確度。它和先前的時間戳算法不同， 因為它除了傳播時間外， 排除大部分同步錯誤源， 并利用單一的廣播信息確定發(fā)送和接受者間的同步點。 FTSP 在動態(tài) leader-election 算法中結(jié)合時鐘偏差補償算法顯示出突出的性能。3.2 RBS 協(xié)議RBS ( Reference Broadcast Synchronization)是無線傳感器時間同步技術(shù)領(lǐng)域的開創(chuàng)性成果。該算法通過指定的“時標”節(jié)點周期廣播時間信息分組，位于廣播域內(nèi)的節(jié)點用各自的時鐘記錄接收到該分組的時間， 隨即接收節(jié)點

7、再兩兩互換消息以確定節(jié)點之間的時鐘偏移量，最終達到各節(jié)點的時鐘同步。在 RBS 中，節(jié)點周期性地無線廣播 beacon消息給它的鄰居節(jié)點，鄰居節(jié)點利用廣播 beacon到達地時間作為參照以比較時鐘。鄰居節(jié)點間互相交換本地時間戳計算偏差，并以此同步各個時鐘。該協(xié)議的一個優(yōu)點就是縮短了關(guān)鍵路徑。 對于傳統(tǒng)的時鐘同步協(xié)議關(guān)鍵路徑是指從發(fā)送端讀取時鐘到接收端讀取時鐘所經(jīng)過的時間， 其中包含了信息包在進入信道之前在網(wǎng)絡(luò)適配器 (內(nèi)的停留時間，如圖 2 所示。而 RBS 的關(guān)鍵路徑指從信息包進入信道到最后一個接收端讀取時鐘所經(jīng)過的時間， 消除了發(fā)送和訪問時間，從而提高了精度，這也是 RBS 的優(yōu)點所在，從

8、圖 2 可以看出 RBS 協(xié)議和傳統(tǒng)的基于發(fā)送接收方式的時鐘同步協(xié)議在影響非決定性誤差上有明顯的差異。（ a） 傳統(tǒng)的時間同步協(xié)議（ b） RBS 協(xié)議圖 2 關(guān)鍵路徑對比RBS 算法的缺點是需要用于廣播交換以得到成對節(jié)點同步的開銷。隨之網(wǎng)絡(luò)密度的增加， 這種開銷也隨之增加。 已有人提出一種對 RBS 改進的同步算法，可以在多跳網(wǎng)絡(luò)間實現(xiàn)同步。 為了達到處于不同區(qū)域的節(jié)點實現(xiàn)同步， 需要建立一條用于交換時間戳的時間同步的網(wǎng)關(guān)多跳鏈。3.3LTS 協(xié)議LTS 協(xié)議 ( Lightweight Time Synchronization) 同步算法實用于低成本、低復雜度、對時間同步精度要求并不是很高

9、的傳感器節(jié)點時間同步。 通過減少時間同步的頻率和參與同步的節(jié)點數(shù)目， 在滿足同步精度要求的同時降低節(jié)點的通信和計算開銷，減少網(wǎng)絡(luò)能量的消耗。LTS 協(xié)議主要分為集中式和分布式兩類LTS 多跳時間同步算法。集中式LTS 多跳同步算法是單跳同步的簡單線性擴展，其基本思想是構(gòu)造低深度的生成樹，然后以樹根為參考點，依次向葉節(jié)點進行逐級同步，最終達到全網(wǎng)同步。在分布式LTS 多跳同步算法中，任何節(jié)點j 在需要同步時都可以發(fā)起同步請求，從參考節(jié)點到節(jié)點j 路徑上的所有節(jié)點采用節(jié)點對的同步方式，逐跳實現(xiàn)與參考節(jié)點的時間同步。 當所有節(jié)點需要同時進行時間同步時，集中式多跳同步算法更加高效 ; 當部分節(jié)點需要頻

10、繁進行同步時，分布式機制需要相對較少的成對同步。<四 >小結(jié)通過上述分析與介紹，可以看到現(xiàn)有的時間同步協(xié)議算法都有著自身的缺陷，更多的是因為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點本身能量有限， 這就要求時間同步算法的能量開銷小， 但同時又要保證同步的精度。 從現(xiàn)有的趨勢看， 一個方法是要降低單次同步的算法復雜度， 另一個則要盡量減少同步的次數(shù)。 隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，算法研究的不斷拓展， 未來一定會出現(xiàn)更為完善的時間同步協(xié)議， 給無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展普及帶來更為深遠的影響。二.基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)<一 >網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)簡介由于有線監(jiān)測系統(tǒng)其自身的局限性以及各類環(huán)境的復雜性， 各類待采集

11、的環(huán)境參數(shù)都無法有效的獲得監(jiān)測。 而基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)就是在采集目標地點散布無線傳感器節(jié)點 ,這些結(jié)點通過自組織方式構(gòu)成無線網(wǎng)絡(luò)。主要采集 ,大氣、水質(zhì)、土壤、噪聲、輻射、固體廢物、農(nóng)藥等環(huán)境參數(shù)。通常以離線的形式進行分析處理后傳輸?shù)礁?jié)點再傳輸給監(jiān)測人員。<二 >網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)2.1 總體結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計方式通常可采用樹型結(jié)構(gòu)路由將數(shù)據(jù)送往收集點,這種應(yīng)用情況通常需要低數(shù)據(jù)率和長的時間周期 ,在部署之后網(wǎng)絡(luò)的物理結(jié)構(gòu)基本保持恒定。如下圖 3 所示。InternetIEEE802.3上位機上位機節(jié)點 1節(jié)點 2匯聚節(jié)點圖 3 環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖由圖 3 可知

12、,在左邊的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中監(jiān)測節(jié)點將檢測數(shù)據(jù)通過無線收發(fā)模塊或者直接或者通過其他節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)的方式發(fā)送給匯聚節(jié)點,匯聚節(jié)點不僅集成了無線模塊 ,還集成了網(wǎng)卡協(xié)議芯片 ,這使主節(jié)點具有因特網(wǎng)功能 ,可以將接收到的數(shù)據(jù)發(fā)送到 Internet,從而安裝了相應(yīng)接收軟件的上位機就可以接收到這部分數(shù)據(jù)。2.2 傳感器節(jié)點結(jié)構(gòu)傳感器節(jié)點由傳感器模塊、CC2430 模塊和能量供應(yīng)模塊三部分組成，CC2430 模塊內(nèi)部集成了處理器模塊和無線通信模塊，節(jié)點體系結(jié)構(gòu)框圖如圖 4 所示。傳感器模塊負責監(jiān)測區(qū)域內(nèi)信息的采集和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換； 處理器模塊負責控制整個傳感器節(jié)點的操作，存儲和處理本身采集的數(shù)據(jù)以及其他節(jié)點發(fā)來的數(shù)據(jù)

13、；無線通信模塊負責與其他傳感器節(jié)點進行無線通信， 交換控制信息和收發(fā)采集數(shù)據(jù)；能量供應(yīng)模塊為傳感器節(jié)點提供運行所需的能量，采用電池供電。圖 4 節(jié)點結(jié)構(gòu)2.3 匯聚節(jié)點結(jié)構(gòu)匯聚節(jié)點的功能就是負責對節(jié)點采集的數(shù)據(jù)進行分析、匯總和預處理， 因此匯聚節(jié)點應(yīng)該是一個功能強大的嵌入式系統(tǒng)，有足夠的能量供給、 大容量的內(nèi)存和較強的計算能力。匯聚節(jié)點主要由處理器、 存儲器模塊、 通信模塊和電源模塊組成。 根據(jù)匯聚節(jié)點的需求分析可以得出匯聚節(jié)點的結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖5 所示。圖 5 匯聚節(jié)點結(jié)構(gòu)處理器是系統(tǒng)的核心， 主要用來處理從傳感器采集到的數(shù)據(jù)以及完成一些控制功能，在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中， 數(shù)據(jù)收發(fā)要比數(shù)據(jù)處理消耗大

14、得多的能量， 一般先將數(shù)據(jù)進行處理， 然后再傳送， 因此對處理器計算能力的要求很高。 從匯聚節(jié)點功能分析結(jié)果考慮，處理器應(yīng)該具有較高的工作頻率；大量的 I/O 接口滿足擴充性要求；片內(nèi)集成眾多外設(shè)控制器， 實現(xiàn)外設(shè)連接而不增加其他外部控制器；要具有很好的電源管理功能，達到最小的功耗控制。匯聚節(jié)點還要配備大容量的 FLASH 存儲器來安裝應(yīng)用程序和保存數(shù)據(jù)，以及 SDRAM 存儲器來運行程序。匯聚節(jié)點同時疊加與傳感器節(jié)點相同的射頻收發(fā)模塊，用于接收傳感器節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)。 為了方便調(diào)試和與外界通信， 匯聚節(jié)點還配置了通信模塊。<三 >應(yīng)用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的意義無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)作為改變

15、21 世紀人類生活的新技術(shù)之一， 已經(jīng)成為國內(nèi)外研究的熱點。其低功耗、低成本、高可靠性、自組織等不同于其他無線網(wǎng)絡(luò)的征，具有傳統(tǒng)系統(tǒng)無可比擬的優(yōu)勢， 使得無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有廣闊的應(yīng)用前景，人已經(jīng)越來越多地將傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用到各種監(jiān)測、跟蹤系統(tǒng)中。無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)近幾年來得到了突飛猛進的發(fā)展， 能夠長期自動獲取客觀物理信息，具有十分廣闊的應(yīng)用前景。 人們己經(jīng)越來越多地將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用到環(huán)境監(jiān)測中，總的來說，無線傳感器在環(huán)境監(jiān)測中具有以下幾點優(yōu)勢：1） 傳感器節(jié)點的體積很小且整個網(wǎng)絡(luò)只需要部署一次， 這一點在對外來生物活動敏感的環(huán)境中極其有意義。2） 傳感器節(jié)點數(shù)量很大， 分布密度高， 每個節(jié)點

16、可以監(jiān)測到局部環(huán)境的詳細信息并匯總到基站。因此無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有數(shù)據(jù)采集量大， 正確度高的特點。這對精度要求高的環(huán)境監(jiān)測很有意義。3） 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點本身具有一定的計算能力和存儲能力，可以根據(jù)環(huán)境的變化進行較為復雜的監(jiān)測。4） 傳感器節(jié)點還具有無線通信的能力，可以在節(jié)點間進行協(xié)同監(jiān)測。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)適用于多種環(huán)境監(jiān)測的應(yīng)用，例如在河流沿線分區(qū)域部署傳感器節(jié)點，隨時監(jiān)測各種污染指標， 及時掌握水資源被污染的情況；代替?zhèn)鹘y(tǒng)的在線儀，部署在企業(yè)的生產(chǎn)廢水、生活污水排放口，掌握企業(yè)廢水處理情況，同時也對企業(yè)的排污行為起到監(jiān)督的作用。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實時采集任何需要監(jiān)控、連接、互動的物體或過程， 采

17、集其聲、光、熱、電、力學、化學、生物、位置等各種需要的信息，與互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合形成的一個巨大網(wǎng)絡(luò)。其目的是實現(xiàn)物與物、物與人，所有的物品與網(wǎng)絡(luò)的連接，方便識別、管理和控制。這對未來各個行業(yè)都將產(chǎn)生重要且長遠的影響。三學習心得通過孟老師的 無線傳感器網(wǎng)絡(luò) 課程的學習， 我理解了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的很多知識，知道了它與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的重大區(qū)別；理解了傳感器路由協(xié)議、 MAC 協(xié)議的原理以及它的與功能； 知道了拓撲控制的結(jié)構(gòu)體系與功能； 還對定位技術(shù)與時間同步技術(shù)進行了一個探究。在課外，我閱讀了 IEEE 的標準以及壓縮感知的相關(guān)知識?？梢赃@么說， 這門課程給我打開了一扇廣闊的大門， 擴大了我的視野與知識面。在學習

18、過程中， 個人覺得孟老師講課很生動形象， 課堂上提供了大量的實例來佐證一些理論， 讓我對傳感器網(wǎng)絡(luò)有了一個直觀的感受。 但是我在對于相關(guān)原理的仔細探討方面還有所遺憾， 就需要在課外補足， 這可能與課時限制以及課程定位有關(guān)。總的來說，孟老師的這門課讓我受益不菲， 我對于傳感器方向的思維方式、視野均得到了較好的提升， 這個過程非常值得。 謝謝孟老師與其他幫助過我的同學。四. 參考文獻1林曉鵬 .無線傳感器網(wǎng)絡(luò)及關(guān)鍵技術(shù)綜述J. 智能計算機與應(yīng)用.2015,5( 1) : 81 83.2 趙遵軍 .無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在農(nóng)田中的應(yīng)用J. 電腦知識與技術(shù) .2012(12):71.2720-2722.3 焦

19、尚彬 ,宋丹 ,張青等 .基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng) J. 電子測量與儀器學報 .2013, 27(5):436-442.4 REFERENCES Wheeler Andrew.Commercial applications of wireless sensor Network susing ZigbeeJ.IEEE Communications Magazine.2010: 70-77.5 Yizhong Ma,Hui Cao,Jun Ma.The intrusion detection method based on game theory in wireless sensor ne

20、twork. J.IEEE International Conference on Ubi-media Computing .2011: 326331.6 Khan Jamil Y,Hall Daniel F,Turner Peter D. Development of a wireless sensor network system for power constrained applications. J.IEEE Asia Pacific Conference on Circuits and Systems.2013: 147150.7 Hock Guan Goh, Kae Hsiang

21、 Kwong, Michie C. Performance evaluation of priority packet for wireless sensor network. J.International Conference on Sensor Technologies and Applications, 2015: 494499.8 Fan Zhihai, Fu Xiaoqian, Liang Hua.Design and implement for high efficiency route protocol of wireless sensor network. J.Microco

22、mputer Information. 2014: 147149.9 Sumathi R, Srinivasa M G , Srinivasan R. An approach to load balancing and network longevity using dynamic adaptive routing in wireless sensor networks. J.IEEE International Conference on Pervasive Computing and Communications. 2008: 366371.10 YU Cui-bo, LI Nan. A study of mobile