無線傳感器網(wǎng)絡(luò)練習(xí)題

一、填空無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)通常包含匯聚節(jié)點(diǎn)、傳感器節(jié)點(diǎn)、管理節(jié)點(diǎn)。傳感器節(jié)點(diǎn)一般由通信模塊、傳感器模塊、存儲(chǔ)模塊和電源模塊組成。無線傳感器節(jié)點(diǎn)的基本功能是：采集數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)處理、控制和通信。傳感器節(jié)點(diǎn)通信模塊的工作模式有發(fā)送、接收和空閑。無線通信物理層的主要技術(shù)包括介質(zhì)的選擇、頻段的選擇、調(diào)制技術(shù)和擴(kuò)頻技術(shù)。擴(kuò)頻技術(shù)按照工作方式的不同，可以分為四種：直接序列擴(kuò)頻、跳頻、跳時(shí)和寬帶線性調(diào)頻擴(kuò)頻。目前無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采用的主要傳輸介質(zhì)包括無線電波、光纖、紅外線等。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以選擇的頻段有：868MHz、915MHz、2.4GHz和5GHz。傳感器網(wǎng)絡(luò)的電源節(jié)能方法：休眠機(jī)制、數(shù)據(jù)融合。根據(jù)對(duì)傳感器數(shù)據(jù)的操作級(jí)別，可將數(shù)據(jù)融合技術(shù)分為一下三類：決策級(jí)融合、特征級(jí)融合、數(shù)據(jù)級(jí)融合。根據(jù)融合前后數(shù)據(jù)的信息含量分類（無損失融合和有損失融合）根據(jù)數(shù)據(jù)融合與應(yīng)用層數(shù)據(jù)語義的關(guān)系分類（依賴于應(yīng)用的數(shù)據(jù)融合、獨(dú)立于應(yīng)用的數(shù)據(jù)融合、結(jié)合以上兩種技術(shù)的數(shù)據(jù)融合）定向擴(kuò)散路由機(jī)制可以分為三個(gè)階段：興趣擴(kuò)散、梯度建立、路徑加強(qiáng)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)主要包括：時(shí)間同步機(jī)制、數(shù)據(jù)融合、路由選擇、定位技術(shù)、安全機(jī)制等。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信安全需求主要包括結(jié)點(diǎn)的安全保證、被動(dòng)抵御的入侵能力、主動(dòng)反擊入侵的能力。802.11標(biāo)準(zhǔn)用于無線局域網(wǎng)，802.15.4標(biāo)準(zhǔn)用于低速無線個(gè)域網(wǎng)。802.11規(guī)定三種幀間間隔：SIFS、PIFS、DIFS。802.15.4標(biāo)準(zhǔn)為低速個(gè)域網(wǎng)制定了物理層和MAC子層協(xié)議。ZigBee主要界定了網(wǎng)絡(luò)、安全和應(yīng)用框架層，通常它的網(wǎng)絡(luò)層支持三種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)、樹形網(wǎng)絡(luò)、星型網(wǎng)絡(luò)。傳感器網(wǎng)絡(luò)中常用的測(cè)距方法有：接收信號(hào)強(qiáng)度指示、到達(dá)時(shí)間差、到達(dá)角。ZigBee網(wǎng)絡(luò)分4層分別為：物理層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層、數(shù)據(jù)鏈路層。與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議相比，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議具有以下特點(diǎn)：能量?jī)?yōu)先、基于局部拓?fù)?、以?shù)據(jù)為中心、應(yīng)用相關(guān)。數(shù)據(jù)融合的內(nèi)容主要包括：目標(biāo)探測(cè)、數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)、跟蹤與識(shí)別、情況評(píng)估與預(yù)測(cè)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)信息安全需求主要包括數(shù)據(jù)的機(jī)密性、數(shù)據(jù)鑒別、數(shù)據(jù)的完整性、數(shù)據(jù)的實(shí)效性。傳感器結(jié)點(diǎn)的限制條件是電源能量有限、通信能力有限、計(jì)算和存儲(chǔ)能力有限。否有同信道載波，若不存在，意味著信道空閑，將直進(jìn)入數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài)；若存在載波，則在隨機(jī)退避一段時(shí)間后重新檢測(cè)信道。簡(jiǎn)述路由協(xié)議的作用和功能？答：（1）尋找源結(jié)點(diǎn)和目的結(jié)點(diǎn)間的優(yōu)化路徑。

（2）將數(shù)據(jù)分析沿著優(yōu)化路徑正確轉(zhuǎn)發(fā)什么是數(shù)據(jù)融合技術(shù)？它在傳感器網(wǎng)絡(luò)中的主要作用是什么？答：數(shù)據(jù)融合是一種多源信息處理技術(shù)，它通過對(duì)來自同一目標(biāo)的多源數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化合成，獲得比單一信息源更精確、完整的估計(jì)或判決。作用在于：節(jié)省整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的能量，增強(qiáng)所收集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，提高數(shù)據(jù)收集效率。通常有哪些原因?qū)е聜鞲衅骶W(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生無效能耗？無線通信能耗與距離的關(guān)系是什么？答：空閑偵聽、數(shù)據(jù)沖突、串?dāng)_、控制開銷在無線網(wǎng)絡(luò)通信中，能量消耗E與通信距離d存在關(guān)系：E=kdm,隨著通信距離的增加，能耗會(huì)急劇增加。簡(jiǎn)述節(jié)能策略休眠機(jī)制的實(shí)現(xiàn)思想。答：休眠機(jī)制的主要思想：當(dāng)節(jié)點(diǎn)周圍沒有感興趣的事件發(fā)生時(shí)，計(jì)算與通信單元處于空閑狀態(tài)，把這些組件關(guān)掉或調(diào)到更低能耗的狀態(tài)，即休眠狀態(tài)。為什么無線傳感器網(wǎng)絡(luò)需要時(shí)間同步？簡(jiǎn)述TPSN時(shí)間同步工作原理。答：不同節(jié)點(diǎn)的晶體振蕩器頻率存在偏差，以及濕度和電磁波的干擾等都會(huì)造成網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間的運(yùn)行時(shí)間偏差。TPSN協(xié)議采用層次型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，首先將所有節(jié)點(diǎn)按照層次結(jié)構(gòu)進(jìn)行分級(jí)，然后每個(gè)節(jié)點(diǎn)與上一級(jí)的一個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行時(shí)間同步，最終所有節(jié)點(diǎn)都與根節(jié)點(diǎn)時(shí)間同步。什么是調(diào)制技術(shù)？為什么WSN物理層要進(jìn)行調(diào)制機(jī)制設(shè)計(jì)？答：a)

調(diào)制技術(shù)是把基帶信號(hào)變換成傳輸信號(hào)的技術(shù)。調(diào)制技術(shù)的最終目的就是使得調(diào)制以后的信號(hào)對(duì)干擾有較強(qiáng)的抵抗作用，同時(shí)對(duì)相鄰的信道信號(hào)干擾較小，解調(diào)方便且易于集成。簡(jiǎn)述ZigBee技術(shù)的特點(diǎn)，并說明為什么在家居智能化網(wǎng)絡(luò)中通常選擇ZigBee技術(shù)。答：數(shù)據(jù)傳輸速率低，有效范圍小，工作頻段靈活、省電、可靠、成本低、時(shí)延短、安全、網(wǎng)絡(luò)容量大。因?yàn)闊o線網(wǎng)絡(luò)可以提供更大的靈活性、流動(dòng)性，省去花在綜合布線上的費(fèi)用和精力，而且更因?yàn)樗霞彝ゾW(wǎng)絡(luò)的通訊特點(diǎn)。定位技術(shù)基本術(shù)語解釋：錨點(diǎn)：通過其他方式預(yù)先獲得位置坐標(biāo)的結(jié)點(diǎn)。測(cè)距：兩個(gè)相互通信的結(jié)點(diǎn)通過測(cè)量方式來估計(jì)彼此之間的距離或角度。鄰居結(jié)點(diǎn)：傳感器結(jié)點(diǎn)通信半徑范圍內(nèi)的所有其他結(jié)點(diǎn)。連接度：結(jié)點(diǎn)連接度是結(jié)點(diǎn)可探測(cè)發(fā)現(xiàn)的鄰居結(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)；網(wǎng)絡(luò)連接度是所有結(jié)點(diǎn)的鄰結(jié)點(diǎn)數(shù)目的平均值。跳數(shù)：兩個(gè)結(jié)點(diǎn)之間間隔的跳段總數(shù)?；A(chǔ)設(shè)施：協(xié)助傳感器的結(jié)點(diǎn)定位的已知自身位置的固定設(shè)備。到達(dá)時(shí)間：信號(hào)從一個(gè)結(jié)點(diǎn)傳播到另一個(gè)結(jié)點(diǎn)所需的時(shí)間。 達(dá)到時(shí)間差：兩種不同傳播速度的信號(hào)從一個(gè)結(jié)點(diǎn)傳播到另一個(gè)結(jié)點(diǎn)所需要的時(shí)間之差，或一個(gè)信號(hào)到達(dá)兩個(gè)結(jié)點(diǎn)之間的時(shí)間差。接收信號(hào)強(qiáng)度指示：結(jié)點(diǎn)接收到無線信號(hào)的強(qiáng)度大小。到達(dá)角度：結(jié)點(diǎn)接收到的信號(hào)相對(duì)于自身軸線的角度。視距關(guān)系：兩個(gè)結(jié)點(diǎn)之間沒有障礙物，能夠直接通信。非視距關(guān)系：兩個(gè)結(jié)點(diǎn)之間存在障礙物，影響了它們直接的無線通信。三、編程通過掃描方式實(shí)現(xiàn)按鍵觸發(fā)LED亮滅。利用按鍵SW5和按鍵SW6控制LED1和LED2。當(dāng)按下SW5時(shí)，LED1狀態(tài)改變；當(dāng)按下SW6時(shí)，LED2狀態(tài)改變。如下圖，按鍵SW5由P0.4控制，按鍵SW6由P0.5控制；LED1和LED2分別由P1.0和P1.1控制。要求編寫按鍵初始化程序和LED初始化程序。按鍵的初始化：將P0.4和P0.5設(shè)為普通I/O口，并且設(shè)置為輸入狀態(tài)。LED初始化：將P1.0和P1.1設(shè)置為輸出且將LED1和LED2關(guān)閉。如上圖，通過外部中斷改變LED1亮滅。利用按鍵SW5和SW6觸發(fā)P0.4和P0.5下降沿發(fā)生中斷控制LED1的亮滅。即當(dāng)按下SW5或者SW6時(shí)，LED1燈的狀態(tài)發(fā)生改變。要求編寫中斷初始化函數(shù)。擴(kuò)展知識(shí)：CC2530包括3個(gè)8位輸入/輸出（I/O）端口，分別是P0、P1和P2。其中P0和P