无线传感网络节点定位技术仿真研究毕业设计(编辑修改稿)

无线传感网络节点定位技术仿真研究毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

作了全面地介绍。 首先从无线传感网络的概念和发展历程入手对无线传感网络做了简要介绍，接着对网络的体系结构、网络协议栈和传感器节点的结构作了较详细的论述，然后分析了无线传感网络的特点和优势。 接着对无线传感网络的关键技术和应用领域进行了较详细的说明和介绍。 2． 1 无线 传感网 络 体系结构 1． 无线 传感网 络 信息传播模型 无线 传感网 络 实际上是一 个由大量低成本、低功耗、多功能、小尺寸的传感器节点组成的 adhoc 网络。 无线 传感网 络 系统通常包括传感器节点 (sensor node,汇聚节点 (sink node)和管理节点，一种典型的 无线 传感网 络 体系结构图如图 所示，大量传感器节点被随机地部署在监测区域 (sensor field)内部或附近，通过自组织方式构成网络。 传感器节点监测到感兴趣的数据后沿着其它传感器节点逐跳地进行传输，在传输过程中监测数据可能被多个节点处理，经过多跳后路由到汇聚节点，通过互联网或卫星到达管理节点。 用户通过管理节点对传感器网络 进行配置和管理，发布监测任务以及收集监测数据。 I n t e r n e t 卫 星传 感 器 节 点节 点控 制 中 心 传 感 区 域 图 无线 传感网 络 体系结构图 2． 无线 传感网 络 节点组成 网络中的传感器节点通常是一个微型的嵌入式系统，具有相对较弱的通信能力、存储能力和处理能力，并且能量有限。 从整个网络看，传感器节点兼顾了路由器和网络节点终端双重功能，除了进行数据处理和收集本地信息外，还要对其它节点传送过来的信息进行处理，同时与其它网络节点协作共同完成一些特定任务。 汇聚节点可以是一个具有更强功能的传感器节点 ，也可以是一个不具有监测功能的仅具有无线通信功能的特殊网关，它负责传感器网络外部网络的连接。 安徽理工大学 毕业设计 7 在不同的应用场合，传感器节点的组成也有较大差异，但一般都包括以下四部分。 数据采集模块 (传感器和 A/D 转 换 器 )、无线通信模块 (无线收发设备 )、电源模块 (电池和能量转换器 )，处理器模块 (微处理器和存储器 )。 如图 所示为一种典型传感器节点体系结构图。 数据采集模块主要负责监测区域内信息的采集和数据的转换。 无线通信模块主要负责与其它传感器节点进行无线通信，交换控制信息和收发采集数据。 电源模块主要负责传感器节点运行所需的能 量，通常采用能量有限的微型电池。 处理器模块主要负责控制整个传感器节点的操作，存储和处理所采集的数据及其它节点传送过来的数据。 处 理器存 储器网 络 Ｍ Ａ Ｃ 收 发 器传 感器A / D 转 换能 量 供 应 模 块无 线 通 信 模 块处 理 器 模块传 感 器 模 块 图 一种典型传感器节点体系结构图 3． 无线 传感网 络 协议组成结构 无线传感器网络的通信协议栈包括应用层、传输层、网络层、数据链路层和物理层。 如图 所示。 应用层采用不用的软件，实现传感器网络不同的应用目的；传输层实现差错控制和流量控制等功能；网络层主要负责将传输层所提供的数据路由至汇聚节点；数据链路层主要负责节点接 入，降低节点间的传输冲突；物理层进行比特流的传输。 另外协议栈还包括能量管理平台、移动管理平台和任务管理平台。 能量管理平台管理传感器节点如何使用能量，在各个协议层都需要考虑节省能量：移动管理平台检测并注册传感器节点的移动，维护到汇聚节点的路由，使得传感器节点能够动态跟踪其邻居的位置；任务管理平台平衡和调度给定区域内的监测任务。 应用层传输层网络层数据链路层物理层能量管理层移动管理平台任务管理平台 图 无线传感器网络协议 安徽理工大学 毕业设计 8 IEEES02． 15． 4标准 目前无线传感器网络的通信协议并没有统一的标准。 IEEE802． 15． 4标准是针对低速无线个人域网络 (Personal AreaNetwork,PAN)的无线通信标准，把低功耗、低成本作为设计的主要目标，旨在为个人或者家庭范围内不同设备之间低速联网提供统一标准。 由于 IEEE802． 15． 4标准的网络特征与无线传感器网络存在相似之处，很多研究机构把它作为无线传感器网络的通信标准。 在符合 IEEES02． 15． 4标准的网络中，根据设备所具有的通信功能，可以分为全功能设备 (Full Function Device， FFD)和精简功能设备 (Reduced Function Device， RFD)。 FFD具有 IEEES02． 15． 4协议规定的所有功能， RFD只具有部分功能。 FFD之间、 FFD与 RFD之间可以直接通信， RFD之间不能直接通信，需要通过一个 FFD转发。 这个与 RFD相关联的 FFD称为该 RFD的协调器 (coordinator)。 在 IEEES02． 15． 4网络中，存在一个 PAN网络协调器 (PANcoordinator)。 除了直接参与应用， PAN网络协调器还负责成员身份管理，链路状态信息管理以及分组转发等任务。 IEEES02． 15． 4网络可以根据需要组成星型网络、点对点网络，如图 14所示。 如果将星型网络和点对点网络结合在一起，可以组成簇一树网络，如图。 图中的CID(ClusterIdentifier)为簇的标识， CLH(Cluster Head)为簇头。 IEEE802． 15． 4的网络协议栈基于开放系统互联模型 (Open System Interconnect,OSl)，其中 IEEES02． 15． 4标准只定义了 PHY层和数据链路层的 MAC子层，如图。 ( a ) 星 型 网 络( b ) 点 对 点 网 络 图 ． 15． 4网络可以根据需要组 成星型网络、点对点网络 安徽理工大学 毕业设计 9 图 IEEES02． 15． 4协议层次图 IEEE802． 15． 4的物理层定义了物理无线信道和 MAC子层之间的接口，提供物理层数据服务和物理层管理服务。 物理层数据服务包括：激活和关闭射频收发器；信道能量检测 (Energy Detect,ED)；检测接收到数据包的链路质量指示 (Link Quality Indication，LQI)；空闲信道评估 (Clear Channel Assessment， CCA)：收发数据。 IEEE802． 15． 4的物理层定义了三个载波频段用于收发数据，总共提供了 27个信道：868MHz频段 1个速率为 20kbps的信道， 915MHz频段 10个 40kbps的信道， 2450MHz频段16个 250kbps的信道。 IEEE的 MAC层实现的功能有：协调器产生并发送信标帧 (Beacon Frame)，普通设备根据协调器的信标帧实现与协调器同步；支持 PAN网络设备与协调器的关联 (Association)和离开 (Disassociation)操作；支持无线信道通信安全 (数据加密服务 )；使用载 波侦听多址接入 /冲突 避免 (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance， CSMA/CA)机制访问无线信道；支持有保证时隙 (Guaranteed Time Slot,GTS)机制；支持不同设备 MAC层间的可靠传输。 2． 2 无线传感网络的关键技术 作为当今信息领域新的研究热点，无线传感网络涉及到了传感器技术、通信技术、嵌入式技术和分布式计算技术等多学科的交叉研究领域，有非常多已发现和未发现的关键技术值得研究和探索。 无线传感网络主要关键技术如下 : 1． 网络拓扑控制 由 于无线传感网络是自组织网络，因此网络拓扑控制具有两方面非常重要的意义 :一方面是在满足网络连通度的情况下，实现监控区域的有效覆盖的代价降低。 另一方面在于构建良好的网络拓扑结构能带来全局效率的提升，有利于节点能耗的降低和整个网络负载的均衡，从而延长整个网络的生命周期。 因此，拓扑控制成为了无线传感网络研究安徽理工大学 毕业设计 10 的关键技术之一。 2． 网络协议 网络协议负责使各个独立的节点形成一个多跳的数据传输网 络。 由于传感器节点的通信能力、存储能力、计算能力以及自身能量都十分有限，且网络节点只能获取局部网络信息，这决定了网络节点上运行的 网络协议不能太过复杂。 同时，网络资源在不断地变化，网络拓扑结构也是动态变化的，这些都对网络协议提出了更高的要求。 因此，网络协议也成为无线传感网络研究的关键技术之一。 3． 时间同步 实现时间同步是无线传感网络系统协同作用的一个关键机制。 然而，受到无线传感网络低功耗、高密度的限制，传统的时间同步算法并不适用于无线传感网络。 因此，设计适合于无线传感网络的新时间同步算法就显得尤为重要。 所以，时间同步同样也成为了无线传感网络研究的关键技术之一。 4． 定位技术 位置信息是无线传感网络正常工作和应用中不可缺少的部分，缺少 位置信息网络很可能无法正常工作，在某些应用中缺少位置信息也将会是致命的。 无线传感网络最基本的功能之一就是位置信息 (事件发生的位置或采集数据的节点的位置 )。 但是，受到无线传感网络自身所具有的低能耗、低成本的特点限制，现有传统定位技术 (如 GPS)对于无线传感网络来说并不适用，因此开发出适用于无线传感网络的定位技术势在必行。 5． 数据融合 无线传感网络把能量的高效使用作为首要设计目标，因此如何减少数据传输过程中的能量消耗就成为一个关键问题。 数据融合可以在各个传感器节点收集数据的过程中利用节点的本地计算和存储能力去 除冗余信息，减少传输的数据量，从而有效的节省能量。 由于传感器节点的易失效特性，从提高信息准确度的角度出发，无线传感网络也需要数据融合技术对多份数据进行综合。 6． 网络安全 无线传感网络的特点决定了它的安全与传统网络安全在研究方法和计算段上会有很大的不同。 在进行传感器网络协议和软件设计时如何保证数据产生的可靠性、任务执行的机密性和数据传输的安全性，就成为无线传感网络不容忽视的问题。 7． 数据管理 从数据存储的角度来看，无线传感网络是一种分布式数据库。 以数据库的方法对网络中的数据进行管理，可以将存储在网络中的数 据逻辑视图与网络中的实现进行分离，从而使得网络用户只需要关心数据查询的逻辑结构，而不需要关心其实现细节。 但是无线传感网络的数据管理与传统分布式数据库有很大差别。 因此，设计针对无线传感网络的数据管理方法就成为一个重要问题。 安徽理工大学 毕业设计 11 8． 无线通信技术 无线传感网络的通信带宽窄而且经常变化，通信覆盖范围只有几十到几百米。 因此无线传感网络需要低发射信号功率谱密度、低复杂度、短距离、低功耗的无线通信技术。 超宽带技术 (UWB)是一种极具潜力的无线通信技术。 非常适合在无线传感网络中应用。 另外，很多研究机构把 IEEE 标准作为无线传感网络的无线通信平台。 但是，目前还没有一种方案能够成为正式的国际标准。 因此，无线通信技术也就成为无线传感网络研究的关键技术之一。 9． 嵌入式操作系统 传感器节点本质上是一个微型的嵌入式系统，硬件资源有限，这就要求操作系统能够高效地利用其有限的内存、处理器和通信模块等硬件资源，且能够对各种特定应用提供强大的支持。 在无线传感网络操作系统的支持下，多个应用可以并发地使用系统的有限资源。 另外，传感器节点具有并发性密集和模块化程度高两个突出的特点。 这就对无线传感网络操作系统的设计提出了新的挑战。 10． 应用层技术 无线传感网络应用层是由各种面向应用的软件系统构成，部署的网络往往执行多种任务。 因此，应用层的研究主要是各种无线传感网络应用系统的开发和多任务之间的协调。 无线传感网络应用开发环境的研究就是为应用系统的开发提供有效的软件开发环境和软件工具，需要解决的问题包括网络程序设计方法学，网络程序设计语言，基于感知数据的理解、决策和举动的理论与技术，网络软件测试工具，网络软件开发环境和工具以及面向应用的系统服务。 2． 3 无线传感网络的应用 无线传感网络作为一种融合了无线通信技术、传感器技术和分布式计算的特 殊自组织网其在军事、环境监测和预报、健康护理、智能家居、建筑物状态监控络，等领域都有十分广泛的应用。 1． 军事应用 在战场上无线传感网络可以通过炮弹或者飞机直接将网络节点部署到敌方的阵地内部或者公共隔离区域，能够非常隐蔽且近距离的准确收集战场的信息。 2． 环境监测 当今社会环境问题受到越来越多的关注，环境保护越来越受到重视。 由于无线传感网络的网络规模通常较大，传感器节点可以集成各类传感模块，并且适用于大区域监测和不适合人工作业的恶劣环境，如灾难现场、有毒化学气体的泄漏区域等，所以无线传感网络在环境监测方面的 应用越来越广泛。 3． 医疗护理 安徽理工大学 毕业设计 12 无线传感网络在医疗护理领域也有应用，它可以跟踪和监测医院内医生和患者的行动，可以用 F 监测人体的各种生理数据等。 4． 智能家居 随着社会的发展，人类对生活各方面的要求也在不断提高，智能家居应运而生。 通过把传感器节点嵌入到家具和家电中组成无线传感网络，并与互联网连接相连，为人类的生活提供更加方便、舒适和人性化的智能环境。 5． 建筑物的状态监控 建筑物状态监控是利用无线。