（计算机系统结构专业论文）无线传感器网络及其应用研究.pdf

摘要 摘要 近年来，随着微机电系统( m e m s ) 技术、嵌入式计算技术和无线通信技术 的日益成熟，具有感知能力、计算能力和通信能力的微型传感器开始出现。由大 量这样的微型传感器作为节点构成的无线传感器网络能够实时监测、感知和采集 所在区域内的各种环境或监测对象的信息，并且能够通过自组织的方式进行相互 的通信和协调，对这些信息进行处理，并将必要的信息传送给相关的用户。这种 无线传感器网络在军事、环境、工业、家居等各方面都有广泛的应用前景。 本文在以下几个方面作了研究： 第一，本文研究了无线传感器网络的分簇算法。由于传感器节点通常采用电 池供电，能量有限，必须设计高能效的算法延长网络的生存时间。研究表明。将 传感器节点组织成簇的形式可以有效地减少网络的能量消耗，u 强c h 、e e h c 、 h e e d 、s e p 、d e e c 、t e e n 等分簇算法相继提出，它们在能量利用效率、异构 性问题、簇首分布均衡度、不同的节点覆盖模型、节点的移动性等各方面加以改 进，也取得了很好的效果。 本文在对这些现有的分簇技术进行了深入全面的剖析，总结其在算法的内在 特性、对节点的要求、算法的应用场景、算法的效果等各方面的特点和异同，并 提出了尚待解决的一些问题。在此基础上本文提出了新的基于剩余能量优先的争 先式多跳簇生成算法。算法有两个主要特点：1 ) 提出“参考能量”的概念，由 节点自身剩余能量和参考能量的比值确定节点成为簇首的优先度，凭该优先度争 先成为簇首，实现簇首分白的均衡，也减少了迭代算法的时间和功耗。参考能量 是节点从邻居节点的消息中求得的，具有分旆性和自适应性。2 ) 采用簇内最小 通信代价的方法，建立多跳簇的簇内路由，使簇内通信能耗最小化。本算法用 o m n e t + + 模拟器进行了验证。实验表明，在减少网络功耗，延长网络生存周期， 增加基站收到的有效数据等方面相对于经典的分簇算法u 狐c h 和h e e d l y f 0 4 1 有 较大优势。 第二，本文研究了一种特殊的异构系统。“典型”的无线传感器网络的特征 是“由大量同构的、微小的、资源受限的、基本不动的传感器节点随机分布在被 测量区域形成的大规模的、自组织的、多跳的、未分割的网络匕尽管如此，仍 然有一些网络的节点具有不同的计算能力，通信能力和能量水平，部分节点可以 摘要 移动。对于其中的一些系统，比如拥有较多资源的固定节点形成骨干架构，其他 资源较少的固定节点或移动节点作为叶子节点，目前已经有一些研究。而在本文 中，则考察了另外一种情形：网络中存在固定节点和移动节点，而固定节点更需 要节能。在这种情况下，本文设计了一种基于信标的异构系统。该系统充分利用 移动节点的能量支持，减少固定节点的能量消耗；同时，由于有固定节点作为参 考信标，移动节点间传送数据的算法也得以优化。这种网络适合如井下无线安全 网络，展览会场馆人流控制，体育场地运动员健康监控等情况下的应用。 第三，本文探讨了w s n 在智能交通系统上的应用。现有智能交通系统采用 有线的传感器去监测交通，信息采集部分位置固定、建设成本高而且覆盖面窄。 本文建立了一种道路模型，利用无线节点可以全路段覆盖跟踪等特点，解决上述 问题。在此基础上，提出两种算法来提高交通系统的效率。1 ) 最小等待时间算 法( m 、1 ) 优化了信号灯控制方法，以减少车辆在交通路口的等待时间；2 ) 最 小行驶时间算法( m t t ) 则基于实时交通状况，选择优化路径，减少车辆到达 目的地的总行车时间。由于无线智能节点的引入，使得智能交通系统在原有的理 论上有较大的突破。通过无线传感器网络，智能交通系统可以获得特定车辆信息 而非仅仅是统计信息，为智能交通的个性化服务开辟了充分的前景。 最后，本文还实现了无线传感器网络节点的硬件原型系统。对器件选型的注 意事项，节点的模块架构，部分重要模块的电路原理等各部分进行了描述，为下 一步作更深入的研究打下良好的基础。 关键字：无线传感器网络，路由技术，分簇技术，成簇算法，智能交通系统， 嵌入式系统 中图分类号：t p 3 9 3 a b s t r a d a b s t r a c t a d v a i l c c sj nm i 锄e l e d r 0 一m e c h a i l i c a l s y s 跏l ( m e m s ) c c b n o 】蟛钨 e m b e d d e dc o m p u t i n gt e c t u l o l o 酉e sa n dw i r c l c s sc o m m u n i c a t i 帅t e c h n o l o 百e sh a v e c n a b l e d h cd e v c l o p m 跖to ff c l a t i v e l yi n e x p e n s i v ca n dl d w p o w c r - n s u m p l j o nm j c r o s e n s o r sw i t ht h ec a p a b i l i t yo fs e n s i n 舀c o m p u t i n ga i l dc o m m u n i c a t i n g g d m p o s c do fa l a 曙en u m b e ro ft h e s es c n s o fn o d e s ，aw i f e 】e s ss 朋s o rn e 细d f k ( w s n ) c a nb cu s e d f o rd e t e c t i n 舀l l e c t i n ga n da n a l y s i n gt h ei n f o m a t i o no fc o m p l e xe 珏v i r o n m e n t si n f c a l t i m e i th a saw i d c 枷g eo f 印p l i c a l i o 舾j nm i l i t a r yc o m m u n j c a t i o n ，v i m n m e n t m o n i t o r i n 舀t r a f f i c 咖t m l ，p e r s o n a ih e a l t hm o n i t o r i n g ，h o m en e t w o r k i n 舀e t c i ，1l h i sd j s s e n a t i o n ，t h ef o i l d w i n gl 叩i c sr e l a t e dw j t hw s n 盯ej n v e s t i g a t e d 孤d s o m em e t h o d sa f ep f o l 0 s e dt 0i m p d 0 v ep e 向瑚a n c co ft h ec x i s t i n gm e t h o d s ( a ) w bi n v e s t 培a l et h es e n s o rc l u s t e 血gs t r a t 唧e so faw s n s j n c eas e n s o r u s u a l l yo p e t a t c so nb a t t e 啦t h en e t w o r km u s tb ep o w c r - c 伍c i e n t c l u s t e r i n gh a s p - d v c nt ob ea ne f f e c t i v et e c h n i q u et oo r g a n i z eal a r g cn u m b c to fs e n s o r sj n oa c o 蚰e c t e dh i e r a r c h yt or e “c ct h ee n e 唱yd i s s i p a t i o na n d 勰w e l li m p r o v et h e e f f ；c i e n c yo faw s n c l u s t e n n ga l g o r i t h m s 鲫c h 雏i 卫a c h ，e e c h ，h e e d ，s e p d e e ca n d 唧na r cp r o p o s c di nr e c e mi “e r a t 眦s ，w h i c hi m p r o v et h ep e 渤姗a n c e o faw s ni nv a r i o u sa s p e c t ss u c ha sp 0 啊c re f f i c i e n c y h e t e r o g e n e j t y c l u s t e rh e a d b a i a i i c c ，c o v e rm o d e l ，m o b i l i t y ，e t c i n t h i sd i s s e r t a t i o n ，w ef i r s ts t u d i e dt h ed e s i g nr a t i o n a l eo fs e n s o rc l u s t e r i n g a p p r o a c h e s t h cf c a t u r e s ，n o d ec a p a b i l i t yr e q u i r c m e n t s ，卸dp r o p c ra p p l i c a t i o n b a c k g r o u n d s0 fd i 晚r e n td u s t e r i n ga p p m a c h e sa f cd i s c l l s s e d i nd c 协i l an o v e l c i u s t e r i n ga p p r o a c h ，w h i c h i sr e f e r r c dt 0a s p r c e m p t i v em u i t i h o pc l u s t e r i n g 舢g 嘶t h m ( p m h c ) ，i sm e np m p o s e d t h en o v e lf e a t u r e so ft h ep r o p o s e da p p r o a c h i n c i u d e ：( 1 ) t h ec o n c e p to f “r e f c r e n c ee n e r g y ”i sp r o p o s e dt 0 m e a s u f et h ef e s i d u a l e n e 唱yo fan o d e c l u s t e r h e a d sc a l lt h e nb ed e t e m i n e db 勰e do nt h er a t i oo fr c s i d u a l e n e r g ya g a i n s it h er e f b r e i l c ce n e r g y t h i sm e t h o de 懈u 代st h a ti h ec i u s t e rh e a d sa f c u n i f 0 姗l yd i s t 曲u t c d ，卸dt h e f e f o r cs j g l l i f i c a n t l y r e d u c c st h ei t e r a t i o nt i m e 1 1 1 e r c f c w n c ee n e 喀yc a nb ec o m p u t e df 向mt h en e i 曲b o u n gn o d e si na i ia d a p t i v ea n d d 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k s t h es e n s o r d e sa r em o v a b l e s o m er e s e a f c hi sf b u n di nl i t e f a t u r e s s u c hn e t w o r k s i l lw h i c haf b wf e s o u r c c r i c ha n df i x e ds e n s o r sa c ta st h eb a c k b o n e n o d e sa n do t h e rr c s o u r c c s p a r s eo rm o b i l es e n s o r sa c ta st h el e a fn o d e s i nt h i s d i s s e n a t i o i i ，w ei i l v e s t i g a t e da n o t h e rs c e n 撕om a tf o i l o w s s u p p o s ean e t w o f k c o n t a i n sb o t l lf i x e dn o d e sa n dm o b i l en o d e s n ef i x e dn o d e sa r eu s u a l l yr c q u i f c dt o o p e r a t ew i t hal o wp o w e rs u p p i ys i n c et h e ya f cd i m c u l t t or c c h a r g e o nt h ec o n t r a r y ， t l l em o b i l en o d e sa r ca l l o w e dt o 叩e f a t ew i t hah i g l l e rp o w e rs i l l c ct h e yc a nb ee a s i l y r e c h a 昭e d n u s ，t h ef i x e dn o d e ss h o u l db ep o w e r - 确c j e n t i i it h i sd i s s c n a t i o n ，a b e a c o n b a s e dh e t e r o g c n c o u ss y s t e m ( b b h s ) i sp r o p o s e dt or c d u c ct i l ep c l w c r c o n s u m p t i o no ft h ef i x e d d e sb yt a k i n ga d v a n t a g eo ft h ec n e 唱yo fm o b i l e d e s f u r t h e 彻o r c ，t h eo p e r a t i o no fm o b i l en o d e si sa l s oo p t i m i z e dw i t ht h eh e l po fb e a c o n s ( t h ef i x e dn o d e sa r ct a k e na st 王l eb e a c o n si nb b h s ) n i ss y s t c mm o d e ls u i t sw e un l c m i n es e c i l r i t yn e 押o r kv i s i t o rm o n i t 喇n g 卸dg l l i d i n gs y s t e mf b re x p o ，觚dh e a l t h m o n i t o r i n gs y s t e mf o ra t h l c t e s ( c ) m o s tc o n v e m i o n a lh l t e l l i g e n tt r 扑s p o n a t i o ns y s t e m s ( 1 t s ) r e l yo nt h ew i r c d s e n s o 硌t om o n i t o ft h e “a 壤c t h i sw i f c ds y s l e mo no n eh a n di n c f e a s e sl h ec o s lo f n s t m d i o na n dm a i n t e n a n c e f u n h e m o r e ，t h e yc a no n l ym q n i t o rt h ev e h i c l e si n l i m i t c da r c 勰b e c a u s eo fm ca d v a n t a g e so fw s ns u c ha st h el o wp o w e rc o n s u m p t i o n ， w i r e l e s sd i s t r i b u t i o n ，a l l r o a d0 0 v e r a g ce t c ，t h ea p p l i c a t i 咖0 fw s ni nr r si s e x p e c e dt oo v e r 0 0 m et h ea b o v e - m e n t i o n e dd i 仃i c l i l t i e s i nt h i sd i s s e n a t i o n ，ar o a d m o d e lc q u i p p c dw i f hw s nj sp r o p o s e d b a s e do nt h em o d e l ，啪o p t i m i z a t i o n a l g o r i t h m sa r ed c s i g i l e dt oj m p m v et m n s p o n a t i 彻e f ：f i c i e n c y n e f j r s tm i n i m a l w a i t i n g 币m e ( m w da l g o r i c h ma t t e m p tt 0o p t i m i z et h es i g n a l l i 曲tc o n t r o l 锄d r e d u c ct h ev e h i c l 嚣w a i t i n gt i m eo nr o a di n t e r s e c t i o n s t 1 l es e c o n dm i i l i m a lt t a v e l t i m e ( m t i ) a l g o r i t l i ma t t e m p t st of e d u c et h ew h o l et m v e lt i m eb ys e l e c t i n gt h e o p t j m a lt r a v e jp a t hd y n a m j c a l l y ，r e s p o n d i n gt 0t b er c a l 一t i m et r a f f j cs i t u a t i o n w i t ht h ei n t r o d u c t i o no fw s n ，t h ep e r f b 咖a n c eo ft h en sc a nb ei m p r o v e d f i l n h e r s i n c e “e n a b i e st h eb i d i f e c t i o n a lc o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h er o a d sa n dt h e v e h i c l e s n i sp m v j d e sap o s s i b i l i t yf o rd i v e r s ep e r s o n a ls e i c e si nf u t u r ei t s a b s t m c i a tl a s t ，t l l i sd i 豁e n a t i o np m t o t y p eo fw i r c l e s ss e n s o rn o d e t h eg u i d e l i n eo f s e l e c t i n gt h ec h i p ，t h em o d u l ea r c h i t e c t u r co f an o d e ，h e m a t i c so fs o m ek e ym o d u l e i sd e s c r i b e di n t h i sp a r t 耵l i sw o r kl a i daf o u n d a t i o f o rf i l n h c rf e s e a r c h e s 柚d a p p l i c a t i o n s k e y w o r d s ：w i r e l e 髂s e n s o rn e 魄o r l 【 i o u t j n 岛d u s t e r i n 吕i n t e l l i g e n tt r a n s p o n a t i o n s y s t e m ，e m b e d d e ds y s t e m 图表目录 图目录 图表目录 图2 1 一个典型的w s n 网络架构 图2 2 无线传感器网络节点的模块结构 图2 3 无线通信四层分类 图2 4z i g b e e 协议栈结构 7 8 1 9 图3 1 ie a c h 分簇示例 圈3 2 m a r o 的联络节点示意图。 图4 1 无线通信中的能量消耗模型 图4 2 多跳簇结构与簇首信息表 图4 3 时隙分配表示例 图4 4 节点在成簇阶段的主要流程 图4 5 三种算法的模拟分簇实例 2 8 3 6 4 3 4 5 图4 6 不同算法存活节点数目与收到数据包数量的比较 图4 7 簇半径与网络生存时间和有效数据的关系 图4 8 被测区域边长与网络生存时问和有效数据的关系 图5 1l v y 网络结构示意图 图5 2z i g b e e 网络结构示意图 图5 t 3 矿井结构示意图 。4 9 。5 2 图5 4 矿井无线安全网络系统组成示意图 图5 5 簇与数据的传输 5 3 5 4 5 8 5 9 6 0 6 1 “ 图5 6 一个信标帧的基本结构 图5 ，7 信拓时隙的消息流程 图5 8 分配时隙的消息流稃 图5 9 改进后的信标帧结构 图5 1 0 簇间节点分布示意图 6 6 6 6 图5 n 相邻簇间时隙分配示意图6 9 图5 1 2 信标帧的分割，相邻簇间时隙分配示意图 图5 1 3 一个信标帧划分成若干个轮转周期” 图5 1 3 平均每跳延迟时间。7 5 图表目录 图6 1 智能交通系统模块示意图 图6 2 典型的交通网络示意图 图6 3w s n 节点的模块架构图 图6 4 城市道路网以及三类w s n 节点在路面上的分布 图6 5 交通控制信号灯的4 个相位 图6 6m 、t 实验模拟结果 图6 7 _ r i t 模拟结果 7 8 8 0 8 2 8 3 9 1 9 2 图6 8 非对称信号相位控制示意图 图7 1 s m a n d u s l 结构示意图 图7 2 m i c a 外观图 。9 7 9 8 图7 3m i 运算和通信平台模块结构示意图。 图7 4i n t e lm o t e 主板图 图7 5h t e lm o i c 模块堆叠示意图 图7 6w e b 节点模块结构图 9 8 9 9 9 9 1 0 2 1 0 2 1 0 3 1 0 3 图7 7w e b 节点外观 图7 8 ，e b 节点p c b 版图 图7 9 w n s 节点模块结构 图7 1 0 w r r s 节点外观图 图7 ，1 1 w i t s 节点p c b 版图 图7 1 2 w e b 节点处理器部分电路原理图 图7 1 3w e 8 节点射频部分电路原理图 表目录 表2 1 无线传感器网络的属性 表2 2 一些无线传感器网络的研究机构和项目 1 0 4 1 0 5 1 0 1 7 表3 1 各无线传感器网络成簇算法比较3 9 表4 1 实验参数 表5 1 消息结构 表5 2 数值参数 。5 0 表6 1 真实路口卞流情况8 9 表7 1 节点的性能1 0 7 论文独创性声明 本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。论文中除 了特别加以标注和致谢的地方外，刁i 包含其他人或其它机构已经发表或撰写过的 研究成果。其他同志对本研究的启发和所做的贡献均已在论文中作了明确的声明 并表示了谢意。 作者签名：2 i ：! 塾：查： f = j 期： 论文使用授权声明 本人完全了解复旦大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 送交论文的复印件，允许沦文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内 容，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。保密的论文在解密后遵守此 规定。 作者签名日期 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 论文的研究背景与意义 无线传感器网络( w s n ) 是由一组传感器节点以自组织方式构成的无线网络， 其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖的地理区域中被监测对象的信息，并发 布给观察者l l 嘲i 【瑚0 甜。它综合了传感器技术、嵌入式计算技术、分布式信息处理 技术和通信技术，在军事、工业、医疗、交通、环保等诸多方面有着巨大的应用价 值。2 0 0 2 年1 0 月的美国福布斯杂志报道了加州大学洛杉矾分校的无线传感器 网络的研究项目，指出通过无线传感器网络，我们将实实在在地掌握这个物理世界 f 踟。w s n 技术是2 0 0 3 年美国技术评论杂志评出的十种将改变世界的新兴技术 之一r r 0 3 】，也是美国商业周刊评出的未来将掀起新的产业浪潮的四大高新技术 之一l 鲫】，它引起了军事部门、工业界和学术界越束越多的关注。2 0 0 4 年第7 期的 正e e 勋e c f 阳卅杂志发表专辑，论述w s n 的发展和潜在的广泛应用i 驯j 。2 0 0 4 年8 月，正e e o 厅妒群舸杂志也出版了专辑，发表了一些关于无线传感器网络的 论文l c 0 4 】。可以预计，w s n 的发展和广泛应用，将对人们的社会生活和产业变革带 来极大的影响和产生巨大的推动。 现代网络技术的发展，尤其是无线通信技术的发展，使得人和人之间的“随时 随地”的沟通交流不再是梦想。但是“人”与“物”的交流( 人们对物理世界的感 知和第一手资料的获取) 和“物”与“物”的自主交流，相对而言要稍微落后一些。 人们对物理世界的感知是通过传感器来得到的。早期的传感器是一些复杂的物理化 学装置，通过把物理量变成电信号，经过信号线接入计算机进行数掘处理。随着微 机电系统( m e m s ，m i c me l e c t r o m e c h 卸i c a ls v s t e m ) 技术的发展，传感器的尺寸越 来越小，甚至可以集成到一块芯片中，从而大大开阔了传感器的应用领域。微机电 技术，计算机技术以及无线通信技术的等各项技术的发展，使得传感器模块、微控 制器( m c u ) 模块和无线通信模块的体积越来越小，以至于可以组成一个尺寸小、 功耗少、成本低的传感器节点。大量的传感器节点组成的无线传感器网络是现有的 计算机网络( 虚拟世界) 向真实物理世界的延伸，它将改变人类和自然界交互的方 式。 个典型的应用例子是将集成了传感器、数据处理单元和通信模块的微小传感 第1 章绪论 器节点通过飞行器或其它方式播撒到目标区域，这些节点通过自组织的方式构成网 络，借助于节点中形式多样的传感器测量所在环境中的温度、湿度、噪声、光强度、 压力、土壤成分、移动物体的大小、速度和方向等众多用户感兴趣的物理现象。例 如，这些传感器节点播撒在作战区域或者边界上，则可以通过测量声、光、压力、 移动物体等，判断敌方军队的调动情况，最后以无线通信的方式经过适当的路由将 重要情报传回指挥中心，供指挥人员参考。 无线传感器网络发端于军事领域，但是相关研究不仅对推动了军事科技的发展， 其应用还扩展到环境监测、医疗保健、家居、商业、工业等其它众多领域，执行传 统系统难以完成的任务。它以微型节点自主网络为核心的一系列技术，也推动了人 们对网络技术的进一步深入了解。 1 2 本文的研究内容 1 2 1 分簇技术与簇首生成算法 由于无线传感器网络节点数目众多、能量非常有限、计算能力和无线通信能力 相对都比较低。如何充分利用这些能量和资源，建立合适的路由，尽可能多地传输 被测量区域的有效数据，成为一个重要问题。很多算法直接在全网中建立点到点的 连接，属于平面路由协议。 2 0 0 0 年w ：h e i l l z e l m a n 发表l e a c h 伍m we n e r 醪a d a p t i v ec i 吣t e n g 埘e m r c h y ) 算法i h c 咖】之后，对无线传感器网络进行分簇( d 鸺t c 血g ) ，实现了层次 化路由协议。由于传感器节点呈冗余分布，相邻节点所测得的数据具有相关性，因 而同一个簇内的监测数据可以进行融合，减少传输量，降低功耗，提高网络的生存 时间。正因为如此，分簇技术适应了无线传感器网络的特性，很大程度上提高了效 率，因而相关的研究开始成为一个热点问题。在u 狐c h 的基础上，人们在能量利 用效率、异构性问题、簇首分布均衡度、不同的节点覆盖模型，节点的移动性等各 方面加以改进，也取得了很好的效果。 本文在对这些现有的分簇技术进行了深入全面的剖析，总结其在算法内在特性、 对节点的要求、算法的应用场景、算法的效果等各方面的特点和异同，并提出了尚 待解决的一些问题。在此基础上本文提出了新的基于剩余能量优先的争先式多跳簇 生成算法，进一步解决簇首分布均匀性和降低功耗的问题。 第l 章绪论 1 2 2 种“非典型”的无线传感器网络 从上个世纪9 0 年代以来，研究人员对于“典型”的无线传感器网络已经进行了 广泛的研究。所谓的。典型”是指“由大量同构的、微小的、资源受限的、基本不 动的传感器节点随机分布在被测量区域形成的大规模的、自组织的、多跳的、未分 割的网络”1 8 m 删】。这些研究在硬件结构、操作系统、通信协议栈，拓扑路由、能 源管理、定位技术、时钟同步技术、数据管理、仿真模拟平台以及开发平台等等许 多方面取得了富有成效的结果。 上述无线传感器网络的“典型”特征其实都源于最早的美国研究者对基于军事 领域应用背景的研究。这些特征的总结具有一定的合理性，但有时候也会存在局限， 限制了人们的思维。 在实际的应用中，有些网络并不具备以上的所有“典型”特征，但它们仍然是 一些传感器节点通过无线连接构成的网络，仍然是通过节点间协作地感知，采集和 处理网络覆盖的地理区域中被监测对象的信息，并加以处理，自行按照一定的预先 设置进行处理和反应，或者提供给外部的观察者。所以我们认为这些网络也属于无 线传感器网络的范畴。“典型”的无线传感器网络的研究结果，有些适合，有些则不 适合这些应用，需要进一步作深入研究。 本文主要关注的是一些由异构节点组成的，其中一部分节点运动的无线传感器 网络在各种背景下的性质，以及这样的无线传感器网络的建构、路由的选择、数据 的传输和融合等方面。 有一类异构无线传感器网络是由多种传感器节点组成，能量较多且位置固定的 节点构成网络的骨干，而能量较少且会发生移动的节点构成网络的叶子节点。这种 构成比较简单。也已经有了相应的研列咖l 。 但是对于异构无线传感器网络中固定节点的能量限制反而比移动节点的能量限 制更大的特殊情况，目前还未发现有相关研究的文献。本文以实际应用实例为出发 点，从一个煤矿无线安全监测网络入手，对这类网络的性质、构建、维护，以及数 据的传输和融合等各方面进行研究。 1 2 3 无线传感器网络的应用 在谈到无线传感器网络的应用时，智能交通领域经常会被提及，但是具体的应 用实例却很少见诸文献。在现有的智能交通系统( r r s ) 中，探测路面和车辆数据的 传感器都是有线连接的，信号电缆和电源线束缚了系统的灵活性，使得对路面的监 测通常仅限于安装地点附近。本文从实际的需要出发，将无线传感器网络应用到智 第1 章绪论 能交通系统，作为它的一个信息采集和通信予系统。这个子系统充分利用了w s n 覆盖范围广，灵活性好，易于安装等特点，可以采集全路段的车辆和路面信息。根 据这些信息，本文提出了控制路口信号设备的算法，以降低车辆在路口的停车等待 时间；以及在整个城市交通网络中根据实时交通负荷情况，选择行车路径，以减少 车辆到达目的地的时间，从而提升了道路的通行效率。 由于条件的限制，无线传感器网络在协议算法等方面的研究往往通过模拟器来 验证。而从物理上实现传感器网络节点，对于更好地研究无线传感器网络，特别是 把无线传感器网络技术应用到实际的生产生活中去，具有很大的实践意义本文最 后设计开发了无线传感器网络的节点原型系统，从节点的器件选型考虑、电路设计 思想、模块组成、电路原理等各方面进行了描述。 1 3 本文的主要贡献和创新点 本文的主要贡献和创新点如下： 1 ) 分簇技术和成簇算法。本文在系统分析现有成簇算法的内在特性、适用场景、 对节点的要求以及算法的效果，尤其是其优点和不足的基础上，提出了一个新的成 簇算法，称为争先式多跳簇生成算法。主要基于两点：1 ) 提出“参考能量”的概念， 由节点自身剩余能量和参考能量的比值确定节点成为簇首的优先度，凭该优先度争 先成为簇首，实现簇首分布的均衡，也减少了迭代算法的时间和功耗。参考能量是 通过分布式自适应的方法求得的。2 ) 采用簇内最小通信代价的方法，建立多跳簇的 簇内路由，使簇内通信能耗最小化。本算法用0 m n c t + + 模拟器进行了验证。实验表 明，在减少网络功耗，延长网络生存周期，增加基站收到的有效数据等方面相对于 经典的分簇算法u 狐c h 和如j e d 【蹦l 有较大优势。 2 ) 基于信标的异构系统。本文还总结了一种固定节点节能型的异构网络，设计 出基于信标的异构系统。不同于一般的由固定节点构成骨干的异构网络，该系统充 分利用移动节点的能量支持，尽量减少固定节点的能量消耗；同时，由于有固定节 点作为参考信标，信息在移动节点之间传输的算法也得以优化。这种网络适合于井 下无线安全网络，展览会场馆人流控制，体育场地运动员健康监控等情况下的应用。 3 ) 无线传感器网络在智能交通系统上的应用。本文建立了一种道路模型，利用 无线节点可以全路段覆盖跟踪等特点，解决原有智能交通系统的信息采集部分位置 固定，覆盖面窄等缺点。在此基础上，提出的控制路口信号设备的算法和在城市交 通网络中即时选择行车路径的算法，减少了车辆在路口的停车等待时间和车辆到达 目的地的行车时间，从而提升了道路通行的效率。由于无线智能节点的引入，使得 智能交通系统在原有的理论上有较大的突破。通过无线传感器网络，智能交通系统 第1 章绪论 可以获得特定车辆信息而非仅仅是统计信息，为智能交通的个性化服务开辟了充分 的前景。 4 ) 无线传感器网络节点的硬件原型。本文还实现了w s n 节点的硬件原型系统， 对器件选型的注意事项，节点的模块架构，部分重要模块的电路原理等各部分进行 了描述，为下一步作更深入的研究打下良好的基础。 1 4 论文结构 各章节内容安排如下： 第2 章为概述部分，从宏观上说明了无线传感器网络的基本概念、主要研究内 容和技术关键，回顾了近年来在各方面的研究进展以及各种应用项目，描述了一些 相关的研究领域。 第3 章归纳和总结了无线传感器网络中各种主要的成簇算法，阐述了各算法在 各方面的演迸情况。本章还系统分析比较了这些算法的特征，并指出了尚待解决的 一些问题和建议。 第4 章在第3 章总结的现有算法的优缺点的基础上，提出一种新的争先式多跳 算法。 第5 章考察一种非典型的无线传感器网络，设计了基于信标的异构系统 第6 章主要阐述w s n 在智能交通领域的应用。本章提出了控制路口信号设备 的算法，以及在整个城市交通网络中即时选择车辆路径的算法，从而提升道路通行 的效率。 第7 章设计开发了无线传感器网络的节点原型系统，从节点的器件选型考虑、 电路设计思想、模块组成、电路原理等各方面进行了描述。 最后，第8 章总结全文并展望未来的工作。 第2 章无线传感器网络概述 第2 章无线传感器网络概述 本章从计算机的发展趋势入手，从宏观上说明了无线传感器网络的基本概 念、主要研究内容和技术关键，回顾了近年来在各方面的研究进展以及各种应用 项目，描述了一些相关的研究领域。 2 1 蚂蚁和大象一计算机的发展趋势 一只蚂蚁躲在一旁，伸出细腿。兔子奇怪地问：“你在这里干嘛? ” 蚂蚁说：。嘘! 别出声，我来绊大象一跤l ” 这是一个笑话。自然。从机械力学的角度看，蚂蚁绊大象是可笑的。但是从 电子学的角度看，并非没有一点道理，当今蚂蚁大小的超大规模集成处理芯片的 处理能力已经远远大于计算机的老祖宗一一比大象还要大两个数量级的e n i a c 了。 从另一个方面看，一只蚂蚁固然力气没有大象那么大，但是一只蚂蚁可以搬 起比自身重十倍的负载，一群组织有序、具有社会性的蚂蚁在完成某些任务的时 候，比大象还要有效率。 当然，并非所有任务都能靠蚂蚁的“蚁海战术”就能解决的。比如搬动一块 不可分割的巨木。因此，大象的存在仍然有其必要性，而且要继续提高大象的能 力。 计算机的发展就是这样。一方面，高性能计算机在处理速度，并行能力等方 面迅速提高。如峰值速度每1 0 年就提高三个数量级，现已达每秒千亿次到万亿 次量级。这使得科学计算已成为继理论研究和科学实验外又一科学研究方法，成 为现代社会发展必不可少的工具，也是世界各国科技竞争中一个重要方向，在科 学计算，石油勘探、生命科学、药物研究、气象气候等诸多领域应用，发挥了很 大的作用。另一方面，微型化或超微型化计算机体积越来越小，成本越来越低， 功耗越来越小，却仍然有足够的处理能力，使得“计算”深入到生产生活的各个 方面，成为人们生活中不可缺少的部分。但是，毕竟单个超微型计算机系统的能 力还是有限的。在应用中，如何把它们像蚂蚁那样有序组织起来，发挥群体的优 第2 章无线传瞎器网络概述 势，就成了计算机学科中一个研究热点。从某种程度上说，无线传感器网络就是 这样的一个“蚂蚁群”。计算机技术、无线通信技术和微机电( m e m s ) 技术等 各方面的发展，为这种系统的实现提供了可能性。 2 2 无线传感器网络的网络架构和节点组成 无线传感器网络( w s n ) 通常是指由一组带有嵌入式处理器、传感器、以 及无线收发装置的节点以自组织的方式构成的无线网络，通过节点的协同工作来 采集和处理网络覆盖区域中的目标信尉“s s 0 2 l 。图2 1 1 是经常被引用的一个典型 的w s n 网络架构【a s s 0 2 1 。 s e f 话o rt i 嘲d s e r rn o 豳皓 图2 1 一个典型的w s n 网络架构 如图所示，传感器节点( s e n s o r