（计算机软件与理论专业论文）事件驱动应用感知mac协议及应用系统设计研究.pdf

江苏大学硕士研究生毕业论文 摘要 随着微电子技术、计算机技术和无线通信技术的飞速发展和同益成熟，无线 传感器网络( w s n s ) 的应用越来越广泛，逐渐被应用于军事、环境监测、交通控 制等多个领域。但是数据传输延迟和能量消耗，严重制约着无线传感器网络的应 用。 在无线传感器网络体系结构中，m a c ( m e d i u ma c c e s sc o n t r 0 1 ) 协议决定着无 线信道的使用方式，负责为节点分配无线通信资源，是保证网络高效通信的重要 协议，直接影响网络的整体性能。m a c 协议是无线传感器网络领域中的一个广 泛研究的问题，然而，现有的m a c 协议较少是针对具体的应用而设计。针对事 件驱动应用感知的多模无线传感器网络应用，本文设计并实现了一个事件驱动、 应用感知的多模无线传感器网络m a c 协议e d a m a c ( e v e n td r i v e na p p l i c a t i o n m a c ) 。并结合双向弯道这一特定的交通难点问题，研究了基于无线传感器网 络的交通指挥系统设计的关键问题，工作主要包括： ( 1 ) 基于i e e e 8 0 2 1 5 4m a c 协议的思想，提出了一个事件驱动应用感知的无 线传感器网络m a c ( e v e n td r i v e na p p l i c a t i o nm a c ，e d a m a c ) 协议。在该协 议中，设计和实现了竞争时隙分配算法和时隙动态调整算法。竞争时隙分配算法 选择优先级最高的汇报事件，根据此事件的优先级作为可以汇报事件的基准，限 制低优先级事件的汇报，有效降低了数据包的碰撞，保证了数据传输的完整性和 实时性。时隙动态调整算法，根据已有汇报事件的信息，动态调整非竞争周期和 非活动周期的时隙数目，减少节点的空闲监听时间，最大程度地使节点处于睡眠 状态，有效降低了节点能耗。 ( 2 ) 采用仿真工具t o s s i m 和组件化编程语言n e s c ，结合双向弯道交通指挥 系统的实时性和低能耗的特性以及无线传感器网络固有特性：多模性、面向事件、 优先事件传输等，从事件传输延迟、事件之间的传输公平性、节点之间的传输公 平性和能量有效性四个方面，分析和评价了e d a m a c 协议的性能，并与典型的 无线传感器网络m a c 协议进行了性能对比。 ( 3 ) 为了降低系统部署的代价以及提高系统运行的效率，结合粗糙集理论的 知识约简方法，从关系必要性和独立性两个方面，给出了应用系统的设计方法。 江苏大学硕士研究生毕业论文 采用基于孝h 糙集的知识约简方法，对提醒点集合进行约简，获得具有最小的独立 性的提醒点集合，不仅节省了提醒点硬件部署数量，而且减少了系统状态集合的 数量，简化了电路设计；同时，利用基于有限状态机的状态图来辅助完成智能控 制电路设计，提高系统的响应速度，并进一步降低硬件造价。 ( 4 ) 在无线传感器网络应用系统的设计方法的基础上，给出了基于w s n 的双 向弯道交通指挥系统的原型系统。该原型系统包括感知子系统和提醒子系统两个 部分，其中感知子系统采用无线传感器网络，实时感知数据，具有便于布置、实 时感知、现场处理的优点。交通提醒子系统采用基于有限状态机的状态图来辅助 完成智能控制电路设计，进一步降低硬件造价，提高了系统反应速度。 关键词：无线传感器网络，m a c 协议，事件驱动，多模，粗糙集，知识约简 江苏大学硕士研究生毕业论文 a b s t r a c t w i t ht h e r a p i dd e v e l o p m e n t o fm i c r o e l e c t r o n i c s t e c h n o l o g y , c o m p u t e r t e c h n o l o g ya n dw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , t h ew i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ( w s n ) i su s e dm o r ea n dm o r ew i d e l y a n di ti sg r a d u a l l ya p p l i e di nt h ef i e l d so ft h e m i l i t a r y , e n v i r o n m e n t a lm o n i t o r i n g ，t r a f f i cc o n t r o l ，a n d s oo n b u tt h ed a t a t r a n s m i s s i o nd e l a ya n dt h ee n e r g yc o n s u m p t i o ns e r i o u s l yr e s t r i c tt h ea p p l i c a t i o no f w s n i nt h ea r c h i t e c t u r eo f w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s ，m a c ( m e d i u ma c c e s sc o n t r 0 1 ) p r o t o c o ld e c i d e st h eu s a g em o d eo fw i r e l e s sc h a n n e la n da s s i g n st h ew i r e l e s s r e s o u r c e st on o d e s t h em a cp r o t o c o le n s u r e st h ee f f e c t i v ec o m m u n i c a t i o n ，w h i c h d i r e c t l yi n f l u e n c e st h eo v e r a l lp e r f o r m a n c eo ft h en e t w o r k a n dt h em a cp r o t o c o li s w i d e l yr e s e a r c h e di nt h ef i e l do fw s n ；h o w e v e r ，t h ee x i s t i n gm a cp r o t o c o l sa r el e s s d e s i g n e df o rt h es p e c i f i ca p p l i c a t i o n a i m i n ga tt h ee v e n t d r i v e na p p l i c a t i o n a w a r e m u l t i m o d a l i t yw s na p p l i c a t i o n ，a ne v e n t - d r i v e na p p l i c a t i o nw s n m a cp r o t o c o li s p r o p o s e di nt h i sp a p e r a n dc o m b i n i n gw i t hs p e c i f i cd i f f i c u l t yo ft r a f f i c ，w er e s e a r c h t h ek e yp r o b l e m so ft r a f f i cc o n t r o ls y s t e mb a s e do nw s n t h em a i nc o n t r i b u t i o n so f m yp a p e ri n c l u d e ： ( 1 ) b a s e do nt h ei d e ao fi e e e 8 0 2 1 5 4m a cp r o t o c o l ，a ne v e n td r i v e n a p p l i c a t i o nw s n m a cp r o t o c o l ( e v e n td r i v e na p p l i c a t i o nm a c ，e d a m a c ) i s p r o p o s e d i nt h i sp r o t o c o l ，an e wt i m es l o t sa s s i g n m e n ta l g o r i t h ma n dt i m es l o t s a d j u s t m e n ta l g o r i t h ma lep r e s e n t e d i nt h et i m es l o t sa s s i g n m e n ta l g o r i t h m ，t h ee v e n t w i t ht h eh i g h e s tp r i o r i t yi ss e l e c t e da sas t a n d a r dt op r e v e n tt h ec o m p e t i t i o no fl o w e r p r i o r i t ye v e n t t h i sa l g o r i t h mc a ne f f e c t i v e l yr e d u c et h ec o l l i s i o n sa n dc o n f i r m i n t e g r i t ya n dr e a lt i m eo ft h ed a t at r a n s m i s s i o n f u r t h e r m o r e ，at i m es l o t sa d j u s t m e n t a l g o r i t h mi sp r o p o s e dt oa d j u s tt h et i m es l o tn u m b e rb e t w e e nc o n t e n t i o nf r e ep e r i o d a n di n a c t i v ep e r i o d ，w h i c hc a nr e d u c et h ei d l el i s t e n i n gp e r i o d ，p r o l o n gt h es l e e p p e r i o d ，a n de f f e c t i v e l yr e d u c ee n e r g yc o n s u m p t i o n ( 2 ) a d o p t i n gt o s s i ms i m u l a t o rb a s e do nt i n y o sp l a t f o r ma n dn e s ca n d i i i 江苏大学硕士研究生毕业论文 c o m b i n gw i t hr e a l t i m ea n dl o wp o w e rc o n s u m p t i o no ft r a f f i cc o n t r o ls y s t e ma n d i n h e r e n tc h a r a c t e r so fw s n ：m u l t i m o d a l i t y , e v e n t o r i e n t e d ，p r i o r i t i z e ds i g n i f i c a n t e v e n t st r a n s m i t t e df i r s ta n ds oo n ，w ea n a l y s i sa n de v a l u a t et h ep e r f o r m a n c eo f e d a - m a cp r o t o c o lf r o mf o u ra s p e c t s ：e v e n td e l i v e r yl a t e n c y , e v e n tf a i r n e s s ，s e n s o r f a i r n e s sa n de n e r g yc o n s u m p t i o n a n dw ed ot h ep e r f o r m a n c ec o m p a r i s o n sw i t ht h e t y p i c a lw s n m a c p r o t o c o l s ( 3 ) i no r d e rt or e d u c et h ec o s to fs y s t e md e p l o y m e n ta n di m p r o v es y s t e m o p e r m i n ge f f i c i e n c y ，c o m b i n gw i t ht h ek n o w l e d g er e d u c t i o nm e t h o db a s e do nr o u g h s e tt h e o r y ，t h ed e s i g nm e t h o do ft h ea p p l i c a t i o ns y s t e mi sp r o p o s e df r o mt h en e c e s s i t y a n di n d e p e n d e n c eo ft h er e l a t i o n d ot h er e d u c t i o nt ot h er e m a i n d e rs e t su s i n gt h e k n o w l e d g er e d u c t i o nt og e tt h em i n i m a la n di n d e p e n d e n tr e m i n d e rs e t s d o i n gt h i sn o t o n l yr e d u c e st h ea m o u n to fd e p l o y m e n th a r d w a r e ，b u ta l s or e d u c e st h ea m o u n to ft h e s y s t e ms t a t e ss e t sa n ds i m p l i f i e st h ed e s i g no fc i r c u i t b e s i d e s ，t h ei n t e l l i g e n tc o n t r o l c i r c u i ti sd e s i g n e da d o p t i n gt h es t a t ed i a g r a mb a s e do nt h ef i n i t e s t a t em a c h i n e s t h e c o s to fh a r d w a r ei sr e d u c e df u r t h e ra n dt h er e a c t i o ns p e e do ft h es y s t e mi si m p r o v e d ( 4 ) b a s e do nt h ed e s i g nm e t h o do fw s na p p l i c a t i o ns y s t e m ，t h et r a f f i cc o n t r o l p r o t o t y p es y s t e mi sp r o p o s e d t h i sp r o t o t y p es y s t e mi n c l u d e sd a t a - a w a r es u b s y s t e m a n dt r a f f i cc o n t r o ls u b s y s t e m t h ed a t a a w a r es u b s y s t e ma d o p t sw i r e l e s ss e n s o r n e t w o r kt og a t h e rd a t ai nr e a lt i m e ，w h i c hh a st h ea d v a n t a g e so fe a s eo f d e p l o y m e n t ， g a t h e rd a t ai nr e a l t i m ea n do n s i t ep r o c e s s i n g t h et r a f f i cc o n t r o ls u b s y s t e ma d o p t s t h es t a t ed i a g r a mb a s e do nt h ef i n i t e s t a t em a c h i n e st oc o m p l e t et h ed e s i g no f i n t e l l i g e n tc o n t r o lc i r c u i t s t h ec o s to fh a r d w a r ei sr e d u c e df u r t h e ra n dt h er e a c t i o n s p e e do ft h es y s t e mi si m p r o v e d k e yw o r d s ：w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s ，m a cp r o t o c o l ，e v e n td r i v e n ，r o u g hs e t ， m u l t i m o d a l i t y ，k n o w l e d g er e d u c t i o n i v 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 、丁 日 徐 亿 = 一 锄 钿 签 ： 掣 年 作 币 刘 矽 论 ： 位 簸 掌 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部 内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密团。 学位做作者虢锅午 签字日期：沙f 。年月p 日 岛 加 扯 拥计 签 ：再p月， 师 期 教 目 导 字 江苏大学硕士研究生毕业论文 第一章绪论 本章主要对课题背景与意义以及无线传感器网络进行了介绍。首先介绍了课 题的研究背景及意义，随后对无线传感器网络进行了综述，并指出了无线传感器 网络所面临的技术问题。本章最后简要列举了本文的主要研究内容，并给出了本 文的章节安排。 1 1 课题研究的背景与意义 1 1 1 研究背景 智能交通系统( i n t e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i o ns y s t e m ，i t s ) 是指在较完善的基础 设施( 包括道路、港口、机场和通信等) 之上，将先进的信息技术、通信技术、 电子控制技术以及计算机处理技术相结合，使其有效地综合运用于交通运输的服 务、控制和管理的大型系统1 。其目的是使统一调度行人和车辆，极大地提高综 合交通运输效率，保障交通安全。 智能交通系统是一个复杂而庞大的系统，它具备以下四方面的特征【2 ，3 】： 1 ) 综合性：智能交通系统是由若干系统组成的综合系统，各个系统具有独 立的功能，系统涉及多个管理和技术的领域； 2 ) 协调性：智能交通系统各个子系统之间不是相对独立的，而是通过系统 之间信息的共享和交流，达到协同工作的目的； 3 ) 层次性：组成智能交通系统的各个子系统并不是对等的，而是位于不同 层次并存在控制与被控制或者协调关系，并通过这种关系实现设计目 的； 4 ) 复杂性：由于组成元素之间联系密切，导致智能交通系统结构的复杂性， 这种复杂性表现在技术上的复杂性、各个子系统之间协议和接口的复杂 性上。 如何利用有限的资源获得最优的控制效果，成为智能交通指挥系统研究的重 点。其中环境和车辆的智能感知，系统对车辆的智能调度以及现代计算机技术的 应用等方向，是目前研究的热点。 早期的交通控制主要采用基于精确数学模型的方法【4 , 5 , 6 , 7 】，难以实现对交通 的优化控制。希腊学者p a p p i s 和英国学者m a m d a n i 最早提出使用模糊控制方法实 现交通信号智能控制【s 】，在些复杂控制领域有良好的应用，但模糊建模或模糊 规则的提取，成为一个难点。随后各国学者都做了大量关于模糊控制的研究，提 江苏大学硕士研究生毕业论丈 出了改进方案【9 。1 。但这些方案采用的模糊控制规则或者过于复杂，降低了系统 的实时控制效果，或者对交通状况做了过多的简化，失去了模型的实用性。在此 基础上，杨立才等人将粗糙集理论与模糊集相结合，提出粗模糊建模的方法【l8 1 ， 此方法减少了从交警的经验直接提取模糊规则的不足，较为客观，其思想值得借 鉴，但其计算约减的复杂性随着测量数据的增多快速上升，无法达到准确控制的 效果。 目前的智能交通指挥系统侧重于对车流的宏观调度以进行整体道路交通疏 导，很少涉及针对事故易发地段具体交通问题的检测、预报与控制。最近的文献 中，d u l w j 针对城市十字路e l 的交通问题，提出了a p p m a c ：一个应用感知的面 向事件的多模无线传感器m a c 协议，实时监测异常事件，并使用声音或交通基 础通信设备向行人或司机发出警告信息，从而避免城市十字路口紧急交通事故的 发生。这为我们利用无线传感器网络来控制双向弯道处的交通问题提供了思路。 1 1 2 研究意义 无线传感器网络是一种特殊的a dh o c 网络【2 0 , 2 1 , 2 2 】，它正在给人类生活和生产 的各个领域带来深远影响，在国防军事、医疗卫生、环境监测、城市交通以及空 问探索等领域具有广阔的应用前景1 2 引。 无线传感器节点一般采用电池供电，并且工作环境往往比较恶劣复杂，电池 耗尽后不能更换，因而能量十分有限。如何提高无线传感器节点的能量有效性， 是无线传感器网络在有限的能量条件下尽可能工作更长的时间，是无线传感器网 络研究中的关键问题。无线传感器节点主要在感知、处理和通信三个方面消耗能 量。其中通信消耗能量所占比例最大，通信时节点分为四个状态：发送、接收、 空闲和睡眠。睡眠状态时节点的能量消耗远小于其它三个状态。能量有限问题己 成为影响无线传感器网络发展的“瓶颈”之一，因此能量有效性是一个非常关键 且值得研究的问题。尤其是主要负责为节点分配无线通信资源的m a c 协议对无 线传感器网络的能量有效性至关重要。 在无线传感器网络体系结构中，m a c ( m e d i u ma c c e s sc o n t r 0 1 ) 协议决定着无 线信道的使用方式，负责为节点分配无线通信资源，是保证网络高效通信的重要 协议，直接影响网络的整体性能。在传感器节点中，无线通信模块被认为是传感 器节点中能量消耗的主要所在，而且由于m a c 子层直接与物理层接口，所以m a c 协议的节能效率的好坏将严重影响网络的生命周期。 同时，双向弯道是交通常见情形，盘山公路、大型停车场门口、风景区小区 门口、地下车库入口等处都存在双向弯道。由于受到视觉范围、坡度及拐角弯度 的限制，双向弯道处的交通情况更为复杂，控制更加困难，双向弯道处成为交通 2 江苏大学硕士研究生毕业论文 控制的一个难点，易造成交通堵塞和车辆刮擦等事故。 与普通道路相比，双向弯道处的交通状况具有以下特点：第一，上坡行驶时， 前导车辆可能会由于换档而下滑，因此跟驰车辆的司机保持与前导车辆的安全距 离将会比在相同速度条件下直线上行驶的安全距离大；并且跟驰车辆对前导车辆 的加速反应迟缓，对前导车辆的减速反应灵敏；第二，下坡行驶时，前导车辆一 般情况下，坡上的速度小于坡下的速度，会加速，不会突然减速；因此跟驰车紧 随前导车辆的速度变化改变车速，比在一般情况下更灵敏，坡度对司机的跟驰起 正刺激作用；第三，当道路上车辆较少时，车辆容易发生行驶过快的情况，在转 弯处，由于拐角弯度的限制，易造成越界并与相向而行的车辆发生冲突等危险； 第四，当道路上车辆较多时，由于拐角使司机视觉受限，如果前导车辆在转弯处 突然减速，跟驰车辆的司机没有足够的反应时间，易发生堵车和刮擦等交通事故； 第五，在风景游览区和大型超市门口等地方，机动车、非机动车和行人混行，由 于行驶速度上的差别及双向弯道处对交通工具的影响，易因避让不及而发生碰撞 事故。 基于以上原因，在双向弯道这一特殊的交通情况下，需要一种便于布置、实 时感知、现场处理的智能提醒与指挥系统。该系统采用无线传感器节点来实时监 测异常事件，并及时将事件数据传送给汇聚节点。汇聚节点融合从数据采集传感 器节点传来的事件数据，并根据当前的交通状况向司机或行人发出相应的提示或 警告信息，使其提前做出应对措施，避免交通事故发生或加剧。 1 2 无线传感器网络综述 无线传感器网络( w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ，w s n ) 2 4 , 2 5 , 2 6 , 2 7 1 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，能够协作地实时监测、 感知、采集网络分布区域内的各种环境或监测对象的信息，并对这些信息进行处 理，获得详尽、准确的信息，传送给需要这些信息的用户。无线传感器网络可以 使人们在任何时间、任何地点和任何环境条件下获取大量详实、可靠的信息，真 正实现“无处不在的计算”理念1 2 引。这种网络系统可以广泛地应用于国防军事、 国家安全、环境监测、交通管理、医疗卫生、制造业、反恐抗灾等领域1 2 引。 无线传感器网络的研究起步于2 0 世纪9 0 年代末期。从2 0 0 0 年起，国际上 开始出现一些有关无线传感器网络研究的报道。但是这些研究成果大多还处于理 论研究阶段，与实际需求还有一定距离。我国在无线传感器网络方面的研究起步 较晚，一些大学最先注意到这个w s n s 的前景，开始了相关的研究工作 2 8 , 3 0 , 3 1 , 3 2 j 。 w s n 是信息感知和采集的一场革命，在新一代网络中具有关键作用。美国 3 江苏大学硕士研究生毕业论文 商业周刊认为w s n 是全球未来四大高技术产业之一，是2 1 世纪世界最具 有影响力的2 1 项技术之一。m i t 新技术评论认为，w s n 是改变世界的十大新 技术之一1 2 3 】。 无线传感器网络与传统的无线网络( 如w l a n 和蜂窝移动电话网络) 有着不 同的设计目标，后者在高度移动的环境中通过优化路由和资源管理策略最大化带 宽的利用率，同时为用户提供一定的服务质量保证。在无线传感器网络中，除了 少数节点需要移动以外，大部分节点都足静止的。因为它们通常运行在人无法接 近的恶劣甚至危险的远程环境中，能源无法替代，设计有效的策略延长网络的生 命周期成为无线传感器网络的核心问题。当然，从理论上讲，太阳能电池能持久 地补给能源，但工程实践中生产这种微型化的电池还有相当的难度i j 引。 在无线传感器网络的研究初期，人们一度认为成熟的i n t e m e t 技术加上a d h o c 路由机制对传感器网络的设计是足够充分的，但深入的研究表明1 3 4 j ：传感器网络 有着与传统网络明显不同的技术要求。前者以数据为中心，后者以传输数据为目 的。为了适应广泛的应用程序，传统网络的设计遵循着“端到端”的边缘论思想， 强调将一切与功能相关的处理都放在网络的端系统上，中间节点仅仅负责数据分 组的转发，对于传感器网络，这未必是一种合理的选择。一些为自组织的a d h o c 网络设计的协议和算法未必适合传感器网络的特点和应用的要求。节点标识( 如 地址等) 的作用在传感器网络中就显得不是十分重要，因为应用程序不怎么关心 单节点上的信息；中问节点上与具体应用相关的数据处理、融合和缓存也显得很 有必要。在密集性的传感器网络中，相邻节点问的距离非常短，低功耗的多跳通 信模式节省功耗，同时增加了通信的隐蔽性，也避免了长距离的无线通信易受外 界噪声干扰的影响。这些独特的要求和制约因素为传感器网络的研究提出了新的 技术问题。 同时，无线传感器网络中的节点通常是由能量十分有限的电池供电，具有节 点资源有限的特点，而且及时为节点充电或更换电池一般是不现实的。能量有限 问题已成为影响无线传感器网络发展的“瓶颈”之一，因此能量有效性是一个非 常关键且值得研究的问题【3 川。 1 3 本文研究的主要内容 在中国博士后科学基金特别资助项目( 2 0 0 8 0 1 3 5 7 ) ，国家自然科学基金 ( 6 0 7 0 3 11 5 ) ，8 6 3 项目( 2 0 0 7 a a 0 1 2 4 0 5 ) ，国家社科基金( 0 9 c t j 0 0 6 ) ，江苏省青蓝 工程优秀青年骨干教师项目，江苏省自然科学基金( b k 2 0 0 7 5 6 0 ，b k 2 0 0 7 7 0 8 ) ，中 国博士后科学基金面上项目( 2 0 0 7 0 4 2 0 9 5 5 ) ，江苏省博士后科研资助计划项目 4 江苏大学硕士研究生毕业论文 ( 0 7 0 2 0 0 3 b ) ，江苏大学高级人才科研启动( 0 7 j d g 0 8 0 ) ，江苏大学第八批学生科研 课题项目( 0 8 a 1 6 3 ) 的资助下，本文对无线传感器网络m a c 协议和基于粗糙集知 识约简的w s n 应用系统的设计方法进行了研究，主要内容和成果如下： l 、基于i e e e 8 0 2 1 5 4m a c 协议的思想，提出了一个事件驱动应用感知的无 线传感器网络m a c ( e v e n td r i v e na p p l i c a t i o nm a c ，e d a m a c ) 。此协议中设 计和实现了竞争时隙分配算法和时隙动态调整算法，竞争时隙分配算法选择优先 级最高的汇报事件，根据此事件的优先级作为可以汇报事件的基准，限制低优先 级事件的汇报，有效降低数据包的碰撞，保证了数据传输的完整性和实时性。时 隙动态调整算法，根据已有汇报事件的信息，动态调整非竞争周期和非活动周期 的时隙数目，减少节点的空闲监听时问，最大程度地使节点处于睡眠状态，有效 降低了节点能耗。 2 、结合双向弯道交通指挥系统的实时性和低能耗的特性以及无线传感器网 络固有特性：多模性、面向事件、优先事件传输等，我们从事件传输延迟、事件 之间传输的公平性、节点之间的公平性和能量消耗四个方面，分析和评价 e d a m a c 协议的性能，并将其与典型的无线传感网络m a c 协议进行了性能对比 分析。 3 、基于粗糙集理论的知识约简方法，给出了无线传感器网络应用系统的设 计方法。为节省提醒系统中提醒点的硬件数量，采用基于粗糙集的知识约简方法 对提醒点进行约简，获得具有最小的独立性的提醒点集合，不仅节省了提醒点硬 件部署数量，而且减少了系统状态集合的数量，简化了电路设计；用基于有限状 态机的状态图来辅助完成智能控制电路设计，进一步降低硬件造价。 4 、在无线传感器网络应用系统设计方法的基础上，给出了基于w s n 的双向 弯道交通指挥系统的原型系统。该原型系统包括感知子系统和提醒子系统两个部 分，其中感知子系统采用无线传感器网络，实时感知数据，具有便于布置、实时 感知、现场处理的优点。交通提醒子系统采用基于有限状态机的状态图来辅助完 成智能控制电路设计，进一步降低硬件造价，提高了系统反应速度。 本文的内容分为七章，具体安排如下： 第一章主要介绍课题的背景和研究意义，概述了无线传感器网络的应用领 域；阐述了本文研究的主要内容，指出了本文研究工作的意义与价值。 第二章综合介绍了无线传感器网络m a c 协议的类型以及典型的m a c 协议， 并对无线传感器网络m a c 协议的设计目标进行了分析。 第三章结合双向弯道具体应用背景和无线传感器网络的特性，设计了事件驱 动应用感知的无线传感器网络m a c 协议，提出了竞争时隙分配算法和时隙动态 调整算法，并分析了算法的复杂度。 5 江苏大学硕士研究生毕业论文 第四章介绍了本文采用的仿真环境，并从事件传输延迟、事件传输公平性、 节点传输公平性和能量有效性四个方面对e d a m a c 协议进行了评估。 第五章介绍了基于粗糙集理论的事件驱动应用感知的w s n 应用系统的设计 方法，同时结合确定型有限状态自动机原理，辅助设计了提醒子系统的控制电路 图。 第六章设计和实现了基于w s n 的双向坡道交通指挥系统，介绍了该系统的 系统部署以及用户界面情况，并对该系统进行了性能分析。 第七章对全文内容进行总结，并提出进一步研究的目标和方向。 6 江苏大学硕士研究生毕业论文 第二章无线传感器网络m a c 协议综述 目前，国内外对于w s n 的研究主要集中在网络协议、能量、定位、可靠性、 网络架构以及数据处理等问题，网络协议的研究是其中的热点之一。而作为w s n 网络协议栈重要基础架构的介质访问控制( m e d i u ma c c e s sc o n t r o l ，简称m a c ) 协议，决定着无线信道的使用方式，负责为节点分配无线通信资源，是保证网络 高效通信的重要协议，直接影响网络整体性能，成为w s n 网络协议研究的蓬中 之重f 3 6 1 。 2 1无线传感器网络m a c 协议分类 在无线传感器网络体系结构中，m a c ( m e d i u ma c c e s sc o n t r 0 1 ) 协议决定着无 线信道的使用方式，负责为节点分配无线通信资源，是保证网络高效通信的重要 协议，直接影响网络整体性制卯j 。在传感器节点中，无线通信模块被认为是传感 器节点中能量消耗的主要所在，而由于m a c 子层直接与物理层接口，即m a c 协 议的节能效率的好坏将严重影响网络的生命周期p 8 1 。 无线传感器网络与应用高度相关，研究人员从不同的方面出发提出了多种无 线传感器网络m a c 协测列j 。目前对m a c 协议有多种分类方法，如根据数据通信 类型、硬件特点、信道分配方式等策略。根据数据通信类型可分为单播协议和组 播聚播( c o n v e r g ec a s t ) 协议。前者适于沿特定路径的数据采集，有利于网络优 化，但扩展性差；后者有利于数据融合与查询，但时钟同步要求高，且数据冗余， 重传代价高。根据传感器节点发射硬件功率是否可变可分为功率固定m a c 协议 和功率控锘i j m a c 协议。前者硬件成本低，但通信范围相互重叠，易造成冲突； 后者有利于节点能耗均衡，但易形成非对称链路，且硬件成本增加。根据信道访 问策略的不同，m a c 协议可分为基于竞争的m a c 协议【3 9 , 4 0 , 4 1 , 4 2 】、基于调度的m a c 协议【4 3 掣 4 5 1 和混合m a c 协议【1 9 , 4 6 , 4 7 1 。根据信道访问的不同策略，对无线传感器网 络m a c 协议进行如下介绍。 基于竞争的m a c 协议采用按需使用信道的方式，当节点需要发送数据时， 通过竞争的方式使用无线信道，若发送的数据发生了冲突，则按照某种策略重发 数据，直到数据发送成功或放弃发送为止。基于竞争的m a c 协议对时钟同步精 度要求比较低，具有无须全局网络信息、扩展性好、易于实现的优点，其缺点是 能量消耗比较大。常见的基于竞争的m a c 协议有s - m a c 3 9 1 、t m a c l 4 0 1 、 b m a c l 4 、s i f t 4 2 】等。 7 江苏大学硕士研究生毕业论文 基于调度的m a c 协议的基本思想：是采用某种调度算法将时槽频率正交码 映射为节点，这种映射导致一个调度决定一个节点只能使用其特定的时槽频率 正交码( 一个或多个) 无冲突访问信道。因此，基于调度的m a c 协议也被称作 无冲突m a c 协议或无竞争m a c 协议。基于调度的m a c 协议具有传输冲突较低和 节省能量的优点，其缺点是扩展性差，而且时钟同步要求高。常见的基于调度的 m a c 协议有t r a m a 4 针、t d m a w 1 4 4 1 、a r d e z1 4 5 】等。 混合m a c 协议综合了基于竞争的m a c 协议和基于调度的m a c 协议的设计 思想，既保留两者的优点，又避免了各自的缺点。当时空或某种网络条件改变时， 混合协议仍表现为以某类协议为主，其他协议为辅的特性，混合协议更有利于网 络全局优化。混合m a c 协议的缺点是比较复杂，实现难度大。常见的混合m a c 协议有a p p m a c 9 1 、z m a c l 4 引、f u n n e l i n g m a c l 4 7 l 等。 此外，根据是否需要满足一定的q o s 支持和性能要求，无线传感器网络m a c 协议还可以分为实时m a c 协议、能量高效m a c 协议、安全m a c 出议、位置感知 m a c 协议、移动m a c 协议等。 2 2 典型的无线传感器网络m a c 协议 学术界提出了众多无线传感器网络专用的m a c 协议，部分协议已经在实验 环境甚至实际系统中得到了应用和验证( 如b m a c l 4 和e m a c s 4 8 】) 。我们选取 了部分较为重要的和近期提出的m a c 协议，对其核心机制、特点和优缺点等进 行了分析和比较。 2 2 1s m a c 协议 在文献【3 9 】中，w e iy e 等人提出了一个能量有效的无线传感器网络m a c 协 议，即s m a c 协议。根据信道访问策略的分类方式，s m a c 协议属于基于竞争 的m a c 协议。 s - m a c 协议采用了周期睡眠调度机制，主要设计目标是提供良好的扩展性， 降低能耗。假设通常情况下传感器网络的数据传输量较少，节点协作完成共同的 任务，网络内部能够进行数据的处理和融合以减少数据通信，网络能够容忍一定 程度的通信延迟。基本思想是：节点周期睡眠以减少空闲侦听，睡眠周期结束时 侦听信道，判断是否需要发送或接收数据。具有相同睡眠调度的节点形成一个虚 簇，既保证相邻节点调度同步，又满足可扩展性。为了避免冲突和串音，s m a c 采用与8 0 2 11 4 9 1 类似的虚拟和物理载波侦听机制以及r t s c t s 通告机制，且在控 制分组中捎带数据传输剩余时间，邻居节点据此计算n a v ，并进入睡眠状态， 8 江苏大学硕士研究生毕业论文 直到长消息发送完毕为止。 s - m a c 协议的特点是实现周期睡h 民调度，显著减少了空闲侦听，能够较好 地满足w s n 的节能需求。但s m a c 协议帧长度和占空比( d u t yc y c l e ) 固定，帧 长度受限于延迟要求和缓存大小，活跃时间主要依赖于消息速率，特别是当网络 负载较小时，空闲侦听时问过长。s - m a c 协议不适用于实时性要求较高的应用， 如健康监测、目标跟踪等。 2 2 2t r a m a 协议 在文献 4 3 】中，v e n k a t e s hr a j e n d r a n 等人提出了流量自适应介质访问( t r a f f i c a d a p t i v em e d i u ma c c e s s ，t r a m a ) 协议。根据信道访问策略分类的方式，t r a m a 协议属于基于调度的m a c 协议。 在t r a m a 协议中，所有节点首先获得一致的两条内邻居节点信息并进行时 钟同步，每个节点根据报文产生速率来计算调度周期s i ，并根据报文队列的长度， 使用自适应选择算法( a d a p t i v ee l e c t i o na l g o r i t h m ，a e a ) 选择【t ，s i q 具有两条 内最高优先权的若干个时隙，即获胜时隙( w i n n i n gs l o t s ) 。节点使用获胜时隙 发送数据，并使用位图指定接收者。最后，一个获胜时隙用于广播下一次调度信 息。 自适应选择算法( a e a ) 使用邻居协议( n e i g h b o rp r o t o c o l ，n p ) 和调度交 换协议( s c h e d u l ee x c h a n g ep r o t o c o l ，s e p ) 选择发送节点和接收节点。每个节 点u 在某一发送时隙t 内的优先权为p r i o ( u ，t ) = h a s h ( u t ) 。在某一时隙t 内，如果节 点具有两条邻居内最高优先权并且有数据需要发送，则进入发送状态；如果节点 是当前调度的指定接收方，则进入接收状态；否则，节点进入睡眠状态。 t r a m a 协议通过避免把时隙指定给无流量的节点，并让非发送和接收节点 处于失眠状态以达到节能的目的。其缺点是，进行时钟同步时存在一定的通信开 销；随机和调度访问交替进行增加了端到端的时延；协议对节点存储空f b l 干n 计算 能力的要求很高，实现难度较大。t r a m a 协适用于对实时性的要求不高，节点 计算能力和存储能力比较强的应用，如周期性数据采集和监测的无线传感器网络 应用。 2 2 3z - m a c 协议 在文献【4 6 】中，i n j o n gr h e e 等人提出z m a c 协议，z m a c 是一个针对无 线传感器网络的混合m a c 协议，该协议结合了t d m a 和c s m a 协议的优点，并且 弥补了它们的不足。 z m a c 的显著特点是，对于同步错误、时隙分配失败和信道随时间变化的 9 江苏大学