（计算机应用技术专业论文）野生动物监测中无线传感器网络路由协议的设计与实现.pdf

摘要 随着传感器技术、微电子技术、嵌入式计算技术和无线通信等技术的进步，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 s ) 得以迅猛发展，成为计算机学科的一个新领域， 具有十分广阔的应用前景。它是由部署在监测区域内，大量廉价微型的传感器节点， 以无线通信方式形成的一个自组织的网络系统，其目的是协作的感知、采集和处理网 络覆盖区域内的信息，并发送给监测者。其中野生动物监测是无线传感器网络应用的 一个重要领域。 本文以野生动物监测为应用背景，针对无线传感器网络路由在野外动物监测应用 中所遇到的问题进行研究和改进。野生动物监测中无线传感器网络路由协议设计的首 要目标是节约能源，有效延长网络生命周期。本文对现有的无线传感器网络路由协议 进行分析研究，针对这些协议存在的整体能耗高、网络生命周期短等缺点，在s e l a r 路由协议基础上，对s e l a r 路由协议进行了改进，改进后的路由协议称为e e l a r 。 在e e l a r 中，分别在转发策略和节能策略两个方面对s e l a r 进行了改进。本文主要 工作如下： ( 1 ) 针对s e l a r 的转发机制，提出了新的转发算法：当节点需要发送数据时， 遍历邻居节点路由表。根据节点的能量、位置、转发数据量等信息计算出转发代价最 小的邻居节点，然后将数据通过该节点转发出去。 ( 2 ) 针对野外长期监测的需求提出了三种节能策略：在通信模块上通过调节数据 发射功率来实现节能；在核心节点上通过简单的数据融合机制来使网络中节点间的能 耗更均衡；另外在整个网络中实行睡眠机制。通过这三种节能策略实现延长网络生命 周期的目的。 ( 3 ) 分别在n s 2 仿真平台和真实环境中对e e l a r 进行了测试，测试结果表明使 用改进后的路由协议整个网络能耗水平低、网络生存时间长、节点间能耗均衡，能充 分满足野外动物监测的需求。 关键词：无线传感器网络，路由协议，节能，野生动物监测 a b s t r a c t a st h ed e v e l o p m e n to fs e n s o r st e c h n o l o g y ，m i c r o e l e c t r o n i ct e c h n o l o g y ，e m b e d d e d c o m p u t i n gt 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 ，w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k h a v ear a p i dd e v e l o ps p e e da n db e c o m ean e wc o m p u t e ri n t e r d i s c i p l i n a r yf i e l d ，w i t hv e r y b r o a da p p l i c a t i o np r o s p e c t s w s ni sas e l f - o r g a n i z e dn e t w o r k ，w h i c hi sf o r m e do fal a r g e n u m b e ro fc h e a ps e n s o rn o d e d e p l o y e d a r o u n dt h ed e t e c t e da r e a s b yw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n i t sp u r p o s ei sc o l l a b o r a t es e n s ea n dc o l l e c tt h ei n f o r m a t i o no fi n t e r e s t i n g a r e a ，a n ds e n dt ot h eo b s e r v e r w i l da n i m a lm o n i t o ri sa ni m p o r t a n ta p p l i c a t i o no ft h e w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k b a s e do nt h ea p p l i c a t i o nb a c k g r o u n do fw i l da n i m a l s m o n i t o r ，w em a k es o m e r e s e a r c ho nt h ep r o b l e m sw h i c he n c o u n t e r e do nt h ew i l da n i m a l s m o n i t o rw h i c hi sa p p l i e d b yt h er o u t i n go fw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k t h ep r i m a r yg o a l si nt h ed e s i g no ft h er o u t i n g p r o t o c o lw h i c hw i l lb eu s e di nt h ew i r e l e s ss e n s o rn e t w o r ka r ee n e r g yc o n v e r s a t i o na n dt h e e f f e c t i v e l ye x t e n d e dl i f ec y c l eo ft h en e t w o r k i nt h ep a p e r ，w ef i r s ta n a l y z e dt h ec u r r e n t r o u t i n gp r o t o c o l sw h i c ha r ew i l d l yu s e di nt h ew i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ，t o w a r d st h ee x i s t i n g w e a kp o i n t ss u c ha sh i g he n e r g yc o n s u m p t i o na n dt h en e t w o r k s s h o r tl i f ec y c l e ，b a s e do n t h es e l a r r o u t i n gp r o t o c o lw em a d ear o u t i n gp r o t o c o li m p r o v e m e n t w ec a l lt h en a m eo f t h ei m p r o v e dm u t i n gp r o t o c o li se e l a r i ne e l a rr o u t i n gp r o t o c o lw em a d ea n i m p r o v e m e n to nb o t hf o r w a r ds t r a t e g ya n de n e r g y - s a v i n gs t r a t e g y t h em a j o rw o r k sa r e f o l l o w i n g s ： ( 1 ) t o w a r d st h ef o r w a r ds t r a t e g yo fs e l a r ，w ep r o p o s e d an e wf o r w a r d i n g a l g o r i t h m t h em a i ni d e a lo ft h en e wa l g o r i t h mi s ：w h e nt h en o d e sn e e dt os e n dd a t a , t h e n o d et r a v e lt h en e i g h b o r sr o u t i n gt a b l e sf i r s t ，a n dt h e nc h o o s ean e i g h b o rn o d et os e n do u t t h ed a t aa c c o r d i n gt ot h em i n i mf o r w a r d i n gc o s tw h i c hi sc a l c u l a t e db ys o m ei n f o r m a t i o n s u c ha sn o d e se n e r g y ，p o s i t i o na n dt h ef o r w a r d i n gd a t as i z ea n ds oo n ( 2 ) w ep r o p o s e dt h r e ek i n d so fe n e r g y - s a v i n gs t r a t e g i e sb a s e do nt h er e q u i r e m e n t so f t h el o n g - t e r mw i l dm o n i t o r i n g f i r s t ，t h r o u g ha d j u s t i n gt h et r a n s m i s s i o np o w e ro nt h e c o m m u n i c a t i o nm o d u l ew ea c h i e v et h eg o a lo fe n e r g y - s a v i n g s e c o n d ，t h r o u g hs i m p l ed a t a i i f u s i o nm e c h a n i s mo nt h ec o r en o d e ，w em a k et h ee n e r g yc o n s u m p t i o na m o n gt h en o d e si n t h en e t w o r km o r ee q u a l l a s t ，w ec a r r yo u tt h es l e e pm e c h a n i s mi nt h ew h o l en e t w o r k a f t e rt h r o u g ht h et h r e ek i n d so fe n e r g y - s a v i n gs t r a t e g i e sw ee x t e n d e dt h en e t w o r k sl i f e c y c l e ( 3 ) w eh a v et e s t e dt h ee e l a rb o t ho nn s 2s i m u l m i o np l a t f o r ma n dr e a le n v i r o n m e n t ， t h et e s tr e s u l ts h o w st h a tt h ei m p r o v e dr o u t i n gp r o t o c o l sn e t w o r kh a v eal o we n e r g y c o n s u m p t i o n ，l o n gn e t w o r ke x i s t i n gt i m ea n db a l a n c e de n e r g yc o n s u m p t i o na m o n gn o d s a n da l lo ft h e s ec a nf u l l ys a t i s f yt h en e e d so fw i l da n i m a l sm o n i t o r i n g k e yw o r d s ：w s n ，r o u t i n gp r o t o c o l ，e e l a r ，e n e r g yr e s e r v e ，w i l da n i m a lm o n i t o r i i i 西北大学学位论文知识产权声明书 本人完全了解西北大学关于收集、保存、使用学位论文的规定。学校 有权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。本人允许 论文被查阅和借阅。本人授权西北大学可以将本学位论文的全部或部分内 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。同时授权中国科学技术信息研究所等机构将本学位论 文收录到中国学位论文全文数据库或其它相关数据库。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：量细指导教师签名： 西北大学学位论文独创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，本论文不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得西北大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我 一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示谢意。 学位论文作者签名： 王钢 渺1 年月阳 西北人学硕上学位论文 1 1 课题背景 第一章绪论 随着微机电系统( m i c r o e l e c t r o m e c h a n i s ms y s t e m ，m e m s ) 、片上系统( s o c ， s y s t e mo nc h i p ) 、无线通信和低功耗嵌入式技术的迅猛发展，无线传感器网络( w i r e l e s s s e n s o r n e t w o r k s ，w s y ) 作为一种新的无线通信网络应运而生，并以其廉价、微型、低功 耗、多功能和自组织等特点为信息感知世界带来了一场变革。无线传感器网络( w s y ) 是 指在特定环境中部署的大量功能相同或不同的无线传感器节点并以无线通信方式组织 成的网络。它被麻省理工学院的技术评论杂志( t e c h n o l o g yr e v i e w ) 评为对人类未来 生活产生深远影响的十大新兴技术之首【1 】，必将会对人类未来的生活方式产生巨大影响。 无线传感器网络具有众多类型的传感器，可探测包括地震、电磁、温度、湿度、噪声、 光强度、压力、土壤成分、移动物体的大小、速度和方向等周边环境中多种多样的现象。 基于m e m s 的微传感技术和无线联网技术为无线传感器网络赋予了广阔的应用前景。 这些潜在的应用领域可以归纳为：动物监测、文物保护、智能家居、建筑物状态监控、 城市交通、空间探索、大型车间和仓库管理等领域。 无线传感器网络作为一个多学科高度交叉的新兴前沿热点研究领域，备受当前国际 上各大研究机构的关注。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矶分 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。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，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， 它引起了各国军事部门、工业界和学术界越来越多的关注。2 0 0 4 年第7 期的i e e e ( ( s p e c t r u m ) ) 杂志发表专辑，论述w s n 的发展和潜在的广泛应用。可以预见，无线传 感器网络的发展和广泛应用，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。 与传统的无线网络( 如w l a n 和蜂窝移动电话网络) 不同，无线传感器网络的主 要设计目标是如何设计合理的路由转发及节能策略从而延长整个网络的生存周期。在传 感器网络中除了少数节点需要移动以外，大部分节点不能移动，且由于节点一般都部署 在常人无法接近的恶劣甚至危险的环境中，能源无法及时更换。这点在实际的传感器监 测系统设计中是必须首要考虑的问题。其次传感器网络是与具体应用相关的网络，不同 第一章绪论 的应用背景对传感器网络的要求不同，其硬件平台、软件系统和网络协议必然有很大差 别。本文以野生动物监测为应用背景，针对无线传感器网络在野外动物监测应用中所遇 到的路由问题进行研究和改进。 1 2 研究的目的和意义 无线传感器网络所蕴含的巨大发展潜力，己经引起了世界许多国家的军事部门、工 业界和学术界的极大关注。美国国防部和各军事部门都对无线传感器网络给予了高度重 视，提出了c 4 i s r 计划【2 】，强调战场情报的感知能力、信息的综合能力和信息的利用能 力，把无线传感器网络作为一个重要研究领域，设立了一系列的军事传感器网络研究项 目。美国自然科学基金委员会制定了无线传感器网络研究计划，并投巨资支持相关基础 理论的研究。许多信息工业界的巨头公司如美国的微软公司、英特尔公司也开始了无线 传感器网络方面的工作，纷纷设立并启动相应的行动计划。英国、意大利、日本、巴西 等国也对无线传感器网络表现出了极大的兴趣，陆续展开了在该领域的研究工作。 路由协议对无线网络通信来说具有至关重要的作用，它通过高效的转发策略使传感 器节点采集到的数据能及时可靠的传输到目的端。但是传统的无线通信协议并不能直接 应用在无线传感器网络上，必须针对无线传感器网络的特点设计出新的合适的路由协 议。美国的各大研究机构如麻省理工学院、康奈尔大学、南加州大学相继对无线网络路 由协议进行研究，先后提出了几种新的适合无线传感器网络的路由协议，如d i r e c t e d d i f f u s i o n 3 1 、s p i n e 4 1 、t e e n 5 1 、l e a c h 6 1 、g e a r 7 1 、g p s r f 8 1 等 我国对无线传感器网络的研究几乎与发达国家保持同步，2 0 0 1 年成立的微系统研 究与发展中心在无线传感器网络方向上陆续部署了若干重大研究项目。包括上海微系统 所、声学所、微电子所、半导体所、电子所、软件所以及中国科技大学等1 0 余个研究 所和高校，经过几年的努力，已经初步建立了传感器网络系统的研究平台，在无线智能 传感器网络通信技术、微型传感器、移动机站和应用系统等方面取得了很大进展。 虽然国内外都掀起了对无线传感器的研究高潮，但现有的研究大都集中在通用领 域，针对实际应用中碰到的问题，所做的研究工作还是比较少。野生动物监测是无线传 感器网络的一个重要应用领域，将传感器网络部署在自然保护区或野生动物栖息地，可 实现对野生动物栖息地环境、野生动物行为、数量等数据的采集，为野生动物的保护和 研究工作提供第一手的研究资料，其次传感器网络还可实现对偷猎、滥杀野生动物的行 为进行监测。这样既能提高野生动物监测的水平又能节省人力物力，降低劳动强度。 2 西北大学硕士学位论文 由于针对野生动物的监测是一个长期的过程，需要监测的区域又大多条件比较恶 略，监测人员难以到达，布置在动物栖息地的节点能量势必无法得到及时补充，所以节 能和高效是野生动物监测中对无线传感器网络路由协议设计的首要要求。本文将重点研 究无线传感器网络在野生动物监测应用中的低能耗路由协议技术。 1 3 本文工作 本文的研究工作主要为针对野生动物监测的特殊需求，设计了一种专门应用于该领 域的无线传感器路由算法。无线传感器路由协议的设计必须与具体应用相关，而野外动 物监测首要考虑的问题是节能，本文在研读了大量关于传感器路由协议和野外动物监测 的参考文献的基础上，提出了一种基于地理位置的、节能的适用于野生动物监测的无线 传感器路由协议，主要内容如下： 1 ) 针对野外动物监测的特点，改进了s e l a r 路由协议的转发策略，提出了一种基 于地理位置信息的路由协议e e l a r ，改进后的转发策略依据邻居节点能耗和距 离实现数据转发，在一定程度上均衡了节点间能量的消耗，改善了整个网络的 能耗性能。 2 ) 针对野外长期监测的特殊需求，在改进转发策略的基础上，又在e e l a r 协议中 引入了三种节能策略：( 1 ) 调整节点发射功率，节点间使用多条短距离的通信方 式；( 2 ) 在网络中的核心节点上实行数据融合策略，均衡核心节点和边缘节点间 的能量消耗；( 3 ) 整个网络中引入睡眠机制，节点在数据采集的间隙进行睡眠状 态。 3 ) 在t i n y o s 2 0 操作系统平台上，用n e s c 语言对e e l a r 协议进行了设计和实现。 将e e l a r 协议按功能划分为四大模块：路由转发表建立和维护模块、路由转发 模块、睡眠模块、数据融合，然后分别实现了各功能模块。 4 ) 在模拟和真实环境下分别对e e l a r 协议的相关性能进行了测试分析。首先在 n s 2 下对s e l a r 和改进后的e e l a r 协议在能耗方面进行了对比。然后依据动 物监测的特殊要求，在真实环境中，利用3 0 个m i c a z 节点对e e l a r 协议的相 关性能进行了测试。 3 第一章绪论 1 4 论文组织 本论文分为六章，基本内容如下： 第一章首先介绍了本课题的背景，阐述了本课题的研究目的以及意义。本文主要 研究野生动物监测中无线传感器路由协议的设计与实现。 第二章介绍了无线传感器网络的基础知识及在野生动物监测中的应用。 第三章将主题集中在本文的主要研究内容一路由协议这一关键技术上。对现有 的一些路由协议进行了比较分析，并根据国内外相关的研究进展提出对本文应用背景具 有重要意义的相关算法和思路。 第四章详细描述了用于野生动物监测的w s n 路由协议e e l a r 的主要思想，包 括建立维护路由转发表、数据转发策略、节能策略等。 第五章是在m i c a z 节点和t i n y o s 2 0 操作系统平台下，对e e l a r 路由协议进行 了具体的设计和实现。 第六章分别在n s 2 和真实环境中对e e l a r 协议的性能进行了测试和分析。 最后对本文所做的工作进行了总结并探讨了下一步应开展的研究工作。 4 西北大学硕j ：学位论文 第二章w s n 及野生动物监测应用概述 2 1 无线传感器网络的定义 无线传感器网络是对传统计算机网络的一种拓展，也是传感器节点与无线自组网技 术相接合的一种新型网络。同时，无线传感器网络也是随着现代无线通信技术的快速发 展的条件下，向智能化、微型化发展的一种产物【9 】【1 0 】【l l 】。 与传统的无线通信网络不同，一个典型的传感器网络主要由传感器节点、基站节点 ( s i n k ) 、互联网、自组网或卫星、后台站点等部分组成。传感器节点一般通过人工放置、 随机抛洒等方式部署，节点间必须通过无线自组织的方式建立起拓扑结构，采集到的数 据以多跳的方式传送到s i n k 节点，再由s i n k 节点发送到后台p c 进行处理。 传感器网络中，普通节点受资源所限一般通信半径较小，与之不同s i n k 节点则具 备较强的通信能力，能源一般不受限制，可以把数据发送到远程终端。s i n k 节点还可以 通过网关设备与i n t e m e t 或通信卫星相连，通过i n t e m e t 或通信卫星实现任务管理节点与 传感器之间的通信【1 2 j 。 2 2 无线传感器网络的体系结构 2 2 1 无线传感器网络的网络体系结构 常见的无线传感器网络体系结构如图2 1 所示。传感器节点具备数据采集、无线通 信，处理计算的功能，节点既是信息的发起者，也是信息的转发者。节点将采集到的数 据通过网络自组织和多跳路由的方式传送到网关节点，网关节点可使用如i n t e m e t 、卫 星或移动通信网络等多种方式与外部网络通信，网络规模较大时可以使用多个网关。传 感器节点由于受到体积、价格和电源供给等因素的影响，通信距离较短，只能与通信范 围内的邻居节点交换数据，要访问通信范围以外的节点，则必须使用多跳路由。因此为 了保证网络中节点间的连通性，节点在部署时应该具备一定的密度。 5 第_ 二章无线传感器网络概述 节点 图2 1 无线传感器网络体系结构图 2 2 。2 无线传感器网络的节点结构 传感器网络虽然因为具体的应用在设计时会有所不同，但是其节点的硬件结构基本 上都是一样的。其典型的硬件结构如图2 2 所示：主要包括无线通信模块、能量供给模 块、计算处理模块、数据采集传感模块四个组成部分【1 3 】。节点能源主要靠自身携带的干 电池供应，因此能源极为有限。这就要求，首先在硬件设计时，应尽可能的使用低功耗 的元器件，在没有通信任务的时，应切断通信模块电源：其次在软件设计方面，各层与 通信相关的协议都应该以节能为中心，必要时应该与一定的节能策略相结合。 图2 - 2 无线传感器网络节点结构图 2 3 无线传感器网络的特点 通过上述对传感器网络节点结构以及网络结构的介绍可知与传统网络相比传感器 网络具有以下特点1 1 4 】【1 5 】： ( 1 ) 电源能量有限 传感器节点是一种微型的嵌入式设备，受价格、体积等条件的限制，其所携带的电 源能量有限。节点能源一般由随机携带的电池供应，电池容量有限，并且在一般工作在 6 西北大学硕十学位论文 复杂恶劣的环境中电池一般不可更换。 ( 2 ) 计算能力有限 传感器网络中的节点一般都具有嵌入式处理器和存储器，具备一定的计算处理能 力。但是受体积、成本及能量的限制，节点处理器和存储器的能力和容量有限。如何利 用有限的计算及存储能力，来应对实际应用中复杂的信息收集和处理工作是传感器网络 实际应用中的又一大挑战。 ( 3 ) 自组织 与传统网络不同，无线传感器网络可以在任何时间地点，不需要任何网络基础设施 即可快速构建一个对目标区域进行监控的无线通信系统。其典型的部署方式为将传感器 节点随机抛洒在目标区域。这就需要传感器网络能够自己进行运行、维护和管理等工作， 通过自组织方式自动形成一个无线通信监测网络。 ( 4 ) 网络动态性强 实际应用中，无线传感器网络拓扑结构会不断的发生变化，这主要包括：部分节点 能源耗尽或节点正处于睡h 民状态；监测区域的改变或者新的节点的加入；一些特殊应用 中节点具备一定的移动性。因此无线传感器网络应该具有动态拓扑重构的能力。 ( 5 ) 传感器数量大、分布范围广 实际监测中，传感器节点需要大面积部署，节点数量大、分布广，这使得整个网络 比较难以维护，因此传感器网络的在设计时必须具备一定的健壮性和容错性。 2 4 无线传感器网络的节能策略 无线传感器网络是一种能源受限的网络，网络中节点通常是通过自身携带的能量有 限的干电池供电，而传感器的工作环境又通常是复杂、危险和人不方便到达的，通过更 换电池的方式补给能量是非常不现实的。因此在根据具体应用设计传感器网络时，应考 虑如何能合理高效的使用有限的能量，最大长度的延长网络的生命周期。目前传感器的 节能策略主要分为硬件和软件两个方向，下面我们介绍几种和本文算法相关的节能策 略，包括：通信模块的节能策略、路由协议上的节能策略 1 6 】【17 1 。 2 4 1 通信模块的节能策略 传感器的无线通信模块共有四种状态：发送、接收、空闲和睡眠，不同状态下节点 的能量消耗是不一样的，如图2 3 所示： 7 西北人学硕士学位论文 2 5w s n 在野生动物监测中的应用 2 5 1 野生动物监测的意义 野生动物是指“生活于野外的非家养动物 【1 9 】，其生存与发展维系着整个生态系统 的平衡与稳定。众所周知，生态平衡、人与自然和谐发展是实现人类社会可持续发展的 一个重要保证。但是目前由于环境污染、人类的短视以及一些无节制的开发行为，很多 珍贵的野生动物资源正在逐渐流失，其生存现状令人堪忧。野生动物监测是指对野生动 物栖息地、野生动物行为、生存状态等方面的监测，其目的是实时收集野生动物相关数 据，利用这些数据进行统计、分析从而为野生动物保护提出相应的决策信息。 野生动物监测作为环境监测的部分，业已引起了国内外越来与多的关注，许多野 生动物保护和监测国际组织相继成立，有关的重要国际公约相继签署：1 9 4 8 年世界自然 与自然保护联盟( c n ) 成立，其主要任务之一就是对野生动物进行监测；1 9 7 5 年联合 国环境规划署( u n e p ) 开始对全球范围的空气、水和食物的质量进行监测，并建立了全球 环境监测系统，该系统负责对全球范围的兽类状况、鸟类状况、濒危物种贸易、国家公 园与保护区进行监测。此外，开展野生动物监测的国际组织还有世界自然基金会、国际 鹤类基金会、世界雉类协会、濒危野生动植物种国际贸易公约、保护野生动物迁徙物种 公约等等。我国野生动物监测起步较晚，但发展很快。中国2 1 世纪议程林业行动计 划中提出，建立中国森林生物多样性和野生动植物调查与监测体系，完善全国编目， 实现监测手段现代化；建立与完善全国森林生物多样性和野生动植物监测中心站，各省 建立森林生物多样性和野生动植物监测站；建立全国统一的监测标准和方法。目前为止 我国已建立1 11 8 处自然保护区，1 0 0 2 个森林公园，1 8 个鸟类环志站，1 1 个森林生态系 统定位站及6 4 个生态定位研究站，我国野生动物监测网络已经基本形成，监测工作逐 步步入正轨。 2 5 2 现有野生动物的监测手段 野生动物的保护不仅需要建立、健全相关政策法规，建立自然保护区，提高保护意 识，而且还应该从加强对野生动物的监测做起，但是目前我国野生动物监测的手段还有 待加强。野生动物监测的关键在于连续获得监测范围内某种动物的数量及有关资料。目 前国内外野生动物监测的方法主要有截线法、定点计数法、遇见率法及问卷调查法【2 0 】 在占 守o ( 1 ) 截线法：即在野生动物栖息地上选取若干地理样线，每年的特定季节和时间在样 9 第二章无线传感器网络概述 线上进行监测，对动物数量统计，这是动物监测最常用的方法之一。其中影响统 计结果的主要因素有计数时段、行走速度、一天或一年中计数时间、天气状况、 计数者的经验等等。 ( 2 ) 定点计数法：定点计数法是指在动物栖息地内选取一系列记录点，然后记录在记 录点上出现的动物及其距离。该方法是北美鸟类监测最常用的方法，也是鸟类数 量估计的标准技术。对每一个物种来说，确定有效观测距离非常重要，超出该距 离，就观察不到动物。通过记录观察到的动物，估计动物的数量密度，然后绘制监 测区域内野生动物的分布图。该方法对于监测动物的分布和相对数量变化非常有 用，但该方法需要大量的监测人员参与。 ( 3 ) 遇见率法：定期对动物栖息地进行调查，统计动物的遇见率也是种监测的方法。 英国鸟类信托基金会主持的常见鸟监测项目就采用了这一方法。 ( 4 ) 问卷调查法：问卷调查法是国外监测狩猎动物的一种常用方法。通过对猎人、猎 场住反馈的猎物的种类、年龄等信息的分析可对狩猎动物的种群趋势进行估计。 尽管猎物数量与实际密度并不成直线关系，但它对监测动物年度变化和变动趋势 提供了有效依据。 ( 5 ) 遥感技术：遥感技术是一种新兴的监测手段，可实现对野生动物的数量、种类、 动态及其分布规律的监测。其基本原理是根据电磁渡的理论，应用现代技术不直 接与研究对象接触，从高空或远距离，通过传感器对研究对象的特性进行量测的 方法。应用遥感技术进行野生动物调查最大的特点是迅速、准确，能及时地监测 野生动物生境的动态变化和编制野生动物信息图。 综上所述目前在野生动物监测方面主要还是以传统人工监测的方法为主，这种方法 工作量大，监测效率低，并且由于人为因素造成数据失实和缺乏实时性的事件时有发生， 严重影响了动物保护部门做出管理决策的可靠性。遥感技术的运用虽然是一种较为现代 化的监测方式，但其成本较高、受环境影响较大，只能对野生动物进行大致上的监测。 其次，对监测数据的存储和管理，共享性不够，数据利用率低。大多针对野生动物的监 测数据缺乏专门的数据库存储和综合展示系统，使得监测数据成为一个信息孤岛，即不 利于动物监测部门之间的信息共享，也不利于动物保护意识的宣传。 因此，传统的动物监测手段已经不能够满足当前的需要，如何利用现代化手段对野 生动物进行监测是野生动物保护面临的巨大挑战。无线传感器在这个领域具有无与伦比 的优越性，通过将传感器网络部署在野生动物栖息地，传感器节点便可实时的采集栖息 1 0 西北大学硕上学位论义 地的温度、湿度、光照、声音等信息。这些信息通过无线传输经f l a s i n k 节点便可汇聚到 后台p c 端，动物监测人员通过对数据进行分析即可提出有针对性的保护措施。因此，将 无线传感器网络用于野生动物监测领域，既能提高野生动物监测的水平又能节省人力物 力，降低劳动强度。 2 5 3w s n 在动物监测中现有的应用 目前国内外已经有一些关于传感器网络在动物监测方面的应用，以下是一些具体案 例： 加州大学伯克利分校利用无线传感器网络监测大鸭岛的生态环境2 1 1 ，在岛上部署了 3 0 个传感器节点。传感器节点采用伯克利分校自己研发的m i c am o t e 节点，包括监测环 境所需的温度、光强、湿度、大气压力等多种传感器。系统采用分簇型网络结构，传感 器节点将采集的环境数据传递到簇首，簇首再传输给汇聚点最后到达数据库，用户或管 理员可以通过i n t e m e t 远程访问监测区域。 加州大学在南加利福尼亚s a r d a c i n t o 山建立了可扩展的无线传感器网络系统f 2 2 1 ，主 要监测局部环境条件下小气候和动植物的生态模式。监测区域( 2 5 公顷) 分为1 0 0 多个 小区域，每个小区域包含各类型的传感器节点，该区域的网关负责传输数据到基站，系 统由多个网关，经由传输网络连到i n t e r n e t 互联网。 澳大利亚的新南威尔士大学利用无线传感器网络跟踪一种名为c a n e t o a d 的蟾蜍， 该系统主要通过采用采集蟾蜍特有的声音频率来了解它们在澳大利亚的分布情况【2 3 1 。 文献1 2 4 利用无线传感器网络系统监测牧场中牛的活动，目的是防止两头牛之间相 互争斗。由于系统中节点是动态的，所以要求采用无线通信模式和高数据速率。 上述案例表明在野生动物监测领域，无线传感器网络是一种现代化的、高效的监测 手段，可以替代传统的监测手段。 2 6 本章小结 本章首先介绍了无线传感器网络的基础知识，包括无线传感器网络的定义、网络体 系结构、无线网络的特点，以及几种与本文所述路由算法相关的几种无线传感器的节能 策略。其次介绍了w s n 在动物监测领域中的相关应用。 第三章无线传感器网络路由协议的研究 第三章无线传感器网络路由协议的研究 3 1 无线传感器网络路由协议概述 无线传感器路由协议是当今国内外研究的热点，它是w s n 网络层的核心技术。与 传统网络及移动自组织网a dh o c 不同，无线传感器网络的路由协议有其自身的特点。 路由协议主要负责在源节点和目的节点间的寻找转发路径，将数据分组沿着优化的路径 正确转发到目的节点。传统网络如a dh o c 、无线局域网等路由协议设计的主要目标是如 何提供高质量的服务和公平高效地利用网络带宽，路由协议的主要任务是寻找源节点到 目的节点间网络通信延迟最小的路径，提高网络的利用率避免拥塞，均衡网络流量，能 耗问题并不是这类网络考虑的重点。而在无线传感器网络中，通信节点一般能量有限， 路由协议必须在能量受限的情况下工作，同时由于网络中节点数目很大，节点只能获取 局部的拓扑结构信息，路由协议需要在仅能获取局部网络信息的基础上选择合适的转发 路径【2 5 】。此外，传感器网络还具有很强的应用相关性，不同应用中的路由协议可能差别 很大，没有一个通用的路由协议。传感器网络的路由机制还经常与睡眠机制、数据融合 技术等结合一起，以减少节点监测时的能量消耗。因此传统的无线网络的路由协议并不 适用于无线传感器网络。 3 2 无线传感器网络路由协议的关键技术问题 w s n 具有广阔的前景，但是受其硬件条件所限，在实际大规模应用中还存在许多 需要克服的问题，设计一个w s n 路由协议面临的问题和挑战主要有以下几个方面【2 6 】： ( 1 ) 无线传感器网络节点能量受限使节能成为路由协议最主要的优化目标 能量受限主要是指节点能量贮备低，而且能源一般不能及时补充。传感器网络中的 节点通常都是一次部署、独立工作，所以能量方面可维护性低，且传感器网络又往往要 求长时间工作，这是一个矛盾的问题。在传感器节点工作的过程中，大部分能量都被无 线通信部件消耗，通信功耗占了节点能耗的绝大部分。因此研究低能耗的通信协议特别 是路由协议极为迫切。 ( 2 ) 传感器网络拓扑变化性强，路由协议必须具备一定的扩展性【2 7 j 传感器网络中拓扑的变化主要是由节点通信冲突、节点移动及节点失效等情况引起 的。当网络规模较大时，整个网络的拓扑就会频繁变化，这就意味着路由协议的收敛需 1 2 两北人学硕士学位论文 要更长时间，网络管理的难度更大，路由协议的稳定性变差，从而导致整个网络性能的 下降。传统的路由协议并不能适应这种快速的拓扑变化，这就需要设计能适应高度拓扑 变化又不引入过多的协议开销及过长路由延时的路由协议。在w s n 中一般采用局部优 化的办法来建立路由，这样可避免过大的路由开销。 ( 3 ) 传感器路由中使用数据融合技术 与传统网络不同，传感器网络的目的只是为了获取有效的信息，并不需要实现端到 端的分组传输。同时由于数据冗余性的存在，感知节点没有必要将数据原封不动的传送 到中心处理节点( s i n k ) ，只要有效数据最终汇集到s i n k 节点就达到目的了。实际传感器 网络的运行中为了减少流量和能耗，在传输过程中一般在转发节点少采用相应的数据融 合技术，将不同节点间的数据进行融合再转发给下一跳节点。这就需要路由协议进行相 应的调整。 ( 4 ) 传感器网络中的数据流量分布不均衡 传感器网络是一个数据采集网络，周边节点的数据都要经由中转节点汇集到s i n k 节点，流量分布极不均衡。这种流量分布特点造成的结果是，核心节点即距离s i n k 节 点较近的节点，数据流量高，节点负载较重，其寿命也就越短。这种流量分布的不均衡 造成了节点间能耗的不均衡，直接导致了网络生存时间的缩短。 3 3 无线传感器网络路由协议的设计要求 在对传感器网络和传统网络的特点进行对比分析的基础上，针对传感器网络路由机 制的特点，在根据具体应用设计路由协议时，应满足下列传感器网络路由机制的要求 2 8 】： ( 1 ) 能量高效： 传感器网络的低能量特点使节能成为路由协议设计的最重要要求。传感器网络 路由协议不仅要选择能量消耗小的消息传输路径，而且要从整个网络的角度考虑， 选择使整个网络能量消耗均衡的路由。因此，传感器网络路由协议的设计要求协议 能够均衡网络中节点的能量损耗，将网络总能耗均匀的分布到各个节点上。 ( 2 ) 鲁棒性： 能量耗尽或环境因素造成传感器节点的失效，周围环境影响无线链路的通信质 量以及无线链路本身的缺点等，这些无线传感器网络的不可靠特性要求路由机制具 有一定的容错能力。 ( 3 ) 简单性： 1 3 第三章无线传感器网络路由协议的研究 传感器节点计算、存储、通信能力都十分有限，而节点又要承担采集和转发数 据的重任，过于复杂的路由协议在实际中并不适用。因此路由协议的设计应该本着 简单高效的原则。 3 4 无线传感器网络路由协议的分类 无线传感器网路路由协议主要负责将节点收集到的信息通过中继节点可靠的传输 到s i n k 节点，以及将后台的控制信息由s i n k 节点转发的各个监控节点。由于无线传感 器网络的设计必须与具体的应用紧密结合，故单一的路由协议并不能满足各种多样的应 用需求，因此人们提出了众多的路由协议。针对无线传感器网络路由协议的分类基本延 续了传统a dh o c 网的分类方法，根据不同的角度可以进行不同的分类。由于在实际中， 研究人员经常组合多种策略来设计路由，故同一种路由协议可分属不同类别。 可以将现有的无线传感器路由协议分为四类【2 6 】【2 9 】f 3 0 1 3 1 】：以数据为中心的路由协议、 基于集群结构的路由协议、基于地理位置( g e o g r a p h i c ) 信息的路由协议以及基于q o s 的 路由协议。 3 4 1 以数据为中心的路由协议 以数据为中心的路由协议对感知到的数据按照属性命名，对相同属性的数据在传输 过程中进行融合操作，减少网络中冗余数据的传输。这类协议同时继承了网络层的路由 任务和应用层数据管理的任务。 s p i n 4 i 协议是一种以数据为中心的自适应路由协议。该协议考虑到了w s n 中的数 据冗余问题，即位置相近的节点所感知的数据具有相似性。s p i n 协议中提出元数据的 概念，通过节点间协商的方式减少网络中数据的传输量。节点只广播其他节点所没有的 数据以减少冗余数据，从而有效减少能量消耗。 定向扩散协议【3 1 ( d d ，d i r e c t e dd i f f u s i o n ) 是一种基于查询的路由算法，和传统的路 由算法不同，d d 算法是一种基于数据相关的路由算法，s i n k 节点周期的通过洪泛的方 式广播一种称为“兴趣”的数据包，告诉网络中的节点它需要收集什么样的信息。“兴趣” 在网络中扩散的时候同时也建立了路由路径，采集到和“兴趣”相关的数据的节点通过 “兴趣”扩散阶段建立的路径将采集到的数据传送到s i n k 节点。 3 4 2 集群结构的路由协议 集群结构的路由协议重点考虑了路由算法的可扩展性，其主要特征是将传感器节点 1 4 西北人学硕士学位论文 按照特定规则分为多个集群，通过该集群的头节点( c l u s t e rh e a d e r ) 汇集群内感知数据或 者转发其他集群头节点的数据。具体可细分为以下两种模式： 单层模式：指路由协议仅对传感器节点进行一次集群划分，通常假设每个结群头节 点能直接与s i n k 节点通信。 多层模式：指路由协议将对传感器节点进行多次集群划分，即集群头节点将再次集 群划分。 l e a c h t 6 1 ( l o w e n e r g ya d a p t i v ec l u s t e r i n gh i e r a r e h y ) 是最早提出的分层路由算法， 其基本思想是，网络周期性地随机选择簇头节点，其他非簇头节点以就近原则加入相应 的簇头