基于LEACH协议的无线传感器网络混合路由协议的研究.doc

基于LEACH协议的无线传感器网络混合路由协议的研究 全日制硕士学位论文申请人姓名梅茜指导教师许合利学位类别工学硕士专业名称计算机应用技术研究方向计算机网络技术河南理工大学计算机科学与技术学院二一三年六月于基于LEACH协议的无线传感器网络混合路由协议的研究Research onHybrid RoutingProtocol forWireless SensorNetworks Basedon LEACHProtocolTP393密级公开UDC004单位代码10460基于LEACH协议的无线传感器网络混合路由协议的研究Research onHybrid RoutingProtocol forWireless SensorNetworks Basedon LEACHProtocol申请人姓名梅茜学位类别工学硕士专业名称计算机应用技术研究方向计算机网络技术导师许合利职称教授提交日期xx-04答辩日期xx-06河南理工大学学河南理工大学明学位论文原创性声明本人郑重声明所呈交的学位论文基于LEACH协议的无线传感器网络混合路由协议的研究，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，不包含任何其他个人或集体已经公开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。 本人愿意承担因本学位论文引发的一切相关责任。 学位论文作者签名:年月日河南理工大学学位论文使用授权声明本学位论文作者及导师完全了解河南理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权保留和向有关部门、机构或单位送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅，允许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和传播，允许采用任何方式公布论文内容，并可以采用影印、缩印、扫描或其他手段保存、汇编、出版本学位论文。 保密的学位论文在解密后适用本授权。 学位论文作者签名导师签名年月日年月日日致谢时光转瞬即逝，三年的研究生生活即将拉下帷幕。 回首这三年的求学历程，心中感慨颇多。 我由最初基础理论知识不扎实、专业技能不突出到如今能独立完成本课题中相关的研发工作，这一切成长都离不开导师的教导、亲人的支持、朋友的帮助。 在论文即将完成之际，我要向所有关心和帮助过我的导师、亲人、朋友致以最诚挚的感谢。 首先要感谢我的导师许合利教授，在我研究生求学期间，从生活和学习等各方面都给我悉心的教导和关怀。 从课题的选择到最终论文的完成，许老师都给了我很多优秀的建议和指导，指点我从正确的方向去学习和研究。 同时，许老师严谨的治学态度、一丝不苟的科研精神、认真的工作态度都让我受益匪浅，并激励我不断进步。 其次要感谢王利红老师和各位师兄师姐们，对我在无线传感器网络方向的入门和学习给予了很大的帮助，有了你们，我才能在课题的研究上走的更远，衷心的感谢你们。 感谢在生活中一直关心我、支持我的朋友、同学，是你们陪我度过了一个个难关，一起在学习和生活中慢慢成长，因为你们，我的研究生生活变得丰富多彩，谢谢你们。 最后，我要感谢我的父母、我的家人，你们竭尽全力在物质上和精神上给予我支持和鼓励，在很多个艰难的抉择面前，是你们在身后的支持让我走到现在，谢谢你们的理解和支持。 I摘要无线传感器网络(Wireless sensorworks，WSN)技术作为一种新型的、智能的信息获取、信息处理和信息传输技术，因其自组织、可维护、无人看守、抗毁性强等特点被广泛应用于智能交通、健康医疗、军事侦察、生物研究等各行各业，受到越来越多的专家和组织机构的重视。 但是由于传感器节点电池能量有限、通信能力有限、计算和处理能力有限，使得能耗优化问题成为WSN技术的重点研究问题。 而在针对能耗优化提出的节能策略中，路由节能策略是解决节点能效问题的基本方法，根据实际的应用设计出合理的路由协议，能在很大程度上提高网络的能耗优化性、可扩展性、鲁棒性等。 在对路由协议的研究中，分簇路由协议因其具有拓扑控制和路由的双重功能而成为目前研究的热点问题。 本文以经典自适应分簇路由协议LEACH协议为主要研究对象，分析其不足，并通过对WSN中能耗的分析和计算，指明分簇多跳短距离通信协议对大规模WSN中节能优化的必要性，在对LEACH协议簇头选举阶段的阀值公式进行改进后，针对簇内单跳通信模式的局限性提出了采用量子遗传算法的多跳混合路由协议。 首先，本文归纳总结了WSN国内外研究现状和关键技术，并对WSN巨大的应用价值、特点、体系结构、节点结构、网络结构做了简单介绍。 为后文对WSN中能耗的分析和计算奠定理论基础。 其次，本文对WSN的能耗分析和计算进行了详细的描述，介绍了针对当前WSN能耗问题提出的几种节能策略，通过分析指明路由节能策略的重要性。 接着分类介绍了几种典型的路由协议。 再次，本文重点研究了LEACH协议的算法流程并提出了新的改进协议混合路由协议。 该改进协议在簇头竞争阶段，将节点的剩余能量、节点的邻居节点数目、节点到基站的距离三个因素考虑在内，寻找剩余能量相对较高、距离基站相对较近、邻居节点数相对较多的节点成为簇头。 在分簇完成之后，簇内节点采用量子遗传算法进行簇内通信。 最后，通过将该混合路由协议与LEACH协议、另外两种经典的LEACH改进算法进行MATLAB仿真实验，证明了混合路由协议有效的降低了节点的能量消耗，均衡了网络能量负载，延长了网络的生命周期。 无线传感器网络(Wireless SensorNetworks，WSN)1-4是由大量随机部署在监测区域的体积小、成本低、能量有限的集成有传感器、数据处理单元和通信模块的节点组成的。 网路中各节点通过无线通信的方式协同的感测、采集、处理、传送在网络覆盖区域内用户感兴趣的事件或参数信息，形成一个自组织的单跳或者多跳的网络系统。 节点中内置的各种传感器可用于针对不同应用而感测监测区域中不同的信号，从而采集到各种用户需要的数据，并通过节点的无线通信方式将这些数据通过互联网或卫星传送给用户。 由于无线传感网络具备潜在和广泛的应用价值，吸引了众多研究者从事WSN技术的研究和开发工作。 在无线传感器技术出现之前，人们已经对不同类型的有线、无线网络进行了深入研究，但由于WSN低功耗、低成本、自组织、自适应、无人值守、抗毁性强、部署迅速等特点，导致WSN与当前成熟的有线、无线网络相比具有更大的优势，能应用于各种环境特别是传统传感器网络无法部署的区域，这也决定了WSN无论是在通信协议还是工程应用方面都和传统的有线、无线网络有很大的不同。 虽然如此，一方面，传感器技术、低功率电子学以及低功率射频(Radio Frequency，RF)设计技术的发展和进步使人们已经能够开发微型的、可通过无线网络互相连接的、相对低廉的低功率传感器。 另一方面，WSN大部分被部署于环境恶劣、人员无法到达的区域，扩展了传统的传感器网络的应用范围和规模，是一种人类的物理世界与信息世界联系的新方式，因此，WSN技术引起了各国学者的重视和研究。 因为WSN巨大的应用价值，各国学者和研究机构都纷纷对其基础理论和实际河南理工大学硕士学位论文2应用做了大量研究，取得了一定的成果。 但是其中仍然存在很多技术“瓶颈”，很多关键性的技术问题并没有获得高效的解决办法。 目前，WSN中亟待解决的关键性问题就是能耗优化问题。 传感器节点体积小，因而数据处理能力、数据存储能力、电池容量都有限，而传感器节点一般是随机抛洒到具有复杂地貌的地区或人类无法接近的恶劣甚至非常危险的环境中，电池能源是无法更换的、不可以再充电和不可再生的。 因此网络中的节点常常因为电池能量耗尽而失效或被废弃，导致整个网络的寿命缩短。 虽然已经提出了大量的节能策略，但应用到具体实际中的很少，仍需要加强理论研究，并通过实地测试来验证节能策略的有效性和正确性。 目前，节能策略的研究是WSN技术的研究重点之一。 已经针对能耗优化问题从传感器节点本身和网络通信协议层的各层提出了相应的节能策略。 总体来说，对WSN的通信协议层的研究主要是针对数据链路层和网络层，通过这两层的跨层协议的研究能在很大程度上降低网络的能耗，延长网络的生命周期。 而路由协议的节能策略是对网络层的能耗优化设计中最为关键的一种，对优化网络性能有至关重要的作用。 路由协议分析与设计的核心就是通过有效的路径搜寻来减少整个网络通信的能量消耗，从而延长网络的生命周期。 目前，对WSN路由协议的研究已经有了很大的进展，先后提出了平面路由协议、分层路由协议、基于位置的路由协议、基于机会的路由协议等等。 本课题就是在这样的背景下提出的，通过分类介绍路由协议的运行流程，了解路由协议设计的要求和目标，并通过对层次型分簇路由协议的经典协议LEACH协议的研究和分析，提出比LEACH协议和其他改进算法更优良的混合路由协议，该协议在选举簇头时对LEACH协议中阀值的计算进行了改进，能有效均衡网络整体的能量消耗，并在簇内通信中引进量子遗传算法，能适用于大规模的WSN的应用，有效的降低节点的能量消耗，延长整个网络的生命周期。 1.2国内外研究现状WSN在国防军事、智能交通、环境监测、健康医疗、智能家居等很多方面都具有十分广阔的应用前景，引起了大批学者的兴趣和关注。 但是它涉及了计算机网络技术、现代传感器技术、分布式信息处理技术等多种技术，要实现WSN应用，需要解决很多关键的技术问题。 为此，许多国家和研究机构都很重视对WSN技术1绪论3基础理论和关键技术的研究。 在国外，美国是最早对WSN技术进行研究的国家，20世纪70年代末，美国军方基于对军用侦察系统的需求提出了WSN的构想。 1978年，美国国防部高级研究计划局(Defense AdvancedReaserch ProjectsAgency，DARPA)提出了分布式传感器网络计划，在卡耐基-梅隆大学组成了有多个高校组成的研究小组，对分布式传感器网络的通信和计算等问题进行了研究。 20世纪80年代至90年代末，美国军方和DARAP又联合设立了对WSN技术和系统的研究，如“智能微尘”(SmartDust)5、“无线综合网络传感器”(WINS)6、“传感器信息技术”(SensorIT)7等。 1999年，美国商业周刊杂志提出WSN是21世纪最重要的技术之一。 而美国MIT技术评论杂志认为WSN技术是未来十大新兴技术的首要技术。 2000年，美国国防部将智能传感器网络(Smart SensorWeb)列为5个国防尖端领域之一，并将其作为一项优先发展的研究计划，并相继提出和实施了“灵巧传感器网络通信”、“无人值守地面传感器群”、“战场环境侦察与监视系统”等项目。 xx年，美国今日防务杂志认为无线传感器网络技术的发展和应用将引发一场划时代的技术变革。 近年来，美国通过各种渠道包括国际自然科学基金和国防部等投入了大量资金给大学和研究机构进行无线传感器网络相关理论和应用的研究，美国政府的积极态度使得现在几乎美国所有的著名大学和研究机构都在对无线传感器网络技术进行研究和实验。 在以上各种项目的支持下，很多大学和研究所都提出了许多解决WSN技术问题的解决方案，开发出了许多可以用于实际应用的通信协议和软硬件平台，进行了大量的有关WSN应用的现场试验。 如麻省理工学院(Massachusetts Instituteof Technology)对基于知识的信号处理技术进行了大量研究。 斯坦福大学提出了在传感器网络中基于事件跟踪和传感器资源管理的对偶空间方法以及由无网连接的传感器和控制器构成的闭环控制系统的框架。 哈佛大学(Harvard University)主要对无线传感网络通信进行基础的理论研究。 加州大学伯克利分校实验室和大西洋学院在缅因州“大鸭岛”上部署了32个不同类型的传感器，并连入互联网，以此检测岛上的气候和动物的“习性”8。 同时，加州大学伯克利分校还研制出传感器操作系统(TinyOS)和感知数据库(TinyDB)。 除此之外，美国英特尔公司、微软公司以及IT公司等企业也开始纷纷设立实验室或启动项目计划开展对WSN的研究。 其中，Crossbow公司是业内领先的WSN产品供应商，目前被广泛应用的Mica、Telos和Iris等传感器节点都是由Crossbow公司提供的。 同样的，加拿大、英国、德国、日本等国家的高校和许多科研所也展开了对WSN技术河南理工大学硕士学位论文4的研究，并取得了很多研究成果。 在国内，我国也非常重视对WSN相关技术和理论的研究，在国家自然基金、 863、973等重大科研项目中都给予了很大的支持。 清华大学、中科院软件所、北京邮电大学、哈尔滨工业大学以及中科院自动化所等高等院校和研究所在较早时就开始了对WSN的研究。 中国移动、华为、中兴等大型企业也开始了对WSN的研究。 1999年，中国科学院的知识创新工程试点领域方向研究的信息与自动化领域研究报告中首次出现了WSN技术。 xx年开始，国家自然基金委员会(NFSC)陆续资助了一系列有关传感器网络的研究项目，其中包括重点项目“面向传感器网络的分布式系统关键技术协调控制理论”和“传感器网络系统基础软件及数据管理关键技术的研究”等。 xx年，我国发布了国家中长期科学与技术发展规划(xx-2020年)确认了3个前沿领域，其中两个(智能感知技术和自组网技术)与传感器网络直接相关。 xx年还同时资助了“WSN基础理论及关键技术研究”项目和10多项探索导向型项目。 xx年启动了“传感器网络嵌入式芯片设计”等目标导向型项目，针对WSN关键技术进行研究。 自xx年8月温家宝总理提出“感知中国以来”，传感器网络被正式列为国家五大新兴战略性产业之一，并写入政府工作报告。 在国家中长期科学与技术发展规划和“新一代宽带移动无线通信网”等国家重大科技专项中，都将WSN列为重点研究领域。 此外，国家科技部“十一五”计划推出了大量针对WSN应用的相关项目，促进了WSN在环境监测、卫生医疗、智能家居等方面的应用。 在大量项目的支持下，吸引了我国许多高校和研究院所的目光，针对传感器芯片、通信协议、数据融合、软硬件平台等各方面进行了一系列研究，并取得了很多研究成果。 综合来看，越来越多的学者和研究机构对WSN基础理论、关键技术、实际应用进行了深入和广泛的研究，并取得了很多显著的成果，大大的促进了WSN技术的发展。 随着理论研究成果的快速发展，一些商用的WSN软硬件已经投入实际应用，并取得了一定的效果。 1995年，美国交通部提出了“国家智能交通系统项目规划”。 该智能系统会通过WSN实时监控各道路的通行能力，并根据道路堵塞的实时状况给出驾驶员最佳的行车路线，以此缓解交通压力，另外，还能根据实时的行驶状况提醒驾驶员注意交通安全，这种新型系统预计到2025年全面投入使用。 现阶段，美国宾西尼亚州的匹兹堡市率先使用大量的传感器节点、GPS系统以及区域网络系统等资源建成智能交通系统，而且在安全、环保和经济效益等方面都取得了很好的成绩。 美国旧金山的金门大桥上部署了200个联网传感器，用于确1绪论5定大桥从一边到另一边的摆动距离。 可以通过微型计算机网络将感测到的位移信息传送到一台更强大的计算机上进行数据分析，系统可以根据与当前天气情况不吻合的异常检测值通知工程师对大桥进行检修，用以保证大桥的安全性。 美国罗彻斯特大学利用无线传感器测量智能医疗房间的居住者的生命体征、睡眠姿势和24小时的生活状况，可以实时监测患者的身体状况。 由于无线传感器能量有限、组网技术等的限制，还无法实现大规模的商业WSN的应用，但相信随着对WSN技术关键技术研究的进一步发展和完善，WSN将在各个领取取得更进一步的发展。 现阶段学者们针对无线传感器网络的能耗优化问题提出的节能策略主要是针对无线传感器节点本身和传感器网络的网络协议两方面进行的。 具体的研究现状将在第三章节能策略一节详细描述，这里不再赘述。 1.3无线传感器网络关键技术WSN技术作为当今信息技术领域的研究热点，有许多关键的理论和技术有待研究，从文献9-20可归纳出，目前主要的研究内容包括以下几点 (1)网络拓扑技术在WSN中，节点的部署一般都很密集，如果节点都以最大发射功率进行数据传输，节点的能量会很快耗尽，所以需要通过拓扑控制自动生成良好的网络拓扑结构，限定节点的邻居节点数目，有效的降低节点的能量损耗。 拓扑控制是WSN中重要的节能策略之一，将在传感器网络节能策略中详细介绍。 (2)网络协议WSN通过网络协议构建一个数据传输网络。 目前对网络协议的研究主要是网络层的路由协议和数据链路层协议。 网络层的路由协议用以搜寻能耗低的路由路径传输采集的数据，而数据链路层协议用来控制传感器节点的通信过程和工作模式，建立起WSN底层的通信结构。 (3)时间同步传感器网络系统协同工作的关键机制之一就是时间同步。 时间同步是指各个独立的节点通过不断与其他节点交换时钟信息，从而达到并保持全局协调一致的过程，也就是确保本地数据通信全局同步。 时间同步机制对WSN的节点定位、无线信道时分复用、低功耗睡眠、数据融合、路由协议等应用及服务都会产生直接河南理工大学硕士学位论文6或间接的影响。 (4)定位技术随着各种技术的发展，WSN的定位技术已经应用于一些商业、公共安全等多个领域。 比如将节点临时快速部署于火灾现场，消防人员就能根据节点的定位技术快速找到救生通道。 在这些应用中，确定事件发生的位置或者数据采集节点位置至关重要。 目前已有的定位算法可分为源定位算法、节点自定位算法和地图匹配算法。 (5)网络安全WSN是面向任务、以数据为中心的，要求网络中的节点必须同时具有信号感测、数据采集、数据传输和数据融合等功能，各个节点相互协作、协同控制，将数据最终传送给用户。 在一般的公共应用场景，安全问题显得并不重要；但在某些商业应用和军事应用的WSN中，安全问题不容忽视。 一般在这些应用中必须确保数据传输的可靠性，避免数据被窃取或者被篡改。 目前，在无线传感器网络中已经能提供一些基本的安全机制来保障数据传输的机密性，比如机密性认证、认证组播/广播问题、安全管理问题等等。 (6)数据融合数据融合是指传感器节点将邻居节点传输过来的数据进行一定的处理，剔除重复性、不一致的数据，保留更符合用户需求的数据的过程。 一般在分层多跳网络中的中间节点都应该对传送的数据进行数据融合，剔除不一致和重复的信息，减少网络通信过程中的数据量，从而减少节点的能量损耗，均衡整个网络的负载。 传感器网络的分层结构中多个层都能与数据融合技术相结合，虽然具有很明显的优点，但也存在降低网络鲁棒性、增大网络延迟性的缺点。 (7)数据管理WSN中数据的存储方式主要包括网络外部存储、本地存储和以数据为中心的存储等方式。 在对传感器网络的数据进行管理时，用数据库的方法可以将存储在网络中的数据逻辑视图和实现进行分离，这样用户就不用关心具体的实现，只用关注数据查询的逻辑结构。 目前WSN数据管理系统的结构主要有集中式、半分部式、分布式和层次式等。 (8)嵌入式操作系统在WSN中，每个节点都相当于一个微型的嵌入式系统，因其体积小，内部的硬件资源有限，需要有操作系统对其的内存、处理器、无线通信模块进行节能高1绪论7效的调用和支持。 因此，如何让多个应用能够在WSN操作系统的支持下并发的使用系统的有限资源，使得嵌入式操作系统也是目前对WSN各种关键技术研究的重点之一。 目前大量从事WSN技术研究的学者分别对WSN这些关键技术进行了研究和实验。 考虑到能耗优化问题在WSN中的重要性和路由协议在节能策略中的基础性作用，本文主要针对网络协议技术中的路由协议进行分析和研究，希望在降低整个网络能量消耗的前提下，设计一种适合大规模WSN的路由协议。 1.4论文的组织结构第一章首先介绍课题的研究背景和意义，描述WSN的国内外研究现状和关键技术，指出本文是针对关键技术中的路由协议进行研究和分析的。 第二章简要介绍WSN的应用价值、特点、体系结构、节点结构、网络结构，为后文进行能耗分析和网络结构的选择奠定理论基础。 第三章详细描述WSN中能耗问题，对能耗进行重点分析和计算，并指明本课题采用的信道传输模式，重点介绍WSN现阶段的节能策略，并对节能策略之一路由协议进行详细介绍，包括目前的路由协议进行分类以及最典型的几种路由协议。 第四章对LEACH协议进行详细的分析，简单介绍本文需要拿来做仿真实验的两种最典型的LEACH协议的改进路由协议，并提出新的改进算法，在簇头选举阶段考虑节点的剩余能量、节点和基站的距离、节点的邻居节点数目，其他节点选择簇头加入的阶段考虑节点到簇头和到基站的距离，分簇完成后，簇内通信使用引入量子遗传算法的多跳无线通信的方式取代LEACH协议中的单跳无线通信的模式。 第五章描述混合路由协议的算法流程，并在两种信道模式下分别比较簇内不引进量子遗传算法的单跳通信模式的改进协议和簇内引进量子遗传算法取代LEACH单跳通信模式的改进协议与原LEACH协议、两种经典LEACH改进算法的生命周期和网络的平均能量，验证算法的正确性和优越性。 第六章对全文所做的工作进行总结并提出需要进一步进行研究的地方。 2无线传感器网络基础92无线传感器网络基础2.1无线传感器网络技术的应用传感器可以用以感知和监测各种不同的物理参数或状态，比如光强度、声音、温度、压力、土壤成分、空气湿度，目标大小、位置、重量、移动速度、移动方向等等。 WSN与以往有线传感器网络相比，部署的时间和成本都相对较低，并且能运用到很多有线传感器无法部署的区域，比如对火山活动、战场、深海、外部空间的监测等等。 最初WSN运用于军事领域并取得了很多有效的成果。 近年来，随着无线传感器节点微处理器日益减小、计算成本逐步降低、WSN基础理论和应用的研究不断完善和发展，越来越多的WSN开始投入使用。 作为一种新型的感知型技术，WSN被广泛运用于智能交通、国防军事、环境监控、工业控制、健康医疗、平安家居等领域，对社会的发展和人类的生活带来了巨大的影响。 2.1.1智能交通现代技术日新月异，各国各个城市都存在不同程度的交通拥挤问题。 因为交通拥挤的问题，人们每天在上下班路上消耗的时间大大增加。 同时也导致物流运输行业的成本消耗。 道路建设是解决这一问题的主要手段，但受到有限的土地和经济制约等问题，道路建设并不能达到相对满意的里程数，所以只有通过综合运用现代信息和通信技术在不扩张道路建设的基础上，提高交通运输网的通行能力。 20世纪80年代以来，欧洲、日本和美国就开始利用WSN的高新技术对现有的道路运输体系进行改造，以此来提高道路运输网的通行能力、提高各种能源的利用率，最终达到方便人们生活、提高运输产量的目的。 而在国内，北京、上海等城市已经通过结合WSN技术、GIS技术、计算机技术等建立了交通信号控制和监视系统、车辆定位和监控系统、完备的城市地理信息系统，同时也建立了对公民的驾照信息、车辆登记信息、交通事故备案信息的管理系统，都极大的改善了城市的交通运输能力，减少了交通事故的发生，为基于WSN技术的智能交通系统在我国的实际应用奠定了基础。 河南理工大学硕士学位论文102.1.2国防军事WSN最初是应用于军事领域的。 WSN因其密集型、随机分布性更适合被部署在人员无法到达的危险地带，所以被很多军事发达国家应用到军事领域中。 目前WSN在军事领域的应用主要有掌握双方的军事情况、战场监视、战果评估、核攻击、生物攻击、化学攻击的检测与侦查、目标瞄准、基础设施安全等。 2.1.3环境监控随着人们长期对资源不合理的开采，环境恶化的问题越来越严重。 WSN节点部署的随机性为对任何区域、任何对象的环境监控提供了便利条件，不会像传统传感器收集数据那样对监测区的环境带来人为的、侵入式的破坏，受到了当前环境研究和管理人员的欢迎，被广泛应用于环境与栖息地的监理、洪灾监测和预警、生化检测、山体滑坡监测、农田管理、森林火灾、地震监控等等。 2.1.4健康医疗WSN在健康医疗方面的应用主要包括对患者各种生理数据的观测、对医院药物数量和品质的监控和管理、对医生和患者的实时行为进行监控和跟踪等。 为了及时了解病人的身体健康情况，可以在病人的身体上安装特殊用途的传感器节点，对病人的脉搏、血压等健康指标进行实时监测，使医生随时了解被监护病人的病情，以便及时进行相应处理。 通过给病人和医生配备微型传感节点，能够连续不断的监视病人的生理指标，从而迅速的获取病人的异常状况，使医生做出诊断，提出正确的治疗方法。 医院也可以利用WSN长时间的连续监视收集病人的生理指标，获取第一手资料，对了解人体活动机理和研制新药有重要的意义。 2.1.5智能家居通过WSN网络节点的部署可以为人们提供更加便利和舒适的生活环境。 可以在家电、家具和一切人们生活中接触到的物品里嵌入传感器节点，通过无线网络与人们熟悉的互联网联系在一起，通过传感器节点感知不同生活空间中的温度、湿度、光照强度、空气质量等并对生活环境进行评估，此时通过互联网就能选择自己想要的生活状况，远程的对空调、家电、门窗等进行自动控制，为人们提供2无线传感器网络基础11人性化、便利的生活环境。 2.2无线传感器网络的特点WSN是一种新型的信息感知系统，除了具备Ad-Hoc网络的独立性、移动性能量有限性等共同特点外，它还具备如下特点 (1)应用相关性。 WSN是数据网络和无线网络的结合，大多数情况下都是面向特定的任务而设计的，不同的应用背景要求传感器网络感知不同的物理量，因此对传感器网络的要求也不一样。 WSN一般是面向任务的、以数据为中心的，是基于特定应用的无线网络。 在具体的应用中，每个节点都能利用内置的特定功能的传感器对目标对象的各种物理参数和环境参数进行实时的监测，网络中的基站或者中间节点还具备数据融合的功能，对各节点在同一时间采集的同一对象的数据进行整合，以此获取精确性更高的数据，供观测对象使用和研究。 (2)网络规模大。 随着WSN相关理论技术的飞速发展，WSN已经慢慢从理论研究变为实际应用，且应用的范围越来越广，监测的区域越来越大。 WSN中的节点分布密集，数目众多，可能达到成百上千个。 网络的大规模性使得网络可以通过更多的节点对同一个区域、同一个对象的信号进行感测，采集到的多份数据经过处理能得到一份完整性、准确性较高的数据，因此提高了测量的精确度，从而能在传感器节点的设计上降低对每个传感器节点采集数据时精确度的要求。 而且传感器节点数量众多，在网络中可能存在大量的冗余节点，使得WSN有很强的容错能力，并且能增大网络信号的覆盖率，减少和避免盲区和能量空洞。 (3)以数据为中心。 WSN中，各节点都内置了不同种类的传感器，用于感知热、红外、雷达、声纳等各种信号，从而探测温度、光度、声音、震动强度、压力、湿度、对象的重量、大小、移动速度、移动方向等等观测对象需要搜集的信息。 由于节点是随机部署的，所以节点之间的关系是的，在网络运行过程中自组织的形成网络通路，因此用户在用传感器网络查询数据时，直接将自己感兴趣的事件告诉给网络，而不是通知某个节点需要感测哪些数据。 用户不管网络的结构、网络的节点结构，只关注数据本身，这是WSN和传统的通信网络最突出的区别。 (4)网络动态性。 WSN的动态性表现在两个方面，首先网络中的传感器节点、监测的对象和观测者都可能具有移动性，其次，WSN往往由数量众多的传感器节河南理工大学硕士学位论文12点构成，这些节点由于能量有限被耗尽而成为死亡节点或者因为故障而失效，都将导致网络结构被破坏，需要重新建立新链路，所以WSN具有网络动态性。 (5)节点能量、存储能力和计算处理能力有限性。 由于WSN中部署了成百上千的传感器节点，为了降低成本，传感器节点一般体积很小，因此，电池容量、节点计算和存储能力都受到很大的限制，又由于这些节点有很多是部署在人员无法到达的偏远、恶劣的环境中，所以电池的能量耗尽并不能及时更换和补充。 因此，如何降低节点的能量消耗，有效的均衡网络的能量消耗，延长整个网络的生命周期，是目前WSN研究的热点之一。 (6)自组织性和可维护性。 传感网络一般都由大量随机抛洒在目标区域的传感器节点构成的，每个节点地位平等，在网络中没有控制点，可以在任意时刻和地点自动组网，每个节点的位置也不能预先精确知道，节点之间是否存在链路也不能确定，跟普通的网络相比，没有固定的地址和关系，这就要求传感网络能通过网络拓扑和网络通信协议进行自动配置和管理。 而WSN的可维护性表现在，当传感器节点因为故障或能量消耗殆尽而失效时，网络拓扑能随之动态变化。 这些就使得WSN必须有能适应网络拓扑结构发生变化时的动态路由机制，才能保证网络的可靠性。 (7