传感器网络报告

通信与信息工程学院2021/2021学年第一学期实验报告模块名称无线传感器网络专业网络工程学生班级18学生学号B09011814学生姓名孙冉指导教师朱晓荣实验简介：本实验系统采用IEEE802.15.4和Zigbee协议实现了多个传感器节点之间的无线通信，通过对本实验提供的软件操作以及对路由的观察，能够使学生对无线传感器网络的组网过程、路由协议有一个较为深入的理解。根本原理：无线传感器网络特点无线传感器网络〔WirelessSensorNetwork,WSN〕由部署在监测区域内大量的微型传感器节点组成，通过无线的方式形成一个多跳的自组织网络，不仅可以接入Internet，还可适用于有线接入方式所不能胜任的场合，提供优质的数据传输效劳。无线传感器网络节点可以协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息，并发送给观察者。传感器、感知对象和观察者构成了传感器网络的三个要素。协作：WSN节点可以随机或者特定地布置在监测区域内部或附近，它们之间通过特定的协议自组织起来，能够获取周围环境的信息并且相互协同工作完成特定任务。无线传感器网络特点无中心的网络。无线传感器网络中没有严格的控制中心，所有结点地位平等，是一个对等式网络。结点可以随时参加或离开网络，任何结点的故障不会影响整个网络的运行，具有很强的抗毁性。多跳路由。网络中节点通信距离有限，一般在几百米范围内，节点只能与它的邻居直接通信。如果希望与其射频覆盖范围之外的节点进展通信，则需要通过中间节点进展路由。动态拓扑。无线传感器网络是一个动态的网络，节点可以随处移动；一个节点可能会因为电池能量耗尽或其他故障，退出网络；也可能由于工作的需要而被添加到网络中。传感器节点构造一个传感器节点通常由传感器模块、处理器模块、无线通信模块和能量供给模块四局部组成。传感模块负责采集监测区域内的有用信息并进展数据转换；处理器模块负责控制整个传感器节点的运行，存储和处理本身采集的数据以及其他节点发来的数据；无线通信模块负责与其他传感器节点进展无线通信，交换控制信息和收发采集到的数据；能量供给模块为传感器节点提供运行所需的能量，通常采用微型电池。无线传感器网络协议栈无线传感器网络通信协议主要包括物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层，与互联网协议栈的五层协议相对应。在低层采用IEEE802.15.4工作组所定义的数据链路层和物理层协议，而在数据链路层以上的协议则是由Zigbee联盟制定。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。这些管理平台使得传感器节点能够按照能源高效的方式协同工作，在节点移动的传感器网络中转发数据，并支持多任务和资源共享。Zigbee协议栈Zigbee协议栈物理层物理层负责载波频率产生、信号的调制解调等工作。IEEE802.15.4定义了2.4GHz物理层和868/915MHz物理层两个物理层标准，两个物理层都基于DSSS〔DirectSequenceSpreadSpectrum，直接序列扩频〕，使用一样的物理层数据包格式，区别在于工作频率、调制技术、扩频码片长度和传输速率的不同。2.4GHz频段有16个信道，能够提供250kbps的传输速率，物理层采用的是O-QPSK调制。868MHz是欧洲的ISM频段，只用一个信道，传输速率为20kbps，物理层采用BPSK调制；915MHz是美国的ISM频段，有10个信道，传输速率为40kbps，物理层采用的也是BPSK调制方式。数据链路层数据链路层负责数据成帧、帧检测、媒体访问和过失控制。媒体访问协议保证可靠的点对点和点对多点通信。过失控制保证源节点发出的信息可以完整、无误地到达目标节点。在无线传感器网络中，两个主要的过失控制模式是前向错误修正〔FEC〕和自动重复请求〔ARQ〕两种。就实现机制而言，介质访问控制〔MAC〕子层协议可分为3类：确定性分配、竞争占用和随机访问。IEEE802.15.4定义的MAC层采用了CSMA-CA〔载波监听多信道接入/防止冲突〕协议的信道共享多点接入技术。网络层网络层主要负责路由生成与路由选择。路由协议可以大致分为四类：洪泛式路由协议、层次式路由协议、以数据为中心的路由协议、以及基于位置信息的路由协议。洪泛式路由协议：它不需要维护网络的拓扑构造和路由计算，接收到消息的节点以播送形式转发数据包给所有的邻节点。典型算法为扩散法〔Flooding〕。层次式路由协议：将传感节点分簇，簇内通讯由簇头节点来完成，簇头节点进展数据聚集和合成减少传输信息量，最后簇头节点把聚集的数据传送给终端节点。典型算法为低功耗自适应聚类路由算法〔LEACH〕。基于位置信息的路由协议：它利用节点的位置信息，把查询或者数据转发给需要的地域，从而缩减数据的传送范围。典型算法为GEAR算法。以数据为中心的路由协议：它提出对传感器网络中的数据用特定的描述方式命名，数据传送基于数据查询并依赖数据命名，所有的数据通信都限制局部范围内。这种方式的通信不再依赖特定的节点，而是依赖于网络中的数据，降低了不必要的开销，从而延长网络生命周期。典型算法为向扩散〔DirectedDiffusion〕。在本实验中我们采用的是AODV路由算法〔Adhocondemanddistancevector,Adhoc按需距离矢量协议〕。AODV是按需的路由协议，它只根据源节点的需要才建立节点之间的路由。无线传感器网络的应用军事领域商业应用环境监测/农业应用医疗保健：方便快捷的实现远程医疗。可随时了解被监护病人的情况，还可长时间地收集人的生理数据。空间探测实验内容：本实验平台采用基于Crossbow模块进展传感器节点的设计传感器节点可以组成不同拓扑构造的网络，并且可以通过多跳将采集到的数据传输到控制节点，并由控制节点将采集到的数据发送给用户。实验环境：硬件：1台PC机、多个无线传感器模块；配套的数据线。软件：操作系统为Windows2000或WindowsXP；实验步骤：双击桌面快捷方式Moteconfig2.0或者开场->程序->Crossbow->Moteconfig2.0出现如下界面：2.设置参数选择Settings->InterfaceBoard来设置正确的端口号。我们使用的节点是MIB520，MIB520驱动程序在pc上自动的安装了两个连续的端口号，低端口号用来烧写程序，高端口号用来通信〔高通低烧〕，下列图就是MIB520自动生成了COM6和COM7，我们选择COM6。3.烧写程序程序在C->ProgramFiles->Crossbow->MoteView->XMesh->iris中。在Moteconfig设置参数界面上选择LocalProgramme，选择Select，出现如下界面单击Program文件烧写成功后，会出现如下界面。4.观察组网情况双击桌面快捷方式MoteView2.0或者开场->程序->Crossbow->MoteView2.0出现如下组网的情况：5.观察数据选择data，节点采集到所有的数据会显示如下选择temp,可以知道温度信息选择voltage,可以知道电压信息选择light，可以知道光强信息思考题：〔1〕无线传感器网络中采用AODV路由算法有何优缺点？答：1、使用序列号机制，防止了环路2、支持中间结点应答，减少了播送数3、节点只存储需要的路由，减少了内存的要求和不必要的复制4、时延较大，不支持单向信道5、路由开销较大〔2〕MasterNode，RoutingNode，EndNode在无线传感器网络中功能有何不同？答：Master

Node负责将任务划分到多个从节点上Routing

Node负责中继和选路功能EndNode负责信息的采集和发送〔3〕思考一下本实验系统还有哪些实际应用？答：军事领域应用：在军事应用领域，利用无线传感器网络能够实现监测敌军区域内的兵力和装备、实时监视战场状况、定位目标物、监测核攻击或者生物化学攻击等。例：美国军方研究的用于军事侦查的NSO