基于GAINS433MAC库的无线传感器星型网络通信设计文档格式.docx
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起讫日期:
2008年12月8日至2009年6月5日
指导教师签名职称
年月日
四、分院审核意见
负责人签名
毕业设计(论文)工作记录卡
学生姓名:
丁春潮
日期
写作环节
主要工作内容
指导教师签字
2009.12.8
选题
(选题)
老师发布课题,我们选择课题
2009.02.21
-2009.03.1
开题报告
(搜集资料)
根据课题内容收集相关的资料
2009.03.1
-2009.03.6
搜集资料
(开题报告)
根据收集到的资料、课题的内容以及翻译好的材料撰写开题报告
2009.05.21
初稿
(总体方案设计分析)
在实验部分结束以后,根据实验开始写论文
2009.05.28
二稿
(设计计算和工作图)
对论文进行第一次修改,主要注重论文的内容和借鉴的材料是否符合课题要求
2009.06.3
定稿(说明书撰写)
对论文进行第二次修改,主要注重论文的格式
毕业设计(论文)工作指导卡
学生姓名
丁春潮
指导教师
何小其
计划进程表
工作内容
完成情况
2009.03.7
-2009.03.15
熟悉开发环境
完成
2009.03.16
-2009.04.10
程序编写和调试
2009.04.11
-2009.05.20
进行通信实验
2009.05.10
完成传感器之间的通信
-2009.06.5
撰写论文
指导教师检查答疑记录
检查答疑内容
学生请假记录
请假原因
摘要
无线传感器网络是一种新兴的网络,一般具有大规模、自组织、随机部署、环境复杂、传感器节点资源有限、网络拓扑经常发生变化的特点。
无线传感器网络的这些特点决定了拓扑控制在无线传感器网络研究中的重要作用,同时这些特点也使得它的拓扑控制研究具有挑战质量性。
本文通过在GAINS-3平台上以GAINS433MAC库为支持开法的星型网络通信,借助于SNAMP可视化后台软件观看来观察1个sink节点和3个普通节点之间的光强的实时曲线。
关键词:
无线传感器网络;
拓扑结构;
SNAMP;
星型网络
Abstract
Wirelesssensornetworksisanemergingnetwork,generallyalarge-scale,self-organization,randomdeployment,thecomplexityoftheenvironment,sensornodeswithlimitedresources,frequentchangesinnetworktopologycharacteristics.Wirelesssensornetworkcharacteristicsofthesetopologycontrolinwirelesssensornetworkstotheimportantroleofresearchandatthesametimethesecharacteristicsofthetopologyalsomakesitchallengingtocontrolthequalityofresearch.
Inthispaper,throughtheGAINS-3platformandGAINS433MAClawlibrarytosupporttheopeningofthestar-shapednetworkcommunications,throughtheuseofSNAMPViewsvisualizationsoftwaretoobservethebackgroundasinknodeand3ordinarynodesbetweenthelightintensitycurveofthereal-time.
Keywords:
WirelessSensorNetwork;
Topology;
StarNetwork
第一章 概述
1.1无线传感器网络的应用
随着微机电系统的迅速发展,片上系统SoC(SystemonChip)得以实现,一块小小的芯片可以传递逻辑指令,感知现实世界,乃至作出反应。
无线传感器网络WSN(WirelessSensorNetwork),这一由大量体积小、成本低、具有无线通信、传感、数据处理和具有片上微处理能力的微型传感器节点(sensornode)组成的网络[1,2],引起了工业界和学术界众多研究者的关注[3]。
传统的传感器网络通常由两种节点:
传感器节点(sensor)和接收器节点(sink)组成。
传感器节点负责对事件的感知和数据包的传输;
接收器节点则是数据传输的目标节点,一般具有人机交互界面,并可以接人其它类型的网络体系。
传感器网络以其低成本、低功耗的特点,在军事、环境监测、医疗健康等领域都有着广泛的应用[4,5]。
1.1.1军事应用
传感器网络具有快速部署、可自控制、隐蔽性强和容错性高地特点,因此非常适合在军事上应用。
利用传感器网络能过实现对敌军兵力和装备地监控、战场地实时监视、目标定位、战场评估、核攻击核生物化学攻击地检测和搜索等功能。
通过飞机或者炮弹直接将传感器节点播撒到敌方阵地内部,或者在公共隔离带部署传感器网络,就能够非常隐蔽而且近距离准确地收集战场信息,迅速获得有利于作战地信息。
传感器网络标识由大量地随机分布地节点组成的,即使一部分传感器节点被敌方破坏,剩下地节点依然能够自组织地形成网络。
传感器网络可以通过分析采集到地数据,得到十分准确的目标定位,从而为火控和制导系统提供精准的制导。
利用生物和化学传感器,可以准确地探测到生化武器地成分,及时提供情报信息,有利于正确防范和实施有效地反击。
传感器网络己经成为军事C4ISRT(command,control,communication,computing,intelligence,surveillance,reconnaissanceandtargeting)系统必不可少地一部分,受到军事发达国家地普遍重视,各国均投入了大量的人力和财力进行研究。
美国DARPA(DefenseAdvanceResearchProjectsAgency)很早就启动了SensIT(SensorInformationTechnology)计划。
该计划的目的就是将多种类型的传感器、可编程的通用处理器和无线通行技术组合起来,建立一个廉价的无处不再的网络系统,可以检测光学、声学、震动、磁场、温度、毒物、压力、湿度、加速度等物理量。
1.1.2环境观测和预报系统
随着人们对于环境的日益关注,环境科学所涉及的范围越来越广泛。
传感器网络在环境研究方面可用于监视农作物灌溉情况、土壤空气情况、家畜和家禽的环境状况和大面积地地表检测等。
可用于行星探测、气象和地理研究、洪水监测等,还可以通过跟踪鸟类、小型动物和昆虫进行种群复杂度地研究等。
基于传感器网络地ALERT系统中就由数种传感器用来监测降雨量、河水水位和土壤水分,并依次预测爆发山洪地可能性。
类似地,传感器网络可以实现对森林环境监测和火灾报告,传感器节点被随机密布在森林中,平常状态下定期报告森林环境数据,当发生火灾时,这些传感器节点通过协同合作会在短时间内将火源地具体地点、火势地大小等信息传送到相关部门。
传感器网络还是一个最重要应用就是生态多样性地描述,能过进行动物栖息地地生态监测。
美国加州大学分校Intel实验室和大西洋学院联合在达鸭岛(GreatDuckIsland)上部署了一个多层次地传感器网络,用来监测岛上海燕地生活习性。
1.1.3理疗护理
传感器网络在医疗系统和健康护理方面地应用包括监测人体地各种生理数据,跟踪和监控医院内医生和患者地行动,医院地药物管理等。
如果在住院病人身上安装特殊地传感器节点,如心率和血压监测设备,医生利用传感器网络就可以随时了解被监护病人的病情,发生异常能迅速抢救。
将传感器节点按药品种类分别放置,计算机系统即可帮组辨认所开的药品,从而减少病人用错药的可能性。
还可以利用传感器网络长时间地收集人体地生理数据,这些数据对了解人体生活机理和研究新药品由都非常有用。
人工视网膜时意向生物医学地应用项目。
在SSIM(SmartSensorsandIntegratedMicrosystems)计划中,替代视网膜地芯片由100个微型传感器组成,并置入人眼,目的是使失明者或者视力极差者能够恢复到达一个能够接受地视力水平。
传感器地无限通信满足反馈控制地需要,有利于图像地识别和确认。
1.1.4智能家居
传感器网络能够应用在家居中。
在家电和家具中嵌入传感器节点,通过无限网络与Internet连接在一起,将会为人们提供更加舒适、方便和更具有人性化地智能家居环境。
利用远程监控系统,可完成对家电地远程遥控,例如可以在回家之前半小时打开空调,这样回家地时候就可以直接享受适合地室温,也可以遥控电饭锅、微波炉、电冰箱、电话机、电视机、录像机、电脑等家电,按照自己地意愿完成相应地煮饭、烧菜、查收电话留言、选择录制电视和电台节目以及下载网上资料达鸭岛电脑中等工作,也可以通过图像传感设备随时监控家庭安全情况。
利用传感器网络可以建立智能幼儿园,监测孩童地早期教育环境,跟踪孩童地活动轨迹,可以让父母和学校全面地研究学生地学习过程,回答一些诸如:
“学生A是否总是戴在某个学习区域?
”“学生B是否常常独处?
”等问题。
1.1.5建筑物状态控制
建筑物状态控制(structurehealthmonitoring,SHM)是利用传感器网络来监控建筑物地安全状态。
由于建筑物不断修补,可能会存在一些安全隐患。
虽然地壳偶尔地小震动可能会带来看得见地损坏,但是也许会在支柱上产生潜在地裂缝,这个裂缝可能会在下一次地震中导致建筑物倒塌。
用传统方法检查,往往要将大楼关闭数月。
作为CITRIS(CenterofInformationTechnologyResearchintheInterestofSociety)计划的一部分,美国加州大学伯克利分校的环境工程和计算机科学家们采用传感器网络,让大楼、桥梁和其他建筑物能够自身感知并意识到它们本身的状况,使得安装了传感器网络的智能建筑物可以自动告诉管理部门它们的状态信息,并且能够自动按照优先级来进行一系列自我修复工作。
未来的各种摩天大楼可能会装备这种类似红绿灯的装置,从而建筑物可以告诉人们当前是否安全、稳固程度如何等信息。
1.1.6其他方面地应用
复杂机械的维护经历了“无维护”、“定时维护”、“基本情况的维护”三个阶段。
采用“基本情况的维护”方式能够优化机械的使用,保持过程更加有效,并且保证执照成本仍然低廉。
其维护开销可以分为几部分:
设备开销、安装开销和人工收集分析机械状态数据的开销。
采用无限传感器网络能够降低这些开销,特别是能够去掉人工开销。
尤其是目前数据处理硬件技术的飞速发展和无线收发硬件的发展,新的技术已经成熟,可以使用无限技术避免昂贵的线缆连接,采用专家系统自动实现数据的采集和分析。
传感器网络可以应用于空间探索。
借助于航天器在外星体撒播一些传感器网络节点,可以对星球表面进行长时间的监测。
这种方式成本很低,节点体积小,相互之间通信,也可以和地面站进行通信。
NASA的JPL(JetPropulsionLaboratory)实验室研究制的SensorWebs就是为将来的火星探测进行技术准备。
该系统已在佛罗里达宇航中心周围的环境检测项目实施测试和完善。
2003年《计算机世界》第8期题为“智能微尘(smartdust,英特尔公示提出并将要开发的体积微笑的传感器节点):
魔鬼还是天使?
”的文章支出:
智能微尘能带来的用途是显而易见的。
就以我国西气东输以及输油管道的建设为例,由于这些管道在很多地方要直接穿越大片荒无人烟的地区,这些地方的管道监控抑制都是道难题,传统的人力巡查几乎是不可能的事,而现在的监控产品,往往复杂且昂贵。
智能微尘的成熟产品布置在管道上将可以实时的监控管道的情况。
一旦由破损或恶意破坏都能在控制中心实时了解道。
如果智能微尘成熟,仅西气东输这样的一个工程就可以节省上亿元的资金。
电力监控方面也是如此,因为一旦送出就无法保存,所以电力管理部门一般都会要求下级部门每月层层上报地区用电要求,并根据需求配送。
大师使用人工报表的方式根本无法准确统计这项数据,国内有些地方供电局就常常因为数据误差太大而遭商机部门的处罚。
如果使用智能微尘来监控每个用电点的用电情况,这种问题就将迎刃而解。
加州大学伯克利分校的研究员称,如果美国加州将这种产品用于电力使用状况监控,电力调控总新每年将可以节省7~8亿美元。
1.2存在的问题
虽然传感器网络在某种程度上可以视为一种adhoc网络,但相对于一般意义上的adhoc网络来说,它面临的环境更加复杂多变,其节点部署更为密集,节点能量更加有限,无线链路更加容易受到干扰,节点更加容易失效,所以必须研究适应于传感器网络的、面向具体应用的、更为高效的拓扑控制算法。
无线传感器网络因为其在应用中面临的严重挑战而成为信息工程领域最引人关注的研究课题之一。
在对该领域详细分析后,其在设计方面面临的挑战主要有以下几个方面:
(1)生存时间:
无线传感器节点由于受到电池能量影响而在使用寿命上被严重限制。
目前的碱性原料电池还不能保证节点连续工作一个月的能量消耗,对于有需要长时间监测和不易更换电池需求的大型传感器网络有较大差距,这也是目前多数研究者在研究传感器网络协议时将能效作为网络设计首要目标的原因。
生存时间的问题可通过硬件技术和网络构架技术两方面加以该进。
从硬件技术上来讲,涉及到工业设计等许多问题。
(2)鲁棒性:
提供大范围的高质量覆盖应用是无线传感器网络的重要使命。
在此类应用中,传感器、通信节点等设备成本低廉。
正因如此,这些设备并不非常可靠而且在某些情况下的误差较大,保持鲁棒性是确保整个网络系统在少数节点发生错误后仍能维持网络性能的关键。
如何使在苛刻条件(如沙漠地区)或危险地带(如敌军区域)布置的传感器网络拥有良好的鲁棒性是一个严峻的挑战。
(3)协同信号处理能力:
目前无线传感器网络设备在处理器、存储、无线收发机以及传感器感知精度等方面的能力有限。
如果仅仅对系统硬件设备提升需要巨大代价。
作为一种典型的分布式网络结构,如何设计传感器节点间的协同以更加快速有效完成信号过滤、数据汇集、协同定位等任务相当具有挑战性。
(4)网络的自配置性:
由于无线传感器网络在许多应用中其节点规模较大,其在无人值守的条件下,不可能在布置网络后再进行人工调整.网络开始工后,拓扑结构的动态调整、节点定位、时间同步以及坐标校准、内部节点通以及测量参数的决定等多方面需要网络本身有较高的自配置性。
因此无线传感器网络的自配置性是一个非常关键的问题。
1.3路由协议分类
针对不同的传感器网络应用,研究人员提出了不同的路由协议。
但到目前为止,仍缺乏一个完整和清晰的路由协议分类。
从具体应用角度出发,根据不同应用的传感器网络各种特性的敏感度不同,将路由协议分为四种类型。
四种类型的路由协议分别是:
(1)能量感知路由协议。
高效利用网络能量是传感器网络路由协议的一个显著特征,早期提出的一些传感器网络路由协议往往仅考虑了能量因素。
为了强调高效利用能量的特征,在此将它们划分为能量感知路由协议。
能量感知路由协议从数据传输中的能量消耗出发,讨论最优能量消耗路径以及最长网络生存期等问题。
(2)基于查询的路由协议。
在诸多环境检测、战场评估等应用中,需要不断查询传感器节点采集的数据,汇聚节点发出任务查询命令,传感器节点向查询节点报告采集的数据。
在这类应用中,通信流量主要是查询节点和传感器节点之间的命令和数据传输,同时传感器节点的采集信息在传输路径上通常要进行数据融合,通过减少通行流量来节省流量。
(3)地理位置路由协议。
在诸如目标跟踪类应用中,往往需要唤醒距离跟踪目标最近的传感器节点,以得到关于目标的更精确位置等相关信息。
在这类应用中,通常需要知道目的节点的精确或者大致地理位置。
把节点的位置信息作为路由的选择依据,不仅能够完成节点路由功能,还可以降低系统专门维护路由协议的能耗。
(4)可靠的路由协议。
无线传感器网络的某些应用对通信的服务质量有较高要求,如可靠性和实时性等。
而在无线传感器中,链路的稳定性难以保证,通信信道质量比较低,拓扑变化比较频繁,要实现服务质量保证,需要设计相应的可靠路由协议。
第二章 拓扑控制
无线传感器网络是一种新兴的网络,一般具有大规模、自组织、随机部署、环境复杂、传感器节点资源有限、网络拓扑经常发生变化的特点[2]。
首先,拓扑控制是一种重要的节能技术;
其次,拓扑控制保证网络覆盖的和连通质量;
另外拓扑控制能够降低通信干扰、提高MAC协议和路由协议的效率,为数据融合提供拓扑基础;
拓扑控制能够提高网络的容量、可靠性、可扩展性等其他性能。
总之拓扑控制对网络性能具有重大的影响,因而对它研究具有十分重要的意义。
2.1网络拓扑结构的形成
虽然网络拓扑结构的形成过程属于网络层的功能,但IEEE802.15.4为形成各种网络拓扑结构提供了充足的支持。
2.1.1星型网络的形成
星型网络以网络协调器为中心,所有设备只能与网络协调器进行通信,因此在星型网络的形成过程中,第一步就是建立网络协调器。
任何一个FFD设备都有成为网络协调器的可能,一个网络如何确立自己的网络协调器由上层协议决定。
一种简单的策略是:
一个FFD设备在第一次被激活后,首先广播查询网络协调器的请求,如果接受到回应说明网络中已经存在网络协调器,再通过一系列认证过程,设备就成为了这个网络中的普通设备。
如果没有接收到回应,或者认证过程不成功,这个FFD设备就可以建立自己的网络,并且成为这个网络的网络协调器。
当然,这里还存在一些更深入的问题,一个是网络协调器过期问题,如原来的网络协调器损坏或者能量耗尽;
另一个偶然因素造成多个网络协调器竞争问题,如移动物体阻挡导致一个FFD自己建立网络,当移动物体离开的时候,网络中将出现多个协调器。
网络协调器要为网络悬着一个唯一的标识符,所有该星型网络中的设备都是用这个标识符来规定自己的属从关系。
不同星型网络之间的设备通过设置专门的网关完成相互通信。
选择一个标识符后,网络协调器就允许其他设备加入自己的网络,并为这些设备转发数据分组。
星型网络中的两个设备如果需要相互通信,都要先把各自的数据包发送给网络协调器,然后由网络协调器转发给对方。
2.1.2点对点网络的形成
点对点网络中,任意两个设备只要能够彼此收到对方的无限信号,就可以进行直接通信,不需要其他设备的转发。
但点对点网络中仍然需要一个网络协调器,不过协调器的功能不再是为其他设备转发数据,而是完成设备注册和访问控制等基本的网络管理功能。
网络协调器的产生同样由上层协议规定,比如把某个信道上第一个开始通信的设备作为该信道上的网络协调器。
簇树网络是点对点网络的一个例子,下面以簇树网络为例描述点对点网络的形成过程。
图1是一个多级簇树网络的例子。
图1多级簇树网络
在簇树网络中,绝大多数设备是FFD设备,而RFD设备总是作为簇树的叶设备连接到网络中。
任何一个FFD都可以充当RFD协调器或者网络协调器,为其他设备提供同步信息。
在这些协调器中,只有一个可以充当整个点对点网络的网络协调器。
网络协调器可以和网络中其他设备一样,也可以拥有比其他设备更多的计算资源喝能量资源。
网络协调器首先将自己设为簇头(clusterheader,CLH),并将簇标识符(clusteridentifier,CID)设置为0,同时为该簇选择一个未被使用的PAN网络标识符,形成网络中的一个簇。
接着,网络协调器开始广播信标帧。
临近设备接收到信标帧后,就可以申请加入簇。
设备可否成为簇成员,由网络协调器决定。
如果请求被允许,则该设备将作为簇的子设备加入网络协调器的邻居列表。
新加入的设备会将簇头作为它的父设备加入到自己的邻居列表中。
上面讨论的知识一个由单簇构成的最简单簇树。
PAN网络协调器可以指定另一个设备为邻接的新簇头,以此形成更多的簇。
新簇头同样可以选择其他设备成为簇头,进一步扩大网络的覆盖范围。
但是过多的簇头会增加簇之间消息传递的延迟和通信开销。
为了减少延迟和通信开销,簇头可以选择最远的通信设备作为相邻的簇头,这样就可以最大限度地缩小不同簇间消息传递地跳数,达到减小延迟和开销地目的。
2.2拓扑结构意义
在传感器网络中,传感器节点是体积微小的嵌入式设备。
采用有限的电池供电,它的计算能力和通信能力十分有限,所以除了能设计能量高效的MAC协议、路由协议以及应用层协议之外,还有设计优化的网络拓扑控制机制[6]。
在传感器网络中,网络的拓扑结构控制与优化有着十分重要的意义,主要表现在以下几个方面:
(1)影响整个网络的生存时间。
传感器网络的节点一般采用电池供电,节省能量是网络设计主要考虑的问题之一。
拓扑控制的一个重要目标就是在保证网络连通性和覆盖度的情况下,尽量合理高效地使用网络能量,延长整个网络的生存时间。
(2)减少节点间通信干扰、提高网络通
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