无线传感器网络的拓扑控制机制

*)本研究得到国家自然科学基金项目(No.60434030和No.60373049)资助。杨 贺 硕士研究生,主要研究方向为计算机网络;张树东 博士后,主要研究方向是宽带接入和无线通信;孙利民 博士,研究员,主要研究方向为无线传感器网络。

计算机科学2007V ol 134l 11

无线传感器网络的拓扑控制机制*

)

杨 贺 张树东 孙利民

(中国科学院软件研究所多媒体和网络研究中心 北京100080)

摘 要 传感器网络节点是低功耗低价格微型嵌入式设备,其能量供应和无线通信带宽十分受限。无线传感器网络的拓扑控制用来控制能量高效的合理网络结构的形成,对通信机制、数据融合和时间同步等有重要影响,是无线传感器网络底层关键支撑技术之一。本文从节点功率控制、层次型拓扑形成和网内协同启发机制三个方面,详细介绍和分析了已有典型的拓扑控制算法,并对拓扑控制的研究热点和发展趋势做了总结。关键词 无线传感器网络,拓扑控制,功率控制,层次拓扑,启发机制

Topology Control Mechanisms in Wireless Sensor Networks

Y A NG H e Z HA N G Shu -Dong SU N L-i M in

(Institute of S oftw are,Ch ines e Academy of Sciences,Beijing 100080)

Abstract T he node in senso r net wo rk is an embedded device w ith low -cost and lo w -pr ice.Its ener gy supply and w ire -less communicatio n bandw idth ar e ver y limited.T he to po lo gy contr ol mechanisms can help the for mat ion of the ener gy -efficient netw or k structure.It also has a majo r impact o n mechanism for communicatio n,data integr ation and t ime sy n -chro nizat ion.Because of which mentioned abo ve,the t opolo gy co ntr ol is one of the key technolog ies in senso r netw or k.

In t his paper,thr ee main cata log s will be discussed,they ar e node .s power contr ol,cluster to po log y contro l and the self -config ur ing and t rig g er mechanism betw een no des.T he t ypical detailed ov erv iew and analysis of algo rithms have been focused in the discussion;the present hot spots and the futur e tr ends o n the r esear ch of topo log y contro l are sum -mar ized also.

Keywords W ireless senso r netwo rks,T opolog y contro l,Hierar chical clust ering,Po wer co ntro l,Self -configur ing

1 引言

在无线传感器网络中,传感器节点是体积很小的微型嵌入式设备,采用能量有限的电池供电,它的计算能力和通信能力十分有限,所以节省节点能量,延长网络的生存时间是目前的研究热点。其中,一个重要的基础性研究方向是网络拓扑控制的研究[1],它为路由协议、M A C 协议、数据融合、时间同步和目标定位等很多方面奠定了基础。目前,在网络协议分层中没有明确的层次对应拓扑控制机制,但大多数的拓扑控制算法是部署于介质访问控制层(M A C)和路由层(ROU T-I NG )之间,它为路由层提供足够的路由更新信息,路由表的变化也反作用于拓扑控制机制,M AC 层可以提供给拓扑控制算法邻居发现等消息,如图1所示[2]

。

图1 拓扑控制与网络分层关系示意图

传感器网络拓扑控制主要研究的问题是通过调节节点发

射功率和骨干网节点选择,减少节点间冗余的通信链路,形成一个多跳的数据转发网络,使其有利于某一特定应用。目前,

无线传感器网络的拓扑控制可以按照网络中节点发射功率是否一致分为两类,即全网节点按统一功率发射(H omog ene -ous)和节点以一定标准分别调整发射功率(N on -H omog ene -ous)[2]。对于第一类,拓扑问题简化为寻找一个合适的节点发射功率,来保证全网的连通性和覆盖度;对于第二类,按照节点可获得信息和节点间的组织方式又可以细化出多种拓扑机制,例如,基于节点邻居数调节发射功率,基于节点的地理位置调节功率,基于节点间的相互位置关系调节发射功率等。

传感器网络拓扑控制还可以按照研究方向进行分类,通过分析近年来拓扑控制领域的代表性算法,可以归纳出3个研究热点,即节点功率控制、层次型拓扑控制以及网内节点协同启发机制。节点功率控制机制调节网络中每个节点的发射功率,目的是在保证全网连通性的情况下,均衡节点一跳距离的邻居数目;层次型拓扑控制是选择网络中的一些节点成为骨干节点,构架起包转发的骨干网络,其他非骨干网节点接受骨干节点管辖;网内节点协同启发机制是节点按照周边通讯环境的变化,进行自主控制以及和邻居节点进行交互的机制。本文将以这种分类方式为线索组织全文。

2 节点功率控制

在无线传感器网络中,节点通过动态调整发射功率,在保证网络拓扑结构是连通、双向连通或者多连通的基础上,使得

网络中节点的能量消耗最小,延长整个网络的生存时间。当传感器节点部署在二维或三维空间中时,传感器网络的功率控制是一个N P 难的问题[3]。因此,一般的解决方案都是寻找近似解。

2.1 节点统一功率分配算法

节点统一功率分配算法是一种比较简单的功率控制算法,是在所有传感器节点上使用一个保证网络连通的最小发送功率。比如N ara yanasw amy 等人提出的CO M P OW 功率控制方案[4]。在COM P OW 算法中,每个节点维护多张路由表,分别对应于不同的发射功率级别,节点间同级别的路由表交换控制消息。通过对比不同路由表中的表项,节点可以决定确保最多节点连通的最小的通用功率级别,然后统一用该功率发射。但这种功率分配方法的最大缺点是,如果节点的撒布不均匀,那么全网通用的通信功率可能会很大。所以这种算法必须结合层次型拓扑控制机制一起使用,如CL U S -T ER PO W 算法[5]。

2.2 基于节点度的算法

一个节点的度数是指所有距离该节点一跳的邻居节点的数目。基于节点度的算法一般动态调节节点的发射功率,使得节点的度数处于一个合理的区间。本地平均算法LM N (L ocal M ean A lg or ithm)和本地邻居平均算法L M A (L ocal M ean O f N eighbor s Algo rit hm)[6]是两种周期性动态调整节点发射功率的算法。它们之间的区别在于计算节点度的策略不同。在L M N 算法中,节点定期检测邻居数量,并根据邻居数量来调节发射功率;而在LM A 算法中节点是将该节点邻居的邻居数求平均值作为自己的邻居数。

这类算法利用少量的局部信息达到了一定程度的优化效果,它们不需要很强的时钟同步,但是算法中还存在一些明显的不足,例如,需要进一步研究合理的邻居判断条件,对从邻居节点得到的信息是否需要根据信号的强弱给予不同的权重等。

2.3 基于邻近图的算法

在基于邻近图的算法中,所有节点以最大功率发射时形成的拓扑图为图G,定义为G =(V ,E)的形式,V 代表图中顶点的集合,E 代表图中边的集合,E 中的元素可以表示为(u,v),其中u,v I V ,按照一定的规则Q,求出该图的邻近图G .,最后G .中每个节点以自己所邻接的最远通信节点来确定发射功率。经典的邻近图模型有RN G (R elative N eig hbo rhoo d Gra ph)、GG (Gabriel Gr aph)、Y G (Y ao G raph )以及M ST (M inimum Spanning T ree)等[7]。

DRN G(D irected Relative N eig hbo rhood G raph)算法和DLSS(Dir ected Lo cal Spanning Subgr aph)算法[8]是两种以邻近图的观点考虑无线传感器网络拓扑问题的算法,它们针对

节点发射功率不一致问题提出了拓扑解决方案。

图2 DRN G 算法示意图

在DRN G 算法中给出了确定邻居节点的标准。如图2

所示,d 表示距离,w 表示权重,R 表示节点发射半径,假设节点u 、v 满足条件d (u,v)[R u ,且不存在另一节点p 同时满足w (u,p )

在D LSS 算法中,假设已知节点u,最大发射半径为R,它的可到达邻居子图G R ,将u 到所有可达邻居节点的边以权重w (u,v)为标准按升序排列;依次取出这些边,直到u 与所有可达邻居节点直接相连或通过其它节点相连;最后,与u 直接相连的节点构成u 的邻居集合。从图论的观点看,DLSS 算法等价于在G R 基础上进行本地最小生成树的计算。

经过执行DRN G 或DLSS 算法后,节点确定了自己的邻居集合,然后将发射半径调整为到最远邻居节点的距离。这类算法以原始的网络拓扑是双向连通为前提,保证优化后的拓扑也是双向连通的。

另外,Rodoplu 等提出了一种基于Enclo sur e 图的功率分配算法R &M [9],该算法中每个节点u 周围确定一个称作En -clo sur e 的区域,在Enclo sur e 区域中的节点称为u 的真正邻居。L.L i 等基于YG 提出了CBT C 算法[10],每个节点独立调节发射功率,以保证在每A 角度内有一个邻居节点。

3 层次型拓扑控制

在无线传感器网络中,考虑依据一定的选举机制选择某些节点作为骨干节点,周边节点归属于骨干节点管理,再由骨干节点负责构建一个连通的网络,这类算法将整个网络划分为相连的区域,又称为分簇算法,骨干网节点是簇头节点,普通节点是簇内节点。层次型的拓扑控制算法通常采用周期性选择簇头节点的做法使网络中的节点能量消耗均衡。层次型的拓扑结构具有很多优点,例如,由簇头节点担负数据融合的任务,减少了数据通信量;层次型的拓扑结构有利于分布式算法的应用,适合大规模部署的网络;大部分非骨干节点在相当长的时间内关闭通信模块,所以显著地延长整个网络的生存时间等。

3.1 LEAC H 算法

L EA CH (Lo w Energ y A daptive Clustering H iera rchy)算法[11]是一种自适应的分簇拓扑算法,它的执行过程是周期性的,每轮循环分为簇的建立阶段和稳定的数据通信阶段。在簇的建立阶段,相邻节点动态地形成簇,随机产生簇头;在数据通信阶段,簇内节点把数据发给簇头,簇头进行数据融合并把结果发送给汇聚节点。

L EA CH 中簇头选举算法如下:节点产生一个0~1的随机数,如果这个数小于阈值T (n),则发布自己成为簇头的公告消息;在一轮循环中,如果节点已经当选过簇头,则把T (n)设置为0,这样该节点不会再次当选簇头;对于未当选过簇头的节点,则将以T (n)的概率当选;随着当选过簇头的节点数目增加,剩余节点当选簇头的阈值T (n)随之增大,节点产生小于T (n)的随机数的概率随之增大,所以节点当选簇头的概率增大,T (n)用公式1表示。

T (n)=

P

1-P *[r mod (1/P )]

n I G 0

else

(1)

其中,P 是簇头在所有节点中所占的百分比,r 是选举轮数,r mo d (1/P)代表这一轮循环中当选过簇头的节点个数,G 是这一轮循环中未当选过簇头的节点集合。

Bandyo padhyay 等人基于L EA CH 算法提出了一种k -

Cluster ing 的随机分簇算法[12]。这种算法和L EA CH 的区别在于,一个节点发出的簇头竞争消息不但发送给自己的邻居节点,而且还会被转发给离该节点k 跳的其他节点,这样可以形成更大的簇。

3.2 HEED 算法

有学者针对L EACH 算法中节点规模小,簇头选举没考虑节点的地理位置等不完善的地方,提出了改进算法H EED (H ybrid Ener gy -Eff icient Distributed cluster ing )[13]

,它有效地改善了L EACH 算法簇头可能分布不均匀的问题。以簇内平均可达能量(A M RP ,the Av erag e M inimum Reachability Pow er)作为衡量簇内通信成本的标准,节点用不同的初始概率发送竞争消息,节点的初始化概率CH p rob 根据公式2确定:CH p rob =max (C p rob +E resident /E m ax ,P min )(2)其中C pro b 和P min 是整个网络统一的参量,它们影响到算法的收敛速度。簇头竞选成功后,其它节点根据在竞争阶段收集到的信息选择加入哪个簇。H EED 算法在簇头选择标准以及簇头竞争机制上与LEA CH 算法不同,成簇的速度有一定的改进,特别是考虑到成簇后簇内的通信开销,把节点剩余能量作为一个参量引入算法中,使得选择的簇头更适合担当数据转发的任务,形成的网络拓扑更趋合理,全网的能量消耗更均匀。

3.3 TopDisc 算法

T opDisc(T opolog y Discov ery )算法[14]借鉴了图论中的思想,是基于最小支配集问题[15]的经典算法,它利用颜色来描述节点状态,解决骨干网拓扑结构的形成问题,其算法的核心思想包括两个要点:(1)利用颜色标记理论找到簇头节点;(2)利用与传输距离成反比的延时,使得一个黑色节点(即簇头节点)覆盖更大的区域。

在T o pDisc 算法中,节点可以处于三种状态,分别用白、黑和灰三种颜色表示。白色节点代表未被发现的节点;黑色节点代表成为簇头的节点;灰色节点代表簇内结点。所有节点被初始化为白色,由一个初始节点发起T opDisc 算法,算法执行完毕后所有节点都将被标记为黑色或者灰色。图3所示的例子为算法执行完毕后网络拓扑结构的局部拓扑图,可以看到两个黑色簇头节点通过一个灰色簇内节点进行通信,保

证了簇与簇之间的连通。

图3 T o pDisc 算法示意图

T opDisc 算法很好地继承了图论中的经典思想,它使节

点在密集部署的无线传感器网络中快速地形成分簇结构,并在簇头之间建立树型关系。但是由这种算法构建成的层次型网络灵活性不强,重复执行算法收敛速度慢,开销过大,算法中也没有考虑到节点的剩余能量。

4 网内节点协同启发机制

无线传感器网络通常是面向应用的事件驱动的网络,骨

干网节点在没有检测到事件时不用一直保持在活动状态,所以有学者提出了网内节点协同启发机制,用来保证节点在有事件发生时能够及时自动醒来并唤醒邻居节点,形成数据转发的拓扑结构。无线通信模块的长时间关闭进一步地节省了节点的能量开销。

4.1 STEM 算法

ST EM (Sparse T o po lo gy and Ener gy M anag ement )算法[16]

是一种低占空比的节点唤醒机制。该算法采用双信道,即监听信道和数据通讯信道。具体地讲,ST EM 算法又分为

ST EM -B(ST EM -BEACO N)算法和ST EM-T (ST EM -T O N E)算法。

在ST EM -B 算法中,当一个节点想给另外一个节点发送数据时,它作为主动节点先发送一串唤醒包。目标节点在收到唤醒包后,发送应答信号并自动进入数据接收状态。主动节点接收到应答信号后,进入数据发送阶段。

在ST EM -T 算法中,节点周期性地进入侦听阶段,探测是否有邻居节点要发送数据;当一个节点想与某个邻居节点进行通信时,它就发送一连串的唤醒包,发送唤醒包的时间长度必须大于侦听的时间间隔,可以确保邻居节点能够收到唤醒包,紧接着节点就直接发送数据包。可见ST EM -T 比ST EM -B 更简单实用。ST EM 算法适用于类似环境监测或者突发事件监测等应用,经实验证明,节点的唤醒速度可以满足应用的需要。但是在ST EM 算法中,节点的睡眠周期、部署密度以及网络的传输延迟之间有着密切的关系,要针对具体的应用要求进行调整。

4.2 ASCENT 算法

A SCENT (Adaptive Self -Co nf igur ing sEnso r N etw orks T opolo g ies)算法[17]着重于均衡网络中骨干节点的数量,并保证数据通路的畅通。当节点在接收数据时发现丢包严重时,就向数据源方向的邻居节点发出求助消息;节点探测到周围的通信节点丢包率很高或者收到邻居节点发出的帮助请求时,它主动由休眠状态变为活动状态,帮助邻居节点转发数据包。

运行ASCEN T 算法的网络包括触发、建立和稳定三个主要阶段。触发阶段如图4(a),在汇聚节点与数据源节点不能正常通信时,汇聚节点向它的邻居节点发出求助信息;建立阶段如图4(b),当节点收到邻居节点的求助消息时,通过一定的算法决定自己是否成为活动节点,如果成为活动节点,就向邻居节点发送通告消息,同时这个消息是邻居节点判断自身是否成为活动节点的因素之一;稳定阶段如图4(c),数据源节点和汇聚节点间的通信恢复正常,网络中活动节点个数保持稳定,从而达到稳定状态。

A SCENT 算法使得网络可以随具体应用要求而动态地改变拓扑结构,并且节点只根据本地的信息进行计算,不依赖于无线通信模型、节点的地理分布和路由协议等。但AS -CENT 算法只是提出了网络中局部优化的一种机制,还需要对更大规模的节点分布进行改进,并加入负载平衡技术等。

总结 目前,无线传感器网络拓扑控制的研究有了一定的发展,研究人员从A d Ho c 网络借鉴了大量经验,并针对无线传感器网络自身的特点提出了侧重点不同的拓扑控制算法。但目前大多数算法停留在理论研究阶段或者只做过少量节点的模拟,没有充分考虑到实际应用时的诸多困难,有待进 (下转第87页)

图2中a)和b)所示为分别固定预测范围聚集查询时间窗口qT len=50及查询空间窗口qR len=1000时,T P R*-tree与aT PR-t ree回答查询所需要的磁盘I/O代价。从中可以看出,基于aT PR-t ree索引的EPR A查询算法具有很好的查询性能。这是由于T P R*-tr ee中间节点并未包含移动对象聚集信息,回答PRA查询必须访问查询空间窗口内的所有叶节点,aT PR-tr ee中间节点包含了移动对象聚集信息,因此可以节省一部分节点访问代价。而且EP RA查询算法采用更精确的搜索剪枝准则,因而具有很好的查询性能。

总结本文针对移动对象预测范围聚集查询问题,提出了一种面向移动对象预测范围聚集查询索引(ag gr egate T PR-tree,aT PR-t ree)以减少预测范围聚集查询所访问的节点。aT PR树索引增加了一个建于移动对象标识上的哈希辅助索引结构,并利用自底向上的更新算法,具有很好的更新性能和并发性。基于aT PR树索引的EP RA查询算法大大减少了查询所需要访问的磁盘节点,且支持多种预测范围聚集查询,具有良好的查询性能。

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(上接第38页)

一步研究的问题包括:(1)通信链路质量的评价机制和邻居节点的选择策略;(2)拓扑结构的自适应性;(3)新颖的网络拓扑控制机制;(4)结合数据收集和移动目标跟踪这两种应用热点,研究面向具体应用的拓扑控制方案。

综上所述,无线传感器网络拓扑控制研究的发展趋势是以实际应用为背景,多种机制相互融合,强调网络拓扑控制的自适应性和鲁棒性,在保证网络的连通性和覆盖度[18]的前提下,提高网络的通信效率,最大限度地节省能量,延长整个网络的生存时间。

图4A SCEN T算法示意图

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使用VISIO绘制网络拓朴图

使用VISIO绘制网络拓朴图 任务描述 根据给定的草图使用VISIO绘制网络拓朴图 能力目标 掌握网络拓朴图绘制能力 方法与步骤 1、启动Visio软件。 2、熟悉Visio软件界面操作。 3、用Visio软件绘制网络拓扑结构图 步骤1．启动Visio，选择Network目录下的Basic Network（基本网络形状）样板，进入网络拓扑图样编辑状态，按图1-1绘制图。 步骤2．在基本网络形状模板中选择服务器模块并拖放到绘图区域中创建它的图形实例。 步骤3．加入防火墙模块。选择防火墙模块，拖放到绘图区域中，适当调整其大小，创建它的图形实例。 步骤4．绘制线条。选择不同粗细的线条，在服务器模块和防火墙模块之间连线，并画出将与其余模块相连的线。 步骤5．双击图形后，图形进入文本编辑状态，输入文字。按照同样的方法分别给各个图形添加文字。 步骤6．使用TextTool工具划出文本框，为绘图页添加标题。 步骤7．改变图样的背景色。设计完成，保存图样，文件名为Network1文件。 步骤8．仿照步骤1-7，绘制图1-2的网络拓扑结构图，保存图样，文件名为Network2文件。 提示 绘制时可参考示例，尽可能规范、标准。 相关知识与技能 1、网络拓朴图示例

2、 VISIO 软件操作 对于小型、简单的网络拓扑结构可能比较好画，因为其中涉及到的网络设备可能不是很多，图元外观也不会要求完全符合相应产品型号，通过简单的画图软件 （如Windows 系统中的“画图”软件、HyperSnap 等）即可轻松实现。而对于一些大型、复杂网络拓扑结构图的绘制则通常需要采用一些非常专业的 绘图软件，如Visio 、LAN MapShot 等。 在这些专业的绘图软件中，不仅会有许多外观漂亮、型号多样的产品外观图，而且还提供了圆滑的曲线、斜向文字标注，以及各种特殊的箭头和线条绘制工 具。如图1-19所示是Visio 2003中的一个界面，在图的中央是笔者从左边图元面板中拉出的一些网络设备图元

无线传感器网络的特点

无线传感器网络的特点 大规模网络 为了获取精确信息，在监测区域通常部署大量传感器节点，传感器节点数量可能达到成千上万，甚至更多。传感器网络的大规模性包括两方面的含义：一方面是传感器节点分布在很大的地理区域内，如在原始大森林采用传感器网络进行森林防火和环境监测，需要部署大量的传感器节点；另一方面，传感器节点部署很密集，在一个面积不是很大的空间内，密集部署了大量的传感器节点。 传感器网络的大规模性具有如下优点：通过不同空间视角获得的信息具有更大的信噪比；通过分布式处理大量的采集信息能够提高监测的精确度，降低对单个节点传感器的精度要求；大量冗余节点的存在，使得系统具有很强的容错性能；大量节点能够增大覆盖的监测区域，减少洞穴或者盲区。 自组织网络在 传感器网络应用中，通常情况下传感器节点被放置在没有基础结构的地方。传感器节点的位置不能预先精确设定，节点之间的相互邻居关系预先也不知道，如通过飞机播撒大量传感器节点到面积广阔的原始森林中，或随意放置到人不可到达或危险的区域。这样就要求传感器节点具有自组织的能力，能够自动进行配置和管理，通过拓扑控制机制和网络协议自动形成转发监测数据的多跳无线网络系统。在传

感器网络使用过程中，部分传感器节点由于能量耗尽或环境因素造成失效，也有一些节点为了弥补失效节点、增加监测精度而补充到网络中，这样在传感器网络中的节点个数就动态地增加或减少，

从而使网络的拓扑结构随之动态地变化。传感器网络的自组织性要能够适应这种网络拓扑结构的动态变化。动态性网络传感器网络的拓扑结构可能因为下列因素而改变：①环境因素或电能耗尽造成的传感器节点出现故障或失效；②环境条件变化可能造成无线通信链路带宽变化，甚至时断时通；③传感器网络的传感器、感知对象和观察者这三要素都可能具有移动性；④新节点的加入。这就要求传感器网络系统要能够适应这种变化，具有动态的系统可重构性。 可靠的网络 传感器网络特别适合部署在恶劣环境或人类不宜到达的区域，传感器节点可能工作在露天环境中，遭受太阳的暴晒或风吹雨淋，甚至遭到无关人员或动物的破坏。传感器节点往往采用随机部署，如通过飞机撒播或发射炮弹到指定区域进行部署。这些都要求传感器节点非常坚固，不易损坏，适应各种恶劣环境条件。由于监测区域环境的限制以及传感器节点数目巨大，不可能人工“照顾每个传感器节点，网络的维护十分困难甚至不可维护。传感器网络的通信保密性和安全性也十分重要，要防止监测数据被盗取和获取伪造的监测信息。因此，传感器网络的软硬件必须具有鲁棒性和容错性。

基于无线传感器网络的环境监测系统设计与实现

南京航空航天大学 硕士学位论文 基于无线传感器网络的环境监测系统设计与实现 姓名：耿长剑 申请学位级别：硕士 专业：电路与系统 指导教师：王成华 20090101

南京航空航天大学硕士学位论文 摘要 无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）是一种集成了计算机技术、通信技术、传感器技术的新型智能监控网络，已成为当前无线通信领域研究的热点。 随着生活水平的提高，环境问题开始得到人们的重视。传统的环境监测系统由于传感器成本高，部署比较困难，并且维护成本高，因此很难应用。本文以环境温度和湿度监控为应用背景，实现了一种基于无线传感器网络的监测系统。 本系统将传感器节点部署在监测区域内，通过自组网的方式构成传感器网络，每个节点采集的数据经过多跳的方式路由到汇聚节点，汇聚节点将数据经过初步处理后存储到数据中心，远程用户可以通过网络访问采集的数据。基于CC2430无线单片机设计了无线传感器网络传感器节点，主要完成了温湿度传感器SHT10的软硬件设计和部分无线通讯程序的设计。以PXA270为处理器的汇聚节点，完成了嵌入式Linux系统的构建，将Linux2.6内核剪裁移植到平台上，并且实现了JFFS2根文件系统。为了方便调试和数据的传输，还开发了网络设备驱动程序。 测试表明，各个节点能够正确的采集温度和湿度信息，并且通信良好，信号稳定。本系统易于部署，降低了开发和维护成本，并且可以通过无线通信方式获取数据或进行远程控制，使用和维护方便。 关键词：无线传感器网络，环境监测，温湿度传感器，嵌入式Linux，设备驱动

Abstract Wireless Sensor Network, a new intelligent control and monitoring network combining sensor technology with computer and communication technology, has become a hot spot in the field of wireless communication. With the improvement of living standards, people pay more attention to environmental issues. Because of the high maintenance cost and complexity of dispose, traditional environmental monitoring system is restricted in several applications. In order to surveil the temperature and humidity of the environment, a new surveillance system based on WSN is implemented in this thesis. Sensor nodes are placed in the surveillance area casually and they construct ad hoc network automatieally. Sensor nodes send the collection data to the sink node via multi-hop routing, which is determined by a specific routing protocol. Then sink node reveives data and sends it to the remoted database server, remote users can access data through Internet. The wireless sensor network node is designed based on a wireless mcu CC2430, in which we mainly design the temperature and humidity sensors’ hardware and software as well as part of the wireless communications program. Sink node's processors is PXA270, in which we construct the sink node embedded Linux System. Port the Linux2.6 core to the platform, then implement the JFFS2 root file system. In order to facilitate debugging and data transmission, the thesis also develops the network device driver. Testing showed that each node can collect the right temperature and humidity information, and the communication is stable and good. The system is easy to deploy so the development and maintenance costs is reduced, it can be obtained data through wireless communication. It's easy to use and maintain. Key Words: Wireless Sensor Network, Environment Monitoring, Temperature and Humidity Sensor, Embedded Linux, Device Drivers

无线网络技术发展趋势精编版

无线网络技术发展趋势文件编码（008-TTIG-UTITD-GKBTT-PUUTI-WYTUI-8256）

无线网络技术发展趋势所谓无线网络，既包括允许用户建立远距离无线连接的全球语音和数据网络，也包括为近距离无线连接进行优化的红外线技术及射频技术，与有线网络的用途十分类似，最大的不同在于传输媒介的不同，利用无线电技术取代网线，可以和有线网络互为备份。 随着3G时代无线应用的日渐丰富，以及无线终端设备的层出不穷，对于无线网络，尤其是基于技术标准的Wi-Fi无线网络，在产品技术应用逐渐成为市场主流应用的当下，基于Wi-Fi技术的无线网络不但在带宽、覆盖范围等技术上均取得了极大提升，同时在应用上，基于Wi-Fi无线应用也已从当初“随时、随地、随心所欲的接入”服务转变成车载无线、无线语音、无线视频、无线校园、无线医疗、无线城市、无线定位等诸多丰富的无线应用。 在某种意义上，Wi-Fi无线网络已不再仅仅只是2000年左右所承担“作为有线网络的一种延伸”的吴下阿孟，“取代有线”已不再只是梦想。 推动无线网络市场迅猛发展 作为目前市场主流的Wi-Fi无线网络技术，标准采用多入多出(MIMO)与正交频分复用(OFDM)技术，使得网络传输速率得到了极大提升。相比b/g的25Mbps、11Mbps、54Mbps，可将WLAN的传输速率提高到300Mbps甚至600Mbps。同时，在覆盖范围方面，接入点发射的信号虽然并不比传统硬件发射的信号传输得更远，但采用智能天线技术，通过多组独立天线组成的天线阵列，动态调整波束，保证WLAN用户接收到稳定

的信号，并可减少其他信号的干扰，使Wi-Fi无线网络移动性极大提高。 此外，在兼容性方面，采用了一种软件无线电技术，从而成为一个完全可编程的硬件平台，不同系统的基站和终端都可以通过这一平台的不同软件实现互通和兼容，这使无线网络的兼容性得到极大改善。用户可以通过使用基于的产品实现高质量语音通话、高清视频传输以及更大范围的移动上网。 而在制约市场发展的最大问题——产品价格，随着正式标准的颁布，以及各个企业纷纷调低无线产品价格，目前，已逐渐取代b/g设备成为市场主流。在ABI近日发布的最新研究报告，目前几乎所有笔记本电脑、上网本、移动互联网设备（MID）与智能手机都开始内建Wi-Fi芯片，预期未来此趋势可望延续，而由于的功能强大，加上芯片价格也一路下滑，所以在新产品均陆续选用标准后，2010年出货量将超越成为市场主流。 中国联通设计院无线传输部一室主任冯毅表示，支持标准的WLAN网络代表了无线宽带网络未来的发展方向。中国联通将在未来网络建设的招标中引入设备，并在部分数据热点地区进行建设，提高空口传输速率，以满足用户需求。 动讯网数据显示，截止到2009年底，中国电信将在全国铺设的Wi-Fi热点将超过10万个；中国移动在2009年底进行了大规模WLAN采购，计划在2010年底之前完成超过11万个Wi-Fi热点，预计到2010年年

(中文)基于无线传感器网络桥梁安全监测系统

基于无线传感器网络的桥梁安全检测系统 摘要 根据桥梁监测无线传感器网络技术的桥梁安全监测系统，以实现方案的安全参数的需要；对整个系统的结构和工作原理的节点集、分簇和关键技术，虽然近年来在无线传感器网络中，已经证明了其潜在的提供连续结构响应数据进行定量评估结构健康，许多重要的问题，包括网络寿命可靠性和稳定性、损伤检测技术，例如拥塞控制进行了讨论。 关键词：桥梁安全监测；无线传感器网络的总体结构；关键技术 1 阻断 随着交通运输业的不断发展，桥梁安全问题受到越来越多人的关注。对于桥梁的建设与运行规律，而特设的桥梁检测的工作情况，起到一定作用，但是一座桥的信息通常是一个孤立的片面性，这是由于主观和客观因素，一些桥梁安全参数复杂多变[1]。某些问题使用传统的监测方法难以发现桥梁存在的安全风险。因此长期实时监测，预报和评估桥梁的安全局势，目前在中国乃至全世界是一个亟待解决的重要问题。 桥梁安全监测系统的设计方案，即通过长期实时桥跨的压力、变形等参数及测试，分析结构的动力特性参数和结构的评价科关键控制安全性和可靠性，以及问题的发现并及时维修，从而确保了桥的安全和长期耐久性。 近年来，桥梁安全监测技术已成为一个多学科的应用，它是在结构工程的传感器技术、计算机技术、网络通讯技术以及道路交通等基础上引入现代科技手段，已成为这一领域中科学和技术研究的重点。 无线传感器网络技术，在桥梁的安全监测系统方案的实现上，具有一定的参考价值。 无线传感器网络（WSN）是一种新兴的网络科学技术是大量的传感器节点，通过自组织无线通信，信息的相互传输，对一个具体的完成特定功能的智能功能的协调的专用网络。它是传感器技术的一个结合，通过集成的嵌入式微传感器实时监控各类计算机技术、网络和无线通信技术、布式信息处理技术、传感以及无线发送收集到的环境或各种信息监测和多跳网络传输到用户终端[2]。在军事、工业和农业，环境监测，健康，智能交通，安全，以及空间探索等领域无线传感器网络具有广泛应用前景和巨大的价值。 一个典型的无线传感器网络，通常包括传感器节点，网关和服务器，如图1

基于定向天线的无线自组网拓扑控制算法研究

基于定向天线的无线自组网拓扑控制算法 研究 作者姓名：孙茜 指导教师：刘军副教授 单位名称：信息科学与工程学院 专业名称：通信工程 东北大学 2011 年6月

Research on Topology Control Algorithm in Ad Hoc Networks Based Directional Antenna By Sun Qian Supervisor：Associate Professor Liu Jun Northeastern University June 2011

东北大学毕业设计（论文）毕业设计（论文）任务书 毕业设计（论文）任务书毕业设计（论文）题目： 基于定向天线的无线自组网拓扑控制算法研究 设计（论文）的基本内容： 论文主要提出了一种无线自组网的异构拓扑控制算法。算法借鉴了现存的网络拓扑控制算法DRNG，在其基础上提出一种基于定向天线的K-DRNG拓扑控制算法，采用定向天线能够降低网络中的节点平均能耗，提高无线资源空间复用性，改善网络性能。 毕业设计课题研究的内容主要包括以下几个方面： 1.深入了解无线自组网的拓扑控制算法； 2.学习了定向天线的基本知识及基于定向天线的拓扑控制算法； 3.提出一种适于异构网络基于定向天线的无线自组网拓扑控制算法； 4.利用NS2网络模拟软件对算法进行了测试，进行性能分析； 5.撰写毕业论文。 毕业设计（论文）专题部分： 题目： 设计或论文专题的基本内容： 学生接受毕业设计（论文）题目日期 第周指导教师签字 年月日

基于定向天线的无线自组网拓扑控制算法研究 摘要 拓扑控制技术是改善无线自组织网络性能的重要手段之一，然而随着网络大规模、多应用和泛在化的发展，定向天线的高增益，节省功率和抗干扰等特点日益引起关注，对采用定向天线的异构自组织网络进行拓扑控制成为研究热点。 提出一种基于定向天线的异构无线自组网拓扑控制算法K-DRNG。算法主要包括三个阶段：信息收集阶段，节点控制发射功率，通过扇区转换机制收集邻域拓扑信息；拓扑构建阶段，节点在邻域内构建定向邻近图，初步确定在所生成拓扑内的邻居节点；拓扑优化阶段，节点间通过删除和添加方向性链路，确保生成拓扑的双向连通性。 使用NS2网络模拟软件对所提出的拓扑控制算法进行测试，结果证明，K-DRNG算法相比基于UDG和DRNG图的拓扑控制算法，能够降低网络中的节点平均能耗，提高无线资源空间复用性，改善网络性能。 关键词：无线自组织网络；拓扑控制；定向天线；异构；NS2

无线传感器网络的应用研究

1武警部队监控平台架构介绍与设计 1.1监控系统的系统结构 基站监控系统的结构组成如上图所示，主要由三个大的部分构成，分别是监控中心、监控站点、监控单元。整个系统从资金、功能以及方便维护性出发，我们采用了干点加节点方式的监控方法。 监控中心（SC）：SC的定义是指整个系统的中心枢纽点，控制整个分监控站，主要的功能是起管理作用和数据处理作用。一般只在市级包括（地、州）设置相应的监控中心，位置一般在武警部队的交换中心机房内或者指挥中心大楼内。 区域监控中心（SS）：又称分点监控站，主要是分散在各个更低等级的区县，主要功能是监控自己所负责辖区的所有基站。对于固话网络，区域监控中心的管辖范围为一个县/区；移动通信网络由于其组网不同于固话本地网，则相对弱化了这一级。区域监控中心SS的机房内的设备配置与SC的差不多，但是不同的是功能不同以及SS的等级低于SC,SS的功能主要是维护设备和监控。 监控单元（SU）：是整个监控系统中等级最低的单元了，它的功能就是监控并且起供电，传输等等作用，主要由SM和其他供电设备由若干监控模块、辅助设备构成。SU侧集成有无线传感网络微设备，比如定位设备或者光感，温感设备等等。 监控模块（SM）：SM是监控单元的组成部分之一，主要作用监控信息的采集功能以及传输，提供相应的通信接口，完成相关信息的上传于接收。

2监控系统的分级管理结构及监控中心功能 基站监控系统的组网分级如果从管理上来看，主要采用两级结构：CSC集中监控中心和现场监控单元。CSC主要设置在运营商的枢纽大楼，主要功能为数据处理，管理远程监控单元，对告警信息进行分类统计，可实现告警查询和存储的功能。一般管理员可以在CSC实现中心调度的功能，并将告警信息进行分发。而FSU一般针对具体的某一个基站，具体作用于如何采集数据参数并进行传输。CSC集中监控中心的需要对FSU采集的数据参数进行报表统计和分析，自动生产图表并为我们的客户提供直观，方便的可视化操作，为维护工作提供依据，维护管理者可以根据大量的分析数据和报表进行快速反应，以最快的速度发现网络的故障点和优先处理点，将人力资源使用在刀刃上。监控中心CSC系统的功能中，还有维护管理类，具体描述如下： 1）实时报警功能 该系统的报警功能是指发现机房里的各种故障后，通过声音，短信，主界面显示的方式及时的上报给操作者。当机房内的动力环境，空调，烟感，人体红外等等发生变量后，这些数据通过基站监控终端上传到BTS再到BSC。最后由数据库进行分类整理后存储到SQLSEVRER2000中。下面介绍主要的几种报警方式： 2)声音报警 基站发生告警后，系统采集后，会用声卡对不一样的告警类别发出对应的语音提示。比如：声音的设置有几种，主要是以鸣叫的长短来区分的。为便于引起现场维护人员的重视紧急告警可设置为长鸣，不重要的告警故障设置为短鸣。这样一来可以用声音区分故障的等级，比方某地市的中心交换机房内相关告警声音设置，它的开关电源柜当平均电流达到40AH的时候，提示声音设置为长鸣，并立即发生短信告警工单。如果在夜晚机房无人值守的情况下：

网络拓扑结构图怎么画

网络拓扑结构图怎么画 导语： 网络拓扑图是指用传输媒体互连各种设备的物理布局，就是用什么方式把网络中的计算机等设备连接起来。根据结构，可以分为分布式结构、树型结构、网状结构等。本文将为你介绍讲解具体的绘制方法。 免费获取网络拓扑图软件：https://www.wendangku.net/doc/4416106690.html,/network/ 网络拓扑图绘制软件有哪些？ 亿图图示是一款适合新手的入门级拓扑图绘制软件，软件界面简单，包含丰富的图表符号，中文界面，以及各类图表模板。软件智能排版布局，拖曳式操作，极易上手。与MS Visio等兼容，方便绘制各种网络拓扑图、电子电路图，系统图，工业控制图，布线图等，并且与他人分享您的文件。软件支持图文混排和所见即所得的图形打印，并且能一键导出PDF, Word, Visio, PNG, SVG 等17种格式。目前软件有Mac, Windows和Linux三个版本，满足各种系统需要。

亿图图示绘制“思科网络图”的特点 1.专业的教程：亿图图示的软件为用户制作了使用教程的pdf以及视频。 2.可导出多种格式：导出的文件Html，PDF，SVG，Microsoft Word, PowerPoint， Excel等多种格式。 3.支持多系统：支持Windows，Mac 和Linux的电脑系统，版本同步更新。 4.软件特色：智能排版布局，拖曳式操作，兼容Office。 5.云存储技术：可以保存在云端，不用担心重要的数据图表丢失。 6.丰富的图形符号库助你轻松设计思科网络图

网络拓扑图怎么画？ 步骤一：打开绘制网络拓扑图的新页面 双击打开网络拓扑图制作软件 点击‘可用模板’下标题类别里的‘网络图’。 双击打开一个绘制网络拓扑图的新页面，进入编辑状态。 步骤二：从库里拖放添加 从界面左边的符号库里拖动网络符号到画布。

传感器拓扑结构以及节点结构

无线传感器网络拓扑结构 从无线传感器组网形态和方法来看，有集中式、分布式和混合式。集中式类似于移动通信的蜂窝结构，可以集中管理；分布式结构类似于Ad-hoc网络结构，可自组织网络接入连接，可以分步管理；混合式结构是集中式和分布式结构的组合。其中无线传感器按节点功能及结构层次来看，有可分为平面网络结构、分级网络结构、混合网络结构以及Mesh网络结构。 1、平面网络：结构如下图1.1所示，是无线传感器网络中最简单的拓扑结构，每个节点都为对等结构，具有完全一致的功能特性，也就是每个节点包含相同的MAC、路由、管理和安全等协议。但是由于采用自组织协同算法形成网络，其组网算法比较复杂： 图1.1 无线传感器网络平面网络结构 2、分级网络结构（层次网络结构）：如下图1.2所示，分级网络分为上层和下层两个部分—上层为中心骨干节点；下层为一般传感器节点。骨干节点之间或者一般传感器节点间采用的是平面网络结构，然而骨干节点和一般节点之间采用的是分级网络结构。一般传感器节点没有路由、管理及汇聚处理等功能。 图1.2 无线传感器网络分级网络结构

3、混合网络结构：如下图1.3所示，混合网络结构时无线传感器网络中平面网络结构和分级网络结构的一种混合拓扑结构。这种结构和分级网络结构不同的是一般传感器节点之间可以直接通信，可不需要通过汇聚骨干节点来转发数据，但是对所需硬件成本更高。 图1.3 无线传感器网络的混合网络结构 4、Mesh网络结构：如下图1.4所示，这是新型的网络拓扑结构，这是种规则分步的网络，不同于完全连接的网络结构。通常只允许和节点最近的邻居通信。网络内部的节点一般也是相同的，因此Mesh网络也称为对等网。由于通常Mesh 网络结构节点之间存在多条路由路径，网络对于单点或单个链路故障具有较强的容错能力和鲁棒性。其中优点就是尽管所有节点都是对等的地位，且具有相同的计算和通信传输功能，某个节点可被指定为簇首节点，而且可执行额外的功能，一旦簇首节点失效，另外一个节点可以立刻补充并接管原簇首那些额外执行的功能。 图1.4 无线传感器网络的Mesh网络结构

无线网络技术发展趋势.

无线网络技术发展趋势 所谓无线网络,既包括允许用户建立远距离无线连接的全球语音和数据网络,也包括为近距离无线连接进行优化的红外线技术及射频技术,与有线网络的用途十分类似,最大的不同在于传输媒介的不同,利用无线电技术取代网线,可以和有线网络互为备份。 随着3G时代无线应用的日渐丰富,以及无线终端设备的层出不穷,对于无线网络,尤其是基于802.11技术标准的Wi-Fi无线网络,在802.11n产品技术应用逐渐成为市场主流应用的当下,基于Wi-Fi技术的无线网络不但在带宽、覆盖范围等技术上均取得了极大提升,同时在应用上,基于Wi-Fi无线应用也已从当初“随时、随地、随心所欲的接入”服务转变成车载无线、无线语音、无线视频、无线校园、无线医疗、无线城市、无线定位等诸多丰富的无线应用。

无线网络发展状况

计算机通信分两种:有线通信和无线通信 无线通信包括卫星,微波,红外等等 无线局域网(Wireless LAN技术可以非常便捷地以无线方式连接网络设备,人们可随时、随地、随意地访问网络资源。在推动网络技术发展的同时,无线局域网也在改变着人们的生活方式。本文分析了无线局域网的优缺点极其理论基础,介绍了无线局域网的协议标准,阐述了无线局域网的体系结构,探讨了无线局域网的研究方向。 关键词以太网无线局域网扩频安全性移动IP 一、引言 随着无线通信技术的广泛应用,传统局域网络已经越来越不能满足人们的需求,于是无线局域网(Wireless Local Area Network,WLAN应运而生,且发展迅速。尽管目前无线局域网还不能完全独立于有线网络,但近年来无线局域网的产品逐渐走向成熟,正以它优越的灵活性和便捷性在网络应用中发挥日益重要的作用。 无线局域网是无线通信技术与网络技术相结合的产物。从专业角度讲,无线局域网就是通过无线信道来实现网络设备之间的通信,并实现通信的移动化、个性化和宽带化。通俗地讲,无线局域网就是在不采用网线的情况下,提供以太网互联功能。 广阔的应用前景、广泛的市场需求以及技术上的可实现性,促进了无线局域网技术的完善和产业化,已经商用化的802.11b网络也正在证实这一点。随着802.11a 网络的商用和其他无线局域网技术的不断发展,无线局域网将迎来发展的黄金时期。 二、无线局域网概述

基于无线传感器网络的智能交通系统的设计

一、课题研究目的 针对目前中国的交叉路口多，车流量大，交通混乱的现象研究一种控制交通信号灯的基于无线传感器的智能交通系统。 二、课题背景 随着经济的快速发展，生活方式变得更加快捷，城市的道路也逐渐变得纵横交错，快捷方便的交通在人们生活中占有及其重要的位置，而交通安全问题则是重中之重。据世界卫生组织统计，全世界每年死于道路交通事故的人数约有120 万，另有数100 万人受伤。中国拥有全世界1. 9 %的汽车，引发的交通事故占了全球的15 % ，已经成为交通事故最多发的国家。2000 年后全国每年的交通事故死亡人数约在10 万人，受伤人数约50万，其中60 %以上是行人、乘客和骑自行车者。中国每年由于汽车安全方面所受到的损失约为5180 亿(人民币)，死亡率为9 人/ 万·车，因此，有效地解决交通安全问题成为摆在人们面前一个棘手的问题。 在中国，城市的道路纵横交错，形成很多交叉口，相交道路的各种车辆和行人都要在交叉口处汇集通过。而目前的交通情况是人车混行现象严重，非机动车的数量较大，路口混乱。由于车辆和过街行人之间、车辆和车辆之间、特别是非机动车和机动车之间的干扰，不仅会阻滞交通，而且还容易发生交通事故。根据调查数据统计，我国发生在交叉口的交通事故约占道路交通事故的1/ 3，在所有交通事故类型中居首位，对交叉口交通安全影响最大的是冲突点问题，其在很大程度上是由于信号灯配时不合理(如黄灯时间太短,驾驶员来不及反应)，以及驾驶员不遵循交通信号灯，抢绿灯末或红灯头所引发交通流运行的不够稳定。随着我国经济的快速发展，私家车也越来越多，交通控制还是延续原有的定时控制，在车辆增加的基础上，这种控制弊端也越来越多的体现出来，造成了十字交叉路口的交通拥堵和秩序混乱，严重的影响了人们的出行。智能交通中的信号灯控制显示出了越来越多的重要性。国外已经率先开展了智能交通方面的研究。 美国VII系统(vehicle infrastructure integration)，利用车辆与车辆、车辆与路边装置的信息交流实现某些功能，从而提高交通的安全和效率。其功能主要有提供天气信息、路面状况、交叉口防碰撞、电子收费等。目前发展的重点主要集中在2个应用上: ①以车辆为基础; ②以路边装置为基础。欧洲主要是CVIS 系统(cooperative vehicle infrastructure system)。它有60 多个合作者，由布鲁塞尔的ERTICO 组织统筹，从2006 年2 月开始到2010年6月，工作期为4年。其目标是开发出集硬件和软件于一体的综合交流平台，这个平台能运用到车辆和路边装置提高交通管理效率，其中车辆不仅仅局限于私人小汽车，还包括公共交通和商业运输。日本主要的系统是UTMS 21 ( universal traffic management system for the 21st century , UTMS 21)。是以ITS 为基础的综合系统概念,由NPA (National Police Agency) 等5个相关部门和机构共同开发的，是继20 世纪90 年代初UTMS 系统以来的第2代交通管理系统，DSSS是UTMS21中保障安全的核心项目，用于提高车辆与过街行人的安全。因此，从国外的交通控制的发展趋势可以看出，现代的交通控制向着智能化的方向发展，大多采用计算机技术、自动化控制技术和无线传感器网络系统，使车辆行驶和道路导航实现智能化，从而缓解道路交通拥堵，减少交通事故，改善道路交通环境，节约交通能源，减轻驾驶疲劳等功能，最终实现安全、舒适、快速、经济的交通环境。

无线传感器网络研究报告现状及发展

无线传感器网络的研究现状及发展 默认分类 2008-06-12 18:19:20 阅读910 评论0 字号：大中小 摘要：无线传感器网络(WSN>综合了传感器技术、微电子机械系统(MEMS>嵌入式计算技术．分布式信息处理技术和无线通信技术，能够协作地实时感知、采集、处理和传输各种环境或监测对象的信息．具有十分广阔的应用前景，成为国内外学术界和工业界新的研究领域研究热点。本文简要介绍了无线传感器网络的网络结构、节点组成，分析了无线传感器网络的特点及其与现有网络的区别。进而介绍现有无线传感器网络中的MAC层技术、路由技术、节点技术和跨层设计等关键技术。最后展望无线传俄器网络的应用和发展并指出关键技术的进步将起到决定性的促进作用。 关键词：无线传感器网络节点 MAC层路由协议跨层设计 Abstract: Wireless sensor network (WSN> is integration of sensor techniques, Micro-Electro-Mechanical Systems, embedded computation techniques, distributed computation techniques and wireless communication technique. They can be used for sensing, collecting, processing and transferring information of monitored objects for users. As a new research area and interest hotspot of academia and industries, Wireless Sensor Network(WSN> has a wide application future. This paper briefly introduced the wireless sensor network of networks, nodes, the analysis of the characteristics of wireless sensor networks and the differences wih the existing networks. And the MAC layer technology, routing technology, joint cross-layer design technology and key technology are introduced . At last the prospects of wireless sensor network are discussed in this article. Key Words: Wireless Sensor Network, node, MAC, routing protocol, Cross-layer design 一、概述 随着通信技术、嵌入式计算技术和传感器技术的发展进步，包括微电子机械系统

无线传感器网络的体系结构

无线传感器网络的体系结构 李宁 104753071172 （河南大学，河南大学计算机与信息工程学院 475004） 摘要：在对无线传感器应用特征进行分析的基础上，总结了无线传感器体系结构设计的要素，讨论了无线传感器网络的软件体系结构和通信体系结构。通过与传统Ad hoc网络的对比，归纳了无线传感器网络在各层各面设计的特点。文章认为虽然传统的传感器的应用方向主要在军事领域，但在民用领域也存在着广阔的前景。 关键词：无线传感器网络；软件体系结构；通信体系结构；自组织网络 0 引言 目前在无线通信领域和电子领域的进步促进了低成本、低功耗、多功能无线传感器的发展。这些无线传感器体积小，并具有感知、数据处理和短距离通信的能力。与传统的传感器相比，现在的无线传感器网络具有明显的进步。无线传感器网络由大量高密度分布的处于被观测对象内部或周围的传感器节点组成。其节点不需要预先安装或预先决定位置，这样提高了动态随机部署于不可达或危险地域的可行性。 传感器网络具有广泛的应用前景，范围涵盖医疗、军事和家庭等很多领域。例如，传感器网络快速部署、自组织和容错特性使其可以在军事指挥、控制、通信、计算、智能、监测、勘测方面起到不可替代的作用。在医疗领域，传感器网络可以部署用来监测病人并辅助残障病人。其他商业应用还包括跟踪产品质量、监测危险地域等。 无线传感器网络的实现需要自组织(Ad hoc)网络技术。尽管已有许多Ad hoc网络的协议和算法，但并不能够满足传感器网络的需求。具体来说，相对于一般意义上的自组织网络，传感器网络有以下一些特色，需要在体系结构的设计中特殊考虑。 (1) 无线传感器网络中的节点数目高出Ad hoc网络节点数目几个数量级，这就对传感器网络的可扩展性提出了要求。由于传感器节点的数目多开销大，传感器网络通常不具备全球唯一的地址标识，这使得传感器网络的网络层和传输层相对于一般网络而言，有很大的简化。此外，由于传感器网络节点众多，因此，单个节点的价格对于整个传感器网络的成本而言非常重要。 (2)自组织传感器网络最大的特点就是能量受限。传感器节点受环境的限制，通常由电量有限且不可更换的电池供电，所以在考虑传感器网络体系结构以及各层协议设计时，节能是设计的主要考虑目标之一。 (3)由于传感器网络应用的环境的特殊性、无线信道不稳定以及能源受限的特点，传感器网络节点受损的概率远大于传统网络节点，因此自组织网络的健壮性保障是必须的以保证部分传感器网络的损坏不会影响到全局任务的进行。 (4)传感器节点高密度部署，网络拓扑结构变化快，对于拓扑结构的维护也提出了挑战。 上述这些特点使得无线传感器网络有别于传统的自组织网络，并在当前的一些体系结构设计的尝试中得到了突出的表现。 1 传感器网络节点功能结构和拓扑结构 在不同应用中，传感器网络节点的组成不尽相同，但一般都由数据采集、数据处理、数据传输和电源这4部分组成(见图1)。根据具体应用需求，还可能会有定位系统以确定传感节点的位置，有移动单元使得传感器可以在待监测地域中移动，或具有供电装置以从环境中获得必要的能源。此外，还必须有一些应用相关部分，例如，某些传感器节点有可能在深海或

无线网络技术调研报告

无线网络技术调研报告

目录 1概况 (1) 1.1技术调研背景 (1) 1.2主要研究机构 (1) 2技术现状及发展趋势 (2) 2.1无线网络技术主要方法 (2) 2.2国无线网络技术发展现状 (6) 2.2.1国无线网络技术发展现状 (6) 2.2.2国无线网络技术发展趋势..................................... 错误!未定义书签。 2.3 国外现状和发展趋势 (4) 3无线网络技术的应用 (5) 4结论与建议 (5)

1概况 1.1技术调研背景 本次调研主要着重于现状及发展趋势的分析，对公司的定位起到一个指导作用。 无线网络（wireless network）是采用无线通信技术实现的网络。无线网络既包括允许用户建立远距离无线连接的全球语音和数据网络，也包括为近距离无线连接进行优化的红外线技术及射频技术，与有线网络的用途十分类似，最大的不同在于传输媒介的不同，利用无线电技术取代网线，可以和有线网络互为备份。 无线局域网主要设备有：无线接入点和无线网卡。无线接入点有AP、无线路由器、无线连接器等;无线网卡分台式机的PCI接口、USB接口以及笔记本专用的接口等。 随着网络的飞速发展，人们呼吁快速便捷的网络的呼声也越来越来强烈，无

线网络必定是未来世界的网络主要发展方向。而3G时代无线应用的日渐丰富，以及无线终端设备的层出不穷，对于无线网络，尤其是基于802.11技术标准的Wi-Fi无线网络，802.11n产品技术应用逐渐成为市场主流应用。 试想一下，在有线网络时代，用户的活动围受限于网线，无论到哪里必须要拖着长长的缆线，为寻找宽带接口而苦恼。为此，无线网络应运而生。和有线网络相比，虽然无线网络的带宽较小；相对目前的有限网络有较多的等待延迟；稳定性较差；无线接入设备的CPU、存以及显示屏幕等资源有限等缺陷。但无线网络可适应复杂的搭建环境，搭建简单，经济性价比强，并且最大的优点是可以让人们摆脱网线的束缚，更便捷，更加自由的沟通。 1.2主要研究机构 2015年无线路由器品牌排行前十位是：TP-LINK、华为、极路由、NETGEAR、D-Link、Tenda腾达、华硕、360、联想、思科。 2015年无线网卡品牌排行前十位是：TP-LINK、磊科、NETGEAR、迅捷网络、水星、B-Link、D-Link、Tenda腾达、TOTOLINK、华为。 2015年无线交换机品牌排行前十位是：华为、H3C、思科、锐捷网络、TP-LINK、D-Link、NETGEAR、中兴、磊科、Tenda腾达。 2技术现状及发展趋势 2.1无线网络技术主要方法 作为目前市场主流的WiFi无线网络技术，802.11n标准采用多入多出(MIMO)与正交频分复用(OFDM)技术，使得网络传输速率得到了极大提升。相比

基于无线传感网络的大型结构健康监测系统_尚盈

文章编号:1004-9037(2009)02-0254-05 基于无线传感网络的大型结构健康监测系统 尚　盈　袁慎芳　吴　键　丁建伟　李耀曾 (南京航空航天大学智能材料与结构航空科技重点实验室,南京,210016) 摘要:针对大型碳纤维复合材料机翼盒段壁板结构,实现了基于无线传感网络的多点应变结构健康监测系统,采用自组织竞争神经网络成功判别了集中载荷模拟的损伤位置。本系统由传感采集子系统、无线传感网络子系统和终端监控子系统三部分组成。为了降低系统网络功耗及成本,提高系统的稳定性和可靠性,改善传感网络的实时性和同步性,设计了可直接配接无线传感网络节点的低功耗多通道应变传感器信号调理电路和基于无线传感网络的层次路由协议,开发了多通道应变数据采集、网络簇头转发和中继节点接收等主要软件模块。实验证明,相比于传统有线的监测方法和数据采集系统,基于无线传感网络的结构健康监测系统具有负重轻、成本低、易维护和搭建移动方便等优点。 关键词:无线传感网络;结构健康监测;层次路由协议;自组织竞争网络中图分类号:T P2;T P9 文献标识码:A 　基金项目:国家“八六三”高技术研究发展计划(2007AA 032117)资助项目;国家自然科学基金(60772072,50420120133)资助项目;航空基金(20060952)资助项目。　收稿日期:2007-09-05;修订日期:2008-04-17 Large -Scale Structural Health Monitoring System Based on Wireless Sensor Networks S hang Ying ,Yuan Shenf ang ,Wu J ian ,Ding J ianw ei ,L i Yaoz eng (T he A ero nautic Key La bo rat or y o f Smart M ater ial and Str uct ur e,N anjing U niv ersit y o f Aer onautics and A str onautics,N anjing,210016,China) Abstract :Aimed at the large-scale structure and anisotropy nature o f the carbon fiber compos-ite material w ing box ,a large-scale structural health m onitoring system based on w ireless sen-sor netw orks is presented .A kind of artificial neural netw ork is designed to distinguish the damag e locatio n simulated by the co ncentrated load .The sy stem co nsists o f the sensor data ac-quisition,the w ireless sensor netw or ks,and the terminal monitoring sub-sy stem s.To im pro ve the performance o f the system ,the signal conditio ning circuit and the hierarchical routing pro -to col are designed based o n w ireless sensor netw orks ,the prog rams of data acquisition and Sink node are ex ploited.Experimental result pro ves that the system has advantag es of flexibili-ty o f deplo yment,low maintenance and deploym ent costs . Key words :w ir eless senso r netw or ks ;str uctural health monitoring ;hierarchical routing ;self -org anizing com petitive netw o rk 引 言 结构健康监测技术是采用智能材料结构的新概念,利用集成在结构中的先进传感/驱动元件网络,在线实时地获取与结构健康状况相关的信息(如应力、应变、温度、振动模态、波传播特性等),结 合先进的信号信息处理方法和材料结构力学建模 方法,提取特征参数,识别结构的状态,包括损伤,并对结构的不安全因素在其早期就加以控制,以消除安全隐患或控制安全隐患的进一步发展,从而实现结构健康自诊断、自修复、保证结构的安全和降低维修费用[1]。 无线传感网络节点具有局部信号处理的功能, 第24卷第2期2009年3月数据采集与处理Jour nal of D ata A cquisition &P ro cessing Vo l.24N o.2M a r.2009