无线传感器网络研究（精选12篇）
无线传感器网络研究 篇1
0、引言
Ad Hoc网络是一种移动通信和计算机网络相结合的自组织网络, 网络中的节点由移动主机构成。Ad Ho网络最初应用于军事领域, 是20世纪70年代美国国防部高级研究计划局 (DARPA) 资助研究的采用分组无线网 (PRNET) 进行数据通信项目中产生的一种新型网络构架技术[1]。无线传感器网络是Ad Hoc网络应用在传感器技术中的一种具有动态拓扑结构的组织网络它是由大量散布在某区域的微小传感器节点组成, 这些节点可以通过飞机撒播、人工布置或者火箭弹射的方式完成。与蜂窝移动通信系统、蓝牙技术、无线局域网等无线通信网络相比, 无线传感器网络和传统Ad Hoc网络都没有基站设备支持, 所有节点分布式运行能够向相邻节点发送和接收数据, 具有发现和维护到其他节点路由的功能, 是自创造、自组织和自管理的多跳网络。
无线传感器网络是大量的静止或移动的传感器以自组织和多跳的方式构成的无线网络, 其目的是协作地感知、采集、处理和传输网络覆盖地理区域内感知对象的监测信息, 并报告给用户。它的英文是Wireles Sensor Network, 简称WSN。大量的传感器节点将探测数据, 通过汇聚节点经其它网络发送给了用户。传感器网络实现了数据采集、处理和传输的三种功能, 而这正对应着现代信息技术的三大基础技术, 即传感器技术、计算机技术和通信技术。
1、无线自组网
1.1 无线自组网概述
Ad hoc网是一种多跳的、无中心的、自组织无线网络, 又称为多跳网 (Multi-hop Network) 、无基础设施网 (Infrastructure less Network) 或自组织网 (Self organizing Network) 。整个网络没有固定的基础设施, 每个节点都是移动的, 并且都能以任意方式动态地保持与其它节点的联系。在这种网络中, 由于终端无线覆盖取值范围的有限性, 两个无法直接进行通信的用户终端可以借助其它节点进行分组转发。每一个节点同时是一个路由器, 它们能完成发现以及维持到其它节点路由的功能。
Ad Hoc网络是一种没有有线基础设施支持的移动网络, 网络中的节点均由移动主机构成。Ad Hoc网络最初应用于军事领域, 它的研究起源于战场环境下分组无线网数据通信项目, 该项目由DARPA资助, 其后, 又在1983年和1994年进行了抗毁可适应网络SURAN (Survivable Adaptive Network) 和全球移动信息系统Glo Mo (Global Information System) 项目的研究。由于无线通信和终端技术的不断发展, Ad Hoc网络在民用环境下也得到了发展, 如需要在没有有线基础设施的地区进行临时通信时, 可以很方便地通过搭建Ad Hoc网络实现。
1.2 无线自组网的特点
Ad Hoc网络作为一种新的组网方式, 具有以下特点:
1.2.1 网络的独立性
Ad Hoc网络相对常规通信网络而言, 最大的区别就是可以在任何时刻、任何地点不需要硬件基础网络设施的支持, 快速构建起一个移动通信网络。它的建立不依赖于现有的网络通信设施, 具有一定的独立性。Ad Hoc网络的这种特点很适合灾难救助、偏远地区通信等应用。
1.2.2 动态变化的网络拓扑结构
在Ad Hoc网络中, 移动主机可以在网中随意移动。主机的移动会导致主机之间的链路增加或消失, 主机之间的关系不断发生变化。在自组网中, 主机可能同时还是路由器, 因此, 移动会使网络拓扑结构不断发生变化, 而且变化的方式和速度都是不可预测的。对于常规网络而言, 网络拓扑结构则相对较为稳定。
1.2.3 有限的无线通信带宽
在Ad Hoc网络中没有有线基础设施的支持, 因此, 主机之间的通信均通过无线传输来完成。由于无线信道本身的物理特性, 它提供的网络带宽相对有线信道要低得多。除此以外, 考虑到竞争共享无线信道产生的碰撞、信号衰减、噪音干扰等多种因素, 移动终端可得到的实际带宽远远小于理论中的最大带宽值。
无线自组网络还具有有限的主机能源、网络的分布式特性、生存周期短、有限的物理安全等特点。
1.3 无线自组网应用领域
Ad Hoc网络的应用范围很广, 总体上来说, 它可以用于以下场合:a) 没有有线通信设施的地方, 如没有建立硬件通信设施或有线通信设施遭受破坏。b) 需要分布式特性的网络通信环境。c) 现有有线通信设施不足, 需要临时快速建立一个通信网络的环境。d) 作为生存性较强的后备网络。
Ad Hoc网络技术的研究最初是为了满足军事应用的需要, 军队通信系统需要具有抗毁性、自组性和机动性。具有较强的自组性, 很适合战场的恶劣通信环境。Ad Hoc网络建立简单、具有很高的机动性。目前, 一些发达国家为作战人员配备了尖端的个人通信系统, 在恶劣的战场环境中, 很难通过有线通信机制或移动IP机制来完成通信任务, 但可以通过Ad Hoc网络来实现。因此, 研究Ad Hoc网络对军队通信系统的发展具有重要的应用价值和长远意义。
Ad Hoc网络的研究在民用和商业领域也受到了重视。在民用领域, Ad Hoc网络可以用于灾难救助。在发生洪水、地震后, 有线通信设施很可能因遭受破坏而无法正常通信, 通过Ad Hoc网络可以快速地建立应急通信网络, 保证救援工作的顺利进行, 完成紧急通信需求任务。Ad Hoc网络可以用于偏远或不发达地区通信。
Ad Hoc网络在研究领域也很受关注, 近几年的网络国际会议基本都有Ad Hoc网络专题, 随着移动技术的不断发展和人们日益增长的自由通信需求, Ad Hoc网络会受到更多的关注, 得到更快速的发展和普及。
2、无线传感器网络
2.1 无线传感器网络的体系结构
典型的无线传感器网络系统主要由传感器节点、接收发送器、互联网或通信卫星、任务管理节点等组成。图1为一个无线传感器网络的体系结构图。
传感器节点是一种微型嵌入式设备, 由部署在感知对象附近大量的廉价微型传感器模块组成, 可以借助于节点中内置的各式传感器来测量所在周边环境中的各种信号, 从而探测其相关的各种物理量, 也可以通过人工放置、飞机撒播或炮弹发射等方式, 将传感器节点散布在监控区域内, 以采集检测区域内的相关信息, 并发送到汇聚节点。各模块通过无线通信方式形成一个多跳的自组织网络系统, 从而把传感器节点采集到的数据沿着其他节点逐跳传输到汇聚节点。
汇聚节点也称数据中心或基站, 它的处理能力、存储能力和通信能力相对较强, 通过连接传感器网络与互联网等外部网络, 可实现两种协议通信协议之间的转换, 同时发布管理节点的检测任务, 并将搜集到的数据转发到外部网络上。
管理节点通过对整个系统的配置和管理, 可实现对系统中各节点检测任务的发布和检测数据的收集与处理。管理节点也可以将数据传输给传感器节点, 实现网络的再配置以及重新发布检测任务。
2.2 无线传感器网络的特点
无线传感器网络除了具有Ad Hoc网络的移动性、断接性、电源能力局限性等共同特征以外, 还具有很多其他鲜明的特点。
2.2.1 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。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采集的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。
2.2.2 自组织网络
在无线传感器网络应用中, 通常情况下传感器节点被放置在没有基础设各的地方。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也不能预先知道, 如通过飞机撒播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。在无线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, 也有一些传感器节点为了弥补失效节点、增加监测精度而补充到网络中, 这样在无线传感器网络中的节点个数就动态的增加或减少, 从而使网络的拓扑结构随之动态变化。无线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。
2.2.3 多跳路由
网络中节点通信距离有限, 一般在几十到几百米范围内, 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行通信, 则需要通过中间节点进行路由。匿定网络的多跳路由使用网关和路由器来实现, 而无线传感器网络中的多跳路由是由普通网络节点完成的, 没有专门的路由设备。这样每个节点既可以是信息的发起者, 也可以是信息的转发者。
2.2.4 动态性网络
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, 退出网络运行;一个节点也可能由于工作的需要而被添加到网络中。无线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。环境条件变化可能造成无线通信链路的带宽变化, 甚至时断时通。 (2) 无线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。 (3) 新节点的加入。 (4) 可靠的网络。
2.2.5 以数据为中心的网络
传感器网络是一个任务型的网络, 脱离传感器网络谈论传感器节点没有任何意义。传感器网络中的节点采用编号标识, 节点编号是否需要全网唯一取决于网络通信协议的设计。由于传感器节点随机部署, 构成的传感器与节点编号之间的关系是完全动态的, 表现为节点编号与节点位置没有必然联系。用户使用传感器网络查询事件时, 直接将所关心的事件通告给网络, 而不是通告给某个确定编号的节点。网络在获得指定事件的信息后汇报给用户。这种以数据本身作为查询或者传输线索的思想更接近于自然语言交流的习惯。所以通常说传感器是一个以数据为中心的网络。
2.2.6 应用相关的网络
传感器用来感知客观物理世界, 获取物理世界的信息量。客观世界的物理量多种多样, 不可穷尽。不同的传感器应用关心不同的物理量, 因此对传感器的应用系统也有多种多样的要求。
不同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会有很大差异。所以传感器网络不能像Internet一样, 有统一的通信协议平台。对于不同的传感器网络应用虽然存在一些共性问题, 但在开发传感器更高效的目标系统。针对每一个具体应用来研究传感器网络技术, 这是传感器网络设计不同于传统网络的显著特征。
无线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, 遭受太阳的暴晒或者风吹雨淋, 甚至遭到无关人员或动物的破坏。由于监测区域环境的限制以及传感器节点数量巨大, 人工不能“照顾”每个传感器节点, 网络的维护十分困难甚至不可维护。无线传感器网络的通信保密性和安全性也十分必要, 要防止监测数据被盗取和获取伪造的监测数据。因此, 无线传感器网络的软硬件必须具有鲁棒性和容错性。
3、无线自组网与无线传感器网络比较
无线传感器网络与传统无线自组网有着一些不同特点:1、无线传感器网络的节点数量较多, 并且分布密度较大;2、无线传感器网络中的节点与无线自组网中的节点相比更容易出错;3、无线传感器网络中节点的计算、存储能力和电力有限;4、传统无线自组网主要采用点对点通信, 而无线传感器网络节点主要采用广播方式通信;5;无线传感器网络中的节点数量非常大, 因此网中节点一般没有全球唯一的标识。
摘要：在目前的无线网络技术中, 最重要的研究是无线自组网 (ad hoc) , 最有发展前景的是无线传感器网络 (Wireless Sensor Network, WSN) 。无线自组网是一种自组织、对等式、多跳的无线移动网络, 在分组无线网的基础上发展起来。无线传感器网络将无线自组网技术与传感器技术相结合, 实现协作地感知、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。
关键词：无线自组网,无线传感器
参考文献
[1]雷冠军.无线传感器网络中安全性问题的研究[J].价值工程, 2012, (3)
[2]司海飞, 杨忠, 王珺.无线传感器网络研究现状与应用[J].机电工程, 2011, (1) .
[3]胡曦明, 董淑福, 王晓东, 韩仲祥.无线传感器网络的军事应用模式研究进展[J].传感器与微系统, 2011, (3) .
[4]刘涛.无线传感器网络安全的优化研究[J].计算机仿真, 2011, (7) .
[5]侯雷.无线传感器网络及相关问题研究[J].计算机安全, 2010, (7) .
[6]黄全乐.Ad Hoc网络的发展及其在军事通信中的应用[J].国防技术基础, 2006, (12) .
[7]袁柱, 高论.Ad Hoc的研究与实现[J].重庆工学院学报 (自然科学版) , 2007, (3) .
[8]王春霞.Ad hoc网络技术研究[J].菏泽学院学报, 2007, (2) .
[9]陈婕, 鄂洁.无线自组网的安全探讨[J].软件导刊, 2007, (19) .
无线传感器网络研究 篇2
关键词：传感半径；覆盖冗余；动态调整引言
1.1 网络模型
假设个传感器节点和一个Sink节点随机分布在一个的二维正方形区域内，并假设该传感器网络具有如下性质：
* 节点同构，各节点具有相同的计算、通信能力和初始能量水平，且节点能量不能再补充。其中Sink节点例外，它的计算、通信能力和能量不受限制；
* 节点间的通信是相互的。节点A能够与B通信，则B也可以与A通信；
* 节点具有相同的最大感知范围，且感知范围能够自调整；
* 节点能获知其位置信息。感知节点可以利用定位算法或 GPS方式获知自己所在的位置；
1.2 感知模型
采用无线传感器网络研究中常用的二元感知模型(Binary sensing model)即在二维平面上，传感器节点的覆盖范围是一个以节点为圆心，半径为的圆形区域称为传感器节点的“感知圆盘(Sensing Disk)”。称为传感器节点的传感半径，假设节点的坐标为。在二元感知模型中，对于平面上任意一点，节点检测到点处发生的事件的概率为传感器感知能力动态调整算法
2.1 算法相关定理
节点集，若区域内的任一点都不能被内的节点所感知到，则这样的区域称为的覆盖盲区。可以注意到，覆盖盲区有两种类型闭合型与开放型，若组成开放型盲区区域的圆弧之间有交点，则交点也称为盲区顶点。
若一个节点的感知圆的某段圆弧被其任何一个邻居节点的感知圆包含，则称这段圆弧为约束圆弧，否则称为自由圆弧。
【定理1】有一圆心为半径为的圆和顶点为的凹曲边形，设为到的最大距离，即，若满足，则圆必覆盖该凹曲边形区域。
证明：欲证圆覆盖凹曲边形，只需证明圆覆盖顺次连接的相邻顶点所形成的n多边形。设点为n多边形内的任意一点，连接并延长则必交的一边于点,记该条边为，如下图所示。在内易知，又因所以，因此，从而凹曲边形内任意一点到圆心的距离均不大于圆半径，即该圆覆盖凹曲边形，定理得证。
【定理2】若有盲区区域均是传感器节点的邻居集的闭合型覆盖盲区，其顶点分别为，，且是的感知圆内的所有闭合型盲区，节点的传感半径等于其最大传感半径，为节点到，，的最大距离。如果的感知圆不存在自由圆弧，则的传感半径在由调整为的过程中不会产生集合的覆盖盲区。
证明：因的感知圆不存在自由圆弧，易知在的感知圆内必不存在的邻居集的开放型覆盖盲区区域部分，则的感知圆内仅存在闭合型盲区区域，由定义4可知均为凹曲边形。又由定理1可知，当时的感知圆覆盖，又因故当时必覆盖，即在的传感半径在由改变为的过程中不会产生的覆盖盲区。定理得证。
2.2 传感器感知能力动态调整算法描述
(一)算法思想概述
节点首先根据邻居信息判断其感知圆是否具有自由圆弧，若具有自由圆弧，则传感半径保持不变，仍为最大传感半径，以尽可能多的覆盖其邻居集的覆盖盲区区域。若不存在自由圆弧，则计算节点所有邻居节点感知圆在该节点感知圆内彼此两两相交所构成的交点的集合，将集合中交点的被覆盖次数判断盲区顶点和普通交点，若不存在盲区顶点，则邻居节点能够完全覆盖感知区域，此时，传感半径可以调整为零，否则说明感知圆内包含有邻居集的闭合型盲区,可根据定理2对传感半径进行调整。
(二)算法步骤
具体算法步骤如下：
1)首先查询邻居节点集NBS的信息，获得所有邻居节点的圆心坐标、当前传感半径等。
2)检查邻居节点的个数NBS.count 是否小于1，若是则转步骤7，否则转3。
3)依照判断是否存在自由圆弧的算法判断该节点的感知圆是否存在自由圆弧，若存在则转到步骤7，否则转到4。
4)计算所有邻居节点的感知圆在本圆内的交点，若不存在交点，即转到步骤6；否则，转到5。
5)从第4步中获取的交点集合中按查找本圆内盲区顶点集合HolePointsList，若不存在，则转步骤6；若存在，则找出离该节点最远的点到该点的距离d，传感半径调整为，转步骤7；其中为误差控制参数，以免去因误差导致的覆盖盲区。
6)将节点传感半径调整为零。因此时节点的感知范围区域已被邻居所覆盖。
7)算法结束。
2.3 邻居集的选取
在传感器感知能力动态调整算法中定义传感器节点A的邻居节点集为，其中为B到A的距离，为A的最大传感半径，为邻居范围控制因子。在进行传感半径调整时，要保证算法中节点的邻居的感知圆和本节点的感知圆是非相离关系，因为相离关系的两个节点不会相互影响到对方的覆盖范围，则只需保证其邻居到该节点的距离不大于该节点2倍最大传感半径，即的取值应满足下式：
当时，这时节点在传感器感知能力动态调整算法中考虑到了所有能对自己的最大覆盖范围能造成影响的节点，传感器感知能力动态调整算法可以充分利用邻居的信息，调整能得到最佳的效果。
当时，此时，部分节点的感知区域可以覆盖该节点感知区域的一部分，因为这部分节点不包含在该节点的邻居集内，会出现节点感知区域内实际上不存在盲区，但是节点会误认为其感知圆内存在盲区，传感半径调整后出现部分监测区域的重复覆盖现象，这时的调整效果不及。
实验结果显示，当时的调整效果最好，时的效果最差，产生大量不必要的冗余覆盖。仿真与分析
为了检验传感器感知能力动态调整算法的有效性，论文主要从调整效果、能量消耗和覆盖冗余度三个方面对算法进行了模拟实验和分析。首先对本文所用仿真程序做简单的介绍。
3.1 覆盖冗余度
覆盖冗余度是用来衡量监测区域中被传感器节点覆盖区域的覆盖次数。定义为区域中所有节点覆盖范围之和与区域中所有节点的覆盖范围的并集之比值。覆盖冗余度的计算公式为
其中，表示节点的覆盖范围，覆盖冗余度反映了节点对监测区域覆盖的冗余程度，覆盖冗余度越低，节点利用率越高，反之节点利用率越低。
随机布置节点数N分别取{800，1000，1200，1300，1400}五个值时，节点最大传感半径从10变化到30时，调整前和调整后覆盖冗余度的对比情况。
实验结果表明传感器感知能力动态调整算法前，网络的覆盖冗余度会随着最大传感半径的增大而急剧增大，加入传感器感知能力动态调整算法之后，网络的覆盖冗余度随着节点最大传感半径的增大而增大甚少，传感器感知能力动态调整算法应用在具有不同最大传感半径的传感器网络中，对覆盖冗余度的控制也能保持较好的成效。
3.2 能量消耗
本节只分析传感器节点的传感模块的能量消耗，暂时不考虑通信和计算的能耗。假设传感器节点的传感半径调整为零时认为该节点消耗能量也为零。传感器节点的感知模块的耗能与传感半径成正比，为常量，可看作能量消耗系数。
所有节点的有效覆盖面积即所有节点的覆盖范围的并集为
则调整传感半径前，覆盖区域的平均能量消耗为
而调整传感半径后，覆盖区域的平均能量消耗为
前文已经证明，节点在传感半径调整的过程中不会产生盲区，所以传感半径调整前后，所有节点的有效覆盖面积在理论上是保持不变的。
表1列出了在的区域内随机布置800个节点，各个节点的最大传感半径为15m时，节点传感半径调整前后网络覆盖区域的平均能量消耗。
传感半径调整前后区域平均能量消耗统计
实验次数
调整前平均耗能
调整后平均耗能
3.6463
0.6875
3.6092
0.7189
3.6487
0.7054
3.6389
0.7311
从表中实验数据可以看出，传感半径调整后，平均能量消耗比原来减少了大约80%，说明传感器感知能力动态调整算法能够大大减少传感器节点的能量消耗。
4.小结
针对无线传感器网络节点高密度随机部署时，网络的覆盖冗余度过大，大量冗余信息的被感知及其在网络中的传输，会极大浪费网络能量的特点，本文提出了一种能够保证网络覆盖的分布式传感器感知能力动态调整算法。各节点只根据其邻居节点的信息来调整自身的传感半径。算法侧重于保证网络的原始覆盖和连通，在此前提下，尽量减少网络的冗余覆盖，所以传感半径调整后对网络的路由协议的设计不会产生任何影响。
参考文献：
无线传感器网络研究 篇3
关键词 无线传感网络 节点定位 定位算法 物联网
中图分类号：TN929.5 文献标识码：A
0引言
无线传感器网络（Wireless Sensor Networks，简称WSN）是伴随无线通信、电子与传感技术发展起来的新兴技术，它是对传统的传感器技术、信息处理技术和网络通信技术的融合，已成为国内外各行业的研究重点，也是跨学科的研究热点。
在 WSN 的实际应用过程中，确定节点的位置十分重要，定位技术是 WSN的主要技术指标之一。在研究节点的定位时，需要考虑的因素较多：比如基础设施、网络的连通性、节点密度、锚节点密度、测距误差、通信开销和计算开销等。因此，从节点定位的方法到算法的研究再到节点定位的实现并不是一件容易的事情，需要不断的尝试和探索。
1影响节点定位的因素
影响节点定位的因素很多，如网络的连通性、节点密度、锚节点密度、测距误差、基础设施、通信开销和计算开销等。
网络的连通性与网络的连通度对于定位算法是一个很重要的影响因素。网络的连通性定义为如果节点之间可以直接互相通信，就称这对节点是连通的。联通度是形成网的连通概率的多少，定位系统达到的覆盖率能有多大。锚节点也称为信标节点、灯塔节点等，可通过某种手段自主获取自身位置的节点，它是无线传感网络节点定位的核心要素，锚节点的密度越大说明已经节点位置的节点就多，为了降低开始部署时的锚节点密度，可以考虑将已定位的未知节点升级为锚节点。预先不知道自身位置的是未知节点或待定位节点，需使用锚节点的位置信息并运用一定的算法得到估计位置的节点。基础设施是协助节点定位且已知自身位置的固定设备，如卫星基站、GPS等。测距技术是任何定位技术的核心。跳数是定位系统出现不稳定的一个很重要的原因。
2节点定位的方法
目前WSN的定位方法较多，根据传感器接收信息的方式和节点处理数据方式采取不同的定位方法。传感器接收和采集信息受距离、角度、时间和周围锚节点信息的影响，这些数据也是定位算法的计算基础。无论采用什么样的数据处理方式，其目的都是将数据转换为坐标，完成定位功能。
目前节点定位的方法主要分为三类：一是根据是否测量距离分为距离相关方法和距离无关方法。两种方法各有优缺点，在实际应用过程中经常混合使用。二是根据网络的拓扑结构和连通性分为单跳方法和多跳方法，单跳方法实现简单，但只使用于测量距离小的场合。多跳方法应用广泛，使用于传感网络结构复杂的情况。三是根据数据的处理方式可分为：集中式方法和分布式方法。集中式处理方法可以使数据在数据中心汇总，集中处理，但通信量较大。但传感器采集的信息是基于周围的节点时，分布式方法在自身的后台执行定位算法，降低了网络通信量，但是分布式算法实现复杂，在很多平台上很难开展。基于众多学者的研究，普遍认为基于距离相关和距离无关的方法更加实用。
3节点定位算法
3.1 基于距离的算法
基于距离相关的算法需要测定锚节点与未知节点之间的距离或是角度信息，再根据三边测量法、三角测量法或最大似然估计法来确定未知节点的位置。根据测量技术可以分为：基于RSSI的算法，该算法对硬件要求相对较低，功耗低，但误差大，不适用；基于 TOA/TDOA和基于AOA的算法对硬件要求较高，功耗大，误差小，适用性强。
基于距离无关的算法不需要确定节点之间的距离长度，对硬件的要求相对就较低，从而更适合用于无线传感器网。常见的有质心、DV-Hop、APIT、Amorphous、凸规划等5种定位算法。但是基于距离无关的算法多处于理论研究阶段，适应范围有一定的局限性，在實际应用过程中主要考虑基于距离相关的算法。
3.2节点定位新算法
（1）基于移动锚节点的定位算法：利用移动锚节点自身的可定位性和可移动性定位无线传感网络中的局部节点，但在设计时需要科学规划移动锚节点的路径和合理的定位机制。
（2）立体三维定位算法：从传统的二位平面结构提升到三维空间，但获取更准确的锚节点需要寻求更精确的广播周期和消息生存周期，缩减定位时间需要改进锚节点的选择和过滤机制等。
（3）智能定位算法：随着低功耗技术、微处理器技术、FPGA技术的发展，智能定位算法将在未来的定位系统中得到广泛的应用。
4小结
无线传感器节点的自身定位具有重要的意义，决定着无线传感器网络的发展。目前，节点定位技术面临着诸多问题，无论是定位方法和定位算法上都有许多需要改进的地方。随着技术的发展协作定位技术、跨层设计、移动跟踪等方法将成为研究热点。
基金项目：广东科技学院课题《无线传感技术在智能物流中的应用研究》，立项编号：GKY-2012KYYB-4
参考文献
[1] 王福豹，史龙，任丰原.无线传感器网络中的自身定位系统和算法[J].软件学报， 2005.16（5）： 857-868.
[2] 杜存功，丁恩杰，苗曙光.无线传感器网络改进型节点定位算法的研究[J].传感器与微系统.2010.29（1）.
[3] 李哲涛，李仁发，魏叶华.无线传感器网络中时间同步与测距协同算法[J].计算机研究与发展，2010.47（4）.
无线传感器网络研究概述 篇4
关键词：传感器,无线传感器网络
0 引言
无线传感网络(WSNs)是一组传感器以Adhoc方式组成的有线或者无线网络,其目的是协作地感知、收集和处理传感器网络所覆盖的地理区域中感知对象的信息,并传递给观察者[1]。无线传感器网络集中了传感器、计算机和无线通信技术,由于广泛的应用前景,受到越来越多的关注和研究。传感器网络由许多密集的传感器节点组成,这些节点能够独立完成感知信息的接收、处理和通信功能。其中,感知信息包括温度、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。传感器网络广泛应用于军事、基础设施安全监控、医疗、环境监测、交通流量监控等领域,备受关注。
1 无线传感器网络属性
无线传感器网络以传感器为基础,传感器之间以Adhoc方式进行组网,每个传感器作为一个节点,实现感知信息的接收、处理和通信功能。图1为无线传感器网络示意图。针对传感器的特点,可以看出无线传感器网络具有如下属性:
(1)使用受到能量限制。传感器在使用过程中,需要提供相应的能量。目前,提供传感器能量的办法就是使用电池。由于电池的能量有限,导致无线传感器网络也会受到能量的限制。
(2)规模大,感知区域广。由于受到体积大小的限制,单个传感器本身感知的区域较小。为了准确获得感知区域的真实信息,需要大规模的使用传感器,从而扩大无线传感器网络感知的区域。
(3)相似度高。由于传感器在感知区域比较密集,周围的信息相差不大,从而导致传感器感知到的信息相似度会非常的高。
针对Adhoc组网特点,可以看出无线传感器网络具有如下属性:
(1)网络拓扑变化频繁。网络拓扑结构是由各个传感器相联构成,传感器由于能量耗尽便会失去效能,从而导致网络拓扑结构会随之发生变化。
(2)无中心自组网。无线传感器网络中没有中心节点,各相邻传感器之间进行信息的交换,从而形成无中心网络。
2 无线传感器网络关键技术
由于无线传感器网络自身的一些属性,在使用过程中暴露出一些问题,如传感器受到能量限制,如何节能来延长传感器使用寿命。又如,无线传感器以Adhoc组网,采用何种路由协议,等等。这些问题引起了学者的关注和研究,就进一步提高无线传感器网络的使用范围,对无线传感器网络的技术提出了更高的要求。
(1)节能策略。无线传感器网络工作在人无法接近的恶劣或者相对危险的远程环境中,延长传感器的使用寿命至关重要。采取有效的节能策略,延长传感器的使用时间,是制约无线传感器网络推广应用的核心问题。MihailL.Sichitiu提出了一种确定的、基于调度能量保持策略,时间同步传感器在需要时再唤醒,这种策略适合大规模传感器网络。延长传感器寿命的方法还有就是提高电池的容量,或者采用太阳能来提供能量,但是由于受到传感器大小以及成本的限制,在实际生产和应用过程中得到了限制。
(2)路由协议。无线传感器网络拓扑变化频繁,以Ad hoc方式无中心自组网,采用何种协议来实现节点间的信息传输,成为无线传感器网络正常工作的前提。这就需要研究网络的大小、链路和节点数目等问题。通过提供充足的路由,并由相应的算法实现正确的路由,才能保证无线传感器网络的生存性和适应环境性。G.Wang等为移动传感器网络提出了一种分布式自配置协议。斯坦福大学Q.Fang等为了将困境节点中被困的数据包解救出来,提出了一种困境节点边界路由分布式算法。
(3)安全技术。传感器网络为一个开放式网络结构,传感器节点工作在敌方环境当中,防止敌方切入网络实施破坏或者诱敌等活动,就需要考虑到无线传感器网络的安全问题。传感器网络的安全和认证机制的研究就显得尤为重要。特别是,在运用到军事领域,安全的要求就更高。W.Lou等提出了可靠数据传输安全协议来增强移动Adhoc网络中数据的保密性。同时,还可以采用将网络进行分簇,每个簇有一个簇头,各个节点通过簇头进行安全认证。
(4)信号处理[2]。无线传感器网络的数据具有很大的相似性,如何进行信号处理,得到可靠的数据,提高传感器节点的使用效率,是无线传感器网络运用的一个重要问题。目前提出的协同信号处理技术可以有效地解决此问题。当一个节点收到来自其他节点的信息数据时,需要将这些信息进行融合处理,通过一定的策略算法,选出最有用的信息。W.Zhang等提出了基于最优树重配置算法,包括基于最小能量消耗的安全配置和减少配置开销的基于拦截的重配置,从而保证节点间的协同工作。
3 无线传感器网络的应用
随着对无线传感器网络关键技术研究的不断深入,其自身优势得到不断扩大,潜在的军事、工业和民用价值得到了进一步挖掘,在各个领域得到了广泛的运用。主要表现在:
(1)军事领域。无线传感器网络可以布放在前方阵地,随时收集战场态势,为指挥决策提供科学依据。同时,可以随时跟踪敌方的军事动向,做到对战场对手了如指掌。传感器网络还可以为火控和制导系统提供准确的目标定位信息,准确探测生物和化学战的爆炸中心,避免核反应部队暴露在核辐射环境中,运用非常广泛。
(2)民用领域。无线传感器网络运用在医疗、动物饲养等行业和产业中,通过安装传感器可以追踪病人的行为,监视动物的生活行为以及周围的生活环境,使人可以解脱出来。
(3)环境监测。无线传感器网络可以监控大气、沙漠、海洋以及人类居住的环境,及时感知状态变化,为环保部门制定科学的环境保护措施提供科学、翔实的依据。
无线传感器网络技术还运用在基础设备安全监控、交通流量监控等方面,为国防和国民经济的发展做出了大量的贡献。
4 结论
无线传感器网络的应用和推广,带动了计算机、通信和传感器技术的飞速发展。随着对无线传感器网络关键技术的不断研究,其应用的领域不断得到拓展,广泛应用于军事、民用等领域,推动了军事和国民经济的发展。
参考文献
[1]Tilak S,Abu-Ghazaleh N B,Heinzelman W.A Taxono-my of Wireless Micro-sensor Network Models[J].MobileComputing and Communications Review,2002:1(2):1-8.
无线传感器网络实验感想 篇5
本次实验我们进行的是无线传感器网络综合实验。在实验中，我们小组成员学习了无线传输的基本原理，合作完成实验系统的安装、调试与数据分析，在这一过程中我受益良多。
无线传感器网络系统是基于ZigBee技术。ZigBee技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的双向无线通讯技术。主要用于距离短、功耗低且传输速率不高的各种电子设备之间进行数据传输以及典型的有周期性数据、间歇性数据和低反应时间数据传输的应用。
现在无线传感网络技术广泛用于很多方面，如农业物联网、工业自动化以及智能家居等。无线传感的使用使传感器和自动化技术得到了空前的发展，并给人们的生活带来了很大的便利。
我们平时的实验课更多注重对理论的验证，但是没有创新性和自主研发性，虽然这次的实验我们大部分也是照着实验说明书进行连接、烧录程序、演示等，但是此次的实验增加了我对电子设计的浓厚兴趣。只要有兴趣，我相信化兴趣为动力，我肯定能更加努力加强电子专业的学习，努力提高专业素养。
当然实验中还有注重团队的协作，我们分工明确，合作愉快，因此更快、更好地完成了实验。现在的项目工程，凭一己之力几乎不可能完成，所以企业也十分注重员工的团队意识，我们想要进入好的企业，对这块不能等闲视之，必须加以重视。
无线传感器网络研究 篇6
【关键词】 信息技术 多信道通信技术 无线传感器 问题 措施
随着科学的进步和发展，无线传感器开始深入人们的日常生活当中，并且通过和计算机网络的配合，使人们生活的许多方面都很便捷，这也无形的推动了无线传感器网络的广泛应用。
一、无线传感器的概述
无线传感器主要的构成是由许多微型的传感器节点，这些节点的造价很便宜。它的工作原理就是通过这些传感器节点对感知的对象进行数据的采集，然后将采集的数据通过网络传输给电脑，供人们进行分析并采取措施，一般的无线通信技术主要包括红外线、蓝牙、HomeRF、IEEE80。
二、无线传感器的特点
2.1无线节点数量多、分布比较随机
无线传感器的节点是非常多的，况且每个传感器的节点的能量也是有限的，所以无线节点对感知对象的范围也是有一定要求的，不能太远。所以在用无线传感器对感知对象进行数据的采集时，就必须靠大量的无线传感器节点来实现。除此之外，传感器的每个节点的位置也是比较随机的，正因为这种节点的随机性，就会造成当节点之间有障碍物时，节点之间的无线通信就很容易受到干扰，最终影响到无线传感器对对象数据的采集工作。
2.2无线传感器网络拓扑结构极易发生改变
为了使无线传感器有节能的功能，无线传感器的节点可以在工作和休眠两种状态进行切换。在许多的现实无线传感器的应用当中，传感器的节点处在休眠的状态，当被采集对象的环境发生变化时，传感器的网络拓扑结构就很容易发生改变，最终影响到采集、传输工作。
三、无线传感器网络中的多信道MAC协议问题
多信道的MAC协议可以让无线传感器的节点分布在不同的信道中。这在很大程度上解决了节点在单个信道协议中竞争比较大的问题，当然，因为无线传感器的节点的分布是比较随机的，当大量的节点同时存在MAC协议中的同一信道中，就会造成更严重的节点竞争问题。除了节点存在竞争的问题，节点还会出现消失的问题，也就是说传感器节点在对数据进行传输时要摆脱原来的信道，无形的节点原来所在的信道就消失了。
此外，在节点通信的过程中，节点之间的竞争也会出现不公平现象，比如当两个节点在同一信道时发生重复，就会造成两个节点的竞争，然而这种竞争是不公平的，往往是周期较早的节点胜出。
四、无线传感器网络的多信道广播
无线传感器网络的多信道中的MAC的协议有非常多的优点，比如：它的吞吐量是非常大的，并且通信过程中信号非常稳定，不容易受到干扰，还有就是其在通信的时候消耗的能量是比较小的。正是因为这些优点使得多信道MAC协议别迅速的应用到许多的领域。但是，多信道MAC协议也有缺点，例如：广播支持上面的问题。
4.1广播通信存在的一些问题
广播通信是大家所熟知的一种得到非常广泛应用的通信形式，它也广泛的应用到了无线传感器网络中。当无线通信是单信道的时候，就会使得无线传感器的节点因为处在同一个信道中，再加上无线电波的广播的特点最终实现广播的传达和接收工作。然而当无线通信是多信道的时候，因为节点的节能特点导致各个节点的工作时间不一样，这也就造成了许多的传感器节点是休眠的，这样的情况就会导致信息不能正常的进行传送，广播通信也会受到影响。
所以为了解决这些问题，可以通过提出相应的解决方法进行解决。①为了使广播通信的覆盖率得到提升，而且不会造成因此而带来的高耗能，可以对节点进行转接；②对于节点的转播问题，可以通过对其引起的广播冗余问题进行研究解决来改善；③在对于广播的通信延迟问题而出现的网络故障就应该对传感器节点的转播次数进行相应的控制。
4.2分布式树形广播协议
这种协议可以很好的解决前面所提到的问题，它主要对广播训练包进行发送，在其对广播训练包发送的同时加上无线传感器形成广播树形，然后在经过这些广播数对节点广播包进行传送，这样一来就会使得广播通信的覆盖率和效率得到很大程度的提升，通信的延迟情况也不会出现了。这种协议可以适应多变的环境，而且拓展性非常强，除此之外，它还可以防止因为无线网络出现问题造成的节点结构形变问题，最终使得通信功能能够正常使用。
参 考 文 献
[1]张德升.李金宝.郭龙江等.基于多信道预约的传感器网络 MAC 协议研究[J].通信学报.2011，32（4）：126～137
[2]汪志伟 .曹建福.郑辑光等.一种面向分簇无线传感器网络的多信道跨层协议[J].西安交通大学学报.2013.47（6）：61～67
无线传感器网络调度机制研究 篇7
1 系统概述
无线传感器网络包括终端节点、路由节点和基站组成。这些节点通过路由协议组成一颗树型结构,如图1所示为一种典型的无线传感器网络拓扑结构图。终端节点为树的叶子节点,负责感知环境信息,选择路由节点作为父节点。路由节点组成通信网络,即树的枝干,负责将终端节点采集的数据经过多跳转发到基站。基站是树的根,所有的感知数据都在基站汇聚和融合。
在B-MAC协议中,所有节点通过周期性的休眠机制来降低能耗,假定节点的休眠周期为T(B-MAC提供多种模式来调节T的大小),即节点以时间T为周期醒来监听信道。发送节点在发送数据前,先发送前导码,其前导码的发送时间必须>T。这样可以确保数据的发送将会被所有的邻居节点所监听到并接收。这种机制没有考虑无线传感器网络节点的不同角色,对于终端节点其周期性监听机制造成了大量不必要的能量浪费。该文让不同角色的节点选择不同的调度机制:路由节点沿用B-MAC默认的调度机制,而终端节点采用一种改进的调度机制。
2 调度机制
在没有时间同步与协商的情况下,路由节点不能预知什么时候需要接收来自孩子节点的数据包。在B-MAC协议中,为了确定数据能被接收,路由节点必须监听与接收每个邻居发来的包。B-MAC的模式4被选为路由节点的调度,该模式是B-MAC的最佳工作模式。路由节点每隔100毫秒醒来,监听信道,如果有数据需要接收,则接收数据,否则进入睡眠,在下一个100毫秒醒来。发送节点需要在发送数据之前,发送长度至少为100毫秒的前导码,这样可以确保所有的邻居都可以醒来同步接收该数据包。
终端节点不需要转发数据,把自己采集的数据发送给路由节点即可,终端节点周期性采样与发包,因此终端节点能预测自己什么时候需要发送数据。在基于B-MAC协议上,我们为终端节点提出了一种简单调度机制。该机制在支持数据包发送与睡眠调度之外,还必须接收配置参数信息。每个节点有两种状态:睡眠状态与活动状态。当终端节点需要与其路由节点通信,那么它进入活动状态。由于在B-MAC中要求通信双方必须使用同一模式,所以终端节点在活动状态使用B-MAC模式4。终端节点在确定的周期醒来感知环境,然后将数据包发送给它的路由节点。在发送数据包时,它将自己的配置参数版本号附带在数据包中,当路由节点接收到数据包时,检查版本号,如果与自己的版本号一致,则回复ACK标识为0;否则回复ACK标识为1,路由节点立即发送新版本的配置参数给终端节点。终端节点发送数据后,等待ACK:1)如果收到ACK且标识为0,则节点进入睡眠状态;2)如果ACK标志为1,则等待接收新的配置信息,如果成功接收新的配置信息,则回复ACK并进入睡眠;3)超时没有收到ACK则重传,如果重传次数超过一定阈值,则进行路由维护,选择新的父节点。
3 能耗分析
下面我们对改进的调度机制与B-MAC的模式4之间的能耗进行分析。忽略参数更新与控制包交换所消耗的能量,终端节点的能量消耗主要由发送数据包(Etr)、感知环境(Es)、接收数据包(Erx)、空闲监听(Elisten)、与睡眠(Esleep)这几部分的能耗组成,总的能耗用E表示,如式(1)所示。
其中n是邻居节点个数;T是采样间隔,假定采用周期为5分钟,则T=5*60=300秒;V为电压;Nlisten是在时间T内总的监听次数;Ilisten为监听时的电流;tlisten为一次监听持续的时间;Tlisten是在时间T内总的监听时间;Tsleep是在时间T内总的睡眠时间;Isleep为睡眠时的电流。对应的各参数的取值请参考表1与表2,这些参数的值引用于文献[1],Ilisten与tlisten为我们在实验中的所获得的值[6]。
在B-MAC的模式4中,节点每隔0.1秒监听一次信道,监听持续的时间为tlisten=0.01秒。在5分钟内,总的监听次数为Nlisten=5*60/(0.1+0.01)=2,727,总的监听时间为Tlisten=27.27秒,所以监听的能耗为Elisten=163.6m J。在B-MAC中,节点将监听并接收所有邻居发送的数据包。假定节点平均有n个邻居,在时间T内,每个邻居发送一个包,则该节点在T内接收到n个包,当n=3时,接收数据消耗的能量为n Erx=17.24m J。睡眠的时间可以计算得Tsleep=271.12秒,耗能为Esleep=24.40m J,所以总的能耗为E=278.92m J。可见在模式4中,监听信道和接收数据的能耗分别占总能耗的58.6%与6.2%。
如果使用改进的调度机制,终端节点不需要接收数据包也不需要监听信道。所以终端节点的能耗由环境感知(Es)、数据发送(Etx)、睡眠(Esleep)三部分的能耗组成。可以计算得Tsleep=298.873秒,Esleep=26.898m J,总的能耗为E=100.5613m J。当采样周期为5分钟,在终端节点中,该文改进的调度机制比B-MAC的模式4要节省65%的能耗。
4 结论
Tiny OS中B-MAC协议的调度机制没有考虑不同角色传感器节点的差异,其周期性监听机制使得终端节点造成了大量不必要的能量浪费。该文改进了调度机制,终端节点可以获得最大限度的休眠,分析表明该改进机制为终端节点节约了大量的能耗。
摘要：无线传感器网络的能量主要被无线通信所消耗,延长网络生命周期的办法是尽量减少数据的接收,在空闲的期间关闭监听并进入休眠状态。该文在B-MAC协议的基础上实现一种调度机制,让终端节点大部分时间处于休眠状态,通过分析证明该机制可以有效减少终端节点的能耗。
关键词：无线传感器网络,MAC协议,能量高效,调度机制
参考文献
[1]J.Polastre,J.Hill,and D.Culler.Versatile low power mediaaccess for wireless sensor networks.In Proceedings of the 2nd Interna tional Conference on Embedded Networked Sensor Systems(SenSys),Nov.2004.
[2]Y.Wei,J.Heidemann,D.Estrin.An energy-efficient MAC protocol for wireless sensor networks.In Proceedings of 21st Int'l confIEEE Computer and Communications Societies(INFOCOM 1002),New York,NY,June 2002.
[3]B.Hohlt,L.Doherty,E.Brewer.Flexible Power Scheduling for Sensor Networks.In Proceedings of the 3rd International Symposiumon Information Processing in Sensor Networks(IPSN),Berkeley,CA,USA,2004;pp.205-214.
[4]Z.Zhang,F.Yu.A Depth-based TDMA Scheduling for Clustering Sensor Networks.In Proceedings of 4th International Conferenceon Frontier of Computer Science and Technology(FCST),2009.
[5]Levis P,Madden S,Polastre J,et al.TinyOS:an operating system for sensor networks.In Ambient Intelligence,Springer-Verlag:Ber lin,Germany,pp.115-148,2005.
移动无线传感器网络定位研究 篇8
无线传感器网络 ( WSN) 是由部署在监控区域的大量传感器节点以自组织的方式构成的无线网络, 其通过对物理环境进行采样来观测物理现象。移动无线传感器网络 ( MWSN) 是无线传感器网络的一个特例, 其中节点的移动性对应用产生了极大的影响。移动性已成为无线传感器网络领域的重要研究内容, 并取得了一定的成果, 然而节点的移动性研究仍有一些通信覆盖范围和能耗等方面的难题需要克服。在近来研究人员在移动性传感器定位领域有了很大的进步[1], 引入了移动实体解决了部分移动定位问题[2]。另外, 传感器节点移动性研究使得能够定位和追踪化学云、车辆和包等移动现象[3]。
移动传感器网络研究的最大挑战之一是定位。为了能在空间上下文内获取传感器节点的数据或在整个传感区域内导航, 传感器节点必须能够获取自己的位置。对于静态无线传感器网络, 定位不是问题, 因为网络一旦组建, 每个节点的位置就不会改变。对于移动传感器网络, 传感器节点必须频繁地估算自身的位置, 这会消耗大量的时间、能量, 以及其它应用需要的资源。然而, 现有的静态无线传感器网络中高精度定位方案不能原样移植到移动无线传感器网络中, 这是因为这些算法或者是需要集中式处理, 会花费很长的运行时间, 或者是做出了不适用于动态网络的环境或网络拓扑假设条件。
本文对移动无线传感器网络的定位问题进行了一系列的研究。在机器人交流、移动自组织网络、车载网络的定位有了较多的成果后, 本课题去研究了移动无线传感器网络直接相关的定位方法。为了能更好地理解节点移动时的定位, 我们首先对移动无线传感器网络进行了理解。特别是移动无线传感器网络的架构, 增加移动性带来的好处以及其与静止无线传感器网络定位的不同之处。另外, 我们将讨论移动性对移动无线传感器网路定位的可能影响。最后, 通过本课题的研究提出未了来移动无线传感器网络研究方向和定位模型。
1 移动无线传感器网络
1. 1 移动无线传感器网络架构
移动无线传感器网络可以分为三种体系结构: 一维、二维、三维分层体系结构。如图1 所示。
一维分层结构, 也称为平面结构, 包含一组自组织方式交流的不同类型的设备。设备可以是静态或者移动的, 但所有设备必须在一个网络内连接通信。基本导航系统[5]就是应用该结构, 如图1 ( a) 所示。
二维分层结构由一组静态节点和一组动态节点组成。动态节点形成覆盖层充当数据骡在网络中传输数据。覆盖层网络包含的移动设备具有较强的处理能力、较大通信范围和更高的带宽。覆盖层网络应保证密度以维持网络连通, 如图1 ( b) 所示。
三维分层结构中, 一组静态节点将数据传输到移动节点, 进而移动节点将数据传送到一组接入点。该结构用于大面积通信, 可同时兼容多个应用程序。
1. 2 无线传感器网络增加移动性的优势
无线传感器网络的设备分布通常是根据应用设定的。节点布置方式千变万化: 网格型, 随机分布, 目标围绕等。很多情况下直到节点开始收集、处理数据时我们才能确定网络最佳分布方式。对于远距离、大范围无线传感器网络, 重新分布节点是不可行的。但若节点是可移动的, 则可以重新布局网络。无线传感器网络中增加了移动性, 网络覆盖范围明显增大。
在稀疏网络、传感器网络节点失效时, 移动节点可以机动地覆盖失效、弱连接网络路径, 这在静态无线传感器网络中是无法实现的。在静态无线传感器网络中, 不能收集损坏或暂不连通节点数据。另外, 靠近基站的静态传感器节点更容易损坏, 因为他们要传递相较于外围节点更多数据, 其能耗程度、设备损耗程度更高。利用移动基站, 能够很好的解决这个问题, 网络性能提高。
2 移动定位算法
无线移动传感器网络定位具有的普适移动定位算法[6], 通过对移动定位算法的研究实现课题要求的移动定位要求, 具体分为二阶段。
2. 1 协调阶段
信号传输前, 节点仅通过相互协作参与定位。这种协作包括通知定位工作开始时间和时钟同步, 以保证收到的信号数据在一定时间帧内得到分析处理。协作技术使得通知消息和同步消息融合成为一段报文。该协作技术精度为微秒级, 只需传输一段报文即可。算法设定了一个未来的时间点, 在这个点上定位进程开启。消息用发送方 ( 也就是定位协作者) 时间戳编码, 编码过程在消息传输前一刻完成, 降低了传输前不确定性延迟。广播域内所有节点在同一时间收到消息, 并假定信号传输时间忽略不计, 将发送方的时间戳转换到本地时间表。很多定位机制[7]采用该技术。
2. 2 度量阶段
度量阶段是指信号至少在两个节点间传送, 在参与节点上的处理过程。
信号格式
传感器节点所选的信号格式对于精确定位至关重要。无线传感器网络主要用于提供廉价大范围观测功能, 通常不需为传感器增加额外硬件, 因为这会增加成本和能耗。定位机制在不同的环境中也有不同的实现形式。比如在潮湿的环境中, 无线电信号比音频信号弱得多, 因为空气中的湿气吸收、反射高频无线电波, 而对音波的影响可以忽略不计。另外, 应用本身会对某些格式的信号造成束缚。军事应用中, 节点必须处于隐秘状态, 此时使用无声的无线电信号要比听得见的音频信号安全的多。信号由基础设施节点接受, 集中处理, 用户可从结果获得位置信息, 最早采用红外信号移动定位系统是活动徽章系统[8]。但是红外信号衰减比较高, 传送方和接收方之间的距离不能太远。对于大部分的室内定位这是可以接受的, 但对于户外定位来说实现困难, 不仅有距离原因, 同样也因为在阳光下红外信号难以阅读。用无线电频率传输的好处之一是使得即使在稀疏网络中定位准确度也能达到厘米数量级。
度量技术
一些技术用于衡量无线传感网络鲁棒性, 覆盖范围以及邻居信息。Angle-of-arrival ( AOA) [9]方法确定两个信标之间的角度, 或者一个单一的基站和一个固定的轴 ( 称为轴承) 。通过确定一定数量传感器节点的AOA值, 就可以确定位置信息。
TOA (Time-of-Arrival)
方法统计一个信号到达一定数量节点所花费的时间。这需要知道信号传输时间, 并假定发送者和接收者同步。信号会有已知的传输特性, 在各种介质上传播速度不同。无线电信号传播速度近于光速, 所以很难精确记载无线电信号到达时间, 这使得TOA存在的缺陷。当在传播信号后, 发送源需要发布自己的传输时间, 需额外的通信开销, 引入环形TOA算法可以解决此问题。环形TOA算法中, 节点A发送信号给节点B, 当B节点收到信号后, 发送接收回执, 节点A观察往返时间, 去掉通信过程中的确定性延迟。
TDOA (Time-difference-of-arrival)
定位方法是TOA方法的改进, 它不要求信号发送时间。时间同步节点接收到同一信号, 在一个特定时间段内检测到不同到达时间。由于信号以恒定速度传输, 当有足够数量节点参与时很容易确定发送源。另一个定位法检查接收到的广播信号强度 ( RSS) 该信号源位置已知。自由空间信号强度模型遵循平方反比定律, 这种定位方法准确度较高。
以上方法提供了很准确的定位评估, 但通常定位区域有限:一个房间, 一层楼, 或者一个街道。这种类型的定位基于邻居区域A检测到节点, 则认为节点位于A区域。另一种方法使用跳数定位, 无线电节点的大致传播范围已知, 观察一组锚节点的消息跳数将目标节点限定到一个特定的地区。
3 移动定位实现
从度量阶段获取的信号数据用于估算目标节点的位置。基于测距的常见移动无线传感定位技术需获知距离和角度。分布数据常受到噪声信号干扰, 这就需要过滤噪声的优化方法以保证到达数据具有更高的准确性。
最小二乘法
测得基站和移动节点距离后, 用最小二乘法估算位置[10]。图2 ( a) 描述了该方法。对于二维定位, 需要从三个已知位置做出衡量。以锚节点为圆心, 锚点到地标距离为半径的圆是该节点的覆盖范围。如果没有噪声, 这三个域会恰恰相交在一个点, 以此定位目标。有噪声时, 三个圈会重叠, 目标节点可能但不一定在该地区。
估测角度法
当获取到移动节点和锚轴承、锚间夹角信息后, 测角便用于确定移动节点的位置, 如图2 ( b) 所示。对于三维测角, 当使用两个锚点, 则目标位置在一个三角形的第三点, 该三角形的两个角 ( 锚轴承间角度) 和一条边长 ( 锚点间距) 已知。通常, 锚点数多于2, 所有轴承信息统计后实现目标节点定位。
在课题中通过使用最小二剩法测得基站和移动节点距离后, 用最小二乘法估算多个移动传感器的基本位置, 这些移动传感器节点被集中统计下来, 在采取多次收集后再通过最大似然法从采集模型总体中随机抽取n个样本观测值, 进行多组数据抽取, 最后筛选出概率最大的一组作为样本参照点。在获得初始方位后再采用估测角度法获取到移动节点和锚轴承、锚间夹角信息后, 测角便用于确定移动节点的位置。最后经过整合采集到的最大概率样本参照模型后直接获得其具体方位夹角数据, 从而定位到移动传感器的准确位置, 也表现出了移动性的样本传感器的移动定位的积极贡献。
4 移动性对定位的影响
通常, 人们为进行跟踪或导航而使用移动传感器定位。然而, 当传感器移动时, 会出现很多难题, 必须找到办法解决这些问题。
问题之一是定位延迟, 如果用于定位的时间太久, 这段时间内传感器的位置会发生很大改变。例如: 定期定位的机器人导航是为了得到适当的控制输出, 如果机器人以1m/s的速度运动, 定位算法5 秒完成定位, 那么定位位置和实际位置直接就有5 米的偏差。
移动性还会影响自身定位信号。例如, 信号的频率可能会经历一个多普勒频移, 这会引入测量的误差。当发射机信号与接收者之间是相对运动, 则会发生多普勒频移。最终频移与两节点的位置和他们的相对速度有关。
如果用视线 ( LOS) 定位技术, 可能出现移动传感器从LOS良好的位置移动到LOS较弱的另一个位置情况。出现这种情况时, 密集网络用于确保移动节点移动时收到LOS。
5 结语
本文对移动无线传感器网络的定位进行了综述。移动平台上资源受限的传感器节点为移动传感器网络的定位带来了极大的挑战。以往的用于资源不受限的大足迹移动物体的高精度定位算法难以适用于移动传感器网络。未来的移动无线传感器网络定位工作有几个方向可以研究: 缩短定位延迟是最关键的一个方面; 定位准确度同样不容忽视。目前在这两方面实现了折中, 在保证准确度前提下缩短定位延迟将是我们近期需要考虑的方向。
参考文献
[1]Ekici E, Gu Y, Bozdag D.Mobility-based communication in wireless sensor networks[J].Communications Magazine, IEEE.2009, 44 (7) :56-62.
[2]Munir S A, Ren B, Jiao W, et al.Mobile wireless sensor network:Architecture and enabling technologies for ubiquitous computing[C]//Proceedings of the 21st International Conference on Advanced Information Networking and Applications Workshops, AINAW, 2010.
[3]Tilak S, Kolar V, AbuGhazaleh N B, et al.Dynamic localization control for mobile sensor networks[C]//Proceedings of the IEEE International Workshop on Strategies for Energy Efficiency in Ad Hoc and Sensor Networks, 2009.
[4]Amundson I, Koutsoukos X, Sallai J.Mobile sensor localization and navigation using RF doppler shifts[C]//1st ACM International Workshop on Mobile Entity Localization and Tracking in GPS-less Environments, MELT, 2011.
[5]Wang G, Cao G, Porta T, et al.Sensor relocation in mobile sensor networks[C]//IEEE INFOCOM, 2010.
[6]Hightower J, Borriello G.Location systems for ubiquitous computing[J].IEEE Computer, 2011, 34 (8) :57-66.
[7]Brooks R R, Griffin C, Friedlander D S.Self-organized distributed sensor network entity tracking[J].The International Journal of High Performance Computing Applications, 2009, 16 (3) .
[8]Priyantha N B, Balakrishnan H, Demaine E D, et al.Mobile-assisted localization in wireless sensor networks[C]//Proceedings of the IEEE24th Annual Joint Conference of the IEEE Computer and Communications Societies (INFOCOM) , 2011.
[9]Gunther A, Hoene C.Measuring round trip times to determine the distance between WLAN nodes[C]//NETWORKING 2005.LNCS, 2005, 3462:768-779.
无线传感器网络优化覆盖研究 篇9
无线传感器网络是结合微机电技术、嵌入式计算机技术、分布式信息处理、无线电通信、传感器技术等诸多技术上发展起来的一门多学科交叉的新兴信息感知处理技术。无线传感器具有低耗能、体积小、支持短距离通信、价格便宜等特点, 能够进行数据收集、数据通信、数据处理等处理。无线传感器网络部署方便、灵活能够实时监测、感知和收集目标区域的相关信息, 并通过无线网络上传终端实现信息的自动收集。利用各网络节点的收集、传输、处理能力, 感知目标区域的热能、音频、可见光和电磁波等信号, 进而得到目标区域的温度、湿度、压力、光感强度、噪声等信息。传感器节点在整个网络中不仅只有收集和反射数据的功能, 同时还承担数据路由的角色, 将收集到的数据上传到网关。无线传感器网络极大的延伸了人们的信息收集能力, 为人们提供真实直接有效的目标信息。无线传感器网络具有较强的环境适应能力, 尤其在资源少、环境恶劣的无人区域具有较好的应用前景。该系统广泛应用与城市管理、军事国防、抗震救灾、消防反恐、环境监测、危险区域监测等诸多的区域。无线传感器网络与传统网络相比较, 传统网络主要是提供优质的服务和高效的带宽利用。而无线传感器网络则是以收集目标信息为主要目的, 具备监测、收集、处理、传输目标信息的能力, 无线传感器网络更强调能源的高校利用。
无线传感器网络的覆盖是该技术研究的基本问题, 网络覆盖主要是指传感器节点对被检测目标区域的空间覆盖, 对于目标区域的物理信息进行感知、收集。单个节点的感知能力有限, 需要很多节点协调合作才能实现对于目标信息的收集。因此, 传感器节点的感知模型和节点的空间分布是网络覆盖的重点元素, 直接影响到无线传感器网络的工作能力。
1 高效能网络覆盖优化
1.1 虚拟力算法
虚拟力方法是常用的无线传感器网络的部署方法, 该算法最早来源于移动机器人规避障碍物的势力场算法, 是将圆盘覆盖理论与势力场算法结合起来的, 将传感器节点当成势力场中的粒子, 粒子对周围的粒子有着力的作用。当节点距离较近时, 节点之间的作用力是排斥力, 当节点之间的达到一定距离时, 节点之间的作用表现为吸引力, 在吸引力的作用下节点相互靠近。在实际部署中按照一定规则设定节点之间的距离与作用力之间的关系, 节点在计算节点合力后, 做出相应的移动, 从而实际部署当中网络节点过于稀疏或者密集。这样覆盖算法能够使得整个监测区域节点分布均匀, 使得网络达到高效部署。节点的受力分析如图1所示:
其中dij为节点Si与Sj之间的欧氏距离, dth为节点之间的最佳距离, αij为节点Si与Sj之间的向量角度。ωR (ωA) 是虚拟力系数。为节点Si受到的虚拟力合力, 它是Si受到的虚拟力的矢量合成而得。其表达式为:
其中k为网络中节点个数。
1.2 多目标多重覆盖算法
无线传感器网络在对目标区域进行信息采集时, 很多时候需要对ROI中的一些信息点进行多重覆盖, 以便能获得更加准确、全面的信息。然而, 网络节点能源消耗的观点看, 整个ROI被覆盖显然不利于能源的节约。因此, 在保障ROI的基本覆盖的基础上, 适当调整某些监测点的监测重数使其重数少于预定重数, 其他节点保持原来的覆盖重数不变, 这样能很大程度的节约传感器能量。在虚拟力算法的基础上, 假设监测区域内的被监测点 (Point of Interest) 对该点附近的节点有相互作用力, 根据节点间作用力的性质和节点被周围节点覆盖的情况来调整节点的覆盖情况, 以达到对一些节点多重覆盖的目的。该算法数据计算量较小, 能在满足ROI完整覆盖监测的情况下, 对某些节点进行一定数目的多重覆盖。
在监测区域内, 如果某个被监测点在n个节点的覆盖区域内, 则称该点n重覆盖, 被监测点坐标为 (xa, ya) , 传感器节点坐标为 (x1, y1) , 定义CWa为节点A的覆盖重数, 则有CWa的表达式如下:
其中da, i为被监测点与节点Ni之间的距离, ri为节点监测半径。
假设被监测点 (POI) 跟附近节点有力的作用, 对周围节点有力的作用, 该点需要几重覆盖就选择该点附近的几个节点对其进行覆盖。根据覆盖重数的要求, 被监测点选择就近的几个节点, 计算节点到该点之间的距离, 判断这些节点能否达到覆盖要求, 如果能够满足覆盖要求则这些节点保持不动, 在不能满足覆盖要求时, 节点与被监测点之间的距离不大于2倍感知距离时, 将节点向被监测点移动, 并移动原来距离的二分之一以上, 然后, 在判断节点能否满足覆盖要求。这样能避免移动距离过大造成能源消耗。在小范围利用虚拟力算法进行覆盖处理, 使覆盖节点均匀分布。对于监测区域的其他节点利用虚拟力算法进行部署, 优化节点分布。该算法能够充分考虑到某些监测点的高密度监测, 同时能够兼顾到整个监测区域的优化分布。该算法中被监测点与周围节点力的作用表达式为:
其中dij为监测点i与节点j之间的距离。
2 结束语
无线传感器是随着传感器技术、无线通信、微机电技术、嵌入式计算机技术、分布式信息处理技术等基础上发展起来的一种新型的信息收集处理技术。无线传感器网络能够有效地收集客观世界的信息, 特别是环境恶劣、无人区域的环境当中有很好的应用前景。无线传感器网络技术具有展开速度快、覆盖区域广、监测精度高、抗摧毁性强等特点已成为当下信息领域的研究热点。无线传感器网络的覆盖是该技术研究的基本问题, 网络覆盖主要是指传感器节点对被检测目标区域的空间覆盖, 对于目标区域的物理信息进行感知、收集。单个节点的感知能力有限, 需要很多节点协调合作才能实现对于目标信息的收集, 优化感应器节点分布, 能节约传感器能源消耗, 提高目标点的感应密度。因此, 传感器节点的感知模型和节点的空间分布是网络覆盖的重点元素, 直接影响到无线传感器网络的工作能力。
摘要：随着微机电技术、嵌入式计算机技术、分布式信息处理、无线电通信、传感器技术等关键技术的发展与成熟, 无线传感器网络技术得到极大发展, 无线传感器具有低耗能、体积小、支持短距离通信、价格便宜等特点, 能够进行数据收集、数据通信、数据处理等处理。无线传感器网络具有较强的环境适应能力, 尤其在资源少、环境恶劣的无人区域具有较好的应用前景。该系统广泛应用与城市管理、军事国防、抗震救灾、消防反恐、环境监测、危险区域监测等诸多的区域。然而单个节点感知能力有限, 很多情况下需要多特殊节点进行多重覆盖, 提高对该节点的信息感知能力, 因此, 优化无线传感器网络覆盖显得至关重要。本文主要介绍现行无线传感器网络优化覆盖的虚拟力算法和多重覆盖算法, 以期与对无线传感器网络性能的提高。
关键词：无线传感器网络,优化,覆盖
参考文献
[1]张品, 沈政, 董志远, 郑立.基于加权的无线传感器网络优化覆盖算法[J].传感技术学报, 2012 (07) .
[2]匡林爱.无线传感器网络的覆盖优化技术研究[D].中南大学, 2011 (05) .
无线传感器网络路由安全研究 篇10
关键词：WSN,安全索引,路由,网络
0 引言
无线传感器网络有着广阔的应用前景，它作为未来网络的发展趋势，是当前一个热门的前沿性的研究领域。但由于它自身的移动性和无线性，使得无线传感器网络面临很多安全问题。如何在网络发展的同时完善它的网络安全特性，构建安全的路由协议，就成为目前的一个重要的研究方向。
1 特点
无线传感器网络是一种新型的网络，它与传统计算机网络、无线局域网及Ad-hoc相比，具有自身的网络结构和通信特性[1,2]，具体表现为:
(1)网络规模更为庞大，节点数目更多，分布更为密集。无线传感器网络有时可能包含多达上千个甚至上万个结点。
(2)高冗余。为了保证网络的可用性和生存能力，传感器网络通常需要具备较高的结点和网络链路冗余，以及采集的数据冗余。
(3)网络的拓扑结构易变化。除了结点移动带来的网络拓扑变化外，传感器结点的功率控制和剩余电量下降等因素也会导致网络拓扑变化。另外，根据应用需要，网络中有些结点可能进入休眠状态，从而引起工作结点在数目和分布上的变化，也会导致网络拓扑改变。
(4)通常节点没有统一的身份。用户往往不关心数据采集于哪一个结点，而关心数据所属的空间位置，因此可采取空间位置寻址方式。
(5)流量不均衡。传感器网络中流向处理中心的数据量往往远大于反方向的流量。数据流向处理中心并在处理中心集中，会出现离处理中心越近，结点负载越重的现象。
(6)结点数据融合。传感器网络在数据传输过程中，通常要求中间结点能将来自多个传感器的相关数据进行融合，再传送给处理中心。数据融合可以减少冗余数据，节省通信所带来的电能消耗，延长网络生存时间，减轻处理中心的负载。
(7)结点能力有限。由于低成本、低能耗、体积小、野外部署等要求，传感器节点在供电、计算、存储、通信等方面的能力比较受限。
正是由于无线传感器网络上述特征，使得它在网络安全和通信安全方面受到了一定限制。这使得许多传统的安全机制无法再应用到无线传感器网络中，具体表现为:
(1)传统网络中的加密和认证无法应用到无线传感器网络中。传统网络的加密和认证应该包括一个产生和分配密钥的密钥管理中心(KMC)，一个确认密钥的认证机构(CA)，以及分发这些经过认证的公用密钥的目录服务。而无线传感器网络没有控制中心，所以无法使用基于公共密钥的鉴权认证机制。而且无线传感器网络节点的计算能力很低，这些都使得传统的加密和认证机制在无线传感器网络中难以实现[3]，并且节点之间难以建立起信任关系。如果移动节点没有足够的安全保护机制便会被轻易的捕获。攻击者可以通过伪装成移动节点来窃听并且修改无线信道中的业务。
(2)静态配置[4]的安全方案无法适用在无线传感器网络中，这是由无线传感器网络拓扑结构的高度可变性造成的。在无线传感器网络的路由协议中，移动节点之间相互交换网络的拓扑结构信息，从而可以在源节点和目的节点间建立通信。由于这些信息在空中传播，所以恶意的入侵者便可以利用虚假信息来修改并发送错误的更新信息。比如恶意的移动节点可以通过虚假的路由信息进入网络，随后便可以轻易的发送拒绝业务信息。
(3)传统网络服务中相对固定的数据库、文件系统和文档服务器不再适用。由于无线传感器网络是一个对等网，它里面各个节点的功能和计算力、存储力是相等的。所以在无线传感器网络中就无法建设中心控制服务器，所有的判决必须依赖各个移动节点的相互协作来完成。此外，网络中产生和传输的数据也具有很大的不确定性。这些数据包括节点的环境信息、关于网络变化的信息、各种控制消息等，它们都有较高的实时性要求。
(4)传统的防火墙技术不再适用于无线传感器网络[5]。传统网络中的防火墙技术用来保护网络内部与外界通信时的安全。由于所有进出该网络的数据都通过某个节点，防火墙技术可以在该节点上实现，用来控制非授权人员对内部网络的访问、隐藏网络内部信息以及检查出入数据的合法性等。防火墙技术假设网络内部在物理上是安全的。而无线传感器网络的拓扑结构动态变化，没有中心节点，进出该网络的数据由无法控制的任意中间节点转发。无线传感器网络内的节点缺乏足够的保护，很可能被恶意用户利用而导致来自网络内部的攻击，这使得网络内部和外部的界限非常模糊。因此，防火墙技术不再适用于无线传感器网络，并且难以实现端到端的安全机制。
因此，必须针对WSN自身的特征，为它量身打造专门的安全体制。这样，研究WSN的安全特性就成为了WSN网络的一个研究热点，具有很高的研究价值和现实意义。
2 安全索引
在研究无线传感器网络安全的过程中，曾阅读了大量相关文献。各个文献虽然大方向都是研究无线传感器网络安全，但具体方向各自不同。在阅读文献过程中，觉得将这些研究方向进行归类，总结归纳无线传感器网络的攻击行为，防范措施，是非常有意义的一件工作。一方面它帮助本课题研究查找定位研究方向，另一方面可以为其它将要从事无线传感器网络安全研究的人们提供一个快速入门的索引，节省了研究时间。表一是本文总结的无线传感器网络安全部署索引。
3 W S N特有的攻击
(1)创建路由环攻击
创建路由环攻击，是攻击者利用网络外部节点影响网络拓扑结构，使得网络拓扑结构形成环路，导致信息无法递送出去的一种攻击方式。
(2)篡改加入路由攻击
这一攻击是攻击者在网络外部实施的。攻击者为了使自己控制的节点加入网络中，成为网络的合法节点，通过篡改路由序列号或篡改跳计数来加入网络。
(3)Sinkhole攻击
Sinkhole原意为污水池，这种攻击的特点和污水池有相似之处。污水池将所有污水汇集过来，Sinkhole攻击将信息流汇集于攻击节点。这样，攻击节点对流经它的信息进行选择性转发或者根本不转发，导致信息无法正确地在网络中传播。
(4)Wormhole攻击
Wormhole最初来自天文学，缩短时空穿越的概念。这里是通过建造一个路由隧道来进行路由欺骗的攻击。攻击导致原来不经过恶意节点的信息也会流向恶意节点，使得恶意节点可以方便地获取利用篡改伪造它所掌握的信息。
(5)Sybil攻击
Sybil攻击是单个节点伪造多个身份进行攻击。恶意节点伪造出它是大量节点的假象，在网络中进行欺骗。这种攻击就如现实中，一个人假造出许多身份来进行欺骗，一个人来冒充一个企业或者一个政府部门。攻击后，M幻化出许多Sybil节点，M单独完成了路由，正常节点N被忽略了。
参考文献
[1]孙利民,李建中,陈渝等.无线传感器网络[M].北京:清华大学出版社,2005.
[2]Ian F,Akyildiz,Su Weilian,et al.A Survey on Sensor Networks[J].IEEE Communications Magazine.2002.8:34-38.
[3]Harald Vogt.Exploring Message Authentication in Sensor Networks[J].1st European Workshop on Secu-rity in Ad-Hoc and Sensor Networks(ESAS2004).2004.
[4]Downard I.Simulating sensor networks in ns-2.NRL Formal Report5522-04-10.2004.
无线传感器网络研究 篇11
【关键词】无线传感网络 项目式教学 分层式教学
【中图分类号】G 【文献标识码】A
【文章编号】0450-9889（2016）03C-0143-02
无线传感器网络（Wireless Sensor Networks，WSN）技术是当下新兴物联网产业的热门技术之一，和它相关的产品涉及我们生活中的各个领域，特别是汽车电子、智慧农业、智能医疗、城市监控等都与无线传感网络息息相关。正因如此，各大院校都将无线传感网络原理与实现作为电子工程、通信工程、物联网工程等专业的主干课程。此课程是一个知识高度集成的前沿热点研究领域，它涉及传感器技术、通信原理、嵌入式技术、自动控制原理、无线通信原理等众多学科的知识，主要讲授了zigbee蜂窝网络及无线移动网络的基本传输技术、网络架构及主流传输网络协议等。通过本课程的学习，学生可以初步了解现代传感网络技术，具备从事近距离无线通信系统开发的基本能力。
一、课程教学存在的问题
目前，大多数电子类专业无线传感网络技术课程安排在第六、七学期，授课仅停留在理论教学阶段，即使有的专业开过实验课程，也只是借鉴了已有的实验平台，以验证性实验为主。从近年的教学效果来看，该实验教学系统并不适用于电子专业的学生，因为他们并不能通过实验得到的各种数据理解无线网络建立及传输的过程，长此以往，使其丧失学习兴趣，此外还有许多因素也制约了该课程的教学。
缺乏适合电子类学生的教材
目前市场上关于无线传感网络技术的书籍大部分与计算机专业相关，大致包括如下几部分内容：无线自组织网络原理、无线传感器网络体系结构、路由协议、MAC 层协议、定位技术、时间同步技术、无线网安全等。以上内容对于只接触过计算机网络的电子类专业学生来说理解较为困难，因为关于网络体系结构和通信协议的知识在电子专业课程中涉及较少，很多书籍大篇幅的在讲此类的知识，让学生望而生畏。
（二）缺乏统一的实验开发平台
目前关于无线传感网络的构建方案很多，为了在物联网市场上争得一席之地，很多厂商都推出了支持无线传感网络组建的硬件芯片和通信协议栈，针对不同的应用需求可以使用不同的芯片和协议栈，这使得学生思维混乱，难以抉择。
（三）课程安排不合理、衔接不紧密
本课程安排在第六或第七学期，学生处于大三下、大四上的阶段，很多学生在此时都会选择考研或忙于找工作，便无心静心学习此课程。加之与此课程相关的前期课程计算机网络在第四学期开课，时间跨度较大，导致学生学习无线网络体系结构时知识有遗忘，衔接不起来。
二、无线传感网络课程体系改革
基于zigbee技术的无线传感网络，大致被分为三个层次，底层是用来感知数据的感知层，主要是传感器等数据采集设备；第二层是数据传输的网络层，网络层将建立在现有的移动通讯网和互联网基础上，其主要功能是直接通过现有的互联网或移动通信网（如GSM、T D -SCDMA）、无线接入网（WiMAX）、无线局域网（Wi-Fi）、卫星网等基础网络设施，对来自感知层的信息进行接入和传输；最上面是应用层，利用经过分析处理的感知数据，为用户提供丰富的特定服务。电子类专业的无线传感网络课程应尽可能多的覆盖本专业的知识，以本专业已开课程为基础，充分利用已学知识进行拓展和创新，由此制定了适用于电子类学生的无线传感网络课程体系，它分为基础的低端课程、提高的高端课程和实训课程，具体课程体系架构如表1所示。
由于没有针对电子专业的无线传感网络书籍，故可利用先修课程计算机网络，zigbee论坛（网蜂科技）及TI公司相关资料来进行教学。将无线传感网络作为计算机网络课程的延展和提高，把计算机网络知识与无线传感网络技术有效结合。为了保证教学内容的针对性、衔接性，可从以下方面进行调整：精简计算机网络的基本原理和概念，删除陈旧的技术和协议；重点讲解网络体系结构及网络协议，并以zigbee无线网络Z-STACK协议为模型，分析协议的工作原理。计算机网络分层协议与Z-STACK协议的对应关系如图1所示；增加zigbee无线局域网组建方法和应用实例，培养学生的工程实践能力、综合运用交叉学科知识的科技创新能力。
三、无线传感网络教学改革实践
（一）采用项目式实践教学
项目式教学法是将教学内容的理论与实践有机结合在一起的教学法，通过教师在研项目来引导学生思考，以项目任务为驱动，充分发挥学生的主动性和创造性，解决生活中的实际问题。在笔者主持的2013年襄阳市科技局项目“基于zigbee的汉江水环境监控系统研究”中，首先组织学生进行需求分析，通过走访环境监测部分，了解需要监测的水质参数为pH 值、温度、溶解氧、电导率、浊度、氨氮浓度和氯化物浓度等，然后根据系统成本、精度要求等因素选择合适的传感器，并通过网上查阅资料了解各种传感器的使用方法。其次引导学生制定合适的无线数据传输方案，将蓝牙、红外、GPRS等多种无线传输技术对比，选择了基于CC2530的zigbee无线传感网络方案，要求学生们着手学习CC2530芯片及zigbee Z-STACK协议栈，先掌握点对点的数据传输，再掌握点对多点的数据传输，循序渐进，逐步提高。最后将整个系统整合，完成调试。
（二）采用分层式实践教学
分层式教学又称分组教学，教师根据学生的知识、能力水平和潜力倾向把学生科学地分成几组水平相近的群体，使得各群体在教师恰当的分层策略和相互作用中得到最好的发展和提高。根据以上理念，教师可以根据学生对表1所示专业课程的掌握情况、能力水平和个人发展方向，将实验分为基础型实验、提高型实验、创新型实验等，实践环节的具体层次化设计如表2所示：
实践表明，电子类专业无线传感网络教学方法有效激发了学生的创新思维，增强了学生的专业技能，11级电子信息工程专业学生的“基于zigbee的温湿光换气环境远程智能控制系统”获国家级大学生创新创业训练项目立项，12级电子信息工程学生研发的“基于无线传感网络的智能农业综合管理平台”获湖北省“挑战杯”三等奖。
“无线传感网络”作为新兴的短距离无线通信技术，在各高校电子类专业的课程中占据着举足轻重的地位，我们需不断改进教学内容、丰富教学手段、创新实践环节，充分发挥学生的主观能动性和动手实践能力，以实现培养卓越工程师的目标。
【参考文献】
[1]刘涛，钱良，王新兵等.无线传感器网络实验教学方法实践与探讨[J].电气电子教学学报，2015（2）
[2]马国强，路宁，包蕊.农业院校”无线传感器网络”课程特点与教学方法研究[J].物联网技术，2015（11）
[3]朱金秀，韩光洁，朱川等.物联网工程专业课程体系的研究与探索[J].中国电力教育，2012（16）
[4]李翠萍，张伟，赵春澎.分层教学在医学生物化学分子生物学实验教学中的应用[J].科教导刊，2015（9）
无线传感器网络及其应用研究 篇12
近年来,随着无线通信、集成电路、嵌入式计算及微机电系统等技术的飞速发展和日益成熟,具有感知能力、计算能力和通信能力的微型无线传感器开始在世界范围内出现[1]。这些传感器具有低成本、低功耗、多功能等特点,还具有无线通信、数据采集、信息处理、协同合作等功能。由这些微型传感器节点构成的无线传感器网络(WSN)[2,3],能够协作地实时监测、感知和采集网络分布区域内的各种环境或监测对象的信息,并对这些数据进行处理,从而获得详尽而准确的信息,将其传送到需要这些信息的用户。
2. 无线传感器网络的组成及特点
2.1 无线传感器的组成
无线传感器的结点分布于网络的各个部分,用于收集数据并将数据路由至信息收集结点,信息收集结点与信息处理结点通过广域网络进行通信,从而对收集到的数据进行处理。其结构如图1所示[5]。无线传感器网络的协议栈包含应用层、传输层、网络层、数据链路层和物理层,这些与其它网络类似。
2.2 无线传感器网络的特点
无线传感器网络一般是为了某个特定的需要而设计的,是一种基于应用的无线网络[6]。除了具有Ad hoc网络的一般特性,如动态拓扑,无中心自组织,多跳路由,能量和带宽受限等,无线传感器网络还有其自身的特点:
①资源更有限,由于受到价格、硬件体积等的影响,无线传感器网络节点的信号处理能力和计算能力更差,存储量更小;②网络规模更大,覆盖的地理面积更广。无线传感器网络节点的数量级通常为几百或者几千,多则上万。为了在某个地理区域上进行监测,通常有成百上千的节点被布置在该区域,节点的分布更加密集;③传感器网络节点没有一个全局性的标识,如IP地址。每个节点仅仅知道自己邻近节点的位置和标识,传感器网络通过相邻节点之间的相互协作来进行信号处理和通信,具有很强的协作性;④拓扑结构相对比较稳定,Ad hoc网络中的拓扑变化主要由节点的移动造成的,而无线传感器网络的拓扑变化主要是由节点能量的耗尽造成的,节点位置相对比较固定;⑤传感器节点分布非常密集,因此相邻节点之间的感知数据具有很强的相似度;⑥能量更有限,由于受到硬件条件的影响,无线传感器节点通常采用电池供电,电源能量更加有限。受到能量的影响,无线传感网络节点的通信距离更短,一般只有几十米,甚至更短;⑦对于一些具体的无线传感器网络,工作环境更加恶劣,再加上传感器节点分布更加密集,环境噪声干扰和节点之间的相对干扰更强;⑧无线传感器网络是基于数据为中心的路由,和Ad hoc网络的端到端通信方式不同。
3. 无线传感器网络的关键问题
3.1 系统节能
无线传感器网络节点多,覆盖范围大,工作环境复杂,能源无法替代,设计有效的策略延长网络的生命周期成为无线传感器网络的核心问题。休眠机制是节省能源的最有效方式之一,如何进行休眠调度而不影响传感器网络的正常运行十分重要。且这个调度不能影响传感器网的功能,即网络的探测覆盖范围不能过分降低,否则这个网络可能无法达到探测目的。
3.2 网络内部通信
无线传感器网络内正常通信联系中,信号可能被一些障碍物或其他电子信号干扰而受到影响,如何安全、有效的通信成为急需解决的问题。
3.3 高效的无线传感器网络结构
无线传感器网络的网络结构是组织无线传感器的成网技术,有多种形态和方式,合理的无线传感器网络可以最大限度的利用资源。由此产生的网络安全协议问题和大规模传感器网络中的节点移动性管理等诸多问题有待解决[7]。
3.4 容错性和可扩展性
由于周围物理环境或其自身能量耗尽传感器就会失效,对于替换传感器可能性不大的情况下,整个网络必须能够在其应用过程中及时屏蔽掉发生故障的传感器。但容错过程要消耗能量,因此出现数据替换和能量利用矛盾的冲突,如何根据实际情况衡量替换与功耗的优先权,动态地适应网络规模和节点个数的变化也是一个需要进一步研究的问题。
4. 无线传感器网络的应用
4.1 军事
军事应用是无线传感器网络的重要应用之一。在没有任何基础设施支持的条件下,无线传感器网络能够自组织地迅速配置成网络。因此,无线传感器网络可以布置在敌方的阵地上,用来收集敌方一些重要目标的信息,并跟踪敌方的军事动向。美国国防部和各军事部门都对传感器网络给予了高度重视,在C4ISR基础上提出了C4KISR计划。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,把传感器网络作为一个重要研究领域,设立了一系列的军事化传感器网络研究项目。
4.2 生态环境监测和保护
随着人们对于环境问题的关注程度越来越高,需要采集的环境数据也越来越多。无线传感器网络的出现为随机性的研究数据获取提供了便利,并且还可以避免传统数据收集方式给环境带来的侵入式破坏。此外,无线传感器网络还可以跟踪候鸟和昆虫的迁移。比如2005年全球的禽流感监测,研究环境变化对农作物的影响,监测海洋、大气和土壤的成分等。它还可以应用在精细农业中,来监测农作物中的害虫、土壤的酸碱度和施肥状况等[8]。
4.3 医疗
4.4.1 远程健康监测
通过在老年人身上佩戴一些血压、脉搏、体温等微型无线传感器,并通过住宅内的传感器网关,医生可以从医院里远程了解这些老年人的健康状况。通过这种方法,还可以对一些冠心病、脑溢血等高危病人进行24小时健康检测,而不妨碍病人的日常起居和生活质量[9]。
4.4.2 病变器官观察
通过在人体器官中植入一些微型传感器,随时观测器官的生理状态,可以发现器官的功能恶化,及时采取治疗措施从而挽救病人生命。但是在推广这种技术前,还需要突破许多技术瓶颈:这些医疗传感器必须非常安全;工作能源要从人体自动获取;系统稳定、基本不需维修。
4.4.4 交通管理
上世纪90年代中期美国提出的“国家智能交通系统项目规划”就是有效地使用传感器网络进行交通管理,不仅可以使汽车按照一定的速度行驶、前后车距自动地保持一定的距离,而且还可以提供有关道路堵塞的最新消息,推荐最佳行车路线以及提醒驾驶员避免交通事故等。该系统应用大量的传感器与各种车辆保持联系,通过计算机监视每一辆汽车的运行状况,如制动质量、发动机调速时间等。根据具体情况,计算机可以自动进行调整,使车辆保持在高效低耗的最佳运行状态,并就潜在的故障发出警告,或直接与事故抢救中心取得联系。
4.5 商业
自组织、微型化和对外部世界的感知能力是无线传感器网络的主要特点,这决定了其在商业方面的广泛用途。例如,嵌入在家具或家电中的传感器与执行机构组成的无线网络,再通过Internet,将给我们提供更为舒适、方便、安全的智能化家居环境。沃尔玛超市在其货物上加装射频识别条型码芯片(RFID),使该公司和供应商能够跟踪从生产厂到收款台的商品流向。
摘要：阐述了无线传感器网络的组成及其主要特点,对其关键性问题进行了探讨。最后,介绍了无线传感器网络在军事和民用领域的应用情况。
关键词：传感器,网络,无线,应用
参考文献
[1]Hill J,Horton M,Kling R,et a1.The platforms enabling wireless sensor networks[J].Communications of the ACM,2004,47(6):41-46.
[2]David E C,Wei Hong.Wireless sensor networks[J].Communica-tions of ACM,2004,47(6):30-33.
[3]Akyildiz L,Su W,Sankarasubramaniam Y,et a1.A Survey on sen-sor networks[J].IEEE Communications Magazine,2002,40(8):102-114.
[4]Rentala P,Musunuri R,Gandham S,et a1.Survey on sensor net-works[R].Technical Report,UTDCS-33-02,University of Texas,Dallas,2002.
[5]黄玲.无线传感器网络简述[J].传感器世界,2005,10:36-40.
[6]颜振亚,郑宝玉.无线传感器网络[J].计算机工程与应用,2005,15:20-23.
[7]李永琴.无线传感器网络关键性问题的研究[J].泰山学院学报,2006,28(3):46-50.
[8]崔吉祥,徐桂云,张燕超.无线传感器网络的概述[J].山东通信技术,2006,26(4):28-30.