無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)綜述畢業(yè)論文

傳感器，即能夠感受物體屬性參數(shù)的元器件，這一概念對于普通人來說并不陌生和新鮮，然而隨著IT和無線通信技術(shù)的快速發(fā)展，其測量系統(tǒng)的組成已發(fā)展到智能化和網(wǎng)絡(luò)化。上世紀(jì)70年代，是模擬控制和顯示器時代，傳感器測量參數(shù)只能實現(xiàn)所謂的點(diǎn)對點(diǎn)傳輸，即多個參數(shù)的測控需要多個顯示/控制器，這樣的通信網(wǎng)只能說是傳感器測量網(wǎng)絡(luò)的雛形;80年代采用微處理器串/并接口(ＲS-232、ＲS-485等)與傳感器連接，而構(gòu)成具有信息綜合處理能力的傳感器網(wǎng)絡(luò);90年代至21世紀(jì)初采用現(xiàn)場總線連接傳感器構(gòu)成局域網(wǎng)，產(chǎn)生有線連接的智能傳感器網(wǎng)絡(luò);至目前為止無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WirelessSensorNetworks，WSN)已成為業(yè)界討論和研究的熱點(diǎn)。它是隨著無線通信技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、嵌入式計算機(jī)技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)等發(fā)展，應(yīng)運(yùn)而生的。時下，物聯(lián)網(wǎng)(Internetofthings，IOT)產(chǎn)業(yè)及技術(shù)如雨后春筍般蓬勃發(fā)展，作為其最底層的最基本的也是最重要的最關(guān)鍵的WSN網(wǎng)絡(luò)的性能好壞和功能強(qiáng)弱顯得尤為突出。應(yīng)用中，WSN是由眾多功能相同或者不同的傳感器節(jié)點(diǎn)組成，并把它們科學(xué)地分布于被監(jiān)測區(qū)域，各節(jié)點(diǎn)間自組織形成無線網(wǎng)絡(luò)(一般多采用Zigbee協(xié)議)，采用多條鏈路進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，最終把各類屬性測量外網(wǎng)聯(lián)結(jié)，到達(dá)用戶終端(電腦、手機(jī)等)，給用戶提供安全正常的信息，或者危險的非正常的信息，以便進(jìn)行及時干預(yù)。1對WSN的約束條件及性能要求區(qū)和劇毒、易腐蝕、等惡劣環(huán)境中，因此有以下約束限制:1)自帶電源提供能量，如鈕扣電池、蓄電池、太陽能電池等2)安裝要隱蔽。要求節(jié)點(diǎn)的體積小、外殼設(shè)計要防水、防氧化，甚至有抗爆能力;3)無線通信距離不能太遠(yuǎn)，一般限制在幾米至幾十米，以節(jié)省能量。同時在一定范圍內(nèi)能預(yù)防監(jiān)聽、惡意路由、病毒攻擊等］基于以上約束條件，有以下關(guān)鍵性能指標(biāo)要求:1)網(wǎng)絡(luò)的工作壽命。在外殼設(shè)計滿足環(huán)境的要求下，影響壽命的主要足夠低的WSN網(wǎng)絡(luò)，能源儲備要維持?jǐn)?shù)年才是。WSN中能耗最大的器件是無線接收/發(fā)送器，設(shè)計時可以降低其工作頻率和輸出功率、采取間隙工作方式等2)網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍。由節(jié)點(diǎn)的通信距離和節(jié)點(diǎn)數(shù)決定，但節(jié)點(diǎn)數(shù)過多時能耗加大，且數(shù)據(jù)的采樣速率會降低而受到牽制3)網(wǎng)絡(luò)安全機(jī)制。在各個協(xié)議層要有保密、點(diǎn)到點(diǎn)消息認(rèn)證、完整性鑒別、時效性、認(rèn)證組播和廣播等要求4)網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)時間。多數(shù)的WSN對響應(yīng)時間無嚴(yán)格要求，但在安全監(jiān)測和工業(yè)控制中，該指標(biāo)顯得尤為重要統(tǒng)，在哪些場所對所測的數(shù)據(jù)精度要求高或者低，是不言自明的。2WSN中的路由技術(shù)與傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)不同，WSN的主要任務(wù)是傳送數(shù)據(jù)(以數(shù)據(jù)傳送為中心)。路由技術(shù)主要負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)從源節(jié)點(diǎn)通過網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)至目標(biāo)節(jié)點(diǎn)，維護(hù)和刪除節(jié)點(diǎn)路由的任務(wù)。本小節(jié)主要闡述WSN的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和路由技術(shù)。2．1傳感器節(jié)點(diǎn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)WSN的組成包括分布式傳感器節(jié)點(diǎn)、無線接收/發(fā)送器、外部網(wǎng)絡(luò)和用戶終端/接口操作界面。應(yīng)用中，眾多的傳感器節(jié)點(diǎn)網(wǎng)常以平面和容錯性好，但是每個節(jié)點(diǎn)需要維護(hù)龐大的路由記錄，在此不再贅述。頭間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，起著匯聚節(jié)點(diǎn)的作用;在網(wǎng)外，可作為中繼或網(wǎng)關(guān)簇算法自動選舉產(chǎn)生，以增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)的容錯性。當(dāng)簇頭確定好之后，簇具有很好的擴(kuò)展性。2．2聚類分層路由技術(shù)在WSN中，路由協(xié)議是基于無線鏈路連接的，路由的本質(zhì)是將數(shù)據(jù)幀由原節(jié)點(diǎn)傳輸至目標(biāo)節(jié)點(diǎn)。結(jié)合WSN節(jié)點(diǎn)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，路由技術(shù)適應(yīng)聚類分級LEACH(lowEn-ergyAdaptiveClusteringHierarchy，IEACH)層次路由協(xié)議。其基本方法是采用循環(huán)機(jī)制，隨機(jī)選擇簇頭節(jié)點(diǎn)，并弱選擇是否加入該群(等能量加群，以節(jié)省工作能量)。簇群確定好之后，簇頭按照TDMA(時分復(fù)用)方式給節(jié)點(diǎn)成員分配一個時間間隙，再進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，剔除冗余數(shù)據(jù)，傳輸給外網(wǎng)。此過程輪流不斷，周是:在同一時間段，抽查任一節(jié)點(diǎn)成員隨機(jī)產(chǎn)生的0～1之間的數(shù)據(jù)，如果小于閾值T，則選為簇頭。3傳感器節(jié)點(diǎn)硬件組成說明微處理器單元、數(shù)據(jù)無線接收/發(fā)射單元和電源四部分組成。其中，傳感器盡量選用集傳感、補(bǔ)償、信號調(diào)理及A/D轉(zhuǎn)換等于一體的器件，理器的選擇主要考慮低功耗、運(yùn)行速度快、I/O接口多可擴(kuò)展，成本的MSP430F14系列單片機(jī)等;無線通信也有專門的模塊芯片，如TＲ1000，CC1000、NＲF401、CC2530等，其中，CC2530芯片本身還集成有8051單片機(jī)和ＲF射頻無線收/發(fā)器，是一個真正的片上系統(tǒng)(Soc)。電源模塊有室內(nèi)和室外之分，室內(nèi)可采用外部穩(wěn)壓電源供電，自身供電方式，具體不再贅述。4結(jié)束語WSN其本質(zhì)上仍是計算機(jī)監(jiān)督測量與控制系統(tǒng)，只不過其應(yīng)用已從最初的工業(yè)控制延伸到其它行業(yè)和人們生活當(dāng)中。WSN的網(wǎng)絡(luò)體系部分。雖然WSN的研究和發(fā)展已有若干年，但到目前，其技術(shù)還不很成熟，應(yīng)用也沒有大規(guī)模投入。原因無非是成本和技術(shù)兩方面，技術(shù)方面主要