基于zigbee的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位系統(tǒng)的設(shè)計_圖文

1、基于ZigBee的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位系統(tǒng)的設(shè)計胡慶新,程陣(合肥工業(yè)大學(xué),安徽合肥230009摘要:基于zigBee技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)。該系統(tǒng)由參考節(jié)點、移動節(jié)點、網(wǎng)關(guān)節(jié)點和嵌入式Web服務(wù)器組成,本文詳細介紹了其硬件設(shè)計和軟件設(shè)計。經(jīng)試驗驗證,該系統(tǒng)定位效果好,實用性強。關(guān)鍵詞:無線傳感網(wǎng);節(jié)點;嵌入式Web服務(wù)器中圖分類號:TP212文獻標(biāo)識碼:AThe design of研reless sensorne押ork platfbml positioning system baSed on ZigBeeHU Qing Xin,CHENG Zhen(Hefei Univer

2、sity of TechnoIogy,Hefei230D019,ChinaAbstract:This paper introduces tlIe design and implementation“positioning system for wireless sensor netwod【s based ZigBee.The system consis協(xié)of refbrence.nodes、mobilenodes、gateway nodes and embedded webservers,卸d details of its hardwaredesign and software design.

3、11le system positions e雎ctive鋤dpEactical by testing and verifying.Key wOrds:wireless sensor network;node;embedded web server無線傳感器網(wǎng)絡(luò)WSNs(Wireless Sensor Networks被廣泛應(yīng)用于環(huán)境探測、天氣預(yù)報、安全、監(jiān)控以及分布式計算和目標(biāo)區(qū)域成像等領(lǐng)域,在軍事、醫(yī)療和民用等方面的應(yīng)用具有深遠意義。在傳感器網(wǎng)絡(luò)中,位置信息對傳感器網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)測活動至關(guān)重要,事件發(fā)生的位置或獲取信息的節(jié)點位置是傳感器監(jiān)測信息中所包含的重要信息,沒有位置的監(jiān)測消息往往是毫無意義

4、的。因此,確定事件發(fā)生的位置或獲取消息的節(jié)點位置是傳感器網(wǎng)絡(luò)最基本的功能之一,對傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的有效性起著關(guān)鍵作用。zigBee技術(shù)【21是一個具有統(tǒng)一技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的短距離無線通信技術(shù),其PHY層和MAC層協(xié)議為IEEE802.15.4協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。本文提出的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)工作在全球通用的ISM(Industrial Scienti6c and Medical免付費頻段2.4GHz 上,其數(shù)據(jù)傳輸速率為250Kb/s,劃分為16個信道。與藍牙或802.11等同屬于短距離無線通信的技術(shù)相比。Z唔Bee技術(shù)具有先天優(yōu)勢。zigBee設(shè)備為低功耗設(shè)備,具有能量檢測和鏈路質(zhì)量指示的功能。同時,由于采用了碰撞避

5、免機制(CSMACA,避免了發(fā)送數(shù)據(jù)時的沖突。在網(wǎng)絡(luò)安全方面,采用了密鑰長度為128bit的加密26歡迎網(wǎng)上投稿 算法,對所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息進行加密處理,保證了數(shù)據(jù)傳輸時的高可靠性和安全性。用ZigBee技術(shù)組成的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡單、體積小、性價比高、放置靈活、擴展簡便、成本低、功耗低、安全可靠,這種新興的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)必將有廣泛的應(yīng)用前景。1無線傳感網(wǎng)定位系統(tǒng)設(shè)計1.1設(shè)計思想本系統(tǒng)的主要設(shè)計思想是:先在監(jiān)測區(qū)域布置一定的參考節(jié)點,參考節(jié)點的作用是在定位過程中起參考點的作用,不參與定位;移動節(jié)點就是定位節(jié)點,通過參考節(jié)點來確定自己的位置;網(wǎng)關(guān)節(jié)點一方面配置參考節(jié)點的位置信息,同時接收移動節(jié)

6、點的位置信息發(fā)送給web服務(wù)器, Web服務(wù)器接入網(wǎng)絡(luò)可以實現(xiàn)遠程訪問和控制。系統(tǒng)框圖如圖1。1.2硬件設(shè)計1.2.1節(jié)點硬件設(shè)計無線傳感器節(jié)點一般由傳感器模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、電源模塊和數(shù)據(jù)傳輸模塊組成。由于在本設(shè)計中主要考慮定位,所以傳感器模塊只是為了以后擴展用的。圖2是一般節(jié)點(作為參考節(jié)點或者移動爺點的原理框圖。電子技術(shù)應(yīng)用2009年第11期萬方數(shù)據(jù)圖l定位系統(tǒng)的框圖圖2節(jié)點原理框圖由于網(wǎng)關(guān)節(jié)點要和PC機或者Web服務(wù)器連接,所以要帶串口。網(wǎng)關(guān)節(jié)點原理如圖3。圖3網(wǎng)關(guān)節(jié)點原理圖本系統(tǒng)節(jié)點有參考節(jié)點、移動節(jié)點和網(wǎng)關(guān)節(jié)點3種。下面介紹節(jié)點系統(tǒng)的組成。(1處理器芯片CC2431是TI公司推出的

7、帶硬件定位引擎的片上系統(tǒng)(SoC解決方案,能滿足低功耗ZigBee,IEEE802.15.4無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用需要。CC243l定位引擎基于接收信號強度指示RSSI(Received Si印al Strength Indicator技術(shù),根據(jù)接收信號強度與已知參考節(jié)點位置準(zhǔn)確計算出有關(guān)節(jié)點位置,然后將位置信息發(fā)送給接收端。相比于集中型定位系統(tǒng),RSSI功能降低了網(wǎng)絡(luò)流量與通信延遲。(2傳感器芯片SHTll是瑞士Scnsirion公司推出的一款數(shù)字溫濕度電子技術(shù)應(yīng)用2009年第1l期傳感器芯片。該芯片廣泛應(yīng)用于暖通空調(diào)、汽車、消費電子、自動控制等領(lǐng)域,具有集成度高、接口簡單、測量精度高并可編程

8、調(diào)節(jié)、封裝尺寸超小、可靠性高的特點。(3天線天線設(shè)計是系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵,系統(tǒng)中其余模塊只是芯片的級聯(lián),只有這一部分需要自己設(shè)計。由于射頻信號的頻率達到2.4GHz,微波波長與傳輸線的長度已經(jīng)達到同等數(shù)量級。傳輸線末端的微波反射和駐波等問題不可忽視,否則會產(chǎn)生惡劣的影響。解決這些問題的關(guān)鍵在于傳輸線特征阻抗與天線阻抗的良好匹配與控制。系統(tǒng)設(shè)計中使用了2種天線。一種是外接的2.4G 天線,通過SMA頭連接,市場上有成熟的外接天線;另一種是采用倒F型的微帶天線,其制作成本很低,微波饋線采用微帶傳輸線與敷銅底板的介質(zhì)板上的帶狀線相同,具有較好的微波傳輸特性和較低的傳輸損耗。1.2.2Web服務(wù)器硬件設(shè)計

9、目前,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的傳輸主要是采用多跳實現(xiàn)的遠距離傳輸,但是由于多跳的不穩(wěn)定性給數(shù)據(jù)傳輸帶來很大不便,同時使用串口的數(shù)據(jù)也不能實現(xiàn)遠距離數(shù)據(jù)傳輸。為了實現(xiàn)遠距離數(shù)據(jù)的傳輸和監(jiān)控,本系統(tǒng)采用嵌入式Web服務(wù)器接入網(wǎng)絡(luò)的方法實現(xiàn)遠距離傳輸。圖4是Web服務(wù)器原理框圖。圖4Web服務(wù)器原理圖(1處理器芯片S3C44BO【3J是SAMSUNG公司推出的16/32bit RISC 處理器,為手持設(shè)備和一般應(yīng)用提供了高性價比和高性能的微控制器解決方案。S3C4480X使用ARM7TDMI內(nèi)核,采用0.25¨m CMOS工藝制造。它的低功耗和全靜態(tài)設(shè)計特別適用于對成本和功耗敏感的應(yīng)用。(2以

10、太網(wǎng)接口網(wǎng)絡(luò)接口芯片使用RTL8019AS,它符合NE2000,提供了自動檢測10BaseT集成收發(fā)器RJ45,有2種工作模式:8bit的DMA(只能用芯片地址0x4000一0(5珊和16bit 的DMA(可用到0】【600107肛。這里的地址只是指芯片內(nèi)的地址,麗非總線地址。RTL8019AS網(wǎng)絡(luò)芯片要模擬的網(wǎng)絡(luò)芯片內(nèi)部RAM 共2塊:(1o】(0000一0【000B,12B,頁號為o【00,存放MAC地址(奇數(shù)和偶數(shù)存放的MAC地址是一樣的,目的在于方便16bit DMA讀取。(2O“000o【5FFF,8192B,頁27萬方數(shù)據(jù)號為0(40一o【60(只用到0,【5f,0】(60為結(jié)束邊

11、界,用于存放收發(fā)的數(shù)據(jù)包緩沖,具體收發(fā)多少由驅(qū)動程序初始化決定。至于發(fā)送緩沖區(qū)和接收緩沖區(qū)的大小可以根據(jù)具體需要決定。以太網(wǎng)接口使用的是帶有變壓器的RJ45接口。(3USB接口ISPll6l為lSPll61A1的第一代芯片,也是業(yè)界第一款在單芯片內(nèi)集成UsB主機端與USB設(shè)備端功能的產(chǎn)品,可提供點對點連接。它可以透過軟件控制扮演獨立型主機或設(shè)備,甚至同時兼具主機與設(shè)備的功能。它擁有一個16bit并行輸出入(PIO與DMA接口,可以連接到市場上多數(shù)的RISC指令集處理器、數(shù)字信號處理器(DSP與微控器。它完全符合USB2。0規(guī)格,非常適合嵌入式或會聚式系統(tǒng)。1.3軟件設(shè)計1.3.1網(wǎng)關(guān)節(jié)點軟件設(shè)

12、計網(wǎng)關(guān)節(jié)點在整個系統(tǒng)中有著重要的作用,首先要接收對參考節(jié)點的配置數(shù)據(jù),其次還要接收各節(jié)點反饋的有效數(shù)據(jù)。其工作流程如圖5。開始逢1Y 醫(yī)贏芩通過串口發(fā)送?/利蛔計算出校驗值I從串r】發(fā)出l 剴圖5網(wǎng)關(guān)節(jié)點應(yīng)用程序流程圖1.3.2參考節(jié)點軟件設(shè)計參考節(jié)點是一種靜態(tài)節(jié)點,其坐標(biāo)位置是固定的,并且不參與定位計算。其工作流程如圖6。1.3.3移動節(jié)點軟件設(shè)計移動節(jié)點可在移動區(qū)域里任意移動。電腦各位節(jié)點通過接收定位區(qū)域內(nèi)所有參考節(jié)點的RSSI值【41后,經(jīng)過定位算法來計算其坐標(biāo)位置。定位節(jié)點軟件流程圖如圖7。1.3.4Web服務(wù)器軟件設(shè)計嵌入式Web服務(wù)器采用斗C1inux操作統(tǒng),它是專門為無存儲器管理

13、單元(MMU微控制器設(shè)計的嵌入式Knux操作系統(tǒng)。斗Clinux是基于Linux內(nèi)核開發(fā)的,它是在GNU公共許可證(GPI下發(fā)布的自由軟件。斗Clinux經(jīng)過對標(biāo)準(zhǔn)Linux內(nèi)核的改動,形成了一個高度優(yōu)化的、28歡迎網(wǎng)上投稿開始芝多Y奎多赳畫YY將配置信息寫入FLASH取出配置信息發(fā)送給網(wǎng)關(guān)節(jié)點蘭土恒圃N回型蘭多0Y奎多_圈lN螽磊:;豪>4函麗而今移動節(jié)點配置?>/念!考節(jié)點請求配置?>將配置信息寫人nh取出配置信息發(fā)送給網(wǎng)天節(jié)點運釜砸同圖7移動節(jié)點應(yīng)用程序流程圖代碼緊湊的嵌入式“nux,雖然它的體積很小,但斗Clin. ux仍然保留了Linux的大多數(shù)優(yōu)點:穩(wěn)定、良好的移

14、植性、優(yōu)秀的網(wǎng)絡(luò)功能、對各種文件系統(tǒng)完備的支持以及豐富的API。軟件設(shè)計步驟為:(1移植ub00t;(2建立交叉編譯環(huán)境;(3斗Clinux操作系統(tǒng)的移植;(4boa服務(wù)器的移植;(5應(yīng)用程序的編寫。電子技術(shù)應(yīng)用2009年第ll期萬方數(shù)據(jù)1.3.5服務(wù)器界面的設(shè)計服務(wù)器界面采用動態(tài)和靜態(tài)的網(wǎng)頁實現(xiàn)。為了使得本系統(tǒng)的瀏覽器窗口呈現(xiàn)更為靈活的功能,采用了HTML多框架結(jié)構(gòu),這樣在瀏覽器上便可以一次顯。.示多篇文檔,相互配合,相互轉(zhuǎn)換,如圖8所示。其中“系統(tǒng)主頁”、“關(guān)于我們”、“在線幫助”頁面和“聯(lián)系我們”網(wǎng)頁為靜態(tài)頁面,沒有與CGI程序的數(shù)據(jù)交互?！罢J證頁面”、“系統(tǒng)狀態(tài)查詢”、“定位查詢”、“

15、節(jié)點配置”頁面為動態(tài)頁面,分別與3個不同的CGI程序鏈接,用于接收或返回實時數(shù)據(jù)或信息。通過多次改變移動節(jié)點的位置來測量移動節(jié)點的位置,然后與實際位置進行比較,表1和表2是以移動節(jié)點l為例在不同區(qū)域內(nèi)進行測量的結(jié)果。10×10區(qū)域內(nèi)測量結(jié)果表25×5區(qū)域內(nèi)測量結(jié)果(單位:m(單位:m次數(shù)實際位置測量位置l(2,8(2.2,7.52(3,7(3,7.23(4,6(3。6,5.84(8,4(8.2。4.55(9,1(9.6,1.26(9,2(8,4,2.17(7,5(6.9,5.38(6,3(6.2,3.49(5,6(5.1,6.2圖8界面結(jié)構(gòu)所有H7rML文件及需鏈接的圖像文

16、件也均放人/“Clinuxdist,vendo瑪/tmpt目錄下暫存。2系統(tǒng)測試本系統(tǒng)主要由2部分組成:(1由參考節(jié)點、移動節(jié)點和網(wǎng)關(guān)節(jié)點組成的定位系統(tǒng)。(2網(wǎng)關(guān)節(jié)點和嵌入式Web服務(wù)器之間的通信通過串口實現(xiàn),嵌入式Web服務(wù)器可以通過以太網(wǎng)接入網(wǎng)絡(luò),也可以通過USB實現(xiàn)傳輸。具體步驟如下:(1將參考節(jié)點布置在一定的區(qū)域,本次選擇8個參考節(jié)點;(2配置參考節(jié)點,即給參考節(jié)點初始化一個位置信息;f3將移動節(jié)點放置在參考節(jié)點區(qū)域內(nèi),本次選擇4個移動節(jié)點作為測試用;(4網(wǎng)關(guān)節(jié)點和嵌入式服務(wù)器通信,將定位信息通過次數(shù)實際位置測量化置1(2,3(2.4,2.92(3,4(3。4。33(4,1(3.9,1

17、4(2,4(1.7,3.95(3,1(3.4,1.26(3,2(3,2.47(1,4.5(O.9,4.68(2.5.3(2.2,3.19(1.5。3(1.8,3.1從上表可以看出本定位系統(tǒng)定位在區(qū)域不大的情況下,定位準(zhǔn)確性很高。經(jīng)試驗,本定位系統(tǒng)在空曠的地方定位效果良好,但是也受環(huán)境影響,如受房間墻壁、玻璃及金屬對天線的影響。如果碰到這些情況應(yīng)盡量使用外接天線,這樣的效果會好。參考文獻1】孫利民.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)【M】.北京:清華大學(xué)出版社,2003.2】劉瑞強,馮長安.基于ZigBee的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)【J】.遙控遙測,2006(9.3】馬忠梅.嵌入式處理器結(jié)構(gòu)與應(yīng)用基礎(chǔ).北京:北京航空航天大學(xué)

18、出版社。2002.【4】任維政,徐連明.基于RSSI的測距差分修正定位算法.傳感技術(shù)學(xué)報,2008(7.【5】李巖,王衛(wèi)兵,孫永春?；赟3C44BOx的pClinux操作系統(tǒng)內(nèi)核移植。哈爾濱理工大學(xué)學(xué)報,2(X6(4.【6】陸永健,王萍.嵌入式Web服務(wù)器Boa的移植及其應(yīng)用.河海大學(xué)學(xué)報,2005(5.(收稿日期:2009一04一13(上接第25頁參考文獻基于移動數(shù)據(jù)的LED顯示屏,使用移動通信網(wǎng)絡(luò)實【l】諸昌鈐.LED顯示屏系統(tǒng)原理及工程技術(shù)【M】成都:電子時更新LED顯示屏的內(nèi)容,避免了原有系統(tǒng)鋪設(shè)線路科技大學(xué)出版社,2002或建造專用無線收發(fā)裝置的麻煩,有效降低了系統(tǒng)成【2】張明波.

19、基于單片機的點陣LED顯示系統(tǒng)的設(shè)計【J】微本,對遠離辦公場所、特別是室外LED顯示屏幕的設(shè)計計算機信息,2007,2(2:8586提供了一種新思路。同時,在開發(fā)此系統(tǒng)過程中,充分利【3】siemensTc35iTeminaluserGuide【DB/0l】http:/www-用嵌入式系統(tǒng)軟硬件設(shè)計仿真平臺Proteus軟件的強大s18m8nscom7wn.妄磊,進行系統(tǒng)虛擬開發(fā),成功后再進行實際制作,大大【4】倪升躍-Proteus一種集單片機模擬和sPlcE分析于毒差二要蘭蝥耋篡I,開發(fā)托對單片機及嵌順吲;轟驀裂曹翟翟譬燃警m溉系統(tǒng)的開發(fā)具有實用意義。一i蠢而:;:;.3“、“:i葛蟊:i

20、茹:夏:i矗電子技術(shù)應(yīng)用2009年第11期刪萬方數(shù)據(jù) 基于ZigBee的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位系統(tǒng)的設(shè)計作者:胡慶新, 程陣作者單位:合肥工業(yè)大學(xué),安徽,合肥,230009刊名: 電子技術(shù)應(yīng)用英文刊名:APPLICATION OF ELECTRONIC TECHNIQUE年,卷(期:2009,35(11引用次數(shù):0次參考文獻(6條1.孫利民.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)M.北京:清華大學(xué)出版社,2003.2.劉瑞強,馮長安.基于ZigBee的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)J.遙控遙測,2006(9.3.馬忠梅.嵌入式處理器結(jié)構(gòu)與應(yīng)用基礎(chǔ).北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2002.4.任維政,徐連明.基于RSSI的測距差分修正定位

21、算法.傳感技術(shù)學(xué)報,2008(7.5.李巖,王衛(wèi)兵,孫永春.基于S3 C44BOX的Clinux操作系統(tǒng)內(nèi)核移植,哈爾濱理工大學(xué)學(xué)報,2006(4.6.陸永健,王萍.嵌入式Web服務(wù)器Boa的移植及其應(yīng)用.河海大學(xué)學(xué)報,2005(5.相似文獻(10條1.期刊論文鄭春雷.姜華.劉海濤.ZHENG Chun-lei.JIANG Hua.LIU Hai-tao無線傳感網(wǎng)中節(jié)點級能量有效策略的研究-系統(tǒng)仿真學(xué)報2007,19(10無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一組帶有無線收發(fā)裝置的傳感器節(jié)點組成的臨時性的網(wǎng)絡(luò)自治系統(tǒng),由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點是用有限壽命的電池來提供的,因此能量有效策略成為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究的關(guān)鍵問

22、題.通過結(jié)合傳感節(jié)點的軟件和硬件設(shè)計方法和系統(tǒng)設(shè)計策略來研究組成網(wǎng)絡(luò)的傳感節(jié)點的能量有效策略,達到最小化傳感節(jié)點能量消耗的目標(biāo).通過OPNET仿真給出相關(guān)結(jié)果.2.學(xué)位論文黃光燕基于數(shù)據(jù)融合的無線傳感網(wǎng)絡(luò)路由研究2007無線通訊和電子技術(shù)的迅速發(fā)展使得低成本,低功耗,小體積的傳感節(jié)點的開發(fā)成為可能。傳感節(jié)點有著受限的計算,無線通訊和感知能力。成百上千的傳感節(jié)點可以隨機撒布在觀測區(qū)域用于獲取物理環(huán)境的數(shù)據(jù),所有傳感節(jié)點組成無線傳感網(wǎng)(Wireless Sensor Networks,簡稱WSN,然后通過在網(wǎng)絡(luò)中進行數(shù)據(jù)融合(DataFusion將用戶關(guān)心的有用信息傳送回基站(Base Stati

23、on,簡稱BS分析處理。由于傳感節(jié)點一般靠電池供電,電能資源非常有限,同時無線通訊會消耗較多的電能,因此,設(shè)計有效的通訊路由協(xié)議節(jié)約電能非常重要。較大數(shù)目的傳感節(jié)點必須協(xié)同工作,理想狀況是所有的傳感節(jié)點盡可能有相同的生命周期,以使得整個無線傳感網(wǎng)能夠正常工作(大多數(shù)傳感節(jié)點電能尚未耗盡的生命周期延長到足夠長,所以通訊路由協(xié)議的設(shè)計必須考慮每個傳感節(jié)點的公平性。另一方面,較大數(shù)目傳感節(jié)點路由數(shù)據(jù)回基站會帶來延遲的問題,無線傳感網(wǎng)是典型的時間敏感網(wǎng)絡(luò),所以通訊路由協(xié)議的設(shè)計也必須兼顧到低延遲性。 數(shù)據(jù)融合通過分簇,壓縮或去掉數(shù)據(jù)中的冗余能夠較大程度地減少無線傳輸數(shù)據(jù)和無線傳輸距離,從而節(jié)約電能。較

24、流行的做法是把整個網(wǎng)絡(luò)的傳感節(jié)點劃分成許多的簇(Cluster,每一個簇選出簇頭(Cluster Head,簡稱CH用于融合本簇中其它傳感節(jié)點傳送來的數(shù)據(jù),以及中轉(zhuǎn)已經(jīng)融合的數(shù)據(jù)到下一個簇頭直至基站?；诖氐穆酚山档土斯?但同時帶來了更加突出的公平性問題,如,簇頭比非簇頭更耗電,離簇頭遠的傳感節(jié)點更耗電,簇內(nèi)傳感節(jié)點多的簇頭更耗電等。也有不基于簇的數(shù)據(jù)融合,主要用于在降低延遲和降低功耗兩者之間折衷。本文主要研究和解決基于數(shù)據(jù)融合的無線傳感網(wǎng)中的低功耗,公平性,低延遲三大問題,主要的創(chuàng)新點包括: (1基于數(shù)據(jù)融合的無線傳感網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)的優(yōu)化技術(shù),提出動態(tài)兩級最小生成路由協(xié)議(Dynamic Mi

25、nimal Spanning Tree Routing Protocol,簡稱DMSTRP。基于簇的無線傳感網(wǎng)數(shù)據(jù)融合中,簇內(nèi)(普通傳感節(jié)點和簇頭和簇外(簇頭之間的連接通?？梢圆捎脙煞N拓撲結(jié)構(gòu):星型和最小生成樹(Minimal Spanning Tree,簡稱MST。LEACH的簇內(nèi)和簇外都采用了星型結(jié)構(gòu)。BCDCP對LEACH的改進之一是簇外采用最小生成樹。本文提出的動態(tài)兩級最小生成樹路由協(xié)議DMSTRP在簇內(nèi)和簇外都采用了最小生成樹結(jié)構(gòu)。這三種協(xié)議各有自己的適用范圍,例如:LEACH適合密度適中(典型密度為0.01的網(wǎng)絡(luò),BCDCP適合于密度較大(典型密度為0.05的網(wǎng)絡(luò),而本文的DMST

26、RP適合密度偏小(典型密度0.0011的網(wǎng)絡(luò)。在100個節(jié)點布置在300m×300m網(wǎng)絡(luò)中,DMSTRP的生命周期分別比LEACH和BCDCP延長19.7倍和3倍。由于實際應(yīng)用中無線傳感網(wǎng)密度的多樣性,網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)的優(yōu)化也是隨著應(yīng)用的需求而變化的。 (2基于數(shù)據(jù)融合的無線傳感網(wǎng)簇頭數(shù)目優(yōu)化技術(shù),提出最小生成樹拓撲結(jié)構(gòu)無線傳感網(wǎng)的通用功耗計算公式。基于簇內(nèi)和簇外兩級星型結(jié)構(gòu),LEACH通過面積積分計算星型結(jié)構(gòu)簇的功耗從而給出了兩級星型結(jié)構(gòu)傳感網(wǎng)絡(luò)功耗的通用公式,然后對此公式求導(dǎo)得到簇頭數(shù)目的優(yōu)化數(shù)目公式。然而最小生成樹結(jié)構(gòu)簇的功耗的計算比星型結(jié)構(gòu)復(fù)雜得多,不但與最小生成樹的葉子節(jié)點數(shù)目

27、相關(guān),也與最小生成樹的邊的平均長度相關(guān)。目前統(tǒng)計學(xué)的理論給出了最小生成樹的葉子節(jié)點數(shù)目和平均邊長的計算公式。根據(jù)最小生成樹的以上理論我們給出了最小生成樹簇的功耗計算公式。最小生成樹簇的功耗計算公式是非常有意義的,不但提供了估計BCDCP和DMSTRP優(yōu)化的簇頭數(shù)目的基礎(chǔ),也為計算任意密度下以上協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)功耗提供了依據(jù)。 (3提出一種公平簇的生成算法一基于最小生成樹和高能傳感節(jié)點的簇的生成算法(MSTME?；诖氐穆酚山档土斯?但帶來了更突出的公平性問題。借鑒LEACH和BCDCP把高能傳感節(jié)點作為備選簇頭,本文根據(jù)數(shù)據(jù)挖掘中基于最小生成樹的聚類算法理論,結(jié)合數(shù)據(jù)融合無線傳感網(wǎng)本身的特點,提出

28、了MSTME的公平簇的生成算法。該算法具體做法是首先選出電能高于平均值的高能節(jié)點作為備選簇頭,然后用一棵最小生成樹連接備選簇頭,物理距離作為最小生成樹的邊,非備選簇頭支持離其最近的備選簇頭,計算每個備選簇頭的支持者個數(shù)(包括備選簇頭自身,如果給定要選出p簇頭,則p-1條最小生成樹的邊斷裂,并滿足每個子樹上的支持者數(shù)目總和最接近。最后每個子樹上能源最多的節(jié)點成為簇頭。其余非簇頭節(jié)點以最近加入原則加入簇頭,p個簇形成。模擬實驗表明,同樣的拓撲結(jié)構(gòu)和簇頭數(shù)目,采用MSTME的網(wǎng)絡(luò)生命周期比LEACH提高了3.2,比BCDCP提高了6.4。 (4提出一種無線傳感網(wǎng)低延遲的路由協(xié)議-完全二叉樹路由協(xié)議(

29、completeBinary Tree Routing Protocol,簡稱BTRP。在近距離高密度的無線傳感網(wǎng)中,基于簇的數(shù)據(jù)融合不再是功耗優(yōu)化的,而且?guī)砹撕芨叩臅r延。我們分析了基于簇的兩級星型結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的最優(yōu)時延,比一跳直接發(fā)送更優(yōu)。然后我們對完全n叉樹的功耗和時延做了分析,發(fā)現(xiàn)以功耗×時延做為度量指標(biāo)時,完全二叉樹或完全三叉樹最優(yōu),我們選用了結(jié)構(gòu)更簡單的完全二叉樹路由BTRP策略。在完全二叉樹路由中進行數(shù)據(jù)融合,但不劃分簇。模擬實驗結(jié)果表明,在布置5cI-500節(jié)點的高密度無線網(wǎng)中,BTRP的lifetime/delay是THLD(兩級星型結(jié)構(gòu)LEACH的優(yōu)化中的1.18-2

30、.46倍,是Direct的2.27-13.66倍。 (5實現(xiàn)了一個基于數(shù)據(jù)融合的無線傳感網(wǎng)路由協(xié)議模擬器(Simulator of Clus-ter Based Routing Protocols in Wireless Sensor Networks,簡稱CBRP模擬器。我們用C/C+開發(fā)了一個專用于基于聚類無線傳感網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議CBRP模擬器,用于評估基于聚類路由協(xié)議的功耗和延遲等性能指標(biāo)。用CBRP模擬器對LEACH,PEGASIS和BCDCP經(jīng)典協(xié)議進行模擬,我們得出了非常類似的實驗結(jié)果,從而證明了CBRP模擬器的有效性。 本文從拓撲結(jié)構(gòu),簇頭數(shù)目優(yōu)化和簇的生成算法等方面優(yōu)化基于數(shù)據(jù)融

31、合的無線傳感網(wǎng)絡(luò)路由,用CBRP模擬器模擬實現(xiàn)并驗證了以上低功耗低延遲的路由算法。3.會議論文羅俊.蔣鈴鴿.何晨.鄭春雷線型無線傳感網(wǎng)中能量有效的節(jié)點配置方案2006本文針對線型無線傳感網(wǎng),基于網(wǎng)絡(luò)節(jié)點平均能量消耗最小化原則,提出了一種能量有效的節(jié)點配置方案(EENDS.通過對EENDS方案進行分析以及與均 勻配置方案的性能比較發(fā)現(xiàn),EENDS方案明顯降低了網(wǎng)絡(luò)節(jié)點平均能量消耗,能有效延長節(jié)點和網(wǎng)絡(luò)的工作壽命. 4.學(xué)位論文 潘群華 無線傳感網(wǎng)數(shù)據(jù)查詢優(yōu)化方法研究 2007 無線傳感網(wǎng)作為連接物理世界和數(shù)字世界的橋梁引起了人們的廣泛關(guān)注，具有十分廣闊的應(yīng)用前景。無線傳感網(wǎng)由具有傳感、數(shù)據(jù)處理和

32、短距離無 線通信功能的微型傳感節(jié)點組成。這些傳感節(jié)點能量有限，處理能力弱，存儲空間有限。如何在無線傳感網(wǎng)工作過程中減少能量消耗，延長網(wǎng)絡(luò)壽命 ，是無線傳感網(wǎng)領(lǐng)域要研究解決的重要問題。 無線傳感網(wǎng)的主要功能是實現(xiàn)信息收集并發(fā)布，觀察者往往通過查詢的方式獲取無線傳感網(wǎng)中的傳 感數(shù)據(jù)。如何有效地完成查詢，并且減少全網(wǎng)能量消耗，是無線傳感網(wǎng)的主要研究方向之一。本文的主要研究內(nèi)容和貢獻如下： 1提出了基于語 義的傳感網(wǎng)數(shù)據(jù)查詢架構(gòu)，為從不同層面上研究傳感網(wǎng)數(shù)據(jù)查詢提供了新的方法。傳感網(wǎng)收集信息為觀察者服務(wù)，觀察者往往對原始的傳感數(shù)據(jù)并不關(guān) 心，而是關(guān)心由這些傳感數(shù)據(jù)聚合后產(chǎn)生的內(nèi)容。從觀察者開始查詢到傳

33、感網(wǎng)返回結(jié)果數(shù)據(jù)，其中過程包括查詢語義分解、網(wǎng)內(nèi)執(zhí)行和結(jié)果數(shù)據(jù)聚集。 本文從語義的角度對傳感網(wǎng)查詢執(zhí)行過程進行了描述。設(shè)計了描述傳感數(shù)據(jù)的語義標(biāo)簽。在語義查詢過程中，語義標(biāo)簽?zāi)軌虮粍討B(tài)地加到傳感數(shù)據(jù)中 ，通過語義信息能夠有效、系統(tǒng)地監(jiān)控環(huán)境的變化，提供用戶需要的服務(wù)。附加語義標(biāo)簽的結(jié)果數(shù)據(jù)被聚集后，會產(chǎn)生更加豐富的語義內(nèi)容，能夠滿足 更復(fù)雜的查詢需求或者用以對查詢進行優(yōu)化。 2提出了一種基于緩存的傳感網(wǎng)多Sink查詢優(yōu)化方法，通過復(fù)用查詢資源，節(jié)省了多Sink查詢過程 中的能量消耗。當(dāng)多個Sink接入傳感網(wǎng)進行區(qū)域數(shù)據(jù)查詢時，如果每個數(shù)據(jù)源節(jié)點分別響應(yīng)多個Sink的查詢，傳感網(wǎng)傳輸?shù)娜哂嘈畔⑦^

34、多，效率低下。 本文設(shè)計了查詢資源查找方法和復(fù)用算法，將多Sink查詢根據(jù)查詢區(qū)域分解成多個基查詢，每個查詢Q可以由基查詢進行線性組合表示。查詢Q的表達式 作為查詢語義描述，在執(zhí)行過程中，被緩存在查詢路由的中繼節(jié)點上。當(dāng)另一個Sink執(zhí)行查詢Q時，查找查詢資源復(fù)用的接入點，利用接入點中緩存 查詢Q的信息，對Q的執(zhí)行進行優(yōu)化。仿真結(jié)果表明，提出的方法可以減少多Sink查詢的能量消耗。 3提出了基于緩存數(shù)據(jù)的傳感網(wǎng)靜態(tài)數(shù)據(jù) Top k查詢修剪算法，減少了Top k查詢中響應(yīng)節(jié)點的數(shù)目和能量消耗。Top k查詢可以獲取傳感網(wǎng)中傳感數(shù)據(jù)的極值分布。由于Top k查詢是一種全局性 的聚集查詢，需要在所有

35、數(shù)據(jù)集合中進行比較并獲取結(jié)果，能量消耗巨大。本文在分析了Top k查詢語義的基礎(chǔ)上，設(shè)計了基于緩存數(shù)據(jù)的Top k查詢優(yōu) 化算法。通過執(zhí)行低能耗的“基本查詢”獲得全網(wǎng)的傳感數(shù)據(jù)分布信息，并將產(chǎn)生的響應(yīng)數(shù)據(jù)在每個中繼節(jié)點上緩存。執(zhí)行Top k查詢時，利用緩存數(shù)據(jù) 產(chǎn)生閥值，根據(jù)閥值“修剪”查詢響應(yīng)節(jié)點從而減少能量消耗。為了獲取更精確的閥值，本文設(shè)計了閥值廣度優(yōu)先搜索算法和閥值深度優(yōu)先搜索算法。 執(zhí)行修剪算法后的傳感網(wǎng)Top k查詢響應(yīng)節(jié)點，是傳感網(wǎng)節(jié)點的子集。本文設(shè)計了根據(jù)查詢樹梯度級別的數(shù)據(jù)聚集樹重構(gòu)算法。仿真結(jié)果表明，以本文提 出的算法進行傳感網(wǎng)Top k查詢能夠節(jié)省能最消耗。 4提出了傳感

36、網(wǎng)數(shù)據(jù)動態(tài)變化時的Top k查詢方法。根據(jù)緩存數(shù)據(jù)進行查詢定位，從定位區(qū)域 開始執(zhí)行擴展查詢，節(jié)省了能量消耗，提高了查詢結(jié)果準(zhǔn)確性。環(huán)境的變化導(dǎo)致傳感網(wǎng)的傳感數(shù)據(jù)分布隨之發(fā)生變化。本文采用基于緩存的查詢修剪算 法對Top k查詢源節(jié)點進行定位，感知數(shù)據(jù)值大于閥值的節(jié)點作為源節(jié)點。提出了兩種從源節(jié)點開始進行擴展查詢的方法。最近鄰居查詢法是對源節(jié)點周 圍最近h跳以內(nèi)的鄰居節(jié)點進行查詢；閥值判據(jù)方法是從源節(jié)點開始，對傳感數(shù)據(jù)值大于閥值的鄰居節(jié)點進行查詢。仿真結(jié)果表明，本文提出的Top k查 詢方法，可以在傳感網(wǎng)數(shù)據(jù)變化時，減少能量消耗，并且在一定程度上保證結(jié)果的準(zhǔn)確性。 5.期刊論文 陳卓.朱杰.袁

37、曉兵.沈杰 基于OMAP的無線傳感網(wǎng)節(jié)點處理器的設(shè)計與實現(xiàn) -電子技術(shù)應(yīng)用2007,33(1 一種具有較強處理能力且功耗較低的無線傳感網(wǎng)節(jié)點,對處理器部分的設(shè)計方案進行了詳細分析.本節(jié)點在完成相同工作的前提下,節(jié)點消耗的電流、 工作時間都較小,滿足無線傳感網(wǎng)前期研究階段對節(jié)點的要求. 6.學(xué)位論文 馬奎 無線傳感網(wǎng)移動接入與信息獲取優(yōu)化策略研究 2008 在大規(guī)模異構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中引入節(jié)點的移動性能有效提高網(wǎng)絡(luò)的吞吐量、生存時間、可靠性與覆蓋度?，F(xiàn)有針對異構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)移動性的 研究主要面向容忍延遲(DelayTolerent等類型的應(yīng)用，以最優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)能耗為目標(biāo)，不能很好解決移動節(jié)點的快速

38、、無縫接入問題，且無法有效滿足如城 市軌道交通反恐等應(yīng)用中基于移動節(jié)點的大數(shù)據(jù)量、實時傳感信息獲取要求。針對上述問題，本文從快速移動接入?yún)f(xié)議、移動匯聚節(jié)點臨近分簇動態(tài)調(diào) 整、移動自適應(yīng)跨層優(yōu)化設(shè)計等角度出發(fā)，對大規(guī)模異構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中移動匯聚節(jié)點動態(tài)接入和信息獲取優(yōu)化問題展開研究。本文的主要貢獻如下 ： 首先，針對大規(guī)模異構(gòu)傳感器網(wǎng)絡(luò)中移動和固定節(jié)點混合組網(wǎng)問題，在三層網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)下，提出了一種面向移動無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的跨層協(xié)議 ?？蚣?，設(shè)計了支持移動節(jié)點異構(gòu)組網(wǎng)的協(xié)議棧層間接口和功能模塊，并對移動無線傳感網(wǎng)的應(yīng)用模式與應(yīng)用場景進行了詳細的分析，為后續(xù)研究工作 奠定基礎(chǔ)。 其次，針對大規(guī)模異構(gòu)

39、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中移動節(jié)點快速接入、移動鏈路維護、匯聚節(jié)點周圍通信模式優(yōu)化等問題，結(jié)合現(xiàn)有多種MAC協(xié) 議的優(yōu)點，提出了一種移動自適應(yīng)MAC協(xié)議MA-MAC。該協(xié)議實現(xiàn)了低時延移動接入，具備移動鏈路自動維護功能，并提供了一種自適應(yīng)工作模式調(diào)整機制 以緩解移動節(jié)點周圍的通信瓶頸問題。仿真研究表明相對現(xiàn)有典型移動MAC協(xié)議，MA-MAC極大提高了移動節(jié)點與底層傳感節(jié)點之間的數(shù)據(jù)交互性能，且資 源要求低、可實現(xiàn)性強。 再次，針對現(xiàn)有大規(guī)模異構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分簇協(xié)議無法有效支持節(jié)點移動性和切換問題，結(jié)合MA-MAC協(xié)議與雙重分簇 DC-MAC協(xié)議，提出了一個基于分簇網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的移動自適應(yīng)MAC協(xié)議MA-D

40、C-MAC，并針對移動信息獲取中存在的移動匯聚節(jié)點附近聚播數(shù)據(jù)傳輸效率低等問 題，設(shè)計了一種自適應(yīng)跨層優(yōu)化方案AOCMSN。仿真實驗證明經(jīng)過AOCMSN優(yōu)化的MA-DC-MAC協(xié)議能夠大幅度提高移動匯聚節(jié)點附近聚播數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐掏侣屎?成功率，同時也降低了數(shù)據(jù)傳輸時延和能量消耗。 再次，針對中層無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中固定與移動匯聚節(jié)點混合組網(wǎng)問題進行深入分析，提出了一 種基于混合匯聚節(jié)點的傳感信息獲取機制。該機制極大降低了網(wǎng)絡(luò)節(jié)點在移動路由維護方面的開銷。仿真研究表明相對于固定傳感器網(wǎng)絡(luò)，使用該信息 獲取機制的混合網(wǎng)絡(luò)在不同負載下能獲得較高的數(shù)據(jù)傳輸成功率和較低的平均數(shù)據(jù)傳輸延遲，同時網(wǎng)絡(luò)生存時間也大

41、幅延長。 最后，為有效展開 異構(gòu)、移動無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究，基于Qualnet仿真軟件搭建了一個高逼真度的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)仿真平臺，提供了節(jié)點能耗模型、節(jié)點跨層公共數(shù)據(jù)存 取接口、移動支持與管理接口等，并設(shè)計了一個獨立于Qualnet原有IP協(xié)議棧的傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧，使之能夠支持高逼真度、高效率的大規(guī)模異構(gòu)傳感器 網(wǎng)絡(luò)仿真及傳感器/IP雙網(wǎng)絡(luò)混合仿真，為多層次異構(gòu)移動傳感器網(wǎng)絡(luò)仿真研究打下基礎(chǔ)。 7.期刊論文 陳貞貞.楊晨陽.Chen Zhen-zhen.Yang Chen-yang 無線傳感網(wǎng)物理層協(xié)作分集的性能分析 -電子與信 息學(xué)報2007,29(11 該文針對無線傳感網(wǎng)中的遠距傳輸問題,

42、研究了一種無需網(wǎng)絡(luò)同步和正交信道的協(xié)作分集方法的性能,給出了在兩種典型信道中當(dāng)解碼轉(zhuǎn)發(fā)存在誤差 傳播時遠程目的節(jié)點的誤碼率及分集指數(shù);分析了當(dāng)轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點間為白高斯信道時增加協(xié)作節(jié)點數(shù)能夠提高目的節(jié)點性能的條件.研究結(jié)果表明,當(dāng)轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點 間為白高斯信道時,只要轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點處于正常工作點,增加節(jié)點數(shù)就能提高目的節(jié)點的性能;當(dāng)轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點間為瑞利平衰落信道時,只有當(dāng)轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點處于一定位 置時,協(xié)作分集相對于直接發(fā)送或傳統(tǒng)空間分集才有性能增益;當(dāng)轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點間為瑞利平衰落信道時增加跳數(shù)性能更好,為白高斯信道時增加分支數(shù)更有效 ;當(dāng)轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點間為瑞利平衰落信道時,誤差傳播將使目的節(jié)點的分集指數(shù)為1,但在較低信噪比條件下對分集性能影響很小. 8.學(xué)位論文 宋建華 基于ARM的無線傳感網(wǎng)節(jié)點的設(shè)計 2008 隨著嵌入式系統(tǒng)技術(shù)的迅猛發(fā)展,無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)那度胧?/p>