無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的研究

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)概述無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WirelessSensorNetwork，WSN)起源于二十世紀(jì)九十年代，它是由大量的靜止或移動(dòng)的傳感器以自組織和多跳的方式構(gòu)成的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，以協(xié)作地感知、采集、處理和傳輸網(wǎng)絡(luò)覆蓋地理區(qū)域內(nèi)被感知對(duì)象的信息，并最終把這些信息發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)的所有者。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)在環(huán)境監(jiān)測(cè)、軍事、國(guó)土安全、交通管制、森林防火、目標(biāo)定位等方面具有廣泛的應(yīng)用前景。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)由許多個(gè)功能相同或不同的無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)組成，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的自主采集、融合和傳輸。每一個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)包括：

數(shù)據(jù)采集模塊(傳感器、A／D轉(zhuǎn)換器)數(shù)據(jù)處理和控制模塊(微處理器、存儲(chǔ)器)通信模塊（無(wú)線收發(fā)器)供電模塊(電池、DC／DC能量轉(zhuǎn)換器)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)包括4類基本實(shí)體對(duì)象：目標(biāo)、觀測(cè)節(jié)點(diǎn)、傳感節(jié)點(diǎn)和感知視場(chǎng)，另外，還需定義外部網(wǎng)絡(luò)、遠(yuǎn)程任務(wù)管理單元和用戶來(lái)完成對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的應(yīng)用刻畫，如圖1所示上圖所示，大量傳感節(jié)點(diǎn)隨機(jī)部署，通過(guò)自組織方式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)，協(xié)同形成對(duì)目標(biāo)的感知視場(chǎng)。傳感節(jié)點(diǎn)檢測(cè)的目標(biāo)信號(hào)經(jīng)本地簡(jiǎn)單處理后通過(guò)鄰近傳感節(jié)點(diǎn)多跳傳輸?shù)接^測(cè)節(jié)點(diǎn)。用戶和遠(yuǎn)程任務(wù)管理單元通過(guò)外部網(wǎng)絡(luò)，比如衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)或Internet，與觀測(cè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行交互。觀測(cè)節(jié)點(diǎn)向網(wǎng)絡(luò)發(fā)布查詢請(qǐng)求和控制指令，接收傳感節(jié)點(diǎn)返回的目標(biāo)信息。WSN節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)

無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)由傳感器模塊、處理器模塊、無(wú)線通信模塊和能量供應(yīng)模塊這四部分組成：傳感器模塊（傳感器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器）：負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)信息的采集和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換處理器模塊（CPU、存儲(chǔ)器、嵌入式操作系統(tǒng)等）：負(fù)責(zé)控制整個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的操作，存儲(chǔ)和處理本身采集的數(shù)據(jù)無(wú)線通信模塊（網(wǎng)絡(luò)、MAC、收發(fā)器）：負(fù)責(zé)與其他傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行無(wú)線通信能量供應(yīng)模塊：為傳感器節(jié)點(diǎn)提供運(yùn)行所需的能量，通常采用微型電池。除了這四個(gè)模塊外，傳感器節(jié)點(diǎn)還可以包括其他輔助單元，如移動(dòng)系統(tǒng)、定位系統(tǒng)和自供電系統(tǒng)等。WSN物理體系結(jié)構(gòu)傳統(tǒng)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)采用“平坦”結(jié)構(gòu)，部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域中用于數(shù)據(jù)采集的微型傳感器節(jié)點(diǎn)同構(gòu)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)的計(jì)算能力、通信距離和能量供應(yīng)相當(dāng)。節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)通過(guò)多跳通信的方式，借助網(wǎng)絡(luò)內(nèi)其他節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)發(fā)，將數(shù)據(jù)傳回到匯聚節(jié)點(diǎn)，再通過(guò)匯聚節(jié)點(diǎn)與其他網(wǎng)絡(luò)連接，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程訪問(wèn)和網(wǎng)絡(luò)查詢、管理。平坦結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)雖然能夠工作，但隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)量的增加，網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍的擴(kuò)大，長(zhǎng)的通信路徑將導(dǎo)致數(shù)據(jù)包丟失的概率增大，網(wǎng)絡(luò)性能下降，也會(huì)導(dǎo)致用于轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的中間節(jié)點(diǎn)更多的能量消耗，降低網(wǎng)絡(luò)生存周期。根據(jù)IPv6無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，實(shí)際應(yīng)用中一般采用異構(gòu)節(jié)點(diǎn)組成的、層次化的網(wǎng)絡(luò)，如下圖所示所示：異構(gòu)、層次化結(jié)構(gòu)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)：WSN應(yīng)用系統(tǒng)架構(gòu)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用支撐層、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施和基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用業(yè)務(wù)層的一部分共性功能以及管理、信息安全等部分組成了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中間件和平臺(tái)軟件。其基本含義是，應(yīng)用支撐層支持應(yīng)用業(yè)務(wù)層為各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域服務(wù)，提供所需的各種通用服務(wù)，在這一層中核心的是中間件軟件；管理和信息安全是貫穿各個(gè)層次的保障。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中間件和平臺(tái)軟件體系結(jié)構(gòu)主要分為四個(gè)層次：網(wǎng)絡(luò)適配層、基礎(chǔ)軟件層、應(yīng)用開發(fā)層和應(yīng)用業(yè)務(wù)適配層，其中網(wǎng)絡(luò)適配層和基礎(chǔ)軟件層組成無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)嵌入式軟件(部署在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)中)的體系結(jié)構(gòu)，應(yīng)用開發(fā)層和基礎(chǔ)軟件層組成無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用支撐結(jié)構(gòu)(支持應(yīng)用業(yè)務(wù)的開發(fā)與實(shí)現(xiàn))。WSN應(yīng)用系統(tǒng)架構(gòu)：WSN通信體系結(jié)構(gòu)

WSN通信體系結(jié)構(gòu)：物理層：無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的傳輸介質(zhì)可以是無(wú)線、紅外或者光介質(zhì)數(shù)據(jù)鏈路層：負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)流的多路復(fù)用、數(shù)據(jù)幀檢測(cè)、媒體接入和差錯(cuò)控制。網(wǎng)絡(luò)層：在傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)送節(jié)點(diǎn)和接收節(jié)點(diǎn)之間需要特殊的多跳無(wú)線路由協(xié)議?；诠?jié)能的路由有若干種，如最大有效功率(PA)路由算法、最小能耗路由算法、基于最小跳數(shù)路由、基于最大最小有效功率節(jié)點(diǎn)路由等。傳輸層：傳感器網(wǎng)絡(luò)是否需要傳輸層是一個(gè)問(wèn)題。因特網(wǎng)的傳輸控制協(xié)議(TCP)是基于全局地址的端到端傳輸協(xié)議，其設(shè)計(jì)思想中基于屬性的命名對(duì)于傳感器網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展性并沒有太大的必要性，因此適合于傳感器網(wǎng)絡(luò)的傳輸層協(xié)議應(yīng)該更類似于UDP協(xié)議。一種WSN節(jié)點(diǎn)（基于CC2430）WSN應(yīng)用

無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)有著許多不同的應(yīng)用。在工業(yè)界和商業(yè)界中，它用于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，而如果使用有線傳感器，則成本較高且實(shí)現(xiàn)起來(lái)困難。無(wú)線傳感器可以長(zhǎng)期放置在荒蕪的地區(qū)，用于監(jiān)測(cè)環(huán)境變量，而不需要將他們重新充電再放回去。WSN的還應(yīng)用包括視頻監(jiān)視，交通監(jiān)視，航空交通控制，機(jī)器人學(xué)，汽車，家居健康監(jiān)測(cè)和工業(yè)自動(dòng)化參考文獻(xiàn)[1]劉迎盈,基于能量?jī)?yōu)先的地理位置WSN路由算法設(shè)計(jì),2013,南京郵電大學(xué).[2]王拓,基于WSN的城市污水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)融合技術(shù)研究,2013,西安工業(yè)大學(xué)[3]萬(wàn)馬良,智能樓宇WSN覆蓋問(wèn)題的研究,2013,廣東工業(yè)大學(xué).[4]石晶,基于MC12311微控制器WSN中間件的設(shè)計(jì)研究及應(yīng)用,2013,蘇州大學(xué).[5]張興偉,基于WSN的溫室環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì),2013,鄭州大學(xué).[6]田立超,WSN下分簇算法和秘密比較協(xié)議的研究,2013,安徽大學(xué).[7]王潔,WSN密鑰預(yù)分配管理的優(yōu)化設(shè)計(jì),2012,成都理工大學(xué).[8]范磊磊,基于ZStack協(xié)議的WSN滑坡監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研制,2012,成都理工大學(xué).[9]霍俊,基于WSN和M2M技術(shù)的環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn),2012,南京航空航天大學(xué).[10]張婷婷,基于WSN混合定位算法的研究,2012,東華大學(xué).[11]李濛,基于DV-HOP的改進(jìn)型WSN定位算法及其應(yīng)用研究,2012,吉林大學(xué).[12]董啟剛,WSN在物流領(lǐng)域中的應(yīng)用模式研究,2012,北京物資學(xué)院.[13]趙慶偉,基于WSN的煤礦井下定位算法研究,2012,河北工程大學(xué).[514]戴文博,面向物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的WSN拓?fù)錁?gòu)造和路由策略的研究,2012,天津理工大學(xué)[15]董倩,基于層次型拓?fù)淇刂频腤SN網(wǎng)絡(luò)管理技術(shù)研究,2012,沈陽(yáng)理工大學(xué).[16].湯文華,基于SVM的WSN移動(dòng)節(jié)點(diǎn)定位算法研究,2012,長(zhǎng)沙理工大學(xué).[17]孫宏宇,LDEE-DGA：基于雙目標(biāo)遺傳算法的低延遲能量有效WSN路由協(xié)議研究,2012,吉林大學(xué).[18]楊代亮,WSN中節(jié)能路由算法的研究,2012,吉林大學(xué)[19]李翠霞,傳感網(wǎng)可編程控制模塊WSN-PCM的設(shè)計(jì)及應(yīng)用,2012,蘇州大學(xué).[20]徐定鋒,基于WSN的高速公路車路通信系統(tǒng)研究,2012,長(zhǎng)安大學(xué).第66頁(yè).[21]佟陽(yáng)春,基于浮動(dòng)車和WSN的交通數(shù)據(jù)處理方法研究,2012,大連理工大學(xué).[22]水海紅,物聯(lián)網(wǎng)下WSN運(yùn)維管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn),2012,華中師范大學(xué).[23]劉輝,基于RFID與WSN的倉(cāng)庫(kù)管理系統(tǒng)的開發(fā)與設(shè)計(jì),2012,武漢理工大學(xué).[24]高新書,基于加速度傳感器的WSN定位系統(tǒng)研究,2012,武漢理工大學(xué).[25]于曉華,異構(gòu)WSN網(wǎng)絡(luò)融合模型研究及網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì),2012,蘭州理工大學(xué).[26]郝悅,基于靜態(tài)博弈的WSN安全路由算法的研究,2011,東北大學(xué).[27]Klempous,R.,etal.,ImprovementofSpatialRoutinginWSNBasedonLQIorRSSIIndicator,inAdvancedMethodsandApplicationsinComputationalIntelligence,R.Klempous,etal.,R.Klempous,etal.^Editors.2014,SpringerInternationalPublishing.[28]Park,J.J.J.H.,etal.,Intrusion-TolerantJiniServiceArchitectureforEnsuringSurvivabilityofU-ServicesBasedonWSN,inMobile,Ubiquitous,andIntelligentComputing,J.J.J.H.Park,etal.,J.J.J.H.Park,etal.^Editors.2014,SpringerBerlinHeidelberg.[29]Zhong,Z.andQ.Dong,ANovelSecurePairwiseandGroupwiseSynchronizingSchemeinWSN,inProceedingsoftheInternationalConferenceonInformationEngineeringandApplications(IEA)2012,Z.Zhong,Z.Zhong^Editors.2013,SpringerLondon.[30]Padilla,P.,etal.,Erratumto:OntheInfluenceofthePropagationChannelinthePerformanceofEnergy-EfficientGeographicRoutingAlgorithmsforWirelessSensorNetworks(WSN).WirelessPersonalCommunications,2013.70(1)[31]vanBerlo,A.,etal.,DistributedNeuralComputationoverWSNinAmbientIntelligence,inAmbientIntelligence-SoftwareandApplications,A.vanBerlo,etal.,A.vanBerlo,etal.^Editors.2013,SpringerInternationalPublishing.p.147-154.

[32]Bian,F.,etal.,DesignonEarlyWarningSystemofCO2SequestrationLeakageBasedonWebGISandWSN,inGeo-InformaticsinResourceManagementandSustainableEcosystem,F.Bian,etal.,F.Bian,etal.^Editors.2013,SpringerBerlinHeidelberg.p.407-413.

[33]Brisk,P.,etal.,EfficientHardwareBasedSecurityAlgorithmImplementationforWSNMedicalApplications:TheARMORPerspective,inReconfigurableComputing:Architectures,ToolsandApplications,P.Brisk,J.G.deFigueiredoCoutinhoandP.C.Diniz,P.Brisk,J.G.deFigueiredoCoutinhoandP.C.Diniz^Editors.2013,SpringerBerlinHeidelberg.p.233-234.

[34]Kwiecień,A.,etal.,WSNPowerConservationUsingMobileSinkforRoadTrafficMonitoring,inComputerNetworks,A.Kwiecień,P.GajandP.Stera,A.Kwiecień,P.GajandP.Stera^Editors.2013,SpringerBerlinHeidelberg.p.476-484.

[35]Jin,D.,etal.,ANewWSN-BasedRoutingOptimizationinSmartDistributionGrid,inAdvancesinComputerScienceandInformationEngineering,D.JinandS.Lin,D.JinandS.Lin^Editors.2012,SpringerBerlinHeidelberg.p.289-294.[36]Yang,Y.,etal.,AnIlluminationIntensityCollectingSystemofCitrusLeafBasedonWSN,inGreenCommunicationsandNetworks,Y.YangandM.Ma,Y.YangandM.Ma^Editors.2012,SpringerNetherlands.p.1145-1154.[37]Park,J.J.J.H.,etal.,ACentralizedClusterHeadSelectionSchemeforReducingDiscrepancyamongClustersoverWSN,inEmbeddedandMultimediaComputingTechnologyandService,J.J.J.H.Park,etal.,J.J.J.H.Park,etal.^Editors.2012,SpringerNetherlands.p.699-706.[38]Meghanathan,N.,etal.,EfficientPathSelectiontoPropagateDataMessageforOptimizingtheEnergyDissipationinWSN,inAdvancesinComputingandInformationTechnology,N.Meghanathan,D.NagamalaiandN.Chaki,N.Meghanathan,D.NagamalaiandN.Chaki^Editors.2012,SpringerBerlinHeidelberg.p.671-683.[39]Meghanathan,N.,etal.,MERCC:MultipleEventsRoutingwithCongestionControlforWSN,inAdvancesinComputingandInformationTechnology,N.Meghanathan,D.NagamalaiandN.Chaki,N.Meghanathan,D.NagamalaiandN.Chaki^Editors.2012,SpringerBerlinHeidelberg.p.691-698.[40]Wyld,D.C.,etal.,AnAnalyticalModelforPowerControlB-MACProtocolinWSN,inAdvancesinComputerScience,Engineering&Applications,D.C.Wyld,J.ZizkaandD.Nagamalai,D.C.Wyld,J.ZizkaandD.Nagamalai^Editors.2012,SpringerBerlinHeidelberg.p.551-558.[41]Moreno-Díaz,R.,etal.,TheDilemmaofChoiceinManagementofCommunicationProcessesinWSN,inComputerAidedSystemsTheory–EUROCAST2011,R.Moreno-Díaz,F.PichlerandA.Quesada-Arencibia,R.Moreno-Díaz,F.PichlerandA.Quesada-Arencibia^Editors.2012,SpringerBerlinHeidelberg.p.48-55.[42]Zhang,Y.,etal.,RemotelyRun-TimeFPGABasedWSNNode,inFutureComputing,Communication,ControlandManagement,Y.Zhang,Y.Zhang^Editors.2012,SpringerBerlinHeidelberg.p.57-63.[43]Mathew,J.,etal.,EvaluationofWSNProtocolsonaNovelPSoC-BasedSensorNetwork,inEco-friendlyComputingandCommunicationSystems,J.Mathew,etal.,J.Mathew,etal.^Editors.2012,SpringerBerlinHeidelberg.p.39-46.[44]Sirakoulis,G.C.,etal.,ACellularAutomataBasedSchemeforEnergyEfficientFaultDiagnosisinWSN,inCellularAutomata,G.C.SirakoulisandS.Bandini,G.C.SirakoulisandS.Bandini^Editors.2012,SpringerBerlinHeidelberg.p.234-243.[45]Kim,T.,etal.,AStudyonWSNSystemIntegrationforReal-TimeGlobalMonitoring,inSoftwareEngineering,BusinessContinuity,andEducation,T.Kim,etal.,T.Kim,etal.^Editors.2011,SpringerBerlinHeidelberg.p.467-478.[46]Lopelli,E.,J.vanderTangandA.H.M.vanRoermund,ArchitecturesandSynthesizersforUltra-lowPowerFastFrequency-HoppingWSNRadios.AnalogCircuitsandSignalProcessing.2011:SpringerNetherlands.[47]Tan,H.,etal.,FarmlandWaterPotentialSoft-sensingNetworkBasedonWSN,inInformaticsinControl,AutomationandRobotics,H.Tan,H.Tan^Editors.2011,SpringerBerlinHeidelberg.p.147-154.[48]Das,V.V.,etal.,AgentBasedInformationAggregationandRoutinginWSN,inComputerNetworksandInformationTechnologies,V.V.Das,J.StephenandY.Chaba,V.V.Das,J.StephenandY.Chab