无线传感器网络技术论文

时间:2021-06-17 15:00:32 网络工程毕业论文 我要投稿

无线传感器网络技术论文

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无线传感器网络技术论文

  摘要:

  传感器,即能够感受物体属性参数的元器件,这一概念对于普通人来说并不陌生和新鲜,然而随着IT和无线通信技术的快速发展,其测量系统的组成已发展到智能化和网络化。上世纪70年代,是模拟控制和显示器时代,传感器测量参数只能实现所谓的点对点传输,即多个参数的测控需要多个显示/控制器,这样的通信网只能说是传感器测量网络的雏形;80年代采用微处理器串/并接口(RS-232、RS-485等)与传感器连接,而构成具有信息综合处理能力的传感器网络;90年代至21世纪初采用现场总线连接传感器构成局域网,产生有线连接的智能传感器网络;至目前为止无线传感器网络(Wireless Sensor Networks,WSN)已成为业界讨论和研究的热点。它是随着无线通信技术与网络技术、嵌入式计算机技术、分布式信息处理技术等发展,应运而生的。

  时下,物联网(Internet of things,IOT)产业及技术如雨后春笋般蓬勃发展,作为其最底层的最基本的也是最重要的最关键的WSN网络的性能好坏和功能强弱显得尤为突出。应用中,WSN是由众多功能相同或者不同的传感器节点组成,并把它们科学地分布于被监测区域,各节点间自组织形成无线网络(一般多采用Zigbee协议),采用多条链路进行数据传送,最终把各类属性测量数据(如温/湿度、烟雾浓度、物体移动等)汇聚和融合处理后经网关与外网联结,到达用户终端(电脑、手机等),给用户提供安全正常的信息,或者危险的非正常的信息,以便进行及时干预。

  1、对WSN的约束条件及性能要求

  实际应用中各个传感器节点多数是分布于无人区、野外、甚至是军事区和剧毒、易腐蚀、爆炸等恶劣环境中,因此有以下约束限制:

  1)自带电源提供能量,如钮扣电池、蓄电池、太阳能电池等;

  2)安装要隐蔽。要求节点的体积小、外壳设计要防水、防氧化,甚至有抗爆能力;

  3)无线通信距离不能太远,一般限制在几米至几十米,以节省能量。同时在一定范围内能预防监听、恶意路由、病毒攻击等];

  4)自身携带的嵌入式系统功耗要小、速度要快、数据处理能力要强等。基于以上约束条件,有以下关键性能指标要求:

  1)网络的工作寿命。在外壳设计满足环境的要求下,影响寿命的主要因素就是电源供给和能耗。在自身携带电池的情况下,一个平均能耗足够低的WSN网络,能源储备要维持数年才是。WSN中能耗最大的器件是无线接收/发送器,设计时可以降低其工作频率和输出功率、采取间隙工作方式等;

  2)网络覆盖范围。由节点的通信距离和节点数决定,但节点数过多时能耗加大,且数据的采样速率会降低而受到牵制;

  3)网络安全机制。在各个协议层要有保密、点到点消息认证、完整性鉴别、时效性、认证组播和广播等要求;

  4)网络响应时间。多数的WSN对响应时间无严格要求,但在安全监测和工业控制中,该指标显得尤为重要;

  5)测量精度。说到底,WSN其本质仍是一个计算机测量与监督控制系统,在哪些场所对所测的数据精度要求高或者低,是不言自明的。

  2、WSN中的`路由技术

  与传统无线网络不同,WSN的主要任务是传送数据(以数据传送为中心)。路由技术主要负责将数据从源节点通过网络转发至目标节点,每个节点都可以充当路由角色。并起着监控网络拓扑结构变化、建立、维护和删除节点路由的任务。本小节主要阐述WSN的网络拓扑结构和路由技术。

  2.1传感器节点拓扑结构

  WSN的组成包括分布式传感器节点、无线接收/发送器、外部网络和用户终端/接口操作界面。应用中,众多的传感器节点网常以平面和聚类分层拓扑结构进行路由驱动和数据传送。平面结构的拓扑网络适合规模较小的节点网,如家庭、办公室、实验室等场所,其结构简单、容错性好,但是每个节点需要维护庞大的路由记录,在此不再赘述。当网络节点规模较大时,就需要采用聚类分层结构。聚类分层是把同一类型的传感器节点划分为一层,叫做簇。每个簇群中有一个节点称为簇群头,其负责簇群内所有成员所采集信息的收集、融合处理和簇头间的数据转发,起着汇聚节点的作用;在网外,可作为中继或网关与用户终端相连。整个网络由若干簇组成,而各个簇头之间的通信又构成高一级的簇群网络。簇头的产生可以预定,也可以由节点使用分簇算法自动选举产生,以增强网络的容错性。当簇头确定好之后,簇成员的任务就简单了,不需要维护大量的复杂的路由信息,而使网络具有很好的扩展性。

  2.2聚类分层路由技术

  在WSN中,路由协议是基于无线链路连接的,路由的本质是将数据帧由原节点传输至目标节点。结合WSN节点的拓扑结构,路由技术又分为平面和层次两种,也是最常用的。在此主要阐述一下低功耗自适应聚类分级LEACH(lowEn-ergyAdaptiveClusteringHierarchy,IEACH)层次路由协议。其基本方法是采用循环机制,随机选择簇头节点,并将耗能负载平均分配到各个簇群成员中。具体讲,随机选择一个节点做簇头,由该簇头向各传感器节点广播消息,各节点根据其信号的强弱选择是否加入该群(等能量加群,以节省工作能量)。簇群确定好之后,簇头按照TDMA(时分复用)方式给节点成员分配一个时间间隙,此时簇头开始处于睡眠状态,各节点成员在规定的时间间隙如有数据发送请求,可唤醒簇头,以传输数据,当将所有成员数据接收完毕后,再进行数据融合,剔除冗余数据,传输给外网。此过程轮流不断,周而复始。其每一轮都由初始化和稳定工作两个阶段组成。初始化是簇的形成过程,要依据簇头所占的百分比和节点成员数选出簇头。方法是:在同一时间段,抽查任一节点成员随机产生的0~1之间的数据,如果小于阈值T,则选为簇头。

  3、传感器节点硬件组成说明

  WSN应用可分为环境数据采集、安全监测和目标跟踪定位三种类型。无论哪一种应用,其节点硬件均离不开传感器元器件及调理电路、微处理器单元、数据无线接收/发射单元和电源四部分组成。其中,传感器尽量选用集传感、补偿、信号调理及A/D转换等于一体的器件,如DS18B20数字化一线式温度传感器、SHT11数字式温/湿度传感器、ADXL202数字式加速度传感器、EL7900数字式光照度传感器、Ms5534大气压力传感器、BL1785数字化声音传感器、GS-1000数字式位移传感器、AP-C30C数字式压力传感器、HBMC16i数字式称重传感器;微处理器的选择主要考虑低功耗、运行速度快、I/O接口多可扩展,成本低,安全性可靠性好等,另外结构组成上含有多通道A/D转换及同步/异步无线接收发送器等。如ATMEL公司的AVR系列单片机、TI公司的MSP430F14系列单片机等;无线通信也有专门的模块芯片,如TR1000,CC1000、NRF401、CC2530等,其中,CC2530芯片本身还集成有8051单片机和RF射频无线收/发器,是一个真正的片上系统(Soc)。电源模块有室内和室外之分,室内可采用外部稳压电源供电,或者外部与自身携带能源相结合原则,而在偏远的野外一般只能采用自身供电方式,具体不再赘述。

  4、结束语

  WSN其本质上仍是计算机监督测量与控制系统,只不过其应用已从最初的工业控制延伸到其它行业和人们生活当中。WSN的网络体系也是物联网的底层体系组成部分,并且是其最基本的和最主要的组成部分。虽然WSN的研究和发展已有若干年,但到目前,其技术还不很成熟,应用也没有大规模投入。原因无非是成本和技术两方面,技术方面主要是传感器元件种类少、精确度、供电及能耗、节点路由、容错性、安全性、内外网接口及系统维护等,从现阶段来看,这些都不是难事,其应用和普及是可以预见的。再过若干年,WSN及物联网的应用将是人类生活的主要组成部分,就像当今人们离不开手机和电脑一样,人类生活将离不开WSN和物联网。

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