中国地质大学无线传感器网络结课报告剖析.docx

1、中国地质大学无线传感器网络结课报告剖析 中国地质大学（武汉） 无线传感器网络结课报告无线传感器网络的发展 姓 名： 学 号： 班 级： 指导老师：陈分雄第一章 绪论 31.1 引言 31.2背景及主要内容 31.2.1背景 31.2.2主要内容 41.3报告结构 4第二章 无线传感器网络在内国内外的发展及其关键技术 52.1无线传感器网络概述 52.1.1无线传感器网络的产生及其发展 62.1.2无线传感器网络的概念及其结构 82.1.3无线传感器网络的特征分析 102.2无线传感器网络与Ad Hoc网络的比较 102.3国内外研究现状 122.3.1 uAMPS项目 122.3.2 LEAC

2、H项目 132.3.3 SensoNet项目 132.3.4 SmartDust项目 142.3.5 WINS项目 142.3.6 sensor web。项目 142.4无线传感器网络的体系结构及其关键技术 162.4.1无线传感器网络的组织结构 162.4.2分层的网络通信协议 172.4.3无线传感器网络管理技术 172.4.4应用支撑技术 182.4.5其它研究热点 192.5本章小节 20参考文献 20第1章 绪论1.1 引言 无线传感器网络(WSN Wireless Sensor Network)是由多个节点组成的面向任务的无线网络，它综合了传感器技术、嵌入式计算技术、现代网络及无线

3、通信技术、分布式信息处理技术等多种领域技术，通过各类微型传感器对目标信息进行实时监测，由嵌入式计算资源对信息进行处理，并通过无线通信网络将信息传送至远程用户。这一技术具有十分广阔的应用前景，在军事国防、工农业控制、城市管理、生物医疗、环境监测、抢险救灾、防恐反恐、危险区域远程控制等许多领域都有重要的科研价值和实用价值。 无线传感器网络是新兴的下一代传感器网络，最早的代表性论述出现在1999年，题为传感器走向无线时代。随后在美国的移动计算和网络国际会议上，提出了无线传感器网络是下一个世纪面临的发展机遇的观点(原文:The wireless sensor network is a rising n

4、ext generation network. The emergence and development of wireless sensor network technologies are overviewedo)。2003年，美国技术评论杂志论述“十种新兴技术将改变世界”时，无线传感器网络被列为第一项新兴技术。同年，美国商业周刊未来技术专版，论述四大新技术时，无线传感器网络也列入其中。美国今日防务杂志更认为无线传感器网络的应用和发展，将引起一场划时代的军事技术革命和未来战争的变革。1.2背景及主要内容 无线传感器网络具有广阔的应用前景，已经引起了许多国家军事界、学术界和工业界的高度重视

5、，并成为进入2000年以来公认的新兴前沿热点研究领域。传感器网络在基础理论和工程技术两个层面都提出了大量的挑战性研究课题。1.2.1背景 本文结合合肥市科研计划项目“矿井机车运输安全保障与监控系统”和合肥工业大学2005 - 2006学年学生创新基金资助项目(项目编号:XS05006 )进行选题。 介绍了无线传感器网络在国内外的研究现状，从体系结构的角度阐述了无线传感器网络的关键技术，给出了无线传感器网络的设计步骤，结合具体课题的研究提出了一个无线传感器网络及其网络节点的设计方案，并通过应用实例进行了验证。1.2.2主要内容 (1)嵌入式实时监控系统的原理和架构研究 由于WSN的节点是典型的嵌

6、入式实时监控系统，通过对无线通信节点的研发，深入地研究嵌入式实时测控系统的原理和实现架构研究并进行了测控系统的误差分析，可靠性方面的研究。 (2)无线通信技术的研究与应用 由于无线自组织网络的性能要求，各个节点之间必需采用可靠性高，组网能力强的无线通信方式。在比较了多种无线通信技术之后，项目组认为IEEE802.15.4/ZigBee协议充分考虑了WSN应用的需求，是一种适合的无线通信协议;主要适合于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备中，同时支持地理定位功能。 (3)嵌入式系统的自组网协议的研究WSN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。WSN的集中式结构类似移动通信的

7、蜂窝结构，集中管理;WSN的分布式结构，类似Ad Hoc网络结构，可自组织网络接入连接，分布管理;WSN的网状式结构，类似Mesh网络结构，网状分布连接和管理。典型的WSN中无线传感器节点经过多跳转发，通过网关接入网络，在网络的任务管理节点对传感信息进行管理、分类、处理，再把传感信息送给应用用户使用。研究和开发有效的实用的WSN结构，为构建W SN奠定技术基础，是十分重要的。1.3报告结构 本文在分析嵌入式系统以及WSN的基础上，详细阐述了WSN实验网络设计和实现，并对系统设计中的关键问题进行了深入的分析与研究。论文的章节内容安排如下:第一章为绪论，主要介绍了WSN的定义和应用以及论文背景与文

8、章的组织结构。第二章介绍了无线传感器网络在国内外的研究现状及其关键技术，主要包括:起源、发展、原理和特点，比较说明了WSN与AdHoc网络的区别，还着重针对WSN的体系结构进行了论证。第二章 无线传感器网络在内国内外的发展及其关键技术简单地说，无线传感器网络就是由许多集传感与驱动控制能力、计算能力、通信能力于一身的资源受限(指计算、存储和能源方面的限制)的嵌入式节点l通过无线方式互连起来的网络。无线传感器网络涉及传感器技术、嵌入式计算技术、通信技术和半导体与微机电系统制造技术，并且强调资源受限制;因此，相对其它的集成系统有更多的难题。本章介绍了无线传感器网络的起源、发展，分析了其结构和特征，将

9、无线传感器网络与Ad Hoc网络进行了比较，从研究无线传感器网络的体系机构入手分析了无线传感器网络的关键技术。2.1无线传感器网络概述无线传感器网络是指在特定应用环境中布置的传感器节点以无线通信方式组织成网络，传感器节点完成指定的数据采集工作，节点通过无线传感器网络将数据发送到网络中，并最终由特定的应用接收。传感器节点集成传感器件、数据处理单元和通信模块，并通过自组织的方式构成网络。借助于传感器节点中内置的形式多样的传感器件，可以测量所在周边环境的热、红外、声纳、雷达和地震波等信号，从而探测包括温度、湿度、噪声、光强度、压力、土壤成份、移动物体的大小、速度和方向等等众多我们感兴趣的物质现象。无

10、线传感器网络是一种全新的信息获取和信息处理模式2。图2.1一个典型的无线传感器网络的结构 图2.1给出了一个典型的无线传感器网络的结构。这个网络由传感器节点、sink(接收发送器)节点、Internet、任务管理节点等部分构成3。传感器节点散布在指定的感知区域内，每个节点都可以收集数据，并通过多跳”路由方式把数据传送到Sinko Sink也可以用同样的方式将信息发送给各节点。Sink直接与Internet相连，通过Internet实现任务管理节点(即观察者)与传感器之间的通信。2.1.1无线传感器网络的产生及其发展 随着传感器技术、嵌入式计算技术、通信技术和半导体与微机电系统(MEMS Mic

11、ro-Electro-Mechanical Systems)制造技术的飞速发展，具有感知、计算、存储和通信能力的微型传感器开始出现在军事、工业、农业和宇航各个领域。 虽然有线传输数据有它的优点，但在有些场合，使用电缆传输传感器信息是不方便的。近年来，随着无线网络技术的发展，人们开始将无线网络技术与传感器技术结合起来，提出了无线网络传感器的概念。无线网络传感器不仅仅可以应用于Internet接入、Internet互连等，还可以适用于有线接入方式所不能胜任的场合，以提供优质的数据传输服务。随着无线网络传感器的发展，又诞生了无线传感器网络这一具有广泛应用前景的前沿研究方向。 无线传感器网络通过无线通

12、讯的方式，将各个传感器连接成网络，并且与计算机相连。将传感器采集的数据无线传送到计算机中，甚至通过计算机传送到Internet上去，实现数据共享和远程监控。 例如，在工厂巨大的设备间、低速长距离的通信要求和危险的工业环境，无线传感器网络技术为它们提供了最好的方案;军事上，对敌方阵地的监视，无线传感器网络将最大限度的降低成本，减少伤亡;地质水文勘测上，无线传感器网络更是可以代替人，对危险或陌生的环境进行勘探。 无线网络除能传输语音信息外，还能顺利地进行图像和视频等多种媒体的传输。由这些微型传感器构成的无线传感器网络能够实时监测、感知和采集网络分布区域内的各种监测对象信息，并对这些信息进行处理，传

13、送给需要这些信息的用户。无线传感器网络在军事侦察、环境信息检测、农业生产、医疗健康监护、建筑与家居、工业生产控制以及商业等领域有着广阔的应用前景。 由于无线传感器网络的巨大应用价值，它已经引起了世界许多国家的极大关注。自2000年起，国际上陆续出现了一些有关无线传感器网络研究结果的报道，美国自然科学基金委员会2003年制定了传感器网络研究计划，支持相关基础理论的研究。美国国防部和各军事部门都对无线传感器网络给予了高度重视，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传感器网络研究项目。 美国英特尔公司、微软公司等信息业巨头也开始了无线传感器网络方面的研究工作。日本、德国、英国、意大利等

14、科技发达国家也对无线传感器网络表现出了极大的兴趣，纷纷展开了该领域的研究工作。国外的许多大学和研究机构纷纷投入了大量研发力量从事无线传感器网络软硬件系统的研究工作，最具代表性的是美国加州大学伯克利分校 ( UC/Berkeley)和英特尔公司(Intel)联合成立的“智能尘埃(Smart Dust)”实验室“，它的目标是为美国军方提供能够在一立方毫米的体积内自治地完成感知和通信功能的设备原型系统(Autonomous sensing and communication in a cubicmillimeter )，也就是无线传感器网络节点的研制。这项工作从1998年开始到2001年结束，受到T

15、美国国防预先研究计划局(DARPA: The Defense AdvancedResearch Projects Agency)的支持。在随后的几年里，加州大学伯克利分校有多个实验室开始了关于无线传感器网络及其相关工作，如:NEST(NetworkEmbedded Systems Technology)b, WEBS(Wireless Embedded system)0, BARWAN(Bay Area Research Wireless Access Network) d、BWRC(Berkeley WirelessResearch Center)e等实验室，从不同的角度对无线传感器网络进行

16、了大量具有开创性的研究。 在美国，还有很多大学在无线传感器网络方面开展了大量工作。如加州大学洛杉矶分校(UCLA)的CENS ( Center for Embedded Networked Sensing)实验室f, WINS(Wireless Integrated Network Sensors)实验室g, NESL C Networked andEmbedded Systems Laboratory)实验室, LECS ( Laboratory for EmbeddedCollaborative Systems)实验室、IRL ( Internet Research Lab )等。 还有，

17、麻省理工学院(MIT)获得了ARPA的支持，从事着极低功耗的无线传感器网络方面的研究，被业界广泛关注的SPIN ( Sensor Protocols forInformation via Negotiation)协议也是出自MITk;奥本大学(Auburn University )也获得DARPA支持，从事了大量关于自组织无线传感器网络方面的研究，并完成了一些实验系统的研制，宾汉顿大学(Binghamton University)计算机系统研究实验室在移动自组织网络协议、无线传感器网络系统的应用层设计等方面做了很多研究工作m;州立克利夫兰大学(俄亥俄州)(Cleveland StateUniv

18、ersity, Ohio-CSU Ohio)的移动计算实验室在基于IP的移动网络和自组织网络方面结合无线传感器网络技术进行了研究”。 另外，北亚利桑那大学(Northern Arizona University)的无线网络研究实验室(Wireless Network Research Lab, WNRL )“、莱斯大学(Rice University )多媒体通信实验室的无线个人局域网工作组P、斯坦福(Stanford)大学的无线传感器网络实验室“、新泽西(New Jersey)州立大学的无线传感器网络实验室r伊利诺伊大学厄本那一香槟分校(UIUC)的TIMELY实验室、南加州大学的RESL

19、( The Robotic Embedded Systems Laboratory)实验室、佛蒙特大学(University of Vermont)的无线自组织网络实验室“、西密西根大学(WesternMichigan University)的无线传感器网络实验室v也都开展了大量的相关研究工作。 此外新加坡国立大学(NUS)的无线传感器网络实验室w等也有关于无线传感器网络方面的研究。 国内在无线传感器网络领域的研究也已经在很多研究所和高校展开。 中科院上海微系统所x凭借其在微系统和微机电系统技术方面良好的基础，从1998年开始就对无线传感器网络进行了跟踪和研究，已经通过系统集成的方式完成了一些

20、终端节点和基站的研发。他们的很多工作都是与CDMA和GPS技术相关，从某种程度上说已经超越了无线传感器网络技术。 中科院电子所和沈阳自动化所也分别从传感器技术和控制技术角度入手开展工作，他们专注于传感或控制执行部分，对上层的通信技术和核心微处理器部分涉及较少。 浙江大学现代控制工程研究所成立了“无线传感器网络控制实验室”Y，联合相关单位专门从事面向无线传感器网络的分布自治系统关键技术及协调控制理论方面的研究。 山东省科学院z于2004年10月正式启动了关于无线传感器网络节点操作系统的研究。另外中科院软件所、中科院自动化所、国防科技大学、清华大学、中国科学技术大学、哈尔滨工业大学、北京邮电大学、

21、山东大学、东南大学等单位在无线传感器网络方面也都开展了一定的研究工作。从研究问题的深度和投入的科研力量来说，国内的水平相对国外还有差距，在点上的研究较多，缺少对整个系统的创新性研究。2.1.2无线传感器网络的概念及其结构现代信息技术的三大基础是传感器技术、通信技术和计算机技术，它们分别完成信息的采集、传输和处理，构成了信息系统的“感官”、“神经”和“大脑”。这三大技术的结合极大地促进了信息化的进程。如图2.2所示，无线传感器网络正是这三大技术结合的产物。图2.2 WSN是传感、通信和计算技术相结合的产物 无线传感器网络就是由大量的能与物理环境进行交互，同时具有数据处理功能和无线通信功能的新型传

22、感器构成的互连的系统4，该系统可以完成复杂的监控任务。这里说的传感器，并不是传统意义上的单纯的对物理信号进行感知并转化为数字信号的传感器，它将传感器模块、数据处理模块和无线通信模块集成在一块很小的物理单元上，功能比传统的传感器增强了许多，不仅能够对环境信息进行感知，而且具有数据处理及无线通信的功能。将这类传感器节点分散在某个环境里，通过无线通信方式进行连接，它们从整体上构成一种特殊的网络。每个节点都有自己控制的一个区域，通过感知设备，如声学光学设备、化学分析装置、电磁感应装置等，来对它周围的物理环境进行监控，当然也可以通过配置一些功能单元来实现特定的与环境交互的功能。图2.3典型的WSN结构图

23、 图2.3是无线传感器网络在大鸭岛上进行无线网络实验的实例图。 美国缅因州大鸭岛(Great Duck island)是世界上最大的海燕繁殖地，2002年夏季，研究人员在岛上的许多海燕巢穴内安置了一种被称作“微粒”的小型监控器，观察海燕的活动，这是世界上最先进的无线网络实验基地之一。监控器能监控光、湿度、压力和温度等参数，包括微处理器、存贮器、传感器和无线收发模块，功率大小刚好能够接收到相邻“微粒”的信息，并可将信息发送给相邻的另一个“微粒”。 这不只是鸟类信息智能收集器中的最新装置。这些“尘埃”还预展着一个到处是以电池为电源的无线传感器网络的未来，这些传感器监控我们的环境、机器甚至我们自己。

24、2.1.3无线传感器网络的特征分析 无线传感器网络是随机分布的集成有传感器、数据处理单元和通信单元的微小节点，通过自组织的方式构成的无线网络5。无线传感器网络的特点如下: (1)网络规模大: 传感器节点分布在很大的地理区域内，这里是指网络的覆盖范围很大;并且，部署密集，在单位面积内部署了大量的传感器节点。 (2)动态性网络: 网络的拓扑结构可能因为很多因素的改变而变化。比如，环境因素，新节点的加入或已有节点失效等。 (3)自组织网络: 无线传感器网络的动态性，要求传感器节点需要具有自组织的能力，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能够转发数据的多跳无线网络系统。 (4)以

25、数据为中心的网络: 在目前的互联网中，网络设备用网络中唯一的IP地址来标识，资源定位和信息传输依赖于终端，路由器，服务器等网络设备的IP地址。如果想访问互联网中的资源，首先要知道存放资源的服务器IP地址。可以说目前的互联网是一个以地址为中心的网络。但是，在无线传感器网络中，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。用户使用无线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。因此说无线传感器网络是一个以数据为中心的网络。2.2无线传感器网络与Ad Hoc网络的比较 Ad Hoc网络是由一组带有无线

26、收发装置的移动终端组成的一个多跳的临时性自治系统6。这种网络中的移动终端具有路由和报文转发功能，可以通过无线连接构成任意的网络拓扑结构。在Ad Hoc网络中，由于终端的无线传输范围有限，两个无法直接通信的终端节点往往会通过多个中间节点的转发来实现通信，所以节点间的路由通常由多跳组成。Ad Hoc网络作为一种特殊的多跳移动网络，有着广泛的应用。它特别适合于战场通信，抢险救灾和公共集会等突发性，临时性场合。只有在当需要它的时候，它才被临时搭建，所以说它具有临时性。Ad Hoc网络的特点如下: (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

27、件基础网络设施(如交换机、路由器、卫星等)的支持，快速构建起一个移动通信网络。 (2)动态变化的网络拓扑结构: 在Ad Hoc网络中，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7。 (3)有限的无线通信带宽: 这种网络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8。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。 (4)有限的主机能源: Ad Ho。网络中主机可能处在不停的移动状态下，主机的能源主

28、要由电池提供，因此Ad Ho。网络有能源有限的特点。 (5)网络的分布式特性: 在Ad Hoc网络中没有中心控制节点，主机通过分布式协议互联9。 从上面的分析我们可以看出Ad Hoc网络和无线传感器网络有很多方面的相似。例如，它们都需要无线通信技术的支撑，都是由节点组成，都具有动态的网络拓扑结构，都具有自组织的特性等。但是两者也有差别，对比如下: (1)网络规模: 无线传感器网络是集成了监测，控制以及无线通信的网络系统，这种网络中的节点数量和分布密度远远超过以往Ad Hoc网络;无线传感器网络的大规模性具有如下的优点:大量节点能够增大覆盖的区域范围;可以提高监测的精确度，降低对单个传感器节点的

29、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。同时，传感器数量大、分布广的特点使得这种网络的维护十分困难甚至不可维护5,10。 (2)节点可靠性 无线传感器网络中的传感器节点经常会由于周围环境影响或电源耗尽等原因而失效，由于环境或其它原因，人为地维护或替换失效传感器常常是十分困难或不可能的。因此无线传感器网络中的节点更容易发生故障。 (3)节点的移动性 通常情况下，大部分无线传感器网络中节点是固定不动的。而在Ad Hoc网络中，节点均是一些移动设备，如PDA、便携计算机或掌上电脑，这些主机可以在网中随意移动。所以说，无线传感器网络中的节点不像Ad Ho。中的节点一样快速移动。 (4

30、)节点的能力不同传感器的节点在能量，运算能力，存储等方面受到极大的限制。传感器节点的体积微小，通常只能携带能量十分有限的电池。另外，传感器节点都具有嵌入式处理器和存储器.使得这些节点都具有一定的计算能力，可以完成一些信息处理工作。但是，由于嵌入式处理器和存储器的能力和容量有限，以至于传感器的能力十分有限，远不如Ad Hoc网络中的节点功能强大5,11。 (5)节点间的通信方式传感器节点主要采用广播方式通信，而Ad Hoc网络大都采用点对点方式通信。Ad Hoc网络中所有节点的地位平等，组成了一个对等式网络，其中的节点可以随时加入和离开网络，任意节点的故障不会影响整个网络的运行2.6。 (6)节

31、点的标识 当用户使用无线传感器网络时，所关心的是最后网络返回的相关事件的数据信息。而不是具体的哪个节点。而且节点的数目极大，因此无线传感器节点不一定具有全球唯一的标识。 (7)网络的功能不同 无线传感器网络的目的就是有效地获取信息，因此从网络的设计上就要求它以数据为中心，以信息的获取为目的。而Ad Hoc网络的目的是通过动态路由和移动管理技术传输具有服务质量要求的多媒体信息流122.3国内外研究现状目前国内外已经出现了许多种网络节点的设计，它们在实现原理上是相似的，只是分别采用了不同的微处理器或者不同的通信或协议方式，比如采用自定义协议、802.11协议、ZigBee协议、蓝牙协议以及UWB通

32、信方式等。典型的节点包括Berkeley Motes, Sensoria WINS, Berkeley Piconodes,MIT uAMPs,SmartMesh Dust mote, Intel iMote以及Intel XScale nodes, ICTCAS/HKUST的BUDS等。如图2.4所示传感器节点产品15。图2.4传感器节点产品2.3.1 uAMPS项目 uAMPS(http:/www-mtl.mit.edu/researchlicsystems/uamps/它是MIT(麻省理工学院)的关于无线传感器网络的一个研究项目。在过去的几年里，低功耗的无线传感器系统取得了在商业和军事领域非常重要的应用，从安全设备、医疗监控到机器诊断和生化检测。无线传感器网络极大地改进了对环境的监控。 该项目的目标