无线传感毕业设计论文.docx

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无线传感毕业设计论文

摘要

无线传感器网络是集成了传感器技术、微电子技术、无线通信技术而形成的全新的信息获取和处理技术，能够协作地实时感知、采集和处理网络覆盖区域内被监测对象的信息。

无线传感器网络在军事、医疗、工业、环境监测等方面都有着巨大的应用价值，已成为计算机科学领域的一个活跃的研究分支。

目前虽然已经取得了一定的研究成果，但是在一些关键技术上，仍然存在着许多问题需要解决。

本文针对如何在无线传感器网络中应用数据融合技术节省网络能量进行研究。

本文介绍了应用在无线传感器网络中的数据融合技术的概念、特点和研究现状。

并由浅入深的讨论了，在基于事件驱动的网络环境下，应用数据融合技术的方法。

针对由单一事件驱动的网络环境，本文提出了一种求图中心点的分布式算法，并以此为基础，提出了基于事件驱动的中心点融合算法。

详细介绍了寻找中心点和建立融合树的过程，分析了网络密度和事件相对汇聚节点位置对节能效果的影响。

与最短路路由算法进行比较，从数学推导和程序仿真两方面验证中心点融合算法的有效性。

针对多个互斥事件同时驱动的情况，本文引入群组意识网络结构的概念，改进中心点融合算法中建立融合树部分的算法。

并利用弱势父节点和强势父节点的概念为子节点选择更“优”的父亲节点，达到节省网络能量的目的。

关键词：

无线传感器网络；数据融合；事件驱动

Abstract

Thewirelesssensornetwork,whichisintegrationofsensortechniques,MEMStechniquesandwirelesscommunicationtechniques,isaninnovativetechniqueofinformationacquisitionandprocessing.Itcansense,collectandprocessinformationofmonitoredobjectinthecoveredplace.Duetoitswideapplicationinmilitary,medical,industrialandenvironmentmonitoring,ithasalreadybecomeoneoftheactiveresearchbranchesofcomputerscience.Afewachievementshavebeenacquired,butonsomekeytechniques,therearealsoalotofproblemsinneedofresolution.Thispapermakesresearchonhowtouseaggregationtechniquetosaveenergyinwirelesssensornetwork.

Thispaperintroducestheconception,characteristicandactualresearchofaggregationinWSN.Anddiscussthemethodofhowtouseaggregationtechniquebasedontheeventdrivennetworksstepbystep.

Inallusiontothesingleeventdrivennetworks,thispaperresearchesonaggregationstrategyinwirelesssensornetworks,proposeadistributedmethodforfinding,thecenterofagraphandproposeacenteraggregationalgorithmthatbasedonthisdistributedmethod.Itintroducestheprocessoffindingcenterandbuildingaggregationtree,analyzestheimpactofnetworkdensityandtherelativelydistancebetweentheeventandthesinkonenergysaving.Comparedwiththeshortestpathalgorithm,provethevalidityofthecenteraggregationfrombothmathematicsconsequenceandprogramemulator.

Inallusiontotheconditionthatsomemutuallyexclusiveeventsdrivenatsametime,thispaperintroducetheconceptionofGroup-AwareNetworkConfigurationtoimprovethealgorithmofBuildingAggregationTree,whichinthecenteraggregationalgorithm.Andtrytoutilizetheconceptofweakfather-nodeandstrongfather-nodetoswitcha"better"parent,forsaving,energy.

Keywords:

WirelessSensorNetwork;dataaggregation;eventdriven

1绪论

1.1课题背景

随着计算机技术和通信网络技术的迅速发展和应用，普适计算在经济、军事和生活等领域具有越来越重要的应用价值，日益引起了人们的广泛关注。

而微机电系统、无线通信技术、微型传感器技术和嵌入式技术的发展，又促使技术高度结合引起一场信息获取和处理领域的革命，于是集数据采集、处理和通信功能于一体的无线传感器网络产生了，无线传感器网络在工业、农业、军事、环境、医疗甚至家用、交通等领域具有广泛的应用，逐渐成为当前信息科学领域中研究的热点。

无线传感器因为其巨大应用前景，受到国内外研究机构的广泛关注。

在美国自然科学基金委员会的推动下，加州大学伯克利分校、麻省理工学院、康奈尔大学、加州大学洛杉矶分校等著名院校都在进行传感器网络基础理论和关键技术的研究。

典型的项目包括UCLA的WINS（WirelessIntegratedNetworkSensors），DARPA的SensorIT（SensorInformationTechnology），UCBerkeley的SmartDust（“智能灰尘”计划），MIT的AMPS（micro-AdaptiveMulti-domainPower-awareSensors）和针对多媒体应用的WSN。

2003年2月份的美国《技术评论》杂志评出对世界产生深远影响的十大新兴技术，无线传感器网络技术被列为第一。

2003年8月25日出版的美国《商业周刊》杂志在其“未来技术专版”发表文章指出：

效用计算、传感器网络、塑料电子学和仿生人体器官是全球未来的四大高技术产业，他们将引领新的产业浪潮。

在不久的将来，无线传感器网络的广泛应用是一种必然趋势，它的出现将给人类社会带来极大的变革。

无线传感器网络的一个重要特性就是其路由的多跳性，传感器节点间协作的处理数据，如何有效的利用传感器节点有限的能量来满足整个网络的应用需要是传感器网络需要解决的首要问题。

对于以数据为中心的无线传感器网络，可以采用网内数据处理（In-networkprocessing）技术，例如数据融合技术（dataaggregation或datafusion）。

首先，由于同一区域内的节点发送的数据具有很大的冗余性，中间节点需要对这些数据进行数据融合，只转发有用的信息，减少数据冗余度，无线传感器网内数据融合可以达到减少网络内的数据传输量,达到减少能源的消耗,延长网络生命期的目的。

其次，通过数据融合可以获得更准确的信息。

仅仅收集少数几个分散的传感器节点的数据较难确保信息的正确性，需要通过对监测同一对象的多个传感器所采集的数据进行综合，来有效地提高所获得信息的精确度和可信度。

再次，数据融合技术有利于提高数据收集效率.数据汇聚减少了需要传输的数据量，因此可以减轻网络的传输拥塞，降低数据的传输时延，另外，通过对多个数据分组进行合并，减少了数据分组的个数，从而减少了传输中的冲突现象，提高了无线信道利用率。

当前，无线传感器网络中关于数据融合技术的研究主要涉及两个方面。

一个方面就是对数据融合算法本身的研究，这一领域的研究与应用密切相关，包括对温度、湿度的统计汇聚以及图像融合、信息融合、决策融合等。

例如，在森林防火应用中，可以通过数据汇聚检测最高温度；在目标识别应用中，可以通过对各个节点所拍摄图像的融合得到观测目标的全貌。

另一个方面是对数据融合支撑技术的研究，例如基于数据汇聚的路由技术、数据存储技术等，这一领域的研究虽然与具体应用无关，但对在无线传感器网络中更加有效地采用数据融合技术具有指导意义。

由于无线传感器网络的不断广泛应用，无线传感器网络QoS机制受到越来越广泛的关注，但由于无线传感器网络以数据为中心的特性及高度受限的资源，其QoS机制和传统网络的QoS机制有很大的差别。

在传统网络中，一个支持QoS网络环境的主要目标。

是保证特定等级或类别的业务流得到与其对应的、可预测的传输服务，其服务等级可以分为尽力而为的服务、区分服务和保证服务等三种。

在无线传感器网络中，由于不可预测的边缘到边缘的行为，无法为业务提供可预侧的传输服务，因此无线传感器网络的QoS是建立在尽力而为的、不可靠的数据传输的基础上的，但并不是排斥基于业务（任务）流的优先级的表达方式。

1.2研究目的及意义

随着微电子技术、通信技术和传感器技术的发展，使得能够在微小传感器内集成信息采集、数据处理和无线通信等多种功能。

传感器网络就是由大量的微型低功耗的传感器节点组成的网络系统，每个传感器节点具有数据采集、简单的数据处理、短距离无线通信和自动组网的能力。

与无线自组网、蜂窝等无线网络相比，无线传感器网络有如下主要要求：

第一，能量高效：

传感器节点通常由能量十分有限的微小电池通电，由于传感器节点个数多、价格低廉、分布广且环境较复杂，传感器节点更换电池或充电非常困难，或者没有必要，因此传感器网络存在着严重的节点能量约束问题；第二，自组织：

大量传感器节点随机放置，甚至通过飞机撒播，如战场、地震或火灾现场等，传感器节点要能够自动形成网络系统，在有些应用中还要支持传感器节点的移动；第三，可扩展性：

传感器网络的节点数目可能上千甚至上万，节点能量耗尽或环境因素容易造成节点失效，节点失效或环境干扰使得传感器网络拓扑结构动态变化，因此，传感器网络应该具有可扩展性。

无线传感器网络的基本功能是收集并返回传感器节点所在监测区域的信息，然而传感器网络节点的资源非常有限，主要体现在电池能量、处理能力、存储容量以及通信带宽等几个方面。

在收集信息的过程中采用各个节点单独传送数据到融合节点的方法是不合适的，主要有以下两个原因：

（1）浪费通信带宽和能量：

在覆盖度较高的传感器网络中，邻近节点报告的信息存在相关性，各个节点单独传送数据会浪费通信带宽；同时传输大量数据会使整个网络消耗过多的能量，缩短网络的生存时间。

（2）降低信息收集的效率：

多个节点同时传送数据会增加数据链路层的调度难度，造成频繁的冲突碰撞，降低了通信效率，从而影响信息收集的及时性。

为了避免上面所述问题，无线传感器网络在收集数据的过程中需要采用数据融合技术。

Sink在从各个传感器节点收集数据的过程中，利用节点的本地计算和存储能力处理数据，进行数据融合操作，尽量减小传输量，从而达到节省能量的目的。

此外由于单一的传感器节点采集的数据具有不可靠性，传感器网络也需要采用数据融合技术对多份数据进行综合处理，提高信息的准确度。

由此可见，如何有效利用节点的有限能量是传感器网络设计中的重要问题，而减少网络中的数据传输量是降低节点消耗的有效手段之一。

由于每个传感器的监测范围及可靠性是有限的，在放置传感器节点时，必须使传感器节点的监测范围互相交叠，以增强整个所能获得的信息的鲁棒性和准确性。

这样，传感器节点所采集到的数据就存在一定的冗余性。

在各个节点将监测数据多跳路由传送给收集数据的sink节点（或称基站）的路径中，需要对数据进行融合处理以减少冗余信息。

无线传感器网络中数据融合的作用是减少通信量，减轻网络拥塞，提高信息的精确度。

即删除冗余、无效和可信度较差的数据，同时将来自不同节点的信息结合起来进行融合处理，达到减少网络数据传输的数据量的目的，从而有效的节省能量，延长网络寿命。

1.3国内外无线传感器网络的研究现状

传感器技术是一项当今世界令人瞩目的迅猛发展起来的高新技术之一，也是当代科学技术发展的一个重要标志，它与通信技术、计算机技术构成信息产业的三大支柱之一。

传感器是新技术革命和信息社会的重要技术基础，是现代科技的开路先锋，美国早在80年代就声称世界己进入传感器时代，日本则把传感器技术列为十大技术之创立。

日本工商界人士声称“支配了传感器技术就能够支配新时代”。

世界技术发达国家对开发传感器技术部十分重视。

美、日、英、法、德和独联体等国都把传感器技术列为国家重点开发关键技术之一。

美国国家长期安全和经济繁荣至关重要的22项技术中有6项与传感器信息处理技术直接相关。

关于保护美国武器系统质量优势至关重要的关键技术，其中8项为无源传感器。

美国空军2000年举出巧项有助于提高21世纪空军能力关键技术，传感器技术名列第二。

日本对开发和利用传感器技术相当重视并列为国家重点发展6大核心技术之一。

日本科学技术厅制定的90年代重点科研项目中有70个重点课题，其中有18项是与传感器技术密切相关。

美国早在80年代初就成立了国家技术小组（BTG），帮助政府组织和领导各大公司与国家企事业部门的传感器技术开发工作。

目前世界上从事传感器研制生产单位已增到5000余家。

美国、欧洲、俄罗斯各自从事传感器研究和生产厂家1000余家，日本有800余家。

从21世纪开始，传感器网络引起了学术界，军界和工业界的极大关注，美国和欧洲相继启动了许多关于无线传感器网络的研究计划。

特别是美国通过国家自然基金委，国防部等多种渠道投入巨资支持传感器网络技术的研究。

（l）在军事领域

美国国防部和各军事部门较早启动传感器网络的研究，在C4ISR的基础上提出了C4SR计划，强调战场情报的获取能力，信息的综合能力和信息的利用能力，把传感器网络作为一个重要研究领域，设立了一系列军事传感器网络研究项目。

美国陆军2001年就提出了“灵巧传感器网络通信”计划，在2001-2005财政年度期间批准实施。

其基本思想是:

在战场上布设大量的传感器以收集和传输信息，并对相关原始数据进行过滤，然后再把那些重要的信息传送到各数据融合中心，将大量的信息集成为一幅战场全景图。

当参战人员需要时可分发给他们，使其对战场态势的感知能力大大提高。

美国陆军近期又确立了“无人值守地面传感器群”项目，其主要目标是使基层部队指挥员根据需要能够将传感器灵活部署到任何区域。

美国陆军还确立了“战场环境侦查与监视系统”项目，该系统是一个智能化传感器网络，可以更为详尽准确地探测到精确信息。

例如登陆作战中地方暗滩的翔实地理特征信息，丛林地带的地面坚硬度和干湿度等信息，为更准确地制定战斗行动方案提供情报依据。

它通过“数字化路标”作为传输工具，为各作战平台与单位提供各自所需的情报服务，使情报侦察与获取能力产生质的飞跃。

美国海军最近确立了“传感器组网系统”研究项目。

传感器组网系统的核心是一套实时数据库管理系统，利用现有的通信机制对从战术级的传感器信息进行管理，管理工作只需一台专用的商用便携机，无需其他专用设备。

该系统以现有的带宽进行通信，并可协调来自地面和空中监视传感器以及太空监视设备的信息，该系统能够部署到各级指挥单位。

美国海军最近开展的协同交战能力（CEC）是一项革命性的技术。

CEC的实质就是把高性能传感器网络与高性能交战网络有机地结合起来。

高效的传感器网络能快速生成交战质量的态势信息，交战网络则可把这一态势信息转化成更高的作战信息。

CEC传感器网络的感知数据来源于雷达，通过舰船或飞机战斗群携带的处理器进行感知数据的处理。

每艘战船不但通过自己的雷达，而且还从其他战船或者装载CEC的战机来获取数据。

例如，一艘战船除了从自己的雷达获取数据以外，还从舰船战斗群的20个以上的雷达来获取数据，也可以从鸟瞰战场的战机上获取数据。

空中传感器负责侦查更大范围的低空目标，这些传感器也是网络中重要的一部分。

CEC可以从多方面探测目标，极大地提高测量精度和击中目标的概率。

CEC还可以快速而准确地跟踪混乱战争环境中的敌机和导弹，使战船可以击中多个地平线或地平线以上近海面飞行的超声波目标Is。

2002年5月，美国Sandia国家实验室与美国能源部合作，共同研究能够尽早发现以地铁，车站等场所所为目标的生化武器袭击，并及时采取防范对策的系统。

它属于美国能源部恐怖对策项目的重要一环。

该系统集检测有毒气体的化学传感器和网络技术于一体。

安装在车站的传感器一旦检测到某种有害物质，就会自动向管理中心通报，自动进行引导旅客避难的广播，并封锁有关入口等。

该系统除了能够在专用管理中心进行监视以外，还可以通过Internet进行远程监视。

（2）民用领域

美国交通部1995年提出了“国家智能交通系统项目规划”，预计到2025年全面投入使用。

该计划试图有效集成先进的信息技术，数据通信技术，传感器技术，控制技术及计算机处理技术并运用于整个地面交通管理，建立一个大范围全方位的实时高效的综合交通运输管理系统。

这种新型系统将有效地使用传感器网络进行交通管理，不仅可以使汽车按照一定的速度行驶，前后车辆自动保持一定的距离，而且还可以提供有关道路堵塞的最新消息，推荐最佳行车路线以及提醒驾驶员避免交通事故等。

由于该系统将应用大量传感器与各种车辆保持联系，人们可以利用计算机来监视每一辆汽车的运行状况，如制动质量，发动机调速时间等。

根据具体情况自动进行调整，使车辆保持在高效低耗的最佳运行状态，并就潜在的故障发出警告，或直接与事故抢救中心取得联系。

英特尔公司在2002年10月24日发布了“基于微型传感器网络的新型计算发展规划”。

计划宣称，英特尔将致力于卫星传感器网络在预防医学，环境监测，森林灭火乃至海底板块调查，行星探查等领域的应用。

实现该计划需要三个阶段，包括物理阶段，实现阶段和应用阶段。

物理阶段主要开发集成感知，计算和通信功能的超微型传感器，该传感器也称为尘粒（Mote）或智能微尘（Smartdust）。

实现阶段将在实际商务中使用来自传感器网络的感知数据。

应用阶段将传感器网络应用于预防医学，环境监测及灾害对策等领域。

（3）学术领域

美国自然科学基金委员会2003年制定了无线传感器网络研究计划，在加州大学洛杉矶分校成立了传感器网络研究中心，联合周边的加州大学伯克利分校，南加州大学等，展开“嵌入式智能传感器”的研究项目，以求利用传感器网络对我们生活的物理世界实现全方位的测试与控制，支持相关基础理论的研究，这也是美国国情咨文中有关Internet最主要的远景规划之一。

传感器网络涉及传感器技术，网络通信技术，无线传输技术，嵌入式计算技术，分布式信息处理技术，微电子制造技术，软件编程技术等多学科交叉的研究领域，具有鲜明的跨学科研究特点。

美国所有著名院校几乎都有研究小组在从事传感器网络相关技术的研究，加拿大，英国，德国，芬兰，日本和意大利等国家的研究机构也加入了传感器网络的研究。

我国的中科院上海系统研究所，沈阳自动化所，软件研究所，计算所，电子所，自动化所和合肥智能技术研究所等科研机构，哈尔滨工业大学，清华大学，北京邮电大学，西北工业大学，天津大学和国防科技大学等院校在国内较早开展了传感器网络的研究，2004年起有更多的院校和科研机构加入到该领域的研究工作中来。

1.4论文的研究内容及组织结构

1.4.1论文的研究内容

传感技术、通信技术和计算机技术是现代信息技术的三大支柱，它们分别完成对被测量对象的信息提取、信息传输与信息处理。

目前，信息传输与处理技术已经取得了突破性进展，随着微电子技术的高速发展和制造工艺的日益成熟，传感器已朝着集成化、微型化、智能化的方向发展。

然而，实际应用中很多数据采集系统依然是由传统的传感器通过总线方式组网的，这些系统具有数据采集范围广、采集点众多、布线困难等特点，因此，应用过程中通常会遇到安装、维护等方面的种种困难。

无线传感器网络（WirelessSensorNetworks,WSN）具有布线成本低、监测精度高、系统容错性好、可远程监控、便于诊断与维护等众多的优点，它的产生解决了传统传感器在应用中遇到的上述问题。

无线传感器网络综合了传感器信息采集、嵌入式计算、无线通信、分布式信息处理等多项技术，能够通过各类集成化的微型传感器协作地实时监测、感知和采集各种环境或检测对象的信息，通过嵌入式系统对信息进行处理，并通过随机自组织无线通信网络将所感知的信息传送到用户终端。

在网络制造、远程测控、仓储管理、环境监测、医疗监护、城市交通管理、军事侦察等领域，无线传感网络有着广阔的应用前景。

如果说Internet构成了逻辑上的信息世界，改变了人与人之间交流和沟通的方式，那么，无线传感器网络的产生则将逻辑上的信息世界与真实物理世界融合在一起，将改变人与自然界的交互方式，被认为是将对21世纪人类的生活方式带来深远影响的技术之一。

无线传感器网络的产生顺应了现代先进制造技术向网络化、信息化、虚拟化、智能化方向发展的趋势。

与传统应用于制造系统中的网络相比，无线传感器网络具有以下三方面的鲜明特点：

（1）无线传感器网络应用系统的根本任务是获取物理世界有价值的信息，包括数据采集、数据管理以及数据处理，最终得到用户所需要的信息；

（2）无线传感器网络是“以数据为中心”的网络，其大量应用依赖于节点的时间信息与位置信息，如果仅仅获取了传感信息，而不知道信息的时间与地点是毫无意义的。

例如，传感数据的解释（检测事件是何时何地发生的）、节点之间的协调工作等（节点在何时可以转为睡眠模式）都需要节点的时间与位置信息；

（3）无线传感器网络节点体积小，很大程度上面临能量、计算、存储与网络带宽等方面的资源限制。

无线传感器网络节点之间只有达到高精度的时钟同步、实现准确的自身定位并采取有效的数据融合方法完成对传感数据的处理，才能够为网络化监控与制造系统提供准确、可靠、及时的传感信息与控制信息。

本文从无线传感器网络的具体应用实际出发，针对无线传感器网络的分层式体系结构、节点时钟同步、节点定位以及数据融合四个方面的问题展开了深入研究。

1.4.2论文的组织结构

本文共分为五个主要部分。

第一章:

在介绍了研究背景和国内外研究现状后，提出课题的研究内容和思路。

第二章:

主要介绍了无线传感器网络的体系结构、关键技术、网络的特点、面临的问题及各个领域的应用，无线传感器网络中采用数据融合技术对节省网络的能量消耗、提高数据收集效率与数据的精确度的作用。

第三章:

主要介绍了无线传感器网络中数据融合的定义、主要作用和特点。

针对无线传感器网络中的传感器节点能量有限的特点，利用节点的本地计算和存储能力处理数据，去除冗余信息，尽量减少传输量，从而达到节省能量的目的;此外，还可以通过综合