無線傳感器網(wǎng)絡WSN編程

無線傳感器網(wǎng)絡WSN編程1背景意義2網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)3關(guān)鍵技術(shù)分析4leach協(xié)議算法5Demo演示目錄

CONTENTS1.1定義

無線傳感器網(wǎng)絡(wirelesssensornetwork，簡稱WSN)，就是由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量的廉價微型傳感器節(jié)點組成，通過無線通信方式形成的一個多跳的自組織的網(wǎng)絡系統(tǒng)，其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡覆蓋區(qū)域中被感知對象的信息，并發(fā)送給觀察者。傳感器、感知對象和觀察者構(gòu)成了無線傳感器網(wǎng)絡的三個要素。1.2發(fā)展歷程1965198019952005第一代第二代第三代第四代直接覆蓋接口覆蓋總線覆蓋網(wǎng)絡覆蓋點覆蓋線覆蓋面覆蓋域覆蓋1.3基本特點大規(guī)模網(wǎng)絡自組織網(wǎng)絡動態(tài)性網(wǎng)絡可靠性網(wǎng)絡應用相關(guān)的網(wǎng)絡以數(shù)據(jù)為中心的網(wǎng)絡1.4應用范圍軍事應用環(huán)境觀測和預報系統(tǒng)醫(yī)療護理智能家居建筑物狀態(tài)監(jiān)控其他方面的應用

傳感器網(wǎng)絡戰(zhàn)場評估生活習性監(jiān)測地震監(jiān)測深海監(jiān)控醫(yī)療狀況監(jiān)控目標跟蹤和檢測小區(qū)安全監(jiān)控精細農(nóng)業(yè)森林火災監(jiān)控2.1傳感器網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)傳感器網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)如下圖所示，傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)通常包括傳感器節(jié)點:隨機部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)部或附近匯聚節(jié)點：通過互聯(lián)網(wǎng)或衛(wèi)星將數(shù)據(jù)傳送給管理節(jié)點管理節(jié)點：對傳感器網(wǎng)絡進行配置和管理，發(fā)布監(jiān)測任務以及收集監(jiān)測數(shù)據(jù)2.1傳感器網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)傳感器節(jié)點隨機部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)部或附近，通過自組織方式構(gòu)成網(wǎng)絡傳感器節(jié)點監(jiān)測的數(shù)據(jù)沿著其他傳感器節(jié)點逐跳地進行傳輸，在傳輸過程中監(jiān)測數(shù)據(jù)可能被多個節(jié)點處理，經(jīng)過多跳后路由到匯聚節(jié)點，最后通過互聯(lián)網(wǎng)或衛(wèi)星或無線網(wǎng)絡到達管理節(jié)點。用戶通過管理節(jié)點對傳感器網(wǎng)絡進行配置管理，發(fā)布監(jiān)測任務收集監(jiān)測數(shù)據(jù)2.2傳感器節(jié)點結(jié)構(gòu)傳感器模塊：信息采集、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換處理器模塊：控制整個傳感器節(jié)點的操作、存儲和處理采集的數(shù)據(jù)無線通信模塊：無線通信，交換控制消息和收發(fā)采集數(shù)據(jù)能量供應模塊：提供運行所需能量，通常采用微型電池。2.3傳感器網(wǎng)絡協(xié)議棧左圖是早期提出的一個協(xié)議棧隨著傳感器網(wǎng)絡的深入研究，右圖的協(xié)議棧細化并改進了原始模型2.3傳感器網(wǎng)絡協(xié)議棧物理層提供簡單但健壯的信號調(diào)制和無線收發(fā)技術(shù)數(shù)據(jù)鏈路層負責數(shù)據(jù)成幀、幀檢測、媒體訪問和差錯控制網(wǎng)絡層主要負責路由生成與路由選擇傳輸層負責數(shù)據(jù)流的傳輸控制，是保證通信服務質(zhì)量的重要部分應用層包括一系列基于監(jiān)測任務的應用層軟件2.3傳感器網(wǎng)絡協(xié)議棧能量管理平臺

管理傳感器節(jié)點如何使用能量移動管理平臺

檢測并注冊傳感器節(jié)點的移動，維護到匯聚節(jié)點的路由任務管理平臺

在一個給定的區(qū)域內(nèi)平衡和調(diào)度監(jiān)測任務。3關(guān)鍵技術(shù)

無線傳感器網(wǎng)絡作為當今信息領(lǐng)域新的研究熱點，涉及多學科交叉的研究領(lǐng)域，有非常多的關(guān)鍵技術(shù)有待發(fā)現(xiàn)和研究，下面僅挑出三個關(guān)鍵技術(shù)進行詳細解釋

。數(shù)據(jù)融合數(shù)據(jù)管理無線通信技術(shù)嵌入式操作系統(tǒng)應用層技術(shù)網(wǎng)絡拓撲控制網(wǎng)絡協(xié)議網(wǎng)絡安全時間同步定位技術(shù)3.1網(wǎng)絡協(xié)議重點是網(wǎng)絡層協(xié)議和數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議。網(wǎng)絡層的路由協(xié)議決定信息的傳輸路徑數(shù)據(jù)鏈路層控制傳感器節(jié)點的通信過程和工作模式。無線傳感器網(wǎng)絡是以數(shù)據(jù)為中心的，這在路由協(xié)議中表現(xiàn)得最為突出，每個節(jié)點沒有必要采用全網(wǎng)統(tǒng)一的編址，選擇路徑可以不用根據(jù)節(jié)點的編址，更多的是根據(jù)感興趣的數(shù)據(jù)建立數(shù)據(jù)源到匯聚節(jié)點之間的轉(zhuǎn)發(fā)路徑。MAC協(xié)議首先要考慮節(jié)省能源和可擴展性，其次才考慮公平性、利用率和實時性等。3.1網(wǎng)絡協(xié)議MAC層的能量浪費主要表現(xiàn)在空閑偵聽、接收不必要數(shù)據(jù)和碰撞重傳等。由于無線傳感器網(wǎng)絡是應用相關(guān)的網(wǎng)絡，應用需求不同時，網(wǎng)絡協(xié)議往往需要根據(jù)應用類型或應用目標環(huán)境特征定制，沒有任何一個協(xié)議能夠高效適應所有的不同的應用。3.2網(wǎng)絡安全WSN安全問題是信息機密性、數(shù)據(jù)產(chǎn)生的可靠性、數(shù)據(jù)融合的高效性以及數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?。安全機制：機密性、點到點的消息認證、完整性鑒別、新鮮性、認證廣播和安全管理、水印技術(shù)3.2網(wǎng)絡安全由于節(jié)點處理能力、計算能力的限制，安全性與普通網(wǎng)絡有很大區(qū)別，也是無線傳感器網(wǎng)絡安全的主要挑戰(zhàn)；另外，無線傳感器網(wǎng)絡任務的協(xié)作特性和路由的局部特性使節(jié)點之間存在安全耦合，單個節(jié)點的安全泄漏必然威脅網(wǎng)絡的安全，所以在考慮安全算法的時候要盡量減小這種耦合性。3.3數(shù)據(jù)融合數(shù)據(jù)融合技術(shù)可利用節(jié)點的本地計算和存儲能力、數(shù)據(jù)處理融合能力，

去除冗余信息，從而達到節(jié)省能量的目的，提高信息的準確度。數(shù)據(jù)融合技術(shù)可以與無線傳感器網(wǎng)絡的多個協(xié)議層次進行結(jié)合。在應用層設(shè)計中，利用分布式數(shù)據(jù)庫技術(shù)，對采集到的數(shù)據(jù)進行逐步篩選，達到融合的效果在網(wǎng)絡層中，很多路由協(xié)議均結(jié)合了數(shù)據(jù)融合機制，以期減少數(shù)據(jù)傳輸量。數(shù)據(jù)融合技術(shù)已經(jīng)在目標跟蹤、目標自動識別等領(lǐng)域得到了廣泛的應用。3.3數(shù)據(jù)融合數(shù)據(jù)融合技術(shù)在節(jié)省能量、提高信息準確度的同時，要以犧牲其他方面的性能為代價。延遲的代價：數(shù)據(jù)傳送過程中尋找進行數(shù)據(jù)融合的路由、進行數(shù)據(jù)融合操作、為融合而等待其他數(shù)據(jù)魯棒性的代價：數(shù)據(jù)融合可以大幅度降低數(shù)據(jù)的冗余性，但丟失相同的數(shù)據(jù)量可能損失更多的信息4.1LEACH算法

LEACH（lowenergyadaptiveclusteringhierarchy）算法自適應分簇拓撲算法，執(zhí)行過程周期性每輪循環(huán)分為簇的建立階段和穩(wěn)定階段的數(shù)據(jù)通信階段

在簇的建立階段，相鄰節(jié)點動態(tài)地形成簇，隨機產(chǎn)生簇頭

在數(shù)據(jù)通信階段，簇內(nèi)節(jié)點將數(shù)據(jù)發(fā)送給簇頭，簇頭數(shù)據(jù)融合后發(fā)送給匯聚節(jié)點

由于簇頭需要完成數(shù)據(jù)融合、與匯聚節(jié)點通信等工作，所以能量消耗大

LEACH算法使各節(jié)點等概率擔任簇頭，使得網(wǎng)絡中的節(jié)點相對均衡地消耗能量。4.2簇頭選舉方法

LEACH算法選舉簇頭的過程如下：節(jié)點產(chǎn)生一個0~1之間的隨機數(shù)，如果這個數(shù)小于閾值T(n)，則發(fā)布自己是簇頭的公告消息。在每輪循環(huán)中，如果節(jié)點已經(jīng)當選過簇頭，則把T(n)設(shè)置為0，這樣該節(jié)點不會再次當選為簇頭。對于未當選過簇頭的節(jié)點，則將以T(n)的概率當選；隨著當選過簇頭的節(jié)點數(shù)目增加，剩余節(jié)點當選簇頭的閾值T(n)隨之增大，節(jié)點產(chǎn)生小于T(n)的隨機數(shù)的概率隨之增大，所以節(jié)點當選簇頭的概率增大。當只剩下一個節(jié)點未當選時，T(n)=1，表示這個節(jié)點一定當選。T(n)可表示為4.2簇頭選舉方法節(jié)點當選簇頭以后，發(fā)布通告消息告知其他節(jié)點自己是新簇頭。非簇頭節(jié)點根據(jù)自己與簇頭之間的距離來選擇加入哪個簇，并告知該簇頭。當簇頭接收到所有的加入信息后，就產(chǎn)生一個TDMA定時消息，并通知該簇中的所有節(jié)點。為了避免附近簇的信號干擾，簇頭可以決定本簇中所有節(jié)點所用的CDMA編碼。這個用于當前階段的CDMA編碼連同TDMA定時一起發(fā)送。當簇內(nèi)節(jié)點接收到這個消息后，它們就會在各自的時間槽內(nèi)發(fā)送數(shù)據(jù)。經(jīng)過一段時間的數(shù)據(jù)傳輸，簇頭節(jié)點收齊簇內(nèi)節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)后，運行數(shù)據(jù)融合算法來處理數(shù)據(jù)，并將結(jié)果直接發(fā)送給匯聚節(jié)點。4.3leach算法執(zhí)行過程在隨機選擇簇頭節(jié)點的時候，要判斷該節(jié)點能量值是否大于零，然后判斷是否是非簇頭節(jié)點，如果都滿足的話，再判斷為該節(jié)點生成的隨機數(shù)是否小于閾值，如果是的話，該節(jié)點被選舉為簇頭節(jié)點在每輪中由于會產(chǎn)生若干個簇頭節(jié)點，所以，普通傳感器節(jié)點會判斷哪一個簇頭節(jié)點與該節(jié)點距離較近。加入到最近的簇中5.1Matlab仿真實驗這里我們選擇生成100個傳感器節(jié)點，圖中圓圈‘O’代表的是傳感器節(jié)點。傳感器節(jié)點分布在100*100坐標區(qū)域內(nèi)

，這些傳感器節(jié)點都是隨機生成的?！甔’代表匯聚節(jié)點，這里匯聚節(jié)點坐標(50,50)。每個節(jié)點具有的參數(shù)為：E：節(jié)點初始能量TYPE：節(jié)點類型G：是否是非簇頭節(jié)點(小于等于0，則為普通節(jié)點，大于0，則為簇頭節(jié)點)p：節(jié)點成為簇頭的概率ETX：發(fā)射單位報文損耗能量ERX：接收單位報文損耗能量packetLength：數(shù)據(jù)包長度ctrPacketLength：控制包長度5.1Matlab仿真實驗

右圖繪制了一輪選舉后的簇頭節(jié)點，普通傳感器節(jié)點將數(shù)據(jù)發(fā)送給簇頭節(jié)點程序如下：5.1Matlab仿真實驗

5.1Matlab仿真實驗

將普通傳感器節(jié)點加入到最近的簇頭中向最近的簇頭發(fā)送信息，消耗的能量5.1Matlab仿真實驗

圖中顯示了傳感器節(jié)點隨著周期數(shù)的增加，存活的節(jié)點數(shù)變化情況5.1Matlab仿真實驗每輪之后的剩余能量圖程序如圖所示5.1Matlab仿真實驗這里我討論一下一些參數(shù)在leach

協(xié)議中的影響。上面我們在實現(xiàn)該算法的時候規(guī)定一個普通節(jié)點只發(fā)送一個數(shù)據(jù)包?，F(xiàn)在如果每個普通節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)包的個數(shù)增加為2，實驗結(jié)果又會怎么樣呢？我們可以看出報文個數(shù)增加，損失更多的能量，節(jié)點死亡速度越快5.1Matlab仿真實驗如果網(wǎng)絡節(jié)點為40呢？我們可以看到普通節(jié)點存活時間要比網(wǎng)絡節(jié)點為100的存活時間要長。5.1Matlab仿真實驗leach優(yōu)點

:

數(shù)據(jù)采集具有集中性和周期性，因此協(xié)議非常適合于連續(xù)監(jiān)控的應用系統(tǒng)。

在給定的時間間隔后，協(xié)議重新選舉簇首節(jié)點，以保證無線傳感器網(wǎng)絡獲取統(tǒng)一的能量分布。

5.1Matlab仿真實驗leach缺點:1.協(xié)議沒有說明簇頭節(jié)點的數(shù)目怎么分布才能及于整個網(wǎng)絡。因此，很可能出現(xiàn)