無線傳感器網(wǎng)絡(luò)練習(xí)題

一、填空無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)通常包含匯聚節(jié)點、傳感器節(jié)點、管理節(jié)點。傳感器節(jié)點一般由通信模塊、傳感器模塊、存儲模塊和電源模塊組成。無線傳感器節(jié)點的基本功能是：采集數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)處理、控制和通信。傳感器節(jié)點通信模塊的工作模式有發(fā)送、接收和空閑。無線通信物理層的主要技術(shù)包括介質(zhì)的選擇、頻段的選擇、調(diào)制技術(shù)和擴頻技術(shù)。擴頻技術(shù)按照工作方式的不同，可以分為四種：直接序列擴頻、跳頻、跳時和寬帶線性調(diào)頻擴頻。目前無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采用的主要傳輸介質(zhì)包括無線電波、光纖、紅外線等。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以選擇的頻段有：868MHz、915MHz、2.4GHz和5GHz。傳感器網(wǎng)絡(luò)的電源節(jié)能方法：休眠機制、數(shù)據(jù)融合。根據(jù)對傳感器數(shù)據(jù)的操作級別，可將數(shù)據(jù)融合技術(shù)分為一下三類：決策級融合、特征級融合、數(shù)據(jù)級融合。根據(jù)融合前后數(shù)據(jù)的信息含量分類（無損失融合和有損失融合）根據(jù)數(shù)據(jù)融合與應(yīng)用層數(shù)據(jù)語義的關(guān)系分類（依賴于應(yīng)用的數(shù)據(jù)融合、獨立于應(yīng)用的數(shù)據(jù)融合、結(jié)合以上兩種技術(shù)的數(shù)據(jù)融合）定向擴散路由機制可以分為三個階段：興趣擴散、梯度建立、路徑加強。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)主要包括：時間同步機制、數(shù)據(jù)融合、路由選擇、定位技術(shù)、安全機制等。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信安全需求主要包括結(jié)點的安全保證、被動抵御的入侵能力、主動反擊入侵的能力。802.11標準用于無線局域網(wǎng)，802.15.4標準用于低速無線個域網(wǎng)。802.11規(guī)定三種幀間間隔：SIFS、PIFS、DIFS。802.15.4標準為低速個域網(wǎng)制定了物理層和MAC子層協(xié)議。ZigBee主要界定了網(wǎng)絡(luò)、安全和應(yīng)用框架層，通常它的網(wǎng)絡(luò)層支持三種拓撲結(jié)構(gòu)：網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)、樹形網(wǎng)絡(luò)、星型網(wǎng)絡(luò)。傳感器網(wǎng)絡(luò)中常用的測距方法有：接收信號強度指示、到達時間差、到達角。ZigBee網(wǎng)絡(luò)分4層分別為：物理層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層、數(shù)據(jù)鏈路層。與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議相比，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議具有以下特點：能量優(yōu)先、基于局部拓撲、以數(shù)據(jù)為中心、應(yīng)用相關(guān)。數(shù)據(jù)融合的內(nèi)容主要包括：目標探測、數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)、跟蹤與識別、情況評估與預(yù)測。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)信息安全需求主要包括數(shù)據(jù)的機密性、數(shù)據(jù)鑒別、數(shù)據(jù)的完整性、數(shù)據(jù)的實效性。傳感器結(jié)點的限制條件是電源能量有限、通信能力有限、計算和存儲能力有限。否有同信道載波，若不存在，意味著信道空閑，將直進入數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài)；若存在載波，則在隨機退避一段時間后重新檢測信道。簡述路由協(xié)議的作用和功能？答：（1）尋找源結(jié)點和目的結(jié)點間的優(yōu)化路徑。

（2）將數(shù)據(jù)分析沿著優(yōu)化路徑正確轉(zhuǎn)發(fā)什么是數(shù)據(jù)融合技術(shù)？它在傳感器網(wǎng)絡(luò)中的主要作用是什么？答：數(shù)據(jù)融合是一種多源信息處理技術(shù)，它通過對來自同一目標的多源數(shù)據(jù)進行優(yōu)化合成，獲得比單一信息源更精確、完整的估計或判決。作用在于：節(jié)省整個網(wǎng)絡(luò)的能量，增強所收集數(shù)據(jù)的準確性，提高數(shù)據(jù)收集效率。通常有哪些原因?qū)е聜鞲衅骶W(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生無效能耗？無線通信能耗與距離的關(guān)系是什么？答：空閑偵聽、數(shù)據(jù)沖突、串?dāng)_、控制開銷在無線網(wǎng)絡(luò)通信中，能量消耗E與通信距離d存在關(guān)系：E=kdm,隨著通信距離的增加，能耗會急劇增加。簡述節(jié)能策略休眠機制的實現(xiàn)思想。答：休眠機制的主要思想：當(dāng)節(jié)點周圍沒有感興趣的事件發(fā)生時，計算與通信單元處于空閑狀態(tài)，把這些組件關(guān)掉或調(diào)到更低能耗的狀態(tài)，即休眠狀態(tài)。為什么無線傳感器網(wǎng)絡(luò)需要時間同步？簡述TPSN時間同步工作原理。答：不同節(jié)點的晶體振蕩器頻率存在偏差，以及濕度和電磁波的干擾等都會造成網(wǎng)絡(luò)節(jié)點之間的運行時間偏差。TPSN協(xié)議采用層次型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，首先將所有節(jié)點按照層次結(jié)構(gòu)進行分級，然后每個節(jié)點與上一級的一個節(jié)點進行時間同步，最終所有節(jié)點都與根節(jié)點時間同步。什么是調(diào)制技術(shù)？為什么WSN物理層要進行調(diào)制機制設(shè)計？答：a)

調(diào)制技術(shù)是把基帶信號變換成傳輸信號的技術(shù)。調(diào)制技術(shù)的最終目的就是使得調(diào)制以后的信號對干擾有較強的抵抗作用，同時對相鄰的信道信號干擾較小，解調(diào)方便且易于集成。簡述ZigBee技術(shù)的特點，并說明為什么在家居智能化網(wǎng)絡(luò)中通常選擇ZigBee技術(shù)。答：數(shù)據(jù)傳輸速率低，有效范圍小，工作頻段靈活、省電、可靠、成本低、時延短、安全、網(wǎng)絡(luò)容量大。因為無線網(wǎng)絡(luò)可以提供更大的靈活性、流動性，省去花在綜合布線上的費用和精力，而且更因為它符合家庭網(wǎng)絡(luò)的通訊特點。定位技術(shù)基本術(shù)語解釋：錨點：通過其他方式預(yù)先獲得位置坐標的結(jié)點。測距：兩個相互通信的結(jié)點通過測量方式來估計彼此之間的距離或角度。鄰居結(jié)點：傳感器結(jié)點通信半徑范圍內(nèi)的所有其他結(jié)點。連接度：結(jié)點連接度是結(jié)點可探測發(fā)現(xiàn)的鄰居結(jié)點的個數(shù)；網(wǎng)絡(luò)連接度是所有結(jié)點的鄰結(jié)點數(shù)目的平均值。跳數(shù)：兩個結(jié)點之間間隔的跳段總數(shù)?；A(chǔ)設(shè)施：協(xié)助傳感器的結(jié)點定位的已知自身位置的固定設(shè)備。到達時間：信號從一個結(jié)點傳播到另一個結(jié)點所需的時間。 達到時間差：兩種不同傳播速度的信號從一個結(jié)點傳播到另一個結(jié)點所需要的時間之差，或一個信號到達兩個結(jié)點之間的時間差。接收信號強度指示：結(jié)點接收到無線信號的強度大小。到達角度：結(jié)點接收到的信號相對于自身軸線的角度。視距關(guān)系：兩個結(jié)點之間沒有障礙物，能夠直接通信。非視距關(guān)系：兩個結(jié)點之間存在障礙物，影響了它們直接的無線通信。三、編程通過掃描方式實現(xiàn)按鍵觸發(fā)LED亮滅。利用按鍵SW5和按鍵SW6控制LED1和LED2。當(dāng)按下SW5時，LED1狀態(tài)改變；當(dāng)按下SW6時，LED2狀態(tài)改變。如下圖，按鍵SW5由P0.4控制，按鍵SW6由P0.5控制；LED1和LED2分別由P1.0和P1.1控制。要求編寫按鍵初始化程序和LED初始化程序。按鍵的初始化：將P0.4和P0.5設(shè)為普通I/O口，并且設(shè)置為輸入狀態(tài)。LED初始化：將P1.0和P1.1設(shè)置為輸出且將LED1和LED2關(guān)閉。如上圖，通過外部中斷改變LED1亮滅。利用按鍵SW5和SW6觸發(fā)P0.4和P0.5下降沿發(fā)生中斷控制LED1的亮滅。即當(dāng)按下SW5或者SW6時，LED1燈的狀態(tài)發(fā)生改變。要求編寫中斷初始化函數(shù)。擴展知識：CC2530包括3個8位輸入/輸出（I/O）端口，分別是P0、P1和P2。其中P0和P