【电子信息工程毕业设计+文献综述+开题报告】基于无线传感网络的数据采集系统设计

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（20__届）本科毕业设计基于无线传感网络的数据采集系统设计39 摘要无线传感器网络（WSN，WirelessSensorNetwork）是综合了传感器技术、嵌入式计算机技术、分布式信息处理技术、微电子技术和通信技术等各种先进现代技术为一体的，能够协作地进行实时监测、感知和采集网络分布区域内的各种环境或监测对象的信息，并对其进行处理，传输给用户终端的网络技术。本文将首先介绍无线传感器网络的概念和特点，并对无线传感器网络的发展历程现状和应用前景进行阐述。再探讨无线传感器网络技术发展中面临的一些技术难点和挑战。然后重点的介绍了无线传感网络中的路由协议。对已有主要的路由协议和算法都做出了简要性的列举和介绍，并且对各种路由算法的性能优缺点进行了分析，通过对现有路由算法的归纳和比较，总结出了无线传感器路由协议和算法所需要具备的基本特征。最后针对传感节点的结构特点进行分析，提出传感器节点的低功耗设计策略。通过对无线传感器网络节点的各组成环节的功耗进行分析提出相应降低节点功耗的措施和方法。关键词：无线传感器网络，传感节点，协议栈，路由协议，低功耗39 DataAcquisitionSystemBasedonwirelesssensornetworksAbstractWirelesssensornetworkisacombinationofsensortechnology,includingembeddedcomputertechnology,distributedinformationprocessingtechnology,microelectronicsandcommunicationstechnologyandotheradvancedmoderntechnology,whichcancollaboratetocarryoutreal-timemonitoring,sensingthedistributionandcollectionnetworkswithintheregionormonitoringofvariousenvironmentalobjects,andprocesstoobtaindetailedandaccurateinformation,transmittedtotheuserterminal.Thisarticlewillfirstintroducetheconceptofwirelesssensornetworksandcharacteristics,andcourseofdevelopmentofwirelesssensornetworkstatusandprospectsforelaboration.Secondwilltalkaboutsometechnicaldifficultiesandchallengeswhichthedevelopmentofwirelesssensornetworksface.Thenfocusontheanalysisofthewirelesssensornetworkroutingprotocols.Themainrouteofexistingprotocolsandalgorithmstomakeabrieflistanddescriptionofandtheperformanceofthevariousadvantagesanddisadvantagesofroutingalgorithmsareanalyzed,throughtheinductionofexistingroutingalgorithmsandcompare,summedupthewirelesssensorRoutingprotocolsandalgorithmsneedtohavethebasicfeatures.Finally,thestructuralcharacteristicsofsensornodesfocusofanalysis,low-powersensornodedesignstrategy.Throughthewirelesssensornetworknodepowerconsumptionofeachcomponentpartoftheanalysisofmeasurestoreducepowerconsumptionandmethodofthenodeanditsshortcomingswerediscussed.Keywords:wirelesssensornetworks,sensornodes,protocolstacks,routingprotocols,lowpowerconsumption39 目录摘要IIIAbstractIV1绪论11.1课题的来源11.2课题的意义11.3概述11.3.1无线传感网络的发展历程11.3.2无线传感网络的发展现状11.3.3无线传感网络的应用前景21.3.4无线传感网络关键性技术51.4课题研究的主要内容62无线传感器网络82.1传感器网络的概念及特点82.1.1传感器网络的概念82.1.2传感器网络的特点82.2传感器网络体系结构92.2.1传感器网络结构92.2.2传感器节点结构92.2.3传感器网络协议栈113无线传感器网络路由协议的分类及比较133.1无线传感器网络协议概述133.2路由协议的分类133.3无线传感器网络路由协议的分析与比较143.3.1泛洪路由算法和协商路由算法143.3.2随机漫步路由算法163.3.3定向扩散路由173.3.4谣传路由183.3.5LEACH算法193.3.6高能效传感信息采集协议（PEGASIS）203.3.7阈值敏感的高能效传感器网络协议（TEEN）213.4无线传感器网络路由协议的特征分析224传感器节点硬件低功耗分析234.1传感器模块功耗234.2信息处理模块的低功耗2339 4.3无线通信模块的低功耗234.4电源管理24总结25参考文献26致谢2839 基于无线传感网络的数据采集系统设计1绪论1.1课题的来源随着信息技术应用领域的不断扩大，传统的单一传感器已经不能满足人们对信息获取的要求。人们所希望的是能够监测一定区域的各种环境变量和被监测对象的详细的数据信息，综合处理并传输得到的信息，以便用户获得所需要的数据信息，于是传感器网的概念被提出了。1.2课题的意义传感器网由大量具有感知、数据处理和无线通讯能力的微传感节点构成。不仅能够监测到周围环境的变化，而且可以处理收集到探测数据，并将处理后的数据以无线传输的方式送到数据收集点或基地站。无线传感网络可应用于布线和电源供给困难的区域、人员不能到达的区域（如受到环境污染的区域、环境被破坏的区域或敌对区域）和一些临时场合（如发生自然灾害时固定的通信网络被破坏）等。它不需要如何固定网络的支持，具有快速展开、抗毁性强等特点。至今，人们始终未中断对这项技术的应用研究，并不断对以往的设备、工艺进行完善和改进，使之更趋实用化、经济化、系统化。1.3概述1.3.1无线传感网络的发展历程早在20世纪70年代，便出现了采用点对点传输、连接传感控制器而构成传感器网模型，这便是第一代传感器网络。伴随相关技术的不断发展和进步，传感器网同时还具备了获取并综合处理多种信息信号的能力，而且通过与传感控制器的相连，构成具有信息综合处理能力的传感器网络，这样第二代传感器网也就产生了。而从20世纪末开始，现场总线技术开始应用于传感器网络，人们开始组建智能化传感器网络，运用大量多功能传感器，并使用无线技术连接，逐渐形成无线传感网路[2]。1.3.2无线传感网络的发展现状39 基于无线传感网络的数据采集系统设计传感器网络的研究起源于美国军方的作战要求，1978年DARPA在卡耐基梅隆大学成立了分布式传感器网络工作组。而WSN在20世纪90年代中期以后得到世界科研界极大的关注。从21世纪开始，美国和欧洲相继启动了许多关于无线传感网的研究项目。特别是美国向国家自然基金委、国防部等多部门投入巨资支持传感器网络技术的研究。在军事领域方面，美国国防部和其他各军事部门很早已经启动了对传感器网络的相关研究，在C4ISR项目的基础上提出了C4KISR计划[3]，强调搜集战场相关情报的能力、综合处理和利用信息的能力，将无线传感器网络作为一个重要研究领域。接着各部门又启动了一系列军事的传感器网络研究项目。例如，美国陆军在2001年提出的“智能无线传感网络通信”计划，之后又设立的“无人值守传感器群”项目和“战场环境侦察与监视系统”项目。以及美国海军设立了“传感器组网系统”研究项目，他们近期开展高性能的协同合作交战能力（CooperativeEngagementCapability，CEC)就是高性能的传感器网络与高效交战网络的有机地结合。2002年5月，美国Sandia国家实验室与能源部合作确立了开发检测有毒气体化学成分WSN的反恐项目。在民用领域，美国交通部在1995年提出的“国家智能交通系统项目规划”项目，预测到2025年将开发完成并投入使用。该项目企图将先进的信息技术、计算机处理技术、传感节点技术、数据通信技术和控制技术集成为一个统一体用以管理全国的地面交通系统，在大范围内建立实时且高效率的全方位交通运输综合管理系统。Intel公司饿在2002年公布了“基于微型传感器网络的新型计算发展规划”[4]。英特尔宣称，其将倾力于研究微型传感器网络在环境监测、预防医学、森林灭火、洪涝灾害、地质灾害甚至行星探查等领域的应用。2002年12月美国加州大学洛杉矶分校启动嵌入式传感器网络中心（CenterforEmbeddedNetworkSensing,CENS）项目来跟踪调查环境变化及其对鸟类活动的影响。欧洲则在2002年启动了EYES研究项目，这是一个自组织协同能量高效的WSN计划，其目的是研制出一个WSN平台。至于国内方面，2004年我国国家自然科学基金委员会把无线传感器网络的研究列为重点研究项目，《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020)》[5]将“传感器网络及智能信息处理”列为其重点支持的领域和优先主题，并把“自组织传感器网络技术”作为其重点支持的前沿技术。2005年我国国家自然科学基金委员会将传感器网的基础理论和关键技术研究列入计划，在2006年进一步将水下移动传感器网络的关键技术列为重点研究对象。1.3.3无线传感网络的应用前景无线传感网是新一代的传感器网络，具有非常广泛的应用前景，其发展和应用将给人类的生活和生产的各个领域带来深远影响。美国的《技术评论》杂志在论述未来新兴十大技术时，将无线传感网络列为第一项未来新兴技术，而《商业周刊》也将其列为未来四大新兴技术之一。39 基于无线传感网络的数据采集系统设计随着嵌入式系统成本的降低以及其体积的不断缩小，为数不少的无线传感网络已开始投入使用。目前无线传感网络的应用主要集中在以下领域：环境的监测和保护、医疗护理、军事、一些危险的工业环境如矿井和核电、交通领域的车辆监控以及工业自动化生产线等。军事应用WSN在军事领域的应用十分广泛，其中主要包括以下几方面：1、在盟军的人员、装备、及军火上安装传感器方便识别。2、实时监测战场上的任何情况。3、投掷传感器于敌军阵地中，执行侦察任务。4、可作为智能型武器的引导器。5、侦察及判定核武器和生化武器的攻击。在军事应用中，与其他技术侦察手段相比，传感器网的潜在优势表现在以下几个方面[4-7]：1.传感器网低成本、高冗余的设计原则为整个系统提供了较强的容错能力。2.对分布式节点所采集到的数据进行融合处理，能够大幅提升数据精度，克服之前单机系统存在的精度不高问题。3.多节点联合，形成覆盖面积较大的实时探测区域。4.传感器节点能够近距离对目标物体进行监测，在很大程度上消除了环境状况变化对系统各方面性能的影响。5.利用个别具有移动能力的节点调整网络的拓扑结构，可以有效地消除探测区域的阴影和盲点。环境应用现代人们对时候的环境质量愈来愈关注，环境科学所涉及的范围也日益广泛。由于现代人类社会生活和生产对环境的破坏使得环境变化日趋复杂，研究环境变化所需收集的数据信息也越来越复杂庞大，在这种情况下，传统的数据采集模式不能满足数据采集要求。无线传感器网络为野外随机性的研究数据的获取提供了方便，特别是在如下几方面[8]：1.降雨情况的判定，为防洪抗旱提供准确信息。2.当发生森林火灾时，能够为准确判断火灾地点提供最快的信息。3.不需要人工冒险进入遭受化学污染的区域，便能得到判定污染源位置和分析化学污染的成分的相关信息。4.实时监测海洋、大气和土壤的成分，同时掌握空气污染、水污染以及土壤污染的程度。5.研究环境变化对生物的活动的影响。39 基于无线传感网络的数据采集系统设计医疗健康可以将网络传感器嵌入在鞋、家具以及家用电器等设备中，采集各种信息同时利用传感器网可高效传递必要的信息，从而帮助老年人、重病患者以及残疾人士的家庭生活，也可以方便接受护理，同时减轻护理人员的负担，提高护理质量。对于一些需要24小时不间断照顾的人员和家庭来说，传感器网事一个不错的选择[6]。利用传感器网长时间地收集人的生理数据，可以加快研制新药品的过程，而安装在被监测对象身上的微型传感器几乎不会对人们的正常生活造成多大的影响。此外，在其他诸多医疗方面，它也有独特而新颖的应用。总之，无线传感器网的进一步发展将加快未来的远程医疗的实现过程。空间探索人类可以通过向现在还无法到达的或无法长期工作的外太空的其他天体上设置传感器网节点的方法，来实现对它们的长期的监测。我们通过对这些传感器网发回的信息进行分析，可以知道这些天体的具体情况，为更好地了解它们，利用它们提供了一个有效的手段。其他应用自组织、微型化和对外部世界的感知能力是传感器网的三个特点，这些特点决定了传感器网在其他领域应该也会有不少的应用机会。比如，在科学研究领域，传感器网可以帮助科研人员完成很多信息搜集工作。2002年夏，有研究人员未来获取海岛上海燕的生活资料，把许多被称为“尘埃”[9]的很小的网络传感器装到了有海燕巢的洞穴中。通过它们监测气温、风力、海燕的活动来进行生物学研究。仅仅3个月，研究人员在不影响海燕正常生活的情况下就收集到300多万条信息。传感器网还可以和PDA之类的个人数字设备相结合，组成个人服务器。它不仅能够实时从网络中获取信息，而且通过访问信息站按需求过滤所有相关信息，以便给人们提供快捷有效的所需信息。如果你想要去旅游，你也可以通过传感器网事先查询你所想要去的地方的温度、湿度、旅游景点、风景名胜甚至于海拔高度等信息，根据所获得的信息对比自身情况你可以判断自己是否适合前往该处，或制定行程计划[10,11]。此外，交互式博物馆、交互式玩具、工厂生产自动化等众多领域，无线传感器网都将会孕育出全新的设计和应用。39 基于无线传感网络的数据采集系统设计1.3.4无线传感网络关键性技术无线传感网络作为当今信息领域的研究热点，涉及多个学科的交叉，所需要研究的内容可以分为四个部分，核心支撑技术、网络通信协议、自组织管理、开发与应用。每个部分都有一些关键技术需要解决。（1）核心支撑技术WSN里的核心支撑技术使用网络通信协议提供的服务，并通过应用服务接口来屏蔽底层网络的细节，使终端用户可以方便地对WSN进行操作。它的核心技术包括：能量挖掘、能量节省管理、拓扑控制、节点定位、时间同步、网内信息处理、网络安全等。节点的能量消耗是发挥无线传感器网络效能的瓶颈[4]。无线网络传感器节点的能量供应系统应根据不同应用环境特点进行设计。传感器节点虽然功耗较低,但是其有较大的变化范围。如果利用能量挖掘技术从环境中挖掘能量,使节点具有能量补充的能力,这将从根本上解决节点的能量供给问题。典型方法是利用能量挖掘装置,可以挖掘各类能量如风能、太阳能、温差、振动等形式的能量[9]。在能量管理方面，由于无线传感器网络覆盖范围大,节点多,工作环境复杂,能源无法替代等问题,使得如何设计有效延长网络的生命周期的策略成为无线传感器网络的核心问题。目前普遍认为节省能耗的最有效方式之一是休眠机制,但是如何进行有效地休眠调度而不影响传感器网络的正常运行是一个关键问题。定位技术主要指的是节点定位,即确定传感器的每个节点的相对位置或绝对位置。它是无线传感器网络研究领域中非常重要的一个研究方向,特别是军事应用的基础。WSN系统可以智能地选择一些特定的节点来完成任务,从而大大降低整个系统的能耗,提高系统的存活时间。典型的基于距离的定位算法分别利用RSSI、TOA、TDOA、AOA测距来定位节点[14]。由于距离无关的定位机制没有需要测量节点间的绝对距离或方位,因此对节点硬件的要求也就降低了,随之节点成本下降使其更适合于集成大规模WSN[10]。当然，安全问题也是目前无线传感网所面临的一个关键的问题。WSN通常使用无线电射频技术来进行连接,很容易受到无线电磁的干扰而造成信噪比变差最终导致其无法正常工作。人为所造成的干扰主要来自于对由从网络中监听获取到的数据包内容进行解析和传送,或者主动产生并传输入侵数据包从而非法的获取或修改一些重要信息,亦或是针对无线传感网络的能量有限性的特点,向网络中发送大量无用的数据包导致其能量耗尽而瘫痪。在无线传感网络中有两种专用安全协议:SNEP和Utesla[12]。SNEP39 基于无线传感网络的数据采集系统设计具有提供节点到接收机之间数据的检测、刷新、加密的功能,uTESLA具有对广播数据的鉴权能力。目前对无线传感网络安全方面的研究主要集中于基于计算处理能力以及通信能力有限情况下的自适应性的安全机制。这类研究主要着重于加密与消息认证机制,以及密钥组管理。（2）自组织管理网络状态以及外界环境的多变要求无线传感器网络要具有自组织能力，能够自动地组网运行、能够适时地转发监测道德数据、自行地进行网络配置和维护。自组织管理技术通过网络通信协议中提供的网络管理接口服务来屏蔽底层的细节，使终端用户可以方便地管理和分配资源。其自组织管理技术包括：节点管理、资源和任务管理、数据管理、初始化与系统维护等。（3）网络通信协议由于传感器节点能量很受限，其计算、存储和通信能力十分有限，每个节点能够获取的只是局部网络的信息，所以节点上适宜运行较简单的网络通信协议；同时，WSN拓扑结构和外界环境也是不断地变化，对通信协议的设计也提出了更高的要求。WSN通信协议包括物理层、数据链路层、网络层和传输层，它们相互配合运行[16]。（4）开发与应用作为一种源于应用而又服务于应用的现行网络技术，WSN还要有完整的软硬件设计原则，高效的开发平台以及一系列别具特色的应用实例。其内容包括：仿真平台的建立，硬件系统开发、操作系统、软件开发、环境监测应用、目标追踪应用等。1.4课题研究的主要内容本文将首先介绍无线传感器网络的概念和特点，并对无线传感器网络的发展历程现状和应用前景进行阐述。再探讨无线传感器网络技术发展中面临的一些技术难点和挑战。最后针对传感节点的结构特点进行重点分析，提出传感器节点的低功耗设计策略。通过对无线传感器网络节点的各组成环节的功耗进行分析，对降低节点功耗的措施和方法及其不足进行论述。本文共分为四章，各章节安排如下：第一章为绪论，主要介绍本论文课题的研究背景，发展历程现状，应用前景和选题来源和研究意义，以及其研究的关键性技术问题，并介绍论文的主要内容。39 基于无线传感网络的数据采集系统设计第二章，首先介绍了无线传感器网络的概念和特点，然后主要对无线传感网的体系结构进行分析，包括网络结构、传感节点结构和传感器网络协议栈。同时介绍无线传感器网络的网络特征、节点特征和协议栈特征。第三章，主要对无线传感器网路的路由协议进行分析与比较。针对无线传感网络的特点，研究者们目前已经提出了很多种不同的路由协议和路由算法。对已有主要的路由协议和算法都做出了简要性的列举和介绍，并且对各种路由算法的性能优缺点进行了分析，通过对现有路由算法的归纳和比较，总结出了无线传感器路由协议和算法所需要具备的基本特征。第四章，主要对无线传感器网路的传感节点的功耗进行分析，通过对无线传感器网络节点的各组成环节的功耗进行分析提出相应的降低节点功耗的措施和方法。39 基于无线传感网络的数据采集系统设计2无线传感器网络2.1传感器网络的概念及特点2.1.1传感器网络的概念我们一般把传感器网定义为由一组集成有数据采集单元、数据处理和无线通信模块的微型传感器以自组织方式组成的无线传感网络，其目的在于协作地感知、收集和处理传感节器在网络监测范围内从感知对象处所能获得的数据信息，并传送给信息获取者。这里的信息获取者就是传感器网络的用户，即感知信息的接收者和使用者。信息获取者不仅可以是人，也可以是计算机或其他各种设备。另外，一个WSN可以对应多个信息获得者，而一个信息获得者也可以是多个WSN的用户。信息获取者可以主动地查询或收集传感器网的感知信息，也可以被动地接收传感器网发布的信息。信息获取者将对应的感知信息进行观察、挖掘、分析、制定策略，甚至对感知对象采取合适的措施。传感器网的感知对象就是信息获取者所感兴趣的想要监测的目标。感知对象的信息通常使用表现化学现象、物理现象或其他各种现象的数字量来表征。一个传感器网可以同时感知网络分布区域内的多个对象，同样的一个对象也可以被多个传感器网路所监测。2.1.2传感器网络的特点传感器网具有以下特点[17-20]：1、网络规模大，拓扑结构灵活复杂。传感器网中传感器节点分布密集，数量巨大，可以达到几百甚至几千万个。此外，传感器网可以分布在很广泛的地理区域，感知的范围也很大。而且，传感网络中的传感器、感知对象和观察者这三者所处的为都会随时发生改变，并且经常会有新的节点参加工作也会有旧节点失效不能正常工作。因此，网络的拓扑结构会不断变化，而同时传感器和观察者之间的路径也随之变化。2、计算能力有限。传感器网中的传感器普遍采用嵌入式存储器和处理器。具有一定的计算能力，可以完成一些信息处理工作。但是，由于嵌入式存储器和处理器的能力和容量有限，传感器的处理能力十分有限。3、电源能量有限。传感器网中的传感器通常都是使用电池供电，传感器网又通常要求长时间工作（某些特殊场合下要求正常工作时间超过10年），而传又不方便随时补充感器节点的电池能量，这样就造成了能源方面的突出矛盾。39 基于无线传感网络的数据采集系统设计4、传感器节点的通信能力有限。由于传感器网中的传感器的传输速率比较低，而且通信距离一般只有几十到几百米。又因为传感器常常工作在环境恶劣地区受环境因素影响比较多。一方面容易造成传感器之间不可靠的通信，另一方面也可能会导致传感器出现长时间的故障严重的甚至会被损坏。5、具有较强的数据传送方向性。传感器网络，具有很强的数据传输方向性。通常，我们用广播扩散方式从获取者向网络中传感器传送查询信息，而利用散布在各个位置的传感节点向查询节点汇报监测到的有效数据。2.2传感器网络体系结构2.2.1传感器网络结构传感器网络一般是由传感器节点(sensornode)、汇聚节点(sinknode)、因特网或卫星系统、任务管理节点等部分组成[18]。通过人工埋置、飞行器撒播和火箭弹射等方式将传感器节点任意散布在所需监测的区域内。节点以自组织形式组成网络，通过多跳中继方式传送监测到的数据到接收节点，最后借助长距离或临时建立的接收链路将整个监测区域内所采集到的全部数据传输到远程中心进行集中处理.图2-1为无线传感器网络的典型体系结构[22]。图2-1WSN的典型体系结构示意图2.2.2传感器节点结构每一个传感器节点由数据采集模块（传感器和A/D转换器）、数据处理和控制模块（微处理器及存储器）、通信模块（无线收发器）和电源模块（电池、能量转换器），如图2-2所示[13]。39 基于无线传感网络的数据采集系统设计1）数据采集模块数据采集模块主要由各种传感器和A/D转换器构成，负责数据的采集并调理数据信号。根据不同的应用环境，适当选择相应类型的传感器，由A/D转换器将传感器采集到的模拟信号转换为数字量。2）数据处理和控制模块数据处理和控制模块主要由微处理器和存储器构成。3）通信模块通信模块主要是无线收发器，负责各节点之间的无线通信，在各节点点路中起着重要作用，在软硬件设计上一旦出现缺陷就很有可能会影响整个系统。因此，虽然该模块的设计并不复杂，但要达到很理想地效果却是一件很困难的事情。4）供电模块供电模块主要由电池和能量转换器构成，负责供应各部分正常工作所需电源。通信模块数据处理和控制模块数据采集模块电源模块传感器A/D转换器存储器微处理器无线收发器能量转换器电池图2-2无线传感器网络节点的结构图2.2.3传感器网络协议栈39 基于无线传感网络的数据采集系统设计随着相关研究人员对无线传感网络的不断的深入研究，多种传感器节点的协议栈已经被提出。图2-3是一个比较常见的协议栈[23]，它包括物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层[20]，与互联网协议栈的五层协议相互对应。此外，协议栈还包含有能量管理平台、移动管理平台和任务管理平台。这些管理平台确保了传感器节点能够按照能量高效的方式协同工作，在节点移动的传感器网络中转发数据，并支持多任务和咨源共享。各层协议和平台的功能[21-24]如下：物理层提供简单但健壮的信号调制和无线收发技术；数据链路层负责数据成帧、帧监测、媒体访问和差错控制；网络层主要负责路由生成与路由选择；传输层负责数据流的传输控制，是保证通信服务质量的重要部分；应用层包括一系列基于监测任务的应用层软件；能量管理平台管理传感器节点如何使用能量，综合协调各层节省能量；移动管理平台监测并注册传感器节点的移动，维护到网关节点的路由，使得传感器节点能够动态跟踪其邻居的位置；任务管理平台在一个给定的区域内平衡和调度监测任务。图2-3常见传感器网络协议栈图2-4所示的协议栈细化并改进了图2-3中的协议栈模型[25]。定位和时间同步子层在协议栈中处于比较特殊的位置。它们不仅要依赖于数据传输通道进行时间同步协商及协作定位，同时又要为各个层次的网络协议提供信息支持。所以在图2-4中用倒L型描述这两个功能子层。图2-4中的这些多种机制中中一部将分融入到图2-3所示的各个层次的协议中，用来达到优化和管理协议的工作流程的目的；剩余部分则是独立于协议外的，通过各种各样的接受和配置接口对相应机制进行有效监控和配置。能量管理，增加了能量控制指令代码到图2-3中的每个协议层次中，并提供给操作系统进行有效的能量分配和决策。QOS管理，在每个协议层中设计队列管理、优先级机制或者带宽预留等机39 基于无线传感网络的数据采集系统设计制，并对特定的应用的数据给予特殊处理。拓扑控制，利用物理层、路由层或数据链路层完成拓扑生成，同时又回馈给它们以基本的信息数据支持，提高协议效率，减少网络能量消耗。网络管理，要求嵌入各种信息接口到协议各层，而且周期性地收集协议运行情况和流量相关信息，协作控制网络中所有协议组件的正常运行。图2-4传感器网络协议栈细化模型39 基于无线传感网络的数据采集系统设计3无线传感器网络路由协议的分类及比较3.1无线传感器网络协议概述从功能上讲，WSN中的路由协议是一套将数据从源点传输到目的节点的机制。WSN路由协议的主要设计目标是在满足应用需求的同时尽量降低网络开销，取得资源利用的整体有效性，扩大网络容量，提高网络吞吐量。由于传感器节点能量有限，且大多只能获得局部网络信息，传感器网络中的路由协议具有很多传统网络路由协议没有的特点[5-9]。首先，无线传感网络路由协议注重于均衡整个网络系统的能量开销。由于节点消耗的能量较小且有限，只有减少整个协议的能量开销，并且尽量均衡在节点之间的能量开销，才能最大可能的加长网络正常工作的时间。其次，无线传感网络的路由协议是大多以数据为中心的。无线传感网络的路由协议不再使用传统网络中以地址为中心的路由算法，而是依据想要收集的数据建立数据源到网关或目标节点的路径。最后，传感器网络的路由协议与其应用环境具有很强的相互关联性，依据应用环境的不同路由协议的差别也可能很大，没有一个通用的路由协议。3.2路由协议的分类现有的无线传感器路由协议可以分为四类[7-9]：以数据为中心的路由协议、基于集群（Clustering）结构的路由协议、基于地理信息的路由协议和基于Qos的路由协议。1、以数据为中心的路由协议以数据为中心的路由协议会对感知到的数据按照属性命名，在传输过程中对具有相同属性的数据进行融合操作，减少网络中的冗余数据的传输开销。这一类型的路由协议同时集成了网络路由任务和应用层数据管理任务。2、集群结构的路由协议集群结构的路由协议对路由算法的可扩展性进行重点考虑。它的主要特点就是按照特定的规则将传感器节点划分为不同集群，通过每个集群的头节点汇聚集群内的感知数据或转发其他集群头结点的数据。39 基于无线传感网络的数据采集系统设计这种类型的协议一般具有两种工作模式：单层模式和多层模式。单层模式，是指路由协议只对网络中的传感器节点进行一次集群划分，通常要假设每个集群的头节点能直接与Sink节点进行通讯。多层模式，则是指路由协议会对传感器节点进行多次划分，即对集群头节点也进行集群划分。集群结构网络的可控制性要比平面网络好，而且扩展性也比较好，网络响应时间也相对较短。1、基于地理位置信息的路由协议基于地理位置信息的路由协议首先假定传感器节点能够知道自身所处的地理位置或能够借助基于部分标定节点的地理位置信息计算出自己所处的地理位置。节点的地理位置信息可以作为一个用来改善本部分已有路由算法的性能的辅助条件。比如通过将查询请求或者感知信息发送给指定目标亿减少泛洪（Flooding）算法的数据无效传输问题，也可直接利用地理位置信息来实现路由。2、基于Qos的路由协议基于Qos的路由协议在实现路由发现和维护的同时，也力求满足网络的Qos需求。一些协议在建立路由路径时会同时考虑节点的剩余能量、各个数据包的优先级、估计点到点的延时，进而为数据包的传递选择一条最优路径。3.3无线传感器网络路由协议的分析与比较3.3.1泛洪路由算法和协商路由算法泛洪路由（Floodingrouting）是一个包括较少硬件设备的简单的路由决策。该路由决策最基本的思想是从一个节点受到的数据包被复制并且在所有输出链路上传送，但传送给它的那条链路除外。经过第一次传送后，在一跳之内的所有路由器都收到了该数据包，经过第一次传输之后，在两跳之内的所有路由器都收到了该数据包，收到该数据包的节点重复上述操作，一次进行下去······直到有一个设备停止传送为止。因此，这一算法会导致业务流量随时不断增加（如图3-1所示）[15]。在图3-1中，有三个数据包从源点到达了A节点，第一个数据包被复制给了B节点和C节点。在B节点和C节点上，所复制的数据包又被再次复制它们的相邻节点。该方式在包反射方面具有缺陷：一个节点可能会收到一个它不想要的数据包副本。尽管这一问题可以通过随时丢弃它不想要的数据包来防止数据包的扩散，但仍造成不必要的传输流量的增加使得网络不能有效地运行。一种有效防止数据包被重复复制的方法是给每个节点装置一个存储器，通过这个存储器来识别并阻止那些已经被重复传递过的数据包。39 基于无线传感网络的数据采集系统设计源点AFCDEB目的地图3-1泛洪算法示意图协商路由是泛洪路由的改进版本。协商路由（SPIN,SensorProtocolforInformationviaNegotiation）[27]是一种以数据为中心的自适应路由协议。该协议考虑了WSN中的数据冗余问题——邻近的节点所感知的数据具有相似性，采用节点间协商的方式减少网络中的数据的传输的数据量。节点仅广播其他节点所没有的数据来减少冗余数据，从而有效减少能量开销。SPIN协议采用三次握手协议来实现数据的交互，协议运行过程中使用三种报文数据：ADV、REQ、DATA[28]。ADV用于数据的广播，REQ由于请求发送数据，DATA为原始感知数据包。SPIN协议有两种工作模式：SPIN1和SPIN2，SPIN2在SPIN1的基础上做了一些能量上的考虑。如图3-2所示，在SPIN1中，当节点A感知到有新事件发生之后，便会主动给其相邻节点广播该事件的ADV报文，收到该报文的B节点首先检查自己是否拥有报文中所描述的数据，如图3-2（1）所示。如果没有，则B节点就向A节点发送REQ报文，在REQ报文中给出了需要节点A给出的数据列表，如图3-2（2）所示。当A节点收到REQ报文后，就将相关数据发送给B节点，如图3-2（3）所示。接着B节点发送ADV报文到其相邻节点如图3-2（4）所示，但由于A节点已具有ADV描述的内容，故A不响应B的ADV报文，即不会发送REQ给B。协议按照这样的方式进行一实现SPIN1算法。若B节点发现自己已保存有ADV中所描述的数据，则它就不响应A节点的ADV报文，即不会发送REQ请求报文，如图3-2（5）[27-30]。SPIN2模式则考虑了节点剩余能量值，当节点剩余能量值低于某个已设定的门限值时就不参与任何报文的转发，仅能够接收来自相邻节点的报文和发出REQ报文。39 基于无线传感网络的数据采集系统设计在SPIN协议下，节点不需要维护邻居节点的信息，一定程度上适应了节点移动的情况。在耗能方面，模拟结果证明比传统模式减少一半。不过，该算法不能确保数据一定能到达目标节点，尤其不适应于节点分布密度高的网络。REQREQREQDATDDATDDATDDATDDATDADVADVADVADVADV（2）（3）（5）（6）（4）（1）BABABABABABA图3-2SPIN协议工作流程3.3.2随机漫步路由算法随机漫步路由算法[31]是第一个同时实现了多跳路由和统计意义上的载荷平衡的算法。该算法模型首先需要做如下几点假设[27]：(1)大规模网络。(2)一旦安装网络节点，其移动性便非常有限，但是可以随机的开启和关闭。(3)每个节点有唯一的标志但不需要知道位置信息。39 基于无线传感网络的数据采集系统设计(4)每一个节点都位于一个方格的顶点，但是整个网络的拓扑结构是不规则的。现在为数据源传递寻找一条到达目的节点的路径的具体过程做介绍：用分布式异步版本的Bellman-Ford算法[33]计算节点间的距离来获得位置信息。对于每个中间节点，它通过一个概率计算选择最优路径，即选择一个离目标最近的相邻节点作为下一跳的路径。只要概率计算足够准确，就能保证网络中的载荷平衡。虽然是一种相对比较简单的路由算法，但它的确是一种全新的路由算法。其主要不足之处在于是网络拓扑结构相对难以实现。该算法的优势则在于节点所需存储的状态信息量比较少，均衡了路由和通信的开销；即使是同一对源节点和目的节点之间的传输，每次算出的路径也都有可能是不尽相同的。3.3.3定向扩散路由定向扩散协议（DD，DirectedDiffusion）[34]是一种基于查询的路由协议，协议中引入了几个基本概念：兴趣、梯度和路径加强。整个过程可以分为兴趣扩散、梯度建立以及路径加强三个阶段，如图3-3所示。兴趣描述的是网络中的节点所需要采集的信息类型内容。梯度方向则是节点从另一个节点处收到或查询兴趣的方向，梯度能够按成本最小化和能量自适应原则指出“兴趣”扩散的方向和数据速率。路径加强则是从多可能条路径中选择一条最优路径。兴趣兴趣兴趣SinkSinkSink源节点（a）兴趣扩散（b）梯度建立路径加强图3-3定向扩散路由机制DD协议的路径建立过程是由Sink节点发起的，Sink周期的广播“兴趣”。在“兴趣”的传播过程中，根据成本最小化和能量自适应原则协议逐跳地在每个传感器节点上建立从Sink节点到数据源的反向的梯度场，传感器节点将收集到的数据沿着梯度场传递到Sink节点。完成“兴趣”39 基于无线传感网络的数据采集系统设计扩散的同时网络的梯度场也建立完成。当网络中的传感器节点感知到相关匹配的数据以后，向所有感兴趣的相邻节点转发这个数据，收到数据的节点若不是Sink节点，就采取相同的方法转发该数据。这样Sink节点就会获得从不同路径传来的相同的数据，在收到数据后选择一条最佳路径，作为后续数据的传输路径。通过定向扩散协议，可以实现质量良好的多径传输，同时选择最优路径可以节约不少通信开销。不过，在实现数据聚合的时候，使用到的时间同步技术在传感器网络中不容易实现。另外，DD协议通过Sink节点完成对节点的查询，不适用于大规模的网络。3.3.4谣传路由谣传路由[25-27]（RumorRouting）[30]协议针对DD算法中采用泛洪方法建立路径带来的开销过大问题，引入了基于代理消息的单播随机转发方法。单播随机转发方法的主要思想如图3-4所示。在事件发生区域内的传感器节点产生代理消息，在代理消息沿着随机路径向外扩散传播的同时，汇聚节点发送的查询数据包也将沿随机路径的在网络中进行传播。当代理消息和查询消息的传输路径相遇的时候，就会形成一条Sink节点到事件区域的完整路由路径。事件发起路：径查询路径：图3-4谣传路由原理图39 基于无线传感网络的数据采集系统设计WSN的某些应用要求有较高的通信的服务质量，例如实时性和可靠性等。而在无线传感网络中，链路的稳定性是比较难以保证的，通信信道质量比较低，频繁的拓扑结构变化，为满足服务质量的保证要求，需要设计相应的可靠路由协议。相对而言，谣传路由由于具有较大的路径选择余地，使得其可靠性比较高。3.3.5LEACH算法LEACH(Low-EnergyAdaptiveClusteringHierarchy)[25]是最早提出的分层路由算法，它主要以簇内节点的能量消费问题为切入点，目的在于实现节点的工作时间的延长和能耗平衡。LEACH协议的基本思路是网络周期性地随机选择簇头节点，其他的非簇头节点以就近原则加入到相应簇头的簇内，形成虚拟簇。簇内节点首先把收集得到的数据直接发送给簇头，再经由簇头转发给Sink节点，簇头节点可以将本簇内的数据进行融合处理以减少网络传输的数据量，如图3-5所示。LEACH中的每个节点可以直接同Sink节点进行通讯，由于Sink和节点的距离较大，节点直接和Sink通讯会消耗大量能量。使用LEACH后，形成一个两级的星型网络，如图3-5所示。簇内节点直接与簇头通信，再由簇头节点和Sink节点进行通信。由于簇内节点和簇头节点的距离比较近，比节点直接与Sink节点通信的能量开销要节省得多。同时簇头还可以进行数据融合处理减少网路的传输数据量，但这样一来簇头节点的能量开销会增加，因此为避免某些节点的过早失效局面，需要定期的更换簇头节点。Sink图3-5LEACH协议网络结构图簇头节点的选择依据网络中所需的簇头节点数和迄今为止的每个节点已经成为过簇头节点的次数来决定。具体的选择办法是：每个传感器节点在[0,1]之间选择一个随机数，如果选定的值小于某一阈值T（n）,那么这个节点就成为簇头节点，T（n）的计算式如下：39 基于无线传感网络的数据采集系统设计式中，N表示网络中传感器节点的个数，k为一个网络中的簇头节点数，r为已完成的周期数，G为网络生存期总的周期数。这里的每个周期分为2个阶段：簇的建立和稳定的数据传输阶段。稳定的数据传输阶段的持续时间要大于簇建立所需要的时间。在选定了簇头节点以后，簇头节点通过广播告知整个网络中所有其他节点自己已成为簇头的事实。网络中的非簇头节点根据接收到的信号的强度决定从属的簇，并通知相应簇头，最后簇头节点采用TDMA方式为簇中的每个节点分配传输数据的时间片。3.3.6高能效传感信息采集协议（PEGASIS）高能效传感信息采集协议(PowerEfficientGatheringinSensorInformationSysterms,PEGASIS)协议[11,27,34]是为避免频繁选举簇头的通信开销在LEACH基础上改进而来的基于“链”的协议。PEGASIS将网络中的所有传感节点连接成一条链，如图3-6所示。PEGASIS协议利用贪婪算法从距离Sink节点最远的传感节点开始依次连接下一个最近的传感节点，从而把整个传感网中的所有节点组合成一条链。链中只有一个充当簇头节点角色的节点，而且簇头节点在链中顺序游走，实现节点的能耗均衡。PEGASIS协议中每个节点利用信号的强度来衡量其所有相邻节点与其距离的远近，在确定与其距离最近的节点位置同时调整发送信号的强度以便只有这个节点能够“听到”。每当节点电源耗尽，链更新一次。链中每个节点智能向相邻节点发送数据，每个传感节点沿着链传输数据到簇头节点，在数据传递过程中同时进行数据融合，簇头节点将收集到的数据传输给基站。由于只有一个节点和远距基站通信，其他节点的发送距离较小，进一步减少了能耗。但同时该协议也存在一个突出的缺点，PEGASIS算法对传感器网络寿命的提高建立在所有节点知道网络全局信息的基础上，当节点规模庞大，保存和更新网络的全局信息对于单个节点就显得十分困难；而且由于网络中的全部节点构造成一条链，如果链上的某一节点死亡，若图中节点6死亡则使得从链端到该节点的所有数据都丢失，导致PEGASIS的容错性不佳。39 基于无线传感网络的数据采集系统设计3452167Sink图3-6PEGASIS协议示意图3.3.7阈值敏感的高能效传感器网络协议（TEEN）闭值敏感的高能效传感器网络(ThresholdsensitiveEnergyEfficientSensorNetworkprotocol,TEEN)协议，是针对LEACH算法实时性不强的问题提出的一种解决方案，但TEEN不能实现周期性地采集数据。TEEN协议采用与LEACH相同的多簇结构和运行方式。不同的是，在簇的建立过程中，随着簇头节点的选定，簇头除了通过TDMA方法实现对节点的调度外，还向簇内节点广播有关数据的硬阈值和软阈值。硬阈值，是被监测数据所不能逾越的门限值，当节点检测到的数据达到硬阈值时便打开发射机向簇头传送数据，同时将检测值存入节点内部变量SV中。软阈值，则规定被测数据的变动范围，当节点检测到的数据的变化值大于硬阈值，而且同时检测到的数据与其内部变量SV的值的差异大于等于软阈值的时候，才打开发射机向簇头传送数据。TEEN协议通过设置硬阈值和软阈值这两个参数能够大大减少不必要的数据传输的次数。这个算法的优点是适用于实时性要求较高的应用系统，可以对突发事件做出快速的反应。它的缺点在于不适用与需要持续采集数据的应用环境。39 基于无线传感网络的数据采集系统设计3.4无线传感器网络路由协议的特征分析通过对前一节的各种路由协议的介绍，我们可以看出，LEACH,PEGASIS和TEEN这三种协议是属于同一个系列的具有相似特征的协议，这三种协议都是基于相同的思想开发出来的。但在相比较于TEEN和PEGASIS协议，LEACH算法簇头选举的方法较简单，也更易于实现，不需要网络中的每个节点都知道网络全局信息，同时容错性较好，网络数据传送的延时也对网络规模相对不敏感，因此更能被推广应用。基于对上面各种无线传感网络路由的优缺点的分析，可以归纳出一个好的无线传感器网络路由协议应具备如下特征：具有动态的选择汇聚节点的能力；在传感器节点上能够进行快速的信息融合和分离；根据整个网络的能量消耗进行平衡，从多条路径中随机选择最佳路径。39 基于无线传感网络的数据采集系统设计4传感器节点硬件低功耗分析传感器节点由传感器模块、处理器模块、无线通信模块和能量供应模块四部分构成。各个部分的功耗差异较大，因此应灵活采用低功耗设计策略[35]。4.1传感器模块功耗传感器的功耗占系统功耗的比例很小。优先选择耗电少的传感器，应尽量避免选用如电磁式、电容式等功耗大的传感器。改进传感器电源的供电电路设计，可以明显得降低传感器模块的能耗。对于小电流工作的传感器，可由处理器I/O口直接驱动，当不用该传感器时，将I/O口设置为输入方式。这样，外部传感器没有能量输入也就不会产生能量消耗。4.2信息处理模块的低功耗从处理器的角度看，采用ARM处理器为代表的高端处理器能量消耗比采用微控制器大很多，但其处理能力（精度）更强。故在选择处理器时应在满足系统处理能力（精度）的前提下，再考虑功耗问题。处理器模块的能量消耗主要是微处理器执行指令时的能量消耗，当处理器处于睡眠状态时其能量消耗很小。因此，传感器节点使用的处理器应支持睡眠模式。处理器的功耗主要由工作电压、运行时钟、内部逻辑复杂度以及制作工艺决定。工作电压越高，运行时钟越快，其功耗也就越大。4.3无线通信模块的低功耗无线传感器网络节点绝大部分的能量消耗在无线通信模块上。无线通信模块在空闲状态时一直监听无线信道的使用情况，检查是否有数据发送给自己，而在睡眠状态时则关闭通信模块。无线通信模块在发送状态的能量消耗最大，而空闲状态与接收状态的能量消耗相近，睡眠状态时能量消耗最少。因此减少不必要的转发和接收，并在不需要信道时能尽快进入睡眠状态，是降低无线传感器网络节点功耗的最有效方法。使用多跳短距离无线通信方式可以降低通信模块的功耗。无线通信的能量消耗与通信距离n的关系：E=kdn其中参数n满足关系2