无线传感器网络节点自身定位技术——计算机毕业论文全

无线传感器网络节点自身定位技术——计算机毕业论文全内容摘要：

9 无线传感器网络概述 无线传感器网络体系结构 1．无线传感器网络体系结构 无线传感器网络结构如图 1． 1所示，传感器网络系统通常包括传感器节点(Sensornode)、汇聚节点 (Sink node，也称网关节点 )和管理节点。 大量 传感器节点随机散布在指定的监测区域 (Sensor field)内部或附近，通过自组织方式构成网络。 每个传感器节点都可以收集数据，并通过。 多跳”路由方式把数据传送到 Sink节点 [3]。 Sink节点也可以用同样的方式将信息发送给各节点。 Sink节点直接与 Inter或通信卫星相连，通过 Inter或通信卫星实现任务管理节点 (观察者 )与传感器之间的通信。 图 1． 1 无线传感器网络体系结构 从本质上来说，传感器节点是一个微型化的嵌入式系统 ，由电池提供能量，具有有限的计算、存储、通信能力，节点的通信距离也 比较短，一般只与其紧邻的节点交换信息，通过多跳的方式传输数据。 因此，节点在网络中兼顾传统网络节点的终端和路由器双重功能，除了进行本地数据采集和处理外，还要与其他节点协作进行数据存储、融合等处理。 相对而言， sink节点的计算、存储、通信能力较强，可以是特殊的网关设备，它实现了传感器网络和外部网络的互重庆邮电大学移通学院毕业设计（论文） 10 连，实现两种协议栈之间的通信协议转换，同时发布管理节点的监测任务，并把手机的数据转发到外部网络上。 2．无线传感器网络节点硬件结构 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组 成 ，如图 1． 2所示。 传感器模块负责监测区域内信息的采集和数据转换，包括传感器和模／数转换器两部分，传感器用于感知、获取外界的信息，并通过模／数转换器将其转换为数字信号，被监测物理信号的形式决定了传感器的类型。 处理器模块负责控制整个传感器节点的操作，存储和处理本身采集的数据以及其它节点发来的数据，它包括嵌入式微处理器、存储器，某些复杂应用可能还需要嵌入式 DsP的支持，传感器节点通常选用的嵌入式微处理器如 Atmel公 ATmegal28L， Motor01a的 68Hcl6， A脚等。 无线通信模块负责数据传输和与其他传感器或观察者 的通信，主要由低功耗、短距离的无线通信模块及天线组成，比如 Chipcon公司的 ccl000等。 能量供应模块为传感器提供正常工作所必需的能源，通常采用微型电池。 图 1． 2传感器节点系统结构 3．无线传感器网络节点软件构成 传感器网络节点的系统软件和应用软件为传感器提供必要的软件支持，如嵌入式操作系统、嵌入式数据库、编译开发环境及应用软件等。 Tiny0S(Tiny Mcro threading 0perating System)是由加州大学伯克利分校开发的～个开源的嵌入式操作系统，主要应用于无线传感器网络 领域。 主要特点是：基于组件 (onent— Based)的架构并提供一系列的可重用组件；基于重庆邮电大学移通学院毕业设计（论文） 11 事件驱动模式，采用事件触发去唤醒传感器工作；支持传感器网络的自主配置；无内核、进程管理和虚拟内存管理；与硬件完全集成。 编译环境方面， nesC是对 c的扩展，它基于体现 TinyOS的结构化概念和执行模型而设计。 Tinyos中的各组件、库是用 nesC编写的。 在 nesC中，程序由组件(ponents)构成，它们装配在一起 (wired)构成完整程序。 nesC目前已经被用作伯克利大学 Tiny0S的编程语言。 4．网络协 议栈及其标准 无线传感器网络的应用价值在于用大量廉价的节点进行协同工作，因而协议栈的标准化工作显得十分必要。 1998年 3月成立了 IEEE 802． 15[4]工作组，致力于 WPAN网络的物理层和 MAC子层的标准化工作，为上述在个人操作空间(Personal0perating Space， POS)内相互通信的设备提供一个统一的标准。 其中， IEEE 802． 15． 1就是著名的蓝牙标准， 802． 15． 4则针对低速率的无线个人区域网络 (LowRate Wireless Personal Area Network， LR— WPAN)，目前许多商业化的传感器节点逐步开始采用 802． 15． 4标准。 无线传感器网络特征 1．与现有无线网络的区别 传统的无线网络和 MANET(Mobile ad— hoc work)网络都是以传输数据，完成通信为目的，中间节点仅仅负责分组数据的转发，它们注重在高度移动的环境中通过优化路由和资源管理策略，最大化带宽的利用率，同时为用户提供一定的服务质量。 而无线传感器网络是以数据为中心 (Data— centric)，获取信息为目的的，中间节点不但要转发数据，还要进行与具体应用相关的数据处 理、融合和缓存，除了少数节点可能移动外，大部分节点都是静止的。 无线传感器跨络有时运行在恶劣甚至危险的远程环境中，传感器节点的电池无法更新：即使无线传感器网络工作在友好的环境中，对数量巨大的传感器节点进行电池更换也是不现实的。 因此设计有效的策略来延长网络的生存寿命是无线传感器网络的核心问题，重庆邮电大学移通学院毕业设计（论文） 12 能量效率的设计准则贯彻在无线传感器网络的硬件、软件、算法和协议等各个层面。 这是无线传感器网络和传统网络最重要的区别之一。 2．无线传感器节点的限制 [5] 1)电源能量有限 传感器节点消耗能量的模块包括传感器模块、处理器模块 和无线通信模块。 随着集成电路工艺的进步，处理器和传感器模块的功耗变得很低，绝大部分能量消耗在无线通信模块上。 图 1． 3表示传感器节点能量消耗情况，从图中可知传感器节点的绝大部分能量消耗在无线通信模块。 传感器节点传输信息时要比执行计算时更消耗电能，传输 l比特信息 100m距离需要的能量大约相当于执行1000条计算指令消耗的能量。 图 1． 3传感器节点能量消耗情况 2)通信能力有限 无线通信能量的消耗与通信距离的关系为： E=Kdn 其中，参数 n满足关系 2n4。 n的取值与很多因素有关，例如传感器节点部署贴近地面 时，障碍物多干扰大， n的取值就大；天线质量对信号发射质量的影响也很大。 考虑诸多因素，通常 n取 3，随着通信距离的增加，能耗将急剧增大。 因此在满足通信连通度的前提下尽量减少单跳通信距离。 3)计算和存储能力有限 传感器节点是一种微型嵌入式设备，要求它价格低功耗小，这些限制必然重庆邮电大学移通学院毕业设计（论文） 13 导致其携带的处理器能力比较弱，存储器容量比较小。 传感器节点需要完成监测数据的采集和转换、数据的管理和处理、应答汇聚节点的请求和节点控制等多种工作，利用有限的计算和存储资源完成诸多协同任务成为传感器网络设计的挑战。 3．无线传感器网络特点 无 线传感器网络为中短距离、低速率网络，射频传输成本低，各节点只需要很少的能量，功耗小适于电池长期供电，可实现一点对多点，两点问对等通信、快速组网自动配置、自动恢复和高级电源管理，任意个传感器之间可相互协调实现数据通信。 无线传感器网络由于其使用目的以及要求不同，存在着许多特点 [6]，列举如下： 1)节点硬件资源有限。 在无线传感器网络中，节点的计算能力与内存空间受到种种限制，如价格、体积，最主要的是能耗，因此，相对于普通计算机，它们的功能要弱很多。 在网络中节点采用电池作为能量来源，而由于其特殊的应用领域，决定了电 池在使用过程中既不能接受充电也不能被更换，这就使得电池能量完全决定了节点的寿命。 为此，网络节点硬件设计方面一定要考虑最大限度节电，而软件设计方面各层协议也要将节能置于重要地位，必要时甚至可以为节能而牺牲其他网络性能指标，尽可能地提高节点的工作寿命，从而延长整个网络的工作时间。 2)无中心和自组织性。 网络中没有严格的控制中心，一般情况下所有节点地位平等，属于对等式网络。 网络中的节点通过分布式算法来调节彼此的行为，无需人工干预和任何其它预置的网络设施。 可以在任何时刻任何地方快速展开并自动组网，加入网络或从网络中 分离也可以随时发生，由于网络的分布式特征、节点的冗余性和不存在单点故障瓶颈，使得网络的鲁棒性和抗毁性很好。 3)受限的无线传输带宽。 无线传感器网络采用无线传输技术作为底层通信手段，由于无线信道本身的物理特性，它所能提供的网络带宽相对有线信道要低得多。 此外，考虑到竞争共享无线信道产生的冲突、信号衰减、噪声和重庆邮电大学移通学院毕业设计（论文） 14 信道之间干扰等多种因素，节点终端得到的带宽远远小于理论上的最大带宽。 4)多跳路由。 由于网络中节点的通信半径有限，故要实现与更多的节点交换信息，就必须通过中间节点进行路由。 无线传感器网络的路由无法像固定网络 一样通过网关与路由器，而只能通过普通节点对信息的发送与转发完成。 5)超大规模。 为了完成对物理世界高密度的感知，无线传感器网络系统一般由成千上万个微小传感器构成，比较无线自组网络规模成数量级的提高。 无线传感器网络主要不是依靠单个设备能力的提升，而是通过大规模，冗余的嵌入式设备的协同工作来提高系统的可靠性和工作质量。 尽管在未来 5— 10年内，具有计算、存储、通信、感知能力的嵌入式设备 (节点 )的体积可以小到 l舢 3，但单体的能力还十分有限。 6)动态变化的网络拓扑。 网络的拓扑结构是指从网络层角度来看的物理网络的逻辑 视图。 在无线传感器网络中节点可以随处移动，网络中随时可能发生节点加入或退出网络的事件，加之无线信道间的互相干扰、地形和天气等综合因素的影响，会使网络的拓扑结构随时发生变化，而且变化的方式和速度都难以预测。 7)无人值守。 传感器的应用与物理世界紧密联系，传感器节点往往密集的分布在需要监控的物理环境之中。 由于规模巨大，不可能人工“照顾”每个节点，网络系统往往在无人值守的状态下工作。 每个节点只能依靠自带或自主获取的能源 (电池、太阳能 )供电。 由此导致的能源受限是阻碍无线传感器网络发展及应用的最重要的“瓶颈”之一。 8)易受物理环境的影响 —— 动态性强。 无线传感器网络与其所在的物理环境密切相关，并随着环境的变化而不断的变化。 这些时变因素严重的影响了系统的性能，如低能耗的无线通信易受环境的影响；外界激励变化导致的网络负载和运行规模的动态变化；随着能量的消耗，系统工作状态的变化都要求传感器网络系统要具有对动态变化环境的适应性。 重庆邮电大学移通学院毕业设计（论文） 15 1． 2． 3 关键技术与研究热点问题 作为一种新兴的网络形态，同时又是传感技术、通信技术、微机电 (MEMS，Micro_E1ectroMechanism system)技术，嵌入式技术、分布式计算技术等 多学科交叉 的 领域，传感器网络一经提出便引起了多方面的关注，这也意味着有众多关键技术与热点问题有待研究 [7]。 1．传感器节点的定位问题 传感器节点的部署大部分采用随机部署的方法，因为它数目众多，考虑到费用问题，每个节点都带有定位系统是不可能的。 定位是大多数应用的基础，目前主要的研究方向是如何利用少数锚节点提供的位置信息和其他节点的通信之间的约束 (邻居节点之间无线通信半径 )，未知节点估算出自身的位置。 另一个。