無線傳感器網(wǎng)絡(luò)WSN編程

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)WSN編程1背景意義2網(wǎng)絡(luò)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(luò)(wirelesssensornetwork，簡(jiǎn)稱WSN)，就是由部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)大量的廉價(jià)微型傳感器節(jié)點(diǎn)組成，通過無線通信方式形成的一個(gè)多跳的自組織的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中被感知對(duì)象的信息，并發(fā)送給觀察者。傳感器、感知對(duì)象和觀察者構(gòu)成了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的三個(gè)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(luò)覆蓋點(diǎn)覆蓋線覆蓋面覆蓋域覆蓋1.3基本特點(diǎn)大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)自組織網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)性網(wǎng)絡(luò)可靠性網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)以數(shù)據(jù)為中心的網(wǎng)絡(luò)1.4應(yīng)用范圍軍事應(yīng)用環(huán)境觀測(cè)和預(yù)報(bào)系統(tǒng)醫(yī)療護(hù)理智能家居建筑物狀態(tài)監(jiān)控其他方面的應(yīng)用

傳感器網(wǎng)絡(luò)戰(zhàn)場(chǎng)評(píng)估生活習(xí)性監(jiān)測(cè)地震監(jiān)測(cè)深海監(jiān)控醫(yī)療狀況監(jiān)控目標(biāo)跟蹤和檢測(cè)小區(qū)安全監(jiān)控精細(xì)農(nóng)業(yè)森林火災(zāi)監(jiān)控2.1傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如下圖所示，傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)通常包括傳感器節(jié)點(diǎn):隨機(jī)部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)部或附近匯聚節(jié)點(diǎn)：通過互聯(lián)網(wǎng)或衛(wèi)星將數(shù)據(jù)傳送給管理節(jié)點(diǎn)管理節(jié)點(diǎn)：對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行配置和管理，發(fā)布監(jiān)測(cè)任務(wù)以及收集監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)2.1傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)傳感器節(jié)點(diǎn)隨機(jī)部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)部或附近，通過自組織方式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)傳感器節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)沿著其他傳感器節(jié)點(diǎn)逐跳地進(jìn)行傳輸，在傳輸過程中監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可能被多個(gè)節(jié)點(diǎn)處理，經(jīng)過多跳后路由到匯聚節(jié)點(diǎn)，最后通過互聯(lián)網(wǎng)或衛(wèi)星或無線網(wǎng)絡(luò)到達(dá)管理節(jié)點(diǎn)。用戶通過管理節(jié)點(diǎn)對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行配置管理，發(fā)布監(jiān)測(cè)任務(wù)收集監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)2.2傳感器節(jié)點(diǎn)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(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的操作、存儲(chǔ)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(yīng)模塊：提供運(yùn)行所需能量，通常采用微型電池。2.3傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧左圖是早期提出的一個(gè)協(xié)議棧隨著傳感器網(wǎng)絡(luò)的深入研究，右圖的協(xié)議棧細(xì)化并改進(jìn)了原始模型2.3傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧物理層提供簡(jiǎn)單但健壯的信號(hào)調(diào)制和無線收發(fā)技術(shù)數(shù)據(jù)鏈路層負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)成幀、幀檢測(cè)、媒體訪問和差錯(cuò)控制網(wǎng)絡(luò)層主要負(fù)責(zé)路由生成與路由選擇傳輸層負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)流的傳輸控制，是保證通信服務(wù)質(zhì)量的重要部分應(yīng)用層包括一系列基于監(jiān)測(cè)任務(wù)的應(yīng)用層軟件2.3傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧能量管理平臺(tái)

管理傳感器節(jié)點(diǎn)如何使用能量移動(dòng)管理平臺(tái)

檢測(cè)并注冊(cè)傳感器節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)，維護(hù)到匯聚節(jié)點(diǎn)的路由任務(wù)管理平臺(tái)

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

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為當(dāng)今信息領(lǐng)域新的研究熱點(diǎn)，涉及多學(xué)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(gè)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)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(yīng)用層技術(shù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂凭W(wǎng)絡(luò)協(xié)議網(wǎng)絡(luò)安全時(shí)間同步定位技術(shù)3.1網(wǎng)絡(luò)協(xié)議重點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議和數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議。網(wǎng)絡(luò)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(diǎn)的通信過程和工作模式。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)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(gè)節(jié)點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)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(kuò)展性，其次才考慮公平性、利用率和實(shí)時(shí)性等。3.1網(wǎng)絡(luò)協(xié)議MAC層的能量浪費(fèi)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(luò)是應(yīng)用相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)，應(yīng)用需求不同時(shí)，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議往往需要根據(jù)應(yīng)用類型或應(yīng)用目標(biāo)環(huán)境特征定制，沒有任何一個(gè)協(xié)議能夠高效適應(yīng)所有的不同的應(yīng)用。3.2網(wǎng)絡(luò)安全WSN安全問題是信息機(jī)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浴０踩珯C(jī)制：機(jī)密性、點(diǎn)到點(diǎn)的消息認(rèn)證、完整性鑒別、新鮮性、認(rèn)證廣播和安全管理、水印技術(shù)3.2網(wǎng)絡(luò)安全由于節(jié)點(diǎn)處理能力、計(jì)算能力的限制，安全性與普通網(wǎng)絡(luò)有很大區(qū)別，也是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)安全的主要挑戰(zhàn)；另外，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)任務(wù)的協(xié)作特性和路由的局部特性使節(jié)點(diǎn)之間存在安全耦合，單個(gè)節(jié)點(diǎn)的安全泄漏必然威脅網(wǎng)絡(luò)的安全，所以在考慮安全算法的時(shí)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(diǎn)的本地計(jì)算和存儲(chǔ)能力、數(shù)據(jù)處理融合能力，

去除冗余信息，從而達(dá)到節(jié)省能量的目的，提高信息的準(zhǔn)確度。數(shù)據(jù)融合技術(shù)可以與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的多個(gè)協(xié)議層次進(jìn)行結(jié)合。在應(yīng)用層設(shè)計(jì)中，利用分布式數(shù)據(jù)庫技術(shù)，對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行逐步篩選，達(dá)到融合的效果在網(wǎng)絡(luò)層中，很多路由協(xié)議均結(jié)合了數(shù)據(jù)融合機(jī)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(biāo)跟蹤、目標(biāo)自動(dòng)識(shí)別等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)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(zhǔn)確度的同時(shí)，要以犧牲其他方面的性能為代價(jià)。延遲的代價(jià)：數(shù)據(jù)傳送過程中尋找進(jìn)行數(shù)據(jù)融合的路由、進(jìn)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(jià)：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(yīng)分簇拓?fù)渌惴?，?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(diǎn)動(dòng)態(tài)地形成簇，隨機(jī)產(chǎn)生簇頭

在數(shù)據(jù)通信階段，簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)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(diǎn)

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

LEACH算法使各節(jié)點(diǎn)等概率擔(dān)任簇頭，使得網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)相對(duì)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(diǎn)產(chǎn)生一個(gè)0~1之間的隨機(jī)數(shù)，如果這個(gè)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(diǎn)已經(jīng)當(dāng)選過簇頭，則把T(n)設(shè)置為0，這樣該節(jié)點(diǎn)不會(huì)再次當(dāng)選為簇頭。對(duì)于未當(dāng)選過簇頭的節(jié)點(diǎn)，則將以T(n)的概率當(dāng)選；隨著當(dāng)選過簇頭的節(jié)點(diǎn)數(shù)目增加，剩余節(jié)點(diǎn)當(dāng)選簇頭的閾值T(n)隨之增大，節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生小于T(n)的隨機(jī)數(shù)的概率隨之增大，所以節(jié)點(diǎn)當(dāng)選簇頭的概率增大。當(dāng)只剩下一個(gè)節(jié)點(diǎn)未當(dāng)選時(shí)，T(n)=1，表示這個(gè)節(jié)點(diǎn)一定當(dāng)選。T(n)可表示為4.2簇頭選舉方法節(jié)點(diǎn)當(dāng)選簇頭以后，發(fā)布通告消息告知其他節(jié)點(diǎn)自己是新簇頭。非簇頭節(jié)點(diǎn)根據(jù)自己與簇頭之間的距離來選擇加入哪個(gè)簇，并告知該簇頭。當(dāng)簇頭接收到所有的加入信息后，就產(chǎn)生一個(gè)TDMA定時(shí)消息，并通知該簇中的所有節(jié)點(diǎn)。為了避免附近簇的信號(hào)干擾，簇頭可以決定本簇中所有節(jié)點(diǎn)所用的CDMA編碼。這個(gè)用于當(dāng)前階段的CDMA編碼連同TDMA定時(shí)一起發(fā)送。當(dāng)簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)接收到這個(gè)消息后，它們就會(huì)在各自的時(shí)間槽內(nèi)發(fā)送數(shù)據(jù)。經(jīng)過一段時(shí)間的數(shù)據(jù)傳輸，簇頭節(jié)點(diǎn)收齊簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)后，運(yùn)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(diǎn)。4.3leach算法執(zhí)行過程在隨機(jī)選擇簇頭節(jié)點(diǎn)的時(shí)候，要判斷該節(jié)點(diǎn)能量值是否大于零，然后判斷是否是非簇頭節(jié)點(diǎn)，如果都滿足的話，再判斷為該節(jié)點(diǎn)生成的隨機(jī)數(shù)是否小于閾值，如果是的話，該節(jié)點(diǎn)被選舉為簇頭節(jié)點(diǎn)在每輪中由于會(huì)產(chǎn)生若干個(gè)簇頭節(jié)點(diǎn)，所以，普通傳感器節(jié)點(diǎn)會(huì)判斷哪一個(gè)簇頭節(jié)點(diǎn)與該節(jié)點(diǎn)距離較近。加入到最近的簇中5.1Matlab仿真實(shí)驗(yàn)這里我們選擇生成100個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)，圖中圓圈‘O’代表的是傳感器節(jié)點(diǎn)。傳感器節(jié)點(diǎn)分布在100*100坐標(biāo)區(qū)域內(nèi)

，這些傳感器節(jié)點(diǎn)都是隨機(jī)生成的。‘X’代表匯聚節(jié)點(diǎn)，這里匯聚節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)(50,50)。每個(gè)節(jié)點(diǎn)具有的參數(shù)為：E：節(jié)點(diǎn)初始能量TYPE：節(jié)點(diǎn)類型G：是否是非簇頭節(jié)點(diǎn)(小于等于0，則為普通節(jié)點(diǎn)，大于0，則為簇頭節(jié)點(diǎn))p：節(jié)點(diǎn)成為簇頭的概率ETX：發(fā)射單位報(bào)文損耗能量ERX：接收單位報(bào)文損耗能量packetLength：數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度ctrPacketLength：控制包長(zhǎng)度5.1Matlab仿真實(shí)驗(yàn)

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

5.1Matlab仿真實(shí)驗(yàn)

將普通傳感器節(jié)點(diǎn)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(shí)驗(yàn)

圖中顯示了傳感器節(jié)點(diǎn)隨著周期數(shù)的增加，存活的節(jié)點(diǎn)數(shù)變化情況5.1Matlab仿真實(shí)驗(yàn)每輪之后的剩余能量圖程序如圖所示5.1Matlab仿真實(shí)驗(yàn)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?cè)趯?shí)現(xiàn)該算法的時(shí)候規(guī)定一個(gè)普通節(jié)點(diǎn)只發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)包?，F(xiàn)在如果每個(gè)普通節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)包的個(gè)數(shù)增加為2，實(shí)驗(yàn)結(jié)果又會(huì)怎么樣呢？我們可以看出報(bào)文個(gè)數(shù)增加，損失更多的能量，節(jié)點(diǎn)死亡速度越快5.1Matlab仿真實(shí)驗(yàn)如果網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)為40呢？我們可以看到普通節(jié)點(diǎn)存活時(shí)間要比網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)為100的存活時(shí)間要長(zhǎng)。5.1Matlab仿真實(shí)驗(yàn)leach優(yōu)點(diǎn)

:

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(yīng)用系統(tǒng)。

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

5.1Matlab仿真實(shí)驗(yàn)leach缺點(diǎn):1.協(xié)議沒有說明簇頭節(jié)點(diǎn)的數(shù)目怎么分布才能及于整個(gè)網(wǎng)絡(luò)。因此，很可能出現(xiàn)