无线传感器网络技术与应用现状的研究毕业论文 精品

1 绪论

1.1 课题背景和研究意义

无线传感器网络综合了传感器技术、嵌入式计算技术、现代网络及无线通信技术等多种先进技术。其主体是集成化微型传感器，这些微型传感器具有无线通信、数据采集和处理、协同合作的功能。无线传感器网络就是由成千上万的传感器节点通过自组织方式构成的网络，它通过这些传感器协作地实时监测、感知和采集各种环境或监测对象的信息，通过嵌入式系统对信息进行处理，并通过随机自组织无线通信网络以多跳中继方式将所感知信息传送到用户终端，使用户完全掌握监测区域的情况并做出反应[1]。

无线传感器网络的自组织性和容错能力使其不会因为某些节点在恶意攻击中的损坏而导致整个系统的崩溃，所以传感器网络非常适合应用于恶劣的战场环境，包括监控我军兵力、装备和物资状态；监视冲突区域，侦察敌方地形和布防，定位攻击目标；评估损失，侦察和探测核、生物及化学攻击等。在战场上，铺设的传感器将采集相应的信息，并通过汇聚节点将数据送至数据处理中心，再转发到指挥部，最后融合来自各战场的数据，形成我军完备的战区态势图。也可以更隐蔽的方式近距离地观察敌方的布防，或直接将传感器节点撒向敌方阵地，在敌方还未来得及反应时迅速收集有利于作战的信息。在生物和化学战中，利用传感器网络，可及时、准确地探测爆炸中心，这会为我军提供宝贵的反应时间，从而最大可能地减小伤亡。

无线传感器网络是继因特网之后，将对21世纪人类生活方式产生重大影响的IT 热点技术。如果说因特网改变了人与人之间交流、沟通的方式，那么无线传感器网络则将逻辑上的信息世界与真实物理世界融合在一起，将改变人与自然交互的方式[2][3]。无线传感器网络是新兴的下一代传感器网络，最早的代表性论述出现在1999年，题为“传感器走向无线时代”。随后在美国的移动计算和网络国际会议上，提出了无线传感器网络是下一个世纪面临的发展机遇。2003年，美国《技术评论》杂志论述未来新兴十大技术时，无线传感器网络被列为第一项未来新兴技术。同年，美国《商业周刊》又在其“未来技术专版”中发表文章指出，传感器网络是全球未来四大高技术产业之一，将掀起新的的产业浪潮。美国《今日防务》杂志更认为无线传感器网络的应用和发展，将引起一场划时代的军事技术革命和未来战争的变

革。2004年《IEEE Spectrum》杂志发表一期“传感器的国度”，论述无线传感器网络的发展和可能的广泛应用。可以预计，无线传感器网络的发展和广泛应用，将对人们的社会生活和产业变革带来极大的影响和产生巨大的推动。

1.2 国内外研究现状

1.2.1 无线传感器网络节点结构

在不同应用中，传感器节点的结构不尽相同，但一般都由传感器模块、处理器模块、无线通信模块和能量供应模块四部分组成[4]，如图1.1所示。传感器模块负责监测区域内信息的采集和数据转换，传感器的类型是由被监测物理信号的形式决定的，如用于温度监测的铂电阻传感器，用于压力传感的电容式传感器等；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他节点发送来的数据；无线通信模块负责与其他传感器节点进行无线通信，交换控制信息和收发采集数据；能量供应模块为传感器节点提供运行所需的能量，通常采用微型电池，不过己有公司探索从周围环境取得能量并将其转换成微瓦电能的方法。

图1.1 传感器节点结构

1.2.2 无线传感器网络协议栈

无线传感器网络协议栈包括物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层，与互联网协议栈的五层协议相对应，如图1.3所示。另外，协议栈还包括能量管理

平台、移动管理平台和任务管理平台。这些管理平台使得传感器节点能够按照能源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，并支持多任务和资源共享.各层协议和平台的功能如下[5],

(1)物理层提供简单但健壮的信号调制和无线收发技术；

(2)数据链路层负责数据成帧，帧检测、媒体访问和差错控制；

(3)网络层主要负责路由生成与路由选择；

(4)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；

(5)应用层包括一系列基于监测任务的应用层软件；

(6)能量管理平台管理传感器节点如何使用能源，在各个协议层都需要考虑节省能量；

(7)移动管理平台检测并注册传感器节点的移动，维护到汇聚节点的路由，使得传感器节点能够动态跟踪其邻居的位置；

(8)任务管理平台在一个给定的区域内平衡和调度检测任务。

图1.2 无线传感器网络协议栈

1.2.3 无线传感器网络的拓扑结构

无线传感器网络特定的应用环境及其固有的特征，对传感器网络拓扑结构的设

计提出了新的要求。在无线传感器网络中，节点需要完全以自组织的形式构成自治型网络，并且能够工作在无人值守的恶劣环境当中。到目前为止，无线传感器网络拓扑结构的研究主要集中在两个方向，即平面型拓扑结构和层次型拓扑结构[6]。

平面型拓扑结构，所有节点的地位平等、作用相同，既采集数据又进行数据通信的中转，网络中不存在集中式控制中心。为了有效地节省能量，远距离节点之间以多跳通信方式，如图1.4所示。平面结构网络比较简单，无需任何的结构维护过程，节点根据预定的路由协议自组织成无线网络。由于随机分布、高密度等特性，源节点和目的节点之间可能存在多条传输路径，如图1.4中节点A和E之间存在两条路径:A→C→D→E和A→C→F→E，既可以使用多条路径实现负载分担，也可以为不同的数据传输需求选择适当的路径。平面结构网络中所有的传感器节点理论上是对等的，不存在瓶颈和单点故障，所以比较健壮，但是网络规模受限，动态扩展性差，难以维护。在平面结构中，源节点为了获得目的节点信息通常需要传输大量的查询消息，而且由于网络的动态性，如节点失效、增加等，维护这些动态变化的路由信息需要发送大量的控制消息.网络规模越大路由维护的开销就越大，当网络的规模增加到某个程度时，网络的所有带宽可能被路由协议消耗掉，所以平面式结构的网络扩展性较差。

图1.3 平面型拓扑结构