無線傳感器網絡WSN編程1背景意義2網絡體系結構3關鍵技術分析4leach協議算法5Demo演示目錄

CONTENTS1.1定義

無線傳感器網絡(wirelesssensornetwork，簡稱WSN)，就是由部署在監測區域內大量的廉價微型傳感器節點組成，通過無線通信方式形成的一個多跳的自組織的網絡系統，其目的是協作地感知、采集和處理網絡覆蓋區域中被感知對象的信息，并發送給觀察者。傳感器、感知對象和觀察者構成了無線傳感器網絡的三個要素。1.2發展歷程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絡覆蓋點覆蓋線覆蓋面覆蓋域覆蓋1.3基本特點大規模網絡自組織網絡動態性網絡可靠性網絡應用相關的網絡以數據為中心的網絡1.4應用范圍軍事應用環境觀測和預報系統醫療護理智能家居建筑物狀態監控其他方面的應用

傳感器網絡戰場評估生活習性監測地震監測深海監控醫療狀況監控目標跟蹤和檢測小區安全監控精細農業森林火災監控2.1傳感器網絡結構傳感器網絡結構如下圖所示，傳感器網絡系統通常包括傳感器節點:隨機部署在監測區域內部或附近匯聚節點：通過互聯網或衛星將數據傳送給管理節點管理節點：對傳感器網絡進行配置和管理，發布監測任務以及收集監測數據2.1傳感器網絡結構傳感器節點隨機部署在監測區域內部或附近，通過自組織方式構成網絡傳感器節點監測的數據沿著其他傳感器節點逐跳地進行傳輸，在傳輸過程中監測數據可能被多個節點處理，經過多跳后路由到匯聚節點，最后通過互聯網或衛星或無線網絡到達管理節點。用戶通過管理節點對傳感器網絡進行配置管理，發布監測任務收集監測數據2.2傳感器節點結構傳感器模塊：信息采集、數據轉換處理器模塊：控制整個傳感器節點的操作、存儲和處理采集的數據無線通信模塊：無線通信，交換控制消息和收發采集數據能量供應模塊：提供運行所需能量，通常采用微型電池。2.3傳感器網絡協議棧左圖是早期提出的一個協議棧隨著傳感器網絡的深入研究，右圖的協議棧細化并改進了原始模型2.3傳感器網絡協議棧物理層提供簡單但健壯的信號調制和無線收發技術數據鏈路層負責數據成幀、幀檢測、媒體訪問和差錯控制網絡層主要負責路由生成與路由選擇傳輸層負責數據流的傳輸控制，是保證通信服務質量的重要部分應用層包括一系列基于監測任務的應用層軟件2.3傳感器網絡協議棧能量管理平臺

管理傳感器節點如何使用能量移動管理平臺

檢測并注冊傳感器節點的移動，維護到匯聚節點的路由任務管理平臺

在一個給定的區域內平衡和調度監測任務。3關鍵技術

無線傳感器網絡作為當今信息領域新的研究熱點，涉及多學科交叉的研究領域，有非常多的關鍵技術有待發現和研究，下面僅挑出三個關鍵技術進行詳細解釋

。數據融合數據管理無線通信技術嵌入式操作系統應用層技術網絡拓撲控制網絡協議網絡安全時間同步定位技術3.1網絡協議重點是網絡層協議和數據鏈路層協議。網絡層的路由協議決定信息的傳輸路徑數據鏈路層控制傳感器節點的通信過程和工作模式。無線傳感器網絡是以數據為中心的，這在路由協議中表現得最為突出，每個節點沒有必要采用全網統一的編址，選擇路徑可以不用根據節點的編址，更多的是根據感興趣的數據建立數據源到匯聚節點之間的轉發路徑。MAC協議首先要考慮節省能源和可擴展性，其次才考慮公平性、利用率和實時性等。3.1網絡協議MAC層的能量浪費主要表現在空閑偵聽、接收不必要數據和碰撞重傳等。由于無線傳感器網絡是應用相關的網絡，應用需求不同時，網絡協議往往需要根據應用類型或應用目標環境特征定制，沒有任何一個協議能夠高效適應所有的不同的應用。3.2網絡安全WSN安全問題是信息機密性、數據產生的可靠性、數據融合的高效性以及數據傳輸的安全性。安全機制：機密性、點到點的消息認證、完整性鑒別、新鮮性、認證廣播和安全管理、水印技術3.2網絡安全由于節點處理能力、計算能力的限制，安全性與普通網絡有很大區別，也是無線傳感器網絡安全的主要挑戰；另外，無線傳感器網絡任務的協作特性和路由的局部特性使節點之間存在安全耦合，單個節點的安全泄漏必然威脅網絡的安全，所以在考慮安全算法的時候要盡量減小這種耦合性。3.3數據融合數據融合技術可利用節點的本地計算和存儲能力、數據處理融合能力，

去除冗余信息，從而達到節省能量的目的，提高信息的準確度。數據融合技術可以與無線傳感器網絡的多個協議層次進行結合。在應用層設計中，利用分布式數據庫技術，對采集到的數據進行逐步篩選，達到融合的效果在網絡層中，很多路由協議均結合了數據融合機制，以期減少數據傳輸量。數據融合技術已經在目標跟蹤、目標自動識別等領域得到了廣泛的應用。3.3數據融合數據融合技術在節省能量、提高信息準確度的同時，要以犧牲其他方面的性能為代價。延遲的代價：數據傳送過程中尋找進行數據融合的路由、進行數據融合操作、為融合而等待其他數據魯棒性的代價：數據融合可以大幅度降低數據的冗余性，但丟失相同的數據量可能損失更多的信息4.1LEACH算法

LEACH（lowenergyadaptiveclusteringhierarchy）算法自適應分簇拓撲算法，執行過程周期性每輪循環分為簇的建立階段和穩定階段的數據通信階段

在簇的建立階段，相鄰節點動態地形成簇，隨機產生簇頭

在數據通信階段，簇內節點將數據發送給簇頭，簇頭數據融合后發送給匯聚節點

由于簇頭需要完成數據融合、與匯聚節點通信等工作，所以能量消耗大

LEACH算法使各節點等概率擔任簇頭，使得網絡中的節點相對均衡地消耗能量。4.2簇頭選舉方法

LEACH算法選舉簇頭的過程如下：節點產生一個0~1之間的隨機數，如果這個數小于閾值T(n)，則發布自己是簇頭的公告消息。在每輪循環中，如果節點已經當選過簇頭，則把T(n)設置為0，這樣該節點不會再次當選為簇頭。對于未當選過簇頭的節點，則將以T(n)的概率當選；隨著當選過簇頭的節點數目增加，剩余節點當選簇頭的閾值T(n)隨之增大，節點產生小于T(n)的隨機數的概率隨之增大，所以節點當選簇頭的概率增大。當只剩下一個節點未當選時，T(n)=1，表示這個節點一定當選。T(n)可表示為4.2簇頭選舉方法節點當選簇頭以后，發布通告消息告知其他節點自己是新簇頭。非簇頭節點根據自己與簇頭之間的距離來選擇加入哪個簇，并告知該簇頭。當簇頭接收到所有的加入信息后，就產生一個TDMA定時消息，并通知該簇中的所有節點。為了避免附近簇的信號干擾，簇頭可以決定本簇中所有節點所用的CDMA編碼。這個用于當前階段的CDMA編碼連同TDMA定時一起發送。當簇內節點接收到這個消息后，它們就會在各自的時間槽內發送數據。經過一段時間的數據傳輸，簇頭節點收齊簇內節點發送的數據后，運行數據融合算法來處理數據，并將結果直接發送給匯聚節點。4.3leach算法執行過程在隨機選擇簇頭節點的時候，要判斷該節點能量值是否大于零，然后判斷是否是非簇頭節點，如果都滿足的話，再判斷為該節點生成的隨機數是否小于閾值，如果是的話，該節點被選舉為簇頭節點在每輪中由于會產生若干個簇頭節點，所以，普通傳感器節點會判斷哪一個簇頭節點與該節點距離較近。加入到最近的簇中5.1Matlab仿真實驗這里我們選擇生成100個傳感器節點，圖中圓圈‘O’代表的是傳感器節點。傳感器節點分布在100*100坐標區域內

，這些傳感器節點都是隨機生成的。‘X’代表匯聚節點，這里匯聚節點坐標(50,50)。每個節點具有的參數為：E：節點初始能量TYPE：節點類型G：是否是非簇頭節點(小于等于0，則為普通節點，大于0，則為簇頭節點)p：節點成為簇頭的概率ETX：發射單位報文損耗能量ERX：接收單位報文損耗能量packetLength：數據包長度ctrPacketLength：控制包長度5.1Matlab仿真實驗

右圖繪制了一輪選舉后的簇頭節點，普通傳感器節點將數據發送給簇頭節點程序如下：5.1Matlab仿真實驗

5.1Matlab仿真實驗

將普通傳感器節點加入到最近的簇頭中向最近的簇頭發送信息，消耗的能量5.1Matlab仿真實驗

圖中顯示了傳感器節點隨著周期數的增加，存活的節點數變化情況5.1Matlab仿真實驗每輪之后的剩余能量圖程序如圖所示5.1Matlab仿真實驗這里我討論一下一些參數在leach

協議中的影響。上面我們在實現該算法的時候規定一個普通節點只發送一個數據包。現在如果每個普通節點發送數據包的個數增加為2，實驗結果又會怎么樣呢？我們可以看出報文個數增加，損失更多的能量，節點死亡速度越快5.1Matlab仿真實驗如果網絡節點為40呢？我們可以看到普通節點存活時間要比網絡節點為100的存活時間要長。5.1Matlab仿真實驗leach優點

:

數據采集具有集中性和周期性，因此協議非常適合于連續監控的應用系統。

在給定的時間間隔后，協議重新選舉簇首節點，以保證無線傳感器網絡獲取統一的能量分布。

5.1Matlab仿真實驗leach缺點:1.協議沒有說明簇頭節點的數目怎么分布才能及于整個網絡。因此，很可能出現