基于单片机的无线传感器网络节点的设计.doc

年月第期（总第期）广西轻工业瓜 机械与电气基于单片机的无线传感器网络节点的设计张钰玲（广西大学电气学院，广西南宁；广西职业技术学院，广西南宁）【摘要】无线传感器网络是传感器领域内一个新兴的研究方向它采用无线通信技术，由微小的传感器组成。无线传感器网络节点具备感应能力、信息处理能力和无线通信能力，使无线传感器网络有广阔的应用前景，可广泛用于军事、环境、医疗保健、空间探索及各种商业应用。本文给出了一种无线传感器网络节点的硬件和软件的设计。【关键词】无线传感器网络；节点；单片机【中图分类号】【文献标识码】【文章编号】（）引言也是大规模无线传感器网络广泛应用的前提。无线传感器网络是近年来信息科学研究的一个热点：从火星探测到野生候鸟的监测，从智能房屋到车辆监测和跟踪，从军事“智能尘埃”到辅助足球裁判，从胶囊肠镜到住院病人病情监控，从森林防火到预测山洪暴发，从人体内药物剂量控制到精细农业涵盖了军事、环境监测、农业、医疗、城市安全等方面，引起了各国学术界和工业界的广泛重视。而目前国内对于无线传感器网络的研究主要集中在无线传感器网络的组织结构，通信协议，节点模型，而对传感器的讨论较少。传感器是无线传感器网络的基本组成部分，没有传感器的无线传感器网络就是“瞎子”，“聋子”。目前，传感器技术的发展已经成为信息产业的三大支柱之一。自世纪年代以来，随着嵌入式系统、无线通信、分布式信息处理技术及（微电子机械系统）等技术的快速发展，具有感知、计算和无线网络通信能力的传感器以及由其构（）低功耗：由于节点要满足长时间独立工作的需要，因此其必须要低功耗。（）灵活性：不同的应用场合对节点的能耗、采样率、响应时间和数据处理能力要求都不相同。（）稳定性：传感器数量多，分布范围广，维护十分困难，传感器网络的软、硬件必须具有高稳定性和容错性。无线传感器网络节点的设计无线传感器网络节点的设计主要包括：硬件的设计、软件的设计和电源的设计。无线传感网络节点的结构无线传感网络节点完成对周围环境中对象的感知并进行适当的处理后，将测量值无线传送给监控中心。在不同应用中，传感器网络节点的组成不尽相同，但都由数据采集子系统（传成的无线传感器网络（，）是智感器、转换器）、数据处理子系统（控制器、存储器）、无线通能化传感器的一种新发展方向。美国年月出版的商业周刊在其“未来技术专版”中发表文章指出。传感器网络是全球未来的四大高技术产业之一。美国技术评论认为，有十种新兴技术在不远的将来会产生巨大影响，其中就包括无线传感器网络。节点的总体设计思想无线传感器网络主要特点有：节点数量大、密度高、易损耗，并且在电池能量、计算能力和存储容量等方面有限制，而且的应用环境是多样化的，存在所接前端探测器不相同、布设环境不一样的可能。要在多变的传输需求和环境下实现良好的通信，作为无线传感器网络系统核心的传感器节点，在进行设计时必须满足以下几个主要指标：（）网络性：节点必须能够自组织地形成采集、处理和收发监测数据的多跳无线网络系统，这就要求节点必须要有足够的存储空间和数据采集、处理速度等。（）小型化：较小的节点不仅可以更方便地安装。而且可以部署在更多的地点，从而可以应用于更多的场合。（）低成本：低成本是无线传感器网络节点的基本要求，信子系统（无线收发器）和电源子系统（电池、能量转换器）四部分组成。传感器网络节点的组成如图所示。图无线传感网络节点结构图数据采集子系统传感器模块是硬件平台中真正与外部信号量接触的模块，一般包括传感器探头和变送系统两部分，探头采集外部的温度、光度和磁场等需要传感的信息，将其送入变送系统，后者完成将上述物理量传化为系统可以识别的原始电信号，并且通过积分电路、放大电路的整形处理，最后经过转换成数字信号送处理器模块。我们可以根据需要选择合适的传感器对监测区域内的温度、湿度、振动、声音、光线、压力等物理信号进行测试。由于整个节点由电池供电，要求数据采集单元中的传感器体积小、低功耗、外围电路简单，最好采用不需要信号调理电路的数字式传感器。【作者简介】张钰玲（一），女，广西南宁人，广西大学在读硕士。讲师。研究智能控制和复杂网络，从事电子技术和自动控制技术丧学工作。万方数据数据处理子系统数据处理器子系统是无线传感器节点的核心，负责整个节点的设备控制、任务分配与调度、数据整合与传输等多个关键任务，考虑无线传感器网络的实际特点，作为硬件平台的中心模块，除了应具备一般单片机的基本性能外还应该有适当整个网络需要的特点：（）尽可能高的集成度；（）尽可能低的能源消耗；（）尽量快的运行速度；（）尽可能多的和扩展接；（）尽可能低的成本。在本设计中数据处理单元选用公司的微控制器，它是采用低功耗工艺生产的基于结构的位微控制器，是目前系列中功能最强大的单片机。内部采用哈佛结构，核将个工作寄存器和丰富的指令集联结在一起，所有的工作寄存器都与直接相连，实现了在一个时钟周期内执行单条指令的同时访问两个独立寄存器的操作，具有良好的性价比。具有丰富的资源和极低的功耗。它具有片内的程序，的数据，可外扩到的。：夕，它还有个位通道，个位和个位硬件定时，计数器，并可在多种不同的模式下工作，每种模式具有不同的功耗；个通道、可编程看门狗定时器和片上振荡器、片上模拟比较器；、总线接口；接口。此外，的外形尺寸很小，可以减小节点的尺寸。处理器与传感器的连接如图所示（以温度和光线为例）：因为光传感器与热传感器的工作原理相似，因此他们都可以采用同样的电路图。图中的是光敏电阻或者热敏电阻，是电阻，用作保护电路，加入电容是为了使转换器采样所得到的数据更精确。电路的工作原理是：用 的一个引脚给电路提供电源，从图中的电源输入端输入电路，的阻值根据光（为光敏电阻时）或者温度（为热敏电阻时）的变化发生片低能耗的通信芯片将可以为节点节省能量，延长寿命。是 公司推出的符合技术的高集成度工业用射频收发器件，其层和层协议符合规范的、工作在免授权的频段射频收发器，是第一款适用于产品的器件。它基于公司的技术，以 工艺制成，只需极少外部元器件，性能稳定且功耗极低。利用此芯片开发的短距离射频传输系统成本低、功耗小，适于电池长期供电。具有硬件加密、安全可靠、组网灵活、抗毁性强等特点。是常用的低功耗、短距离的无线通信芯片。芯片的内部结构如图所示：图 芯片内部结构与的连接如图所示。与处理器的连接非常简便，使用、和四个引脚表示收发数据状态；处理器通过接口（、）与交换数据，发送命令。，耵， 口日，置变化从而引起其压降的变化。将的负端与处理器的一个：转换器端口连接，处理器就可以得到一个电信号，然后处理器启动转换功能，将电信号转换成数字存入寄存器，当需要处理或者发送该数据时便可以读取。图处理器与传感器的连接无线通信子系统无线通信子系统用于传感器节点问数据通信，解决无线通信中载波频段选择、信号调制方式、数据传输速率，编码方式等，并通过天线进行节点间、节点与基站之间数据的收发。由于在无线传感网络中，最关键的技术是实现节点间的通信。随着集成电路的发展，芯片的集成度越来越高，能耗越来越少，因此，传感器节点的能耗主要是消耗在通信上，所以选择一万方数据图处理器与无线收发芯片的接口图电源子系统电能是传感器网络最珍贵的资源，它决定着传感器网络的寿命。电源子系统作为整个无线传感器节点的基础模块，是节点正常顺利工作的保证。在本设计中采用多路器芯片在总线的控制下选通所用到的传感器，没有用到的传感器不带电，以达到在无数据采集任务时及时关闭电源而节省电能的目的。软件设计系统的功耗主要有两方面的原因，一方面是硬件，要选择功耗低的器件，一方面是软件，包括节点上的工作模式和通信协议的实现。节点在休眠、唤醒、工作等不同的工作模式下的功耗差别非常大，怎样把这些不同的工作模式有机的组合起来，使其既能有效地完成需要实现的功能，又能最大限度地少消耗本来就不多的能源，是软件设计重点要考虑的问题。节点流程图如图所示。（下转第页）表各工序切削用量参数列表拟软件，在软件里按照真实机床运动结构关系及数加工内客具转运（）避绐迫庶栅咖，嚣琦趸度腕！皇控系统机理建立虚拟机床和配制数控系统，可以动态实时逼真由）光蕾加工（不罾衾由口量格彳夏加匝（击珏咖蚴：陌嗡鳓 。商耐幽神醣釉地仿真机床切削工件的全过程，这样更为精确地模拟验证零件加工结果及切削过程状态。最后。对加工结果进行测量分析和进一步优化加工程序，及时发现错误并纠正，以避免错误在实际生产中出现，造成重大损失。量蕊案量？曳阿。善盅结论此结构件属于典型超薄壁难加工零件。在实际生产中应用仿真模拟和优化程序尽管编程软件自带有仿真模拟功能，它只是对刀具轨迹路径模拟，而不是数控程序代码模拟。尤其对于五轴高速加工，仿真模拟非常必要，因为五轴切削加工，后置处理程序配置是关键，譬如同一个刀轴矢量角度位置相同（、三个轴的分矢量相同），若根据不同的角度算法原理会得到不同的后置处理摆角结果，也就是说最终的刀轴矢量摆角方位相同。但是，中间过渡的旋转方向不同，所以，可能会有个别刀具轨迹位置摆角计算结果与工件结构发生干涉。特另在拐角处经常发生，由于刀轴矢量角度方位急剧变化，而这些不合理的结果需要更改。基于以上原因，后置处理的加工程序可能会有一些意想不到的问题出现。高速加工切削速度高和进给快，为确保安全和切削状态更为稳定合理，通常先进行试切。以前的试切方法，如走空刀，切削泡沫和木材等，这些方法费时费力，最危险的是，有些潜在问题和干涉现象不能发现。在这里采用专业的数控仿真模五轴高速切削方案，从制定合理的数控工艺，到规划具有高速加工特点的数控程序加工策略等方面，已收到良好效果：（）零件生产周期缩短为常规加工方案的一，尺寸精度和表面质量完全符合零件技术要求，减少钳工打磨抛光和修整工作量，大大提高了生产效率。（）经数控测量机，检验零件的外形和各关键点位置，完全符合客户提供的几何尺寸、形位精度检验数据要求，并且每个月的批量生产过程中零件质量状态稳定。五轴高速切削技术已被广泛应用于航空航天制造业，现逐渐应用于模具制造业。目前在我国尚处于初级阶段，有待进一步研究和应用。参考文献【】艾兴高速切削加工技术【】北京：国防工业出版社，雪。蒋敏高速切削加工技术在航空薄壁件中的应用工具技术，（ ）： （上接第页）作方器件要紧密地分布在的四周，并使用较小封装。对于无线通信网络来说，天线的选择和设置会直接影响整个无线通信网络的运行质量。本节点射频芯片可以使设一加一用金属倒型引线天线和单极天线两种设计方案。引线天线是印制在电路板上的导线，通过它来感应空中电波，关研接收模式进低功惩模式一关避 一娜一（智工黼一式攮一，式接收信息其形状、尺寸应严格按照数据手册设计。图无线传感网络流程图节点设计的要点及应注意的事项射频部分是本设计的重点与难点，也是系统设计成功的关键。在模块设计过程中遇到的主要问题及解决方法有：的载波频率是，每增加个频道，而晶振的精度将影响载波的频率，从而影响通信的建立和稳定性。要求时钟源的精度在以内。射频电路工作在一高频率工作频段，抗干扰设计直接关系到射频性能和整个传感器节点的运转情况。在射频部分布线时特别要注意以下几点：一是射频电路没有用做布线的面积均需用铜填充并连接到地，以提供屏蔽达到有效抗干扰的目的；二是芯片底部应接地；为了降低延迟、减少串扰，要使用多个接地过孔将芯片底部和地层相连；三是尽可能地减少串扰，减少分布参数的影响，万方数据结束语近几年，无线传感网络越来越受到人们的重视，尤其是随着集成电路和无线通信技术的飞速发展，无线传感器网络的节点越来越少，适用范围越来越广。预料在不久的将来，无线传感器网络将会很快走向每个家庭和每个人，将极大提高人们的生活质量。参考文献【】刘君华智能传感器系统【】西安：西安电子科技大学出版社【】周立功与嵌入式系统基础教程【御北京：北京航空航天大学出版社【】单成祥等传感器的理论与设计基础及其应用【】北京：国防工业出版社【俞志根等传感器与检测技术【】匕京：科学出版社，【孙利民无线传感嚣网络【】北京：清华大学出版社，光静加工：管看量倍子面精舡（榴：（纠境刀罂、伟基于单片机的无线传感器网络节点的设计作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：引用次数：张钰玲广西大学电气学院,广西,南宁,530004;广西职业技术学院,广西,南宁,530226广西轻工业GUANGXI JOURNAL OF LIGHT INDUSTRY2008，24(12)0次参考文献(5条)1.刘君华 智能传感器系统 20052.周立功 ARM与嵌入式系统基础教程 20053.单成祥 传感器的理论与设计基础及其应用 20064.俞志根 传感器与检测技术 20075.孙利民 无线传感器网络 2005相似文献(10条)1.学位论文 蒋杰 无线传感器网络覆盖控制研究 2005无线传感器网络是由低成本、低功耗、具备感知、数据处理、存储和无线通信能力的微型传感器节点通过自组织方式形成的网络。网络覆盖和能量消耗是无线传感器网络的两个核心问题。网络覆盖决定了无线传感器网络对物理世界的监测能力，能量消耗则决定了无线传感器网络的生存时间。网络覆盖与能量消耗密切相关，节点部署则是影响网络覆盖的重要因素。本文主要针对无线传感器网络的能量高效覆盖控制问题和传感器节点的自部署问题进行了深入研究。 本文首先提出了一种能够保持网络覆盖质量的分布式节点调度机制CPNSS。CPNSS机制通过减少任意时刻网络中的活跃节点数来降低网络覆盖冗余，可以有效地减少冗余数据传输导致的能量消耗，延长无线传感器网络的生存时间。结合基于(，)-边界覆盖的冗余节点判别方法和基于节点优先级的循环依赖解析方法，CPNSS机制能够在关闭部分冗余节点后保持网络的覆盖质量。仿真实验表明，CPNSS机制不但性能优于PEAS协议，而且能比SITE算法更有效地延长无线传感器网络的FDL生存时间和-CL生存时间。 本文接着讨论了无线传感器网络的能量高效自组织问题。状态查询是无线传感器网络中一类非常重要而又频繁的操作。使用尽可能少的活跃节点来响应用户的查询请求，可以有效地延长无线传感器网络的生存时间。本文将计算能够完全覆盖目标区域并保证网络连通性的最小节点集的问题归结为MCCS问题，并提出了一种求解MCCS问题的集中式近似算法。该近似算法分两个阶段构造近似最小连通覆盖集。首先使用CVT算法构造目标区域的近似最小覆盖集。当节点通信半径大于等于2倍感知半径时，CVT算法构造的覆盖集是连通的。针对通信半径小于2倍感知半径的情况，本文提出了一种基于最小生成树(MST)的连通算法，以确保覆盖集的连通性。理论分析和仿真实验表明，CVT(+MST)算法在时间复杂性以及连通覆盖集的大小等方面均优于已有的Greedy算法。 考虑到微型传感器节点固有的易失效以及能量有限等特性，本文进一步讨论了无线传感器网络具有容错特性的能量高效自组织问题。如何使用尽可能少的活跃节点来保证目标区域的-覆盖以及通信网络的-连通是一个NP难问题。本文将上述问题归结为MKCCS问题，并提出了一种基于自剪枝思想的算法框架。在该算法框架中，可以根据应用需要分别指定连通度要求和覆盖度要求。任意能够检测-连通冗余或-覆盖冗余节点的分布式算法均可应用在该自剪枝框架中。同时，本文提出了一种基于-阶Voronoi划分的-覆盖冗余节点检测算法。并在此基础上，提出了求解MKCCS问题的分布式近似算法DSPA。仿真实验表明，DSPA算法能够可靠地构造-连通-覆盖集。由于MCCS问题是MKCCS问题在=1时的特例，DSPA算法同时为MCCS问题提供了一种分布式近似求解算法。 当前大部分能量高效覆盖控制措施都依赖于传感器节点的精确位置信息，但在大规模无线传感器网络中实现节点的精确定位在目前还是非常困难的事情。为此，本文针对节点分布服从Poisson点过程的随机无线传感器网络，提出了一种无需位置信息的分布式节点调度算法DLNS，分析了DLNS算法中网络覆盖强度、预期网络生存时间与节点部署密度之间的内在联系，讨论了均匀分布和正态分布的节点时钟异步对网络覆盖性能的影响。理论分析和仿真实验表明，DLNS算法对节点时钟异步具有较好的鲁棒性。DLNS算法计算简单，可扩展性强，不依赖任何位置信息，并且不要求严格的节点时钟同步，适合在随机部署的大规模无线传感器网络中应用。 最后，本文研究了如何通过节点移动改善随机部署的无线传感器网络的覆盖质量。提出了一种能够扩大网络覆盖面积的节点移动控制算法，并分别针对层次网络结构和平坦网络结构提出了该算法的不同实现，即基于分簇的CBAH算法和完全分布式DLBAH算法。仿真实验表明，CBAH算法和DLBAH算法不但能够有效改善随机部署的无线传感器网络的覆盖质量，而且与VOR算法相比，能用更小的节点平均移动距离获得更大的网络覆盖面积。2.学位论文 王帅 分簇的无线传感器网络中瓶颈节点问题研究 2006集成了传感器、嵌入式计算、网络和无线通信四大技术而形成的无线传感器网络是一种全新的信息获取和处理技术，它是一种新型的无基础设施的无线网络，能够协作地实时监测、感知和采集各种环境或监测对象的信息，并对其进行处理，传送到需要这些信息的用户。无线传感器网络是计算机科学技术的一个新的研究领域，具有十分广阔的应用前景，引起了学术界和工业界的高度重视。 无线传感器网络作为对人类未来生活产生深远影响的十大新兴技术之首，具有巨大的应用价值。以“数据为中心”的传感器网络只具有有限的计算能力、有限的存储能力、有限的无线通信能力和有限的电源供应能力。如何在这样有限的资源环境下获取尽可能多的、有效的感知对象的特征信息，并传输到用户节点进行处，是目前研究的重点问题，这些问题都可以归结为传感器网络的路由问题和能量管理问题。 本文的研究重点在于分簇的无线传感器网络中的瓶颈节点问题。通过分析无线传感器网络中瓶颈节点的特点、分簇路由协议机制以及瓶颈节点对分簇路由协议的影响，求得分簇的无线传感器网络中瓶颈节点的解决办法。最后，给出了瓶颈节点的标记算法和一个以该算法为基础的分簇路由协议。 传感器节点一般由电池供电，且不易更换，所以无线传感器网络最关注的问题是如何高效利用有限的能量。本文首先对无线传感器网络的能量管理作了全面介绍，系统地分析了传感器节点各个部分的能量消耗情况和节能策略。在分析了无线传感器网络能量管理策略的基础上，提出了无线传感器网络中的瓶颈节点问题，分析了瓶颈节点的特点，并给出了一个瓶颈节点标记算法，该算法可用于标记无线传感器网络中的瓶颈节点。 在无线传感器网络体系结构中，网络层的路由技术至关重要。分簇路由具有拓扑管理方便、能量利用高效、数据融合简单等优点，成为当前重点研究的路由技术。所以本文随之分析了无线传感器网络分簇路由机制，着重从簇首的产生、簇的形成和簇的路由角度系统地对当前典型的分簇路由算法进行比较和分析，并结合瓶颈节点特点和分簇路由机制，总结了瓶颈节点对分簇路由的影响。 最后，本文给出了一个分簇路由协议的设计。该协议包括动态簇组织算法和簇间路由算法，其能够较好的避免瓶颈节点能量过快消耗问题，有效的延长无线传感器网络的生存期限。3.学位论文 张瑞华 基于能量效率的无线传感器网络关键技术研究 2007无线传感器网络是由低成本、低功耗、具备感知、数据处理、存储和无线通信能力的微型传感器节点通过自组织方式形成的网络。无线传感器节点作为微小器件，只能配备有限的电源，在有些应用场合下，更换电源是近乎不可能的。这使得传感器节点的寿命在很大程度上依赖于电池的寿命，所以降低功耗以延长系统的寿命是无线传感器网络设计首要考虑的问题。网络分层机制、网络覆盖与能量消耗密切相关，分簇算法在网络分层机制中起决定性作用；节点配置方式、冗余节点查找则是影响网络覆盖的重要因素。本文主要针对无线传感器网络的分簇算法、传感器节点配置和冗余节点查找等问题从能耗效率方面进行深入研究。主要研究内容和成果如下： 1、提出了一个能量高效的最大选票和负载平衡的传感器网络分簇算法(anmaximum-Votes and Load-balanee Clustering Algorithm，VLCA)，并把该算法应用在实际场景中对能耗进行验证。在大规模的无线传感器网络中，每个节点采集的数据最终都要传输到网关节点，可以直接单跳传输到网关，也可以通过多跳传输到网关。研究表明，将传感器节点组织成簇的形式可以有效地减少网络的能量消耗，延长网络的生命周期。许多能量有效的路由协议都是在簇结构的基础上进行设计的。在分级结构的网络中，簇头节点可以收集成员节点的数据并执行数据融合，将传感器感测的大量数据组合成少量有效的信息集合经多跳路由发送到网关节点。簇头利用TDMA方式管理簇成员，簇成员的功能比较简单，不需要维护复杂的路由信息，大大减少了网络中路由控制消息的数量，具有很好的可扩充性。由于簇头节点可以随时选举产生，分级结构也具有很强的抗毁性。在分析已有的无线传感器网络分簇算法的基础上，本文设计了一种最大选票和负载平衡的高能效的传感器网络分簇算法(VLCA)。传感器节点的重要性应该由其所有邻居(包括自己)反映出来，而不仅仅是由其局部属性决定。传感器节点收集它们邻居的选票并且计算收到的所有选票。传感器节点积累的选票越多，它在整个网络中就越重要。每个节点分发给邻居的选票取决于该节点以及所有邻居节点的剩余能量。本文给出了VLCA算法的伪代码，对其性能进行了理论分析，并和其它经典的分簇算法对比验证。该算法是完全分布的，不依赖网络特定区域、大小和其拓扑结构，模拟结果显示它能减少簇的数量20到50。进一步把该算法应用在实际场景中，和其它能量效率的分簇算法相比，结果显示能延长传感器网络的生命周期。 2、提出了两种有效可行的无线传感器网络节点配置机制，并进一步把两种线性网络模型推广至大规模网络，设计实现了一种基于非均匀分簇的路由机制，并从能耗角度加以验证。无线传感器网络节点的配置和定位、跟踪一样，是无线传感器网络的一个基本问题，因为它反映了无线传感器网络的成本和监视能力。节点配置策略很大程度上可增强网络检测质量，减少能耗最终延长节点的寿命。本文通过对传感器节点无线通信能耗模型的扩展，在两种线性网络模型下，分析并仿真实现了多数据源负载时，传输信息的能耗、能量效率；通过对比分析，在无线传感器网络节点配置时，提出了两种有效可行的配置机制。当节点等间距放置时，存在一个最优的单跳距离d,它仅仅依赖于传输的数据包长度，收发器的电路特性以及信道损耗，与源节点到sink节点的总距离r无关，与节点的个数无关；按此方式布置的传感器网络，系统能耗最低。 为了进一步平衡各节点的负载，延长网络寿命，提出了另一种机制，节点按优化间距布置，优化间距由理论分析以公式形式给出并进行了仿真验证。在无线传感器网络节点布置时，这两种机制对提高能量效率，延长网络的寿命提供了很大的帮助。 结合网络分层结构，利用传感器节点的两种配置机制，进一步把两种线性网络模型推广至大规模网络，实现了一种基于非均匀分簇的路由机制，并从能耗角度加以验证。基于分簇的层次路由方法在提高网络的生命周期方面特别有效。由于簇头距离网关节点的距离一般较远，研究表明在簇头与网关节点之间通信时采取多跳的方式更有利于节约能量，然而这种做法带来了一个能量消耗不均衡的问题：在所有传感器节点的数据都发送到网关节点的“多对一”数据传输模式中，靠近网关的簇头节点由于需要转发大量来自其它簇头的数据而负担过重，过早耗尽自身能量而失效，造成网络分割，从而降低整个网络的存活时间。本文在分析网络分簇、网络节点配置等问题的基础上，设计实现了一种非均匀分簇的传感器网络路由协议。 对于大规模网络利用第一个创新点提出的基于最大选票的分簇算法进行非均匀分簇，簇头节点利用时分复用机制(TDMA)对成员节点管理；簇头节点收集并融合成员节点数据经多跳路由传输到网关节点。根据无线传感器网络节点配置时两种有效可行的节点配置机制，给定簇头节点和网关节点距离，存在一个最优跳数k=r/d，当所有k-1个中继节点正好位于簇头到网关间的k等分点位置时，端到端传输的总功耗最小。然而，在实际的网络环境中，受节点密度的限制，在每个k等分点的位置恰好找到中继节点往往是不现实的，但选择最接近最优中继位置的簇头节点作为中继节点，从而最大限度地降低端到端传输的能耗，这正是我们设计的簇头间多跳路由的基本思想。为了验证该路由协议，利用最大选票分簇算法，对大规模无线传感器网络进行均匀分簇和非均匀分簇，利用该路由协议传输簇头节点融合的数据到网关节点，对其能耗、网络生命周期进行对比验证。模拟结果显示该非均匀分簇的路由机制可以平衡网络负载，使各节点的能量均匀消耗，进一步延长整个网络的生命。 3、提出了一种基于边界覆盖的冗余传感器节点查找算法EDRNS(Efficient Distributed：Redundant Node Search)，用于网络静态覆盖控制；结合无线传感器网络的特点及其应用，提出了一种适用于移动目标跟踪的动态覆盖控制算法一-IDDCC(Information Driven Dynamic CoverageControl)，并把EDRNS算法应用于ID-DCC算法中。每个传感器节点存在一定的传感范围，当大量的传感器节点随机部署在网络的感知区域时，这些传感器节点的传感范围可能存在交叠(overlap)，从而导致覆盖冗余传感器节点的出现，如何寻找这些冗余节点并控制它们定期进入休眠状态是覆盖控制需要解决的问题。因为进入休眠状态的传感器节点基本上不消耗能量，可以大大降低整个传感器网络的能量消耗。为此，本文提出了一种高能效分布式基于边界覆盖的冗余传感器节点查找算法EDRNS(Efficient Distributed Redundant Node Search)，来实现对整个网络的静态覆盖控制。 该算法实现了传感器节点的覆盖范围问题由二维空间向一维空间有效地转化，从而降低了解决问题的复杂度；该算法不仅能够保证被监测区域的完全网络覆盖，而且能够快速地找到网络中的冗余节点：各个传感器节点独立执行冗余节点查找算法，若目标区域中传感器节点的冗余度较低时，算法可以提前结束，从而减少额外计算量，节省整体系统能耗。 目前大多数的覆盖控制机制是静态的，即在整个网络传感区域内实施静态控制管理，此时的覆盖区域是固定不变的。但在众多的应用场景中，如移动目标跟踪，大量距离目标较远的传感器节点因为检测不到目标而没有必要参与拓扑管理，如果采用静态的覆盖控制机制则会造成较大的能量浪费。此时如果实施动态覆盖控制，只在移动目标的周围实施合适的覆盖控制，并且让覆盖控制的区域随着目标的移动而动态变化，这样将能够有效地避免静态拓扑管理造成的能量浪费。本文实现了用于移动目标跟踪的动态覆盖控制算法ID-DCC(InformationDrivenDynamic Coverage Control)。该算法通过在跟踪移动目标的附近动态地构造一个有效的拓扑管理区域，由区域内的传感器节点负责完成所要求的任务，而区域之外的节点均进入休眠状态；同时，ID-DCC算法结合EDRNS算法来进一步对所构造的拓扑管理区域进行覆盖冗余控制，可有效地节省无线传感器网络系统的整体能耗。4.学位论文 张宝利 无线传感器网络覆盖问题研究 2007无线传感器网络是由部署在监测区域内大量的低成本、低功耗的廉价微型节点组成多跳自组织网络系统，节点具有存储、感知、数据处理和无线通信能力，其目的是协作的感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息，并发送给观察者。 无线传感器网络覆盖问题包括连通和覆盖两个方面。连通是指在无线传感器网络中任意两个节点间都能够直接或间接的通信，这是节点自组织成多跳网络的一个充分条件。覆盖是指通过部署网络中的节点使其能够对整个监测区域实现有效地覆盖，实现信息采集的目的。覆盖问题不仅决定着一个无线传感器网络能否正常有效地工作，而且在很大程度上决定了网络的性能、生存时间等，是无线传感器网络的一个基本问题。 在无线传感器网络中，节点布置方式在很大程度上影响了无线传感器网络的性能和效率。由于无线传感器网络通过部署大量的冗余节点实现网络的全覆盖，为了节约能量，采用动态轮换节点工作状态的方式是一种行之有效的方法。本文通过把覆盖问题逐步化简，并利用理论分析和几何证明的方法，提出了一种轮换节点工作状态的覆盖控制方法。 本文首先简单介绍了无线传感器网络，包括其产生历史、体系结构、特点、关键技术等，然后针对本文的主要内容无线传感器网络的覆盖问题研究，分析和比较了国内外几种比较流行的覆盖算法，借鉴了其中比较优秀的思想，在理论上提出了一种三维空间覆盖问题研究模型3DCM，设计了一个能量有效的三维空间分布式自治覆盖协议，该协议利用节点局部信息来对网络的覆盖进行控制。该算法利用时间共享和监测区域重叠的原理，通过对部署在网络内节点划分合适的工作集，在节点间轮换休眠和活跃节点，在保证了网络覆盖要求的同时有效利用了网络中冗余节点能量，减少了节点间的能量波动，延长了网络生存时间和提高了网络的性能。最后利用Opnet网络仿真软件对本文算法进行了仿真测试，验证了本文算法的有效性，最后对本文进行了总结与展望。5.学位论文 刘克中 无线传感器网络分布式节点定位方法研究 2006近年来，微机电系统、无线通信和数字电子技术的进步促进了具有低功耗、低代价与多功能特点的微型传感器制造技术的发展。大量具有传感单元、数据处理单元和通信单元的传感器节点引发了无线传感器网络的概念，即将大量的传感器密集地散布在感知区域，传感器间以自组织的方式构成无线通信网络，有效实现远程信息的采集、处理和传输。无线传感器网络在国防军事、环境监测、交通管理、医疗卫生、建筑和结构监测及反恐抗灾等领域具有广泛的应用前景。 无线传感器网络及其相关领域的研究引起了人们广泛的关注，主要包括各种网络协议、时间同步、协同信息处理、网络拓扑控制等。在众多相关研究领域中，传感器节点的位置信息作为网络无缝协调的基础成为了必需解决的关键问题之一。对无线传感器网络而言，设计一个可行的节点定位方案面临诸多挑战，主要表现为复杂的物理环境和有限的网络资源。 本文旨在探讨符合无线传感器网络特点和要求的分布式节点定位方法，主要工作概括如下： 本文探讨了大规模、自组织无线传感器网络实现节点定位的主要挑战。阐述了本文的选题背景及意义，综述了无线传感器网络的节点定位算法的研究进展。此外，论文简要介绍了无线传感器网络其他领域的主要研究现状。 针对典型的DV-Hop定位算法，详细分析了该算法特性，利用Cramer-Rao边界定理对定位误差特性从理论上进行了分析和探讨，然后从理论和实验两方面分析了算法中使用的跳距估计误差。在此基础上，本文提出了一种改进方法，其基本思想是根据导标节点和未知节点间的相互位置关系有选择性地利用导标节点，主要创新在于导标节点共线度概念的引入。在算法的实现中，提出了自适应共线度阈值确定方法。通过仿真实验对定位性能比较，改进算法较传统算法在平均误差和误差方差方面分别降低1045和3550。 针对无线传感器网络拓扑结构特点及经典无须测距定位方法的局限性，提出了分布式的多跳导标节点定位方法（Multi-Hop Beacon Based Localization，简称MHB定位方法）。该方法的主要创新在于应用距离矢量路由法获得邻近导标节点的同时，充分利用了三角形内点的特性及相关几何性质，在选择参与定位的导标节点集时考虑了导标节点共线度及未知节点与导标三角形的几何位置关系，并在此基础上提出了不依赖于复杂优化计算的扩展质心位置估算策略。MHB算法具有很好的自适应性、分布性和可扩展性，特别是在计算复杂度及定位精度鲁棒性等方面表现出了很好的性能。当网络密度从4到14变化过程中，该算法最大定位误差和定位误差方差分别为DV-Hop的1/61/2和1/31/2。 本文也探讨了高精度的节点定位方法，该方法的探讨是基于测距技术而展开的，刚性图理论为本方法提供了理论支撑。受随机图论中刚性图理论的启发，本文提出了基于定位协作体的节点定位方法，该方法主要思想是根据网络局部拓扑自适应形成可实现节点位置估计的定位协作体，然后通过优化计算实现未知节点的位置估计。这种基于协作模式的定位策略的主要优点在于充分利用了多跳导标节点的位置信息，同时还可有效避免了定位误差在网络中恶性传播和积累。论文重点描述了基于协作模式的节点定位方法的基本原理及定位协作体的生成算法。仿真结果表明，提出的定位策略具有较好的自适应性、鲁棒形和可靠性，当测距误差方差从0.0250.30倍通信视距时，定位误差为0.020.36倍通信视距，该定位精度能满足多数场合下无线传感器网络对节点位置信息的精度要求。 在上述定位方法的研究基础上，本文分析了定位服务质量的相关问题，提出了区分定位服务策略，即在实际的应用中可以根据定位需求和定位场景提供不同服务质量的定位支持。这种策略的提出可以使定位算法在满足系统定位精度的前提下大大降低系统能耗，这为无线传感器网络定位问题提供了新的解决思路。 论文最后总结了所作的工作，并就进一步的研究方向进行了简单探讨。6.学位论文 温俊 能量高效的无线传感器网络覆盖控制技术研究 2009近年来，无线传感器网络在许多应用领域中得到广泛部署，并表现出更多的应用潜力。节点部署和覆盖控制是无线传感器网络的基本问题，节点部署方式影响了网络的构建成本、覆盖质量、拓扑结构和路由算法，是覆盖控制问题的基础。覆盖控制则是利用网络的冗余性，通过节点调度、密度控制等手段，在保证网络覆盖性能的前提下，提高节点的能量效率，延长网络生存期的方法。本文从提高能量效率的角度，研究了包括最少节点部署和多种覆盖控制方法在内的若干问题，主要研究工作有： (1)无线传感器网络的数据传输特性使得能量消耗在空间上分布不均衡，导致节点均匀部署时网络的能量效率不高，因而本文提出和解决了最少节点部署问题，即如何部署最少的节点以满足覆盖率和网络生存期的要求。为解决上述问题，首先建立了传感器网络的能量消耗模型。在此模型下，本文分别给出了受控和随机两种情形下的节点数量/密度递减部署策略：1)节点数量递减的重叠放置。受三角点阵排列的良好特性启发，在点阵中的不同位置点上放置不同数量的节点，靠近sink的位置点放置的节点多，远离sink的位置点放置的节点少。2)密度递减部署。根据随机部署模型，估算满足覆盖率要求时的最少活跃节点密度，进而求出给定网络生存期时的每个子区域应部署的最小节点密度。总的说来，节点密度随距离变化，内层区域部署的节点密度大，外层区域部署的节点密度小。理论分析和实验仿真表明，节点数量递减的重叠放置和密度递减的随机部署比节点数均等放置和随机均匀部署所需的节点数量小，剩余能量少，节点的能量效率高。 (2)由于异构节点可以提高传感器网络的生存期和可扩展性，因此针对异构网络环境，本文提出和研究了异构传感器网络的最小转发连通覆盖集(MRCSC)问题，即找到满足下面两个条件的最少活跃节点集合：1)完全覆盖任务区域。2)转发连通，每个活跃节点至少存在一条到达任一异构节点的可达路径。由于MRCSC问题是NP-难的，本文给出了两阶段的近似求解方法：1)寻找近似最小覆盖集。三角点阵排列具有节点数渐近最少的性质，但是在随机部署的网络中很难确保每次都能够在点阵的位置点上恰好找到节点，因而我们给出了限制点阵不规则性传播的条件，并以此为依据设计了分布式构建近似最小覆盖集(MSC)的算法。2)验证和增强转发连通性。为了判定集合的转发连通性，我们证明了集合转发连通的判定条件，进而又将增强转发连通问题转化为寻找转发连通树的问题。在给出的分布式算法中，通过转发连通验证、叶节点请求增强的迭代过程实现了覆盖子集的转发连通。仿真实验表明，MSC的覆盖性能与OGDC算法接近，但是无需邻居节点的角度信息。转发连通增强过程则通过增加少量节点就可以明显改善MRCSC的转发连通性能。 (3)为了监测和感知连续出现的目标形成的目标流，本文提出了面向目标流的反应覆盖方法。反应覆盖方法根据目标流的特性，动态调节覆盖质量，主要思想是：目标流没有进入任务区域时，节点工作在低占空比的监视状态，以保存能量；当目标流进入任务区域时，节点被唤醒为目标流提供高质量的感知覆盖；当目标流离开后，节点又进入低能耗的监视状态。因此反应覆盖解决了如下问题：1)最小感知占空比。监视状态下，为了能够可靠地检测进入任务区域的目标流同时考虑能量效率，给出了节点感知占空比的下界。2)唤醒范围。发现目标流后，估算目标被发现前的平均移动距离，唤醒平均移动距离内的节点以提供可靠的感知覆盖，唤醒的节点数满足给定的覆盖质量要求。3)持续工作时间。为了给目标流提供不间断的感知覆盖，节点被唤醒后持续工作一段时间以等待下一个目标的到来，持续工作的时间取决于目标流的到达间隔时间。4)目标流离开的判决条件。使用假设检验方法检查目标的到达时间间隔样本值，节点可以准确判定目标流的离开，降低了目标流离开任务区域的误判率。仿真实验数据表明，目标流的覆盖质量接近于静态覆盖，但能量效率高，网络生存期达到静态覆盖的4-7倍，更适合对目标流的感知覆盖。 (4)针对有向感知能力的无线传感器网络，本文研究了点目标有向多覆盖集问题，目标是找出尽可能多的有向覆盖集合。由于有向节点可以调节感知方向，因而分为两步求解有向多覆盖集问题：1)方向优化。首先提出了改进的贪婪方向优化算法(EGA)，EGA选取工作方向的依据是覆盖最多还未被覆盖的目标，因而算法复杂度低，但覆盖资源分配不均。针对EGA的不足，进而又提出了公平的方向优化(EDO)算法。EDO算法中通过效用函数评估各个方向上的覆盖收益，覆盖度越低的目标其效用值越大，反之越小，因而临界目标被优先覆盖，覆盖资源被公平分配。2)节点调度。基于局部覆盖集提出了邻居感知调度(NSS)协议。NSS将节点划分为多个覆盖集，每个覆盖集轮流工作一个周期。在每个工作周期末开始竞争活跃节点，即当活跃节点判定其存在一个局部覆盖集时活跃节点在下一个工作周期内睡眠，否则继续工作，以达到节点能量均匀消耗的目的，最大化网络生存期。仿真实验表明，EGA和EDO都大大改善了目标的覆盖质量，但EDO的性能比EGA算法高了