单片机的无线传感器网络节点硬件设计方案

1、科技信息 高校理科研究 基于单恃和的无线传感器网络节点硬件设计 公安海警高等专科学校嵇鼎毅 陈君波 摘要】传感器节点是无线传感器网络的基本组成元素。本文通过对传感器节点的特性分析，采用MSP 4 3 0和nKF 9 0 5为主要芯片 设计了一种无线传感器网络节点。经测试可满足节点微型化、低功耗、实时处理能力强、高可靠性等要求。 MS 比较器， 控制模块 12.5m 序号 关键词】无线传感器网络节点单片机 引言 无线传感器网络是继I ntemet之后，将对21世纪人类生活方式产 生重大影响的一种IT热点技术。2 0 0 3年著名的荚禺商业周刊在其 “未来技术专版 ”中发表文章指出。效用计算、传感

2、器网络、塑料电子学 和仿生人体器官是全球未来的四大高技术产业。它们将掀起新的产业 浪潮。2 0 0 3年MIT技术评论TechnologyReview在预测 未来技术发展的 报告中认为，有十种新兴技术在不远的将来将改变世界，其中无线传感 器网络被列为首位。 传感器节点an” r nodO作为WSN的最基本的元素同时也是一个 很重要的元素。节点设计的好坏直接决定整个系统的功能能否实现、各 项性能指标能否符合要求。因此对节点的设计、分析是设计WSN的首 要任务。本文设计了一种基于MSP43O和nRF9O5的传感器节点，该 节 点具有高可靠性、低功耗、成本低的特点以及较好的容错性。 一、硬件节点设计

3、 ，4 3O系列单片机具有丰富的片内外设，如看门狗，定时器A、B, 口 O、1,硬件乘法器，液晶驱动，ADC，通用I,o以及基本定时 I传感器模块卜发送端发出数据，接 收到后先暂存于芯片存储器内，外面的MCU 可以在需要时再到芯片中 AnRF9O5 传输 图1硬件节点框图 无线传感器节点具有微型化、低功耗、实时处理能力强、高可靠 性、 高鲁棒性、高容错性等特点，因此在设计硬件节点时必须考虑诸多因 素。 本方案的硬件节点框图如图1所示，包括节点必备的传感器模块、 控制模块、无线收发模块，另外加了LCD显示模块，警报装置。由传感 器模块采集环境中的温度、湿度等信息，将信息传递给控制模块；控制 模块

4、对采集到的数据进行处理、判断是否存在安全隐患、发送、显示； LCD模块实现数据的实时显示；警报装置在控制模块判断当前环境存 在安全隐患时报警；无线收发模块负责数据的发送与接收。 该节点结构简单，可对环境中的温度、湿度等信息进行实时监控， 具有很强的可移植性，根据具体的需求改进后可用于工业生产、农业、 科研基地等不同需要环境监测的领域，同时还可进一步推广运用于城 市车流量监测、森林防火等多种需要监控的环境中。 二、芯片选型 1、控制模块 控制模块选用MSP43O单片机，该系列单片机是德州仪器Texas Instruments）公司推出的一种超低功耗的16位工业级混合信号微处理 器。 它所具有的鲜

5、明特点使其在许多行业都得到了广泛的应用。其主要优 器。 系统工作稳定 系统上电复位后，由DCOCLOCK作为系统时钟，保证了系统从正 确的佗置开始执行。随后其灵活的时钟系统允许软件设置系统时钟，但 是在晶振振荡器作为系统时钟发生故障时，DCOCLOCK会自动作为系 统时钟以保持系统的正常工作。 2、无线收发模块 无线收发模块选用nRF9O5芯片。nRF9O5是挪威Nordic 公司推出 的单片无线收发器芯片，工作电压为1.93.6 V,待机模式下状态仅 为 2.5uA，收发模式切换时间65Ous,3 2引脚QFN封装 Smm X5ram）, 工 作于433/868/915M1 1Z3个ISM频

6、道，3个频道均可免 费使用,有效传 输距离达5O 1OOm。 nRF9O5可以自动完成处理字头和CRCf3 下面给出该命题严谨而详尽的证明： 曾见过如下两种证法： 证法一： lira n? sin 上=1 了rLa=1 1) ?当n充分大时，据极 保号性知:溯正项级数 限的 源在于2极限中式，作者将产一2部2分，享完量先取了极限： 了之后再对另一部分变量取极限：Hm导一=1。其实在一个极限式中各 变量取极限的过程应是同步的，绝不能将其割裂开来，一部分先取极 限，另一部分后取极限。这是一个典型的概念性错误。 证法二： E- 2_* Za|I收敛。 分析：此证法也是错误的，错误在于不等式士T1三丐

7、只要n2时，就有2 而级数3 为卩=睾1的一数，是 较判别三法干知是：收萋敛的正项级数。 再据比较判别法的极限a形式知收敛。项级数 注：此处：孑lv、与v专。 嚣1泰泰Ut輔进评廉.#岭由丁幡用曲尸d鬲译军的诸崛B xh （*二 Jl 一心 ii T is 彌止项站 E的養融出j 电 而X由IE攻聲眩比轶弭剧庭知堤靈送h收AU 令总矗lit禺酬離的.什器吧竝个砒（煤伺绑1总了KHE的慢 n 壯*匹埶）寻p的覃柞 SD l YtffcWiflsy 4当H字，心至半严1碍*匡似討 象隹于摄眼式中.带苦粹認井变先厳凰觀;bEM 盍啊n側整碱臨雛 二4,中 尸? 1的p-ft,是牧蝕肿.比 丁之黑弭対

8、爭一部井密車侵苒冥嶽em式中务 r 1 甘析|此血也是加的.诂閨在于不痔式-,崎1，不业立. tf 下面给岀修侖超严潦而详找的证醐t 吒聘匸怛阳/刃异.肖匚克廿大时.攜视飆的 保*点壬坷为正硝製魅 j J十 再需婭判碉搖前券羅吒式却庙迈织秋，昶见 刘玉琏。傅沛仁.数学分析讲义.M.北京：高等教育出版社， 9St （上搖轉鮭直） i崩确童特虫希来用rising采蹇审肿的M直与l；HYKl L 匕塩對时厠同魅林撞社!MDRJWJT暗.用桂握H科DR14 押氏松高同H为12，即壯討时闸何陽占明連节点*満足R吋住 9h A.I. SbnkR 札 Wwrl cn*nr nctwmV pn4K*a计窮悯.

9、M一此 弓：字虹何靑擁* JWm i .- i- 基于单片机的无线传感器网络节点硬件设计 作者： 嵇鼎毅，陈君波 作者单位： 公安海警高等专科学校 刊名： 科技信息 英文刊名： SCIENCE & TECHNOLOGY INFORMATION 年，卷(期:2009, (16 引用次数：0次 1.10 Emerging technologies that will change the world2004 2. Moustapha A I.SelmicR R Wireless sensor network modeling using modified recurrent neural netw

10、orks:application to fault detection 2007 3. 史永彬.叶湘滨 基于MSP430的无线传感器网络设计2006 4. 魏小龙MSP430系列单片机接口技术及系统设计实例 2002 5. 李虹.温秀梅.高振天基于MSP430单片机和DS18B20的小型测温系统期刊论文-微计算机信息2006(20 6. 吴新峰.杨瑞峰基于MSP430与CC2420的无线传感器网络的硬件节点设计期刊论文_电子设计应用2007(7 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

11、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(a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

12、读方法， 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aCL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

13、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Greed齊法。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k覆盖以及通信网 络的k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

14、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 k连通冗余或k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k 阶Voronoi划分的k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 k连通k覆盖集。由于MCCS问题是MKCCS问题在=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

15、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

16、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

17、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

18、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

19、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。 AMkANt Ml* 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

20、 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 Clust

21、ering 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

22、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

23、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

24、，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

25、 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

26、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，

27、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-ID DCC(Information Driven Dynamic Cover

28、age Control，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

29、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

30、，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(Information DrivenDynamic 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

31、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。

32、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一一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

33、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

34、、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

35、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-Ra（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

36、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

37、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

38、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咅通信视距时，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

39、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

40、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

41、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，夕卜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

42、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M

43、RCSC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

44、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

45、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

46、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算法高了近30%。NSS的性能与集中式的Greedy-MSC算法的接近 ，但NSS的分布式特性使其更为实用。综上所述，本文针对能量高效的节点部署和覆盖控制问题提出了相应的解决方案，对于推进无线传感器网络 的研究和实用化具有一定的理论意义和应用价值。 7. 学位论文周亮无线传感器网络低功耗节点控制器芯片设计与实现2007 近年来，随着传感器技术、微机电系统技术、嵌入式系统技术、现代无线通信技术、网络技术、分布式处理技术等的发展，形成了无线传感器网络 这一前沿交叉学科，它

47、在军事、医疗、环境监测等领域具有很高的应用价值。无线传感器网络利用分布于监测区域内的各终端节点进行原始信息 数据的采集，然后通过自组织多跳路由网络传送至网关节点，最后通过多类型接口传送至网关计算机并接入其他通用网络，在远程的监控终端利用信息 汇集与管理软件平台实现对监测范围内的事件监控。在无线传感器网络中大量分布的节点是其主要组成部分，在现有各类节点设计中主要采用在 嵌入式领域广泛应用的一些通用处理器单元作为控制核心，而没有针对无线传感器网络的应用开发专用的控制器芯片，这使得在节点设计中会受到体积 、功耗等方面的限制，而在系统资源利用方面又难免会造成一些浪费，因此开展无线传感器网络专用低功耗节

48、点控制器芯片的设计具有重要的研究意义 和应用价值。本文主要介绍了一种无线传感器网络低功耗节点控制器芯片的设计与实现，该芯片采用了8位哈佛体系结构，使用与ELAN公司 :EM78系列MCU兼容的RISC指令集，利用仿真器平台及FPGA平台完成了节点系统构造，然后以SMIC 0.18微MCMOS工艺完成了 ASIC设计。最后以它作为低 功耗节点专用控制器实现了节点平台的搭建，构建了一个通用无线传感器网络。本文首先对无线传感器网络及数字系统低功耗设计的基本理论进 行了研究和讨论，接着基于上述理论进行了无线传感器网络节点的软硬件设计以及多个测试平台的实现，并重点讲述了低功耗节点控制器的RTL设计与实

49、现，然后开展了该控制器的后端设计，给出了设计版图，最后利用FPGA平台对该节点控制器进行了验证及测试，给出了测试结果并进行了分析。实验分 析及功能验证结果表明，该节点控制器满足系统功能需求，技术性能优良，达到设计目的。 8. 学位论文苏国斌无线传感器网络中信息驱动的节点选择机制研究2006 集成了传感器、微机电系统和网络三大技术而形成的传感器网络是一种全新的信息获取和处理技术，本文在介绍无线传感器网络体系结构和网络特 点的基础上，分析、展望了一些有价值的应用领域。结合已有的研究，总结并比较详细地阐述了WSN的协议层次。本文结合定位和跟踪问题，对常见的节 点查询方式、传感器空洞、传感器的节点模型

50、等内容进行了介绍，分析了WSN中进行定位和跟踪活动时所表现出来的状态相关的特性。从信息驱动的节点 选择机制主导思想入手，弓I入了信息效用的概念，并对使用互信息和使用马氏距离估计信息效用的方法进行了归纳。具体说明了信息驱动的传感器查询 和数据路由(IDSQ的基本原理、算法步骤，说明节点选择过程中如何实现提高信息增益、降低通信消耗，并比较了IDSQ在内的几种不同的算法，说明 IDSQ在提高信息增益方面的优势。论文对信息驱动的节点选择机制进行了仿真。在无线传感器网络中，为了对目标进行定位和跟踪，需要传感器 节点之间进行相互协作。由于无线传感器网络存在节点电池能量受限，通信带宽非常有限等特点，因此，怎

51、样选择参加定位或跟踪工作的节点，合理的 确定节点的工作顺序非常重要，对于提高定位和跟踪的效率具有重要意义。本文研究了无线传感器网络中信息驱动的节点选择机制。在节点选择过程中 ，以可能提供的信息量为依据，对将要查询的节点进行选择，使得最大化信息增益同时最小化通信成本消耗，提高WSN定位和跟踪的效率。本文通 过仿真，研究了传感器节点工作顺序对定位静止目标的影响问题，对比了信息驱动的节点选择机制和最近邻居节点选择机制在进行节点选择时，目标位 置的定位情况，能量消耗情况以及信息熵的变化情况，说明信息驱动的节点选择机制虽然在能量消耗方面多于最近邻居节点选择机制，但是这种节点选 择机制可以估计节点提供信息

52、量的多少，给出更加合理的节点工作顺序。本文研究了跟踪移动物体问题以及通过均衡信息增益和通信消耗，进行节点选 择的方法，直观的说明了消耗最少的节点选择方式、信息增量最大的节点选择方式和兼顾两者的节点选择方式三者之间的关系，以及如何进行相互转换 9. 学位论文吴震东无线传感器网络多节点协同相关问题研究2007 无线传感器网络(Wireless Sensor Network WSN通过散布在空间各区域的网络节点协作地监测、感知和采集各种环境或监测对象的信息，并将这 些信息通过自组多跳的方式传送到用户终端；同时又将用户终端发布的命令下达至各网络节点，对监测、感知和采集等各行为进行调整；从而实现用户 、环境、计算设备实时动态的交互。无线传感器网络是一个资源受限、无线多跳传输、单节点易毁的自组织网络。如何在这样一个基础条件不好 的网络中实现高效的、可扩展