无线传感器网络节点设计的研究

无线传感器网络概述无线传感器网络(WirelessSensorNetwork，WSN)起源于二十世纪九十年代，它是由大量的静止或移动的传感器以自组织和多跳的方式构成的无线网络，以协作地感知、采集、处理和传输网络覆盖地理区域内被感知对象的信息，并最终把这些信息发送给网络的所有者。无线传感器网络(WSN)在环境监测、军事、国土安全、交通管制、森林防火、目标定位等方面具有广泛的应用前景。无线传感器网络(WSN)由许多个功能相同或不同的无线传感器节点组成，实现数据的自主采集、融合和传输。每一个传感器节点包括：

数据采集模块(传感器、A／D转换器)数据处理和控制模块(微处理器、存储器)通信模块（无线收发器)供电模块(电池、DC／DC能量转换器)无线传感器网络结构无线传感器网络包括4类基本实体对象：目标、观测节点、传感节点和感知视场，另外，还需定义外部网络、远程任务管理单元和用户来完成对整个系统的应用刻画，如图1所示上图所示，大量传感节点随机部署，通过自组织方式构成网络，协同形成对目标的感知视场。传感节点检测的目标信号经本地简单处理后通过邻近传感节点多跳传输到观测节点。用户和远程任务管理单元通过外部网络，比如卫星通信网络或Internet，与观测节点进行交互。观测节点向网络发布查询请求和控制指令，接收传感节点返回的目标信息。WSN节点结构

无线传感器节点由传感器模块、处理器模块、无线通信模块和能量供应模块这四部分组成：传感器模块（传感器和模数转换器）：负责监测区域内信息的采集和数据转换处理器模块（CPU、存储器、嵌入式操作系统等）：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无线通信模块（网络、MAC、收发器）：负责与其他传感器节点进行无线通信能量供应模块：为传感器节点提供运行所需的能量，通常采用微型电池。除了这四个模块外，传感器节点还可以包括其他辅助单元，如移动系统、定位系统和自供电系统等。WSN物理体系结构传统的无线传感器网络采用“平坦”结构，部署在监测区域中用于数据采集的微型传感器节点同构，每个节点的计算能力、通信距离和能量供应相当。节点采集的数据通过多跳通信的方式，借助网络内其他节点的转发，将数据传回到汇聚节点，再通过汇聚节点与其他网络连接，实现远程访问和网络查询、管理。平坦结构的网络虽然能够工作，但随着节点数量的增加，网络覆盖范围的扩大，长的通信路径将导致数据包丢失的概率增大，网络性能下降，也会导致用于转发数据的中间节点更多的能量消耗，降低网络生存周期。根据IPv6无线传感器网络的特点，实际应用中一般采用异构节点组成的、层次化的网络，如下图所示所示：异构、层次化结构的无线传感器网络：WSN应用系统架构无线传感器网络应用支撑层、无线传感器网络基础设施和基于无线传感器网络应用业务层的一部分共性功能以及管理、信息安全等部分组成了无线传感器网络中间件和平台软件。其基本含义是，应用支撑层支持应用业务层为各个应用领域服务，提供所需的各种通用服务，在这一层中核心的是中间件软件；管理和信息安全是贯穿各个层次的保障。无线传感器网络中间件和平台软件体系结构主要分为四个层次：网络适配层、基础软件层、应用开发层和应用业务适配层，其中网络适配层和基础软件层组成无线传感器网络节点嵌入式软件(部署在无线传感器网络节点中)的体系结构，应用开发层和基础软件层组成无线传感器网络应用支撑结构(支持应用业务的开发与实现)。WSN应用系统架构：WSN通信体系结构

WSN通信体系结构：物理层：无线传感器网络的传输介质可以是无线、红外或者光介质数据链路层：负责数据流的多路复用、数据帧检测、媒体接入和差错控制。网络层：在传感器网络发送节点和接收节点之间需要特殊的多跳无线路由协议。基于节能的路由有若干种，如最大有效功率(PA)路由算法、最小能耗路由算法、基于最小跳数路由、基于最大最小有效功率节点路由等。传输层：传感器网络是否需要传输层是一个问题。因特网的传输控制协议(TCP)是基于全局地址的端到端传输协议，其设计思想中基于属性的命名对于传感器网络的扩展性并没有太大的必要性，因此适合于传感器网络的传输层协议应该更类似于UDP协议。一种WSN节点（基于CC2430）WSN应用

无线传感网络有着许多不同的应用。在工业界和商业界中，它用于监测数据，而如果使用有线传感器，则成本较高且实现起来困难。无线传感器可以长期放置在荒芜的地区，用于监测环境变量，而不需要将他们重新充电再放回去。WSN的还应用包括视频监视，交通监视，航空交通控制，机器人学，汽车，家居健康监测和工业自动化参考文献[1]刘迎盈,基于能量优先的地理位置WSN路由算法设计,2013,南京邮电大学.[2]王拓,基于WSN的城市污水监测系统数据融合技术研究,2013,西安工业大学[3]万马良,智能楼宇WSN覆盖问题的研究,2013,广东工业大学.[4]石晶,基于MC12311微控制器WSN中间件的设计研究及应用,2013,苏州大学.[5]张兴伟,基于WSN的温室环境监测系统研究与设计,2013,郑州大学.[6]田立超,WSN下分簇算法和秘密比较协议的研究,2013,安徽大学.[7]王洁,WSN密钥预分配管理的优化设计,2012,成都理工大学.[8]范磊磊,基于ZStack协议的WSN滑坡监测系统研制,2012,成都理工大学.[9]霍俊,基于WSN和M2M技术的环境监测系统的设计与实现,2012,南京航空航天大学.[10]张婷婷,基于WSN混合定位算法的研究,2012,东华大学.[11]李濛,基于DV-HOP的改进型WSN定位算法及其应用研究,2012,吉林大学.[12]董启刚,WSN在物流领域中的应用模式研究,2012,北京物资学院.[13]赵庆伟,基于WSN的煤矿井下定位算法研究,2012,河北工程大学.[514]戴文博,面向物联网应用的WSN拓扑构造和路由策略的研究,2012,天津理工大学[15]董倩,基于层次型拓扑控制的WSN网络管理技术研究,2012,沈阳理工大学.[16].汤文华,基于SVM的WSN移动节点定位算法研究,2012,长沙理工大学.[17]孙宏宇,LDEE-DGA：基于双目标遗传算法的低延迟能量有效WSN路由协议研究,2012,吉林大学.[18]杨代亮,WSN中节能路由算法的研究,2012,吉林大学[19]李翠霞,传感网可编程控制模块WSN-PCM的设计及应用,2012,苏州大学.[20]徐定锋,基于WSN的高速公路车路通信系统研究,2012,长安大学.第66页.[21]佟阳春,基于浮动车和WSN的交通数据处理方法研究,2012,大连理工大学.[22]水海红,物联网下WSN运维管理系统的设计与实现,2012,华中师范大学.[23]刘辉,基于RFID与WSN的仓库管理系统的开发与设计,2012,武汉理工大学.[24]高新书,基于加速度传感器的WSN定位系统研究,2012,武汉理工大学.[25]于晓华,异构WSN网络融合模型研究及网关设计,2012,兰州理工大学.[26]郝悦,基于静态博弈的WSN安全路由算法的研究,2011,东北大学.[27]Klempous,R.,etal.,ImprovementofSpatialRoutinginWSNBasedonLQIorRSSIIndicator,inAdvancedMethodsandApplicationsinComputationalIntelligence,R.Klempous,etal.,R.Klempous,etal.^Editors.2014,SpringerInternationalPublishing.[28]Park,J.J.J.H.,etal.,Intrusion-TolerantJiniServiceArchitectureforEnsuringSurvivabilityofU-ServicesBasedonWSN,inMobile,Ubiquitous,andIntelligentComputing,J.J.J.H.Park,etal.,J.J.J.H.Park,etal.^Editors.2014,SpringerBerlinHeidelberg.[29]Zhong,Z.andQ.Dong,ANovelSecurePairwiseandGroupwiseSynchronizingSchemeinWSN,inProceedingsoftheInternationalConferenceonInformationEngineeringandApplications(IEA)2012,Z.Zhong,Z.Zhong^Editors.2013,SpringerLondon.[30]Padilla,P.,etal.,Erratumto:OntheInfluenceofthePropagationChannelinthePerformanceofEnergy-EfficientGeographicRoutingAlgorithmsforWirelessSensorNetworks(WSN).WirelessPersonalCommunications,2013.70(1)[31]vanBerlo,A.,etal.,DistributedNeuralComputationoverWSNinAmbientIntelligence,inAmbientIntelligence-SoftwareandApplications,A.vanBerlo,etal.,A.vanBerlo,etal.^Editors.2013,SpringerInternationalPublishing.p.147-154.

[32]Bian,F.,etal.,DesignonEarlyWarningSystemofCO2SequestrationLeakageBasedonWebGISandWSN,inGeo-InformaticsinResourceManagementandSustainableEcosystem,F.Bian,etal.,F.Bian,etal.^Editors.2013,SpringerBerlinHeidelberg.p.407-413.

[33]Brisk,P.,etal.,EfficientHardwareBasedSecurityAlgorithmImplementationforWSNMedicalApplications:TheARMORPerspective,inReconfigurableComputing:Architectures,ToolsandApplications,P.Brisk,J.G.deFigueiredoCoutinhoandP.C.Diniz,P.Brisk,J.G.deFigueiredoCoutinhoandP.C.Diniz^Editors.2013,SpringerBerlinHeidelberg.p.233-234.

[34]Kwiecień,A.,etal.,WSNPowerConservationUsingMobileSinkforRoadTrafficMonitoring,inComputerNetworks,A.Kwiecień,P.GajandP.Stera,A.Kwiecień,P.GajandP.Stera^Editors.2013,SpringerBerlinHeidelberg.p.476-484.

[35]Jin,D.,etal.,ANewWSN-BasedRoutingOptimizationinSmartDistributionGrid,inAdvancesinComputerScienceandInformationEngineering,D.JinandS.Lin,D.JinandS.Lin^Editors.2012,SpringerBerlinHeidelberg.p.289-294.[36]Yang,Y.,etal.,AnIlluminationIntensityCollectingSystemofCitrusLeafBasedonWSN,inGreenCommunicationsandNetworks,Y.YangandM.Ma,Y.YangandM.Ma^Editors.2012,SpringerNetherlands.p.1145-1154.[37]Park,J.J.J.H.,etal.,ACentralizedClusterHeadSelectionSchemeforReducingDiscrepancyamongClustersoverWSN,inEmbeddedandMultimediaComputingTechnologyandService,J.J.J.H.Park,etal.,J.J.J.H.Park,etal.^Editors.2012,SpringerNetherlands.p.699-706.[38]Meghanathan,N.,etal.,EfficientPathSelectiontoPropagateDataMessageforOptimizingtheEnergyDissipationinWSN,inAdvancesinComputingandInformationTechnology,N.Meghanathan,D.NagamalaiandN.Chaki,N.Meghanathan,D.NagamalaiandN.Chaki^Editors.2012,SpringerBerlinHeidelberg.p.671-683.[39]Meghanathan,N.,etal.,MERCC:MultipleEventsRoutingwithCongestionControlforWSN,inAdvancesinComputingandInformationTechnology,N.Meghanathan,D.NagamalaiandN.Chaki,N.Meghanathan,D.NagamalaiandN.Chaki^Editors.2012,SpringerBerlinHeidelberg.p.691-698.[40]Wyld,D.C.,etal.,AnAnalyticalModelforPowerControlB-MACProtocolinWSN,inAdvancesinComputerScience,Engineering&Applications,D.C.Wyld,J.ZizkaandD.Nagamalai,D.C.Wyld,J.ZizkaandD.Nagamalai^Editors.2012,SpringerBerlinHeidelberg.p.551-558.[41]Moreno-Díaz,R.,etal.,TheDilemmaofChoiceinManagementofCommunicationProcessesinWSN,inComputerAidedSystemsTheory–EUROCAST2011,R.Moreno-Díaz,F.PichlerandA.Quesada-Arencibia,R.Moreno-Díaz,F.PichlerandA.Quesada-Arencibia^Editors.2012,SpringerBerlinHeidelberg.p.48-55.[42]Zhang,Y.,etal.,RemotelyRun-TimeFPGABasedWSNNode,inFutureComputing,Communication,ControlandManagement,Y.Zhang,Y.Zhang^Editors.2012,SpringerBerlinHeidelberg.p.57-63.[43]Mathew,J.,etal.,EvaluationofWSNProtocolsonaNovelPSoC-BasedSensorNetwork,inEco-friendlyComputingandCommunicationSystems,J.Mathew,etal.,J.Mathew,etal.^Editors.2012,SpringerBerlinHeidelberg.p.39-46.[44]Sirakoulis,G.C.,etal.,ACellularAutomataBasedSchemeforEnergyEfficientFaultDiagnosisinWSN,inCellularAutomata,G.C.SirakoulisandS.Bandini,G.C.SirakoulisandS.Bandini^Editors.2012,SpringerBerlinHeidelberg.p.234-243.[45]Kim,T.,etal.,AStudyonWSNSystemIntegrationforReal-TimeGlobalMonitoring,inSoftwareEngineering,BusinessContinuity,andEducation,T.Kim,etal.,T.Kim,etal.^Editors.2011,SpringerBerlinHeidelberg.p.467-478.[46]Lopelli,E.,J.vanderTangandA.H.M.vanRoermund,ArchitecturesandSynthesizersforUltra-lowPowerFastFrequency-HoppingWSNRadios.AnalogCircuitsandSignalProcessing.2011:SpringerNetherlands.[47]Tan,H.,etal.,FarmlandWaterPotentialSoft-sensingNetworkBasedonWSN,inInformaticsinControl,AutomationandRobotics,H.Tan,H.Tan^Editors.2011,SpringerBerlinHeidelberg.p.147-154.[48]Das,V.V.,etal.,AgentBasedInformationAggregationandRoutinginWSN,inComputerNetworksandInformationTechnologies,V.V.Das,J.StephenandY.Chaba,V.V.Das,J.StephenandY.Chab