無線感測網路體系結構

① 碩士論文開題報告

隨著個人素質的提升，需要使用報告的情況越來越多，報告具有成文事後性的特點。寫起報告來就毫無頭緒？下面是我整理的碩士論文開題報告，僅供參考，歡迎大家閱讀。

課題名稱：基於信任管理的WSN安全數據融合演算法的研究

一、立論依據

課題來源、選題依據和背景情況、課題研究目的、理論意義和實際應用價值。

1、課題來源。

國家自然科學基金資助項目（60873199）。

2、選題依據。

無線感測器網路具有硬體資源（存儲能力、計算能力等）有限，電源容量有限，拓撲結構動態變化，節點眾多難於全面管理等特點，這些特點給理論研究人員和工程技術人員提出了大量具有挑戰性的研究課題，安全數據融合即為其一。雖然目前的研究已經取得了一些成果，但仍然不能滿足應用的需求。無線感測器網路是以數據為中心的網路，如何保證其數據融合的安全性還是一個有待解決的問題。基於此，提出了本課題的研究。

3、背景情況。

微電子技術、計算技術和無線通信等技術的進步，推動了低功耗多功能感測器的快速發展，使其在微小體積內能夠集成信息採集、數據處理和無線通信等多種功能。無線感測器網路就是由部署在監測區域內大量的廉價微型感測器節點組成，通過無線通信方式形成的一個多跳的自組織的網路系統，其目的是協作地感知、採集和處理網路覆蓋區域中感知對象的信息，並發送給數據處理中心或基站。感測器網路被廣泛的應用於軍事、環境監測和預報、健康護理、智能家居、建築物狀態監控、復雜機械監控、城市交通，以及機場、大型工業園區的安全監測等領域。

感測器網路由大量感測器節點組成，收集的信息量大，存在冗餘數據。感測器節點的計算能力、存儲能力、通信能量以及攜帶的能量都十分有限，數據融合就是針對冗餘數據進行網內處理，減少數據傳輸量，是減少能耗地重要技術之一。感測器網路中，將路由技術與數據融合技術結合是一個重要的問題。數據融合可以減少數據量，減輕數據匯聚過程中的網路擁塞，協助路由協議延長網路的生存時間。因而可以數據為中心的路由技術中應用數據融合技術。在戰場等非可信環境或對可靠性要求非常高的環境中，數據融合也帶來了風險。例如，敵人可以俘獲節點獲取節點中的所有信息，從而完全控制節點的行為，偽造和篡改數據。傳統網路中的安全技術需要大量的存儲空間和計算量，不適合能量、計算能力、存儲空間都十分有限的感測器網路。因此必須設計適合感測器網路具有較強安全性的數據融合技術。

4、課題研究目的。

通過對無線感測器網路安全數據融合技術的研究，消除感測器中存在的、大量冗餘數據，有效節省感測器節點能量消耗，延遲節點和網路的工作壽命，在有節點被捕獲成為惡意節點情況下，及時檢測惡意節點，消除惡意節點發送的惡意數據對數據融合的不良影響，保障了感測器網路數據融合過程的可靠性，維護感測器網路的正常工作。

5、理論意義。

無線感測器網路安全技術的研究涵蓋了非常多的研究領域，安全數據融合技術是其中一個重要研究課題。本文把信任管理機制加入到感測器網路安全數據融合過程中，研究設計一種感測器節點信任值的計算方法，有效識別節點狀態，實現可靠的數據融合。

6、實際應用價值。

對於工作在敵方環境中的無線感測器網路，感測器節點容易被地方捕獲成為惡意節點，節點內存儲的密鑰等加密暴露，導致傳統的基於加密和認證的無線感測器網路安全措施失效，在這種情況下，本研究可以可以及時識別惡意節點，保證感測器網路數據融合的可靠性，有效減少網路負載，延長網路工作壽命。

二、文獻綜述

國內外研究現狀、發展動態；所閱文獻的查閱范圍及手段。

1、國內外研究現狀、發展動態。

感測器網路與眾不同的特點導致感測器網路與傳統網路有極大不同。感測器網路的安全數據匯聚是要解決加密傳輸和數據匯聚的協調問題，實現數據的安全處理和傳輸。傳統有線網路和無線網路的安全技術並不適用於感測器網路，這吸引了眾多研究人員研究適合感測器網路的安全技術，並且提出了許多適合感測器網路的安全技術。安全數據融合演算法是WSN安全性研究的重要方面，一直以來受到研究人員的重視，並取得了一定的研究成果。目前已有的研究成果如下：

（1）PerrigA等人提出了一種有效的WSN數據加密方法和廣播認證方法，為WSN安全性研究作出了基礎性工作。

（2）CAMH等人提出了一種基於模式碼的能量有效安全數據融合演算法，演算法用簇頭節點通過自定義的模式碼的選取來組織感測器節的發送冗餘數據實現數據融合，並且使用同態加密體重保證了數據在傳輸過程中的機密性。改方法對於每類數據類型需要保存和維護一個查找表，一旦查找表信息暴露，該安全方案將會失效。

（3）PrzydatekB等人提出的基於數據統計規律的數據融合演算法，演算法使用高效的`抽樣和迭代的證明來保證有多個惡意節點發送錯誤數據的情況下，保證基站能夠判定查詢結果的准確性。但是該方法對於每種聚集函數都需要一個復雜的演算法，為證明數據准確性，聚集節點需向基站發送大量參數，能量消耗太大。

（4）MahimkarA等人研究在WSN中使用橢圓曲線密碼實現數據加密和安全數據融合。但是在感測器節的十分有限的情況下，使用公鑰密碼體系使節點能量消耗更加迅速，縮短網路的壽命。

WSN的信任管理是在WSN管理的基礎上提出的，主要研究對節點進行信任值評估，藉助信任值增強WSN的安全性。傳統的基於密碼體系的安全機制，主要用來抵抗外部攻擊。假如節點被捕獲，節點存儲的密鑰信息將泄漏，使密碼體系失效。WSN信任管理作為密碼體系的補充可以有效的抵抗這種內部攻擊。將信任管理同WSN的安全構架相結合，可以全面提高WSN各項基礎支撐技術的安全性和可靠性。

近年來，WSN信任管理受到了越來越多的關注，取得了一定的研究成果。

（1）Ganeriwal等人提出的RFSN是一個較為完整的WSN信任管理系統，該模型使用直接信息和堅決信息來更新節點的信譽，節點根據得到的信譽信息來選擇是否和其他節點合作。可以建立僅由可信節點組成的網路環境。

（2）Garth等人中將信任管理用於簇頭選舉，採取冗餘策略和挑戰應答手段，盡可能的保證選舉出的簇頭節點為可信節點。

（3）Krasniewski提出了TIBFIT演算法將信任用於WSN容錯系統，把信任度作為一個參數融入到數據融合的過程中，提高對感知事件判斷的准確率，其提出的信任度計算方法比較的簡單。

無線感測器網路需要採取一定的措施來保證網路中數據傳輸的安全性。就目前的研究來看，對無線感測器網路安全數據融合技術和信任管理機制都取得了一些研究成果，但是如何使用信任管理機制保證安全的數據融合的研究並不多見，許多問題還有待於進一步深入研究。

2、所閱文獻的查閱范圍及手段。

充分利用校內圖書館資源、網路資源以及一些位於科技前沿的期刊學報。從對文獻的學習中掌握足夠的理論依據，獲得啟發以用於研究。

三、研究內容

1、研究構想與思路。

在本項目前期工作基礎上建立WSN三級簇結構模型，節點分為普通節點，數據融合節點（免疫節點），簇頭節點。在常規加密演算法的基礎上完成節點身份認證，通過消息認證碼或數字水印技術保證感測器節點傳送數據的真實性。上級節點保存下級節點的信任值，信任度的計算建立在傳送數據的統計分析之上。節點加入網路後先初始化為一定的信任值，每輪數據發送時，接收節點收集數據後，量化數據的分布規律，主要包括單個節點歷史數據分布規律和節點間數據差異的分析，確定數據分布模型（如正態分布、beta分布等），建立計算模型以確定節點間的信任值。信任值確定後，數據融合節點將普通節點按照不同的信任度進行分類，選取可信節點傳送的數據按查詢命令進行數據融合，將結果傳送到簇頭。簇頭同樣計算融合節點的信任度，保證數據融合節點的可靠性，計算最終數據查詢結果，使用Josang信任模型給出結果的評價。各數據融合節點之間保持通信，通過對比數據的一致性確保簇頭節點的可靠。

2、主要研究內容。

（1）設計有效的節點信任值計算方法，網路工作一段時間後，所有正常節點具有較高信任度，異常節點具有較低信任度，可初步判定為惡意節點。

（2）當融合節點或簇頭節點發生異常時能及時發現異常，並上報基站。

（3）過濾異常數據和惡意數據，盡量減少因節點被捕獲而對感知數據結果造成的影響。

（4）計算最終數據融合結果並且對最終數據融合結果做出評價來反映該結果的的可靠程度，供基站參考。

（5）進行演算法的能量分析。

3、擬解決的關鍵技術。

（1）建立WSN一個簇內數據傳送的三層簇結構模型，節點密集部署。

（2）模擬工作過程中節點被捕獲成為惡意節點，惡意節點可能發送和真實數據差別較大的數據，也能發送和真實數據差別不大但會影響融合結果的數據。

（3）計算並更新感測器節點的信任值，分析信任值的有效性。

（4）記錄各節點傳送數據值，並與實際值進行比較，分析融合數據的准確性。測試當有較多節點被捕獲時演算法的工作效果。

4、擬採取的研究方法。

查閱國內外大量有關無線感測器網路數據融合技術和信任管理技術方面的文獻，分析當前無線感測器網路安全領域的發展現狀與未來。借鑒在該領域已經取得的研究成果和經驗，系統而深入的研究在無線感測器網路數據融合中使用信任管理機制的主要問題。通過對已有的安全數據融合技術進行總結和分析，結合無線感測器網路自身的特點，設計出一種基於信任管理的無線感測器網路安全數據融合演算法。

5、技術路線。

本課題嘗試使用信任管理機制來保障在無線感測器網路中實現安全的數據融合，在現有的對無線感測器網路安全數據融合技術的研究基礎上，與信任管理技術相結合，期望能夠對感測器網路安全數據融合提出有效的解決方案。針對課題中的技術難點，通過查閱資料、向導師請教以及與項目組同學討論的形式來解決。

6、實施方案。

（1）在Windows平台下使用omnet++進行模擬實驗。

（2）建立無線感測器網路一個簇內數據傳送的三層結構模型，節點密集部署。

（3）模擬無線感測器網路受到攻擊時時的數據發送，根據數據統計規律計算和更新節點信任值。

（4）把節點按信任值分類，檢測識別惡意節點。

（5）根據節點信任值選擇有效數據完成數據融合。

7、可行性分析。

（1）理論知識積累：通過廣泛閱讀無線感測器網路數據融合技術方面的文獻形成了一定量的理論知識儲備，為課題的研究奠定基礎。

（2）技術積累：熟悉OMNeT++網路模擬軟體，具有一定的C++編程能力。

（3）技術合作：研究過程中遇到難以解決的問題時，可以向指導老師請教解決問題的基本思路。對項目相關課題有疑問時，可以向項目組同學請教。對實驗平台的建立及使用有疑問時，可以和項目組同學共同討論解決。

② 感測器的靜態特性和動態特性的兩種特徵是什麼

1.感測器技術簡介
國家標准GB7665一87對感測器的定義是:「能感受規定的被測量並按照一定的規律
轉換成可用信號的器件或裝置，通常由敏感元件和轉換元件組成」。感測器更通俗的說法
是換能器、變換器，是人的五官功能的擴展和延伸，能夠將各種外界信號變換成可以直
接測量的信號。
感測器節點主要由感測器單元、處理器單元、通信單元和電源單元組成。感測器單元由感測器和模數轉換器組成。前者用於目標探測，可根據任務要求採用聲、震動、電磁、紅外、光電和微型雷達等不同的無源和有源探測手段。例如，聲感測器主要用於探側具有特殊聲信號的目標;震動探測器用於探測作戰車輛或部隊轉移時造成的地面振動;由磁操測器陣神余屬目標，如武器或車輛的運動:紅外探測器主要探測具有紅外特徵的.
目標;光電探測器用於目標成像;雷達用於目標探測、跟蹤與識別。模數轉換器將感測器生成的模擬信號轉換成數字信號後傳輸到處理器單元。處理器單元由CPU.存儲器、嵌入式操作系統和資料庫系統組成。新開發的處理器大都採用IPv6協議，具有一定的現場信息處理能力。.通信單元負責將感測器節點同網路連接起來，交換信息。電源單元通常採用太陽能電池或五號電池一類的電源，為網路提供能量。此外，部分節點還包括一些輔助性裝置，如為實現自定位和協同定位，為節點安裝定位系統;為提高機動性，為節點安裝運動裝置。
按照不同的標准，感測器有下面幾種主要的分類方法。根據被測物理量分類，有速度感測器、位移感測器、加速度感測器、溫度感測器、壓力感測器等。按工作原理分類，有應變式、電壓式、電容式、渦流式、差動變壓器式等感測器。按能量的傳遞方式分類，有有源的和無源的感測器。按感測器輸出信號分類，有模擬感測器和數字感測器。目前模擬感測器種類遠遠超過數字感測器。數字感測器直接輸出數字量，不需使用A/D轉換器，就可與計算機聯機，可以提高系統的可靠性和精確度，具有抗干擾能力強，適宜遠足巨離祛輸等伏占.早梅威器分屏卞向之一。
感測網是指「隨機分布的集成有感測器、數據處理單元和通信單元的微小節點，proe有限元分析通過自組織的方式構成的無線網路」。現在談到的感測網，一般指的是無線感測器網路(WSN, Wireless Sensor Network)感測網實際上由感測器節點和短距離傳輸模塊共同構成。無線感測器網路是由大量無人值守的、具有通信與計算能力的微小型節點構成的自主探測系統。在戰場上，人員、地面目標、空中目標甚至瞬時性目標(火炮、狙擊火力)都可以成為其偵察對象。
感測網是美軍網路中心戰體系網路結構的三大組成部分之一，它由一定數量的感測器節點通過某種有線或無線通信協議連接而成，具有低成本、低功耗、多功能等特點，可在感測器、感知對象和觀察者這三個基本要素之間進行有效的通信、感知、採集、處理並發布感知信息。美陸軍目標部隊的未來作戰系統(FCS, Future Combat System)將主要依靠無人值守的感測網來獲取態勢感知信息。最近，美軍針對網路中心戰的需求，又新開發了「靈巧感測器網路」，以便在戰場上布設大量感測器以收集和轉發信息，並對
相關的原始數據進行過濾，再把重要的信息傳送到各數據融合中心，從而將大量信息集成為一幅戰場全景圖分發給作戰人員，提高其戰場態勢感知能力。此外，美軍開發的「智能塵埃」技術使感測器更加微型化。
在國際上，感測網的研究曾在20世紀末、21世紀初達到一個高潮，之後出現過一個短暫的平緩期，而最近幾年又重新受到重視。隨著美國「智慧地球」計劃的提出，感測網已成為各國綜合國力較量的重要因素。美國將感測網技術列為「在經濟繁榮和國防安全兩方面至關重要的技術」。加拿大、英國、德國、芬蘭、義大利、日本和韓國等加入感測網的研究，歐盟也將感測網技術作為優先發展的重點領域之一。國際上比較有代表性和影響力的感測網研發項目包括遙控戰場感測器系統(REMBASS, Remote BattlefieldSensor System)、網路中心戰及靈巧感測器網路、智慧塵埃、SensIT, SeaWeb,行為習性監控項目、英國國家網格等。
感測器的主要特性包括其靜態特性和動態特性兩種。感測器的靜態特性是指感測器的輸入信號不隨時間變化或變化非常緩慢時，所表現出來的輸出響應特性，稱靜態響應特性。通常用來描述靜態特性的指標有:測量范圍、精度、靈敏度、穩定性、非線性度、重復性、靈敏閩和分辨力、遲滯等。感測器的動態特性是指感測器對於隨時間變化的輸入量的響應特性。只要輸入量是時間的函數，則其輸出量必將是時間的函數。研究動態特性的標准輸入形式有三種:正弦、階躍和線性，而經常使用的是前兩種。

③ 無線感測器網路體系結構包括哪些部分

感測器網路系統通常包括感測器節點（sensor）、匯聚節點（sink node）和管理節點。大量感測器節點隨機部署在監測區域（sensor field）內部或附近，能夠通過自組織方式構成網路。感測器節點監測的數據沿著其他感測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，經過多跳後路由到匯聚節點，最後通過互聯網或衛星到達管理節點。用戶通過管理節點對感測器網路進行配置和管理，發布監測任務以及收集監測數據。 感測器網路節點的組成和功能包括如下四個基本單元：感測單元（由感測器和模數轉換功能模塊組成）、處理單元（由嵌入式系統構成，包括CPU、存儲器、嵌入式操作系統等）、通信單元（由無線通信模塊組成）、以及電源部分。此外，可以選擇的其它功能單元包括：定位系統、運動系統以及發電裝置等。

④ 物聯網的感知部分主要以什麼為主

物聯網的感知部分主要以感測器為主。

由微感測器、微執行器、信號處理和控制電路、通訊介面和電源等部件組成的一體化的微型器件系統。其目標是把信息的獲取、處理和執行集成在一起，組成具有多功能的微型系統，集成於大尺寸系統中，從而大幅度地提高系統的自動化、智能化和可靠性水平。

因為MEMS，賦予了普通物體新的生命，它們有了屬於自己的數據傳輸通路、有了存儲功能、操作系統和專門的應用程序，從而形成一個龐大的感測網。這讓物聯網能夠通過物品來實現對人的監控與保護。

(4)無線感測網路體系結構擴展閱讀

物聯網自身就是一個復雜的網路體系，加之應用領域遍及各行各業，不可避免的存在很大的交叉性。如果這個網路體系沒有一個專門的綜合平台對信息進行分類管理，就會出現大量信息冗餘、重復工作、重復建設造成資源浪費的狀況。

每個行業的應用各自獨立，成本高、效率低，體現不出物聯網的優勢，勢必會影響物聯網的推廣。 物聯網現急需要一個能整合各行業資源的統一管理平台，使其能形成一個完整的產業鏈模式。

物聯網的應用領域涉及到方方面面，在工業、農業、環境、交通、物流、安保等基礎設施領域的應用，有效的推動了這些方面的智能化發展，使得有限的資源更加合理的使用分配，從而提高了行業效率、效益。

在家居、醫療健康、教育、金融與服務業、旅遊業等與生活息息相關的領域的應用，從服務范圍、服務方式到服務的質量等方面都有了極大的改進，大大的提高了人們的生活質量。

在涉及國防軍事領域方面，雖然還處在研究探索階段，但物聯網應用帶來的影響也不可小覷，大到衛星、導彈、飛機、潛艇等裝備系統，小到單兵作戰裝備，物聯網技術的嵌入有效提升了軍事智能化、信息化、精準化，極大提升了軍事戰鬥力，是未來軍事變革的關鍵。

⑤ 物聯網的體系結構的四個層次是哪些

物聯網的體系結構的四個層次是感知層、網路層、服務管理層和應用層。

1、感知層實現物聯網全面感知的核心能力，是物聯網中關鍵技術、標准化、產業化方面亟需突破的部分，關鍵在於具備更精確、更全面的感知能力，並解決低功耗、小型化和低成本問題。

2、網路層主要以廣泛覆蓋的移動通信網路作為基礎設施，是物聯網中標准化程度最高、產業化能力最強、最成熟的部分，關鍵在於為物聯網應用特徵進行優化改造，形成系統感知的網路。

3、服務管理層 主要處理網路提供的服務相關事項，諸如提供用戶與物聯網之間的介面，關鍵在於與網路層及應用層的交互等。

4、應用層提供豐富的應用，將物聯網技術與行業信息化需求相結合，實現廣泛智能化的應用解決方案，關鍵在於行業融合、信息資源的開發利用、低成本高質量的解決方案、信息安全的保障及有效商業模式的開發。

(5)無線感測網路體系結構擴展閱讀：

感知層由基本的感應器件（例如RFID標簽和讀寫器、各類感測器、攝像頭、GPS、二維碼標簽和識讀器等基本標識和感測器件組成）以及感應器組成的網路（例如RFID網路、感測器網路等）兩大部分組成。主要識別物體、採集信息，與人體結構中皮膚和五官的作用類似。

該層的核心技術包括射頻技術、新興感測技術、無線網路組網技術、現場匯流排控制技術（FCS）等，涉及的核心產品包括感測器、電子標簽、感測器節點、無線路由器、無線網關等。

⑥ 物聯網的體系結構可以分為哪三個層次

物聯網的體系結構可以分為感知層，網路層和應用層三個層次。

感知層。是物聯網發展和應用的基礎，包括感測器或讀卡器等數據採集設備、數據接入到網關之前的感測器網路。感知層以RFID、感測與控制、短距離無線通信等為主要技術，其任務是識別物體和採集系統中的相關信息，從而實現對「物」的認識與感知。

網路層。是建立在現有通信網路和互聯網基礎之上的融合網路，網路層通過各種接入設備與移動通信網和互聯網相連，其主要任務是通過現有的互聯網、廣電網路、通信網路等實現信息的傳輸、初步處理、分類、聚合等，用於溝通感知層和應用層。目前國內通信設備和運營商實力較強，是我國互聯網技術領域最成熟的部分。

應用層。是將物聯網技術與專業技術相互融合，利用分析處理的感知數據為用戶提供豐富的特定服務。應用層是物聯網發展的目的。物聯網的應用可分為控制型、查詢型、管理型和掃描型等，可通過現有的手機、電腦等終端實現廣泛的智能化應用解決方案。

資料拓展：

物聯網的整個結構可分為射頻識別系統和信息網路系統兩部分。射頻識別系統主要由標簽和讀寫器組成，兩者通過RFID空中介面通信。讀寫器獲取產品標識後，通過internet或其他通訊方式將產品標識上傳至信息網路系統的中間件，然後通過ONS解析獲取產品的對象名稱，繼而通過EPC信息服務的各種介面獲得產品信息的各種相關服務。整個信息系統的運行都會藉助internet的網路系統，利用在internet基礎上的發展出的通信協議和描述語言。

因此我們可以說物聯網是架構在internet基礎上的關於各種物理產品信息服務的總和。從應用角度來看，物聯網中三個層次值得關注，也即是說，物聯網由三部分組成：一是感測網路，即以二維碼、RFID、感測器為主，實現對「物」的識別。二是傳輸網路，即通過現有的互聯網、廣電網路、通信網路等實現數據的傳輸與計算。三是應用網路，即輸入輸出控制終端。

⑦ 什麼是無線感測器網路

無線感測器的無線傳輸功能，常見的無線傳輸網路有RFID、ZigBee、紅外、藍牙、GPRS、4G、2G、Wi-Fi、NB－IoT。
與傳統有線網路相比，無線感測器網路技術具有很明顯的優勢特點，主要的要求有： 低能耗、低成本、通用性、網路拓撲、安全、實時性、以數據為中心等。

⑧ 什麼是無線感測技術

早在上世紀70年代，就出現了將傳統感測器採用點對點傳輸、連接感測控制器而構成感測網路雛形，我們把它歸之為第一代感測器網路。隨著相關學科的不斷發展和進步，感測器網路同時還具有了獲取多種信息信號的綜合處理能力，並通過與感測控制的相聯，組成了有信息綜合和處理能力的感測器網路，這是第二代感測器網路。而從上世紀末開始，現場匯流排技術開始應用於感測器網路，人們用其組建智能化感測器網路，大量多功能感測器被運用，並使用無線技術連接，無線感測器網路逐漸形成。

無線感測器網路是新一代的感測器網路，具有非常上世紀70年代，其發展和應用，將會給人類的生活和生產的各個領域帶來深遠影響。

無線感測器網路可以看成是由數據獲取網路、數據頒布網路和控制管理中心三部分組成的。其主要組成部分是集成有感測器、處理單元和通信模塊的節點，各節點通過協議自組成一個分布式網路，再將採集來的數據通過優化後經無線電波傳輸給信息處理中心。

⑨ 無線感測器網路通信協議的目錄

第1章 無線感測器網路概述
1.1 引言
1.2 無線感測器網路介紹
1.2.1 無線感測器網路體系結構
1.2.2 無線感測器網路的特點和關鍵技術
1.2.3 無線感測器網路的應用
1.3 無線感測器網路路由演算法
1.3.1 無線感測器網路路由演算法研究的主要思路
1.3.2 無線感測器網路路由演算法的分類
1.3.3 無線感測器網路QoS路由演算法研究的基本思想
1.3.4 無線感測器網路QoS路由演算法研究的分類
1.3.5 平面路由的主流演算法
1.3.6 分簇路由的主流演算法
1.4 ZigBee技術
1.4.1 ZigBee技術的特點
1.4.2 ZigBee協議框架
1.4.3 ZigBee的網路拓撲結構
1.5 無線感測器安全研究
1.5.1 無線感測器網路的安全需求
1.5.2 無線感測器網路安全的研究進展
1.5.3 無線感測器網路安全的研究方向
1.6 水下感測器網路
1.7 無線感測器網路定位
1.7.1 存在的問題
1.7.2 性能評價
1.7.3 基於測距的定位方法
1.7.4 非測距定位演算法
1.7.5 移動節點定位
第2章 無線感測器網路的分布式能量有效非均勻成簇演算法
2.1 引言
2.2 相關研究工作
2.2.1 單跳成簇演算法
2.2.2 多跳成簇演算法
2.3 DEEUC成簇路由演算法
2.3.1 網路模型
2.3.2 DEEUC成簇演算法
2.3.3 候選簇頭的產生
2.3.4 估計平均能量
2.3.5 最終簇頭的產生
2.3.6 平衡簇頭區節點能量
2.3.7 演算法分析
2.4 模擬和分析
2.5 結論及下一步工作
參考文獻
第3章 無線感測器網路分簇多跳能量均衡路由演算法
3.1 無線傳輸能量模型
3.2 無線感測器網路路由策略研究
3.2.1 平面路由
3.2.2 單跳分簇路由演算法研究
3.2.3 多跳層次路由演算法研究
3.3 LEACH-L演算法
3.3.1 LEACH-L的改進思路
3.3.2 LEACH-L演算法模型
3.3.3 LEACH-L描述
3.4 LEACH-L的分析
3.5 實驗模擬
3.5.1 評價參數
3.5.2 模擬環境
3.5.3 模擬結果
3.6 總結及未來的工作
3.6.1 總結
3.6.2 未來的工作
參考文獻
第4章 基於生成樹的無線感測器網路分簇通信協議
4.1 引言
4.2 無線傳輸能量模型
4.3 基於時間延遲機制的分簇演算法（CHTD）
4.3.1 CHTD的改進思路
4.3.2 CHTD簇頭的產生
4.3.3 CHTD簇頭數目的確定
4.3.4 CHTD最優簇半徑
4.3.5 CHTD描述
4.3.6 CHTD的特性
4.4 CHTD簇數據傳輸研究
4.4.1 引言
4.4.2 改進的CHTD演算法（CHTD-M）
4.4.3 CHTD-M的分析
4.5 模擬分析
4.5.1 生命周期
4.5.2 接收數據包量
4.5.3 能量消耗
4.5.4 負載均衡
4.6 總結及未來的工作
4.6.1 總結
4.6.2 未來的工作
參考文獻
第5章 基於自適應蟻群系統的感測器網路QoS路由演算法
5.1 引言
5.2 蟻群演算法
5.3 APAS演算法的信息素自適應機制
5.4 APAS演算法的揮發系數自適應機制
5.5 APAS演算法的QoS改進參數
5.6 APAS演算法的信息素分發機制
5.7 APAS演算法的定向廣播機制
5.8 模擬實驗及結果分析
5.8.1 模擬環境
5.8.2 模擬結果及分析
5.9 總結及未來的工作
5.9.1 總結
5.9.2 未來的工作
參考文獻
第6章 無線感測器網路簇頭選擇演算法
6.1 引言
6.2 LEACH NEW演算法
6.2.1 網路模型
6.2.2 LEACH NEW簇頭選擇機制
6.2.3 簇的生成
6.2.4 簇頭間多跳路徑的建立
6.3 模擬實現
6.4 結論及未來的工作
參考文獻
第7章 水下無線感測網路中基於向量的低延遲轉發協議
7.1 引言
7.2 相關工作
7.3 網路模型
7.3.1 問題的數學描述
7.3.2 網路模型
7.4 基於向量的低延遲轉發協議
7.4.1 基於向量轉發協議的分析
7.4.2 基於向量的低延遲轉發演算法
7.5 模擬實驗
7.5.1 模擬環境
7.5.2 模擬分析
7.6 總結
參考文獻
第8章 無線感測器網路數據融合演算法研究
8.1 引言
8.2 節能路由演算法
8.2.1 平面式路由演算法
8.2.2 層狀式路由演算法
8.3 數據融合模型
8.3.1 數據融合系統
8.3.2 LEACH簇頭選擇演算法
8.3.3 簇內融合路徑
8.3.4 環境設定和能耗公式
8.4 數據融合模擬
8.4.1 模擬分析
8.4.2 模擬結果分析
8.5 結論
參考文獻
第9章 無線感測器網路相關技術
9.1 超寬頻技術
9.1.1 系統結構的實現比較簡單
9.1.2 空間傳輸容量大
9.1.3 多徑分辨能力強
9.1.4 安全性高
9.1.5 定位精確
9.2 物聯網技術
9.2.1 物聯網原理
9.2.2 物聯網的背景與前景
9.3 雲計算技術
9.3.1 SaaS軟體即服務
9.3.2 公用/效用計算
9.3.3 雲計算領域的Web服務
9.4 認知無線電技術
9.4.1 傳統的Ad-hoc方式中無線感測器網路的不足
9.4.2 在ZigBee無線感測器網路中的應用
參考文獻
第10章 無線感測器網路應用
10.1 軍事應用
10.2 農業應用
10.3 環保監測
10.4 建築應用
10.5 醫療監護
10.6 工業應用
10.6.1 工業安全
10.6.2 先進製造
10.6.3 交通控制管理
10.6.4 倉儲物流管理
10.7 空間、海洋探索
10.8 智能家居應用

⑩ 基於Zigbee的遠程家庭監護系統的應用研究

無線感測器網路是由大量的感測器節點採用無線自組織方式構成的網路 其應用前景廣闊[ ][ ] Zigbee技術是一種具有統一技術標準的短距離無線通信技術 其PHY層和MAC層協議基於IEEE ． ． 協議標准 該標准把低能耗 低成本作為重要目標 主要應用於低速傳輸 可以作為無線感測器網路的通信協議

隨著社會老齡化的加劇 解決長期慢性病的監護成為重要的社會問題 一些突發性疾病和家庭保健 如心血管疾病 老人的日常護理 孕婦 胎兒 嬰兒 幼兒的保健也需要長期的家庭監護 由於我國醫療資源緊缺 研究基於公用網路的家庭醫療監護 建立小區醫療網路 可以提高醫療服務水平 減輕病人負擔 以往的解決方案是採用有線方式或簡單的無線數據發射接收方式 被監護者身上安裝的感測設備難以自由靈活地移動和接入 系統沒有擴展性 成本高 Zigbee 技術的出現為感測器信號的無線傳輸提供了新的解決方案 Zigbee節點有幾十米的覆蓋范圍 且可以增加路由節點 擴展覆蓋范圍 因此適用於家庭住宅 同時由於生理監護信號的數據傳輸流量不大 傳輸速率為 kbps的Zigbee能夠滿足生理數據傳輸要求 Zigbee感測節點可自由靈活地加入和離開網路 具有低功耗和低成本的特點

Zigbee無線感測器網路的上述特點使其在個人生理信號監測和遠程家庭監護方面將有很好的應用前景 本文在分析Zigbee無線感測器網路技術的基礎上 對其在移動監護的應用進行了研究

基於Zigbee的無線網路家庭監護系統架構

． 遠程家庭監護系統對網路的要求

家庭監護網路需要考慮能耗 覆蓋面 傳輸速率和互聯網進行通信等因素 本研究採用基於Zigbee技術的無線網路實現在室內對生理信號的採集 通過互聯網將生理數據傳輸到遠程監護伺服器 人體攜帶可移動生理信號感測器終端 在網路的可覆蓋范圍內活動 通過網路內的路由節點接入互聯網 Zigbee網路具有自組織 動態路由 網路節點少等特點 同時Zigbee網路考慮了節點的能量節約 減少節點處理器的計算負擔等問題 醫院或社區的醫生可以隨時通過互聯網查看患者的生理信息 可以對生理感測器的採集方式進行控制 同時也可以獲得無線網路中其他監護設備的信息

． 網路拓撲結構

IEEE ． ． 協議的網路拓撲結構有三種類型 星形結構 網格狀伍凳結構和族狀結構．如圖 所示 其中網格狀結構和族狀結構屬於點對點的結構 在 ． ． 網路中 根據設備所具有的通信能力可肢燃以分為全功能設備(FFD)和精簡功能設備(fIFD) FFD設備之間以及FFB設備與RFD設備之間可以直接通信 RFD之間不能直接通信 在IEEE ． + 網路中 有一個稱為PAN網路協調器的FFD設備 是感測器網路中的主控制器 每個網路僅有一個主控制器 網路協調器除了直接參與應用以外 還要完成成員的身份管理 鏈路狀態信息管理以及分組轉發等功能[ ][ ]

星形網路中所有節點都與中心協調器通信 節點間不能直接通信 中心節點的能量消耗大 適合於網路節點較少 網路結構簡單 小范圍的網路應用 而點對點網路中只要通信雙方都在其輻射范圍之內 任何兩個設備之間都可以通信 點對點網路中的協調器主要負責實現管理鏈路狀態信息 認證設備身份等功能 點對點網路支持Ad Hoc網路 且可以構造更復雜的網路結構

在家庭監護系統中 被監護對象可能在多個房間內活動 為了能隨時擴大覆蓋范圍 且方便以後功能擴展 選用族狀網路拓撲結構 在與互聯網的連接方面 建立zi鹵ee無線網路與乙太網的網橋 將監護信息傳送到監控伺服器 實現監護信息的共享

家庭監護網路體系結構

基於上述分析 本文設計的遠程家庭監護網路體系結構如圖 所示 Zigbee無線系統主要由Zigbee無線感測器節點(脈搏感測器節點) 若干個具有路由功能的無線節點和zigbee中心網路協調器(連接家庭無線網橋)組成 無線網橋連接zigbee無線網路與乙太網 是家庭無線網路的核心部分 負責無線感測器網歷橘虛絡節點和設備節點的管理 圖中A B C D為具有路由功能的FFD節點 感測器節點與路由節點自主形成一個多跳的網路

脈搏感測器節點可以通過A B C D節點向網關發送數據 由於被監護者在家庭內自由活動 所以其攜帶的感測器節點的路由可能是動態變化的 所設計的 Zigbee無線節點的室內通信距離為 ～ m A B C D節點可根據房間的分布進行布置 以能夠最大程度地覆蓋活動區域 脈搏生理數據經過家庭網關傳輸到遠程監護伺服器 遠程監護伺服器負責脈搏生理數據的實時採集 顯示和保存 其他的監護信息如監護圖像 安全設備狀態等也可以傳輸到伺服器 醫院監護中心和醫生可以登錄監護伺服器查看被監護者的生理信息．也可以遠程式控制制家庭Zigbee無線網路中的感測器和設備 從而在被監護病人出現異常時 能及時檢測到並採取搶救措施 被監護者的親屬等也可以登錄監護伺服器隨時了解被監護者的健康狀況

Zigbee家庭無線網路監護系統硬體結構

對於感測器節點 需要具有小尺寸 低功耗 適應性強的特點 根據 Zigbee協議標准 Zigbee設備發射輸出為 ~ ． dbm 通信距離為 ~ m 能夠檢測能量和鏈路質量 根據這些檢測結果 可自動調整設備的發射功率 在保證通信鏈路質量的條件下 最小地消耗設備能量 目前市場上的無線發射 接收晶元典型的有Chipcon公司和Freeseale公司的產品 本文選用Freescale的 作為系統的射頻晶元 此晶元可以結合Freescale公司的控制器GT 一起組成低功耗的無線模塊 無線感測器節點的結構框圖如圖 所示

由於無線感測器具有隨身攜帶要求 因此採用紐扣電池 脈搏感測器採用PVDF壓電薄膜 其輸出阻抗很大 由調理電路實現信號放大和濾波 設計時考慮到高頻電路對感測器信號的干擾 感測器調理電路與高頻發射接收部分分開設計 天線設計是無線模塊設計的關鍵 直接影響到感測器節點的通信質量和通信距離 可以參照常用的 ． GHz天線的設計方法 本設計採用偶極子微帶PCB板天線 所有銅箔的走線均採用微帶傳輸線的原理 以減少反射引起的傳輸損耗 獲得較大的輸出功率和較高的接收靈敏度

家庭網關負責家庭無線感測器網路的控制和管理 實現信息的融合處理 並將信息傳輸到互聯網 家庭網關的數據傳輸和運算量較大 並且可以採用外部電力作為電源供應 因此採用具有較強的信息處理能力和網路功能的arm 系列作為控制器 本文採用三星的S C 作為控制器 無線發射晶元採用 Freeseale的MCl 無線控制器晶元採用GT 兩者通過SPI口通信 無線網關的硬體結構如圖 所示

Zigbee無線網路軟體系統

Zigbee協議棧由一系列分層結構組成 每一層為上一層提供服務 數據實體提供數據傳輸服務 管理實體提供其他功能服務 每種服務實體通過服務接入點CsAP)為上層提供介面 基於Zigtme網路軟體分層結構如圖 所示

PHY層和MAC層由IEEE ． ． 標准組制定 物理層定義了物理無線信道和MAC子層之間的介面 提供物理層數據服務和物理層管理服務 物理層數據服務從無線信道上收發數據 物理管理層維護一個由物理層相關數據組成的資料庫

Zigbee聯盟基於 ． ． 標准提供了網路層和應用支持層及應用層框架 Zigbee網路層提供加入和離開網路機制 對數據進行加密以及幀路由等功能 路由協議負責將數據分組從源節點通過網路轉發到目的節點 主要完成兩個功能 ( )尋找源節點和目的節點間的優化路徑 ( )將數據分組沿著優化路徑轉發 為了能夠高效利用能量 減少通信量 Zigbee網路允許樹形路由選擇 即樹形結構選址 有了樹形路由選擇 設備不必保存佔有龐大內存的路由表或者進行額外的空中下載操作來發現路徑 從而減小了網路流量 為避免錯誤信息超過一定長度的過渡路由而產生額外的流量 Zigbee路由允許路由器去發現捷徑

路由演算法採用AODV(Ad hoc On Demand Distance Vetor)演算法 每個路由器維護一張路由表 並定期與其鄰居路由器交換路由信息 根據最小路由矢量更新自己的路由表 應用層框架定義監護網路節點協議

無線網關連接內部無線網路與外部有線乙太網 網關設計模型如圖 所示 網關採用arm 系列實現 運行Linux操作系統 在Zigbee協議幀的基礎上 建立無線阿關的通信協議 包括設備編號 數據流方向 數據信息等 開機上電後．系統自檢 硬體初始化 與遠程監護伺服器連接後進入數據流中繼服務 實現數據協議的轉換等功能 遠程伺服器接受連接後 隨時接收傳輸的數據．並根據需要分類保存到資料庫伺服器

實驗結果分析

根據設計的zigbee無線監護網路平台 對人體隨身攜帶的脈搏壓力信號進行連續採集 並在監護伺服器上實時顯示 採用 位A/D轉換器 數據采樣頻率 Hz 有線網路環境為校園區域網 採集數據的波形如圖 所示 圖 為投有使用網路傳輸 直接經過計算機採集的脈搏信號的波形曲線 采樣頻率為 Hz

通過對比圖 和圖 可以看出 經過家庭監護網路採集到的脈搏數據信號波形基本沒有變形 只是網路的延時使信號產生了微小的抖動 當系統接入互聯網 延時會加大 抖動更加明顯 通過增加緩沖區等方法可以減小影響網路延時對實時信號採集 另一方面 由於人體的活動也會給信號帶來很大的干擾．可進一步採取濾波等措施減小干擾