無線感測網路節能

『壹』 為什麼傳統網路的mac協議不適用於無線感測器網路呢

沒有統一的MAC協議分類方式，但是大體依據標准分為三種，如根據網路拓撲結構方式（分布式和集中式控制）；使用單一或多信道方式；採用固定分配信道還是隨機訪問信道方式。
已有的參考文獻也將無線感測器網路MAC協議分為三類：確定性分配、競爭佔用和隨機訪問。前兩者不是感測器網路的理想選擇。因為TDMA固定時隙的發送模式功耗過大，為了節省功耗，空閑狀態應關閉發射機。競爭佔用方案需要實時監測信道狀態也不是一種合理的選擇。隨機介質訪問模式比較適合於無線感測網路的節能要求。
下面介紹根據信道分配使用方式，將無線感測器網路MAC協議分為基於無線信道隨機競爭方式和時分復用方式及哪氏基於時分和頻分復用等其他混合方式三種。
1） 無線信道隨機競爭接入方式（CSMA）
節點需要發送數據時採用隨機方式使用無線信道，典型的如採用載波監聽多路訪問（CSMA）的MAC協議，需要注意隱藏終端和暴露終端問題，盡量減少節點間的干擾。
2） 無線信道時分復用無競爭接入方式（TDMA）
採用時分復用（TDMA）方式給每個節點分配了一個固定的無線信道使用時段，可以有效避免節點間的干擾。
旅兄3） 無線信道時分／頻分／碼分等混合復用接入方式（TDMA／FDMA／CDMA）
通過混合採用時分和頻分或碼分李鎮散等復用方式，實現節點間的無沖突信道分配策略。

『貳』 無線感測器網路的認證機制有哪些

與傳統網路不同,無線感測器網路通常部署在野外或者敵方區域,其網路節點成本低廉、結構較為鬆散、不具備抗篡改能力、且容易被攻擊者俘獲,無線感測網路的安全問題已經成為制約其發展的主要瓶頸之一,認證技術是安全體系中的重要組成部分,因此研究無線感測器網路的認證技術具有重要意義。本文結合無線感測器網路節點協同工作的特點,採用混淆多項式技術,著重研究適合該網路的數據認證機制,主要工作包括以下幾個方面：
(1)針對無線感測器網路中已有的廣播認證機制難以支持廣播優化、存在延遲等不足,本文基於虛擬骨幹網的思想,構建一個動態階梯型網路,採用多項式技術,提出了一種能夠識別轉發節點身份的廣播認證機制及其改進方案,與已有廣播認證機制相比,該機制計算簡單、認證延遲低、能夠容忍大量的俘獲節點,而且能夠支持層次廣播優化策略,更適用於大規模網路。
(2)針對無線感測器網路中已有的網內數據認證機制通常受到t門限值的限制,且難以支持動態路由的缺陷,本文基於虛擬證人簇的思想,採用混淆多項式技術,由雲團內部多個節點協作生成認證多項式,加大了攻擊難度；在此基礎上提出的網內數據認證機制,能即時驗證數據的有效性,並且支持動態路由。理論分析和模擬測試表明,新演算法不受t門限值的限制,隨著傳輸跳數的增加其節能效果更為明顯,與已有的網內數據認證機制相比,抗俘獲能力增強,更適用於可信度較低的網路,以及遠距離傳輸場景的應用。
(3)根據上述提出的多項式數據認證機制,在OMNet++平台上,實現了基於多項式認證的模擬系統,包括定義該模擬系統的總體結構,各功能層次所實現的具體功能,以及演算法的具體實現等。本文採用源節點隨機發送正確的數據包和偽造的數據包的方式來測試分析所提演算法的認證能力,模擬結果表明,該系統能夠有效地對數據包的新鮮性、完整性和可靠性進行認證,並能識別和剔除虛假數據。http://ic.big-bit.com/

『叄』 無線感測器網路節能方法

李佳

19011210599

【嵌牛導讀】無線感測器網路是由大量感測器構成的網路，每個感測器節點的能量都是由電池提供，由於感測器節點體積小功能全所以電池體積小容量小的特點使得每個感測器節點的能量都是有限使得感測器網路的生命周期受限。而感測器網路生命周期太短會帶來很多的不方便，因為無線感測器網路大多部署在偏遠地區以及環境條件極其惡劣的地方，電池能量供應有限，人員不可達等都限制其廣泛部署。

【嵌牛鼻子】分簇    生命周期     節點剩餘能量     簇頭

【嵌牛提問】如何有效減小通信過程中的能耗

【嵌牛正文】 分簇是作為減小有用耗能的理想的方法能夠能夠有效減少無線通信次數減少擁塞，而選擇簇頭的方法能夠均衡能效，在源頭進行數據聚合壓縮可以減少數據發送量，由於無線通信是無線感測器網路中最耗能的原因，所以用簇頭來傳遞數據能夠節約大量的能量，而且分簇的方法對於網路的擴展性也有很大改善，一旦網路需要擴展都是直接成簇擴展而不用考慮新加入的網路節點會破壞網路本來的結構，也就是分簇以後網路的穩健性也得到了很大的提升。

【分簇技術】

1、雙簇頭法：在節點同構時雖然初始能量一樣，但是由於硬體原因或者外界因素不能保證每個節點上的能耗是一樣的，所以有的簇頭可能由於硬體或者外界因素而導致能量消耗過快而失效，則該簇內節點感知到的數據將會無處可傳，那麼這部分數據就會不能傳遞到基站，在節點異夠能量的時候也會存在這樣的問題，當只有一個簇頭的時候，只要該簇頭失效，則網路生命周期便大打折扣，建立主副簇頭的方法能夠有效改善單簇頭引起的能量空洞問題

2、根據權重選擇簇頭 ：距離權重和能量權重的加和，離匯聚節點遠的節點能量相對較多以減少因長距離通信引起的網路失聯。

3、根據節點剩餘能量分簇：總是能夠在剩餘節點中找到能量最大的節點作為簇頭，因為簇頭在通信過程中的大能耗問題使得這樣的方法得到更廣泛的應用。

【 分簇協議 】 

LEACH  LEACH-C  SEP    HEED    DEEC    DDEEC   等一些更加先進的技術 。

無線感測器網路的節能問題並未得到根本性的改善，節能的工作任重道遠。

『肆』 無線感測器網路

無線感測器網路(wirelesssensornetwork，WSN)是綜合了感測器技術、嵌入式計算機技術、分布式信息處理技術和無線通信技術，能夠協作地實時監測、感知和採集網路分布區域內的各種環境或監測對象的信息，並對這些數據進行處理，獲得詳盡而准確的信息。傳送到需要這些信息的用戶。它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一個多跳的自組織的網路系統。感測器、感知對象和觀察者構成了感測器網路的三要素。
無線感測器網路作為當今信息領域新的研究熱點，涉及到許多學科交叉的研究領域，要解決的關鍵技術很多，比如：網路拓撲控制、網路協議、網路安全、時間同步、定位技術、數據融合、數據管理、無線通信技術等方面，同時還要考慮感測器的電源和節能等問題。
所謂部署問題，就是在一定的區域內，通過適當的策略布置感測器節點以滿足某種特定的需求。優化節點數目和節點分布形式，高效利用有限的感測器網路資源，最大程度地降低網路能耗，均是節點部署時應注意的問題。
目前的研究主要集中在網路的覆蓋問題、連通問題和能耗問題3個方面。
基於節點部署方式的覆蓋：1)確定性覆蓋2)自組織覆蓋
基於網格的覆蓋：1)方形網格2)菱形網格
被監測目標狀態的覆蓋：1)靜態目標覆蓋2)動態目標覆蓋
連通問題可描述為在感測器節點能量有限，感知、通信和計算能力受限的情況下，採用一定的策略(通常設計有效的演算法)在目標區域中部署感測器節點，使得網路中的各個活躍節點之間能夠通過一跳或多跳方式進行通信。連通問題涉及到節點通信距離和通信范圍的概念。連通問題分為兩類：純連通與路由連通。
覆蓋中的節能對於覆蓋問題，通常採用節點集輪換機制來調度節點的活躍／休眠時間。連通中的節能針對連通問題，也可採用節點集輪換機制與調整節點通信距離的方法。而文獻中涉及最多的主要是從節約網路能量和平衡節點剩餘能量的角度進行路由協議的研究。

『伍』 協議相比，無線感測器網路的路由協議具有哪些特點

與傳統網路的路由協議相比，無線感測器網路的路由協議具有以下特點：
（1）能量優先
由於節點的能量有限，因此需要考慮節點的能量消耗以及網路能量均衡使用的問題。
（2）基於局部拓撲信息
節點只能獲取局部拓撲信息且資源有限，需要實現簡單高效的路由機制。
（3）以數據為中心
感測器網路通常包含多個感測器節點到少數匯聚節點的數據流，按照對感知數據的需求、數據通信模式和流向等，以數據為中心形成信息的轉發路徑。
（4）應用相關
感測器網路的應用環境千差萬別，需要針對每一個具體應用的需求，設計與之適應的特定路由機制。
根據無線感測器網路路由的特點，現階段WSN路由協議設計要遵從如下原則：
（1）能量利用率優先考慮
無線感測器網路路由協議以節能為目標，採用各種方式減少通信消耗，延長WSN的生存時間。
（2）數據為中心
以數據為中心的路由協議要求採用基於屬性的命名機制，某個節點的故障並不會影響整個協議的運行，提高了網路的強健性。
（3）不影響感測器節點探測精度條件下的數據聚合
通過數據聚合，將多個節點的數據綜合成有意義的信息，提高了感知信息的准確性，同時增強了系統的強健性。
（4）實現節點定位和目標追蹤
通過節點定位，達到路由決策的目的，同時降低整個系統的能量消耗，提高系統的生存時間。

『陸』 無線感測網路的照明控制系統研究的意義

無線感測網路的照明控制系統研意義：
基於無線感測網路教室燈光自動控制系統的研究該系統實用性強,能根據外界光線的強弱自動控制教室電燈的開啟,從而能有效提高教學效果,同時避免了過亮的燈光產生的浪費。 該課題還可以應用於路燈等其它自動控制系統中,進行科學管理,達到節能的效 果,應用前景廣泛。

『柒』 無線感測器在網路中的應用設計

下面是由整理的畢業設計論文《無線感測器在網路中的應用設計》，歡迎閱讀。

1引言

無線感測器網路(Wireless Sensor Networks，簡稱WSNs)是由部署在監測區域內大量的廉價微型感測器節點組成，通過無線通信形成一個多跳自組織網路系統，能夠實時監測、感知和採集網路分布區域內監視對象的各種信息，並加以處理，完成數據採集和監測任務。WSNs綜合了感測器、嵌入式計算、無線通訊、分布式信息處理等技術，具有快速構建、自配置、自調整拓撲、多跳路由、高密度、節點數可變、無統一地址、無線通信等特點，特別適用於大范圍、偏遠距離、危險環境等條件下的實時信息監測，可以廣泛應用於軍事、交通、環境監測和預報、衛生保健、空間探索等各個領域。

2節點的總體設計和器件選型

2.1節點的總體設計

WSNs微型節點應用數量比較大，更換和維護比較困難，要求其節點成本低廉和工作時間盡可能長;功能上要求WSNs中不應該存在專門的路由器節點，每個節點既是終端節點，又是路由器節點。節點間採用移動自組織網路聯系起來，並採用多跳的路由機制進行通信。因此，在單個節點上，一方面硬體必須低能耗，採用無線傳輸方式;另一方面軟體必須支持多跳的路由協議。基於這些基本思想，設計了以高檔8位AVR單片機ATmega128L為核心，結合外圍感測器和2.4 GHz無線收發模塊CC2420的WSNs微型節點。這兩款器件的體積非常小，加上外圍電路，其整體體積也很小，非常適合用作WSNs節點的元件。

圖1給出WSNs微型節點結構。它由數據採集單元、數據處理單元、數據傳輸單元和電源管理單元4部分組成。數據採集單元負責監測區域內信息的採集和數據轉換，設計中包括了可燃性氣體感測器和濕度感測器;數據處理單元負責控制整個節點的處理操作、路由協議、同步定位、功耗管理、任務管理等;數據傳輸單元負責與其他節點進行無線通信，交換控制消息和收發採集數據;電源管理單元選通所用到的感測器，節點電源由幾節AA電池組成，實際工業應用中採用微型紐扣電池，以進一步減小體積。為了調試方便及可擴展性，可將數據採集單元獨立出來，做成兩塊能相互套接的可擴展主板。

2.2處理器選型

處理器的選型要求和指標是功耗低，保證長時間不更換電源也能順利工作，供給電壓小於5 V，有較快的處理速度和能力，由於節點是需要大量安置的，所以價格也要相對便宜。選用AVR單片機，考慮到電路中I/O的個數不多，功耗低、成本低、適合與無線器件介面配合等多方面因素，綜合對比後，選用Atmel公司的ATmega128L。該微型控制器擁有豐富的片上資源，包括4個定時器、4 KB SRAM、128KB Flash和4 KBEEPROM;擁有UART、SPI、I2C、JTAG介面，方便無線器件和感測器的接入;有6種電源節能模式，方便低功耗設計。

2.3無線通信器件選型 CC2420是一款符合ZigBee技術的高集成度工業用射頻收發器，其MAC層和PHY層協議符合802.15.4規范，工作於2.4 GHz頻段。該器件只需極少外部元件，即可確保短距離通信的有效性和可靠性。數據傳輸單元模塊支持數據傳輸率高達250 Kb/s，即可實現多點對多點的快速組網，系統體積小、成本低、功耗小，適於電池長期供電，具有硬體加密、安全可靠、組網靈活、抗毀性強等特點。

2.4感測器選型

由於WSNs是用於礦下安全監測，常要檢測礦下可燃氣體的濃度(預防瓦斯氣體濃度過高)和空氣濕度，所以要選擇測量氣體濃度和濕度的感測器。

2.4.1 HIH-4000系列測濕感測器

HIH-4000系列測濕感測器作為一個低成本、可軟焊的單個直插式組件(SIP)能提供儀表測量質量的相對濕度(RH)感測性能。RH感測器可用在二引線間有間距的配量中，它是一個熱固塑料型電容感測元件，其內部具有信號處理功能。感測器的多層結構對應用環境的不利因素，諸如潮濕、灰塵、污垢、油類和環境中常見的化學品具有最佳的抗力，因此可認定它能適用礦下環境。

2.4.2 MR511熱線型半導體氣敏元件

MR511型氣敏元件利用氣體吸附在金屬氧化物半導體表面而產生熱傳導變化及電傳導變化的原理，由白金線圈電阻值變化測定氣體濃度。MR511由檢測元件和補償元件配對組成電橋的兩個臂，遇可燃性氣體時，檢測元件的電阻減小，橋路輸出電壓變化，該電壓變化隨氣體濃度的增大而成比例增大，補償元件具有溫度補償作用。MR511除具有靈敏度高、響應恢復時間短、穩定性好特點外，還具有功耗小，抗環境溫濕度干擾能力強的優點。WSNs的節能和井下惡劣溫濕環境要求MR5111可以滿足。

3 WSNs節點設計

3.1數據採集單元

考慮到無線感測器網路節點的節能和井下惡劣的溫濕環境，為了便於數據採集，系統設計採用HIH-4000-01型測濕度感測器和MR511熱線型半導體氣體感測器。圖2、圖3分別給出其電路設計圖。

3.2數據處理單元

ATmega128L的外圍電路設計簡單，設計時注意在數字電路的電源並人多隻電容濾波。ATmega128L的工作時鍾源可以選取外部晶振、外部RC振盪器、內部RC振盪器、外部時鍾源等方式。工作時鍾源的選擇通過ATmega128L的內部熔絲位來設計。熔絲位可以通過JTAG編程、ISP編程等方式設置。ATmega128L採用7.3728 MHz和32.768 kHz兩個外部晶振。前者用作工作時鍾，後者用作實時時鍾源。

3.3數據傳輸單元

3.3.1 CC2420外圍電路設計

圖4給出數據傳輸單元的外圍電路。CC2420隻需要極少的外圍元器件。其外圍電路包括晶振時鍾電路、射頻輸入/輸出匹配電路和微控制器介面電路3部分。

射頻輸入/輸出匹配電路主要用來匹配器件的輸入輸出阻抗，使其輸入輸出阻抗為50 Ω，同時為器件內部的PA及LNA提供直流偏置。射頻輸入/輸出是高阻抗，有差別。射頻端最適合的負載是115+j180 Ω。C61、C62、C71、C81、L61組成不平衡變壓器，L62和L81匹配射頻輸入輸出到50 Ω;L61和L62同時提供功率放大器和低雜訊放大器的直流偏置。內部的T/R開關是為了切換低雜訊放大器/功率放大器。R451偏置電阻是電流基準發生器的精密電阻。CC2420本振信號既可由外部有源晶體提供，也可由內部電路提供。若由內部電路提供時，需外加晶體振盪器和兩只負載電容，電容的大小取決於晶體的頻率及輸入容抗等參數。設計採用16 MHz晶振時，其電容值約為22 pF。C381和C391是外部晶體振盪器的負載電容。片上電壓調節器提供所有內部1.8 V電源的供應。C42是電壓調節器的負載電容，用於穩定調節器。為得到最佳性能必須使用電源去耦。在應用中使用大小合適的去耦電容和功率濾波器是非常重要的。CC2420可以通過4線SPI匯流排(SI、SO、SCLK、CSn)設置器件的工作模式，並實現讀，寫緩存數據，讀/寫狀態寄存器等。通過控制FIFO和FIFOP引腳介面的狀態可設置發射/接收緩存器。

3.3.2配置IEEE 802.15.4工作模式

CC2420為IEEE 802.15.4的數據幀格式提供硬體支持。其MAC層的幀格式為：頭幀+數據幀+校驗幀;PHY層的幀格式為：同步幀+PHY頭幀+MAC幀，幀頭序列的長度可通過設置寄存器改變，採用16位CRC校驗來提高數據傳輸的可靠性。發送或接收的數據幀被送入RAM中的128位元組緩存區進行相應的幀打包和拆包操作。表1給出CC2420的四線串列SPI介面引腳功能。它是設計單片機電路的依據，充分發揮這些功能是設計無線通信產品的前提。

3.3.3 CC2420與單片機介面電路設計

圖5給出CC2420與ATmega128L單片機的介面電路。CC2420通過簡單的四線(SI、SO、SCLK、CSn)與SPI兼容串列介面配置，這時CC2420是受控的。ATmega128L的SPI介面工作在主機模式，它是SPI數據傳輸的控制方;CC2420設為從機工作方式。當ATmega128L的SPI介面設為主機工作方式時，其硬體電路不會自動控制SS引腳。因此，在SH通信時，應在SPI介面初始化，它是由程序控制SS，將其拉為低電平，此後，當把數據寫入主機的SPI數據寄存器後，主機介面將自動啟動時鍾發生器，在硬體電路的控制下，移位傳送，通過MOSI將數據移出ATmega128L，並同時從CC2420由MISO移人數據，8位數據全部移出時，兩個寄存器就實現了一次數據交換。

4結語

通過對於無線感測器網路節點中感測器元件、數據處理模塊、數據傳輸模塊和電源的選擇，設計了一種以CC2420和ATmega128L為主體的硬體方案。利用該方案設計的CC2420和ATmega128L的外圍電路以及兩者之間的介面電路。此外，還對感測器與單片機的介面電路進行設計。通過實驗驗證，設計的硬體節點基本上達到了項目要求，經調試能通過感測器正確真實地採集數據，並實現兩個無線節點(兩個電路板。AA電池供電)在30 m左右的通信、傳輸數據、並反映到終端設備。

『捌』 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。

『玖』 感測器網路實現時間同步的作用是什麼

無線感測器網路時間同步機制的意義和作用主要體現在如下兩方面：

1、感測器節點通常需要彼此協作，去完成復雜的監測和感知任務數據融合是協作操作的典型例子，不同的節點採集的數據最終融合形成了一個有意義的結果。

2、感測器網路的一些節能方案是利用時間同步來實現的。

感測器網路綜合了感測器技術、嵌入式計算技術、現代網路及無線通信技術、分布式信息處理技術等，能夠通過各類集成化的微型感測器協作地實時監測、感知和採集各種環境或監測對象的信息，通過嵌入式系統對信息進行處理，並通過隨機自組織無線通信網路以多跳中繼方式將所感知信息傳送到用戶終端。

(9)無線感測網路節能擴展閱讀：

根據不同的依據，無線感測器網路的定位方法可以進行如下分類：

（1）根據是否依靠測量距離，分為基於測距的定位和不需要測距的定位；

（2）根據部署的場合不同，分為室內定位和室外定位；

（3）根據信息收集的方式，網路收集感測器數據稱為被動定位，節點主動發出信息，用於定位稱為主動定位無線感測器網路與應用。