无线传感器网络结课论文终稿

无线传感器网络结课论文

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一.无线传感器网时间同步技术综述 (1)

<一>引言 (1)

<二>同步技术研究现状 (1)

<三>时间同步算法 (2)

3.1泛洪时间同步协议 (2)

3.2 RBS 协议 (2)

3.3LTS协议 (3)

<四>小结 (3)

二.基于无线传感器网络的环境监测系统 (3)

<一>网络系统简介 (3)

<二>网络系统结构 (3)

2.1总体结构 (3)

2.2传感器节点结构 (4)

2.3汇聚节点结构 (5)

<三>应用无线传感器网络的意义 (6)

三．学习心得 (7)

四. 参考文献 (8)

一.无线传感器网时间同步技术综述

<一>引言

无线传感器网络( Wireless Sensors Network，WSN) 是一种在一定区域内投放大量的传感器节点，通过无线通信形成的一个单跳或多跳的自组织式的网络系统，它通常采集和处理监测区域中被感知目标的信息，并通过网络发送给主机端以提高人类对物理环境的远端监视和控制能力。无线传感网络技术在交通、国防、医学、农业等方面有着重要的运用。无线传感器网络由大量的节点构成，通常包括传感器节点、汇聚节点和任务管理节点。大量体积小、精度高的传感器节点随机部署在监测区域内，通过自组织的方式构成网络。传感器节点将监测到的数据传输给其它传感器节点，经过多跳后路由到汇聚节点，最后通过互联网或卫星到达任务管理节点。用户则通过任务管理节点发布监测任务以及收集监测数据，对无线传感器网络进行管理。

无线传感器网络是许多领域里的关键技术之一，而时间同步则是无线传感器网络中的关键技术之一。简而言之，在检测与监视某对象的过程中，目标定位和追踪、协同数据处理、能量管理等都对物理时间的精确度都有着敏感的需求。因此，无线传感器网络的应用通常需要一个适应性比较好的时间同步服务，以保证数据的一致性和协调性。此外，数据融合、通信信道复用等也都需要时间同步的保障。所以，如何根据无线传感器网络的特点对物理时间进行同步是一个重要的问题。

目前，学术界和业界对无线传感器网络的时间同步技术进行了一定的研究，本章节描述了无线传感器网络时间同步技术的研究现状，对3种不同时间同步机制的经典算法进行分析和比较。

<二>同步技术研究现状

时间同步技术相对于计算机网络的相关技术而言尚为年轻，自从2002年学术会议Hot Nets上首次提出了时间同步这一研究课题后，到目前为止，无线传感器网络的时间同步技术也取得了一定进展，同时也开发出了多种极其有价值时间同步的算法。

目前，对于单跳网络的同步研究已趋于成熟，但由于同步误差的累积，导致单跳网络的同步技术难以扩展到多跳网络，使得多跳网络的同步技术研究较为薄弱。若再考虑节点的移动性，则会极大增加同步技术的研究难度。因此，无线传感器网络的时间同步技术还有很大的研究空间。

<三>时间同步算法

3.1泛洪时间同步协议

泛洪时间同步协议( Flooding Time Synchronization ，FTSP) 的目标是实现整个网络的时间同步并且误差控制在 μs 级，可以灵活的适应大量的传感器节对网络拓扑结构的变化或节点的失效有容错性。该算法通过采用 MAC 层标记时间戳和线性回归偏差补偿弥补了相关的错误源。

FTSP 通过发送节点广播同步信息，在广播范围内的接收节点根据同步信息中的全局时间，计算自身与发送节点间的时钟偏差，实现在广播范围内的接收节点与发送节点的时间同步。如下图1所示。

图1 FTSP 时间同步 FTSP 可以应用在已有的多跳时间同步协议上，以增加它们的精确度。它和先前的时间戳算法不同，因为它除了传播时间外，排除大部分同步错误源，并利用单一的广播信息确定发送和接受者间的同步点。FTSP 在动态 leader-election 算法中结合时钟偏差补偿算法显示出突出的性能。

3.2 RBS 协议

RBS ( Reference Broadcast Synchronization)是无线传感器时间同步技术领域的开创性成果。该算法通过指定的“时标”节点周期广播时间信息分组，位于广播域内的节点用各自的时钟记录接收到该分组的时间，随即接收节点再两两互换消息以确定节点之间的时钟偏移量，最终达到各节点的时钟同步。

在RBS 中，节点周期性地无线广播beacon 消息给它的邻居节点，邻居节点利用广播 beacon 到达地时间作为参照以比较时钟。邻居节点间互相交换本地时间戳计算偏差，并以此同步各个时钟。

该协议的一个优点就是缩短了关键路径。对于传统的时钟同步协议关键路径是指从发送端读取时钟到接收端读取时钟所经过的时间，

其中包含了信息包在进

根节点

第一层节点

第二层节点

入信道之前在网络适配器(内的停留时间，如图2所示。而 RBS 的关键路径指从信息包进入信道到最后一个接收端读取时钟所经过的时间，消除了发送和访问时间，从而提高了精度，这也是 RBS 的优点所在，从图2可以看出RBS 协议和传统的基于发送接收方式的时钟同步协议在影响非决定性误差上有明显的差异。

图2关键路径对比

RBS 算法的缺点是需要用于广播交换以得到成对节点同步的开销。随之网络密度的增加，这种开销也随之增加。已有人提出一种对RBS 改进的同步算法，可以在多跳网络间实现同步。为了达到处于不同区域的节点实现同步，需要建立一条用于交换时间戳的时间同步的网关多跳链。

3.3LTS 协议

LTS 协议( Lightweight Time Synchronization)同步算法实用于低成本、低复杂度、对时间同步精度要求并不是很高的传感器节点时间同步。通过减少时间同步的频率和参与同步的节点数目，在满足同步精度要求的同时降低节点的通信和计算开销，减少网络能量的消耗。

LTS 协议主要分为集中式和分布式两类 LTS 多跳时间同步算法。集中式 LTS 多跳同步算法是单跳同步的简单线性扩展，其基本思想是构造低深度的生成树，然后以树根为参考点，依次向叶节点进行逐级同步，最终达到全网同步。

在分布式 LTS 多跳同步算法中，任何节点 j 在需要同步时都可以发起同步请求，从参考节点到节点 j 路径上的所有节点采用节点对的同步方式，逐跳实现与参考节点的时间同步。当所有节点需要同时进行时间同步时，集中式多跳同步算法更加高效; 当部分节点需要频繁进行同步时，分布式机制需要相对较少的成对同步。

<四>小结

（a ）传统的时间同步协议 （b ）RBS 协议

通过上述分析与介绍，可以看到现有的时间同步协议算法都有着自身的缺陷，更多的是因为无线传感器网络节点本身能量有限，这就要求时间同步算法的能量开销小，但同时又要保证同步的精度。从现有的趋势看，一个方法是要降低单次同步的算法复杂度，另一个则要尽量减少同步的次数。随着技术的不断发展，算法研究的不断拓展，未来一定会出现更为完善的时间同步协议，给无线传感器网络的发展普及带来更为深远的影响。

二.基于无线传感器网络的环境监测系统

<一>网络系统简介

由于有线监测系统其自身的局限性以及各类环境的复杂性，各类待采集的环境参数都无法有效的获得监测。而基于无线传感器网络的环境监测系统就是在采集目标地点散布无线传感器节点,这些结点通过自组织方式构成无线网络。主要采集,大气、水质、土壤、噪声、辐射、固体废物、农药等环境参数。通常以离线的形式进行分析处理后传输到根节点再传输给监测人员。

<二>网络系统结构

2.1总体结构

网络系统结构的设计方式通常可采用树型结构路由将数据送往收集点,这种应用情况通常需要低数据率和长的时间周期,在部署之后网络的物理结构基本保持恒定。如下图3所示。

图3环境监测网络系统结构图 Internet

上位机

上位机

IEEE802.3

节点1 节点2 汇聚节点

由图3可知,在左边的无线传感器网络中监测节点将检测数据通过无线收发模块或者直接或者通过其他节点转发的方式发送给汇聚节点,汇聚节点不仅集成了无线模块,还集成了网卡协议芯片,这使主节点具有因特网功能,可以将接收到的数据发送到Internet,从而安装了相应接收软件的上位机就可以接收到这部分数据。

2.2传感器节点结构

传感器节点由传感器模块、CC2430 模块和能量供应模块三部分组成，CC2430 模块内部集成了处理器模块和无线通信模块，节点体系结构框图如图4所示。传感器模块负责监测区域内信息的采集和数据转换；处理器模块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以及其他节点发来的数据；无线通信模块负责与其他传感器节点进行无线通信，交换控制信息和收发采集数据；能量供应模块为传感器节点提供运行所需的能量，采用电池供电。

图4 节点结构

2.3汇聚节点结构

汇聚节点的功能就是负责对节点采集的数据进行分析、汇总和预处理，因此汇聚节点应该是一个功能强大的嵌入式系统，有足够的能量供给、大容量的内存和较强的计算能力。

汇聚节点主要由处理器、存储器模块、通信模块和电源模块组成。根据汇聚节点的需求分析可以得出汇聚节点的结构设计如图5所示。

图5 汇聚节点结构

处理器是系统的核心，主要用来处理从传感器采集到的数据以及完成一些控制功能，在无线传感器网络中，数据收发要比数据处理消耗大得多的能量，一般先将数据进行处理，然后再传送，因此对处理器计算能力的要求很高。从汇聚节点功能分析结果考虑，处理器应该具有较高的工作频率；大量的I/O 接口满足扩充性要求；片内集成众多外设控制器，实现外设连接而不增加其他外部控制器；要具有很好的电源管理功能，达到最小的功耗控制。

汇聚节点还要配备大容量的FLASH 存储器来安装应用程序和保存数据，以及SDRAM存储器来运行程序。汇聚节点同时叠加与传感器节点相同的射频收发模块，用于接收传感器节点发送的数据。为了方便调试和与外界通信，汇聚节点还配置了通信模块。

<三>应用无线传感器网络的意义

无线传感器网络技术作为改变21 世纪人类生活的新技术之一，已经成为国内外研究的热点。其低功耗、低成本、高可靠性、自组织等不同于其他无线网络的征，具有传统系统无可比拟的优势，使得无线传感器网络具有广阔的应用前景，人已经越来越多地将传感器网络应用到各种监测、跟踪系统中。

无线传感网络技术近几年来得到了突飞猛进的发展，能够长期自动获取客观物理信息，具有十分广阔的应用前景。人们己经越来越多地将无线传感器网络应用到环境监测中，总的来说，无线传感器在环境监测中具有以下几点优势：1）传感器节点的体积很小且整个网络只需要部署一次，这一点在对外来生物活动敏感的环境中极其有意义。

2）传感器节点数量很大，分布密度高，每个节点可以监测到局部环境的详细信息并汇总到基站。因此无线传感器网络具有数据采集量大，正确度高的特点。

这对精度要求高的环境监测很有意义。

3）无线传感器网络的节点本身具有一定的计算能力和存储能力，可以根据环境的变化进行较为复杂的监测。

4）传感器节点还具有无线通信的能力，可以在节点间进行协同监测。

无线传感器网络适用于多种环境监测的应用，例如在河流沿线分区域部署传感器节点，随时监测各种污染指标，及时掌握水资源被污染的情况；代替传统的在线仪，部署在企业的生产废水、生活污水排放口，掌握企业废水处理情况，同时也对企业的排污行为起到监督的作用。

无线传感器网络实时采集任何需要监控、连接、互动的物体或过程，采集其声、光、热、电、力学、化学、生物、位置等各种需要的信息，与互联网结合形成的一个巨大网络。其目的是实现物与物、物与人，所有的物品与网络的连接，方便识别、管理和控制。这对未来各个行业都将产生重要且长远的影响。

三．学习心得

通过孟老师的《无线传感器网络》课程的学习，我理解了无线传感器网络的很多知识，知道了它与传统网络的重大区别；理解了传感器路由协议、MAC协议的原理以及它的与功能；知道了拓扑控制的结构体系与功能；还对定位技术与时间同步技术进行了一个探究。在课外，我阅读了IEEE的标准以及压缩感知的相关知识。可以这么说，这门课程给我打开了一扇广阔的大门，扩大了我的视野与知识面。

在学习过程中，个人觉得孟老师讲课很生动形象，课堂上提供了大量的实例来佐证一些理论，让我对传感器网络有了一个直观的感受。但是我在对于相关原理的仔细探讨方面还有所遗憾，就需要在课外补足，这可能与课时限制以及课程定位有关。总的来说，孟老师的这门课让我受益不菲，我对于传感器方向的思维方式、视野均得到了较好的提升，这个过程非常值得。谢谢孟老师与其他帮助过我的同学。

四. 参考文献

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