无线传感器网络WSN编程.

无线传感器网络WSN编程1背景意义2网络体系结构3关键技术分析4leach协议算法5Demo演示目录CONTENTS1.1定义无线传感器网络(wirelesssensornetwork，简称WSN)，就是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中被感知对象的信息，并发送给观察者。传感器、感知对象和观察者构成了无线传感器网络的三个要素。1.2发展历程1965198019952005第一代第二代第三代第四代直接覆盖接口覆盖总线覆盖网络覆盖点覆盖线覆盖面覆盖域覆盖1.3基本特点大规模网络自组织网络动态性网络可靠性网络应用相关的网络以数据为中心的网络1.4应用范围军事应用环境观测和预报系统医疗护理智能家居建筑物状态监控其他方面的应用传感器网络战场评估生活习性监测地震监测深海监控医疗状况监控目标跟踪和检测小区安全监控精细农业森林火灾监控2.1传感器网络结构传感器网络结构如下图所示，传感器网络系统通常包括传感器节点:随机部署在监测区域内部或附近汇聚节点：通过互联网或卫星将数据传送给管理节点管理节点：对传感器网络进行配置和管理，发布监测任务以及收集监测数据ABCDE汇聚节点传感器节点监测区域卫星互联网用户管理节点2.1传感器网络结构传感器节点随机部署在监测区域内部或附近，通过自组织方式构成网络传感器节点监测的数据沿着其他传感器节点逐跳地进行传输，在传输过程中监测数据可能被多个节点处理，经过多跳后路由到汇聚节点，最后通过互联网或卫星或无线网络到达管理节点。用户通过管理节点对传感器网络进行配置管理，发布监测任务收集监测数据2.2传感器节点结构传感器模块：信息采集、数据转换处理器模块：控制整个传感器节点的操作、存储和处理采集的数据无线通信模块：无线通信，交换控制消息和收发采集数据能量供应模块：提供运行所需能量，通常采用微型电池。2.3传感器网络协议栈左图是早期提出的一个协议栈随着传感器网络的深入研究，右图的协议栈细化并改进了原始模型2.3传感器网络协议栈物理层提供简单但健壮的信号调制和无线收发技术数据链路层负责数据成帧、帧检测、媒体访问和差错控制网络层主要负责路由生成与路由选择传输层负责数据流的传输控制，是保证通信服务质量的重要部分应用层包括一系列基于监测任务的应用层软件2.3传感器网络协议栈能量管理平台管理传感器节点如何使用能量移动管理平台检测并注册传感器节点的移动，维护到汇聚节点的路由任务管理平台在一个给定的区域内平衡和调度监测任务。3关键技术无线传感器网络作为当今信息领域新的研究热点，涉及多学科交叉的研究领域，有非常多的关键技术有待发现和研究，下面仅挑出三个关键技术进行详细解释。数据融合数据管理无线通信技术嵌入式操作系统应用层技术网络拓扑控制网络协议网络安全时间同步定位技术3.1网络协议重点是网络层协议和数据链路层协议。网络层的路由协议决定信息的传输路径数据链路层控制传感器节点的通信过程和工作模式。无线传感器网络是以数据为中心的，这在路由协议中表现得最为突出，每个节点没有必要采用全网统一的编址，选择路径可以不用根据节点的编址，更多的是根据感兴趣的数据建立数据源到汇聚节点之间的转发路径。MAC协议首先要考虑节省能源和可扩展性，其次才考虑公平性、利用率和实时性等。3.1网络协议MAC层的能量浪费主要表现在空闲侦听、接收不必要数据和碰撞重传等。由于无线传感器网络是应用相关的网络，应用需求不同时，网络协议往往需要根据应用类型或应用目标环境特征定制，没有任何一个协议能够高效适应所有的不同的应用。3.2网络安全WSN安全问题是信息机密性、数据产生的可靠性、数据融合的高效性以及数据传输的安全性。安全机制：机密性、点到点的消息认证、完整性鉴别、新鲜性、认证广播和安全管理、水印技术3.2网络安全由于节点处理能力、计算能力的限制，安全性与普通网络有很大区别，也是无线传感器网络安全的主要挑战；另外，无线传感器网络任务的协作特性和路由的局部特性使节点之间存在安全耦合，单个节点的安全泄漏必然威胁网络的安全，所以在考虑安全算法的时候要尽量减小这种耦合性。3.3数据融合数据融合技术可利用节点的本地计算和存储能力、数据处理融合能力，去除冗余信息，从而达到节省能量的目的，提高信息的准确度。数据融合技术可以与无线传感器网络的多个协议层次进行结合。在应用层设计中，利用分布式数据库技术，对采集到的数据进行逐步筛选，达到融合的效果在网络层中，很多路由协议均结合了数据融合机制，以期减少数据传输量。数据融合技术已经在目标跟踪、目标自动识别等领域得到了广泛的应用。3.3数据融合数据融合技术在节省能量、提高信息准确度的同时，要以牺牲其他方面的性能为代价。延迟的代价：数据传送过程中寻找进行数据融合的路由、进行数据融合操作、为融合而等待其他数据鲁棒性的代价：数据融合可以大幅度降低数据的冗余性，但丢失相同的数据量可能损失更多的信息4.1LEACH算法LEACH（lowenergyadaptiveclusteringhierarchy）算法自适应分簇拓扑算法，执行过程周期性每轮循环分为簇的建立阶段和稳定阶段的数据通信阶段在簇的建立阶段，相邻节点动态地形成簇，随机产生簇头在数据通信阶段，簇内节点将数据发送给簇头，簇头数据融合后发送给汇聚节点由于簇头需要完成数据融合、与汇聚节点通信等工作，所以能量消耗大LEACH算法使各节点等概率担任簇头，使得网络中的节点相对均衡地消耗能量。4.2簇头选举方法LEACH算法选举簇头的过程如下：节点产生一个0~1之间的随机数，如果这个数小于阈值T(n)，则发布自己是簇头的公告消息。在每轮循环中，如果节点已经当选过簇头，则把T(n)设置为0，这样该节点不会再次当选为簇头。对于未当选过簇头的节点，则将以T(n)的概率当选；随着当选过簇头的节点数目增加，剩余节点当选簇头的阈值T(n)随之增大，节点产生小于T(n)的随机数的概率随之增大，所以节点当选簇头的概率增大。当只剩下一个节点未当选时，T(n)=1，表示这个节点一定当选。T(n)可表示为4.2簇头选举方法节点当选簇头以后，发布通告消息告知其他节点自己是新簇头。非簇头节点根据自己与簇头之间的距离来选择加入哪个簇，并告知该簇头。当簇头接收到所有的加入信息后，就产生一个TDMA定时消息，并通知该簇中的所有节点。为了避免附近簇的信号干扰，簇头可以决定本簇中所有节点所用的CDMA编码。这个用于当前阶段的CDMA编码连同TDMA定时一起发送。当簇内节点接收到这个消息后，它们就会在各自的时间槽内发送数据。经过一段时间的数据传输，簇头节点收齐簇内节点发送的数据后，运行数据融合算法来处理数据，并将结果直接发送给汇聚节点。4.3leach算法执行过程开始随机选择簇头节点新簇头节点广播告知整个网络是否为簇头节点发送请求入簇消息接收网络节点入簇信息运用TDMA为簇内节点分配通信时隙YN初始化在随机选择簇头节点的时候，要判断该节点能量值是否大于零，然后判断是否是非簇头节点，如果都满足的话，再判断为该节点生成的随机数是否小于阈值，如果是的话，该节点被选举为簇头节点在每轮中由于会产生若干个簇头节点，所以，普通传感器节点会判断哪一个簇头节点与该节点距离较近。加入到最近的簇中5.1Matlab仿真实验这里我们选择生成100个传感器节点，图中圆圈‘O’代表的是传感器节点。传感器节点分布在100*100坐标区域内，这些传感器节点都是随机生成的。‘X’代表汇聚节点，这里汇聚节点坐标(50,50)。每个节点具有的参数为：E：节点初始能量TYPE：节点类型G：是否是非簇头节点(小于等于0，则为普通节点，大于0，则为簇头节点)p：节点成为簇头的概率ETX：发射单位报文损耗能量ERX：接收单位报文损耗能量packetLength：数据包长度ctrPacketLength：控制包长度5.1Matlab仿真实验右图绘制了一轮选举后的簇头节点，普通传感器节点将数据发送给簇头节点程序如下：5.1Matlab仿真实验5.1Matlab仿真实验将普通传感器节点加入到最近的簇头中向最近的簇头发送信息，消耗的能量5.1Matlab仿真实验图中显示了传感器节点随着周期数的增加，存活的节点数变化情况5.1Matlab仿真实验每轮之后的剩余能量图程序如图所示5.1Matlab仿真实验这里我讨论一下一些参数在leach协议中的影响。上面我们在实现该算法的时候规定一个普通节点只发送一个数据包。现在如果每个普通节点发送数据包的个数增加为2，实验结果又会怎么样呢？我们可以看出报文个数增加，损失更多的能量，节点死亡速度越快5.1Matlab仿真实验如果网络节点为40呢？我们可以看到普通节点存活时间要比网络节点为100的存活时间要长。5.1Matlab仿真实验leach优点:数据采集具有集中性和周期性，因此协议非常适合于连续监控的应用系统。在给定的时间间隔后，协议重新选举簇首节点，以保证无线传感器网络获取统一的能量分布。5.1Matlab仿真实验leach缺点:1.协议没有说明簇头节点的数目怎么分布才能及于整个网络。因此，很可能出现被选的簇首节点集中在网络某一区域的现象，这样就会使得一些节点的周围没有任何簇头节点，从而导致网络能耗分布不均匀。分别运行两次后，簇头分布情况。如图所示。leach缺点:2.LEACH假设第一轮的簇头轮选中所有的节点拥有相同的能量，并且每个簇头节点都消耗大致相同的能量。因此，协议不适用于节点能量不均衡的网络。如图所示。3.节点经过簇头选举成为簇头后发布广播消息告知其他节点。其他节点根据与簇头节点的距离选择加入哪个簇。