无线传感网络技术及其在矿山安全监测中的应用研究.doc

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1、硕士学位论文无线传感网络技术及其在矿山安全监测中的应用研究The Research and Application of Wireless Sensor Networks Technology on Mine Security MonitoringbyZhu FanB.E.( Hunan Institute of Engineering) 2007A thesis submitted in partial satisfaction of the Requirements for the degree ofMaster of EngineeringinElectronic Science and

2、 Technologyin the Graduate Schoolof Hunan UniversitySupervisorProfessor LIU HongliApril, 2010湖 南 大 学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 日期： 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同

3、意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于1、保密，在_年解密后适用本授权书。2、不保密。（请在以上相应方框内打“”）作者签名： 日期： 年 月 日导师签名： 日期： 年 月 日摘 要近年来，市场对能源的需求持续增加，各大矿区加大了开采力度。然而产量的提升却造成了矿山安全问题日益突出。对矿井下开采环境的实时监测成为保证作业安全的重点。传感技术、无线通信技术、嵌入式技术的进步推动了低功耗多功能的无线传感器网络的飞速发展

4、，无线传感网络所呈现出的技术优势完全能够满足对井下环境进行安全监测的要求。为了满足矿井安全监测需要，本文在详细讨论无线传感网路关键技术的基础上，结合矿井这一特殊环境的自身特点，分析并研究了适用于矿山井下特殊环境的无线传感网络技术，使无线传感网络技术能够应用于矿山安全监测系统中。本文介绍了无线传感器网络的基本体系结构，传感网络的基本特性，并着重分析了一些能够适用于矿山特殊环境的关键技术。优化了对矿井特殊环境下监测区域的无线传感器网络组网的拓扑结构及无线传感器节点的部署策略，给出了以最少的节点覆盖并连通监测区域的部署算法，该算法在实际应用中能减少网络冗余节点，较大的节省了无线传感器网络的部署成本。

5、另外，针对由于无线传感器节点能量耗尽或发生故障所产生的监测盲区，给出了基于“虚拟力量”的“自愈”拓扑控制算法。当节点自适应移动后，使其能最大限度弥补网络盲区。文中所给出的以上所有算法均在Matlab软件中仿真，仿真结果证实了以上算法的有效性。最后，给出了基于ZigBee协议的矿山安全监测网络方案设计，文中以CC2430射频模块扩展板为基础平台，通过对上层软件的设计与实现，初步搭建了用于矿山安全监测的无线传感器网络，模拟了文中给出的部分算法。 关键词：矿井监测；无线传感网络；优化拓扑结构；“自愈”拓扑控制；ZigBee协议AbstractNowadays, in order to satisfy

6、 the need of more and more energy, the yield of mine has beening inceasing. However, the high yield led the mine security problem to be more serious. Monitoring the work circumstance in mine had to be paid more attention. With the development of the sensing technology, the wireless communication tec

7、hnology and the embedded board technology, the wireless sensor networks equipped with the low-energy consumed and complex function device can be used widely. And its advantages can totally satisfy the requirement of security monitoring in mine. This thesis specificly discussed the key technology of

8、wireless sensor network, analysed the feature of mine circumstance, and research some technologies which are fit with the requirement of this particular surroundings and can be used in this security monitoring system.This thesis introduced the basic structure and feature of wireless sensor networks,

9、 and analysed its key technology that was suit to the particular area in mine. It also optimized the topology structure of wireless sensor network and deployment method on particular monitoring area in mine which can satisfy both the coverage and the communication of this network by least nodes. Bes

10、ides, it proposed the topology control method with self-healing based on virtual force, because some nodes in network might be out of energy or broken which can led the blind area in monitoring. All algorithms above-mentioned were simulated to prove its improvement by the softwore of Matlab. Finally

11、, it designed the network based on ZigBee protocol, and some algorithms were achieved on the wireless sensor network which was built on CC2430 moduler board. Key words: Monitoring in Mine, Wireless Sensor Network, Optimal Topology Structure, Topology Control with Self-healing, ZigBee Protocol目 录学位论文

12、原创性声明和学位论文版权使用授权书I摘 要IIAbstractIII第1章绪论11.1无线传感器网络概述11.1.1 无线传感器网络的定义11.1.2 无线传感器网络的组成11.2无线传感器网络特征21.2.1 无线传感器网络特点21.2.2 与现有无线网络的区别31.2.3 无线传感器网络局限性31.3 无线传感器网络应用41.4 矿山安全监测技术的研究现状51.5 本课题的研究背景和意义51.6 本论文的主要内容6第2章 无线传感器网络关键技术72.1 无线传感器网络拓扑控制72.2 无线传感器网络通信协议82.2.1 路由协议82.2.2 MAC协议112.3 无线传感器网络时间同步11

13、2.4 无线传感器网络定位技术122.5 数据融合与管理122.6 无线通信技术132.7嵌入式操作系统142.8矿山安全监测中的无线传感器网络关键技术142.8.1 节点及节点部署142.8.2 能量管理152.8.3 数据采样与收集152.8.4 能量高效的通信机制152.9本章小结16第3章 矿井下无线传感器网络节点部署算法研究173.1节点部署算法概述173.1.1 采用确定放置的部署技术183.1.2 采用随机抛洒且节点不具移动能力的部署技术183.1.3 采用随机抛洒且节点具移动能力的部署技术193.2矿井下无线传感器网络节点部署及拓扑结构设计193.2.1 针对矿井复杂环境下的优

14、化布点算法概述203.2.2 小型区域的部署算法203.2.3 大型区域的部署算法213.2.4 特殊区域的部署算法233.3 优化部署算法仿真及性能分析263.4 本章小结28第4章 矿井下无线传感器网络拓扑控制算法研究294.1网络节点自移动拓扑控制算法294.1.1 SMART扫描算法294.1.2 Hungarian算法304.1.3 二维网孔下的局部Hungarian算法314.2 网络节点自移动的拓扑控制协议324.3 网络盲区“自愈”拓扑控制算法334.4基于“虚拟力量”的拓扑控制364.4.1 虚拟力量定义364.4.2 虚拟力量分析364.4.3 指数VFA算法374.4.4

15、优化的VFA374.5 “自愈”拓扑控制算法仿真与性能分析394.6 本章小结41第5章 基于ZigBee的矿山安全监测网络方案设计425.1 ZigBee简介425.1.1 应用层425.1.2 网络层425.1.3 IEEE802.15.4协议435.1.4 物理层435.1.5 媒体存取控制层445.2 基于ZigBee矿山安全监测的网络设计455.2.1 网络拓扑设计455.2.2 网络中的节点部署455.2.3 网络中的拓扑控制465.2.4 工作原理465.3 基于CC2430的传感器节点功能描述465.4 无线传感器网络模拟及节点间通信实现495.4.1 射频初始化程序505.4

16、.2 发送状态程序505.4.3 接收状态程序515.4.4 射频主函数525.4.5节点间通信实现测试525.5 本章小结54总结与展望55参考文献57致 谢61附录A（攻读学位期间发表的学术论文）62附录B（攻读学位期间所参与的科研项目）63 第1章绪论1.1无线传感器网络概述1.1.1 无线传感器网络的定义随着微电子技术、计算技术和无线通信等技术的进步，推动了低功耗多功能传感器的快速发展，使其在微小体积内能够集成信息采集、数据处理和无线通信等多种功能。无线传感器网络1,2就是由部署在监测区域内大量的微型传感节点组成，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

17、集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息，并发送给观察者。传感器、感知对象、观察者构成了传感器网络的三个基本要素。1.1.2 无线传感器网络的组成无线传感器网络系统通常包括传感器节点、汇聚节点和管理节点。大量传感器节点部署在监测区域内部，能够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，最后通过互联网络到达管理节点。而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四部分组成：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

18、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，交换控制消息和收发采集数据；能量供应模块为传感器节点提供运行所需能量，通常采用微型电池。随着传感器网络的深入研究，研究人员提出了多个传感器节点上的协议栈，包括物理层、数据链路层、网络层、传输层、应用层。另外，协议栈还包括能量管理平台、移动管理平台和任务管理平台。这些管理平台使得传感器节点能够按照能源高效的方式协同工作，在节点移动的传感器网络中转发数据并支持多任务和资源共享。各层协议和平台的功能如下：（1）物理层提供简单但健壮的信号调制和无线收发技术；（2）数据链路层负责数据成帧、帧检测、媒体访问和差错控制；（3）网络层主要负责

19、路由生成与路由选择；（4）传输层负责数据流传输控制，是保证通信服务质量的重要部分；（5）应用层包括一系列基于监测任务的应用层软件；（6）能量管理平台管理传感器节点如何使用能源，在各个协议层都需要考虑节省能量。（7）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，使得传感器节点能够动态跟踪其邻居的位置；（8）任务管理平台在一个给定的区域内平衡和调度监测任务。之后，在提出的经过改进的协议栈模型中，加入了定位和时间同步子层，它们既要依赖于数据传输通道进行协作定位和事件同步协商，同时又要为网络协议各层提供信息支持。1.2无线传感器网络特征1.2.1 无线传感器网络特点（1）大规模网络。为

20、了获得精确信息，在监测区域内部署大量传感器节点，而大规模性通常包括两个方面：一方面是节点分布在很大的地理区域内，如森林中采用传感器网络防火；另一方面，传感节点部署密集。通过不同空间视角获得的信息具有更大的信噪比；通过分布式处理大量的采集信息能提高监测精度，降低对单个检点的要求；大量冗余节点的存在，使得系统具有很强的容错性能；也能够增大覆盖的监测区域，减少盲区。（2）自组织网络：在传感器网络应用中，通常情况下节点被放置在没有基础结构的地方。各节点位置不能预先精确设定，这就要求传感器节点具有自组织能力，能够自动进行配置和管理，通过拓扑控制机制和网络协议自动形成转发监测数据的多跳无线网络系统。在无线

21、传感器网络使用过程中，部分传感器节点由于能量耗尽或环境因素失效，也有一些节点为了弥补失效节点、增加检测精度而补充到网络中，这样在无线传感器网络中的节点个数就动态地增加或减少，从而使网络拓扑结构随之动态地变化。无线传感器网络的自组织性要能够适应这种网络拓扑结构的动态变化。（3）动态性网络：无限传感器网络的拓扑结构可能由于某些情况发生改变，如环境因素，节点能量耗尽失效，新节点的加入以及感知对象的移动性。这就要求无线传感器网络系统要能适应这种变化，具有动态的系统可重构性。（4）可靠的网络：由于无线传感器网络大多部署在恶劣环境或人类不宜到达的区域，网络维护困难。另外，无线传感器网络的通信保密性和安全性

22、也十分重要，要防止监测数据被盗取和获取伪造的监测信息。因此，要求传感器网络的软硬件必须具有鲁棒性和容错性。（5）应用相关网络：由于不同的无线传感器网络应用关心不同的物理量，因此对传感器的应用系统也有多种多样的而要求。不同的应用背景对传感器网络的要求不同，其硬件平台、软件系统和网络协议必然会有很大差别。（6）以数据为中心的网络：无线传感器网络是任务型网络，脱离传感器网络谈论传感器节点没有任何意义。用户适用传感器网络查询事件时，直接将所关心的事件通告给网络，而不是通告给某个确定某个编号的节点。网络在获得指定事件的信息后汇报给用户。例如，在应用于目标跟踪的传感器网络中，跟踪目标可能出现在任何地方，对

23、目标感兴趣的用户只关心目标出现的位置和事件，并不关心哪个节点监测到目标。事实上，在目标移动过程中，必然是由不同的节点提供目标的位置信息。1.2.2 与现有无线网络的区别无线自组网是一个由几十上百个节点组成的、采用无线通信方式的、动态组网的多跳移动性对等网络。其目的是通过动态路由和移动管理技术传输具有服务质量要求的多媒体信息流。通常节点具有持续的能量供给。传感器我那个罗虽然与无线自组网有相似之处，但同时也存在很大的差别。无线传感器网络是集成了监测、控制以及无线通信的网络系统，节点数目更为庞大（上千甚至上万），节点分布更为密集；由于环境影响和能量耗尽，节点更容易出现故障；环境干扰和节点故障易造成网

24、络拓扑结构的变化；通常情况下，大多数传感器节点是固定不动的。另外，传感器节点具有的能量、处理能力、存储能力、通信能力等十分有限。传统无线网络的首要设计目标是提供高服务质量和高效带宽利用，其次才考虑节约能源；而无线传感器网络的首要设计目标是能源的高效适用，这也是无线传感器网络和传统网络最重要的区别之一。1.2.3 无线传感器网络局限性传感器节点在实现各种网络协议和应用系统时，也存在一些现实约束：（1）电源能量有限：传感器节点体积微小，通常携带能量十分有限的电池。由于节点分布区域广，环境复杂，靠更换电池来补充节电能源是不现实的。如何高效使用能量来最大化网络生命周期是传感器网络面临的首要挑战。据分析

25、，传感器节点传输信息时要比执行计算时更消耗电能，传输1比特信息100m距离需要的能量大约能执行3000条计算指令。无线通信模块存在发送、接收、空闲和睡眠四种状态。无线通信模块在空闲状态一直监听无线信道的使用情况，检查是否有数据发送给自己，而在睡眠状态则关闭通信模块。而无线通信模块在发送状态的能量消耗最大，在空闲状态和接收状态的能量消耗接近，略少于发送状态的能量消耗，在睡眠状态的能量消耗最少。如何让网络减少不必要的转发和接收，节点尽快进入休眠状态是网络协议设计需要重点考虑的问题。（2）通信能力有限：考虑到传感器节点的能量限制和网络覆盖区域大，传感器网络采用多跳路由的传输机制。节点的无线通信带宽通

26、常仅有几百kbps的速率。由于节点能量变化，受障碍物等因素影响，通信性能将受到影响。如何设计网络通信机制以满足无线传感器网络的通信需求是急需解决的问题之一。（3）计算和存储能力有限：传感器节点是一种微型嵌入式设备，要求价格低，功耗小必然导致其携带的处理器能力较弱，存储器容量较小。传感器节点需要完成监测数据的采集和转换、数据的管理和处理、应答汇聚节点的任务请求和节点控制等多种工作。如何利用有限的计算和存储资源完成诸多协同任务成为传感器网络设计的挑战。1.3 无线传感器网络应用无线传感器网络的应用前景非常广阔，能够广泛应用于军事、环境监测和预报、健康护理、智能家居、建筑物状态监控、复杂机械监控、城

27、市交通、空间探索等。随着无线传感器网络的深入研究和广泛应用，也将逐渐深入到人类生活的各个领域。目前，无线传感器网络主要应用于：（1）军事应用：无线传感器网络具有可快速部署、可自组织、隐蔽性强和高容错性的特点，因此非常适合在军事上应用。利用无线传感器网络能够实现对敌军兵力和装备的监控、战场的实时监视、目标定位和搜索等功能。无线传感器网络已经成为军事系统必不可少的一部分。美国DARPA很早就启动了SENSIT计划，目的就是将各种类型的传感器、可重编程的通信处理器和无线通信技术组合起来，建立一个廉价无处不在的网络系统，用以监测光学、声学、震动、磁场、毒物温度等物理量。（2）环境监测和预报系统：基于传

28、感器网络的ALERT系统中就有数种传感器用来监测降雨量、河水水位和土壤水分，并一次预测爆发山洪的可能性。类似地，无线传感器网络可实现对森林环境监测和火灾报告，节点被随即密布在森林之中，平常状态下定期报告森林环境数据，当发生火灾时，这些传感器节点通过协同合作会在很短的时间内将火源具体地点，火势大小等信息传送给终端平台。（3）医疗护理：无线传感器网络在医疗系统和健康护理方面的应用包括监测人体的各种生理数据，跟踪和监控医院内医患行动，药物管理等。如果在病人身上安装特殊用途的传感器节点，如心率和血压监测设备，医生利用传感器网络就可以随时了解被监护病人病情，发现异常及时抢救。（4）智能家居：在家电和家具

29、中嵌入传感器节点，通过无线网络与Internet连接在一起，将会为人们提供更加舒适、方便和更具人性化的智能家居环境。利用远程监控系统，可完成对家电的远程遥控。（5）建筑物状态监控：利用无线传感器网络来监控建筑物的安全状态。由于建筑物不断修补，可能会存在一些安全隐患。将无线传感器节点安装在大楼、桥梁和其他建筑物，使其能探测本身的状况，并将通过无线网络将数据传输至监控平台。1.4 矿山安全监测技术的研究现状近年来随着我国经济的高速发展，对能源、生产原料的需求持续增加，造成矿山安全问题日益突出，据2004年统计数据，我国仅煤矿平均百万吨死亡率就在6左右，年死亡人数6000人左右。经过近年来的大力整治

30、。2009年百万吨死亡率首次降到0.892，但仍然是美国的22倍。09年矿难的主要原因是瓦斯泄露和透水，这里固然有矿山体制和管理的问题，但安全设施缺位和先进技术的应用不足也难逃其责。我国政府一直重视矿山安全生产，20世纪80年代初就从国外引进安监产品装备了部分煤矿，与此同时，通过消化、吸收先后研制出KJ系列监测系统以及MSNM、WEBGIS等煤矿安全综合化和数字化网络监测管理系统。矿山信息化的改造提高了矿产品的产量，减少了人员的伤亡，但矿山安全生产是一个涉及多个要素的系统工程，特别是井下作业，需要监测多个物理量（温度、湿度、矿震、瓦斯、透水等），并且随着开采进程的延伸，监测点随之增多，现有的监

31、测系统往往很难跟进井下掘进面的变化，也很难覆盖整个井下区域，尤其对井下移动的人员与设备的管理很难到位，对发生矿难后的救援也不能提供实时的信息支撑。新的无线传感网络技术具有低成本、低功耗、自组网的特点，该技术在矿山井下安全生产中必定会占有一席之地。目前，国际上对无线传感器网络的研究非常活跃，取得了丰富的研究成果。ALERT 系统通过配备多种传感器监测降雨量、水位和土壤水分，并依此预测山洪；国际著名矿山企业加拿大国际镍公司（Inco）从20世纪90年代初开始研究遥控采矿技术，其技术基础就是地下通信系统和高精度的地下定位、定向技术，目前已经在安太略省的萨德泊里盆地的几家地下镍矿试用；美国矿业安全和健

32、康管理部（MSHA）目前正在集中精力开展矿山无线通讯和定位跟踪技术批准申请的评估工作；可以说，国际矿业巨头已经开始应用无线传感器网络对矿山生产进行管理。我国也同步开展了传感网络方面的研究。 1.5 本课题的研究背景和意义目前，矿山井下环境监测主要采取有线传输为主无线传输为辅的方式，这种方式存在布线烦琐、成本高、线路依赖性强等缺陷。随着矿井的不断开采，使新区域的环境监测布置工作复杂化，降低效率。特别是矿井出现爆炸、塌垮等危险事故时，传感器及线缆将会受到致命的损坏，更不能为抢险和搜救工作等提供信息。无线传感器网络同普通网络相比具有以下优势：1.无中心节点的自组网特性，所有网络节点地位平等，单个节点

33、或者局部几个节点故障不会导致网络瘫痪；2.网络拓扑的动态变化性；3.传输能力有限性，但因为单个节点传输数据量不大，有限的传输能力足以满足系统的要求；4.能量的限制性，满足低功耗的要求。不需要人工补充能量，适用于无人看守的网络。 针对无线传感网络关键技术进行研究，并应用在矿井安全监测系统中，无疑将大大提高矿山安全系统的可靠性和灵活性。通过对矿井下环境数据的实时监测，有效传输，特别是在环境（地形等）不断变化的情况下给安全生产提供了有力保障。1.6 本论文的主要内容本文通过讨论无线传感器网络关键技术，并根据矿山特殊开采环境的特点，研究了如何将无线传感器网络应用于矿井安全监测系统。给出了新的传感器节点

34、的部署算法，优化了网络拓扑结构，并采取了“自愈”策略来解决监测盲区的问题。最后对新给出的算法进行MATLAB仿真，基于ZigBee协议构建了矿山的安全监测系统。本论文的主要内容包括：第一章：绪论。无线传感器网络概述，目前矿山安全监测系统现状，以及本文的研究意义。第二章：介绍适用于矿山安全监测系统的无线传感网络关键技术及其优势。第三章：研究矿井下无线传感器网络的节点部署、拓扑结构；并给出了优化部署算法。第四章：研究矿井下无线传感器网络的拓扑控制策略，并给出基于“虚拟力量”的可自愈拓扑控制算法。第五章：基于ZigBee的矿山安全监测网络方案设计，并以CC2430模块实现网络中节点互连。论文最后是总

35、结与展望。对本课题所取得的成果进行小结，并归纳工作中存在的不足，提出下一步需要做的工作。第2章 无线传感器网络关键技术20世纪90年代末期，随着微电子技术、计算技术和无线通信等技术的进步，推动了低功耗多功能的传感器飞速发展。使其能够在微小体积内能够集成信息采集、数据处理、无线通信等多种功能。无线传感网络就是由布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一个多跳的自组织的网络系统。其目的是协作感知，采集，处理网络覆盖区域中被感知对象的信息，并发送给终端用户。2.1 无线传感器网络拓扑控制在无线传感器网络中，网络拓扑控制具有特别重要的意义。通过拓扑控制3自动生成的网络拓扑结构

36、，能提高路由协议和MAC协议的效率，可为目标定位，数据融合、时间同步等奠定基础，有利于节省节点的能量来延长网络的生存期。网络的拓扑结构控制与优化的重要性主要由以下几方面体现：（1） 影响网络的生存周期。传感器节点由电池供电，如何节省节点能量是网络设计中主要考虑的问题之一。而对于拓扑控制而言，其中一个重要目标就是在保证网络连通性和对监测区域覆盖度的前提下，尽量高效地使用网络能量，从而延长网络寿命。（2） 减小节点间通信干扰，提高网络吞吐量及各节点通信效率。无线传感器网络节点密集部署于监测区域，如果每个节点间通信功率过大，将会加剧节点间无线通信的干扰，降低通信效率，造成节点能量浪费。反之，节点若选

37、择以过小的发射功率通信，则造成丢失邻节点，严重影响到整个网络的连通性。（3） 为路由协议提供基础。在无线传感器网络中，拓扑结构可用来确定网络中的转发节点，汇聚节点。同时为各个节点确定其邻节点。（4） 影响数据融合。由于无线传感器网络中的数据融合一般在汇聚节点中完成，当其接收到其他节点所的转发数据后，会将融合结果继续发送给数据收集节点。（5） 降低节点失效的影响，加强网络鲁棒性。由于传感器节点可能部署于较为恶劣的环境中，容易遭到破坏，而失效的节点会引发网络连通性及对监测区覆盖度方面的问题。此时就需要合理的网络拓扑结构来适应这种情况。而在的无线传感器网络拓扑控制目前研究热点是在满足网络连通性及对监

38、测区域达到完全覆盖度的前提下，通过对传感器节点通信功率的控制以及选择合理的汇聚节点、数据转发节点，剔除网络中冗余度较高的通信链路，生成一个高效的数据转发的网络拓扑结构。拓扑控制可分为节点功率控制和层次型拓扑结构形成两个方面。功率控制机制调节网络中每个节点的发射功率，在满足网络连通度的前提下，减少节点的发送功率，从而可降低节点间通信干扰，均衡节点单挑可达的邻居数目。目前已提出COMPOW等统一功率分配算法，LINT/LILT,LMN/LMA等节点功率控制算法。层次型的拓扑控制主要利用分簇机制，在一定通信范围内，让一些节点作为簇头节点，以簇头节点为核心节点形成一个处理（数据融合）并转发数据的局部网

39、络，处于该局部网络内的其他节点可以暂时关闭通行模块，进入休眠状态以节省能量；目前提出了TopDisc成簇算法，GAF虚拟地理网格分簇算法，以及LEACH和HEED等自组织成簇算法。除了传统的功率控制和层次型拓扑控制，也提出了启发式的节点唤醒和休眠机制。该机制能够使节点在没有事件发生时设置通信模块为睡眠状态，而在有事件发生时，及时自动醒来并唤醒邻居节点，形成数据转发的拓扑结构。在目前针对网络拓扑控制中无线传感器节点优化部署，存在分别以覆盖或连通为第一标准的算法及格点算法等。2.2 无线传感器网络通信协议由于无线传感器节点的计算能力、存储能力、通信能量以及携带的能量能十分有限，每个节点只能获取局部

40、网络的拓扑信息，其上运行的网络协议也不能太复杂。同时，无线传感器网络拓扑结构动态变化，网络资源也在不断变化，这些都对网络协议提出了更高的要求。无线传感器网络协议负责使各个独立的节点形成 一个多跳的数据传输网络。目前研究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监测信息的传输路径；数据链路层的介质访问控制用来构建底层和基础结构，控制节点的通信过程和工作模式。2.2.1 路由协议在无线传感器网络中，路由协议负责将数据分组从源节点通过网络转发到目的节点，它主要包括两方面功能：寻找源节点和目的节点间的优化路径，将数据分组沿着优化路径正确转发。Ad hoc、无线局域网等传统的无线网络首要目标

41、是提供高服务质量和公平高效地利用网络带宽，这些网络路由协议的主要任务是寻找原节点到目的节点间通信延迟小的路径，同时提高整个网络的利用率，避免产生通信拥塞并均衡网络流量等，而能量消耗问题不是这类网络考虑的重点。而在无线传感器网络中，路由协议不仅关心单个节点的能量消耗，更关心整个网络能量的均衡消耗，这样才能延长整个网络的生存期。同时，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尤为突出，每个节点没必要采用全网统一的编址，选择路径可以不用根据节点的地址，更多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。与传统网络的路由协议相比，无线传感器网络的路由协议具有一下特点：（1） 能量优先。

42、传统路由协议在选择最优路径时，很少考虑节点的能量消耗问题。而无线传感器网络中节点的能量有限，延长整个网络的生存期成为传感器网络的路由协议设计的重要目标，因此需要考虑节点的能量消耗以及网络能量均衡使用的问题。（2） 基于局部拓扑信息。无线传感器网络为了节省通信能量，通常采用多跳的通信模式，而节点有限的存储资源和计算资源，使得节点不能存储大量的路由信息，不能进行太复杂的路由计算。在节点只能获取局部拓扑信息和资源有限的情况下，如何实现简单高效的路由机制是无线传感器网络的一个基本问题。（3） 以数据为中心。传统的路由协议通常以地址为节点的标识和路由的依据，而无线传感器网络中大量节点随即部署，所关注的是

43、监测区域的感知数据，而不是具体哪个节点获取的信息，不依赖于全网惟一标识。传感器网络通常包含多个传感器节点到少数汇聚节点的数据流，按照对感知数据的需求、数据通信模式和流向等，以数据为中心形成消息的转发路径。（4） 应用相关。传感器网络的应用环境千差万别，数据通信模式不同，没有一个路由机制适合所有的应用，这是传感器网络应用相关性的一个体现。设计者需要针对每一个具体应用的要求，设计与之适应的特定路由机制。针对无线传感器网络路由机制的上述特点，在根据具体应用设计路由机制时，要满足下面的传感器网络路由机制的要求：（1） 能量高效。传感器网络路由协议不仅要选择能量消耗小的消息传输路径，而且要从整个网络的角

44、度考虑，选择使整个网络能量均衡消耗的路由。传感器节点的资源有限，传感器网络的路由机制要能够简单而高效地实现信息传输。（2） 可扩展性。在无线传感器网络中，监测区域范围或节点密度不同，造成网络规模大小不同；节点失效、新节点加入以及节点移动等，都会使得网络拓扑结构动态发生变化，这就要求路由机制具有可扩展性，能够适应网络结构的变化。（3） 鲁棒性。能量用尽或环境因素造成传感器节点失效，周围环境影响无线链路的通信质量以及无线链路本身的缺点等，这些无线传感器网络的不可靠性要求路由机制具有一定的容错能力。（4） 快速收敛性。传感器网络的拓扑结构动态变化，节点能量和通信带宽等资源有限，因此要求路由机制能够快

45、速收敛，以适应网络拓扑的动态变化，减少通信协议开销，提高消息传输的效率。针对不同的传感器网络应用，研究人员提出了不同的路由协议。（1） 能量感知路由协议。高效利用网络能量是传感器网络路由协议的一个显著特征，从数据传输中的能量消耗出发，讨论最优能量消耗路径以及最长网络生存期等问题。（2） 基于查询的路由协议。在诸如环境检测、战场评估中，需要不断查询传感器节点采集的数据，以及汇聚节点发出的任务指令，传感器节点向汇聚节点上传采集的信息。在这种情况下，网络中的数据流量主要是汇聚节点和其他传感器节点之间的数据传输和命令。当然，传感器节点所采集到的数据信息要经过数据融合，压缩以减少通信流量，达到节省能量的

46、目的。（3） 地理位置路由协议。将无线传感器网络应用于跟踪项目时，需要及时唤醒距离所跟踪目标最近的传感器节点，从而得到目标较为精确的位置信息。在这类应用中，应用者需要知道反馈信息节点的大致甚至精确的地理位置。把节点的位置信息作为网络路由选择的重要依据。不仅能完成各节点间的路由功能，也可以降低整个网络系统维护路由协议的额外能耗。（4） 可靠的路由协议。当无线传感器网络应用于对通信服务质量要求较高的领域时，如对网络可靠性以及实时性有特殊要求，由于无线传感器网络中，链路的稳定性难以保证，网络通信信道质量较低，且拓扑结构变化较为频繁，要实现服务质量保证，就需要研发者设计相应可靠的路由协议以匹配网络性能

47、要求。对于无线传感器网络路由协议的研究，目前已提出谣传路由，定向扩散等基于查询的路由协议，如图2.1，2.2，2.3所示。图2.1谣传路由原理图 图2.2 定向扩散兴趣传播 图2.3 定向扩散梯度建立GEAR,GEM等基于地理位置的路由协议,SPEED等支持QoS的路由协议。2.2.2 MAC协议在无线传感器网络中，MAC层协议决定了无线信道的使用方式，网络中各节点如何分配有限的无线通信资源，构建整个系统的底层基础结构。MAC协议作为传感器网络协议的底层部分，是保证无线传感器网络高效通信的重要部分。由于单个传感器节点在能量，计算，存储以及通信能力上具有局限性，而网络功能的实现有赖于众多节点协同作用。在局部范围内，MAC协议将对各节点占用无线信道资源进行分配。所以，在设计MAC协议首先要考虑到如下几个方面：（1）节省能量。由于传感器节点一般由干电池，纽扣电池供电，且由于其部署于特殊环境，难以更换电池，为了保证传感器节点能在长时间内有效工作，延长网络生存周期。MAC协议就需要在满足网络应用要求的前提下，尽可能的使节点能量的消耗达到最小化。（2）可扩展性。由于在一定范围内，传感器节点数目