第一篇：WSN復(fù)習(xí)總結(jié)

題型：選擇15*2+填空15*2+判斷10*1+簡答5*2+應(yīng)用5*4

第一部分

1、我國物聯(lián)網(wǎng)十二五規(guī)劃鎖定的重點(diǎn)示范應(yīng)用領(lǐng)域：智能環(huán)保、智能交通、智能醫(yī)療、智能工業(yè)、智能農(nóng)業(yè)、智能物流、智能電網(wǎng)、智能安防、智能家居

2、低成本、低功能和對(duì)等通信，是短距離無線通信技術(shù)的三個(gè)重要特征和優(yōu)勢。

3、紅外線進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，通信距離一般在0到1m之間，傳輸速度最快可達(dá)到16Mbps,通信介質(zhì)為波長900nm左右的近紅外線。

4、目前藍(lán)牙通信協(xié)議，支持一個(gè)藍(lán)牙設(shè)備可同時(shí)與其他7臺(tái)藍(lán)牙設(shè)備建立連接；支持語音傳輸。

5、無線保真技術(shù)是指WiFi技術(shù)，使用的是2.4GHz附近的頻段通信。

6、RFID是一種非接觸式的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)。

7、ZigBee技術(shù)特點(diǎn)主要包括：

①數(shù)據(jù)傳輸速率低。只有10kb/s~250kb/s,專注于低傳輸應(yīng)用。

②功耗低。在低耗電待機(jī)模式下，兩節(jié)普通五號(hào)干電池可使用6個(gè)月至2年。這也是ZigBee的支持者所一直引以為豪的獨(dú)特優(yōu)勢。

③ 低成本。因?yàn)閆igBee數(shù)據(jù)傳輸速率低，協(xié)議簡單，所以大大降低了成本；積極投入ZigBee開發(fā)的Motorola以及Philips，均已在2003年正式推出芯片，飛利浦預(yù)估，應(yīng)用于主機(jī)端的芯片成本和其它終端產(chǎn)品的成本比藍(lán)牙更具有價(jià)格競爭力。

④ 網(wǎng)絡(luò)容量大。每個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)最多可支持255個(gè)設(shè)備，也就是說每個(gè)ZigBee設(shè)備可以與另外254臺(tái)設(shè)備相連接。

⑤ 有效范圍小。有效覆蓋范圍10~75m之間，具體依據(jù)實(shí)際發(fā)射功率的大小和各種不同的應(yīng)用模式而定，基本上能夠覆蓋普通的家庭或辦公室環(huán)境。

⑥ 工作頻段靈活。使用的頻段分別為2.4GHz、868MHz（歐洲）915MHz（美國），均為免執(zhí)照頻段。

8、世界上最早的無線電計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)使用的協(xié)議是：ALOHA協(xié)議

9、無線個(gè)域網(wǎng)簡寫是：WLAN，WPAN，WIFI，ZigBee

10、無線自組織網(wǎng)絡(luò)簡述：即MANET（Mobile Ad Hoc Network），是一個(gè)由幾十到上百個(gè)節(jié)點(diǎn)組成的、采用無線通信方式的、動(dòng)態(tài)組網(wǎng)的多跳的移動(dòng)性對(duì)等網(wǎng)絡(luò)。

11、無線自組織網(wǎng)絡(luò)一定需要固定設(shè)備支持：X

12、簡述傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)：1．大規(guī)模網(wǎng)絡(luò) 2．自組織網(wǎng)絡(luò) 3．多跳路由 4.動(dòng)態(tài)性網(wǎng)絡(luò) 5．以數(shù)據(jù)為中心的網(wǎng)絡(luò)，6．兼容性應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)

13、WSN網(wǎng)絡(luò)的傳感器節(jié)點(diǎn)的限制有那三個(gè)主要限制？1．電源能量有限、2．通信能力有限、3．計(jì)算和存儲(chǔ)能力有限

14、傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)有哪些：1．網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂?．網(wǎng)絡(luò)協(xié)議3．網(wǎng)絡(luò)安全4．時(shí)間同步5．定位技術(shù)6．?dāng)?shù)據(jù)融合7．?dāng)?shù)據(jù)管理 8．無線通信技術(shù)9．嵌入式操作系統(tǒng)10．應(yīng)用層技術(shù)

15、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)通常包括傳感器節(jié)點(diǎn)(sensor node)、匯聚節(jié)點(diǎn)(sink node)和管理節(jié)點(diǎn)。

16、傳感器節(jié)點(diǎn)一般包含四個(gè)模塊：（1）數(shù)據(jù)采集模塊（2）處理控制模塊（3）無線通信模塊（4）能量供應(yīng)模塊

17、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議棧包括物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層和應(yīng)用層。

18、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）的路由協(xié)議的一個(gè)核心功能是？路由協(xié)議負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)分組從源節(jié)點(diǎn)通過網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)到目的節(jié)點(diǎn)，它主要包括尋找源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)間的優(yōu)化路徑、并沿此優(yōu)化路徑正確轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包等兩個(gè)方面的功能。

19、傳感器網(wǎng)絡(luò)路由機(jī)制設(shè)計(jì)，要考慮：（1）能量高效。（2）可擴(kuò)展性。（3）魯棒性。（4）快速收斂性。

20、WSN路由協(xié)議分類根據(jù)節(jié)點(diǎn)在路由過程中是否有層次結(jié)構(gòu)、作用是否有差異，可分為平面路由協(xié)議和層次路由協(xié)議。

21、簡述Flooding（泛洪）協(xié)議的機(jī)制和優(yōu)缺點(diǎn)。WSN節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生或收到數(shù)據(jù)后向所有鄰節(jié)點(diǎn)廣播，直到數(shù)據(jù)包過期或到達(dá)目的地。該路由不進(jìn)行維護(hù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜拖嚓P(guān)路由算法，只負(fù)責(zé)以廣播形式轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包，因此效率并不高。該協(xié)議具有嚴(yán)重缺陷：內(nèi)爆(Implosion，節(jié)點(diǎn)幾乎同時(shí)從鄰節(jié)點(diǎn)收到多份相同數(shù)據(jù))、交疊(Overlap，節(jié)點(diǎn)先后收到監(jiān)控同一區(qū)域的多個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的幾乎相同的數(shù)據(jù))、盲目利用資源(節(jié)點(diǎn)不考慮自身資源限制，在任何情況下都轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù))，造成資源的浪費(fèi)。

22、在WSN中，介質(zhì)訪問控制MAC協(xié)議的主要作用？MAC協(xié)議決定了無線信道的使用方式，在傳感器節(jié)點(diǎn)間分配有限的通信資源，構(gòu)建傳感器網(wǎng)絡(luò)的底層基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。

23、WSN的MAC協(xié)議設(shè)計(jì)要考慮的特性：（1）能量有效性。（2）可擴(kuò)展性。（3）沖突避免。（4）信道利用率。（5）延遲。（6）吞吐量。（7）公平性

24、MAC協(xié)議的能量有效性，需要分析的因素：（1）空閑偵聽（Idle listening）。（2）消息碰撞（Message collision）。

（3）竊聽（Overhearing）。（4）控制報(bào)文開銷（Control-packet overhead）。（5）發(fā)送失效(Overemitting)。

25、S-MAC、T-MAC、P-MAC三種MAC協(xié)議周期偵聽/睡眠執(zhí)行過程不同機(jī)制。S-MAC協(xié)議的基本內(nèi)容和原理：

1、S-MAC（Sensor MAC）協(xié)議是在802.11MAC協(xié)議的基礎(chǔ)上，針對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)省能量需求而提出的傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議；

2、基本工作原理：S-MAC協(xié)議采用的主要機(jī)制包括：周期性偵聽和睡眠、流量自適應(yīng)偵聽機(jī)制、串音避免、消息傳遞；S-MAC協(xié)議通過采用周期性偵聽/睡眠工作方式來減少空閑偵聽，周期長度是固定不變的，節(jié)點(diǎn)的偵聽活動(dòng)時(shí)間也是固定的；

T-MAC協(xié)議的基本內(nèi)容和原理：

1、T-MAC（Timeout MAC）協(xié)議是在S-MAC協(xié)議的基礎(chǔ)上提出的，最重要的設(shè)計(jì)目標(biāo)是減少能量消耗；

2、基本工作原理：T-MAC協(xié)議在保持周期長度不變的基礎(chǔ)上，根據(jù)通信流量動(dòng)態(tài)地調(diào)整活動(dòng)時(shí)間，用突發(fā)方式發(fā)送信息，減少空閑偵聽時(shí)間。

26、WSN節(jié)省能量的主要措施有：休眠和數(shù)據(jù)融合。

27、拓?fù)淇刂圃赪SN研究中的重要性，有哪幾個(gè)主要方面：（1）拓?fù)淇刂剖且环N重要的節(jié)能技術(shù)；（2）拓?fù)淇刂票ＷC覆蓋質(zhì)量和連通質(zhì)量；

（3）拓?fù)淇刂颇軌蚪档屯ㄐ鸥蓴_、提高M(jìn)AC(media access control)協(xié)議和路由協(xié)議的效率、為數(shù)據(jù)融合提供拓?fù)浠A(chǔ)；

（4）拓?fù)淇刂颇軌蛱岣呔W(wǎng)絡(luò)的可靠性、可擴(kuò)展性等其他性能。

28、拓?fù)淇刂蒲芯康膬蓚€(gè)主流研究方向：功率控制和睡眠調(diào)度。

29、WSN中，所有節(jié)點(diǎn)都以最大功率工作時(shí)所生成的拓?fù)浞Q為UDG？QUDG，Gabriel圖(GG)，相關(guān)鄰近圖(RNG)P73

30、傳感器節(jié)點(diǎn)定位簡述：WSN的定位問題是指對(duì)于一組未知位置坐標(biāo)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，依靠有限的位置已知的錨節(jié)點(diǎn)，通過測量未知節(jié)點(diǎn)至其余節(jié)點(diǎn)的距離或跳數(shù)，或者通過估計(jì)節(jié)點(diǎn)可能處于的區(qū)域范圍，結(jié)合節(jié)點(diǎn)間交換的信息和錨節(jié)點(diǎn)的已知位置，來確定每個(gè)節(jié)點(diǎn)的位置。

31、已知自身位置的傳感器節(jié)點(diǎn)稱為：信標(biāo)節(jié)點(diǎn)（beacon node）或錨點(diǎn)（anchor）。

32、簡述WSN中鄰居節(jié)點(diǎn)、到達(dá)時(shí)間、到達(dá)時(shí)間差的概念。

鄰居節(jié)點(diǎn)：傳感器節(jié)點(diǎn)通信半徑范圍以內(nèi)的所有其他節(jié)點(diǎn)，稱為該節(jié)點(diǎn)的鄰居節(jié)點(diǎn)； 到達(dá)時(shí)間(T0A)：信號(hào)從一個(gè)節(jié)點(diǎn)傳播到另一個(gè)節(jié)點(diǎn)所需要的時(shí)間，稱為信號(hào)的到達(dá)時(shí)間；

到達(dá)時(shí)間差(TDOA)：兩種不同的傳播速度的信號(hào)從一個(gè)節(jié)點(diǎn)傳播到另一個(gè)節(jié)點(diǎn)所需要的時(shí)間之差稱為信號(hào)的到達(dá)時(shí)間之差。

33、WSN常用的測距方法：RSSI,TOA,TDOA,AOA P181

34、常用的定位計(jì)算方法：三邊定位與求解，三角定位與求解，極大似然估計(jì)法,最小最大法，其中最小最大法與距離無關(guān)P178

35、WSN節(jié)點(diǎn)間傳遞的過程包括：1)Send Time 2)Access Time 3)Transmission Time 4)Propagation Time 5)Reception Time 6)Receive Time

36、WSN時(shí)間同步算法考慮的性能指標(biāo)有：網(wǎng)絡(luò)能量效率、可擴(kuò)展性、精確度、健壯性、壽命、有效范圍、成本和尺寸、直接性

37、簡述基于參考廣播的時(shí)間同步協(xié)議(RBS)：是一個(gè)典型的接受者——接受者模式的同步算法。它是利用無線鏈路層廣播信道特點(diǎn)，一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送廣播消息，在同一廣播域的其它節(jié)點(diǎn)同時(shí)接收廣播消息，并記錄該點(diǎn)的時(shí)間戳。之后接收節(jié)點(diǎn)通過消息交換它們的時(shí)間戳，通過比較和計(jì)算達(dá)到時(shí)間同步。P174

38、簡述WSN時(shí)間同步協(xié)議(TPSN)算法：算法分兩步：分級(jí)和同步。第一步的目的是建立分級(jí)的拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有個(gè)級(jí)別。只有一個(gè)節(jié)點(diǎn)定為零級(jí)，叫做根節(jié)點(diǎn)。在第二步，i級(jí)節(jié)點(diǎn)與i-1級(jí)節(jié)點(diǎn)同步,最后所有的節(jié)點(diǎn)都與根節(jié)點(diǎn)同步,從而達(dá)到整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間同步。P171

39、WSN物理層的攻擊方法常見的是（1）擁塞攻擊（2）物理破壞。P251 40、抵御單頻點(diǎn)的擁塞攻擊，可使用 寬頻 和 跳頻 方法。P251

41、WSN鏈路層的常見攻擊類型有：（1）碰撞攻擊（2）耗盡攻擊（3）非公平競爭P252

42、簡述WSN耗盡攻擊及其應(yīng)對(duì)方法。P252

耗盡攻擊指利用協(xié)議漏洞,通過持續(xù)通信的方式使節(jié)點(diǎn)能量資源耗盡。應(yīng)對(duì)耗盡攻擊的一種方法是限制網(wǎng)絡(luò)發(fā)送速度,節(jié)點(diǎn)丟棄多余的數(shù)據(jù)請(qǐng)求;另一種方法是對(duì)同一數(shù)據(jù)包的重傳次數(shù)進(jìn)行限制。

43、WSN路由層遭受的攻擊類型：P253（1）虛假路由信息（2）選擇轉(zhuǎn)發(fā)

（3）女巫（Sybil）攻擊（4）槽洞（Sinkhole）攻擊（5）蟲洞（Wormholes）攻擊（6）Hello flood攻擊（7）告知收到欺騙

44、WSN安全要求方面：P248

(1)數(shù)據(jù)保密性(2)數(shù)據(jù)認(rèn)證(3)數(shù)據(jù)完整性(4)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性(5)密鑰管理(6)真實(shí)性(7)擴(kuò)展性(8)可用性

(9)自組織性(10)魯棒性

45、IEEE 802.15工作組，致力于 WPAN 網(wǎng)絡(luò)的 物理層（PHY）和 媒體訪問子層（MAC）的標(biāo)準(zhǔn)化工作。

46、IEEE 802.15.1標(biāo)準(zhǔn)，又稱藍(lán)牙無線個(gè)人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)。

47、IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，針對(duì)低速率無線個(gè)人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)（low-rate wireless personal area network,LR-WPAN）制定標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)把 低能量消耗、低速率傳輸、低成本作為重點(diǎn)目標(biāo)。P263

48、LR-WPAN網(wǎng)絡(luò)中有兩種設(shè)備：全功能設(shè)備（full-function device, FFD）和精簡功能設(shè)備（reduced-function device, RFD）。WSN中的協(xié)調(diào)器屬于哪種設(shè)備？WSN路由器屬于那種設(shè)備？ P367 WSN中的協(xié)調(diào)器屬于全功能設(shè)備,WSN路由器屬于全功能設(shè)備

49、IEEE 802.15.4網(wǎng)絡(luò)有兩種基本的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：星型網(wǎng)絡(luò)、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)。智能家居適合用那個(gè)結(jié)構(gòu)？P263&P366 智能家居適合用星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

50、IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)只定義了那兩層的協(xié)議：PHY層和數(shù)據(jù)鏈路層的MAC子層。P263

51、簡述ZigBee協(xié)議：ZigBee標(biāo)準(zhǔn)定義了一種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，這種協(xié)議能夠確保無線設(shè)備在低成本、低功耗和低數(shù)據(jù)速率網(wǎng)絡(luò)中的互操作性。ZigBee協(xié)議棧構(gòu)建在IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)之上，802.15.4標(biāo)準(zhǔn)定義了MAC和PHY層的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。MAC和PHY層定義了射頻以及相鄰的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間的通訊標(biāo)準(zhǔn)。而ZigBee協(xié)議棧則定義了網(wǎng)絡(luò)層，應(yīng)用層和安全服務(wù)層的標(biāo)準(zhǔn)。P270

52、ZigBee的技術(shù)有哪些特點(diǎn)？P270

（1）數(shù)據(jù)傳輸率低：10Kb/s～250Kb/s，專注于低速數(shù)據(jù)傳輸方面的應(yīng)用；（2）功耗低：在低功耗模式下，兩節(jié)普通5號(hào)電池可使用6～24個(gè)月；（3）成本低：ZigBee數(shù)據(jù)傳輸率低，協(xié)議簡單，大大降低了成本；（4）網(wǎng)絡(luò)容量大：網(wǎng)絡(luò)可容納65000個(gè)設(shè)備；（5）時(shí)延短：典型搜索設(shè)備時(shí)延為30ms，休眠激活時(shí)延為15ms，活動(dòng)設(shè)備信道接入時(shí)延為15ms；

（6）網(wǎng)絡(luò)的自組織、自愈能力強(qiáng)，通信可靠；

（7）數(shù)據(jù)安全：ZigBee提供了數(shù)據(jù)完整性檢查和鑒權(quán)功能，采用AES-128加密算法，各個(gè)可靈活確定其安全屬性；（8）工作頻段靈活。

53、ZigBee無線通信使用的頻段有3個(gè)：分別是2.4GHz的ISM頻段、歐洲的868MHz頻段、以及美國的915MHz頻段，而不同頻段可使用的信道分別是16、1、10個(gè)，均為免費(fèi)頻段。在中國采用2.4G的ISM頻段，是免申請(qǐng)和免使用費(fèi)的頻率，在2.4G的頻段上具有16個(gè)信道，帶寬為250K。

54、ZigBee標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定可以在一個(gè)單一的網(wǎng)絡(luò)中容納65535個(gè)節(jié)點(diǎn)，所有的ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)都屬于以下三種類型中的一種：Coordinator（協(xié)調(diào)器），Router（路由器），End Device（終端設(shè)備）P271

55、ZigBee網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)星型、樹型和網(wǎng)狀三種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫问健?/p>

56、IAR Embedded Wordbench是一個(gè)WSN應(yīng)用開發(fā)工具。它實(shí)現(xiàn)了ZigBee協(xié)議，使用C語言編寫程序。

57、CC2530是TI公司推出的用來實(shí)現(xiàn)嵌入式ZigBee應(yīng)用的片上系統(tǒng)。它集成了一個(gè)高性能2.4GHzDSSS(直接序列擴(kuò)頻)射頻收發(fā)器核心和工業(yè)級(jí)的8051控制器。P58

58、CC2530芯片有48個(gè)引腳。21個(gè)通用I/0引腳，1個(gè)通用的16位和2個(gè)8位定時(shí)器；2個(gè)支持多種串行通信協(xié)議的USART；8路輸入ADC；P59

59、CC2530的P1_0端口設(shè)置為輸出口的編程是： 詳見實(shí)驗(yàn)一 P1SEL &= ~0x01;P1DIR |= 0x01;60、IAR 集成了程序編寫、編譯、下載、調(diào)試等開發(fā)工具，其中燒寫下載使用了SmartRF Flash Programmer工具。

第二部分

1、TinyOS的概念P36 TinyOS是一個(gè)開源的嵌入式操作系統(tǒng)，主要應(yīng)用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)方面，它是一種基于組件（Component-Baseed）的架構(gòu)，能夠快速實(shí)現(xiàn)各種應(yīng)用，是為傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)而設(shè)計(jì)的一個(gè)事件驅(qū)動(dòng)的操作系統(tǒng)。

2、nesC是標(biāo)準(zhǔn)的C語言嗎？P37 不是，nesC是對(duì)C的擴(kuò)展，它體現(xiàn)TinyOS的結(jié)構(gòu)化概念和執(zhí)行模型而設(shè)計(jì)。

3、IAR開發(fā)WSN應(yīng)用程序的流程。

IAR開發(fā)WSN應(yīng)用程序的流程：

1、硬件連接；

2、新建IAR項(xiàng)目工程<選擇模版、目錄、取文件名>；

3、把C程序加入到項(xiàng)目中，并保存；

4、設(shè)置項(xiàng)目參數(shù)；

5、編譯、下載、調(diào)試；

6、觀察結(jié)果。

4、ZigBee協(xié)議棧，規(guī)定了那三種；類型的設(shè)備，各自的功能?建立網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)符PAD_ID由哪個(gè)設(shè)備決定？P271

ZigBee協(xié)議定義的三類設(shè)備：

1、Coordinator(協(xié)調(diào)器):協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)啟動(dòng)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)；

2、Router(路由器)：允許其他設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)，多跳路由和協(xié)助它自己的由電池供電的子終端設(shè)備的通信；

3、End-Device（終端設(shè)備）：終端設(shè)備沒有特定的維持網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的責(zé)任，它可以睡眠或者喚醒，因此他可以是一個(gè)電池供電設(shè)備。建立網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)符PAD_ID由協(xié)調(diào)器設(shè)備決定。

5、IAR進(jìn)行ZigBee應(yīng)用開發(fā)，如何設(shè)置固定的PAN_ID?P280 在文件f8wConfig.cfg中的ZDO_CONFIG_PAN_ID參數(shù)可以設(shè)置為0~0x3FFF的一個(gè)值。協(xié)調(diào)器使用這個(gè)值，作為它要啟動(dòng)的網(wǎng)絡(luò)的PAN ID。如果要改成廣播傳送形式就將這個(gè)參數(shù)設(shè)置為0xFFFF

6、Z-Stack有幾種尋址模式？終節(jié)點(diǎn)一般使用哪種模式？P272

Z-Stack有4種尋址模式：

1、單點(diǎn)傳送（Unicast）；

2、間接傳送（Indirect）；

3、廣播傳送（Broadcast）；

4、組尋址（Group Addressing）。終節(jié)點(diǎn)一般使用組尋址

7、簡述一下Z-Stack的路由協(xié)議AODV需要維護(hù)的存儲(chǔ)表格有哪些？ P277

1、路由表，設(shè)備在路由表中保存數(shù)據(jù)包參與路由所需的信息，每一條路由表記錄都包含目的地址，下一級(jí)節(jié)點(diǎn)和連接狀態(tài)；

2、路徑發(fā)現(xiàn)表，這個(gè)表用來保存路徑發(fā)現(xiàn)過程中的臨時(shí)信息。

8、Z-Stack的2007版本，函數(shù)AF_DataRequest是在哪個(gè)模塊層定義的？ Z-Stack的2007版本，函數(shù)AF_DataRequest是在ZDO模塊層定義的(不確定)

9、Z-Stack的2007版本，有哪幾個(gè)主要協(xié)議層組成？ P380

Z-Stack完全實(shí)現(xiàn)了ZigBee規(guī)范規(guī)定的MAC層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層、安全服務(wù)層框架。（參考第一部分第51點(diǎn)對(duì)ZigBee協(xié)議棧的定義）

10、用Z-Stack開發(fā)智能家居應(yīng)用，簡述協(xié)調(diào)器程序的通信流程和作用。P366 主要負(fù)責(zé)建立和管理網(wǎng)絡(luò),接收從終端節(jié)點(diǎn)獲取到的數(shù)據(jù)或向終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送控制命令,以及與智能網(wǎng)關(guān)或上位機(jī)通信獲取網(wǎng)關(guān)或上位機(jī)發(fā)送來的控制指令或上傳終端節(jié)點(diǎn)采集到的數(shù)據(jù)

11、WSN接入互聯(lián)網(wǎng)，需要網(wǎng)關(guān)設(shè)備，簡述該網(wǎng)關(guān)設(shè)備的主要功能。P306

1、在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)關(guān)擔(dān)當(dāng)網(wǎng)絡(luò)間的協(xié)議轉(zhuǎn)換器，不同網(wǎng)絡(luò)類型的網(wǎng)絡(luò)路由器，全網(wǎng)數(shù)據(jù)聚集，存儲(chǔ)處理等重要角色，成為網(wǎng)絡(luò)間連接不可缺少的紐帶；

2、網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)設(shè)備將實(shí)現(xiàn)對(duì)其所在的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的區(qū)域管理、任務(wù)調(diào)度、數(shù)據(jù)聚集、狀態(tài)監(jiān)控與維護(hù)等一系列功能。

12、X|=0x20的作用是什么？

把X字節(jié)的第6位置1X|=0x20 等價(jià)于X=X|=0x20 ,‘|’為‘或’運(yùn)算，0x20表示二進(jìn)制的00100000

13、Y&=~0x10的作用是什么? 把Y字節(jié)的第5位置0 Y&=~0x10等價(jià)Y = Y&(~0x10),‘&’為‘與’運(yùn)算，‘~’為‘取反’運(yùn)算，0x10表示二進(jìn)制的00010000

14、使用Z-Stack設(shè)計(jì)一個(gè)家用報(bào)警系統(tǒng)，當(dāng)檢測到煤氣泄露時(shí)，自動(dòng)打開排風(fēng)扇

（1）繪制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)示意圖（2）描述各終節(jié)點(diǎn)的功能

（3）簡述協(xié)調(diào)器的功能和程序流程（4）繪制PC程序的程序流程圖

15、使用Z-Stack設(shè)計(jì)一個(gè)智能農(nóng)業(yè)澆水系統(tǒng)，當(dāng)檢測到地面溫度超過35度時(shí)，自動(dòng)開啟澆水裝置，低于30度時(shí)，關(guān)閉澆水裝置（1）繪制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)示意圖（2）描述各終節(jié)點(diǎn)的功能

（3）簡述協(xié)調(diào)器的功能和程序流程（4）繪制PC程序的程序流程圖

第二篇：WSN復(fù)習(xí)-2015

填空

2分*10 名詞解釋1分*10 簡答10分*5 綜合20

概述

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)定義：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是大量的靜止或移動(dòng)的傳感器以自組織和多跳的方式構(gòu)成的無線網(wǎng)絡(luò)，目的是協(xié)作地探測、處理和傳輸網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域內(nèi)感知對(duì)象的監(jiān)測信息，并報(bào)告給用戶。它的英文是Wireless Sensor Network，簡稱WSN。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的任務(wù)是利用傳感器節(jié)點(diǎn)來監(jiān)測節(jié)點(diǎn)周圍的環(huán)境，收集相關(guān)數(shù)據(jù)，然后通過無線收發(fā)裝置采用多跳路由的方式將數(shù)據(jù)發(fā)送給匯聚節(jié)點(diǎn)，再通過匯聚節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)傳送到?用戶端，從而達(dá)到對(duì)目標(biāo)區(qū)域的監(jiān)測。它綜合了計(jì)算技術(shù)、通信技術(shù)及傳感器技術(shù)，能夠通過各類集成化的微型傳感器協(xié)作地實(shí)時(shí)監(jiān)測、感知和采集各種環(huán)境信息或被監(jiān)測對(duì)象的信息，這些信息以無線方式傳送，并以自組多跳的網(wǎng)絡(luò)方式傳送到用戶終端，從而實(shí)現(xiàn)物理世界、計(jì)算機(jī)世界及人類社會(huì)三元世界的連通。

傳感器網(wǎng)絡(luò)限制條件:（1）電源能量有限（2）通信能力受限（3）計(jì)算和存儲(chǔ)能力受限

1.低成本、低功能和對(duì)等通信，是短距離無線通信技術(shù)的三個(gè)重要特征和優(yōu)勢。

2.目前使用較廣泛的近距無線通信技術(shù)是藍(lán)牙(Bluetooth)，無線局域網(wǎng)802.11(Wi-Fi)和紅外數(shù)據(jù)傳輸(IrDA)。同時(shí)更有一些具有發(fā)展?jié)摿Φ慕酂o線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，他們分別是：ZigBee、超寬頻(Ultra Wide Band)、短距通信(NFC)、WiMedia、GPS、DECT、無線1394和專用無線系統(tǒng)等。

3.ZigBee系統(tǒng)采用的是直序擴(kuò)頻技術(shù)（DSSS)，使得原來較高的功率、較窄的頻率變成較寬的低功率頻率，以有效控制噪聲，是一種抗干擾能力極強(qiáng)，保密性，可靠性都很高的通信方式。藍(lán)牙系統(tǒng)采用的是跳頻擴(kuò)頻技術(shù)（FHSS)，這些系統(tǒng)僅在部分時(shí)間才會(huì)發(fā)生使用頻率沖突，其他時(shí)間則能在彼此相異無干擾的頻道中運(yùn)作。ZigBee系統(tǒng)是非跳頻系統(tǒng)，所以藍(lán)牙在多次通信中才可能有一次會(huì)和ZigBee的通信頻率產(chǎn)生重疊，且將會(huì)迅速跳至另一個(gè)頻率。

4.ZigBee技術(shù)特點(diǎn)主要包括：

①數(shù)據(jù)傳輸速率低。只有10kb/s~250kb/s,專注于低傳輸應(yīng)用。

②功耗低。在低耗電待機(jī)模式下，兩節(jié)普通五號(hào)干電池可使用6個(gè)月至2年。這也是ZigBee的支持者所一直引以為豪的獨(dú)特優(yōu)勢。

③低成本。因?yàn)閆igBee數(shù)據(jù)傳輸速率低，協(xié)議簡單，所以大大降低了成本。④網(wǎng)絡(luò)容量大。每個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)最多可支持255個(gè)設(shè)備，也就是說每個(gè)ZigBee設(shè)備可以與另外254臺(tái)設(shè)備相連接。

⑤有效范圍小。有效覆蓋范圍10~75m之間，具體依據(jù)實(shí)際發(fā)射功率的大小和各種不同的應(yīng)用模式而定，基本上能夠覆蓋普通的家庭或辦公室環(huán)境。

⑥工作頻段靈活。使用的頻段分別為2.4GHz、868MHz（歐洲）915MHz（美國），均為免執(zhí)照頻段。

5.無線局域網(wǎng)（WLAN）

無線局域網(wǎng)（Wireless Local Area Networks，WLAN）就是在各工作站和設(shè)備之間，不再使用通信電纜，而采用無線的通信方式連接的局域網(wǎng)。一般來講，凡是采用無線傳輸媒體的計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)都可以稱之為無線局域網(wǎng)。

無線局域網(wǎng)采用的傳輸媒體主要有兩種——無線電波和紅外線。根據(jù)調(diào)制方式的不同，無線電波方式又可分為擴(kuò)展頻譜方式和窄帶調(diào)制方式。擴(kuò)展頻譜方式是指用來傳輸信息的射頻帶寬遠(yuǎn)大于信息本身帶寬的一種通信方式，它雖然犧牲了頻帶帶寬，卻提高了通信系統(tǒng)的抗干擾能力和安全性；窄帶調(diào)制方式是指數(shù)據(jù)基帶信號(hào)的頻譜不做任何擴(kuò)展即被直接搬移到射頻發(fā)射出去，與擴(kuò)展頻譜方式相比，窄帶調(diào)制方式占用頻帶少，頻帶利用率高，但是通信可靠性較差。而紅外線方式的最大優(yōu)點(diǎn)是不受無線電干擾，且紅外線的使用不必受國家無線電管理委員會(huì)的限制，但是紅外線對(duì)非透明物體的透過性較差，傳輸距離受限。

6、傳感器網(wǎng)絡(luò)的三個(gè)基本要素：傳感器，感知對(duì)象，觀察者

7、傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本功能：協(xié)作地感知、采集、處理和發(fā)布感知信息

8、無線傳感器節(jié)點(diǎn)的基本功能：采集、處理、控制和通信等

9、無線通信物理層的主要技術(shù)包括：介質(zhì)的選擇、頻段的選擇、調(diào)制技術(shù)和擴(kuò)頻技術(shù)

10、傳感器是將外界信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的裝置，傳感器一般由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件、轉(zhuǎn)換電路三部分組成

11、傳感器節(jié)點(diǎn)由傳感器模塊、處理器模塊、無線通信模塊和能量供應(yīng)模塊四部分組成

協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)

IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)：IEEE 802.15.4是用于低速無線個(gè)域網(wǎng)LR-WPAN的物理層和媒體接入控制層的規(guī)范，是ZigBee、Wireless HART及MiWi規(guī)范的基礎(chǔ)。IEEE 802.15.4旨在為無線個(gè)域網(wǎng)中的通信設(shè)備提供一種基本的底層網(wǎng)絡(luò)，它支持兩種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌磫翁菭詈彤?dāng)通信線路超過10m時(shí)的多跳對(duì)等拓?fù)洹?/p>

IEEE 802.15.4定義了兩個(gè)物理層，即2.4GHz頻段和868/915MHz頻段物理層，其中2.4GHz頻段有16個(gè)速率為250kbit/s的信道。

IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)只定義了PHY層和數(shù)據(jù)鏈路層的MAC子層。PHY層由射頻收發(fā)器以及底層的控制模塊構(gòu)成。MAC子層為高層訪問物理信道提供點(diǎn)到點(diǎn)通信的服務(wù)接口 ZigBee是一種新興的短距離、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本、低復(fù)雜度的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。ZigBee無線可使用的頻段有3個(gè)，分別是2.4GHz的ISM頻段、歐洲的868MHz頻段、以及美國的915MHz頻段，而不同頻段可使用的信道分別是16、1、10個(gè)，在中國采用2.4G頻段，是免申請(qǐng)和免使用費(fèi)的頻率。ZigBee標(biāo)準(zhǔn)概要

ZigBee是一個(gè)協(xié)議的名稱，這一協(xié)議基于IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，其目的是為了適用于低功耗，無線連接的監(jiān)測和控制系統(tǒng)。這一協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)由ZigBee聯(lián)盟維護(hù)。IEEE802.15.4是ZigBee協(xié)議的底層標(biāo)準(zhǔn)，主要規(guī)范了物理層和MAC層的協(xié)議，其標(biāo)準(zhǔn)由國際電工學(xué)協(xié)會(huì)IEEE組織制定并推廣。ZigBee和802.15.4標(biāo)準(zhǔn)都適合于低速率數(shù)據(jù)傳輸，最大速率為250K，與其他無線技術(shù)比較，適合傳輸距離相對(duì)較近；ZigBee無線技術(shù)適合組建WPAN網(wǎng)絡(luò)，就是無線個(gè)人設(shè)備的聯(lián)網(wǎng)，對(duì)于數(shù)據(jù)采集和控制信號(hào)的傳輸是非常合適的。ZigBee技術(shù)的應(yīng)用定位是低速率、復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)、低功耗和低成本應(yīng)用。

ZigBee技術(shù)優(yōu)勢：ZigBee無線的傳輸帶寬在20-250KB/s范圍，適合傳感器數(shù)據(jù)采集和控制數(shù)據(jù)的傳輸；ZigBee無線可以組建大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)容量達(dá)到65535個(gè)，具有非常強(qiáng)大的組網(wǎng)優(yōu)勢；ZigBee技術(shù)特有的低功耗設(shè)計(jì)，可以保證電池工作很長時(shí)間。ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)類型：Coordinator：Router：End Device：

ZigBee協(xié)議中的兩類地址：64位的IEEE MAC地址及16位網(wǎng)絡(luò)地址。64位的IEEE地址，通常也叫作MAC地址或者擴(kuò)展地址（Extended address）；16位的網(wǎng)絡(luò)地址，也叫做邏輯地址（Logical address）或者短地址。64位長地址是全球唯一的地址，并且終身分配給設(shè)備。這個(gè)地址可由制造商設(shè)定或者在安裝的時(shí)候設(shè)置，是由IEEE來提供；當(dāng)設(shè)備加入ZigBee網(wǎng)絡(luò)被分配一個(gè)短地址，在其所在的網(wǎng)絡(luò)中是唯一的。這個(gè)地址主要用來在網(wǎng)絡(luò)中辨識(shí)設(shè)備，數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)包路由等。

ZigBee網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)星狀、網(wǎng)狀和混合狀三種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫问健?/p>

路由

Z-Stack采用無線自組網(wǎng)按需平面距離矢量路由協(xié)議AODV，建立一個(gè)Hoc網(wǎng)絡(luò)，支持移動(dòng)節(jié)點(diǎn)，鏈接失敗和數(shù)據(jù)丟失，能夠自組織和自修復(fù)。

當(dāng)一個(gè)Router接受到一個(gè)信息包之后，NMK層將會(huì)進(jìn)行以下的工作：首先確認(rèn)目的地，如果目的地就是這個(gè)Router的鄰居，信息包將會(huì)直接傳輸給目的設(shè)備；否則，Router將會(huì)確認(rèn)和目的地址相應(yīng)的路由表?xiàng)l目，如果對(duì)于目的地址能找到有效的路由表?xiàng)l目，信息包將會(huì)被傳遞到該條目中所存儲(chǔ)的下一個(gè)hop地址；如果找不到有效的路由表?xiàng)l目，路由探測功能將會(huì)被啟動(dòng)，信息包將會(huì)被緩存直到發(fā)現(xiàn)一個(gè)新的路由信息。

ZigBee End Device（終端設(shè)備）不會(huì)執(zhí)行任何路由函數(shù)，它只是簡單的將信息傳送給前面的可以執(zhí)行路由功能的父設(shè)備。因此，如果End Device想發(fā)送信息給另外一個(gè)End Device，在發(fā)送信息之間將會(huì)啟動(dòng)路由探測功能，找到相應(yīng)的父路由節(jié)點(diǎn)。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)

1.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議棧包括物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層和應(yīng)用層，還包括能量管理、移動(dòng)管理和任務(wù)管理等平臺(tái)。

物理層主要處理信號(hào)的調(diào)制，發(fā)射和接收。數(shù)據(jù)鏈路層主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)流的多路傳輸，數(shù)據(jù)幀檢測，媒介訪問控制和錯(cuò)誤控制。網(wǎng)絡(luò)層主要考慮數(shù)據(jù)的路由。傳輸層用于維持給定的數(shù)據(jù)流。根據(jù)不同的應(yīng)用，應(yīng)用層上可使用不同的應(yīng)用軟件。2.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信體系結(jié)構(gòu)

（1）物理層（2）數(shù)據(jù)鏈路層（3）網(wǎng)絡(luò)層（4）傳輸層（5）應(yīng)用層

信道接入技術(shù)

CSMA/CA機(jī)制: 當(dāng)某個(gè)站點(diǎn)（源站點(diǎn)）有數(shù)據(jù)幀要發(fā)送時(shí)，檢測信道。若信道空閑，且在DIFS時(shí)間內(nèi)一直空閑，則發(fā)送這個(gè)數(shù)據(jù)幀。發(fā)送結(jié)束后，源站點(diǎn)等待接收ACK確認(rèn)幀。如果目的站點(diǎn)接收到正確的數(shù)據(jù)幀，還需要等待SIFS時(shí)間，然后向源站點(diǎn)發(fā)送ACK確認(rèn)幀。若源站點(diǎn)在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)接收到ACK確認(rèn)幀，則說明沒有發(fā)生沖突，這一幀發(fā)送成功。否則執(zhí)行退避算法。

S-MAC(Sensor medium access control)協(xié)議是在IEEE802.11協(xié)議的基礎(chǔ)上，針對(duì)WSN的能量有效性而提出的專用于WSN的節(jié)能MAC協(xié)議。S-MAC協(xié)議設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)是減少能量消耗，提供良好的可擴(kuò)展性。它針對(duì)WSN消耗能量的主要環(huán)節(jié)，采用了以下三方面的技術(shù)措施來減少能耗：

a）周期性偵聽和休眠。b）消息分割和突發(fā)傳輸。C）避免接收不必要消息。

1、基于競爭的MAC協(xié)議

即節(jié)點(diǎn)在需要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)采用某種機(jī)制隨機(jī)的使用無線信道，這就要求在設(shè)計(jì)的時(shí)候必須要考慮到如果發(fā)送的數(shù)據(jù)發(fā)生沖突，采用何種沖突避免策略來重發(fā)，直到所有重要的數(shù)據(jù)都能成功發(fā)送出去。

S-MAC協(xié)議

T-MAC協(xié)議

基于競爭的MAC協(xié)議的顯著優(yōu)點(diǎn)是：協(xié)議的簡明性和可擴(kuò)展性。

缺點(diǎn)：由于沒有像基于預(yù)約的MAC協(xié)議那樣使用某種機(jī)制對(duì)信道利用情況進(jìn)行均衡，所以公平性就成為它的一個(gè)問題。

2、基于固定分配的MAC協(xié)議 即節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)刻和持續(xù)時(shí)間是按照協(xié)議規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)來執(zhí)行，這樣以來就避免了沖突，不需要擔(dān)心數(shù)據(jù)在信道中發(fā)生碰撞所造成的丟包問題。

相比隨機(jī)競爭接入機(jī)制，時(shí)分復(fù)用方式的優(yōu)點(diǎn)：更能節(jié)省能量，因?yàn)槭∪チ烁偁帣C(jī)制的碰撞重傳問題；缺點(diǎn)：它需要嚴(yán)格的時(shí)間同步，并且通常用在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不變的網(wǎng)絡(luò)，它不能很好地處理傳感器節(jié)點(diǎn)移動(dòng)和節(jié)點(diǎn)失效的情況，因此在網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展性方面存在嚴(yán)重不足。TDMA

CDMA

FDMA

SDMA

3、基于按需分配的MAC協(xié)議

即根據(jù)節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中所承擔(dān)數(shù)據(jù)量的大小來決定其占用信道的時(shí)間，目前主要有點(diǎn)協(xié)調(diào)和無線令牌環(huán)控制協(xié)議兩種方式。

路由協(xié)議

路由協(xié)議的作用是尋找一條或多條滿足一定條件的，從源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的路徑，將數(shù)據(jù)分組沿著所尋找的路徑進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，由此可以看出路由協(xié)議的功能主要有兩個(gè)方面：

一、搜索滿足條件的從源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的優(yōu)化路徑

二、轉(zhuǎn)發(fā)資料分組

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議特點(diǎn):

（1）能量優(yōu)先（2）基于局部拓?fù)湫畔ⅲ?）以數(shù)據(jù)為中心（4）應(yīng)用相關(guān)

路由協(xié)議類型：①以數(shù)據(jù)為中心的路由協(xié)議

②基于層次結(jié)構(gòu)（樹結(jié)構(gòu)）的路由協(xié)議

③基于地理信息路由協(xié)議

④基于多路徑的路由協(xié)議

簡單的無結(jié)構(gòu)路由協(xié)議：Flooding和Gossiping路由協(xié)議

在Flooding（泛洪）協(xié)議中，節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生或收到數(shù)據(jù)后向所有鄰節(jié)點(diǎn)廣播，直到數(shù)據(jù)包過期或到達(dá)目的地。該路由不進(jìn)行維護(hù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜拖嚓P(guān)路由算法，只負(fù)責(zé)以廣播形式轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包，因此效率并不高。該協(xié)議具有嚴(yán)重缺陷：內(nèi)爆(Implosion，節(jié)點(diǎn)幾乎同時(shí)從鄰節(jié)點(diǎn)收到多份相同數(shù)據(jù))、交疊(Overlap，節(jié)點(diǎn)先后收到監(jiān)控同一區(qū)域的多個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的幾乎相同的數(shù)據(jù))、盲目利用資源(節(jié)點(diǎn)不考慮自身資源限制，在任何情況下都轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù))，造成資源的浪費(fèi)。Gossiping（閑聊）協(xié)議是對(duì)Flooding協(xié)議的改進(jìn)，節(jié)點(diǎn)將產(chǎn)生或收到的數(shù)據(jù)隨機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)，而不是用廣播。這種方式避免了以廣播形式進(jìn)行信息傳播的能量消耗，節(jié)約能量，在一定程度上解決了信息的“內(nèi)爆”問題，但增加了信息的數(shù)據(jù)傳輸平均時(shí)延，傳輸速度變慢，并且無法解決部分交疊現(xiàn)象和盲目利用資源問題。DD(directed diffusion，定向擴(kuò)散)協(xié)議是以數(shù)據(jù)為中心的路由算法，是一種基于查詢的路由機(jī)制。整個(gè)過程可以分為興趣擴(kuò)散、梯度建立以及路徑加強(qiáng)三個(gè)階段。為建立路由，sink點(diǎn)向網(wǎng)絡(luò)中Flooding（包含屬性列表、上報(bào)間隔、持續(xù)時(shí)間、地理區(qū)域等）信息的查詢請(qǐng)求Interest(該過程本質(zhì)上是設(shè)置一個(gè)監(jiān)測任務(wù))。沿途節(jié)點(diǎn)按需對(duì)各Interest進(jìn)行緩存與合并，并根據(jù)Interest計(jì)算、創(chuàng)建（包含數(shù)據(jù)上報(bào)率、下一跳等）信息的梯度(gradient)，從而建立多條指向sink點(diǎn)的路徑。Interest中的地理區(qū)域內(nèi)節(jié)點(diǎn)則按要求啟動(dòng)監(jiān)測任務(wù)，并周期性地上報(bào)數(shù)據(jù)。途中各節(jié)點(diǎn)可對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存與聚合。Sink點(diǎn)可在數(shù)據(jù)傳輸過程中通過對(duì)某條路徑發(fā)送上報(bào)間隔更小或更大的Interest，以增強(qiáng)或減弱數(shù)據(jù)上報(bào)率。

如果sink點(diǎn)的一次查詢只需一次上報(bào)，DD協(xié)議開銷太大。Rumor（謠傳）協(xié)議正是為解決此問題而設(shè)計(jì)的。該協(xié)議借鑒了歐氏平面圖上任意兩條曲線交叉幾率很大的思想。

SPIN(sensor protocol for information via negotiation)路由算法是一種以數(shù)據(jù)為中心的自適應(yīng)通信路由協(xié)議。SPIN協(xié)議中使用三種類型的消息：（1）ADV，用于新數(shù)據(jù)廣播。當(dāng)一個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)有數(shù)據(jù)需要傳輸時(shí)，它就使用ADV數(shù)據(jù)包(包括元數(shù)據(jù))對(duì)外廣播。（2）REQ，用于請(qǐng)求發(fā)送數(shù)據(jù)。當(dāng)一個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)希望接收DATA數(shù)據(jù)包時(shí)，便發(fā)送REQ。（3）DATA，包含了元數(shù)據(jù)頭、傳感器節(jié)點(diǎn)采集數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)包。在發(fā)送DATA數(shù)據(jù)包之前，傳感器節(jié)點(diǎn)首先對(duì)外廣播ADV消息。如果一個(gè)鄰近節(jié)點(diǎn)在收到ADV后希望接收該DATA數(shù)據(jù)包，那么它向該節(jié)點(diǎn)發(fā)送一個(gè)REQ；接著該節(jié)點(diǎn)向它發(fā)送DATA數(shù)據(jù)包。類似的過程繼續(xù)下去，DATA數(shù)據(jù)包就會(huì)被傳輸?shù)竭h(yuǎn)方sink。

在層次型結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)中，具有某種關(guān)聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)組成簇。在簇內(nèi)，通常有一個(gè)按一定規(guī)則選舉產(chǎn)生的，被稱為簇頭(cluster head)的節(jié)點(diǎn)。除了簇頭節(jié)點(diǎn)外，一般節(jié)點(diǎn)成員(clustermember)的功能較簡單，無須維護(hù)復(fù)雜的路由信息。這類協(xié)議的設(shè)計(jì)思想是，將所有節(jié)點(diǎn)劃分為若干簇，每個(gè)簇按照一定規(guī)則來選舉一個(gè)簇頭。各個(gè)節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)在簇頭節(jié)點(diǎn)進(jìn)行融合，再由簇頭節(jié)點(diǎn)與Sink節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信。

LEACH（LOW-Energy Adaptive Clustering Hierarchy）是一種WSN的低功耗自適應(yīng)聚類路由算法，其基本思想是通過等概率地隨機(jī)循環(huán)選擇簇頭，將整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的能量負(fù)載平均分配到每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)，從而達(dá)到降低網(wǎng)絡(luò)能量耗費(fèi)、延長網(wǎng)絡(luò)生命周期的目的。LEACH算法包括簇頭的產(chǎn)生、簇的形成和簇的路由三個(gè)階段。

傳感器網(wǎng)絡(luò)的支撐技術(shù)包括：定位技術(shù)、時(shí)間同步、數(shù)據(jù)融合、能量管理、安全機(jī)制。拓?fù)淇刂?/p>

1、拓?fù)淇刂频囊饬x

2、拓?fù)淇刂蒲芯恳呀?jīng)形成功率控制和睡眠調(diào)度兩個(gè)主流研究方向。所謂功率控制，就是為傳感器節(jié)點(diǎn)選擇合適的發(fā)射功率；所謂睡眠調(diào)度，就是控制傳感器節(jié)點(diǎn)在工作狀態(tài)和睡眠狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換。

定位技術(shù)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的定位是指自組織的網(wǎng)絡(luò)通過特定方法提供節(jié)點(diǎn)位置信息。這種自組織網(wǎng)絡(luò)定位分為節(jié)點(diǎn)自身定位和目標(biāo)定位。節(jié)點(diǎn)自身定位是確定網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)為坐標(biāo)位置的過程。目標(biāo)定位是確定網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍內(nèi)目標(biāo)的坐標(biāo)位置。

在WSN節(jié)點(diǎn)定位技術(shù)中，根據(jù)節(jié)點(diǎn)是否已知自身的位置，把傳感器節(jié)點(diǎn)分為信標(biāo)節(jié)點(diǎn)（beacon node）或錨點(diǎn)（anchor）和未知節(jié)點(diǎn)（unknown node）。感器節(jié)點(diǎn)定位的基本術(shù)語

（1）鄰居節(jié)點(diǎn)（Neighbor Nodes）：是指傳感器節(jié)點(diǎn)通信半徑內(nèi)的所有其他節(jié)點(diǎn)，也就是說：在一個(gè)節(jié)點(diǎn)通信半徑內(nèi)，可以直接通信的所有其他點(diǎn)。（2）跳數(shù)（Hop Count）：是指兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間間隔的跳段總數(shù)。

（3）跳段距離（Hop Distance）：是指兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間隔的各跳段距離之和。

（4）接收信號(hào)強(qiáng)度指示（Received Signal Strength Indicator，RSSI）：是指節(jié)點(diǎn)接收到無線信號(hào)的強(qiáng)度大小。

（5）到達(dá)時(shí)間（Time of Arrival，TOA）：是指信號(hào)從一個(gè)節(jié)點(diǎn)傳播到另一節(jié)點(diǎn)所需要的時(shí)間。

6）到達(dá)時(shí)間差（Time Difference of Arrival，TDOA）：兩種不同傳播速度的信號(hào)從一個(gè)節(jié)點(diǎn)傳播到另一節(jié)點(diǎn)所需要的時(shí)間之差。

（7）到達(dá)角度（Angle of Arrival，AOA）：是指節(jié)點(diǎn)接收到的信號(hào)相對(duì)于自身軸線的角度。（8）視線關(guān)系（Line of Sight，LOS）：是指兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間沒有障礙物間隔，能夠直接通信。（9）非視線關(guān)系（Non Line of Sight，NLOS）：是指兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間存在障礙物。

（10）基礎(chǔ)設(shè)施（Infrastructure）：是指協(xié)助傳感器節(jié)點(diǎn)定位的已知自身位置的固定設(shè)備（如衛(wèi)星、基站等）。測距方法

接收信號(hào)強(qiáng)度(Receivcd Signal Strength Indicator，RSSI)指示法是接收機(jī)通過測量射頻信號(hào)的能量來確定與發(fā)送機(jī)的距離。由于RSSI指示已經(jīng)是現(xiàn)有傳感器節(jié)點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)功能，因此實(shí)現(xiàn)簡單并且對(duì)節(jié)點(diǎn)的成本和功耗沒有影響，因此RSSl方法已被廣泛采用，不足之處是遮蓋或折射會(huì)引起接收端產(chǎn)生嚴(yán)重的測量誤差，因此精度較低。到達(dá)時(shí)間法（TOA）

到達(dá)時(shí)間測距：已知信號(hào)的傳播速度，根據(jù)信號(hào)的傳播時(shí)間來汁算節(jié)點(diǎn)間的距離

到達(dá)時(shí)間差法(TDOA，Time Difference of Arrival)是測量不同的接收節(jié)點(diǎn)接收到同一個(gè)發(fā)射信號(hào)的時(shí)間差。

到達(dá)角法(AOA，AngIe of Arrival)方法通過配備天線陣列或多個(gè)接收器來估測其它節(jié)點(diǎn)發(fā)射的無線信號(hào)的到達(dá)角度。

常用的定位計(jì)算方法：三邊定位與求解、三角定位與求解、極大似然估計(jì)法

三邊測量算法：已知A、B、C三個(gè)節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)，以及它們到節(jié)點(diǎn)D的距離，確定節(jié)點(diǎn)D的坐標(biāo)

三角測量算法：已知A、B、C三個(gè)節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)，節(jié)點(diǎn)D相對(duì)于節(jié)點(diǎn)A、B、C的角度，確定節(jié)點(diǎn)D的坐標(biāo)； 典型定位系統(tǒng) Cricket定位系統(tǒng)

Cricket是一種基于TDOA測距技術(shù)的室內(nèi)定位系統(tǒng)，與其他定位系統(tǒng)不同的是，它通過測量到未知節(jié)點(diǎn)最近的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)計(jì)算靜止或者移動(dòng)目標(biāo)在大樓內(nèi)具體房間的哪一區(qū)域，而不是絕對(duì)位置。Cricket系統(tǒng)沒有中心管理或者控制系統(tǒng)，而是分布式管理，為了更好地通信，把信標(biāo)節(jié)點(diǎn)和發(fā)射器布置在天花板上。

近似三角形內(nèi)點(diǎn)測試法APIT算法是一種適用于大規(guī)模無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的分布式無需測距的定位算法。APIT雖然是無需測距的定位算法，但其利用了電磁波強(qiáng)度大小與距離的相對(duì)關(guān)系，因此相比于其它無需測距定位算法有著定位精度高，對(duì)節(jié)點(diǎn)密度要求低，通信量小的優(yōu)點(diǎn)且適用于電磁波不規(guī)則模型。APIT算法中錨節(jié)點(diǎn)定時(shí)廣播自己的坐標(biāo)信息，節(jié)點(diǎn)與鄰居節(jié)點(diǎn)相互交換接收到的錨節(jié)點(diǎn)定位信號(hào)強(qiáng)度并以此來判斷節(jié)點(diǎn)是否在錨節(jié)點(diǎn)組成的三角形內(nèi)，從而估計(jì)節(jié)點(diǎn)可能位于的區(qū)域。

APIT（Approximate Point-in-triangulation Test）是一種無需測距的定位技術(shù)，它包括四個(gè)步驟。1.收集信息。2.PIT測試。3.計(jì)算重疊區(qū)域4.計(jì)算未知節(jié)點(diǎn)的位置。

跟蹤技術(shù)

基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)跟蹤過程大致包括3個(gè)階段：檢測、定位和通告，每個(gè)階段需要不同的技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。在檢測階段，主要任務(wù)是通過各種檢測手段檢測跟蹤目標(biāo)是否出現(xiàn)，常用的技術(shù)有超聲波檢測、震動(dòng)技術(shù)檢測、紅外線技術(shù)檢測以及多媒體基礎(chǔ)檢測等；定位階段，定位是跟蹤的技術(shù)基礎(chǔ)，在前面部分?jǐn)⑹隽硕喾N無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)，可以根據(jù)不同的場景和用戶需求來選擇適合的定位技術(shù)來確定當(dāng)前目標(biāo)的位置和狀態(tài)，比較常用的方法有雙元檢測、三角測量以及基于流行學(xué)習(xí)算法等，然后記錄當(dāng)前目標(biāo)的軌跡和狀態(tài)，用于以后目標(biāo)跟蹤查看或者預(yù)測；通告階段，是節(jié)點(diǎn)之間交互信息的過程，在這個(gè)過程中節(jié)點(diǎn)向周圍其他節(jié)點(diǎn)發(fā)出協(xié)作定位求助或者通告其他節(jié)點(diǎn)自己對(duì)目標(biāo)的監(jiān)測狀態(tài)。

時(shí)間同步

時(shí)間同步：使網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)的時(shí)間保持一致，按照網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的深度可以分為三種不同的情況：

第一種：時(shí)序確定，判斷事件發(fā)生的先后順序，對(duì)本地時(shí)間的要求比較低，只需要知道本節(jié)點(diǎn)與其余節(jié)點(diǎn)的相對(duì)時(shí)間即可

第二種：相對(duì)同步，節(jié)點(diǎn)維護(hù)自己的本地時(shí)鐘，周期性地獲取其鄰居節(jié)點(diǎn)與本節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘偏移，實(shí)現(xiàn)本節(jié)點(diǎn)與鄰居節(jié)點(diǎn)的時(shí)間同步

第三種：絕對(duì)同步，所有節(jié)點(diǎn)的本地時(shí)間嚴(yán)格同步，等同于標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間，這種情況對(duì)節(jié)點(diǎn)的要求最高，因此實(shí)現(xiàn)也最為復(fù)雜 時(shí)間同步的兩個(gè)重要的時(shí)間參數(shù)：

時(shí)鐘偏移：在真實(shí)時(shí)刻t時(shí)定義時(shí)鐘偏移為c(t)?t，即本地時(shí)間與真實(shí)時(shí)間的差值。時(shí)鐘漂移：在真實(shí)時(shí)刻t時(shí)定義時(shí)鐘漂移為ρ(t)=r(t)?1，即本地時(shí)間變化速率與1的差值。典型協(xié)議：

網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議（NTP）。NTP協(xié)議的時(shí)間同步精度可以達(dá)到毫秒級(jí)，通過外界一個(gè)精準(zhǔn)的時(shí)間源接收機(jī)，頂層的時(shí)間服務(wù)器可以獲得高精度的參考時(shí)間，并向全網(wǎng)內(nèi)提供統(tǒng)一的時(shí)間服務(wù)。

同步機(jī)制：發(fā)送者-接收者同步模式、接收者-接收者同步模式。

DMTS協(xié)議：一種簡單的同步技術(shù)，發(fā)送者通過發(fā)送單個(gè)廣播報(bào)文，同步一跳內(nèi)的所有節(jié)點(diǎn)。

RBS同步機(jī)制的工作流程如下：假設(shè)有N個(gè)節(jié)點(diǎn)組成的單跳網(wǎng)絡(luò)，1個(gè)發(fā)送節(jié)點(diǎn)，N?1個(gè)接收節(jié)點(diǎn)，發(fā)送節(jié)點(diǎn)周期性地向接收節(jié)點(diǎn)發(fā)送參考報(bào)文，廣播域內(nèi)的接收節(jié)點(diǎn)都將收到該參考報(bào)文，并各自記錄收到該報(bào)文的時(shí)刻。接收者們通過交換本地時(shí)間戳信息，這樣這一組節(jié)點(diǎn)就可以計(jì)算出它們之間的時(shí)鐘偏差。

TPSN可以分為層次發(fā)現(xiàn)階段和時(shí)間同步兩個(gè)階段。

1．層次發(fā)現(xiàn)階段

在網(wǎng)絡(luò)部署后，根節(jié)點(diǎn)首先廣播以使發(fā)現(xiàn)分組，啟動(dòng)層次發(fā)現(xiàn)階段。

級(jí)別發(fā)現(xiàn)分組包含發(fā)送節(jié)點(diǎn)的ID和級(jí)別。根節(jié)點(diǎn)是0級(jí)節(jié)點(diǎn)，在根節(jié)點(diǎn)廣播域內(nèi)的節(jié)點(diǎn)收到根節(jié)點(diǎn)發(fā)送的分組后，將自己的級(jí)別設(shè)置為分組中的級(jí)別加1，即為第1級(jí)，然后將自己的級(jí)別和ID作為新的發(fā)現(xiàn)分組廣播出去。

當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)收到第i級(jí)節(jié)點(diǎn)的廣播分組后，記錄發(fā)送這個(gè)廣播分組的節(jié)點(diǎn)的ID，設(shè)置自己的級(jí)別為i+1。這個(gè)過程持續(xù)下去，直到網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都具有一個(gè)級(jí)別為止。如果節(jié)點(diǎn)已經(jīng)建立自己的級(jí)別，就忽略其他的級(jí)別發(fā)現(xiàn)分組。2．時(shí)間同步階段

層次結(jié)構(gòu)建立以后，根節(jié)點(diǎn)就會(huì)廣播時(shí)間同步分組，啟動(dòng)時(shí)間同步階段。第1級(jí)節(jié)點(diǎn)收到這個(gè)分組后。在等待一段隨機(jī)時(shí)間后，向根節(jié)點(diǎn)發(fā)送時(shí)間同步請(qǐng)求消息包，進(jìn)行同步過程，與此同時(shí)第2級(jí)節(jié)點(diǎn)會(huì)偵聽到第1級(jí)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的時(shí)間同步請(qǐng)求消息包，第2級(jí)節(jié)點(diǎn)也開始自己的同步過程。這樣，時(shí)間同步就由根節(jié)點(diǎn)擴(kuò)散到整個(gè)網(wǎng)絡(luò)，最終完成全網(wǎng)的時(shí)間同步。

建立層次之后，相鄰層次之間的節(jié)點(diǎn)通過雙向報(bào)文機(jī)制來進(jìn)行時(shí)間同步，假設(shè)節(jié)點(diǎn)A是第i層的節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)B是第i－1層的節(jié)點(diǎn)，根據(jù)TPSN報(bào)文交換協(xié)議，我們規(guī)定T1和T4為節(jié)點(diǎn)A的時(shí)間，T2和T3為節(jié)點(diǎn)B的時(shí)間，節(jié)點(diǎn)A在T1向節(jié)點(diǎn)B發(fā)送一個(gè)同步報(bào)文，節(jié)點(diǎn)B在收到該報(bào)文后，記錄下接收到該報(bào)文的時(shí)刻T2，并立刻向節(jié)點(diǎn)A發(fā)回一個(gè)應(yīng)答報(bào)文，將時(shí)刻T2和該報(bào)文的發(fā)送時(shí)刻T3嵌入到應(yīng)答報(bào)文中。當(dāng)節(jié)點(diǎn)A收到該應(yīng)答報(bào)文后，記錄下此時(shí)刻T4。我們假設(shè)當(dāng)節(jié)點(diǎn)A在T1時(shí)刻，A和B的時(shí)間偏移為Δ，因?yàn)門1到T4兩個(gè)報(bào)文發(fā)送的時(shí)間非常短，我們可以認(rèn)為Δ沒有變化，假設(shè)報(bào)文的傳輸延遲都是相同且對(duì)稱的，均為d，那么有 T2=T1+Δ+dT4=T3?Δ+d，這兩個(gè)方程聯(lián)立可解得： Δ=[(T2－T1)－(T4－T3)]/2，d=[(T2－T1)+(T4－T3)]/2 在T4時(shí)刻，節(jié)點(diǎn)A在本地時(shí)間上面加上一個(gè)偏移量Δ，A和B就達(dá)到了同步。從雙向同步協(xié)議的同步過程中可以看出，在TPSN協(xié)議中，當(dāng)雙向報(bào)文的傳輸完全對(duì)稱時(shí)其精確度最高，即同步誤差最小。另外TPSN的同步誤差與雙向報(bào)文的傳輸延遲有關(guān)，延遲越短，同步誤差越小。

第三篇：基于WSN的智能交通燈控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)概要

收稿日期:2009-06-16 作者簡介:田豐(1958—,男,遼寧沈陽人,工學(xué)博士,教授,碩士生導(dǎo)師,主要研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)測控技術(shù)、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)等;杜富瑞(1981—,男,山東濱州人,碩士研究生,主要研究方向?yàn)闊o線傳感器網(wǎng)絡(luò)和嵌入式系統(tǒng)。

基于W S N 的智能交通燈控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 田 豐,杜富瑞

(沈陽航空工業(yè)學(xué)院計(jì)算機(jī)檢測與控制研究室,遼寧沈陽 110136 摘要:針對(duì)多路口的交通信號(hào)燈控制問題,提出了基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的兩級(jí)組織結(jié)構(gòu),搭建了交通信

號(hào)燈控制平臺(tái)。利用傳感器節(jié)點(diǎn)收集的交通信息,結(jié)合模糊控制方法,實(shí)現(xiàn)了交通信號(hào)燈的無線智能控制。仿真結(jié)果表明,該控制器是有效的,其控制效果優(yōu)于傳統(tǒng)的控制方法。關(guān)鍵詞:無線傳感器網(wǎng)絡(luò);交通信號(hào)燈控制;模糊方法;魯棒性

中圖分類號(hào):TP273+.5;TP18

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1000-8829(200912-0056-04 D esi gn of I n telli gen t Traff i c L i ght Con trol System Ba sed on W SN TI A N Feng,DU Fu 2rui(Computer Detecti on and Contr ol Laborat ory,Shenyang I nstitute of Aer onautical Engineering,Shenyang 110136,China Abstract:For multi 2juncti on traffic signal contr ol syste m ,t w o 2tier organizati onal structure based on wireless sens or net w orks(W S N is p r oposed,and a p latfor m f or traffic signal contr ol syste m with W S N is built.By using the collected inf or mati on about traffic and fuzzy contr ol method,the goal of intelligent contr ol for the traffic

lights is realized.The si m ulati on shows that the contr oller is realizable and better than the traditi onal contr ol methods.Key words:wireless sens or net w orks;traffic signal light contr ol;fuzzy method;r obustness

交通燈控制系統(tǒng)是一個(gè)典型的復(fù)雜大系統(tǒng),具有時(shí)變、非線性、不易確定數(shù)學(xué)模型的特點(diǎn)?，F(xiàn)有交通燈控制系統(tǒng)主要分為兩類:定時(shí)控制和感應(yīng)式控制。定時(shí)控制不能適應(yīng)車流的動(dòng)態(tài)變化,只適用于路面車流量較少的情況;感應(yīng)式控制易受外界干擾,且在安裝過程中,容易造成對(duì)道路的損壞。此外,這兩種控制方式都只能單獨(dú)地控制某一點(diǎn),并不能實(shí)時(shí)、多點(diǎn)、聯(lián)測、聯(lián)動(dòng)的控制。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(W S N,wireless sens or net w orks 作為一種新興的測控網(wǎng)絡(luò)技術(shù),融合了短程無線通信技術(shù)、微電子技術(shù)、嵌入式技術(shù)等?；赪 S N 的交通燈控制系統(tǒng)具有控制精度高、響應(yīng)速度快的優(yōu)點(diǎn)。

模糊控制不需要建立精確的數(shù)學(xué)模型,它把人的感官認(rèn)識(shí)和好的控制策略聯(lián)系起來,具有很強(qiáng)的魯棒性。

將模糊控制與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合,以W S N 傳 感器節(jié)點(diǎn)收集的路面信息為輸入,經(jīng)模糊控制器處理, 得到作為輸出的控制策略,對(duì)交通燈系統(tǒng)實(shí)施控制,可以實(shí)現(xiàn)交通燈控制系統(tǒng)的智能化、網(wǎng)絡(luò)化。以下首先針對(duì)多路口交通燈控制系統(tǒng),提出了兩級(jí)W S N 組織結(jié)構(gòu),搭建了基于W S N 的交通信息收集和控制平臺(tái);然后介紹了多路口交通燈智能控制算法的設(shè)計(jì),以及模糊控制器的設(shè)計(jì);最后,進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)。W S N 交通燈控制平臺(tái)

在多路口交通信號(hào)燈控制系統(tǒng)中,信號(hào)燈的周期、綠信比和相位差是控制向量;到達(dá)交叉路口的車輛數(shù)和各交叉路口停車線前面排隊(duì)的車輛數(shù)是狀態(tài)向量。詳細(xì)分

析表明,同時(shí)考慮信號(hào)燈的周期、綠信比和相位差的優(yōu)化,將增大計(jì)算量,使問題的求解過程變得十分

復(fù)雜[1]。針對(duì)多路口交通燈控制系統(tǒng),采用兩級(jí)W S N 組織結(jié)構(gòu)(見圖1,第1級(jí)為控制級(jí),負(fù)責(zé)調(diào)整各交叉路口的綠信比;第2級(jí)為協(xié)調(diào)級(jí),負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)干線各路口周期的確定和各路口之間的相位差。

圖2為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)交通燈控制系統(tǒng)模型圖。路口的交通燈控制節(jié)點(diǎn)A1及其相鄰路段內(nèi)的路面檢測節(jié)點(diǎn)B i(i =1,2,3,4,5和車載節(jié)點(diǎn)C j(j =1,2,3,4

圖1 兩級(jí)交通燈控制模型組成控制級(jí)。這些傳感器器節(jié)點(diǎn)自組織成簇:交通燈控制節(jié)點(diǎn)作為簇首,路面檢測節(jié)點(diǎn)和車載節(jié)點(diǎn)作為簇成員。簇首A1負(fù)責(zé)收集簇內(nèi)路面檢測節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù),進(jìn)行數(shù)據(jù)融合,并與相鄰簇首節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信;簇成員節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)路

面信息的收集。從簇首節(jié)點(diǎn)中,選取一個(gè)節(jié)點(diǎn)作為協(xié)調(diào)級(jí),稱此節(jié)點(diǎn)為匯聚節(jié)點(diǎn)。匯聚節(jié)點(diǎn)以多跳的方式與各簇首節(jié)點(diǎn)通信,收集各路口車流量信息 , 圖2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)交通燈控制系統(tǒng)模型 進(jìn)行智能處理,協(xié)調(diào)各路口工作。

針對(duì)交通控制系統(tǒng)中信息采集、策略制定、輸出執(zhí) 行的實(shí)際需求,引入3類W S N節(jié)點(diǎn):信息收集節(jié)點(diǎn)、匯 聚節(jié)點(diǎn)和交通燈控制節(jié)點(diǎn)。傳感器節(jié)點(diǎn)是構(gòu)成W S N 的基本要素,具有采集環(huán)境信息、信息處理和無線通信 功能,它們既是數(shù)據(jù)包傳輸?shù)陌l(fā)起者,也是數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)

發(fā)者[1]。信息收集節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)路面車輛信息的收集,如 車速、交通流量比等,將此數(shù)據(jù)信息傳遞給交通燈控制 節(jié)點(diǎn),經(jīng)數(shù)據(jù)融合后傳遞給匯聚節(jié)點(diǎn);匯聚節(jié)點(diǎn)根據(jù)設(shè) 定的目標(biāo)(如通行量最大、平均候車時(shí)間最短等運(yùn)用 智能控制方法計(jì)算出最佳方案,并輸出給各路口交通 燈控制節(jié)點(diǎn),控制車輛的通行與禁止,實(shí)現(xiàn)多路口的協(xié) 調(diào)控制。

信息收集節(jié)點(diǎn)由路面檢測節(jié)點(diǎn)和車載節(jié)點(diǎn)兩部分 構(gòu)成。路面檢測節(jié)點(diǎn)用于收集其檢測范圍內(nèi)的車輛信 息,它按照一定的距離(一般為50~200m安裝在道 路兩側(cè)的路燈上;車載節(jié)點(diǎn)被安裝在每一輛汽車上,用 于收集車輛本身的數(shù)據(jù)信息(速度和坐標(biāo),并將該信 息發(fā)送給路面檢測節(jié)點(diǎn)。路面檢測節(jié)點(diǎn)按照一定周期 不斷地廣播消息,消息里面包含本身的I D和自己的坐 標(biāo)信息。處于監(jiān)聽狀態(tài)的車載節(jié)點(diǎn)接收檢測節(jié)點(diǎn)發(fā)送 的消息。根據(jù)無線定位知識(shí)[2],車載節(jié)點(diǎn)只需收到3 個(gè)以上節(jié)點(diǎn)發(fā)送的消息,就可以計(jì)算出自己的坐標(biāo)與 車速,并將坐標(biāo)與速度消息傳遞給附近的路面檢測節(jié) 點(diǎn)。路面檢測節(jié)點(diǎn)在收到該消息后,計(jì)算出路面行駛 的車輛數(shù)、車輛所在車道和車輛與路口的距離,以多跳 通信的方式傳遞給路口的交通燈控制節(jié)點(diǎn)。由車速和 距離,交通燈控制節(jié)點(diǎn)就可以判斷出車輛狀態(tài):①它 已經(jīng)到達(dá)路口;②在路口信號(hào)燈換相之前到達(dá)路口;③ 不能按時(shí)到達(dá)路口。這樣,可以方便地統(tǒng)計(jì)出干線路 口間行駛的車輛數(shù)QN以及各路口紅燈方向排隊(duì)車輛 數(shù)QR。多路口交通燈控制算法設(shè)計(jì)

文獻(xiàn)[3,4]中指出,在交通控制系統(tǒng)中,各路口協(xié) 調(diào)周期,不能變換太頻繁,否則,方案變換引起的交通 延誤所帶來的損失會(huì)大于新方案所帶來的效益。設(shè)定 循環(huán)變量n=6,以6個(gè)周期為一個(gè)時(shí)間段,在此時(shí)間 段內(nèi),保持控制參數(shù)不變。2.1 算法設(shè)計(jì)

步驟1:匯聚節(jié)點(diǎn)根據(jù)以往的交通流量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì) 出干線上各交叉口間的相位差ω i(i=1,2,3,…,n、統(tǒng)一使用的周期T、各個(gè)交叉口的綠信比,將此信息發(fā)

送給各路口簇首節(jié)點(diǎn),并初始化循環(huán)變量n=0。步驟2:各交叉口簇首節(jié)點(diǎn)在給定的周期T下,依 據(jù)相位差ω i 依次開啟干線各路口綠燈信號(hào)。在周期

時(shí)間末,簇首節(jié)點(diǎn)將周期內(nèi)由W S N檢測得到的路口間 行駛的車輛數(shù)QN和路口紅燈方向排隊(duì)車輛數(shù)QR送 給匯聚節(jié)點(diǎn)。匯聚節(jié)點(diǎn)用模糊控制規(guī)則以周期時(shí)間長 度為單位,調(diào)整路口之間相位差。

步驟3:令m=m+T,檢驗(yàn)m>6T是否成立。若 成立,則到下一步;反之,則回到步驟2。步驟4:匯聚節(jié)點(diǎn)根據(jù)各路口簇首節(jié)點(diǎn)傳遞過來 的各路口間的交通流量和各交叉口的綠信比,預(yù)估下 一階段的干線道路上各個(gè)交通流量比,計(jì)算下一階段 的周期值?；氐讲襟E2。2.2 各控制參數(shù)的具體實(shí)現(xiàn) 2.2.1 周期的確定

在交通信號(hào)控制系統(tǒng)中,為使各交叉口的交通信 號(hào)取得協(xié)調(diào),各個(gè)交叉口的周期需要統(tǒng)一。方法是先

根據(jù)單個(gè)交叉口的配時(shí)方式,計(jì)算出各交叉口的周期, 然后從中選取最大周期,作為系統(tǒng)協(xié)調(diào)周期。周期確 定步驟如下: ①在給定時(shí)間段內(nèi),根據(jù)公式計(jì)算出路口j的第 m周期的交通流量比R j m;其計(jì)算公式為 R j m=∑n j=1 q j m i s j m i(1 式中,q j m i 為第j路口第m周期的第i相位車道的交通 量;s j m i 為飽和流量;n為相位個(gè)數(shù)。

②求出所有路口的交通流量比的最大值R j m MAX

R j m MAX =MAX{R j m ,j=1,2,3,…}(2

根據(jù)韋伯斯特最佳周期公式 C0= 1.5L+5 1-R j m MAX(3 計(jì)算出第m周期的最佳周期。式中,L為相位損失時(shí)間(車輛起制動(dòng)、行人、自行車干擾,可由協(xié)調(diào)級(jí)模糊控制器的輸出得到。

③在本段時(shí)間結(jié)束時(shí)刻,計(jì)算所有周期時(shí)間內(nèi)周期的最大值為 C MAX=MAX{C m,m=1,2,3}(4 將此周期值作為下一個(gè)階段信號(hào)控制的統(tǒng)一值送入?yún)f(xié)調(diào)單元保存起來,作為下一階段內(nèi)的周期。

2.2.2 相位差的確定

相位差是控制交叉路口間交通流的重要參數(shù),設(shè)定一個(gè)好的相位差可以顯著地降低車流的等待時(shí)間,實(shí)現(xiàn)車輛通行的“綠波帶”效應(yīng)。相位差計(jì)算公式為

ω=T

+L(5 式中,T 為本路口到下游路口的行駛時(shí)間,由無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)檢測得到;而損失時(shí)間L由協(xié)調(diào)級(jí)模糊控制器輸出得到。模糊控制器的設(shè)計(jì)

相位損失時(shí)間L與路口間車輛數(shù)目QN和路口的紅燈方向停車線前面車輛排隊(duì)長度QR有很大關(guān)系。路口間車輛數(shù)目多,紅燈方向排隊(duì)長度QR長,則車輛啟制動(dòng)所耗費(fèi)時(shí)間就越多,相應(yīng)的相位損失時(shí)間L越大;反之,則越少。

設(shè)計(jì)步驟如下:(1輸入輸出變量的確定及量化。

輸入變量:本路口到下一路口的車輛數(shù)QN,路口紅燈方向在停車線前排隊(duì)車輛數(shù)QR。QN的論域?yàn)閧0,1,2,3,4,5,6,7,8},變化范圍為0~85,量化因子k1=8÷85=0.09,語言變量為{Z B,Z M,ZS,Z,PS};QR 的論域?yàn)閧0,1,2,3,4,5,6,7,8},變化范圍為0~48, 量化因子k 2 =8÷48=0.17,語言變量為{NB,Z}。

輸出變量:路口相位損失時(shí)間為L。L的論域?yàn)閧0,1,2,3,4,5,6,7,8},變化范圍為0~60,比例因子k3=60÷8=7.5,語言變量為{NB,NS,Z,PS,P B}。

(2確定輸入輸出變量的隸屬函數(shù)(見圖3。

(3確定模糊控制規(guī)則。

根據(jù)專家經(jīng)驗(yàn),建立模糊控制規(guī)則表。表1中建立了10條控制規(guī)則。表1 模糊控制規(guī)則表 QR QN NB NM NS Z PS NB NB NS Z PS PS Z NB NS Z PS P B

(4解模糊。

解模糊的常用方法有以下幾種:最大隸屬度法、中位數(shù)法、加權(quán)平均法。由于加權(quán)平均法比中位數(shù)法的計(jì)算量要小,比最大隸屬度法控制性能優(yōu)越,因此,在本設(shè)計(jì)中選用加權(quán)平均法進(jìn)行解模糊運(yùn)算,得到精確控制量。其計(jì)算公式為

L = ∑n j =1 u j(e j e j ∑n j =1 u j(6 式中,e j(j =1,2,...,9為論域值;u j(e j(j =1,2,(9 為對(duì)應(yīng)于e j 的隸屬度。

根據(jù)公式(5,計(jì)算出路口間的相位差ω,對(duì)路口間的交通車流進(jìn)行協(xié)調(diào)控制。4 仿真實(shí)驗(yàn)

設(shè)一條道路有3個(gè)路口組成,三路口間距離均為600m。其中，南北為次干道。每個(gè)路口的有4個(gè)交通流相位:東西直行,東西左轉(zhuǎn),南北直行,南北左轉(zhuǎn),如圖4所示。路口車輛的到達(dá)服從泊松分布,車輛的離開服從負(fù)指數(shù)分布。干線飽和流量為3000輛/h,支線飽和交通流量為2000輛/h,左轉(zhuǎn)、直行、右轉(zhuǎn)車流比例為1∶2∶1。

圖4 主干道三交叉路口示意圖利用MAT LAB 6.5編寫仿真程序,將基于W S N 的兩級(jí)模糊控制算法,分別在400、600、1200、1400、2000、2300輛/h 6種不同的車流量情況下進(jìn)行仿真,統(tǒng)計(jì)相應(yīng)的車輛平均延誤時(shí)間。為了作比較,在完全相同的條件下,對(duì)定時(shí)控制也進(jìn)行了仿真,結(jié)果如表2所示。

表2 模糊控制與定時(shí)控制比較 車流量/輛?h-1 兩級(jí)模糊控制 定時(shí)控制

提高程度/% 40025.126.5 5.260026.428.67.7120029.138.223.8140031.540.622.4200034.751.232.22300 36.7 56.6 35.2

由仿真結(jié)果可以看出,在車流量不大時(shí),兩種控制

方式的效果差異不大。但隨著車流量的增大,模糊控制的優(yōu)勢是十分明顯的。5 結(jié)束語

以上將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)引入到交通信號(hào)燈的控制

中來,搭建了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)交通信號(hào)燈控制平臺(tái),提出了針對(duì)多路口交通燈控制的兩級(jí)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)組織結(jié)構(gòu)。利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的低功耗、自組織、分布式計(jì)算的特點(diǎn),實(shí)現(xiàn)快速精確的車輛信息收集,提高了系統(tǒng)的響應(yīng)速度和控制效果,具有較強(qiáng)的實(shí)時(shí)性和魯棒性。同時(shí),結(jié)合模糊控制理論,設(shè)計(jì)了干線信號(hào)燈控制算法,實(shí)現(xiàn)了交通信號(hào)燈的無線智能控制。參考文獻(xiàn): [1] 徐建閩.交通管理與控制[M ].北京:人民交通出版社, 2007211.[2] Akyildiz I F,Su W ,Sankarasubra mania m Y,et al.A survey on sens or net w orks[J ].Communicati ons Magazine,2002,40(8:102-114.[3] W ann C D,L in M H.Data fusi on methods f or accuracy i m 2

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N I 推出LabV I E W 圖形化軟件教育版, 全力支持動(dòng)手學(xué)習(xí)課程

2009年11月,美國國家儀器有限公司(簡稱N I 推出 LabV I E W 軟件教育版,它是LabV I E W 圖形化編程軟件面向

高校的新產(chǎn)品。該版本軟件的初衷是為了幫助教師實(shí)現(xiàn)基于科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)(STE M 學(xué)科項(xiàng)目的動(dòng)手學(xué)習(xí)。

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N I 和塔夫茨大學(xué)CEEO 總裁和控制與機(jī)械電子教授Chris Rogers 博士共同合作,開發(fā)了該教育版軟件,它可以有效幫

助高校教師使用工業(yè)、學(xué)術(shù)界工程師和科學(xué)家使用圖形化系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù),進(jìn)而為工科學(xué)生提供動(dòng)手實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

LabV I E W 教育版軟件可以幫助教師實(shí)現(xiàn)基于項(xiàng)目的動(dòng)

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地將機(jī)器人、測量和數(shù)據(jù)采集整合到課程中。軟件的圖形化拖放模式幫助學(xué)生學(xué)習(xí)主要的編程概念,并在獲取專業(yè)世界中所使用的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)的同時(shí),提高分析能力。新版本還包含可以在教室中使用的工具,包括數(shù)據(jù)查看器,能夠圖形化地顯示傳感器數(shù)據(jù),虛擬示波器,以及其他讓學(xué)生能夠獲得多種電子和機(jī)器工程技巧動(dòng)手經(jīng)驗(yàn)的虛擬儀器。此外,LabV IE W 教育版包括支持課程和教師活動(dòng),能夠直接在

National Instruments、Vernier 軟件與技術(shù)和LEG O 教學(xué)中使 用。□

第四篇：復(fù)習(xí)總結(jié)

第一部分：

1.按傳輸模式來分，光纜主要有哪二種，應(yīng)用范圍等知識(shí)點(diǎn)應(yīng)掌握。

P29-30：光纜按傳輸模式分為單模光纜和多模光纜兩種

2.知識(shí)點(diǎn)：配線子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟

P63-64

答：配線子系統(tǒng)又稱工作區(qū)子系統(tǒng)，由工作區(qū)用的信息插座、信息插座到樓層配線設(shè)備的配線電纜或光纜、樓層配線設(shè)備和跳線等組成，一般采用星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。進(jìn)行配線了系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要確定信息插座的類型和規(guī)格，計(jì)算所需的信息模塊、信息插座的數(shù)量；確定線纜路由；計(jì)算線纜用量；確定線槽、管的類型、規(guī)格、數(shù)量，以及敷設(shè)線纜所需的其他部件（如吊桿、托架等）的數(shù)量；確定樓層配線設(shè)備的類型、規(guī)格和數(shù)量，進(jìn)行樓層配線設(shè)備設(shè)計(jì)。

第二部分：

1． P63知識(shí)點(diǎn)“水平子系統(tǒng)的布線距離的計(jì)算”

已知某一樓宇共有6層，每層信息點(diǎn)數(shù)為20個(gè)，每個(gè)樓層的最遠(yuǎn)信息插座離樓層管理間的距離均為60m，每個(gè)樓層的最近信息插座離樓層管理間的距離均為10m，請(qǐng)估算出整座樓宇的用線量。

2．P67 知識(shí)點(diǎn)“工作區(qū)子系統(tǒng)工程造價(jià)概算”，結(jié)合表5-3，概算出工作區(qū)子系統(tǒng)的造價(jià)

第五篇：WSN的低功耗濕地土壤監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)論文

摘要：針對(duì)扎龍自然保護(hù)區(qū)的土壤環(huán)境監(jiān)測需求，采用ＣＣ２５３０ＰＡ模塊設(shè)計(jì)終端節(jié)點(diǎn)，基于Ｚ－Ｓｔａｃｋ?yún)f(xié)議棧搭建自組織傳感網(wǎng)絡(luò)，傳感器選取土壤濕度傳感器、溫度傳感器以及雨滴傳感器，組建低功耗濕地土壤監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)結(jié)合低功耗路由協(xié)議和實(shí)際環(huán)境監(jiān)測需求提出采集發(fā)送端低功耗節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的改進(jìn)算法，有效地減少節(jié)點(diǎn)的功耗、傳輸延遲和丟包率，從而延長整個(gè)網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間。

關(guān)鍵詞：自組織網(wǎng)絡(luò)；無線傳感網(wǎng)絡(luò)；ＣＣ２５３０；低功耗

０引言

扎龍自然保護(hù)區(qū)是同緯度地區(qū)最原始、物種最豐富的濕地自然綜合體。濕地內(nèi)有大面積的沼澤和草甸，葦叢茂密、魚蝦眾多，是水禽理想的棲息地。近年來由于人類活動(dòng)的增多，對(duì)其環(huán)境有不同程度的破壞和污染。土壤參數(shù)作為生態(tài)環(huán)境的重要的指標(biāo)之一［１］，可預(yù)警環(huán)境的前期污染，因此擬采用現(xiàn)代化的監(jiān)測方法，針對(duì)扎龍濕地的重點(diǎn)區(qū)域?qū)崿F(xiàn)土壤參數(shù)的監(jiān)測。無線傳感技術(shù)對(duì)比傳統(tǒng)土壤監(jiān)測手段具有低功耗、體積小、自組網(wǎng)等優(yōu)勢，是現(xiàn)代化監(jiān)測土壤環(huán)境的最佳手段［２］。本文將無線傳感網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)應(yīng)用于扎龍自然保護(hù)區(qū)的土壤監(jiān)測中，并采用低功耗的路由算法［３－５］搭建高效且節(jié)能的傳感網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測平臺(tái)。

１體系結(jié)構(gòu)及工作原理

土壤環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)由終端采集節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)、協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和上位機(jī)軟件組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖１所示。終端采集和路由節(jié)點(diǎn)采用ＣＣ２５３０Ｆ２５６組成控制器、ＣＣ２５９１（ＰＡ）功率放大器組成收發(fā)器，結(jié)合土壤濕度、溫度和雨滴檢測傳感設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集、處理、存儲(chǔ)，最終協(xié)調(diào)器通過串口ＲＳ４８５上傳至ＰＣ上位機(jī)終端。數(shù)據(jù)的解析、存儲(chǔ)和曲線繪制等均在上位機(jī)終端上完成。上位機(jī)設(shè)計(jì)采用Ｌａｂｖｉｅｗ實(shí)現(xiàn)對(duì)無線傳感網(wǎng)絡(luò)的控制及數(shù)據(jù)接收。

２系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

結(jié)合扎龍濕地土壤環(huán)境監(jiān)測要求和傳感器功耗、成本、測量范圍及精度考慮，選取了土壤濕度傳感器ＹＬ—６９、溫度傳感器１８Ｂ２０以及雨滴傳感器。系統(tǒng)基于ＣＣ２５３０ＰＡ模塊（尺寸３．６ｃｍ×２．７ｃｍ；標(biāo)準(zhǔn)ＳＭＡ天線接口（２．４Ｇ天線）；ＰＡ使用ＣＣ２５９１，全官方設(shè)計(jì)，完全兼容最新版協(xié)議棧，支持睡眠；可靠距離＞８００ｍ，自動(dòng)重連距離達(dá)＞６００ｍ）。因此在４００ｍ區(qū)域內(nèi)只需一個(gè)傳感節(jié)點(diǎn)即可滿足監(jiān)測要求。終端節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)采集監(jiān)控區(qū)域的土壤環(huán)境信息和模數(shù)轉(zhuǎn)換。系統(tǒng)硬件功能如圖２所示，主要由ＭＣＵ、傳感采集模塊、Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換、信號(hào)調(diào)理電路、無線通信模塊和電源模塊等組成。綜合考慮功耗、測量范圍、測量精度和成本等問題，最終選擇土壤濕度、溫度和雨滴傳感器，電源模塊在采集節(jié)點(diǎn)和路由節(jié)點(diǎn)上使用鋰電池，協(xié)調(diào)器則使用交流電源供電。

３低功耗節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

由于終端采集節(jié)點(diǎn)采用鋰電池供電，隨著電量的消耗殆盡節(jié)點(diǎn)也會(huì)隨之失效，直接影響和決定著整個(gè)監(jiān)測系統(tǒng)的生存時(shí)間。因此節(jié)點(diǎn)的低功耗路由算法顯得至關(guān)重要。

３．１基于離散組包傳輸?shù)能浖O(shè)計(jì)

節(jié)點(diǎn)的低功耗設(shè)計(jì)已經(jīng)得到廣泛認(rèn)可，本系統(tǒng)結(jié)合低功耗路由協(xié)議和扎龍濕地實(shí)際土壤環(huán)境監(jiān)測要求提出了采集發(fā)送端低功耗節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的改進(jìn)算法。在實(shí)際監(jiān)測中，考慮到采集的一個(gè)或多個(gè)環(huán)境參數(shù)的變化可能是土壤環(huán)境受到污染的可能性增加，所以需要對(duì)這些數(shù)據(jù)組包發(fā)送。本文結(jié)合低功耗路由算法和需要采集的參數(shù)提出了離散組包傳輸設(shè)計(jì)來降低采集節(jié)點(diǎn)端的能耗。由于環(huán)境的采集對(duì)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性要求不高，并且采集數(shù)據(jù)變化緩慢，此方法可以有效的減少數(shù)據(jù)的冗余，從而降低能耗。

３．２基于離散組包傳輸?shù)能浖O(shè)計(jì)

傳感器節(jié)點(diǎn)集成有土壤溫度、土壤濕度和雨滴傳感器，且節(jié)點(diǎn)同時(shí)采集３個(gè)參數(shù)。由于環(huán)境參數(shù)的變化緩慢，所以測量值的波動(dòng)變化比較平緩，因此如果周期地上傳監(jiān)測數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)產(chǎn)生大量冗余，消耗了大量的節(jié)點(diǎn)能量。為了改善節(jié)點(diǎn)能量的浪費(fèi)，本文提出了設(shè)置閾值觸發(fā)節(jié)點(diǎn)機(jī)制，從而有效延長的節(jié)點(diǎn)的生命周期。假設(shè)當(dāng)前已測得環(huán)境變量ｉ（ｉ＝１，２，３，…，ｎ）值為Ｄｉ（ｔ＋１），上一次所測該環(huán)境變量值為Ｄｉ（ｔ），測量周期為Ｔ，εｉ為預(yù)設(shè)閾值，當(dāng)｜Ｄｉ（ｔ＋１）－Ｄｉ（ｔ）｜＞εｉ時(shí)，即測得某種環(huán)境變量的變化超過預(yù)設(shè)閾值εｉ時(shí)，將測得該環(huán)境變量值Ｄｉ（ｔ＋１）加入發(fā)送幀載荷中。當(dāng)遍歷ｎ個(gè)傳感器，將滿足條件的環(huán)境變量測量值動(dòng)態(tài)組合加入幀載荷，遍歷結(jié)束后節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)幀。假如所有環(huán)境變量測量值未滿足條件，沒有數(shù)據(jù)加入發(fā)送幀載荷，節(jié)點(diǎn)則不觸發(fā)射頻模塊，不發(fā)送數(shù)據(jù)。即根據(jù)環(huán)境變化以緊湊的方式自適應(yīng)發(fā)送變化量較大的值。其中，εｉ值和采樣間隔Ｔ可根據(jù)具體情況進(jìn)行設(shè)置。

３．３節(jié)點(diǎn)工作流程

節(jié)點(diǎn)工作流程圖如圖４所示。步驟１協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)建立網(wǎng)絡(luò)，完成各節(jié)點(diǎn)的初始化。步驟２終端節(jié)點(diǎn)采集濕度、溫度和雨滴信息。步驟３判定環(huán)境變量是否超過環(huán)境閾值εｉ，如果是，則將將測量值Ｄｉ（ｔ＋１）送入發(fā)送幀載荷；否則重新等待數(shù)據(jù)判定。步驟４判定是否遍歷所有傳感器，如果是，則傳輸動(dòng)態(tài)組合數(shù)據(jù)幀；如果否，則繼續(xù)執(zhí)行步驟。

４測試結(jié)果與分析

測試地點(diǎn)選取扎龍自然保護(hù)區(qū)，測區(qū)長１２００ｍ、寬４００ｍ，布置６個(gè)傳感節(jié)點(diǎn)、２個(gè)路由節(jié)點(diǎn)和１個(gè)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)采用鋰電池供電，節(jié)點(diǎn)部署圖如圖５所示。同時(shí)采用標(biāo)準(zhǔn)測試儀與采集結(jié)果進(jìn)行對(duì)比測試，并且對(duì)比采用低功耗傳感節(jié)點(diǎn)和周期性采集節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分析。

４．１節(jié)點(diǎn)功耗測試

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的功耗直接影響著整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的生存時(shí)間。節(jié)點(diǎn)的射頻消耗的能量占節(jié)點(diǎn)消耗的大部分能量，因此在相同時(shí)間下，發(fā)送的數(shù)據(jù)幀總長度與節(jié)點(diǎn)能耗成正比例關(guān)系。分析時(shí)間設(shè)定為２０１４年６月２６日至２０１４年７月２５日為期３０天的監(jiān)測數(shù)據(jù)為參考，對(duì)比低功耗節(jié)點(diǎn)與周期發(fā)送節(jié)點(diǎn)的發(fā)生數(shù)據(jù)幀總長度，每１２ｈ統(tǒng)計(jì)一次，測試結(jié)果如圖６所示。對(duì)比測試數(shù)據(jù)顯示采用離散組包算法的低功耗節(jié)點(diǎn)和周期傳輸節(jié)點(diǎn)（２ｍｉｎ）減少了５９．４％的功耗，節(jié)能效果明顯，適合長期監(jiān)測。

４．２網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性測試

定時(shí)發(fā)送１５０００個(gè)數(shù)據(jù)包，重復(fù)試驗(yàn)２０次，統(tǒng)計(jì)周期傳輸與低功耗節(jié)點(diǎn)的丟包率。圖７、圖８分別為丟包率測試和數(shù)據(jù)包延遲對(duì)比。對(duì)比圖７、圖８顯示的性能曲線，分析計(jì)算出低功耗節(jié)點(diǎn)的平均丟包率為０．９５％，周期傳輸節(jié)點(diǎn)的丟包率為２．８％。比較得出低功耗節(jié)點(diǎn)傳輸丟包率低，數(shù)據(jù)包延長小且更加穩(wěn)定，離散組包傳輸大大減少了數(shù)據(jù)量的冗余。本文提出的算法能夠明顯降低傳感節(jié)點(diǎn)的功耗、減少數(shù)據(jù)包的時(shí)延和延長整個(gè)無線傳感網(wǎng)絡(luò)的工作時(shí)間。

４．３監(jiān)測數(shù)據(jù)精度測試

測試從２０１４年６月２６日８時(shí)至２０１４年６月２７日８時(shí)為期２天的監(jiān)測數(shù)據(jù)為參考，采集數(shù)據(jù)有土壤濕度和溫度２種。測試儀的數(shù)據(jù)輸出為連續(xù)曲線，周期傳感節(jié)點(diǎn)以２ｍｉｎ為周期采集數(shù)據(jù)，低功耗節(jié)點(diǎn)采用自適應(yīng)離散組包傳輸。圖９、圖１０為土壤溫度和濕度采集數(shù)據(jù)對(duì)比。由圖９、圖１０可見，理論測試和實(shí)際測試數(shù)據(jù)基本吻合。５結(jié)論與討論本文通過對(duì)傳統(tǒng)無線傳感網(wǎng)絡(luò)分析，提出了基于離散分組傳輸?shù)墓?jié)點(diǎn)低功耗算法。通過實(shí)踐測試和分析可知，低功耗算法有效地減少了節(jié)點(diǎn)功耗、提高傳輸數(shù)據(jù)效率并且降低了數(shù)據(jù)的冗余量，進(jìn)而延長了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)上生存時(shí)間，為建立長期監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)提供了可行性和便利性。

參考文獻(xiàn)

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［2］王麗娟，劉玉珍．無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)低功耗算法改進(jìn)［Ｊ］．微計(jì)算機(jī)信息，２０１０，（１９）：１１１～１１２，５１