⑴ 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，設計了以高蘆此空檔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扒汪元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，因此可認定陪瞎它能適用礦下環境。
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。
⑵ 低功耗無線感測節點設計論文
S-MAC協議
S-MAC(Sensor-MAC)協議是較早的針對WSN的一種MAC協議，他是在802.11MAC的基礎上，採用下面介紹的多種機制來減少了節點能量的消耗。固定周期性的偵聽和睡眠：為了減少能量的消耗，感測器節點要盡量處於低功耗的睡眠狀態。S-MAC協議採用了低占空比的周期性睡眠／偵聽。為了使得S-MAC協議具有良好的擴展性，在覆蓋網路中形成眾多不同的虛擬簇。
消息傳遞技術：對於無線信道，傳輸差錯與包長度成正比，短包成功傳輸的概率要大於長包。在S-MAC協議中消息傳遞技術將長消息分成若干短包，滑纖利用RTS／CTS握手機制，一次性發送整個長消息，這樣既提高發送成功率，有減少了控制消息。流量自適應偵聽機制：感測器節點在與鄰居節點通信結束後並不立即進入睡眠狀態，而保持偵聽一段時間，採用流量自適應偵聽機制，減少了網路中的傳輸延遲。
S-MAC協議與IEEE802.11 MAC相比，在節能方面有了很大的改善。但睡眠機制的引入，使得網路的傳輸延遲增加，吞吐量下降。針對S-MAC協議存在的不足，研究人員對其進行了改進，提出了一種帶有自適應睡眠的S-MAC協議。
3.3.2 LMAC協議
LMAC協議使用時分多址 (TDMA)機制,時間被分成若干個時隙, 節點在傳送數據時不需要競爭信道，可以避免傳輸碰撞造成的能量損耗。節點只能指派一個控制時隙，在時隙期間,節點總是會傳送一條信息，此信息包含兩部分：控制信息和數據單元。由於一個時隙只能被一個節點控制, 所以節點可以無沖突的進行通訊。
3.3.3 T-MAC協議
T-MAC(Timeout-MAC)協議與自適應睡眠的S-MAC協議基本思想大體相同。數據傳輸仍然採用RTS／CTS／DATA／ACK的4次握手機制，不同的是在節點活動的時隙內插入了一個TA(Time Active)時隙，若TA時隙之間沒有任何時間發生，則活動結束進入睡眠狀態。TA的取值對於T-MAC協議性能至關重要，其約束條件為：TA=m(C+R+T)，m>1，其中C為競爭信道時間，R為發送RTS分組的時間，T為RTS分組結束到發出CTS分組開始的時間。在模擬的時候，一般選取m=1.5，即：TA=1.5×(C+R+T)。
T-MAC協議雖然能根據當前網路的動態變化，通過提前結束活動周期來減少空閑偵聽提高能效，但帶來了「早睡」問題。所謂早睡問題是指在多個感測器節點向一個或少數幾個匯聚節點發送數據時，由於節點在當前TA沒有收到激活事件，過早進入睡眠，沒有監測到接下來的數據包，導致網路延遲。為解決這個問題，提出了未來清除發送和滿緩沖區優先兩個方法。
基於競耐中爭的MAC協議通常很難提供實時性保證，而且由於沖突的存在，浪費了能量。基於競爭的協議在有些應用場合(比如主要考慮節能而不太關心時延的可預測性時)有較大的應用，基於競爭的協議需要解決的是提供一個實時性的統計上界。根據這類協議的分布式和隨機的補償特性，基於競爭的協議沒有確切的保證不同節點的數據包的優先順序。因此，有必要限制優先順序倒置的概率以建立統計上的端到端的時延保證。
3.3.4 Wise-MAC協議
Wise - MAC協議在非堅持CSMA協議的基礎上，採用前導碼采樣技術控制節點處於空閑偵聽狀態時的能量消耗。與S-MAC和T-MAC協議相比，節能效果非常顯著。
無線信道在傳輸過程中經常出現錯誤，所以需要鏈路層的確認昌讓山機制來恢復丟失的數據包。Wise-MAC協議的ACK數據幀不僅用來對接收到的數據包進行確認，還會通知其他鄰居節點到下一次采樣的剩餘時間。通過這種方式，每個節點不斷更新相鄰節點的采樣時間偏移表。利用這些信息，每個節點可以選擇恰當的時間，使用最小長度的喚醒前導碼向目的節點發送數據。
Wise-MAC協議可以很好地適應網路流量變化，他是和WISENET超級功耗SoC晶元結合設計的。Wise-MAC協議的采樣同步機制會帶來數據包沖突的問題，也會由於節點學要存儲相鄰節點的信道偵聽時間，會佔用寶貴的存儲空間，增加協議實現的復雜度，尤其是在節點密度較高的網路內這個問題尤為突出。
3.3.5 DMAC協議
數據採集樹是無線感測器網路的一種重要的通信模式，DMAC協議就是針對這種數據採集樹而提出的，目標是減少網路的能量消耗和減少數據的傳輸延遲。DMAC協議採用不同深度節點之間的接收發送／睡眠的交錯調度機制。將節點周期劃分為接收、發送和睡眠時隙，數據能沿著多跳路徑連續地從數據源節點傳送到匯聚節點，減少睡眠帶來的傳輸延遲。
3.3.6 Z-MAC協議
綜合CSMA和TDMA二者各自的優點，由RHEE 等在2005年提出了一種混合機制的Z-MAC協議。
Z-MAC將信道使用物化為時間幀的同時，使用CSMA作為基本機制，時隙的佔有者只是有數據發送的優先權，其他節點也可以在該時隙發送信息幀，當節點之間產生碰撞之後，時隙佔有者的回退時間短，從而真正獲得時隙的信道使用權。Z-MAC使用競爭狀態標示來轉換MAC機制，節點在ACK重復丟失和碰撞回退頻繁的情況下，將由低競爭狀態轉為高競爭狀態，由CSMA機制轉為TDMA機制。因而可以說，Z-MAC在較低網路負載下，類似CSMA，在網路進入高競爭的信道狀態之後，類似TDMA。
Z-MAC並不需要精確的時間同步，有著較好的信道利用率和網路擴展性。協議達到即時的適應網路負載的變化的同時，TDMA和CSMA機制的同步和互換會產生較大的能量耗損和網路延遲問題。
⑶ 無線接入網技術專業論文範文(2)
無線接入技術論文篇二
無線接入在網路融合中的應用
摘要：目前 ,全球電信運營商正面臨著 企業 轉型和 網路 融合(FMC),它使原本經渭分明的移動與固網的界限正在被一步步地“模糊化”,二者在多個層面的融合趨勢已勢不可擋。基於融合的思路來看未來的網路,無線接入技術多樣化的趨勢將越來越明顯,無線接入網作為承載業務,直接面向用戶的網路,是體現運營商的用戶覆蓋率和企業競爭力主要指標的關鍵之一,與核心網趨於融合的趨勢不同,接入網層面將有眾多技術百花齊放。如英國的“藍色電話”採用DECT數字無繩電話系統對移動和固網進行無縫連接。國內“靈通無繩電話”是利用目前的小靈通無線網路直接與固網相連。而正在試驗中的“家庭網路”是採用“藍牙技術”或Wi-Fi無線技術來進行內部各終端之間的互連。還有技術先進,功能強大的WiMAX無線寬頻技術 應用 於區域網和移動通信等領域。
無線接入是網路融合的橋梁和紐帶
“藍牙技術”,現在Bluetooth SIG(藍牙技術聯盟)對藍牙技術的定位是它可以廣泛地應用於個人網路設備,如手機、電腦以及汽車免提系統。由於藍牙技術目前專為個人網路應用而設,通過改進技術可以增加藍牙技術在其它全新領域的應用。例如 環境感測、家用電器遙控、家庭網路內部終端間的連接等。但是藍牙技術存在著許多的不足。如:一是它的傳輸距離僅在十公尺左右。二是藍牙晶元的價格仍不令人滿意。三是藍牙兼容性方面的一些 問題 。四是隨著各種近距離無線技術的出現,它們與藍牙技術就不可避免地要在一些應用領域存在重疊和競爭。更重要的是無線寬頻技術的出現,在超寬頻的技術優勢面前藍牙將會遭遇極大的挑戰。
Bluetooth SIG(藍牙技術聯盟)在其未來的3年 發展 藍圖中,已提出了一系列改進藍牙規范的 計劃,包括提升性能、增強安全性、優化耗電量及可用性,來藉以保有藍牙技術在個人通信技術領域的市場地位,並在新的市場領域確定其發展方向。具體計劃是2005年藍牙技術聯盟將測試並推出一項全新的藍牙規范。新規范提高了數據傳輸速率(是當前速率的3倍)提高了數據傳輸的安全性,並降低了功耗。這將大大改善藍牙用戶使用多個藍牙設備協同 工作以及傳輸大型數據文件時的體驗,同時還將延長移動設備的電池使用壽命。2006年藍牙技術聯盟將繼續致力於改進藍牙規范在可用性、安全性及性能等方面的表現,並採用多播(Mutti-cast)功能,允許用戶將同一信息同時傳送至多個裝置,改進性能將可使耗電量極低的藍牙傳送范圍擴大至100公尺。
Wi-Fi(Wireless Fidelity)是屬於無線區域網(WLAN)的一種,通常是指802.11b產品,它的主要特點是傳輸速率高,可靠性高,建網速度快\簡便、可移動性好、網路結構彈性化、組網靈活、組網成本較低等,具有良好的發展前景。Wi-Fi工作在2.4GHz頻段。最高速度達11mb/s,傳輸距離可達100公尺,在全封閉區域可達300公尺,是目前的主流WLAN技術。近年來Wi-Fi在市場上欣起一股熱潮,據預測,到2007年美國將安裝53萬個點,歐洲安裝70萬個點,亞洲也將安裝100多萬個點,Wi-Fi有著“無線版本乙太網”的美稱,由於目前的乙太網標准(IEEE802.3標准)幾乎已經成為區域網的代名詞,世界上至少有80%以上的區域網採用乙太網技術。而WLAN同樣為IEEE制定的標准,所以其幾乎可以視為乙太網標准在無線領域的延伸,這使WLAN在應用上具備無痕過渡和順利安裝的特點。
Wi-Fi的安裝和設置相當簡單,在某個區域要建立網路接入連接時,只需要在一定的范圍內設立相應的接入點就可以了。規劃、布線、測試等傳統工序可以被忽略,如在家裡引入Wi-Fi整個接入工序不到10分鍾。同時Wi-Fi的綜合成本非常低(預計為有線乙太網的50%左右)。Wi-Fi擁有許多優點,但是不可忽視的是它存在的安全隱患這個致命的缺點。Wi-Fi採用的是RF(射頻)技術,通過空氣發送和接收數據,所以非常容易受到來自外界的攻擊,甚至進入未受保護的公司內部區域網。
WiMAX全稱是微波存取全球互通(Worldwide Interoperability for Microwave Access),是一種類似於Wi-Fi的新型無線網路技術,它具有覆蓋范圍更廣、傳輸速率和可靠性(安全性)更高等優點。它所採用的IEEE 802.16標準是一種基於微波和毫米波頻段(2GHz～11GHz)的新的空中介面標準的技術,可以替代現有的有線和DSL連接方式,來提供最後一公里的無線寬頻接入。WiMAX將提供固定、移動、攜帶型的無線寬頻連接,現在WiMAX已經從本質上改變了最初的應用方向。增加了移動通信方面的服務。通過加入移動特性,一方面WiMAX可以像原來設想一樣,作為服務和提高電信運營商最後一公里接入的技術手段。同時還可以成為FMC(固定和移動網路融合)的主流接入技術。
WiMAX具有以下優點:一是WiMAX執行IEEE802.16a標准,較長的傳輸距離(50公里)和較大的無線覆蓋范圍(6-10公里),傳輸速率最快75Mbps。二是具有理想的非視距傳輸特性,因此能夠在不同的環境下獲得最佳的傳輸性能。三是集中了有線/無線接入的優點,並結合了Wi-Fi無線接入技術的移動性與靈活性。四是WiMAX還能夠通過將無線接入系統上升到無線接入網路,多中心站之間通過負荷分擔的方式大大增加了網路容量。五是基站建設方面,WiMAX不同於過去所採用的無線技術,需建高高的基站。從而可大大降低運營商的成本。六是目前正在制定中的IEEE 802.16e,面向移動終端,最大傳輸距離為3千米～5千米。當前,人們特別關注的是規范已確定的802.16-2004,它主要用於連接互聯網服務的接入線路,也就是替代使用電話線的ADSL等,將通信運營商與用戶連接起來。
接照WiMAX的商用計劃,預計到2006年802.16功能的筆記本電腦,就可以不間斷地享用高於3G十倍的速率而構成的寬頻精彩 內容 服務。而且WiMAX還能作為Wi-Fi的備份,使用戶可快速,方便地在Wi-Fi和WiMAX間自由切換和訪問互聯網。
無線接入與業務融合和創新
靈通無繩電話(QBOX),為了使小靈通更加具有活力,繼簡訊互連,七彩鈴音,機卡分離等新業務推出之後,近日 中國 電信又在上海、西安、溫州、惠州等六城市推出“靈通無繩電話”新業務,。這一業務在國內第一次將有線、無線(小靈通)兩種通信方式結合在一起,使它的優勢待以充分的互補。它的推出預示著固網運營商的運營重點已漸漸脫離傳統的運作模式。而轉向具潛力的業務和市場增長點。QBOX業務優點突出,首先是解決了一直以來讓運營商深感頭痛的小靈通小區覆蓋的盲區 問題 ,使小靈通能憑借單向收費的價格優勢,更為廣大用戶所歡迎。二是QBOX將增強固話終端的競爭力。靈通無繩電話一舉改變了固話終端幾年甚至幾十年不變的傳統觀念。加快了固網終端向個性化、智能化演進的步伐。三是固網和小靈通 網路 在中國都屬同一運營商經營,這種組合方式能最大限度地綜合利用二個網路的資源提供新業務。使用戶首次享受到了無線與有線結合的融合業務。四是具有綠色環保功能。靈通無繩電話與小靈通的基站和其手機發射功率都只有10毫瓦,而無繩電話機的發射功率也有35毫瓦左右,因此輻射小,對人的身體不會造成傷害,符合人們的健康要求。
靈通無繩電話是中國電信運營商首次在無線,有線融合中的嘗試,這項業務本身還存在著一些較為明顯的缺憾。如一是靈通無繩電話終端在QBOX私網與小靈通公網動態(通話過程中)轉移時無法保特不間斷通話。二是QBOX系統在其私網中只對預先指定的幾個終端( 目前 是10個)提供通話服務。而對其它的小靈通手機無法提供服務。三是在小靈通公網信號沒有覆蓋的區域,QBOX座機的固網用戶線路只允許一個小靈通或固話用戶與外界通話,而無法對二個和二個以上的用戶同時提供通話服務.因此雖然“靈通無繩電話”業務使固網業務得到有益的補充和延伸,但還需進一步的改進和完善。使它成為真正的FMC業務之一。
“藍色電話”是由英國電信提出並在以阿爾卡特為首,包括愛立信、朗迅和莫托羅拉等在內的諸多設備製造商協助下共同完成的。實際上藍色電話就是一種可以在通話狀態下實現移動和固話網路之間自由、無縫切換的服務。它具有以下幾個方面的特徵和優勢。
首先是它開創了固話和移動融合(FMC)的先河,這是藍色電話最突出的優勢,也是一項創 歷史 性的先進技術與服務。其次是能在通話過程中自動判斷用戶所處的位置並提供不同的網路為其服務。如用戶在室外或室內通話時能自動在GSM移動網路和DECT無繩電話系統之間進行無縫切換。三是,保證良好的通話質量,這也是藍色電話要實現移動和固網相融合最大的難點和成功之處。它在實現了固話網路和移動網路無縫切換的同時保證其通信質量的等級。四是,先進、便捷的室內無線接入技術,目前藍色電話在室內是通過DECT數字無繩電話系統轉接至固定寬頻網路上去,今後也可以採用藍牙技術或者性能更優的Wi-Fi技術來進行接入。並能夠使系統在室內和室外的各種使用 環境中在不同的網路之間進行自動的無縫切換,而保證通話過程不會間斷。五是,具有高性價比的通話資費,藍色電話在定價的過程中充分考慮固話和移動兩個網路的不同運營成本來確定價格。這樣的資費方案融合了固話和移動的資費特點,且最大限度地提供給用戶方便和實惠。
“家庭網路”作為固話的業務創新,首先是融入了信息 時代 的信息化綜合服務的理念,其次打破了原有僅僅提供點對點通信的模式,而為用戶提供了多元化、個性化的信息服務。三是在實際操作中,對網路進行重新的設計和集成。四是加強整合現有資源,進行業務的重新組合和包裝,家庭網路並不是一個前所未有的全新業務,而實際上所謂的創新,大部份是在現有技術成果的基礎上進行改進、優化。通過對已有業務或技術的組合,來產生新的業務和新的功能,這種類型的業務創新在通信產業 發展 的過程中也屢見不鮮。因此在“家庭網路”的技術業務創新過程中,一定要將重點放在網路集成和資源整合上。
藍牙技術是一種低成本、近距離的無線連接技術標准,將它 應用 於家庭網路中,可將家庭內部的各類終端如無繩電話、行動電話、筆記本電腦等等組成一個家庭或個人領域的網路,使各種信息化或智能化的終端設備在近距離內不用電纜就可以方便地連接起來,實現無縫覆蓋並相互操作進而達到資源充分共享。
WLAN無線連接。由於WLAN可以使用戶在家庭實現無線快速連接,因此該技術可謂代表了家庭網路的未來發展方向,尤其是具備較高傳輸速率和較長傳輸距離的Wi-Fi更是如此。雖然現在很多家用設備還不支持Wi-Fi,但這種情況正在發生改變,日本各大廠商推出的新型等離子電視已經開始配備Wi-Fi功能,各種各樣的Wi-Fi網卡也層出不窮,這一切都表明WLAN無線連接將蘊含極大的市場潛力。
市場的需求, 企業 的轉型將推動移動核心網和固定核心網最終融合,接入層面充分開放,不同的接入技術有不同的應用領域。給用戶帶來不同的通信體驗。總之無線接入與固定接入一起,將支撐起未來的無縫覆蓋的網路,用戶無論使用什麼樣的通信終端,都可以輕松接入網路,獲得高性價比的優質通信服務。
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物聯網工程的畢業論文
1物聯網技術
物聯網是把所有物品通過信息感測設備，按約定的協議，進行信息交換和通信，以實現智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理的一種網路［3］。就目前科技發展水平來看，在建設工程管理中採用RFID這種物聯網感測設備較為適合。RFID即無線射頻識別，是一種無線信息感測設備，通俗地講就是電子標簽。目前最先進的RFID是採用熱敏、光敏等材料，以智能化原件為核心，通過電子的方法存儲信息，將物體與互聯網連接，使物體主動感知並反饋信息，實現海量存儲，達到智能化識別和管理的目的。據統計，通過採用RFID能夠幫助把失竊和存貨水平降低25％，因不再需要人工查看進貨的條碼而節省勞動力成本。
2物聯網技術應用於建設工程管理的平台
物聯網技術以感知層、傳輸層、應用層為平台實現建設工程管理智能化。建設工程管理涉及的信息量大、面廣、瑣碎，對建築材料的全流程檢測涉及大量時間與空間信息，對建築物全壽命檢測需要在建築物每個主要承重構件上布置幾個到十幾個RFID。因此，在建設工程信息管理中需要大量的感測器和龐大的數據存儲與處理系統。雲計算的出現使得存儲和處理數據的價格大大下降，感測器價格迅速下降，這使得在建設工程中大量使用感測器、實現建設工程管理智能化成為可能。
2.1感知層
感知層是指通過RFID採集信息，使物體攜帶自身信息並實現流動數據更新累加［4］。在建築材料全流程監控管理中，感知層採集的信息主要包括：建築材料的產品信息，運輸中形成的物流信息鏈，經手人員信息等。在建築物全生命周期檢測中感知層主要採集的信息涉及主要承重構件的設計信息、驗收情況、使用中檢測信息等。
2.2傳輸層
傳輸層即網路傳輸技術，用於解決網路層的網路接入、傳輸、轉化及定位等問題。由於無線區域網具有高移動性、抗干擾、安全性能強、擴展能力強、建網容易、管理方便等諸多優點，而建設工程信息量大、施工環境復雜，考慮到要實現對建築物全生命周期檢測，應盡量採用較為先進的技術手段作為傳輸層，方便日後系統更新換代。以目前的科技水平看來，可以採用無線區域網作為建設工程管理的傳輸層平台。
2.3應用層
應用層是展現物聯網應用巨大價值的核心架構，它旨在實現信息的分析處理和控制決策以及完成特定的智能化應用和服務的業務，從而實現物與物、人與物之間的感知，發揮智能作用。建設工程中，要求應用層具有海量存儲、數據管理與智能分析等功能。因此，應以雲計算技術作為應用層集合分散在各地的高性能計算機上［5］，為物聯網在建設工程管理中的應用提供服務平台。物聯網應用於建設工程管理的構成要素如圖1所示。
3物聯網在建設工程管理中的應用模式
3.1建築材料全流程監控管理
建築材料全流程監控管理指的是在建築材料出廠時便在每個單元材料中埋入RFID，記錄材料的產品信息。在運輸中，以時間和空間信息形成物流信息鏈，直到建築材料進場、投入使用。管理人員通過掃描RFID清楚地了解這批建材的全部信息。在進場時接收材料的管理人員要對產品質量進行初步評定，將檢查結果錄入RFID，進一步保證了進場材料的質量。當某單元建材出現問題時，通過掃描RFID可以明確責任人，減少責任推諉，提高管理人員的管理積極性。具體建築材料全流程監控管理信息錄入如圖2所示。其中，使用部位指的是建築材料具體用於建築物的哪些部位，旨在方便日後管理。產品信息包括產品屬性、質量等級、生產日期、生產廠家等內容。
3.2建築物全生命周期檢測
建設工程全生命周期檢測的具體做法是將具有應力感應功能的RFID在不影響構件結構功能的前提下放入主要承重構件中，如框架梁、框架柱等。根據構件的受力要求，RFID應布置在拉、壓應力較大處，並且錄入其對應的構件基本信息，如設計信息、建設單位信息、施工單位信息等。隨著工程的進行，不斷錄入新信息：驗收時錄入每個構件的驗收情況與驗收人員信息，投入使用後實時檢測每個構件，記錄每個構件的受力情況，消除安全隱患，使建築壽命合理化。
3.2.1錄入基本信息
錄入基本信息是為之後驗收工作、安全測評工作及建築物合理壽命鑒定服務的。基本信息主要包括項目建設單位信息、設計信息、施工單位信息。這個環節是實現建築物全生命周期檢測的前提，錄入的信息越翔實、越條理，之後的工作就越省力。項目建設單位信息包括項目名稱、建設場地地址、建設單位名稱等，根據日後需要按需錄入。設計信息包括每個主要承重構件的圖紙編號、構件編號、混凝土級別、配筋信息、截面尺寸、設計單位、構件受力的設計限值等。施工單位信息主要包括施工單位名稱、項目負責人、具體某片區域管理人員等。錄入這些信息可以加快施工現場管理人員之間信息流通速度，明確責任人，提高工作效率與工程質量。
3.2.2提高驗收效率
工程驗收時，監理人員首先在RFID中錄入驗收日期、驗收單位及監理人員個人資料。驗收時掃描RFID，將構件設計信息與現場檢查結果核對，記錄自己對該構件的質量驗收結果。這樣可節省大量查閱圖紙的時間，減少由於管理人員素質等原因造成的質量問題，現場驗收結果有據可查，驗收質量得到保證。
3.2.3減少使用中的安全隱患
當工程竣工投入使用後，具有應力感應功能的RFID可實現建築物全生命周期的.監測。當構件應力超過允許值時發出警報，這樣可以及時發現有問題的構件，盡早做好維護措施，實現基於預防性的、有針對性的維護，在建築物出現安全問題之前進行加固等措施。而不是浪費大量時間進行常規檢修，這就意味著零計劃外故障時間，即如果沒有突發性事件，建築物不會出現安全問題。在日常運行中都可以通過監測預先處理掉可能的安全隱患，大大提高建築安全性能，並且節省目前檢測部門的檢測時間。由於有些檢測需要局部破壞建築物，採用RFID避免了原本沒有必要的破壞。由於可以及時解決安全隱患，所以採用RFID間接提高了建築物使用壽命。
3.2.4建築壽命合理化鑒定
當建築物達到其設計使用壽命時，進行一次全方位的數據收集，即對建築物體檢，根據RFID收集的檢測數據、匯總之前存入RFID的信息，分析該建築物能否繼續使用或者需要何種維修措施，從而合理延長建築使用壽命。我國近年來出現越來越多的短命建築，許多建築在達到設計使用年限後仍可正常使用，有些稍加修繕即可繼續使用。在資源日益緊張的今天，人為規定建築物使用壽命的做法無疑是一種資源浪費，重復建設造成大量人力物力的浪費。採用RFID可以使建築壽命合理化，實現建築物經濟效益最大化。
4結語
物聯網的出現為人們的生活帶來巨大變化，將物聯網應用於建設工程管理很可能是改變建設工程管理方式的重要手段。本文初步設計了建築材料全流程監控管理和建築物全生命周期檢測兩種模式，希望能為物聯網在建設工程管理智能化中的應用提供參考。
;⑸ 無線感測器網路的特點與應用
無線感測器網路的特點與應用
無線感測器網路簡稱WSN，它綜合了現代無線網路通信技術、感測器技術、計算機技術等，其應用十分廣泛。下面是我為大家搜索整理的關於無線感測器網路的特點與應用，歡迎參考閱讀，希望對大家有所幫助!想了解更多相關信息請持續關注我們應屆畢業生培訓網!
無線感測器網路是一種新型的感測器網路，其主要是由大量的感測器節點組成，利用無線網路組成一個自動配置的網路系統，並將感知和收集到的信息發給管理部門。目前無線感測器網路在軍事、生態環境、醫療和家居方面都有一定應用，未來無線感測器網路的發展前景將是不可估量的。
一、無線感測器網路的特點
(一)節點數量多
在監測區通常都會安置許多感測器節點，並通過分布式處理信息，這樣就能夠提高監測的准確性，有效獲取更加精確的信息，並降低對節點感測器的精度要求。此外，由於節點數量多，因此存在許多冗餘節點，這樣就能使系統的容錯能力較強，並且節點數量多還能夠覆蓋到更廣闊的監測區域，有效減少監測盲區。
(二)動態拓撲
無線感測器網路屬於動態網路，其節點並非固定的。當某個節電出現故障或是耗盡電池後，將會退出網路，此外，還可能由於需要而被轉移添加到其他的網路當中。
(三)自組織網路
無線感測器的節點位置並不能進行精確預先設定。節點之間的相互位置也無法預知，例如通過使用飛機播散節點或隨意放置在無人或危險的區域內。在這種情況下，就要求感測器節點自身能夠具有一定的組織能力，能夠自動進行相關管理和配置。
(四)多跳路由
無線感測網路中，節點之間的距離通常都在幾十到幾百米，因此節點只能與其相鄰的節點進行直接通信。如果需要與范圍外的節點進行通信，就需要經過中間節點進行路由。無線感測網路中的多跳路由並不是專門的路由設備，所有傳輸工作都是由普通的節點完成的。
(五)以數據為中心
無線感測網路中的節點均利用編號標識。由於節點是隨機分布的，因此節點的編號和位置之間並沒有聯系。用戶在查詢事件時，只需要將事件報告給網路，並不需要告知節點編號。因此這是一種以數據為中心進行查詢、傳輸的方式。
(六)電源能力局限性
通常都是用電池對節點進行供電，而每個節點的能源都是有限的，因此一旦電池的能量消耗完，就是造成節點無法再進行正常工作。
二、無線感測器網路的應用
(一)環境監測應用
無線感測器可以用於進行氣象研究、檢測洪水和火災等，在生態環境監測中具有明顯優勢。隨著我國市場經濟的不斷發展，生態環境污染問題也越來越嚴重。我國是一個幅員遼闊、資源豐富的農業大國，因此在進行農業生產時利用無線感測器進行對生產環境變化進行監測能夠為農業生產帶來許多好處，這對我國市場經濟的不斷發展有著重要意義。
(二)醫療護理應用
無線感測器網路通過使用互聯網路將收集到的信息傳送到接受埠，例如一些病人身上會有一些用於監測心率、血壓等的感測器節點，這樣醫生就可以隨時了解病人的`病情，一旦病人出現問題就能夠及時進行臨時處理和救治。在醫療領域內感測器已經有了一些成功案例，例如芬蘭的技術人員設計出了一種可以穿在身上的無線感測器系統，還有SSIM(Smart Sensors and Integrated Microsystems)等。
(三)智能家居建築應用
文物保護單位的一個重要工作就是要對具有意義的古老建築實行保護措施。利用無線感測器網路的節點對古老建築內的溫度是、濕度、關照等進行監測，這樣就能夠對建築物進行長期有效的監控。對於一些珍貴文物的保存，對保護地的位置、溫度和濕度等提前進行檢測，可以提高展覽品或文物的保存品質。例如，英國一個博物館基於無線感測器網路設計了一個警報系統，利用放在溫度底部的節點檢測燈光、振動等信息，以此來保障文物的安全[5]。
目前我國基礎建設處在高速發展期，建設單位對各種建設工程的安全施工監測越來越關注。利用無線感測器網路使建築能夠檢測到自身狀況並將檢測數據發送給管理部門，這樣管理部門就能夠及時掌握建築狀況並根據優先等級來處理建築修復工作。
另外，在傢具或家電匯中設置無線感測器節點，利用無線網路與互聯網路，將家居環境打造成一個更加舒適方便的空間，為人們提供更加人性化和智能化的生活環境。通過實時監測屋內溫度、濕度、光照等，對房間內的細微變化進行監測和感知，進而對空調、門窗等進行智能控制，這樣就能夠為人們提供一個更加舒適的生活環境。
(四)軍事應用
無線感測器網路具有低能耗、小體積、高抗毀等特性，且其具有高隱蔽性和高度的自組織能力，這為軍事偵察提供有效手段。美國在20世紀90年代就開始在軍事研究中應用無線感測器網路。無線感測器網路在惡劣的戰場內能夠實時監控區域內敵軍的裝備，並對戰場上的狀況進行監控，對攻擊目標進行定位並能夠檢測生化武器。
目前無線感測器網路在全球許多國家的軍事、研究、工業部門都得到了廣泛的關注，尤其受到美國國防部和軍事部門的重視，美國基於C4ISR又提出了C4KISR的計劃，對戰場情報的感知和信息綜合能力又提出新的要求，並開設了如NSOF系統等的一系列軍事無線感測器網路研究。
總之，隨著無線感測器網路的研究不斷深入和擴展，人們對無線感測器的認識也越來越清晰，然而目前無線感測器網路的在技術上還存在一定問題需要解決，例如存儲能力、傳輸能力、覆蓋率等。盡管無線感測器網路還有許多技術問題待解決使得現在無法廣泛推廣和運用，但相信其未來發展前景不可估量。
;⑹ 無線感測器網路節點部署問題研究
無線感測器網路是近幾年發展起來的一種新興技術,在條件惡劣和無人堅守的環境監測和事件跟蹤中顯示了很大的應用價值。節點部署是無線感測器網路工作的基礎,對網路的運行情況和壽命有很大的影響。部署問題涉及覆蓋、連接和節約能量消耗3個方面。該文重點討論了網路部署中的覆蓋問題,綜述了現有的研究成果,總結了今後的熱點研究方向,為以後的研究奠定了基礎。
基於虛擬勢場的有向感測器網路覆蓋增強演算法
陶 丹+, 馬華東, 劉 亮
(智能通信軟體與多媒體北京市重點實驗室(北京郵電大學),北京 100876)
A Virtual Potential Field Based Coverage-Enhancing Algorithm for Directional Sensor Networks
TAO Dan+, MA Hua-Dong, LIU Liang
(Beijing Key Laboratory of Intelligent Telecommunications Software and Multimedia (Beijing University of Posts and Telecommunications), Beijing 100876, China)
+ Corresponding author: Phn: +86-10-62282277, Fax: +86-10-62283523, E-mail: [email protected], http://www.bupt.e.cn
Tao D, Ma HD, Liu L. A virtual potential field based coverage-enhancing algorithm for directional sensor networks. Journal of Software, 2007,18(5):11521163. http://www.jos.org.cn/1000-9825/18/1152.htm
Abstract: Motivated by the directional sensing feature of video sensor, a direction adjustable sensing model is proposed first in this paper. Then, the coverage-enhancing problem in directional sensor networks is analyzed and defined. Moreover, a potential field based coverage-enhancing algorithm (PFCEA) is presented. By introcing the concept of 「centroid」, the pending problem is translated into the centroid points』 uniform distribution problem. Centroid points repel each other to eliminate the sensing overlapping regions and coverage holes, thus enhance the whole coverage performance of the directional sensor network. A set of simulation results are performed to demonstrate the effectiveness of the proposed algorithm.
Key words: directional sensor network; directional sensing model; virtual potential field; coverage enhancement
摘 要: 首先從視頻感測器節點方向性感知特性出發,設計了一種方向可調感知模型,並以此為基礎對有向感測器網路覆蓋增強問題進行分析與定義;其次,提出了一種基於虛擬勢場的有向感測器網路覆蓋增強演算法PFCEA (potential field based coverage-enhancing algorithm).通過引入「質心」概念,將有向感測器網路覆蓋增強問題轉化為質心均勻分布問題,以質心點作圓周運動代替感測器節點感測方向的轉動.質心在虛擬力作用下作擴散運動,以消除網路中感知重疊區和盲區,進而增強整個有向感測器網路覆蓋.一系列模擬實驗驗證了該演算法的有效性.
關鍵詞: 有向感測器網路;有向感知模型;虛擬勢場;覆蓋增強
中圖法分類號: TP393 文獻標識碼: A
覆蓋作為感測器網路中的一個基本問題,反映了感測器網路所能提供的「感知」服務質量.優化感測器網路覆蓋對於合理分配網路的空間資源,更好地完成環境感知、信息獲取任務以及提高網路生存能力都具有重要的意義[1].目前,感測器網路的初期部署有兩種策略:一種是大規模的隨機部署;另一種是針對特定的用途進行計劃部署.由於感測器網路通常工作在復雜的環境下,而且網路中感測器節點眾多,因此大都採用隨機部署方式.然而,這種大規模隨機投放方式很難一次性地將數目眾多的感測器節點放置在適合的位置,極容易造成感測器網路覆蓋的不合理(比如,局部目標區域感測器節點分布過密或過疏),進而形成感知重疊區和盲區.因此,在感測器網路初始部署後,我們需要採用覆蓋增強策略以獲得理想的網路覆蓋性能.
目前,國內外學者相繼開展了相關覆蓋增強問題的研究,並取得了一定的進展[25].從目前可獲取的資料來看,絕大多數覆蓋問題研究都是針對基於全向感知模型(omni-directional sensing model)的感測器網路展開的[6],
即網路中節點的感知范圍是一個以節點為圓心、以其感知距離為半徑的圓形區域.通常採用休眠冗餘節點[2,7]、
重新調整節點分布[811]或添加新節點[11]等方法實現感測器網路覆蓋增強.
實際上,有向感知模型(directional sensing model)也是感測器網路中的一種典型的感知模型[12],即節點的感知范圍是一個以節點為圓心、半徑為其感知距離的扇形區域.由基於有向感知模型的感測器節點所構成的網路稱為有向感測器網路.視頻感測器網路是有向感測器網路的一個典型實例.感知模型的差異造成了現有基於全向感知模型的覆蓋研究成果不能直接應用於有向感測器網路,迫切需要設計出一系列新方法.
在早期的工作中[13],我們率先開展有向感測器網路中覆蓋問題的研究,設計一種基本的有向感知模型,用以刻畫視頻感測器節點的方向性感知特性,並研究有向感測器網路覆蓋完整性以及通信連通性問題.同時,考慮到有向感測器節點感測方嚮往往具有可調整特性(比如PTZ攝像頭的推拉搖移功能),我們進一步提出一種基於圖論和計算幾何的集中式覆蓋增強演算法[14],調整方案一經確定,網路中所有有向感測器節點並發地進行感測方向的一次性調整,以此獲得網路覆蓋性能的增強.但由於未能充分考慮到有向感測器節點局部位置及感測方向信息,因而,該演算法對有向感測器網路覆蓋增強的能力相對有限.
本文將基本的有向感知模型擴展為方向可調感知模型,研究有向感測器網路覆蓋增強問題.首先定義了方向可調感知模型,並分析隨機部署策略對有向感測器網路覆蓋率的影響.在此基礎上,分析了有向感測器網路覆蓋增強問題.本文通過引入「質心」概念,將待解決問題轉化為質心均勻分布問題,提出了一種基於虛擬勢場的有向感測器網路覆蓋增強演算法PFCEA(potential field based coverage-enhancing algorithm).質心在虛擬力作用下作擴散運動,逐步消除網路中感知重疊區和盲區,增強整個網路覆蓋性能.最後,一系列模擬實驗驗證了PFCEA演算法的有效性.
1 有向感測器網路覆蓋增強問題
本節旨在分析和定義有向感測器網路覆蓋增強問題.在此之前,我們對方向可調感知模型進行簡要介紹.
1.1 方向可調感知模型
不同於目前已有的全向感知模型,方向可調感知模型的感知區域受「視角」的限制,並非一個完整的圓形區域.在某時刻t,有向感測器節點具有方向性感知特性;隨著其感測方向的不斷調整(即旋轉),有向感測器節點有能力覆蓋到其感測距離內的所有圓形區域.由此,通過簡單的幾何抽象,我們可以得到有向感測器節點的方向可調感知模型,如圖1所示.
定義1. 方向可調感知模型可用一個四元組P,R, ,
表示.其中,P=(x,y)表示有向感測器節點的位置坐標;R表示節
點的最大感測范圍,即感測半徑;單位向量 = 為扇形感知區域的中軸線,即節點在某時刻t時的感測方向; 和 分別是單位向量 在X軸和Y軸方向上的投影分量;表示邊界距離感測向量 的感測夾角,2代表感測區域視角,記作FOV.
特別地,當=時,傳統的全向感知模型是方向可調感知模型的一個特例.
若點P1被有向感測器節點vi覆蓋成立,記為viP1,當且僅當滿足以下條件:
(1) ,其中, 代表點P1到該節點的歐氏距離;
(2) 與 間夾角取值屬於[,].
判別點P1是否被有向感測器節點覆蓋的一個簡單方法是:如果 且 ,那麼,點P1
被有向感測器節點覆蓋;否則,覆蓋不成立.另外,若區域A被有向感測節點覆蓋,當且僅當區域A中任何一個點都被有向感測節點覆蓋.除非特別說明,下文中出現的「節點」和「感測器節點」均滿足上述方向可調感知模型.
1.2 有向感測器網路覆蓋增強問題的分析與定義
在研究本文內容之前,我們需要作以下必要假設:
A1. 有向感測器網路中所有節點同構,即所有節點的感測半徑(R)、感測夾角()參數規格分別相同;
A2. 有向感測器網路中所有節點一經部署,則位置固定不變,但其感測方向可調;
A3. 有向感測器網路中各節點都了解自身位置及感測方向信息,且各節點對自身感測方向可控.
假設目標區域的面積為S,隨機部署的感測器節點位置滿足均勻分布模型,且目標區域內任意兩個感測器節點不在同一位置.感測器節點的感測方向在[0,2]上也滿足均勻分布模型.在不考慮感測器節點可能落入邊界區域造成有效覆蓋區域減小的情況下,由於每個感測器節點所監控的區域面積為R2,則每個感測器節點能監測整個目標區域的概率為R2/S.目標區域被N個感測器節點覆蓋的初始概率p0的計算公式為(具體推導過程參見文獻[14])
(1)
由公式(1)可知,當目標區域內網路覆蓋率至少達到p0時,需要部署的節點規模計算公式為
(2)
當網路覆蓋率分別為p0和p0+p時,所需部署的感測器節點數目分別為ln(1p0)/,ln(1(p0+p))/.其中, =ln(SR2)lnS.因此,感測器節點數目差異N由公式(3)可得,
(3)
當目標區域面積S、節點感測半徑R和感測夾角一定時,為一常數.此時,N與p0,p滿足關系如圖2所示(S=500500m2,R=60m,=45º).從圖中我們可以看出,當p0一定時,N隨著p的增加而增加;當p一定時,N隨著p0的增加而增加,且增加率越來越大.因此,當需要將覆蓋率增大p時,則需多部署N個節點(p0取值較大時(80%),p取值每增加1%,N就有數十、甚至數百的增加).如果採用一定的覆蓋增強策略,無須多部署節點,就可以使網路覆蓋率達到p0+p,大量節省了感測器網路部署成本.
設Si(t)表示節點vi在感測向量為 時所覆蓋的區域面積.運算操作Si(t)Sj(t)代表節點vi和節點vj所能覆蓋到的區域總面積.這樣,當網路中節點感測向量取值為 時,有向感測器網路覆蓋率可表
示如下:
(4)
因此,有向感測器網路覆蓋增強問題歸納如下:
問題:求解一組 ,使得對於初始的 ,有 取值
接近最大.
Fig.2 The relation among p0, p and N
圖2 p0,p和N三者之間的關系
2 基於虛擬勢場的覆蓋增強演算法
2.1 傳統虛擬勢場方法
虛擬勢場(virtual potential field)的概念最初應用於機器人的路徑規劃和障礙躲避.Howard等人[8]和Pori等人[9]先後將這一概念引入到感測器網路的覆蓋增強問題中來.其基本思想是把網路中每個感測器節點看作一個虛擬的電荷,各節點受到其他節點的虛擬力作用,向目標區域中的其他區域擴散,最終達到平衡狀態,即實現目標區域的充分覆蓋狀態.Zou等人[15]提出了一種虛擬力演算法(virtual force algorithm,簡稱VFA),初始節點隨機部署後自動完善網路覆蓋性能,以均勻網路覆蓋並保證網路覆蓋范圍最大化.在執行過程中,感測器節點並不移動,而是計算出隨機部署的感測器節點虛擬移動軌跡.一旦感測器節點位置確定後,則對相應節點進行一次移動操作.Li等人[10]為解決感測器網路布局優化,在文獻[15]的基礎上提出了涉及目標的虛擬力演算法(target involved virtual force algorithm,簡稱TIVFA),通過計算節點與目標、熱點區域、障礙物和其他感測器之間的虛擬力,為各節點尋找受力平衡點,並將其作為該感測器節點的新位置.
上述利用虛擬勢場方法優化感測器網路覆蓋的研究成果都是基於全向感知模型展開的.假定感測器節點間存在兩種虛擬力作用:一種是斥力,使感測器節點足夠稀疏,避免節點過於密集而形成感知重疊區域;另一種是引力,使感測器節點保持一定的分布密度,避免節點過於分離而形成感知盲區[15].最終利用感測器節點的位置移動來實現感測器網路覆蓋增強.
2.2 基於虛擬勢場的有向感測器網路覆蓋增強演算法
在實際應用中,考慮到感測器網路部署成本,所有部署的感測器節點都具有移動能力是不現實的.另外,感測器節點位置的移動極易引起部分感測器節點的失效,進而造成整個感測器網路拓撲發生變化.這些無疑都會增加網路維護成本.因而,本文的研究工作基於感測器節點位置不變、感測方向可調的假設.上述假設使得直接利用虛擬勢場方法解決有向感測器網路覆蓋增強問題遇到了麻煩.在傳統的虛擬勢場方法中,感測器節點在勢場力的作用下進行平動(如圖3(a)所示),而基於本文的假設,感測器節點表現為其扇形感知區域在勢場力的作用下以感測器節點為軸心進行旋轉(如圖3(b)所示).
為了簡化扇形感知區域的轉動模型,我們引入「質心(centroid)」的概念.質心是質點系中一個特定的點,它與物體的平衡、運動以及內力分布密切相關.感測器節點的位置不變,其感測方向的不斷調整可近似地看作是扇形感知區域的質心點繞感測器節點作圓周運動.如圖3(b)所示,一個均勻扇形感知區域的質心點位於其對稱軸上且與圓心距離為2Rsin/3.每個感測器節點有且僅有一個質心點與其對應.我們用c表示感測器節點v所對應的質心點.本文將有向感測器網路覆蓋增強問題轉化為利用傳統虛擬勢場方法可解的質心點均勻分布問題,如圖4所示.
Fig.3 Moving models of sensor node
圖3 感測器節點的運動模型
Fig.4 The issue description of coverage enhancement in directional sensor networks
圖4 有向感測器網路覆蓋增強問題描述
2.2.1 受力分析
利用虛擬勢場方法增強有向感測器網路覆蓋,可以近似等價於質心點-質心點(c-c)之間虛擬力作用問題.我們假設質心點-質心點之間存在斥力,在斥力作用下,相鄰質心點逐步擴散開來,在降低冗餘覆蓋的同時,逐漸實現整個監測區域的充分高效覆蓋,最終增強有向感測器網路的覆蓋性能.在虛擬勢場作用下,質心點受來自相鄰一個或多個質心點的斥力作用.下面給出質心點受力的計算方法.
如圖5所示,dij表示感測器節點vi與vj之間的歐氏距離.只有當dij小於感測器節點感測半徑(R)的2倍時,它們的感知區域才存在重疊的可能,故它們之間才存在產生斥力的作用,該斥力作用於感測器節點相應的質心點ci和cj上.
定義2. 有向感測器網路中,歐氏距離不大於節點感測半徑(R)2倍的一對節點互為鄰居節點.節點vi的鄰居節點集合記作i.即i={vj|Dis(vi,vj)2R,ij}.
我們定義質心點vj對質心點vi的斥力模型 ,見公式(5).
(5)
其中,Dij表示質心點ci和cj之間的歐氏距離;kR表示斥力系數(常數,本文取kR=1);ij為單位向量,指示斥力方向(由質心點cj指向ci).公式(5)表明,只有當感測器節點vi和vj互為鄰居節點時(即有可能形成冗餘覆蓋時),其相應的質心點ci和cj之間才存在斥力作用.質心點所受斥力大小與ci和cj之間的歐氏距離成反比,而質心點所受斥力方向由ci和cj之間的相互位置關系所決定.
質心點ci所受合力是其受到相鄰k個質心點排斥力的矢量和.公式(6)描述質心點ci所受合力模型 .
(6)
通過如圖6所示的實例,我們分析質心點的受力情況.圖中包括4個感測器節點:v1,v2,v3和v4,其相應的質心
點分別為c1,c2,c3和c4.以質心點c1為例,由於d122R,故 ,質心點c1僅受到來自質心點c3和c4的斥力,其所受合力 .感測器節點感測方向旋轉導致質心點的運動軌跡並不是任意的,而是固定繞感測器節點作圓周運動.因此,質心點的運動僅僅受合力沿圓周切線方向分量 的影響.
Fig.6 The force on centroid
圖6 質心點受力
2.2.2 控制規則(control law)
本文基於一個虛擬物理世界研究質心點運動問題,其中作用力、質心點等都是虛擬的.該虛擬物理世界的構建是建立在求解問題特徵的基礎上的.在此,我們定義控制規則,即規定質心點受力與運動之間的關系,以達到質心點的均勻分布.
質心點在 作用下運動,受到運動學和動力學的雙重約束,具體表現如下:
(1) 運動學約束
在傳統感測器網路中利用虛擬勢場方法移動感測器節點的情況下,由於感測器節點向任意方向運動的概率是等同的,我們大都忽略其所受的運動學約束[8].而在轉動模型中,質心點的運動不是任意方向的,受合力沿圓
周切線方向分量 的影響,只能繞其感測器節點作圓周運動.
質心點在運動過程中受到的虛擬力是變化的,但對感測器網路系統來說,感測器節點之間每時每刻都交換鄰居節點位置及感測方向信息是不現實的.因此,我們設定鄰居節點間每隔時間步長t交換一次位置及感測方向信息,根據交換信息計算當前時間步長質心點所受合力,得出轉動方向及弧長.同時,問題求解的目的在於將節點的感測方向調整至一個合適的位置.在此,我們不考慮速度和加速度與轉動弧長之間的關系.
(2) 動力學約束
動力學約束研究受力與運動之間的關系.本運動模型中的動力學約束主要包含兩方面內容:
• 每個時間步長t內,質心點所受合力與轉動方向及弧長之間的關系;
• 質心點運動的靜止條件.
在傳統感測器網路中利用虛擬勢場方法移動感測器節點的情況下,在每個時間步長內,感測器節點的運動速度受限於最大運動速度vmax,而不是隨感測器節點受力無止境地增加.通過此舉保證微調方法的快速收斂.在本轉動模型中,我們同樣假設質心點每次固定以較小的轉動角度進行轉動,通過多次微調方法逐步趨向最優解,即在每個時間步長t內,質心點轉動的方向沿所受合力在圓周切線方向分量,轉動大小不是任意的,而是具有固定轉動角度.採用上述方法的原因有兩個:
• 運動過程中,質心點受力不斷變化,且變化規律很難用簡單的函數進行表示,加之上述運動學約束和問題特徵等因素影響,我們很難得出一個簡明而合理的質心點所受合力與轉動弧長之間的關系.
• 運動過程中,質心點按固定角度進行轉動,有利於簡化計算過程,減少節點的計算負擔.同時,我們通過分析模擬實驗數據發現,該方法具有較為理想的收斂性(具體討論參見第3.2節).
固定轉動角度取值不同對PFCEA演算法性能具有較大的影響,這在第3.3節中將加以詳細的分析和說明.
當質心點所受合力沿圓周切線方向分量為0時,其到達理想位置轉動停止.如圖7所示,我們假定質心點在圓周上O點處合力切向分量為0.由於質心點按固定轉動角度進行轉動,因此,它
未必會剛好轉動到O點處.當質心點處於圖7中弧 或 時,會
因合力切向分量不為0而導致質心點圍繞O點附近往復振動.因此,為避免出現振動現象,加速質心點達到穩定狀態,我們需要進一步限定質心點運動的停止條件.
當質心點圍繞O點附近往復振動時,其受合力的切向分量很
小.因此,我們設定受力門限,當 (本文取=10e6),即可認
定質心點已達到穩定狀態,無須再運動.經過數個時間步長t後,當網路中所有質心點達到穩定狀態時,整個感測器網路即達到穩定狀態,此時對應的一組 ,該
組解通常為本文覆蓋增強的較優解.
2.3 演算法描述
基於上述分析,本文提出了基於虛擬勢場的網路覆蓋增強演算法(PFCEA),該演算法是一個分布式演算法,在每個感測器節點上並發執行.PFCEA演算法描述如下:
輸入:節點vi及其鄰居節點的位置和感測方向信息.
輸出:節點vi最終的感測方向信息 .
1. t0; //初始化時間步長計數器
2. 計算節點vi相應質心點ci初始位置 ;
3. 計算節點vi鄰居節點集合i,M表示鄰居節點集合中元素數目;
4. While (1)
4.1 tt+1;
4.2 ;
4.3 For (j=0; j<M; j++)
4.3.1 計算質心點cj對ci的當前斥力 ,其中,vji;
4.3.2 ;
4.4 計算質心點ci當前所受合力 沿圓周切線分量 ;
4.5 確定質心點ci運動方向;
4.6 If ( ) Then
4.6.1 質心點ci沿 方向轉動固定角度;
4.6.2 調整質心點ci至新位置 ;
4.6.3 計算節點vj指向當前質心點ci向量並單位化,得到節點vi最終的感測方向信息 ;
4.7 Sleep (t);
5. End.
3 演算法模擬與性能分析
我們利用VC6.0自行開發了適用於感測器網路部署及覆蓋研究的模擬軟體Senetest2.0,並利用該軟體進行了大量模擬實驗,以驗證PFCEA演算法的有效性.實驗中參數的取值見表1.為簡化實驗,假設目標區域中所有感測器節點同構,即所有節點的感測半徑及感測夾角規格分別相同.
Table 1 Experimental parameters
表1 實驗參數
Parameter Variation
Target area S 500500m2
Area coverage p 0~1
Sensor number N 0~250
Sensing radius Rs 0~100m
Sensing offset angel 0º~90º
3.1 實例研究
在本節中,我們通過一個具體實例說明PFCEA演算法對有向感測器網路覆蓋增強.在500500m2的目標區域內,我們部署感測半徑R=60m、感測夾角=45º的感測器節點完成場景監測.若達到預期的網路覆蓋率p=70%, 通過公式(1),我們可預先估算出所需部署的感測器節點數目,
.
針對上述實例,我們記錄了PFCEA演算法運行不同時間步長時有向感測器網路覆蓋增強情況,如圖8所示.
(a) Initial coverage, p0=65.74%
(a) 初始覆蓋,p0=65.74% (b) The 10th time step, p10=76.03%
(b) 第10個時間步長,p10=76.03%
(c) The 20th time step, p20=80.20%
(c) 第20個時間步長,p20=80.20% (d) The 30th time step, p30=81.45%
(d) 第30個時間步長,p30=81.45%
Fig.8 Coverage enhancement using PFCEA algorithm
圖8 PFCEA演算法實現覆蓋增強
直觀看來,質心點在虛擬斥力作用下進行擴散運動,逐步消除網路中感知重疊區和盲區,最終實現有向感測器網路覆蓋增強.此例中,網路感測器節點分別經過30個時間步長的調整,網路覆蓋率由最初的65.74%提高到81.45%,網路覆蓋增強達15.71個百分點.
圖9顯示了逐個時間步長調整所帶來的網路覆蓋增強.我們發現,隨著時間步長的增加,網路覆蓋率也不斷增加,且近似滿足指數關系.當時間步長達到30次以後,網路中絕大多數節點的感測方向出現振動現象,直觀表現為網路覆蓋率在81.20%附近在允許的范圍振盪.此時,我們認定有向感測器網路覆蓋性能近似增強至最優.
網路覆蓋性能可以顯著地降低網路部署成本.實例通過節點感測方向的自調整,在僅僅部署105個感測器節點的情況下,最終獲得81.45%的網路覆蓋率.若預期的網路覆蓋率為81.45%,通過公式(1)的計算可知,我們至少需要部署148個感測器節點.由此可見,利用PFCEA演算法實現網路覆蓋增強的直接效果是可以節省近43個感測器節點,極大地降低了網路部署成本.
3.2 收斂性分析
為了討論本文演算法的收斂性,我們針對4種不同的網路節點規模進行多組實驗.我們針對各網路節點規模隨機生成10個拓撲結構,分別計算演算法收斂次數,並取平均值,實驗數據見表2.其他實驗參數為R=60m,=45º, =5º.
Table 2 Experimental data for convergence analysis
表2 實驗數據收斂性分析
(%)
(%)
1 50 41.28 52.73 24
2 70 52.74 64.98 21
3 90 60.76 73.24 28
4 110 65.58 78.02 27
分析上述實驗數據,我們可以得出,PFCEA演算法的收斂性即調整的次數,並不隨感測器網路節點規模的變化而發生顯著的改變,其取值一般維持在[20,30]范圍內.由此可見,本文PFCEA演算法具有較好的收斂性,可以在較短的時間步長內完成有向感測器網路的覆蓋增強過程.
3.3 模擬分析
在本節中,我們通過一系列模擬實驗來說明4個主要參數對本文PFCEA演算法性能的影響.它們分別是:節點規模N、感測半徑R、感測夾角和(質心點)轉動角度.針對前3個參數,我們與以往研究的一種集中式覆蓋增強演算法[14]進行性能分析和比較.
A. 節點規模N、感測半徑R以及感測角度
我們分別取不同節點規模進行模擬實驗.從圖10(a)變化曲線可以看出,當R和一定時,N取值較小導致網路初始覆蓋率較小.此時,隨著N的增大,p取值呈現持續上升趨勢.當N=200時,網路覆蓋率增強可達14.40個百分點.此後,p取值有所下降.這是由於當節點規模N增加導致網路初始覆蓋率較高時(如60%),相鄰多感測器節點間形成覆蓋盲區的概率大為降低,無疑削弱了PFCEA演算法的性能.另外,部分感測器節點落入邊界區域,也會間接起到削弱PFCEA演算法性能的作用.
另外,感測半徑、感測角度對PFCEA演算法性能的影響與此類似.當節點規模一定時,節點感測半徑或感測角度取值越小,單個節點的覆蓋區域越小,各相鄰節點間形成感知重疊區域的可能性也就越小.此時,PFCEA演算法對網路覆蓋性能改善並不顯著.隨著感測半徑或感測角度的增加,p不斷增加.當R=70m且=45º時,網路覆蓋率最高可提升15.91%.但隨著感測半徑或感測角度取值的不斷增加,PFCEA演算法帶來的網路覆蓋效果降低,如圖10(b)、圖10(c)所示.
(c) The effect of sensing offset angle , other parameters meet N=100, R=40m, =5º
(c) 感測角度的影響,其他實驗參數滿足:N=100,R=40m,=5º
⑺ 求感測器畢業論文前言、摘要！
摘要:本文簡述了無線感測器網路的定義、組成及特點，並結合其特點介紹了無線感測器網路在各行各業廣泛的應用價值和未來發展前景以及目前存在的技術問題。 關鍵詞:無線感測器網路；組成；應用；發展 科技發展的腳步越來越快，人類已經置身於信息時代。而作為信息獲取最重要和最基本的技術——感測器技術，也得到了極大的發展。感測器信息獲取技術已經從過去的單一化漸漸向集成化、微型化和網路化方向發展，並將會帶來一場信息革命。具有感知能力、計算能力和通信能力的無線感測器網路（WSN, wireless sensor networks）綜合了感測器技術、嵌人式計算技術、分布式信息處理技術和通信技術，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，並對這些信息進行處理，獲得詳盡而准確的信息，傳送到需要這些信息的用戶。 由於WSN的巨大應用價值，它已經引起了世界許多國家的軍事部門、工業界和學術界的廣泛關注，被廣泛地應用於軍事，工業過程式控制制、國家安全、環境監測等領域。 無線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多種領域，是當前計算機網路研究的熱點。 一、發展概述 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器網路雛形，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，並通過與感測控制器的相聯，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，具有非常廣泛的應用前景，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。發達國家如美國，非常重視無線感測器網路的發展，IEEE正在努力推進無線感測器網路的應用和發展，波士頓大學（Boston University）還於最近創辦了感測器網路協會（Sensor Network Consortium），期望能促進感測器聯網技術開發。美國的《技術評論》雜志在論述未來新興十大技術時，更是將無線感測器網路列為第一項未來新興技術，《商業周刊》預測的未來四大新技術中，無線感測器網路也列入其中。可以預計，無線感測器網路的廣泛是一種必然趨勢，它的出現將會給人類社會帶來極大的變革。 二、無線感測器網路的定義和特點 無線感測器網路可以看成是由數據獲取網路、數據分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、數據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。 無線感測器網路操作系統Tiny0S141的研製者，Jason Hill博士把WSN定義為： Sensing＋CPU＋Radio＝Thousands of potential application 哈爾濱工業大學的李建中教授將WSN定義為：WSN是由一組感測器節點以自組織的方式構成的有線或無線網路，其目的是協作地感知、採集和處理網路覆蓋的地理區域中感知對象的信息，並發布給觀察者。從硬體上看，WSN節 點主要由數據採集單元、數據處理單元、無線數據收發單元以及小型電池單元組成，通常尺寸很小，具有低成本、低功耗、多功能等特點；從軟體上看，它藉助於節點中內置感測器有效探測所處區域的溫度、濕度、光強度、壓力等環境參數以及待測對象的電壓、電流等物理參數，並通過無線網路將探測信息傳送到數據匯聚中心 進行處理、分析和轉發。
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