⑴ 无线传感器在网络中的应用设计
下面是由整理的毕业设计论文《无线传感器在网络中的应用设计》，欢迎阅读。
1引言
无线传感器网络(Wireless Sensor Networks，简称WSNs)是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信形成一个多跳自组织网络系统，能够实时监测、感知和采集网络分布区域内监视对象的各种信息，并加以处理，完成数据采集和监测任务。WSNs综合了传感器、嵌入式计算、无线通讯、分布式信息处理等技术，具有快速构建、自配置、自调整拓扑、多跳路由、高密度、节点数可变、无统一地址、无线通信等特点，特别适用于大范围、偏远距离、危险环境等条件下的实时信息监测，可以广泛应用于军事、交通、环境监测和预报、卫生保健、空间探索等各个领域。
2节点的总体设计和器件选型
2.1节点的总体设计
WSNs微型节点应用数量比较大，更换和维护比较困难，要求其节点成本低廉和工作时间尽可能长;功能上要求WSNs中不应该存在专门的路由器节点，每个节点既是终端节点，又是路由器节点。节点间采用移动自组织网络联系起来，并采用多跳的路由机制进行通信。因此，在单个节点上，一方面硬件必须低能耗，采用无线传输方式;另一方面软件必须支持多跳的路由协议。基于这些基本思想，设计了以高芦此空档8位AVR单片机ATmega128L为核心，结合外围传感器和2.4 GHz无线收发模块CC2420的WSNs微型节点。这两款器件的体积非常小，加上外围电路，其整体体积也很小，非常适合用作WSNs节点的元件。
图1给出WSNs微型节点结构。它由数据采集单元、数据处理单元、数据传输单元和电源管理单扒汪元4部分组成。数据采集单元负责监测区域内信息的采集和数据转换，设计中包括了可燃性气体传感器和湿度传感器;数据处理单元负责控制整个节点的处理操作、路由协议、同步定位、功耗管理、任务管理等;数据传输单元负责与其他节点进行无线通信，交换控制消息和收发采集数据;电源管理单元选通所用到的传感器，节点电源由几节AA电池组成，实际工业应用中采用微型纽扣电池，以进一步减小体积。为了调试方便及可扩展性，可将数据采集单元独立出来，做成两块能相互套接的可扩展主板。
2.2处理器选型
处理器的选型要求和指标是功耗低，保证长时间不更换电源也能顺利工作，供给电压小于5 V，有较快的处理速度和能力，由于节点是需要大量安置的，所以价格也要相对便宜。选用AVR单片机，考虑到电路中I/O的个数不多，功耗低、成本低、适合与无线器件接口配合等多方面因素，综合对比后，选用Atmel公司的ATmega128L。该微型控制器拥有丰富的片上资源，包括4个定时器、4 KB SRAM、128KB Flash和4 KBEEPROM;拥有UART、SPI、I2C、JTAG接口，方便无线器件和传感器的接入;有6种电源节能模式，方便低功耗设计。
2.3无线通信器件选型 CC2420是一款符合ZigBee技术的高集成度工业用射频收发器，其MAC层和PHY层协议符合802.15.4规范，工作于2.4 GHz频段。该器件只需极少外部元件，即可确保短距离通信的有效性和可靠性。数据传输单元模块支持数据传输率高达250 Kb/s，即可实现多点对多点的快速组网，系统体积小、成本低、功耗小，适于电池长期供电，具有硬件加密、安全可靠、组网灵活、抗毁性强等特点。
2.4传感器选型
由于WSNs是用于矿下安全监测，常要检测矿下可燃气体的浓度(预防瓦斯气体浓度过高)和空气湿度，所以要选择测量气体浓度和湿度的传感器。
2.4.1 HIH-4000系列测湿传感器
HIH-4000系列测湿传感器作为一个低成本、可软焊的单个直插式组件(SIP)能提供仪表测量质量的相对湿度(RH)传感性能。RH传感器可用在二引线间有间距的配量中，它是一个热固塑料型电容传感元件，其内部具有信号处理功能。传感器的多层结构对应用环境的不利因素，诸如潮湿、灰尘、污垢、油类和环境中常见的化学品具有最佳的抗力，因此可认定陪瞎它能适用矿下环境。
2.4.2 MR511热线型半导体气敏元件
MR511型气敏元件利用气体吸附在金属氧化物半导体表面而产生热传导变化及电传导变化的原理，由白金线圈电阻值变化测定气体浓度。MR511由检测元件和补偿元件配对组成电桥的两个臂，遇可燃性气体时，检测元件的电阻减小，桥路输出电压变化，该电压变化随气体浓度的增大而成比例增大，补偿元件具有温度补偿作用。MR511除具有灵敏度高、响应恢复时间短、稳定性好特点外，还具有功耗小，抗环境温湿度干扰能力强的优点。WSNs的节能和井下恶劣温湿环境要求MR5111可以满足。
3 WSNs节点设计
3.1数据采集单元
考虑到无线传感器网络节点的节能和井下恶劣的温湿环境，为了便于数据采集，系统设计采用HIH-4000-01型测湿度传感器和MR511热线型半导体气体传感器。图2、图3分别给出其电路设计图。
3.2数据处理单元
ATmega128L的外围电路设计简单，设计时注意在数字电路的电源并人多只电容滤波。ATmega128L的工作时钟源可以选取外部晶振、外部RC振荡器、内部RC振荡器、外部时钟源等方式。工作时钟源的选择通过ATmega128L的内部熔丝位来设计。熔丝位可以通过JTAG编程、ISP编程等方式设置。ATmega128L采用7.3728 MHz和32.768 kHz两个外部晶振。前者用作工作时钟，后者用作实时时钟源。
3.3数据传输单元
3.3.1 CC2420外围电路设计
图4给出数据传输单元的外围电路。CC2420只需要极少的外围元器件。其外围电路包括晶振时钟电路、射频输入/输出匹配电路和微控制器接口电路3部分。
射频输入/输出匹配电路主要用来匹配器件的输入输出阻抗，使其输入输出阻抗为50 Ω，同时为器件内部的PA及LNA提供直流偏置。射频输入/输出是高阻抗，有差别。射频端最适合的负载是115+j180 Ω。C61、C62、C71、C81、L61组成不平衡变压器，L62和L81匹配射频输入输出到50 Ω;L61和L62同时提供功率放大器和低噪声放大器的直流偏置。内部的T/R开关是为了切换低噪声放大器/功率放大器。R451偏置电阻是电流基准发生器的精密电阻。CC2420本振信号既可由外部有源晶体提供，也可由内部电路提供。若由内部电路提供时，需外加晶体振荡器和两只负载电容，电容的大小取决于晶体的频率及输入容抗等参数。设计采用16 MHz晶振时，其电容值约为22 pF。C381和C391是外部晶体振荡器的负载电容。片上电压调节器提供所有内部1.8 V电源的供应。C42是电压调节器的负载电容，用于稳定调节器。为得到最佳性能必须使用电源去耦。在应用中使用大小合适的去耦电容和功率滤波器是非常重要的。CC2420可以通过4线SPI总线(SI、SO、SCLK、CSn)设置器件的工作模式，并实现读，写缓存数据，读/写状态寄存器等。通过控制FIFO和FIFOP引脚接口的状态可设置发射/接收缓存器。
3.3.2配置IEEE 802.15.4工作模式
CC2420为IEEE 802.15.4的数据帧格式提供硬件支持。其MAC层的帧格式为：头帧+数据帧+校验帧;PHY层的帧格式为：同步帧+PHY头帧+MAC帧，帧头序列的长度可通过设置寄存器改变，采用16位CRC校验来提高数据传输的可靠性。发送或接收的数据帧被送入RAM中的128字节缓存区进行相应的帧打包和拆包操作。表1给出CC2420的四线串行SPI接口引脚功能。它是设计单片机电路的依据，充分发挥这些功能是设计无线通信产品的前提。
3.3.3 CC2420与单片机接口电路设计
图5给出CC2420与ATmega128L单片机的接口电路。CC2420通过简单的四线(SI、SO、SCLK、CSn)与SPI兼容串行接口配置，这时CC2420是受控的。ATmega128L的SPI接口工作在主机模式，它是SPI数据传输的控制方;CC2420设为从机工作方式。当ATmega128L的SPI接口设为主机工作方式时，其硬件电路不会自动控制SS引脚。因此，在SH通信时，应在SPI接口初始化，它是由程序控制SS，将其拉为低电平，此后，当把数据写入主机的SPI数据寄存器后，主机接口将自动启动时钟发生器，在硬件电路的控制下，移位传送，通过MOSI将数据移出ATmega128L，并同时从CC2420由MISO移人数据，8位数据全部移出时，两个寄存器就实现了一次数据交换。
4结语
通过对于无线传感器网络节点中传感器元件、数据处理模块、数据传输模块和电源的选择，设计了一种以CC2420和ATmega128L为主体的硬件方案。利用该方案设计的CC2420和ATmega128L的外围电路以及两者之间的接口电路。此外，还对传感器与单片机的接口电路进行设计。通过实验验证，设计的硬件节点基本上达到了项目要求，经调试能通过传感器正确真实地采集数据，并实现两个无线节点(两个电路板。AA电池供电)在30 m左右的通信、传输数据、并反映到终端设备。
⑵ 低功耗无线传感节点设计论文
S-MAC协议
S-MAC(Sensor-MAC)协议是较早的针对WSN的一种MAC协议，他是在802.11MAC的基础上，采用下面介绍的多种机制来减少了节点能量的消耗。固定周期性的侦听和睡眠：为了减少能量的消耗，传感器节点要尽量处于低功耗的睡眠状态。S-MAC协议采用了低占空比的周期性睡眠／侦听。为了使得S-MAC协议具有良好的扩展性，在覆盖网络中形成众多不同的虚拟簇。
消息传递技术：对于无线信道，传输差错与包长度成正比，短包成功传输的概率要大于长包。在S-MAC协议中消息传递技术将长消息分成若干短包，滑纤利用RTS／CTS握手机制，一次性发送整个长消息，这样既提高发送成功率，有减少了控制消息。流量自适应侦听机制：传感器节点在与邻居节点通信结束后并不立即进入睡眠状态，而保持侦听一段时间，采用流量自适应侦听机制，减少了网络中的传输延迟。
S-MAC协议与IEEE802.11 MAC相比，在节能方面有了很大的改善。但睡眠机制的引入，使得网络的传输延迟增加，吞吐量下降。针对S-MAC协议存在的不足，研究人员对其进行了改进，提出了一种带有自适应睡眠的S-MAC协议。
3.3.2 LMAC协议
LMAC协议使用时分多址 (TDMA)机制,时间被分成若干个时隙, 节点在传送数据时不需要竞争信道，可以避免传输碰撞造成的能量损耗。节点只能指派一个控制时隙，在时隙期间,节点总是会传送一条信息，此信息包含两部分：控制信息和数据单元。由于一个时隙只能被一个节点控制, 所以节点可以无冲突的进行通讯。
3.3.3 T-MAC协议
T-MAC(Timeout-MAC)协议与自适应睡眠的S-MAC协议基本思想大体相同。数据传输仍然采用RTS／CTS／DATA／ACK的4次握手机制，不同的是在节点活动的时隙内插入了一个TA(Time Active)时隙，若TA时隙之间没有任何时间发生，则活动结束进入睡眠状态。TA的取值对于T-MAC协议性能至关重要，其约束条件为：TA=m(C+R+T)，m>1，其中C为竞争信道时间，R为发送RTS分组的时间，T为RTS分组结束到发出CTS分组开始的时间。在仿真的时候，一般选取m=1.5，即：TA=1.5×(C+R+T)。
T-MAC协议虽然能根据当前网络的动态变化，通过提前结束活动周期来减少空闲侦听提高能效，但带来了“早睡”问题。所谓早睡问题是指在多个传感器节点向一个或少数几个汇聚节点发送数据时，由于节点在当前TA没有收到激活事件，过早进入睡眠，没有监测到接下来的数据包，导致网络延迟。为解决这个问题，提出了未来清除发送和满缓冲区优先两个方法。
基于竞耐中争的MAC协议通常很难提供实时性保证，而且由于冲突的存在，浪费了能量。基于竞争的协议在有些应用场合(比如主要考虑节能而不太关心时延的可预测性时)有较大的应用，基于竞争的协议需要解决的是提供一个实时性的统计上界。根据这类协议的分布式和随机的补偿特性，基于竞争的协议没有确切的保证不同节点的数据包的优先级。因此，有必要限制优先级倒置的概率以建立统计上的端到端的时延保证。
3.3.4 Wise-MAC协议
Wise - MAC协议在非坚持CSMA协议的基础上，采用前导码采样技术控制节点处于空闲侦听状态时的能量消耗。与S-MAC和T-MAC协议相比，节能效果非常显着。
无线信道在传输过程中经常出现错误，所以需要链路层的确认昌让山机制来恢复丢失的数据包。Wise-MAC协议的ACK数据帧不仅用来对接收到的数据包进行确认，还会通知其他邻居节点到下一次采样的剩余时间。通过这种方式，每个节点不断更新相邻节点的采样时间偏移表。利用这些信息，每个节点可以选择恰当的时间，使用最小长度的唤醒前导码向目的节点发送数据。
Wise-MAC协议可以很好地适应网络流量变化，他是和WISENET超级功耗SoC芯片结合设计的。Wise-MAC协议的采样同步机制会带来数据包冲突的问题，也会由于节点学要存储相邻节点的信道侦听时间，会占用宝贵的存储空间，增加协议实现的复杂度，尤其是在节点密度较高的网络内这个问题尤为突出。
3.3.5 DMAC协议
数据采集树是无线传感器网络的一种重要的通信模式，DMAC协议就是针对这种数据采集树而提出的，目标是减少网络的能量消耗和减少数据的传输延迟。DMAC协议采用不同深度节点之间的接收发送／睡眠的交错调度机制。将节点周期划分为接收、发送和睡眠时隙，数据能沿着多跳路径连续地从数据源节点传送到汇聚节点，减少睡眠带来的传输延迟。
3.3.6 Z-MAC协议
综合CSMA和TDMA二者各自的优点，由RHEE 等在2005年提出了一种混合机制的Z-MAC协议。
Z-MAC将信道使用物化为时间帧的同时，使用CSMA作为基本机制，时隙的占有者只是有数据发送的优先权，其他节点也可以在该时隙发送信息帧，当节点之间产生碰撞之后，时隙占有者的回退时间短，从而真正获得时隙的信道使用权。Z-MAC使用竞争状态标示来转换MAC机制，节点在ACK重复丢失和碰撞回退频繁的情况下，将由低竞争状态转为高竞争状态，由CSMA机制转为TDMA机制。因而可以说，Z-MAC在较低网络负载下，类似CSMA，在网络进入高竞争的信道状态之后，类似TDMA。
Z-MAC并不需要精确的时间同步，有着较好的信道利用率和网络扩展性。协议达到即时的适应网络负载的变化的同时，TDMA和CSMA机制的同步和互换会产生较大的能量耗损和网络延迟问题。
⑶ 无线接入网技术专业论文范文(2)
无线接入技术论文篇二
无线接入在网络融合中的应用
摘要：目前 ,全球电信运营商正面临着 企业 转型和 网络 融合(FMC),它使原本经渭分明的移动与固网的界限正在被一步步地“模糊化”,二者在多个层面的融合趋势已势不可挡。基于融合的思路来看未来的网络,无线接入技术多样化的趋势将越来越明显,无线接入网作为承载业务,直接面向用户的网络,是体现运营商的用户覆盖率和企业竞争力主要指标的关键之一,与核心网趋于融合的趋势不同,接入网层面将有众多技术百花齐放。如英国的“蓝色电话”采用DECT数字无绳电话系统对移动和固网进行无缝连接。国内“灵通无绳电话”是利用目前的小灵通无线网络直接与固网相连。而正在试验中的“家庭网络”是采用“蓝牙技术”或Wi-Fi无线技术来进行内部各终端之间的互连。还有技术先进,功能强大的WiMAX无线宽带技术 应用 于局域网和移动通信等领域。
无线接入是网络融合的桥梁和纽带
“蓝牙技术”,现在Bluetooth SIG(蓝牙技术联盟)对蓝牙技术的定位是它可以广泛地应用于个人网络设备,如手机、电脑以及汽车免提系统。由于蓝牙技术目前专为个人网络应用而设,通过改进技术可以增加蓝牙技术在其它全新领域的应用。例如 环境传感、家用电器遥控、家庭网络内部终端间的连接等。但是蓝牙技术存在着许多的不足。如:一是它的传输距离仅在十公尺左右。二是蓝牙芯片的价格仍不令人满意。三是蓝牙兼容性方面的一些 问题 。四是随着各种近距离无线技术的出现,它们与蓝牙技术就不可避免地要在一些应用领域存在重叠和竞争。更重要的是无线宽带技术的出现,在超宽带的技术优势面前蓝牙将会遭遇极大的挑战。
Bluetooth SIG(蓝牙技术联盟)在其未来的3年 发展 蓝图中,已提出了一系列改进蓝牙规范的 计划,包括提升性能、增强安全性、优化耗电量及可用性,来借以保有蓝牙技术在个人通信技术领域的市场地位,并在新的市场领域确定其发展方向。具体计划是2005年蓝牙技术联盟将测试并推出一项全新的蓝牙规范。新规范提高了数据传输速率(是当前速率的3倍)提高了数据传输的安全性,并降低了功耗。这将大大改善蓝牙用户使用多个蓝牙设备协同 工作以及传输大型数据文件时的体验,同时还将延长移动设备的电池使用寿命。2006年蓝牙技术联盟将继续致力于改进蓝牙规范在可用性、安全性及性能等方面的表现,并采用多播(Mutti-cast)功能,允许用户将同一信息同时传送至多个装置,改进性能将可使耗电量极低的蓝牙传送范围扩大至100公尺。
Wi-Fi(Wireless Fidelity)是属于无线局域网(WLAN)的一种,通常是指802.11b产品,它的主要特点是传输速率高,可靠性高,建网速度快\简便、可移动性好、网络结构弹性化、组网灵活、组网成本较低等,具有良好的发展前景。Wi-Fi工作在2.4GHz频段。最高速度达11mb/s,传输距离可达100公尺,在全封闭区域可达300公尺,是目前的主流WLAN技术。近年来Wi-Fi在市场上欣起一股热潮,据预测,到2007年美国将安装53万个点,欧洲安装70万个点,亚洲也将安装100多万个点,Wi-Fi有着“无线版本以太网”的美称,由于目前的以太网标准(IEEE802.3标准)几乎已经成为局域网的代名词,世界上至少有80%以上的局域网采用以太网技术。而WLAN同样为IEEE制定的标准,所以其几乎可以视为以太网标准在无线领域的延伸,这使WLAN在应用上具备无痕过渡和顺利安装的特点。
Wi-Fi的安装和设置相当简单,在某个区域要建立网络接入连接时,只需要在一定的范围内设立相应的接入点就可以了。规划、布线、测试等传统工序可以被忽略,如在家里引入Wi-Fi整个接入工序不到10分钟。同时Wi-Fi的综合成本非常低(预计为有线以太网的50%左右)。Wi-Fi拥有许多优点,但是不可忽视的是它存在的安全隐患这个致命的缺点。Wi-Fi采用的是RF(射频)技术,通过空气发送和接收数据,所以非常容易受到来自外界的攻击,甚至进入未受保护的公司内部局域网。
WiMAX全称是微波存取全球互通(Worldwide Interoperability for Microwave Access),是一种类似于Wi-Fi的新型无线网络技术,它具有覆盖范围更广、传输速率和可靠性(安全性)更高等优点。它所采用的IEEE 802.16标准是一种基于微波和毫米波频段(2GHz～11GHz)的新的空中接口标准的技术,可以替代现有的有线和DSL连接方式,来提供最后一公里的无线宽带接入。WiMAX将提供固定、移动、便携式的无线宽带连接,现在WiMAX已经从本质上改变了最初的应用方向。增加了移动通信方面的服务。通过加入移动特性,一方面WiMAX可以像原来设想一样,作为服务和提高电信运营商最后一公里接入的技术手段。同时还可以成为FMC(固定和移动网络融合)的主流接入技术。
WiMAX具有以下优点:一是WiMAX执行IEEE802.16a标准,较长的传输距离(50公里)和较大的无线覆盖范围(6-10公里),传输速率最快75Mbps。二是具有理想的非视距传输特性,因此能够在不同的环境下获得最佳的传输性能。三是集中了有线/无线接入的优点,并结合了Wi-Fi无线接入技术的移动性与灵活性。四是WiMAX还能够通过将无线接入系统上升到无线接入网络,多中心站之间通过负荷分担的方式大大增加了网络容量。五是基站建设方面,WiMAX不同于过去所采用的无线技术,需建高高的基站。从而可大大降低运营商的成本。六是目前正在制定中的IEEE 802.16e,面向移动终端,最大传输距离为3千米～5千米。当前,人们特别关注的是规范已确定的802.16-2004,它主要用于连接互联网服务的接入线路,也就是替代使用电话线的ADSL等,将通信运营商与用户连接起来。
接照WiMAX的商用计划,预计到2006年802.16功能的笔记本电脑,就可以不间断地享用高于3G十倍的速率而构成的宽带精彩 内容 服务。而且WiMAX还能作为Wi-Fi的备份,使用户可快速,方便地在Wi-Fi和WiMAX间自由切换和访问互联网。
无线接入与业务融合和创新
灵通无绳电话(QBOX),为了使小灵通更加具有活力,继短信互连,七彩铃音,机卡分离等新业务推出之后,近日 中国 电信又在上海、西安、温州、惠州等六城市推出“灵通无绳电话”新业务,。这一业务在国内第一次将有线、无线(小灵通)两种通信方式结合在一起,使它的优势待以充分的互补。它的推出预示着固网运营商的运营重点已渐渐脱离传统的运作模式。而转向具潜力的业务和市场增长点。QBOX业务优点突出,首先是解决了一直以来让运营商深感头痛的小灵通小区覆盖的盲区 问题 ,使小灵通能凭借单向收费的价格优势,更为广大用户所欢迎。二是QBOX将增强固话终端的竞争力。灵通无绳电话一举改变了固话终端几年甚至几十年不变的传统观念。加快了固网终端向个性化、智能化演进的步伐。三是固网和小灵通 网络 在中国都属同一运营商经营,这种组合方式能最大限度地综合利用二个网络的资源提供新业务。使用户首次享受到了无线与有线结合的融合业务。四是具有绿色环保功能。灵通无绳电话与小灵通的基站和其手机发射功率都只有10毫瓦,而无绳电话机的发射功率也有35毫瓦左右,因此辐射小,对人的身体不会造成伤害,符合人们的健康要求。
灵通无绳电话是中国电信运营商首次在无线,有线融合中的尝试,这项业务本身还存在着一些较为明显的缺憾。如一是灵通无绳电话终端在QBOX私网与小灵通公网动态(通话过程中)转移时无法保特不间断通话。二是QBOX系统在其私网中只对预先指定的几个终端( 目前 是10个)提供通话服务。而对其它的小灵通手机无法提供服务。三是在小灵通公网信号没有覆盖的区域,QBOX座机的固网用户线路只允许一个小灵通或固话用户与外界通话,而无法对二个和二个以上的用户同时提供通话服务.因此虽然“灵通无绳电话”业务使固网业务得到有益的补充和延伸,但还需进一步的改进和完善。使它成为真正的FMC业务之一。
“蓝色电话”是由英国电信提出并在以阿尔卡特为首,包括爱立信、朗迅和莫托罗拉等在内的诸多设备制造商协助下共同完成的。实际上蓝色电话就是一种可以在通话状态下实现移动和固话网络之间自由、无缝切换的服务。它具有以下几个方面的特征和优势。
首先是它开创了固话和移动融合(FMC)的先河,这是蓝色电话最突出的优势,也是一项创 历史 性的先进技术与服务。其次是能在通话过程中自动判断用户所处的位置并提供不同的网络为其服务。如用户在室外或室内通话时能自动在GSM移动网络和DECT无绳电话系统之间进行无缝切换。三是,保证良好的通话质量,这也是蓝色电话要实现移动和固网相融合最大的难点和成功之处。它在实现了固话网络和移动网络无缝切换的同时保证其通信质量的等级。四是,先进、便捷的室内无线接入技术,目前蓝色电话在室内是通过DECT数字无绳电话系统转接至固定宽带网络上去,今后也可以采用蓝牙技术或者性能更优的Wi-Fi技术来进行接入。并能够使系统在室内和室外的各种使用 环境中在不同的网络之间进行自动的无缝切换,而保证通话过程不会间断。五是,具有高性价比的通话资费,蓝色电话在定价的过程中充分考虑固话和移动两个网络的不同运营成本来确定价格。这样的资费方案融合了固话和移动的资费特点,且最大限度地提供给用户方便和实惠。
“家庭网络”作为固话的业务创新,首先是融入了信息 时代 的信息化综合服务的理念,其次打破了原有仅仅提供点对点通信的模式,而为用户提供了多元化、个性化的信息服务。三是在实际操作中,对网络进行重新的设计和集成。四是加强整合现有资源,进行业务的重新组合和包装,家庭网络并不是一个前所未有的全新业务,而实际上所谓的创新,大部份是在现有技术成果的基础上进行改进、优化。通过对已有业务或技术的组合,来产生新的业务和新的功能,这种类型的业务创新在通信产业 发展 的过程中也屡见不鲜。因此在“家庭网络”的技术业务创新过程中,一定要将重点放在网络集成和资源整合上。
蓝牙技术是一种低成本、近距离的无线连接技术标准,将它 应用 于家庭网络中,可将家庭内部的各类终端如无绳电话、移动电话、笔记本电脑等等组成一个家庭或个人领域的网络,使各种信息化或智能化的终端设备在近距离内不用电缆就可以方便地连接起来,实现无缝覆盖并相互操作进而达到资源充分共享。
WLAN无线连接。由于WLAN可以使用户在家庭实现无线快速连接,因此该技术可谓代表了家庭网络的未来发展方向,尤其是具备较高传输速率和较长传输距离的Wi-Fi更是如此。虽然现在很多家用设备还不支持Wi-Fi,但这种情况正在发生改变,日本各大厂商推出的新型等离子电视已经开始配备Wi-Fi功能,各种各样的Wi-Fi网卡也层出不穷,这一切都表明WLAN无线连接将蕴含极大的市场潜力。
市场的需求, 企业 的转型将推动移动核心网和固定核心网最终融合,接入层面充分开放,不同的接入技术有不同的应用领域。给用户带来不同的通信体验。总之无线接入与固定接入一起,将支撑起未来的无缝覆盖的网络,用户无论使用什么样的通信终端,都可以轻松接入网络,获得高性价比的优质通信服务。
看了“无线接入技术论文 接入网技术论文”的人还看：
1. 无线接入技术论文
2. 蜂窝移动宽带无线接入技术论文
3. 浅谈无线网络通讯技术的论文1000字
4. 接入网技术论文
5. 浅谈无线网络技术的论文3篇
⑷ 物联网工程的毕业论文
物联网工程的毕业论文
1物联网技术
物联网是把所有物品通过信息传感设备，按约定的协议，进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络［3］。就目前科技发展水平来看，在建设工程管理中采用RFID这种物联网传感设备较为适合。RFID即无线射频识别，是一种无线信息传感设备，通俗地讲就是电子标签。目前最先进的RFID是采用热敏、光敏等材料，以智能化原件为核心，通过电子的方法存储信息，将物体与互联网连接，使物体主动感知并反馈信息，实现海量存储，达到智能化识别和管理的目的。据统计，通过采用RFID能够帮助把失窃和存货水平降低25％，因不再需要人工查看进货的条码而节省劳动力成本。
2物联网技术应用于建设工程管理的平台
物联网技术以感知层、传输层、应用层为平台实现建设工程管理智能化。建设工程管理涉及的信息量大、面广、琐碎，对建筑材料的全流程检测涉及大量时间与空间信息，对建筑物全寿命检测需要在建筑物每个主要承重构件上布置几个到十几个RFID。因此，在建设工程信息管理中需要大量的传感器和庞大的数据存储与处理系统。云计算的出现使得存储和处理数据的价格大大下降，传感器价格迅速下降，这使得在建设工程中大量使用传感器、实现建设工程管理智能化成为可能。
2.1感知层
感知层是指通过RFID采集信息，使物体携带自身信息并实现流动数据更新累加［4］。在建筑材料全流程监控管理中，感知层采集的信息主要包括：建筑材料的产品信息，运输中形成的物流信息链，经手人员信息等。在建筑物全生命周期检测中感知层主要采集的信息涉及主要承重构件的设计信息、验收情况、使用中检测信息等。
2.2传输层
传输层即网络传输技术，用于解决网络层的网络接入、传输、转化及定位等问题。由于无线局域网具有高移动性、抗干扰、安全性能强、扩展能力强、建网容易、管理方便等诸多优点，而建设工程信息量大、施工环境复杂，考虑到要实现对建筑物全生命周期检测，应尽量采用较为先进的技术手段作为传输层，方便日后系统更新换代。以目前的科技水平看来，可以采用无线局域网作为建设工程管理的传输层平台。
2.3应用层
应用层是展现物联网应用巨大价值的核心架构，它旨在实现信息的分析处理和控制决策以及完成特定的智能化应用和服务的业务，从而实现物与物、人与物之间的感知，发挥智能作用。建设工程中，要求应用层具有海量存储、数据管理与智能分析等功能。因此，应以云计算技术作为应用层集合分散在各地的高性能计算机上［5］，为物联网在建设工程管理中的应用提供服务平台。物联网应用于建设工程管理的构成要素如图1所示。
3物联网在建设工程管理中的应用模式
3.1建筑材料全流程监控管理
建筑材料全流程监控管理指的是在建筑材料出厂时便在每个单元材料中埋入RFID，记录材料的产品信息。在运输中，以时间和空间信息形成物流信息链，直到建筑材料进场、投入使用。管理人员通过扫描RFID清楚地了解这批建材的全部信息。在进场时接收材料的管理人员要对产品质量进行初步评定，将检查结果录入RFID，进一步保证了进场材料的质量。当某单元建材出现问题时，通过扫描RFID可以明确责任人，减少责任推诿，提高管理人员的管理积极性。具体建筑材料全流程监控管理信息录入如图2所示。其中，使用部位指的是建筑材料具体用于建筑物的哪些部位，旨在方便日后管理。产品信息包括产品属性、质量等级、生产日期、生产厂家等内容。
3.2建筑物全生命周期检测
建设工程全生命周期检测的具体做法是将具有应力感应功能的RFID在不影响构件结构功能的前提下放入主要承重构件中，如框架梁、框架柱等。根据构件的受力要求，RFID应布置在拉、压应力较大处，并且录入其对应的构件基本信息，如设计信息、建设单位信息、施工单位信息等。随着工程的进行，不断录入新信息：验收时录入每个构件的验收情况与验收人员信息，投入使用后实时检测每个构件，记录每个构件的受力情况，消除安全隐患，使建筑寿命合理化。
3.2.1录入基本信息
录入基本信息是为之后验收工作、安全测评工作及建筑物合理寿命鉴定服务的。基本信息主要包括项目建设单位信息、设计信息、施工单位信息。这个环节是实现建筑物全生命周期检测的前提，录入的信息越翔实、越条理，之后的工作就越省力。项目建设单位信息包括项目名称、建设场地地址、建设单位名称等，根据日后需要按需录入。设计信息包括每个主要承重构件的图纸编号、构件编号、混凝土级别、配筋信息、截面尺寸、设计单位、构件受力的设计限值等。施工单位信息主要包括施工单位名称、项目负责人、具体某片区域管理人员等。录入这些信息可以加快施工现场管理人员之间信息流通速度，明确责任人，提高工作效率与工程质量。
3.2.2提高验收效率
工程验收时，监理人员首先在RFID中录入验收日期、验收单位及监理人员个人资料。验收时扫描RFID，将构件设计信息与现场检查结果核对，记录自己对该构件的质量验收结果。这样可节省大量查阅图纸的时间，减少由于管理人员素质等原因造成的质量问题，现场验收结果有据可查，验收质量得到保证。
3.2.3减少使用中的安全隐患
当工程竣工投入使用后，具有应力感应功能的RFID可实现建筑物全生命周期的.监测。当构件应力超过允许值时发出警报，这样可以及时发现有问题的构件，尽早做好维护措施，实现基于预防性的、有针对性的维护，在建筑物出现安全问题之前进行加固等措施。而不是浪费大量时间进行常规检修，这就意味着零计划外故障时间，即如果没有突发性事件，建筑物不会出现安全问题。在日常运行中都可以通过监测预先处理掉可能的安全隐患，大大提高建筑安全性能，并且节省目前检测部门的检测时间。由于有些检测需要局部破坏建筑物，采用RFID避免了原本没有必要的破坏。由于可以及时解决安全隐患，所以采用RFID间接提高了建筑物使用寿命。
3.2.4建筑寿命合理化鉴定
当建筑物达到其设计使用寿命时，进行一次全方位的数据收集，即对建筑物体检，根据RFID收集的检测数据、汇总之前存入RFID的信息，分析该建筑物能否继续使用或者需要何种维修措施，从而合理延长建筑使用寿命。我国近年来出现越来越多的短命建筑，许多建筑在达到设计使用年限后仍可正常使用，有些稍加修缮即可继续使用。在资源日益紧张的今天，人为规定建筑物使用寿命的做法无疑是一种资源浪费，重复建设造成大量人力物力的浪费。采用RFID可以使建筑寿命合理化，实现建筑物经济效益最大化。
4结语
物联网的出现为人们的生活带来巨大变化，将物联网应用于建设工程管理很可能是改变建设工程管理方式的重要手段。本文初步设计了建筑材料全流程监控管理和建筑物全生命周期检测两种模式，希望能为物联网在建设工程管理智能化中的应用提供参考。
;⑸ 无线传感器网络的特点与应用
无线传感器网络的特点与应用
无线传感器网络简称WSN，它综合了现代无线网络通信技术、传感器技术、计算机技术等，其应用十分广泛。下面是我为大家搜索整理的关于无线传感器网络的特点与应用，欢迎参考阅读，希望对大家有所帮助!想了解更多相关信息请持续关注我们应届毕业生培训网!
无线传感器网络是一种新型的传感器网络，其主要是由大量的传感器节点组成，利用无线网络组成一个自动配置的网络系统，并将感知和收集到的信息发给管理部门。目前无线传感器网络在军事、生态环境、医疗和家居方面都有一定应用，未来无线传感器网络的发展前景将是不可估量的。
一、无线传感器网络的特点
(一)节点数量多
在监测区通常都会安置许多传感器节点，并通过分布式处理信息，这样就能够提高监测的准确性，有效获取更加精确的信息，并降低对节点传感器的精度要求。此外，由于节点数量多，因此存在许多冗余节点，这样就能使系统的容错能力较强，并且节点数量多还能够覆盖到更广阔的监测区域，有效减少监测盲区。
(二)动态拓扑
无线传感器网络属于动态网络，其节点并非固定的。当某个节电出现故障或是耗尽电池后，将会退出网络，此外，还可能由于需要而被转移添加到其他的网络当中。
(三)自组织网络
无线传感器的节点位置并不能进行精确预先设定。节点之间的相互位置也无法预知，例如通过使用飞机播散节点或随意放置在无人或危险的区域内。在这种情况下，就要求传感器节点自身能够具有一定的组织能力，能够自动进行相关管理和配置。
(四)多跳路由
无线传感网络中，节点之间的距离通常都在几十到几百米，因此节点只能与其相邻的节点进行直接通信。如果需要与范围外的节点进行通信，就需要经过中间节点进行路由。无线传感网络中的多跳路由并不是专门的路由设备，所有传输工作都是由普通的节点完成的。
(五)以数据为中心
无线传感网络中的节点均利用编号标识。由于节点是随机分布的，因此节点的编号和位置之间并没有联系。用户在查询事件时，只需要将事件报告给网络，并不需要告知节点编号。因此这是一种以数据为中心进行查询、传输的方式。
(六)电源能力局限性
通常都是用电池对节点进行供电，而每个节点的能源都是有限的，因此一旦电池的能量消耗完，就是造成节点无法再进行正常工作。
二、无线传感器网络的应用
(一)环境监测应用
无线传感器可以用于进行气象研究、检测洪水和火灾等，在生态环境监测中具有明显优势。随着我国市场经济的不断发展，生态环境污染问题也越来越严重。我国是一个幅员辽阔、资源丰富的农业大国，因此在进行农业生产时利用无线传感器进行对生产环境变化进行监测能够为农业生产带来许多好处，这对我国市场经济的不断发展有着重要意义。
(二)医疗护理应用
无线传感器网络通过使用互联网络将收集到的信息传送到接受端口，例如一些病人身上会有一些用于监测心率、血压等的传感器节点，这样医生就可以随时了解病人的`病情，一旦病人出现问题就能够及时进行临时处理和救治。在医疗领域内传感器已经有了一些成功案例，例如芬兰的技术人员设计出了一种可以穿在身上的无线传感器系统，还有SSIM(Smart Sensors and Integrated Microsystems)等。
(三)智能家居建筑应用
文物保护单位的一个重要工作就是要对具有意义的古老建筑实行保护措施。利用无线传感器网络的节点对古老建筑内的温度是、湿度、关照等进行监测，这样就能够对建筑物进行长期有效的监控。对于一些珍贵文物的保存，对保护地的位置、温度和湿度等提前进行检测，可以提高展览品或文物的保存品质。例如，英国一个博物馆基于无线传感器网络设计了一个警报系统，利用放在温度底部的节点检测灯光、振动等信息，以此来保障文物的安全[5]。
目前我国基础建设处在高速发展期，建设单位对各种建设工程的安全施工监测越来越关注。利用无线传感器网络使建筑能够检测到自身状况并将检测数据发送给管理部门，这样管理部门就能够及时掌握建筑状况并根据优先等级来处理建筑修复工作。
另外，在家具或家电汇中设置无线传感器节点，利用无线网络与互联网络，将家居环境打造成一个更加舒适方便的空间，为人们提供更加人性化和智能化的生活环境。通过实时监测屋内温度、湿度、光照等，对房间内的细微变化进行监测和感知，进而对空调、门窗等进行智能控制，这样就能够为人们提供一个更加舒适的生活环境。
(四)军事应用
无线传感器网络具有低能耗、小体积、高抗毁等特性，且其具有高隐蔽性和高度的自组织能力，这为军事侦察提供有效手段。美国在20世纪90年代就开始在军事研究中应用无线传感器网络。无线传感器网络在恶劣的战场内能够实时监控区域内敌军的装备，并对战场上的状况进行监控，对攻击目标进行定位并能够检测生化武器。
目前无线传感器网络在全球许多国家的军事、研究、工业部门都得到了广泛的关注，尤其受到美国国防部和军事部门的重视，美国基于C4ISR又提出了C4KISR的计划，对战场情报的感知和信息综合能力又提出新的要求，并开设了如NSOF系统等的一系列军事无线传感器网络研究。
总之，随着无线传感器网络的研究不断深入和扩展，人们对无线传感器的认识也越来越清晰，然而目前无线传感器网络的在技术上还存在一定问题需要解决，例如存储能力、传输能力、覆盖率等。尽管无线传感器网络还有许多技术问题待解决使得现在无法广泛推广和运用，但相信其未来发展前景不可估量。
;⑹ 无线传感器网络节点部署问题研究
无线传感器网络是近几年发展起来的一种新兴技术,在条件恶劣和无人坚守的环境监测和事件跟踪中显示了很大的应用价值。节点部署是无线传感器网络工作的基础,对网络的运行情况和寿命有很大的影响。部署问题涉及覆盖、连接和节约能量消耗3个方面。该文重点讨论了网络部署中的覆盖问题,综述了现有的研究成果,总结了今后的热点研究方向,为以后的研究奠定了基础。
基于虚拟势场的有向传感器网络覆盖增强算法
陶 丹+, 马华东, 刘 亮
(智能通信软件与多媒体北京市重点实验室(北京邮电大学),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: 首先从视频传感器节点方向性感知特性出发,设计了一种方向可调感知模型,并以此为基础对有向传感器网络覆盖增强问题进行分析与定义;其次,提出了一种基于虚拟势场的有向传感器网络覆盖增强算法PFCEA (potential field based coverage-enhancing algorithm).通过引入“质心”概念,将有向传感器网络覆盖增强问题转化为质心均匀分布问题,以质心点作圆周运动代替传感器节点传感方向的转动.质心在虚拟力作用下作扩散运动,以消除网络中感知重叠区和盲区,进而增强整个有向传感器网络覆盖.一系列仿真实验验证了该算法的有效性.
关键词: 有向传感器网络;有向感知模型;虚拟势场;覆盖增强
中图法分类号: TP393 文献标识码: A
覆盖作为传感器网络中的一个基本问题,反映了传感器网络所能提供的“感知”服务质量.优化传感器网络覆盖对于合理分配网络的空间资源,更好地完成环境感知、信息获取任务以及提高网络生存能力都具有重要的意义[1].目前,传感器网络的初期部署有两种策略:一种是大规模的随机部署;另一种是针对特定的用途进行计划部署.由于传感器网络通常工作在复杂的环境下,而且网络中传感器节点众多,因此大都采用随机部署方式.然而,这种大规模随机投放方式很难一次性地将数目众多的传感器节点放置在适合的位置,极容易造成传感器网络覆盖的不合理(比如,局部目标区域传感器节点分布过密或过疏),进而形成感知重叠区和盲区.因此,在传感器网络初始部署后,我们需要采用覆盖增强策略以获得理想的网络覆盖性能.
目前,国内外学者相继开展了相关覆盖增强问题的研究,并取得了一定的进展[25].从目前可获取的资料来看,绝大多数覆盖问题研究都是针对基于全向感知模型(omni-directional sensing model)的传感器网络展开的[6],
即网络中节点的感知范围是一个以节点为圆心、以其感知距离为半径的圆形区域.通常采用休眠冗余节点[2,7]、
重新调整节点分布[811]或添加新节点[11]等方法实现传感器网络覆盖增强.
实际上,有向感知模型(directional sensing model)也是传感器网络中的一种典型的感知模型[12],即节点的感知范围是一个以节点为圆心、半径为其感知距离的扇形区域.由基于有向感知模型的传感器节点所构成的网络称为有向传感器网络.视频传感器网络是有向传感器网络的一个典型实例.感知模型的差异造成了现有基于全向感知模型的覆盖研究成果不能直接应用于有向传感器网络,迫切需要设计出一系列新方法.
在早期的工作中[13],我们率先开展有向传感器网络中覆盖问题的研究,设计一种基本的有向感知模型,用以刻画视频传感器节点的方向性感知特性,并研究有向传感器网络覆盖完整性以及通信连通性问题.同时,考虑到有向传感器节点传感方向往往具有可调整特性(比如PTZ摄像头的推拉摇移功能),我们进一步提出一种基于图论和计算几何的集中式覆盖增强算法[14],调整方案一经确定,网络中所有有向传感器节点并发地进行传感方向的一次性调整,以此获得网络覆盖性能的增强.但由于未能充分考虑到有向传感器节点局部位置及传感方向信息,因而,该算法对有向传感器网络覆盖增强的能力相对有限.
本文将基本的有向感知模型扩展为方向可调感知模型,研究有向传感器网络覆盖增强问题.首先定义了方向可调感知模型,并分析随机部署策略对有向传感器网络覆盖率的影响.在此基础上,分析了有向传感器网络覆盖增强问题.本文通过引入“质心”概念,将待解决问题转化为质心均匀分布问题,提出了一种基于虚拟势场的有向传感器网络覆盖增强算法PFCEA(potential field based coverage-enhancing algorithm).质心在虚拟力作用下作扩散运动,逐步消除网络中感知重叠区和盲区,增强整个网络覆盖性能.最后,一系列仿真实验验证了PFCEA算法的有效性.
1 有向传感器网络覆盖增强问题
本节旨在分析和定义有向传感器网络覆盖增强问题.在此之前,我们对方向可调感知模型进行简要介绍.
1.1 方向可调感知模型
不同于目前已有的全向感知模型,方向可调感知模型的感知区域受“视角”的限制,并非一个完整的圆形区域.在某时刻t,有向传感器节点具有方向性感知特性;随着其传感方向的不断调整(即旋转),有向传感器节点有能力覆盖到其传感距离内的所有圆形区域.由此,通过简单的几何抽象,我们可以得到有向传感器节点的方向可调感知模型,如图1所示.
定义1. 方向可调感知模型可用一个四元组P,R, ,
表示.其中,P=(x,y)表示有向传感器节点的位置坐标;R表示节
点的最大传感范围,即传感半径;单位向量 = 为扇形感知区域的中轴线,即节点在某时刻t时的传感方向; 和 分别是单位向量 在X轴和Y轴方向上的投影分量;表示边界距离传感向量 的传感夹角,2代表传感区域视角,记作FOV.
特别地,当=时,传统的全向感知模型是方向可调感知模型的一个特例.
若点P1被有向传感器节点vi覆盖成立,记为viP1,当且仅当满足以下条件:
(1) ,其中, 代表点P1到该节点的欧氏距离;
(2) 与 间夹角取值属于[,].
判别点P1是否被有向传感器节点覆盖的一个简单方法是:如果 且 ,那么,点P1
被有向传感器节点覆盖;否则,覆盖不成立.另外,若区域A被有向传感节点覆盖,当且仅当区域A中任何一个点都被有向传感节点覆盖.除非特别说明,下文中出现的“节点”和“传感器节点”均满足上述方向可调感知模型.
1.2 有向传感器网络覆盖增强问题的分析与定义
在研究本文内容之前,我们需要作以下必要假设:
A1. 有向传感器网络中所有节点同构,即所有节点的传感半径(R)、传感夹角()参数规格分别相同;
A2. 有向传感器网络中所有节点一经部署,则位置固定不变,但其传感方向可调;
A3. 有向传感器网络中各节点都了解自身位置及传感方向信息,且各节点对自身传感方向可控.
假设目标区域的面积为S,随机部署的传感器节点位置满足均匀分布模型,且目标区域内任意两个传感器节点不在同一位置.传感器节点的传感方向在[0,2]上也满足均匀分布模型.在不考虑传感器节点可能落入边界区域造成有效覆盖区域减小的情况下,由于每个传感器节点所监控的区域面积为R2,则每个传感器节点能监测整个目标区域的概率为R2/S.目标区域被N个传感器节点覆盖的初始概率p0的计算公式为(具体推导过程参见文献[14])
(1)
由公式(1)可知,当目标区域内网络覆盖率至少达到p0时,需要部署的节点规模计算公式为
(2)
当网络覆盖率分别为p0和p0+p时,所需部署的传感器节点数目分别为ln(1p0)/,ln(1(p0+p))/.其中, =ln(SR2)lnS.因此,传感器节点数目差异N由公式(3)可得,
(3)
当目标区域面积S、节点传感半径R和传感夹角一定时,为一常数.此时,N与p0,p满足关系如图2所示(S=500500m2,R=60m,=45º).从图中我们可以看出,当p0一定时,N随着p的增加而增加;当p一定时,N随着p0的增加而增加,且增加率越来越大.因此,当需要将覆盖率增大p时,则需多部署N个节点(p0取值较大时(80%),p取值每增加1%,N就有数十、甚至数百的增加).如果采用一定的覆盖增强策略,无须多部署节点,就可以使网络覆盖率达到p0+p,大量节省了传感器网络部署成本.
设Si(t)表示节点vi在传感向量为 时所覆盖的区域面积.运算操作Si(t)Sj(t)代表节点vi和节点vj所能覆盖到的区域总面积.这样,当网络中节点传感向量取值为 时,有向传感器网络覆盖率可表
示如下:
(4)
因此,有向传感器网络覆盖增强问题归纳如下:
问题:求解一组 ,使得对于初始的 ,有 取值
接近最大.
Fig.2 The relation among p0, p and N
图2 p0,p和N三者之间的关系
2 基于虚拟势场的覆盖增强算法
2.1 传统虚拟势场方法
虚拟势场(virtual potential field)的概念最初应用于机器人的路径规划和障碍躲避.Howard等人[8]和Pori等人[9]先后将这一概念引入到传感器网络的覆盖增强问题中来.其基本思想是把网络中每个传感器节点看作一个虚拟的电荷,各节点受到其他节点的虚拟力作用,向目标区域中的其他区域扩散,最终达到平衡状态,即实现目标区域的充分覆盖状态.Zou等人[15]提出了一种虚拟力算法(virtual force algorithm,简称VFA),初始节点随机部署后自动完善网络覆盖性能,以均匀网络覆盖并保证网络覆盖范围最大化.在执行过程中,传感器节点并不移动,而是计算出随机部署的传感器节点虚拟移动轨迹.一旦传感器节点位置确定后,则对相应节点进行一次移动操作.Li等人[10]为解决传感器网络布局优化,在文献[15]的基础上提出了涉及目标的虚拟力算法(target involved virtual force algorithm,简称TIVFA),通过计算节点与目标、热点区域、障碍物和其他传感器之间的虚拟力,为各节点寻找受力平衡点,并将其作为该传感器节点的新位置.
上述利用虚拟势场方法优化传感器网络覆盖的研究成果都是基于全向感知模型展开的.假定传感器节点间存在两种虚拟力作用:一种是斥力,使传感器节点足够稀疏,避免节点过于密集而形成感知重叠区域;另一种是引力,使传感器节点保持一定的分布密度,避免节点过于分离而形成感知盲区[15].最终利用传感器节点的位置移动来实现传感器网络覆盖增强.
2.2 基于虚拟势场的有向传感器网络覆盖增强算法
在实际应用中,考虑到传感器网络部署成本,所有部署的传感器节点都具有移动能力是不现实的.另外,传感器节点位置的移动极易引起部分传感器节点的失效,进而造成整个传感器网络拓扑发生变化.这些无疑都会增加网络维护成本.因而,本文的研究工作基于传感器节点位置不变、传感方向可调的假设.上述假设使得直接利用虚拟势场方法解决有向传感器网络覆盖增强问题遇到了麻烦.在传统的虚拟势场方法中,传感器节点在势场力的作用下进行平动(如图3(a)所示),而基于本文的假设,传感器节点表现为其扇形感知区域在势场力的作用下以传感器节点为轴心进行旋转(如图3(b)所示).
为了简化扇形感知区域的转动模型,我们引入“质心(centroid)”的概念.质心是质点系中一个特定的点,它与物体的平衡、运动以及内力分布密切相关.传感器节点的位置不变,其传感方向的不断调整可近似地看作是扇形感知区域的质心点绕传感器节点作圆周运动.如图3(b)所示,一个均匀扇形感知区域的质心点位于其对称轴上且与圆心距离为2Rsin/3.每个传感器节点有且仅有一个质心点与其对应.我们用c表示传感器节点v所对应的质心点.本文将有向传感器网络覆盖增强问题转化为利用传统虚拟势场方法可解的质心点均匀分布问题,如图4所示.
Fig.3 Moving models of sensor node
图3 传感器节点的运动模型
Fig.4 The issue description of coverage enhancement in directional sensor networks
图4 有向传感器网络覆盖增强问题描述
2.2.1 受力分析
利用虚拟势场方法增强有向传感器网络覆盖,可以近似等价于质心点-质心点(c-c)之间虚拟力作用问题.我们假设质心点-质心点之间存在斥力,在斥力作用下,相邻质心点逐步扩散开来,在降低冗余覆盖的同时,逐渐实现整个监测区域的充分高效覆盖,最终增强有向传感器网络的覆盖性能.在虚拟势场作用下,质心点受来自相邻一个或多个质心点的斥力作用.下面给出质心点受力的计算方法.
如图5所示,dij表示传感器节点vi与vj之间的欧氏距离.只有当dij小于传感器节点传感半径(R)的2倍时,它们的感知区域才存在重叠的可能,故它们之间才存在产生斥力的作用,该斥力作用于传感器节点相应的质心点ci和cj上.
定义2. 有向传感器网络中,欧氏距离不大于节点传感半径(R)2倍的一对节点互为邻居节点.节点vi的邻居节点集合记作i.即i={vj|Dis(vi,vj)2R,ij}.
我们定义质心点vj对质心点vi的斥力模型 ,见公式(5).
(5)
其中,Dij表示质心点ci和cj之间的欧氏距离;kR表示斥力系数(常数,本文取kR=1);ij为单位向量,指示斥力方向(由质心点cj指向ci).公式(5)表明,只有当传感器节点vi和vj互为邻居节点时(即有可能形成冗余覆盖时),其相应的质心点ci和cj之间才存在斥力作用.质心点所受斥力大小与ci和cj之间的欧氏距离成反比,而质心点所受斥力方向由ci和cj之间的相互位置关系所决定.
质心点ci所受合力是其受到相邻k个质心点排斥力的矢量和.公式(6)描述质心点ci所受合力模型 .
(6)
通过如图6所示的实例,我们分析质心点的受力情况.图中包括4个传感器节点:v1,v2,v3和v4,其相应的质心
点分别为c1,c2,c3和c4.以质心点c1为例,由于d122R,故 ,质心点c1仅受到来自质心点c3和c4的斥力,其所受合力 .传感器节点传感方向旋转导致质心点的运动轨迹并不是任意的,而是固定绕传感器节点作圆周运动.因此,质心点的运动仅仅受合力沿圆周切线方向分量 的影响.
Fig.6 The force on centroid
图6 质心点受力
2.2.2 控制规则(control law)
本文基于一个虚拟物理世界研究质心点运动问题,其中作用力、质心点等都是虚拟的.该虚拟物理世界的构建是建立在求解问题特征的基础上的.在此,我们定义控制规则,即规定质心点受力与运动之间的关系,以达到质心点的均匀分布.
质心点在 作用下运动,受到运动学和动力学的双重约束,具体表现如下:
(1) 运动学约束
在传统传感器网络中利用虚拟势场方法移动传感器节点的情况下,由于传感器节点向任意方向运动的概率是等同的,我们大都忽略其所受的运动学约束[8].而在转动模型中,质心点的运动不是任意方向的,受合力沿圆
周切线方向分量 的影响,只能绕其传感器节点作圆周运动.
质心点在运动过程中受到的虚拟力是变化的,但对传感器网络系统来说,传感器节点之间每时每刻都交换邻居节点位置及传感方向信息是不现实的.因此,我们设定邻居节点间每隔时间步长t交换一次位置及传感方向信息,根据交换信息计算当前时间步长质心点所受合力,得出转动方向及弧长.同时,问题求解的目的在于将节点的传感方向调整至一个合适的位置.在此,我们不考虑速度和加速度与转动弧长之间的关系.
(2) 动力学约束
动力学约束研究受力与运动之间的关系.本运动模型中的动力学约束主要包含两方面内容:
• 每个时间步长t内,质心点所受合力与转动方向及弧长之间的关系;
• 质心点运动的静止条件.
在传统传感器网络中利用虚拟势场方法移动传感器节点的情况下,在每个时间步长内,传感器节点的运动速度受限于最大运动速度vmax,而不是随传感器节点受力无止境地增加.通过此举保证微调方法的快速收敛.在本转动模型中,我们同样假设质心点每次固定以较小的转动角度进行转动,通过多次微调方法逐步趋向最优解,即在每个时间步长t内,质心点转动的方向沿所受合力在圆周切线方向分量,转动大小不是任意的,而是具有固定转动角度.采用上述方法的原因有两个:
• 运动过程中,质心点受力不断变化,且变化规律很难用简单的函数进行表示,加之上述运动学约束和问题特征等因素影响,我们很难得出一个简明而合理的质心点所受合力与转动弧长之间的关系.
• 运动过程中,质心点按固定角度进行转动,有利于简化计算过程,减少节点的计算负担.同时,我们通过分析仿真实验数据发现,该方法具有较为理想的收敛性(具体讨论参见第3.2节).
固定转动角度取值不同对PFCEA算法性能具有较大的影响,这在第3.3节中将加以详细的分析和说明.
当质心点所受合力沿圆周切线方向分量为0时,其到达理想位置转动停止.如图7所示,我们假定质心点在圆周上O点处合力切向分量为0.由于质心点按固定转动角度进行转动,因此,它
未必会刚好转动到O点处.当质心点处于图7中弧 或 时,会
因合力切向分量不为0而导致质心点围绕O点附近往复振动.因此,为避免出现振动现象,加速质心点达到稳定状态,我们需要进一步限定质心点运动的停止条件.
当质心点围绕O点附近往复振动时,其受合力的切向分量很
小.因此,我们设定受力门限,当 (本文取=10e6),即可认
定质心点已达到稳定状态,无须再运动.经过数个时间步长t后,当网络中所有质心点达到稳定状态时,整个传感器网络即达到稳定状态,此时对应的一组 ,该
组解通常为本文覆盖增强的较优解.
2.3 算法描述
基于上述分析,本文提出了基于虚拟势场的网络覆盖增强算法(PFCEA),该算法是一个分布式算法,在每个传感器节点上并发执行.PFCEA算法描述如下:
输入:节点vi及其邻居节点的位置和传感方向信息.
输出:节点vi最终的传感方向信息 .
1. t0; //初始化时间步长计数器
2. 计算节点vi相应质心点ci初始位置 ;
3. 计算节点vi邻居节点集合i,M表示邻居节点集合中元素数目;
4. While (1)
4.1 tt+1;
4.2 ;
4.3 For (j=0; j<M; j++)
4.3.1 计算质心点cj对ci的当前斥力 ,其中,vji;
4.3.2 ;
4.4 计算质心点ci当前所受合力 沿圆周切线分量 ;
4.5 确定质心点ci运动方向;
4.6 If ( ) Then
4.6.1 质心点ci沿 方向转动固定角度;
4.6.2 调整质心点ci至新位置 ;
4.6.3 计算节点vj指向当前质心点ci向量并单位化,得到节点vi最终的传感方向信息 ;
4.7 Sleep (t);
5. End.
3 算法仿真与性能分析
我们利用VC6.0自行开发了适用于传感器网络部署及覆盖研究的仿真软件Senetest2.0,并利用该软件进行了大量仿真实验,以验证PFCEA算法的有效性.实验中参数的取值见表1.为简化实验,假设目标区域中所有传感器节点同构,即所有节点的传感半径及传感夹角规格分别相同.
Table 1 Experimental parameters
表1 实验参数
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 实例研究
在本节中,我们通过一个具体实例说明PFCEA算法对有向传感器网络覆盖增强.在500500m2的目标区域内,我们部署传感半径R=60m、传感夹角=45º的传感器节点完成场景监测.若达到预期的网络覆盖率p=70%, 通过公式(1),我们可预先估算出所需部署的传感器节点数目,
.
针对上述实例,我们记录了PFCEA算法运行不同时间步长时有向传感器网络覆盖增强情况,如图8所示.
(a) Initial coverage, p0=65.74%
(a) 初始覆盖,p0=65.74% (b) The 10th time step, p10=76.03%
(b) 第10个时间步长,p10=76.03%
(c) The 20th time step, p20=80.20%
(c) 第20个时间步长,p20=80.20% (d) The 30th time step, p30=81.45%
(d) 第30个时间步长,p30=81.45%
Fig.8 Coverage enhancement using PFCEA algorithm
图8 PFCEA算法实现覆盖增强
直观看来,质心点在虚拟斥力作用下进行扩散运动,逐步消除网络中感知重叠区和盲区,最终实现有向传感器网络覆盖增强.此例中,网络传感器节点分别经过30个时间步长的调整,网络覆盖率由最初的65.74%提高到81.45%,网络覆盖增强达15.71个百分点.
图9显示了逐个时间步长调整所带来的网络覆盖增强.我们发现,随着时间步长的增加,网络覆盖率也不断增加,且近似满足指数关系.当时间步长达到30次以后,网络中绝大多数节点的传感方向出现振动现象,直观表现为网络覆盖率在81.20%附近在允许的范围振荡.此时,我们认定有向传感器网络覆盖性能近似增强至最优.
网络覆盖性能可以显着地降低网络部署成本.实例通过节点传感方向的自调整,在仅仅部署105个传感器节点的情况下,最终获得81.45%的网络覆盖率.若预期的网络覆盖率为81.45%,通过公式(1)的计算可知,我们至少需要部署148个传感器节点.由此可见,利用PFCEA算法实现网络覆盖增强的直接效果是可以节省近43个传感器节点,极大地降低了网络部署成本.
3.2 收敛性分析
为了讨论本文算法的收敛性,我们针对4种不同的网络节点规模进行多组实验.我们针对各网络节点规模随机生成10个拓扑结构,分别计算算法收敛次数,并取平均值,实验数据见表2.其他实验参数为R=60m,=45º, =5º.
Table 2 Experimental data for convergence analysis
表2 实验数据收敛性分析
(%)
(%)
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
分析上述实验数据,我们可以得出,PFCEA算法的收敛性即调整的次数,并不随传感器网络节点规模的变化而发生显着的改变,其取值一般维持在[20,30]范围内.由此可见,本文PFCEA算法具有较好的收敛性,可以在较短的时间步长内完成有向传感器网络的覆盖增强过程.
3.3 仿真分析
在本节中,我们通过一系列仿真实验来说明4个主要参数对本文PFCEA算法性能的影响.它们分别是:节点规模N、传感半径R、传感夹角和(质心点)转动角度.针对前3个参数,我们与以往研究的一种集中式覆盖增强算法[14]进行性能分析和比较.
A. 节点规模N、传感半径R以及传感角度
我们分别取不同节点规模进行仿真实验.从图10(a)变化曲线可以看出,当R和一定时,N取值较小导致网络初始覆盖率较小.此时,随着N的增大,p取值呈现持续上升趋势.当N=200时,网络覆盖率增强可达14.40个百分点.此后,p取值有所下降.这是由于当节点规模N增加导致网络初始覆盖率较高时(如60%),相邻多传感器节点间形成覆盖盲区的概率大为降低,无疑削弱了PFCEA算法的性能.另外,部分传感器节点落入边界区域,也会间接起到削弱PFCEA算法性能的作用.
另外,传感半径、传感角度对PFCEA算法性能的影响与此类似.当节点规模一定时,节点传感半径或传感角度取值越小,单个节点的覆盖区域越小,各相邻节点间形成感知重叠区域的可能性也就越小.此时,PFCEA算法对网络覆盖性能改善并不显着.随着传感半径或传感角度的增加,p不断增加.当R=70m且=45º时,网络覆盖率最高可提升15.91%.但随着传感半径或传感角度取值的不断增加,PFCEA算法带来的网络覆盖效果降低,如图10(b)、图10(c)所示.
(c) The effect of sensing offset angle , other parameters meet N=100, R=40m, =5º
(c) 传感角度的影响,其他实验参数满足:N=100,R=40m,=5º
⑺ 求传感器毕业论文前言、摘要！
摘要:本文简述了无线传感器网络的定义、组成及特点，并结合其特点介绍了无线传感器网络在各行各业广泛的应用价值和未来发展前景以及目前存在的技术问题。 关键词:无线传感器网络；组成；应用；发展 科技发展的脚步越来越快，人类已经置身于信息时代。而作为信息获取最重要和最基本的技术——传感器技术，也得到了极大的发展。传感器信息获取技术已经从过去的单一化渐渐向集成化、微型化和网络化方向发展，并将会带来一场信息革命。具有感知能力、计算能力和通信能力的无线传感器网络（WSN, wireless sensor networks）综合了传感器技术、嵌人式计算技术、分布式信息处理技术和通信技术，能够协作地实时监测、感知和采集网络分布区域内的各种环境或监测对象的信息，并对这些信息进行处理，获得详尽而准确的信息，传送到需要这些信息的用户。 由于WSN的巨大应用价值，它已经引起了世界许多国家的军事部门、工业界和学术界的广泛关注，被广泛地应用于军事，工业过程控制、国家安全、环境监测等领域。 无线传感器网络综合了传感器技术、嵌入式计算技术、现代网络及无线通信技术、分布式信息处理技术等多种领域，是当前计算机网络研究的热点。 一、发展概述 早在上世纪70年代，就出现了将传统传感器采用点对点传输、连接传感控制器而构成传感器网络雏形，我们把它归之为第一代传感器网络。随着相关学科的不断发展和进步，传感器网络同时还具有了获取多种信息信号的综合处理能力，并通过与传感控制器的相联，组成了有信息综合和处理能力的传感器网络，这是第二代传感器网络。而从上世纪末开始，现场总线技术开始应用于传感器网络，人们用其组建智能化传感器网络，大量多功能传感器被运用，并使用无线技术连接，无线传感器网络逐渐形成。 无线传感器网络是新一代的传感器网络，具有非常广泛的应用前景，其发展和应用，将会给人类的生活和生产的各个领域带来深远影响。发达国家如美国，非常重视无线传感器网络的发展，IEEE正在努力推进无线传感器网络的应用和发展，波士顿大学（Boston University）还于最近创办了传感器网络协会（Sensor Network Consortium），期望能促进传感器联网技术开发。美国的《技术评论》杂志在论述未来新兴十大技术时，更是将无线传感器网络列为第一项未来新兴技术，《商业周刊》预测的未来四大新技术中，无线传感器网络也列入其中。可以预计，无线传感器网络的广泛是一种必然趋势，它的出现将会给人类社会带来极大的变革。 二、无线传感器网络的定义和特点 无线传感器网络可以看成是由数据获取网络、数据分布网络和控制管理中心三部分组成的。其主要组成部分是集成有传感器、数据处理单元和通信模块的节点,各节点通过协议自组成一个分布式网络,再将采集来的数据通过优化后经无线电波传输给信息处理中心。 无线传感器网络操作系统Tiny0S141的研制者，Jason Hill博士把WSN定义为： Sensing＋CPU＋Radio＝Thousands of potential application 哈尔滨工业大学的李建中教授将WSN定义为：WSN是由一组传感器节点以自组织的方式构成的有线或无线网络，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖的地理区域中感知对象的信息，并发布给观察者。从硬件上看，WSN节 点主要由数据采集单元、数据处理单元、无线数据收发单元以及小型电池单元组成，通常尺寸很小，具有低成本、低功耗、多功能等特点；从软件上看，它借助于节点中内置传感器有效探测所处区域的温度、湿度、光强度、压力等环境参数以及待测对象的电压、电流等物理参数，并通过无线网络将探测信息传送到数据汇聚中心 进行处理、分析和转发。
原文出自： http://www.3qlw.com/gongxue/tongxinxue/2010-07-22/1420.html