无线传感器网络
无线传感器网络实验报告
一、实验背景随着物联网技术的飞速发展，无线传感器网络（Wireless Sensor Networks，WSN）作为一种重要的信息获取和传输手段，在军事、环境监测、智能交通、智能家居等领域得到了广泛应用。
为了深入了解无线传感器网络的工作原理和关键技术，我们进行了本次实验。
二、实验目的1. 熟悉无线传感器网络的基本概念和组成；2. 掌握无线传感器网络的通信协议和拓扑结构；3. 熟悉无线传感器网络的编程与调试方法；4. 通过实验，提高动手能力和实践能力。
三、实验内容1. 无线传感器网络概述无线传感器网络由传感器节点、汇聚节点和终端节点组成。
传感器节点负责感知环境信息，汇聚节点负责收集和转发数据，终端节点负责处理和显示数据。
传感器节点通常由微控制器、传感器、无线通信模块和电源模块组成。
2. 无线传感器网络通信协议无线传感器网络的通信协议主要包括物理层、数据链路层和网络层。
物理层负责无线信号的传输，数据链路层负责数据的可靠传输，网络层负责数据路由和传输。
3. 无线传感器网络拓扑结构无线传感器网络的拓扑结构主要有星形、树形、网状和混合形等。
星形拓扑结构简单，但易受中心节点故障影响；树形拓扑结构具有较高的路由效率，但节点间距离较长；网状拓扑结构具有较高的可靠性和路由效率，但节点间距离较远。
4. 无线传感器网络编程与调试本实验采用ZigBee模块作为无线通信模块，利用IAR Embedded WorkBench开发环境进行编程。
实验内容如下：（1）编写传感器节点程序，实现数据的采集和发送；（2）编写汇聚节点程序，实现数据的收集、处理和转发；（3）编写终端节点程序，实现数据的接收和显示。
5. 实验步骤（1）搭建实验平台，包括传感器节点、汇聚节点和终端节点；（2）编写传感器节点程序，实现数据的采集和发送；（3）编写汇聚节点程序，实现数据的收集、处理和转发；（4）编写终端节点程序，实现数据的接收和显示；（5）调试程序，确保各节点间通信正常；（6）观察实验结果，分析实验现象。
无线传感器网络的原理与应用
无线传感器网络的原理与应用无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）是由大量的节点组成的，这些节点能够在没有预先布置的情况下自组织连接并进行数据交换。
WSN广泛应用于环境监测、智能交通、农业、医疗等领域。
本文将详细介绍WSN的原理和应用，并列出相应步骤。
一、无线传感器网络的原理1.1 传感器节点：传感器节点是WSN的核心组成部分，每个节点都配备有传感器和通信设备，能够感知并采集环境中的信息。
1.2 通信方式：传感器节点之间通过无线通信方式进行数据传输，可以是无线电、红外线、蓝牙等。
1.3 自组织连接：传感器节点可以自动组成网络，建立连接并进行协调。
1.4 节能机制：由于传感器节点通常使用电池供电，为了延长其寿命，需要采取一系列节能措施。
二、无线传感器网络的应用2.1 环境监测：WSN可以用于监测大气污染物、水质、噪音等，将监测结果传送给监测中心进行分析和处理。
2.2 智能交通：将传感器节点安装在道路、交通信号灯等位置，实时监测交通情况，从而提供实时交通状况和拥堵预警等信息。
2.3 农业：WSN可以监测土壤湿度、温度、光照强度等农田信息，帮助农民进行精细化管理，提高农作物产量和质量。
2.4 医疗：传感器节点可以被植入患者体内，监测体温、心率、血压等生理参数，实时传输给医生进行远程监护。
三、无线传感器网络的应用步骤3.1 感知环境：根据应用需求，选择适当的传感器节点，布置在需要监测的区域内，感知环境中的信息。
3.2 数据传输：传感器节点将采集到的数据通过无线通信传输给数据中心或者其他节点进行处理。
3.3 数据处理：数据中心对传感器节点传输过来的数据进行处理，提取有用信息，并进行分析和应用。
3.4 决策和控制：根据数据分析的结果，采取相应的决策和控制措施，如减少污染物排放、调整交通信号灯等。
3.5 远程监控：通过互联网等手段，可以远程监控传感器节点的工作状态、数据采集情况等。
无线传感器网络名词解释
无线传感器网络名词解释1、无线自组织网络：是一种不同于传统无线通信网络的技术传统的无线蜂窝通信网络，需要固定的网络设备如基地站的支持，进行数据的转发和用户服务控制。
而无线自组织网络不需要固定设备支持，各节点即用户终端自行组网，通信时由其他用户节点进行数据的转发。
这种网络形式突破了传统无线蜂窝网络的地理局限性，能够更加快速、便捷、高效地部署，适合于一些紧急场合的通信需要，如战场的单兵通信系统。
2、无线传感器网络WSN无线传感器网络就是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中被感知对象的信息，并发送给观察者。
传感器、感知对象和观察者构成了无线传感器网络的三个要素3、基带信号：信源（信息源，也称发送端）发出的没有经过调制（进行频谱搬移和变换）的原始电信号，其特点是频率较低，信号频谱从零频附近开始，具有低通形式。
根据原始电信号的特征，基带信号可分为数字基带信号和模拟基带信号（相应地，信源也分为数字信源和模拟信源。
）其由信源决定。
4、模拟调制：调制在通信系统中的作用至关重要。
广义的调制分为基带调制和带通调制（也称载波调制）。
在无线通信中和其他大多数场合，调制一般均指载波调制。
调制信号是指来自信源的消息信号（基带信号），这些信号可以是模拟的，也可以是数字的。
调制方式有很多。
根据调制信号是模拟信号还是数字信号，载波是连续波（通常是正弦波）还是脉冲序列，相应的调制方式有模拟连续波调制（简称模拟调制）、数字连续波调制（简称数字调制）、模拟脉冲调制和数字脉冲调制等。
5、数字调制：数字调制是现代通信的重要方法，它与模拟调制相比有许多优点。
数字调制具有更好的抗干扰性能，更强的抗信道损耗，以及更好的安全性；数字传输系统中可以使用差错控制技术，支持复杂信号条件和处理技术，如信源编码、加密技术以及均衡等。
在数字调制中，调制信号可以表示为符号或脉冲的时间序列，其中每个符号可以有m种有限状态，而每个符号又可采用n比特来表示。
无线传感网络
无线传感网络无线传感器网络(Wireless Sensor Networks, WSN)是一种分布式传感网络。
是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统。
WSN中的传感器节点通过无线方式通信，网络设置灵活，设备位置可以随时更改，还可以跟互联网进行有线或无线方式的连接。
且在科技水平大幅度提高的基础上传感器节点的成本和能耗也逐渐降低，使得WSN在很多领域得到应用。
最早现代意义上的传感器是1879年德国科学家霍尔在研究金属的导电机制时制作的磁场传感器。
经过100多年的发展，传感器的功能不再单一，可以采集温度、湿度、位置、光强、压力、生化等标量数据。
1996年，美国军方资助加州大学洛杉矶分校（UCLA）等单位开展低功耗无线传感器网络（Low-power Wireless Integrated Microsensors，LWIM）的研究。
LWIM III型无线传感器节点将传感器、控制电路与电源电路集成为一体。
两年之后，UCLA与Rockwell合作，开发了Rockwell WINS（Wireless Integrated Network Sensor）无线传感器节点。
该节点使用32位微处理器Strong ARM、1MB的内存与4MB的闪存，数据传输速率是100kbps，工作时的功耗为200mw，睡眠时的功耗是0.8mw。
与此同时，加州大学伯克利分校（UCB）也开展了“Smart Dust”（智能尘埃）项目的研究。
“智能尘埃”意指传感器节点的体积非常小，如尘埃一般。
该项目研究的目标是通过MEMS技术，实现传感、计算与通信能力的集成，用智能传感器技术增强微型机器人的环境感知与智慧处理能力。
其研究任务是开发一系列低功耗、自组织、可重构的无线传感器节点。
1998年研制的WeC智能传感器节点使用的是8位、主频为4MHz的AT90LS8535微处理器芯片，内存是512B，闪存为8kB，数据传输速率为10kbps，工作时的功耗为15mw，睡眠时的功耗是45μw。
无线传感网络综述
1、无线传感网络简介无线传感器网络WSN（Wireless Sensor Network）是一种由传感器节点构成的网络，能够实时地监测、感知和采集节点部署区中观察者感兴趣的感知对象的各种信息（如光强、温度、湿度、噪音和有害气体浓度等物理现象），并对这些信息进行处理后以无线的方式发送出去，通过无线网络最终发送给观察者。
2、无线传感网络的特点1）硬件资源有限：节点由于受价格、体积和功耗的限制，其计算能力、程序空间和内存空间比普通的计算机功能要弱很多。
这一点决定了在节点操作系统设计中，协议层次不能太复杂。
2）传感节点数目多、易失效：根据应用的不同，传感器节点的数量可能达到几百万个，甚至更多。
此外，传感器网络工作在比较恶劣的环境中，经常有新节点加入或已有节点失效，网络的拓扑结构变化很快，而且网络一旦形成，人很少干预其运行。
因此，传感器网络的硬件必须具有高强壮性和容错性，相应的通信协议必须具有可重构和自适应性。
3）通信能力有限：考虑到传感器节点的能量限制和网络覆盖区域大，传感器网络采用多跳路由的传输机制。
传感器节点的无线通信带宽有限，通常仅有几百kbps 的速率。
由于节点能量的变化，受高山、建筑物、障碍物等地势地貌以及风雨雷电等自然环境的影响，无线通信性能可能经常变化，频繁出现通信中断。
4）电源能量有限：网络节点由电池供电，电池的容量一般不是很大。
其特殊的应用领域决定了在使用过程中，不能给电池充电或更换电池，一旦电池能量用完，这个节点也就失去了作用。
因此在无线传感器网络设计过程中，任何技术和协议的使用都要以节能为前提。
5）以数据为中心是网络的核心技术：对于观察者来说，传感器网络的核心是感知数据，而不是网络硬件。
例如，在应用于目标跟踪的传感器网络中，跟踪目标可能出现在任何地方，对目标感兴趣的用户只关心目标出现的位置和时间，并不关心哪个节点监测到目标。
以数据为中心的特点要求传感器网络的设计必须以感知数据管理和处理为中心，把数据库技术和网络技术紧密结合，从逻辑概念和软、硬件技术两个方面实现一个高性能的以数据为中心的网络系统，使用户如同使用通常的数据库管理系统和数据处理系统一样自如地在传感器网络上进行感知数据的管理和处理。
无线传感网络概述
无线传感网络概述学号031241119姓名魏巧班级0312411一、无线传感器网络（WSN）的定义：无线传感器网络（WSN）是指将大量的具有通信与计算能力的微小传感器节点，通过人工布设、空投、火炮投射等方法设置在预定的监控区域，构成的“智能”自治监控网络系统，能够检测、感知和采集各种环境信息或检测对象的信息。
二、传感器的节点分布及通信方式：由于传感器节点数量众多，布设时智能采用随机投放的方式，传感器节点的位置不能预先确定。
节点之间可以通过无线信道连接，并具有很强的协同能力，通过局部的数据采集、预处理以及节点间的数据交互来完成全局任务，同时节点之间采用自组织网络拓扑结构。
由于传感器节点是密集布设的，因此节点之间的距离很短，在传输信息方面多跳（multi—hop）、对等（peer to peer）通信方式比传统的单跳、主从通信方式更适合在无线传感器网络中使用，例如：使用多跳的通信方式可以有效地避免在长距离无线信号传播过程中遇到的信号衰落和干扰等各种问题。
三、WSN运行的环境：1、WSN可以在独立封闭的环境下（如局域网中）运行。
2、WSN也可以通过网关连接到网络基础设施上（如Internet）。
在这种情况中，远程用户可以通过Internet 浏览无线传感器网络采集的信息。
四、无线数据网络的定义及无线自组网络的特点：主流的无线网络技术，如IEEE 802.11、Bluetooth都是为了数据传输而设计的，我们称之为无线数据网络。
目前，无线数据网络研究的热点问题就是无线自组网络技术，这项技术可以实现不依赖于任何基础设施的移动节点在短时间内的互联。
特点有如下几点：（1）无中心和自组性（优点）：无线自组网络没有绝对的控制中心，网络中节点通知分布式的算法来协调彼此的行为，这种算法无需人工干预和其他预置网络设施就可以在任何时刻任何地方快速展开并自动组网。
（2）动态变化的网络拓扑（缺点）：移动终端能够以任意速度和方式在网中移动，在通过无线信道形成的网络拓扑随时可能发生变化。
无线传感器网络技术的应用
无线传感器网络技术的应用一、无线传感器网络概述无线传感器网络（Wireless Sensor Network, WSN）是由无线传感器节点组成的自组织且具有大规模分布性的网络系统。
其节点可以用于感知环境或者采集数据，通过网络将数据传回中心节点，实现环境监测、数据采集、控制等功能。
二、无线传感器网络技术的应用1. 环境监测随着城市化进程的加快以及空气、水质污染的严重性日益加剧，无线传感器网络技术可以用于环境监测。
比如，在城市的公园、广场等场所布置一些传感器节点，实时监测空气中的PM2.5、CO2等污染物，通过网络将数据传回中心节点，及时预警、保护市民健康。
2. 智能家居无线传感器网络技术可以应用于智能家居领域。
我们可以通过人体传感器节点将家中人员的行动轨迹、起居习惯等数据采集下来，作为智能设备的参考，从而实现智能应用的更加个性化和高效化。
3. 工业自动化无线传感器网络技术可以用于工业自动化控制中，通过感知原材料供应、生产设备状态等信息，及时处理数据，调整生产流程，提高生产效能，降低生产成本。
4. 农业领域无线传感器网络技术可以应用于农业领域，实现精准农业。
如在田地中布置传感器节点，感知土地植被的生长情况、温湿度等信息，通过数据分析，实现精准灌溉、肥料施用，提高农业生产效益。
5. 物联网无线传感器网络技术是物联网的核心技术之一，可以用于个人消费设备、智能家居、工业控制、领域监测等。
各种设备通过传感器节点实现信息的采集与传输，实现设备之间的互联互通，提高人们的生活品质和工业生产效能。
三、无线传感器网络技术的优势1. 低成本无线传感器节点的成本较低，可以降低网络整体成本，提高应用范围和普及度。
2. 系统灵活由于无线传感器节点的低成本和小规模，可以很容易地增加或减少节点的数量，实现对系统的灵活控制与管理。
3. 能源自主由于传感器节点体积小，通常适用的电池也比较小，可以通过能量自主技术和能源高效利用技术，实现长时间运行，避免了频繁更换电池的繁琐操作。
无线传感器网络(WSN)的特点与应用
无线传感器网络（WSN）的特点与应用无线传感器网络（Wireless Sensor Network，简称WSN）是一种由大量的分布式无线传感器节点组成的网络系统。
每个节点都具备感知、处理、存储和通信等能力，用于采集、传输和处理环境中的各种信息。
WSN的特点及其广泛应用使其成为了当代信息技术领域的研究热点。
一、特点1. 分布式自组织：WSN中的节点可以自组织地构建网络，无需人工干预。
节点通过相互通信和协调来共同完成任务，具备较强的自适应性和冗余容错能力。
2. 节点资源受限：WSN中的节点通常具备较小的计算、存储和能量资源。
为了降低成本和延长网络寿命，节点的硬件资源通常被设计为低功耗、低成本的微型设备。
3. 多传感器融合：WSN中的节点通常配备多种类型的传感器，如温度、湿度、光线、声音等。
通过对不同传感器数据的融合分析，可以提供更全面和准确的环境监测和信息获取。
4. 无线通信：WSN中的节点通过无线通信方式进行数据传输和网络连接。
无线通信不受地理位置限制，节点之间可以自由通信，提供了较大范围的网络覆盖。
二、应用1. 环境监测与物联网：WSN可以应用于环境监测领域，如气象、水质、土壤等。
通过部署大量节点，能够实时、精确地获取环境参数，为环境保护和资源管理提供科学依据。
2. 智能交通系统：WSN可用于智能交通系统中，通过节点部署在道路、交叉口等位置，实现车流量、车速等交通信息的实时监测和分析，并通过数据传输实现交通信号的智能控制。
3. 农业生产与精准农业：WSN可以用于农业领域，通过节点在田地中的布置，实时监测农田土壤湿度、温度以及农作物的生长情况，提供数据支持，实现农业生产的科学化和精细化管理。
4. 工业自动化与智能制造：WSN在工业自动化中的应用十分广泛，例如在工厂生产线上布置节点进行生产过程监控、设备状态检测和故障预警等，提高生产效率和质量。
5. 灾害监测与救援：WSN可以用于灾害监测和救援领域，如地震、火灾、洪水等。
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2.路由协议设计的关键问题
• (1)节点部署：根据不同应用合理地部署无线传感器网络 节点，尽量减少对路由协议的影响
• (2)数据精确前提下的能耗：无线传感器网络中的节点数 目较多，在进行精确计算时，部分节点可能由于要进行 大量计算和传输信息，而使节点的电池能量消耗殆尽
• (3)以数据为中心的数据报告模型：无线传感器网络的数 据报告依赖于应用与时间响应特性
• (4)鲁棒性与容错性：节点可能会由于能量耗尽、物理损 坏或环境干扰等因素造成故障或失效，而这不应该影响 整个网络服务
• (5)网络动态性：在许多应用需要考虑传感节点或基站的 移动
• (6)数据融合：由于传感节点可能会产生许多重复冗余的 数据，可以将从多个不同节点传输的相同的数据分组进 行数据融合以降低通信量
• 无线传感器网络具有众多类型的传感器节点， 可用来探测地震，电磁，温度，湿度，噪声， 光强度，压力，土壤成分，移动物体的大小、 速度和方向等周边环境参数。无线传感器网络 的任务是利用传感器节点来检测节点周围的环 境，收集相关数据，然后通过无线收发装置采 用多跳路由的方式将数据发送给汇聚节点，再 通过汇聚节点将数据传送到用户端，从而达到 对目标区域的监测。它综合了计算技术、通信 技术以及传感器技术，能通过各类集成化的微 型传感器协作地实时监测、感知和采集各种环 境信息或被监测对象的信息，这些信息以无线 方式发送，并以自组多跳的网络方式传送到用 户终端，从而实现物理世界、计算机世界以及 人类社会三元世界的连通。
无线传感器网络体系结构
• 一个典型的无线传感器网络结构包括传感 节点、汇聚节点、互联网或通信卫星和管 理节点等。
• 随着人们对传感器网络研究的不断深入， 研究人员提出了多个传感器节点上的协议 栈。
• 物理层：实现信道的选择、无线信号的监测、 信号的发送与接收等功能
• 数据链路层：负责数据成帧、帧检测、媒体访 问和差错控制。该层又可分为媒体访问控制 （MAC）子层和逻辑链路控制（LLC）子层。
• 移动管理平台：主要对节点移动进行检测 和注册，维护到达节点的路由
• 任务管理平台：是根据应用需求平衡和优 化调度任务
无线传感器网络的主要关键技术
• 物理层关键技术 • 信道接入技术 • 无线传感器网络路由 • 拓扑控制技术 • 覆盖技术 • 数据融合技术 • 定位与跟踪技术
无线传感器网络路由关键技术
• 网络层：负责路由生成与路由选择，主要功能 包括分组路由、网络互连、拥塞控制等。路由 协议的功能是在传感器节点和汇聚节点之间建 立路由，可靠地传递数据。
• 传输层：负责数据流的传输控制
• 应用层：主要负责获取数据并进行初步处理， 包括一系列基于监测任务的应用层软件
• 能量管理平台：其任务是能量分配，尽量 延长网络的可用时间，要考虑各个协议层 的节能。
LEACH路由协议
• LEACH（low energy adaptive clustering hierarchy）是 MIT研究人员A.Chandrakasan等人为无线传感器网络 设计的第一个低功耗自适应聚类路由协议。
• 其基本思想是将节点组织成簇结构形式，每个簇有 一个簇头节点(cluster head node)，其他节点作为非 簇头节点。所有的非簇头节点只与本簇头节点通信， 而簇头节点会收集簇内非簇头节点的数据，进行融 合后传输到汇聚节点。但簇头节点消耗能量多，则 使用轮转的方式选举簇头，对每一个传感器节点按 照平均功耗分配能量的使用，达到降低能耗和延长 网络生存周期的目的
1.无线传感器网络路由概述 路由协议的作用是寻找一条或多条满足一定
条件的、从源节点到目的节点的路径，将数据 分组沿着所寻找的路径进行转发，故路由协议 的功能是：一是搜索满足条件的从源节点到目 的节点的优化路径；二是转发数据分组。目前 根据无线传感器网络的结构、路由协议自身的 特点以及应用类型等，将路由协议分为：以数 据为中心的路由协议、基于层次结构的路由协 议、基于地理信息的路由协议、基于多路径的 路由协议
• 优点:实现简单
• 缺点：信息的重叠”和“內爆”“资源 盲点”
Directed Diffusion
• Directed Diffusion即定向扩散路由协议，是 一种以数据为中心并基于查询的路由技术。
为了能够适应网络拓扑的动态变化，定向
扩散路由协议周期性地对网络进行路由维 护和更新，其主要分为3个阶段：兴趣扩散、 梯度建立和路径加强
GEAR路由协议
• GEAR是基于地理位置的路由协议，它建立 汇聚节点到事件区域的优化路径，充分考 虑了能源有效性。
3.几种典型的路由协议
• Flooding路由协议 • Directed Diffusion • LEACH路由协议 • GEAR路由协议
Flooding路由协议
• Flooding协议是一种传统的洪泛路由协议， Flooding协议不要求维护网络的拓扑结构和 相关路由计算信息，仅要求节点在接收到 信息后以广播的方式向邻居节点转发数据 包，邻居节点重复执行上述过程，直到数 据包到达目的地或者该数据包的生命周期 结束
基于地理位置的无线传感器 网络路由
无线传感器网络的定义
• 无线传感器网络（wireless sensor network,WSN） 是由具有感知、处理和无线通信能力的微型节点 通过自组织方式形成的网络，是一种全新的信息 获取平台，能够实时监测和采集网络分布区域内 的各种检测对象的信息，并将这些信息发送到网 关节点，以实现复杂的指定范围内目标检测与跟 踪，具有快速展开、抗毁性强等特点，有着广阔 的应用前景。
兴趣扩散
梯度建立
路径加强
优点：节点仅与邻居节点通信，因此不用全局的地址机制； 为了节省能量消耗，每个节点都可以进行数据融合；数据的 发送是基于按需查询的，节点无需维护拓扑结构，因此可以 减少能量消耗。
缺点：由于它是基于查询驱动的路由协议，因而不适用于环
境监测等某些紧急上报应用的无线传感器网络。另外，对于 不同的应用，需要定义不同的<属性，值>对，从而限制了它 的应用。