无线传感器网络的研究与实现.pdf

第3 6 卷第5 期 中国矿业大学学报V 0 1 ．3 6N o ．5 2 0 0 7 年9 月J o u r n a lo fC h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g T e c h n o l o g yS e p ．2 0 0 7 文章编号1 0 0 0 1 9 6 4 2 0 0 7 0 5 0 6 2 6 0 4 无线传感器网络的研究与实现 张在琛，余旭涛，毕光国 东南大学信息科学与工程学院，江苏南京2 1 0 0 9 6 摘要为了实现高能量效率、低复杂度的无线传感器网络，设计了基于跳数的广播路由 H B B R 协议和随机一媒体接入控制 R M A C 协议，研究了无线传感器网络节点的低功耗、低成本实现技 术，并在此基础之上，研制了无线传感器网络硬件实验系统．计算机仿真和硬件实验表明，所设计 的协议能够实现高效、稳定的网络功能；所实现的硬件实验系统，在硬件资源非常有限的条件下， 能够实现对移动目标的实时跟踪． 关键词无线传感器网络；广播路由；媒体接入控制 中图分类号T N9 2文献标识码A S t u d ya n dI m p l e m e n t a t i o no fW i r e l e s sS e n s o rN e t w o r k s Z H A N GZ a i c h e n ，Y UX u t a o ，B IG u a n g g u o S c h o o lo fI n f o r m a t i o nS c i e n c ea n dE n g i n e e r i n g ，S o u t h e a s tU n i v e r s i t y ，N a m i n g ，J i a n g s u2 1 0 0 9 6 ，C h i n a A b s t r a c t T oi m p l e m e n th i g he n e r g ye f f i c i e n c ya n dl o wc o m p l e x i t yW i r e l e s sS e n s o rN e t w o r k s W S N ，aH o p B a s e dB r o a d c a s tR o u t i n g H B B R p r o t o c o la n daR a n d o m M e d i aA c c e s sC o n t r o l R M A C p r o t o c o lf o rW S Nw e r ep r o p o s e d ．L o wp o w e ra n dl o wc o s ti m p l e m e n t a t i o n t e c h n o l o g i e so fW S Nn o d e sw e r ea l s oi n v e s t i g a t e d ．B a s e do nt h e s e ，aW S Nt e s t b e dw a sr e a l - i z e d ．S i m u l a t i o na n dh a r d w a r et r i a l sr e s u l t ss h o wt h a tt h ep r o p o s e dp r o t o c o l sa r ee f f i c i e n ta n d s t a b l e ，a n dw i t hv e r yl i m i t e dh a r d w a r er e s o u r c e s ，t h et e s t b e di sa b l et ot r a c km o v i n go b j e c ti n r e a l t i m e ． K e yw o r d s w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s W S N ；h o p b a s e db r o a d c a s tr o u t i n g H B B R ；r a n d o m m e d i aa c c e s sc o n t r o l 1 0 M A C 无线传感器网络 w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s ， W S N 是指由大量传感器节点籍由无线通信方式 组成的信息传播网络，在军事、安全、生产、交通和 日常生活等众多领域都有着广阔的应用前景，是近 年来无线通信领域研究和应用的热点之一． 与一般的无线通信网络相比，W S N 有其自身 的特点，比如无线传感器节点能量有限，处理能力 和通信能力很弱，网络中的节点数量一般很大，网 络的拓扑结构经常变化等．针对W S N 的特点和应 用要求，研究者提出了多种技术和解决方案D - 4 3 ．在 物理层技术方面，基于超宽带、线性调频等技术，设 计了低成本、功耗的实现方案；在网络技术方面，提 出了平面型路由协议、分层路由协议等，在协议设 计中，重点考虑网络的能量效率，并提供服务质量 q u a l i t yo fs e r v i c e ，Q o s 保证机制．同时，还结合 W S N 的特点，通过跨层设计的方法，提高系统的 整体实现效率． 在前人工作基础之上，针对事件驱动型W S N 进行了专门研究，设计了高效的W S N 路由协议和 媒体接入控制 m e d i aa c c e s sc o n t r o l ，M A C 层协 收稿日期2 0 0 7 一0 2 2 5 基金项目江苏省自然科学基金项目 B K 2 0 0 5 4 0 9 作者简介张在琛 1 9 7 5 一 。男，江苏省南京市人，副研究员，博士，从事无线通信技术方面的研究 E - m a l l z c z h a n g { 园s e u ．e d u ．c r l T e l 0 2 5 8 3 7 9 3 2 6 7 万方数据 第5 期张在琛等无线传感器网络的研究与实现6 2 7 议，研究了低功耗、低成本无线传感器节点物理层 技术，并成功实现了W S N 硬件实验系统．该系统 能够在办公区域内对移动目标进行实时的监控和 跟踪． 1 基于跳数的广播路由协议 基于已有的梯度广播 G R A d i e n tB r o a d c a s t ， G R A B 路由算法[ 5 ] ，用网络中的跳数信息代替原 来基于能量的梯度信息，设计并实现了基于跳数的 广播路由 h o p b a s e db r o a d c a s tr o u t i n g ，H B B R 协议，H B B R 协议的设计目标是要尽量减小协议 对网络节点处理能力的要求，同时稳定、健壮地完 成网络的路由功能．其中的网络节点不需要维护路 由表．节点只需知道自己与信息收集 S i n k 节点之 间的跳数，即可据此对收到的包做出路由选择． H B B R 协议假设网络中有一个S i n k 节点和众 多一般无线传感器节点 以下简称为“一般节点” ． S i n k 节点定期发送广播包，发送时设广播包中的 跳数值为0 ．收到广播包的一般节点，根据广播包 中的跳数值更新自己与S i n k 节点之间的跳数信 息，并重新设置广播包中的跳数值，然后转发此广 播包．算法的具体流程如图1 所示．这样，通过广播 包的发送和转发，网络中的每个一般节点将获得其 自身与S i n k 节点之间的跳数信息．当一般节点需 要发送信息至S i n k 节点时，将发送的数据包中的 跳数值设为此节点与S i n k 节点之间的跳数．其它 节点接收到此数据包时，通过比较自己的跳数值和 包中的跳数值，做出是否转发此数据包的决定． r _ 丽 0 初始化 0 收到广播包 嗡≤磊；淤丕．1 或包的跳数小于 兰 | 丢弃包 。本节点跳数 ，／ 星 本节点跳数 包的跳数 l 迥苎竺竺兰竺三一 是 咆的跳数奉 节点跳数 转发包 图1H B B R 协议广播包处理流程 F i g ．1 B r o a d c a s tp a c k e tp r o c e s s i n go fH B B R 与其它W S N 路由算法相比，H B B R 协议具有 以下主要优点 1 算法复杂度低，执行过程简单，节点不需要 维护和更新路由表，对每一个收到的包，只需根据 其跳数信息和序号 S e q u e n c eN u m b e r ，进行简单 的判断，即可完成路由的过程，因此，算法对硬件的 要求很低． 2 采用多路径路由和广播算法，可靠性高、健 壮性强，适应于W S N 拓扑结构和无线链路状态经 常变化的情况． 3 与G R A B 算法相比，不需要使用G R A B 算 法中使用的信用 C r e d i t 值和能量信息[ 4 ] ，不需进 行较为复杂的计算，就能够实现多路径路由． 4 与一般广播算法相比，可扩展性好，支持高 密集和大范围的W S N ． 5 对节点天线的方向图没有要求，支持各种 定向天线和全向天线，应用面广． 2 ’随机媒体接入控制协议 与其它无线网络相比，W S N 的M A C 层协议 设计要求有诸多特别之处，需要新的设计思路，才 能获得优化的性能．比如在W S N 中，节点的能量 非常有限，节能指标上升为M A C 层协议设计最为 关键的指标之一；再如，W S N 的应用针对性较强， 可以在损失一定兼容性的情况下，采用跨层设计的 方法，提高系统的性能． 我们针对事件侦测型W S N ，设计并实现了一 种新的W S NM A C 层协议随机M A C R a n - d o mM A C ，R M A C 协议．事件侦测型W S N 一般 具有如下特点 1 网络在一般情况下处于准静止状态，此时 节点间周期性地交换信息，维持网络的连通性、更 新节点的位置等信息． 2 当网络中某些节点侦测到特定的事件发生 时，即以多跳的方式向S i n k 节点发送信息，汇报此 事件． 3 网络中节点一般密集度较大，而单个节点 单位时间内需要交换的信息量较小． 有些W S N 协议采用其它无线网络协议中一 般采用的请求发送 R e q u e s t - t o S e n d ，R T S ／清除 发送 C l e a r - t o - S e n d ，C T S 机制，其基本原理是利 用很短的R T S 和C T S 帧去探测和预留信道，使数 据帧发送时能基本避免碰撞，提高网络的传输效 率．但是在W S N 中，当每一个数据帧的长度非常 短，即其长度与R T S ／C T S 帧相当时，R T S ／C T S 帧的发送就没有必要了．特别是在网络中节点分布 比较密集时，R T S ／C T S 帧的传输将明显增加网络 中帧的碰撞概率，造成网络传输效率的下降． R M A C 协议设计时，尽量去除了其它协议中 采用的各种控制帧，以此来减少数据帧的碰撞概 万方数据 6 2 8中国矿业大学学报第3 6 卷 率，而数据帧以伪随机的方式发送．协议不保证数 据帧的完全正确接收，发送失败的数据帧中的信息 由后续周期性发送的同样数据帧或相邻节点发送 的携带类似信息的数据帧弥补． R M A C 采用一般的载波侦听加回退的机制， 如图2 所示．但不同的是，其载波侦听和回退都是 在特定时隙基础上进行的．每个时隙t 。 p 为一个 包的传输和处理时间，其中P 表示包的类型，不同 类型的包，因为其传输和处理时间不同，其对应的 时隙长度有可能不同．执行回退算法时，节点在[ o ， w 一1 ] 内随机选择一个整数竹，作为回退时隙数， 等待行个时隙后再执行下一步协议．w 为回退窗口 大小，首次传输时置为一个最小值W 。。。，每次回退 结束后，如果传输失败，W 值加倍，直到达到一个 最大值Ⅳ。。，Ⅳ。； 2 ”W 。仇为正整数．以后如 果再传输失败，W 值保持在w 。。不变．一个包如果 连续Q 次传输失败，则放弃传输． 每个包中有一个域n D e l a y ，记录包在从源节 点到当前节点的传输过程中，回退和等候的总时隙 数．每个节点在转发包的时候，都根据本节点转发 此包过程中的回退和等候的时隙数，更新n D e l a y 的值．通过这样的机制，包传播路径上的节点就能 够获得转发此包所需的与源节点的时间同步，这就 避免了在W S N 中实现全网的时间同步，降低了网 络的实现复杂度． 图2R - M A C 协议流程 F i g ．2 F l o w c h a r to fR - M A Cp r o t o c o l 3 协议的计算机仿真实验 我们采用O P N E T 网络仿真软件[ 6 ] ，对执行 H B B R 协议和R - M A C 协议的W S N 进行了计算 机仿真实验．为了验证协议的健壮性和可扩展性， 我们仿真了较为极端的网络配置即在2 5 0m 2 5 0m 的区域内，随机分布了l5 0 0 个一般节点， 并在此区域的右下角，设置了一个S i n k 节点，节点 的传输距离约为1 5m ，网络的平均连通度约为8 ． 这样的配置，对本文设计的广播型网络协议提出了 较高的要求．网络仿真模型分为3 个层次设计，包 括网络层次、节点层次和进程层次． 在仿真中，S i n k 节点每隔1 5s 发出一个广播 包，图3 记录了O ～6 5s 内网络中一般节点收到的 广播包和转发的广播包的情况．从图3 a 中可以看 出，S i n k 节点每发出一个广播包，网络中一般节点 的转发总数约为15 0 0 ，此即网络中一般节点的总 数，即每个节点只转发一次广播包，接近了最优状 态．图3 b 为节点收到的广播包的总数，从图中可以 看出，S i n k 节点每发一个广播包，各节点收到的广 播包总数约为1 20 0 0 ，此即节点总数与网络平均连 通度之积，其原因在于每个节点都是以广播方式收 发数据的．比较图3 a ，b ，可以看出尽管节点收到的 包很多，但只根据需要进行转发，没有造成网络资 源的浪费． 图3O P N E T 仿真结果 F i g ．3 S i m u l a t i o nr e s u l t su s i n gO P N E T 4 无线传感器节点的实现 ‘无线传感器节点包括基座和主体机2 个可分 离的部分，如图4 所示．其中基座提供了与P C 相 连的串口、调试指示灯等，供一般节点调试时使用， 也使S i n k 节点的主体机能够通过串口与P C 相 连．主体机主要包括无线收发、处理器、超声波收 发、红外感应、温度感应、电源等模块．调试完成后， 一般节点只需主体机即可正常工作． 图4无线传感器节点结构 F i g ．4 S t r u c t u r eo ft h eW S Nn o d e 主体机中，处理模块采用P h i l i p s 公司的 P 8 9 L P C 9 3 6 微控制器作为控制单元．包含有1 6 K BF l a s h 程序存储器，7 6 8 字节的R A M 存储器， 内置7 ．3 7 3M H zR C 振荡器 亦可使用外接振荡 器 ，指令执行时间一般2 ～4 个时钟周期．与多数 其它常用微控制器相比，P 8 9 L P C 9 3 6 的处理能力 万方数据 第5 期张在琛等；无线传感器网络的研究与实现6 2 9 翻存德能力较弱，对玉线传感爨网络酶设计撬出了 较高的要求．但P 8 9 L P C 9 3 6 功耗、成本较低，并支 持正常、掉电、完全掉电等工作模式，完全掉电时的 工捧瞧流仅力lu A 左表． 无线收发模块基予A D I 公司的A D F 7 0 2 0 - 1 芯片设计、实现．系统工作在4 3 4M H z 频段，无线 数攥传输速率5 0K b p s ，输出功率扶一1 5d B m 羁 1 3d B m 可调，当工作在最低的一1 5d B m 时，最大 无线传输距离在4 0m 左右． 超声波模块包括超声波发生器T 4 0 、超声波接 收器R 4 0 以及两级放大电路．T 4 0 和R 4 0 工作在 4 0K H z 的超声波频段，工作距离在1 0 米左右。因 为T 4 0 、R 4 0 的方向往较强，为使测距系统麓全方 向地正作，每个节点的超声波模块分别包含了3 个 T 4 0 翻3 个R 4 0 ，在一个瞩周上等闻隔交错排列． 经测试，这样的设计能够达到全向互作的效祭．墼 5 为无线传感器节点的实物照片． 蚕5无线传感器节点实物照跨 F i g ．5 P i c t u r eo ft h eW S Nn o d e 5W S N 实验系统 W S N 实验系统采用上述自行设计的H B B R 路由协议和R M A C 协议，具有测距和定位功能， 麓够在办公嚣域志，对移动酶人薅疆标进行实露跟 踪．跟踪是利用红外效应进行的，元需人体上携带 无线通信设备．在系统的设计、实现中，力求实用 仡，对节点的笈杂度、成本秘功耗等都进行了严格 的控制．因此，该实验系统具有较高的实用价值． 实验系统包括一个S i n k 节点朔多个一般节点 如图6 a 所示 。网络孛憋节点霹同时发送超声波 信号和电信号，接收节点利用超声波信号和电信号 的到达时间蓑进行测距，并将测距结果发送给 S i n k 节点，由S i n k 节点使用多缝足度 M u h i - D i - m e n s i o n a lS c a l i n g ，M D S 技术进行全网节点的定 位。节点分布在一个办公区域内，当在节点覆盖区 域蠹骞久走动游，人附i 瑟酶节点鄂通过盔矮装置感 应到此事件，并将有关信息发送到S i n k 节点，S i n k 节点经过计算，即可在终端显示出入走动的区域和 鞔迹．图晒菇S i n k 节点服务器中的控裁软件赛 覆．控裁软佟跌串墨接收无线传感器网终审簧圈的 信息，执行定位算法，并实时显示节点的位置和检 测到的人运动的轨迹． 毽s无线俦感器阏终实验系统 F i g ．6 W S Nt e s t b e d 6 结论 1 H B B R 协议复杂度低、W 扩展性好，适用于 W S N 的路融． 2 R - M A C 协议采蔫菲R 零S ／C T S 襁‘剃，眈传 统的M A C 层协议更适用于事件驱动型W S N ． 3 实现的W S N 实验系统，在处理能力非常 有限的硬得资源上，实瑷了辩移动蟊标静实时跟 踪，具有较大的实用价值，并且验证了设计的H B B R 协议和R M A C 协议的正确性和有效性． 参考文献 [ 1 ] A K Y I D I ZIF ，S UW ，S a n k a r a s u b r a m a n i a mY ，e t a 1 ．W i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s as u r v e y [ J ] 。C o m p u t - e rN e t w o r k s ，2 0 0 2 ，3 8 3 9 3 3 4 1 ． [ 2 3 A 1 一K A R A K IJN ，K A M A LA E ．R o u t i n gt e c h n i q u e s i nw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s as u r v e y [ J 】。I E E E W i r e l e s sC o m m u n i c a t i o n s ，2 0 0 4 ，1 1 6 6 - 2 8 ． [ 3 ]N I C U L E S C UD ．C o m m u n i c a t i o np a r a d i g m sf o rs e n s o rn e t w o r k s [ J 】．I E E EC o m m u n i c a t i o nM a g a z i n e ， 2 0 0 5 ，4 3 3 1 1 6 - 1 2 2 ． [ 4 ] 王建，王汝琳，溅学民，等．煤矿瓦斯监测无线传感 器弼终系统设计怒实现[ J ] ．孛国矿韭大学学摄， 2 0 0 6 ，1 0 ，1 1 2 一l l 垂． W A N GJ i a n ，W A N GR u - l i n 。W A N GX u e - m i n ，e t a l 。D e s i g na n dp r a c t i c e so nn e t w o r ks y s t e r no fw i r e - l e s ss e n s o r sf o rm i n eg a sm o n i t o r i n ga n dm e a s u r e - m e n t [ J ] ．J o u r n a lo fC h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g ＆ T e c h n o l o g y ，2 0 0 6 ，1 0 ，11 2 11 4 ． [ 5 Y EF ，Z 鞋0 N GG ，L US ，e ta 1 ．G r a d i e n tb r o a d c a s t ； ar o b u s td a t ad e l i v e r yp r o t o c o lf o rl a r g es c a l es e n s o r n e t w o r k s [ J ] ．W i r e l e s sN e t w o r k s ，2 0 0 5 ，I i 3 2 8 5 2 9 8 。 [ 6 ] 王文博，张金文．O P N E TM o d e l e r 与网络仿粪[ M ] ． 北京人民邮电出版社，2 0 0 3 ． 责经编辑骆振摄 万方数据