第一篇：WSN复习-2015
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概述
无线传感器网络的标准定义：无线传感器网络是大量的静止或移动的传感器以自组织和多跳的方式构成的无线网络，目的是协作地探测、处理和传输网络覆盖区域内感知对象的监测信息，并报告给用户。它的英文是Wireless Sensor Network，简称WSN。
无线传感器网络的任务是利用传感器节点来监测节点周围的环境，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、通信技术及传感器技术，能够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传送，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、计算机世界及人类社会三元世界的连通。
传感器网络限制条件:（1）电源能量有限（2）通信能力受限（3）计算和存储能力受限
1.低成本、低功能和对等通信，是短距离无线通信技术的三个重要特征和优势。
2.目前使用较广泛的近距无线通信技术是蓝牙(Bluetooth)，无线局域网802.11(Wi-Fi)和红外数据传输(IrDA)。同时更有一些具有发展潜力的近距无线技术标准，他们分别是：ZigBee、超宽频(Ultra Wide Band)、短距通信(NFC)、WiMedia、GPS、DECT、无线1394和专用无线系统等。
3.ZigBee系统采用的是直序扩频技术（DSSS)，使得原来较高的功率、较窄的频率变成较宽的低功率频率，以有效控制噪声，是一种抗干扰能力极强，保密性，可靠性都很高的通信方式。蓝牙系统采用的是跳频扩频技术（FHSS)，这些系统仅在部分时间才会发生使用频率冲突，其他时间则能在彼此相异无干扰的频道中运作。ZigBee系统是非跳频系统，所以蓝牙在多次通信中才可能有一次会和ZigBee的通信频率产生重叠，且将会迅速跳至另一个频率。
4.ZigBee技术特点主要包括：
①数据传输速率低。只有10kb/s~250kb/s,专注于低传输应用。
②功耗低。在低耗电待机模式下，两节普通五号干电池可使用6个月至2年。这也是ZigBee的支持者所一直引以为豪的独特优势。
③低成本。因为ZigBee数据传输速率低，协议简单，所以大大降低了成本。④网络容量大。每个ZigBee网络最多可支持255个设备，也就是说每个ZigBee设备可以与另外254台设备相连接。
⑤有效范围小。有效覆盖范围10~75m之间，具体依据实际发射功率的大小和各种不同的应用模式而定，基本上能够覆盖普通的家庭或办公室环境。
⑥工作频段灵活。使用的频段分别为2.4GHz、868MHz（欧洲）915MHz（美国），均为免执照频段。
5.无线局域网（WLAN）
无线局域网（Wireless Local Area Networks，WLAN）就是在各工作站和设备之间，不再使用通信电缆，而采用无线的通信方式连接的局域网。一般来讲，凡是采用无线传输媒体的计算机局域网都可以称之为无线局域网。
无线局域网采用的传输媒体主要有两种——无线电波和红外线。根据调制方式的不同，无线电波方式又可分为扩展频谱方式和窄带调制方式。扩展频谱方式是指用来传输信息的射频带宽远大于信息本身带宽的一种通信方式，它虽然牺牲了频带带宽，却提高了通信系统的抗干扰能力和安全性；窄带调制方式是指数据基带信号的频谱不做任何扩展即被直接搬移到射频发射出去，与扩展频谱方式相比，窄带调制方式占用频带少，频带利用率高，但是通信可靠性较差。而红外线方式的最大优点是不受无线电干扰，且红外线的使用不必受国家无线电管理委员会的限制，但是红外线对非透明物体的透过性较差，传输距离受限。
6、传感器网络的三个基本要素：传感器，感知对象，观察者
7、传感器网络的基本功能：协作地感知、采集、处理和发布感知信息
8、无线传感器节点的基本功能：采集、处理、控制和通信等
9、无线通信物理层的主要技术包括：介质的选择、频段的选择、调制技术和扩频技术
10、传感器是将外界信号转换为电信号的装置，传感器一般由敏感元件、转换元件、转换电路三部分组成
11、传感器节点由传感器模块、处理器模块、无线通信模块和能量供应模块四部分组成
协议标准
IEEE 802.15.4标准：IEEE 802.15.4是用于低速无线个域网LR-WPAN的物理层和媒体接入控制层的规范，是ZigBee、Wireless HART及MiWi规范的基础。IEEE 802.15.4旨在为无线个域网中的通信设备提供一种基本的底层网络，它支持两种网络拓扑，即单跳星状和当通信线路超过10m时的多跳对等拓扑。
IEEE 802.15.4定义了两个物理层，即2.4GHz频段和868/915MHz频段物理层，其中2.4GHz频段有16个速率为250kbit/s的信道。
IEEE 802.15.4标准只定义了PHY层和数据链路层的MAC子层。PHY层由射频收发器以及底层的控制模块构成。MAC子层为高层访问物理信道提供点到点通信的服务接口 ZigBee是一种新兴的短距离、低功耗、低数据速率、低成本、低复杂度的无线网络技术。ZigBee无线可使用的频段有3个，分别是2.4GHz的ISM频段、欧洲的868MHz频段、以及美国的915MHz频段，而不同频段可使用的信道分别是16、1、10个，在中国采用2.4G频段，是免申请和免使用费的频率。ZigBee标准概要
ZigBee是一个协议的名称，这一协议基于IEEE 802.15.4标准，其目的是为了适用于低功耗，无线连接的监测和控制系统。这一协议标准由ZigBee联盟维护。IEEE802.15.4是ZigBee协议的底层标准，主要规范了物理层和MAC层的协议，其标准由国际电工学协会IEEE组织制定并推广。ZigBee和802.15.4标准都适合于低速率数据传输，最大速率为250K，与其他无线技术比较，适合传输距离相对较近；ZigBee无线技术适合组建WPAN网络，就是无线个人设备的联网，对于数据采集和控制信号的传输是非常合适的。ZigBee技术的应用定位是低速率、复杂网络、低功耗和低成本应用。
ZigBee技术优势：ZigBee无线的传输带宽在20-250KB/s范围，适合传感器数据采集和控制数据的传输；ZigBee无线可以组建大规模网络，网络节点容量达到65535个，具有非常强大的组网优势；ZigBee技术特有的低功耗设计，可以保证电池工作很长时间。ZigBee网络节点类型：Coordinator：Router：End Device：
ZigBee协议中的两类地址：64位的IEEE MAC地址及16位网络地址。64位的IEEE地址，通常也叫作MAC地址或者扩展地址（Extended address）；16位的网络地址，也叫做逻辑地址（Logical address）或者短地址。64位长地址是全球唯一的地址，并且终身分配给设备。这个地址可由制造商设定或者在安装的时候设置，是由IEEE来提供；当设备加入ZigBee网络被分配一个短地址，在其所在的网络中是唯一的。这个地址主要用来在网络中辨识设备，数据传输和数据包路由等。
ZigBee网络可以实现星状、网状和混合状三种网络拓扑形式。
路由
Z-Stack采用无线自组网按需平面距离矢量路由协议AODV，建立一个Hoc网络，支持移动节点，链接失败和数据丢失，能够自组织和自修复。
当一个Router接受到一个信息包之后，NMK层将会进行以下的工作：首先确认目的地，如果目的地就是这个Router的邻居，信息包将会直接传输给目的设备；否则，Router将会确认和目的地址相应的路由表条目，如果对于目的地址能找到有效的路由表条目，信息包将会被传递到该条目中所存储的下一个hop地址；如果找不到有效的路由表条目，路由探测功能将会被启动，信息包将会被缓存直到发现一个新的路由信息。
ZigBee End Device（终端设备）不会执行任何路由函数，它只是简单的将信息传送给前面的可以执行路由功能的父设备。因此，如果End Device想发送信息给另外一个End Device，在发送信息之间将会启动路由探测功能，找到相应的父路由节点。
无线传感器网络的体系结构
1.无线传感器网络的协议栈包括物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层，还包括能量管理、移动管理和任务管理等平台。
物理层主要处理信号的调制，发射和接收。数据链路层主要负责数据流的多路传输，数据帧检测，媒介访问控制和错误控制。网络层主要考虑数据的路由。传输层用于维持给定的数据流。根据不同的应用，应用层上可使用不同的应用软件。2.无线传感器网络通信体系结构
（1）物理层（2）数据链路层（3）网络层（4）传输层（5）应用层
信道接入技术
CSMA/CA机制: 当某个站点（源站点）有数据帧要发送时，检测信道。若信道空闲，且在DIFS时间内一直空闲，则发送这个数据帧。发送结束后，源站点等待接收ACK确认帧。如果目的站点接收到正确的数据帧，还需要等待SIFS时间，然后向源站点发送ACK确认帧。若源站点在规定的时间内接收到ACK确认帧，则说明没有发生冲突，这一帧发送成功。否则执行退避算法。
S-MAC(Sensor medium access control)协议是在IEEE802.11协议的基础上，针对WSN的能量有效性而提出的专用于WSN的节能MAC协议。S-MAC协议设计的主要目标是减少能量消耗，提供良好的可扩展性。它针对WSN消耗能量的主要环节，采用了以下三方面的技术措施来减少能耗：
a）周期性侦听和休眠。b）消息分割和突发传输。C）避免接收不必要消息。
1、基于竞争的MAC协议
即节点在需要发送数据时采用某种机制随机的使用无线信道，这就要求在设计的时候必须要考虑到如果发送的数据发生冲突，采用何种冲突避免策略来重发，直到所有重要的数据都能成功发送出去。
S-MAC协议
T-MAC协议
基于竞争的MAC协议的显著优点是：协议的简明性和可扩展性。
缺点：由于没有像基于预约的MAC协议那样使用某种机制对信道利用情况进行均衡，所以公平性就成为它的一个问题。
2、基于固定分配的MAC协议 即节点发送数据的时刻和持续时间是按照协议规定的标准来执行，这样以来就避免了冲突，不需要担心数据在信道中发生碰撞所造成的丢包问题。
相比随机竞争接入机制，时分复用方式的优点：更能节省能量，因为省去了竞争机制的碰撞重传问题；缺点：它需要严格的时间同步，并且通常用在拓扑结构不变的网络，它不能很好地处理传感器节点移动和节点失效的情况，因此在网络扩展性方面存在严重不足。TDMA
CDMA
FDMA
SDMA
3、基于按需分配的MAC协议
即根据节点在网络中所承担数据量的大小来决定其占用信道的时间，目前主要有点协调和无线令牌环控制协议两种方式。
路由协议
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，由此可以看出路由协议的功能主要有两个方面：
一、搜索满足条件的从源节点到目的节点的优化路径
二、转发资料分组
无线传感器网络的路由协议特点:
（1）能量优先（2）基于局部拓扑信息（3）以数据为中心（4）应用相关
路由协议类型：①以数据为中心的路由协议
②基于层次结构（树结构）的路由协议
③基于地理信息路由协议
④基于多路径的路由协议
简单的无结构路由协议：Flooding和Gossiping路由协议
在Flooding（泛洪）协议中，节点产生或收到数据后向所有邻节点广播，直到数据包过期或到达目的地。该路由不进行维护网络拓扑和相关路由算法，只负责以广播形式转发数据包，因此效率并不高。该协议具有严重缺陷：内爆(Implosion，节点几乎同时从邻节点收到多份相同数据)、交叠(Overlap，节点先后收到监控同一区域的多个节点发送的几乎相同的数据)、盲目利用资源(节点不考虑自身资源限制，在任何情况下都转发数据)，造成资源的浪费。Gossiping（闲聊）协议是对Flooding协议的改进，节点将产生或收到的数据随机转发，而不是用广播。这种方式避免了以广播形式进行信息传播的能量消耗，节约能量，在一定程度上解决了信息的“内爆”问题，但增加了信息的数据传输平均时延，传输速度变慢，并且无法解决部分交叠现象和盲目利用资源问题。DD(directed diffusion，定向扩散)协议是以数据为中心的路由算法，是一种基于查询的路由机制。整个过程可以分为兴趣扩散、梯度建立以及路径加强三个阶段。为建立路由，sink点向网络中Flooding（包含属性列表、上报间隔、持续时间、地理区域等）信息的查询请求Interest(该过程本质上是设置一个监测任务)。沿途节点按需对各Interest进行缓存与合并，并根据Interest计算、创建（包含数据上报率、下一跳等）信息的梯度(gradient)，从而建立多条指向sink点的路径。Interest中的地理区域内节点则按要求启动监测任务，并周期性地上报数据。途中各节点可对数据进行缓存与聚合。Sink点可在数据传输过程中通过对某条路径发送上报间隔更小或更大的Interest，以增强或减弱数据上报率。
如果sink点的一次查询只需一次上报，DD协议开销太大。Rumor（谣传）协议正是为解决此问题而设计的。该协议借鉴了欧氏平面图上任意两条曲线交叉几率很大的思想。
SPIN(sensor protocol for information via negotiation)路由算法是一种以数据为中心的自适应通信路由协议。SPIN协议中使用三种类型的消息：（1）ADV，用于新数据广播。当一个传感器节点有数据需要传输时，它就使用ADV数据包(包括元数据)对外广播。（2）REQ，用于请求发送数据。当一个传感器节点希望接收DATA数据包时，便发送REQ。（3）DATA，包含了元数据头、传感器节点采集数据的数据包。在发送DATA数据包之前，传感器节点首先对外广播ADV消息。如果一个邻近节点在收到ADV后希望接收该DATA数据包，那么它向该节点发送一个REQ；接着该节点向它发送DATA数据包。类似的过程继续下去，DATA数据包就会被传输到远方sink。
在层次型结构的网络中，具有某种关联的网络节点组成簇。在簇内，通常有一个按一定规则选举产生的，被称为簇头(cluster head)的节点。除了簇头节点外，一般节点成员(clustermember)的功能较简单，无须维护复杂的路由信息。这类协议的设计思想是，将所有节点划分为若干簇，每个簇按照一定规则来选举一个簇头。各个节点采集的数据在簇头节点进行融合，再由簇头节点与Sink节点进行通信。
LEACH（LOW-Energy Adaptive Clustering Hierarchy）是一种WSN的低功耗自适应聚类路由算法，其基本思想是通过等概率地随机循环选择簇头，将整个网络的能量负载平均分配到每个传感器节点，从而达到降低网络能量耗费、延长网络生命周期的目的。LEACH算法包括簇头的产生、簇的形成和簇的路由三个阶段。
传感器网络的支撑技术包括：定位技术、时间同步、数据融合、能量管理、安全机制。拓扑控制
1、拓扑控制的意义
2、拓扑控制研究已经形成功率控制和睡眠调度两个主流研究方向。所谓功率控制，就是为传感器节点选择合适的发射功率；所谓睡眠调度，就是控制传感器节点在工作状态和睡眠状态之间的转换。
定位技术
无线传感器网络的定位是指自组织的网络通过特定方法提供节点位置信息。这种自组织网络定位分为节点自身定位和目标定位。节点自身定位是确定网络中节点为坐标位置的过程。目标定位是确定网络覆盖范围内目标的坐标位置。
在WSN节点定位技术中，根据节点是否已知自身的位置，把传感器节点分为信标节点（beacon node）或锚点（anchor）和未知节点（unknown node）。感器节点定位的基本术语
（1）邻居节点（Neighbor Nodes）：是指传感器节点通信半径内的所有其他节点，也就是说：在一个节点通信半径内，可以直接通信的所有其他点。（2）跳数（Hop Count）：是指两个节点之间间隔的跳段总数。
（3）跳段距离（Hop Distance）：是指两个节点间隔的各跳段距离之和。
（4）接收信号强度指示（Received Signal Strength Indicator，RSSI）：是指节点接收到无线信号的强度大小。
（5）到达时间（Time of Arrival，TOA）：是指信号从一个节点传播到另一节点所需要的时间。
6）到达时间差（Time Difference of Arrival，TDOA）：两种不同传播速度的信号从一个节点传播到另一节点所需要的时间之差。
（7）到达角度（Angle of Arrival，AOA）：是指节点接收到的信号相对于自身轴线的角度。（8）视线关系（Line of Sight，LOS）：是指两个节点间没有障碍物间隔，能够直接通信。（9）非视线关系（Non Line of Sight，NLOS）：是指两个节点之间存在障碍物。
（10）基础设施（Infrastructure）：是指协助传感器节点定位的已知自身位置的固定设备（如卫星、基站等）。测距方法
接收信号强度(Receivcd Signal Strength Indicator，RSSI)指示法是接收机通过测量射频信号的能量来确定与发送机的距离。由于RSSI指示已经是现有传感器节点标准功能，因此实现简单并且对节点的成本和功耗没有影响，因此RSSl方法已被广泛采用，不足之处是遮盖或折射会引起接收端产生严重的测量误差，因此精度较低。到达时间法（TOA）
到达时间测距：已知信号的传播速度，根据信号的传播时间来汁算节点间的距离
到达时间差法(TDOA，Time Difference of Arrival)是测量不同的接收节点接收到同一个发射信号的时间差。
到达角法(AOA，AngIe of Arrival)方法通过配备天线阵列或多个接收器来估测其它节点发射的无线信号的到达角度。
常用的定位计算方法：三边定位与求解、三角定位与求解、极大似然估计法
三边测量算法：已知A、B、C三个节点的坐标，以及它们到节点D的距离，确定节点D的坐标
三角测量算法：已知A、B、C三个节点的坐标，节点D相对于节点A、B、C的角度，确定节点D的坐标； 典型定位系统 Cricket定位系统
Cricket是一种基于TDOA测距技术的室内定位系统，与其他定位系统不同的是，它通过测量到未知节点最近的信标节点计算静止或者移动目标在大楼内具体房间的哪一区域，而不是绝对位置。Cricket系统没有中心管理或者控制系统，而是分布式管理，为了更好地通信，把信标节点和发射器布置在天花板上。
近似三角形内点测试法APIT算法是一种适用于大规模无线传感器网络的分布式无需测距的定位算法。APIT虽然是无需测距的定位算法，但其利用了电磁波强度大小与距离的相对关系，因此相比于其它无需测距定位算法有着定位精度高，对节点密度要求低，通信量小的优点且适用于电磁波不规则模型。APIT算法中锚节点定时广播自己的坐标信息，节点与邻居节点相互交换接收到的锚节点定位信号强度并以此来判断节点是否在锚节点组成的三角形内，从而估计节点可能位于的区域。
APIT（Approximate Point-in-triangulation Test）是一种无需测距的定位技术，它包括四个步骤。1.收集信息。2.PIT测试。3.计算重叠区域4.计算未知节点的位置。
跟踪技术
基于无线传感器网络的目标跟踪过程大致包括3个阶段：检测、定位和通告，每个阶段需要不同的技术来实现。在检测阶段，主要任务是通过各种检测手段检测跟踪目标是否出现，常用的技术有超声波检测、震动技术检测、红外线技术检测以及多媒体基础检测等；定位阶段，定位是跟踪的技术基础，在前面部分叙述了多种无线传感器网络定位技术，可以根据不同的场景和用户需求来选择适合的定位技术来确定当前目标的位置和状态，比较常用的方法有双元检测、三角测量以及基于流行学习算法等，然后记录当前目标的轨迹和状态，用于以后目标跟踪查看或者预测；通告阶段，是节点之间交互信息的过程，在这个过程中节点向周围其他节点发出协作定位求助或者通告其他节点自己对目标的监测状态。
时间同步
时间同步：使网络中所有节点的时间保持一致，按照网络应用的深度可以分为三种不同的情况：
第一种：时序确定，判断事件发生的先后顺序，对本地时间的要求比较低，只需要知道本节点与其余节点的相对时间即可
第二种：相对同步，节点维护自己的本地时钟，周期性地获取其邻居节点与本节点的时钟偏移，实现本节点与邻居节点的时间同步
第三种：绝对同步，所有节点的本地时间严格同步，等同于标准时间，这种情况对节点的要求最高，因此实现也最为复杂 时间同步的两个重要的时间参数：
时钟偏移：在真实时刻t时定义时钟偏移为c(t)−t，即本地时间与真实时间的差值。时钟漂移：在真实时刻t时定义时钟漂移为ρ(t)=r(t)−1，即本地时间变化速率与1的差值。典型协议：
网络时间协议（NTP）。NTP协议的时间同步精度可以达到毫秒级，通过外界一个精准的时间源接收机，顶层的时间服务器可以获得高精度的参考时间，并向全网内提供统一的时间服务。
同步机制：发送者-接收者同步模式、接收者-接收者同步模式。
DMTS协议：一种简单的同步技术，发送者通过发送单个广播报文，同步一跳内的所有节点。
RBS同步机制的工作流程如下：假设有N个节点组成的单跳网络，1个发送节点，N−1个接收节点，发送节点周期性地向接收节点发送参考报文，广播域内的接收节点都将收到该参考报文，并各自记录收到该报文的时刻。接收者们通过交换本地时间戳信息，这样这一组节点就可以计算出它们之间的时钟偏差。
TPSN可以分为层次发现阶段和时间同步两个阶段。
1．层次发现阶段
在网络部署后，根节点首先广播以使发现分组，启动层次发现阶段。
级别发现分组包含发送节点的ID和级别。根节点是0级节点，在根节点广播域内的节点收到根节点发送的分组后，将自己的级别设置为分组中的级别加1，即为第1级，然后将自己的级别和ID作为新的发现分组广播出去。
当一个节点收到第i级节点的广播分组后，记录发送这个广播分组的节点的ID，设置自己的级别为i+1。这个过程持续下去，直到网络内的每个节点都具有一个级别为止。如果节点已经建立自己的级别，就忽略其他的级别发现分组。2．时间同步阶段
层次结构建立以后，根节点就会广播时间同步分组，启动时间同步阶段。第1级节点收到这个分组后。在等待一段随机时间后，向根节点发送时间同步请求消息包，进行同步过程，与此同时第2级节点会侦听到第1级节点发送的时间同步请求消息包，第2级节点也开始自己的同步过程。这样，时间同步就由根节点扩散到整个网络，最终完成全网的时间同步。
建立层次之后，相邻层次之间的节点通过双向报文机制来进行时间同步，假设节点A是第i层的节点，节点B是第i－1层的节点，根据TPSN报文交换协议，我们规定T1和T4为节点A的时间，T2和T3为节点B的时间，节点A在T1向节点B发送一个同步报文，节点B在收到该报文后，记录下接收到该报文的时刻T2，并立刻向节点A发回一个应答报文，将时刻T2和该报文的发送时刻T3嵌入到应答报文中。当节点A收到该应答报文后，记录下此时刻T4。我们假设当节点A在T1时刻，A和B的时间偏移为Δ，因为T1到T4两个报文发送的时间非常短，我们可以认为Δ没有变化，假设报文的传输延迟都是相同且对称的，均为d，那么有 T2=T1+Δ+dT4=T3−Δ+d，这两个方程联立可解得： Δ=[(T2－T1)－(T4－T3)]/2，d=[(T2－T1)+(T4－T3)]/2 在T4时刻，节点A在本地时间上面加上一个偏移量Δ，A和B就达到了同步。从双向同步协议的同步过程中可以看出，在TPSN协议中，当双向报文的传输完全对称时其精确度最高，即同步误差最小。另外TPSN的同步误差与双向报文的传输延迟有关，延迟越短，同步误差越小。
第二篇：WSN复习总结
题型：选择15*2+填空15*2+判断10*1+简答5*2+应用5*4
第一部分
1、我国物联网十二五规划锁定的重点示范应用领域：智能环保、智能交通、智能医疗、智能工业、智能农业、智能物流、智能电网、智能安防、智能家居
2、低成本、低功能和对等通信，是短距离无线通信技术的三个重要特征和优势。
3、红外线进行点对点的数据传输协议，通信距离一般在0到1m之间，传输速度最快可达到16Mbps,通信介质为波长900nm左右的近红外线。
4、目前蓝牙通信协议，支持一个蓝牙设备可同时与其他7台蓝牙设备建立连接；支持语音传输。
5、无线保真技术是指WiFi技术，使用的是2.4GHz附近的频段通信。
6、RFID是一种非接触式的自动识别技术。
7、ZigBee技术特点主要包括：
①数据传输速率低。只有10kb/s~250kb/s,专注于低传输应用。
②功耗低。在低耗电待机模式下，两节普通五号干电池可使用6个月至2年。这也是ZigBee的支持者所一直引以为豪的独特优势。
③ 低成本。因为ZigBee数据传输速率低，协议简单，所以大大降低了成本；积极投入ZigBee开发的Motorola以及Philips，均已在2003年正式推出芯片，飞利浦预估，应用于主机端的芯片成本和其它终端产品的成本比蓝牙更具有价格竞争力。
④ 网络容量大。每个ZigBee网络最多可支持255个设备，也就是说每个ZigBee设备可以与另外254台设备相连接。
⑤ 有效范围小。有效覆盖范围10~75m之间，具体依据实际发射功率的大小和各种不同的应用模式而定，基本上能够覆盖普通的家庭或办公室环境。
⑥ 工作频段灵活。使用的频段分别为2.4GHz、868MHz（欧洲）915MHz（美国），均为免执照频段。
8、世界上最早的无线电计算机通信网使用的协议是：ALOHA协议
9、无线个域网简写是：WLAN，WPAN，WIFI，ZigBee
10、无线自组织网络简述：即MANET（Mobile Ad Hoc Network），是一个由几十到上百个节点组成的、采用无线通信方式的、动态组网的多跳的移动性对等网络。
11、无线自组织网络一定需要固定设备支持：X
12、简述传感器网络的特点：1．大规模网络 2．自组织网络 3．多跳路由 4.动态性网络 5．以数据为中心的网络，6．兼容性应用的网络
13、WSN网络的传感器节点的限制有那三个主要限制？1．电源能量有限、2．通信能力有限、3．计算和存储能力有限
14、传感器网络的关键技术有哪些：1．网络拓扑控制2．网络协议3．网络安全4．时间同步5．定位技术6．数据融合7．数据管理 8．无线通信技术9．嵌入式操作系统10．应用层技术
15、无线传感器网络系统通常包括传感器节点(sensor node)、汇聚节点(sink node)和管理节点。
16、传感器节点一般包含四个模块：（1）数据采集模块（2）处理控制模块（3）无线通信模块（4）能量供应模块
17、无线传感器网络的协议栈包括物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层。
18、无线传感器网络（WSN）的路由协议的一个核心功能是？路由协议负责将数据分组从源节点通过网络转发到目的节点，它主要包括寻找源节点和目的节点间的优化路径、并沿此优化路径正确转发数据包等两个方面的功能。
19、传感器网络路由机制设计，要考虑：（1）能量高效。（2）可扩展性。（3）鲁棒性。（4）快速收敛性。
20、WSN路由协议分类根据节点在路由过程中是否有层次结构、作用是否有差异，可分为平面路由协议和层次路由协议。
21、简述Flooding（泛洪）协议的机制和优缺点。WSN节点产生或收到数据后向所有邻节点广播，直到数据包过期或到达目的地。该路由不进行维护网络拓扑和相关路由算法，只负责以广播形式转发数据包，因此效率并不高。该协议具有严重缺陷：内爆(Implosion，节点几乎同时从邻节点收到多份相同数据)、交叠(Overlap，节点先后收到监控同一区域的多个节点发送的几乎相同的数据)、盲目利用资源(节点不考虑自身资源限制，在任何情况下都转发数据)，造成资源的浪费。
22、在WSN中，介质访问控制MAC协议的主要作用？MAC协议决定了无线信道的使用方式，在传感器节点间分配有限的通信资源，构建传感器网络的底层基础结构。
23、WSN的MAC协议设计要考虑的特性：（1）能量有效性。（2）可扩展性。（3）冲突避免。（4）信道利用率。（5）延迟。（6）吞吐量。（7）公平性
24、MAC协议的能量有效性，需要分析的因素：（1）空闲侦听（Idle listening）。（2）消息碰撞（Message collision）。
（3）窃听（Overhearing）。（4）控制报文开销（Control-packet overhead）。（5）发送失效(Overemitting)。
25、S-MAC、T-MAC、P-MAC三种MAC协议周期侦听/睡眠执行过程不同机制。S-MAC协议的基本内容和原理：
1、S-MAC（Sensor MAC）协议是在802.11MAC协议的基础上，针对传感器网络的节省能量需求而提出的传感器网络MAC协议；
2、基本工作原理：S-MAC协议采用的主要机制包括：周期性侦听和睡眠、流量自适应侦听机制、串音避免、消息传递；S-MAC协议通过采用周期性侦听/睡眠工作方式来减少空闲侦听，周期长度是固定不变的，节点的侦听活动时间也是固定的；
T-MAC协议的基本内容和原理：
1、T-MAC（Timeout MAC）协议是在S-MAC协议的基础上提出的，最重要的设计目标是减少能量消耗；
2、基本工作原理：T-MAC协议在保持周期长度不变的基础上，根据通信流量动态地调整活动时间，用突发方式发送信息，减少空闲侦听时间。
26、WSN节省能量的主要措施有：休眠和数据融合。
27、拓扑控制在WSN研究中的重要性，有哪几个主要方面：（1）拓扑控制是一种重要的节能技术；（2）拓扑控制保证覆盖质量和连通质量；
（3）拓扑控制能够降低通信干扰、提高MAC(media access control)协议和路由协议的效率、为数据融合提供拓扑基础；
（4）拓扑控制能够提高网络的可靠性、可扩展性等其他性能。
28、拓扑控制研究的两个主流研究方向：功率控制和睡眠调度。
29、WSN中，所有节点都以最大功率工作时所生成的拓扑称为UDG？QUDG，Gabriel图(GG)，相关邻近图(RNG)P73
30、传感器节点定位简述：WSN的定位问题是指对于一组未知位置坐标的网络节点，依靠有限的位置已知的锚节点，通过测量未知节点至其余节点的距离或跳数，或者通过估计节点可能处于的区域范围，结合节点间交换的信息和锚节点的已知位置，来确定每个节点的位置。
31、已知自身位置的传感器节点称为：信标节点（beacon node）或锚点（anchor）。
32、简述WSN中邻居节点、到达时间、到达时间差的概念。
邻居节点：传感器节点通信半径范围以内的所有其他节点，称为该节点的邻居节点； 到达时间(T0A)：信号从一个节点传播到另一个节点所需要的时间，称为信号的到达时间；
到达时间差(TDOA)：两种不同的传播速度的信号从一个节点传播到另一个节点所需要的时间之差称为信号的到达时间之差。
33、WSN常用的测距方法：RSSI,TOA,TDOA,AOA P181
34、常用的定位计算方法：三边定位与求解，三角定位与求解，极大似然估计法,最小最大法，其中最小最大法与距离无关P178
35、WSN节点间传递的过程包括：1)Send Time 2)Access Time 3)Transmission Time 4)Propagation Time 5)Reception Time 6)Receive Time
36、WSN时间同步算法考虑的性能指标有：网络能量效率、可扩展性、精确度、健壮性、寿命、有效范围、成本和尺寸、直接性
37、简述基于参考广播的时间同步协议(RBS)：是一个典型的接受者——接受者模式的同步算法。它是利用无线链路层广播信道特点，一个节点发送广播消息，在同一广播域的其它节点同时接收广播消息，并记录该点的时间戳。之后接收节点通过消息交换它们的时间戳，通过比较和计算达到时间同步。P174
38、简述WSN时间同步协议(TPSN)算法：算法分两步：分级和同步。第一步的目的是建立分级的拓扑网络，每个节点有个级别。只有一个节点定为零级，叫做根节点。在第二步，i级节点与i-1级节点同步,最后所有的节点都与根节点同步,从而达到整个网络的时间同步。P171
39、WSN物理层的攻击方法常见的是（1）拥塞攻击（2）物理破坏。P251 40、抵御单频点的拥塞攻击，可使用 宽频 和 跳频 方法。P251
41、WSN链路层的常见攻击类型有：（1）碰撞攻击（2）耗尽攻击（3）非公平竞争P252
42、简述WSN耗尽攻击及其应对方法。P252
耗尽攻击指利用协议漏洞,通过持续通信的方式使节点能量资源耗尽。应对耗尽攻击的一种方法是限制网络发送速度,节点丢弃多余的数据请求;另一种方法是对同一数据包的重传次数进行限制。
43、WSN路由层遭受的攻击类型：P253（1）虚假路由信息（2）选择转发
（3）女巫（Sybil）攻击（4）槽洞（Sinkhole）攻击（5）虫洞（Wormholes）攻击（6）Hello flood攻击（7）告知收到欺骗
44、WSN安全要求方面：P248
(1)数据保密性(2)数据认证(3)数据完整性(4)数据实时性(5)密钥管理(6)真实性(7)扩展性(8)可用性
(9)自组织性(10)鲁棒性
45、IEEE 802.15工作组，致力于 WPAN 网络的 物理层（PHY）和 媒体访问子层（MAC）的标准化工作。
46、IEEE 802.15.1标准，又称蓝牙无线个人区域网络标准。
47、IEEE 802.15.4标准，针对低速率无线个人区域网络（low-rate wireless personal area network,LR-WPAN）制定标准。该标准把 低能量消耗、低速率传输、低成本作为重点目标。P263
48、LR-WPAN网络中有两种设备：全功能设备（full-function device, FFD）和精简功能设备（reduced-function device, RFD）。WSN中的协调器属于哪种设备？WSN路由器属于那种设备？ P367 WSN中的协调器属于全功能设备,WSN路由器属于全功能设备
49、IEEE 802.15.4网络有两种基本的网络拓扑结构：星型网络、点对点网络。智能家居适合用那个结构？P263&P366 智能家居适合用星型网络拓扑结构
50、IEEE 802.15.4标准只定义了那两层的协议：PHY层和数据链路层的MAC子层。P263
51、简述ZigBee协议：ZigBee标准定义了一种网络协议，这种协议能够确保无线设备在低成本、低功耗和低数据速率网络中的互操作性。ZigBee协议栈构建在IEEE 802.15.4标准基础之上，802.15.4标准定义了MAC和PHY层的协议标准。MAC和PHY层定义了射频以及相邻的网络设备之间的通讯标准。而ZigBee协议栈则定义了网络层，应用层和安全服务层的标准。P270
52、ZigBee的技术有哪些特点？P270
（1）数据传输率低：10Kb/s～250Kb/s，专注于低速数据传输方面的应用；（2）功耗低：在低功耗模式下，两节普通5号电池可使用6～24个月；（3）成本低：ZigBee数据传输率低，协议简单，大大降低了成本；（4）网络容量大：网络可容纳65000个设备；（5）时延短：典型搜索设备时延为30ms，休眠激活时延为15ms，活动设备信道接入时延为15ms；
（6）网络的自组织、自愈能力强，通信可靠；
（7）数据安全：ZigBee提供了数据完整性检查和鉴权功能，采用AES-128加密算法，各个可灵活确定其安全属性；（8）工作频段灵活。
53、ZigBee无线通信使用的频段有3个：分别是2.4GHz的ISM频段、欧洲的868MHz频段、以及美国的915MHz频段，而不同频段可使用的信道分别是16、1、10个，均为免费频段。在中国采用2.4G的ISM频段，是免申请和免使用费的频率，在2.4G的频段上具有16个信道，带宽为250K。
54、ZigBee标准规定可以在一个单一的网络中容纳65535个节点，所有的ZigBee网络节点都属于以下三种类型中的一种：Coordinator（协调器），Router（路由器），End Device（终端设备）P271
55、ZigBee网络可以实现星型、树型和网状三种网络拓扑形式。
56、IAR Embedded Wordbench是一个WSN应用开发工具。它实现了ZigBee协议，使用C语言编写程序。
57、CC2530是TI公司推出的用来实现嵌入式ZigBee应用的片上系统。它集成了一个高性能2.4GHzDSSS(直接序列扩频)射频收发器核心和工业级的8051控制器。P58
58、CC2530芯片有48个引脚。21个通用I/0引脚，1个通用的16位和2个8位定时器；2个支持多种串行通信协议的USART；8路输入ADC；P59
59、CC2530的P1_0端口设置为输出口的编程是： 详见实验一 P1SEL &= ~0x01;P1DIR |= 0x01;60、IAR 集成了程序编写、编译、下载、调试等开发工具，其中烧写下载使用了SmartRF Flash Programmer工具。
第二部分
1、TinyOS的概念P36 TinyOS是一个开源的嵌入式操作系统，主要应用于无线传感器网络方面，它是一种基于组件（Component-Baseed）的架构，能够快速实现各种应用，是为传感器网络节点而设计的一个事件驱动的操作系统。
2、nesC是标准的C语言吗？P37 不是，nesC是对C的扩展，它体现TinyOS的结构化概念和执行模型而设计。
3、IAR开发WSN应用程序的流程。
IAR开发WSN应用程序的流程：
1、硬件连接；
2、新建IAR项目工程<选择模版、目录、取文件名>；
3、把C程序加入到项目中，并保存；
4、设置项目参数；
5、编译、下载、调试；
6、观察结果。
4、ZigBee协议栈，规定了那三种；类型的设备，各自的功能?建立网络标识符PAD_ID由哪个设备决定？P271
ZigBee协议定义的三类设备：
1、Coordinator(协调器):协调器负责启动整个网络；
2、Router(路由器)：允许其他设备加入网络，多跳路由和协助它自己的由电池供电的子终端设备的通信；
3、End-Device（终端设备）：终端设备没有特定的维持网络结构的责任，它可以睡眠或者唤醒，因此他可以是一个电池供电设备。建立网络标识符PAD_ID由协调器设备决定。
5、IAR进行ZigBee应用开发，如何设置固定的PAN_ID?P280 在文件f8wConfig.cfg中的ZDO_CONFIG_PAN_ID参数可以设置为0~0x3FFF的一个值。协调器使用这个值，作为它要启动的网络的PAN ID。如果要改成广播传送形式就将这个参数设置为0xFFFF
6、Z-Stack有几种寻址模式？终节点一般使用哪种模式？P272
Z-Stack有4种寻址模式：
1、单点传送（Unicast）；
2、间接传送（Indirect）；
3、广播传送（Broadcast）；
4、组寻址（Group Addressing）。终节点一般使用组寻址
7、简述一下Z-Stack的路由协议AODV需要维护的存储表格有哪些？ P277
1、路由表，设备在路由表中保存数据包参与路由所需的信息，每一条路由表记录都包含目的地址，下一级节点和连接状态；
2、路径发现表，这个表用来保存路径发现过程中的临时信息。
8、Z-Stack的2007版本，函数AF_DataRequest是在哪个模块层定义的？ Z-Stack的2007版本，函数AF_DataRequest是在ZDO模块层定义的(不确定)
9、Z-Stack的2007版本，有哪几个主要协议层组成？ P380
Z-Stack完全实现了ZigBee规范规定的MAC层、网络层、应用层、安全服务层框架。（参考第一部分第51点对ZigBee协议栈的定义）
10、用Z-Stack开发智能家居应用，简述协调器程序的通信流程和作用。P366 主要负责建立和管理网络,接收从终端节点获取到的数据或向终端节点发送控制命令,以及与智能网关或上位机通信获取网关或上位机发送来的控制指令或上传终端节点采集到的数据
11、WSN接入互联网，需要网关设备，简述该网关设备的主要功能。P306
1、在无线传感器网络中，网关担当网络间的协议转换器，不同网络类型的网络路由器，全网数据聚集，存储处理等重要角色，成为网络间连接不可缺少的纽带；
2、网关节点设备将实现对其所在的无线传感器网络的区域管理、任务调度、数据聚集、状态监控与维护等一系列功能。
12、X|=0x20的作用是什么？
把X字节的第6位置1X|=0x20 等价于X=X|=0x20 ,‘|’为‘或’运算，0x20表示二进制的00100000
13、Y&=~0x10的作用是什么? 把Y字节的第5位置0 Y&=~0x10等价Y = Y&(~0x10),‘&’为‘与’运算，‘~’为‘取反’运算，0x10表示二进制的00010000
14、使用Z-Stack设计一个家用报警系统，当检测到煤气泄露时，自动打开排风扇
（1）绘制系统硬件结构示意图（2）描述各终节点的功能
（3）简述协调器的功能和程序流程（4）绘制PC程序的程序流程图
15、使用Z-Stack设计一个智能农业浇水系统，当检测到地面温度超过35度时，自动开启浇水装置，低于30度时，关闭浇水装置（1）绘制系统硬件结构示意图（2）描述各终节点的功能
（3）简述协调器的功能和程序流程（4）绘制PC程序的程序流程图
第三篇：基于WSN的智能交通灯控制系统设计概要
收稿日期:2009-06-16 作者简介:田丰(1958—,男,辽宁沈阳人,工学博士,教授,硕士生导师,主要研究方向为计算机测控技术、无线传感器网络等;杜富瑞(1981—,男,山东滨州人,硕士研究生,主要研究方向为无线传感器网络和嵌入式系统。
基于W S N 的智能交通灯控制系统设计 田 丰,杜富瑞
(沈阳航空工业学院计算机检测与控制研究室,辽宁沈阳 110136 摘要:针对多路口的交通信号灯控制问题,提出了基于无线传感器网络的两级组织结构,搭建了交通信
号灯控制平台。利用传感器节点收集的交通信息,结合模糊控制方法,实现了交通信号灯的无线智能控制。仿真结果表明,该控制器是有效的,其控制效果优于传统的控制方法。关键词:无线传感器网络;交通信号灯控制;模糊方法;鲁棒性
中图分类号:TP273+.5;TP18
文献标识码:A
文章编号: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
交通灯控制系统是一个典型的复杂大系统,具有时变、非线性、不易确定数学模型的特点。现有交通灯控制系统主要分为两类:定时控制和感应式控制。定时控制不能适应车流的动态变化,只适用于路面车流量较少的情况;感应式控制易受外界干扰,且在安装过程中,容易造成对道路的损坏。此外,这两种控制方式都只能单独地控制某一点,并不能实时、多点、联测、联动的控制。
无线传感器网络(W S N,wireless sens or net w orks 作为一种新兴的测控网络技术,融合了短程无线通信技术、微电子技术、嵌入式技术等。基于W S N 的交通灯控制系统具有控制精度高、响应速度快的优点。
模糊控制不需要建立精确的数学模型,它把人的感官认识和好的控制策略联系起来,具有很强的鲁棒性。
将模糊控制与无线传感器网络相结合,以W S N 传 感器节点收集的路面信息为输入,经模糊控制器处理, 得到作为输出的控制策略,对交通灯系统实施控制,可以实现交通灯控制系统的智能化、网络化。以下首先针对多路口交通灯控制系统,提出了两级W S N 组织结构,搭建了基于W S N 的交通信息收集和控制平台;然后介绍了多路口交通灯智能控制算法的设计,以及模糊控制器的设计;最后,进行了仿真实验。W S N 交通灯控制平台
在多路口交通信号灯控制系统中,信号灯的周期、绿信比和相位差是控制向量;到达交叉路口的车辆数和各交叉路口停车线前面排队的车辆数是状态向量。详细分
析表明,同时考虑信号灯的周期、绿信比和相位差的优化,将增大计算量,使问题的求解过程变得十分
复杂[1]。针对多路口交通灯控制系统,采用两级W S N 组织结构(见图1,第1级为控制级,负责调整各交叉路口的绿信比;第2级为协调级,负责协调干线各路口周期的确定和各路口之间的相位差。
图2为无线传感器网络交通灯控制系统模型图。路口的交通灯控制节点A1及其相邻路段内的路面检测节点B i(i =1,2,3,4,5和车载节点C j(j =1,2,3,4
图1 两级交通灯控制模型组成控制级。这些传感器器节点自组织成簇:交通灯控制节点作为簇首,路面检测节点和车载节点作为簇成员。簇首A1负责收集簇内路面检测节点的数据,进行数据融合,并与相邻簇首节点进行通信;簇成员节点负责路
面信息的收集。从簇首节点中,选取一个节点作为协调级,称此节点为汇聚节点。汇聚节点以多跳的方式与各簇首节点通信,收集各路口车流量信息 , 图2 无线传感器网络交通灯控制系统模型 进行智能处理,协调各路口工作。
针对交通控制系统中信息采集、策略制定、输出执 行的实际需求,引入3类W S N节点:信息收集节点、汇 聚节点和交通灯控制节点。传感器节点是构成W S N 的基本要素,具有采集环境信息、信息处理和无线通信 功能,它们既是数据包传输的发起者,也是数据包的转
发者[1]。信息收集节点负责路面车辆信息的收集,如 车速、交通流量比等,将此数据信息传递给交通灯控制 节点,经数据融合后传递给汇聚节点;汇聚节点根据设 定的目标(如通行量最大、平均候车时间最短等运用 智能控制方法计算出最佳方案,并输出给各路口交通 灯控制节点,控制车辆的通行与禁止,实现多路口的协 调控制。
信息收集节点由路面检测节点和车载节点两部分 构成。路面检测节点用于收集其检测范围内的车辆信 息,它按照一定的距离(一般为50~200m安装在道 路两侧的路灯上;车载节点被安装在每一辆汽车上,用 于收集车辆本身的数据信息(速度和坐标,并将该信 息发送给路面检测节点。路面检测节点按照一定周期 不断地广播消息,消息里面包含本身的I D和自己的坐 标信息。处于监听状态的车载节点接收检测节点发送 的消息。根据无线定位知识[2],车载节点只需收到3 个以上节点发送的消息,就可以计算出自己的坐标与 车速,并将坐标与速度消息传递给附近的路面检测节 点。路面检测节点在收到该消息后,计算出路面行驶 的车辆数、车辆所在车道和车辆与路口的距离,以多跳 通信的方式传递给路口的交通灯控制节点。由车速和 距离,交通灯控制节点就可以判断出车辆状态:①它 已经到达路口;②在路口信号灯换相之前到达路口;③ 不能按时到达路口。这样,可以方便地统计出干线路 口间行驶的车辆数QN以及各路口红灯方向排队车辆 数QR。多路口交通灯控制算法设计
文献[3,4]中指出,在交通控制系统中,各路口协 调周期,不能变换太频繁,否则,方案变换引起的交通 延误所带来的损失会大于新方案所带来的效益。设定 循环变量n=6,以6个周期为一个时间段,在此时间 段内,保持控制参数不变。2.1 算法设计
步骤1:汇聚节点根据以往的交通流量数据统计 出干线上各交叉口间的相位差ω i(i=1,2,3,…,n、统一使用的周期T、各个交叉口的绿信比,将此信息发
送给各路口簇首节点,并初始化循环变量n=0。步骤2:各交叉口簇首节点在给定的周期T下,依 据相位差ω i 依次开启干线各路口绿灯信号。在周期
时间末,簇首节点将周期内由W S N检测得到的路口间 行驶的车辆数QN和路口红灯方向排队车辆数QR送 给汇聚节点。汇聚节点用模糊控制规则以周期时间长 度为单位,调整路口之间相位差。
步骤3:令m=m+T,检验m>6T是否成立。若 成立,则到下一步;反之,则回到步骤2。步骤4:汇聚节点根据各路口簇首节点传递过来 的各路口间的交通流量和各交叉口的绿信比,预估下 一阶段的干线道路上各个交通流量比,计算下一阶段 的周期值。回到步骤2。2.2 各控制参数的具体实现 2.2.1 周期的确定
在交通信号控制系统中,为使各交叉口的交通信 号取得协调,各个交叉口的周期需要统一。方法是先
根据单个交叉口的配时方式,计算出各交叉口的周期, 然后从中选取最大周期,作为系统协调周期。周期确 定步骤如下: ①在给定时间段内,根据公式计算出路口j的第 m周期的交通流量比R j m;其计算公式为 R j m=∑n j=1 q j m i s j m i(1 式中,q j m i 为第j路口第m周期的第i相位车道的交通 量;s j m i 为饱和流量;n为相位个数。
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
根据韦伯斯特最佳周期公式 C0= 1.5L+5 1-R j m MAX(3 计算出第m周期的最佳周期。式中,L为相位损失时间(车辆起制动、行人、自行车干扰,可由协调级模糊控制器的输出得到。
③在本段时间结束时刻,计算所有周期时间内周期的最大值为 C MAX=MAX{C m,m=1,2,3}(4 将此周期值作为下一个阶段信号控制的统一值送入协调单元保存起来,作为下一阶段内的周期。
2.2.2 相位差的确定
相位差是控制交叉路口间交通流的重要参数,设定一个好的相位差可以显著地降低车流的等待时间,实现车辆通行的“绿波带”效应。相位差计算公式为
ω=T
+L(5 式中,T 为本路口到下游路口的行驶时间,由无线传感器网络实时检测得到;而损失时间L由协调级模糊控制器输出得到。模糊控制器的设计
相位损失时间L与路口间车辆数目QN和路口的红灯方向停车线前面车辆排队长度QR有很大关系。路口间车辆数目多,红灯方向排队长度QR长,则车辆启制动所耗费时间就越多,相应的相位损失时间L越大;反之,则越少。
设计步骤如下:(1输入输出变量的确定及量化。
输入变量:本路口到下一路口的车辆数QN,路口红灯方向在停车线前排队车辆数QR。QN的论域为{0,1,2,3,4,5,6,7,8},变化范围为0~85,量化因子k1=8÷85=0.09,语言变量为{Z B,Z M,ZS,Z,PS};QR 的论域为{0,1,2,3,4,5,6,7,8},变化范围为0~48, 量化因子k 2 =8÷48=0.17,语言变量为{NB,Z}。
输出变量:路口相位损失时间为L。L的论域为{0,1,2,3,4,5,6,7,8},变化范围为0~60,比例因子k3=60÷8=7.5,语言变量为{NB,NS,Z,PS,P B}。
(2确定输入输出变量的隶属函数(见图3。
(3确定模糊控制规则。
根据专家经验,建立模糊控制规则表。表1中建立了10条控制规则。表1 模糊控制规则表 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几种:最大隶属度法、中位数法、加权平均法。由于加权平均法比中位数法的计算量要小,比最大隶属度法控制性能优越,因此,在本设计中选用加权平均法进行解模糊运算,得到精确控制量。其计算公式为
L = ∑n j =1 u j(e j e j ∑n j =1 u j(6 式中,e j(j =1,2,...,9为论域值;u j(e j(j =1,2,(9 为对应于e j 的隶属度。
根据公式(5,计算出路口间的相位差ω,对路口间的交通车流进行协调控制。4 仿真实验
设一条道路有3个路口组成,三路口间距离均为600m。其中，南北为次干道。每个路口的有4个交通流相位:东西直行,东西左转,南北直行,南北左转,如图4所示。路口车辆的到达服从泊松分布,车辆的离开服从负指数分布。干线饱和流量为3000辆/h,支线饱和交通流量为2000辆/h,左转、直行、右转车流比例为1∶2∶1。
图4 主干道三交叉路口示意图利用MAT LAB 6.5编写仿真程序,将基于W S N 的两级模糊控制算法,分别在400、600、1200、1400、2000、2300辆/h 6种不同的车流量情况下进行仿真,统计相应的车辆平均延误时间。为了作比较,在完全相同的条件下,对定时控制也进行了仿真,结果如表2所示。
表2 模糊控制与定时控制比较 车流量/辆・h-1 两级模糊控制 定时控制
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
由仿真结果可以看出,在车流量不大时,两种控制
方式的效果差异不大。但随着车流量的增大,模糊控制的优势是十分明显的。5 结束语
以上将无线传感器网络引入到交通信号灯的控制
中来,搭建了无线传感器网络交通信号灯控制平台,提出了针对多路口交通灯控制的两级无线传感器网络组织结构。利用无线传感器网络的低功耗、自组织、分布式计算的特点,实现快速精确的车辆信息收集,提高了系统的响应速度和控制效果,具有较强的实时性和鲁棒性。同时,结合模糊控制理论,设计了干线信号灯控制算法,实现了交通信号灯的无线智能控制。参考文献: [1] 徐建闽.交通管理与控制[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 图形化软件教育版, 全力支持动手学习课程
2009年11月,美国国家仪器有限公司(简称N I 推出 LabV I E W 软件教育版,它是LabV I E W 图形化编程软件面向
高校的新产品。该版本软件的初衷是为了帮助教师实现基于科学、技术、工程和数学(STE M 学科项目的动手学习。
N I 与美国塔夫茨大学工程教育与外展服务中心(CEEO 一 起合作开发该产品,它是将工程集成到K 212教育的领导者。
N I 和塔夫茨大学CEEO 总裁和控制与机械电子教授Chris Rogers 博士共同合作,开发了该教育版软件,它可以有效帮
助高校教师使用工业、学术界工程师和科学家使用图形化系统设计技术,进而为工科学生提供动手实践经验。
LabV I E W 教育版软件可以帮助教师实现基于项目的动
手学习,并且将理论与实际世界的实例联系在一起。这一新版本软件能够与核心教育硬件平台无缝集成,例如LEG O M I N DST ORMS Educati on NXT、Vernier Sens or DAQ 以及TET 2R I X(Pitsco 开发的金属机器人构建系统,让教师能够轻松
地将机器人、测量和数据采集整合到课程中。软件的图形化拖放模式帮助学生学习主要的编程概念,并在获取专业世界中所使用的技术经验的同时,提高分析能力。新版本还包含可以在教室中使用的工具,包括数据查看器,能够图形化地显示传感器数据,虚拟示波器,以及其他让学生能够获得多种电子和机器工程技巧动手经验的虚拟仪器。此外,LabV IE W 教育版包括支持课程和教师活动,能够直接在
National Instruments、Vernier 软件与技术和LEG O 教学中使 用。□
第四篇：WSN的低功耗湿地土壤监测系统设计论文
摘要：针对扎龙自然保护区的土壤环境监测需求，采用ＣＣ２５３０ＰＡ模块设计终端节点，基于Ｚ－Ｓｔａｃｋ协议栈搭建自组织传感网络，传感器选取土壤湿度传感器、温度传感器以及雨滴传感器，组建低功耗湿地土壤监测系统。系统结合低功耗路由协议和实际环境监测需求提出采集发送端低功耗节点设计的改进算法，有效地减少节点的功耗、传输延迟和丢包率，从而延长整个网络生存时间。
关键词：自组织网络；无线传感网络；ＣＣ２５３０；低功耗
０引言
扎龙自然保护区是同纬度地区最原始、物种最丰富的湿地自然综合体。湿地内有大面积的沼泽和草甸，苇丛茂密、鱼虾众多，是水禽理想的栖息地。近年来由于人类活动的增多，对其环境有不同程度的破坏和污染。土壤参数作为生态环境的重要的指标之一［１］，可预警环境的前期污染，因此拟采用现代化的监测方法，针对扎龙湿地的重点区域实现土壤参数的监测。无线传感技术对比传统土壤监测手段具有低功耗、体积小、自组网等优势，是现代化监测土壤环境的最佳手段［２］。本文将无线传感网络的技术应用于扎龙自然保护区的土壤监测中，并采用低功耗的路由算法［３－５］搭建高效且节能的传感网络监测平台。
１体系结构及工作原理
土壤环境监测系统由终端采集节点、路由节点、协调器节点和上位机软件组成，系统结构如图１所示。终端采集和路由节点采用ＣＣ２５３０Ｆ２５６组成控制器、ＣＣ２５９１（ＰＡ）功率放大器组成收发器，结合土壤湿度、温度和雨滴检测传感设备进行数据的采集、处理、存储，最终协调器通过串口ＲＳ４８５上传至ＰＣ上位机终端。数据的解析、存储和曲线绘制等均在上位机终端上完成。上位机设计采用Ｌａｂｖｉｅｗ实现对无线传感网络的控制及数据接收。
２系统硬件设计
结合扎龙湿地土壤环境监测要求和传感器功耗、成本、测量范围及精度考虑，选取了土壤湿度传感器ＹＬ—６９、温度传感器１８Ｂ２０以及雨滴传感器。系统基于ＣＣ２５３０ＰＡ模块（尺寸３．６ｃｍ×２．７ｃｍ；标准ＳＭＡ天线接口（２．４Ｇ天线）；ＰＡ使用ＣＣ２５９１，全官方设计，完全兼容最新版协议栈，支持睡眠；可靠距离＞８００ｍ，自动重连距离达＞６００ｍ）。因此在４００ｍ区域内只需一个传感节点即可满足监测要求。终端节点主要负责采集监控区域的土壤环境信息和模数转换。系统硬件功能如图２所示，主要由ＭＣＵ、传感采集模块、Ａ／Ｄ转换、信号调理电路、无线通信模块和电源模块等组成。综合考虑功耗、测量范围、测量精度和成本等问题，最终选择土壤湿度、温度和雨滴传感器，电源模块在采集节点和路由节点上使用锂电池，协调器则使用交流电源供电。
３低功耗节点软件设计
由于终端采集节点采用锂电池供电，随着电量的消耗殆尽节点也会随之失效，直接影响和决定着整个监测系统的生存时间。因此节点的低功耗路由算法显得至关重要。
３．１基于离散组包传输的软件设计
节点的低功耗设计已经得到广泛认可，本系统结合低功耗路由协议和扎龙湿地实际土壤环境监测要求提出了采集发送端低功耗节点设计的改进算法。在实际监测中，考虑到采集的一个或多个环境参数的变化可能是土壤环境受到污染的可能性增加，所以需要对这些数据组包发送。本文结合低功耗路由算法和需要采集的参数提出了离散组包传输设计来降低采集节点端的能耗。由于环境的采集对数据的实时性要求不高，并且采集数据变化缓慢，此方法可以有效的减少数据的冗余，从而降低能耗。
３．２基于离散组包传输的软件设计
传感器节点集成有土壤温度、土壤湿度和雨滴传感器，且节点同时采集３个参数。由于环境参数的变化缓慢，所以测量值的波动变化比较平缓，因此如果周期地上传监测数据，数据产生大量冗余，消耗了大量的节点能量。为了改善节点能量的浪费，本文提出了设置阈值触发节点机制，从而有效延长的节点的生命周期。假设当前已测得环境变量ｉ（ｉ＝１，２，３，…，ｎ）值为Ｄｉ（ｔ＋１），上一次所测该环境变量值为Ｄｉ（ｔ），测量周期为Ｔ，εｉ为预设阈值，当｜Ｄｉ（ｔ＋１）－Ｄｉ（ｔ）｜＞εｉ时，即测得某种环境变量的变化超过预设阈值εｉ时，将测得该环境变量值Ｄｉ（ｔ＋１）加入发送帧载荷中。当遍历ｎ个传感器，将满足条件的环境变量测量值动态组合加入帧载荷，遍历结束后节点传输数据帧。假如所有环境变量测量值未满足条件，没有数据加入发送帧载荷，节点则不触发射频模块，不发送数据。即根据环境变化以紧凑的方式自适应发送变化量较大的值。其中，εｉ值和采样间隔Ｔ可根据具体情况进行设置。
３．３节点工作流程
节点工作流程图如图４所示。步骤１协调器负责建立网络，完成各节点的初始化。步骤２终端节点采集湿度、温度和雨滴信息。步骤３判定环境变量是否超过环境阈值εｉ，如果是，则将将测量值Ｄｉ（ｔ＋１）送入发送帧载荷；否则重新等待数据判定。步骤４判定是否遍历所有传感器，如果是，则传输动态组合数据帧；如果否，则继续执行步骤。
４测试结果与分析
测试地点选取扎龙自然保护区，测区长１２００ｍ、宽４００ｍ，布置６个传感节点、２个路由节点和１个协调器节点，节点采用锂电池供电，节点部署图如图５所示。同时采用标准测试仪与采集结果进行对比测试，并且对比采用低功耗传感节点和周期性采集节点进行分析。
４．１节点功耗测试
无线传感器网络中节点的功耗直接影响着整个网络的生存时间。节点的射频消耗的能量占节点消耗的大部分能量，因此在相同时间下，发送的数据帧总长度与节点能耗成正比例关系。分析时间设定为２０１４年６月２６日至２０１４年７月２５日为期３０天的监测数据为参考，对比低功耗节点与周期发送节点的发生数据帧总长度，每１２ｈ统计一次，测试结果如图６所示。对比测试数据显示采用离散组包算法的低功耗节点和周期传输节点（２ｍｉｎ）减少了５９．４％的功耗，节能效果明显，适合长期监测。
４．２网络稳定性测试
定时发送１５０００个数据包，重复试验２０次，统计周期传输与低功耗节点的丢包率。图７、图８分别为丢包率测试和数据包延迟对比。对比图７、图８显示的性能曲线，分析计算出低功耗节点的平均丢包率为０．９５％，周期传输节点的丢包率为２．８％。比较得出低功耗节点传输丢包率低，数据包延长小且更加稳定，离散组包传输大大减少了数据量的冗余。本文提出的算法能够明显降低传感节点的功耗、减少数据包的时延和延长整个无线传感网络的工作时间。
４．３监测数据精度测试
测试从２０１４年６月２６日８时至２０１４年６月２７日８时为期２天的监测数据为参考，采集数据有土壤湿度和温度２种。测试仪的数据输出为连续曲线，周期传感节点以２ｍｉｎ为周期采集数据，低功耗节点采用自适应离散组包传输。图９、图１０为土壤温度和湿度采集数据对比。由图９、图１０可见，理论测试和实际测试数据基本吻合。５结论与讨论本文通过对传统无线传感网络分析，提出了基于离散分组传输的节点低功耗算法。通过实践测试和分析可知，低功耗算法有效地减少了节点功耗、提高传输数据效率并且降低了数据的冗余量，进而延长了整个网络上生存时间，为建立长期监测网络提供了可行性和便利性。
参考文献
［１］闫长平，马延吉．人类产业活动对湿地环境的影响研究进展［Ｊ］．湿地科学，２０１０，（１）：９８～１０４
［2］王丽娟，刘玉珍．无线传感网络节点低功耗算法改进［Ｊ］．微计算机信息，２０１０，（１９）：１１１～１１２，５１
第五篇：基于WSN 智能家庭温湿度监测系统设计论文
随着物联网技术的发展，比尔盖茨的智能家庭开始有机会走进寻常百姓家。该文主要介绍一种基于WSN技术实现家庭温湿度环境监控的方案，本系统易于扩展，可以作为智能科技家庭的框架，通过扩展模块，可以作为一个完整的智能家庭解决方案。笔者对软硬件方面进行了研究分析，着重分析系统架构模型，并对子模块的功能和工作原理做了简单描述。该系统云平台采用最新的Node.js技术做支撑，系统基于RESTful风格构建。引言
随着社会的发展，人们对于生活居住条件的要求越来越高，人们希望可以像比尔盖茨一样随时随地掌控居住环境。近些年，由于信息技术和传感器技术等的不断发展，智能家庭正在悄悄走进千家万户。智能家庭是在联网设备的基础上，通过传感器采集数据，网络后台获取并存储数据，通过特定的算法对数据进行分析，将得到的结果返回给执行机构或通知用户，从而为用户提供一个智能的居家生活环境。目前智能家庭系统方案众多，各有优缺点。
笔者在智能家庭方面进行了研究，提出了一套易于扩展、高性能的智能家庭系统。本系统是一个轻量级的但功能完整的智能家庭系统。传统的智能家庭对设备的控制大多基于局域网络，只适应于家庭内部进行监测控制，本系统以家庭为单位，将所有家庭的数据采集到云端存储，便于以后的分析挖掘，使本系统可以更加智能，同时系统采用分层的模块化架构，便于维护和扩展。本系统在设计的时候充分考虑安全和成本，力求在安全的前提下降低系统成本。系统架构
2.1 整体架构设计
如图1所示，每个家庭都通过 TCP/IP 协议接入智能家庭云平台，在家庭和Internet 之间通过网关管理控制，家庭内部则采用 Zigbee 构建的局域网进行通信，达到监测和控制的目的。用户可以通过客户端连接到云平台查看家庭环境数据和控制家庭中的联网设备。云平台可以通过特殊的算法对采集到的数据进行分析处理，层而达到越用越聪明的目的。
Zigbee 是一种低功耗、短距离、低速短延时、简单大容量、安全可靠的无线网络传输技术[1]。zigbee 具有强大的自组织网络性能，主要工作在ISM 频段。其中，2.4GHz 频段较为常见，并且免费使用。在每一个家庭中通过 Zigbee 构建局域网络，达到安全可靠、成本低、低功耗的家庭网络的需求。
家庭网关采用Arduino 模块。Arduino 是一块基于开放原始代码的 Simple I/O平台[2]，因为 Arduino 是为业余电子爱好者开发的，所以开发语言和开发环境具有简单易懂的特点，同时Arduino 开发语言是建立在 C语言的基础上，功能强大，可以尽情发挥想象[3]。Arduino 以其简单、便宜、功能强大赢得了成千上万电子工程师的喜爱。
客户端采用 WEB 形式，降低开发成本并且具有很高的兼容性。当模块增多，功能复杂的时候可以考虑开发APP，本身 APP 也可以通过 webview 等组建直接嵌入 WEB页面，同时 WEB 也可以直接和微信打通，方便用户使用。
2.2 云平台架构设计
本系统采用 REST 架构。REST(Representational State Transfer)表征状态转移是从资源的角度看待整个网络[4]，分布在网络中的各种资源都是通过 URL(统一资源定位器)来唯一确定，应用程序可以通过 URL 来取得网络资源的表征，从而改变其状态。REST 架构希望通过统一的 Hypermedia Controls，实现标准的可扩展性高的标准语义及表现形式，从而达到无需人工干预、机器之间通用的交互协议边的目的[5]。
物联网(Internet of things)能够让被独立寻址的物体互相连通，其中涉及的联网设备非常庞大，物联网包含的物体个数保守估计在千万亿级别，面对如此强大的资源世界，采用 REST 架构构建物联网系统，在目前来看是最好的解决方案。硬件实现
3.1 主控制器设计
主控制器采用Arduino+Zigbee模块，如图，Arduino 拥有14个数字IO 接口和6个模拟 IO 接口，外部供电5V～9V 直流电源，输出5V 和3.3V 直流电压，采用 Atmega328微处理器控制器芯片。Zigbee 模块使用 TI 公司的 CC2530芯片，此芯片具有增强型 8051CPU，系统内部可以编程闪存，且其具有4种不同的闪存运行模式模式，可直接在片上系统进行编程且代码移植性好，技术成熟，成本低等优势让其成为目前 ZIGBEE 开发的主流芯片。
3.2 温湿度监测模块
通过DHT11温湿度传感器实时采集数据并通过 Zigbee 网络传输给网关。DHT11具有快速响应、全程测量、数字输出等优点。
3.3 继电器控制模块
主要由继电器和简单的电路构成，用于接收动作命令控制大功率家电设备。
3.4 电路检错模块
电路检错模块独立封装，用于检测设备是否正常，检错电路工作原理：协调器获得开灯指令后，如果电路输出为高电压状态，即设备损坏或电路接触不良等，则客户端和主控制器检错指示灯亮，提醒用户检查电路情况。软件实现
4.1 硬件系统工作流程
设备开始运行先进行初始化，然后尝试连接到云平台，如果没有连接成功则写入日志并再次尝试，三次之后若还没有成功则对用户做出反馈。硬件设备成功连接到网络之后开始等待指令，得到指令之后立即执行指令，成功则继续等待执行下一条指令，如果执行不成功则记录到日志并对用户做出反馈。用户可以随时查看设备日志，方便发现问题并解决问题。
4.2 云平台设计实现用
服务器采用 Node.js 技术实现。Node.js 是一个可以让服务器运行 javascript 脚本的平台，使 javascript 可以像 PHP、Perl、Ruby、Python 等语言一样不需要依赖于浏览器运行。Node.js 是为实时 WEB 而生，在构建之初就考虑在实时响应、超大规模数据要求下架构的可扩展性。
Node.js的特点是单线程、异步 IO、事件驱动，这种程序设计模型的优点是性能优异、开发效率高[10]。目前 Node.js 凭借其优秀的特性吸引了一大批开发者和公司，形成了一个庞大的生态系统。成千上万的第三方模块让 Node.js 开发更加高效，因此我们选择采用 Node.js 技术构建智能家庭系统的服务器平台。
4.3 客户端设计实现
通过服务器提供的 API，可以很方便实现各个平台的客户端。为了减少开发周期和尽可能多的适配客户端，我们选择先实现自适应的 WEB 客户端。采用WEB 技术实现客户端，可以一次开发多种
客户端适配，不同尺寸、不同平台的设备都可以得到一个完美的呈现。
5结束语
本文是在参考了其他智能家庭实现方案的基础上，进一步简化流程和优化操作之后设计的一种智能家庭解决方案。相比以往Zigbee网络的智能家庭系统，主要增加了HTTP协议支持，让用户随时随地掌控家庭;采用RESTful风格设计，方便设备连接和二次开发，加入云平台的概念，给智能家庭带来无限可能。目前系统存在的不足是服务器端无法直接发起会话，后期会通过mqtt协议解决这个问题。
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