传感器网络报告.doc

通信与信息工程学院2012 /2013 学年 第 一 学期 实 验 报 告模 块 名 称 无线传感器网络 专 业 网络工程 学 生 班 级 18 学 生 学 号 B09011814 学 生 姓 名 孙 冉 指 导 教 师 朱晓荣 实验简介：本实验系统采用IEEE802.15.4和Zigbee协议实现了多个传感器节点之间的无线通信，通过对本实验提供的软件操作以及对路由的观察，能够使学生对无线传感器网络的组网过程、路由协议有一个较为深入的理解。基本原理： n 无线传感器网络特点无线传感器网络（Wireless Sensor Network, WSN）由部署在监测区域内大量的微型传感器节点组成，通过无线的方式形成一个多跳的自组织网络，不仅可以接入Internet，还可适用于有线接入方式所不能胜任的场合，提供优质的数据传输服务。无线传感器网络节点可以协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息，并发送给观察者。传感器、感知对象和观察者构成了传感器网络的三个要素。协作：WSN节点可以随机或者特定地布置在监测区域内部或附近，它们之间通过特定的协议自组织起来，能够获取周围环境的信息并且相互协同工作完成特定任务。n 无线传感器网络特点 无中心的网络。无线传感器网络中没有严格的控制中心，所有结点地位平等，是一个对等式网络。结点可以随时加入或离开网络，任何结点的故障不会影响整个网络的运行，具有很强的抗毁性。 多跳路由。网络中节点通信距离有限，一般在几百米范围内，节点只能与它的邻居直接通信。如果希望与其射频覆盖范围之外的节点进行通信，则需要通过中间节点进行路由。 动态拓扑。无线传感器网络是一个动态的网络，节点可以随处移动；一个节点可能会因为电池能量耗尽或其他故障，退出网络；也可能由于工作的需要而被添加到网络中。n 传感器节点结构 一个传感器节点通常由传感器模块、处理器模块、无线通信模块和能量供应模块四部分组成。 传感模块负责采集监测区域内的有用信息并进行数据转换； 处理器模块负责控制整个传感器节点的运行，存储和处理本身采集的数据以及其他节点发来的数据； 无线通信模块负责与其他传感器节点进行无线通信，交换控制信息和收发采集到的数据； 能量供应模块为传感器节点提供运行所需的能量，通常采用微型电池。n 无线传感器网络协议栈 无线传感器网络通信协议主要包括物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层，与互联网协议栈的五层协议相对应。 在低层采用IEEE802.15.4工作组所定义的数据链路层和物理层协议，而在数据链路层以上的协议则是由Zigbee联盟制定。 协议栈还包括能量管理平台、移动管理平台和任务管理平台。这些管理平台使得传感器节点能够按照能源高效的方式协同工作，在节点移动的传感器网络中转发数据，并支持多任务和资源共享。Zigbee协议栈n 物理层 物理层负责载波频率产生、信号的调制解调等工作。 IEEE802.15.4定义了2.4GHz物理层和868/915MHz物理层两个物理层标准，两个物理层都基于DSSS（Direct Sequence Spread Spectrum，直接序列扩频），使用相同的物理层数据包格式，区别在于工作频率、调制技术、扩频码片长度和传输速率的不同。 2.4GHz频段有16个信道，能够提供250kbps的传输速率，物理层采用的是O-QPSK调制。 868MHz是欧洲的ISM频段，只用一个信道，传输速率为20kbps，物理层采用BPSK调制； 915MHz是美国的ISM频段，有10个信道，传输速率为40kbps，物理层采用的也是BPSK调制方式。 n 数据链路层 数据链路层负责数据成帧、帧检测、媒体访问和差错控制。 媒体访问协议保证可靠的点对点和点对多点通信。 差错控制保证源节点发出的信息可以完整、无误地到达目标节点。 在无线传感器网络中，两个主要的差错控制模式是前向错误修正（FEC）和自动重复请求（ARQ）两种。 就实现机制而言，介质访问控制（MAC）子层协议可分为3类：确定性分配、竞争占用和随机访问。 IEEE802.15.4定义的MAC层采用了CSMA-CA（载波监听多信道接入/避免冲突）协议的信道共享多点接入技术。n 网络层 网络层主要负责路由生成与路由选择。 路由协议可以大致分为四类：洪泛式路由协议、层次式路由协议、以数据为中心的路由协议、以及基于位置信息的路由协议。 洪泛式路由协议：它不需要维护网络的拓扑结构和路由计算，接收到消息的节点以广播形式转发数据包给所有的邻节点。典型算法为扩散法（Flooding）。 层次式路由协议：将传感节点分簇，簇内通讯由簇头节点来完成，簇头节点进行数据聚集和合成减少传输信息量，最后簇头节点把聚集的数据传送给终端节点。典型算法为低功耗自适应聚类路由算法（LEACH）。 基于位置信息的路由协议：它利用节点的位置信息，把查询或者数据转发给需要的地域，从而缩减数据的传送范围。典型算法为GEAR算法。 以数据为中心的路由协议：它提出对传感器网络中的数据用特定的描述方式命名，数据传送基于数据查询并依赖数据命名，所有的数据通信都限制局部范围内。这种方式的通信不再依赖特定的节点，而是依赖于网络中的数据，降低了不必要的开销，从而延长网络生命周期。典型算法为向扩散（Directed Diffusion）。 在本实验中我们采用的是AODV路由算法（Ad hoc on demand distance vector,Ad hoc按需距离矢量协议）。AODV是按需的路由协议，它只根据源节点的需要才建立节点之间的路由。n 无线传感器网络的应用 军事领域 商业应用 环境监测/农业应用 医疗保健：方便快捷的实现远程医疗。可随时了解被监护病人的情况，还可长时间地收集人的生理数据。 空间探测实验内容：n 本实验平台采用基于Crossbow模块进行传感器节点的设计n 传感器节点可以组成不同拓扑结构的网络，并且可以通过多跳将采集到的数据传输到控制节点，并由控制节点将采集到的数据发送给用户。实验环境：n 硬件：1台PC机、多个无线传感器模块；配套的数据线。n 软件：操作系统为Windows2000或 Windows XP；实验步骤：1.打开参数设置界面双击桌面快捷方式Moteconfig2.0或者开始-程序-Crossbow-Moteconfig2.0出现如下界面：2. 设置参数 选择Settings-Interface Board来设置正确的端口号。 我们使用的节点是MIB520，MIB520驱动程序在pc上自动的安装了两个连续的端口号，低端口号用来烧写程序，高端口号用来通信（高通低烧），下图就是MIB520自动生成了COM6和COM7，我们选择COM6。3. 烧写程序程序在C - Program Files - Crossbow - MoteView - XMesh-iris中。在Moteconfig设置参数界面上选择Local Programme，选择Select，出现如下界面基站节点选择XMeshBase-XMeshBase_M2110_hp.exe，终端节点选择MTS400- XMTS400_M2110_hp.exe单击Program文件烧写成功后，会出现如下界面。4. 观察组网情况双击桌面快捷方式MoteView2.0或者开始-程序-Crossbow-MoteView2.0出现如下组网的情况：5. 观察数据 选择data，节点采集到所有的数据会显示如下 选择temp,可以知道温度信息 选择voltage,可以知道电压信息 选择light，可以知道光强信息 思考题：（1）无线传感器网络中采用AODV路由算法有何优缺点？答：1、使用序列号机制，避免了环路2、支持中间结点应答，减少了广播数3、节点只存储需要的路由，减少了内存的要求和不必要的复制4、时延较大，不支持单向信道5、路由开销较大（2）Master Node，Routing Node，End Node在无线传感器网络中功能有何不同？答：MasterNode负责将任务划分到多个从节点上 RoutingNode负责中继和选路功能 End Node 负责信息的采集和发送（3）思考一下本实验系统还有哪些实际应用？ 答：军事领域应用：在军事应用领域，利用无线传感器网络能够实现监测敌军区域内的兵力和装备、实时监视战场状况、定位目标物、监测核攻击或者生物化学攻击等。例：美国军方研究的用于军事侦查的NSOF（Networked Sensors for the Objective Force)系统。环境监测应用：无线传感器网络应用于环境监测，能够完成传统系统无法完成的任务。环境监测应用领域包括：植物生长环境、动物的活动环境、生化监测、精准农业监测、森林火灾监测、洪水监测等。例：加州大学伯克利分校利用传感器网络监控大鸭岛（Great Duck Island）的生态环境。