1 廣東工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 （工學(xué)碩士） 基于地理位置信息的集群結(jié)構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的研究 林觀康 二一 年 五 月 2 分類號(hào)： 學(xué)校代號(hào)： 11845 密級(jí)： 學(xué) 號(hào)： 2110704258 廣東工業(yè)大學(xué)學(xué)位論文 （ 工 學(xué) 碩 士 ） 基于地理位置信息的集群結(jié)構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的研究 指導(dǎo)教師姓名、職稱： 教授 企業(yè)導(dǎo)師姓名、職稱： 無 專業(yè) 或 領(lǐng)域 名 稱： 控制理論與控制工程 學(xué) 生 所 屬 學(xué) 院： 自動(dòng)化學(xué)院 論 文 答 辯 日 期： 2010 年 5 月 3 11845 o.:2110704258 A s on 010 510006 摘要 I 摘要 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（ 成了傳感器、嵌入式計(jì)算、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)和無線通信等技術(shù)，被認(rèn)為是對(duì) 21 世紀(jì)產(chǎn)生巨大影響力的技術(shù)之一。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的能量非常有限，因此如何有效利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)有限的能量資源、設(shè)計(jì)能量高效的路由協(xié)議來平衡能量負(fù)載及延長網(wǎng)絡(luò)的生存時(shí)間十分必要。 對(duì)于 應(yīng)用于 農(nóng)田土壤 監(jiān)測(cè)系統(tǒng) 之類的 大規(guī)模無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，集群結(jié)構(gòu)類的路由協(xié)議更能節(jié)省無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的能量損耗。在集群結(jié)構(gòu)協(xié)議中，簇的生成及把特定工作分配到簇首，極大地提高了整個(gè)系統(tǒng)的可擴(kuò)展性和延長了網(wǎng)絡(luò)壽命。 本文對(duì)當(dāng)前常用的集群結(jié)構(gòu)路由算法進(jìn)行歸納，整理這些算法的優(yōu)缺點(diǎn)； 對(duì)路由算法的應(yīng)用主體 農(nóng)田土壤 監(jiān)測(cè)系統(tǒng) 的各個(gè)組成部分進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)； 并針對(duì) 該 監(jiān)控系統(tǒng) 節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)需有地理位置相關(guān)性及節(jié)點(diǎn)數(shù)量眾多 的特點(diǎn)， 提出 將基于地理位置信息的路由算法及集群結(jié)構(gòu)的路由算法進(jìn)行結(jié)合， 利用地理位置信息進(jìn)行成簇及簇首選擇的思想 。 本文還設(shè)計(jì)了 兩 種基于 節(jié)點(diǎn)地理位置信息的集群結(jié)構(gòu)路由算法 法首先利用節(jié)點(diǎn)的地理位置信息一次性分布式成簇，然后根據(jù)分布式區(qū)域內(nèi)節(jié)點(diǎn)的剩余能量及地理位置進(jìn)行簇首選擇，由簇首負(fù)責(zé)收集本簇內(nèi)的傳感信息并進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，此外還設(shè)立了次簇首負(fù)責(zé)簇間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，把數(shù)據(jù)發(fā)送到匯聚節(jié)點(diǎn) ( 法針對(duì)多跳路由中出現(xiàn)的“熱區(qū)”問題提出與 法不同的分簇方式，使簇間能量損耗更均衡。 理論分析及 真結(jié)果表明 這兩種 算法能有效地節(jié)約節(jié)點(diǎn)能量、延長網(wǎng)絡(luò)壽命，并減小了通信時(shí)延，具有較好的路由性能 ；該 算法也有效地應(yīng)用于 農(nóng)田土壤 監(jiān)測(cè)系統(tǒng) 中 。 關(guān)鍵詞： 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；路由；集群結(jié)構(gòu)；地理位置信息；能量 ； 農(nóng)田土壤 廣東工業(yè)大學(xué)碩士學(xué) 位論文 of its as of 1st SN to a to to is To a SN as In to of of of of to to to on on of up on to at of on S2 it it a 錄 錄 摘要 . I . 錄 . . V 第一章 緒論 . 1 題研究背景及意義 . 1 究背景及意義 . 1 目來源 . 3 內(nèi)外研究現(xiàn)狀 . 3 論文的主要研究?jī)?nèi)容及結(jié)構(gòu) . 6 第二章 農(nóng)田土壤監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì) . 8 田土壤監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求 . 8 線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)體系結(jié)構(gòu) . 9 感器節(jié)點(diǎn) . 10 關(guān)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì) . 14 程監(jiān)控中心 . 17 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的特點(diǎn) . 19 章小結(jié) . 20 第三章 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議分析 . 21 線傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù) . 21 感器網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議設(shè)計(jì)目標(biāo) . 22 線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議分類 . 23 型無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議分析 . 24 泛 /受限洪泛路由算法 . 25 數(shù)據(jù)為中心的路由算法 . 25 群結(jié)構(gòu)路由算法 . 26 于地理信息的路由算法 . 29 由協(xié)議的比較分析 . 31 廣東工業(yè)大學(xué)碩士學(xué) 位論文 章小結(jié) . 31 第四章 基于地理位置信息的集群結(jié)構(gòu)路由算法設(shè)計(jì) . 33 法思想 . 33 法的前提 . 33 法設(shè)計(jì) . 34 始化階段 . 35 定工作階段 . 39 法設(shè)計(jì) . 43 跳路由中的熱區(qū)問題 . 44 法 . 44 法擴(kuò)展性分析 . 46 章小結(jié) . 46 第五章 仿真及應(yīng)用 . 48 真環(huán)境 . 48 真參數(shù)設(shè)置 . 50 真步驟 . 51 真結(jié)果分析 . 54 絡(luò)壽命仿真 . 54 絡(luò)剩余能量仿真 . 56 絡(luò)傳輸時(shí)延 . 56 田土壤監(jiān)測(cè)應(yīng)用 . 57 章小結(jié) . 60 結(jié)論與展望 . 61 參考文獻(xiàn) . 62 攻讀學(xué)位期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文 . 67 攻讀學(xué)位期間參加的科研項(xiàng)目 . 68 獨(dú)創(chuàng)性聲明 . 69 致謝 . 70 附錄 1 傳感器節(jié)點(diǎn)路由算法部分代碼 . 71 . I . . V . 1 . 1 . 1 . 3 . 3 . 6 of . 8 2.1 of . 8 2.2 of . 9 . 10 . 14 . 17 2.3 of . 19 . 20 SN . 21 3.1 . 21 SN . 22 SN . 23 of SN . 24 . 25 at . 25 . 26 . 29 . 31 廣東工業(yè)大學(xué)碩士學(xué) 位論文 . 31 . 33 of . 33 of . 33 . 34 . 35 . 39 . 43 in . 44 . 44 . 46 . 46 . 48 . 48 . 50 . 51 . 54 . 54 of . 56 . 56 of . 57 . 60 . 61 . 62 . 67 . 68 . 69 . 70 of . 71 第一章 緒論 1 第一章 緒論 題研究背景及意義 究背景及意義 無線傳感器網(wǎng)絡(luò) 被認(rèn)為是 21 世紀(jì)人類信息研究領(lǐng)域所要面臨的主要挑戰(zhàn)之一 1。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定義為：大規(guī)模、無線、自組織、多跳、無分區(qū)、無基礎(chǔ)設(shè)施支持的網(wǎng)絡(luò)、其中的節(jié)點(diǎn)是同構(gòu)的、成本較低、體積較小、大部分節(jié)點(diǎn)不移動(dòng)、被隨意撒布在工作區(qū)域，要求網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)有盡可能長的工作時(shí)間 2。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)一般包括傳感器節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)兩部分，傳感器節(jié)點(diǎn)分布在特定的工作區(qū)域中，采集該區(qū)域的傳感數(shù)據(jù)，然 后通過自組織的網(wǎng)絡(luò)把數(shù)據(jù)發(fā)送到網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)通過其它寬帶網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)到遠(yuǎn)端的監(jiān)控中心。 未來應(yīng)用將超出我們的想象力。在軍事上，使用聲音、壓力等傳感器可以偵探敵方陣地動(dòng)靜，人員、車輛行動(dòng)情況，收集敵 方 信息情報(bào)，實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)督和戰(zhàn)場(chǎng)損失評(píng)估等 3；在商業(yè)上，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可實(shí)現(xiàn)家居環(huán)境和工作環(huán)境智能化，以及倉儲(chǔ)管理智能化；在醫(yī)療上，可以遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控病人身體狀況，如實(shí)時(shí)掌握病人所處地理位置，以及病人血壓、血糖、脈搏等情況，一旦發(fā)生危急情況可在第一時(shí)間實(shí)施救助；在環(huán)境方面，有 農(nóng)業(yè)立體污染監(jiān)測(cè) 、 河道水文監(jiān) 測(cè)、江河水質(zhì)監(jiān)測(cè)和水災(zāi)預(yù)警等作用。 在農(nóng)業(yè)方面，農(nóng)業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)，農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展將直接影響我國整個(gè)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。目前，我國 農(nóng)產(chǎn)品與農(nóng)田環(huán)境的安全形勢(shì)正日趨嚴(yán)峻 。隨著工業(yè)化、現(xiàn)代化和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人口的急劇增長，以及人類對(duì)資源不合理利用，工業(yè)“三廢”及生活廢棄物的排放引發(fā)的環(huán)境污染，化肥、農(nóng)藥、生長激素、農(nóng)用塑料薄膜等化學(xué)物質(zhì)的大量使用，規(guī)?；B(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展帶來的禽畜廢棄物增加，工業(yè)廢棄污染物的農(nóng)業(yè)利用及農(nóng)田廢棄物不合理處置等，已造成了農(nóng)業(yè)系統(tǒng)中水體 生物 合、交叉與循環(huán)污染（ 即有關(guān)專家提出的“農(nóng)業(yè)立體污染”），極大地影響了農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定及其功能的發(fā)揮，從而嚴(yán)重威脅我國農(nóng)產(chǎn)品的安全生產(chǎn)。構(gòu)建農(nóng)田污染信息系統(tǒng)，提高對(duì)農(nóng)田系統(tǒng)立體污染災(zāi)情的監(jiān)測(cè)與預(yù)報(bào)能力，非常必要。傳統(tǒng)的農(nóng)田污染信息的采集靠人力對(duì)各個(gè)采樣點(diǎn)進(jìn)行人工采集信息再錄入計(jì)算機(jī)系廣東工業(yè)大學(xué)碩士學(xué) 位論文 2 統(tǒng)。也有應(yīng)用 線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行監(jiān)控的，但不能對(duì)監(jiān)控區(qū)域進(jìn)行精確的數(shù)據(jù)采集。根據(jù)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在農(nóng)業(yè)上廣闊的應(yīng)用前景，建立基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的 農(nóng)田土壤監(jiān) 測(cè) 系統(tǒng)，提高農(nóng)田污染信息采集的自動(dòng)化程度及數(shù)據(jù)采集點(diǎn)的精確度，再組合適合于遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸技術(shù) 可遠(yuǎn)程地對(duì)農(nóng)田 土壤 污染區(qū)域進(jìn)行大范圍、遠(yuǎn)程、實(shí)時(shí)、精確的監(jiān)控。 有廣闊的應(yīng)用前景，但節(jié)點(diǎn)能量、帶寬、儲(chǔ)存空間等因素嚴(yán)重影響了它的大規(guī)模應(yīng)用。而路由協(xié)議是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的核心技術(shù)之一，它的性能和整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的性能密切相關(guān)，它的主要設(shè)計(jì)目標(biāo)是滿足應(yīng)用需求的同時(shí)盡量降低網(wǎng)絡(luò)開銷，取得資源利用的整體有效性，擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)容量，提高網(wǎng)絡(luò)吞吐率。因此設(shè)計(jì)一個(gè)高效的路由協(xié)議，顯得格外重要。 在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)涉及的基本網(wǎng)絡(luò)協(xié)議中，路由協(xié)議屬于一項(xiàng)極為重要的核心技術(shù) 4。在研究的初期，人們?cè)?jīng)一度認(rèn)為成熟的 術(shù)加上 由機(jī)制對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)是足夠充分的，但深入的研究表明，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和傳統(tǒng)的無線網(wǎng)絡(luò)有著明顯的不同 5。 路由協(xié)議的設(shè)計(jì)主要面臨的問題和挑戰(zhàn)有： 1、 傳感器節(jié)點(diǎn)能量受限，節(jié)能成為路由協(xié)議最主要的優(yōu)化目標(biāo) 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的一般采用電池供電，節(jié)點(diǎn)大部分情況下分布于無人看守的環(huán)境中，電池不能補(bǔ)充和更換，節(jié)點(diǎn)能量受限。而無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的工作過程中，大部分能量消耗在無線通信里。因此，研究低功耗的通信路由協(xié)議極為迫切。 2、網(wǎng)絡(luò)規(guī)模巨大，其路由協(xié)議必須具有高可擴(kuò)展性 持的節(jié)點(diǎn)可以達(dá)到上千個(gè)，如此巨大的規(guī)模，必須要有一個(gè)擴(kuò)展性很高的路由協(xié)議來支持。 3、傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓詮?qiáng) 的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓饕且驗(yàn)闊o線 通信 的沖突而產(chǎn)生的拓?fù)洳环€(wěn)定、節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)以及節(jié)點(diǎn)的失效等，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模很大時(shí)，這些因素引起的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓瘯?huì)很頻繁。這需要設(shè)計(jì)既能適應(yīng)高度的拓?fù)渥兓?，時(shí)延又小的路由協(xié)議 4、傳感器網(wǎng)絡(luò)路由中使用數(shù)據(jù)融合技術(shù) 為了減少流量和能耗，傳輸過程中的轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)經(jīng)常將不同的入口數(shù)據(jù)融合成數(shù)目更少的出口數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到下一跳。采用數(shù)據(jù)融合技術(shù)意味著路由協(xié)議需要做出相應(yīng)的調(diào)第一章 緒論 3 整。 5、 傳感器網(wǎng)絡(luò)中流量分布不均勻 越靠近 點(diǎn)，鏈路的流量越高，相應(yīng)節(jié)點(diǎn)的負(fù)載越重，壽命就越短。因此，流量分布不均勻造成功耗分布不均勻，并直接導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間的縮短。 本 文以農(nóng)田土壤監(jiān)測(cè)為應(yīng)用對(duì)象， 研究無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的能量高效路由協(xié)議技術(shù)。針對(duì)農(nóng)田土壤監(jiān)測(cè)應(yīng)用中監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與節(jié)點(diǎn)地理位置密切相關(guān)的特點(diǎn)，選擇設(shè)計(jì)基于地理位置信息的路由算法；根據(jù)監(jiān)測(cè)應(yīng)用中網(wǎng)絡(luò)規(guī)模大、可擴(kuò)展性要求高的特點(diǎn)，選擇設(shè)計(jì)集群結(jié)構(gòu)路由算法；根據(jù)傳感器節(jié)點(diǎn)位置基本不變化的特點(diǎn)，對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行一次性分簇；針對(duì)多跳路由中出現(xiàn)的“熱區(qū)”問題，對(duì)分簇方 法進(jìn)行改進(jìn)。 目來源 本課題來源于國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目 （ 編號(hào)： 60673132） ： 感器網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵問題研究； 2007 年粵港關(guān)鍵領(lǐng)域重點(diǎn)突破項(xiàng)目 (2007珠江三角洲農(nóng)田系統(tǒng)立體污染監(jiān)測(cè)信息化關(guān)鍵技術(shù)與示范（合作） 。 內(nèi)外研究現(xiàn)狀 傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究起步于 20 世紀(jì) 90 年代末期。從 21 世紀(jì)開始，傳感器網(wǎng)絡(luò)引起了軍界、工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的極大關(guān)注，美國和歐洲相繼啟動(dòng)了許多關(guān)于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究計(jì)劃 6。特別是美國通過國家自然基金委、國防部等多種渠道投入巨資