1、毕业实习报告实习单位: 河南理工大学 实习时间： 2012 年 2 月 20 至 2012 年 3 月 14 学院(系): 电气工程与自动化 专 业: 电气工程及其自动化 学生姓名: 胡泽浩 学号: 310808010810 2012 年 3 月 14 日2S HENAN POLYTECHNIC UNIVERSITY 毕业实习报告用纸实习报告实习目的与任务：本次实习是研究基于 S-MAC 的无线传感器网络 MAC 协议的分析与优化。了解 S-MAC 协议及其相关应用方向和基本性能，以求对 SMAC 协议有一个全面的认识，为毕业的开展打下良好的认识基础和知识储备，并对该方向研究的可行性进行评估
2、，以期在毕业设计时能够有的放矢，把握好方向。实习单位：河南理工大学实习内容：主要是在图书馆查询相关知识，二十多天的辛劳成果，现归纳如下：无线传感器网络(WSN)技术是指将传感器技术、自动控制技术、数据网络传输、储存、处理与分析技术集成的现代信息技术(宫鹏, 2007)。WSN 由具备记忆能力的存储器、处理器、传感器、无线通讯和电池等硬件组成。在环境监测中应用WSN 是遥感技术的新的生长点。Whelan 等(2008)把无线传感器网络在环境监测中的应用称为大尺度遥感。在环境应用中, 无线传感器网络和有线网络结合被称为环境传感器网络或生态传感器网络(ESNs)(Rundel等, 2009)。对科学
3、索引网(ISI Web of Science)搜索发现, 过去10 多年来, 有关无线传感器网络的论文急剧增多。19982001 年仅发表13 篇, 但是20022005 年成倍增长, 到20062007 年每年发表400 多篇, 2008 年发表587 篇。到2009 年6 月初, 已经发表290 余篇。商业周刊把WSN 技术做为21 世纪21 项最重要的技术之一(Evans 等, 2008)。WSN 的传感器一般与小型计算机和无线发送装置集于一体, 称作网络传感器节点。每个节点可以挂接机械的、热、生物、化学、光学和磁力传感器。一般置于观测对象的附近, 或与观测对象直接接触, 甚至埋于感兴趣
4、观测对象中。获得关于观测对象的图像、声音、气味、震动等物理、化学、生物学特性。人们通过手机、因特网等无线通讯技术控制传感器开启或关闭, 获得各种数据, 对所获数据进行显示、储存或分析, 并通过网络传输到数据收集中心。它的发展及其广泛应用主要归因于传感器技术的微型化、智能化、廉价性和数据无线传输的可能性。网络传感器节点置于野外, 自己就能寻找附近的同类传感器网络节点, 实现相互间的网络通讯, 指令和数据传输, 并自动构建网络拓扑。其中之一不3工作后, 节点间可以自动跳接到其HENAN POLYTECHNIC UNIVERSITY 毕业实习报告用纸他工作的节点。最后通过网络路由器传到一个总站服务器
5、上(图1)。每个节点既可以获得位置, 又可以获取相关的环境特征数据。WSN 比一般的网络在设计和资源利用上有诸多的限制。设计限制来自所观测的环境。环境应用决定对网络复杂度、节点数、拓扑结构和网络搭建方案的设计要求。当观测环境人力不可及或对人到达太危险时, 或需要的节点数无法逐个安装完成时,即兴网络搭建方案比提前规划好的网络搭建方案更有效。环境屏障可能会影响节点间的连接性, 从而影响网络拓扑结构的设计。首先对MAC协议进行了相关介绍。然后重点介绍了一种基于竞争的无线传感器网络MAC层协议S-MAC协议。其核心是提出了一种新的无线传感器网络的MAC协议设计方案。基于动态调整占空比的思想，提出了AT
6、C-SMAC协议。该协议在S-MAC协议的基础上改进了固定占空比的劣势，根据每个节点上的数据包的平均延迟调整占空比。通过动态地调整每个节点的占空比，使不同流量的节点拥有不同的工作时间，协议根据不同节点的流量情况自适应地对其占空比进行调整。经过仿真试验，得到ATC-MAC在网络端对端延迟、能量消耗以及吞吐量方面较S-MAC协议都有比较明显的提高。无线传感器网络协议ATC-SMAC主要是提高基于竞争的S-MAC协议的能量使用率，同时减少S-MAC协议的网络延迟。ATC-SMAC协议通过自适应地调整每一个节点的占空比，让节点在不同的流量下使用不同的占空比工作，做到流量大时工作更长的时间，流量小时工作
7、更短的时间，没有流量的时候就不工作。 在资源限制方面, WS 一般能源有限, 传输距离较短, 带宽较低, 处理器的速度和存储容量也较低。Yick 等(2008)把 WSN 每个节点需要具备的核心技术内容归纳为 3 部分: 系统, 通讯, 服务。每个网络节点是一个系统。系统主要由硬件平台(类似一个计算机)、操作系统和存储方案组成。通讯部分主要是指为完成一项应用任务所需要的与传感器和用户的通讯协议, 包括节点间的通讯协议。服务部分主要为加强 WSN 的应用能力、提高系统性能以及改善网络效率所需要的各种技术。服务部分的主要内容包括: 定位、节点覆盖范围、安全、同步、数据汇总和多层网络的优化等。对于由
8、网络节点组成的 WSN, 其关键技术是网络的自组织能力、数据传输精度和效率, 以及降低能耗, 捕获能量的能力等。表 1 列出目前市场上可以购买的部分 WSN 技术产品。表 2 列出了 IEEE 通讯标准以及部分 WSN 采纳的标准。4由于环境科学、工程和信息技术的交叉, 生态研究正经历一场前所未有的技术革命。环境感知硬件和软件的价格不断下降、硬件尺寸和重量等均随电子器件的微型化大幅降低, 性HENAN POLYTECHNIC UNIVERSITY 毕业实习报告用纸能不断提高。这些进步与网络技术发展相结合为回答生态系统复杂过程中的关键科学问题提供了重要的技术保证。这些技术的集成就是环境传感器网络
9、(ESN)。人们开始在不同尺度的栖息环境监测中应用 ESN。空间尺度大到大陆尺度传感器网络监测, 小到数米尺度的植物环境。时间尺度从秒级林下太阳光斑动态, 到逐日尺度的 CO2 通量, 直到年代尺度的温度趋势。人们使用地面以上的传感器系统和地下土壤传感器测量生态系统的物理和生物过程。使用水下和河岸带传感器监测地下水和养分动态。最新的动态是把一系列复杂的成像和录音传感器组装到一起进行声像一体化的生态系统观测。美国即将实施的国家生态观测网(NEON)计划构建 20 个区域生态观测台, 用于长期观测生物圈对土地利用和气候变化的响应以及土壤圈、水圈和大气圈的相互反馈机制(Keller 等, 2008)
10、。为了监测湖泊功能以达到加深对气候和土地利用变化引起的关键湖泊生态过程变化的理解, 湖泊生态学家、信息技术和工程技术人员正在建立全球湖泊生态观测网(GLEON)。这些网络的共同特点是大量使用定点和移动的地面传感器网络技术和全面共享所得数据。全球对 CO2 和养分通量的管理需要改进人们对土壤和大气的碳、氮交换机制的理解。在陆地生态系统中, 植被通过光合作用捕获大气中的CO2, 并把它们存储到根系及根区微生物中。但是, 人们对于这个土壤根系过程至今没有很好的理解。使用传感器网络技术测量土壤中的各种交互作用和动态过程来提高对土壤根系呼吸作用的理解。传感器网络技术可以帮助实时了解土壤自氧和异氧呼吸的时
11、间动态。现在, 定点测量根系生长时的CO2 通量已经成为可能(Baldocchi 等, 2006)。Allen 等(2007)使用土壤内部成像技术获取土壤中植物微根逐日生长动态。还搭建了由一系列土壤传感器组成的传感器网络用于监测CO2 通量、土壤纹理、土壤温度、湿度、硝酸根、氮氢化合物等的浓度。由于不能直接看到土壤下部的结构, 布设土壤传感器又要求对土壤环境的扰动最小化, 所以需要使用探地雷达等设备预先对土壤下部岩石、水位、植物粗根等进行探测。今后的趋势是将这些传感器链接起来构建密集的土壤观测网络, 利用无线传输技术收集土壤成像和通量数据。具体资料汇总：51 S-MAC 协议的分析和研究S-M
12、AC 协议是一种基于竞争的控制协议，具有同步机制功能与无中心等特点，不需要局部或全局中心主节点的调度传感器节点自己发现邻居节点，并合理地安排占用信道的时间。11 S-MAC 协议HENAN POLYTECHNIC UNIVERSITY 毕业实习报告用纸S-MAC 协议时间分为若干个帧，帧长度由应用程序来确定，帧内分为活动与睡眠两个部分在睡觉时段，节点关闭发送器模块，缓存在此时负责采集数据信息，数据在等待序列中，到活动阶段集中进行发送。在活动开始时，发送节点进入同步机制决定帧长度的确定方式，之后通过(RTSCTSDATAACK)机制发送数据信息，这个机制能够避免因冲突产生的能耗。通过同步机制，局
13、部的节点之间可以采用相同的时间周期，采用相同的工作休眠策略，它方便了无线传感器网络发现新节点。12 S-MAC 的节能机制分析为了减少无线传感器网络消耗的能量，在 IEEE 80211 基础上提出了一种专门的传感器网络 MAC 协议 S-MAc 协议。无线传感器网络的冲突重传、接收到不是发送给自己的数据、控制信号、空闲侦听等造成传感器网络耗能的原因。它引入了节点间的 SYNC 机制，允许没有数据发送和接收的节点进入休眠状态以节省耗能。但根据前文所讨论的，睡眠的本身会引起数据的传输中断，从而增加延时。下面将具体分析 S-MAC 协议是怎么节能的。121 交替侦听睡眠机制S-MAC 协议的工作是按
14、照周期进行的，在每个周期里，每一个基于 S-MAC 协议的节点都会工作一段时间、睡眠一段时间，通过减少节点的工作时间来节省能量。如图 1 所示 S-MAC 协议的一个周期包含了睡眠和侦听两个阶段，侦听阶段属于工作阶段，侦听阶段如果收到数据包，则节点之间会建立通信。如果节点处于睡眠状态，则节点不能接收任何数据，发送给它的数据都会被阻塞。处于睡眠状态的节点会在一定时间后醒来。在 S-MAC 协议中，相邻的节点是尽量同时睡眠同时侦听的，为了保证时间上的一致，防止时钟偏移，不同节点间需要定期广播同步包来交换时间信息，从而进行调整，做到同步。122 “虚拟簇”机制6S-MAC 协议使用了“虚拟簇”的机制
15、，在“虚拟簇”机制下，节点之间的调度信息是通过节点广播 SYNC 包来实现的。S-MAC 协议使用调度表来保存调度信息，每一个节点会保存一个调度表。节点会在启动的初期监听一段时间，因为 S-MAC 协议是固定占空比的，所以这段时间是固定的。在监听的这段时间，如果节点能够收到邻居节点的调度信息，则它使用邻居节点的调度周期更新自己的调度周期，并且它会在一段时间后广播自己的调度信息。如果接收到的邻居节点的调度方式与自己的调度方式相同，则调度方式不变；如果发现相邻间的HENAN POLYTECHNIC UNIVERSITY 毕业实习报告用纸节点的调度方式与自己不同，而且还没有收到与自己调度方式相同的节
16、点消息，则使用新的调度方式进行调度。123 串音避免机制基于竞争 MAC 协议能量消耗的一个重要原因就是串音。在 S-MAC 协议中，如果节点收到不是发送给自己的 RTS 数据包或 CTS 数据包，节点会直接进入睡眠状态。这样，发送数据包的节点就不会把数据包和 ACK 报文发送到刚刚进入睡眠的节点，从而减少了节点处理这些数据包所消耗的能量。124 冲突避免机制竞争信道时产生的碰撞是每一个竞争类协议都会碰到的问题，S-MAC 协议也对该问题进行了解决，尽量减少不必要的能量浪费。125 消息分段机制如果传感器网络传递比较长的数据包，一个包出错就会重传，这就将耗费比较多的能量。S-MAC 为了解决这
17、个问题采用了消息分段机制，将长消息分成几个小的消息发送出去。126 自适应侦听机制自适应侦听机制的基本思想是：当一个节点收到 RTS 或者 CTS 数据包，侦听到邻居节点有数据通信，就进入睡眠，同时记录它的通信时间。对通信时间的记录帮助节点通信结束后能够醒来，在一个较短的时间内侦听信道查看是否有数据包需要传递，这种侦听同样是通过是否接收 RTS 数据包和 CTS 数据包来实现的。通信结束后节点会醒来，这个时候节7点进入工作状态，侦听是否有数据包到达，如果有数据包到达则建立信道进行通信，如果没有数据包到达，则结束侦听，继续进入睡眠，按照既定调度方式工作。2 改进的 MAC 协议 ATC-SMAC
18、如前面所述，S-MAC 协议由于采用了固定的占空比，它不能根据网络中数据流的延迟情况动态调整占空比大小，造成了两个主要的问题。本节提出了一种新的无线传感器网络的 MAC 层协议ATC-SMAC(Automation of Time Controlled-SMAC)，该协议在 S-MAC 协议的基础上改进了固定占空比的劣势，采用根据每个节点上的数据包的平均延迟调整占空比的策略。21 ATC-SMAC 协议的工作原理HENAN POLYTECHNIC UNIVERSITY 毕业实习报告用纸ATC-SMAC 协议支持传感器网络中的不同节点拥有不同的占空比。现在假设节点的初始化占空比为 P，帧长为 T
19、，睡眠时间为 Tsleep，工作时间为 Tactive，显然有，P=TactiveT。设数据包在某节点的平均阻塞延迟为 Tblock。ATC-SMAC 的节点占空比调整策略如下：如果 Tblock 的变化超过了 Pctr，那么占空比也要调整相应的比例；不论这种变化是增加还是减少，只要变化的范围超过了 Pctr，占空比都会调整；根据 Tblock 变化的幅度，占空比调整的幅度也会相应地变化。本文中 Pctr 选为 20，经过后面的仿真实验验证，Pctr 为 20的 ATC-SMAC 协议要比自适应的 S-MAC 协议更加优秀。为了通过减少节点的计算量从而达到节省节点能量的目的，节点的数据包平均时
20、延为两个同步周期计算一次。节点统计在刚刚过去的两个同步周期内自己转发的所有数据包的延迟。对于每一个数据包，在它进入节点的缓冲队列的时候，从数据包的报头中可以看到上一个节点发送出该数据包的时刻 Tin，忽略数据在物理介质中传播的时间，记录该数据包从本节点上发送出去的时刻 Tout，该节点的延迟 Ti=Tout-Tin。对于该节点转发的数据包 1，2，n，统计得出它们的延迟 T1，T2，Tn，得到该节点的平均延迟 Teven 为：Teven=(T1+T2+Tn)n (1)节点除了计算刚刚过去的两个同步周期内的平均延迟外，还保存上两个同步周期内的平均延迟 Tpast。如果在刚刚过去的两个同步周期内，
21、节点转发数据包的量比较大，延迟较高，TevenTpast，那么计算 Teven 高于 Tpast 的百分比 P，如果 P 不到 20，那么该节点的占8空比不做调整；如果 P 高于 20(包括 20)小于 40，那么该节点在下一个同步周期的时候将自己的占空比上调 20；如果 P 高于 40(包括 40)小于 60，那么占空比往上调整 40；依次类推，如果 P 高于 C(包括 C，其中 C 为 20 的整数倍)而小于(C+20)，那么占空比往上调整 C。同理可得向下调整占空比的方式：如果在刚刚过去的两个同步周期内，节点转发数据包的量比较小，延迟较低，TevenC(包括 C，其中 C 为 20 的整
22、数倍)而小于(C+20)，那么占空比往下调整 C。22 ATC-SMAC 的节能策略分析Pctr 为 20的基于 ATC-SMAC 协议的传感器在吞吐量、端到端延时以及能量消耗上都要略优于动态的 S-MAC 协议。与使用固定占空比的 S-MAC 协议相比，ATC-SMAC 在吞吐量上平均要比 S-MAC 协议高大约 1 倍；在端到端延时这项上，ATC-SMAC 的数据包平均时延大约为 S-MAC 协议的 06 倍；ATC-SMAC 平均每字节消耗的能量大概为 S-MAC 协议的 04 倍。与动态调整的 S-MAC 协议相比，ATC-SMAC 协议的平均端到端时间大概为动态 S-MAC 协议的7
23、0，HENAN POLYTECHNIC UNIVERSITY 毕业实习报告用纸ATC-SMAC 协议的平均吞吐量大概为动态 S-MAC 协议的 12 倍，ATC-SMAC 平均传输每字节消耗的能量大概为动态 S-MAC 协议的 75。前面提到, 目前无线传感器网络采集的数据主要是温度、湿度等标量数据, 对摄像等视觉数据采集和传输能力均有限。人们已经开始发展视觉传感器网络(VSN)技术。并将其视作无线传感器网络技术的专门领域 (Akyildiz 等, 2007; Aghdasi 等, 2008;Czarlinska 和 Kundur,2009)。不难想象, 视觉传感器网络技术有广泛应用。VSN
24、能够用于远程分布式侦察或监测。已经有智能型分布式相机节点及多节394 Journal of Remote Sensing 遥感学报 2010, 14(2)点协作数据处理技术, 并能把处理好的数据传输到控制中心。这种网络技术可以与移动电话网、局域网或因特网链接, 用于环境监测、医护及老年或残疾人生活辅助、虚拟现实等领域。如何利用低能耗的无线传感器网络技术传输大量的视频数据需要在相机摄像场景优化, 网络结构和低能耗数据处理与传输方面加强研究(Charfi 等, 2009)。此外, 尽管宫鹏(2007)和Rundel 等(2009)提出把视觉传感器和音频传感器数据有效结合进行环境信息提取的设想,目前
25、还很少有相关的研究报导。这方面的研究需要解决好对多节点9获得的视频和音频数据同步问题,然后利用音频视频2 种信息达到提高环境监测和目标跟踪精度的目的。未来 510a 将是无线传感器网络技术大发展的时期, 传感器多样化及系统节点微型化方面将会取得长足发展。在传感器技术方面, 生物传感器有望成为一个主要的生长点。生物传感器是依靠生物机制对目标污染物或微有机物产生响应的传感器转换装置。在水质检测方面发展出来的监测污水中有毒污染物的生物传感器已经实现商业化。表面等离子共振反射测量技术的商品化会成为生物传感器发展的重要手段(Homola, 2008)。未来(无线)传感器网络技术一个重要的发展方向是能够从
26、所观测的现象时空特征中学习分布在不同节点的传感器观测到的数据间的时空关系。这样可以使用这种时空关系优化传感器的唤醒及采样测量过程, 从而通过回答传感器网络上是否启动测量,何时测量, 哪个节点启动测量, 用什么精度测量等问题, 达到某一特定应用中节约能源的目的。有多种途径实现传感器网络对观测对象时空分布关系的学习。例如, 使用参数或非参数统计方法计算不同节点传感器测量值之间的协变过程(Schoellhammer,2008)。还可以根据已测数据构建时空模型预测特定节点的观测值及置信范围来辅助传感器网络节点的开启与测量。无线传感器网络技术在环境应用中的另一个重点是如何与大量的航空和航天遥感技术实现集
27、成应用。无线传感器网络技术的应用至今主要处于技术研发阶段, 其应用还局限在较小空间范围。还需要在校准、大范围应用方面加HENAN POLYTECHNIC UNIVERSITY 毕业实习报告用纸强试验。未来几年, 需要着力研究如何利用高时间频率的无线传感器网络数据与遥感数据的集成和多尺度融合, 辅助遥感数据反演的精度验证, 最终与遥感反演数据产品一起应用到环境变化预测模型的开发、校验及同化过程中。HENAN POLYTECHNIC UNIVERSITY 毕业实习报告用纸实习收获：无线传感器网络是 21 世纪将会产生重大影响的技术之一，有着很大的发展潜力和广阔的应用前景。通过对其相关知识的了解，我
28、认为 SMAC 协议将对这一技术的推广和应用产生举足轻重影响。这是因为 S-MAC 协议对能量的控制作用直接关系到无线网络的生死和效用。所以我认为对 SMAC 协议做深刻而全面的性能分析，进而了解其使用中的优缺点，从而针对其缺点提出改进措施，对其优点加以利用，以实现对无线网络的高效利用和全面推广打下坚实的基础。因此我认为做这个方面的研究是非常重要和迫切的，这个课题和方向是很有价值的。整个实习过程使我认识到知识之广博，学问之浩瀚，使我深知学如逆水行舟不进则退的道理，在知识爆炸的当今时代只有不断学习，才能使自己不被时代所淘汰，因此我决定以后要不断学习的充实自己，做一个时代的弄潮儿而非一个跟随者，为此，我将奋勇前行！
