1、（2011届）毕业设计题目智能小区无线传感器网络路由协议研究姓名专业电子信息工程班级学号指导教师导师职称年月日II智能小区无线传感器网络路由协议研究摘要无线传感器网络（WIRELESSSENSORNETWORK，WSN）是融合了传感器技术、网络通信技术及嵌入式技术等多种高新技术的新兴研究领域。WSN是由最早的军事应用领域发展而来，现如今已经可以应用于多个领域，如空间探测、洪灾预警、生物群落观测、目标跟踪、辐射监测、环境气象监测、农田管理、智能交通和智能家居等。无线传感器网络技术已经被国务院国家中长期科学和技术发展规划纲要（20062020年）纳入其发展规划中，将来WSN会越来越多的被应用于各项
2、研究以及应用领域。本文以智能小区为应用背景，针对无线传感器网络路由协议在智能小区的应用中所呈现的问题进行了分析研究。本文主要作了以下几个方面的工作（1）总结了无线传感器网络的体系结构，分析了无线传感器网络路由协议设计的特点和要求，从网络拓扑和工作特性两个方面对己有的路由协议进行了分类和总结，并对几种经典路由协议的工作过程和适用环境进行了研究。（2）研究了基于智能小区应用背景的WSN解决方案，对智能小区环境中的WSN系统特点进行了分析，提出解决方案，并介绍了智能小区WSN系统的硬件与软件平台。（3）提出了一种基于多径路由和定向扩散的无线传感器网络路由协议多径分级定向扩散路由协议MCDD（MULT
3、IPLECLASSIFICATIONDIRECTDIFFUSE）。MCDD协议采用了基于多路径路由的传输机制；采用了基于延时评估的探测包传输机制；采用了路径以及数据分级处理的选择性传送机制，更加适合智能小区的应用要求。基于节点的平均能量消耗、平均网络延迟和平均分组接收率这三个性能评价技术指标，由NS2仿真工具对DD以及MCDD进行仿真，结果表明将MCDD协议应用到智能小区中能够优化智能小区传感器网络的传输延迟，解决节点能量消耗过大的问题，并且能够满足智能小区无线传感器网络对分组接收率的要求。关键词WSN，智能小区，定向扩散路由协议，MCDD，NS2IIIRESEARCHONWIRELESSSE
4、NSORNETWORKROUTINGPROTOCOLFORINTELLIGENTDISTRICTABSTRACTWIRELESSSENSORNETWORKWNSISANEWTECHNOLOGYDEVELOPEDINRECENTYEARS,THEEARLIESTAPPLICATIONISINMILITARYAREANOWADAYS,WSNEVENCANBEAPPLIEDINSPACEEXPLORATION,RADIATIONDETECTION,FLOODINGPRECAUTION,FARMLANDMANAGEMENT,BIOLOGYCOMMUNITYOBSERVATION,MOBILETARGE
5、TTRACKING,ENVIRONMENTANDMETEOROLOGICALMONITORING,INTELLIGENTTRANSPORTATION,ANDINTELLIGENTHOMEAUTOMATIONSYSTEM,ETCWSNFUSEMANYCURRENTHOTTECHNOLOGIESSUCHASSENSORTECHNOLOGY,EMBEDDEDTECHNOLOGY,ANDNETWORKCOMMUNICATIONTECHNOLOGY,ETCITSDEVELOPMENTHASBEENWRITTENINNATIONALGUIDELINEONMEDIUMANDLONGTERMPROGRAMFO
6、RSCIENCEANDTECHNOLOGYDEVELOPMENT20062020BYSTATECOUNCILWSNISWALKINGUPTOUSNEARERANDNEARERWSNFORINTELLIGENTDISTRICTISRESEARCHEDINTHISPAPER,ANDALOTOFWORKISMADETORESOLVETHEPROBLEMSINTHEAPPLICATIONOFWSNROUTINGPROTOCOLFORINTELLIGENTDISTRICT1FIRSTLYSUMMARIZINGANDANALYZINGTHECHARACTERISTICSANDREQUIREMENTSOFD
7、ESIGNINGWSNROUTINGPROTOCOLS,ALLROUTINGPROTOCOLSEXISTEDARECLASSIFIED2THISPAPERRESEARCHESTHEWORKINGPRINCIPLEANDPROPAGATIONMECHANISMOFTHEDIRECTEDDIFFUSIONDDANDSIMULATESITBYUSINGNS2THEAUTHORCHOOSESTHREEMETRICSTOANALYZETHEPERFORMANCEOFDDTHEAVERAGEDISSIPATEDENERGY,THEAVERAGEDELAYANDTHEAVERAGEDELIVERYRATIO
8、TOCARRYOUTSERIESOFSIMULATIONEXPERIMENTS,THEAUTHORCHANGESTHEPARAMETERSRESPECTIVELYTHENUMBEROFNETWORKNODES,THENUMBEROFSOURCENODESANDTHENUMBEROFSINKNODESBYANALYZINGTHERESULTSOFTHESIMULATION,THEPAPERPOINTOUTTHATDDISSTILLDIFFICULTTOMEETTHEINTELLIGENTDISTRICT,THOUGHITSHOWSAGOODPERFORMANCE3PROPOSEDAMULTIPA
9、THROUTINGANDDIRECTEDDIFFUSIONROUTINGPROTOCOLFORWIRELESSSENSORNETWORKSMULTIPATHDIRECTEDDIFFUSIONROUTINGPROTOCOLCLASSIFICATIONMCDDMULTIPLECLASSIFICATIONDIRECTDIFFUSEMCDDPROTOCOLUSESMULTIPATHROUTINGBASEDONTHETRANSMISSIONMECHANISMDELAYBASEDASSESSMENTUSINGPROBEPACKETSTRANSMISSIONMECHANISMPATHANDDATACLASS
10、IFICATIONUSINGTHESELECTIVETREATMENTDELIVERYMECHANISMS,MORESUITABLEFORTHEINTELLIGENTCOMMUNITYOFTHEAPPLICATIONREQUIREMENTSTHEAVERAGEENERGYCONSUMPTIONBASEDONTHENODE,THEAVERAGENETWORKLATENCYANDPACKETRECEPTIONRATEOFTHEAVERAGEPERFORMANCEEVALUATIONOFTHETHREESPECIFICATIONS,THENS2SIMULATIONTOOLSANDMCDDDDSIMU
11、LATIONRESULTSSHOWTHATTHEMCDDPROTOCOLAPPLIEDTOTHEINTELLIGENTCOMMUNITYOFTHESENSORSTOOPTIMIZETHEINTELLIGENTCOMMUNITYNETWORKTRANSMISSIONDELAY,THENODEADDRESSTHEPROBLEMOFEXCESSIVEENERGYCONSUMPTIONANDTOMEETTHEINTELLIGENTCOMMUNITYOFTHEWIRELESSSENSORNETWORK,PACKETRECEPTIONRATEREQUIREMENTSIVKEYWORDSWIRELESSSE
12、NSORNETWORK,INTELLIGENTDISTRICT,DIRECTEDDIFFUSIONPROTOCOLROUTING,MCDD,NS2V目录摘要IIABSTRACTIII1绪论111研究背景112研究的目的和意义113国内外研究现状2131国外研究现状2132国内研究现状42无线传感器网络与无线传感器网络路由协议521无线传感器网络的概念及特征522无线传感器网络体系结构6221整体结构6222节点结构623无线传感器网络路由协议7231无线传感器网络路由协议概述7232现有无线传感器网络路由协议分类7233典型无线传感器网络路由协议比较824基于智能小区的WSN系统方案9241方
13、案分析9242系统特点9243系统方案1025本章小结103基于智能小区的多径分级定向扩散路由协议1131定向扩散路由协议1132定向扩散路由协议的改进方案1233基于多径的分级定向扩散路由协议13331MCDD概述13332MCDD的多路径算法13333MCDD的信息与路径分级14334MCDD的路由过程14335MCDD的路由维护1634MCDD协议的实现16341DD的实现机制简介16342MCDD的实现机制17343MCDD协议的实现183431属性添加及延迟计算183432设计定时器193433修改梯度过滤器20VI35本章小结234DD与MCDD的仿真分析2441仿真评价指标244
14、2仿真模型的建立2443DD与MCDD协议的仿真与分析25431DD与MCDD的能量有效性分析25432DD与MCDD的网络延迟性分析26433DD与MCDD的分组接收率分析2644本章小结275总结与展望28参考文献29致谢错误未定义书签。附录31附录1定时器程序31附录2过滤器程序32智能小区无线传感器网络路由协议研究11绪论11研究背景无线传感器网络（WIRELESSSENSORNETWORK，WSN）是随着无线通讯技术、传感器技术、嵌入式信息处理技术和移动计算技术的发展而兴起的新兴研究课题。WSN由部署在监测区域内的大量微型传感器节点组成的多跳自组织网络系统，其目的是协作的感知、采集和
15、处理网络覆盖区域内的被监测对象的信息，并通过无线电通信的方式将所监测到的信息发送给观察者。美国商业周刊和麻省理工大学的技术评论在预测未来技术发展报告中，分别将无线传感器网络技术列为二十一世纪最有影响力的21项技术和改变世界的10大新兴技术之一。作为当前国际最前沿的新技术，WSN技术被誉为IT技术的第四次产业革命，WSN也是未来IT产业创新发展的重要方向之一。尽管无线传感器网络的应用前景非常广阔，但是由于无线传感器网络与具体的应用联系相当的密切，不同的应用背景对无线传感器网络的要求也不相同，不同的应用环境中，所对应的硬件平台、软件系统和网络协议也必然有很大的差别1。与传统的无线网络相比，无线传感
16、器网络与其设计目标并不相同。传统无线网络以最大化带宽录用率、为用户提供一定质量的服务为设计目标，在高度移动的环境中着重于优化路由和优化资源管理策略，其次才考虑能源的利用效率。由于传感器网络中所采用的节点设备体积小，所以通常采用电池进行供电，所携带的能量非常有限，无线传感器网络的首要设计目标是能源的高效利用，如何延长网络的生命周期是无线传感器网络设计策略的核心目标。同时在无线传感器网络中，数目庞大的传感器节点将产生大量的采集信息，在将采集信息传送给汇聚节点的时候，如何减少信息传送过程中的冲突碰撞以减少丢包率，如何减少信息传输途中所耗费的时间以提高实时性，也是无线传感器网络的重要设计目标。在通常情
17、况下，自然环境的影响和节点的故障会很容易造成无线传感器网络拓扑结构的变化，如何在节点数目及位置发生改变时维持网络的健壮性，也是无线传感器网络的重要设计目标。以上这些独特的要求和制约因素为无线传感器网络的研究提出了新的技术问题。本文以智能小区为应用背景，针对无线传感器网络在智能小区应用中的节能性和实时性问题进行路由协议的研究和改进。12研究的目的和意义在计算机技术里，无线传感器网络是一个新兴的研究领域，它涉及多方面的知识，在国际上备受关注。无线传感器网络是由大量传感器节点组成的自组织网络，这些节点集成了无线通信能力、感知能力以及计算能力，并通过无线的方式进行信息的交换，对于距离间隔较远的节点还可
18、以多跳的手段进行信息的传输。无线传感器网络能够实时监毕业设计2测、感知和采集网络监控区域内的各种信息，并对收集到的信息进行处理，传送至网络中的特定位置2。随着日益发展的智能小区对计算机技术应用的需求，结合无线传感器网络的特点，将传感器网络部署于智能小区中，可以实现安全预警、事故定位、实时监测、环境污染检测和进出车辆监控等功能，满足人们对新型居住环境的需求。传感器节点的体积小，可采用电池供电，网络中各个传感器节点间信息的传送也不需传送介质，通过无线的方式进行信息的传送，而且整个网络只需要部署一次。然而智能小区的面积相对比较大，网络的布线相应的也就比较复杂，所以采用无线传感器网络技术克服了安装不便
19、及在小区里面进行复杂布线的缺陷，不仅有利于空间的美化，还解决了有线网络维护困难等缺点。本课题的主要目的是适应日益发展的智能小区对网络技术应用的需求，结合智能小区无线传感器网络的应用特点，分析智能小区网络的需求。在现有典型无线传感器网络路由协议的基础上，结合智能小区的应用需求来设计出满足智能小区信息传输实时性，节点能耗节能性，性能优异的路由协议3。由于在智能小区中所需采集的数据比较复杂，并且节点需要长期工作，节点的能量消耗比较大；当小区内有敏感事件产生时，对于敏感数据传送的实时性，消息的退避传送等也具有更高的要求。在WSN的应用中，网络所采用的路由协议对节点能耗的多少和传送信息时的延时起着至关重
20、要的作用，但是无线传感器网络路由协议与具体的应用联系密切，并没有一种通用的协议可以使用。传感器路由协议现在有很多种，哪一种最适合智能小区的应用要求并没有定论，研究这些路由协议，比较分析找出哪一种协议最适合智能小区的应用背景就显得尤为重要。如果现有的路由协议都不适合智能小区无线传感器网络，那么怎样改进现有的路由算法，或者提出新的路由协议以适应智能小区的实际应用需求，将是本课题的主要研究意义。13国内外研究现状WSN的特点使它在国防军事、国家安全、环境科学、医疗卫生、反恐、交通管理、灾害监测、空间探索等领域表现出了巨大的潜在应用价值4。131国外研究现状（1）应用方面的研究无线传感器网络发源于美国
21、军方的作战需求，1978年，DARPA在卡耐基梅隆大学成立分布式传感器网络工作组，这标志着WSN研究的起源。最早关于WSN的研究是由CMU负责DARPA支持的DISTRIBUTEDSENSORNETWORK（DSN）项目，该项目用于对敌方低空飞行单位进行监控，工作组根据军方对军用侦查系统的需求，研究传感器网络中的通信、计算等问题5。自DSN以后，DARPA又联合NFS设立了多项关于无线传感器网络的研究项目，由此拉开了无线传感器网络研究的序幕。DARPA在1998年开展了名为SENSORINFORMATIONTECHNOLOGY（SENSORIT）的研究计智能小区无线传感器网络路由协议研究3划，
22、针对适应战场高度变换的环境，旨在利用无线传感器网络的协作信息处理技术发挥战场网络化观测的优势6，然而由于在高度复杂的环境下，数据流很容易被截取，其对与信息传输过程中的安全问题还没有提出很好的解决办法。在1999年到2004年间，对由美国海军研究办公室（ONR）支持的研究基于水声通信的无线传感器网络的组网技术SEAWEB进行了多次实验，取得了大量的现场数据，验证了构造水声传感器网络的可行性7。哈佛大学于2004年开展了名为HOURGLASS8的研究项目，此项目把不同的传感器网络连接了起来，提供了一个对广泛分布的传感数据进行采集、过滤、聚集和存储的框架，并致力于将这个框架推进成为一个可以部署多传感
23、器网络应用的平台，旨在构建一个健壮的、可扩展的数据采集网络，但是对于不同网络间数据进行交换的时候，设备的识别，传输的丢包率如何降低等问题还有待提出更好的解决方案。2006年，ARCHROCK公司开发出了一种无线传感器网络，这种网络可以在一个小时内构建起来，作为工厂、办公楼或者数据中心的试验网络，又能够作为一套标准WEB服务无缝整合到企业应用中9，然而整合到企业应用中的WEB服务并不够稳定，网络的防崩溃以及健壮性方面还有很大的改善空间。从2007年到现在，CROSSBOW，MOTELV等一批以传感器网络节点为产业的公司，其产品MICA2、MICAZ、TELOS等为很多研究机构搭建起了硬件平台，开
24、发平台的方便化使得大部分研究机构开始转向研究大规模无线组网、传感信息融合、时间同步与定位、低功耗设计等关键技术10。（2）学术方面的研究学术界方面，美国的加州大学伯克利分校、麻省理工学院、加州大学洛杉矶分校、康奈尔大学等高校已经进行了无线传感器网络基础理论和关键技术的研究。加州大学伯克利分校提出了基于相关性的数据编码模式、确定无线传感器网络中节点位置的分布式算法及重构传感器节点位置的方法等，并研制了一个基于无线传感器网络的操作系统TINYOS11。TINYOS是一个专门针对传感器网络特点所设计的操作系统，很大程度上推动了无线传感器网络的发展。TINYOS操作系统解决了传感器节点资源极为有限，存
25、在多个需要同时执行的逻辑控制，节点模块化程度很高的难题。加州大学洛杉矶分校开发了一个无线传感器网络环境模拟系统，用于对无线传感器网络中出现的问题进行分析研究12。南加州大学提出了部署移动传感器节点的方法、节省能量的计算聚集的树结构算法等13。麻省理工大学已经开始研究用于超低能耗无线传感器网络的方法和技术。康奈尔大学等高校针对无线传感器网络通信协议的特殊性也开展了相关研究，先后提出了基于谈判类协议、多路径类协议、能量敏感类协议、基于集群类协议、介质存取控制类协议、传播路由类协议、以数据为中心的路由算法等新的通信协议14。英国、意大利、日本等国家的一些高校和研究机构也纷纷开展该领域的研究工作，并取
26、得了一些初步的研究成果。毕业设计4132国内研究现状我国最近几年也开始重视WSN技术的研究，国家自然科学基金委员会已经资助了很多WSN研究项目，我国未来20年预见技术的调查报告显示，信息领域157项技术课题中有7项与传感器网络直接相关15。我国的一些科研院所和高校也积极展开了WSN领域的研究工作，中科院的多个单位如软件所、计算所、沈阳自动化所、上海微系统与信息技术研究所、清华大学、国防科技大学、中国科技大学、解放军信息工程大学、天津大学、哈尔滨工业大学等都对无线传感器网络投入了相当大的研究力量。2001年中国科学院依托上海微系统成立微系统研究与发展中心，在无线传感器网络方向上陆续部署了若干重大
27、研究项目，并初步建立了WSN的研究平台，在无线智能传感器网络通信技术、微型传感器、传感器端机、移动机系统站等方面取得了重大进步16。自2002年开始，国家自然科学基金委员会批准了一些和无线传感器网络相关的课题，并且在国家发展改革委员会的下一代互联网示范工程中，也部署了和无线传感器网络相关的课题。2004年来中国科学院计算技术研究所在IPV6无线传感器网络节点和适合于IEEE802154标准并满足ZIGBEE规范的无线传感器网络方面作了很多的工作，推出了自主开发的GAINS系列无线传感器网络节点，并实现了研究成果的产业化17。2006年初发布的国家中长期科学与技术发展规划纲要为信息技术确定的3个
28、前沿方向，其中有两个与WSN研究直接相关。2007年11月，国内首次无线传感网产业发展高峰论坛在杭州举行18。2008年在上海举行的国际标准化组织与国际电工委员会（ISO/IEC）国际首届传感器网络标准化大会，中国代表团向大会提交了8项技术报告。2009年以中科院上海微系统与信息技术研究所为总体单位，并联合上海市多家高校、研究所共同承担的无线传感器网络关键技术攻关及其在道路交通中的应用示范研究项目，研制了一系列道路状态信息检测无线传感器节点19。国内越来越多的企事业也开始关注传感器网络技术的发展，推出针对无线传感器网络及ZIGBEE的解决方案。相对于国外的研究状况来看，国内有关无线传感器网络的
29、研究才刚刚起步。目前国内对无线传感器网络的研究主要针对网络能量受限的特点，提出了很多节能的MAC协议和路由协议等20。然而多数的研究局限于所有传感器节点都是静止的情况，不满足于一些需要移动节点的应用，比如当节点总是处于不断的运动中，怎样去实现节点的追踪等。很多技术等着我们去改进与发展，随着无线传感器网络技术的研究工作继续深入开展下去，将会对整个国家的经济推动有着重大的战略意义。智能小区无线传感器网络路由协议研究52无线传感器网络与无线传感器网络路由协议WSN技术当前在国际上备受关注，涉及到多个学科，是知识高度集成的前沿热点研究领域。WSN综合了传感器技术、嵌入式计算机技术、现代网络技术、无线通
30、信技术以及分布式信息处理技术等，能够通过协作各类微型传感器进行实时监控、感知采集各种环境或监测对象的信息，并且将所采集的信息通过无线方式发送，并能以多跳自组织网络的方式传送到用户终端。WSN实现了物理世界、计算世界以及人类社会三元世界的连通。本章将介绍无线传感器网络的一些基本知识，以及无线传感器网络在智能小区中的应用。21无线传感器网络的概念及特征无线传感器网络是随着无线通讯技术、传感器技术、嵌入式信息处理技术和移动计算技术的发展而新兴的研究课题。由传感器网络的设计特点所决定，在待监控区域中需要大量布置传感器节点，各个节点之间通过无线的方式相互通信组成无线网络；各个传感器节点实时的监测、感知位
31、于网络监测区域中的被监测对象，并将采集数据经过处理发送到特定的位置。传感器节点的类型可以设置为静止型或者移动型，WSN的拓扑结构能够随着节点规模的变化或者节点的移动而发送动态的变化。由于技术的不成熟以及系统造价等方面的原因，WSN最初只应用在研究领域，随着各项相关技术的发展，随着传感器的造价降低，WSN被逐渐的应用到一些较大的工程领域中。目前，WSN在目标追踪、入侵检测、气候监控和系统控制等军事和商业领域都有广泛的应用2124。WSN具有可移动性、自组织性、节点数量庞大、传输距离较短、单个节点资源极其有限、可监视范围较广等特点。WSN的特点如下25（1）自组织在部署传感器节点的环境中一般没有任
32、何预设的网络来提供支持，所部署的环境也不同于网络的基础结构。在无线传感器网络中，没有严格意义上的控制中心，所有节点地位平等，各个节点协调各自的行为并相互配合，自主完成网络的配置以形成无线系统。（2）电源能量有限传感器节点是一种微型嵌入式设备，与平常的耗电设备不一样，它没有持续的电源供电，传感器节点一般由电池进行供电，电池电量消耗完节点也就失去了功效。由于传感器节点所需要处理的任务越复杂，耗电量也就越大，出于能耗的限制，传感器节点的设计只能处理较为简单的任务。（3）计算能力有限传感器网络中的传感器具有嵌入式处理器和存储器，节点有一定的信息处理能力，但是节点只能完成一些简单的工作，如数据的融合以及
33、数据的转发等工作，计算能力是非常有限的。（4）网络动态性强毕业设计6随着时间的推移或者环境的改变，传感器节点可能会变更位置，也可能由于能量耗尽以及节点发生损坏而产生故障，丧失处理能力。要保证监测数据的精度以及准确度，在监测途中会根据需要来添加新的节点到已有网络，无线传感器网络必须具有动态的拓扑重组能力才能适应网络的变化。（5）高强壮性和高容错性在传感器网络中，节点所处的环境大多时候会非常的恶劣，并不利于网络的维护，节点分布的密集度也会导致网络中产生巨大数量的数据。传感器网络的软件、硬件必须有足够的处理能力，才能应对恶劣的环境以及巨大数量的传输数据，高强壮性和高容错性是传感器网络很重要的一个特点
34、。22无线传感器网络体系结构221整体结构无线传感器网络典型的体系结构如图21所示。WSN通过网络自组织和多跳路由，将数据向网关传送，单个传感器节点具有传感、信号处理和无线通信的功能，它们既是信息包的发起者即源发送端，也是信息包的转发者即中间发送端。由于受到体积、电源供给和价格等因素的限制，传感器节点的通信距离都较短，且只能与自身通信范围内的邻居节点交换数据，若要访问通信范围以外的节点，必须使用多跳路由，因此只有使节点的分布密度达到一定的程度，才能够保证网络内的大多数节点都可以与网关之间建立起无线链路。基站或汇聚节点传感器节点监测区域互联网、卫星或移动通信网络终端管理节点终端管理节点终端管理节
35、点终端管理节点图21无线传感器网络体系结构222节点结构在不同的应用中，传感器节点的设计也各不相同，但基本结构都是一样的。节点的典型硬件结构如图22所示，主要包括传感器模块、处理器模块、无线通信模块及能量供应模块四部分。智能小区无线传感器网络路由协议研究7传感器MAC处理器存储器网络AC/DC能量供应模块收发器传感器模块处理器模块无线通信模块图22传感器节点体系结构23无线传感器网络路由协议231无线传感器网络路由协议概述路由协议是无线传感器网络网络层的核心技术，也是现今国内外研究的热点。在WSN中，路由协议的功能是寻找源节点和目的节点间的优化路径，并将数据分组沿着优化路径正确传输，负责将数据
36、分组从源节点通过网络转发到目的节点。在无线传感器网络中，节点能量极其有限而且一般没有能量补充，因此WSN路由协议需要高效的能量利用才能保证整个网络的生命周期，同时传感器网络的节点数目往往很大，节点只能获取到局部拓扑的结构信息，路由协议需要在基于局部网络信息的基础上选择合适的路径26。232现有无线传感器网络路由协议分类目前研究人员已经提出了很多无线传感器网络路由协议，这些协议可以从网络结构和协议工作特性两方面划分，如图23所示基于协商的路由协议基于可靠的路由协议基于查询的路由协议地理位置路由协议基于安全的路由协议基于多径能量感知路由协议层次路由协议基于QOS的路由协议平面路由协议按网络拓扑结构
37、划分基于工作特性划分无线传感器网络路由协议图23无线传感器网路路由协议分类毕业设计8233典型无线传感器网络路由协议比较由于很难对某种协议进行一个全面的评估，目前也没有一个统一的对路由协议的评估标准和评价体系。这里比较了一些经典路由协议的优缺点及其应用范围，如表21所示。表21典型路由协议的比较协议名称优点缺点应用范围定向扩散路由（DD）27能够形成多条可达路径，能够适应拓扑和节点失效等变化，具有良好的可扩展性路由建立的开销较大适用范围较广谣传路由28路由建立的时间较短，网络的健壮性较好无数据融合，严重依赖拓扑、可能产生环路适用于数据传输量不大、对延迟要求不高的场合SPIN29较之泛洪减轻了信
38、息挤压风暴和信息重叠较远的节点可能无法得到数据，且无法对突发事件进行处理适用于中间节点能获得边界节点信息的场合LEACH30簇头能进行较好的数据融合，延迟比较低、能量均衡消耗扩展性差、频繁簇头选举带来较大的开销和延迟，耗费能量适用于对延迟敏感的小规模网络，且要求节点能量比较高TEEN31双门限可灵活设置对信息过滤，减少重复数据量，对突发事件反应快不适用于需要持续采集数据的环境，且扩展性差适用于响应型需求应用特别是要求对突发事件快速响应的场合GPSR32使用最短路由，传输时延小会产生通信量的不平衡，破坏网络的连通性，需要额外的定位信息适用于对延时敏感的小规模网络多路径协议33能量均衡消耗、能够节
39、约能源可靠性不太好，建立多条路径会增加延迟适用于环境较差的场合从表中可以看出，定向扩散路由协议的建立过程需要泛洪传播，会消耗巨大的能量，带来较大的开销，同时梯度增强到数据正常传输阶段会消耗部分时间，实时性不够好；谣传路由需要严重依赖拓扑、可能产生环路；SPIN协议无法对智能小区中的突发事件（如煤气泄露报警等）做出及时处理；LEACH协议的可扩展性较差，且频繁的簇头选举将带来较大的开销和延迟，从而耗费能量；TEEN协议当没有达到其敏感阈值时，将不会发送数据，不适用于智能小区需要持续采集数据的应用环境（如设备状态的巡检等）；PEGASIS协议对簇头节点的能量要求较高，一旦簇头节点失效，将导致路由失
40、败；智能小区无线传感器网络路由协议研究9多路径协议建立多条路径需要花费一定的时间，将导致延迟增大。各种路由协议都是和独特的应用环境相联系的，没有一个适应于所有应用的路由协议。24基于智能小区的WSN系统方案241方案分析目前有关智能小区网络有多种解决方案，主要分为有线方式和无线方式34。由于电缆和光缆构成的有线网络有其本质上的缺陷布线安装工程量大；网络中各站点不可移动；线路易损坏；铺设专用线路施工难度大、耗时久、费用多等，而无线局域网则不须布线、安装周期短、后期维护较容易、网络用户易迁移增加。在智能小区网络建设中选用无线网络方式是一个比较好的选择，本文选择无线组网方式应用于智能小区组网模式。无
41、线标准的网络种类很多，目前在智能小区系统中可选择的主要有WIFI（IEEE80211B，属于WLAN技术）、蓝牙（BLUETOOTH）、红外（IRDA）、HOMERF、超宽带（UWB）技术以及近年兴起的IEEE802154/ZIGBEE等35。从数据传输率的角度来看，WIFI、蓝牙、HOMERF、UWB比较适合于数据文件和语音的传输，ZIGBEE则适合低数据传输率的监测和控制网络的应用。IEEE802154标准就是为了满足低功耗、低成本的无线传感器网络要求，专门开发的低速率WPAN标准，而ZIGBEE是建立在IEEE802154标准上的，它的物理层、MAC层和数据链路层采用了IEEE80215
42、4的标准，并对IEEE802154进行了扩展，对其网络层协议和API进行了标准化。文章中选择ZIGBEE协议用于智能小区路由协议35。由于现阶段智能小区的主要应用是远程的监测与控制，这些都需要借助于传感器进行数据采集，可以采用符合ZIGBEE标准的传感器节点来组成无线传感器网络。242系统特点在智能小区监控网络中一般有大量的节点设备，而这些节点的控制模块一般使用电池做电源，并且必须具备组网和通信的能力。传感器所采集的监控信息要能及时的传输到控制端，当敏感事件发生时可以做出及时的反映，信息传输的实时性是组建监控网络的一个重要因素。在智能小区中组建无线传感器网络，依靠大量的传感器节点对小区环境进行
43、监控是一个非常好的选择。在智能小区中组建无线传感器网络具有如下显著优点（1）无线方案共同的优点，即无须布线、安装周期短、后期维护简单、节点容易移动和增加；（2）采用多传感器协同检测的方式，能有效地提高检测的准确率和可靠性，通过多个传感器节点的协同工作能大范围感知各种信息，对一些可能会发生的紧急情况提前做出反应；（3）传感器节点成本低、结构简单，可以大量铺设。毕业设计10智能小区无线传感器网络系统中的节点将负责对智能小区中各种信息的采集、处理、传输，及执行来自监控中心的控制指令等，主要由室内节点、室外节点、车载移动节点和SINK节点组成。室内节点工作强度大，存储及处理能力较弱，具体功能包括对室内
44、温度、湿度等信息进行定时的采集，协同其他节点对火灾、入室盗窃等信息进行监控、报警，负责将采集到的数据进行数据融合处理后以多跳方式传送至SINK节点，并由SINK节点转发给小区监控中心。室内节点还可以接收并处理来自SINK节点的预警、更换任务等消息，该类节点采用可以采用有源或无源供电方式，分布面积较广。室外节点主要负责小区环境、安全等各个方面的监测，并将监测到的信息经SINK节点传送回监控中心，室外节点也能够接收监控中心发布的监控指令。该类节点采用无源供电方式，分布面积广。SINK节点采取有源供电方式，其存储量较大、计算能力较强，具体功能包括收集来自各类节点的信息数据，经过数据融合后送往监控端，
45、并负责管理控制范围内的节点及接收监控中心的各种控制指令。243系统方案针对现有的智能小区组网特点以及控制系统特点，文章提出一种基于ZIGBEE无线网络以及ARM处理平台的智能小区远程监控系统的设计方案。此系统采用数据采集节点汇聚节点基站模式，将传感器连接到ZIGBEE数据采集节点，实现传感器的无布线散列排列，汇聚节点与基站通过串口进行通信，将采集节点通过无线方式发送而来的监测信息传送到基站，达到对小区各地状况的实时监测，由基站进行数据处理以及发送网络指令。当数据分析端发现采集信息超过安全范围，自动发出警告消息，以便进行及时的对突发状况进行处理。当采集节点的数据报告过于频繁或者需要对某节点进行更
46、精确的信息分析，则通过基站端发送指令至数据采集节点，以达到监测需要25本章小结本章主要介绍了无线传感器网络的基础知识，包括无线传感器网络的概念、结构和特征。本章还介绍了无线传感器网络路由协议的分类，并对一部分经典的路由协议进行了简单的过程分析及协议的利弊总结，并将现有的路由协议进行了对比。本章主要结合智能小区的应用背景，分析了智能小区的无线传感器网络解决方案，分析了智能小区WSN的特点，并提出了一套系统方案。智能小区无线传感器网络路由协议研究113基于智能小区的多径分级定向扩散路由协议传感器网络的性能很大程度上取决于路由协议，要想取得更好的应用效果路由协议是很重要的一个方面，所以必须根据智能小
47、区的应用需求来选择合适的路由协议。文章针对智能小区的应用背景进行了分析，总结了智能小区WSN路由协议的主要特点（1）低成本、低功耗，节点需具有较长的生命周期，这是无线传感器网络应用中必须考虑的问题，因此智能小区无线传感器网络路由协议需要考虑节能问题。（2）多样性既有主动型需求（如设备状态的巡检，需要周期性的发送数据），也有被动型需求（如防盗、防火等，只有当有事件触发时才发送数据）。（3）满足一定的QOS要求（延迟，分组接收率等）。从用户的角度看，小区信息的接收时延不能过于延滞，否则就达不到实时监测环境信息的要求，特别对于敏感信息的传送延迟，要求监测端能及时做出响应，这就对智能小区路由协议的实时
48、性能有着更高的要求，而且数据包的接收率不能太低。现阶段智能小区WSN主要应用于监测与控制，数据的传输速率相对较低，对一般事件的网络延时性能要求不高，但由特定事件所触发的数据，实时性要求就会更高。（4）智能小区的网络覆盖范围需要一定的网络规模（中等规模，50300个节点，甚至更大的规模）才能满足小区的覆盖率，且节点能满足随机配置。由于还没有一种路由协议完全适用智能小区的应用需求，我们有必要对现有的路由协议进行研究，并对其进行改进，以便能够设计出一种更适合于智能小区应用环境的路由协议。这种新的协议既要能满足智能小区的主动性需求，又要能满足智能小区的响应型需求；既要满足智能小区日益发展所带来的扩展性
49、需求，又要满足智能小区网络低成本、低功耗的发展趋势。总之，新协议需要能够在相同的监测区域完成不同监测任务而且性能优异。31定向扩散路由协议以数据为中心DATACENTRIC的定向扩散DD,DIRECTEDDIFFUSION路由协议被认为是无线传感器网络平面式路由协议研究的里程碑，它引入了梯度的概念，还与属于数据融合范畴的局部算法相结合，是一种查询驱动的数据传输模式。DD协议可以在无任何关于传感器节点位置信息的情况下，寻找SINK（发布兴趣的节点）与SOURCE（数据源节点，包含有SINK所感兴趣的信息）之间的路径，在路径建立的过程中，节点只需了解其相邻节点的信息，这是一种完全基于局部控制的路由技术36。定向扩散协议由兴趣扩散，梯度建立，路径加强几个阶段组成，包括兴趣，数据，梯度，路径加强这些基本元素。兴趣指对某个传感器任务的描述，常由一些属性对组成，例如查询温度的任务可以描述成TYPETEMP，ID10，INTERIVAL100MS，DURATION10MIN，LOCATION115。数据是对传感器网络所采集到的信息或对某种事件的处理信息所进行的描述，数据也用属性对来进行命名。梯度是指数据发送的方向和强度，是一个方向矢量。毕业设计12当一个SINK节点对其所需要的传感器数据进行描述，将此兴趣注入网络，在网络中逐级扩散。在兴趣扩散的过程中，同时会建立起若干梯度（GRADIENT）用
