【文章內(nèi)容簡介】 有效簇頭選取算法。 (3) 對算法進行仿真 實驗，并借鑒傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)能評價指標體系對實驗結(jié)果進行質(zhì)量評價，最后本文通過理論分析和大量實驗證明了新算法較 LEACH 算法性能更優(yōu)越。 論文主要由以下部分構(gòu)成： 第一章對本課題背景和國內(nèi)外研究現(xiàn)狀做了描述。 第二章 對傳感器網(wǎng)絡(luò)的概念以及應(yīng)用進行介紹。 第三章對傳統(tǒng)的 LEACH 算法進行了介紹，并詳細分析了其存在的不足。 第四章將節(jié)點密度模型和平均能耗模型結(jié)合起來，進一步對 LEACH 算法的簇頭選取過程進行改進，提出了能量有效的簇頭選取算法。 第 五 章 對算法進行仿真模擬實驗。 最后為結(jié)論與展望，首先本文工作進行了總 結(jié)，然后對下一步的研究方向進行了展望。 小結(jié) 本章首先給出了課題的研究背景與意義、然后綜述了國內(nèi)外 傳感器網(wǎng)絡(luò)覆蓋判定算法 的研究現(xiàn)狀、最后，給出了論文的結(jié)構(gòu)和研究內(nèi)容簡介。 湖南大學(xué)畢業(yè)論文 第 4 頁 2. 傳感器網(wǎng)絡(luò) 概述 傳感器網(wǎng)絡(luò) 簡介 傳感器網(wǎng)絡(luò)的概念 傳感器網(wǎng)絡(luò)是由一組傳感器以 AdHoc 方式構(gòu)成的有線或無線網(wǎng)絡(luò)，其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋的地理區(qū)域中感知對象的信息，并發(fā)布給觀察者。 從定義可以看出，傳感器、感知對象和觀察者是傳感器網(wǎng)絡(luò)的 3 個基本要素；有線或無線網(wǎng)絡(luò)是傳感器之間、傳感器 與觀察者之間的通信方式，用于在傳感器與觀察者之間建立通信路徑；協(xié)作地感知、采集、處理、發(fā)布感知信息是傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本功能。一組功能有限的傳感器協(xié)作地完成大的感知任務(wù)是傳感器網(wǎng)絡(luò)的重要特點。傳感器網(wǎng)絡(luò)中的部分或全部節(jié)點可以移動。傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)也會隨著節(jié)點的移動而不斷地動態(tài)變化。節(jié)點間以 AdHoc 方式進行通信，每個節(jié)點都可以充當(dāng)路由器的角色，并且每個節(jié)點都具備動態(tài)搜索、定位和恢復(fù)連接的能力。 傳感器由電源、感知部件、嵌入式處理器、存儲器、通信部件和軟件這幾部分構(gòu)成（如圖 所示）。電源為傳感器提供正常 工作所必需的能源。感知部件用于感知、獲取外界的信息，并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。處理部件負責(zé)協(xié)調(diào)節(jié)點各部分的工作。通信部件負責(zé)與其他傳感器或觀察者的通信。軟件則為傳感器提供必要的軟件支持，如嵌入式操作系統(tǒng)、嵌入式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)等。 圖 傳感器示意圖 典型的傳感器網(wǎng)絡(luò)由傳感器節(jié)點、接收發(fā)送器 (sink)、 Inter 或通信衛(wèi)星、任務(wù)管理節(jié)點等部分構(gòu)成。傳感器節(jié)點散布在指定的感知區(qū)域內(nèi)，每個節(jié)點都可以收集數(shù)據(jù)， 湖南大學(xué)畢業(yè)論文 第 5 頁 并通過 “多跳 ”路由方式把數(shù)據(jù)傳送到 Sink。 Sink 也可以用同樣的方式將信息發(fā)送給各節(jié)點。 Sink 直接與 Inter 或通信衛(wèi)星相連，通過 Inter 或通信衛(wèi)星實現(xiàn)任務(wù)管理節(jié)點 (即觀察者 )與傳感器之間的通信。圖 描述了一個典型的傳感器網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu) [14]。 典型的傳感器網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu) 傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點 傳感器網(wǎng)絡(luò)除了具有 AdHoc 網(wǎng)絡(luò)的移動性、斷接性、電源能力有限等特征外，還具有以下鮮明特點 [14]： (1) 通信能力有限。傳感器網(wǎng)絡(luò)中的傳感器的通信帶寬較窄而且經(jīng)常變化，通信覆蓋范圍只有幾十到幾百米。傳感器之間的通信斷接頻繁，經(jīng)常導(dǎo)致通信失敗。由于傳感器網(wǎng)絡(luò)更多地受到高山、建 筑物、障礙物等地勢地貌以及風(fēng)雨雷電等自然環(huán)境的影響，傳感器可能會長時間離線工作。 (2) 計算能力有限。傳感器網(wǎng)絡(luò)中的傳感器都具有嵌入式處理器和存儲器。這些傳感器都具有計算能力，可以完成一些信息處理工作。但是，由于嵌入式處理器和存儲器的能力和容量有限，傳感器的計算能力十分有限。使用大量具有有限計算能力的傳感器進行協(xié)作分布式信息處理，是我們的選擇之一。 (3) 傳感器數(shù)量大、分布范圍廣。傳感器網(wǎng)絡(luò)中傳感器節(jié)點密集，數(shù)量巨大，可能達到幾百、幾千萬，甚至更多。此外，傳感器網(wǎng)絡(luò)可以分布在很廣泛的地理區(qū)域。傳感器的數(shù) 量與用戶數(shù)量比通常也非常大。這就要求傳感器網(wǎng)絡(luò)的軟、硬件必須具有高強壯性和容錯性。 (4) 感知數(shù)據(jù)流巨大。傳感器網(wǎng)絡(luò)中的每個傳感器通常都產(chǎn)生較大的流式數(shù)據(jù)，并 湖南大學(xué)畢業(yè)論文 第 6 頁 具有實時性。每個傳感器僅僅具有有限的計算資源，難以處理巨大的實時數(shù)據(jù)流。這就需要研究強有力的分布式數(shù)據(jù)流管理、查詢、分析和挖掘方法。 傳感器網(wǎng)絡(luò)的核心技術(shù) 以數(shù)據(jù)為中心的傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本思想是：把傳感器視為感知數(shù)據(jù)流或感知數(shù)據(jù)源，把傳感器網(wǎng)絡(luò)視為感知數(shù)據(jù)空間或感知數(shù)據(jù)庫，把數(shù)據(jù)管理和處理作為網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用目標。傳感器網(wǎng)絡(luò)以數(shù)據(jù)為中心的特點使得 其設(shè)計方法不同于其他計算機網(wǎng)絡(luò) (包括Inter)。傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計必須以感知數(shù)據(jù)管理和處理為中心，把數(shù)據(jù)庫技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)緊密結(jié)合，從邏輯概念和軟、硬件技術(shù)兩個方面實現(xiàn)一個高性能的以數(shù)據(jù)為中心的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，為用戶或觀察者提供一個有效的感知數(shù)據(jù)空間或感知數(shù)據(jù)庫管理和處理系統(tǒng)，使用戶如同使用通常的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)一樣自如地在傳感器網(wǎng)絡(luò)上進行感知數(shù)據(jù)的管理和處理。 感知數(shù)據(jù)管理與處理技術(shù)是實現(xiàn)以數(shù)據(jù)為中心的傳感器網(wǎng)絡(luò)的核心技術(shù) [17]。感知數(shù)據(jù)管理與處理技術(shù)包括感知網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的存儲、查詢、分析、挖掘、 理解以及基于感知數(shù)據(jù)決策和行為的理論和技術(shù)。傳感器網(wǎng)絡(luò)的各種實現(xiàn)技術(shù)必須與這些技術(shù)密切結(jié)合，融為一體，而不是像目前其他網(wǎng)絡(luò)設(shè)計那樣分而治之。只有這樣才能夠設(shè)計實現(xiàn)高效率的以數(shù)據(jù)為中心的傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。 對感知數(shù)據(jù)管理與處理的研究方向主要包括：感知數(shù)據(jù)管理技術(shù)的研究、感知數(shù)據(jù)查詢處理技術(shù)的研究、感知數(shù)據(jù)分析技術(shù)的研究、感知數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)的研究以及感知數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的研究。 傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用 環(huán)境的檢測和保護 隨著人們對于環(huán)境問題的關(guān)注程度越來越高，需要采集的環(huán)境數(shù)據(jù)也越來越多，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的 出現(xiàn)為隨機性的研究數(shù)據(jù)獲取提供了便利，并且還可以避免傳統(tǒng)數(shù)據(jù)收集方式給環(huán)境帶來的侵入式破壞。比如， 20xx 年英特爾研究實驗室研究人員曾經(jīng)將 32個小型傳感器連進互聯(lián)網(wǎng)，掌握緬因州 大鴨島 上的氣候，以此評價一種海燕巢的條件。20xx 年第二季度，他們換用 150 個安有 D 型微型電池的第二代傳感器，來評估這些鳥巢的條件。另外，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以跟蹤候鳥和昆蟲的遷移，研究環(huán)境變化對農(nóng)作物 湖南大學(xué)畢業(yè)論文 第 7 頁 的影響，監(jiān)測海洋、大氣和土壤的成分等。它也可以應(yīng)用在精細農(nóng)業(yè)中，來監(jiān)測農(nóng)作物中的害蟲、土壤的酸堿度和施肥狀況等。 醫(yī)療護理 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在醫(yī)療研究、護理領(lǐng)域同樣可以大展身手。它可以用于病區(qū)移動查房、床邊護理、呼叫通信、護理監(jiān)控、藥庫管理等方面。 羅徹斯特大學(xué)的科學(xué)家使用無線傳感器創(chuàng)建了一個智能醫(yī)療房間，使用微塵來測量居住者的重要征兆（血壓、脈搏和呼吸）、睡覺姿勢以及每天 24 小時的活動狀況。英特爾公司也推出了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的家庭護理技術(shù)。該技術(shù)是作為探討應(yīng)對老齡化社會的技術(shù)項目 Center for Aging Services Technologies（ CAST）的一個環(huán)節(jié)開發(fā)的 [18]。該系統(tǒng)通過在鞋、家具以家用電器等家中道 具和設(shè)備中嵌入半導(dǎo)體傳感器，幫助老齡人士、阿爾茨海默氏病患者以及殘障人士的家庭生活。利用無線通信將各傳感器聯(lián)網(wǎng)可高效傳遞必要的信息從而方便接受護理。而且還可以減輕護理人員的負擔(dān)。英特爾主管預(yù)防性健康保險研究的董事 Eric Dishman 稱， “在開發(fā)家庭用護理技術(shù)方面，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是非常有前途的領(lǐng)域 ”。 軍事領(lǐng)域 由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有密集型、低成本、隨機分布的節(jié)點組成，自組織性和容錯能力使其非常適合應(yīng)用于惡劣的戰(zhàn)場環(huán)境中，包括偵察敵情、監(jiān)控兵力、裝備和物資，判斷生物化學(xué)攻擊等多方面用途 [1]。 美國國防部遠景計劃研究局已投資幾千萬美元，幫助大學(xué)進行 智能塵埃 傳感器技術(shù)的研發(fā)。哈伯研究公司總裁阿爾門丁格預(yù)測：智能塵埃式傳感器及有關(guān)的技術(shù)銷售將從 20xx 年的 1000 萬美元增加到 20xx 年的幾十億美元。 其他應(yīng)用 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)還被應(yīng)用于其他一些領(lǐng)域。比如一些危險的工業(yè)環(huán)境如井礦、核電廠等，工作人員可以通過它來實施安全監(jiān)測。也可以用在交通領(lǐng)域作為車輛監(jiān)控的有力工具。此外和還可以在工業(yè)自動化生產(chǎn)線等諸多領(lǐng)域，英特爾正在對工廠中的一個無線網(wǎng)絡(luò)進行測試，該網(wǎng)絡(luò)由 40 臺機器上的 210 個傳感器組成 ，這樣組成的監(jiān)控系統(tǒng)將可以大大改善工廠的運作條件。它可以大幅降低檢查設(shè)備的成本，同時由于可以提前發(fā)現(xiàn) 湖南大學(xué)畢業(yè)論文 第 8 頁 問題，因此將能夠縮短停機時間，提高效率，并延長設(shè)備的使用時間。盡管無線傳感器技術(shù)目前仍處于初步應(yīng)用階段，但已經(jīng)展示出了非凡的應(yīng)用價值，相信隨著相關(guān)技術(shù)的發(fā)展和推進，一定會得到更大的應(yīng)用。 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)有著十分廣泛的應(yīng)用前景，它不僅在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、軍事、環(huán)境、醫(yī)療等傳統(tǒng)領(lǐng)域有具有巨大的運用價值，在未來還將在許多新興領(lǐng)域體現(xiàn)其優(yōu)越性，如家用、保健、交通等領(lǐng)域。我們可以大膽的預(yù)見，將來無線傳感器網(wǎng)絡(luò)將無處不在，將完全融入我們的生活。比如微型傳感器網(wǎng)絡(luò)最終可能將家用電器、個人電腦和其他日常用品同互聯(lián)網(wǎng)相連，實現(xiàn)遠距離跟蹤。家庭采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)負責(zé)家電協(xié)同工作，進行安全調(diào)控，并且可以節(jié)省電能。另外，用戶可以根據(jù)自己的個人喜好，可以利用傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)置智能生活環(huán)境，如依據(jù)傳感器檢測數(shù)據(jù)來調(diào)節(jié)室內(nèi)光線強度、音樂聲音，以形成愜意的房間氛圍。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)將是未來的一個無孔不入的十分龐大的網(wǎng)絡(luò)，其應(yīng)用可以涉及到人類日常生活和社會生產(chǎn)活動的所有領(lǐng)域。 傳感器網(wǎng)絡(luò)除了具有 AdHoc 網(wǎng)絡(luò)的移動性、斷接性 、電源能力局限等共同特征以外，還具有很多其他鮮明的特點。這些特點向我們提出了一系列挑戰(zhàn)性問題 [14]： (1)通信能力有限。傳感器網(wǎng)絡(luò)的傳感器的通信帶寬窄而且經(jīng)常變化，通信覆蓋范圍只有幾十到幾百米。傳感器之間的通信斷接頻繁，經(jīng)常導(dǎo)致通信失敗。由于傳感器網(wǎng)絡(luò)更多地受到高山、建筑物、障礙物等地勢地貌以及風(fēng)雨雷電等自然環(huán)境的影響，傳感器可能會長時間脫離網(wǎng)絡(luò)，離線工作。 (2)電源能量有限。傳感器的電源能量極其有限。網(wǎng)絡(luò)中的傳感器由于電源能量的原因經(jīng)常失效或廢棄。電源能量約束是阻礙傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的嚴重問題。商 品化的無線發(fā)送接收器電源遠遠不能滿足傳感器網(wǎng)絡(luò)的需要。傳感器傳輸信息要比執(zhí)行計算更消耗電能 .傳感器傳輸 1 位信息所需要的電能足以執(zhí)行 3000 條計算指令。 (3)計算能力有限。傳感器網(wǎng)絡(luò)中的傳感器都具有嵌入式處理器和存儲器。這些傳感器都具有計算能力，可以完成一些信息處理工作。但是，由于嵌入式處理器和存儲器的能力和容量有限，傳感器的計算能力十分有限。如何使用大量具有有限計算能力的傳感器進行協(xié)作分布式信息處理，是我們面臨的第 3 個挑戰(zhàn)。 (4)傳感器數(shù)量大、分布范圍廣。傳感器網(wǎng)絡(luò)中傳感器節(jié)點密集，數(shù)量巨大，可能達 湖南大學(xué)畢業(yè)論文 第 9 頁 到幾 百、幾千萬，甚至更多。此外，傳感器網(wǎng)絡(luò)可以分布在很廣泛的地理區(qū)域。傳感器的數(shù)量與用戶數(shù)量比通常也非常大。傳感器數(shù)量大、分布廣的特點使得網(wǎng)絡(luò)的維護十分困難甚至不可維護，傳感器網(wǎng)絡(luò)的軟、硬件必須具有高強壯性和容錯性。 (5)網(wǎng)絡(luò)動態(tài)性強。傳感器網(wǎng)絡(luò)具有很強的動態(tài)性。網(wǎng)絡(luò)中的傳感器、感知對象和觀察者這三要素都可能具有移動性，并且經(jīng)常有新節(jié)點加入或已有節(jié)點失效。因此，網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)動態(tài)變化，傳感器、感知對象和觀察者三者之間的路徑也隨之變化。傳感器網(wǎng)絡(luò)必須具有可重構(gòu)和自調(diào)整性。 (6)大規(guī)模分布式觸發(fā)器。很多傳感器網(wǎng) 絡(luò)需要對感知對象進行控制，如溫度控制。這樣，很多傳感器具有回控裝置和控制軟件。 (7)感知數(shù)據(jù)流巨大。傳感器網(wǎng)絡(luò)中的每個傳感器通常都產(chǎn)生較大的流式數(shù)據(jù)，并具有實時性。每個傳感器僅僅具有有限的計算資源，難以處理巨大的實時數(shù)據(jù)流。這就需要研究強有力的分布式數(shù)據(jù)流管理、查詢、分析和挖掘方法。 本章 首先給出了 傳感器網(wǎng)絡(luò) 的定義、特點以及 傳感器網(wǎng)絡(luò) 管理核心技術(shù)的描述，然后，簡要介紹了 傳感器網(wǎng)絡(luò) 的應(yīng)用領(lǐng)域，最后，簡述了當(dāng)前 傳感器網(wǎng)絡(luò) 研究中所面臨的挑戰(zhàn)。 湖南大學(xué)畢業(yè)論文 第 10 頁 3. LEACH算法簡介及分析 未來的計算裝置將越來越與環(huán)境融于一體，直至它們對于用戶是不可見的。而分布式無線傳感器網(wǎng)絡(luò)正是這一思想的重要體現(xiàn)。不斷小型化是微型傳感器的設(shè)計目標，而傳感器的能源供應(yīng)則是傳感器小型化過程中最主要的限制。 傳統(tǒng)的能量供應(yīng)裝置是電池，然而縮小電池的體積，增加電池容量的工程技術(shù)發(fā)展緩慢，這直接影響了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展。無法從能量存儲的硬件設(shè)備上獲得突破，于是科研人員開始尋求延長傳感器網(wǎng)絡(luò)使用壽命的其它途徑。這就是通過各種優(yōu)化應(yīng)用，完善操作系統(tǒng)和通信協(xié)議來降低網(wǎng)絡(luò)的能量消耗，從而在總能量不變的情況 下增加傳感器網(wǎng)絡(luò)的使用時間。 在上述背景下，各種有關(guān)傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由算法和通信協(xié)議紛紛被提出，其中 Heinzelman 等人提出的 LEACH 算法是最具代表性和里程碑意義的。 LEACH算法 LEACH 算法是一種典型的層次路由