【正文】 NODE1NEXTCHNODENNODEN1…NODEN2NODE2NODE4NODE3本輪TDMA調(diào)度序列下一輪CH節(jié)點 NEW_ADV_SCH消息結(jié)構(gòu)如CH節(jié)點0發(fā)送的[list[list2 3 4 6 9 ][list4]]消息，通知NCH節(jié)點23469節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)的順序，同時通知NCH節(jié)點4下一輪作為CH節(jié)點形成新簇。設(shè)TDMA調(diào)度序列中下標為i的節(jié)點其值為Node(i)，當(dāng)前簇內(nèi)共有n個節(jié)點，每時間片大小為，當(dāng)前時刻為，CH向BS發(fā)送數(shù)據(jù)的時間為。每輪的時間為，則節(jié)點Node(i)發(fā)送數(shù)據(jù)的開始時刻為: 且滿足 且 LEACH,LEACHC和HCRP特點的比較 LEACH,LEACHC和HCRP協(xié)議的特點特點LEACHLEACHCHCRP協(xié)議類型分布式協(xié)議集中式協(xié)議分布集中相結(jié)合CH節(jié)點普通節(jié)點自身基站第一輪由基站后由前一輪CH決定CH決定算法模擬退火算法第一輪采用模擬退火算法以后采用簇內(nèi)最優(yōu)節(jié)點使用范圍節(jié)點能夠和其他節(jié)點和基站通信節(jié)點能夠與其他節(jié)點和基站通信，基站能夠和所有節(jié)點通信節(jié)點能夠與其他節(jié)點和基站通信基站能夠和所有節(jié)點通信存在問題CH可能不是網(wǎng)絡(luò)中最優(yōu)節(jié)點；CH數(shù)量也可能不是最優(yōu)的BS要與節(jié)點及時通信，抗干擾能力差簇形成過程中，CH由于能量耗盡未選出下一輪CH就死亡，造成CH數(shù)量減少健壯性強一般較強協(xié)議效果一般好較好 本章小結(jié)HCRP協(xié)議能夠有效地提高基站接收到的數(shù)據(jù)量，延長網(wǎng)絡(luò)的生命周期，并且生成簇的個數(shù)在較長的時間內(nèi)都為最優(yōu)聚類個數(shù)，生成的聚類也相對具有較小的簇內(nèi)傳輸距離。以上各個方面，均明顯好于LEACH協(xié)議，有效地解決了LEACH協(xié)議簇頭個數(shù)不確定，簇頭位置最優(yōu)化不完全等問題。與LEACHC相比，雖然各方面性能稍有欠缺，但相對于集中式管理的LEACHC混合式管理的HCRP協(xié)議在抗干擾性、容錯性和能量利用效率等方面達到了平衡。本章分析了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)經(jīng)典的聚類路由協(xié)議LEACH和LEACHC協(xié)議，結(jié)合這兩個協(xié)議的特點，改進了簇頭個數(shù)不變的HCRP協(xié)議。HCRP協(xié)議采用了由基站決定首輪簇頭的方式，有效地解決了LEACH協(xié)議中簇頭個數(shù)不定的問題；采用本輪簇頭選定下一輪簇頭的方法，解決了簇頭隨機選擇時不是最優(yōu)位置的問題；采用集中式與分布式相結(jié)合的方法來決定簇頭節(jié)點，有效地解決了LEACHC中對基站的依賴問題。因此，該協(xié)議在取得較好的性能(有效地延長了網(wǎng)絡(luò)的生命周期提高了基站接收的數(shù)據(jù)量)的同時，也具有較好的適應(yīng)性與健壯性，能夠適應(yīng)大規(guī)模的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。5 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的總結(jié)在2章中提到傳感器網(wǎng)絡(luò)能夠應(yīng)用于軍事，環(huán)境監(jiān)測和預(yù)報，預(yù)報護理，智能家居，建筑物監(jiān)控和其他應(yīng)用等多個方面。在本章中我將結(jié)合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用實例，討論路由協(xié)議的應(yīng)用。 傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測的實例加州大學(xué)伯克利分校計算機系intel實驗室和大西洋學(xué)院聯(lián)合開展了一個名為“insitu”的利用傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控海島生態(tài)環(huán)境的項目。在大鴨島開展的對海燕棲息地的研究是一個典型的研究實例。生物種群對于外來的因素非常敏感，人類直接進行的生態(tài)環(huán)境監(jiān)控可能破壞環(huán)境的完整性，反復(fù)的人類活動可能導(dǎo)致整個海燕棲息地的嚴重破壞。傳感器網(wǎng)絡(luò)用在這有很大的優(yōu)勢。利用傳感器一次部署，有效期長，大量布散，不需要人員進入監(jiān)測環(huán)境里，從而大大減少了外來因素對生態(tài)環(huán)境的影響。傳輸網(wǎng)絡(luò)INTERNET基站遠程數(shù)據(jù)服務(wù)傳感器網(wǎng)絡(luò)傳感器節(jié)點遠程客戶端多級簇頭普通節(jié)點 大鴨島網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖在大鴨島項目中，因為系統(tǒng)既需要有internet連接和數(shù)據(jù)系統(tǒng)，又需要于傳感器節(jié)點連接，需要一個有層次性的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是必須的。所以intel實驗室采用的是層次性的路由協(xié)議。最簡單高效的路由協(xié)議是節(jié)點在固定的分配的時隙直接向基站進行廣播，但這要求節(jié)點都處于距離基站一跳的范圍內(nèi)，限制了傳感器的網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模。在更大的規(guī)模中應(yīng)該使用多跳的路由機制。層次性的路由協(xié)議中一般節(jié)點使用電池供電，每秒鐘采樣一次，同時通信模塊工作在一個很低的占空比下；路由節(jié)點使用太陽能供電持續(xù)供電，總是處于工作狀態(tài)以轉(zhuǎn)發(fā)傳感器節(jié)點發(fā)送來的數(shù)據(jù)。如果一般節(jié)點也能獲得能量補充，則可以大幅提高占空比，從而提高傳感器網(wǎng)絡(luò)的工作效率。在本實驗中我給設(shè)計的使用周期性自適應(yīng)敏感能量有效性路由協(xié)議APTEEN協(xié)議。，把這些簇頭作為路由節(jié)點，雖然產(chǎn)生這些路由簇頭節(jié)點需要消耗一定能量，但是他們是使用太陽能供電可持續(xù)供電，所以不怕消耗。而優(yōu)點是：傳輸鏈路經(jīng)過的跳數(shù)較少，網(wǎng)絡(luò)延時較小。對于大規(guī)模的傳感器網(wǎng)絡(luò)，層次路由協(xié)議能耗均勻，信道分配公平。而且能更好的配合此傳感其網(wǎng)絡(luò)的層次化結(jié)構(gòu)，減少傳輸時間，加快工作效率。 傳感器網(wǎng)絡(luò)用于數(shù)字化家庭的應(yīng)用根據(jù)目前對各種數(shù)字家庭的內(nèi)容研究結(jié)合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，數(shù)字家庭定義:利用先進的電腦技術(shù)、無線通訊技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、無線傳感器技術(shù)將與家居生活有關(guān)的各種子系統(tǒng)，有機地結(jié)合在一起，通過統(tǒng)一管理，讓家庭生活更加舒適、安全、有效率。與普通家庭生活相比，數(shù)字家庭不僅具有傳統(tǒng)的居家功能，提供舒適安全、商品位且宜人的家庭生活空間:還由原來的被動靜止設(shè)備轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂心軇又腔鄣墓ぞ撸峁┤轿坏男畔⒔换スδ?，布助家庭與外部保持信息交流暢通，優(yōu)化人們的生活方式，幫助人們有效安排時間，增強家居生活的安全性，甚至為各種能源費用節(jié)約資金。在數(shù)字化家庭應(yīng)用中，除了應(yīng)用傳感器特點，如各種傳感器，在預(yù)先設(shè)定的環(huán)境條件下開關(guān)門窗、百葉窗、窗簾、調(diào)整冷暖空調(diào)及除濕；戶外草地的自動灑水、澆花。寵物的自動喂食、室內(nèi)照明的自動控制火防災(zāi)，屋內(nèi)煙霧偵測并發(fā)出等告與自動通報間亮度超過設(shè)定條件時將可自動關(guān)閉電燈，房間門口將有感應(yīng)裝置偵測人的進出，以控制電燈的開啟與關(guān)閉。還應(yīng)用到傳感器網(wǎng)絡(luò)中網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的應(yīng)用。通過傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信協(xié)議把家居中的各種傳感器，智能家電，家用電腦連接起來。通過internet與外部相連以達到遠程控制的目的。在家庭內(nèi)部的家庭網(wǎng)絡(luò)中采用星型拓撲的方式進行連接。家庭網(wǎng)絡(luò)INTERNET小區(qū)監(jiān)控網(wǎng)家庭網(wǎng)關(guān) 智能家居拓撲結(jié)構(gòu)圖家庭網(wǎng)關(guān)家用電腦空調(diào)電冰箱各種無線傳感器PDATELEPHONE小區(qū)監(jiān)控網(wǎng) 家庭網(wǎng)絡(luò)拓撲圖具體到路由協(xié)議，因為數(shù)字家庭網(wǎng)絡(luò)或局域網(wǎng)多傳送多媒體信息，對于帶寬占用大，需要很好的Qos保證。例如:在家庭網(wǎng)絡(luò)或局域網(wǎng)內(nèi)部，集成KLAN模塊的便攜機可能同時有PLC的接入模塊、內(nèi)嵌，LAN模塊的設(shè)備可能同時有GPRS的模塊。因此，在一個網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部設(shè)備可能有兩個IP地址，而每種寬帶接入手段對應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)傳送能力、網(wǎng)絡(luò)傳輸效率、安全等級、耗電量等具體的技術(shù)指標不同、存在每種接入手段上的現(xiàn)存的網(wǎng)絡(luò)流量也不同，僅僅通過傳統(tǒng)的路由算法是無法最佳地滿足業(yè)務(wù)可靠傳送的。通過比較我推薦在智能家居中使用SPEED協(xié)議。下圖為SPEED協(xié)議框架圖。反向重路由信標交換NFL延遲估計SNGFMAC鄰居表 SPEED協(xié)議框架圖SPEED協(xié)議是一個實時路由、多跳可靠的的協(xié)議，在一定程度上實現(xiàn)了端到端的傳輸速率保證、網(wǎng)絡(luò)擁塞控制以及負載平衡機制。此協(xié)議工作過程為：（1）延遲估計機制，用來得到網(wǎng)絡(luò)的負載情況，判斷網(wǎng)絡(luò)是否發(fā)生擁塞；（2）SNGF算法，用來選擇滿足傳輸速率的要求的下一跳節(jié)點；（3）鄰居反饋策略，是當(dāng)SNGF路由算法中找不到滿足速率的下一跳節(jié)點時采取的補償機制；（4）反向壓力路由變更機制，用來避免擁塞和路由空洞[24]。 傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于建筑結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測任何建筑物都有一定的使用周期，建筑物的安全性會隨著使用時間的增加逐漸惡化。周期性的監(jiān)測能都提供建筑物的健康程度信息，對險情及時報警，從而減少一些不必要的人員、財產(chǎn)損失。斯坦福大學(xué)的研究人員提出了一個基于分簇結(jié)構(gòu)的兩層無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)。為了節(jié)省數(shù)據(jù)傳輸過程中所耗費的能量，網(wǎng)絡(luò)可以根據(jù)節(jié)點距離的遠近來劃分成簇，每個簇有相互靠近的傳感器節(jié)點組成。簇首作為本地站點控制者沒有能量限制，它負責(zé)協(xié)調(diào)和收集粗內(nèi)節(jié)點的監(jiān)測數(shù)據(jù)。監(jiān)測系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)有兩層子系統(tǒng)組成：底層子系統(tǒng)由低數(shù)據(jù)率、低傳輸范圍和能量受限的傳感器節(jié)點組成；上層子系統(tǒng)是由高數(shù)據(jù)率、大范圍和沒有能量限制的簇首節(jié)點組成。在監(jiān)測過程中，底層傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點將收集到的數(shù)據(jù)送給上層相應(yīng)的簇首，簇首對數(shù)據(jù)進行簡單的融合后可以直接傳送給監(jiān)測中心進行處理，也可傳送非其它簇首進行再次融合后傳送給檢測中心。兩層分層架構(gòu)如下圖上層子系統(tǒng)監(jiān)控中心INTERNRTCHNCH下層子系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中1簇 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖本項目中，我推薦使用LEACHC協(xié)議。因為LEACHC協(xié)議是在LEACH上提出來的集中式路由協(xié)議，它克服了后者每輪選擇簇頭的隨機性，這樣我們就可以控制選擇那些不受能量控制的節(jié)點作為上層節(jié)點充當(dāng)簇頭CH節(jié)點，其他能量受限的節(jié)點充當(dāng)NCH節(jié)點，并且LEACHC協(xié)議通過模擬退火算法，有效地解決了聚類數(shù)目不確定，和聚類的簇頭節(jié)點選取最優(yōu)化的問題。該協(xié)議和LEACH相比，有效地增加了基站接收到的數(shù)據(jù)量、提高了節(jié)點的生命時間。LEACHC要求由BS來統(tǒng)一進行控制，都是有監(jiān)測中心控制，符合項目的設(shè)計要求。綜合比較我認為此項目中使用LEACHC協(xié)議。 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在農(nóng)田信息采集中的應(yīng)用農(nóng)作物的生長受到自然條件的影響，如光照、溫度和濕度等；特別是農(nóng)作物的需水信息是實時適量灌溉的依據(jù)，而需水信息的實時傳輸則是一個難點。農(nóng)田中數(shù)據(jù)采集量很大，利用網(wǎng)絡(luò)可以比較方便地實現(xiàn)大量數(shù)據(jù)的遠距離傳輸；但如果在農(nóng)田中鋪設(shè)有線網(wǎng)絡(luò)，一方面不便于農(nóng)田的耕作，另一方面成本也較高。近幾年發(fā)展起來的無線傳感網(wǎng)絡(luò)由于應(yīng)用成本低、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)靈活、數(shù)據(jù)傳輸距離遠，應(yīng)用在農(nóng)作物監(jiān)控中有很大的優(yōu)勢。將WSN節(jié)點隨機地部散在監(jiān)測的農(nóng)田中，節(jié)點以自組織的形式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)，各節(jié)點通過GPS定位或節(jié)點自身定位算法得到位置。在數(shù)據(jù)鏈路層上采用LEACH算法的路由協(xié)議。LEACH協(xié)議是分層的簇協(xié)議。在農(nóng)田中的節(jié)點根據(jù)位置劃分而成多個簇。簇頭負責(zé)將各節(jié)點的數(shù)據(jù)收集融合后發(fā)送給匯聚節(jié)點，匯聚節(jié)點再傳送給處理中心。節(jié)點i是否為CH?廣播CH狀態(tài)等待加入信息決定TDMA時序告知類內(nèi)節(jié)點等待CH廣播發(fā)送加入信息給選擇加入的CH等待CH時間表數(shù)據(jù)發(fā)送階段 類結(jié)構(gòu)形成結(jié)構(gòu)圖處理中心INTERNETCH備用CHNCH網(wǎng)絡(luò)分的1簇 農(nóng)田監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖根據(jù)4章前面的介紹，我們知道leach協(xié)議是把通信過程分成很多輪，每一輪都有類建立和數(shù)據(jù)發(fā)送的過程，建立一個類頭。保證在每次過程中只有一個簇頭產(chǎn)生。但是在農(nóng)田中，節(jié)點收到人為和自然破壞的幾率很大，我們不能保證選擇的簇頭是完好的節(jié)點，如果是壞的節(jié)點，數(shù)據(jù)傳輸就會出現(xiàn)問題。有種方法解決：一是使每輪的時間變短．當(dāng)簇頭被破壞后，等待時間變短，其優(yōu)點是不需要改變LEACH原協(xié)議，可以采用現(xiàn)有的硬件平臺；其缺點是能量消耗變大了。二是簇頭被破壞后，選擇備選簇頭。當(dāng)簇頭被破壞后，備用簇頭被喚醒，接收非簇頭的數(shù)據(jù)包，發(fā)送數(shù)據(jù)到基站。其優(yōu)點是能耗比LEACH還小，缺點是需要改變協(xié)議。改進的LEACH協(xié)議中每個節(jié)點都有一個身份信息，類頭節(jié)點確定以后，選擇ID小的節(jié)點作為備選節(jié)點，利用非持續(xù)的CSMA／MAC協(xié)議廣播一個廣告信息(ADV)告知網(wǎng)絡(luò)中其它的節(jié)點。廣播信息是一個很小的數(shù)據(jù)包，含有類頭節(jié)點的身份信息以及一個包頭文件，用于識別該發(fā)布信息。非類頭節(jié)點根據(jù)所收到的各個類頭節(jié)點發(fā)送信號的強弱決定加入哪個類，并發(fā)送一個關(guān)于加入的應(yīng)答信息(Join—REQ)給它選擇的類頭節(jié)點。簇頭與備選簇頭每隔一段時間發(fā)送數(shù)據(jù)包來維持聯(lián)系。備選簇頭在規(guī)定時間后收不到數(shù)據(jù)包，則喚醒自身，身份信息加1，代替簇頭，接收非簇頭的數(shù)據(jù)包，數(shù)據(jù)融合，發(fā)送數(shù)據(jù)到基站。通過采用LEACH和改進后的LEACH協(xié)議有效的把各節(jié)點連接起來，為數(shù)據(jù)傳輸提供了穩(wěn)定的路由保障。 本章小結(jié)通過以上幾種典型應(yīng)用的分析我們可以看到，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的設(shè)計是與其應(yīng)用相關(guān)的。因此,不可能設(shè)計一種對所有應(yīng)用都適合的路由協(xié)議。比較早的的平面型協(xié)議雖然也有一定的應(yīng)用但已經(jīng)越來越不適應(yīng)新的無線網(wǎng)絡(luò)的要求，將來層次化的路由協(xié)議將是主流方向，單一的層次化協(xié)議也是不能出現(xiàn)的。針對不同的實際應(yīng)用，多種路由協(xié)議共同作用，自主切換將是主流，也是必然方向。隨著無線傳感器網(wǎng)絡(luò)從研究逐步走商用,未來無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由算法應(yīng)該關(guān)注以下幾個方面:一是現(xiàn)在的算法都是假設(shè)網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點處于靜止的情況下,而在實際的應(yīng)用中傳感器節(jié)點可能會處于移動中。二是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該逐步有QoS保障的路由協(xié)議,不僅可以提供能量有效的選路,而且可以保證帶寬的有效性。三是ipv6,組播路由協(xié)議與傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的結(jié)合，將來傳感器網(wǎng)絡(luò)與IP網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)互通將為人們帶來更大的便利。6 結(jié)論無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議從拓撲結(jié)構(gòu)上可以分為平面型、層次型和基于地理位置三種類型?；诘乩砦恢眯畔⒌穆酚蓞f(xié)議要求節(jié)點安裝GPS系統(tǒng)或通過其它方法的到自身的位置才能夠正常工作，因此其適用性受到限制。平面型路由協(xié)議結(jié)構(gòu)簡單、實現(xiàn)容易，對于小規(guī)模的傳感器網(wǎng)絡(luò)效果較好，但傳感器網(wǎng)絡(luò)通常是節(jié)點數(shù)目眾多、監(jiān)控區(qū)域廣大，這時采用平面路由協(xié)議具有網(wǎng)絡(luò)延遲較大、能量利用效率低等缺點。層次路由協(xié)議雖然協(xié)議復(fù)雜，但其具有網(wǎng)絡(luò)延遲較小、能量利用率高和自組織性強等優(yōu)點，能夠適應(yīng)對大范圍區(qū)域進行監(jiān)控的要求。近年來對層次型路由協(xié)議的研究成為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議研究的熱點。最早的LEACH和LEACHC協(xié)議是層次路由協(xié)議的基礎(chǔ)。后來提出的層次路由協(xié)議TEEN,。因此，對層次路由協(xié)議的研究在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域具有重要的意義。本文主要做了以下幾點工作:(1)對無線傳感器網(wǎng)