【正文】 f the classifications ， characteristics and application of different protocol are implemented． In this paper, the energy sensor routing protocol of work layer protocol are mostly analyzed and studied, which includes energy routing theory, energy multiplex paths routing theory, treeenergy routing and a centralityenergy routing .By paring several kinds of routing protocol, some essential conclusion are drown. Finally， the important features of routing protocols possess are summarized and the future research strategies and trends are prospected. Keywords： wireless sensor work , energy sensor routing protocol , energy multiplex paths routing theory 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）原創(chuàng)性聲明和使用授權(quán)說(shuō)明 原創(chuàng)性聲明 本人鄭 重承諾：所呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文），是我個(gè)人在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的成果。對(duì)本研究提供過(guò)幫助和做出過(guò)貢獻(xiàn)的個(gè)人或集體，均已在文中作了明確的說(shuō)明并表示了謝意。 作者簽名： 日 期： 學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行研究所取得的研究成果。對(duì)本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。 作者簽名： 日期： 年 月 日 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書 本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意學(xué)校保留并向國(guó)家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。 涉密論文按學(xué)校規(guī)定處理。其后，該技術(shù)相繼被一些重要機(jī)構(gòu)預(yù)測(cè)為將改變世界的重要新技術(shù)，相關(guān)研究工作在世界各主要發(fā)達(dá)國(guó)家轟轟烈烈 的開(kāi)展起來(lái)。每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)僅能進(jìn)行有限的信息處理，但是大量節(jié)點(diǎn)相互協(xié)作就可以詳細(xì)觀測(cè)一個(gè)給定的物理環(huán)境。無(wú)線媒介可以是紅外設(shè)備或者無(wú)線電等。 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)由大量無(wú)線傳感器 節(jié)點(diǎn) 互連而成，是傳感器向微型化、 智能化和無(wú)線通信化的延伸。在靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)中，傳感器 節(jié)點(diǎn) 被隨機(jī)地或按一定要求布置在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)，并根據(jù)用戶的要求，可對(duì)溫度、濕度、噪聲、光強(qiáng)度、壓力等環(huán)境參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，或者感知物體的運(yùn)動(dòng)速度和方向等。由于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用前景廣闊，它己經(jīng)成為國(guó)內(nèi)外的研究熱點(diǎn)。 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)能達(dá)到以下要求 : 。二是由于傳感器網(wǎng)絡(luò)的工作環(huán)境往往難以更新電池或因更新代價(jià)大而不可操作。 。 3. 自適應(yīng)。 。 針對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的 諸多要求和特點(diǎn)，目前圍繞這一領(lǐng)域的研究?jī)?nèi)容很多 .主要可分為 節(jié)點(diǎn) 層面和網(wǎng)絡(luò)層面兩大部分。 作為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信層的核心技術(shù)，本課題著重研究低能耗路由技術(shù)?，F(xiàn)有的路由協(xié)議都不能很好地解決這兩個(gè)問(wèn)題，因此有必要針對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)和需求研究專門的協(xié)議。 3 WSN 的發(fā)展歷程 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是新興的下一代傳感器網(wǎng)絡(luò)。隨后在美國(guó)的移動(dòng)計(jì)算和網(wǎng)絡(luò)國(guó)際會(huì)議上，提出了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是下一個(gè)世紀(jì)面臨的發(fā)展機(jī)遇。同年，美國(guó)《商業(yè)周刊》未來(lái)技術(shù)專版，論述四大新技術(shù)時(shí)，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)也列人其中。 2020 年(IEEE Spectrum)雜志發(fā)表一期專集：傳感器的國(guó)度，論述無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展和可能的廣泛應(yīng)用。 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是從傳感器網(wǎng)絡(luò)開(kāi)始的，傳感器網(wǎng)絡(luò)經(jīng)歷了如圖 11所示的發(fā)展歷程。使用具備簡(jiǎn)單信息信號(hào)獲取能力的傳統(tǒng)傳感器，采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸、連接傳感控制器構(gòu)成傳感器網(wǎng)絡(luò)；第二代傳感器網(wǎng)絡(luò)，具 備獲取多種信息信號(hào)的綜合能力，采用串，并接口 (如Rs23 RS485)和傳感控制器相聯(lián)，構(gòu)成有綜合多種信息的傳感器網(wǎng)絡(luò)；第三代傳感器網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)在 20 世紀(jì) 90 年代后期和本世紀(jì)初，用具備智能獲取多種信息信號(hào)的傳感器，采用現(xiàn)場(chǎng)總線連接傳感控制器，構(gòu)成局域網(wǎng)絡(luò)，成為智能化傳感器網(wǎng)絡(luò)；第四代傳感器網(wǎng)絡(luò)正在研究研發(fā)，現(xiàn)在成形并大量投入使用的產(chǎn)品還沒(méi)有出現(xiàn)．用大量的具備多功能多信息信號(hào)獲取能力的傳感器，采用自組織無(wú)線接入網(wǎng)絡(luò)，和傳感器網(wǎng)絡(luò)控制器連接，構(gòu)成無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。 4 圖 11 傳感器網(wǎng)絡(luò) 發(fā)展歷程 我國(guó)和世界其他國(guó)家的研究情況 我國(guó)現(xiàn)代意義的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)及其應(yīng)用研究幾乎與發(fā)達(dá)國(guó)家同步啟動(dòng)，首次正式出現(xiàn)于 1999 年中國(guó)科學(xué)院的“信息與自動(dòng)化領(lǐng)域研究報(bào)告”中，作為該領(lǐng)域提出的五個(gè)重大項(xiàng)目之一（當(dāng)時(shí)的項(xiàng)目名稱：重點(diǎn)地區(qū)的災(zāi)害監(jiān)測(cè)、預(yù)警和決策支持示范系統(tǒng)）。該中心在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)方向上陸續(xù)部署了若干重大研究項(xiàng)目和方向性項(xiàng)目，參加單位包過(guò)上 海微系統(tǒng)所、聲學(xué)所、微電子所、半導(dǎo)體所、電子所、軟件所以及中國(guó)科技大學(xué)等十余個(gè)研究所和高校。 2020 年 9 月 相關(guān)成果在北京進(jìn)行了大規(guī)模外場(chǎng) 演示，部分成果已在實(shí)際工程系統(tǒng)中使用。目前，微型、高可靠、多功能、集成化的傳感器，低功 5 耗、高性能的專用集成 電路，微型、大容量的能源，高效、高可靠的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和操作系統(tǒng)，面向應(yīng)用、低計(jì)算量的模式識(shí)別和數(shù)據(jù)融合算法，低功耗、自適應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，以及在現(xiàn)實(shí)環(huán)境的各種應(yīng)用模式等課題是 我國(guó)科研人員 研究的重點(diǎn)。其中同期著名的企業(yè)代表有美國(guó)的 Chipcon公司，它基于 ZigBee技術(shù)的主流芯片是 CC2420系列等，歐洲有 Helim公司的 IP_Link1270等代表產(chǎn)品。 2020年初，美國(guó)的加州大學(xué)伯克利分校 ( University of California,Berkeley)、加州大學(xué)洛杉磯分校 (University of California,Los Angeles)和康奈爾大學(xué)(Cornell University)等很多所大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)開(kāi)始有非常豐富的研究成果。 1. 軍事應(yīng)用 傳感 器網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)成為軍事 C4ISRT系統(tǒng)必不可少的一部分，受到 軍 事發(fā)達(dá) 國(guó)家的普遍重視，各 國(guó) 均投入了大量的人力 和 財(cái)力進(jìn)行研究。 該 計(jì) 劃的目的就是將多種類型的傳感器、可重編程的通用處理器和無(wú)線通 信 技術(shù)組合起來(lái)，建立一個(gè)廉價(jià)的無(wú)處不在的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，用以監(jiān)測(cè)光學(xué)、聲學(xué)、震動(dòng) 、 磁場(chǎng)、濕度、污染、毒物、壓力、溫度、加速度等物理 量。傳感 6 器網(wǎng)絡(luò)在 環(huán) 境研究方面可用于監(jiān)視農(nóng)作物灌溉情況、土壤空氣情況、牲畜和家禽的環(huán)境狀況和大 面 積的地表監(jiān)測(cè)等，可用于行星探測(cè)、氣象和地理研究、洪水監(jiān)測(cè)等，還可以通過(guò)跟蹤鳥類 、 小型動(dòng)物和昆蟲進(jìn)行種群復(fù)雜度的研究等。如果 在 住院病人身上安裝特殊用途的傳感器節(jié)點(diǎn)，如心率和血壓監(jiān)測(cè)設(shè)備，醫(yī)生利用傳感器網(wǎng)絡(luò)就可以隨時(shí)了解被監(jiān)護(hù)病人的病情．發(fā)現(xiàn)異常能 夠迅速搶救。還可以利用傳感器網(wǎng)絡(luò)長(zhǎng)時(shí)間地收集人體的生理數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)對(duì)了解人體活動(dòng)機(jī)理和研制新藥品都是非常有用的。在 SSIM( Smart Sensors and Integrated Microsystems)計(jì)劃中，替代視網(wǎng)膜的芯片 由 100 個(gè)微型的傳感器組成，并置入人眼，目的 是 使得失明者或者視力極差者能夠恢復(fù)到一個(gè)可以接受的視力水平。 4. 智能家居 傳感器網(wǎng)絡(luò)能夠應(yīng)用 在 家居中。利用遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng) ， 可完成對(duì)家電的遠(yuǎn)程遙控，例如可以在回 家之前半小時(shí)打開(kāi) 空 調(diào)，這樣回家的時(shí)候就可以直接享受適合的宅溫，也可以遙控電飯鍋、微波爐、電冰箱、電話機(jī)、電視機(jī)、錄像機(jī)、電腦等家電，按照 自 己的意愿完成相應(yīng)的煮飯、 燒 菜、查收電話留言、選擇錄制電視和電臺(tái)節(jié) 7 目以及 下 載網(wǎng)上資料到電腦中等 工 作，也可以通過(guò)圖像 傳感設(shè)備隨時(shí)監(jiān)控家庭安全情況。未來(lái)的各種摩 天 大樓可能就會(huì)裝備這種類似紅綠燈的裝 置 ，從而建筑物 可以自 動(dòng)告訴人們當(dāng)前是否安全、穩(wěn)固程度如何等信息。 本次探討和研究的意義 由引言可知 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò) 在今天的中國(guó)應(yīng)該 還 是一個(gè)比較新穎的研究和應(yīng)用領(lǐng)域。 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò) (WSN)就是由部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)大量的廉價(jià) 微型傳感器節(jié)點(diǎn)組成，通過(guò)無(wú)線通信方式形成的一個(gè)多跳的自組織的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其目的是協(xié)作的感知、采集、和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中感知對(duì)象的信息，并發(fā)送給觀察者。 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)將邏輯上的信息世界和客觀上的物理世界融合在一 起，改變?nèi)祟惡妥匀唤?的交互方式。未來(lái)，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)將向天、空、海、陸、地下一體化綜合傳感器網(wǎng)絡(luò)的方向發(fā)展，最終將成為現(xiàn)實(shí)世界和數(shù)字世界的 接口，深 8 入到人們生活的各個(gè)層面，像互聯(lián)網(wǎng)一樣改變?nèi)藗兊纳罘绞健? 由此可見(jiàn)研究 WSN 將是一件很有意義且時(shí)髦的工作 ，在引言中我們就可以發(fā)現(xiàn)，盡管我們中國(guó)的前輩們進(jìn)行了卓有成效的工作，但相對(duì)美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家還有一定差距，特 別是 在 應(yīng)用上。 本次畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 主要學(xué)習(xí)了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)層和數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議。 在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，路 由 協(xié)議 不 僅關(guān)心單個(gè) 節(jié) 點(diǎn)的能量消耗．更關(guān)心整個(gè)網(wǎng)絡(luò)能量的均衡消耗．這樣才能延長(zhǎng)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的生存期。目前提出了多種類型的傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議，如多個(gè)能量 感知的路由協(xié)議，定向擴(kuò)散和謠傳路由等基于查詢的路由 協(xié)議， GEAR 和 GEM 等基于地理位置的路由協(xié)議， SPEED 和ReInForM 等支持 QoS 的路由協(xié)議。后面的相關(guān)章節(jié)將 會(huì)提出一些個(gè)人觀點(diǎn)和看法，有些可能有失偏頗，望各位老師指正。大量傳感器節(jié)點(diǎn)隨機(jī)部署在 10 監(jiān)測(cè)區(qū)域 (sensor field)內(nèi)部或附近，能夠通過(guò)自組織 方 式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò) 。用戶通過(guò)管理 節(jié) 點(diǎn)對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行配置和 管 理，發(fā) 布 監(jiān)測(cè)任務(wù)以及收集監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。傳感器模塊負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)信息的采集和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換；處理 器 模塊負(fù)責(zé)控制整個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的操作，存儲(chǔ)和處理本身采集的數(shù)據(jù) 以及其他節(jié)點(diǎn)發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)；無(wú)線通信模塊負(fù)責(zé)與其他傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行無(wú)線通信，交換控制消息和收發(fā)采集數(shù)據(jù)；能 量 供應(yīng)模塊為傳感器節(jié)點(diǎn)提供運(yùn)行所需的能互聯(lián)網(wǎng)和衛(wèi)星 任 務(wù)管理節(jié)點(diǎn) 匯聚節(jié)點(diǎn) E C D B A 11 量，通常采用微型電池。 這個(gè)協(xié)議錢包括物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層和應(yīng)用層，與互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議 棧 的五層協(xié)議相對(duì)應(yīng)。 這些管理平臺(tái)使得傳感器節(jié)點(diǎn)能夠按照能源高 效的 方 式協(xié)同合作 。其目的是通過(guò)動(dòng)態(tài)路由和移動(dòng)管理技術(shù)傳輸具有服務(wù)質(zhì)量要求的多媒體 信 息流。 傳感器網(wǎng)絡(luò)雖然與無(wú)線自組網(wǎng)有相似之處，但同時(shí)也存在很大的差別。另外，傳感器節(jié)點(diǎn)具有 的 能量、處理能力、存儲(chǔ)能力和通信能 力 等都十分有限 。 傳感器節(jié)點(diǎn)的限制 傳感器節(jié)點(diǎn)在實(shí)現(xiàn)各種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和應(yīng)用系統(tǒng)時(shí)，存在一些現(xiàn)實(shí) 約束。 傳感器節(jié)點(diǎn)體積微小，通常攜帶能量十分有限的電池。 13 傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn) 1. 大規(guī)模網(wǎng)絡(luò) 2. 自組織網(wǎng)絡(luò) 在傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中，通常情況下傳感器節(jié)點(diǎn)被放置 在 沒(méi)有基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的地方。這樣就要求傳感器節(jié)點(diǎn)具有自組織的能力，能夠自動(dòng)進(jìn)行配置和管理，通過(guò) 拓 撲控制機(jī)制和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議自動(dòng)形成轉(zhuǎn)發(fā)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的多跳無(wú)線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。 傳感器網(wǎng)絡(luò)的 自組織 性要能夠適應(yīng)這種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)變化。這就要求傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)要能夠適應(yīng)這種變化，具有動(dòng)態(tài)的系統(tǒng)可重構(gòu) 性 。傳感器 節(jié) 點(diǎn) 往 往采 用 隨機(jī)部署，如通過(guò) 飛機(jī) 撒 播或發(fā)射炮彈到指 定區(qū)域進(jìn)行部署。 出于監(jiān)測(cè) 區(qū) 域環(huán)境的限制以及傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)目巨大，不可能人工“照顧”每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)的維護(hù)十分 困 難甚至不可維護(hù)。因此，傳感器網(wǎng)絡(luò)的軟硬 件 必須具 有 魯棒性和容錯(cuò)性 ?？陀^世界的物理 量 多種多樣，不可窮盡。 6. 以數(shù)據(jù)為中心的網(wǎng)絡(luò) 目 前的互聯(lián)網(wǎng)是先有計(jì)算機(jī)終端系統(tǒng)，然后 再 互聯(lián)成為網(wǎng)絡(luò)，終端系統(tǒng)可以脫離網(wǎng)絡(luò)獨(dú)立存在。如果想訪問(wèn)互聯(lián)網(wǎng)中的資源，首先要知道存放資源的服務(wù)器 IP 地址。 傳感器網(wǎng)絡(luò)是任務(wù)型的網(wǎng)絡(luò)，脫離傳感器網(wǎng)絡(luò)談?wù)搨鞲衅鞴?jié)點(diǎn)沒(méi)有任何意義。 由 于傳感器節(jié) 點(diǎn)隨機(jī)部署，構(gòu)成的傳感器網(wǎng)絡(luò)與節(jié)點(diǎn)編號(hào)之間的關(guān)系是完全動(dòng)態(tài)的，表現(xiàn)為節(jié)點(diǎn)編號(hào)與節(jié)點(diǎn)位置沒(méi)有必然聯(lián)系。網(wǎng)絡(luò) 在 獲得指定事件的信息后匯報(bào)給用戶。所以通常說(shuō)傳感器網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)以數(shù)據(jù)為中心的網(wǎng)絡(luò) 。 有些在目 前還是特別前沿的技術(shù)，就沒(méi)作過(guò)多解釋。通過(guò)拓?fù)淇刂谱詣?dòng)生成的良好的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，能夠提高路由協(xié)議和 MAc協(xié)議的效率， 可 為數(shù)據(jù)融合、時(shí)間同步和 目 標(biāo)定位等很多方面奠定基礎(chǔ)，有利 于節(jié)省節(jié)點(diǎn)的能量來(lái)延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生存期。 2. 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議 由于 傳感器 節(jié) 點(diǎn)的 計(jì) 算能力、存儲(chǔ)能力、通信