無線感測器網路模型

『壹』 ZigBee無線感測器網路拓撲結構有哪幾種

ZigBee技術具有強大的組網能力，可以形成星型、樹型和網狀網，可以根據實際項目需要來選擇合適的網路結構；星型和族樹型網路適合點多多點、距離相對較近的應用。

ZigBee節點是可以組建Mesh網路的，設置一個ZigBee節點為網路協調器，其他每個ZigBee節點都可以當做路由節點來使用，也可以設置為終端節點但是就失去了路由功能。由於ZIGBEE一般都是用2。4G頻段傳輸，其實際應用中傳輸距離及穿透性都很差，一般只能傳輸幾十米到上百米。

(1)無線感測器網路模型擴展閱讀：

相較於傳統式的網路和其他感測器相比，無線感測器網路有以下特點：

（1）組建方式自由。無線網路感測器的組建不受任何外界條件的限制，組建者無論在何時何地，都可以快速地組建起一個功能完善的無線網路感測器網路，組建成功之後的維護管理工作也完全在網路內部進行。

（2）網路拓撲結構的不確定性。從網路層次的方向來看，無線感測器的網路拓撲結構是變化不定的，例如構成網路拓撲結構的感測器節點可以隨時增加或者減少，網路拓撲結構圖可以隨時被分開或者合並。

『貳』 無線感測器網路節點硬體的模塊化設計

無線感測器網路節點硬體的模塊化設計

隨著人們對於環境監測要求的不斷提高，無線感測器網路技術以其投資成本低、架設方便、可靠性高的性能優勢得到了比較廣泛的應用。由於無線感測器網路節點需要實現採集、處理、通信等多個功能，因此硬體上採用模塊化設計可以大大提高網路節點的穩定性和安全性。那麼下面我就來討論一下無線感測器網路節點硬體的模塊化設計。

1 CC2430晶元簡介

CC2430是一款工作在2.4 GHz免費頻段上，支持IEEE 802.15.4標準的無線收發晶元。該晶元具有很高的集成度，體積小功耗低。單個晶元上整合了ZigBee射頻(RF)前端、內存和微控制器。CC2430擁有1個8位MCU(8051)，8 KB的RAM，32 KB、64 KB或128 KB的Flash，還包含模擬數字轉換器(ADC)，4個定時器(Timer)，AESl28協處理器，看門狗定時器(Watchdog-timer)，32.768 kHz晶振的休眠模式定時器，上電復位電路(Power-on-Reset)，掉電檢測電(Brown-out-Detection)，以及21個可編程I/O介面。

CC2430晶元採用0.18μm CMOS工藝生產，工作時的電流損耗為27 mA;在接收和發射模式下，電流損耗分別為26.7 mA和26.9 mA;休眠時電流為O.5 μA。CC2430的休眠模式和轉換到主動模式的超短時間的特性，特別適合那些要求電池壽命非常長的應用。

2 無線感測器網路系統結構

整個無線感測器網路由若干採集節點、1個匯聚節點、1個中轉器、1個上位機控制中心組成，系統結構如圖1所示。無線感測器網路採集節點完成數據採集、預處理和通信工作;匯聚節點負責網路的發起和維護，收集並上傳數據，將中轉器下發的命令通告採集節點;中轉器負責上傳收集到的數據並將控制中心發出的命令信息傳遞給匯聚節點;控制中心負責處理最終上傳數據，並且可以由用戶下達網路的操作命令。

採集節點和匯聚節點由CC2430作為控制核心，採集節點可採集並傳遞數據，匯聚節點負責收集所有採集節點採集到的數據。中轉器採用ARM處理器作為控制核心，和匯聚節點採用串口通信，以GPRS通信方式和上位機控制中心進行交互。上位機控制中心實現人機交互，可以處理、顯示上傳的數據並且可以直接由客戶下達網路動作執行命令。

3 節點模塊化設計

匯聚節點和採集節點在硬體配置上基本相同，採用模塊化設計使得設計通用性更好。

每個節點主要由控制模塊、無線模塊、採集模塊、電源模塊4部分構成。

3.1 控制模塊

控制模塊主要由CC2430及其外圍電路構成，完成對採集數據的處理、存儲以及收發工作，並對電源模塊進行管理。晶元CC2430包括21個可編程I/0口，其中8路A/D介面，可滿足多路感測器的採集、處理需求。CC2430自帶了一個復位介面，外接一個復位按鍵可以實現硬體初始化系統。32 MHz晶振提供系統時鍾，32.768 kHz晶振供系統休眠時使用。

節點選用晶元FM25L256作為存儲設備，這是一款256 Kb鐵電存儲器，其SPI介面頻率高達25 MHz，低功耗運行以及10年的數據保持力保證了節點數據存儲的低成本以及可靠性。

3.2 無線模塊

無線模塊負責節點間數據和命令的傳輸，因此，合理設計無線模塊是節點穩定、高效通信的重要保證。

TI公司提供了一個適用於CC2430的微帶巴倫電路，這個設計把無線電RF引腳差分信號的阻抗轉換為單端50 Ω。由於該電路直接影響節點的通信質量，在使用前必須對其進行模擬驗證。設計中選用ADS模擬軟體進行模擬，採用了版圖和原理圖的聯合模擬方法。模擬電路圖如圖5所示，微帶電路為TI提供的微帶巴倫電路，分立元件均選自村田公司元件庫內的模型，嚴格保證了模擬數據的`真實性和可靠性。巴倫電路在工作頻段內(2.400～2.4835 GHz)信號傳輸特性高效、穩定。

3.3 採集模塊

採集模塊負責採集數據並調理數據信號。本設計中，監測的是土壤的溫度和濕度數據，採用的感測器是PTWD-3A型土壤溫度感測器以及TDR-3型土壤水分感測器。

PTWD-3A型土壤溫度感測器採用精密鉑電阻作為感應部件，其阻值隨溫度變化而變化。為了准確地進行測量，採用四線法測量電阻原理，將電阻信號調理成CC2430晶元A/D通道能采樣的電壓信號。由P354運算放大器、高精度精密貼片電阻以及2.5 V電源構成10 mA恆流源。10 mA的電流環流經感測器電阻R1、R2將電阻信號轉換成為電壓信號，由差分放大器LT1991一倍增益將信號轉換為單端輸出送入CC2430晶元的ADC通道進行采樣。

TDR-3型土壤水分感測器輸出信號即為電壓信號。感測器輸出信號通過P354運算放大器送入CC2430晶元的ADC通道進行采樣。

3.4 電源模塊

電源模塊負責調理電壓、分配能量，分為充電管理模塊、雙電源切換管理模塊、電壓轉換模塊3個模塊。本設計中採用額定電壓12 V、電容量3 Ah的鉛酸電池供電。

作為環境監測的無線感測器網路應用，節點需要在野外無人看守的情況下進行工作，能量補給是系統持續工作的重要保證。本設計採用太陽能電池板為節點在野外工作時進行電能的補給，充電管理模塊則是根據日照情況以及電池能量狀態對鉛酸電池進行合理、有效的充電。光電耦合器TLP521-100和場效應管Q共同構成了充電模塊的開關電路，可以由CC2430晶元的I/0口很方便地進行控制。

在太陽能電池板對電池充電時，電池不能對系統進行供電，因此設計中採用了雙電源供電方式，保持“一充一供”的工作狀態，雙電源切換管理模塊負責電源的安全、快速切換。如圖10所示，採用了兩個開關電路對兩塊電源進行切換。

在電源進行切換時，總是先打開處於閑置狀態的電源，再關閉正在為系統供電的電源，因此會在一段短暫的時間內同時有兩個電源對系統供電，這是為了防止系統出現掉電情況。

電源模塊需提供5 V、3.3 V、2.5 V等多組電源以滿足節點各模塊的供能需求。由於系統電源組較多，電壓轉換模塊採用了開關型降壓穩壓器以及低壓差線性穩壓器等多種電壓轉換晶元來對電源進行電壓轉換，同時要確保電源模塊供能的高效性。

結語

節點的設計對整個無線感測器網路系統至關重要。本設計採用了功能強大的射頻晶元CC2430作為核心管理晶元，能較好地完成數據採集、分析、傳輸等多個功能。硬體的模塊化設計大大加強了節點的穩定性、可靠性和通用性，在野外無人值守的情況下無線感測器網路系統可以長期、穩定地進行環境方面的監測。

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『叄』 無線感測器網路一般是採用什麼能量模型和傳輸模型來評做能量消耗的大小

一階無線電模型：發送能耗+接收能耗+傳輸能耗，還要乘以相應的系數

『肆』 簡述無線感測器應用的開發過程，系統模擬常用哪些軟體平台

MantisOS的無線感測器網路應用開發模型
無線感測器網路是當今信息領域新的研究方向,應用前景十分廣闊.考慮無線感測器網路的應用相關性,總結無線感測器網路應用程序開發研究經驗,引入軟體工程思想,提出一個無線感測器網路應用開發過程模型,可以提高開發速度和開發質量;隨後給出了一個在MantisOS下開發應用程序的技術模型,降低了使用MantisOS的線程管理機制開發多任務應用程序可能出現的線程上下文切換開銷

『伍』 無線感測器網路的特點與應用

無線感測器網路是一種新型的感測器網路，其主要是由大量的感測器節點組成，利用無線網路組成一個自動配置的網路系統，並將感知和收集到的信息發給管理部門。目前無線感測器網路在軍事、生態環境、醫療和家居方面都有一定應用，未來無線感測器網路的發展前景將是不可估量的。

一、無線感測器網路的特點

(一)節點數量多

在監測區通常都會安置許多感測器節點，並通過分布式處理信息，這樣就能夠提高監測的准確性，有效獲取更加精確的信息，並降低對節點感測器的精度要求。此外，由於節點數量多，因此存在許多冗餘節點，這樣就能使系統的容錯能力較強，並且節點數量多還能夠覆蓋到更廣闊的監測區域，有效減少監測盲區。

(二)動態拓撲

無線感測器網路屬於動態網路，其節點並非固定的。當某個節電出現故障或是耗盡電池後，將會退出網路，此外，還可能由於需要而被轉移添加到其他的網路當中。

(三)自組織網路

無線感測器的節點位置並不能進行精確預先設定。節點之間的相互位置也無法預知，例如通過使用飛機播散節點或隨意放置在無人或危險的區域內。在這種情況下，就要求感測器節點自身能夠具有一定的組織能力，能夠自動進行相關管理和配置。

(四)多跳路由

無線感測網路中，節點之間的距離通常都在幾十到幾百米，因此節點只能與其相鄰的節點進行直接通信。如果需要與范圍外的節點進行通信，就需要經過中間節點進行路由。無線感測網路中的多跳路由並不是專門的路由設備，所有傳輸工作都是由普通的節點完成的。

(五)以數據為中心

無線感測網路中的節點均利用編號標識。由於節點是隨機分布的，因此節點的編號和位置之間並沒有聯系。用戶在查詢事件時，只需要將事件報告給網路，並不需要告知節點編號。因此這是一種以數據為中心進行查詢、傳輸的方式。

(六)電源能力局限性

通常都是用電池對節點進行供電，而每個節點的能源都是有限的，因此一旦電池的能量消耗完，就是造成節點無法再進行正常工作。

二、無線感測器網路的應用

(一)環境監測應用

無線感測器可以用於進行氣象研究、檢測洪水和火災等，在生態環境監測中具有明顯優勢。隨著我國市場經濟的不斷發展，生態環境污染問題也越來越嚴重。我國是一個幅員遼闊、資源豐富的農業大國，因此在進行農業生產時利用無線感測器進行對生產環境變化進行監測能夠為農業生產帶來許多好處，這對我國市場經濟的'不斷發展有著重要意義。

(二)醫療護理應用

無線感測器網路通過使用互聯網路將收集到的信息傳送到接受埠，例如一些病人身上會有一些用於監測心率、血壓等的感測器節點，這樣醫生就可以隨時了解病人的病情，一旦病人出現問題就能夠及時進行臨時處理和救治。在醫療領域內感測器已經有了一些成功案例，例如芬蘭的技術人員設計出了一種可以穿在身上的無線感測器系統，還有SSIM(Smart Sensors and Integrated Microsystems)等。

(三)智能家居建築應用

文物保護單位的一個重要工作就是要對具有意義的古老建築實行保護措施。利用無線感測器網路的節點對古老建築內的溫度是、濕度、關照等進行監測，這樣就能夠對建築物進行長期有效的監控。對於一些珍貴文物的保存，對保護地的位置、溫度和濕度等提前進行檢測，可以提高展覽品或文物的保存品質。例如，英國一個博物館基於無線感測器網路設計了一個警報系統，利用放在溫度底部的節點檢測燈光、振動等信息，以此來保障文物的安全[5]。

目前我國基礎建設處在高速發展期，建設單位對各種建設工程的安全施工監測越來越關注。利用無線感測器網路使建築能夠檢測到自身狀況並將檢測數據發送給管理部門，這樣管理部門就能夠及時掌握建築狀況並根據優先等級來處理建築修復工作。

另外，在傢具或家電匯中設置無線感測器節點，利用無線網路與互聯網路，將家居環境打造成一個更加舒適方便的空間，為人們提供更加人性化和智能化的生活環境。通過實時監測屋內溫度、濕度、光照等，對房間內的細微變化進行監測和感知，進而對空調、門窗等進行智能控制，這樣就能夠為人們提供一個更加舒適的生活環境。

(四)軍事應用

無線感測器網路具有低能耗、小體積、高抗毀等特性，且其具有高隱蔽性和高度的自組織能力，這為軍事偵察提供有效手段。美國在20世紀90年代就開始在軍事研究中應用無線感測器網路。無線感測器網路在惡劣的戰場內能夠實時監控區域內敵軍的裝備，並對戰場上的狀況進行監控，對攻擊目標進行定位並能夠檢測生化武器。

目前無線感測器網路在全球許多國家的軍事、研究、工業部門都得到了廣泛的關注，尤其受到美國國防部和軍事部門的重視，美國基於C4ISR又提出了C4KISR的計劃，對戰場情報的感知和信息綜合能力又提出新的要求，並開設了如NSOF系統等的一系列軍事無線感測器網路研究。

總之，隨著無線感測器網路的研究不斷深入和擴展，人們對無線感測器的認識也越來越清晰，然而目前無線感測器網路的在技術上還存在一定問題需要解決，例如存儲能力、傳輸能力、覆蓋率等。盡管無線感測器網路還有許多技術問題待解決使得現在無法廣泛推廣和運用，但相信其未來發展前景不可估量。

『陸』 無線感測器網路體系結構包括哪些部分

感測器網路系統通常包括感測器節點（sensor）、匯聚節點（sink node）和管理節點。大量感測器節點隨機部署在監測區域（sensor field）內部或附近，能夠通過自組織方式構成網路。感測器節點監測的數據沿著其他感測器節點逐跳地進行傳輸，在傳輸過程中監測數據可能被多個節點處理，經過多跳後路由到匯聚節點，最後通過互聯網或衛星到達管理節點。用戶通過管理節點對感測器網路進行配置和管理，發布監測任務以及收集監測數據。 感測器網路節點的組成和功能包括如下四個基本單元：感測單元（由感測器和模數轉換功能模塊組成）、處理單元（由嵌入式系統構成，包括CPU、存儲器、嵌入式操作系統等）、通信單元（由無線通信模塊組成）、以及電源部分。此外，可以選擇的其它功能單元包括：定位系統、運動系統以及發電裝置等。

『柒』 無線感測器網路的時間同步模型經歷了哪三種模型的演變

前中後。無線感測器網路的時間同步模型經歷了前中後三種模型的演變。通過主觀意識藉助實體或者虛擬表現，構成客觀闡述形態結構的一種表達目的的物件（物件並不等於物體，不局限於實體與虛擬、不限於平面與立體）。

『捌』 無線感測器網路中多sink節點優化部署方法

無線感測器網路中多sink節點優化部署方法——劉強，毛玉明等

        大規模無線感測器網路(WSN)環境下，當網路結構採用單一的sink節點時，容易造成sink節點周圍的普通感測節點因為轉發大量其他節點的數據，迅速消耗摔自身能量而使網路失效。為了延長網路壽命，需要降低感測節點到sink節點的跳數，而採用多sink結構是一個有效的方法。為此，需要考慮一定規模的網路中，應該布置多少sink節點，才能使得網路壽命最大化的同時網路成本最低。基於柵格網路結構，提出了多sink節點下的網路壽命模型和網路成本模型，並採用一種新穎的方法計算最大網路壽命成本比(RLC)，推導出了保證網路壽命最大化的同時網路成本最低的sink節點個數的表達式。

        無線感測器網路(Wireless Sensor Network，WSN)的應用已經越來越普及，但仍然有很多問題需要解決。在大規模無線感測器網路環境下，當網路中採用單一sink節點時，由於普通感測節點距離sink較遠，會通過多跳方式將感測信息送給sink節點，sink周圍節點不得不轉發大量普通節點的數據，消耗大量能鼉。因此這些節點會最先消耗完能量而死亡。當sink節點周圍的普通節點都死亡，其他節點就無法將數據送到sink節點上去，導致網路失效。

        為了延長網路壽命，需要減少普通節點到sink節點的跳數，在網路中布置多個sink節點，是一種有效的方法。然而與普通感測器節點的小功耗、低成本不同，sink節點要進行復雜的數據處理，通常是高能耗、造價昂貴的節點。因此在網路中布置這些sink節點存在成本問題。
        網路會呈現出這樣的特性：當向網路中增加少量sink節點時，能有效降低普通節點到sink的平均跳數，網路壽命會有很大提高；當放置更多的sink節點時，對網路平均跳數的降低效果越來越小，網路壽命的增長也越來越緩慢。當sink節點數增加到一定數目時，所有節點到sink節點的跳數均為一跳時，再增加sink節點個數，網路壽命則不再增加。而隨著sink個數的增加，網路成本會大幅增加。因此應該存在一個最佳的sink節點數目，使得網路壽命和網路成本之間有一個平衡的最優效果。

        採用網路壽命與網路成本的比值——網路壽命成本比(Ratio of Lifetime to Cost，RLC)來衡量這個效果。換句話說，應該存在一個確定的sink節點數目n，使得網路壽命與網路成本的比值最大。為方便研究，本文採用柵格網路結構，並在sink節點均勻分布的前提下進行研究。

        將網路中的節點分為3種：sink節點、關鍵節點和普通節點。sink節點是感測信息的最終目的地，多個sink節點均勻地分布在網路中。sink節點周圍的一跳節點稱為關鍵節點，所有發向sink節點的數據信息都需要通過關鍵節點來轉發。sink節點增多，關鍵節點的個數也相應增多。普通節點為距sink一跳以外的其他感測節點，它們只能通過多跳的方式將數據發給sink節點。
        顯然，網路的壽命取決於關鍵節點的壽命。若這些關鍵節點全部死亡，其他感測節點的信息就無法傳到sink節點(只要有一個關鍵節點存活，數據就可以傳到sink節點)，則網路壽命結束。
        各個關鍵節點的死亡時間是不一樣的，但在現實當中第一個關鍵節點與最後一個關鍵節點死亡的時間相差不會太大。因為當有關鍵節點先死亡後，它所擔負轉發的節點會由剩餘存活關鍵節點承擔。因此，剩餘關鍵節點的負擔增加，會加速它們的死亡。為避免關鍵節點之間死亡時間不一致給分析帶來的復雜性，可以假設關鍵節點均勻分擔所有普通節點的轉發任務，所有關鍵節點消耗均等的能量，最終同時死亡。
        有如下假設：
1.網路結構為柵格結構；
2.多個sink節點在網路中均勻分布，關鍵節點無重合；
3.所有關鍵節點死亡時間一致。

圖2顯示了不同網路代價下的RLC曲線。相應的參數如下：N=81，Ne=8。實際應用中，發送能耗略大於接收能耗，但都在一個數量級上，差別不大，此處收發能耗設為相等不影響結果的正確性。圖中CR表示sink節點的成本與普通節點成本的比值。可以看到，該曲線是一個關於n的凸函數，因此一定存在最大值RLC所對應的n值，該值即為最佳的sink節點個數。隨著CR的增加，RLC值變小，最大值n也向左移變小，說明網路成本增加時，網路中部署的sink節點應減少。

        此文從無線感測器網路中關鍵節點的角度建立了網路壽命模型，並提出一個新穎的確定最優sink節點個數的方法。該方法通過求解網路壽命成本比RLC的最大值，確定最佳sink節點個數，從而在延長網路壽命的同時使網路成本最小。
        模擬結果進一步證明了理論分析的正確性。此後可研究隨機分布的無線感測器網路下的sink節點個數與網路壽命、成本之間的關系。

『玖』 無線感測器網路的連接可靠性模型有哪些

為了解決測量無線感測器網路可靠性的問題,提出一種可靠性評估模型,此模型綜合考慮了基於容錯的網路抗毀性和基於能效的網路壽命這兩個主要因素。通過確定K-覆蓋和K-連通,可有效評估自然失效和能量約束條件下的網路可靠性,同時可以延長網路壽命並提高網路的魯棒性。實驗結果表明在無線感測器網路中可靠性與感測器密度存在一定關系。通過實現可靠性模型中的最優化目標,滿足了感測器覆蓋率和網路連通率要求,提高了無線感測器網路的安全性能。http://www.big-bit.com
無線感測器網路W
SN(w ireless sensor net-w
orks)[1]是由一組稠密布置、隨機撒布的感測器組成的無線自組織網路,以其隨機布置、自組織、適應苛刻環境等優勢,具有在多種場合滿足軍事信息獲取的實時性、准確性、全面性等需求的潛力。然而,在大多數應用環境中對無線感測器網路

『拾』 無線感測器網路體系結構包括哪些部分，各部分的

結構
感測器網路系統通常包括感測器節點EndDevice、匯聚節點Router和管理節點Coordinator。
大量感測器節點隨機部署在監測區域內部或附近，能夠通過自組織方式構成網路。感測器節點監測的數據沿著其他感測器節點逐跳地進行傳輸，在傳輸過程中監測數據可能被多個節點處理，經過多跳後路由到匯聚節點，最後通過互聯網或衛星到達管理節點。用戶通過管理節點對感測器網路進行配置和管理，發布監測任務以及收集監測數據。
感測器節點
處理能力、存儲能力和通信能力相對較弱，通過小容量電池供電。從網路功能上看，每個感測器節點除了進行本地信息收集和數據處理外，還要對其他節點轉發來的數據進行存儲、管理和融合，並與其他節點協作完成一些特定任務。
匯聚節點
匯聚節點的處理能力、存儲能力和通信能力相對較強，它是連接感測器網路與Internet
等外部網路的網關，實現兩種協議間的轉換，同時向感測器節點發布來自管理節點的監測任務，並把WSN收集到的數據轉發到外部網路上。匯聚節點既可以是一個具有增強功能的感測器節點，有足夠的能量供給和更多的、Flash和SRAM中的所有信息傳輸到計算機中，通過匯編軟體，可很方便地把獲取的信息轉換成匯編文件格式，從而分析出感測節點所存儲的程序代碼、路由協議及密鑰等機密信息，同時還可以修改程序代碼，並載入到感測節點中。
管理節點
管理節點用於動態地管理整個無線感測器網路。感測器網路的所有者通過管理節點訪問無線感測器網路的資源。
無線感測器測距
在無線感測器網路中，常用的測量節點間距離的方法主要有TOA（Time
of
Arrival），TDOA（Time
Difference
of
Arrival）、超聲波、RSSI（Received
Sig
nalStrength
Indicator）和TOF（Time
of
Light）等。