无线传感器网络复习(1-3章)
复习
题型：共计38～39题，计算题较少，原理题很多
（1）选择题15’
（2）填空题10’
（3）名词解释3’x5
（4）作图题10’x1
（5）问答题20’x1（根据原理应用自主进行选择作答）
第1章
1.P3
图1.1 无线网络的分类
2.无线传感器的定义P3
无线传感器网络(WSN)是大量的静止或移动的传感器以自组织和多跳的方式构成的无线网络，目的是协作地采集、处理和传输网络覆盖地域内感知对象的监测信息，并报告给用户。
无线传感器网络的三个基本要素：传感器、感知对象、用户；
无线传感器网络的基本功能：协作式的感知、采集、处理和发布感知信息。
3.P4
图1.2 现代信息技术与无线传感器网络之间的关系
无线传感器网络三个功能：数据采集、处理和传输；
对应的现代信息科技的三大基础技术：传感器技术、计算机技术和通信技术；对应的构成了信息系统的“感管”、“大脑”和“神经”。
4.P5 P6
★图1.3 无线传感器网络的宏观架构
传感器网络网关原理是什么？
无线传感器通常包括传感器节点（sensor node），汇聚节点（sink node）和管理节点（manager node）。汇聚节点有时也称网关节点、信宿节点。
传感器节点见后2要点介绍。
Sink node：网关节点通过无线方式接收各传感器节点的数据并以互联网、移动通信网等有线的或无线的方式将数据传送给最终用户计算机。网关汇聚节点只需要具有处理器模块和射频模块、通过无线方式接收探测终端发送来的数据信息，再传输给有线网络的PC或服务器。汇聚节点通常具有较强的处理能力、存储能力和通信能力，它既可以是一个具有足够能量供给和更多内存资源与计算能力的增强型传感器节点，也可以是一个带有无线通信接口的特殊网关设备。汇聚节点连接传感器网络和外部网络。通过协议转换实现管理节点与传感器网络之间的通信，把收集到的数据信息转发到外部网络上，同时发布管理节点提交的任务。
5.传感器网络节点的组成P5
图1.4 传感器网络节点的功能模块组成
传感器网络节点由哪些模块组成？－－－作图、简答
传感器模块负责探测目标的物理特征和现象，计算机模块负责处理数据和系统管理，存储模块负责存放程序和数据，通信模块负责网络管理信息和探测数据两种信息的发布和接受，电源模块负责节点供电，节点由嵌入式软件系统支撑，运行网络的五层协议。
6.传感器网络的协议分层P5
1.5 传感器网络的协议分层
每一层的作用是什么？－－－作图、简单
能量分配管理在各个层中，能量是怎么考虑的？
传感器网络以数据应用为中心
物理层负责载波频率的产生、信号调制、解调；数据链路层负责媒体接入和差错控制；网络层负责路由发现与维护；传输层负责数据流的传输控制；应用层负责任务调度、数据分发等具体业务。
能量分配是尽可能延长网络的可用时间，移动管理主要对节点移动进行检测与注册，应用优化是根据应用需求优化调度任务。
传感器节点的处理能力、存储能力相对较弱，通信距离也有限，如果访问通信距离之外的节点，必须使用多跳路由。
7.传感器网络节点的结构（具体例子）P6
传感器节点是什么？
CPU选用嵌入式？哪些是嵌入式？哪些不是嵌入式？
传感器节点是采用自组织方式进行组网以及利用无线通信技术进行数据转发的，节点都具有数据采集与数据融合转发双重功能。传感器节点是无线传感器网络的基本功能单元。传感器节点基本组成模块有：传感器模块、计算与存储模块、通信模块以及电源模块。具体地说
处理器模块是传感器节点的核心，负责整个节点的设备控制、任务分配与调度、数据整合与传输等。
嵌入式系统是一种专用的计算机系统，作为装置或设备的一部分。通常，嵌入式Web技术嵌入式Web技术
嵌入式系统是一个控制程序存储在ROM中的嵌入式处理器控制板。事实上，所有带有数字接口的设备，如手表、微波炉、录像机、汽车等，都使用嵌入式系统，有些嵌入式系统还包含操作系统，但大多数嵌入式系统都是由单个程序实现整个控制逻辑。
8.节点的体系组成P7
图1.7 无线传感器网络节点的体系组成
每一层处理哪些事？
传感器节点为了节约能量进入休眠。
无线传感器网络节点的体系有分层的网络通信协议、网络管理平台和应用支撑平台三部分组成。
（1）网络通信协议
类似于传统Internet网络中的TCP/IP协议体系，它由物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层组成。
图1.8 传感器网络通信协议的分层结构
（2）网络管理平台
主要是对传感器节点自身的管理和用户对传感器网络的管理，包括拓扑控制、服务质量管理、能量管理、安全管理、移动管理、网络管理等。
（3）应用支撑平台
建立在网络通信协议和网络管理技术的基础之上，包括一系列基于监测任务的应用层软件，通过应用服务接口和网络管理接口来为终端用户提供各种具体应用的支持。包括：时间同步、定位、应用服务接口、网络管理接口。
9.传感器网络的结构P9
根据节点数目的多少，传感器网络的结构可以分为平面结构和分级结构。如果网络的规模较小，一般采用平面结构。如果网络规模很大，则必须采用分级网络结构。
10.传感器节点的限制条件P12 P13
（1）电源能量有限
传感器节点消耗能量的模块包括传感器模块、处理器模块和无线通信模块。随着集成电路工艺的进步，处理器和传感器模块的功耗变得很低，绝大部分能量主要消耗在无线通信模块上。
从图1.13中可知传感器节点的绝大部分能量消耗在无线通信模块。传感器节点传输信息时要比执行计算时更消耗电能，传输l比特信息100m距离需要的能量大约相当于执行3000条计算指令所消耗的能量。
1.13 传感器节点的能量消耗情况
（2）通信能力受限
通常无线通信的能量消耗与通信距离的关系符合如下规律：
其中参数n满足关系2 随着通信距离的增加，能耗会急剧增加。在满足通信连通性的前提下应尽量减少单跳的通信距离。一般而言，传感器节点的无线通信半径在100m以内比较合适。 （3）计算和存储能力受限 传感器节点是一种微型嵌入式设备，要求它价格低、功耗小，这些限制必然导致其携带的处理器能力比较弱，存储器容量比较小。为了完成各种任务，传感器节点需要完成监测数据的采集和转换、数据的管理和处理、应答汇聚节点的任务请求和节点控制等多种工作。如何利用有限的计算和存储资源完成诸多协同任务成为传感器网络设计所需要考虑的问题。 11.组网特点P14 P15 无线传感器网络以数据为中心 无线传感器网络除了具有Ad Hoc网络的移动性、断接性、电源能力局限性等共同特征以外，在组网方面具有一些鲜明的自身特点。它的主要特点包括自组织性、以数据为中心、应用相关性、动态性、网络规模大和需要高的可靠性等。 12.P24 2003年美国《技术评论》杂志评出对人类未来生活产生深远影响的十大新兴技术，传感器网络被列为第一。 P25 思考题 2.4★. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 第2章微型传感器的基本知识 本章不会出现答题，可能会出现简答题 1.传感器的定义P26 一般来说能够把特定的被测量信息（物理量、化学量、生物量等）按一定规律转换成某种可用信号（电信号、光信号等）的器件或装置，我们把它称为传感器。 2.传感器的组成P27 图2.1 传感器的组成结构 传感器一般由敏感元件、转换元件和基本转换电路组成。 敏感元件是传感器中能感受或响应被测量的部分。转换元件是将敏感元件感受或响应的被测量转换成适于传输或测量的信号（一般指电信号）部分。基本转换电路可以对获得的微弱电信号进行放大、运算调制等。另外，基本转换电路工作时必须有辅助电源。 随着半导体器件与集成技术在传感器中的应用，传感器的基本转换电路可安装在传感器壳体里或与敏感元件一起集成在同一芯片上，构成集成传感器。 3.传感器的采集接口P27 图2.3 传感器采集接口的框图 传感器接口技术是非常实用和重要的技术。各种物理量用传感器将其变成电信号，经由诸如放大、滤波、干扰抑制、多路转换等信号检测和预处理电路，将模拟量的电压或电流送A/D转换，变成数字量，供计算机或者微处理器处理。 4.传感器的一般特性 传感器的正确选用是保证不失真测量的首要环节，因而在选用传感器之前，掌握传感器的基本特性是必要的。 传感器的灵敏度高，意味着传感器能感应微弱的变化量，即被测量有一微小变化时，传感器就会有较大的输出。但是，在选择传感器时要注意合理性，因为一般来讲，传感器的灵敏度越高，测量范围往往越窄，稳定性会越差。 传感器的灵敏度指传感器达到稳定工作状态时，输出变化量与引起变化的输入变化量之比，即 K=输出变化量/输入变化量=△Y/△X=dy/dx 线性传感器的校准曲线的斜率就是静态灵敏度；对于非线性传感器的灵敏度，它的数值是最小二乘法求出的拟合直线的斜率。 （2）★响应特性 传感器的动态性能是指传感器对于随时间变化的输入量的响应特性。它是传感器的输出值能真实再现变化着的输入量的能力反映，即传感器的输出信号和输入信号随时间的变化曲线希望一致或相近。 传感器的响应特性良好，意味着传感器在所测的频率范围内满足不失真测量的条件。另外，实际传感器的响应过程总有一定的延迟，但希望延迟的时间越小越好。 （3）线性范围 任何传感器都有一定的线性范围，在线性范围内它的输出与输入成比例关系。线性范围越宽，则表明传感器的工作量程越大。 传感器工作在线性范围内，是保证测量精确度的基本条件。例如，机械式传感器中的弹性元件，它的材料弹性极限是决定测力量程的基本因素。当超过弹性极限时，传感器就将产生非线性误差。 任何传感器很难保证做到绝对的线性，在某些情况下，在许可限度内，也可以在近似线性区域内使用。 （4）稳定度 稳定性表示传感器经过长期使用之后，输出特性不发生变化的性能。影响传感器稳定性的因素是时间与环境。 为了保证稳定性，在选定传感器之前，应对使用环境进行调查，以选择合适类型的传感器。例如电阻应变式传感器，湿度会影响到它的绝缘性，温度会影响零漂；光电传感器的感光表面有尘埃或水汽时，会改变感光性能，带来测量误差。 （5）★重复性 重复性是指在同一工作条件下，输入量按同一方向在全测量范围内连续变化多次所得特征曲线的不一致性，在数值上用各测量值正反行程标准偏差最大值的两倍或三倍于满量程的百分比来表示。 （6）★漂移 由于传感器内部因素或外界干扰的情况下，传感器的输出变化称为漂移。当输入状态为零时的漂移称为零点漂移。传感器无输入（或某一输入值不变）时，每隔一段时间进行读数，其输出偏离零值（或原指示值）。 在其它因素不变的情况下，输出随着时间的变化产生的漂移称为时间漂移。 随着温度变化产生的漂移称为温度漂移，它表示当温度变化时，传感器输出值的偏离程度。一般以温度变化1度时，输出的最大偏差与满量程的百分比来表示。 （7）精度 传感器精度指测量结果的可靠程度，它以给定的准确度来表示重复某个读数的能力，其误差越小则传感器精度越高。传感器的精度表示为传感器在规定条件下，允许的最大绝对误差相对传感器满量程输出的百分数。 分辨力是指能检测出的输入量的最小变化量，即传感器能检测到的最小输入增量。在输入零点附近的分辨力称为阈值，即产生可测输出变化量时的最小输入量值。 （9）迟滞 迟滞是指在相同工作条件下作全测量范围校准时，在同一次校准中对应同一输入量的正行程和反行程间的最大偏差。它表示传感器在正(输入量增大)、反(输入量减小)行程中输出/输入特性曲线的不重合程度，数值用最大偏差(△Amax)或最大偏差的一半与满量程输出值的百分比来表示 5.磁阻传感器P35 ★探测的原理、探测的事例、怎么样探测到，文字描述 磁性传感器通常又称为磁力计，它的使用特点在于测量磁场并不是主要目的，通常能够同时探测获得其它参数，如车轮速度、车辆出现和运动方向等。磁阻传感器的特征在于当探测出磁场发生变化时，它会产生一个阻抗变化值，因而也就有了磁阻这一概念，阻抗变化的同时会改变电压输出值。磁阻传感器的用途较多，最典型的应用是用于车辆探测。 磁感应探测原理：运动车辆的每个部分都会产生一个可重复的对地球磁场的扰动，不管车辆向哪个方向行驶，这个特征都会被可靠地检测到。检测车辆存在的另一种方法是观察磁场变化的大小，磁场大小的变化表明了对地磁场整体的干扰程度。 图2.9 车辆与传感器不同距离时磁场的变化关系图2.16最简单的运动车辆产生单轴磁信号 运动车辆探测信号分析：地球的磁场在很广阔的区域内是恒定的，可以看作是均匀磁场。大的铁磁物体会引起地球磁场的扰动。这些扰动在汽车发动机和车轮处尤为明显，但也取决于在车辆内部、车顶或后备箱中有没有其它铁磁物质。在道路中间和旁边放置磁阻传感器，可以探测由于车辆经过而导致的畸变磁场，从而监测车辆的存在，在此基础上推导车辆类型、行驶方向等交通参数。 车辆探测算法：运动车辆探测算法需要有足够的鲁棒性，保证在不同工作环境下的车辆能被可靠探测。由于无线传感器节点的微处理器的处理能力有限，车辆探测需要的计算应尽可能的简单。 P45 思考题 传感器指标：7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 磁阻传感器应用：16. 17. 18. 第3章传感器网络的通信与组网技术★ 3.1 物理层 1.物理层的主要功能P47 （1）为数据终端设备(DTE)提供传送数据的通路： 数据通路可以是一个物理介质，也可以由多个物理介质连接而成的。一次完整的数据传输包括激活物理链接、传输数据和终止物理链接。所谓“激活物理链接”就是不管有多少物理介质参与，都需要将通信的两个数据终端设备连接起来，形成一条通路。 （2）传输数据： 物理层要形成适合传输需要的实体，为数据传输服务，保证数据能在物理层上正确通过，并提供足够的带宽，以减小信道的拥塞。数据传输的方式能满足点到点、一点到多点、串行或并行、半双工或全双工、同步或异步传输的需要。 （3）其他管理工作： 物理层还负责其他的一些管理工作，如信道状态评估、能量检测等。 2.DTE、DCTE P47 DTE：Data Terminal Equipment 数据终端设备，也称物理设备，具有一定数据处理能力和发送、接收数据能力的设备，如计算机、I/O设备终端。 DCTE：Data Circuit Terminating Equipment 数据电路终端设备，介于数据终端设备和传输介质之间的数据通信设备或电路连接设备，如调制解调器。 3.物理层介质的选择P48 P50 （1）无线通信物理层的介质选择： 无线通信的介质包括电磁波和声波。电磁波是最主要的无线通信介质，而声波一般仅用于水下的无线通信。根据波长的不同，电磁波分为无线电波、微波、红外线、毫米波和光波等，其中无线电波在无线网络中使用最广泛。 无线电波是容易产生，可以传播很远，可以穿过建筑物，因而被广泛地用于室内或室外的无线通信。无线电波是全方向传播信号的，它能向任意方向发送无线信号，所以发射方和接收方的装置在位置上不必要求很精确的对准。 无线电波的传播特性与频率相关。如果采用较低频率，则它能轻易地通过障碍物，但电波能量随着与信号源距离r的增大而急剧减小，大致为1/r3。如果采用高频传输，则它趋于直线传播，且受障碍物阻挡的影响。无线电波易受发动机和其它电子设备的干扰。 另外，由于无线电波的传输距离较远，用户之间的相互串扰也是需要关注的问题，所以每个国家和地区都有关于无线频率管制方面的使用授权规定。 （2）无线传感器网络的传输介质的选择： 目前无线传感器网络采用的主要传输介质包括无线电、红外线和光波等。 在无线电频率选择方面，ISM频段是一个很好的选择。因为ISM频段在大多数国家属于无须注册的公用频段。 无线传感器网络节点之间通信的另一种手段是红外技术。红外通信的优点是无须注册，并且抗干扰能力强。红外通信的主要缺点是穿透能力差，要求发送者和接收者之间存在视距关系。这导致了红外难以成为无线传感器网络的主流传输介质，而只能在一些特殊场合得到应用。 对于一些特殊场合的应用情况，传感器网络对通信传输介质可能有特别的要求。例如， 舰船应用可能要求使用水性传输介质，譬如能穿透水面的长波。复杂地形和战场应用会遇到信道不可靠和严重干扰等问题。 另外，一些传感器节点的天线可能在高度和发射功率方面比不上周围的其它无线设备，为了保证这些低发射功率的传感器网络节点正常完成通信任务，要求所选择的传输介质能支持健壮的编码和调制机制。 ★在低速无线个域网(LR-PAN)的802.15.4标准中，定义的物理层是在868MHz、915MHz、2.4GHz三个载波频段收发数据。在这三个频段都使用了直接序列扩频方式。IEEE 802.15.4标准非常适合无线传感器网络的特点，是传感器网络物理层协议标准的最有力竞争者之一。目前基于该标准的射频芯片也相继推出，例如Chipcon公司的CC2420无线通信芯片。 4.ISM频段P49 P50 ISM频段：Industrial，Scientific and Medical频段，工业、科学和医疗频段，优点在与它是自由频段，无须注册，可选频谱范围大，实现起来灵活方便。缺点是功率受限，另外与现在多种无线通信应用存在相互干扰问题。表3.1 ISM 应用中的可用频段 5.调制技术P48 什么是调制？ 什么是基带信号？ 什么是宽带？ 模拟的调频、调副、调相？ 数字信号的的调频、调副、调相？ 什么是蓝牙？为什么在无线传感器网络中不能使用？ 通常信号源的编码信息（即信源）含有直流分量和频率较低的频率分量，称为基带信号。 载波：可通过调制来强制它的某些特征量仿随某个信号的特征值或另一个振荡的特征值而变化，通常是周期性的电振荡波。 带宽又叫频宽是指在固定的的时间可传输的资料数量，亦即在传输管道中可以传递数据的能力。在数字设备中，频宽通常以bps表示，即每秒可传输之位数。在模拟设备中，频宽通常以每秒传送周期或赫兹Hertz (Hz)来表示。 调制对通信系统的有效性和可靠性有很大的影响，采用什么方法调制和解调往往在很大程度上决定着通信系统的质量。根据调制中采用的基带信号的类型，可以将调制分为模拟调制和数字调制。 模拟调制是用模拟基带信号对高频载波的某一参量进行控制，使高频载波随着模拟基带信号的变化而变化。 数字调制是用数字基带信号对高频载波的某一参量进行控制，使高频载波随着数字基带信号的变化而变化。目前通信系统都在由模拟制式向数字制式过渡，因此数字调制已经成为了主流的调制技术。 基带信号往往不能作为传输信号，因而要将基带信号转换为相对基带频率而言频率非常高的带通信号，以便于进行信道传输。通常将带通信号称为已调信号，而基带信号称为调制信号。 调制技术通过改变高频载波的幅度、相位或频率，使其随着基带信号幅度的变化而变化。 解调是将基带信号从载波中提取出来以便预订的接收者（信宿）处理和理解的过程。 蓝牙，是一种支持设备短距离通信（一般10m内）的无线电技术。能在包括移动电话、PDA、无线耳机、笔记本电脑、相关外设等众多设备之间进行无线信息交换。利用“蓝牙”技术，能够有效地简化移动通信终端设备之间的通信，也能够成功地简化设备与因特网Internet之间的通信，从而数据传输变得更加迅速高效，为无线通信拓宽道路。蓝牙采用分散式网络结构以及快跳频和短包技术，支持点对点及点对多点通信，工作在全球通用的 2.4GHz ISM（即工业、科学、医学）频段。其数据速率为1Mbps。采用时分双工传输方案实现全双工传输。 蓝牙易受噪声的干扰，不利于在无线传感器中的应用，另外，蓝牙的接入数量不能满足大量的无线传感器节点的需要。蓝牙一般距离为10m，如果要到100m的话要增加功率。 6.扩频技术P49 什么是扩频技术？ 扩频又称为扩展频谱，它的定义如下：扩频通信技术是一种信息传输方式，其信号所占有的频带宽度远大于所传信息必需的最小带宽；频带的扩展是通过一个独立的码序列来完成，用编码及调制的方法来实现，与所传信息数据无关；在接收端用同样的码进行相关同步接收、解扩和恢复所传信息数据。 扩频通信与一般无线通信系统相比，主要是在发射端增加了扩频调制，而在接收端增加了扩频解调。 扩频技术的优点包括：易于重复使用频率，提高了无线频谱利用率;抗干扰性强，误码率 低;隐蔽性好，对各种窄带通信系统的干扰很小;可以实现码分多址;抗多径干扰;能精确地定时和测距;适合数字话音和数据传输，以及开展多种通信业务;安装简便，易于维护。 3.2 MAC协议 1.什么叫MAC？什么叫虚拟载波侦听？P52 MAC：介质访问控制(Medium Access Control，MAC)协议。所谓MAC协议就是通过一组规则和过程来有效、有序和公平地使用共享介质。 载波侦听（carrier sense）：在发送数据之前，“侦听”传输线路，判断是否已经有其他数据传输。－－－挂着同一条电话线上的多部电话 虚拟载波监听（virtual carrier sense）：是载波监听的一种，与物理载波监听相对。虚拟载波监听是通过控制信息来得知信道情况，而不是实际检测物理信道。虚拟载波监听使用的是时间预留的方法预测信道的忙闲状况。网络在得知网络忙闲信息后通过随机退避算法减小冲突。 2.MAC协议分哪几种？思想是什么？为什么竞争？为什么不竞争？P53 目前无线传感器网络MAC协议可以按照下列条件进行分类：(1) 采用分布式控制还是集中控制；(2) 使用单一共享信道还是多个信道；(3) 采用固定分配信道方式还是随机访问信道方式。 根据上述的第三种分类方法，将传感器网络的MAC协议分为以下三种： (1)时分复用无竞争接入方式。无线信道时分复用(Time Division Multiple Access，TDMA)方式给每个传感器节点分配固定的无线信道使用时段，避免节点之间相互干扰。 (2)随机竞争接入方式。如果采用无线信道的随机竞争接入方式，节点在需要发送数据时随机使用无线信道，尽量减少节点间的干扰。典型的方法是采用载波侦听多路访问(Carrier Sense Multiple Access，CSMA)的MAC协议。 (3)竞争与固定分配相结合的接入方式。通过混合采用频分复用或者码分复用等方式，实现节点间无冲突的无线信道分配。 3.RTS、CTS、NA V、ACK P54 RTS（Request-To-Send）请求帧 CTS（Clean-To-Send）清除帧 NA V（Network Allocation Vector）网络分配矢量 ACK确认帧 4.三种基本帧间间隔P54 IEEE 802.11 MAC协议规定了三种基本帧间间隔(InterFrame Space，IFS)，用来提供访问无线信道的优先级： （1）SIFS (short IFS)：最短帧间间隔。 （2）PIFS (PCF IFS)：PCF方式下节点使用的帧间间隔。 （3）DIFS (DCF IFS)：DCF方式下节点使用的帧间问隔。 ★何时发？何时不发？干什么的？ 5.★CSMA/CA的虚拟载波侦听 P54 图3.1 ★CSMA/CA的基本访问机制 P55 图3.2 ★802.11 MAC协议的退避机制 P55 图3.3 6.★典型MAC协议：S-MAC协议的原理与工作机制P56 P57 P58－－－简答、问题 S-MAC协议(Sensor MAC)。这种协议是在802.1l MAC协议的基础上，针对传感器网络的节省能量需求而提出的。 S-MAC协议的适用条件是传感器网络的数据传输量不大，网络内部能够进行数据的处理和融合以减少数据通信量，网络能容忍一定程度的通信延迟。它的设计目标是提供良好的扩展性，减少节点能耗。 S-MAC采用以下机制： （1）周期性侦听和睡眠机制 S-MAC协议将时间分为帧，帧长度由应用程序决定。帧内分监听工作阶段和睡眠阶段。监听/睡眠阶段的持续时间要根据应用情况进行调整。当节点处于睡眠阶段时，关闭无线电波，以节省能量。当然节点需要缓存这期间收到的数据，以便工作阶段集中发送。 （2）流量自适应侦听机制 流量自适应侦听机制的基本思想是在一次通信过程中，通信节点的邻居在通信结束后不立即进入睡眠状态，而是保持侦听一段时间。 如果节点在这段时间内接收到RTS分组，则可以立刻接收数据，无须等到下一次调度侦听周期，从而减少了数据分组的传输延迟。如果在这段时间内没有接收到RTS分组，则转入睡眠状态直到下一次调度侦听周期。 （3）冲突和串音避免机制 为了减少冲突和避免串音，S-MAC协议采用了与802.11 MAC协议类似的虚拟和物理载波监听机制，以及RTS/CTS握手交互机制。两者的区别在于当邻居节点处于通信过程时，执行S-MAC协议的节点进入睡眠状态。 （4）消息传递机制 S-MAC协议采用了消息传递机制，可以很好地支持长消息的发送。由于无线信道的传输差错与消息长度成正比，短消息传输成功的概率要大于长消息。 消息传递机制根据这一原理，将长消息分为若干个短消息，采用一次RTS/CTS交互的握手机制预约这个长消息发送的时间，集中连续发送全部短消息。这样既可以减少控制报文的开销，又可以提高消息发送的成功率。 3.3路由协议 1.什么是路由协议P59 路由选择(routing)是指选择互连网络从源节点向目的节点传输信息的行为，并且信息至少通过一个中间节点。 路由协议负责将数据分组从源节点通过网络转发到目的节点，它包括两个功能：（1）寻找源节点和目的节点间的优化路径；（2）将数据分组沿着优化路径正确转发。 2.传统无线网络的首要目标、无线传感器网络的首要目标P59 由于Ad Hoc、无线局域网等传统无线网络的首要目标，是提供高服务质量和公平高效地利用网络带宽。这些网络的路由协议主要任务是寻找源节点到目的节点间通信延迟小的路径，同时提高整个网络的利用率，避免产生通信堵塞，并均衡网络流量。通常能量消耗问题不是这类网络考虑的重点。 在无线传感器网络中，节点能量有限且一般没有能量补充，因而路由协议的设计需要考 虑高效利用能量。另外一方面，由于传感器网络节点数目往往很大，节点只能获取局部的拓扑结构信息，路由协议要在局域网协议的基础上，选择合适的路径。 与传统网络的路由协议相比，无线传感器网络的路由协议具有以下特点：（1）能量优先；（2）基于局部拓扑信息；（3）以数据为中心；（4）应用相关。 2.无线传感器网络的分类P60 从各种应用的角度出发，将路由协议分为四类： （1）能量感知路由协议：高效利用网络能量是传感器网络路由协议的一个显著特征。为了强调高效利用能量的重要性，这里将它们划分为能量感知路由协议。能量感知的路由协议从数据传输的能量消耗出发，讨论最少能量消耗和最长网络生存期等问题。 （2）基于查询的路由协议：在诸如环境检测、战场评估等应用中，需要不断查询传感器节点采集的数据。在汇聚节点（查询节点）发出任务查询命令，传感器网络的终端探测节点向监控中心报告采集的数据。在这类监控和检测的应用问题中，通信流量主要是查询节点和传感器探测节点之间的命令和数据传输，同时传感器探测节点的采集信息通常要进行数据融合，通过减少通信流量来节省能量，即数据融合技术与路由协议的设计相结合。 （3）地理位置路由协议 （4）可靠的路由协议 3.典型路由协议：定向扩散路由P61－－－大题 ★图示说明定向扩散路由机制。图3.7 ★定向扩散路由是一种经典的以数据为中心的路由协议。 定向扩散路由机制可以分为周期性的兴趣扩散、梯度建立和路径加强三个阶段: 图3.7 定向扩散路由机制的示例 （1）兴趣扩散阶段： 在路由协议的兴趣扩散阶段，汇聚节点周期性地向邻居节点广播兴趣消息。兴趣消息中含有任务类型、目标区域、数据发送速率、时间戳等参数。 每个节点在本地保存一个兴趣列表，对于每一个兴趣内容，列表中都有一个表项记录发来该兴趣消息的邻居节点、数据发送速率和时间戳等任务相关信息，以建立该节点向汇聚节点传递数据的梯度关系。每个兴趣可能对应多个邻居节点，每个邻居节点对应一个梯度信息。（2）数据传播阶段： 当传感器探测节点采集到与兴趣匹配的数据时，把数据发送到梯度上的邻居节点，并按照梯度上的数据传输速率，设定传感器模块采集数据的速率。 由于可能从多个邻居节点收到兴趣消息，节点向多个邻居发送数据，汇聚节点可能收到经过多个路径的相同数据。 （3）路径加强阶段： 定向扩散路由机制通过正向加强机制来建立优化路径，并根据网络拓扑的变化来修改数 据转发的梯度关系。兴趣扩散阶段是为了建立源节点到汇聚节点的数据传输路径，数据源节点以较低速率来采集和发送数据，我们称这个阶段建立的梯度为探测梯度。 4.LEACH路由协议（补充）－－－小题 LEACH全称是“低功耗自适应集簇分层型协议”(Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy)。 该算法基本思想是：以循环的方式随机选择簇头节点，将整个网络的能量负载平均分配到每个传感器节点中，从而达到降低网络能源消耗、提高网络整体生存时间的目的。仿真表明，与一般的平面多跳路由协议和静态分层算法相比，LEACH可以将网络生命周期延长15%。 LEACH在运行过程中不断的循环执行簇的重构过程，每个簇重构过程可以用回合的概念来描述。每个回合可以分成两个阶段：簇的建立阶段和传输数据的稳定阶段。为了节省资源开销，稳定阶段的持续时间要大于建立阶段的持续时间。簇的建立过程可分成4个阶段：簇头节点的选择、簇头节点的广播、簇头节点的建立和调度机制的生成。 簇头节点的选择依据网络中所需要的簇头节点总数和迄今为止每个节点已成为簇头节点的次数来决定。具体的选择办法是：每个传感器节点随机选择0-1之间的一个值。如果选定的值小于某一个阀值，那么这个节点成为簇头节点。 选定簇头节点后，通过广播告知整个网络。网络中的其他节点根据接收信息的信号强度决定从属的簇，并通知相应的簇头节点，完成簇的建立。最后，簇头节点采用TDMA方式为簇中每个节点分配向其传递数据的时间点。 稳定阶段中，传感器节点将采集的数据传送到簇头节点。簇头节点对簇中所有节点所采集的数据进行信息融合后再传送给汇聚节点，这是一种叫少通信业务量的合理工作模型。稳定阶段持续一段时间后，网络重新进入簇的建立阶段，进行下一回合的簇重构，不断循环，每个簇采用不同的CDMA代码进行通信来减少其他簇内节点的干扰。 LEACH路由协议主要分为两个阶段：即簇建立阶段(setup phase)和稳定运行阶段(ready phase)。簇建立阶段和稳定运行阶段所持续的时间总和为一轮(round)。为减少协议开销，稳定运行阶段的持续时间要长于簇建立阶段。 LEACH协议的特点有： （1）为了减少传送到汇聚节点的信息数量，簇首节点负责融合来自蔟内不同源节点所产生的数据，并将融合后的数据发送到汇聚点。 （2）LEACH采用基于TDMA/CDMA的MAC层机制来减少蔟内和蔟间的冲突 （3）由于数据采集是集中的和周期性的，因此该协议非常适合于要求连续监控的应用系统（4）对于终端使用者来说，由于它并不需要立即得到所有的数据，因此协议不需要周期性的传输数据，这样可以达到限制传感器节点能量消耗的目的 （5）在给定的时间间隔后，协议重新选举簇首节点，以保证无线传感器网络获取统一的能量分布 尽管LEACH能够提高网络的生存时间，但是协议所使用的假设条件仍存在着一些值得讨论的问题。 问题这主要体现在： （1）由于LEACH假定所有节点能够与汇聚节点直接通信，并且每个节点都具备支持不同MAC协议的计算能力，因此该协议不适合在大规模的无线传感器网络中应用 （2）协议没有说明簇头节点的数目怎么分布才能及于整个网络。因此，很可能出现被选的簇头节点集中在网络某一区域的现象，这样就会使得一些节点的周围没有任何簇头节点。（3）由于LEACH假定在最初的簇头选择回合中，所有的节点都携带相同的能量，并且每 个成为簇头的节点都消耗大致相同的能量。因此，协议不适合节点能量不均衡的网络。 节点经过簇头选举成为簇头后发布通告消息告知其他节点。其他节点根据与簇头节点的距离选择加入哪个簇。 P63 思考题 物理层：1. 2. 5. MAC协议：6. 8★.（作图）9. 10★. 11. 路由协议：15. 南京航空航天大学 硕士学位论文 基于无线传感器网络的环境监测系统设计与实现 姓名：耿长剑 申请学位级别：硕士 专业：电路与系统 指导教师：王成华 20090101 南京航空航天大学硕士学位论文 摘要 无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）是一种集成了计算机技术、通信技术、传感器技术的新型智能监控网络，已成为当前无线通信领域研究的热点。 随着生活水平的提高，环境问题开始得到人们的重视。传统的环境监测系统由于传感器成本高，部署比较困难，并且维护成本高，因此很难应用。本文以环境温度和湿度监控为应用背景，实现了一种基于无线传感器网络的监测系统。 本系统将传感器节点部署在监测区域内，通过自组网的方式构成传感器网络，每个节点采集的数据经过多跳的方式路由到汇聚节点，汇聚节点将数据经过初步处理后存储到数据中心，远程用户可以通过网络访问采集的数据。基于CC2430无线单片机设计了无线传感器网络传感器节点，主要完成了温湿度传感器SHT10的软硬件设计和部分无线通讯程序的设计。以PXA270为处理器的汇聚节点，完成了嵌入式Linux系统的构建，将Linux2.6内核剪裁移植到平台上，并且实现了JFFS2根文件系统。为了方便调试和数据的传输，还开发了网络设备驱动程序。 测试表明，各个节点能够正确的采集温度和湿度信息，并且通信良好，信号稳定。本系统易于部署，降低了开发和维护成本，并且可以通过无线通信方式获取数据或进行远程控制，使用和维护方便。 关键词：无线传感器网络，环境监测，温湿度传感器，嵌入式Linux，设备驱动 Abstract Wireless Sensor Network, a new intelligent control and monitoring network combining sensor technology with computer and communication technology, has become a hot spot in the field of wireless communication. With the improvement of living standards, people pay more attention to environmental issues. Because of the high maintenance cost and complexity of dispose, traditional environmental monitoring system is restricted in several applications. In order to surveil the temperature and humidity of the environment, a new surveillance system based on WSN is implemented in this thesis. Sensor nodes are placed in the surveillance area casually and they construct ad hoc network automatieally. Sensor nodes send the collection data to the sink node via multi-hop routing, which is determined by a specific routing protocol. Then sink node reveives data and sends it to the remoted database server, remote users can access data through Internet. The wireless sensor network node is designed based on a wireless mcu CC2430, in which we mainly design the temperature and humidity sensors’ hardware and software as well as part of the wireless communications program. Sink node's processors is PXA270, in which we construct the sink node embedded Linux System. Port the Linux2.6 core to the platform, then implement the JFFS2 root file system. In order to facilitate debugging and data transmission, the thesis also develops the network device driver. Testing showed that each node can collect the right temperature and humidity information, and the communication is stable and good. The system is easy to deploy so the development and maintenance costs is reduced, it can be obtained data through wireless communication. It's easy to use and maintain. Key Words: Wireless Sensor Network, Environment Monitoring, Temperature and Humidity Sensor, Embedded Linux, Device Drivers 1.简述无线网络介质访问控制方法CSMA/CA的工作原理 CSMA/CA机制: 当某个站点（源站点）有数据帧要发送时，检测信道。若信道空闲，且在DIFS时间内一直空闲，则发送这个数据帧。发送结束后，源站点等待接收ACK确认帧。如果目的站点接收到正确的数据帧，还需要等待SIFS时间，然后向源站点发送ACK确认帧。若源站点在规定的时间内接收到ACK确认帧，则说明没有发生冲突，这一帧发送成功。否则执行退避算法。 2.802.11无线LAN提供的服务有哪些？ ?802.11规定每个遵从该标准的无线局域网必须提供9种服务，这些服务分为两类，5种分布式服务和4种站服务。 分布式服务涉及到对单元（cell）的成员关系的管理，并且会与其它单元中的站点进行交互。由AP提供的5种服务将移动节点与AP关联起来，或者将它们与AP解除关联。 ?⑴建立关联：当移动站点进入一个新的单元后，立即通告它的身份与能力。能力包括支持的数据速率、需要PCF服务和功率管理需求等。 AP可以接受或拒绝移动站点的加入。如果移动站点被接受，它必须证明它自己的身份。 ?⑵解除关联。无论是AP还是站点都可以主动解除关联，从而中止它们之间的关系?⑶重建关联。站点可以使用该服务来改变它的首选AP 。 ?⑷分发。该服务决定如何将发送到AP的帧发送出去。如果目的站在同一个AP下，帧可以被直接发送出去，否则必须通过有线网络转发。 ?⑸集成。如果一个帧需要通过一个非802.11网络（具有不同的编址方案或帧格式）传输，该服务可将802.11格式转换成目的网络要求的格式 站服务4种站服务用于管理单元内的活动。 ?⑴身份认证。当移动站点与AP建立了关联后， AP会向移动站点发送一个质询帧，看它是否知道以前分配给它的密钥；移动站点用自己所知道的密钥加密质询帧，然后发回给AP ，就可以证明它是知道密钥的；如果AP检验正确，则该移动站点就会被正式加入到单元中。 ?⑵解除认证。一个以前经过认证的站想要离开网络时，需要解除认证。 ?⑶保密。处理加密和解密，加密算法为RC4。 ⑷数据传递。提供了一种数据传送和接收方法 3.简述无线传感器网络系统工作过程 无线传感器网络(WSN)是大量的静止或移动的传感器以自组织和多跳的方式构成的无线网络，目的是协作地采集、处理和传输网络覆盖地域内感知对象的监测信息，并报告给用户 4.为什么无线传感器网络需要时间同步，简述RBS、TPSN时间同步算法工作原理？ 在分布式的无线传感器网络应用中，每个传感器节点都有自己的本地时钟。不同节点的晶体振荡器频率存在偏差，以及湿度和电磁波的干扰等都会造成网络节点之间的运行时间偏差， RBS同步协议的基本思想是多个节点接收同一个同步信号，然后多个收到同步信号的节点之间进行同步。这种同步算法消除了同步信号发送一方的时间不确定性。这种同步协议的缺点是协议开销大 无线传感器网络技术试 题 Company Document number：WTUT-WT88Y-W8BBGB-BWYTT-19998 一、填空题 1. 传感器网络的三个基本要素：传感器、感知对象、用户(观察者) 2. 传感器网络的基本功能：协作式的感知、数据采集、数据处理、发布感知信息 3. 无线传感器节点的基本功能：采集数据、数据处理、控制、通信 4. 传感节点中处理部件用于协调节点各个部分的工作的部件。 5. 基站节点不属于传感器节点的组成部分 6. 定向扩散路由机制可以分为三个阶段：兴趣扩展阶段、梯度建立阶段、路径加强阶段 7. 无线传感器网络特点：大规模网络、自组织网络、可靠的网络、以数据为中心的网络、应用相关的网络 8. NTP时间同步协议不是传感器网络的的时间同步机制。 物理层。介质访问控制层 10. 从用户的角度看，汇聚节点被称为网关节点。 11. 数据融合的内容主要包括：多传感器的目标探测、数据关联、跟踪与识别、情况评估和预测 13. 传感器网络的电源节能方法：_休眠（技术）机制、__数据融合 14. 分布式系统协同工作的基础是时间同步机制 15. 无线网络可以被分为有基础设施的网络与没有基础设施的网络，在无线传感器网络，Internet网络，WLan网络，拨号网络中，无线传感器网络属于没有基础设施的网络。 16. 传感器网络中，MAC层与物理层采用的是IEEE制定的IEEE协议 17. 分级结构的传感器网络可以解决平面结构的拥塞问题 18. 以数据为中心特点是传感器网络的组网特点，但不是Ad-Hoc的组网特点 19. 为了确保目标节点在发送ACK过程中不与其它节点发生冲突，目标节点使用了SIFS帧间间隔 20. 典型的基于竞争的MAC协议为CSMA 二、选择题 1.无线传感器网络的组成模块分为：通信模块、（）、计算模块、存储模块和电源模块。A A．传感模块模块 C网络模块 D实验模块 2..在开阔空间无线信号的发散形状成（）。A A．球状 B网络 C直线 D射线 3.当前传感器网络应用最广的两种通信协议是（）D A. B. C. D. 4.ZigBee主要界定了网络、安全和应用框架层，通常它的网络层支持三种拓扑结构，下列哪种不是。D A．星型结构、B网状结构C簇树型结构D树形结构 5.下面不是传感器网络的支撑技术的技术。B A．定位技术B节能管理C时间同步D数据融合 6.下面不是无线传感器网络的路由协议具有的特点D A．能量优先 B.基于局部拓扑信息 C.以数据为中心 D预算相关 7.下面不是限制传感器网络有的条件C A电源能量有限 B通信能力受限 C环境受限 D计算和存储能力受限 无线传感器网络试题 库1 《无线传感器网络》 一、填空题（每题4分，共计60分） 1.传感器网络的三个基本要素：传感器、感知对象、用户(观察者) 2.传感器网络的基本功能：协作式的感知、数据采集、数据处理、发布感知 信息 3、 3.无线传感器节点的基本功能：采集数据、数据处理、控制、通信 4.无线通信物理层的主要技术包括：介质选择、频段选取、调制技术、扩频 技术 5.扩频技术按照工作方式的不同，可以分为以下四种：直接序列扩频、跳 频、跳时、宽带线性调频扩频 6.定向扩散路由机制可以分为三个阶段：兴趣扩展阶段、梯度建立阶段、路 径加强阶段 7.无线传感器网络特点：大规模网络、自组织网络、可靠的网络、以数据为 中心的网络、应用相关的网络 8.无线传感器网络的关键技术主要包括：网络拓扑控制、网络协议、时间同 步、定位技术、数据融合及管理、网络安全、应用层技术 9.IEEE 802.15.4标准主要包括：物理层。介质访问控制层 10.简述无线传感器网络后台管理软件结构与组成：后台管理软件通常由数据 库、数据处理引擎、图形用户界面和后台组件四个部分组成。 11.数据融合的内容主要包括：多传感器的目标探测、数据关联、跟踪与识 别、情况评估和预测 12.无线传感器网络可以选择的频段有：_800MHz___915M__、2.4GHz、___5GHz 13.传感器网络的电源节能方法：_休眠（技术）机制、__数据融合 14.传感器网络的安全问题：(1) 机密性问题。 (2) 点到点的消息认证问题。 (3) 完整性鉴别问题。 15.802.11规定三种帧间间隔：短帧间间隔SIFS，长度为 28 s a)、点协调功能帧间间隔PIFS长度是 SIFS 加一个时隙(slot)长度，即 78 s b)分布协调功能帧间间隔DIFS ，DIFS长度=PIFS +1个时隙长度，DIFS 的长度为 128 s 16.任意相邻区域使用无频率交叉的频道是，如：1、6、11频道。 17.802.11网络的基本元素SSID标示了一个无线服务，这个服务的内容包括 了：接入速率、工作信道、认证加密方法、网络访问权限等 18.传感器是将外界信号转换为电信号的装置，传感器一般由敏感元件、转换 元件、转换电路三部分组成 19.传感器节点由传感器模块、处理器模块、无线通信模块和能量供应模块四 部分组成 20.物联网是在计算机互联网的基础上，利用RFID、无线数据通信等技术，构 造一个覆盖万物的网络。RIFD无线识别、嵌入式系统技术、能量供给模块和纳米技术列为物联网关键技术。 二、基本概念解释（每题5分，共40分） 1.简述无线网络介质访问控制方法CSMA/CA的工作原理 CSMA/CA机制: 基于无线传感器网络的桥梁安全检测系统 摘要 根据桥梁监测无线传感器网络技术的桥梁安全监测系统，以实现方案的安全参数的需要；对整个系统的结构和工作原理的节点集、分簇和关键技术，虽然近年来在无线传感器网络中，已经证明了其潜在的提供连续结构响应数据进行定量评估结构健康，许多重要的问题，包括网络寿命可靠性和稳定性、损伤检测技术，例如拥塞控制进行了讨论。 关键词：桥梁安全监测；无线传感器网络的总体结构；关键技术 1 阻断 随着交通运输业的不断发展，桥梁安全问题受到越来越多人的关注。对于桥梁的建设与运行规律，而特设的桥梁检测的工作情况，起到一定作用，但是一座桥的信息通常是一个孤立的片面性，这是由于主观和客观因素，一些桥梁安全参数复杂多变[1]。某些问题使用传统的监测方法难以发现桥梁存在的安全风险。因此长期实时监测，预报和评估桥梁的安全局势，目前在中国乃至全世界是一个亟待解决的重要问题。 桥梁安全监测系统的设计方案，即通过长期实时桥跨的压力、变形等参数及测试，分析结构的动力特性参数和结构的评价科关键控制安全性和可靠性，以及问题的发现并及时维修，从而确保了桥的安全和长期耐久性。 近年来，桥梁安全监测技术已成为一个多学科的应用，它是在结构工程的传感器技术、计算机技术、网络通讯技术以及道路交通等基础上引入现代科技手段，已成为这一领域中科学和技术研究的重点。 无线传感器网络技术，在桥梁的安全监测系统方案的实现上，具有一定的参考价值。 无线传感器网络（WSN）是一种新兴的网络科学技术是大量的传感器节点，通过自组织无线通信，信息的相互传输，对一个具体的完成特定功能的智能功能的协调的专用网络。它是传感器技术的一个结合，通过集成的嵌入式微传感器实时监控各类计算机技术、网络和无线通信技术、布式信息处理技术、传感以及无线发送收集到的环境或各种信息监测和多跳网络传输到用户终端[2]。在军事、工业和农业，环境监测，健康，智能交通，安全，以及空间探索等领域无线传感器网络具有广泛应用前景和巨大的价值。 一个典型的无线传感器网络，通常包括传感器节点，网关和服务器，如图1 无线传感器网络与RFID技术复习题 一、填空题 1、传感器网络的三个基本要素：传感器、感知对象、观察者（用户）。 2、无线通信物理层的主要技术包括：介质的选择、频段的选择、调制技术和扩频技术。 3、无线传感器网络特点：大规模网络、自组织网络、可靠的网络、以数据为中心的网络、应用相关的网络。 4、无线传感器网络的关键技术主要包括：网络拓扑控制、网络协议、时间同步、定位技术、数据融合及管理、网络安全、应用层技术等。 5、传感器节点由传感器模块、处理器模块、无线通信模块和能量供应模块四部分组成。 6、无线传感器网络的组成模块分为：通信模块、传感模块、计算模块、存储模块和电源模块。 7、传感器网络的支撑技术包括：时间同步、定位技术、数据融合、能量管理、安全机制。 8、传感器节点通信模块的工作模式有发送、接收和空闲。 9、传感器节点的能耗主要集中在通信模块。 10、当前传感器网络应用最广的两种通信协议是：zigbee、IEEE802.15.4。 11、ZigBee主要界定了网络、安全和应用框架层，通常它的网络层支持三种拓扑结构：星型(Star)结构、网状（Mesh）结构、簇树型（Cluster Tree）结构。 12、根据对传感器数据的操作级别，可将数据融合技术分为以下三类：特征级融合、数据级融合、决策级融合。 13、信道可以从侠义和广义两方面理解，侠义的信道（信号输出的媒质），分为（有线信道和无线信道）；广义信道（包括除除传输媒质还包括有关的转换器）广义信道按照功能可以分为（模拟信道）和（数字信道）。 14、无线传感器网络可以选择的频段有：868MHZ、915MHZ、2.4GHZ、5.8GHZ。 15、无线通信物理层的主要技术包括：介质的选择、频段的选择、调制技术和扩频技术。 16、IEEE 802.15.4标准主要包括：物理层和MAC层的标准。 17、传感器网络中常用的测距方法有：到达时间/到达时间差(ToA/TDoA)、接收信号强度指示(RSSI)、到达角(AoA)。 无线传感器网络试题 一填空题 1、传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。 2、感知目标、网络节点、用户构成了无线传感器网络的三个要素。 3、无线传感器网络的通信协议栈包括物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层与互联网协议栈的五层协议相对应 4、无线传感器网络的产业化障碍包括四个方面。它们分别是：大规模组网问题、大规模组网问题实用化低功耗技术、微型化加剧信号串扰、可靠性提高资源需求 二、判断题 1、无线通信是利用电磁波信号可以在自由空间中传播的特性进行信息交换的一种通信方式（对） 2、SINK节点：亦称网关节点，与簇头结点的功能完全相同。（错） 3、通过拓扑控制自动生成的良好的网络拓扑结构，能够提高路由协议和MAC协议的效率，可为数据融合、时间同步和目标定位等很多方面奠定基础，有利于节省节点的能量来延长网络的生存期。（对） 4、美国军方最先开始无线传感器网络技术的研究。（对） 三、选择题 1、最先开始无线传感器网络技术的研究的国家是（B） A中国B美国C日本D韩国 2、无线传感器网络的特点包括（C） （1）可快速部署 （2）可自组织 （3）隐蔽性强和高容错性 （4）成本高，代价大 A （1）（2）（4） B （2）（3）（4） C （1）（2）（3） D（1）（3）（4） 3、将“信息社会技术”作为优先发展领域之一。其中多处涉及对WSN 的研究，启动了EYES 等研究计划的组织是（D） A日本总务省 B韩国信息通信部 C美国国防部 D欧盟 4、与无线传感器网络的兴起无关的技术是（A） A虚拟运营技术 B无线通信 C片上系统（SOC） D低功耗嵌入式技术 一、课题研究目的 针对目前中国的交叉路口多，车流量大，交通混乱的现象研究一种控制交通信号灯的基于无线传感器的智能交通系统。 二、课题背景 随着经济的快速发展，生活方式变得更加快捷，城市的道路也逐渐变得纵横交错，快捷方便的交通在人们生活中占有及其重要的位置，而交通安全问题则是重中之重。据世界卫生组织统计，全世界每年死于道路交通事故的人数约有120 万，另有数100 万人受伤。中国拥有全世界1. 9 %的汽车，引发的交通事故占了全球的15 % ，已经成为交通事故最多发的国家。2000 年后全国每年的交通事故死亡人数约在10 万人，受伤人数约50万，其中60 %以上是行人、乘客和骑自行车者。中国每年由于汽车安全方面所受到的损失约为5180 亿(人民币)，死亡率为9 人/ 万·车，因此，有效地解决交通安全问题成为摆在人们面前一个棘手的问题。 在中国，城市的道路纵横交错，形成很多交叉口，相交道路的各种车辆和行人都要在交叉口处汇集通过。而目前的交通情况是人车混行现象严重，非机动车的数量较大，路口混乱。由于车辆和过街行人之间、车辆和车辆之间、特别是非机动车和机动车之间的干扰，不仅会阻滞交通，而且还容易发生交通事故。根据调查数据统计，我国发生在交叉口的交通事故约占道路交通事故的1/ 3，在所有交通事故类型中居首位，对交叉口交通安全影响最大的是冲突点问题，其在很大程度上是由于信号灯配时不合理(如黄灯时间太短,驾驶员来不及反应)，以及驾驶员不遵循交通信号灯，抢绿灯末或红灯头所引发交通流运行的不够稳定。随着我国经济的快速发展，私家车也越来越多，交通控制还是延续原有的定时控制，在车辆增加的基础上，这种控制弊端也越来越多的体现出来，造成了十字交叉路口的交通拥堵和秩序混乱，严重的影响了人们的出行。智能交通中的信号灯控制显示出了越来越多的重要性。国外已经率先开展了智能交通方面的研究。 美国VII系统(vehicle infrastructure integration)，利用车辆与车辆、车辆与路边装置的信息交流实现某些功能，从而提高交通的安全和效率。其功能主要有提供天气信息、路面状况、交叉口防碰撞、电子收费等。目前发展的重点主要集中在2个应用上: ①以车辆为基础; ②以路边装置为基础。欧洲主要是CVIS 系统(cooperative vehicle infrastructure system)。它有60 多个合作者，由布鲁塞尔的ERTICO 组织统筹，从2006 年2 月开始到2010年6月，工作期为4年。其目标是开发出集硬件和软件于一体的综合交流平台，这个平台能运用到车辆和路边装置提高交通管理效率，其中车辆不仅仅局限于私人小汽车，还包括公共交通和商业运输。日本主要的系统是UTMS 21 ( universal traffic management system for the 21st century , UTMS 21)。是以ITS 为基础的综合系统概念,由NPA (National Police Agency) 等5个相关部门和机构共同开发的，是继20 世纪90 年代初UTMS 系统以来的第2代交通管理系统，DSSS是UTMS21中保障安全的核心项目，用于提高车辆与过街行人的安全。因此，从国外的交通控制的发展趋势可以看出，现代的交通控制向着智能化的方向发展，大多采用计算机技术、自动化控制技术和无线传感器网络系统，使车辆行驶和道路导航实现智能化，从而缓解道路交通拥堵，减少交通事故，改善道路交通环境，节约交通能源，减轻驾驶疲劳等功能，最终实现安全、舒适、快速、经济的交通环境。 《无线传感器网络原理与应用》复习题 一、填空题： 1.无线传感器网络的三个基本要素是：、和。 2.无线传感器网络实现了、? 和的三种功能。 3.无线传感器网络包括四类基本实体对象：目标、观测节点、和 。 4.根据无线传感器网络系统架构，无线传感器网络系统通常包括传感器节点(sensor node)、和。 5.无线传感器节点通常包含四个模块，他们是：数据采集模块、、无线通信模块和。 6.无线传感器网络的协议栈包括物理层、、、传输层 和，还包括能量管理、移动管理和任务管理等平台。 7.无线传感器网络的MAC层和物理层协议采用的是国际电气电子工程师协会(IEEE)制定的协议。 8.无线通信物理层的主要技术包括、、调制技术 和。 9.在无线通信系统中，有三种影响信号传播的基本机制：、绕射和。 10.无线传感器节点处于、接收状态、侦听状态和时单位时间内消耗的能量是依次减少的。 11.无线传感器网络MAC协议根据信道的分配方式可分为、 和混合式三种。 12.根据无线传感器网络不同的应用可以将其路由协议分为五类，你知道的有：、、。（任意给出3种）。 13. IEEE 标准将无线传感器网络的数据链路层分为两个子层，即和。 14. Zigbee的最低两层即物理层和MAC层使用标准，而网络层和应用层由Zigbee联盟制定。 15. Zigbee协议中定义了三种设备，它们是：、和Zigbee终端设备。 16.Zigbee支持三种拓扑结构的网络，它们是：、和。 17.无线传感器网络的时间同步方法有很多，按照网络应用的深度可 以划分三种：、和。 18.无线传感器网络的时间同步方法有很多，按照时间同步的参考时 间可以划分为和。 19.无线传感器网络的时间同步方法有很多，根据需要时间同步的不 同应用需求以及同步对象的范围不同可以划分为和。20.无线传感器网络定位技术大致可以划分为三类：、和 。 21.无线传感器网络典型的非测距定位算法有、APIT算法、 以及等。 22.无线传感器网络的数据融合策略可以分为、以 及。 23.无线传感器网络的故障可以划分为三个层次：、和 。 24. 根据网络提供服务的能力可以将QoS分为3种等级，分别是：、 和。 25. 传感器网络的支撑技术包括：、、及安全机制等。 26. 无线传感器节点的能耗主要集中在模块。 二、名词解释： 1.无线自组织网络 2.无线传感器网络(WSN) 3.基带信号 4.模拟调制 5.数字调制 6.物理信道 7.逻辑信道 8.路由选择 9.路由协议 文章编号:1004-9037(2009)02-0254-05 基于无线传感网络的大型结构健康监测系统 尚 盈 袁慎芳 吴 键 丁建伟 李耀曾 (南京航空航天大学智能材料与结构航空科技重点实验室,南京,210016) 摘要:针对大型碳纤维复合材料机翼盒段壁板结构,实现了基于无线传感网络的多点应变结构健康监测系统,采用自组织竞争神经网络成功判别了集中载荷模拟的损伤位置。本系统由传感采集子系统、无线传感网络子系统和终端监控子系统三部分组成。为了降低系统网络功耗及成本,提高系统的稳定性和可靠性,改善传感网络的实时性和同步性,设计了可直接配接无线传感网络节点的低功耗多通道应变传感器信号调理电路和基于无线传感网络的层次路由协议,开发了多通道应变数据采集、网络簇头转发和中继节点接收等主要软件模块。实验证明,相比于传统有线的监测方法和数据采集系统,基于无线传感网络的结构健康监测系统具有负重轻、成本低、易维护和搭建移动方便等优点。 关键词:无线传感网络;结构健康监测;层次路由协议;自组织竞争网络中图分类号:T P2;T P9 文献标识码:A 基金项目:国家“八六三”高技术研究发展计划(2007AA 032117)资助项目;国家自然科学基金(60772072,50420120133)资助项目;航空基金(20060952)资助项目。 收稿日期:2007-09-05;修订日期:2008-04-17 Large -Scale Structural Health Monitoring System Based on Wireless Sensor Networks S hang Ying ,Yuan Shenf ang ,Wu J ian ,Ding J ianw ei ,L i Yaoz eng (T he A ero nautic Key La bo rat or y o f Smart M ater ial and Str uct ur e,N anjing U niv ersit y o f Aer onautics and A str onautics,N anjing,210016,China) Abstract :Aimed at the large-scale structure and anisotropy nature o f the carbon fiber compos-ite material w ing box ,a large-scale structural health m onitoring system based on w ireless sen-sor netw orks is presented .A kind of artificial neural netw ork is designed to distinguish the damag e locatio n simulated by the co ncentrated load .The sy stem co nsists o f the sensor data ac-quisition,the w ireless sensor netw or ks,and the terminal monitoring sub-sy stem s.To im pro ve the performance o f the system ,the signal conditio ning circuit and the hierarchical routing pro -to col are designed based o n w ireless sensor netw orks ,the prog rams of data acquisition and Sink node are ex ploited.Experimental result pro ves that the system has advantag es of flexibili-ty o f deplo yment,low maintenance and deploym ent costs . Key words :w ir eless senso r netw or ks ;str uctural health monitoring ;hierarchical routing ;self -org anizing com petitive netw o rk 引 言 结构健康监测技术是采用智能材料结构的新概念,利用集成在结构中的先进传感/驱动元件网络,在线实时地获取与结构健康状况相关的信息(如应力、应变、温度、振动模态、波传播特性等),结 合先进的信号信息处理方法和材料结构力学建模 方法,提取特征参数,识别结构的状态,包括损伤,并对结构的不安全因素在其早期就加以控制,以消除安全隐患或控制安全隐患的进一步发展,从而实现结构健康自诊断、自修复、保证结构的安全和降低维修费用[1]。 无线传感网络节点具有局部信号处理的功能, 第24卷第2期2009年3月数据采集与处理Jour nal of D ata A cquisition &P ro cessing Vo l.24N o.2M a r.2009 第一章 1.无线传感器节点一般包括那三种组件 无线模块、传感模块、可编程模块 2.ZigBEE 标准定义了哪几种传输方式？ 周期数据传输、间歇性数据传输、重复低时延传输 3.无线传感器网络概念 无线传感器网络(Wireless Sensor Network ，WSN)是一种全新的信息获取平台，能够实时监测和采集网络分布区域各种检测对象的信息，并将这些信息发送到网关节点，以实现复杂的指定围目标检测与跟踪，具有快速展开，抗毁性强等特点，有着广阔的应用前景。 4.传感器网络的三个基本要素：传感器，感知对象，观察者 5.三种主要的标准化：ZigBEE 标准、WirelessHART 标准、6LowPAN 标准 第二章 无线传感器网络主要在以下6个应用领域得到了迅速发展 1.军事应用 2.环境应用 3.医疗应用 4.家庭应用 5.工业应用 6.智慧城市 第三章 1.简述影响传感网设计的因素有哪些？ A. 硬件限制、 B.容错（可靠性）、 C. 可扩展性、 D. 生产成本、 E. 传感网拓扑、 F. 操作环境（应用）、 G. 传输媒介、 H. 能量消耗（生命周期） 2.无线传感设备有哪几个基本部件组成的？每个部件的主要作用是什么？ 传感单元：感应单元具有从外界收集信息的能力。根据观察到的现象，传感器产生模拟信号，然后被ADC 转换成数字信号，送入处理单元。 处理单元：控制传感器节点执行感知操作、运行相应的算法并控制与其他节点无线通信的整个过程。 收发机单元：实现两个传感器节点间的通信。 能量单元：为传感器节点的每个部件供电。 定位系统：提供传感器节点的物理位置。 移动装置：与传感单元协作，完成操作，并由处理单元控制传感器节点的移动。 供能装置：热能、动能和振动能量的能源采集技术来产生能量。 3.无线传感器网络预部署策略应满足那些需要？ （1）、减少安装成本 （2）、消除任何预组织与预计划的成本 （3）、增加组织的灵活性 （4）、提升自组织与容错性能 4.对于一个收发机而言，数据通信功耗简单模型有哪几部分构成？ 发射机输出的功率、收发机电子器件消耗的能量 5.请写出发射机和接收机简化能量模型的功耗计算公式。 n amp elec tx tx d k e k E d k ??+?=-),(E k E k E elec rx rx ?=-)( 6.若使网络的容错率达到99%，广播半径需要部署多少传感器节点？ 《无线传感器网络》试题 一、填空题（每题4分，共计60分） 1、传感器网络的三个基本要素：传感器，感知对象，观察者 2、传感器网络的基本功能：协作地感知、采集、处理和发布感知信息 3、无线传感器节点的基本功能：采集、处理、控制和通信等 4、传感器网络常见的时间同步机制有： 5、无线通信物理层的主要技术包括：介质的选择、频段的选择、调制技术和扩频技术 6扩频技术按照工作方式的不同，可以分为以下四种： ：直接序列扩频、跳频、跳时、宽带线性调频扩频 7、定向扩散路由机制可以分为三个阶段：周期性的兴趣扩散、梯度建立和路径加强 8、无线传感器网络特点：大规模网络、自组织网络、可靠的网络、以数据为中心的网络、应用相关的网络 9、无线传感器网络的关键技术主要包括：网络拓扑控制、网络协议、时间同步、定位技术、数据融合及管理、网络安全、应用层技术等 10、IEEE 802.15.4标准主要包括：物理层和MAC层的标准 11、简述无线传感器网络后台管理软件结构与组成：后台管理软件通常由数据库、数据处理引擎、图形用户界面和后台组件四个部分组成。 12、数据融合的内容主要包括：多传感器的目标探测、数据关联、跟踪与识别、情况评估和预测 13、无线传感器网络可以选择的频段有：868MHZ、915MHZ、2.4GHZ 5GHZ 14、传感器网络的电源节能方法：休眠机制、数据融合等， 15、传感器网络的安全问题：(1) 机密性问题。(2) 点到点的消息认证问题。(3) 完整性鉴别问题。 16、802.11规定三种帧间间隔：短帧间间隔SIFS，长度为28 s 、点协调功能帧间间隔PIFS长度是SIFS 加一个时隙(slot)长度，即78 s 分布协调功能帧间间隔DIFS ，DIFS长度=PIFS +1个时隙长度，DIFS 的长度为128 s 17、任意相邻区域使用无频率交叉的频道是，如：1、6、11频道。 18、802.11网络的基本元素SSID标示了一个无线服务，这个服务的内容包括了：接入速率、工作信道、认证加密方法、网络访问权限等 19、传感器是将外界信号转换为电信号的装置，传感器一般由敏感元件、转换元件、转换电路三部分组成 20、传感器节点由传感器模块、处理器模块、无线通信模块和能量供应模块四部分组成 二、基本概念解释（每题5分，共40分） 1.简述无线网络介质访问控制方法CSMA/CA的工作原理 CSMA/CA机制: 当某个站点（源站点）有数据帧要发送时，检测信道。若信道空闲，且在DIFS时间内一直空闲，则发送这个数据帧。发送结束后，源站点等待接收ACK确认帧。如果目的站点接收到正确的数据帧，还需要等待SIFS时间，然后向源站点发送ACK确认帧。若源站点在规定的时间内接收到ACK确认帧，则说明没有发生冲突，这一帧发送成功。 无线传感器网络技术的应用 摘要：无线传感器网络(WSN)是新兴的下一代传感器网络，在国防安全和国民经济各方面均有着广阔的应用前景。本文介绍了无线传感器网络的组成和特点，讨论了无线传感器网络在军事、瓦斯监测系统、智能家具，环境监测，农业。交通等方面的现有应用，最后提出无线传感器网络技术需要解决的问题。 关键词：无线传感器网络，军事、瓦斯监测系统、智能家具，环境监测，农业。交通。 1．无线传感器网络研究背景以及发展现状 随着半导体技术、通信技术、计算机技术的快速发展，90年代末，美国首先出现无线传感器网络（WSN）。1996年，美国UCLA大学的William J Kaiser教授向DARPA提交的“低能耗无线集成微型传感器”揭开了现代WSN网络的序幕。1998年，同是UCLA大学的Gregory J Pottie教授从网络研究的角度重新阐释了WSN的科学意义。在其后的10余年里，WSN网络技术得到学术界、工业界乃至政府的广泛关注，成为在国防军事、环境监测和预报、健康护理、智能家居、建筑物结构监控、复杂机械监控、城市交通、空间探索、大型车间和仓库管理以及机场、大型工业园区的安全监测等众多领域中最有竞争力的应用技术之一。美国商业周刊将WSN网络列为21世纪最有影响的技术之一，麻省理工学院(MIT)技术评论则将其列为改变世界的10大技术之一。WSN是由布置在监测区域内传感器节点以无线通信方式形成一个多跳的无线自组网（Ad hoc），其目的是协作的感知，采集 和处理网络覆盖区域中感知对象的信息，并发送给观察者。传感器、感知对象和观察者是WSN的三要素。将Ad hoc技术与传感器技术相结合，人们可以通过WSN感知客观世界，扩展现有网络功能和人类认识世界的能力。WSN技术现已经被广泛应用。图为WSN基本结构。 WSN经历了从智能传感器，无线智能传感器到无线传感器三个发展阶段，智能传感器将计算能力嵌入传感器中，使传感器节点具有数据采集和信息处理能力。而无线智能传感器又增加了无线通信能力，WSN将交换网络技术引入到智能传感器中使其具备交换信息和协调控制功能。 无线传感网络结构由传感器节点，汇聚节点，现场数据收集处理决策部分及分散用户接收装置组成，节点间能够通过自组织方式构成网络。传感器节点获得的数据沿着相邻节点逐跳进行传输，在传输过程中所得的数据可被多个节点处理，经多跳路由到协调节点，最后通过互联网或无线传输方式到达管理节点，用户可以对传感器网络进行决策管理、发出命令以及获得信息。无线传感器网络在农业中的运用是推进农业生产走向智能化、自动化的最可行的方法之一。近年来国际上十分关注WSN在军事，环境，农业生产等领域的发展，美国和欧洲相继启动了WSN研究计划，我国于1999年正式启动研究。国家自然科学基金委员会在2005年将网络传感器中基础理论在一篇我国20年预见技术调查报告中，信息领域157项技术课题中7项与传感器网络有直接关系，2006年初发布的《国家长期科学与技术发展 复习 题型：共计38～39题，计算题较少，原理题很多 （1）选择题15’ （2）填空题10’ （3）名词解释3’x5 （4）作图题10’x1 （5）问答题20’x1（根据原理应用自主进行选择作答） 第1章 1.P3 图1.1无线网络的分类 2.无线传感器的定义P3 无线传感器网络(WSN)是大量的静止或移动的传感器以自组织和多跳的方式构成的无线网络，目的是协作地采集、处理和传输网络覆盖地域内感知对象的监测信息，并报告给用户。 无线传感器网络的三个基本要素：传感器、感知对象、用户； 无线传感器网络的基本功能：协作式的感知、采集、处理和发布感知信息。 3.P4 图1.2现代信息技术与无线传感器网络之间的关系 无线传感器网络三个功能：数据采集、处理和传输； 对应的现代信息科技的三大基础技术：传感器技术、计算机技术和通信技术；对应的构成了信息系统的“感管”、“大脑”和“神经”。 4.P5P6 ★图1.3无线传感器网络的宏观架构 传感器网络网关原理是什么？ 无线传感器通常包括传感器节点（sensor node），汇聚节点（sink node）和管理节点（manager node）。汇聚节点有时也称网关节点、信宿节点。 传感器节点见后2要点介绍。 Sink node：网关节点通过无线方式接收各传感器节点的数据并以互联网、移动通信网等有线的或无线的方式将数据传送给最终用户计算机。网关汇聚节点只需要具有处理器模块和射频模块、通过无线方式接收探测终端发送来的数据信息，再传输给有线网络的PC或服务器。汇聚节点通常具有较强的处理能力、存储能力和通信能力，它既可以是一个具有足够能量供给和更多内存资源与计算能力的增强型传感器节点，也可以是一个带有无线通信接口的特殊网关设备。汇聚节点连接传感器网络和外部网络。通过协议转换实现管理节点与传感器网络之间的通信，把收集到的数据信息转发到外部网络上，同时发布管理节点提交的任务。 5.传感器网络节点的组成P5 图1.4传感器网络节点的功能模块组成 传感器网络节点由哪些模块组成？－－－作图、简答 传感器模块负责探测目标的物理特征和现象，计算机模块负责处理数据和系统管理，存储模块负责存放程序和数据，通信模块负责网络管理信息和探测数据两种信息的发布和接受，电源模块负责节点供电，节点由嵌入式软件系统支撑，运行网络的五层协议。 6.传感器网络的协议分层P5 1.5传感器网络的协议分层 每一层的作用是什么？－－－作图、简单 无线传感器网络试题库附答案 《无线传感器网络》 一、填空题（每题4分，共计60分） 1.传感器网络的三个基本要素：传感器、感知对象、用户(观察者) 2.传感器网络的基本功能：协作式的感知、数据采集、数据处理、发布感知信息3、 3.无线传感器节点的基本功能：采集数据、数据处理、控制、通信 4.无线通信物理层的主要技术包括：介质选择、频段选取、调制技术、扩频技术 5.扩频技术按照工作方式的不同，可以分为以下四种：直接序列扩频、跳频、跳时、宽带 线性调频扩频 6.定向扩散路由机制可以分为三个阶段：兴趣扩展阶段、梯度建立阶段、路径加强阶段 7.无线传感器网络特点：大规模网络、自组织网络、可靠的网络、以数据为中心的网络、 应用相关的网络 8.无线传感器网络的关键技术主要包括：网络拓扑控制、网络协议、时间同步、定位技术、 数据融合及管理、网络安全、应用层技术 9.IEEE标准主要包括：物理层。介质访问控制层 10.简述无线传感器网络后台管理软件结构与组成：后台管理软件通常由数据库、数据处理 引擎、图形用户界面和后台组件四个部分组成。 11.数据融合的内容主要包括：多传感器的目标探测、数据关联、跟踪与识别、情况评估和 预测 12.无线传感器网络可以选择的频段有：_800MHz___915M__、、___5GHz 13.传感器网络的电源节能方法：_休眠（技术）机制、__数据融合 14.传感器网络的安全问题：(1)机密性问题。(2)点到点的消息认证问题。(3)完整 性鉴别问题。 15.规定三种帧间间隔：短帧间间隔SIFS，长度为28s a)、点协调功能帧间间隔PIFS长度是SIFS加一个时隙(slot)长度，即78s b)分布协调功能帧间间隔DIFS，DIFS长度=PIFS+1个时隙长度，DIFS的长度为128 s 16.任意相邻区域使用无频率交叉的频道是，如：1、6、11频道。 17.网络的基本元素SSID标示了一个无线服务，这个服务的内容基于无线传感器网络的环境监测系统设计与实现
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