用戶端對整個網(wǎng)絡(luò)進行配置和管理。
1.2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究現(xiàn)狀
無線傳感器節(jié)點體積小、成本低，可以大規(guī)模布置，因此無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可廣泛應(yīng)用于情報偵察、物種監(jiān)測、全球變暖預(yù)警等規(guī)模較大的領(lǐng)域。
1.2.1 情報偵察
隨著傳感器網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展，未來戰(zhàn)場的情報搜集手段是這樣的：先進的無人機在戰(zhàn)場區(qū)域上空拋灑大量傳感器節(jié)點，節(jié)點隨機部署在被監(jiān)測區(qū)域內(nèi)并自動組網(wǎng)，豐富翔實的戰(zhàn)場情報數(shù)據(jù)就能通過傳感器網(wǎng)絡(luò)傳送給指揮部。例如，地震波傳感器可以探測敵方重型戰(zhàn)車的距離和數(shù)量，特殊氣體傳感器可用來探測戰(zhàn)場有無毒氣，具有定位功能的傳感器網(wǎng)絡(luò)可以為導彈提供精確制導等等。諸如此類的應(yīng)用可以為未來的戰(zhàn)場偵察模式帶來革命性的變化。
1.2.2物種監(jiān)測
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)為生物科學研究提供了很大的方便。例如，為了研究四川臥龍大熊貓的生活習性，可以在自然保護區(qū)內(nèi)大量布置帶有影像采集功能的傳感器節(jié)點，利用無線的方式傳送大熊貓活動的影像，這樣既排除了人為驚擾也避免了潛伏觀測的危險性；又如，光線較暗且不宜放置體積較大監(jiān)測儀器的鳥巢內(nèi)，可以安放體積較小的紅外傳感器節(jié)點來對其監(jiān)測；此外，還可以用溫度、濕度，壓力和海拔高度等傳感器來采集生物的生存環(huán)境指標。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用可以改變生物研究的固有手段，使科學研究在無人值守的情況下就能得到精細化的進行。
1.2.3全球變暖預(yù)警
當今，溫室氣體的排放加速了全球氣候的變暖，有記錄顯示：在過去四五十年里，北極冰厚度已經(jīng)下降了40%。這是一個可怕的數(shù)字，任由其發(fā)展下去，冰山融化導致的海平面上升的后果將會是災(zāi)難性的。為了更好地了解地球氣候的變化，可以用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)來監(jiān)測冰山的狀態(tài)：溫度，高度，壓力，位置變化等，以此來推斷全球氣候的變化，指導人們進行環(huán)境的保護、降低碳排放、新能源的開發(fā)和應(yīng)用。挪威科學家已經(jīng)開始了類似的研究。
隨著科學技術(shù)的發(fā)展和人們對于生活舒適性和便利性要求的提高，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)逐漸走進普通家庭的日常生活，而日常生活場合不需要維持大量的傳感器節(jié)點，小規(guī)模的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)就能滿足日常需要，我們稱這種小規(guī)模的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)為無線傳感局域網(wǎng)絡(luò)。本文將小規(guī)模的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)引入家居住宅之中，提出了一種以智能家居為應(yīng)用平臺的無線傳感局域網(wǎng)絡(luò)，通過該網(wǎng)絡(luò)可以實現(xiàn)家居環(huán)境數(shù)據(jù)采集、遠程控制和安全防護等功能。
1.3論文的主要工作及結(jié)構(gòu)
本文將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)引入日常生活的應(yīng)用之中，提出了一種應(yīng)用于智能家居的無線傳感局域網(wǎng)絡(luò)。首先，以無線通信芯片nRF24L01 和微控制器芯片STM8S003為基礎(chǔ)設(shè)計了無線傳感器節(jié)點，傳感器采用通用型空氣質(zhì)量傳感器MQ-135采集室內(nèi)空氣質(zhì)量，火焰?zhèn)鞲衅?/span>YS-17檢測室內(nèi)是否發(fā)生火災(zāi)，溫濕度傳感器DH11檢測室內(nèi)溫濕度，光敏傳感器3DU5檢測室內(nèi)光強，HC-SR501檢測人員進入，可控硅BAT138控制用電器的開斷，串口轉(zhuǎn)WiFi模塊ESP8266用于將協(xié)調(diào)器采集的信息傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)遠程監(jiān)控；其次，對兩種經(jīng)典的層次路由協(xié)議（LEACH 路由和PEGASIS路由）進行融合和改進，提出了一種應(yīng)用于智能家居的鏈簇路由協(xié)議。
第一章介紹課題的背景和意義，闡述了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究現(xiàn)狀以及本論文的主要工作和具體組織結(jié)構(gòu)。
第二章介紹無線傳感局域網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)基礎(chǔ)，主要介紹了幾種典型的短距離無線通信技術(shù)和路由協(xié)議，并對層次路由和平面路由做了比較分析。
第三章提出總體設(shè)計方案，主要介紹了無線傳感局域網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用平臺、系統(tǒng)功能以及硬件和路由的設(shè)計思想。
第四章詳細闡述無線傳感器節(jié)點的設(shè)計，重點介紹了以nRF24L01 為基礎(chǔ)的無線通信模塊的設(shè)計和以STM8S003 為基礎(chǔ)的處理器模塊的設(shè)計，并介紹了傳感器模塊、輸入輸出模塊、電源模塊、RS232 接口以及遙控節(jié)點的設(shè)計。
第五章詳細闡述了鏈簇路由協(xié)議的設(shè)計，首先分析了兩種經(jīng)典的分層路由協(xié)議；其次，詳細介紹了基于智能家居的鏈簇路由協(xié)議的設(shè)計過程，包括網(wǎng)絡(luò)模型、數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)、通信機制、路由建立和數(shù)據(jù)傳輸?shù)取?/span>
第六章對論文進行總結(jié)，并對后續(xù)工作做了展望。
第二章 無線傳感局域網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)基礎(chǔ)
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)涉及多學科交叉的研究領(lǐng)域，因此需要多種關(guān)鍵技術(shù)的支撐，如網(wǎng)絡(luò)拓撲、路由協(xié)議、時間同步、網(wǎng)絡(luò)安全、定位技術(shù)、短距離無線通信技術(shù)等，本文僅對短距離無線通信技術(shù)和路由協(xié)議進行介紹和分析。
2.1 短距離無線通信技術(shù)
隨著通信及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，人們對無線通信技術(shù)有了更多的需要，尤其是近年來“物聯(lián)網(wǎng)”概念的提出，極大的推動了短距離無線通信技術(shù)的發(fā)展。目前比較成熟的短距離無線通信技術(shù)有以下幾種：藍牙技術(shù)、無線局域網(wǎng)(Wi-Fi)、Zigbee、超寬頻(UWB)和RFID。
2.1.1藍牙技術(shù)
藍牙技術(shù)，英文名字為Bluetooth,是由愛立信等五家公司于20 世紀九十年代末開發(fā)的，該技術(shù)的目的是解決室內(nèi)短距離的無線數(shù)據(jù)通信。藍牙技術(shù)所用的頻段為2.4GHz的工業(yè)、科學、醫(yī)學頻段，數(shù)據(jù)傳輸速率較高，能達到每秒一兆比特，網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)如圖2-1 所示，支持點對點通信、星型網(wǎng)絡(luò)以及混合型的網(wǎng)絡(luò)。藍牙技術(shù)在辦公場所和個人數(shù)據(jù)傳輸方面有較多使用，可以實現(xiàn)PC、傳真機、打印機、手提電腦、移動電話、無線耳機的無線連接。隨著新一代藍牙標準的推出，傳輸速率可能升高一個數(shù)量級，這種高的傳輸速率可以支持多媒體數(shù)據(jù)的傳輸業(yè)務(wù)。
2.1.2Wi-Fi 技術(shù)（IEEE802.11b）
Wi-Fi 技術(shù),中文譯為無線高保真,也是一種短距離無線通信技術(shù),它屬于802.11b標準。Wi-Fi 技術(shù)的傳輸距離要比藍牙技術(shù)遠的多，藍牙的通信距離在十米左右，而Wi-Fi 的傳輸距離可以達到幾百米；另外，Wi-Fi 技術(shù)的傳輸速率也較高�；谝陨咸攸c，Wi-Fi 技術(shù)具有廣泛的應(yīng)用，市場上的很多無線路由器就是基于Wi-Fi 技術(shù)的；賓館、餐館、圖書館等場所都有Wi-Fi 熱點的接入，可以方便人們通過手提電腦或者手機以及其他掌上設(shè)備通過無線的方式接入互聯(lián)網(wǎng)。由于Wi-Fi 的輻射功率比手機的功率都要低，大量Wi-Fi 熱點的密集放置也不會給人體帶來危害性的輻射。
2.1.3zigbee 技術(shù)(IEEE802.15.4)
zigbee 技術(shù)，是一種基于短距離的無線通信技術(shù)，這種技術(shù)組網(wǎng)比較簡單、數(shù)據(jù)傳輸速率較低、能耗較小。該技術(shù)是建立在802.15.4 標準之上的。這種短距離無線通信技術(shù)在對傳輸速率要求不高的場合中具有廣泛的應(yīng)用。zigbee 技術(shù)所搭建的網(wǎng)絡(luò)中具有兩種不同功能的設(shè)備，一種設(shè)備具有較全面的功能，它可以與所有的設(shè)備進行通信；而另一種設(shè)備不能與所有的設(shè)備進行通信，只能與相關(guān)的全功能設(shè)備通信，因此這種設(shè)備被稱為半功能設(shè)備。全功能設(shè)備用FFD 表示，半功能設(shè)備用RFD 表示。該技術(shù)定義了兩種拓撲結(jié)構(gòu)，一種是點對點的拓撲結(jié)構(gòu)，一種是點對多點星型的拓撲結(jié)構(gòu)。點對點拓撲結(jié)構(gòu)的通信雙方可以是全功能設(shè)備和半功能設(shè)備，也可以是全功能設(shè)備和全功能設(shè)備；點對多點的拓撲結(jié)構(gòu)的通信中心是全功能設(shè)備，從設(shè)備是半功能設(shè)備也可以是其他星型網(wǎng)絡(luò)的全功能設(shè)備，如圖2-2 所示。相對來說，點對點的結(jié)構(gòu)可以通過接力的方法來實現(xiàn)遠程接力傳輸，因為節(jié)點的通信覆蓋范圍有限，所以這種結(jié)構(gòu)適用于較為復雜的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，如物流和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)等；星型網(wǎng)絡(luò)主要應(yīng)用于較小規(guī)模的無線通信領(lǐng)域中，如小型智能家居和PC 的外設(shè)等。
2.1.4UWB 無線通信技術(shù)
UWB——超寬帶技術(shù)，是一種短距離高速無線通信技術(shù)。該技術(shù)最早應(yīng)用于軍事領(lǐng)域，近幾年才被批準進入民用領(lǐng)域。UWB 的特點就是具有極寬的帶寬，如圖2-3 所示，不同于傳統(tǒng)的正弦載波，超寬帶技術(shù)利用極短的窄脈沖傳輸數(shù)據(jù)，時域很窄則頻域很寬，頻率范圍可從3.1Ghz 到10.6GHz。
2.2路由協(xié)議
2.1.5RFID 技術(shù)
RFID 技術(shù)，又稱電子標簽、無線射頻識別，是一種非接觸式的自動識別技術(shù)。它通過射頻信號自動識別目標對象并獲取目標對象的相關(guān)數(shù)據(jù)，工作過程可以無人值守，適用于多種工作環(huán)境。RFID 的基本模塊由三部分組成：標簽、閱讀器和天線，其工作原理是這樣的：閱讀器時刻發(fā)送射頻信號，裝有電磁感應(yīng)線圈的標簽進入閱讀器所產(chǎn)生的磁場中，會產(chǎn)生相應(yīng)的感應(yīng)電流，感應(yīng)電流的能量會驅(qū)動標簽通過天線發(fā)送出自身存儲的信息，閱讀器接
收到標簽信息后，將其送至中央處理系統(tǒng)。
2.2 路由協(xié)議
路由協(xié)議負責將數(shù)據(jù)分組從源節(jié)點通過網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)到目的節(jié)點，有能量高效、可擴展性、魯棒性、快速收斂性的特點。按照最終形成的拓撲結(jié)構(gòu)，無線傳感局域網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議可分為平面路由和層次路由兩大類，以下是對這兩類路由協(xié)議的介紹和分析。
2.2.1 平面路由
在平面路由協(xié)議中，所有傳感器節(jié)點的地位都是平等的，不存在級別的差異，數(shù)據(jù)的傳輸平等的在各節(jié)點之間傳遞，該協(xié)議的組網(wǎng)簡單，網(wǎng)絡(luò)比較可靠，適用于規(guī)模較小的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。以下介紹幾種典型的平面路由協(xié)議：SPIN、DD、Rumor。
2.2.1.1 SPIN 路由算法
SPIN 協(xié)議是一種以數(shù)據(jù)為中心的自適應(yīng)路由協(xié)議，通過節(jié)點間的協(xié)商，融合相關(guān)性較強的數(shù)據(jù)，從而減少了通信數(shù)據(jù)量，降低了功耗，提高了能量管理的有效性。
SPIN 使用三種報文數(shù)據(jù)：廣播數(shù)據(jù)、請求報文數(shù)據(jù)和原始采集數(shù)據(jù)。SPIN 工作流程如下：當某節(jié)點感知到新事件發(fā)生時，就會向周圍的節(jié)點廣播包含有原始采集數(shù)據(jù)的報文，收到該報文的節(jié)點檢查對此數(shù)據(jù)是否感興趣，若感興趣則發(fā)送數(shù)據(jù)請求報文REQ，感知到事件的節(jié)點收到數(shù)據(jù)請求報文后，給其發(fā)送原始采集數(shù)據(jù)；收到原始數(shù)據(jù)的節(jié)點再重復剛才節(jié)點的動作，像周圍發(fā)送廣播報文……其中已經(jīng)存儲有該原始數(shù)據(jù)的節(jié)點不再發(fā)送數(shù)據(jù)請求報文，流程圖如2-4 所示。其中ADV 為廣播數(shù)據(jù)，REQ 為請求發(fā)送數(shù)據(jù)，DATA 為原始采集數(shù)據(jù)。
2.2.1.2 DD 路由算法
DD 路由協(xié)議和SPIN 協(xié)議所不同的是：SPIN 的路由從感知事件發(fā)生的節(jié)點發(fā)起，而DD 算法則是從需要某種數(shù)據(jù)的節(jié)點開始，因此它是一種基于查詢的路由機制。
DD 算法的整個工作流程由三個階段組成，如圖2-5 所示。第一個階段，匯聚節(jié)點在全網(wǎng)廣播Interest 信息，這種廣播是周期性的，收到Interest 信息的節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)此信息至網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點，興趣在轉(zhuǎn)發(fā)的同時建立了從數(shù)據(jù)源到匯聚節(jié)點的梯度場，這個階段被稱為興趣的廣播階段；梯度場建立之后，源節(jié)點采集到的據(jù)沿著梯度場傳遞到匯聚節(jié)點，在數(shù)據(jù)的傳遞過程中，每條路徑的質(zhì)量都被記錄下來，其中路徑的質(zhì)量包括能耗等指標，這些指標被作為路徑選擇的依據(jù)，這個階段被稱為梯度建立的階段；梯度建立之后，從源節(jié)點采集的數(shù)據(jù)會有多種路徑到達匯聚節(jié)點，因此匯聚節(jié)點會收到多個相同的數(shù)據(jù)，匯聚節(jié)點會根據(jù)每條路徑的質(zhì)量來選擇一條最好的傳輸路徑，以后的數(shù)據(jù)傳輸就用單條最優(yōu)路徑來完成。
2.1.1.3Rumor 路由算法
Rumor 協(xié)議，中文譯為謠傳路由，該協(xié)議借鑒了一種幾何思想，該幾何思想是這樣的：歐式平面圖上任意兩條曲線具有很大的交叉概率。謠傳路由的開始從源節(jié)點和匯聚節(jié)點同時發(fā)起，感知到事件發(fā)生的源節(jié)點產(chǎn)生一個代理消息，該代理消息由源節(jié)點發(fā)送出去并經(jīng)由任意路徑進行轉(zhuǎn)發(fā)，與此同時匯聚節(jié)點產(chǎn)生事件查詢信息，該查詢信息也在全網(wǎng)中以任意路徑的方式轉(zhuǎn)發(fā)，根據(jù)歐式平面圖上任意兩條曲線交叉概率很大的思想，這兩條路徑總會在某一點相交，當兩條路徑相交時，源節(jié)點與匯聚節(jié)點之間的路徑就建立起來了，如圖2-6 所示。歐式平面圖上任意兩條曲線的交叉幾率很大但不是一定交叉，因此該算法也存在著兩條路徑不相交的可能，如果查詢消息的路徑在較長的時間里沒有尋找到代理消息的路徑，則匯聚節(jié)點會采Flooding 的方式來發(fā)送查詢消息，從而加大路徑交叉的幾率。
2.2.2 層次路由
層次路由協(xié)議是相對于平面路由協(xié)議的，層次拓撲結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)一般以簇的形式存在，網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點分為簇頭和簇成員兩類。簇成員負責區(qū)域發(fā)生事件的采集，簇頭節(jié)點負責簇的管理和簇成員的控制，簇頭的選舉原則根據(jù)一定的算法機制完成。典型的層次路由協(xié)議具有以下幾種：
2.2.2.1LEACH 路由算法
致 謝（二號宋體加粗居中，單倍行距，段前段后空1.5行）
×××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××（正文宋體五號，1.25倍行距，上下不空行）
（插入分頁符）
參考文獻（二號宋體加粗居中，單倍行距，段前段后空1.5行）
[1]（五號宋體+Times New Roman，單倍行距，上下不空行，標點格式如下示例）
[2]×××××××
[3]×××××××
[4]×××××××
[5]×××××××
[6]×××××××
說 明：
1、參考文獻一般要求:
（1）參考文獻一般應(yīng)是作者直接閱讀過、對學位論文有參考價值且發(fā)表在正式出版物上的文獻，除特殊情況外，一般不應(yīng)間接使用參考文獻；
（2）參考文獻應(yīng)具有權(quán)威性，要注意應(yīng)用最新的文獻；
（3）引用他人的學術(shù)觀點或?qū)W術(shù)成果，必須列在參考文獻中；
（4）參考文獻在整個論文中按出現(xiàn)的次序列出；
2、參考文獻的著錄格式（其中標點符號都要在全角下錄入）
期刊、專著、學位論文及英文期刊將嚴格按下列格式進行著錄。
（1）連續(xù)出版物：［序號］作者1，作者2，作者3，等．文獻題名[J]．刊名，出版年份，卷號(期號)：起止頁碼．如：
［1］袁慶龍，候文義．Ni-P合金鍍層組織形貌及顯微硬度研究[J]．太原理工大學學報，2001，32(1)：51-53．
（2）專著：［序號］ 主要責任者．文獻題名[M]．出版地：出版者，出版年：頁碼．如：
［2］劉國鈞，鄭如斯．中國書的故事[M]．北京：中國青年出版社，1979：115．
（3）會議論文集：［序號］ 析出責任者．析出題名[A]．見(英文用In)：主編．論文集名[C]．(供選擇項：會議名，會址，開會年)出版地：出版者，出版年：起止頁碼．如：
［3］孫品一．高校學報編輯工作現(xiàn)代化特征[A]．見：中國高等學校自然科學學報研究會．科技編輯學論文集(2)[C]．北京：北京師范大學出版社，1998：10-22．
（4）專著中析出的文獻：［序號］ 析出責任者．析出題名[A]．見(英文用In)：專著責任者．書名[M]．出版地：出版者，出版年：起止頁碼．如：
［4］羅云．安全科學理論體系的發(fā)展及趨勢探討[A]．見：白春華，何學秋，吳宗之．21世紀安全科學與技術(shù)的發(fā)展趨勢[M]．北京：科學出版社，2000：1-5．
（5）學位論文：［序號］ 主要責任者．文獻題名[D]．保存地：保存單位，年份：如：
［5］張和生．地質(zhì)力學系統(tǒng)理論[D]．太原：太原理工大學，1998．
（6）報告：［序號］ 主要責任者．文獻題名[R]．報告地：報告會主辦單位，年份：如：
［6］馮西橋．核反應(yīng)堆壓力容器的LBB分析[R]．北京：清華大學核能技術(shù)設(shè)計研究院，1997．
（7）專利文獻：［序號］ 專利所有者．專利題名[P]．專利國別：專利號，發(fā)布日期：如：
［7］姜錫洲．一種溫熱外敷藥制備方案[P]．中國專利：881056078，1983-08-12．
（8）國際、國家標準：［序號］標準代號．標準名稱[S]．出版地：出版者，出版年：如：
［8］GB/T 16159—1996．漢語拼音正詞法基本規(guī)則[S]．北京：中國標準出版社，1996．
（9）報紙文章：［序號］主要責任者．文獻題名[N]．報紙名，出版年，月(日)：版次．如：
［9］謝希德．創(chuàng)造學習的思路[N]．人民日報，1998，12(25)：10．
（10）電子文獻：［序號］ 主要責任者．電子文獻題名［文獻類型/載體類型］．：電子文獻的出版或可獲得地址(電子文獻地址用文字表述)，發(fā)表或更新日期/引用日期(任選) ：如：
［10］姚伯元．畢業(yè)設(shè)計(論文)規(guī)范化管理與培養(yǎng)學生綜合素質(zhì)[EB/OL]．：中國高等教育網(wǎng)教學研究，2005-2-2．
附：參考文獻著錄中的文獻類別代碼
普通圖書：M
會議錄：C
匯編： G
報紙：N
期刊：J
學位論文：D
報告：R
標準：S
專利：P
數(shù)據(jù)庫：DB
計算機程序：CP
電子公告：EB/OL
注：
（1）上面所列各項必須齊全，尤其是卷和期。
（2）專著若多次引用，可省略頁碼。
（3）英文作者名字具體是姓前名后，還是名前姓后——即縮寫在前，還是縮寫在后不做統(tǒng)一規(guī)定，但要求全文要統(tǒng)一；原文中的逗號和縮寫點均省去，原每個作者之間分號分隔符改用逗號。例如：Tokuyama， T.; Yoshida， N.; Matsuishi， T.; Tdklfj G. 應(yīng)為Tokuyama T， Yoshida N， Matsuishi T， et al．期刊名字一律用全稱；年卷期須齊全。
（4）對于每一篇參考文獻，如需另起一行才能標注完有關(guān)內(nèi)容，則第二行開頭必須與該文獻序號后的文字上下對齊。
備 注:
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