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1、 毕业设计（论文）题 目 基于GAINS433MAC库的无线传感器星型网络通信设计 姓 名 学 号 专业班级 05自动化2班 指导教师 分 院 信息科学与工程分院 完成日期 2009年6月3日 毕业设计（论文）任务书一、 毕业设计（论文）题目 基于GAINS433MAC库的无线传感器星型网络通信设计二、 学生姓名 学号 专业班级 05自动化2班 任务书发放日期 2008年12月8日 三、 指导教师对毕业设计（论文）的进度安排及任务要求1 主要任务与目标基于GAINS433MAC库开发一个简单的星型网络，网络的基本功能是多个节点将通过光强传感器采集的数据发送给汇聚节点（即Sink节点），汇聚节点
2、通过串口将收集的传感器数据发送到PC，通过PC上的SNAMP可视化后台软件观看光强的实时曲线。2 主要内容与基本要求运用星型网络结构建立一个通信模型，实现点对点通信，熟练掌握运用利用C编写程序，熟练运用SNAMP可视化软件观测通信情况。3 计划进度2009年3月份之前完成开题报告，2009年5月20号之前完成全部实验，2009年6月份之前完成毕业论文。4 主要参考文献1 李建中，李金宝，石胜飞传感器网络及其数据管理的感念、问题与进展J 软件学报，2003(10)：1717-17252 陈丹，郑增威，李际军无线传感器网络研究综述J计算机测量与控制，2004(8)：701-704起讫日期：2008
3、年12月8日 至 2009年6月5日 指导教师签名 职称 年 月 日四、 分院审核意见负责人签名 年 月 日毕业设计（论文）工作记录卡学 生 姓 名： 日 期写 作 环 节主 要 工 作 内 容指导教师签字2009.12.8选 题（选题）老师发布课题，我们选择课题2009.02.21-2009.03.1开题报告（搜集资料）根据课题内容收集相关的资料2009.03.1-2009.03.6搜集资料（开题报告）根据收集到的资料、课题的内容以及翻译好的材料撰写开题报告2009.05.21初 稿（总体方案设计分析）在实验部分结束以后，根据实验开始写论文2009.05.28二 稿（设计计算和工作图）对论文
4、进行第一次修改，主要注重论文的内容和借鉴的材料是否符合课题要求2009.06.3定 稿 （说明书撰写）对论文进行第二次修改，主要注重论文的格式毕业设计（论文）工作指导卡学 生 姓 名指 导 教 师何小其计 划 进 程 表日 期工 作 内 容完 成 情 况2009.03.7-2009.03.15熟悉开发环境完成2009.03.16-2009.04.10程序编写和调试完成2009.04.11-2009.05.20进行通信实验完成2009.05.10-2009.05.20完成传感器之间的通信完成2009.05.21-2009.06.5撰写论文完成指 导 教 师 检 查 答 疑 记 录日 期检 查 答
5、 疑 内 容指导教师签字学 生 请 假 记 录日 期请 假 原 因指导教师签字摘 要无线传感器网络是一种新兴的网络，一般具有大规模、自组织、随机部署、环境复杂、传感器节点资源有限、网络拓扑经常发生变化的特点。无线传感器网络的这些特点决定了拓扑控制在无线传感器网络研究中的重要作用，同时这些特点也使得它的拓扑控制研究具有挑战质量性。本文通过在GAINS-3平台上以GAINS433MAC库为支持开法的星型网络通信，借助于SNAMP可视化后台软件观看来观察1个sink节点和3个普通节点之间的光强的实时曲线。关键词：无线传感器网络；拓扑结构；SNAMP；星型网络AbstractWireless sens
6、or networks is an emerging network, generally a large-scale, self-organization, random deployment, the complexity of the environment, sensor nodes with limited resources, frequent changes in network topology characteristics. Wireless sensor network characteristics of these topology control in wirele
7、ss sensor networks to the important role of research and at the same time these characteristics of the topology also makes it challenging to control the quality of research.In this paper, through the GAINS-3 platform and GAINS433MAC law library to support the opening of the star-shaped network commu
8、nications, through the use of SNAMP Views visualization software to observe the background a sink node and 3 ordinary nodes between the light intensity curve of the real-time.Keywords: Wireless Sensor Network；Topology；SNAMP；Star Network目 录摘 要IAbstractII第一章 概 述11.1无线传感器网络的应用11.1.1军事应用11.1.2环境观测和预报系统2
9、1.1.3理疗护理21.1.4智能家居31.1.5建筑物状态控制31.1.6其他方面地应用41.2存在的问题51.3路由协议分类6第二章 拓扑控制72.1网络拓扑结构的形成72.1.1星型网络的形成72.1.2点对点网络的形成82.2拓扑结构意义92.3拓扑控制的目标和分类102.4拓扑控制的评价标准112.5星型网络的拓扑12第三章 实验平台及软件153.1GAINS实验平台介绍153.2ATmega128L芯片介绍163.3WinAVR和AVRstudio软件介绍183.4GAINS433MAC库介绍183.5SNAMP后台软件介绍19第四章 星型网络通信设计214.1实验思路214.2程
10、序设计214.2.1Main()函数214.2.2Init()函数224.2.3SensordataReady()函数244.2.4LLCdataTask()函数264.2.5LLCDataMsgSend()函数274.2.6MACUnicastMsg()函数284.2.7ReceiveDone()函数304.2.8uartDebug_txPacket()函数314.2.9其他函数功能描述324.3实验实现及结果33第五章 总结及展望37参考文献38致 谢39第一章 概 述1.1 无线传感器网络的应用 随着微机电系统的迅速发展，片上系统SoC(System on Chip)得以实现，一块小小的
11、芯片可以传递逻辑指令，感知现实世界，乃至作出反应。无线传感器网络WSN(Wireless Sensor Network)，这一由大量体积小、成本低、具有无线通信、传感、数据处理和具有片上微处理能力的微型传感器节点(sensor node)组成的网络1,2，引起了工业界和学术界众多研究者的关注3。传统的传感器网络通常由两种节点：传感器节点(sensor)和接收器节点(sink)组成。传感器节点负责对事件的感知和数据包的传输；接收器节点则是数据传输的目标节点，一般具有人机交互界面，并可以接人其它类型的网络体系。传感器网络以其低成本、低功耗的特点，在军事、环境监测、医疗健康等领域都有着广泛的应用4,
12、5。1.1.1 军事应用传感器网络具有快速部署、可自控制、隐蔽性强和容错性高地特点，因此非常适合在军事上应用。利用传感器网络能过实现对敌军兵力和装备地监控、战场地实时监视、目标定位、战场评估、核攻击核生物化学攻击地检测和搜索等功能。通过飞机或者炮弹直接将传感器节点播撒到敌方阵地内部，或者在公共隔离带部署传感器网络，就能够非常隐蔽而且近距离准确地收集战场信息，迅速获得有利于作战地信息。传感器网络标识由大量地随机分布地节点组成的，即使一部分传感器节点被敌方破坏，剩下地节点依然能够自组织地形成网络。传感器网络可以通过分析采集到地数据，得到十分准确的目标定位，从而为火控和制导系统提供精准的制导。利用生
13、物和化学传感器，可以准确地探测到生化武器地成分，及时提供情报信息，有利于正确防范和实施有效地反击。传感器网络己经成为军事C4ISRT(command, control, communication, computing, intelligence, surveillance, reconnaissance and targeting)系统必不可少地一部分，受到军事发达国家地普遍重视，各国均投入了大量的人力和财力进行研究。美国DARPA(Defense Advance Research Projects Agency)很早就启动了SensIT (Sensor Information Techno
14、logy)计划。该计划的目的就是将多种类型的传感器、可编程的通用处理器和无线通行技术组合起来，建立一个廉价的无处不再的网络系统，可以检测光学、声学、震动、磁场、温度、毒物、压力、湿度、加速度等物理量。1.1.2 环境观测和预报系统随着人们对于环境的日益关注，环境科学所涉及的范围越来越广泛。传感器网络在环境研究方面可用于监视农作物灌溉情况、土壤空气情况、家畜和家禽的环境状况和大面积地地表检测等。可用于行星探测、气象和地理研究、洪水监测等，还可以通过跟踪鸟类、小型动物和昆虫进行种群复杂度地研究等。基于传感器网络地ALERT系统中就由数种传感器用来监测降雨量、河水水位和土壤水分，并依次预测爆发山洪地
15、可能性。类似地，传感器网络可以实现对森林环境监测和火灾报告，传感器节点被随机密布在森林中，平常状态下定期报告森林环境数据，当发生火灾时，这些传感器节点通过协同合作会在短时间内将火源地具体地点、火势地大小等信息传送到相关部门。传感器网络还是一个最重要应用就是生态多样性地描述，能过进行动物栖息地地生态监测。美国加州大学分校Intel实验室和大西洋学院联合在达鸭岛(Great Duck Island)上部署了一个多层次地传感器网络，用来监测岛上海燕地生活习性。1.1.3 理疗护理传感器网络在医疗系统和健康护理方面地应用包括监测人体地各种生理数据，跟踪和监控医院内医生和患者地行动，医院地药物管理等。如
16、果在住院病人身上安装特殊地传感器节点，如心率和血压监测设备，医生利用传感器网络就可以随时了解被监护病人的病情，发生异常能迅速抢救。将传感器节点按药品种类分别放置，计算机系统即可帮组辨认所开的药品，从而减少病人用错药的可能性。还可以利用传感器网络长时间地收集人体地生理数据，这些数据对了解人体生活机理和研究新药品由都非常有用。人工视网膜时意向生物医学地应用项目。在SSIM(Smart Sensors and Integrated Microsystems)计划中，替代视网膜地芯片由100个微型传感器组成，并置入人眼，目的是使失明者或者视力极差者能够恢复到达一个能够接受地视力水平。传感器地无限通信满
17、足反馈控制地需要，有利于图像地识别和确认。1.1.4 智能家居传感器网络能够应用在家居中。在家电和家具中嵌入传感器节点，通过无限网络与Internet连接在一起，将会为人们提供更加舒适、方便和更具有人性化地智能家居环境。利用远程监控系统，可完成对家电地远程遥控，例如可以在回家之前半小时打开空调，这样回家地时候就可以直接享受适合地室温，也可以遥控电饭锅、微波炉、电冰箱、电话机、电视机、录像机、电脑等家电，按照自己地意愿完成相应地煮饭、烧菜、查收电话留言、选择录制电视和电台节目以及下载网上资料达鸭岛电脑中等工作，也可以通过图像传感设备随时监控家庭安全情况。利用传感器网络可以建立智能幼儿园，监测孩童
18、地早期教育环境，跟踪孩童地活动轨迹，可以让父母和学校全面地研究学生地学习过程，回答一些诸如：“学生A是否总是戴在某个学习区域？”“学生B是否常常独处？”等问题。1.1.5 建筑物状态控制建筑物状态控制(structure health monitoring ,SHM)是利用传感器网络来监控建筑物地安全状态。由于建筑物不断修补，可能会存在一些安全隐患。虽然地壳偶尔地小震动可能会带来看得见地损坏，但是也许会在支柱上产生潜在地裂缝，这个裂缝可能会在下一次地震中导致建筑物倒塌。用传统方法检查，往往要将大楼关闭数月。作为CITRIS(Center of Information Technology Re
19、search in the Interest of Society)计划的一部分，美国加州大学伯克利分校的环境工程和计算机科学家们采用传感器网络，让大楼、桥梁和其他建筑物能够自身感知并意识到它们本身的状况，使得安装了传感器网络的智能建筑物可以自动告诉管理部门它们的状态信息，并且能够自动按照优先级来进行一系列自我修复工作。未来的各种摩天大楼可能会装备这种类似红绿灯的装置，从而建筑物可以告诉人们当前是否安全、稳固程度如何等信息。1.1.6 其他方面地应用复杂机械的维护经历了“无维护”、“定时维护”、“基本情况的维护”三个阶段。采用“基本情况的维护”方式能够优化机械的使用，保持过程更加有效，并且保证
20、执照成本仍然低廉。其维护开销可以分为几部分：设备开销、安装开销和人工收集分析机械状态数据的开销。采用无限传感器网络能够降低这些开销，特别是能够去掉人工开销。尤其是目前数据处理硬件技术的飞速发展和无线收发硬件的发展，新的技术已经成熟，可以使用无限技术避免昂贵的线缆连接，采用专家系统自动实现数据的采集和分析。传感器网络可以应用于空间探索。借助于航天器在外星体撒播一些传感器网络节点，可以对星球表面进行长时间的监测。这种方式成本很低，节点体积小，相互之间通信，也可以和地面站进行通信。NASA的JPL(Jet Propulsion Laboratory)实验室研究制的Sensor Webs就是为将来的火
21、星探测进行技术准备。该系统已在佛罗里达宇航中心周围的环境检测项目实施测试和完善。2003年计算机世界第8期题为“智能微尘（smart dust，英特尔公示提出并将要开发的体积微笑的传感器节点）：魔鬼还是天使？”的文章支出：智能微尘能带来的用途是显而易见的。就以我国西气东输以及输油管道的建设为例，由于这些管道在很多地方要直接穿越大片荒无人烟的地区，这些地方的管道监控抑制都是道难题，传统的人力巡查几乎是不可能的事，而现在的监控产品，往往复杂且昂贵。智能微尘的成熟产品布置在管道上将可以实时的监控管道的情况。一旦由破损或恶意破坏都能在控制中心实时了解道。如果智能微尘成熟，仅西气东输这样的一个工程就可以
22、节省上亿元的资金。电力监控方面也是如此，因为一旦送出就无法保存，所以电力管理部门一般都会要求下级部门每月层层上报地区用电要求，并根据需求配送。大师使用人工报表的方式根本无法准确统计这项数据，国内有些地方供电局就常常因为数据误差太大而遭商机部门的处罚。如果使用智能微尘来监控每个用电点的用电情况，这种问题就将迎刃而解。加州大学伯克利分校的研究员称，如果美国加州将这种产品用于电力使用状况监控，电力调控总新每年将可以节省78亿美元。1.2 存在的问题虽然传感器网络在某种程度上可以视为一种ad hoc网络，但相对于一般意义上的ad hoc网络来说，它面临的环境更加复杂多变，其节点部署更为密集，节点能量更
23、加有限，无线链路更加容易受到干扰，节点更加容易失效，所以必须研究适应于传感器网络的、面向具体应用的、更为高效的拓扑控制算法。无线传感器网络因为其在应用中面临的严重挑战而成为信息工程领域最引人关注的研究课题之一。在对该领域详细分析后，其在设计方面面临的挑战主要有以下几个方面： （1）生存时间：无线传感器节点由于受到电池能量影响而在使用寿命上被严重限制。目前的碱性原料电池还不能保证节点连续工作一个月的能量消耗，对于有需要长时间监测和不易更换电池需求的大型传感器网络有较大差距，这也是目前多数研究者在研究传感器网络协议时将能效作为网络设计首要目标的原因。生存时间的问题可通过硬件技术和网络构架技术两方面
24、加以该进。从硬件技术上来讲，涉及到工业设计等许多问题。 （2）鲁棒性：提供大范围的高质量覆盖应用是无线传感器网络的重要使命。在此类应用中，传感器、通信节点等设备成本低廉。正因如此，这些设备并不非常可靠而且在某些情况下的误差较大，保持鲁棒性是确保整个网络系统在少数节点发生错误后仍能维持网络性能的关键。如何使在苛刻条件(如沙漠地区)或危险地带(如敌军区域)布置的传感器网络拥有良好的鲁棒性是一个严峻的挑战。 （3）协同信号处理能力：目前无线传感器网络设备在处理器、存储、无线收发机以及传感器感知精度等方面的能力有限。如果仅仅对系统硬件设备提升需要巨大代价。作为一种典型的分布式网络结构，如何设计传感器节
25、点间的协同以更加快速有效完成信号过滤、数据汇集、协同定位等任务相当具有挑战性。（4）网络的自配置性：由于无线传感器网络在许多应用中其节点规模较大，其在无人值守的条件下，不可能在布置网络后再进行人工调整.网络开始工后，拓扑结构的动态调整、节点定位、时间同步以及坐标校准、内部节点通以及测量参数的决定等多方面需要网络本身有较高的自配置性。因此无线传感器网络的自配置性是一个非常关键的问题。1.3 路由协议分类针对不同的传感器网络应用，研究人员提出了不同的路由协议。但到目前为止，仍缺乏一个完整和清晰的路由协议分类。从具体应用角度出发，根据不同应用的传感器网络各种特性的敏感度不同，将路由协议分为四种类型。
26、四种类型的路由协议分别是：（） 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，早期提出的一些传感器网络路由协议往往仅考虑了能量因素。为了强调高效利用能量的特征，在此将它们划分为能量感知路由协议。能量感知路由协议从数据传输中的能量消耗出发，讨论最优能量消耗路径以及最长网络生存期等问题。（） 基于查询的路由协议。在诸多环境检测、战场评估等应用中，需要不断查询传感器节点采集的数据，汇聚节点发出任务查询命令，传感器节点向查询节点报告采集的数据。在这类应用中，通信流量主要是查询节点和传感器节点之间的命令和数据传输，同时传感器节点的采集信息在传输路径上通常要进行数据融合，通过减少通
27、行流量来节省流量。（） 地理位置路由协议。在诸如目标跟踪类应用中，往往需要唤醒距离跟踪目标最近的传感器节点，以得到关于目标的更精确位置等相关信息。在这类应用中，通常需要知道目的节点的精确或者大致地理位置。把节点的位置信息作为路由的选择依据，不仅能够完成节点路由功能，还可以降低系统专门维护路由协议的能耗。（） 可靠的路由协议。无线传感器网络的某些应用对通信的服务质量有较高要求，如可靠性和实时性等。而在无线传感器中，链路的稳定性难以保证，通信信道质量比较低，拓扑变化比较频繁，要实现服务质量保证，需要设计相应的可靠路由协议。第二章 拓扑控制无线传感器网络是一种新兴的网络，一般具有大规模、自组织、随机
28、部署、环境复杂、传感器节点资源有限、网络拓扑经常发生变化的特点2。无线传感器网络的这些特点决定了拓扑控制在无线传感器网络研究中的重要作用，同时这些特点也使得它的拓扑控制研究具有挑战质量性。首先，拓扑控制是一种重要的节能技术；其次，拓扑控制保证网络覆盖的和连通质量；另外拓扑控制能够降低通信干扰、提高MAC协议和路由协议的效率，为数据融合提供拓扑基础；拓扑控制能够提高网络的容量、可靠性、可扩展性等其他性能。总之拓扑控制对网络性能具有重大的影响，因而对它研究具有十分重要的意义。2.1 网络拓扑结构的形成虽然网络拓扑结构的形成过程属于网络层的功能，但IEEE802.15.4为形成各种网络拓扑结构提供了
29、充足的支持。2.1.1 星型网络的形成星型网络以网络协调器为中心，所有设备只能与网络协调器进行通信，因此在星型网络的形成过程中，第一步就是建立网络协调器。任何一个FFD设备都有成为网络协调器的可能，一个网络如何确立自己的网络协调器由上层协议决定。一种简单的策略是：一个FFD设备在第一次被激活后，首先广播查询网络协调器的请求，如果接受到回应说明网络中已经存在网络协调器，再通过一系列认证过程，设备就成为了这个网络中的普通设备。如果没有接收到回应，或者认证过程不成功，这个FFD设备就可以建立自己的网络，并且成为这个网络的网络协调器。当然，这里还存在一些更深入的问题，一个是网络协调器过期问题，如原来的
30、网络协调器损坏或者能量耗尽;另一个偶然因素造成多个网络协调器竞争问题，如移动物体阻挡导致一个FFD自己建立网络，当移动物体离开的时候，网络中将出现多个协调器。网络协调器要为网络悬着一个唯一的标识符，所有该星型网络中的设备都是用这个标识符来规定自己的属从关系。不同星型网络之间的设备通过设置专门的网关完成相互通信。选择一个标识符后，网络协调器就允许其他设备加入自己的网络，并为这些设备转发数据分组。星型网络中的两个设备如果需要相互通信，都要先把各自的数据包发送给网络协调器，然后由网络协调器转发给对方。2.1.2 点对点网络的形成点对点网络中，任意两个设备只要能够彼此收到对方的无限信号，就可以进行直接
31、通信，不需要其他设备的转发。但点对点网络中仍然需要一个网络协调器，不过协调器的功能不再是为其他设备转发数据，而是完成设备注册和访问控制等基本的网络管理功能。网络协调器的产生同样由上层协议规定，比如把某个信道上第一个开始通信的设备作为该信道上的网络协调器。簇树网络是点对点网络的一个例子，下面以簇树网络为例描述点对点网络的形成过程。图1是一个多级簇树网络的例子。2 12CLH51 3415 6 789 10 11 14 2022CID0 0 1 3 4 2 5 6 8CID1CID2CLH3CID3CID6CLH6 1 0 2 3 5CLH4CID4CID5CLH2网络协调器网络协调器簇头(CLH
32、)节点设备图1 多级簇树网络在簇树网络中，绝大多数设备是FFD设备，而RFD设备总是作为簇树的叶设备连接到网络中。任何一个FFD都可以充当RFD协调器或者网络协调器，为其他设备提供同步信息。在这些协调器中，只有一个可以充当整个点对点网络的网络协调器。网络协调器可以和网络中其他设备一样，也可以拥有比其他设备更多的计算资源喝能量资源。网络协调器首先将自己设为簇头(cluster header，CLH)，并将簇标识符(cluster identifier, CID)设置为0，同时为该簇选择一个未被使用的PAN网络标识符，形成网络中的一个簇。接着，网络协调器开始广播信标帧。临近设备接收到信标帧后，就可
33、以申请加入簇。设备可否成为簇成员，由网络协调器决定。如果请求被允许，则该设备将作为簇的子设备加入网络协调器的邻居列表。新加入的设备会将簇头作为它的父设备加入到自己的邻居列表中。上面讨论的知识一个由单簇构成的最简单簇树。PAN网络协调器可以指定另一个设备为邻接的新簇头，以此形成更多的簇。新簇头同样可以选择其他设备成为簇头，进一步扩大网络的覆盖范围。但是过多的簇头会增加簇之间消息传递的延迟和通信开销。为了减少延迟和通信开销，簇头可以选择最远的通信设备作为相邻的簇头，这样就可以最大限度地缩小不同簇间消息传递地跳数，达到减小延迟和开销地目的。2.2 拓扑结构意义在传感器网络中，传感器节点是体积微小的嵌
34、入式设备。采用有限的电池供电，它的计算能力和通信能力十分有限，所以除了能设计能量高效的MAC协议、路由协议以及应用层协议之外，还有设计优化的网络拓扑控制机制6。在传感器网络中，网络的拓扑结构控制与优化有着十分重要的意义，主要表现在以下几个方面：(1) 影响整个网络的生存时间。传感器网络的节点一般采用电池供电，节省能量是网络设计主要考虑的问题之一。拓扑控制的一个重要目标就是在保证网络连通性和覆盖度的情况下，尽量合理高效地使用网络能量，延长整个网络的生存时间。(2) 减少节点间通信干扰、提高网络通信效率。传感器网络中节点通常密集部署，如果每个节点都以大功率进行通信，会加剧节点之间的干扰，降低通信效
35、率，并造成节点能量的浪费。两一方面，如果选择太小的发射功率，会影响网络的连通性。所以，拓扑控制中的功率技术是解决这个矛盾的重要途径之一。(3) 为路由协议提供基础。在传感器网络中，只有活动的节点才能够进行数据转发，而拓扑控制可以确定由哪些节点作为转发节点，同时确定节点之间的邻居关系。(4) 数据融合。传感器网络中的数据融合指传感器节点将采用的数据发送给骨节点，骨节点进行数据融合，并把融合结果发送给数据收集节点。而骨节点的选择是拓扑控制的一项重要内容。(5) 弥补节点失效的影响。传感器节点可能部署在恶劣环境中，在军事应用中甚至部署在敌方区域中，所以很容易受到破坏而失效。这就要求对网络拓扑结构具有
36、鲁棒性以适应这种情况。虽然传感器网络在某种程度上可以视为一种ad hoc网络，但相对于一般意义上的ad hoc网络来说，它面临的环境更加复杂多变，其节点部署更为密集，节点能量更加有限，无线链路更加容易受到干扰，节点更加容易失效，所以必须研究适应于传感器网络的、面向具体应用的、更为高效的拓扑控制算法。2.3 拓扑控制的目标和分类就通常意义下的WSN而言，其拓扑控制的共性目标主要包含：保障节点间可达性、降低能量损耗、提升网络容量、减小信道干扰以及增强空间复用率等多个方面。对于某些特定应用，针对网络需求，拓扑控制的目标还涉及支持弱移动性、减小传输延迟、优化通信链路质量等其它方面。由于节点发射功率的全
37、方位扩散特征，因此WSN结构可抽象为单位圆图(unitdiskgraph，UDG)。从图论角度结合上述共性目标不难发现，经拓扑控制调整所获网络结构图应具备连通性、对称性/弱对称性、稀疏性、节点度(物理度/逻辑度)受限、平面性等基本属性。从算法中的拓扑管理方式、形成依据、实现需求等不同角度，拓扑控制算法存在多种归类方法。（1）拓扑控制算法从管理方式可划分为节点功率控制和分簇拓扑控制两类其中节点功率控制机制指通过设置或动态调整节点的通信功率，以保证网络拓扑连通、双向连通或多连通，同时尽量避免隐终端和暴露终端6问题。分簇机制采用分层结构形成处理和转发数据的骨干网络，其中非簇头节点可通过空闲休眠策略来
38、达到节能目的。功率控制适用于网络规模相对较小、对兴趣数据准确性和敏感度要求较高的网络环境，而分簇控制适用于部分节点可以实行休眠策略的大规模网络。（2）从拓扑的形成依据来看，算法可分为7几何方式和概率方式。几何方式以某种特定结构(如最小生成树(minimum spanning tree，MST)、RNG图8 (relative neighborhood graph)、GG图8 (Gabriel graph)、DT图8 (Delaney triangulation)及YG图8 (Yao graph)等来构架网络，概率方式(如几何随机图9、占位理论10、连续渗流理论11)指计算具有较好性质时的节点功
39、率和度值，并按此形成拓扑。（3）从算法的实现需求看，可分为基于精确地理位置的算法、基于方位信息的算法和基于邻居集信息的算法。（4）根据最终生成拓扑中节点功率是否一致，可区分为临界传输功率(critical transmitting range，CTR)算法和差异传输功率分配算法。（5）从算法的执行频率，可把算法分为周期性执行算法与单数据包(per-packet)调整的拓扑控制算法。（6）根据算法是否考虑节点的剩余能量问题，可分为基于能量的拓扑控制算法和非基于能量的拓扑控制算法。（7）根据算法的实现需全局网络信息还是局部网络信息，可分为基于全局信息的算法和基于局部信息的算法。2.4 拓扑控制的评
40、价标准拓扑控制要保证在一定的网络连通质量和覆盖质量的前提下，一般以延长网络生存周期为主要目标，兼顾通信干扰、网络延迟、负载均衡、可靠性、可扩展性等其他性能，形成一个优化的拓扑结构。无线传感器网络是与应用相关的，不同的应用其设计目标不尽相同，采用的拓扑结构控制手段也不尽相同。我们对于拓扑控制的评价标准一般为以下几方面：（1）连通性 拓扑控制不能使连通图G变成非连通图。也就是说，如果G中的节点u与v之间有一条(可能是多跳)路径，那么在T中也应该有这样一条路径(显然，不一定是同一条路径)。如果至少要去掉k个节点才能使网络不连通，那么就称网络是k-连通的，或者网络的连通度为k。拓扑控制要保证网络是连通
41、的(即至少1-连通)，这是拓扑控制的基本要求。（2）覆盖率 覆盖率可以看成是对传感器服务质量的度量。覆盖问题可以分为区域覆盖、点覆盖和栅栏覆盖。区域覆盖研究对目标区域的覆盖(监测)问题；点覆盖研究对一些离散的目标点的覆盖问题；栅栏覆盖研究运动物体穿越网络部署区域被发现的概率问题。相对而言，对区域覆盖的研究较多。如果目标区域中的任何一点都被k个传感器节点监测，就称网络是k-覆盖的，或者称网络的覆盖度为k。一般要求目标区域的每一个点至少被一个节点监测，即1-覆盖。（3）吞吐量化简后的网络拓扑结构应该能够支持与原始网络相似的通信量，尤其是在有大量突发事件时。设目标区域是一个凸区域，每个节点的吞吐率为
42、。在理想情况下有下面的关系式：其中：是目标区域的面积；是节点的最高传输速率；是圆周率；是大于0的常数；是源节点到目的节点的平均距离；是节点数；是理想球状无线电发射模型的发射半径。由此可以看出，减小发射半径或减小工作网络的规模，在节省能量的同时可以在一定程度上提高网络的吞吐能力。（4）鲁棒性 当在原始图G中的邻近关系发生变化时(如节点运动、失效或无线信道特性发生变化)，一些节点的拓扑信息可能会发生变化。显然鲁棒的拓扑结构只需进行少量的调整就可以避免对本地节点重新组织而造成整个网络的波动。（5）算法总开销 对于资源有限的节点来说，算法本身的开销应该小一些，如附加信息少、计算量小；另外分布式实现也是
43、一个必要条件。2.5 星型网络的拓扑星型网络由一个叫做PAN协调器的中央控制器和多个网络从设备所组成，主协调器必须是一个全功能设备，而从设备可以是全功能设备也可以简化功能设备。星型结构是指各工作站以星型方式连接成网。网络有中央节点，其他节点（工作站、服务器）都与中央节点直接相连，这种结构以中央节点为中心，因此又称为集中式网络。它具有如下特点：结构简单，便于管理；控制简单，便于建网；网络延迟时间较小，传输误差较低。但缺点也是明显的：成本高、可靠性较低、资源共享能力也较差。在星型网络中，协调器主要负责搜索一个空闲信道并在信道上建立网络、允许设备加入到网络、为设备分配网络地址、支持设备之间的绑定操作
44、、在设备之间转发数据。在ZigBee技术应用中，PAN主协调器是主要的耗能设备，一般会采用持续电力系统供电，而其他的从设备均采用电池供电。ZigBee技术的星型网络通常在家庭自动化、PC外围设备、玩具、游戏以及个人健康检查等范围比较小的方面得到应用。星型网络的拓扑结构图如图2所示。RFD网络协调器FFD 图2 星型网络的拓扑结构星型网络拓扑结构的实际应用分析，如图3为星型网络拓扑结构的实际应用图。在星型拓扑结构中，网络中的各节点通过点到点的方式连接到一个中央节点上，由该中央节点向目的节点传送信息。中央节点执行集中式通信控制策略，因此中央节点相当复杂，负担比各节点重得多。在星型网络中任何两个节点
45、要进行通信都必须经过中央节点控制。图3 星型网络拓扑结构的实际应用图星型拓扑结构现在的数据处理和声音通信的信息网大多采用星型网，目前流行的专用小交换机PBX(Private Branch Exchange)，即电话交换机就是星星网络拓扑结构的典型实例。它在一个单位内为综合语音和数据工作站交换信息提供通道，还可以提供语音信箱和电话会议等业务，是局域网的一个重要分支。在星型网中任何两个节点要进行通信都必须经过中央节点控制。因此，中央节点的主要功能有三项：当要求通信的站点发出通信请求，控制器要检查中央转接站是否有空闲的通路，被叫设备是否空闲，从而决定是否能尽力双方的物理连接;在两台设备通信过程中药维持这一通路；在通信完成或者不成功要求拆线时，中央转接站应该能拆除上述通道。由于中央节点要与多机连接，线路较多，为便于集中连线，目前多采用一种继承器(HUB)或交换设备的硬件作为中央节点。目前一般网络环境都被设计成星型拓扑结构。星型网是目前广泛而又首选使用的网络拓扑设计之一。星型结构的优点：(1) 网络结构简单，便于管理，便于大型网络的维护和调试。(2) 控制简单，建网容易，移动某个工作站非常简单。(3) 网络延迟时间较短，误码率较低。(4) 中央节点和中间接线盒有一批集中点，可方便地提供服务和网络重新配置。(5) 每个连
