1．本课题研究的背景、目的及意义

1.1 研究背景

随着通信技术、嵌入式计算技术和传感器技术的发展进步包括微电子机械系统Micro-Electro-MechanicalSystemsMEMS以及相关的接口、信号处理技术的飞速发展和日益成熟具有感知能力、计算能力和通信能力的微型传感器网络引起了人们的极大关注。无线传感器网络是由一组传感器节点以自组织的方式构成的无线网络，其目的是借助于节点中内置的形式多样的传感器协作地实时感知和采集周边环境中众多的信息并对这些信息进行处理，以可以使人们在任何时间、绝大多数地点和多种环境条件下获取大量详实而可靠的信息。从硬件上看WSN节点主要由数据采集单元、数据处理单元、无线数据收发单元以及能量单元组成通常尺寸很小具有低成本、低功耗、多功能等特点从软件上看它借助于节点中内置传感器有效探测所处区域的温度、湿度、光强度、压力等环境参数以及待测对象的电压、电流等物理参数并通过无线网络将探测信息传送到数据汇聚中心 进行处理、分析和转发。无线传感器网络综合了传感器技术、嵌入式计算技术、分布式信息妙理技术和通信技术。它是一种由传感器节点构成的网络能够实时地监测、感知和采集节点部署区的观察者感兴趣的感知对象的各种信息如光强、温度、湿度、噪音和有害气体浓度等物理现象并对这些信息进行处理后以无线的方式发送出去通过无线网络最终发送给观察者。无线传感器网络在军事侦察、环境监测、医疗护理、智能家居、工业生产控制以及商业等领域有着广阔的应用前景。

由于传感器网络的巨大应用价值它已经引起了世界许多国家的军事部门、工业界和学术界的极大关注。美国《技术评论》2003年1月号上《技术评论》的编辑们认为有十种新兴技术在不远的将来会产生巨大影响、其中第一项就是无线传感器网络。美国国防刻和各军事部门都对传感器网络给予了高度重视。在C4ISR的基础上提出了C4KISR计划强调战标情报的感知能力、信息的综合能力和信息的利用能力把传感器网络作为一个重要研究领域设立了一系列的军事传感器网络研究项目。在民用领域2002年美国Intel公司发布了基于微型传感器网络的新型计算发展规划。今后Intel将致力于微型传感器网络在预防医学、环境监测、森林灭火乃至海底板块调查、行星探查等领域的应用。伯克利实验室和大西洋学院的研究人员计划部署和使用无线传感器网络来研究岛上环境。这些传感器由温度、湿度、气压等芯片和红外线传感器组成。科学家们使用这些设备可以在不干扰野生动植物正常生活的情况下监视它们及其生存环境。

然而新的技术又会引发新的问题，这主要是无线传感器节点的供电问题。无线传感器网络大部分是采用电池供电，工作环境通常比较恶劣，而且数量大更换电池非常困难所以低功耗是无线传感器网络最重要的设计准则之一。在网络节点有些模块不工作或者处于休眠状态时就可以将其供电电路断开以节约用电当有指令将其唤醒时则接通其供电电路以保证系统的正常工作。这样便可有效节约电能延长电池的供电时间和使用寿命同时也保证了整个网络系统的工作质量。无线传感器网络节点的四个主要组成部分分别是传感器模块处理器模块无线通讯模块和电源模块。

随着计算机网络的发展，网络规模和网络应用的迅速增长，对网络的性能评估、协议开发和测试都有了新的需求。由于计算机仿真技术是一个以系统模型为对象的研究方法，利用计算机快速计算的能力，用极短的时间模拟实际系统中的较长周期。因此，计算机仿真技术具有极其重要的应用意义。随着新的网络技术的不断涌现和数据网络变得越来越复杂，网络仿真技术的需求越来越迫切，网络仿真的应用越来越广泛，网络仿真已成为科研、规划、设计网络不可或缺的工具。无线传感网络现在仍面临很多挑战，比如网络部署、覆盖、联通、负载均衡、能耗统计等，这些靠传统的在实验室通过物理实验验证研究都很难甚至无法实现。因此，无线传感网络的仿真技术应运而生。无线传感网络是由部署在监测区域内大量的微型传感器节点组成，通过随机自组织无线通信方式形成的网络系统。传感器节点的有限处理能力、存储能力、通信能力以及能量问题，决定了无线传感器网络在真实环境大规模部署前，必须对其性能、运行稳定性等因素进行测试，通过整合网络资源以使网络最优化。WSN的仿真方法必须具备以下五项关键特性：可伸缩性、完整性、可信性、桥梁作用、具有能量模型。基于无线传感器网络的自身特点，无线传感器网络仿真模拟技术主要解决完整性、能耗模拟、大规模节点网络、可扩展性、高效性、异构性等问题。

（1）完整性：无线传感器网络高度的应用相关性，使网络没有严格的层次划分，要求模拟器必须对节点的执行进行完整模拟。

（2）能耗模拟：要求模拟器能对能量供应源、消耗源进行建模，支持能量仿真，对能耗有效性进行评价。

（3）大规模节点网络：要求模拟器能同时模拟尽可能多的节点执行情况，适应大规模网络部署的需要。

（4）可扩展性：模拟器能够根据不同的需要、应用环境进行功能扩展。

（5）高效性：即仿真效率，要求模拟器用较短的时间、较少的内存占用量实现尽可能大规模的网络模拟。

（6）异构性：传感器节点应该根据目标任务的不同来运行不同的应用，因此要求模拟器应具备模拟异构网络的功能。

1.2 无线传感器网络仿真研究现状

无线传感器网络由分布在一定空间范围的大量传感节点组成，节点间多以无线多跳的无中心方式连接，能够协作地感知、采集和处理网络覆盖区域内目标对象的信息，并返回给观测节点。网络节点数量众多但资源受限，很难通过分析法对其进行协议研究和性能评估，原型试验法则效率偏低且代价过高。网络仿真可根据应用需求和评价指标设计网络模型，获取在不同网络参数和业务流量条件下的运行数据，分析并验证网络设计方案，非常适合于无线传感器网络研究。无线传感器网络中节点资源有限，因此应在满足特定应用所需的功能和性能条件下，尽可能延长网络生命周期。系统评价指标必须结合传统的网络通信性能、能耗控制和基础功能实现来进行。

无线传感器网络仿真是评估WSN性能的有效方法之一，其优越性体现在初期应用成本不高，构建好的网络模型可以延续使用，后期投资不断下降。因此，一种好的WSN仿真平台的关键技术研究相当重要。目前，主流的仿真平台分为两种：一是通用性的仿真平台，主要包括OPNET、NS2和OMNET，其中NS2是一个开源软件，所有代码都是公开的，但对无线传感网络传输层来说，OMNET的仿真效果不如其他仿真软件好。二是基于TinyOS的仿真平台，TinyOS是一种无线传感器网络的操作系统，其复杂程度和学习难度比通用型的要大得多。当前，无线网络仿真的主流平台多种多样，商业版仿真软件主要有Mil3公司的OPNET、Cadence公司的VCC等软件。这些软件价格昂贵。广泛使用的免费仿真软件是NS2、TOSSIM及OMNeT 等。从以上分析和研究可以看出，在软硬件资源有限、仿真环境多样性的情况下，WSN仿真技术首先要能在能耗模型、节点行为、底层协议、抽象算法、网络异构及环境仿真等方面实现；其次，仿真技术还要具备完整性、可信度和伸缩性等功能。特别是在路由传输协议方面，如平面路由协议和聚类路由协议[5]，需要从传统编程式路由算法协议(如：LEACH，BCDCP，PEGAGSIS，PEDAP)过渡到智能型路由协议(如：基于多智能体的WSN、基于模糊控制、神经网络的WSN数据融合路由算法、ACRA、Ant-Net等)。人工智能技术的高速发展，使得WSN具有学习能力的群体智能行为，使之能协同工作，这方面可能成为今后一个重点研究方向。当然，硬件技术的提高，如量子计算机的出现、高效的电池蓄电能力及存储技术等，对WSN也起到推动作用。

目前的仿真研究方法有多种，比如拓扑仿真，网络拓扑类似于路线图．它详细描述了关键的网络构件。诸如节点和链路是如何互连的。目前，常用的互连方案有点到点网络、广播网络和多点网络。其中点到点网络由仅能与相邻设备通信的节点组成（相邻节点是指相互邻接的节点）．它包括数千个相邻节点间互连的节点，这些相邻节点再连接到其他相邻节点，以此类推。如果一个节点需要与不相邻的节点通信，则可通过其他相邻的节点间接地完成通信。源节点先将消息传输到相邻节点，然后按顺序在各中间节点传输直到最终达到目的节点，。从相邻节点传输数据到另一节点的过程称为桥接或路由。目前最常见的点到点拓扑有星形、环形、树形和总线形4种类型。再如可靠性仿真，可靠性仿真的基本方法及步骤为：建立可靠性数据库，构造故障树，建立可靠性模型，建立可靠性仿真模型，编制仿真程序，可靠性仿真试验，可靠性仿真结果分析与评定。可靠性仿真的优点是：提高系统可靠性，节省可靠性投入，提高可靠性分析的精度，应用范围广，通用性好。其应用前景广阔，多用于电子、机械等可靠研究，对提高产品可靠性起到了明显的效果。因此，随着随着可靠性分析及仿真软件的逐渐成熟，许多可靠性仿真工作可以借助于软件实现，大大减少了程式化的工作。大家都在做某些方面仿真，往往专业性较强，非专业人员难以快速上手，我们要开发一些基本框架、基本模块，别人在此基础上更容易仿真系统或某些局部。

2．本课题主要研究内容

网络仿真是近年来兴起的一项专门技术。通信领域的各种网络系统，包括核心网、接入网、无线网络、卫星网络以及各种混合型网络等，都可以通过软件手段进行网络仿真，以辅助我们分析网络性能，进行网络规划和设计。本课题以OPNET Modeler作为一种主流网络仿真软件，为通信网络和分布式系统的建模提供了全面的模拟仿真开发环境。OPNET通过执行离散事件仿真来分析各种模拟系统的行为和性能。OPNET Modeler将各个仿真研究阶段所需要的工具相整合，组成了一个由模型设计工具、仿真核心、数据收集工具和数据分析工具有机结合起来的大型仿真系统。

OPNET Modeler为通信网络和分布式系统的建模和性能评估提供了一个综合的开发环境和分析平台。在进行具体的网络仿真时，需要按照OPNET的仿真流程进行仿真。仿真流程可以使仿真思路清晰，结构明确。典型的仿真流程如下：

(1)了解需求：收集和分析网络工程设计文档；

(2)建模：建立进程模型、网络对象模型和网络模型；

(3)配置网络流量：配置应用、分布、背景流量来模拟实际网络环境中的负载情况；

(4)仿真：定义要进行收集的数据，配置和运行仿真，自动收集统计数据；

(5)数据分析：根据仿真收集到的数据，查看仿真效果，验证模型和仿真方法的正确性，或者比较设计方案的优劣，从而为解决实际网络中的问题提供帮助。

(6)重复试验：根据数据分析的结果，调整网络设计或系统设计方案，反复试验，直到取得预期的效果。

3．本课题拟采用的研究方法、步骤

（1） 理解仿真的目的；

（2）熟悉网络仿真软件opnet,了解各流程及作用；

（3）确定输入，运行仿真；

（4）检测系统运行结果是否精确、详细；

（5）检测结果是否统计可用，一般运行仿真要获得一个稳定的状态。

（6）试用并修改发现的BUG。

4．本课题主要参考文献

[1] 高嵩，OPNET Modeler仿真建模大解密，电子工业出版社，2004.

[2] 李馨、叶明，OPNET Modeler网络建模与仿真，西安电子科技大学出版社.

[3] 龙华， OPNET Modeler与计算机网络仿真，西安电子科技大学出版社,2005.

[4] 陈敏，opnet网络仿真，电子工业出版社，2012.

[5] 百度百科，百度文献.

5．本课题的具体进度安排（包括序号、起迄日期、工作内容）

（1） 2022年3月2日～3月15日，（2周）:前期材料准备,学习和了解opnet功能和特点、典型应用，撰写开题报告。

（2） 3月16日～3月29日（2周）：学习opnet软件，学习基本使用。

（3）3月30日～5月10日（5周）：详细设计阶段，在opnet上实现系统架构、通信进程等设计，包括四个方面内容：典型的无线传感网络系统体系结构项目程序；应用包格式编辑器开发的Modbus通信协议数据帧格式模型；应用进程编辑器设计的典型的无线传感网络通信进程模型；应用节点编辑器设计的典型的工业无线传感网络节点模型。

（4） 5月11日～5月24日（2周）：系统联合调试，进行优化设计工作。

（5） 5月25日～6月7日（2周）：毕业论文撰写。

（6） 6月8日～6月20日（2周）：总结成果，准备论文答辩。