【正文】 最好的選擇。 我們注意到傳感器是為了監(jiān)控不同位置的條件，比如溫度、聲音、振動，壓力、運(yùn)動的信息，所以其安裝位置一般來說都是具有典型代表性的。特別對于一些特定環(huán)境中，例如古建筑、惡劣的污染壞境，布線困難或者無法 布線的情況，采用無線方式傳感器網(wǎng)絡(luò)是較為合適的。 山于傳感器種類繁多，其數(shù)據(jù)特性也各不相同。所以構(gòu)造一個萬能的傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)上非常復(fù)雜，代價也很高。因此構(gòu)造一些較小的，靈活的子網(wǎng)絡(luò)，再由這些子網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造一個大的網(wǎng)絡(luò)成為較為通用的做法。當(dāng)前無線傳輸設(shè)備小型化，低功耗化，使得無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建成為可能。 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn) 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種獨(dú)立出現(xiàn)的計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，它的基本組成單位是節(jié)點(diǎn)，這些節(jié)點(diǎn)集成了傳感器、微處理器、無線接口和電源四個模塊。傳統(tǒng)計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)中業(yè)已成熟的解決方案可以借鑒到無線傳感 器網(wǎng)絡(luò)中來。但是基于光線傳感器網(wǎng)絡(luò)自身的用途和優(yōu)點(diǎn)，開發(fā)專用的通信隊議和路由算法已經(jīng)成為了當(dāng)前無線傳感器網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域內(nèi)急待研究的課題。 畢業(yè) 論文 3 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有以下特點(diǎn)： （ 1）無線傳感器網(wǎng)絡(luò)包括了大面積的空間分布：比如在軍事應(yīng)用方面，可以將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)部署在戰(zhàn)場上跟蹤敵人的軍事行動，智能化的終端可以被大量地裝在宣傳品、子彈或炮彈殼中，在目標(biāo)地點(diǎn)撒落下去，形成大面積的監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)。 （ 2）源受限制：網(wǎng)絡(luò)中每個節(jié)點(diǎn)的電源是有限的，網(wǎng)絡(luò)大多工作在無人區(qū)或者對人體有傷害的惡劣環(huán)境中，更換電源幾乎是不可能的事，這勢必要求網(wǎng)絡(luò)功 耗要小以延長網(wǎng)絡(luò)的壽命，而且要盡最大可能的節(jié)省電源消耗。 （ 3）網(wǎng)絡(luò)的自動管理和高度協(xié)作性：在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，數(shù)據(jù)處理由節(jié)點(diǎn)自 身完成，這樣做的目的是減少無線鏈路中傳送的數(shù)據(jù)量，只有與其他節(jié)點(diǎn)相關(guān)的信息才在鏈路中傳送。以數(shù)據(jù)為中心的特性是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的又一個特點(diǎn)，由于節(jié)點(diǎn)不是預(yù)先計劃的，而且節(jié)點(diǎn)位置也不是預(yù)先確定的，這樣就有一些節(jié)點(diǎn)由于發(fā)生較多錯誤或者不能執(zhí)行指定任務(wù)而被中止運(yùn)行。為了在網(wǎng)絡(luò)中監(jiān)視目標(biāo)對象，配置冗余節(jié)點(diǎn)是必要的，節(jié)點(diǎn)之間可以通信和協(xié)作，共享數(shù)據(jù)，這樣可以保證獲得被監(jiān)視對象比較全面的數(shù)據(jù)。 （ 4）以數(shù)據(jù)為中心：在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，人們只關(guān)心某個區(qū)域的某個觀測指標(biāo)的值，而不會去關(guān)心具體某個節(jié)點(diǎn)的觀測數(shù)據(jù)。以數(shù)據(jù)為中心的特點(diǎn)要求傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計必須以感知數(shù)據(jù)管理和處理為中心。 （ 5）網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)拓?fù)?、多跳路由：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一個動態(tài)的網(wǎng)絡(luò)。一個節(jié)點(diǎn)可能會因為電池能量耗盡或其他故障從運(yùn)行網(wǎng)絡(luò)中退出；也可能由于工作的需要而被添加到網(wǎng)絡(luò)中。這些都會使網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)隨時發(fā)生變化，因此網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該具有動態(tài)拓?fù)浣M織功能。由于網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)通信距離有限，如果希望與其射頻覆蓋范圍之外的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，則需要通過中間節(jié)點(diǎn)進(jìn) 行路。 無線技術(shù)和傳感器技術(shù)的不斷進(jìn)步是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的直接推動力。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展是由傳感器網(wǎng)絡(luò)開始的，從年代上，傳感器網(wǎng)絡(luò)大致可以分為四代。 早在上世紀(jì) 70年代，就出現(xiàn)了將傳感器采用點(diǎn)對點(diǎn)的通信方式，這樣所連接的傳感器便構(gòu)成傳感器網(wǎng)絡(luò)的雛形，我們可以把它歸之為第一代傳感器網(wǎng)絡(luò)。 20世紀(jì) 80年代，隨著相關(guān)學(xué)科的不斷發(fā)展和進(jìn)步，傳感器網(wǎng)絡(luò)同時具有了獲取多種信息的綜合處理能力，并可通過串行或并行等接口與控制器相關(guān)聯(lián)，組成了有信息綜合和處理能力的傳感器網(wǎng)絡(luò)，這是第二代傳 感器網(wǎng)絡(luò)。 從上世紀(jì)末開始，現(xiàn)場總線技術(shù)開始應(yīng)用于傳感器網(wǎng)絡(luò)，人們用其組建智能化傳感器網(wǎng)絡(luò)，大量多功能傳感器被運(yùn)用，第三代傳感器網(wǎng)絡(luò)逐漸形成。 第四代傳感器網(wǎng)絡(luò)采用大量的具有多功能多信息獲取能力的傳感器，在通信方式上采用自組織無線接入，從而構(gòu)成了現(xiàn)代意義的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)起始于 20世紀(jì) 90年代術(shù)期，最早用于軍事上戰(zhàn)場信息的收集。最早的代表性論述出現(xiàn)在1999年，題為“傳感器走向無線時代”。隨后在美國的移動計算和網(wǎng)絡(luò)國際會議上，提出無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是下世紀(jì)面臨的一個發(fā)展機(jī)遇。 2020年 10月 24日 ，美國英特爾公司發(fā)布了“基于微型傳感器網(wǎng)絡(luò)的新型計算發(fā)展規(guī)劃”。在美國自然科學(xué)基金委員會(Natural Science Foundation， NSF)的推動下，加州大學(xué)伯克利分校、麻省理工學(xué)院、康奈爾大學(xué)、加州大學(xué)洛杉磯分校等大學(xué)研究了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)理論和關(guān)鍵技術(shù)。 2020年，美國《技術(shù)評論》雜志在論述未來新興十大技術(shù)時，無線傳感器網(wǎng)畢業(yè) 論文 4 絡(luò)被列為第一項未來新興技術(shù)。同年，美國《商業(yè)周刊》未來技術(shù)專版，在論述四大新技術(shù)時，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)也被列入其中。美國《今同防務(wù)》雜志更認(rèn)為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用和發(fā)展，將 引起一場劃時代的軍事技術(shù)革命和未來戰(zhàn)爭的變革。 2020年IEEE Spectrum雜志發(fā)表一期專集：傳感器的國度，論述了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展和可能的廣泛應(yīng)用。 在國內(nèi)，現(xiàn)代意義的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)及其應(yīng)用研究首次正式出現(xiàn)在 1999年中國科學(xué)院《知識創(chuàng)新工程試點(diǎn)領(lǐng)域方向研究》的“信息與自動化領(lǐng)域研究報告”中，并作為該領(lǐng)域提出的 5個重大項目之一。隨著知識創(chuàng)新工程試點(diǎn)工作的深入， 2020年中國科學(xué)院依托上海微系統(tǒng)所成立了微系統(tǒng)研究與發(fā)展中心，中心在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)方向陸續(xù)部署了若干重大研究項目和方向性項目。 2020年初 ，中國科學(xué)院召開了關(guān)于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的研討會，共商無線傳感器網(wǎng)絡(luò)下一步的工作?！秶抑虚L期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要 (2020． 2020)》在支持的重點(diǎn)領(lǐng)域及其優(yōu)先主題信息產(chǎn)業(yè)及現(xiàn)代服務(wù)業(yè)中列入了“傳感器網(wǎng)絡(luò)及智能信息處理”，并在自訂沿技術(shù)中重點(diǎn)支持“自組織傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)”。我國國家自然科學(xué)基金 2020年將網(wǎng)絡(luò)傳感器中的基礎(chǔ)理論和關(guān)鍵技術(shù)列入計劃， 2020年國家自然科學(xué)基會將水下移動傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)列為研究重點(diǎn)。 目前無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用主要集中在以下領(lǐng)域： 環(huán)境的監(jiān)測 和保護(hù)，隨著人們對于環(huán)境問題的關(guān)注程度越來越高，需要采集的環(huán)境數(shù)據(jù)也越來越多，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)為隨機(jī)性的研究數(shù)據(jù)獲取提供了便利，并且還可以避免傳統(tǒng)數(shù)據(jù)收集方式給環(huán)境帶來的侵入式破壞。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)被廣泛地應(yīng)用于生態(tài)環(huán)境監(jiān)測、生物種群研究、氣象和地理研究、洪水、火災(zāi)檢測，比較常見的應(yīng)用有：可通過跟蹤珍稀鳥類、動物和昆蟲的棲息、覓食習(xí)慣等進(jìn)行瀕臨種群的研究等；可在河流沿線分區(qū)域布設(shè)傳感器節(jié)點(diǎn)，隨時監(jiān)測水位及相關(guān)水資源被污染的信息；在山區(qū)中泥石流、滑坡等自然災(zāi)害容易發(fā)生的地方布設(shè)節(jié)點(diǎn)，可提前發(fā)出預(yù)警，以便做好 準(zhǔn)備，采取相應(yīng)措施，防止進(jìn)一步的惡性事故的發(fā)生；可在林區(qū)鋪設(shè)這些傳感器節(jié)點(diǎn)來監(jiān)測森林火警，一旦有危險，可立刻發(fā)出警報，消防人員也可以利用個人數(shù)字助理 (PDA)生成監(jiān)測區(qū)域的溫度梯度場，以確定高溫區(qū)域：類似的應(yīng)用還包括化工廠的事故監(jiān)控等。在這類應(yīng)用中，對傳感器的需求量很大，所以必須降低傳感器的制造成本。 醫(yī)療護(hù)理，羅徹斯特大學(xué)的科學(xué)家使用無線傳感器創(chuàng)建了一個智能醫(yī)療房間，使用微塵來測量居住者的重要征兆 (血壓、脈搏和呼吸 )、睡覺姿勢以及每天 24小時的活動狀況。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在檢測人體生理數(shù)據(jù)、老年人健康狀況、醫(yī) 院藥品管理以及遠(yuǎn)程醫(yī)療等方面同樣發(fā)揮出色的作用。在病人身上安置體溫采集、呼吸、血壓等測量傳感器，醫(yī)生可以遠(yuǎn)程監(jiān)測病人的情況。利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以長時間地收集人的生理數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)在研制新藥品的過程中將非常有用。美國英特爾公司目前正在研制家庭護(hù)理的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。該系統(tǒng)在鞋、家具、以及家用電器等嵌入傳感器，幫助老年人、患者及殘障人士獨(dú)立地進(jìn)行家庭生活，必要時通過 WSN向醫(yī)務(wù)人員、社會工作者請求幫助。研究人員開發(fā)了基于多個加速度傳感器的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，用來進(jìn)行人體行為模式監(jiān)測，如坐、站、躺、行走、跌倒 、爬行等。該系統(tǒng)使用多個傳感器節(jié)點(diǎn)，安裝在人體幾個特征部位。系統(tǒng)實時地把人體因行動而產(chǎn)生的三維加速畢業(yè) 論文 5 度信息進(jìn)行提取、融合、分類，并在監(jiān)控界面顯示受測人的行為模式。這個系統(tǒng)稍加產(chǎn)品化，便可成為一些老人及行動不便的病人的安全助手。同時，該系統(tǒng)也可以應(yīng)用到一些殘障人士康復(fù)中心，對病人的各類肢體恢復(fù)進(jìn)展進(jìn)行精確測量，為設(shè)計康復(fù)方案帶來寶貴的參考依據(jù)。 軍事領(lǐng)域，由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有密集型、隨機(jī)分布的特點(diǎn)，使其非常適合應(yīng)用于惡劣的戰(zhàn)場環(huán)境中，包括偵察敵情、監(jiān)控兵力、裝備和物資，判斷生物化學(xué)攻擊等多方面用途。另外軍事應(yīng) 用方面與災(zāi)難預(yù)警的應(yīng)用有相似之處，只是傳感器的監(jiān)測對象是敵軍情況而非意外災(zāi)難。比如 2020年，美國軍方成功測試了由美國 Crossbow產(chǎn)品組建的槍聲定位系統(tǒng)。這些節(jié)點(diǎn)被安置在建筑物周圍，能夠有效地按照一定的程序組建成網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行突發(fā)事件 (如槍聲、爆炸源等 )的檢測，為救護(hù)、反恐等行動提供了強(qiáng)力手段。 由于應(yīng)用的多樣性，傳感器網(wǎng)絡(luò)研究在兼顧通用性的同時，必須進(jìn)行面向應(yīng)用的、具有系統(tǒng)針對性的研究，以提高執(zhí)行效率。本課題在對傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行科學(xué)分類的基礎(chǔ)上展開針對性研究，進(jìn)而根據(jù)各種應(yīng)用特點(diǎn)，設(shè)計出 高效率的系統(tǒng)，充分發(fā)揮傳感器網(wǎng)絡(luò)的潛能。 在傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計中，需要解決無線傳感器節(jié)點(diǎn)微型化技術(shù)，即在有限的系統(tǒng)資源條件下，微型、廉價、能量有限的多功能傳感器設(shè)計技術(shù)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)在未來將是一次性的，因此節(jié)點(diǎn)不僅要成本低廉，而且工作時間要盡可能長。因此，電源供電和功耗問題是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)軟硬件設(shè)計的核心問題。可擴(kuò)展性也是傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計中必須考慮的問題，傳感器節(jié)點(diǎn)應(yīng)當(dāng)在具備通用處理器和通信模塊的基礎(chǔ)上擁有完整、規(guī)范的外部接口，以適應(yīng)不同的組件。無線通信協(xié)議是軟件中的一個重要問題，它直接關(guān)系到節(jié)點(diǎn)的 各方面性能。 綜上，本文研究的重點(diǎn)問題集中在兩方面，即：低能耗的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議性能的仿真實現(xiàn)及研究。 2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)通常包括傳感器節(jié)點(diǎn) (SensorNode)，匯聚節(jié)點(diǎn) (Sink Node)和管理節(jié)點(diǎn)，其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如 21所示。大量傳感器節(jié)點(diǎn)隨機(jī)部署在監(jiān)測區(qū) (SensorField)內(nèi)部或附近，能夠通過自組織方式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)。傳感器節(jié)點(diǎn)監(jiān)測的數(shù)據(jù)沿著其它傳感器畢業(yè) 論文 6 節(jié)點(diǎn)逐漸地進(jìn)行傳輸，在傳輸過程中監(jiān)測數(shù)據(jù)可能被多個 節(jié)點(diǎn)處理，經(jīng)過多跳后路由到匯聚節(jié)點(diǎn)，最后通過互聯(lián)網(wǎng)或衛(wèi)星到達(dá)管理節(jié)點(diǎn)。用戶通過管理節(jié)點(diǎn)對傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行配置和管理，發(fā)布監(jiān)測任務(wù)以及收集監(jiān)測數(shù)據(jù)。 圖 21 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 傳感器節(jié)點(diǎn)通常是一個微型的嵌入式系統(tǒng)。傳感器節(jié)點(diǎn)通常是一個微型的嵌入式系統(tǒng)，它的處理能力、存儲能力和通信能力相對較弱，通過攜帶能量有限的電池供電。從網(wǎng)絡(luò)功能上看，每個傳感器節(jié)點(diǎn)兼顧傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的終端和路由器雙重功能，除了進(jìn)行本地信息收集和數(shù)據(jù)處理外，還要對其它節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)來的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲、管理和融合等處理，同時與其它節(jié)點(diǎn)協(xié)作完成一些 特定任務(wù)。目前傳感器節(jié)點(diǎn)的軟硬件技術(shù)是傳感器網(wǎng)絡(luò)研究的重點(diǎn)。 匯聚節(jié)點(diǎn)的處理能力、存儲能力和通信能力相對比較強(qiáng)，它連接傳感器網(wǎng)絡(luò)與Inte等外部網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)兩種協(xié)議棧之間的通信協(xié)議轉(zhuǎn)換，同時發(fā)布管理節(jié)點(diǎn)的監(jiān)測任務(wù)，并把收集的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到外部網(wǎng)絡(luò)上。匯聚節(jié)點(diǎn)既可以是一個具有增強(qiáng)功能的傳感器節(jié)點(diǎn)，有足夠的能量供給和更多的內(nèi)存與計算資源，也可以是沒有監(jiān)測功能僅帶有無線通信接口的特殊網(wǎng)關(guān)設(shè)備。 無線傳感器節(jié)點(diǎn)的基本組成包括 處理器單元、無線傳輸單元、傳感器單元和電源模塊單元 四個基本單元， 如圖 22。傳感器模塊負(fù)責(zé)監(jiān)測區(qū)域內(nèi)信息的采集和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換；處理器模塊負(fù)責(zé)控制整個傳感器節(jié)點(diǎn)的操作，存儲和處理本地采集的數(shù)據(jù)以及其他節(jié)點(diǎn)發(fā)來的數(shù)據(jù)；無線通信模塊負(fù)責(zé)與其他傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行無線通信，交換控制消息和收發(fā)采集數(shù)據(jù)；能量控制模塊為傳感器節(jié)點(diǎn)提供運(yùn)行所需要的能量，通常采用微畢業(yè) 論文 7 型電池。此外，可以選擇的其它功能單元還有定位系統(tǒng)、移動系統(tǒng)、電源自供電系統(tǒng)等。 圖 22 無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的基本組成 無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計方案論證 方案展示 ①單片機(jī)電路單元 處理器單元是傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的核心， 和其他單元一起完成數(shù)據(jù)的采集、處理和收發(fā)。從處理器的角度看，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)基本可以分為兩類：一類采用以ARM 處理器為代表的高端處理器。該類節(jié)點(diǎn)的能量消耗比采用微控制器大很多，但是其處理能力也強(qiáng)很多，適合圖像等高數(shù)據(jù)量業(yè)務(wù)的應(yīng)用，也適合作為網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)。另一類是以采用單片機(jī)為代表的節(jié)點(diǎn)。該類節(jié)點(diǎn)的處理能力較弱，但是能量消耗功率也很小。本課題的設(shè)計要求比較低，采用能耗較小的單片機(jī)是合適的。 方案一： 采用 TI公司推出的一款 16位超低功耗單片機(jī) MSP430F449，其工作電壓范圍為． 6V，并且采用三套 獨(dú)立的時鐘源，包括高速的主時鐘、低頻時鐘 (如 32． 768kHz)以及 DCO片內(nèi)時鐘，可在滿足功能需要的情況下按一定比例降低 MCU主時鐘頻率，以降低功耗。 MSP430F449必需的外圍電路包括復(fù)位電路、 JTAG仿真口、電源濾波電路以及無源晶振，其中復(fù)位電路直接與電源連接，會有幾微瓦的功耗。 MSP430系列單片機(jī)采用了 RISC接口，具有豐富的尋址的方式，大量的寄存器以及片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器都可參加多種運(yùn)算，還有高效的查表處理指令，有較高的處理速度，在 8MHZ晶體驅(qū)動下指令周期為 125ns。這些特點(diǎn)都保證了可編制出高 效率的源程序。 方案二： 采用 Freescale公司的 HCS0