【正文】 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)展機遇。2022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)。2022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)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。2022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)新工程試點工作的深入，2022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。2022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。《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要(2022．2020)》在支持的重點領(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2022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，2022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。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，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，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，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、患者及殘障人士獨立地進行家庭生活，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，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)生的三維加速度信息進行提取、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)進展進行精確測量，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、隨機分布的特點，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2022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)進行突發(fā)事件(如槍聲、爆炸源等)的檢測，為救護、反恐等行動提供了強力手段。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)進行科學(xué)分類的基礎(chǔ)上展開針對性研究，進而根據(jù)各種應(yīng)用特點，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)點設(shè)計中，需要解決無線傳感器節(jié)點微型化技術(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)點在未來將是一次性的，因此節(jié)點不僅要成本低廉，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)點軟硬件設(shè)計的核心問題。可擴展性也是傳感器節(jié)點設(shè)計中必須考慮的問題，傳感器節(jié)點應(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)點的各方面性能。綜上，本文研究的重點問題集中在兩方面，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(SensorNode)，匯聚節(jié)點(Sink Node)和管理節(jié)點，其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如21所示。大量傳感器節(jié)點隨機部署在監(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)點監(jiān)測的數(shù)據(jù)沿著其它傳感器節(jié)點逐漸地進行傳輸，在傳輸過程中監(jiān)測數(shù)據(jù)可能被多個節(jié)點處理，經(jīng)過多跳后路由到匯聚節(jié)點，最后通過互聯(lián)網(wǎng)或衛(wèi)星到達管理節(jié)點。用戶通過管理節(jié)點對傳感器網(wǎng)絡(luò)進行配置和管理，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)點通常是一個微型的嵌入式系統(tǒng)。傳感器節(jié)點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)點兼顧傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的終端和路由器雙重功能，除了進行本地信息收集和數(shù)據(jù)處理外，還要對其它節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)來的數(shù)據(jù)進行存儲、管理和融合等處理，同時與其它節(jié)點協(xié)作完成一些特定任務(wù)。目前傳感器節(jié)點的軟硬件技術(shù)是傳感器網(wǎng)絡(luò)研究的重點。匯聚節(jié)點的處理能力、存儲能力和通信能力相對比較強，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)點既可以是一個具有增強功能的傳感器節(jié)點，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)點的操作，存儲和處理本地采集的數(shù)據(jù)以及其他節(jié)點發(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)點進行無線通信，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)點提供運行所需要的能量，通常采用微型電池。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)點的基本組成 無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)計方案論證 方案展示①單片機電路單元處理器單元是傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的核心，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)點的能量消耗比采用微控制器大很多，但是其處理能力也強很多，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。另一類是以采用單片機為代表的節(jié)點。該類節(jié)點的處理能力較弱，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MSP430F449，其工作電壓范圍為．6V，并且采用三套獨立的時鐘源，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。這些特點都保證了可編制出高效率的源程序。方案二：采用Freescale公司的HCS08，每個HCS08 系列的MCU 都是由HCS08 核加上幾個存儲器以及外設(shè)模塊組成。HCS08 核的組成部分都有HCS08 CPU，背景調(diào)試控制器(BDC)，支持多達32 個中斷/復(fù)位源，芯片級地址譯碼，無線收發(fā)單元。方案三：AT89C51是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器（FPEROM—Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓，高性能CMOS8位微處理器，俗稱單片機。AT89C2051是一種帶2K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器的單片機。單片機的可擦除只讀存儲器可以反復(fù)擦除100次。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器。最終確定選擇方案三的AT89C51，因為51單片機具有好的適用性和強大的功能。能滿足本設(shè)計的需要。 ②無線收發(fā)單元方案一：采用TI公司的CC2500。，為低功耗無線應(yīng)用而設(shè)計。（工業(yè)，科學(xué)和醫(yī)學(xué)）和SRD（短距離設(shè)備）頻率波段。RF收發(fā)器集成了一個數(shù)據(jù)傳輸率可達500kbps的高度可配置的調(diào)制解調(diào)器。通過開啟集成在調(diào)制解調(diào)器上的前向誤差校正選項，能使性能得到提升。方案二：采用n RF2401， nRF2401是 單 片 射 頻 收 發(fā) 芯 片 ， 工 作 于 ～ ISM頻 段 ，芯 片 內(nèi) 置 頻 率 合 成 器 、 功 率 放 大 器 、 晶 體 振 蕩 器 和 調(diào) 制 器 等 功 能 模 塊 ， 輸 出 功 率和 通 信 頻 道 可 通 過 程 序 進 行 配 置 。 芯 片 能 耗 非 常 低 ， 以 5dBm的 功 率 發(fā) 射 時 ， 工作 電 流 只 有 ， 接 收 時 工 作 電 流 只 有 18mA， 多 種 低 功 率 工 作 模 式 ， 節(jié) 能 設(shè)計 更 方 便 。 其 DuoCeiverTM技 術(shù) 使 nRF2401可 以 使 用 同 一 天 線 ， 同 時 接 收 兩 個 不同 頻 道 的 數(shù) 據(jù) 。 nRF2401適 用 于 多 種 無 線 通 信 的 場 合 ， 如 無 線 數(shù) 據(jù) 傳 輸 系 統(tǒng) 、 無線 鼠 標(biāo) 、 遙 控 開 鎖 、 遙 控 玩 具 等 。方 案 三 ：采用TI公司的CC1100。CC1100是一種低成本真正單片的UHF收發(fā)器，為低功耗無線應(yīng)用而設(shè)計。電路主要設(shè)定為在3143868和915MHz的ISM（工業(yè)，科學(xué)和醫(yī)學(xué)）和SRD（短距離設(shè)備）頻率波段，也可以容易地設(shè)置為300348 MHz、400464 MHz和800928 MHz的其他頻率。無線射頻芯片的種類和數(shù)量繁多，無線收發(fā)芯片的選擇在設(shè)計中至關(guān)重要，正確的選擇