【正文】 ........................................................ 48 網(wǎng)絡(luò)仿真軟件比較 .............................................................................. 51 DEER 算法 .................................................................................................. 53 算法介紹 .............................................................................................. 53 算法優(yōu)點 .............................................................................................. 53 能量消耗模型 ...................................................................................... 54 路由協(xié)議 .............................................................................................. 55 能量消耗和時延約束 .......................................................................... 60 算法簡要總結(jié) ...................................................................................... 62 第五章 路徑耗能最小的路由 模擬 ..................................................................... 62 模擬構(gòu)思 ..................................................................................................... 62 模擬過程 ..................................................................................................... 63 網(wǎng)絡(luò)尋找最小耗能路徑過程 .................................................................... 64 用 C語言實現(xiàn)以上過程結(jié)果 ..................................................................... 66 第六章 總結(jié) ........................................................................................................... 67 本次工作總結(jié) ............................................................................................. 67 將來進一步研究的方向 ............................................................................. 68 參考文獻 ................................................................................................................. 71 外文翻譯 ................................................................................................................... 1 譯文 .................................................................................................................... 1 原文 .................................................................................................................... 8 1 第一章 緒論 隨著半導(dǎo)體技術(shù)、微系統(tǒng)技術(shù)、通信技術(shù)、計算機技術(shù)的飛速發(fā)展， 20世紀 90 年代末在美國 出現(xiàn) 了現(xiàn)代意義的無線傳感網(wǎng)絡(luò)（ wireless sensor work,WSN）技術(shù)。其后，該技術(shù)相繼被一些重要機構(gòu)預(yù)測為將改變世界的重要新技術(shù)，相關(guān)研究工作在世界各主要發(fā)達國家轟轟烈烈 的開展起來。 研究 的背景 近年來，微處理器和無線通信技術(shù)的不斷進步產(chǎn)生了能夠進行局部信息處理和無線通信的分布式設(shè)備，這種體積小、價格低廉且低能耗的節(jié)點被稱作傳感器節(jié)點。每個傳感器節(jié)點僅能進行有限的信息處理，但是大量節(jié)點相互協(xié)作就可以詳細觀測一個給定的物理環(huán)境。大量這樣的傳感器 節(jié)點 通過無線通信技術(shù)自組織構(gòu)成了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。無線媒介可以是紅外設(shè)備或者無線電等。與傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)不同，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是依靠密集的散布以及相互協(xié)作來完成它們的任務(wù)。 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由大量無線傳感器 節(jié)點 互連而成，是傳感器向微型化、 智能化和無線通信化的延伸。根據(jù)傳感器 節(jié)點 在使用中是否移動，可將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分為靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)和動態(tài)網(wǎng)絡(luò)，其中大多數(shù)是靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)。在靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)中，傳感器 節(jié)點 被隨機地或按一定要求布置在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)，并根據(jù)用戶的要求，可對溫度、濕度、噪聲、光強度、壓力等環(huán)境參數(shù)進行測量，或者感知物體的運動速度和方向等。在動態(tài)網(wǎng)絡(luò)中，傳感器 節(jié)點 一般被安置在可移動的物體上，如 2 車輛或被監(jiān)測的動物，它將隨物體的移動而移動。由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用前景廣闊，它己經(jīng)成為國內(nèi)外的研究熱點。作為一項正在發(fā)展中的技術(shù)，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)還有許多技術(shù)問題需要解決。 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)能達到以下要求 : 。低能耗的要求基于兩種原因 :一是由于傳感器 節(jié)點 的體積小，因此能量供給有限 。二是由于傳感器網(wǎng)絡(luò)的工作環(huán)境往往難以更新電池或因更新代價大而不可操作。 節(jié)點 的能耗大小對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的生存時間具有重大影響，是其核心優(yōu)化目標之一。 。由于傳感器 節(jié)點 可能非常多，因而要求其應(yīng)用的各項技術(shù)能有效用于大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)。 3. 自適應(yīng)。能夠適應(yīng)環(huán)境、網(wǎng)絡(luò)拓撲等動態(tài)變化以及網(wǎng)絡(luò)的高冗余特性等。 。由于傳感器 節(jié)點 的能力受限，因而現(xiàn)實可行的技術(shù)應(yīng)簡單有效。 針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的 諸多要求和特點，目前圍繞這一領(lǐng)域的研究內(nèi)容很多 .主要可分為 節(jié)點 層面和網(wǎng)絡(luò)層面兩大部分。在節(jié)點層面的研究內(nèi)容主要包括傳感器技術(shù)、低功耗芯片技術(shù)、無線通信技術(shù)等，網(wǎng)絡(luò)層面的研究內(nèi)容主要包括低能耗路由技術(shù)、低能耗 MAC協(xié)議、協(xié)同定位技術(shù)、時鐘同步技術(shù)、數(shù)據(jù)融合技術(shù)等。 作為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信層的核心技術(shù)，本課題著重研究低能耗路由技術(shù)。傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)達到的要求使它的路由協(xié)議設(shè)計面臨著節(jié)能和提高擴展性兩個關(guān)鍵性問題?，F(xiàn)有的路由協(xié)議都不能很好地解決這兩個問題，因此有必要針對傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點和需求研究專門的協(xié)議。綜上所述， 傳感器網(wǎng)絡(luò)路由技術(shù)的研究很有挑戰(zhàn)性，是一個開放性的研究課題。 3 WSN 的發(fā)展歷程 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是新興的下一代傳感器網(wǎng)絡(luò)。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，提出了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是下一個世紀面臨的發(fā)展機遇。 2020 年，美國《技術(shù)評論》雜志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，論述四大新技術(shù)時，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)也列人其中。美國《今日防務(wù)》雜志更認為無線傳感器網(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，論述無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展和可能的廣泛應(yīng)用。能夠預(yù)計，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展和廣泛應(yīng)用，將對人們的社會生活和產(chǎn)業(yè)變革帶來極大的影響和產(chǎn)生巨大的推動。 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是從傳感器網(wǎng)絡(luò)開始的，傳感器網(wǎng)絡(luò)經(jīng)歷了如圖 11所示的發(fā)展歷程。第一代傳感器網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)在 20 世紀 70 年代。使用具備簡單信息信號獲取能力的傳統(tǒng)傳感器，采用點對點傳輸、連接傳感控制器構(gòu)成傳感器網(wǎng)絡(luò)；第二代傳感器網(wǎng)絡(luò)，具 備獲取多種信息信號的綜合能力，采用串，并接口 (如Rs23 RS485)和傳感控制器相聯(lián)，構(gòu)成有綜合多種信息的傳感器網(wǎng)絡(luò)；第三代傳感器網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)在 20 世紀 90 年代后期和本世紀初，用具備智能獲取多種信息信號的傳感器，采用現(xiàn)場總線連接傳感控制器，構(gòu)成局域網(wǎng)絡(luò)，成為智能化傳感器網(wǎng)絡(luò)；第四代傳感器網(wǎng)絡(luò)正在研究研發(fā)，現(xiàn)在成形并大量投入使用的產(chǎn)品還沒有出現(xiàn)．用大量的具備多功能多信息信號獲取能力的傳感器，采用自組織無線接入網(wǎng)絡(luò)，和傳感器網(wǎng)絡(luò)控制器連接，構(gòu)成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。本文所介紹的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)就是指第四代傳感器網(wǎng)絡(luò) 。 4 圖 11 傳感器網(wǎng)絡(luò) 發(fā)展歷程 我國和世界其他國家的研究情況 我國現(xiàn)代意義的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)及其應(yīng)用研究幾乎與發(fā)達國家同步啟動，首次正式出現(xiàn)于 1999 年中國科學院的“信息與自動化領(lǐng)域研究報告”中，作為該領(lǐng)域提出的五個重大項目之一（當時的項目名稱：重點地區(qū)的災(zāi)害監(jiān)測、預(yù)警和決策支持示范系統(tǒng)）。隨著創(chuàng)新工程試點工作的深入， 2020 年中國科學院依托上海微系統(tǒng)所成立微系統(tǒng)研究和發(fā)展中心。該中心在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)方向上陸續(xù)部署了若干重大研究項目和方向性項目，參加單位包過上 海微系統(tǒng)所、聲學所、微電子所、半導(dǎo)體所、電子所、軟件所以及中國科技大學等十余個研究所和高校。經(jīng)過幾年的努力，初步建立了傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的研究平臺 ， 在無線智能傳感器網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、微型傳感器、傳感器端機、移動機站和應(yīng)用系統(tǒng)等方面取得了很大進展。 2020 年 9 月 相關(guān)成果在北京進行了大規(guī)模外場 演示，部分成果已在實際工程系統(tǒng)中使用。 2020 年新年伊始，中國科學院召開了信息口相關(guān)研究所關(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)下一步的發(fā)展大計。目前，微型、高可靠、多功能、集成化的傳感器，低功 5 耗、高性能的專用集成 電路，微型、大容量的能源，高效、高可靠的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和操作系統(tǒng)，面向應(yīng)用、低計算量的模式識別和數(shù)據(jù)融合算法，低功耗、自適應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，以及在現(xiàn)實環(huán)境的各種應(yīng)用模式等課題是 我國科研人員 研究的重點。 美國在 20世紀 90年代就開始了傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究工作，并首先在軍方應(yīng)用和推廣。其中同期著名的企業(yè)代表有美國的 Chipcon公司，它基于 ZigBee技術(shù)的主流芯片是 CC2420系列等，歐洲有 Helim公司的 IP_Link1270等代表產(chǎn)品。 IP_Link1270 是完全符合 IEEE802. 15. 4 標準與 ZigBee 規(guī)范的 2. 4 GHz 無線收發(fā)模塊 ， 射頻部分使用 Freescale 的 MC13191/ 13192/13193 芯片 , MCU 使用的是 Freescale 公司的 MC9S08GT60 芯片 。 2020年初，美國的加州大學伯克利分校 ( University of California,Berkeley)、加州大學洛杉磯分校 (University of California,Los Angeles)和康奈爾大學(Cornell University)等很多所大學和研究機構(gòu)開始有非常豐富的研究成果。特別是 他們在實際應(yīng)用上做的尤為出色。 1. 軍事應(yīng)用 傳感 器網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)成為軍事 C4ISRT系統(tǒng)必不可少的一部分，受到 軍 事發(fā)達 國家的普遍重視，各 國 均投入了大量的人力 和 財力進行研究。 美國的 DARPA 很早就啟動了 SensIT(Sensor Information Technology)計劃。 該 計 劃的目的就是將多種類型的傳感器、可重編程的通用處理器和無線通 信 技術(shù)組合起來，建立一個廉價的無處不在的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，用以監(jiān)測光學、聲學、震動 、 磁場、濕度、污染、毒物、壓力、溫度、加速度等物理 量。 2. 環(huán)境觀測和預(yù)報系統(tǒng) 隨著人們對于環(huán)境的日益 關(guān)注，環(huán)境科學所涉及的范圍越來越廣泛。傳感 6 器網(wǎng)絡(luò)在 環(huán) 境研究方面可用于監(jiān)視農(nóng)作物灌溉情況、土壤空氣情況、牲畜和家禽的環(huán)境狀況和大 面 積的地表監(jiān)測等，可用于行星探測、氣象和地理研究、洪水監(jiān)測等，還可以通過跟蹤鳥類 、 小型動物和昆蟲進行種群復(fù)雜度的研究等。 3. 醫(yī)療護理 傳感器網(wǎng)絡(luò)在醫(yī)療系統(tǒng) 和 健康護理方面的 應(yīng)用 包括監(jiān)測人體的各