【正文】 技術(shù)獲取，到信息傳輸、處理，以及目標(biāo)系統(tǒng)控制的一體化智能管理，是信息技術(shù)發(fā)展的更高階段，給我們提供了全新的發(fā)展契機(jī)。 計(jì)算機(jī)與通信的最新發(fā)展和進(jìn)步已經(jīng)極大推動了傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究，并且已經(jīng)將其推動到比較接近原始預(yù)想的階段。基于微型機(jī)電系統(tǒng) (MEMS)技術(shù)、無線北方民族大學(xué)畢業(yè)論文 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與網(wǎng)格結(jié)合研究 第 2 頁 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及低功耗微型廉價處理器，人們能夠布置無線 Ad Hoc 網(wǎng)絡(luò)，開展各種各 樣的 WSN 應(yīng)用。 隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的高速發(fā)展，應(yīng)用需求的日益增長，網(wǎng)格 (Grid)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。網(wǎng)格是一種新型的分布式計(jì)算技術(shù)，是信息社會的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，已經(jīng)成為當(dāng)前國際計(jì)算機(jī)技術(shù)研究的熱點(diǎn)和前沿領(lǐng)域。它代表了繼 Inter 技術(shù)和 Web 技術(shù)之后的第三次技術(shù)浪潮，引起了政府、學(xué)術(shù)界和工商界的高度重視，各國政府紛紛設(shè)立重大項(xiàng)目對網(wǎng)格計(jì)算環(huán)境進(jìn)行研究和開發(fā)。網(wǎng)格的目標(biāo)是把整個因特網(wǎng)整合成一臺巨大的超級虛擬計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)上所有資源的互聯(lián)互通，完成計(jì)算資源、存儲資源、通信資源、軟件資源、信息資源、知識資源、專家資 源等的智能共享。隨著研究的問題越來越復(fù)雜以及技術(shù)的日益壯大，今天的科學(xué)研究已經(jīng)強(qiáng)烈依賴于計(jì)算機(jī)的應(yīng)用，包括計(jì)算和數(shù)據(jù)分析，以及科學(xué)家之間的密切合作等。單臺計(jì)算機(jī)系統(tǒng)或者簡單的文件共享已經(jīng)不能滿足這些應(yīng)用的需求，而是需要對其他計(jì)算機(jī)、軟件、數(shù)據(jù)以及其他資源進(jìn)行直接訪問。網(wǎng)格的出現(xiàn)為解決這一問題提供了嶄新的途徑。網(wǎng)格技術(shù)將為高能物理、大氣、天文、生物信息、石油地質(zhì)等許多重大應(yīng)用領(lǐng)域提供科學(xué)活動的虛擬計(jì)算環(huán)境，必將對社會和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、國防科學(xué)研究以及人們的生活工作方式產(chǎn)生巨大的影響。 將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與網(wǎng)格結(jié)合研 究是一種新的研究方向，目前關(guān)于這一方面的研究還較少。把有線的網(wǎng)格和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)合起來，稱之為傳感器網(wǎng)格。兩者的結(jié)合，可以使網(wǎng)格通過傳感器訪問真實(shí)的物理信息，同時無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以利用網(wǎng)格強(qiáng)大的計(jì)算能力和存儲能力彌補(bǔ)自身的缺點(diǎn)，使其更具有實(shí)用價值。 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是新一代的傳感器網(wǎng)絡(luò)，具有非常廣泛的應(yīng)用前景，其發(fā)展和應(yīng)用，將會給人們生活和生產(chǎn)的各個領(lǐng)域帶來深遠(yuǎn)的影響。各國都非常重視無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展。 IEEE(Institute of Electrical and Electronics Engineers， 美國電氣和電子工程師協(xié)會 )正在努力推進(jìn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用的和發(fā)展，波士頓大學(xué)創(chuàng)辦了傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)會，期望能促進(jìn)傳感器聯(lián)網(wǎng)技術(shù)開發(fā)。英特爾公司與加利福尼亞州大學(xué)伯克利分校 也進(jìn)行了 “微塵”技術(shù)的研究工作。他們成功創(chuàng)建了北方民族大學(xué)畢業(yè)論文 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與網(wǎng)格結(jié)合研究 第 3 頁 瓶蓋大小的全功能傳感器，可以執(zhí)行計(jì)算、檢測與通信等功能。在舊金山， 200個聯(lián)網(wǎng)“微塵”節(jié)點(diǎn)已被部署在金門大橋上，這些 微塵 用于確定大橋從一邊到另一邊的擺動距離（在強(qiáng)風(fēng)中可以精確到幾 tf ， 1tf =）。當(dāng)微塵檢測出移動距離時，它將把該信息通過微型計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)傳遞出去，最后到達(dá)一臺更強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析 ， 任何與當(dāng)天天氣不吻合的異常讀數(shù)都可能預(yù)示著大橋存在隱患。 網(wǎng)格被稱為繼傳統(tǒng)因特網(wǎng)、萬維網(wǎng)之后的 第三代因特網(wǎng)應(yīng)用 ， 以其重要的戰(zhàn)略意義以及廣闊的應(yīng)用前景成為當(dāng)今吸引眾多研究人員和資金投入的研究熱點(diǎn)。目前網(wǎng)格的研究已經(jīng)從美國和歐洲推廣到了世界各大洲，各個國家和地區(qū)都投入了大量的資金進(jìn)行網(wǎng)格技術(shù)研究和網(wǎng)格基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。 將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與網(wǎng)格結(jié)合研究，可以有效彌補(bǔ)無線傳感器網(wǎng) 絡(luò)自身的諸多缺點(diǎn)，而且還可使網(wǎng)格應(yīng)用進(jìn)一步擴(kuò)展?，F(xiàn)在已經(jīng)有一些項(xiàng)目進(jìn)行無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)格結(jié)合方面的研究。 Harvard University 構(gòu)建了一個健壯、可靠的數(shù)據(jù)收集網(wǎng)絡(luò) — Hourglass。HourGlass[1]是一個網(wǎng)格和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合方案 ，它 能夠提供一個網(wǎng)格API(Application Programming Interface,應(yīng)用程序編程接口 )給不同的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)組，使應(yīng)用程序可以通過 OGSA(Open Grid Services Atchitecture， 開放式網(wǎng)格服務(wù)體系 )標(biāo)準(zhǔn)訪問無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)。 SensorGrid[1]是將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)格結(jié)合在一起構(gòu)成的復(fù)合系統(tǒng) ，它 采用分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，由傳感節(jié)點(diǎn)、中間層和決策制定層構(gòu)成。 該 系統(tǒng)主要考慮了分布式數(shù)據(jù)融合、分布式處理、網(wǎng)絡(luò)協(xié)同等問題，可以進(jìn)行數(shù)據(jù)融合、事務(wù)監(jiān)測和分類、分布式?jīng)Q策制定等工作。 研究目標(biāo) 由于 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)處理能力受限、存儲資源受限以及能量受限，單純靠自身的能力無法完成復(fù)雜的查詢，或者說即使可以完成復(fù)雜的查詢，但從發(fā)起查詢到得出查詢結(jié)果所需的時間很長，實(shí)際應(yīng)用性很差。網(wǎng)格 能夠 對信息進(jìn)行處理和共 享，這些信息目前基本上來自計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，隨著科技的發(fā)展，未來的應(yīng)用不會北方民族大學(xué)畢業(yè)論文 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與網(wǎng)格結(jié)合研究 第 4 頁 只局限于對這些信息的存取，將會擴(kuò)展到對真實(shí)自然信息的存取。若想獲取真實(shí)世界的自然信息，必須依靠大量分布的傳感器。將來， 隨著 網(wǎng)格和傳感器網(wǎng)絡(luò)不斷融合，網(wǎng)格就變成了一個自然網(wǎng)。將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與網(wǎng)格結(jié)合起來研究，就是提取兩者的優(yōu)點(diǎn)于一體，實(shí)現(xiàn)大量資源的捕捉、存儲、處理和共享，使其更具有應(yīng)用價值。 本文大致分為 5 章。第 1 章介紹了課題的研究背景、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和課題研究目標(biāo)。第 2 章和第 3 章為課題研究的理論基礎(chǔ)，分別概述了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)格的基礎(chǔ)理 論知識。第 4 章對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)格兩者的結(jié)合技術(shù)進(jìn)行研究，提出一個結(jié)合框架。該框架主要包括無線傳感器網(wǎng)絡(luò)層和網(wǎng)格層。網(wǎng)絡(luò)層主要完成監(jiān)測區(qū)域的數(shù)據(jù)采集、原始數(shù)據(jù)融合、組節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)融合和向中心節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)的工作。網(wǎng)格層主要的任務(wù)是得到無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)并進(jìn)一步進(jìn)行處理。第 5 章作為全文總結(jié)。 北方民族大學(xué)畢業(yè)論文 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與網(wǎng)格結(jié)合研究 第 5 頁 傳感器 ADC 處理器 存儲器 收發(fā)信機(jī) 感知單元 處理單元 功率單元 功率發(fā)生器 定位系統(tǒng) 移動管理器 圖 21 WSN 傳感器節(jié)點(diǎn)的組成 第 2 章 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)概述 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是新一代的傳感器網(wǎng)絡(luò)，它是典型的具有交叉學(xué)科性質(zhì)的軍民兩用的高科技技術(shù)，可以廣泛應(yīng)用于軍事、國家安全、環(huán)境科學(xué)、交通管理、災(zāi)害預(yù)測、醫(yī)療衛(wèi)生 、制造業(yè)、城市信息化建設(shè)等領(lǐng)域，其發(fā)展和應(yīng)用將會給人們的生活和生產(chǎn)帶來深遠(yuǎn)影響。 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)概念 一個無線傳感器網(wǎng)絡(luò) (WSN)一般 由一組毫米般大小、設(shè)備齊全的微型機(jī)電系統(tǒng) (MEMS)裝置組成，覆蓋一個物理地理區(qū)域。這種微型裝置包括 大量 的 廉價 傳感器 節(jié)點(diǎn) 、無線發(fā)射機(jī)和接收機(jī)、電源，具有計(jì)算處理能力 ，其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋的地理區(qū)域中感知對象的信息 ， 并 將其 發(fā)布給觀察者。 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)原理 傳感器節(jié)點(diǎn)組成 北方民族大學(xué)畢業(yè)論文 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與網(wǎng)格結(jié)合研究 第 6 頁 一個傳感器節(jié)點(diǎn)由圖 21 所示的四個基本部分組成：感 知單元、處理單元、收發(fā)信機(jī)和功率單元。感知單元通常由兩個子單元組成：傳感器 (數(shù)量、種類可變 )和模 /數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)。 ADC 將傳感器根據(jù)其觀測到的物理現(xiàn)象而生成的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，然后將其送給處理單元。處理單元 通常連著一個小存儲單元，管理各個傳感器節(jié)點(diǎn)共同完成所承擔(dān)的感知任務(wù)而必需的相互協(xié)作規(guī)程。收發(fā)信機(jī)將傳感器節(jié)點(diǎn)連接到網(wǎng)絡(luò)上。傳感器節(jié)點(diǎn)最重要的組成單 元是功率單元，功率受到諸如太陽能電池之類的功率提取單元的支持。 傳感器節(jié)點(diǎn)還可能包括其他子單元，比如定位系統(tǒng)、功率發(fā)生器、移動管理器，許多 WSN 應(yīng)用都依 賴這些子單元 [2]。 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成 一般無線傳感器 網(wǎng)絡(luò)由傳感器節(jié)點(diǎn)、 網(wǎng)關(guān) 或 基站、互聯(lián)網(wǎng)或通信衛(wèi)星、任務(wù)管理節(jié)點(diǎn)等部分構(gòu)成。 圖 22 給出了一個典型的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)。 大量傳感器節(jié)點(diǎn)隨機(jī)部署在監(jiān)測區(qū)域內(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)檢測的數(shù)據(jù)沿著其他傳感器節(jié)點(diǎn)逐跳進(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)過多跳路由到 基站 網(wǎng)關(guān)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)對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行配置和管理，發(fā)布監(jiān)測任務(wù)，收集監(jiān)測數(shù)據(jù) [3]。 互聯(lián)網(wǎng)及衛(wèi)星 任務(wù)管理器節(jié)點(diǎn) 中心節(jié)點(diǎn) /基站 用戶 傳感器布置區(qū)域 傳感器節(jié)點(diǎn) 圖 22 WSN 系統(tǒng)構(gòu)成 北方民族大學(xué)畢業(yè)論文 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與網(wǎng)格結(jié)合研究 第 7 頁 無 線 傳感器網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn) 傳感器節(jié)點(diǎn)特征 無線傳感器節(jié)點(diǎn)作為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分，具有以下特點(diǎn)： (1)微型化。應(yīng)用中的傳感器節(jié)點(diǎn)要高度集成化，保證對目標(biāo)系統(tǒng)的特性不會造成影響。 (2)低功耗。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)有嚴(yán)格的電源要求，因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)往往部署在無人值守的地方，節(jié)點(diǎn)使用電池供電，不能頻繁更換電池，因此，如何節(jié)省電能是應(yīng)用的首要問題。 (3)計(jì)算能力和存儲容量有限。傳感器節(jié)點(diǎn)都有嵌入式微處理器和存儲器，嵌入式微處理器的處理和存儲器的存儲容量有限，因此傳感器的計(jì)算能力十分有限。 (4)通信能 力有限。傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信帶寬窄，覆蓋范圍小，還經(jīng)常受到自然環(huán)境的影響，導(dǎo)致傳感器節(jié)點(diǎn)通信失敗。因此，網(wǎng)絡(luò)的自恢復(fù)性、抗毀性也是應(yīng)解決的重點(diǎn)問題。 (5)傳感器數(shù)量多，分布范圍廣。網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)密集，數(shù)量巨大， 而且 傳感器網(wǎng)絡(luò)可以分布在很廣的地域。因此，維護(hù)十分困難，傳感器網(wǎng)絡(luò)的軟、硬件必須具有高強(qiáng)壯性和容錯性。 傳感器節(jié)點(diǎn)的限制 傳感器節(jié)點(diǎn)在實(shí)現(xiàn)各種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和應(yīng)用系統(tǒng)時，存在以下一些現(xiàn)實(shí)約束 [4]。 (1)電源能量有限。傳感器節(jié)點(diǎn)體積微小，通常攜帶能量十分有限的電池。由于傳感器節(jié)點(diǎn)個數(shù)多、成本要求低 廉、分布區(qū)域廣，而且部署區(qū)域環(huán)境復(fù)雜，有些區(qū)域甚至人員不能到達(dá)，所以傳感器節(jié)點(diǎn)通過更換電池的方式來補(bǔ)充能源是不現(xiàn)實(shí)的。如何高效使用能量來最大化網(wǎng)絡(luò)生命周期是傳感器網(wǎng)絡(luò)面臨的首要挑戰(zhàn)。 (2) 通信能力有限。考慮到傳感器節(jié)點(diǎn)的能量限制和網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域大，傳感器網(wǎng)絡(luò)采用多跳路由的傳輸機(jī)制。傳感器節(jié)點(diǎn)的無線通信帶寬有限，通常僅有幾百 kbps 的 速率。由于節(jié)點(diǎn)能量的變化， 加上 受高山、建筑物、障礙物等地勢地貌以及風(fēng)雨雷電等自然環(huán)境的影響，無線通信性能可能經(jīng)常變化，頻繁出現(xiàn)通信中斷 現(xiàn)象 。在這樣的通信環(huán)境和節(jié)點(diǎn)有限通信能力 的情況下，如何設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)通信機(jī)北方民族大學(xué)畢業(yè)論文 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與網(wǎng)格結(jié)合研究 第 8 頁 制以滿足傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信需求是傳感器網(wǎng)絡(luò)面臨的挑戰(zhàn)之一。 (3)計(jì)算和存儲能力有限。傳感器節(jié)點(diǎn)是一種微型嵌入式設(shè)備，要求它價格低功耗小，這些限制必然導(dǎo)致其攜帶的處理器能力比較弱，存儲器容量比較小。為了完成各種任務(wù)，傳感器節(jié)點(diǎn)需要 進(jìn)行 監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集和轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)的管理和處理、應(yīng)答匯聚節(jié)點(diǎn)的任務(wù)請求和節(jié)點(diǎn)控制等多種工作。如何利用有限的計(jì)算和存儲資源完成諸多協(xié)同任務(wù)成為傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的挑戰(zhàn)。 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)特征 (1)大規(guī)模性 為了獲取精確信息，在監(jiān)測區(qū)域通常部署大量傳 感器節(jié)點(diǎn)，傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)量可能達(dá)到成千上萬，甚至更多。傳感器網(wǎng)絡(luò)的大規(guī)模性包括兩方面的含義：一方面是傳感器節(jié)點(diǎn)分布在很大的地理區(qū)域內(nèi)，如在原始大森林采用傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行森林防火和環(huán)境監(jiān)測，需要部署大量的傳感器節(jié)點(diǎn)；另一方面，傳感器節(jié)點(diǎn)部署很密集，在一個面積不是很大的空間內(nèi)，密集部署了大量的傳感器節(jié)點(diǎn)。 (2)自組織性 在傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中，通常情況下傳感器節(jié)點(diǎn)被放置在沒有基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的地方。傳感器節(jié)點(diǎn)的位置不能預(yù)先精確設(shè)定，節(jié)點(diǎn)之間的相互鄰居關(guān)系預(yù)先也不知道，如通過飛機(jī)播撒大量傳感器節(jié)點(diǎn)到面積廣闊的原始森林中，或隨意 放置到人不可到達(dá)或危險的區(qū)域。這樣就要求傳感器節(jié)點(diǎn)具有自組織的能力，能夠自動進(jìn)行配置和管理，通過拓?fù)淇刂茩C(jī)制和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議自動形成轉(zhuǎn)發(fā)監(jiān)測數(shù)據(jù)的多跳無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。傳感器網(wǎng)絡(luò)的自組織性能夠適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的動態(tài)變化 [5]。 (3)動態(tài)性 傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可能因?yàn)橄铝幸蛩囟淖儯孩侪h(huán)境因素或電能耗盡造成的傳感器節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障或失效；②環(huán)境條件變化可能造成無線通信鏈路帶寬變化，甚至?xí)r斷時通；③傳感器網(wǎng)絡(luò)的傳感器、感知對象和觀察者這三要素都可能具有移動性；④新節(jié)點(diǎn)的加入。這就要求傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)要能夠適應(yīng)這種變化，具有 動態(tài)的系