【正文】 南京航空航天大學碩士學位論文1第一章　緒論微電子技術(shù)、計算技術(shù)和無線通信等技術(shù)的進步，推動了低功耗多功能傳感器的快速發(fā)展，使其在微小體積內(nèi)能夠集成信息采集、數(shù)據(jù)處理和無線通信等多種功能。無線傳感器網(wǎng)絡(Wireless Sensor Network, WSN)就是在這種情況下應運而生，它是由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量的廉價微型傳感器節(jié)點組成，通過無線通信方式組成的一個多跳的自組織網(wǎng)絡系統(tǒng)。目前以 Inter 為代表的信息網(wǎng)改變的是人與人之間的溝通方式，而無線傳感器網(wǎng)絡則是將邏輯上的信息世界與客觀上的物理世界融合在一起，改變的是人與自然的交互方式，它將是信息社會不可或缺的重要組成部分。具有現(xiàn)代意義的無線傳感器網(wǎng)絡的研究起步于 20 世紀 90 年代末期。從 21 世紀開始，傳感器網(wǎng)絡引起了學術(shù)界、軍界和工業(yè)界的極大關(guān)注，美國和歐洲相繼啟動了許多關(guān)于無線傳感器網(wǎng)絡的研究計劃。特別是美國通過國家自然基金委員會、國防部等多種渠道投入巨資支持傳感器網(wǎng)絡技術(shù)的研究。無線傳感器網(wǎng)絡的應用前景十分廣闊，能夠廣泛應用軍事、環(huán)境監(jiān)測和預報、健康護理、智能家居、建筑物狀態(tài)監(jiān)控、城市交通、空間探索以及安全監(jiān)測等領(lǐng)域。隨著傳感器網(wǎng)絡的深入研究和廣泛應用，它必將深入到人們生活的各個領(lǐng)域。1．1 無線傳感器網(wǎng)絡的定義 [1][2]目前已有很多文獻給出了無線傳感器網(wǎng)絡的定義，說法各有不同，但實質(zhì)上大同小異。比較通用的定義為：無線傳感器網(wǎng)絡是指由一組按需隨機分布的集成有傳感器、數(shù)據(jù)處理單元和通信模塊的傳感器以自組織方式構(gòu)成的無線網(wǎng)絡，其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡覆蓋范圍內(nèi)感知對象的信息，并傳送到信息用戶。1．2 無線傳感器網(wǎng)絡的特點 [3][4]　　無線傳感器網(wǎng)絡與無線自組網(wǎng)有許多相似之處，如：無中心和自組織性、動態(tài)變化的網(wǎng)絡拓撲、受限的無線傳輸帶寬、移動終端的能力有限、多跳路由、安全性差等。在此基礎之上，無線傳感器網(wǎng)絡還有下列特點：（1）傳感器節(jié)點的通信能力有限。傳感器網(wǎng)絡的傳輸速率低，通信距離近，一般只有幾十到幾百米。大部分工作環(huán)境惡劣地區(qū)，更多地受到地形、地貌、風雨雷電、潮濕、水浸等自然環(huán)境的影響，一方面造成傳感器之間的通信不可行，另一方面可能使傳感器出現(xiàn)長時間故障、甚至損壞。基于復合定位的無線傳感器網(wǎng)絡層次路由協(xié)議設計與實現(xiàn)2（2）能量有限。網(wǎng)絡中的傳感器一般都由電池供電且需長時間工作，而節(jié)點的電池更換往往又不可行，這樣就造成了能源方面突出的矛盾。（3）計算能力有限。傳感器網(wǎng)中的傳感器一般采用嵌入式處理器和存儲器。這些傳感器都具有計算能力，可以完成一些信息處理工作。但是，由于嵌入式處理器和存儲器的能力和容量有限，故傳感器的處理能力十分有限。（4）網(wǎng)絡規(guī)模大，拓撲結(jié)構(gòu)復雜。傳感器網(wǎng)中傳感器節(jié)點密集，數(shù)量巨大，可能達到幾百甚至幾千上萬個。此外，傳感器網(wǎng)可以分布在很廣泛的地理區(qū)域。而且，傳感器網(wǎng)絡中的傳感器、感知對象和觀察者這三要素都可能移動，并且經(jīng)常有新節(jié)點加入或已有節(jié)點失效。因此，網(wǎng)絡的拓撲結(jié)構(gòu)不斷變化。（5）數(shù)據(jù)傳輸方向性強。在傳感器網(wǎng)中數(shù)據(jù)傳輸具有很強的方向性。通常，查詢信息是通過廣播或多播的方式從觀察者向網(wǎng)絡內(nèi)傳感器傳輸，而探測結(jié)果信息則是由分布在各處的傳感器節(jié)點向查詢節(jié)點匯聚。1．3 無線傳感器網(wǎng)絡的應用軍事應用：在軍事領(lǐng)域，無線傳感器網(wǎng)絡將會逐漸成為 C4ISRT 系統(tǒng)的重要組成部分。C4ISRT 系統(tǒng)的目標是利用先進的高科技技術(shù)，為未來的現(xiàn)代化戰(zhàn)爭設計一個集命令、控制、通信、計算、智能、監(jiān)視、偵察和定位于一體的戰(zhàn)場指揮系統(tǒng)，受到了軍事發(fā)達國家的普遍重視。因為無線傳感器網(wǎng)絡是由密集型、低成本、隨機分布的節(jié)點組成的，自組織性和容錯能力使其不會因為某些節(jié)點在惡意攻擊中的損壞而導致整個系統(tǒng)的崩潰，這一點是傳統(tǒng)的傳感器技術(shù)所無法比擬的，也正是這一點，使無線傳感器網(wǎng)絡非常適合應用于惡劣的戰(zhàn)場環(huán)境，包括監(jiān)控己方兵力、裝備和物資，監(jiān)視沖突區(qū)，偵察敵方地形和布防，定位攻擊目標，評估損失，偵察和探測核、生物和化學武器攻擊。在戰(zhàn)場，指揮員往往需要及時準確地了解部隊、武器裝備和軍用物資供給的情況，鋪設的傳感器將采集相應的信息，并通過匯聚節(jié)點將數(shù)據(jù)送至信息處理站，再轉(zhuǎn)發(fā)到指揮部，最后融合來自戰(zhàn)場各個環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)形成完備的戰(zhàn)區(qū)態(tài)勢圖。在戰(zhàn)爭中，對沖突區(qū)和軍事要地的監(jiān)視也是至關(guān)重要的，通過鋪設傳感器網(wǎng)絡，以更隱蔽的方式近距離地觀察敵方的布防；也可以直接將傳感器節(jié)點撤向敵方陣地，在敵方還未來得及反應時迅速收集利于作戰(zhàn)的信息。無線傳感器網(wǎng)絡還可以為火控和制導系統(tǒng)提供準確的目標定位信息。在生物和化學戰(zhàn)中，利用無線傳感器網(wǎng)絡及時、準確地探測爆炸中心，將會為己方提供寶貴的反應時間，從而最大可能地減小傷亡。無線傳感器網(wǎng)絡也可避免核反應部隊直接暴露在核輻射的環(huán)境中。在軍事應用中，與獨立的衛(wèi)星和地面雷達系統(tǒng)相比，無線傳感器網(wǎng)絡的潛在優(yōu)勢表現(xiàn)在以下幾個方面：南京航空航天大學碩士學位論文3 (1)分布節(jié)點中多角度和多方位信息的綜合有效地提高了信噪比，這一直是衛(wèi)星和雷達這類獨立系統(tǒng)難以克服的技術(shù)問題之一； (2)無線傳感器網(wǎng)絡低成本、高冗余的設計原則為整個系統(tǒng)提供了較強的容錯能力； (3)傳感器節(jié)點與探測目標的近距離接觸大大消除了環(huán)境噪聲對系統(tǒng)性能的影響； (4)節(jié)點中多種傳感器的混合應用有利于提高探測的準確性。 (5)多節(jié)點聯(lián)合，形成覆蓋面積較大的實時探測區(qū)域。 (6)借助于個別具有移動能力的節(jié)點對網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)的調(diào)整，可以有效地消除探測區(qū)域內(nèi)的陰影和盲點。環(huán)境科學：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。通過傳統(tǒng)方式采集原始數(shù)據(jù)是一件困難的工作。無線傳感器網(wǎng)絡為野外隨機性的研究數(shù)據(jù)獲取提供了方便。比如，跟蹤候鳥和昆蟲的遷移，研究環(huán)境變化對農(nóng)作物的影響，監(jiān)測海洋、大氣和土壤的成分等。ALERT 系統(tǒng)中就有數(shù)種傳感器來監(jiān)測降雨量、河水水位和土壤水分，并依此預測爆發(fā)山洪的可能性。類似地，無線傳感器網(wǎng)絡對森林火災準確、及時地預報也應該是有幫助的。此外，無線傳感器網(wǎng)絡也可以應用在精細農(nóng)業(yè)中，以監(jiān)測農(nóng)作物中的害蟲、土壤的酸堿度和施肥狀況等。醫(yī)療健康：如果在住院病人身上安裝特殊用途的傳感器節(jié)點，如心率和血壓監(jiān)測設備，利用無線傳感器網(wǎng)絡，醫(yī)生就可以隨時了解被監(jiān)護病人的病情，進行及時的處理，還可以利用無線傳感器網(wǎng)絡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是非常有用的，而安裝在被監(jiān)測對象身上的微型傳感器也不會給人的正常生活帶來太多的不便。此外，在藥物管理等諸多方面，它也有新穎而獨特的應用?？傊?，無線傳感器網(wǎng)絡為未來的遠程醫(yī)療提供了更加方便、快捷的技術(shù)實現(xiàn)手段。空間探索：探索外部星球一直是人類夢寐以求的理想，借助航天器撒布的無線傳感器網(wǎng)絡可實現(xiàn)對星球表面長時間的監(jiān)測，是一種經(jīng)濟可行的方案。NASA 的JPL(Jet Propulsion Laboratory)實驗室研制的 Sensor Webs 就是為將來的火星探測進行技術(shù)準備的，已在佛羅里達宇航中心周圍的環(huán)境監(jiān)測項目中進行測試和完善。其他商業(yè)應用：自組織、微型化和對外部世界的感知能力是無線傳感器網(wǎng)絡的三大特點，這些特點決定了無線傳感器網(wǎng)絡在商業(yè)領(lǐng)域應該也會有不少的機會。比如，嵌入家具和家電中的傳感器與執(zhí)行機構(gòu)組成的無線網(wǎng)絡與 Inter 連接在一起將會為人們提供更加舒適、方便和具有人性化的智能家居環(huán)境。此外，在災難拯救、倉庫管理、交互式博物館、交互式玩具、工廠自動化生產(chǎn)線等眾多領(lǐng)域，無線傳感器網(wǎng)絡都將會孕育出全新的設計和應用模式?；趶秃隙ㄎ坏臒o線傳感器網(wǎng)絡層次路由協(xié)議設計與實現(xiàn)41．4 研究進展軍事領(lǐng)域的研究進展情況：美國陸軍 2022 年提出了“靈巧傳感器網(wǎng)絡通信”計劃，己被批準為 2022 財政年度的一項科學技術(shù)研究計劃，并在 20222022 財政年度期間實施。美國陸軍近期又確立了“無人值守地面?zhèn)鞲衅魅骸表椖?，其主要目標是使基層部隊指揮員具有在他們所希望部署傳感器的任何地方靈活地部署傳感器的能力，該項目是支持陸軍“更廣闊視野”的 3 個項目之一。美國陸軍最近還確立了“戰(zhàn)場環(huán)境偵察與監(jiān)視系統(tǒng)”項目。該系統(tǒng)是一個智能化傳感器網(wǎng)絡，可以更為詳盡、準確地探測到精確信息，為更準確地制定戰(zhàn)斗行動方案提供情報依據(jù)。它通過“數(shù)字化路標”作為傳輸工具，為各作戰(zhàn)平臺與單位提供“各取所需”的情報服務，使情報偵察與獲取能力產(chǎn)生質(zhì)的飛躍。該系統(tǒng)組由撒布型微傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)、機載和車載型偵察與探測設備等構(gòu)成。美國海軍最近也確立了“傳感器組網(wǎng)系統(tǒng)”研究項目。該系統(tǒng)可以利用現(xiàn)有的通信機制對從戰(zhàn)術(shù)級到戰(zhàn)略級的傳感器信息進行管理，而管理工作只需通過一臺專用的商用便攜機即可，不需要其他專用設備，并可協(xié)調(diào)來自地面和空中監(jiān)視傳感器以及太空監(jiān)視設備的信息，可以部署到各級指揮單位。2022 年 5 月，美國Sandia 國家實驗室與美國能源部合作，共同研究能夠盡早發(fā)現(xiàn)以地鐵、車站等場所為目標的生化武器襲擊，并及時采取防范對策的系統(tǒng)。該研究屬于美國能源部反恐對策項目的重要一環(huán)，整個系統(tǒng)融檢測有毒氣體的化學傳感器和網(wǎng)絡技術(shù)于一體，傳感器一旦檢測到某種有害物質(zhì)，就會自動向管理中心通報，自動開啟引導旅客避難的廣播，并封鎖有關(guān)入口等。美國海軍最近開展的網(wǎng)狀傳感器系統(tǒng) CEC(Cooperative Engagement Capability)是一項革命性的技術(shù)。CEC 是一個無線網(wǎng)絡，其感知數(shù)據(jù)是原始的雷達數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)適用于艦船或飛機戰(zhàn)斗群攜帶的電腦進行感知數(shù)據(jù)的處理，每艘戰(zhàn)船不但依賴于自己的雷達，還依靠其他戰(zhàn)船或者裝載 CEC 的戰(zhàn)機來獲取感知數(shù)據(jù)，極大地提高了測量精度，進而可以快速準確地跟蹤混亂中的敵機和導彈。民用領(lǐng)域的研究進展情況：1995 年，美國交通部提出了“國家智能交通系統(tǒng)項目規(guī)劃” ，預計到 2025 年全面投入使用。該計劃試圖把先進的信息技術(shù)、數(shù)據(jù)通信技術(shù)、傳感器技術(shù)、控制技術(shù)及計算機處理技術(shù)有效地集成運用于整個地面交通管理，建立一個在大范圍內(nèi)、全方位發(fā)揮作用的，實時、準確、高效的綜合交通運輸管理系統(tǒng)。這種新型系統(tǒng)將有效地使用傳感器網(wǎng)絡進行交通管理，不僅可以使汽車按照一定的速度行駛、前后車距自動地保持一定的距離，而且還可以提供有關(guān)道路堵塞的最新消息，推薦最佳行車路線以及提醒駕駛員避免交通事故等。該系統(tǒng)用大量的傳感器與各種車輛保持聯(lián)系，人們可以利用計算機來監(jiān)視每一輛汽車的運行狀況，如制動質(zhì)量、發(fā)動機運轉(zhuǎn)情況等。根據(jù)具體情況，計算機可以自動進行調(diào)整，使車輛保持在高效低耗的最佳運行狀態(tài)，并就潛在的故障發(fā)出警告，或直接與事故搶救中心取得聯(lián)系。南京航空航天大學碩士學位論文52022 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)絡的新型計算發(fā)展規(guī)劃” ，規(guī)劃中稱，今后英特爾將致力于研究微型傳感器網(wǎng)絡在預防醫(yī)學、環(huán)境監(jiān)測、森林滅火乃至海底板塊調(diào)查、行星探查等領(lǐng)域的應用。實現(xiàn)該計劃需要 3 個階段，即物理階段、實現(xiàn)階段和應用階段。物理階段主要開發(fā)集成感知、計算和通信功能的超微型傳感器(也被稱作塵?；蛑悄芪m)，實現(xiàn)階段將在實際商務中使用來自傳感器網(wǎng)絡的感知數(shù)據(jù)，應用階段將應用傳感器網(wǎng)絡于預防醫(yī)學、環(huán)境監(jiān)測及災害對策等領(lǐng)域。英特爾研究中心伯克利實驗室和大西洋學院的研究人員計劃部署和使用無線傳感器網(wǎng)絡來研究島上環(huán)境，這些傳感器由溫度、濕度、氣壓等芯片和紅外線傳感器組成，科學家們使用這些設備可以在不干擾野生動植物正常生活的情況下監(jiān)視它們及其生存環(huán)境。現(xiàn)在己經(jīng)有一些從事無線傳感器網(wǎng)絡開發(fā)的公司，如美國的 Crossbow 公司和Dust 公司等，其中 Crossbow 公司己經(jīng)推出了 Mica 系列傳感器網(wǎng)絡產(chǎn)品，到現(xiàn)在已經(jīng)有了 Mica、 MicaMica2Dot 三種產(chǎn)品。他們還為 Mica 開發(fā)了一套微型的操作系統(tǒng)。Mica2Dot 的大小和一枚硬幣差不多，每個 Mica2 可以分為兩個模塊，一個是基本的射頻和處理模塊 MPR (Mote Processor Radio Board)，另一個是可選的傳感模塊MDA(Mote Data Acquisition Board)。Mica2 工作在 915MHz 的 ISM 頻段上，有兩個可調(diào)的工作頻率： 和 ，它以 AA 電池或鈕扣電池作為能源，現(xiàn)在關(guān)于無線傳感器網(wǎng)絡的大多數(shù)科研和演示系統(tǒng)都是以 Mica 為平臺的。學術(shù)界的研究進展在美國自然科學基金委員會的推動下，美國的加州大學伯克力分校、麻省理工學院、康奈爾大學、加州大學洛杉磯分校等學校開始了傳感器網(wǎng)絡的基礎理論和關(guān)鍵技術(shù)的研究。英國、日本、意大利等國家的一些大學和研究機構(gòu)也紛紛開展了該領(lǐng)域的研究工作。到現(xiàn)在為止，學術(shù)界對無線傳感器網(wǎng)絡的研究大致經(jīng)過了兩個階段。第一階段主要偏重利用微型機電系統(tǒng)(MicroElectromechanical Systems， MEMS)技術(shù)設計小型化的節(jié)點設備，代表性的研究項目有 Smart Dust 和 WINS(WirelessIntegrated Network Sensors)實驗室；對于網(wǎng)絡技術(shù)和通信協(xié)議的關(guān)注和研究可以認為是無線傳感器網(wǎng)絡研究的第二個階段，目前正在成為無線網(wǎng)絡研究領(lǐng)域的一個熱點。從網(wǎng)絡分層模型的角度分析，每一層都有需要結(jié)合傳感器網(wǎng)絡的特點進行細致研究的問題。就己有的研究而言，主要集中在網(wǎng)絡層和鏈路層。目前的研究工作還處于起步階段，大量的問題還沒有涉及到，未來的研究工作任重而道遠。下面，主要介紹一下目前在網(wǎng)絡技術(shù)和通信協(xié)議方面的一些研究進展。(1)無線傳感器網(wǎng)絡網(wǎng)絡技術(shù)的研究進展 加州大學伯克力分校提出了應用網(wǎng)絡連通