【正文】 第一章 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò) 研究背景與意義在當(dāng)代大多數(shù)信息技術(shù)領(lǐng)域中，作為基礎(chǔ)的傳感器技術(shù)取得了飛快的發(fā)展，在獲取信息方面是一種很重要的方式。它作為基礎(chǔ)知識(shí)出現(xiàn)在物聯(lián)網(wǎng)等一些新興概念中，隨著現(xiàn)代傳感器技術(shù)的發(fā)展，人們獲取信息數(shù)據(jù)的技術(shù)的方式由過(guò)去單一化逐漸的朝微型化和網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)變，帶來(lái)了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的迅猛發(fā)展。 近年來(lái)，隨著技術(shù)水平的大規(guī)模提高，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用條件越來(lái)越成熟，應(yīng)用范圍也越來(lái)越廣。例如在環(huán)境監(jiān)測(cè)中，可以用于監(jiān)測(cè)大氣成分、溫度、濕度、亮度、壓力、噪聲等。 在醫(yī)療方面，在病人身上安置傳感器，可以隨時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控病人病情。 在工業(yè)控制中，許多大型設(shè)備需要監(jiān)控關(guān)鍵部件的技術(shù)參數(shù)。在科學(xué)研究領(lǐng)域，傳感器網(wǎng)絡(luò)提供了一種新型的研究手段，可以應(yīng)用在地震、火山活動(dòng)過(guò)程、生態(tài)系統(tǒng)微觀行為的觀察等研究中。在軍事領(lǐng)域，傳感器網(wǎng)絡(luò)可應(yīng)用在戰(zhàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)及武器裝備試驗(yàn)中，也可以用于對(duì)軍用物資的管理。 傳感器網(wǎng)絡(luò)與農(nóng)業(yè)結(jié)合，對(duì)農(nóng)作物和環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)，根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整水分、肥料和殺蟲劑的使用量，可以達(dá)到低耗費(fèi)、低污染、高產(chǎn)出的目的。在交通控制領(lǐng)域，車輛若裝有傳感器，可以監(jiān)測(cè)車輛位置、速度、道路狀況和車輛密度等信息，有助于司機(jī)了解路況。此外，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在智能家居、智能辦公環(huán)境等方而也大有用武之地。因此，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究與開(kāi)發(fā)成為近年來(lái)信息領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[1]。 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò) 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本概念1．WSN 概述無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由分布在一定范圍內(nèi)的大量傳感器節(jié)點(diǎn)組成，各節(jié)點(diǎn)之間多以無(wú)線多跳無(wú)中心方式連接，并且能夠協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域內(nèi)目標(biāo)對(duì)象的信息，并將相應(yīng)信息返回給觀察者。從上述定義可以看到，傳感器、感知對(duì)象和觀察者是傳感器網(wǎng)絡(luò)的 3 個(gè)基本要素；無(wú)線網(wǎng)絡(luò)是傳感器之間、傳感器與觀察者之間的通信方式，用于在傳感器與觀察者之間建立通信路徑；協(xié)作地感知、采集、處理、發(fā)布感知信息是傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本功能。一組功能有限的傳感器協(xié)作地完成大的感知任務(wù)是傳感器網(wǎng)絡(luò)的重要特點(diǎn)。傳感器網(wǎng)絡(luò)中的部分或全部節(jié)點(diǎn)可以移動(dòng)。傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也會(huì)隨著節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)而不斷地動(dòng)態(tài)變化。節(jié)點(diǎn)間以 AdHoc 方式進(jìn)行通信，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以充當(dāng)路由器的角色，并且每個(gè)節(jié)點(diǎn)都具備動(dòng)態(tài)搜索、定位和恢復(fù)連接的能力。傳感器由電源、感知部件、嵌入式處理器、存儲(chǔ)器、無(wú)線通信部件和軟件這幾部分構(gòu)成，電源為傳感器提供正常工作所必需的能源。感知部件用于感知、獲取外界的信息，并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。處理部件負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)各部分的工作，如對(duì)感知部件獲取的信息進(jìn)行必要的處理、保存，控制感知部件和電源的工作模式等。無(wú)線通信部件負(fù)責(zé)與其他傳感器或觀察者的通信。軟件則為傳感器提供必要的軟件支持，如嵌入式操作系統(tǒng)、嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)等。觀察者是傳感器網(wǎng)絡(luò)的用戶，是感知信息的接收者和應(yīng)用者。觀察者可以是人，也可以是計(jì)算機(jī)或其他設(shè)備。例如，軍隊(duì)指揮官可以是傳感器網(wǎng)絡(luò)的觀察者；一個(gè)由飛機(jī)攜帶的移動(dòng)計(jì)算機(jī)也可以是傳感器網(wǎng)絡(luò)的觀察者。一個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)可以有多個(gè)觀察者。一個(gè)觀察者也可以是多個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)的用戶。觀察者可以主動(dòng)地查詢或收集傳感器網(wǎng)絡(luò)的感知信息，也可以被動(dòng)地接收傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)布的信息。觀察者將對(duì)感知信息進(jìn)行觀察、分析、挖掘、制定決策，或?qū)Ω兄獙?duì)象采取相應(yīng)的行動(dòng)。感知對(duì)象是觀察者感興趣的監(jiān)測(cè)目標(biāo)，也是傳感器網(wǎng)絡(luò)的感知對(duì)象，如坦克、軍隊(duì)、動(dòng)物、有害氣體等[2]。感知對(duì)象一般通過(guò)表示物理現(xiàn)象、化學(xué)現(xiàn)象或其他現(xiàn)象的數(shù)字量來(lái)表征，如溫度、濕度等。一個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)可以感知網(wǎng)絡(luò)分布區(qū)域內(nèi)的多個(gè)對(duì)象。一個(gè)對(duì)象也可以被多個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)所感知。2．WSN 特點(diǎn) 從路由的方面來(lái)看，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)既不同于傳統(tǒng)因特網(wǎng)和蜂窩移動(dòng)網(wǎng)，也不同于移動(dòng)自組網(wǎng)(MANET，Mobile Adhoc Network)。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)主要特點(diǎn)如下：1) 微型傳感器價(jià)格低廉。 適合大規(guī)模應(yīng)用，微型傳感器集成了多種功能 ，如無(wú)線通信、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理等，并且微型傳感器體積小，適合隱蔽安裝，也被稱為智能塵埃。2) 節(jié)點(diǎn)資源有限。節(jié)點(diǎn)微型化導(dǎo)致了節(jié)點(diǎn)硬件資源有限。節(jié)點(diǎn)通常由電池供電，一般情況下 5 號(hào)電池供電，半年左右就需要更換，所以節(jié)點(diǎn)的能源是受限的，一旦電池能量耗盡，節(jié)點(diǎn)便無(wú)法繼續(xù)提供服務(wù)。3) 節(jié)點(diǎn)數(shù)目眾多。為了能夠捕獲精確信息，需要在目標(biāo)區(qū)域放置大量節(jié)點(diǎn) ，以防出現(xiàn)盲區(qū)，數(shù)目眾多的節(jié)點(diǎn)可以給網(wǎng)絡(luò)提供冗余，保證了網(wǎng)絡(luò)的健壯性，不會(huì)因?yàn)槟硞€(gè)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)差錯(cuò)，導(dǎo)致工作異常。4) 動(dòng)態(tài)拓?fù)?。因?yàn)闊o(wú)線傳感器工作時(shí)，受到多種外界環(huán)境因素的制約和干擾 ，某些節(jié)點(diǎn)可能會(huì)隨時(shí)終止工作, 節(jié)點(diǎn)本身也可能是移動(dòng)的，所以無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)洳皇且怀刹蛔兊? 而是處在變化中。5) 自組織網(wǎng)絡(luò)。在現(xiàn)實(shí)的應(yīng)用中，節(jié)點(diǎn)安放的位置可能無(wú)法預(yù)先精確定位 ，相鄰情況也無(wú)法準(zhǔn)確估計(jì), 這就要求節(jié)點(diǎn)能夠自組網(wǎng)絡(luò)，自動(dòng)進(jìn)行配置及通信，相互協(xié)調(diào)工作，對(duì)不斷變化的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥龀鲰憫?yīng)。6) 多跳路由。因?yàn)闊o(wú)線節(jié)點(diǎn)的功率都比較小，為了節(jié)省電力，信號(hào)覆蓋范圍往往很有限，不可能覆蓋整個(gè)網(wǎng)絡(luò)，信號(hào)的對(duì)外傳輸需要相鄰的節(jié)點(diǎn)來(lái)完成，這就要求網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)還要擔(dān)負(fù)路由的工作，要參與信號(hào)的轉(zhuǎn)發(fā)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都要擔(dān)負(fù)中繼的角色，信號(hào)往往經(jīng)過(guò)多個(gè)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)接力傳輸后才能到達(dá)匯聚點(diǎn)[3]。 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)一般包括傳感器節(jié)點(diǎn)、sink 匯聚節(jié)點(diǎn)和任務(wù)管理節(jié)點(diǎn)，這些節(jié)點(diǎn)可以通過(guò)人工、機(jī)械、飛行器拋撒等方式隨機(jī)部署到監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)，一般的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)如圖 11所示。 圖11 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu) The system architecture of WSN 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)根據(jù)需要和應(yīng)用環(huán)境的不同，其結(jié)構(gòu)可能會(huì)做出相應(yīng)的調(diào)整。在傳感器節(jié)點(diǎn)部署好以后，傳感器節(jié)點(diǎn)會(huì)以自組織的形式構(gòu)成無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)多跳中繼的方式將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送給 sink 匯聚節(jié)點(diǎn)，同時(shí)，sink 匯聚節(jié)點(diǎn)也可以同樣的方式將信息發(fā)送給各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)。最終，借助于長(zhǎng)距離通信或 internet，sink 節(jié)點(diǎn)將監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的感知數(shù)據(jù)發(fā)送給遠(yuǎn)端的任務(wù)管理節(jié)點(diǎn)。3．網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 在 WSN 中，主要可以分為二種結(jié)構(gòu)。分別為平面結(jié)構(gòu)和分層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。當(dāng)區(qū)域內(nèi)的節(jié)點(diǎn)數(shù)量偏小時(shí)，基本采用平面拓?fù)浞绞?。相反，?dāng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模很大，節(jié)點(diǎn)數(shù)目眾多，此時(shí)應(yīng)采用分層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[4]。(1) 平面結(jié)構(gòu)存在于平面結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)都是完全相同。在規(guī)定的通信范圍內(nèi)，它們可以和任意節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，有的節(jié)點(diǎn)能量耗盡不能工作，網(wǎng)絡(luò)受其影響較小，可以看出平面結(jié)構(gòu)的容錯(cuò)性較高。為保證區(qū)域內(nèi)的節(jié)點(diǎn)都可以正常的接收發(fā)送數(shù)據(jù)，因此每個(gè)節(jié)點(diǎn)都要存儲(chǔ)詳細(xì)的路由信息，顯然能量利用率很低。(2) 分層結(jié)構(gòu)在分層結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)有三種存在方式。一個(gè)完整網(wǎng)絡(luò)是有許多的簇組成，而每個(gè)簇都含有一個(gè)簇頭節(jié)點(diǎn)和普通成員節(jié)點(diǎn)，而傳感器節(jié)點(diǎn)和通信節(jié)點(diǎn)又構(gòu)成了普通成員節(jié)點(diǎn)。這里的普通節(jié)點(diǎn)功能單一，沒(méi)有較為復(fù)雜的工作任務(wù)，減少了路由記錄的過(guò)程，擴(kuò)展性很強(qiáng)。但其也存在不足，因?yàn)閳?zhí)行分簇路由算法，因而在能量消耗上和網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的穩(wěn)定程度上都存在一定困難。 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有廣泛的應(yīng)用前景，已經(jīng)成為信息領(lǐng)域研究的一個(gè)熱點(diǎn)問(wèn)題。由于它具有鮮明的多學(xué)科交叉特點(diǎn)，從關(guān)鍵技術(shù)的研究來(lái)看，研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)主要集中在以下幾個(gè)方面： (1) MAC 層協(xié)議。無(wú)線傳感器