【正文】 中北大學 2020 屆畢業(yè)論文 第 1 頁 共 54 頁 1 緒論 課題背景和研究意義 無線傳感器網絡綜合了傳感器技術、嵌入式計算技術、現(xiàn)代網絡及無線通信技術等多種先進技術。其主體是集成化微型傳感器，這些微型傳感器具有無線通信、數(shù)據(jù)采集和處理、協(xié)同合作的功能。無線傳感器網絡就是由成千上萬的傳感器節(jié)點通過自組織方式構成的網絡，它通過這些傳感器協(xié)作地實時監(jiān)測、感知和采集各種環(huán)境或監(jiān)測對象的信息，通過嵌入式系統(tǒng)對信息進行處理，并通過隨機自組織無線通信網絡以多跳中繼方式將所感知信息傳送到用戶終端，使用戶完全掌握監(jiān)測區(qū)域的情況并做出反應 [1]。 無線傳感器網絡的 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，所以傳感器網絡非常適合應用于惡劣的戰(zhàn)場環(huán)境，包括監(jiān)控我軍兵力、裝備和物資狀態(tài) ； 監(jiān)視沖突區(qū)域，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、生物及化學攻擊等。在戰(zhàn)場上，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)送至數(shù)據(jù)處理中心，再轉發(fā)到指揮部，最后融合來自各戰(zhàn)場的數(shù)據(jù)，形成我軍完備的戰(zhàn)區(qū)態(tài)勢圖。也可以更隱蔽的方式近距離地觀察敵方的布防，或直接將傳感器節(jié)點撒向敵方陣地，在敵方還未來得及反應時迅速收集有利于作戰(zhàn)的信息 。在生物和化學戰(zhàn)中，利用傳感器網絡，可及時、準確地探測爆炸中心，這會為我軍提供寶貴的反應時間，從而最大可能地減小傷亡。 無線傳感器網絡是繼因特網之后，將對 21世紀人類生活方式產生重大影響的 IT熱點技術。如果說因特網改變了人與人之間交流、溝通的方式，那么無線傳感器網絡則將邏輯上的信息世界與真實物理世界融合在一起，將改變人與自然交互的方式[2][3]。 無線傳感器網絡是新興的下一代傳感器網絡，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絡國際會議上，提出了無線傳感器網絡是 下一個世紀面臨的發(fā)展機遇。 2020年，美國《技術評論》雜志論述未來新興十大技術時，無線傳感器網絡被列為第一項未來新興技術。同年，美國《商業(yè)周刊》又在其“未來技術專版”中發(fā)表文章指出，傳感器網絡是全球未來四大高技術產業(yè)之一，將掀起新的的產業(yè)浪潮。美國《今日防務》雜志更認為無線傳感器網絡的應用和發(fā)展，將引起一場劃時代的軍事技術革命和未來戰(zhàn)爭的變中北大學 2020 屆畢業(yè)論文 第 2 頁 共 54 頁 革。 2020年《 IEEE Spectrum》 雜志發(fā)表一期“傳感器的國度”，論述無線傳感器網絡的發(fā)展和可能的廣泛應用?？梢灶A計，無線傳感器網絡的發(fā)展和廣泛應用，將對人們的社 會生活和產業(yè)變革帶來極大的影響和產生巨大的推動。 國內外研究 現(xiàn)狀 無線傳感器網絡節(jié)點結構 在不同應用中，傳感器節(jié)點的結構不盡相同，但一般都由傳感器模塊、處理器模塊、無線通信模塊和能量供應模塊四部分組成 [4]，如圖 。傳感器模塊負責監(jiān)測區(qū)域內信息的采集和數(shù)據(jù)轉換，傳感器的類型是由被監(jiān)測物理信號的形式決定的，如用于溫度監(jiān)測的鉑電阻傳感器，用于壓力傳感的電容式傳感器等 ； 處理器模塊負責控制整個傳感器節(jié)點的操作，存儲和處理本身采集的數(shù)據(jù)以及其他節(jié)點發(fā)送來的數(shù)據(jù) ； 無線通信模塊負責與其他傳 感器節(jié)點進行無線通信，交換控制信息和收發(fā)采集數(shù)據(jù) ； 能量供應模塊為傳感器節(jié)點提供運行所需的能量，通常采用微型電池，不過己有公司探索從周圍環(huán)境取得能量并將其轉換成微瓦電能的方法。 圖 傳感器節(jié)點結構 無線傳感器網絡協(xié)議棧 無線傳感器網絡協(xié)議棧包括物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網絡層、傳輸層和應用層，與互聯(lián)網協(xié)議棧的五層協(xié)議相對應，如圖 。另外，協(xié)議棧還包括能量管理 傳感器模塊 無線通信模塊 能量供應模塊 傳感器 AC/DC 處理器 存儲器 網絡 MAC 收發(fā)器 中北大學 2020 屆畢業(yè)論文 第 3 頁 共 54 頁 平臺、移動管理平臺和任務管理平臺。這些管理平臺使得傳感器節(jié)點能夠按照能源高效的方式協(xié)同工作，在節(jié)點移動的傳感器網絡中轉發(fā)數(shù)據(jù)，并支持多任務和資源共享 .各層協(xié)議和平臺的功能如下 [5], (1)物理層提供簡單但健壯的信號調制和無線收發(fā)技術 ； (2)數(shù)據(jù)鏈路層負責數(shù)據(jù)成幀，幀檢測、媒體訪問和差錯控制 ； (3)網絡層主要負責路由生成與路由選擇 ； (4)傳輸層負責數(shù)據(jù)流的傳輸控制，是保證通信服務質量的重要部分 ； (5)應用層包括一系列基于監(jiān)測任務的應用層軟件 ； (6)能量管理平臺管理傳感器節(jié)點如何使用能源，在各個協(xié)議層都需要考慮節(jié)省能量 ； (7)移動管理平臺檢測并注冊傳感器節(jié)點的移動，維 護到匯聚節(jié)點的路由，使得傳感器節(jié)點能夠動態(tài)跟蹤其鄰居的位置 ； (8)任務管理平臺在一個給定的區(qū)域內平衡和調度檢測任務。 圖 無線傳感器網絡協(xié)議棧 無線傳感器網絡的拓撲結構 無線傳感器網絡特定的應用環(huán)境及其固有的特征，對傳感器網絡拓撲結構的設物理層 數(shù)據(jù)鏈路層 網絡層 傳輸層 應用層 能量管理平臺 移動管理平臺 任務管理平臺 中北大學 2020 屆畢業(yè)論文 第 4 頁 共 54 頁 計提出了新的要求。在無線傳感器網絡中，節(jié)點需要完全以自組織的形式構成自治型網絡，并且能夠工作在無人值守的惡劣環(huán)境當中。到目前為止，無線傳感器網絡拓撲結構的研究主要集中在兩個方向，即平面型拓撲結 構和層次型拓撲結構 [6]。 平面型拓撲結構，所有節(jié)點的地位平等、作用相同，既采集數(shù)據(jù)又進行數(shù)據(jù)通信的中轉，網絡中不存在集中式控制中心。為了有效地節(jié)省能量，遠距離節(jié)點之間以多跳通信方式，如圖 。平面結構網絡比較簡單，無需任何的結構維護過程，節(jié)點根據(jù)預定的路由協(xié)議自組織成無線網絡。由于隨機分布、高密度等特性，源節(jié)點和目的節(jié)點之間可能存在多條傳輸路徑，如圖 A和 E之間存在兩條路徑 :A→ C→ D→ E和 A→ C→ F→ E，既可以使用多條路徑實現(xiàn)負載分擔，也可以為不同的數(shù)據(jù)傳輸需求選擇適當?shù)穆窂?。平面結構網 絡中所有的傳感器節(jié)點理論上是對等的，不存在瓶頸和單點故障，所以比較健壯，但是網絡規(guī)模受限，動態(tài)擴展性差，難以維護。在平面結構中，源節(jié)點為了獲得目的節(jié)點信息通常需要傳輸大量的查詢消息，而且由于網絡的動態(tài)性，如節(jié)點失效、增加等，維護這些動態(tài)變化的路由信息需要發(fā)送大量的控制消息 .網絡規(guī)模越大路由維護的開銷就越大，當網絡的規(guī)模增加到某個程度時，網絡的所有帶寬可能被路由協(xié)議消耗掉，所以平面式結構的網絡擴展性較差。 圖 平面型拓撲結構 INTERNET SINK 傳感區(qū)域 傳感節(jié)點 中北大學 2020 屆畢業(yè)論文 第 5 頁 共 54 頁 層次型拓撲結構中， 網絡根據(jù)具體應用需求，如地理區(qū)域、能源、應用類型等，劃分為簇，每個簇由一個簇頭節(jié)點和多個簇成員構成，多個簇頭節(jié)點抽象成高一級的網絡，在高一級網絡中可以繼續(xù)分簇，形成更高一級網絡，最終形成多層次組織結構的傳感器網絡，如圖 。 圖 層次型拓撲結構 層次型拓撲結構中，不同層次以自己的局部概念進行交互，聚集起來實現(xiàn)期望的全局任務。分層組織結構中，簇內成員節(jié)點負責感知任務，以多跳方式將采集的信息發(fā)送到簇頭節(jié)點。簇頭節(jié)點作為簇類的中心節(jié)點，擔負著 與遠程終端通訊 、 發(fā)布簇類管理信息、執(zhí)行更高層次的數(shù)據(jù)融合和數(shù)據(jù)分析等使命。為了有效利用能源和延長網絡的生命周期，簇頭節(jié)點通常依據(jù)能量概率分布由網絡節(jié)點輪流充當。這樣可以使簇頭節(jié)點的高能量消耗平均到網絡節(jié)點上，同時也避免了固定簇頭引起的網絡的脆弱性和不穩(wěn)定性，而且可以通過簇拆分來增加簇的個數(shù)或者簇聚合形成更高一級網絡來提高整個網絡的容量。但缺點是，為了維護層次化結構需要仔細設計簇頭選擇算法。而且簇間節(jié)點為了完成數(shù)據(jù)通信需要經過簇頭轉發(fā)，因此不一定能使用最佳路由，例如圖 A,B節(jié)點，物理距離很接近，在平 面結構中可以直接通信，但分簇后需要通過兩個簇的簇頭中繼進行通信。 無線傳感器網絡研究內容 C1 簇 C2 簇 C3 簇 簇頭 傳感器節(jié)點 中北大學 2020 屆畢業(yè)論文 第 6 頁 共 54 頁 由于無線傳感器網絡涉及信息領域多個研究領域，有非常多的關鍵技術有待研究 . (1)對網絡協(xié)議有效性的研究。主要是通過各種網絡協(xié)議的設計與仿真來提高網絡的綜合性能。傳感器網絡協(xié)議負責使各個獨立的節(jié)點間形成一條安全可靠的數(shù)據(jù)傳輸路徑。通過提出適應傳感器網絡特點的路由協(xié)議，提高傳輸數(shù)據(jù)的能量有效性 ； 通過研究和改進己有的 MAC層協(xié)議，來增強節(jié)點之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴］^經典的 MAC協(xié)議有近期提出的基于競爭的 SMAC協(xié)議， TDMA與 FDMA相結合的 MAC協(xié)議 [7]。 (2)對時間同步技術的研究。時間同步用來精準確定來自不同節(jié)點的監(jiān)測事件的先后關系。 WSN中的通信協(xié)議和應用，比如基于 TDMA的 MAC協(xié)議和敏感時間的監(jiān)測任務等，都要求節(jié)點間的時鐘必須保持同步。設計高精度的時鐘同步機制是傳感網絡設計和應用的難點。已有的 NTP(Network Time Protocol)就是一種經典的同步策略 [8]。 (3)對定位技術的研究。定位技術就是位置未知的節(jié)點根據(jù)少數(shù)信標節(jié)點，按照某種定位機制確定自身的位置。節(jié)點不能完全依靠 GPS來實 現(xiàn)定位機制，這就要求相應的機制與算法。已有的定位機制與算法包括兩部分 :節(jié)點自身定位和外部目標定位，前者是后者的基礎。通常方 法有三邊測量法、三角測量法或極大似然估計法。 (4)對傳感器基礎層的軟、硬件資源的研究。提高電池的供電能力，接收信號的處理能力和芯片的集成能力。由于傳感器節(jié)點一方面特點是并發(fā)性密集 ； 傳感器節(jié)點的另一方面特點是高度的模塊化。美國加州大學伯克利分校針對無線傳感器網絡研發(fā)了 TinyOS操作系統(tǒng)，在科研機構的研究中得到比較廣泛地應用。 (5)對數(shù)據(jù)管理和數(shù)據(jù)融合技術的研究。由于傳感器網絡感知數(shù)據(jù) 的海量性，因此必須對采集到的數(shù)據(jù)進行提取、壓縮和融合等處理，來保證采集數(shù)據(jù)的高效性[9]。在應用層設計中，利用分布式數(shù)據(jù)庫技術對采集到的數(shù)據(jù)進行篩選，達到融合的效果 ； 在 MAC層，通過減少數(shù)據(jù)發(fā)送沖突和頭部開銷達到節(jié)省能量的目的。美國加州大學伯克利分校的 TinyDB+71系統(tǒng)和 Cornel大學的 Cougar[18]系統(tǒng)就是典型的傳感器網絡數(shù)據(jù)管理系統(tǒng) [10]。 (6)對傳感器網絡安全性的研究。主要包括兩方面內容 :利用較少的能量和較小的計算量來完成數(shù)據(jù)加密、解密和身份認證 ； 在受破壞或受千擾的情況下可靠的完中北大學 2020 屆畢業(yè)論文 第 7 頁 共 54 頁 成執(zhí)行 任務。由于 WSN的工作環(huán)境，可能面臨著信息被竊聽或被偽造的危險。這對該網絡的擁有者會造成極大的威脅，因此必須綜合考慮網絡安全性的影響。 無線 傳感器網絡的應用 無線傳感器網絡具有廣闊的應用前景，被認為是將對 21世紀產生巨大影響力的技術之一己有和潛在的傳感器網絡應用領域包括 :軍事偵察、環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療監(jiān)護、空間探索、城市交通管理、倉儲管理等等。隨著傳感器技術、無線通信技術、計算技術的不斷發(fā)展和完善，無線傳感器網絡將逐漸深入到人類生活的各個領域 。 (1)軍事應用 在軍事領域，傳感器網絡將會成 C41SRT系 統(tǒng)不可或缺的一部分。 C41SRT系統(tǒng)的目標是利用先進的高科技技術，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。因為傳感器網絡是由密集型、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)的傳感器技術所無法比擬的，在軍事應用中，與獨立的衛(wèi)星和地面雷達系統(tǒng)相比，傳感器網絡的潛在優(yōu)勢表現(xiàn)在以下幾個方面 : 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)難以克服的技術問題之一 ； ②傳感器網絡低成本、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性能指標 ； 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)點對網絡拓撲結構的調整能力，可以有效地消除探測區(qū)域內的陰影和盲點。 (2)環(huán)境科學 隨著人們對于環(huán)境的日益關注，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。 傳感器網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)境變化對農作物的影響，監(jiān)測海洋、大氣和土壤的成分等。類似地，傳感器網絡可實現(xiàn)對森林環(huán)境監(jiān)測和火災報告，中北大學 2020 屆畢業(yè)論文 第 8 頁 共 54 頁 傳感器節(jié)點背隨機密布在森林之中，平常狀態(tài)下定期報告森林環(huán)境數(shù)據(jù)，當發(fā)生火災時，這些傳感器節(jié)點通過協(xié)同合作會在很短的時間內將火源的具體地點、火勢的大小等信息傳送給相關部門。此外，傳感器網絡也可以應用在精細農業(yè)中，以監(jiān)測農作物中的害蟲、土壤的酸堿度和施肥狀況等。 (3)醫(yī)療健康 傳感器網絡在醫(yī)療系統(tǒng)和健康護理方面的應用包括監(jiān)