【正文】 o Electro Mechanical System)等技術的發(fā)展，使得開發(fā)小體積、低成本、低功耗的微傳感器成為可能，為無線 傳感器網(wǎng)絡的構建奠定了基礎。 第四代傳感器網(wǎng)絡是由大量無處不在的， 具有通信與計算能力的微小傳感器節(jié)點密集布設在無人值守的監(jiān)控區(qū)域而構成的能夠根據(jù)環(huán)境自主完成指定任務的“智能”自治測控 系統(tǒng)。 傳感器網(wǎng)絡的發(fā)展可以劃分為以下四個階段： 第一代傳感器網(wǎng)絡是由具有簡單點對點信號傳輸功能的傳統(tǒng)傳感器所組成的測控系 統(tǒng)，只是初步實現(xiàn)了信息的單向傳遞； 第二代傳感器網(wǎng)絡是由智能傳感器和現(xiàn)場控制站組成的測控網(wǎng)絡。 研究背景 傳感器是數(shù)據(jù)采集、 信息處理的關鍵部件， 它可以將物理世界中的一個物理量映射到一個定量的測量值， 使人們對物理世界形成量化認識。 無線傳感器網(wǎng)絡將邏輯上的信息世界與真實的物理世界融合在一起， 改變著人與自然 交互的方式。 Mark Weiser 在 1991 年首次提出了普適計算 [1] (ubiquitous puting)思想，普適 計算作為 21 世紀的計算模式，其基本思想是使計算機技術從用戶意識中徹底消失。在物 理環(huán)境中結合計算處理能力的控制能力， 人與人、 人與機器以及機器與機器的交互最終統(tǒng) 一到人與自然的交互。 人們可以通過無線傳感器網(wǎng)絡直接感知客觀世界， 從而極大地擴展現(xiàn)有的網(wǎng) 絡的功能和人類認識世界的能力。 目前傳感器技術已廣泛應用于國防、機械、電力、能源、交通等諸多領域。 傳感器與現(xiàn)場控制站間的信號傳輸方式與第一代傳感器網(wǎng)絡基本相同。 現(xiàn)在所指的無線傳感器網(wǎng)絡屬于第四代傳感器網(wǎng)絡，是一種新型的無基礎設施網(wǎng)絡各個無線節(jié)點 (傳感器 )靜態(tài)地隨機分布于某一區(qū)域，它們協(xié)作地監(jiān)測、感知和采集網(wǎng)絡分 布區(qū)域內(nèi)的各種環(huán) 境或監(jiān)測對象的信息， 并對這些信息進行處理， 獲得詳盡而準確的結果， 并最終傳送給需要這些結果的用戶。 目前，無線傳感器網(wǎng)絡廣泛應用于跟蹤、監(jiān)測等領域，這些應用的共同特點是：網(wǎng)絡 負責監(jiān)測周圍區(qū)域并報告異常事件的發(fā)生， 因此在這類應用中， 網(wǎng)絡傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包所包含 信息的重要性將有很大不同， 同時要求無線傳感器網(wǎng)絡能夠?qū)⒉杉降臄?shù)據(jù)盡量在規(guī)定的 時間內(nèi)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心， 然后由數(shù)據(jù)中心對數(shù)據(jù)進行分析， 并將最終分析結果交給決策者 圖 所示的是這些應用中的一個典型場景， 無線傳感器網(wǎng)絡被隨機部署在一個指定的保護區(qū)域， 觀察并報告是否有入侵者進入。特別是基于無線傳感器網(wǎng) 絡的圖像、 視頻和流媒體等多媒體信息的傳輸需求的急劇增加， 給無線傳感器網(wǎng)絡的設計 帶來了極大的挑戰(zhàn)， 由于無線傳感器網(wǎng)絡是一種新興的， 由大量無線傳感器節(jié)點通過自組 織的方式組成網(wǎng)絡， 節(jié)點的傳感器負責采集監(jiān)測數(shù)據(jù)， 無線射頻收發(fā)裝置負責節(jié)點之間以 及節(jié)點與之間數(shù)據(jù)的交互，其工作方式以及承載的業(yè)務類型都與傳統(tǒng)網(wǎng)絡有著很大的區(qū) 別。 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 傳感器技術、微機電系統(tǒng)、現(xiàn)代網(wǎng)絡和無線通信等技術的進步，推動了具有現(xiàn)代意義 的無線傳感器網(wǎng)絡的產(chǎn)生和發(fā)展。 無線傳感器網(wǎng)絡的基本思想起源于 20 世紀 70 年代， 研究的重點主要放在國防項目上。 加州大學伯克力分校提出了應用網(wǎng)絡連通性重構傳感器位置的方法、 基于相關性的數(shù) 據(jù)編碼模式、 用稀疏傳感器網(wǎng)絡重構跟蹤移動對象 路線的方法、 傳感器網(wǎng)絡上隨時間變化的連續(xù)流可視化方法、 允許系統(tǒng)級優(yōu)化時有效通信機制的一般化解、 傳感器網(wǎng)絡上的數(shù)據(jù)分布式存儲的地理表方法、 確定傳感器網(wǎng)絡中結點位置的分布式算法等， 同時專門為無線傳感器網(wǎng)絡開發(fā)了一種微型操作系統(tǒng) TinyOS。 他們提出了低級通信不依賴于網(wǎng)絡拓撲結構的分布式系統(tǒng)技術、 支持多應用無線傳感器網(wǎng)絡中命名數(shù)據(jù)和網(wǎng)內(nèi)數(shù)據(jù)處理的軟件結構、 變換初始感知為高級數(shù)據(jù)流的層次系統(tǒng)結構、 無線傳感器網(wǎng)絡的時間同步的解決方法、 自組織無線傳感器網(wǎng)絡的設計問題和解決方法、新的多路徑模式等。 實驗表明傳感器網(wǎng)絡在這樣的應用環(huán)境中有非常明顯的優(yōu)勢。 2020 年中國科學院依托上海微系統(tǒng)所成立微系統(tǒng)研究與發(fā)展 中心， 在無線傳感器網(wǎng)絡方向上陸續(xù)部署了若干重大研究項目， 初步建立了傳感器網(wǎng)絡系 統(tǒng)的研究平臺，在無線智能傳感器網(wǎng)絡通信技術、微型傳感器、傳感器端機、移動機站和 應用系統(tǒng)等方面取得很大進展。首先，無線鏈路不穩(wěn)定，易受 周圍環(huán)境和噪聲的影響，因此通信延遲難以估計；其次，許多無線傳感器網(wǎng)絡的應用需要 在僅有電池供電的情況下工作數(shù)月甚至數(shù)年。 它是針對無線傳感器網(wǎng)絡實時應用提出的一種新的體系結構， 指出了無線傳感器網(wǎng)絡實時應用的特點及需要考慮的基本 問題和基本解決方法。 SPEED 是地理位置信息相關的路由協(xié)議， 它通過保證預期的發(fā)送速度提供了無線傳感器網(wǎng) 絡的實時服務。另外 SPEED 協(xié)議無須 MAC 層提供 Qos 或?qū)崟r性支持； 最后是建立在 標準之上的 MAC 層解決方 案。 本文研究的內(nèi)容主要分為以下三個階段： 第一階段， 對無線傳感器網(wǎng)絡的通信延遲進行分析和研究。 3)根據(jù)以上的理論分析，針對簡單優(yōu)先級調(diào)度算法以及 DropTail 的不足，提出了一 種動態(tài)優(yōu)先級調(diào)度算法，并通過仿真對提出的動態(tài)優(yōu)先調(diào)度算法進行了性能評價。 圖 主要研究內(nèi)容 本文結構 全文共分七章，內(nèi)容包括：緒論；無線傳感器網(wǎng)絡簡介；無線傳感器網(wǎng)絡通信延分 析； 節(jié)點級延遲分析與仿真； 動態(tài)優(yōu)先級分組調(diào)度算法研究與仿真； 具有優(yōu)先 CSMA/CA 研究與仿真；結論。最后介紹了仿真平臺 OPNET。包含了 所需要的軟件設備，開發(fā)環(huán)境，以及開發(fā)內(nèi)容，和重要的數(shù)據(jù)采集提取 和讀取部分。然后在ubuntu 中編譯并運行 Com_Sensor 程序獲取傳感器實驗箱的數(shù)據(jù)。 第七章。 無線傳感器網(wǎng)絡的概述 當前， 自織網(wǎng)的一個重要的發(fā)展方向是無線傳感器網(wǎng)絡， 我們可以把無線傳感器網(wǎng)絡 定義如下 [11]：無線傳感器網(wǎng)是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 信模塊的微型傳感器以自組織方式構成的無線網(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，并傳送給信息獲取者。另外，一個傳感器網(wǎng)可以有多個信息獲取者，一個信息獲取者也 可以是多個傳感器網(wǎng)的用戶。 感知對象的信息一般通過表示物理現(xiàn)象、化學現(xiàn)象或其他現(xiàn)象的數(shù)字量來表示，如溫度、 濕度、物體的大小、物體的移動速度等。環(huán)境監(jiān)控方面，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 [1820]。另外，網(wǎng)絡的自組織、微型化和對外 部世界的感知能力的三大特點使其在倉庫管理、交互式博物館、交互式玩具、工廠自動化生產(chǎn)線等眾多領域，都將會孕育出全新的設計和應用模式 [2427]。這些特點都不同于傳統(tǒng)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡，在實現(xiàn)各種網(wǎng)絡 協(xié)議和應用系統(tǒng)時 帶來了許多的約束，同時也提出了一系列挑戰(zhàn)性問題 [2931]： 1)通信能力有限 。 因此如何在有限通信能力的條件下高質(zhì)量地完 成感知信息的處理與傳輸，是我們面臨的第 1 個挑戰(zhàn)。 如何在網(wǎng)絡 工作過程中節(jié)省能源，最大化網(wǎng)絡的生命周期，是我們面臨的第 2 個挑戰(zhàn)。但是，由于嵌入式處理器和存儲器的 能力和容量有限， 傳感器的計算能力十分有限。 傳感器數(shù)量大、 分布廣的特點使得網(wǎng)絡的 維護十分困難甚至不可維護，無線傳感器網(wǎng)絡的軟、硬件必須具有高健壯性和容錯性。因此，網(wǎng)絡的拓撲結構動態(tài)變化，傳感器、感知 對象和觀察者三者之間的路徑也隨之變化。 很多無線傳感器網(wǎng)絡需要對感知對象進行控制， 如溫度控制。無線傳感器網(wǎng)絡中的每個傳感器通常都產(chǎn)生較大的流式數(shù)據(jù)，并 具有實時性。 無線傳感器網(wǎng)絡與傳統(tǒng)網(wǎng)絡的實時性能研究比較 具有實時性 要求的通信網(wǎng)絡與普通通信網(wǎng)絡的不同在于引入了時間限制， 它要確保準 時地傳遞信息并且支持分布式計算。因此，傳統(tǒng)有線網(wǎng)絡中的機 制無法直接應用于無線傳感器網(wǎng)絡中 。 一般來說，為了保證網(wǎng)絡中節(jié)點間數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性，通信協(xié)議需要考慮兩個過程： 訪問仲裁過程和傳輸控制過程。 如果兩個過程能有機地結合在一起，就 能很好保證通訊協(xié)議的實時性。這是無線傳感器網(wǎng)絡和有線網(wǎng)絡的不同之處。 訪問仲裁過程決定一個節(jié)點什么時候可以 通過無線介質(zhì)發(fā)送數(shù)據(jù)，而傳輸控制過程決定節(jié)點可在無線介質(zhì)上不間斷傳輸數(shù)據(jù)的時 間。 溫濕度傳感器是指能將溫度量和濕度量轉(zhuǎn)換成容易被測量處理的電信號的設備或裝置。 濕度： 濕度很久以前就與生活存在著密切的關系 ,但用數(shù)量來進行表示較為困難。在物理量的導出上相對濕度與溫度有著密切的關系。日常生活中所指的適度為相對濕度，用 RH%表示。 飽和濕度 ：在一定溫度下，單位容積，空氣中所能容納的水汽量的最大限度。 露點 ：指含有一定量水蒸氣（絕對濕度）的空氣，當溫度下降到一定程度時所含的水蒸氣就會達到飽和狀態(tài)（飽和濕度）并開始液化成水， 這種現(xiàn)象叫做凝露。 光照： 紅外： 選擇的注意事項 ： ① 、 選擇測量范圍 和測量重量、溫度一樣，選擇濕度傳感器首先要確定測量范圍。所以使用者一定要量體裁衣，不宜盲目追求 “ 高、精、尖 ” 。將產(chǎn)生 %RH 的濕度變化 (誤差 )。對于要求精確控制恒溫、 恒濕的局部空間，或者需要隨時跟蹤記錄濕度變化的場合，再選用 177。相對濕度測量儀表，即使在 20— 25℃ 下，要達到 2%RH 的準確度仍是很困難的。2% 左右，甚至更高。為正確反映欲測空間的濕度，還應避免將傳感器安放在離墻壁太近或空氣不流通的死角處。使用時應按照技術要求提供合適的、符合精度要求的供電電源。 因而急需一種科學的手段來反映和預測網(wǎng)絡的性能，網(wǎng)絡仿真技術應運而生。 OPNET(Optimized Network Engineering Tool)[3638]是一 個面向?qū)ο蟮碾x散事件通用網(wǎng)絡仿真器， 它使用分層模型來定義系統(tǒng)的每一方面。仿真器通過一個圖形用戶接口幫助用戶開發(fā)不同的模型，整 個接口可以模擬、圖形化、動畫展示輸出結果。三層模型與實際 的協(xié)議、設備、網(wǎng)絡三層相對應，全面反映了網(wǎng)絡的相關特性，提供了與外部程序或系統(tǒng) 進行數(shù)據(jù)通信的機制，提供協(xié)同仿真功能。它擁有探測器編輯器、分析工具、過濾工具、動畫視圖等結果分析工具。 子系統(tǒng) 及每一層都有很大的差別， 針對通信網(wǎng)絡中這種不同特性子系統(tǒng)的差別， 建模劃分的三個 層次，如表 所示 如何將模型中涉及的各子系統(tǒng)的特性與建模域?qū)饋恚? 是建模過程中的難題， 表 列舉了系統(tǒng)的各個層面和建模域的對應關系，其中系統(tǒng)的某一個層面可能與多個域相對 應，建模過程中需要將幾個域結合起來。 在非信標網(wǎng)絡工作方式情況下，采用非時隙 CSMACA信道接入機制，采用該機制的設備，在每次發(fā)送數(shù)據(jù)楨或 MAC層命令時，要等待一個任意長的周期，在這個任意的退避時間之后，如果設備發(fā)現(xiàn)信道空閑 ，就會發(fā)送數(shù)據(jù)楨和 MAC層命令；反之，如果設備發(fā)現(xiàn)信道正忙，將等待任意長的周期后，再次嘗試接入信道。如果信道空閑，設備將在下一個空閑的退避時隙發(fā)送數(shù)據(jù)。 MDK414 （ arm 平 臺 編 譯 燒 錄 代 碼 軟 件 ）、KeilC51v750a