【正文】 比如，嵌入家具和家電中的傳感器與執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成的無線網(wǎng)絡(luò)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。 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(luò) 可 實(shí)現(xiàn)對星球表面長時(shí)間的監(jiān)測，是一種經(jīng)濟(jì)可行的方案。 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(diǎn)，如心率和血壓監(jiān)測設(shè)備，利用無 線傳感器網(wǎng)絡(luò)，醫(yī)生就可以隨時(shí)了解被監(jiān)護(hù)病人的病情，進(jìn)行及時(shí)的處理，還可以利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)長時(shí)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。 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(yù)測爆發(fā)山洪的可能性。 環(huán)境科學(xué) ： 隨著人們對于環(huán)境的日益關(guān)注，環(huán)境科學(xué)所涉及的范圍越來越廣泛。 在軍事應(yīng)用中，與獨(dú)立的衛(wèi)星和地面雷達(dá)系統(tǒng)相比，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的潛在優(yōu)勢表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面 ： 南京航空航天大學(xué)碩士學(xué)位論文 3 (1)分布節(jié)點(diǎn)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(dá)這 類獨(dú)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(luò)低成本、高冗余的設(shè)計(jì)原則為整個(gè)系統(tǒng)提供了較強(qiáng)的容錯(cuò)能力 ； (3)傳感器節(jié)點(diǎn)與探測目標(biāo)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(diǎn)中多種傳感器的混合應(yīng)用有利于提高探測的 準(zhǔn)確性 。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(shè)傳感器網(wǎng)絡(luò)，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(diǎn)撤向敵方陣地，在敵方還未來得及反應(yīng)時(shí)迅速收集利于作戰(zhàn)的信息。 軍事應(yīng)用 ： 在軍事領(lǐng)域，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)將會逐漸成為 C4ISRT 系統(tǒng)的 重要組成 部分。 （ 5）數(shù)據(jù)傳輸方向性強(qiáng)。傳感器網(wǎng)中傳感器節(jié)點(diǎn)密集，數(shù)量巨大，可能達(dá)到幾百甚至幾千 上 萬個(gè)。傳感器網(wǎng)中的傳感器一般采用嵌入式處理器和 存儲器。 大部分 工作環(huán)境惡劣地區(qū)，更多地受到 地形、地貌、 風(fēng)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(shí)間故障、甚至損壞。比較通用的定義為： 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是指由一組按需隨機(jī)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(luò)，其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍內(nèi)感知對象的信息，并傳送 到 信息 用戶 。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(luò)技術(shù)的研究。無線傳感器網(wǎng)絡(luò) (Wireless Sensor Network, WSN)就是 在這種情況下應(yīng)運(yùn)而生，它是 由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量的廉價(jià)微型傳感器節(jié)點(diǎn)組成，通過無線通信方式組成的一個(gè)多跳的自組織網(wǎng)絡(luò)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(luò)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。 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用前景十分廣闊，能夠廣泛應(yīng)用軍事、環(huán)境監(jiān)測和預(yù)報(bào)、健康護(hù)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。 1． 2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn) [3][4] 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)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(luò)拓?fù)?、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。 基于復(fù)合定位的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)層次路由協(xié)議設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 2 （ 2）能量有限。這些傳感器都具有計(jì)算能力，可以完成一些信息處理工作。此外，傳感器網(wǎng)可以 分 布在很廣泛的地理區(qū)域。在傳感器網(wǎng)中數(shù)據(jù)傳輸具有很強(qiáng)的方向性。 C4ISRT 系統(tǒng)的目標(biāo)是利用先進(jìn)的高科技技術(shù)，為未來的現(xiàn)代化戰(zhàn)爭設(shè)計(jì)一個(gè)集命令、控制、通信、計(jì)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(dá)國家的普遍重視。無線傳感器網(wǎng)絡(luò) 還 可以為火控和制導(dǎo)系統(tǒng)提供準(zhǔn)確的目標(biāo)定位信息。 (5)多節(jié)點(diǎn)聯(lián)合，形成覆蓋面積較大的實(shí)時(shí)探測區(qū)域 。通過 傳統(tǒng)方式采集原始數(shù)據(jù)是一件困難的工作。類似地，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)對森林火災(zāi)準(zhǔn)確、及時(shí)地預(yù)報(bào)也應(yīng)該是有幫助的。此外，在藥物管理等諸多方面，它也有新穎而獨(dú)特的應(yīng)用。 NASA的 JPL(Jet Propulsion Laboratory)實(shí)驗(yàn)室研制的 Sensor Webs 就是為將來的火星探測進(jìn)行技術(shù)準(zhǔn)備的，已在佛羅里達(dá)宇航中心周圍的環(huán)境監(jiān)測項(xiàng)目中進(jìn)行測試和完善。此外，在災(zāi)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(luò)都將會孕育出全新的設(shè)計(jì)和應(yīng)用模式。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(xiàng)目。美國海軍最近也確立了“傳感器組網(wǎng)系統(tǒng)”研究項(xiàng)目。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(xiàng)革命性的技術(shù)。 民用領(lǐng)域的研究進(jìn)展情況 ： 1995 年，美國交通部提出了“國家智能交通系統(tǒng)項(xiàng)目規(guī)劃”，預(yù)計(jì)到 2025 年全面投入使用。根據(jù)具體情況，計(jì)算機(jī)可以自動進(jìn)行調(diào)整，使車輛保持在高效低耗的最佳運(yùn)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。英特爾研究中心伯克利實(shí)驗(yàn)室和大西洋學(xué)院的研究人員計(jì)劃部署和使用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)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(xué)家們使用這些設(shè)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。 Mica2 工作在 915MHz的 ISM 頻段上，有兩個(gè)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(luò)的大多數(shù)科研和演示系統(tǒng)都是以 Mica 為平臺的。到現(xiàn)在為止，學(xué)術(shù)界對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究大致經(jīng)過了兩個(gè)階段。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(yuǎn)。南加州大學(xué)提出了在生疏環(huán)境部署移動傳感器的方法、傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)視結(jié)構(gòu)及其聚集函數(shù)計(jì)算方法、節(jié)省能源的計(jì)算聚集的樹構(gòu)造算法等。就實(shí) 現(xiàn)機(jī)制而言， MAC 協(xié)議分 3 類 ： 確定性分配、競爭占用和隨機(jī)訪問。 1． 5 課題背景與研究內(nèi)容 從當(dāng)前的研究工作來看，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用受限最大的問題在于傳感器節(jié)點(diǎn)的能源有限上。為此， 本文 提南京航空航天大學(xué)碩士學(xué)位論文 7 出了一種基于節(jié)點(diǎn)位置的無線傳感器路由協(xié)議，通過節(jié)點(diǎn)自組網(wǎng)過程中形成的節(jié)點(diǎn)位置拓?fù)鋱D，使節(jié)點(diǎn)能動態(tài)地根據(jù) 自身 剩余能量選擇合適的路由，從而達(dá)到充分利用每個(gè)節(jié)點(diǎn)能量的目的，以此延長網(wǎng)絡(luò)使用壽命。 監(jiān) 測 區(qū) 域傳 感 器 節(jié) 點(diǎn)匯 聚 節(jié) 點(diǎn)用 戶互 聯(lián) 網(wǎng) 圖 21 傳感器網(wǎng)絡(luò) 體系 結(jié)構(gòu) 部署或 拋撒在感興趣區(qū)域的傳感器節(jié)點(diǎn)以自組織方式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)，采集數(shù)據(jù)之后以多跳中繼方式將數(shù)據(jù)傳回 匯聚 節(jié)點(diǎn)，由 匯聚 節(jié)點(diǎn)將收集到的數(shù)據(jù)通過互聯(lián)網(wǎng)或移動通信網(wǎng)絡(luò)傳送到遠(yuǎn)程監(jiān)控中心進(jìn)行處理。匯聚節(jié)點(diǎn)既可是一個(gè)具有增強(qiáng)功能的傳感器節(jié)點(diǎn)，有足夠的能量供給和更多的內(nèi)存與計(jì)算資源，也可是沒有監(jiān)測功能僅帶有無線通信接口的特殊網(wǎng)關(guān)設(shè)備。傳感器模塊負(fù)責(zé)監(jiān)測區(qū)域內(nèi)信息的采集和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換；系統(tǒng)控制模塊負(fù)責(zé)控制整個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的操作，存儲和處理本身采集的數(shù)據(jù)以及其他節(jié)點(diǎn)發(fā)來的數(shù)據(jù)，路由協(xié)議管理模塊負(fù)責(zé)與其他傳感 器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行無線通信，交換控制消息和收發(fā)采集數(shù)據(jù)；能量模塊為傳感器節(jié)點(diǎn)提供運(yùn)行所需的能量， 電源 通常采用微型電池。 物理層 ： 物理層負(fù)責(zé)頻率選擇、載波生成、信號檢測、調(diào)制解調(diào)、編碼、定時(shí)和同步 等問題，物理層設(shè)計(jì)直接影響到電路的復(fù)雜度和傳輸能耗等問題。數(shù)據(jù)鏈路層的 Mac 子層不僅 要 能使成千上萬的傳感器節(jié)點(diǎn)建立起自組織的多跳網(wǎng)絡(luò)，基于復(fù)合定位的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)層次路由協(xié)議設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 10 還要保證這種多跳自組網(wǎng)的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有公平和高效的通信環(huán)境，是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究的熱點(diǎn)問題之一。 如果封裝成 TCP 報(bào)文，則節(jié)點(diǎn)必須維護(hù)滑動窗口和 3 次握手等 TCP 機(jī)制，勢必對能力十分有限的傳感器節(jié)點(diǎn)造成很大負(fù)荷，因此封裝成 UDP 報(bào)文更現(xiàn)實(shí)些。雖然 QoS、移動性控制、能量管理、配置管理、安全管理和遠(yuǎn)程管理可以由多個(gè)層次共同完成，每個(gè)層次都可以針對相應(yīng)的功能加入自己的實(shí)現(xiàn)機(jī)制，但由于數(shù)據(jù)鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層對網(wǎng)絡(luò)的 QoS 屬性、節(jié)點(diǎn)移動性和能耗比較敏感，更加適合實(shí)現(xiàn)這方面的特性 。 除 上文 提到的六層協(xié)議 外，協(xié)議棧還包括能量管理平臺、移動管理和任務(wù)管理平臺。移動管理平臺檢測 傳感器節(jié)點(diǎn)的移動，維護(hù)到匯聚節(jié)點(diǎn)的路由，使得傳感器節(jié)點(diǎn)能夠動態(tài)跟蹤其鄰居的位置； 與其他無線協(xié)議相比， ZigBee 提供了低復(fù)雜性、縮減的資源要求 和 一組標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)范。協(xié)調(diào)器是實(shí)現(xiàn)了一組很多 ZigBee 服務(wù)的一種特殊的全功能設(shè)備（ Full Function Device， FFD）。在星型網(wǎng)絡(luò)中，所有的終端設(shè)備都只與協(xié)調(diào)器通信。和任何網(wǎng)絡(luò)一樣， ZigBee 網(wǎng)絡(luò)也是多點(diǎn)接入 網(wǎng)絡(luò)， 它主要 有兩種類型的多點(diǎn)接入機(jī)制。在這個(gè)超級幀中為每個(gè)節(jié)點(diǎn)分配了一個(gè)特定的時(shí)隙，在該時(shí)隙內(nèi)允許節(jié)點(diǎn)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。協(xié)議棧使用內(nèi)部閃存程序存儲器來存儲可配置的 MAC 地址、網(wǎng)絡(luò)表和綁定表。該函數(shù)庫是專為僅需對上層軟件做極小更改就可支持多個(gè) RF 收發(fā)器而設(shè)計(jì)的。 圖 23 ZigBee 協(xié)議棧 典型的應(yīng)用程序總是與應(yīng)用層（ APL）和應(yīng)用支持子層（ APS）接口。 APL邏輯，而 APL模塊支持的 API。不同于其他的端點(diǎn)， EP0總是在啟動時(shí)就被打開并假設(shè)綁定到任何發(fā)往 EP0的輸入數(shù)據(jù)幀。 MAC層負(fù)責(zé)同物理（ Physical， PHY）層進(jìn)行交互。物理層數(shù)據(jù)服務(wù)從無線物理信道上收發(fā)數(shù)據(jù)，物理層管理服務(wù)維護(hù)一個(gè)由物理層相關(guān)數(shù)據(jù)組成的數(shù)據(jù)庫。 圖 2－ 5 為傳感器節(jié)點(diǎn)主板電路的 PCB 圖，圖 2－ 6 為主板電路布線圖。它基于 ChipCon 公司的 Smart RF03 技術(shù)，以 工藝制成 只需極少外部元器件，性能穩(wěn)定且功耗極低。 一線總線獨(dú)特而且經(jīng)濟(jì)的特點(diǎn)，使用戶可輕松地組建傳感器網(wǎng)絡(luò)。 圖 29 節(jié)點(diǎn)實(shí)物圖 2． 2． 3 節(jié)點(diǎn)間通信的實(shí)現(xiàn) 由于制作的節(jié)點(diǎn)數(shù)量有限，本節(jié)通過對 五個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn) 進(jìn)行通連實(shí)驗(yàn) 來驗(yàn)證 節(jié)點(diǎn)間建立數(shù)據(jù)鏈路的 執(zhí)行效果，因?yàn)闆]有為節(jié)點(diǎn)配置超聲波接收裝置， 采用 人工方式為每個(gè)節(jié) 點(diǎn)確定了具體位置。 圖 211 節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)交換（部分） 基于復(fù)合定位的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)層次路由協(xié)議設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 18 圖 2－ 12 所示為控制終端發(fā)出收集溫度信息命令，節(jié)點(diǎn)成功返回?cái)?shù)據(jù) 的 界面 。通過拓?fù)淇刂谱詣由闪己玫木W(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，能夠提高路由和 MAC 協(xié)議的效率，可為數(shù)據(jù)融合、時(shí)間同步和目標(biāo)定位等很多方面奠定基礎(chǔ)，有利于節(jié)省節(jié)點(diǎn)的能量以延長網(wǎng)絡(luò)的生存期。 節(jié)點(diǎn) 功率控制機(jī)制調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率，在滿足網(wǎng)絡(luò)連通度的前提下，減少節(jié)點(diǎn)的發(fā)送功率，均衡節(jié)點(diǎn)單跳可達(dá)的鄰居數(shù)目 。該機(jī)制能夠使節(jié)點(diǎn)在沒有事件發(fā)生時(shí)設(shè)置通信模塊為睡眠狀態(tài)，而在有事件發(fā)生時(shí)及時(shí)自動醒來并喚醒鄰居節(jié)點(diǎn)，形成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議負(fù)責(zé)使各個(gè)獨(dú)立的節(jié)點(diǎn)形成一個(gè)多跳的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，目前研究的重點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議和數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議。目前提出了多種類型的傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議，如能量感知的路由協(xié)議 、 定向擴(kuò)散 (directed diffusion, DD)[ 13]和謠傳路由 (rumor routing, RR)[24]等基于查詢的路由協(xié)議， GEAR(geographical and energy aware routin)[25] 和 GEM(graph embedding)[26]等基于地理位置的路由協(xié)議， SPEED[27]和 EAQR [28]等支持 QoS 的路由協(xié)議。 比較有代表性的有： SMAC[29]、 TMAC[30]和 Sift[31]等基于競爭的 MAC 協(xié)議 ； DEANA[32]、 TRAMA[33]、 DMAC[34]周期性調(diào)度等時(shí)分復(fù)用的 MAC 協(xié)議 ； 以及 TDMA 和 FDMA 相結(jié)合的 SEMAC[35]等 協(xié)議。為了提供有效的位置信息，隨機(jī)部署的傳感器節(jié)點(diǎn)必須能夠在布置后確定自身位置。 錨 節(jié)點(diǎn)的位置是已知的，位置未知節(jié)點(diǎn)需要根據(jù)少數(shù) 錨 節(jié)點(diǎn)，按照某種定位機(jī)制確立自身的位置。根據(jù)測量節(jié)點(diǎn)間距離或方位時(shí)所采用的方法， 基于測距 的定位分為基于 到達(dá)時(shí)間（ time of arrival,TOA） 的定位、基于 到達(dá)時(shí)間差（ time difference of arrival,TDOA） 的定位 、基于 到達(dá)角度 (angle af arrival,AOA)[37]的定位、基于 接收信號強(qiáng)度指示 (received signal strength indicator,RSSI)的定位等。 基于不測距 的定位機(jī)制的定位準(zhǔn)確性 受環(huán)境因素的影響， 使得 定位誤差較大 ， 不適合對 定位精度 要求較高的應(yīng)用，特別是象軍事應(yīng)用等對位置極為敏感的項(xiàng)目 。 還有節(jié)點(diǎn)的能量有限性也要求傳感器網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間同步機(jī)制必須充分考慮能耗問題。 TPSN 機(jī)制采用層次結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的時(shí)間同步 ，所有節(jié)點(diǎn)按照層次結(jié)構(gòu)進(jìn)行邏輯分級，表示節(jié)點(diǎn)到根節(jié)點(diǎn)的距離，通過基于發(fā)送者與接收者的節(jié)點(diǎn)對方式，每個(gè)節(jié)點(diǎn)與上一級的一個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行同步，從而所有節(jié)點(diǎn)都與根節(jié)點(diǎn)時(shí)間同步。 網(wǎng)絡(luò)安全 ：為保證任務(wù)的機(jī)密布置和任務(wù)執(zhí)行結(jié)果的安全傳遞和融合，無線傳感器