【正文】 網(wǎng)絡(luò)需要實(shí)現(xiàn)一些最基 本的安全機(jī)制，如何保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)臋C(jī)密性、點(diǎn)到點(diǎn)的消息認(rèn)證、完整性鑒別、新鮮性、認(rèn)證廣播和安全管理，就成為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)需要全面考慮的內(nèi)容。 數(shù)據(jù)管理 ：從數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的角度來看，傳感器網(wǎng)絡(luò)可被視為一種分布式數(shù)據(jù)庫。這是一個(gè)針對(duì)低速無線個(gè)人域網(wǎng)絡(luò)的通信標(biāo)準(zhǔn)，在些標(biāo)準(zhǔn)上，如何提供具有對(duì)信道衰落不敏感、發(fā)射信號(hào)功率密度低、低截獲能力、系統(tǒng)復(fù)雜度低、能提供較高的定位精度等要求通信技術(shù)，也是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究的重點(diǎn)之一。 應(yīng)用層技術(shù) ：應(yīng)用層由各種面向應(yīng)用的軟件系統(tǒng)構(gòu)成，主要研究如何在多任務(wù)中進(jìn)行協(xié)調(diào)，以及為傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究提供有效的開發(fā)環(huán)境和開發(fā)工具。 但對(duì)大部分的應(yīng)用來說 ，節(jié)點(diǎn)所采集到的數(shù)據(jù)必須結(jié)合 產(chǎn)生數(shù)據(jù)的地理 位置信息才有 具體的意義 。 獲得節(jié)點(diǎn)位置的一個(gè)直接想法是利用全球定位系統(tǒng) (GPS)來實(shí)現(xiàn)。 位置 未知的節(jié)點(diǎn)稱作 未知節(jié)點(diǎn)，它們需要被定位。 信號(hào)強(qiáng)度測距法 ： 通過 已知 的節(jié)點(diǎn) 發(fā)射功率，在接收節(jié)點(diǎn)測量接收功率，計(jì)算傳播損耗，使 用理論或經(jīng)驗(yàn)的信號(hào)傳播模型將傳播損耗轉(zhuǎn)化為距離 ； 得到錨節(jié)點(diǎn)與未知節(jié)點(diǎn)之間的距離信息后，采用三邊測量法或最大似然估計(jì)法可計(jì)算出未知節(jié)點(diǎn)的位置。反射、多徑傳播、非視距、天線增益等問題都會(huì)對(duì)相同距離產(chǎn)生顯著不同的傳播損耗。 使用 TOA 技術(shù)比較典型的定位系統(tǒng)是 GPS，GPS 系統(tǒng)需要昂貴高能耗的電子設(shè)備來精確同步衛(wèi)星時(shí)鐘。 TDOA 定位與 TDOA測距不同， TDOA 定位計(jì)算兩個(gè)錨節(jié)點(diǎn)信號(hào)到達(dá)未知節(jié)點(diǎn)的時(shí)間差，將其轉(zhuǎn)換成到兩個(gè)錨節(jié)點(diǎn)的距離之差，未知節(jié)點(diǎn)通過到多組錨節(jié)點(diǎn)的距離之差得出自身的位置。 采用混合定位法或者可以實(shí)現(xiàn)更高的精確度，減小誤差，或者可以降低對(duì)某一種測量參數(shù)數(shù)量的需求。 基于不測距 的算法不需要知道未知節(jié)點(diǎn)到錨節(jié)點(diǎn)的距離或者不需要直接測量此距離，在成本和功耗方面比基于測距的方法具有優(yōu)勢。該算法的中心思想是：未知節(jié)點(diǎn)以所有在其通信范圍內(nèi)的錨節(jié)點(diǎn)的幾何質(zhì)心作為自己的估計(jì)位置。 此信標(biāo)在網(wǎng)絡(luò)中被以泛洪的方式傳播出去，信標(biāo)每次被轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)跳數(shù)都增加 1。錨節(jié)點(diǎn)具有到網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部其他錨節(jié)點(diǎn)的跳數(shù)值以及這些錨節(jié)點(diǎn)的位置信息，因此錨節(jié)點(diǎn)可以通過計(jì)算得到 與 其他錨節(jié)點(diǎn)的實(shí)際距離。 Amorphous 算法 ：該 算法 與 DVHop 算法類似。 原理及過程詳見 文獻(xiàn) [35]。 3． 2． 1 問題的提出 在基于測距的定位系統(tǒng)中， 如果為每個(gè)節(jié)點(diǎn)安裝用于發(fā) 射測距信號(hào)的硬件無疑會(huì)增加節(jié)點(diǎn)成本和能源消耗，因此考慮利用基站為所有節(jié)點(diǎn)發(fā)射測距信號(hào)，這就要求 節(jié)點(diǎn)必須處于 基站的 測距信號(hào)發(fā)射范圍之內(nèi) 。 3． 2． 2． 1 基于測距 的 定位 實(shí)現(xiàn) 在 3． 1． 1 一 節(jié)中已經(jīng)提到了用于節(jié)點(diǎn)定位的時(shí)間差測距方法。 t)/(V1?V2) ① 其中 Ri（ i=1,2,3）分別表示三個(gè)錨點(diǎn)到該點(diǎn)的距離。在二維空間中，最少需要三個(gè)參考點(diǎn)才能唯一確定一點(diǎn)的坐標(biāo)。 為提高測距信號(hào)利用率和減少節(jié)點(diǎn)接收信號(hào)的能量消耗，在基站廣播的測距信號(hào)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) 28 中，已經(jīng)包含了發(fā)射源的位置信息，其數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)如下： 測距起始標(biāo)識(shí) 發(fā)射源 ID 發(fā)射源坐標(biāo) 發(fā)射時(shí)間 傳感器節(jié)點(diǎn)在未完成自身定位之前，一直處于偵聽接收狀態(tài)，在收到基站測距的同步起始標(biāo)識(shí)后，打開記時(shí)器，同時(shí)開啟接收速度較慢的聲波或超聲波信號(hào)，在收到聲波或超聲波信號(hào)后，計(jì)時(shí)器停止記時(shí)，利用公式 ①計(jì)算出與信源的距離 Ri (i = 3)，然后將 Ri 代入方程組中求解得出節(jié)點(diǎn)的具體位置 （ρ , θ ） ?；精@取此數(shù)據(jù)后利用前面提到的定位原理和算法可得到各節(jié)點(diǎn)的具體位置。為確保最外圍的節(jié)點(diǎn)首先開始發(fā)送應(yīng)答信息包，為每個(gè)節(jié)點(diǎn)設(shè)置一個(gè)發(fā)送應(yīng)答信息包的時(shí)間延遲值：β－ t，這可保證外圍節(jié)點(diǎn)首先發(fā)送（β為一常數(shù)）。在一定時(shí)間延遲后（確保所有節(jié)點(diǎn)都接收到廣播信息），各節(jié)點(diǎn)組織應(yīng)答信息包的發(fā)送。 信息廣播過程：信息廣播源為基站中三個(gè)位置各異的信號(hào)發(fā)射器 ，各發(fā)射器分別以足夠覆蓋全部節(jié)點(diǎn)的功率發(fā)送一個(gè)信息包（速度為 V1）和一測距信號(hào)（速度為 V2），各節(jié)點(diǎn)收到信息包后開始記時(shí)，收到測距信號(hào)則停止記時(shí)，得到時(shí)間差值 t。若從 X到 A、 B、 C 的距離 分別為 R R R3，則 X 位置就是可確定的。 本文 采用常用的三邊 (trilateration)定位。節(jié)點(diǎn)記錄兩個(gè)信號(hào)到達(dá)的時(shí)間差值 t，通過公式： Ri＝ (V1 鑒于 此， 本文 提出了基于測距與不測距的 復(fù) 合定位 機(jī)制。 當(dāng)在定位技術(shù)中一旦用到錨節(jié)點(diǎn)，那么一個(gè)重要的問題就是要設(shè)置多少錨節(jié)點(diǎn) 以及在什么區(qū)域布置錨節(jié)點(diǎn)。如果未知節(jié)點(diǎn)在某三角形內(nèi)部，稱此三角形包含未知節(jié)點(diǎn)；最后，未知節(jié)點(diǎn)將包含自己的所有三角形的相交區(qū)域的質(zhì)心作為自己的估計(jì)位置。未知節(jié)點(diǎn)收集鄰居節(jié)點(diǎn)的梯度值，計(jì)算關(guān)于某個(gè)錨節(jié)點(diǎn)的局部梯度平均值。 DVHop 算法與基于測距算法具有相似之處，就是都需要獲得未知節(jié)點(diǎn)到錨節(jié)點(diǎn)的距離，但是DVHop 獲得距離的方法是通過網(wǎng)絡(luò)中拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)信息的計(jì)算而不是通過無線電波信號(hào)的測量。通過這一機(jī)制，網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn) (包括其他錨節(jié)點(diǎn) )都獲得了到每一個(gè)錨節(jié)點(diǎn)的最小跳數(shù)值。 該 算法的原理與經(jīng)典的距離矢量路由算法比較相似。當(dāng)未知節(jié)點(diǎn)在一段偵聽時(shí)間內(nèi)接收到來自錨節(jié)點(diǎn)的信標(biāo)信號(hào)數(shù)量超過某一個(gè)預(yù)設(shè)的門限后，該節(jié)點(diǎn)認(rèn)為與此錨節(jié)點(diǎn)連通，并將自身位置確定為所有與之連通的錨節(jié)點(diǎn)所組成的多邊形的質(zhì)心。 南京航空航天大學(xué)碩士學(xué)位論文 25 3． 1． 2 基于不測 距 的定位 方 法 基于測量距離和角度的算法的缺點(diǎn)是使傳感器節(jié)點(diǎn)造價(jià)增高，消耗了有限的電池資源，而且在測量距離和角度的準(zhǔn)確性方面需要大量的研究。兩根方位線的交點(diǎn)即為未知節(jié)點(diǎn)的位置。因此 TDOA 定位在二維平面上的幾何意義為：得到未知節(jié)點(diǎn)與兩個(gè)錨節(jié)點(diǎn)的距離之差，即可知未知節(jié)點(diǎn)定位于以兩個(gè)錨節(jié)點(diǎn)為焦點(diǎn)的雙曲線方程上，通過測量得到未知節(jié)點(diǎn)所屬的兩個(gè)以上雙曲線方程時(shí)，這些雙曲線唯一的交點(diǎn)即為未知節(jié)點(diǎn)的位置。 在TOA 方法中，若電波從錨節(jié)點(diǎn)到未知節(jié)點(diǎn)的傳播時(shí)間為 t，電波傳播速度為 c，則錨節(jié)點(diǎn)到未知節(jié)點(diǎn)的距離為 t c。信號(hào)強(qiáng)度測距法通常屬于一種粗糙的測距技術(shù)。三邊測量法在二維平面上用幾何圖形表示出來的意義是：當(dāng)?shù)玫轿粗?jié)點(diǎn)到一個(gè)錨節(jié)點(diǎn)的距離時(shí)，就可以確定此未知節(jié)點(diǎn)在以此錨節(jié)點(diǎn)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) 24 為圓心、以距離為半徑的圓上；得到未知節(jié)點(diǎn)到 3個(gè)錨節(jié)點(diǎn)的距離時(shí)， 3個(gè)圓的交點(diǎn)就是未知節(jié)點(diǎn)的位置。 正如 2． 2． 3節(jié)中提到的一樣， 現(xiàn)有的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)自身定位方法分為基于測距 (Rangebased)和 基于不測距 (Rangefree) 的 方法。因此目前主要的研究工作是利用傳感器網(wǎng)絡(luò)中少量已知位置的節(jié)點(diǎn)來獲得其他未知位置節(jié)點(diǎn)的位置信息。因此，實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)的自身定位對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)有重要的意義。 南京航空航天大學(xué)碩士學(xué)位論文 23 第 三 章 節(jié)點(diǎn)定位 與改進(jìn)措施 對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò) 節(jié)點(diǎn)進(jìn)行自身定位是 其實(shí)際 應(yīng)用的 重要前提 條件 之一 。 嵌入式操作系統(tǒng) ：傳感器節(jié)點(diǎn)是一個(gè)微型的嵌入式系統(tǒng)，攜帶非常有限的硬件資源，需要操作系統(tǒng)能夠節(jié)能高效地使用其有限的內(nèi)存、處理器和通信模塊，且能夠?qū)Ω鞣N特定應(yīng)用提供 最大的支持。 數(shù)據(jù)融合 ：傳感器網(wǎng)絡(luò)存在能量約束，減少傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量能夠有效地節(jié)省能量，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) 22 因此在從各節(jié)點(diǎn)收集數(shù)據(jù)的過程中，可利用節(jié)點(diǎn)的本地計(jì)算和存儲(chǔ)能力處理數(shù)據(jù)，去除冗余信息，從而達(dá)到節(jié)省能量的目的。 由于傳感器網(wǎng)絡(luò)具有應(yīng)用相關(guān)的特性，在眾多不同應(yīng)用中很難采用統(tǒng)一的時(shí)間同步機(jī)制，即使在單個(gè)應(yīng)用中，多個(gè)層次上可能都需要時(shí)間同步，并且每個(gè)層次對(duì)時(shí)間同步的要求也不盡相同，因此，必須針對(duì)特定的應(yīng)用環(huán)境設(shè)計(jì)相應(yīng)的時(shí)間同步機(jī)制。 目前，許多大學(xué)和科研機(jī)構(gòu)已經(jīng)提出了多種用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的同步機(jī)制，其中 影響較為重要的主要有 ： 參考廣播同步機(jī)制 (Reference Broadcast Synchronization, RBS)[42][43]、 傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步協(xié)議 (Timingsync Protocol for Sensor Networks, TPSN)[44][45]、延遲測量時(shí)間同步 (Delay Measurement Time Synchronization, DMTS)[46]等 。在傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中同樣需要時(shí)間同步機(jī)制，例如時(shí)間同 步能夠用于形成分布式波束系統(tǒng)、構(gòu)成 TDMA 調(diào)度機(jī)制和多傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)融合，在節(jié)點(diǎn)間時(shí)間同步的基礎(chǔ)上，用 帶 時(shí)間序列的目標(biāo)位置檢測可以估計(jì)目標(biāo)的運(yùn)行速度和方向，通過測量聲音的傳播時(shí)間能夠確定節(jié)點(diǎn)到聲源的距離或聲源的位置等。 基于不測距 的定位機(jī)制無須實(shí)際測量節(jié)點(diǎn)間的絕對(duì)距離或方位就能夠確定未知節(jié)點(diǎn)的位置，目前提出的定位機(jī)制主要有質(zhì)心算法 [38]、 DVHop[39][40]算法、 Amorphous算法 [41]、 APIT 算法 [36]等。根據(jù)定位過程中是否實(shí)際測量節(jié)點(diǎn)間的距離或角度，把傳感器網(wǎng)絡(luò)中的定位 分為 基于測距 （ RangeBased） 的定位和 基于不測距 (RangeFree)的定位 [36]。定位機(jī)制必須滿足自組織性、健壯性、能量高效、分布式計(jì)算等要求。 2． 3． 3 節(jié)點(diǎn)定位技術(shù) 位置信息是傳感器節(jié)點(diǎn)采集數(shù)據(jù)中不可缺少的部分，沒有位 置信息的監(jiān)測消息通常毫無意義。在 MAC 層的能量浪費(fèi)主要表現(xiàn)在空閑偵聽、接收不必要的數(shù)據(jù)和碰撞重傳等。 在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中 ，路由協(xié)議不僅關(guān)心單個(gè)節(jié)點(diǎn)的能量消耗，更關(guān)心整個(gè)網(wǎng)絡(luò)能量的均衡消耗，這樣才能延長整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的生存期。 2． 3． 2 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議 由于傳感器節(jié)點(diǎn)的計(jì)算能力、存儲(chǔ)能力、通信能量以及攜帶的能量都十分有限，每個(gè)節(jié)點(diǎn)只能獲取局部網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)湫畔?，其上運(yùn)行的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議也不能太復(fù)雜。 層次型的拓?fù)淇刂评梅执貦C(jī)制，讓一些節(jié)點(diǎn)作為簇頭節(jié)點(diǎn)，由簇頭節(jié)點(diǎn)形成一個(gè)處理并轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的骨干網(wǎng)，其他非骨干網(wǎng)節(jié) 點(diǎn)可以暫時(shí)關(guān)閉通信模塊，進(jìn)入休眠狀態(tài)以節(jié)省能量；目前提出了 TopDisc[19]成簇算法，改進(jìn)的 GAF 虛擬地理網(wǎng)格分簇算法[20]，以及 LEACH[21]和 HEED[22]等自組織成簇算法。 目前 ， 傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂蒲芯康闹饕獑栴}是在滿足網(wǎng)絡(luò)覆蓋度和連通度的前提下，通過功率控制和骨干網(wǎng)節(jié)點(diǎn)選擇，剔除節(jié)點(diǎn)之間不必要的無線通信鏈路，生成一個(gè)高效的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在此， 本文 僅簡單列出部分當(dāng)前認(rèn)為是比較重要的一些技術(shù)，并結(jié)合本文的研究內(nèi)容，著重對(duì)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂?、網(wǎng)絡(luò) 協(xié)議、節(jié)點(diǎn)定位做比較詳細(xì)的 介紹。 通信幀各字段代表的意義如表 2－ 2所示： 時(shí)間 延遲 幀長 度 幀類 型 是否加密 后繼包標(biāo)識(shí) 應(yīng)答 節(jié)點(diǎn) 號(hào) 目的地址句柄 目的地 址 源節(jié)點(diǎn) 句柄 源地址 數(shù)據(jù)類型 信號(hào)接收強(qiáng)度 信號(hào)質(zhì)量 循環(huán)校驗(yàn) T dT Len Type Encr Pnd Ack Seq DstPAN DstAdd SrcPAN SrcAdd Type RSSI LQI FCS . …. …. …. …. …. …. …. …. …. …. …. …. …. …. …. 表 22 通信幀字段說明 圖 2－ 10（見下頁） 所示為 各節(jié)點(diǎn)向上傳送節(jié)點(diǎn)信息 過程 的部分截圖 ， 從圖中可以看出節(jié)點(diǎn)地址為 796F、 4A30 以及 3A58 的孤兒節(jié)點(diǎn)（ Orphan Notification） 在廣播一個(gè)查找上級(jí)節(jié)點(diǎn)信息后（目的地址為 FFFF），地址為 6C18 的節(jié)點(diǎn)向它們分別發(fā)出了響應(yīng)信息，之后，孤兒節(jié)點(diǎn)就與 6C18 節(jié)點(diǎn)發(fā)送請(qǐng)求建立數(shù)據(jù)鏈路的信號(hào) (Association Request),并報(bào)告自己的節(jié)點(diǎn)信息（如： RFD（簡化功能設(shè)備）類型，即葉節(jié)點(diǎn)，采用電池供電等），節(jié)點(diǎn) 6C18 繼續(xù)向上傳送尋找更高一級(jí)節(jié)點(diǎn)，直至匯聚節(jié)點(diǎn) (基站 )。 DS18b20P I C 1 8 L F 4 6 2 0R D 0V D D+ 5 VG N D 圖 28 DS18b20 與 PIC18F4620 連線示意圖 圖 28所示為 DS18b20 與 PIC18F4620 連線示意圖 。利用此芯片開發(fā)的無線通信設(shè)備支持?jǐn)?shù)據(jù)傳輸率高達(dá) 250kbps， 可以實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的快速組網(wǎng) 該芯片采用 SPI 通信接口，射頻輸出的功率可調(diào)，具有接收信號(hào)強(qiáng)度監(jiān)測器輸出接口，可方便用在基于接收信號(hào)強(qiáng)度的算法 (比如定位 )中信號(hào)強(qiáng)度的獲得。CC2420 的 主要性能特點(diǎn) ： 它是 ChipCon 公司推 出的首款符合 標(biāo)準(zhǔn)的射頻收發(fā)器。如 圖 2－ 4所示 。每個(gè)支持的收發(fā)器都有一個(gè)獨(dú)立的文件。它獨(dú)立處理傳入數(shù)據(jù)請(qǐng)求、關(guān)聯(lián)、解除關(guān)聯(lián)和孤立通知請(qǐng)求。 ZigBee 設(shè)備對(duì)象（ ZDO） 負(fù)責(zé)打 開和處理 EP0接口。 應(yīng)用層（ APL）模塊提供高級(jí)協(xié)議棧管理功能。如有需要，能很容易地修改該協(xié)議棧以支持 其他編譯器。如果需要的話，可以修改非易失性存儲(chǔ)器（ NVM）程序來支持任何其他類型的 NVM 而不使用可自編程的單片機(jī)。 ZigBee 協(xié)議棧是采用 C語言編寫的，可用 MPLABC18 和 HiTech PICC18 編譯器