【正文】 時鐘。還有一些其他算法：如文獻[52]提出了一種節(jié)點位置推測算法，該算法通過一種判決節(jié)點，利用收集到的錨節(jié)點的位置信息和節(jié)點間的距離信息，執(zhí)行節(jié)點位置推測算法，推測出所有位置可確定的待測節(jié)點的位置。然而，實際應(yīng)用中的情況要復(fù)雜的多，尤其是在分布密集的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中。3．1．1 基于測距的定位方法 常用的定位方法是基于測距定位方法，在這種定位機制中需要先得到兩個節(jié)點之間的距離或者角度信息，通常采用以下方法：已知位置的節(jié)點稱作錨節(jié)點，它們可能是被預(yù)先放置好的，或者采用 GPS 或其他方法得知自己的位置。3．1　節(jié)點定位機制分析關(guān)于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的定位問題可分為兩類，一類是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)對自身傳感器節(jié)點的定位，另一類是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)對外部目標的定位,本文主要討論前者。由于節(jié)點工作區(qū)域或者是人類不適合進入的區(qū)域，或者是敵對區(qū)域，傳感器節(jié)點有時甚至需要通過飛行器拋撒于工作區(qū)域，因此節(jié)點的位置都是隨機并且未知的。無線通信技術(shù)：傳感器網(wǎng)絡(luò)需要低功耗短距離的無線通信技術(shù)，目前已有統(tǒng)一標準 。2．3．5 其他關(guān)鍵技術(shù)RBS 機制是基于接收者之間的時間同步，一個節(jié)點廣播發(fā)送時間參考分組，廣播域內(nèi)的兩個節(jié)點分別采用本地時鐘記錄參考分組的到達時間，然后交換記錄時間來確定它們之間的時間偏移量，實現(xiàn)它們之間的時間同步。傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點造價不能太高，節(jié)點的微小體積不能安裝除本地振蕩器和無線通信模塊外更多的用于同步的器件，因此，價格和體積成為傳感器網(wǎng)絡(luò)時間同步的重要約束條件。由于無須測量節(jié)點間的絕對距離或方位，因而降低了對節(jié)點硬件的要求，使得節(jié)點成本更適合于大規(guī)模傳感器網(wǎng)絡(luò)?；跍y距的定位機制就是通過測量相鄰節(jié)點間的距離或方位來確定未知節(jié)點的位置，通常通過測距、定位和修正等步驟來實現(xiàn)。根據(jù)節(jié)點位置是否確定，傳感器節(jié)點分為錨節(jié)點和位置未知節(jié)點。確定事件發(fā)生的位置或采集數(shù)據(jù)的節(jié)點位置是傳感器網(wǎng)絡(luò)最基本的的功能之一。為了減少能量的消耗，MAC 協(xié)議通常采用“偵聽/睡眠”交替的無線基于復(fù)合定位的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)層次路由協(xié)議設(shè)計與實現(xiàn)20信道偵聽機制，傳感器節(jié)點在需要收發(fā)數(shù)據(jù)時才偵聽無線信道，沒有數(shù)據(jù)需要收發(fā)時就盡量進入睡眠狀態(tài)。同時，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是以數(shù)據(jù)為中心的，這在路由協(xié)議中表現(xiàn)得最為突出，每個節(jié)點沒有必要采用全網(wǎng)統(tǒng)一的編址，選擇路徑可以不用根據(jù)節(jié)點的編址，更多的是根據(jù)感興趣的數(shù)據(jù)建立數(shù)據(jù)源到匯聚節(jié)點之間的轉(zhuǎn)發(fā)路徑。同時，傳感器拓撲結(jié)構(gòu)動態(tài)變化，網(wǎng)絡(luò)資源也在不斷變化，這些都對網(wǎng)絡(luò)協(xié)議提出了更高的要求。除了傳統(tǒng)的功率控制和層次型拓撲控制，人們還提出了啟發(fā)式的節(jié)點喚醒和休眠機制。拓撲控制可以分為節(jié)點功率控制和層次型拓撲結(jié)構(gòu)組織 [12]兩個方面。2．3．1 網(wǎng)絡(luò)拓撲控制對于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)來說，網(wǎng)絡(luò)拓撲控制具有特別重要的意義。南京航空航天大學碩士學位論文17圖 210　節(jié)點信息收集（部分）圖 2－11 所示為在基站成功為各節(jié)點建立路由之后，節(jié)點間的數(shù)據(jù)請求應(yīng)答過程，首先是地址為 6C18 的節(jié)點向地址為 796F 的節(jié)點發(fā)出數(shù)據(jù)請求，796F 收到請求信號后，向 6C18 作出應(yīng)答，并傳送相應(yīng)信息?；趶?fù)合定位的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)層次路由協(xié)議設(shè)計與實現(xiàn)16圖 2－9 所示為帶溫度傳感器的節(jié)點實物圖樣。圖 27　CC2420 典型應(yīng)用電路南京航空航天大學碩士學位論文15表 21 PIC18LF 與 CC2420 接口關(guān)系溫度傳感器選擇數(shù)字化 DS18b20 溫度傳感器，這是世界上第一片支持 “一線總線”接口的溫度傳感器，其主要特點有：只占用一個端口，屬于一線制芯片，無需外部器件，可通過數(shù)據(jù)線供電，零待機功耗，測溫范圍廣（－55℃~＋125℃） ，溫度以9 位數(shù)字量讀出，溫度轉(zhuǎn)換時間 200ms，具有價格低廉的特點，符合傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點價格低廉的要求。該器件包括眾多額外功能，是第一款適用于 ZigBee 產(chǎn)品的 RF 器件。圖 24　節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)MCU 選用 MICROCHIP 公司的 PIC18LF4620 芯片， PIC4620 單片機主要性能:DC－40MHZ 的時鐘輸入，10MIPS 的執(zhí)行速度，16 位寬指令，8 位寬數(shù)據(jù)通道，64K 字節(jié) Flash 存儲器， 4K 字節(jié)的 EEPROM, SPI 接口在線編程，JTAG 在線調(diào)試接口，1 個8 位定時器，3 個 16 位定時器，10 位 13 通道 A/D 轉(zhuǎn)換模塊, 省電休眠模式，可軟件選擇時鐘，5 個雙向 I/O 接口，并行從接口等，寬范圍的工作電壓（－）等。物理層（PHY）定義了無線信道和MAC子層之間的接口，提供物理層數(shù)據(jù)服務(wù)和物理層管理服務(wù)。介質(zhì)訪問控制層（Medium Access Control，MAC）實現(xiàn)了IEEE 規(guī)范所要求的功能。ZDO負責接收和處理遠程設(shè)備的不同請求。應(yīng)用層（APL）模塊提供高級協(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。ZigBee 協(xié)議棧是采用 C 語言編寫的，可用 MPLABC18 和 HiTech PICC18 編譯器進行編譯。二是在使能了信標的網(wǎng)絡(luò)中，僅允許節(jié)點在預(yù)定義的時隙內(nèi)進行發(fā)送。除了星型網(wǎng)絡(luò)之外，ZigBee 還可以采用點對點網(wǎng)絡(luò)、群集或網(wǎng)狀（mesh）網(wǎng)絡(luò)配置。RFD 是最小而且最簡單的 ZigBee 節(jié)點。ZigBee 無線網(wǎng)絡(luò)可采用多種類型的配置。南京航空航天大學碩士學位論文112．2 傳感器節(jié)點設(shè)計與實現(xiàn)為研究無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在實際應(yīng)用中的有關(guān)問題，驗證協(xié)議算法的有效性，設(shè)計了基于 ZigBee 技術(shù)的溫度傳感器節(jié)點，為下一步的研究打下基礎(chǔ)。其功能如下：另一方面，現(xiàn)有 WSN 都是和應(yīng)用相關(guān)的，在 WSN 有了自己的傳輸層協(xié)議之后，這種情況也將大大改善WSN 對數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議的要求主要體現(xiàn)在 MAC 層介質(zhì)訪問控制的可靠性和高效性，而由于傳輸層是建立在數(shù)據(jù)鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層提供的服務(wù)之上的，如果數(shù)據(jù)鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層提供的服務(wù)確實是高效可靠的，那么傳輸層就不是必須的。網(wǎng)絡(luò)層：與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的路由層類似，傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由層也是負責數(shù)據(jù)的路由轉(zhuǎn)發(fā)。數(shù)據(jù)鏈路層：數(shù)據(jù)鏈路層主要負責數(shù)據(jù)幀檢測、介質(zhì)訪問控制(MAC)和差錯控制等，以保證可靠的點到點和點到多點的通信。在此基礎(chǔ)上，由于定位和時間同步在網(wǎng)絡(luò)的特殊性，又增加了定位和時間同步子層。從網(wǎng)絡(luò)功能上看，每個傳感器節(jié)點兼顧傳統(tǒng)網(wǎng)南京航空航天大學碩士學位論文9絡(luò)節(jié)點終端和路由器雙重功能，除了進行本地信息收集和數(shù)據(jù)處理外，還要對其他節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)來的數(shù)據(jù)進行存儲、管理和融合等處理，同時與其他節(jié)點協(xié)作完成一些特定任務(wù)。整個傳感器網(wǎng)絡(luò)是一個以數(shù)據(jù)為中心的網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)關(guān)節(jié)點融合的數(shù)據(jù)相當于來自一個分布式的數(shù)據(jù)庫 。第四章，對路由協(xié)議作了分類介紹，并對其中一些定位算法作了分析比較，詳細討論了 GEM 路由協(xié)議，針對 GEM 路由協(xié)議的不足，提出了相應(yīng)的改進措施，這是本文的重點內(nèi)容；第五章總結(jié)與展望，對全文作了總結(jié)，提出了下一步的工作目標。節(jié)點消耗能源的主要部份在于其無線電收發(fā)方面，如何在當前的節(jié)點制作水平上延長節(jié)點生存時間，最為主要的是構(gòu)建高效節(jié)能的路由協(xié)議，減少數(shù)據(jù)收發(fā)量，降低其收發(fā)、偵聽時間。通信蜂窩電話網(wǎng)絡(luò)、Ad hoc 和藍牙技術(shù)是當前主流的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，但它們各自的 MAC 協(xié)議也不適合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。 麻省理工學院開始研究超低能源無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的問題，試圖解決超低能源無線傳感器系統(tǒng)的方法學和技術(shù)問題。(1)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的研究進展 加州大學伯克力分校提出了應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)連通性重構(gòu)傳感器位置的方法、基于相關(guān)性的 Sensor 數(shù)據(jù)編碼模式、用稀疏傳感器網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)跟蹤移動對象路線的方法、傳感器基于復(fù)合定位的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)層次路由協(xié)議設(shè)計與實現(xiàn)6網(wǎng)絡(luò)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(luò)上的數(shù)據(jù)分布式存儲的地理 Hash 表方法、確定傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點位置的分布式算法等，并研制了一個專門適用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的操作系統(tǒng) TinyOS[11]。從網(wǎng)絡(luò)分層模型的角度分析，每一層都有需要結(jié)合傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點進行細致研究的問題。學術(shù)界的研究進展在美國自然科學基金委員會的推動下，美國的加州大學伯克力分校、麻省理工學院、康奈爾大學、加州大學洛杉磯分校等學校開始了傳感器網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)理論和關(guān)鍵技術(shù)的研究。他們還為 Mica 開發(fā)了一套微型的操作系統(tǒng)。實現(xiàn)該計劃需要 3 個階段，即物理階段、實現(xiàn)階段和應(yīng)用階段。這種新型系統(tǒng)將有效地使用傳感器網(wǎng)絡(luò)進行交通管理，不僅可以使汽車按照一定的速度行駛、前后車距自動地保持一定的距離，而且還可以提供有關(guān)道路堵塞的最新消息，推薦最佳行車路線以及提醒駕駛員避免交通事故等。該系統(tǒng)適用于艦船或飛機戰(zhàn)斗群攜帶的電腦進行感知數(shù)據(jù)的處理，每艘戰(zhàn)船不但依賴于自己的雷達，還依靠其他戰(zhàn)船或者裝載 CEC 的戰(zhàn)機來獲取感知數(shù)據(jù)，極大地提高了測量精度，進而可以快速準確地跟蹤混亂中的敵機和導彈。2022 年 5 月，美國Sandia 國家實驗室與美國能源部合作，共同研究能夠盡早發(fā)現(xiàn)以地鐵、車站等場所為目標的生化武器襲擊，并及時采取防范對策的系統(tǒng)。它通過“數(shù)字化路標”作為傳輸工具，為各作戰(zhàn)平臺與單位提供“各取所需”的情報服務(wù)，使情報偵察與獲取能力產(chǎn)生質(zhì)的飛躍。軍事領(lǐng)域的研究進展情況：美國陸軍 2022 年提出了“靈巧傳感器網(wǎng)絡(luò)通信”計劃，己被批準為 2022 財政年度的一項科學技術(shù)研究計劃，并在 20222022 財政年度期間實施。其他商業(yè)應(yīng)用：自組織、微型化和對外部世界的感知能力是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的三大特點，這些特點決定了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在商業(yè)領(lǐng)域應(yīng)該也會有不少的機會。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。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)也可避免核反應(yīng)部隊直接暴露在核輻射的環(huán)境中。在戰(zhàn)場，指揮員往往需要及時準確地了解部隊、武器裝備和軍用物資供給的情況，鋪設(shè)的傳感器將采集相應(yīng)的信息，并通過匯聚節(jié)點將數(shù)據(jù)送至信息處理站，再轉(zhuǎn)發(fā)到指揮部，最后融合來自戰(zhàn)場各個環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)形成完備的戰(zhàn)區(qū)態(tài)勢圖。1．3 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用因此，網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)不斷變化。（4）網(wǎng)絡(luò)規(guī)模大，拓撲結(jié)構(gòu)復(fù)雜。（3）計算能力有限。傳感器網(wǎng)絡(luò)的傳輸速率低，通信距離近，一般只有幾十到幾百米。1．1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的定義 [1][2]目前已有很多文獻給出了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的定義，說法各有不同，但實質(zhì)上大同小異。從 21 世紀開始，傳感器網(wǎng)絡(luò)引起了學術(shù)界、軍界和工業(yè)界的極大關(guān)注，美國和歐洲相繼啟動了許多關(guān)于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究計劃。南京航空航天大學碩士學位論文1第一章　緒論微電子技術(shù)、計算技術(shù)和無線通信等技術(shù)的進步，推動了低功耗多功能傳感器的快速發(fā)展，使其在微小體積內(nèi)能夠集成信息采集、數(shù)據(jù)處理和無線通信等多種功能。具有現(xiàn)代意義的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究起步于 20 世紀 90 年代末期。隨著傳感器網(wǎng)絡(luò)的深入研究和廣泛應(yīng)用，它必將深入到人們生活的各個領(lǐng)域。在此基礎(chǔ)之上，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)還有下列特點：（1）傳感器節(jié)點的通信能力有限。網(wǎng)絡(luò)中的傳感器一般都由電池供電且需長時間工作，而節(jié)點的電池更換往往又不可行，這樣就造成了能源方面突出的矛盾。但是，由于嵌入式處理器和存儲器的能力和容量有限，故傳感器的處理能力十分有限。而且，傳感器網(wǎng)絡(luò)中的傳感器、感知對象和觀察者這三要素都可能移動，并且經(jīng)常有新節(jié)點加入或已有節(jié)點失效。通常，查詢信息是通過廣播或多播的方式從觀察者向網(wǎng)絡(luò)內(nèi)傳感器傳輸，而探測結(jié)果信息則是由分布在各處的傳感器節(jié)點向查詢節(jié)點匯聚。因為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)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(shù)所無法比擬的，也正是這一點，使無線傳感器網(wǎng)絡(luò)非常適合應(yīng)用于惡劣的戰(zhàn)場環(huán)境，包括監(jiān)控己方兵力、裝備和物資，監(jiān)視沖突區(qū)，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、生物和化學武器攻擊。在生物和化學戰(zhàn)中，利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)及時、準確地探測爆炸中心，將會為己方提供寶貴的反應(yīng)時間，從而最大可能地減小傷亡。 (6)借助于個別具有移動能力的節(jié)點對網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)的調(diào)整，可以有效地消除探測區(qū)域內(nèi)的陰影和盲點。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)為野外隨機性的研究數(shù)據(jù)獲取提供了方便。此外，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)也可以應(yīng)用在精細農(nóng)業(yè)中，以監(jiān)測農(nóng)作物中的害蟲、土壤的酸堿度和施肥狀況等。總之，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)為未來的遠程醫(yī)療提供了更加方便、快捷的技術(shù)實現(xiàn)手段?；趶?fù)合定位的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)層次路由協(xié)議設(shè)計與實現(xiàn)41．4 研究進展該系統(tǒng)是一個智能化傳感器網(wǎng)絡(luò)，可以更為詳盡、準確地探測到精確信息，為更準確地制定戰(zhàn)斗行動方案提供情報依據(jù)。該系統(tǒng)可以利用現(xiàn)有的通信機制對從戰(zhàn)術(shù)級到戰(zhàn)略級的傳感器信息進行管理，而管理工作只需通過一臺專用的商用便攜機即可，不需要其他專用設(shè)備，并可協(xié)調(diào)來自地面和空中監(jiān)視傳感器以及太空監(jiān)視設(shè)備的信息，可以部署到各級指揮單位。CEC 是一個無線網(wǎng)絡(luò)，其感知數(shù)據(jù)是原始的雷達數(shù)據(jù)。該計劃試圖把先進的信息技術(shù)、數(shù)據(jù)通信技術(shù)、傳感器技術(shù)、控制技術(shù)及計算機處理技術(shù)有效地集成運用于整個地面交通管理，建立一個在大范圍內(nèi)、全方位發(fā)揮作用的，實時、準確、高效的綜合交通運輸管理系統(tǒng)。南京航空航天大學碩士學位論文52022 年 10 月 24 日，美國英特爾公司發(fā)布了“基于微型傳感器網(wǎng)絡(luò)的新型計算發(fā)展規(guī)劃”