【正文】 處理方式。集成度方面，其內(nèi)部集成了幾乎所有關(guān)鍵部件；指令執(zhí)行方面，微控制單元采用Harvard結(jié)構(gòu)，因此，指令大多為單周期；能源管理方面，AVR單片機(jī)提供了多種電源管理方式，盡管節(jié)省節(jié)點(diǎn)能源，可擴(kuò)展性方面，提供了多個I/O口，并且和通用單片機(jī)兼容，另外，AVR系列單片機(jī)提供的USART（通用同步異步收發(fā)器）控制器，SPI（串行外圍接口）控制器，與無線收發(fā)模塊相結(jié)合，實現(xiàn)了大吞吐量，高速率的數(shù)據(jù)收發(fā)。具有250Hz步長可編程頻率能力，適用于跳頻協(xié)議，主要工作參數(shù)能通過串行總線接口編程改變，使用非常靈活。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是集成了監(jiān)測、控制以及無線通信的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，節(jié)點(diǎn)數(shù)目有時很龐大，節(jié)點(diǎn)分布密集，由于環(huán)境影響和能量耗盡，節(jié)點(diǎn)很容易出現(xiàn)故障。傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)使得無線傳感網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)具有以下與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)不同的特點(diǎn)[1011]。 (2)電源能量有限。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)的計算能力與內(nèi)存空間受到種種限制，如價格、體積、能耗，因此，相對于普通計算機(jī)，它們的功能要弱很多。網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)動態(tài)變化，節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)或者從網(wǎng)絡(luò)中分離的情況可以隨時發(fā)生，使傳感器、感知對象和觀察者三者之間的路徑也隨之變化，但是不會對整個網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生影響。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由無法像固定網(wǎng)絡(luò)一樣通過網(wǎng)關(guān)與路由器，而只能通過普通節(jié)點(diǎn)對信息的發(fā)送與轉(zhuǎn)發(fā)完成。 上層應(yīng)用定位系統(tǒng)管理時間同步QoS傳輸控制路由數(shù)據(jù)鏈路物理層系統(tǒng)管理應(yīng)用系統(tǒng)管理與基礎(chǔ)服務(wù)通信與組網(wǎng)（1）物理層：以發(fā)送接收信號為主要功能的物理層首先要考慮的是信號的傳輸介質(zhì)。（2）數(shù)據(jù)鏈路層：數(shù)據(jù)鏈路層關(guān)注的重點(diǎn)是介質(zhì)訪問控制（MAC，Medium Access Control）。（3）網(wǎng)絡(luò)層：網(wǎng)絡(luò)層路由協(xié)議是網(wǎng)絡(luò)中任意需要通信的兩點(diǎn)間建立并維護(hù)數(shù)據(jù)傳輸路徑的重要協(xié)議。（5）應(yīng)用層：應(yīng)用層包括一系列基于監(jiān)測任務(wù)的應(yīng)用軟件，由于遠(yuǎn)程測控是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)目前主要應(yīng)用，所以目前的研究熱點(diǎn)之一是對大量傳感器采集信息的分布式處理，以及其他面向應(yīng)用的處理等。（2）系統(tǒng)管理子層：由于許多實際的無限傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是在長期無人值守的條件下工作的，因此，需要對網(wǎng)絡(luò)各個性能指標(biāo)進(jìn)行實時監(jiān)測和對節(jié)點(diǎn)能力耗盡、功能失效等不正?，F(xiàn)象提前報警，從而為及時排除網(wǎng)絡(luò)故障或追加布設(shè)節(jié)點(diǎn)提供幫助。同時，傳感器網(wǎng)絡(luò)除結(jié)構(gòu)動態(tài)變化外，網(wǎng)絡(luò)資源也在不斷的變化，這些都對網(wǎng)絡(luò)協(xié)議提出更高的要求。（4）定位技術(shù)：確定事件發(fā)生的位置或采集數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)位置是傳感器網(wǎng)絡(luò)最基本的功能之一，根據(jù)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的自身特點(diǎn)，定位機(jī)制必須滿足自組織性、健壯性、能量高效性和分布式計算等要求。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)想最初是由美國軍方提出的，美國國防部高級研究所計劃署（DARPA）于1978年開始資助卡耐基梅隆大學(xué)進(jìn)行分布式傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究，這被看成是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的雛形。前者以數(shù)據(jù)為中心，后者以傳輸數(shù)據(jù)為目的。但是現(xiàn)有的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議都存在一定的缺陷，本文的研究目的就是對現(xiàn)有無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議中的分級路由協(xié)議進(jìn)行研究并改進(jìn)，設(shè)計出新的、更適合于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)的路由協(xié)議。第二章對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的MAC層協(xié)議做了描述，重點(diǎn)對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議進(jìn)行介紹，對比分析了現(xiàn)有的多種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議和算法，歸納出了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由的特點(diǎn)以及設(shè)計無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議時應(yīng)該考慮的因素。而為傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的MAC層協(xié)議關(guān)注的是最小化能耗，這就決定了它需要在某些性能方面進(jìn)行折中，如通過適度的減小吞吐量和增加時延來保證低功耗要求等[17]。當(dāng)有數(shù)據(jù)收發(fā)時，節(jié)點(diǎn)就開啟無線通信模塊進(jìn)行發(fā)送或偵聽；如果沒有數(shù)據(jù)收發(fā)，節(jié)點(diǎn)就控制無線通信模塊進(jìn)入睡眠狀態(tài)，從而減少空閑偵聽所造成的能量消耗。 固定分配類MAC協(xié)議原有的固定分配類MAC層協(xié)議主要有頻分多址接入（FDMA，F(xiàn)requency Division Multiple Access）、時分多址接入（TDMA，Time Division Multiple Access）和碼分多址接入（CDMA，Code Division Multiple Access）三種[1821]。鏈路由隨即選擇的時隙和固定的頻率組成。FDMA技術(shù)提供多信道，使多個節(jié)點(diǎn)之間可以同時通信，有效地避免了沖突。為了進(jìn)一步節(jié)省能量，每個時隙又細(xì)分為前部的控制部分和后部的數(shù)據(jù)部分。TRAMA將時間分成時隙，用基于各節(jié)點(diǎn)流量信息的分布式選舉算法來決定哪個節(jié)點(diǎn)可以在某個特定的時隙傳輸，以此來達(dá)到一定的吞吐量和公平性。 基于競爭類MAC層協(xié)議“競爭”的含義是，鏈接到信道上的節(jié)點(diǎn)咨詢某種規(guī)則征用信道，得到使用權(quán)的節(jié)點(diǎn)可以進(jìn)行通信。包括虛擬與物理的載波監(jiān)聽和RTS/CTS交換。這就意味著，為了保證可靠、及時地通信，節(jié)點(diǎn)的活動時間必須適應(yīng)最高通信負(fù)載。通過這種動態(tài)改變活動時間的方式，減少了閑時監(jiān)聽浪費(fèi)的能量，但仍可以保持合理的吞吐量。但在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，由于節(jié)點(diǎn)能量有限且一般沒有能量補(bǔ)充，因此路由協(xié)議需要高效利用能力，同時傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)目往往很大，節(jié)點(diǎn)只能獲取局部拓?fù)湫畔?，路由協(xié)議要能在局部網(wǎng)絡(luò)信息的基礎(chǔ)上選擇何時的路徑。傳統(tǒng)路由協(xié)議在選擇最優(yōu)路徑時，很少考慮節(jié)點(diǎn)的能量消耗問題。因此，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的一個基本問題就是，如何在節(jié)點(diǎn)只能獲取局部拓?fù)湫畔⒑唾Y源有限的情況下，實現(xiàn)簡單高效的路由機(jī)制。第四，應(yīng)用相關(guān)。傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議不僅要選擇能量消耗小的消息傳輸路徑，而且要從整個網(wǎng)絡(luò)的角度考慮，選擇使整個網(wǎng)絡(luò)能量均衡消耗的路由。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，監(jiān)測區(qū)域范圍或節(jié)點(diǎn)密度不同，都會造成網(wǎng)絡(luò)規(guī)模大小不同；節(jié)點(diǎn)失敗、新節(jié)點(diǎn)加人以及節(jié)點(diǎn)移動等，都會使得網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)動態(tài)發(fā)生變化，這就要求路由機(jī)制具有可擴(kuò)展性，以便適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的變化。傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)動態(tài)變化，節(jié)點(diǎn)能量和通信帶寬等資源有限，因此要求路由機(jī)制能夠怏速收斂，以適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞膭討B(tài)變化，減少通信協(xié)議開銷，提高消息傳輸?shù)男省Ｈ绱死^續(xù)下去，最后將信息數(shù)據(jù)發(fā)送給目的節(jié)點(diǎn)。ACBDDataDataDataData 內(nèi)爆CBAb,ca,cacb（2）Gossiping協(xié)議Gossiping[31]協(xié)議是在泛洪協(xié)議的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)而提出的。這種方式避免了以廣播形式進(jìn)行信息傳播的能量消耗，節(jié)約能量，在一定程度上解決了信息“內(nèi)爆”問題，但其代價是延長了信息的數(shù)據(jù)傳輸平均時延，傳輸速度變慢，并且無法解決部分重置現(xiàn)象和盲目使用資源問題。節(jié)點(diǎn)僅廣播采集數(shù)據(jù)的屬性描述信息（元數(shù)據(jù)metadata）而不是數(shù)據(jù)本身，當(dāng)有相應(yīng)的請求時，才有目的地發(fā)送數(shù)據(jù)信息。REQ用于回復(fù)同意發(fā)送數(shù)據(jù)，當(dāng)某一個節(jié)點(diǎn)協(xié)議接受發(fā)送的DATA數(shù)據(jù)包時，發(fā)送REQ數(shù)據(jù)包。節(jié)點(diǎn)用一組屬性值來命名它所生成的數(shù)據(jù)，比如將溫度傳感器生成的數(shù)據(jù)命名為Type=temperature，id=12，timestamp=:10:23，location=305。這樣的處理最終將會在整個網(wǎng)絡(luò)中為Sink節(jié)點(diǎn)的請求建立一個臨時的“梯度”場。（3）謠傳路由Boulis等提出的謠傳路由（Rumor Routing）[34]是DD的一個改進(jìn)。它的主要原理是：事件區(qū)域中的節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生代理消息，代理消息是一個包含生命期等事件相關(guān)消息的分組，它將攜帶的事件信息通告給其傳輸經(jīng)過的每一個傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。與此同時，匯聚節(jié)點(diǎn)發(fā)送的查詢消息也沿隨機(jī)路徑傳播，查詢消息經(jīng)過的節(jié)點(diǎn)也按照同樣的方式轉(zhuǎn)發(fā)，形成查詢消息路徑。 可靠路由協(xié)議某些傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用對于數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃蕴岢隽吮容^高的要求，因此傳感器網(wǎng)絡(luò)路由中的一個重要方面是研究可靠路由協(xié)議。SPEED提供三種類型的實時通信服務(wù)“unicast, areamulticast和areaanycast。然后節(jié)點(diǎn)利用局部地理信息和傳輸速率信息做出路由決定，同時通過鄰居反饋機(jī)制保證網(wǎng)絡(luò)傳輸速率在一個全局定義的速率閉值之上。這種分層協(xié)議設(shè)計可以大大減少網(wǎng)絡(luò)流量，達(dá)到節(jié)約功耗的目的。 簇頭節(jié)點(diǎn) 普通節(jié)點(diǎn)圖29 LEACH算法分級結(jié)構(gòu)圖LEACH協(xié)議分為2個階段操作，即簇形成階段和穩(wěn)定工作階段，2個階段所持續(xù)的時間總和稱為一輪。簇頭節(jié)點(diǎn)是根據(jù)如下公式來選擇的，即式中：n為網(wǎng)絡(luò)中傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)；p為簇頭在所有節(jié)點(diǎn)中所占的百分比；r為選舉的輪數(shù)；（r mod(1/p)）表示這一輪循環(huán)中當(dāng)選過簇頭的節(jié)點(diǎn)個數(shù)；G為這一輪循環(huán)中未當(dāng)選過簇頭的節(jié)點(diǎn)的集合。而對于未當(dāng)選過簇頭的節(jié)點(diǎn)，則根據(jù)T(n)概率當(dāng)選。與一般的平面多跳路由協(xié)議和靜態(tài)聚類算法相比，LEACH協(xié)議可以將網(wǎng)絡(luò)生命周期延長15%。（2）其他分層路由在分層路由中，還有更加復(fù)雜的2層分簇協(xié)議（Hierarchical Clustering Protocol）和3層體系結(jié)構(gòu)的路由協(xié)議[42]。這種2層分簇協(xié)議適合大型網(wǎng)絡(luò)。簇頭監(jiān)控節(jié)點(diǎn)的能量變化，決定并維護(hù)節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)（感知、轉(zhuǎn)發(fā)、感知并轉(zhuǎn)發(fā)、休眠），評價節(jié)點(diǎn)間傳輸鏈路的成本，選擇最小成本路徑作為最優(yōu)路徑。SPIN的優(yōu)點(diǎn)是將拓?fù)渥兓镜鼗?，克服了傳統(tǒng)泛洪算法中的“內(nèi)爆”和“重疊”問題。但是它同樣有很多的缺陷：首先，因為它是基于查詢驅(qū)動的數(shù)據(jù)傳送模型，所以對那些需要將數(shù)據(jù)持續(xù)發(fā)送到sink節(jié)點(diǎn)的應(yīng)用并不是有效的；其次，數(shù)據(jù)和查詢的匹配過程可能會在傳感器中引入一些額外的開銷；第三，數(shù)據(jù)聚合過程采用時間同步技術(shù)，會帶來較大開銷和時延：最后，定向擴(kuò)散的興趣消息擴(kuò)散需要以廣播的方式遍歷網(wǎng)內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)，因此當(dāng)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)增加時，時延會很大。LEACH的缺陷是它采用單跳路由，要求節(jié)點(diǎn)具有較大功率通信能力，擴(kuò)展性差，不適用于大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)。 （1）節(jié)能(Energy efficiency)：能源有效性是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計中要考慮的重要因素。周圍環(huán)境影響無線鏈路的通信質(zhì)量以及無線鏈路本身的缺點(diǎn)等，這些不可靠因素都要求無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由具備一定的容錯能力。如在戰(zhàn)場敵軍地區(qū)位置監(jiān)測系統(tǒng)中，需要將敵軍的位置及時地傳回，這就要求我們設(shè)計的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議傳輸延遲盡可能的小。現(xiàn)代社會的絕大多數(shù)應(yīng)用場合都對網(wǎng)絡(luò)的安全性能提出了較高要求，因而無線傳感器網(wǎng)絡(luò)要想得到廣泛應(yīng)用，必須提供與之相適應(yīng)的安全路由協(xié)議。通常無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的編址是基于網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞?，但這種編址方法無法為應(yīng)用提供更多的信息。 本章主要介紹了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的一個比較重要的技術(shù)難點(diǎn)：路由協(xié)議的問題。在未來研究過程中，對于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由算法的研究和開發(fā)，可以把這些特征作為參考標(biāo)準(zhǔn)來規(guī)范和約束新的協(xié)議和算法。在定向擴(kuò)散路由算法中，使用的能量消耗公式是一階無線電模式[47]，其包括用于驅(qū)動無線電路和功率放大器的發(fā)送能量消耗，以及接收過程中無線電路的能量消耗，該無線電硬件消耗模型要求網(wǎng)絡(luò)里所有節(jié)點(diǎn)完全相同并且能量非常有限且無線電信號在各個方向上能量消耗相同。而放大器能量 或取決于接收的距離和允許的比特誤差率。整個過程可以分為興趣擴(kuò)散、梯度擴(kuò)散以及路徑加強(qiáng)三個階段。當(dāng)整個信息要求傳遍整個傳感器網(wǎng)絡(luò)后，便在傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)和匯聚節(jié)點(diǎn)之間建立起一個梯度場，梯度場的建立是根據(jù)成本最小化和能量自適應(yīng)原則。在數(shù)據(jù)傳送階段時，Sink節(jié)點(diǎn)會對最先收到的新數(shù)據(jù)的鄰接點(diǎn)發(fā)送一個加強(qiáng)選擇信息（發(fā)送具有更大的“梯度”的查詢信息），接收到加強(qiáng)選擇鄰接點(diǎn)同樣加強(qiáng)選擇它的最先收到新數(shù)據(jù)的鄰接點(diǎn)，將這個帶更大“梯度”值的查詢信息進(jìn)行擴(kuò)散，這樣最后會形成一條“梯度”值最大的路徑。當(dāng)一個節(jié)點(diǎn)接收到一個“興趣”時，它按照下面的三條原則來處理該“興趣”：（1）首先在興趣Cache中檢查是否存在相同的興趣表項，如果沒有，就根據(jù)接收到的興趣信息創(chuàng)建一個新的興趣表項，該表項建立一個唯一的梯度域和該鄰居節(jié)點(diǎn)對應(yīng)，梯度域中記錄了發(fā)送該“興趣”消息的鄰居節(jié)點(diǎn)以及相關(guān)的數(shù)據(jù)傳輸率。節(jié)點(diǎn)接收到一個“興趣”消息之后，再把該“興趣”消息發(fā)送給與自己相鄰的節(jié)點(diǎn)。接收節(jié)點(diǎn)查找相關(guān)的興趣表項可以獲得梯度域中登記的數(shù)據(jù)傳輸率信息，當(dāng)梯度域中記錄的數(shù)據(jù)傳輸率不小于接收數(shù)據(jù)率時，接收節(jié)點(diǎn)將自己接收到的數(shù)據(jù)傳給和梯度域?qū)?yīng)的鄰居節(jié)點(diǎn)；否則，當(dāng)梯度域中記錄的數(shù)據(jù)傳輸率不小于數(shù)據(jù)接收率時，接收節(jié)點(diǎn)將按照梯度域中記錄的數(shù)據(jù)傳輸率來向相關(guān)的節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)。收到路徑加強(qiáng)消息的鄰居節(jié)點(diǎn)，通過分析，確定該消息描述的是一個已有的興趣，只是增加了發(fā)送速率，則斷定這是一條路徑強(qiáng)化消息，從而更新相應(yīng)路由表項中的數(shù)據(jù)發(fā)送速率。：CSink源節(jié)點(diǎn) 梯度建立節(jié)點(diǎn)C能正常收到來自鄰節(jié)點(diǎn)的事件，可是長時間沒有收到來自數(shù)據(jù)源的事件，節(jié)點(diǎn)C就斷定它和數(shù)據(jù)源之間的路徑出現(xiàn)故障。根據(jù)工作方式，我們將這種定向擴(kuò)散協(xié)議的改進(jìn)算法，命名為EADR，即Energy Aware Diffusion Routing。路徑代價由實際代價和估計代價組成，其中估計代價是根據(jù)節(jié)點(diǎn)到事件區(qū)域的位置以及節(jié)點(diǎn)的剩余能量兩部分經(jīng)過某種算法得出。轉(zhuǎn)發(fā)消息時采用貪婪算法，選擇鄰接點(diǎn)中到目標(biāo)域的路徑代價比自己到目標(biāo)域的路徑代價更小的節(jié)點(diǎn)，作為下一跳節(jié)點(diǎn)，若不存在更小路徑代價的鄰接點(diǎn)，則認(rèn)為存在路由空洞，節(jié)點(diǎn)將根據(jù)鄰居中的最小代價來選擇下一跳節(jié)點(diǎn)。DataDataDataData當(dāng)所有子區(qū)域轉(zhuǎn)發(fā)過程全部結(jié)束時，整個遞歸過程結(jié)束，在事件區(qū)域內(nèi)節(jié)點(diǎn)密度較大時，采用遞歸方式轉(zhuǎn)發(fā)消息次數(shù)明顯減少，而節(jié)點(diǎn)密度較小時采用洪泛策略則效率比較高。其中，s、h和d分別表示興趣擴(kuò)散時間，梯度建立、路徑加強(qiáng)時間和數(shù)據(jù)傳輸時間。在梯度建立時間內(nèi)，所有臨時Sink節(jié)點(diǎn)與其周圍節(jié)點(diǎn)進(jìn)行梯度建立，在數(shù)據(jù)傳輸時，其中2個節(jié)點(diǎn)完成數(shù)據(jù)的向前一跳傳輸，而其他節(jié)點(diǎn)處于空閑狀態(tài)。（2） 空閑監(jiān)聽。從休眠到空閑模式的處理過程此外，定義以下表達(dá)式，即{發(fā)送，接收，空閑監(jiān)聽，休眠，空閑，喚醒}將基本