【正文】 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)格結(jié)合框架中，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)主要完成監(jiān)測區(qū)域數(shù)據(jù)的采集、原始數(shù)據(jù)融合、組節(jié)點數(shù)據(jù)融合和向中心節(jié)點傳輸數(shù)據(jù)的工作。 其結(jié)合框架如圖 41 所示。 另外還需要服務(wù)描述來表達一個傳感器服務(wù)做什么，如何存取它以及該服務(wù)的 QoS 參數(shù)。 如果有足夠的傳感資源 ， 傳感任務(wù)也可以復(fù)制 。 (6)系統(tǒng)數(shù)據(jù)安全性 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)所感知到的數(shù)據(jù)往往都是非常重要而且要求保密的 ， 不允許任何數(shù)據(jù)的竊取和惡意修改 。 所以能量管理是一個需要重點考慮的問題 ， 要在執(zhí)行操作和節(jié) 省能量之間做出權(quán)衡。介質(zhì)訪問控制 (MAC)協(xié)議決定無線信道的使用方式，它通過在傳感器節(jié)點之間分配和共享有限的無線信道資 源，構(gòu)建起無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)的底層基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。 [1][2][3][5][11][12] (1)不同網(wǎng)絡(luò)的連接問題 在 WSN 中，各個通信節(jié)點通過無線媒介相互連接，這些鏈路可以由無線電波、紅外線、光構(gòu)成。 網(wǎng)格主要完成 任務(wù)管理層和服務(wù)管理層的數(shù)據(jù)融合 。 我國網(wǎng)格 研究 現(xiàn)狀 從 1995 年開始 ， 中國科學(xué)院計算所就建立了專門的網(wǎng)格研究隊伍 ， 開始研究與網(wǎng)格相關(guān)的技術(shù) ， 并 成功 開發(fā)了多個版本的信息一體化平臺 。 (3)數(shù)據(jù)密集型計算。 通信技術(shù)是實現(xiàn)網(wǎng)格計算系統(tǒng)安全可靠地進行資源動態(tài)整合、任務(wù)分布協(xié)同的保證。網(wǎng)格環(huán)境需要數(shù)據(jù)資源的高度共享與用戶之間的密切協(xié)作，數(shù)據(jù)信息如何發(fā)布并被發(fā)現(xiàn)是達到該目的的關(guān)鍵技術(shù)之一。 網(wǎng)格計算的目標是分解一個應(yīng)用為幾個任務(wù)或子任務(wù)，并為每個任務(wù)匹配一個最適合執(zhí)行的機器。 這是因為科學(xué)計算問題一般都是計算密集型問題，其 CPU開銷非常大，因此，如何將一個大問題分解為并發(fā)的任務(wù)，并將這些任務(wù)分配到多個異構(gòu)的計算機系統(tǒng)中去，同時將這些并發(fā)的任務(wù)有機地組織起來，以盡量小的管理開銷達到完成一個共同計算任務(wù)的目的，成為科學(xué)計算網(wǎng)格的中心任務(wù)。 OGSA是以服務(wù)為中心的“服務(wù)結(jié)構(gòu)”。應(yīng)用程序的開發(fā)涉及到大量的庫函數(shù)，為便于網(wǎng)格應(yīng)用程序的開發(fā)，需要構(gòu)建一個支持網(wǎng)格計算的庫函數(shù)。通信協(xié)議使構(gòu)造層資源間的數(shù)據(jù)交換成為可能。五層沙漏體系結(jié)構(gòu)是以協(xié)議為中心的協(xié)議結(jié)構(gòu)，自下而上分別為 :構(gòu)造層、連接層、資源層、匯聚層和應(yīng)用層。 (3)易訪問性要求。以前對資源的共享大多停留在數(shù)據(jù)文件傳輸?shù)膶哟?，而網(wǎng)格資 源的共享允許直接使用或控制其他資源，充分利用網(wǎng)格提供的各種功能。 它充分利用地理上分散的異構(gòu)資源 (高速互聯(lián)的異構(gòu)計算機、數(shù)據(jù)庫、科學(xué)儀器、文件和超級計算系統(tǒng)等 )進行廣域環(huán)境的分布式高性能計算、協(xié)同計算或高吞吐量計算，實現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用的協(xié)同求解和應(yīng)用服務(wù)。 網(wǎng)格資源監(jiān)控系統(tǒng)可以對網(wǎng)格資源進行狀態(tài)監(jiān)控，對于異常情況會及時向管理員做出反映 ，而且可以通過監(jiān)控系統(tǒng)對系統(tǒng)進行控制，改變其狀態(tài)和行為。 (2)異構(gòu)性。網(wǎng)格環(huán)境下的應(yīng)用程序調(diào)度方法包括應(yīng)用程序網(wǎng)格調(diào)度模型、機器選擇算法和任務(wù)映射與調(diào)度算法。 網(wǎng)格可以分為計算網(wǎng)格、數(shù)據(jù)網(wǎng)格及服務(wù)網(wǎng)格。雖然地殼偶爾小的震動可能不會帶來看得見的損壞，但是建筑物上也許會產(chǎn)生潛在的裂縫，這些裂縫可能會導(dǎo)致建筑物在下一次地震中 倒 塌。 (2)環(huán)境觀測和預(yù)報系統(tǒng) 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可用于監(jiān)視農(nóng)作物灌溉情況、土壤 和 空氣情況、牲畜和家禽的 生存 環(huán)境狀況和大面積的地表監(jiān)測 ； 可用于行星探測、氣象和地理研究、 森林環(huán)境監(jiān)測 、 火災(zāi)報告 、 洪水監(jiān)測 ； 可以通過跟蹤鳥類、小型動物和昆蟲進行種群復(fù)雜度的研究 ； 能夠進行動物棲息地生態(tài)監(jiān)測 ，對生態(tài)進行多樣性描述；還可以利 用 WSN監(jiān)測 與 分析 冰河的變化情況 來推斷地球氣候的變化 [6]。 (10)應(yīng)用層技術(shù) 傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層由各種面向應(yīng)用的軟件系統(tǒng)構(gòu)成，部署的傳感器網(wǎng)絡(luò)往往執(zhí)行多種任務(wù)。以數(shù)據(jù)庫的方法在傳感器網(wǎng)絡(luò)中進行數(shù)據(jù)管理，可以將存儲在網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)邏輯視圖與網(wǎng)絡(luò)中的實現(xiàn)進行分離，使得傳感器網(wǎng)絡(luò)的用戶只需要關(guān)心數(shù)據(jù)查詢的邏輯結(jié)構(gòu)，無需關(guān)心實現(xiàn)細節(jié)。 (5)定位技術(shù) 位置信息是傳感器節(jié)點采集數(shù)據(jù)中不可缺少的部分，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)最基本的功能之一。網(wǎng)絡(luò)層的路由協(xié)議決定監(jiān)測信息的傳輸路徑；數(shù)據(jù)鏈路層的介質(zhì)訪問控制用來構(gòu)建底層的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，控制傳感器節(jié)點的通信過程和工作模式 [7]。 (1)網(wǎng)絡(luò)拓撲控制 拓撲控制是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究的核心技術(shù)之一。針對每一個具體應(yīng)用來研究傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，這是傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計不同于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的顯著特征。這就要求傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)要能夠適應(yīng)這種變化，具有 動態(tài)的系統(tǒng)可重構(gòu)性。如何利用有限的計算和存儲資源完成諸多協(xié)同任務(wù)成為傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的挑戰(zhàn)。 (2) 通信能力有限。 (5)傳感器數(shù)量多，分布范圍廣。應(yīng)用中的傳感器節(jié)點要高度集成化，保證對目標系統(tǒng)的特性不會造成影響。傳感器節(jié)點最重要的組成單 元是功率單元，功率受到諸如太陽能電池之類的功率提取單元的支持。 北方民族大學(xué)畢業(yè)論文 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與網(wǎng)格結(jié)合研究 第 5 頁 傳感器 ADC 處理器 存儲器 收發(fā)信機 感知單元 處理單元 功率單元 功率發(fā)生器 定位系統(tǒng) 移動管理器 圖 21 WSN 傳感器節(jié)點的組成 第 2 章 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)概述 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是新一代的傳感器網(wǎng)絡(luò)，它是典型的具有交叉學(xué)科性質(zhì)的軍民兩用的高科技技術(shù)，可以廣泛應(yīng)用于軍事、國家安全、環(huán)境科學(xué)、交通管理、災(zāi)害預(yù)測、醫(yī)療衛(wèi)生 、制造業(yè)、城市信息化建設(shè)等領(lǐng)域，其發(fā)展和應(yīng)用將會給人們的生活和生產(chǎn)帶來深遠影響。 本文大致分為 5 章。HourGlass[1]是一個網(wǎng)格和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合方案 ，它 能夠提供一個網(wǎng)格API(Application Programming Interface,應(yīng)用程序編程接口 )給不同的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)組，使應(yīng)用程序可以通過 OGSA(Open Grid Services Atchitecture， 開放式網(wǎng)格服務(wù)體系 )標準訪問無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)。他們成功創(chuàng)建了北方民族大學(xué)畢業(yè)論文 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與網(wǎng)格結(jié)合研究 第 3 頁 瓶蓋大小的全功能傳感器，可以執(zhí)行計算、檢測與通信等功能。網(wǎng)格技術(shù)將為高能物理、大氣、天文、生物信息、石油地質(zhì)等許多重大應(yīng)用領(lǐng)域提供科學(xué)活動的虛擬計算環(huán)境，必將對社會和經(jīng)濟的發(fā)展、國防科學(xué)研究以及人們的生活工作方式產(chǎn)生巨大的影響?；谖⑿蜋C電系統(tǒng) (MEMS)技術(shù)、無線北方民族大學(xué)畢業(yè)論文 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與網(wǎng)格結(jié)合研究 第 2 頁 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及低功耗微型廉價處理器，人們能夠布置無線 Ad Hoc 網(wǎng)絡(luò)，開展各種各 樣的 WSN 應(yīng)用。一方面，國家在先進技術(shù)方面不斷加大資助力度；另一方面，通過長期的學(xué)習和跟蹤，我國科技人員也積累了大量的技術(shù)知識和經(jīng)驗，已經(jīng)具備在一些新興技術(shù)領(lǐng)域與國外一爭高下的能力。 本文首先概述了無 線傳感器網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)格的相關(guān)知識，通過定性分析，找出兩者的異同點，總結(jié)出了將兩者相結(jié)合需解決的關(guān)鍵性問題， 并給與解決； 再經(jīng)交叉研究與探索，提出了一個結(jié)合框架 ，搭建起一個將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)接入網(wǎng)格的應(yīng)用平臺。該平臺 采用分層結(jié)構(gòu) — 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)接入層、管理層、網(wǎng)格應(yīng)用層，任務(wù)分配調(diào)度清晰， 可以 實現(xiàn) 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與網(wǎng)格初步有效的融合，實現(xiàn)資源更有效的利用。 在這個科技發(fā)展迅猛的信息時代，作為信息獲取最重要最基本 的技術(shù) — 傳感器技術(shù)，也得到極大的發(fā)展。 隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的高速發(fā)展，應(yīng)用需求的日益增長，網(wǎng)格 (Grid)技術(shù)應(yīng)運而生。 將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與網(wǎng)格結(jié)合研 究是一種新的研究方向，目前關(guān)于這一方面的研究還較少。在舊金山， 200個聯(lián)網(wǎng)“微塵”節(jié)點已被部署在金門大橋上，這些 微塵 用于確定大橋從一邊到另一邊的擺動距離（在強風中可以精確到幾 tf ， 1tf =）。 SensorGrid[1]是將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)格結(jié)合在一起構(gòu)成的復(fù)合系統(tǒng) ，它 采用分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，由傳感節(jié)點、中間層和決策制定層構(gòu)成。第 1 章介紹了課題的研究背景、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和課題研究目標。 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)概念 一個無線傳感器網(wǎng)絡(luò) (WSN)一般 由一組毫米般大小、設(shè)備齊全的微型機電系統(tǒng) (MEMS)裝置組成，覆蓋一個物理地理區(qū)域。 傳感器節(jié)點還可能包括其他子單元，比如定位系統(tǒng)、功率發(fā)生器、移動管理器，許多 WSN 應(yīng)用都依 賴這些子單元 [2]。 (2)低功耗。網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點密集，數(shù)量巨大， 而且 傳感器網(wǎng)絡(luò)可以分布在很廣的地域?？紤]到傳感器節(jié)點的能量限制和網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域大，傳感器網(wǎng)絡(luò)采用多跳路由的傳輸機制。 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)特征 (1)大規(guī)模性 為了獲取精確信息，在監(jiān)測區(qū)域通常部署大量傳 感器節(jié)點，傳感器節(jié)點數(shù)量可能達到成千上萬，甚至更多。 (4)可靠性 傳感器網(wǎng)絡(luò)特別適合部署在惡劣環(huán)境或人類不宜到達的區(qū)域 。 (6)以數(shù)據(jù)為中心 傳感器網(wǎng)絡(luò)是任務(wù)型的網(wǎng)絡(luò)， 其 節(jié)點采用節(jié)點編號標識。 傳感器網(wǎng)絡(luò)拓撲控制目前主要的研究問題是在滿足網(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)點選擇，剔除節(jié)點之間不必要的無線通信鏈路，生成一個高效的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)網(wǎng)絡(luò)拓 撲結(jié)構(gòu)。 (3)網(wǎng)絡(luò)安全 為了保證任務(wù)的機密布置和任務(wù)執(zhí)行結(jié)果的安全傳遞 與 融合，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)需要實現(xiàn)一些最基本的安全機制：機密性 、點到點的消息認證、完整性鑒別、新鮮性、認證廣播和安全管理。為了提供有效的位置信息，隨機部署的傳感器節(jié)點必須能夠在布置 完成 后確定自身位置。雖然對網(wǎng)絡(luò)所存儲的數(shù)據(jù)進行抽象會在一定程度上影響執(zhí)行效率，但可以顯著增強傳感器網(wǎng)絡(luò)的易用性。應(yīng)用層的研究主要是各種傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)和多任務(wù)之北方民族大學(xué)畢業(yè)論文 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與網(wǎng)格結(jié)合研究 第 12 頁 間的協(xié)調(diào)，如作戰(zhàn)環(huán)境偵查與監(jiān)控系統(tǒng)、軍事偵查系統(tǒng)、戰(zhàn)場監(jiān)測與指揮系統(tǒng)、環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)、交通管理系統(tǒng)、災(zāi)難預(yù)防系統(tǒng)、危險區(qū)域監(jiān)測系統(tǒng)、有滅絕危險的動物或珍貴動物的跟蹤監(jiān)護系統(tǒng)、生物醫(yī)學(xué)監(jiān)測、治療系統(tǒng)和智能維護等。 (3)醫(yī)療護理 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在醫(yī)療系統(tǒng)和健康護理方面的應(yīng)用包括監(jiān)測人體的各個生理數(shù)據(jù) 、 跟蹤和監(jiān)控醫(yī)院內(nèi)醫(yī)生和患者的行動 、 醫(yī)院的藥物管理等。 WSN 的出現(xiàn)為建筑物狀態(tài)監(jiān)測提供了省時省力的技術(shù)手段。計算網(wǎng)格是 狹義上的網(wǎng)格，包括分布式超級計算、高性能計算；數(shù)據(jù)網(wǎng)格是“數(shù)據(jù)超網(wǎng)”，其目標是開發(fā)出新一代速度更快、承受能力更大的數(shù)據(jù)網(wǎng)格，解決互聯(lián)網(wǎng)上提供的大量異構(gòu)數(shù)據(jù)共享；服務(wù)網(wǎng)格目標是滿足任意時空“按需索取”的服務(wù) 、 協(xié)同運算及多媒體服務(wù)。以應(yīng)用程序調(diào)度方法北方民族大學(xué)畢業(yè)論文 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與網(wǎng)格結(jié)合研究 第 15 頁 中的分布式網(wǎng)格調(diào)度模型為例說明，它實現(xiàn)調(diào)度的其中一種方法是 ，設(shè)置多個網(wǎng)格調(diào)度器和一個中心管理節(jié)點。組成網(wǎng)格的資源是異構(gòu)的，對于計算資源，有不同類型的計算機，不同的計 算方式，不同的計算接口，不同的系統(tǒng)構(gòu)架；同樣，對于存儲資源和其他資源，也面臨著這樣的問題。 (5)自相似性。 對于大多數(shù)用戶來說，網(wǎng)格提供 給他們的計算能力足以滿足其需求，人們可以做很多以前無法完成的計算工作。網(wǎng)格實現(xiàn)了計算能力或計算資源和具體硬件設(shè)施的分離。網(wǎng)格的易訪問性指用戶可以在任何時間、任何地點、以自己熟悉的統(tǒng)一形式訪問和使用網(wǎng)格資源。上層協(xié)議可調(diào)用下層協(xié)議的服務(wù)。認證協(xié)議基于通信服務(wù)，提供了用戶 確認 和資源身份的安全機制。 開放式網(wǎng)格服務(wù)體系結(jié)構(gòu) 服務(wù)數(shù)據(jù) 服務(wù)數(shù)據(jù) 服務(wù)數(shù)據(jù) 實現(xiàn) 服務(wù)數(shù)據(jù)的訪 問 顯示撤銷 軟狀態(tài)生命周期 網(wǎng)格服務(wù) （必需的） 運行環(huán)境 (C、 J2EE、 NET、 WebSphere… ） 綁定特性 可靠激活 認證 其他接口 （可選的） 在 OGSA中，服務(wù)包括各種計算資源 、 存儲資源 、 網(wǎng)格 、 程序 、 數(shù)據(jù)庫等。 數(shù)據(jù)網(wǎng)格以大規(guī)模數(shù)據(jù)的共享、存儲、傳輸及分析為基本特征。由于應(yīng)用程序分解的任務(wù)之間往往包含優(yōu)先約束關(guān)系，就需要考慮任務(wù)調(diào)度問題。第二是資源信息的組織與管理。 帶寬和延遲是網(wǎng)絡(luò)最重要的兩個屬性。對于數(shù)據(jù)密集型計算 (Data Intensive Computing)問題，數(shù)據(jù)采集地點、數(shù)據(jù)處理地點、數(shù)據(jù)分析與結(jié)果存放地點等往往不在用一個地方。 中國科學(xué)院計算所對網(wǎng)格技術(shù)的研究已較 為深入 ， 計算所的網(wǎng)格技術(shù)研究在使用國際上已有先進技術(shù)的同時 ， 堅持自己的創(chuàng)新 。 任務(wù)管理層 主要是對數(shù)據(jù)的局部特征進行提取 ；服務(wù)管理層 主要是利用多個特征層融合數(shù)據(jù)得到全局判斷。無線連接的一種選擇是使用工業(yè)科學(xué)衛(wèi)生頻帶 [2]，由于硬件約束、天線效率和功耗之間的折 中平衡限制，選擇超高頻頻率 (UHF， 300～3000MHz 高頻無線電波 )作為傳感器收發(fā)信機的載波頻率；另一種可能的