【正文】 化生產(chǎn)線等眾多領域，無線傳感器網(wǎng)絡都將會孕育出全新的設計和應用模式。此外，在藥物管理等諸多方面，它也有新穎而獨特的應用。通過 傳統(tǒng)方式采集原始數(shù)據(jù)是一件困難的工作。無線傳感器網(wǎng)絡 還 可以為火控和制導系統(tǒng)提供準確的目標定位信息。在傳感器網(wǎng)中數(shù)據(jù)傳輸具有很強的方向性。這些傳感器都具有計算能力，可以完成一些信息處理工作。 1． 2 無線傳感器網(wǎng)絡的特點 [3][4] 無線傳感器網(wǎng)絡與無線自組網(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)絡拓撲、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。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。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)絡技術的研究。 大部分 工作環(huán)境惡劣地區(qū)，更多地受到 地形、地貌、 風雨雷電、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)長時間故障、甚至損壞。傳感器網(wǎng)中傳感器節(jié)點密集，數(shù)量巨大，可能達到幾百甚至幾千 上 萬個。 軍事應用 ： 在軍事領域，無線傳感器網(wǎng)絡將會逐漸成為 C4ISRT 系統(tǒng)的 重要組成 部分。 在軍事應用中，與獨立的衛(wèi)星和地面雷達系統(tǒng)相比，無線傳感器網(wǎng)絡的潛在優(yōu)勢表現(xiàn)在以下幾個方面 ： 南京航空航天大學碩士學位論文 3 (1)分布節(jié)點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)星和雷達這 類獨立系統(tǒng)難以克服的技術問題之一 ； (2)無線傳感器網(wǎng)絡低成本、高冗余的設計原則為整個系統(tǒng)提供了較強的容錯能力 ； (3)傳感器節(jié)點與探測目標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)點中多種傳感器的混合應用有利于提高探測的 準確性 。 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，并依此預測爆發(fā)山洪的可能性。 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 可 實現(xiàn)對星球表面長時間的監(jiān)測，是一種經(jīng)濟可行的方案。美國陸軍近期又確立了“無人值守地面?zhèn)鞲衅魅?” 項目，其主要目標是使基層部隊指揮員具有在他們所希望部署傳感器的任何地方靈活地部署傳感器的能力，該項目是支持陸軍“更廣闊視野”的 3 個項目之一。該研究屬于美國能源部 反 恐對策項目的重要一環(huán)， 整個 系統(tǒng)融檢測有毒氣體的化學傳感器和網(wǎng)絡技術于一體，傳感器一旦檢測到某種有害物質，就會自動向管理中心通報，自動 開啟 引導旅客避難的廣播，并封鎖有關入口等。該系統(tǒng)用大量的傳感器與各種車輛保持聯(lián)系，人們可以利用計算機來監(jiān)視每一輛汽車的運行狀況，如制動質量、發(fā)動機 運轉情況 等。Mica2Dot 的大小和一枚硬幣差不多，每個 Mica2 可以分為兩個模塊，一個是基本的射頻和處理模塊 MPR (Mote Processor Radio Board)，另一個是可選的傳感模塊MDA(Mote Data Acquisition Board)。 就己有的研究而言，主要集中在網(wǎng)絡層和鏈路層。 (2)無線傳感器網(wǎng)絡通信協(xié)議的研究 鏈路層協(xié)議用于建立可靠的點到點或點到多點通信鏈路，主要由介質訪問控制(MAC)組成。同時，考慮到無線傳感器網(wǎng)絡的應用是 和節(jié)點位置密切相關的，任何采集得來的數(shù)據(jù)如果不能和地域位置相關，是沒有意義的，因此將節(jié)點的位置和路由協(xié)議的能源有效性結合在一起是本文的研究重點。 匯聚節(jié)點的處理能力、存儲能力和通信能力相對比較強，它充當傳感器網(wǎng)絡和Inter 等外部網(wǎng)絡之間的接口部件，實現(xiàn)兩種協(xié)議棧之間的通信協(xié)議轉換，同時發(fā)布管理節(jié)點的監(jiān)測任務，并把收集的數(shù)據(jù)轉發(fā)到外部網(wǎng)絡中。 但由于傳感器網(wǎng)絡的一些自身特點，尤其是能耗的極度有限性，使得傳感器網(wǎng)絡路由層除了高效的完成路由轉發(fā)任務外，還要 仔細 考慮節(jié)能問題。 應用層 ： 應用層要負責時間同步、節(jié)點定位、 QoS、移動性控制、能量管理、配置管理、安全管理和遠程管理。能量管理平臺管理傳感器節(jié)點如 何使用能源，在各個協(xié)議層都需考慮節(jié)省能量； 星型網(wǎng)絡配置由一個協(xié)調器節(jié)點（主設備）和一個或多個終端設備（從設備）組成。由于群集和網(wǎng)狀網(wǎng)絡具有在多個網(wǎng)絡之間路由數(shù)據(jù)包的功能，因而被稱為多跳網(wǎng)絡，而星型網(wǎng)絡則被稱為單跳網(wǎng)絡。源文件會自動根據(jù)所使用的編譯器進行必要的更改。 ZigBee 協(xié)議棧 一般 由 七個 模塊組成 ，如圖 2－ 3 所示 。 ZDO負責接收和處理遠程設備的不同請求。 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)服務和物理層管理服務。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。 基于復合定位的無線傳感器網(wǎng)絡層次路由協(xié)議設計與實現(xiàn) 16 圖 2－ 9所示為帶溫度傳感器的節(jié)點實物圖樣。 2． 3． 1 網(wǎng)絡拓撲控制 對于無線傳感器網(wǎng)絡來說，網(wǎng)絡拓撲控制具有特別重要的意義。 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。同時，無線傳感器網(wǎng)絡是以數(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)點之間的轉發(fā)路徑。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)絡最基本的的功能之一。 基于測距 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)。 傳感器網(wǎng)絡中節(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)絡時間同步的重要約束條件。 2． 3． 5 其他關鍵技術 無線通信技術 ：傳感器網(wǎng)絡需要低功耗短距離的無線通信技術，目前已有統(tǒng)一標準 。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。已知位置的節(jié)點稱作錨節(jié)點，它們可能是被預先放置好的，或者采用 GPS 或其他方法得知自己的位置。然而，實際應用中的情況要復雜的多，尤其是在分布密集的無線傳感 器網(wǎng)絡中。 TOA 要求接收信號的錨節(jié)點或未知節(jié)點知道信號開始傳輸?shù)臅r刻，并要求節(jié)點有非常精確的時鐘。由于這種方法不是采 用到達的絕對時間來確定節(jié)點的位置，降低了對時間同步的要求。下面介紹 基于不測距 的定位算法。質心定位算法的最大優(yōu)點是它非常簡單，計算量小，完全基于網(wǎng)絡的連通性，但是需要較多的錨節(jié)點。為了將跳數(shù)值轉換成物理距離 ，系統(tǒng)需要估計網(wǎng)絡中平均每跳的距離。與 DVHop 算法不同的是： Amorphous 算法假定預先知道網(wǎng)絡的密度，然后離線計算網(wǎng)絡的平均每跳距離，最后當獲得 3個或更多錨節(jié)點基于復合定位的無線傳感器網(wǎng)絡層次路由協(xié)議設計與實現(xiàn) 26 的梯度值后，未知節(jié)點計算與每個錨節(jié)點的距離，并使用三邊測量法和最大似然估計法估算自身位置。 雖然 目前 已經(jīng) 提出各種各樣的技術以期達到 錨 節(jié)點的最優(yōu)布置，但在大多數(shù)情況下，都 會 因 不可預料的自然環(huán)境影響就引起這樣或那樣的問題， 這就要求在節(jié)點定位系統(tǒng)要有必須要有能根據(jù)具體環(huán)境 動態(tài)的、自適應的 調整定位算法的能力，為此 本文提出了基于測距與不測距 復 合定位方法。 V2 圖 31 定位原理圖 設錨點坐標分別為： A(x1,y1),B(x2,y2),C(x3,y3)， (x,y)為目標點 X 的坐標，通過解方程組： (x1?x)2 + (y1?y)2 =R12 (x2?x)2 + (y2?y)2 =R22 (x3?x)2 + (y3?y)2 =R32 可以得到目標節(jié)點坐標值，為了便于路由計算，將直角坐標轉換成相對于基站的極坐標（ρ , θ ） 。應答信息包格式為：節(jié)點 ID+節(jié)點位置 +當前節(jié)點 能量剩余量 (power)＋轉發(fā)信息（子節(jié)點信息）。此時間差t 將通過應答信息包返回到基站。它通過三個以上的點與目標之間的距離來計算目標的坐標位置。 3． 2． 2 復 合定位法 在 下文 提出的 復 合定位法中，基于測距 的定位部分采用了時間差測距法，它的主要思想是：對基站的測距信號范圍之內的節(jié)點，接收由基站發(fā)射兩種速度不一的信號，然后各自計算出自己的位置 ；對于處于測距范圍之外的節(jié)點，則 采用類似 DVHop 的定南京航空航天大學碩士學位論文 27 位法 ，通過計算跳數(shù)來 確定 節(jié)點位置。 APIT 算法最關鍵的步驟是測試未知節(jié)點是在 3 個錨節(jié)點所組成的三角形內部還是外部，這一測試的理論基礎是三角形內的點 (PIT)測試。 在 DVHop 算法中，錨節(jié)點向網(wǎng)絡廣播一個信標，信標中包含有此錨節(jié)點的位置信息和一個初始值為 1 的表示跳數(shù)的參數(shù)。 質心法 ： 質心法是南加州大學 Nirupama Bulusu 等學者提出的一種僅基于網(wǎng)絡連通性的室外定位算法。另外， AOA 信息還可以與 TOA、 TDOA 信息一起使用成為混合定位法。 時間差定位法 ： TDOA 測距是通過計算兩種不同無線信號到達未知節(jié)點的時間差，再根據(jù)兩種信號傳播速度來計算得到未知節(jié)點與錨節(jié)點之間 的距離。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。 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 ： 3． 1 節(jié)點定位機制 分析 關于無線傳感器網(wǎng)絡 的定位問題 可 分為兩類，一類是無線傳感器網(wǎng)絡對自身傳感器節(jié)點的定位，另一類是無線傳感器網(wǎng)絡對外部目標的定位 ,本文主要討論前者。 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。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。 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。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)時基于復合定位的無線傳感器網(wǎng)絡層次路由協(xié)議設計與實現(xiàn) 20 就盡量進入睡眠狀態(tài)。同時，傳感器拓撲結構動態(tài)變化，網(wǎng)絡資源也在不斷變化，這些都對網(wǎng)絡協(xié)議提出了更高的要求。拓撲控制可以分為節(jié)點功率控制和 層次型拓撲結構組織 [12]兩個方面。 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 作出應答，并傳送相應信息。 圖 27 CC2420 典型應用電路 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，溫度轉換時間 200ms， 具有價格低廉的特點，符合傳感器網(wǎng)絡節(jié)點價格低廉的要求。 圖 24 節(jié)點 硬件結構 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 。 介質訪問控制層（ Medium Access Control， MAC）實現(xiàn)了 IEEE 規(guī)范所要求的功能。用戶應用程序使用此模塊來管理協(xié)議棧功能。 Microchip ZigBee 協(xié)議棧提供了一種易于使用的不依賴于應用和 RTOS 的函數(shù)庫。協(xié)調器會定期以一個標識為信標幀的超級幀開始發(fā)送，并且希望網(wǎng)絡中的所有節(jié)點與此幀同步。它只實現(xiàn)了一組最少的 ZigBee 服務。 2． 2． 1 ZigBee 概述 [6][7] ZigBee 是 以 IEEE 規(guī)范作為介質訪問層（ MAC）和物理層（ PHY） 協(xié)議的、專 為低速率傳感器和控制網(wǎng)絡設計的無線網(wǎng)絡協(xié)議。 定位與時間同步子層 ： 定位與時間同步子層 既依賴于數(shù)據(jù)傳輸通道進行協(xié)作定位和時間同步協(xié)商，同時又要網(wǎng)絡協(xié)議各層提供信息支持，