【正文】 如：為基于時分復用的 MAC協(xié)議提供時間同步控制信息，為基于地理位置的路由協(xié)議提供節(jié)點位置信息等 。如果需要接入 Inter，也不一定需要專門開發(fā)一個 WSN 的傳輸層協(xié)議，只需將 WSN 中的路由分組封裝成 TCP 或 UDP 報文即可。介質(zhì)訪問控制方法是否合理與高效，直接決定了傳感器節(jié)點間協(xié)調(diào)的有效性和對網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)的適應(yīng)性，合理與高效的介質(zhì)訪問控制方法能夠有效的減少傳感器節(jié)點收發(fā)控制 性數(shù)據(jù)的比率，進而減少能量損耗。 傳感器節(jié)點由傳感器模塊、路由協(xié)議管理模塊、系統(tǒng)控制模塊、無線收發(fā)模塊和能量控制模塊五部分組成，如圖 22 所示。 基于復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) 8 第二章 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分析 與節(jié)點設(shè)計 2． 1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體 系結(jié)構(gòu) [5] 2． 1． 1 傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖 21 所示，整個傳感器網(wǎng)絡(luò)由傳感器節(jié)點群、 匯聚節(jié)點（ 基站 ）、互聯(lián)網(wǎng)及遠程監(jiān)控中心 (用戶 )組成。 GSM 和 CDMA 中的介質(zhì)訪問控制主要關(guān)心如何滿足用戶的 QoS 要求和節(jié)省帶寬資源，功耗是第二位的 ； Ad hoc 網(wǎng)絡(luò)則考慮如何在節(jié)點具有高度移動性的環(huán)境中建立彼此間的鏈接，同時兼顧一定的 QoS 要求，功耗也不是其首要關(guān)心的 ； 而藍牙采用了主從式的星型 拓撲結(jié)構(gòu)，這本身就不適合傳感器網(wǎng)絡(luò)自組織的特點。 加州大學洛杉磯分校開發(fā)了一個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和一個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)模擬環(huán)境，用于考察傳感器網(wǎng)絡(luò)各方面的問題，他們提出了低級通信不依賴于網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)的分布式系統(tǒng)技術(shù)、支持多應(yīng)用傳感器網(wǎng)絡(luò)中命名數(shù)據(jù)和網(wǎng)內(nèi)數(shù)據(jù)處理的軟件結(jié)構(gòu)、變換初始感知為高級數(shù)據(jù)流的層次系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、傳感器網(wǎng)絡(luò)的時間同步的解決方法、自組織傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計問題和解決方 法、新的多路徑模式等。英國、日 本、意大利等國家的一些大學和研究機構(gòu)也紛紛開展了該領(lǐng)域的研究工作。物理階段主要開發(fā)集成感知、計算和通信功能的超微型傳感器 (也被稱作塵粒或智能微塵 )，實現(xiàn)階段將在實際商務(wù)中使用來自傳感器網(wǎng)絡(luò)的感知數(shù)據(jù)，應(yīng)用階段將應(yīng)用傳感器網(wǎng)絡(luò)于預(yù)防醫(yī)學、環(huán)境監(jiān)測及災(zāi)害對策等領(lǐng)域。 該系統(tǒng)組由撒布型微傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、機載和車載型偵察與探測設(shè)備等構(gòu)成。比如，嵌入家具和家電中的傳感器與執(zhí)行機構(gòu)組成的無線網(wǎng)絡(luò)與 Inter 連接在一起將會 為人們 提供更加舒適、方便和具有人性化的智能家居環(huán)境。 醫(yī)療健康 ： 如果在住院病人身上安裝特殊用途的傳感器節(jié)點，如心率和血壓監(jiān)測設(shè)備，利用無 線傳感器網(wǎng)絡(luò)，醫(yī)生就可以隨時了解被監(jiān)護病人的病情，進行及時的處理，還可以利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)長時間地收集人的生理數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)在研制新藥品的過程中是非常有用的，而安裝在被監(jiān)測對象身上的微型傳感器也不會給人的正常生活帶來太多的不便。 環(huán)境科學 ： 隨著人們對于環(huán)境的日益關(guān)注，環(huán)境科學所涉及的范圍越來越廣泛。在戰(zhàn)爭中，對沖突區(qū)和軍事要地的監(jiān)視也是至關(guān)重要的，通過鋪設(shè)傳感器網(wǎng)絡(luò)，以更隱蔽的方式近距離地觀 察敵方的布防 ； 也可以直接將傳感器節(jié)點撤向敵方陣地，在敵方還未來得及反應(yīng)時迅速收集利于作戰(zhàn)的信息。 （ 5）數(shù)據(jù)傳輸方向性強。傳感器網(wǎng)中的傳感器一般采用嵌入式處理器和 存儲器。比較通用的定義為： 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是指由一組按需隨機分布的集成有傳感器、數(shù)據(jù)處理單元和通信模塊的傳感器以自組織方式構(gòu)成的無線網(wǎng)絡(luò)，其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍內(nèi)感知對象的信息，并傳送 到 信息 用戶 。無線傳感器網(wǎng)絡(luò) (Wireless Sensor Network, WSN)就是 在這種情況下應(yīng)運而生，它是 由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量的廉價微型傳感器節(jié)點組成，通過無線通信方式組成的一個多跳的自組織網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用前景十分廣闊，能夠廣泛應(yīng)用軍事、環(huán)境監(jiān)測和預(yù)報、健康護理、智能家居、建筑物狀態(tài)監(jiān)控、城市交通、空間探索以及安全監(jiān)測等領(lǐng)域。 基于復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) 2 （ 2）能量有限。此外，傳感器網(wǎng)可以 分 布在很廣泛的地理區(qū)域。 C4ISRT 系統(tǒng)的目標是利用先進的高科技技術(shù)，為未來的現(xiàn)代化戰(zhàn)爭設(shè)計一個集命令、控制、通信、計算、智能、監(jiān)視、偵察和定位于一體的戰(zhàn)場指揮系統(tǒng)，受到了軍事發(fā)達國家的普遍重視。 (5)多節(jié)點聯(lián)合，形成覆蓋面積較大的實時探測區(qū)域 。類似地，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)對森林火災(zāi)準確、及時地預(yù)報也應(yīng)該是有幫助的。 NASA的 JPL(Jet Propulsion Laboratory)實驗室研制的 Sensor Webs 就是為將來的火星探測進行技術(shù)準備的，已在佛羅里達宇航中心周圍的環(huán)境監(jiān)測項目中進行測試和完善。美國陸軍最近還確立了“戰(zhàn)場環(huán)境偵察與監(jiān)視系統(tǒng) ” 項目。美國海軍最近開展的網(wǎng)狀傳感器系統(tǒng) CEC(Cooperative Engagement Capability)是一項革命性的技術(shù)。根據(jù)具體情況，計算機可以自動進行調(diào)整，使車輛保持在高效低耗的最佳運行狀態(tài)，并就潛在的故障發(fā)出警告，或直接與事故搶救中心取得聯(lián)系。 Mica2 工作在 915MHz的 ISM 頻段上，有兩個可調(diào)的工作頻率 ： 和 ，它以 AA 電池或鈕扣電池作為能源，現(xiàn)在關(guān)于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的大多數(shù)科研和演示系統(tǒng)都是以 Mica 為平臺的。目前的研究工作還處于起步階段，大量的問題還沒有涉及到，未來的研究工作任重而道遠。就實 現(xiàn)機制而言， MAC 協(xié)議分 3 類 ： 確定性分配、競爭占用和隨機訪問。為此， 本文 提南京航空航天大學碩士學位論文 7 出了一種基于節(jié)點位置的無線傳感器路由協(xié)議，通過節(jié)點自組網(wǎng)過程中形成的節(jié)點位置拓撲圖，使節(jié)點能動態(tài)地根據(jù) 自身 剩余能量選擇合適的路由，從而達到充分利用每個節(jié)點能量的目的，以此延長網(wǎng)絡(luò)使用壽命。匯聚節(jié)點既可是一個具有增強功能的傳感器節(jié)點，有足夠的能量供給和更多的內(nèi)存與計算資源，也可是沒有監(jiān)測功能僅帶有無線通信接口的特殊網(wǎng)關(guān)設(shè)備。 物理層 ： 物理層負責頻率選擇、載波生成、信號檢測、調(diào)制解調(diào)、編碼、定時和同步 等問題，物理層設(shè)計直接影響到電路的復雜度和傳輸能耗等問題。 雖然 QoS、移動性控制、能量管理、配置管理、安全管理和遠程管理可以由多個層次共同完成，每個層次都可以針對相應(yīng)的功能加入自己的實現(xiàn)機制，但由于數(shù)據(jù)鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層對網(wǎng)絡(luò)的 QoS 屬性、節(jié)點移動性和能耗比較敏感，更加適合實現(xiàn)這方面的特性 。移動管理平臺檢測 傳感器節(jié)點的移動，維護到匯聚節(jié)點的路由，使得傳感器節(jié)點能夠動態(tài)跟蹤其鄰居的位置； 協(xié)調(diào)器是實現(xiàn)了一組很多 ZigBee 服務(wù)的一種特殊的全功能設(shè)備（ Full Function Device， FFD）。和任何網(wǎng)絡(luò)一樣， ZigBee 網(wǎng)絡(luò)也是多點接入 網(wǎng)絡(luò)， 它主要 有兩種類型的多點接入機制。協(xié)議棧使用內(nèi)部閃存程序存儲器來存儲可配置的 MAC 地址、網(wǎng)絡(luò)表和綁定表。 圖 23 ZigBee 協(xié)議棧 典型的應(yīng)用程序總是與應(yīng)用層（ APL）和應(yīng)用支持子層（ APS）接口。不同于其他的端點， EP0總是在啟動時就被打開并假設(shè)綁定到任何發(fā)往 EP0的輸入數(shù)據(jù)幀。物理層數(shù)據(jù)服務(wù)從無線物理信道上收發(fā)數(shù)據(jù)，物理層管理服務(wù)維護一個由物理層相關(guān)數(shù)據(jù)組成的數(shù)據(jù)庫。它基于 ChipCon 公司的 Smart RF03 技術(shù)，以 工藝制成 只需極少外部元器件，性能穩(wěn)定且功耗極低。 圖 29 節(jié)點實物圖 2． 2． 3 節(jié)點間通信的實現(xiàn) 由于制作的節(jié)點數(shù)量有限，本節(jié)通過對 五個傳感器節(jié)點 進行通連實驗 來驗證 節(jié)點間建立數(shù)據(jù)鏈路的 執(zhí)行效果，因為沒有為節(jié)點配置超聲波接收裝置， 采用 人工方式為每個節(jié) 點確定了具體位置。通過拓撲控制自動生成良好的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，能夠提高路由和 MAC 協(xié)議的效率，可為數(shù)據(jù)融合、時間同步和目標定位等很多方面奠定基礎(chǔ)，有利于節(jié)省節(jié)點的能量以延長網(wǎng)絡(luò)的生存期。該機制能夠使節(jié)點在沒有事件發(fā)生時設(shè)置通信模塊為睡眠狀態(tài)，而在有事件發(fā)生時及時自動醒來并喚醒鄰居節(jié)點，形成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的拓撲結(jié)構(gòu)。目前提出了多種類型的傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議，如能量感知的路由協(xié)議 、 定向擴散 (directed diffusion, DD)[ 13]和謠傳路由 (rumor routing, RR)[24]等基于查詢的路由協(xié)議， GEAR(geographical and energy aware routin)[25] 和 GEM(graph embedding)[26]等基于地理位置的路由協(xié)議， SPEED[27]和 EAQR [28]等支持 QoS 的路由協(xié)議。為了提供有效的位置信息，隨機部署的傳感器節(jié)點必須能夠在布置后確定自身位置。根據(jù)測量節(jié)點間距離或方位時所采用的方法， 基于測距 的定位分為基于 到達時間（ time of arrival,TOA） 的定位、基于 到達時間差（ time difference of arrival,TDOA） 的定位 、基于 到達角度 (angle af arrival,AOA)[37]的定位、基于 接收信號強度指示 (received signal strength indicator,RSSI)的定位等。 還有節(jié)點的能量有限性也要求傳感器網(wǎng)絡(luò)的時間同步機制必須充分考慮能耗問題。 網(wǎng)絡(luò)安全 ：為保證任務(wù)的機密布置和任務(wù)執(zhí)行結(jié)果的安全傳遞和融合，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)需要實現(xiàn)一些最基 本的安全機制，如何保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)臋C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，就成為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)需要全面考慮的內(nèi)容。這是一個針對低速無線個人域網(wǎng)絡(luò)的通信標準，在些標準上，如何提供具有對信道衰落不敏感、發(fā)射信號功率密度低、低截獲能力、系統(tǒng)復雜度低、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)研究的重點之一。 但對大部分的應(yīng)用來說 ，節(jié)點所采集到的數(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 。 位置 未知的節(jié)點稱作 未知節(jié)點，它們需要被定位。反射、多徑傳播、非視距、天線增益等問題都會對相同距離產(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)星時鐘。 基于不測距 的算法不需要知道未知節(jié)點到錨節(jié)點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。 錨節(jié)點具有到網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部其他錨節(jié)點的跳數(shù)值以及這些錨節(jié)點的位置信息，因此錨節(jié)點可以通過計算得到 與 其他錨節(jié)點的實際距離。 3． 2． 1 問題的提出 在基于測距的定位系統(tǒng)中， 如果為每個節(jié)點安裝用于發(fā) 射測距信號的硬件無疑會增加節(jié)點成本和能源消耗，因此考慮利用基站為所有節(jié)點發(fā)射測距信號，這就要求 節(jié)點必須處于 基站的 測距信號發(fā)射范圍之內(nèi) 。 t)/(V1?V2) ① 其中 Ri（ i=1,2,3）分別表示三個錨點到該點的距離。 為提高測距信號利用率和減少節(jié)點接收信號的能量消耗，在基站廣播的測距信號基于復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) 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： 測距起始標識 發(fā)射源 ID 發(fā)射源坐標 發(fā)射時間 傳感器節(jié)點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識后，打開記時器，同時開啟接收速度較慢的聲波或超聲波信號，在收到聲波或超聲波信號后，計時器停止記時，利用公式 ①計算出與信源的距離 Ri (i = 3)，然后將 Ri 代入方程組中求解得出節(jié)點的具體位置 （ρ , θ ） 。為確保最外圍的節(jié)點首先開始發(fā)送應(yīng)答信息包，為每個節(jié)點設(shè)置一個發(fā)送應(yīng)答信息包的時間延遲值：β－ t，這可保證外圍節(jié)點首先發(fā)送（β為一常數(shù)）。 信息廣播過程：信息廣播源為基站中三個位置各異的信號發(fā)射器 ，各發(fā)射器分別以足夠覆蓋全部節(jié)點的功率發(fā)送一個信息包（速度為 V1）和一測距信號（速度為 V2），各節(jié)點收到信息包后開始記時，收到測距信號則停止記時，得到時間差值 t。 本文 采用常用的三邊 (trilateration)定位。 鑒于 此， 本文 提出了基于測距與不測距的 復 合定位 機制。如果未知節(jié)點在某三角形內(nèi)部，稱此三角形包含未知節(jié)點；最后，未知節(jié)點將包含自己的所有三角形的相交區(qū)域的質(zhì)心作為自己的估計位置。 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)點到錨節(jié)點的距離，但是DVHop 獲得距離的方法是通過網(wǎng)絡(luò)中拓撲結(jié)構(gòu)信息的計算而不是通過無線電波信號的測量。 該 算法的原理與經(jīng)典的距離矢量路由算法比較相似。 兩根方位線的交點即為未知節(jié)點的位置。 信號強度測距法通常屬于一種粗糙的測距技術(shù)。 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，實現(xiàn)節(jié)點的自身定位對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)有重要的意義。 嵌入式操作系統(tǒng) ：傳感器節(jié)點是一個微型的嵌入式系統(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) 22 因此在從各節(jié)點收集數(shù)據(jù)的過程中，可利用節(jié)點的本地計算和存儲能力處理數(shù)據(jù)，去除冗余信息，從而達到節(jié)省能量的目的。 目前，許多大學和科研機構(gòu)已經(jīng)提出了多種用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的同步機制，其中 影響較為重要的主要有 ： 參考廣播同步機制 (Referenc