【正文】 如：為基于時(shí)分復(fù)用的 MAC協(xié)議提供時(shí)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(diǎn)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(gè) 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(bào)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(diǎn)間協(xié)調(diào)的有效性和對(duì)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(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(diǎn)收發(fā)控制 性數(shù)據(jù)的比率，進(jìn)而減少能量損耗。 傳感器節(jié)點(diǎn)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(fù)合定位的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)層次路由協(xié)議設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 8 第二章 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分析 與節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì) 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(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)由傳感器節(jié)點(diǎn)群、 匯聚節(jié)點(diǎn)（ 基站 ）、互聯(lián)網(wǎng)及遠(yuǎn)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(diǎn)具有高度移動(dòng)性的環(huán)境中建立彼此間的鏈接，同時(shí)兼顧一定的 QoS 要求，功耗也不是其首要關(guān)心的 ； 而藍(lán)牙采用了主從式的星型 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，這本身就不適合傳感器網(wǎng)絡(luò)自組織的特點(diǎn)。 加州大學(xué)洛杉磯分校開發(fā)了一個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和一個(gè)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(jí)通信不依賴于網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(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(jí)數(shù)據(jù)流的層次系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、傳感器網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間同步的解決方法、自組織傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)問題和解決方 法、新的多路徑模式等。英國(guó)、日 本、意大利等國(guó)家的一些大學(xué)和研究機(jī)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(jì)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(shí)現(xiàn)階段將在實(shí)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(xué)、環(huán)境監(jiān)測(cè)及災(zāi)害對(duì)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(jī)載和車載型偵察與探測(cè)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(jī)構(gòu)組成的無線網(wǎng)絡(luò)與 Inter 連接在一起將會(huì) 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(diǎn)，如心率和血壓監(jiān)測(cè)設(shè)備，利用無 線傳感器網(wǎng)絡(luò)，醫(yī)生就可以隨時(shí)了解被監(jiān)護(hù)病人的病情，進(jìn)行及時(shí)的處理，還可以利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)長(zhǎng)時(shí)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(cè)對(duì)象身上的微型傳感器也不會(huì)給人的正常生活帶來太多的不便。 環(huán)境科學(xué) ： 隨著人們對(duì)于環(huán)境的日益關(guān)注，環(huán)境科學(xué)所涉及的范圍越來越廣泛。在戰(zhàn)爭(zhēng)中，對(duì)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(diǎn)撤向敵方陣地，在敵方還未來得及反應(yīng)時(shí)迅速收集利于作戰(zhàn)的信息。 （ 5）數(shù)據(jù)傳輸方向性強(qiáng)。傳感器網(wǎng)中的傳感器一般采用嵌入式處理器和 存儲(chǔ)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(jī)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(duì)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(yùn)而生，它是 由部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)大量的廉價(jià)微型傳感器節(jié)點(diǎn)組成，通過無線通信方式組成的一個(gè)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(cè)和預(yù)報(bào)、健康護(hù)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(cè)等領(lǐng)域。 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(jì)與實(shí)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(biāo)是利用先進(jìn)的高科技技術(shù)，為未來的現(xiàn)代化戰(zhàn)爭(zhēng)設(shè)計(jì)一個(gè)集命令、控制、通信、計(jì)算、智能、監(jiān)視、偵察和定位于一體的戰(zhàn)場(chǎng)指揮系統(tǒng)，受到了軍事發(fā)達(dá)國(guó)家的普遍重視。 (5)多節(jié)點(diǎn)聯(lián)合，形成覆蓋面積較大的實(shí)時(shí)探測(cè)區(qū)域 。類似地，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)對(duì)森林火災(zāi)準(zhǔn)確、及時(shí)地預(yù)報(bào)也應(yīng)該是有幫助的。 NASA的 JPL(Jet Propulsion Laboratory)實(shí)驗(yàn)室研制的 Sensor Webs 就是為將來的火星探測(cè)進(jìn)行技術(shù)準(zhǔn)備的，已在佛羅里達(dá)宇航中心周圍的環(huán)境監(jiān)測(cè)項(xiàng)目中進(jìn)行測(cè)試和完善。美國(guó)陸軍最近還確立了“戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境偵察與監(jiān)視系統(tǒng) ” 項(xiàng)目。美國(guó)海軍最近開展的網(wǎng)狀傳感器系統(tǒng) CEC(Cooperative Engagement Capability)是一項(xiàng)革命性的技術(shù)。根據(jù)具體情況，計(jì)算機(jī)可以自動(dòng)進(jìn)行調(diào)整，使車輛保持在高效低耗的最佳運(yùn)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(gè)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(tái)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(yuǎn)。就實(shí) 現(xiàn)機(jī)制而言， MAC 協(xié)議分 3 類 ： 確定性分配、競(jìng)爭(zhēng)占用和隨機(jī)訪問。為此， 本文 提南京航空航天大學(xué)碩士學(xué)位論文 7 出了一種基于節(jié)點(diǎn)位置的無線傳感器路由協(xié)議，通過節(jié)點(diǎn)自組網(wǎng)過程中形成的節(jié)點(diǎn)位置拓?fù)鋱D，使節(jié)點(diǎn)能動(dòng)態(tài)地根據(jù) 自身 剩余能量選擇合適的路由，從而達(dá)到充分利用每個(gè)節(jié)點(diǎn)能量的目的，以此延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)使用壽命。匯聚節(jié)點(diǎn)既可是一個(gè)具有增強(qiáng)功能的傳感器節(jié)點(diǎn)，有足夠的能量供給和更多的內(nèi)存與計(jì)算資源，也可是沒有監(jiān)測(cè)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(fù)責(zé)頻率選擇、載波生成、信號(hào)檢測(cè)、調(diào)制解調(diào)、編碼、定時(shí)和同步 等問題，物理層設(shè)計(jì)直接影響到電路的復(fù)雜度和傳輸能耗等問題。 雖然 QoS、移動(dòng)性控制、能量管理、配置管理、安全管理和遠(yuǎn)程管理可以由多個(gè)層次共同完成，每個(gè)層次都可以針對(duì)相應(yīng)的功能加入自己的實(shí)現(xiàn)機(jī)制，但由于數(shù)據(jù)鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層對(duì)網(wǎng)絡(luò)的 QoS 屬性、節(jié)點(diǎn)移動(dòng)性和能耗比較敏感，更加適合實(shí)現(xiàn)這方面的特性 。移動(dòng)管理平臺(tái)檢測(cè) 傳感器節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)，維護(hù)到匯聚節(jié)點(diǎn)的路由，使得傳感器節(jié)點(diǎn)能夠動(dòng)態(tài)跟蹤其鄰居的位置； 協(xié)調(diào)器是實(shí)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(diǎn)接入 網(wǎng)絡(luò)， 它主要 有兩種類型的多點(diǎn)接入機(jī)制。協(xié)議棧使用內(nèi)部閃存程序存儲(chǔ)器來存儲(chǔ)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(diǎn)， EP0總是在啟動(dòng)時(shí)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(hù)一個(gè)由物理層相關(guān)數(shù)據(jù)組成的數(shù)據(jù)庫(kù)。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(diǎn)實(shí)物圖 2． 2． 3 節(jié)點(diǎn)間通信的實(shí)現(xiàn) 由于制作的節(jié)點(diǎn)數(shù)量有限，本節(jié)通過對(duì) 五個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn) 進(jìn)行通連實(shí)驗(yàn) 來驗(yàn)證 節(jié)點(diǎn)間建立數(shù)據(jù)鏈路的 執(zhí)行效果，因?yàn)闆]有為節(jié)點(diǎn)配置超聲波接收裝置， 采用 人工方式為每個(gè)節(jié) 點(diǎn)確定了具體位置。通過拓?fù)淇刂谱詣?dòng)生成良好的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(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(shí)間同步和目標(biāo)定位等很多方面奠定基礎(chǔ)，有利于節(jié)省節(jié)點(diǎn)的能量以延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生存期。該機(jī)制能夠使節(jié)點(diǎn)在沒有事件發(fā)生時(shí)設(shè)置通信模塊為睡眠狀態(tài)，而在有事件發(fā)生時(shí)及時(shí)自動(dòng)醒來并喚醒鄰居節(jié)點(diǎn)，形成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的拓?fù)浣Y(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(kuò)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(jī)部署的傳感器節(jié)點(diǎn)必須能夠在布置后確定自身位置。根據(jù)測(cè)量節(jié)點(diǎn)間距離或方位時(shí)所采用的方法， 基于測(cè)距 的定位分為基于 到達(dá)時(shí)間（ time of arrival,TOA） 的定位、基于 到達(dá)時(shí)間差（ time difference of arrival,TDOA） 的定位 、基于 到達(dá)角度 (angle af arrival,AOA)[37]的定位、基于 接收信號(hào)強(qiáng)度指示 (received signal strength indicator,RSSI)的定位等。 還有節(jié)點(diǎn)的能量有限性也要求傳感器網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間同步機(jī)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(jī)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(shí)現(xiàn)一些最基 本的安全機(jī)制，如何保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)臋C(jī)密性、點(diǎn)到點(diǎn)的消息認(rèn)證、完整性鑒別、新鮮性、認(rèn)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(gè)針對(duì)低速無線個(gè)人域網(wǎng)絡(luò)的通信標(biāo)準(zhǔn)，在些標(biāo)準(zhǔn)上，如何提供具有對(duì)信道衰落不敏感、發(fā)射信號(hào)功率密度低、低截獲能力、系統(tǒng)復(fù)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(diǎn)之一。 但對(duì)大部分的應(yīng)用來說 ，節(jié)點(diǎn)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(diǎn)稱作 未知節(jié)點(diǎn)，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(huì)對(duì)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(shí)鐘。 基于不測(cè)距 的算法不需要知道未知節(jié)點(diǎn)到錨節(jié)點(diǎn)的距離或者不需要直接測(cè)量此距離，在成本和功耗方面比基于測(cè)距的方法具有優(yōu)勢(shì)。 錨節(jié)點(diǎn)具有到網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部其他錨節(jié)點(diǎn)的跳數(shù)值以及這些錨節(jié)點(diǎn)的位置信息，因此錨節(jié)點(diǎn)可以通過計(jì)算得到 與 其他錨節(jié)點(diǎn)的實(shí)際距離。 3． 2． 1 問題的提出 在基于測(cè)距的定位系統(tǒng)中， 如果為每個(gè)節(jié)點(diǎn)安裝用于發(fā) 射測(cè)距信號(hào)的硬件無疑會(huì)增加節(jié)點(diǎn)成本和能源消耗，因此考慮利用基站為所有節(jié)點(diǎn)發(fā)射測(cè)距信號(hào)，這就要求 節(jié)點(diǎn)必須處于 基站的 測(cè)距信號(hào)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(gè)錨點(diǎn)到該點(diǎn)的距離。 為提高測(cè)距信號(hào)利用率和減少節(jié)點(diǎn)接收信號(hào)的能量消耗，在基站廣播的測(cè)距信號(hào)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(jì)與實(shí)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(cè)距起始標(biāo)識(shí) 發(fā)射源 ID 發(fā)射源坐標(biāo) 發(fā)射時(shí)間 傳感器節(jié)點(diǎn)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(cè)距的同步起始標(biāo)識(shí)后，打開記時(shí)器，同時(shí)開啟接收速度較慢的聲波或超聲波信號(hào)，在收到聲波或超聲波信號(hào)后，計(jì)時(shí)器停止記時(shí)，利用公式 ①計(jì)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(diǎn)的具體位置 （ρ , θ ） 。為確保最外圍的節(jié)點(diǎn)首先開始發(fā)送應(yīng)答信息包，為每個(gè)節(jié)點(diǎn)設(shè)置一個(gè)發(fā)送應(yīng)答信息包的時(shí)間延遲值：β－ t，這可保證外圍節(jié)點(diǎn)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(gè)位置各異的信號(hào)發(fā)射器 ，各發(fā)射器分別以足夠覆蓋全部節(jié)點(diǎn)的功率發(fā)送一個(gè)信息包（速度為 V1）和一測(cè)距信號(hào)（速度為 V2），各節(jié)點(diǎn)收到信息包后開始記時(shí)，收到測(cè)距信號(hào)則停止記時(shí)，得到時(shí)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(cè)距與不測(cè)距的 復(fù) 合定位 機(jī)制。如果未知節(jié)點(diǎn)在某三角形內(nèi)部，稱此三角形包含未知節(jié)點(diǎn)；最后，未知節(jié)點(diǎn)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(jì)位置。 DVHop 算法與基于測(cè)距算法具有相似之處，就是都需要獲得未知節(jié)點(diǎn)到錨節(jié)點(diǎn)的距離，但是DVHop 獲得距離的方法是通過網(wǎng)絡(luò)中拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)信息的計(jì)算而不是通過無線電波信號(hào)的測(cè)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(diǎn)即為未知節(jié)點(diǎn)的位置。 信號(hào)強(qiáng)度測(cè)距法通常屬于一種粗糙的測(cè)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(cè)距 (Rangebased)和 基于不測(cè)距 (Rangefree) 的 方法。因此，實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)的自身定位對(duì)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(diǎn)是一個(gè)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(fù)合定位的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)層次路由協(xié)議設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 22 因此在從各節(jié)點(diǎn)收集數(shù)據(jù)的過程中，可利用節(jié)點(diǎn)的本地計(jì)算和存儲(chǔ)能力處理數(shù)據(jù)，去除冗余信息，從而達(dá)到節(jié)省能量的目的。 目前，許多大學(xué)和科研機(jī)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(jī)制，其中 影響較為重要的主要有 ： 參考廣播同步機(jī)制 (Referenc