【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 CSMA/CA 研究與仿真；結(jié)論。各章組織如下： 第 一 章緒論。本文研究的概要情況，包括研究背景、國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及研究?jī)?nèi)容等； 第 二 章無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)簡(jiǎn)介。 首先介紹了無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò) 的概念、 網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性應(yīng)用、 特點(diǎn)及挑戰(zhàn)； 其次介紹了無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)性能的區(qū)別， 并指出無(wú)線(xiàn)傳感絡(luò)的實(shí)時(shí)應(yīng)用需要考慮的基本問(wèn)題和解決方案。最后介紹了仿真平臺(tái) OPNET。 第 三 章 CSMA/CA 和 ZIGBEEZIGBEE。 網(wǎng)絡(luò)工作方式為信標(biāo)網(wǎng)絡(luò)和非信標(biāo)網(wǎng)絡(luò)，對(duì)不同的網(wǎng)絡(luò)工作方式將采用不同的信道接入機(jī)制。 第四章 系統(tǒng)應(yīng)用設(shè)計(jì)。包含了 所需要的軟件設(shè)備，開(kāi)發(fā)環(huán)境，以及開(kāi)發(fā)內(nèi)容，和重要的數(shù)據(jù)采集提取 和讀取部分。重點(diǎn)說(shuō)明了。數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制和數(shù)據(jù)線(xiàn)路的分析與整合 傳感器的介紹 和應(yīng)用程序的燒錄 以及實(shí)用 第五章開(kāi)發(fā)內(nèi)容和傳輸機(jī)制 ； 項(xiàng)目開(kāi)發(fā)詳細(xì)內(nèi)容 （包括傳感器的配置、傳感器燒錄、數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)收集、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的傳輸、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)在服務(wù)器端的接受及存儲(chǔ) TCPServer 及MySql、數(shù)據(jù)庫(kù)及 Web 服務(wù)器安裝、利用 JSP 曲線(xiàn)動(dòng)態(tài)顯示實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)） 首先燒錄整合好的溫濕度傳感器的代碼。接著連接傳感器取得數(shù)據(jù)。然后在ubuntu 中編譯并運(yùn)行 Com_Sensor 程序獲取傳感器實(shí)驗(yàn)箱的數(shù)據(jù)。 在 Ubuntu11 編譯并運(yùn)行 把數(shù)據(jù)發(fā)送到 tinyos ,tinyos 通過(guò)TCPServer 服務(wù)器接收數(shù)據(jù)并存入 MySQL 數(shù)據(jù)庫(kù)。 最后將接收到的數(shù)據(jù)通過(guò) tinyos 服務(wù)器以 jsp 曲線(xiàn)動(dòng)態(tài)顯示實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。 第六章 設(shè)置開(kāi)發(fā)環(huán)境， 首先介紹了 標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)此標(biāo)準(zhǔn)中的 CAMA/CA 道信 接入方式，并結(jié)合其工作流程進(jìn)行了分析，提出一種具有優(yōu)先級(jí)的 CSMA/CA 算法， 使數(shù)據(jù)分組可以根據(jù)其優(yōu)先級(jí)的不同而選擇不同 BE 和 CW，采用離散 Markov 鏈 模型分析了所提出算法的性能，最后進(jìn)行仿真驗(yàn)證。 第七章。 C數(shù)據(jù)采集平臺(tái) 二 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)簡(jiǎn)介 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)是 Ad hoc[10] 網(wǎng)絡(luò)的特例，通過(guò)多跳無(wú)線(xiàn)方式傳輸數(shù)據(jù)。因此在無(wú) 線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)里實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)傳輸具有很多與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)不同的難點(diǎn)。 本章首先介紹了無(wú)線(xiàn)傳感 器網(wǎng)絡(luò)的概念、 特點(diǎn)及挑戰(zhàn)； 然后重點(diǎn)介紹了無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)在實(shí)時(shí)性能方面 的比較及基本解決方案；最后對(duì)仿真平臺(tái) OPNET 進(jìn)行了介紹。 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的概述 當(dāng)前， 自織網(wǎng)的一個(gè)重要的發(fā)展方向是無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)， 我們可以把無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò) 定義如下 [11]：無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)是由一組按需隨機(jī)分布的集 成有傳感器、數(shù)據(jù)處理單元和通 信模塊的微型傳感器以自組織方式構(gòu)成的無(wú)線(xiàn)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，并傳送給信息獲取者。 信息獲取者是傳感器網(wǎng)的用戶(hù)， 也是感知信息的接受和應(yīng)用者。 信息獲取者可以人， 也可以是計(jì)算機(jī)或其他設(shè)備。例如，軍隊(duì)指揮官、一個(gè)由飛機(jī)攜帶的移動(dòng)計(jì)算機(jī)都可以是 傳感器網(wǎng)的信息獲取者。另外，一個(gè)傳感器網(wǎng)可以有多個(gè)信息獲取者，一個(gè)信息獲取者也 可以是多個(gè)傳感器網(wǎng)的用戶(hù)。 信息獲取者可以主動(dòng)地查詢(xún)或收集傳感器的感知信息， 也可 以被動(dòng)地接收 傳感器網(wǎng)發(fā)布的信息。信息獲取者將對(duì)感知信息進(jìn)行觀察、分析、挖掘、制 定決策，甚至對(duì)感知對(duì)象采取相應(yīng)的行動(dòng)。 傳感器網(wǎng)的感知對(duì)象是觀察者感興趣的監(jiān)測(cè)目標(biāo)， 如坦克、 軍隊(duì)、 動(dòng)物、 有害氣等。 感知對(duì)象的信息一般通過(guò)表示物理現(xiàn)象、化學(xué)現(xiàn)象或其他現(xiàn)象的數(shù)字量來(lái)表示，如溫度、 濕度、物體的大小、物體的移動(dòng)速度等。一個(gè)傳感器網(wǎng)可以感知網(wǎng)絡(luò)分布區(qū)域內(nèi)的多個(gè)對(duì) 象，一個(gè)對(duì)象也可以被多個(gè)傳感器網(wǎng)所感知。 現(xiàn)在的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的已經(jīng)在很多應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用 [1217]。 軍事應(yīng)用無(wú) 線(xiàn)傳感器網(wǎng) 絡(luò)技術(shù)的主要應(yīng)用領(lǐng)域，由于其特有的無(wú)需架設(shè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)施、可快速展開(kāi)、抗毀 性強(qiáng)等特點(diǎn)， 是數(shù)字戰(zhàn)場(chǎng)無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)通信的首選技術(shù)， 是軍隊(duì)在敵對(duì)區(qū)域中獲取情報(bào)的重要 技術(shù)手段。環(huán)境監(jiān)控方面，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)為野外隨機(jī)性的研究數(shù)據(jù)獲取提供了方便，比 如，跟蹤候鳥(niǎo)和昆蟲(chóng)的遷移，研究環(huán)境變化對(duì)農(nóng)作物的影響，監(jiān)測(cè)海洋、大氣和土壤的成 分等 [1820]。 ALERT[21]系統(tǒng)中就有數(shù)種傳感器來(lái)監(jiān)測(cè)降雨量、河水水位和土壤水分，并依 此預(yù)測(cè)爆發(fā)山洪的可能性。類(lèi)似地，無(wú)線(xiàn)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。 無(wú)線(xiàn)傳 感器網(wǎng)絡(luò)還為未來(lái)的遠(yuǎn)程醫(yī)療提供了更加方便、 快捷的技術(shù)實(shí)現(xiàn)手段 [22]，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(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)與 Inter 連接在一起 將會(huì)為我們提供更加舒適、方便和具有人性化的智能家居環(huán)境；文獻(xiàn) [23]中描述的城市車(chē) 輛監(jiān)測(cè)和跟蹤系統(tǒng)中成功地應(yīng)用了無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)。另外，網(wǎng)絡(luò)的自組織、微型化和對(duì)外 部世界的感知能力的三大特點(diǎn)使其在倉(cāng)庫(kù)管理、交互式博物館、交互式玩具、工廠自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)等眾多領(lǐng)域，都將會(huì)孕育出全新的設(shè)計(jì)和應(yīng)用模式 [2427]。 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)和挑戰(zhàn) 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)綜合了傳感器技術(shù)、嵌入式計(jì)算技術(shù)、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)及無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)、分 布式信息理論技術(shù)等， 能夠通過(guò)各類(lèi)集成化的微型傳感器協(xié)作地實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、 感知和采集各 種環(huán)境或監(jiān)測(cè)對(duì)象的信息， 通過(guò)嵌入式系統(tǒng)對(duì)信息進(jìn)行處理， 并通過(guò)隨機(jī)自組織無(wú)線(xiàn)通信 網(wǎng)絡(luò)以多跳中繼方式將所感知信息傳送到用戶(hù)終端。從而真正實(shí)現(xiàn)“無(wú)處不在的計(jì)算”理 念。 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)有著很多鮮明的特點(diǎn) [28]，如大規(guī)模、自組織、電源能量和計(jì)算能力 有限、動(dòng)態(tài)性和以數(shù)據(jù)為中心等特點(diǎn)。這些特點(diǎn)都不同于傳統(tǒng)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，在實(shí)現(xiàn)各種網(wǎng)絡(luò) 協(xié)議和應(yīng)用系統(tǒng)時(shí) 帶來(lái)了許多的約束，同時(shí)也提出了一系列挑戰(zhàn)性問(wèn)題 [2931]： 1)通信能力有限 。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的傳感器的通信帶寬窄而且經(jīng)常變化，通信覆蓋范 圍只有幾十到幾百米。傳感器之間的通信斷接頻繁，經(jīng)常導(dǎo)致通信失敗。同時(shí)由于無(wú)線(xiàn)傳 感器網(wǎng)絡(luò)更多地受到高山、建筑物、障礙物等地勢(shì)地貌以及風(fēng)雨雷電等自然環(huán)境的影響， 傳感器可能會(huì)長(zhǎng)時(shí)間脫離網(wǎng)絡(luò)， 離線(xiàn)工作。 因此如何在有限通信能力的條件下高質(zhì)量地完 成感知信息的處理與傳輸，是我們面臨的第 1 個(gè)挑戰(zhàn)。 2)電源能量有限 。傳感器的電源能量極其有限。網(wǎng)絡(luò)中的傳感器由于電 源能量的原因 經(jīng)常失效或廢棄， 因此電源能量約束是阻礙無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的嚴(yán)重問(wèn)題。 如何在網(wǎng)絡(luò) 工作過(guò)程中節(jié)省能源，最大化網(wǎng)絡(luò)的生命周期，是我們面臨的第 2 個(gè)挑戰(zhàn)。 3)計(jì)算能力有限。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)中的傳感器都具有嵌入式處理器和存儲(chǔ)器。這些傳 感器都具有計(jì)算能力，可以完成一些信息處理工作。但是，由于嵌入式處理器和存儲(chǔ)器的 能力和容量有限， 傳感器的計(jì)算能力十分有限。 如何讓大量具有有限計(jì)算能力的傳感器節(jié) 點(diǎn)協(xié)作地進(jìn)行分布式信息處理，是我們面臨的第 3 個(gè)挑戰(zhàn)。 4)傳感器數(shù)量大、 分布范圍廣 。 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)中傳感器節(jié)點(diǎn)密集， 數(shù)量巨大外， 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)可以分布在很廣泛的地理區(qū)域。 傳感器數(shù)量大、 分布廣的特點(diǎn)使得網(wǎng)絡(luò)的 維護(hù)十分困難甚至不可維護(hù)，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的軟、硬件必須具有高健壯性和容錯(cuò)性。這 是我們面臨的第 4 個(gè)挑戰(zhàn)。 5)網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)性強(qiáng) 。網(wǎng)絡(luò)中的傳感器、感知對(duì)象和觀察者這三要素都可能具有移動(dòng)性， 并且經(jīng)常有新節(jié)點(diǎn)加入或已有節(jié)點(diǎn)失效。因此，網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)變化，傳感器、感知 對(duì)象和觀察者三者之間的路徑也隨之變化。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)必須具有可重構(gòu)和自調(diào)整性。 這是我們面臨的第 5 個(gè)挑戰(zhàn) 。 6)大 規(guī)模分布式觸發(fā)器 。 很多無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)需要對(duì)感知對(duì)象進(jìn)行控制， 如溫度控制。 這樣，很多傳感器具有觸發(fā)器。成千上萬(wàn)的動(dòng)態(tài)觸發(fā)器的管理是我們面臨的第 6 個(gè)挑戰(zhàn)。 7)感知數(shù)據(jù)流巨大 。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)傳感器通常都產(chǎn)生較大的流式數(shù)據(jù)，并 具有實(shí)時(shí)性。每個(gè)傳感器僅僅具有有限的計(jì)算資源，難以處理巨大的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流。我們需 要研究強(qiáng)有力的分布式數(shù)據(jù)流管理、 查詢(xún)、 分析和挖掘方法。 這是我們面臨的第 7 個(gè)挑戰(zhàn)。 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性能研究比較 具有實(shí)時(shí)性 要求的通信網(wǎng)絡(luò)與普通通信網(wǎng)絡(luò)的不同在于引入了時(shí)間限制， 它要確保準(zhǔn) 時(shí)地傳遞信息并且支持分布式計(jì)算。 因此， 使得網(wǎng)絡(luò)性能在度量方面區(qū)別于普通通信網(wǎng)絡(luò)， 其對(duì)于網(wǎng)絡(luò)延遲具有更高的要求。 當(dāng)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)時(shí)， 人們也很自然地有了在傳感 器網(wǎng)絡(luò)上傳送不同類(lèi)型業(yè)務(wù)的需求， 并且希望無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)能像固定有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)一樣為不 同業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量提供保障。然而，與固定的有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)不同，在無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)中，無(wú)線(xiàn) 鏈路的帶寬相對(duì)較低，節(jié)點(diǎn)的內(nèi)存、能源等資源都相對(duì)受限。因此，傳統(tǒng)有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中的機(jī) 制無(wú)法直接應(yīng)用于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)中 。 與有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的比較 在有線(xiàn)網(wǎng)實(shí)時(shí)化的研究領(lǐng)域中，有很多研究工作是修改網(wǎng)絡(luò)協(xié)議底層的 MAC 層， 以期望獲得定量的通道訪(fǎng)問(wèn)時(shí)間，從而保證通訊的實(shí)時(shí)性。這種方案需要針對(duì)硬件 (網(wǎng)卡 等 )作改動(dòng)，并且在修改了 MAC 層協(xié)議之后，上層協(xié)議集可能也需要進(jìn)行相應(yīng)的修改， 最終形成一個(gè)支持專(zhuān)有協(xié)議的專(zhuān)用系統(tǒng)， 另外一種有效的方式是在 的基礎(chǔ)上采 用一種虛擬的基于令牌的介質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)方式， 以避免報(bào)文碰撞的發(fā)生。 這種方法不需要對(duì)硬件 做任何修改，但要增加新的協(xié)議軟件。 一般來(lái)說(shuō)，為了保證網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)間數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性，通信協(xié)議需要考慮兩個(gè)過(guò)程： 訪(fǎng)問(wèn)仲裁過(guò)程和傳輸控制過(guò)程。 訪(fǎng)問(wèn)仲裁過(guò)程決定一個(gè)節(jié)點(diǎn)什么時(shí)候可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)發(fā) 送數(shù)據(jù)， 而傳輸控制過(guò)程決定節(jié)點(diǎn)可在介質(zhì)上不間斷傳輸數(shù)據(jù)的時(shí)間。 訪(fǎng)問(wèn)仲裁過(guò)程是為 了保證各個(gè)節(jié)點(diǎn)的實(shí)時(shí)性，而傳輸控制過(guò)程則是保證整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性。如令牌環(huán) (Token Ring)協(xié)議 強(qiáng)調(diào)的是訪(fǎng)問(wèn)仲裁過(guò)程，而定時(shí)令牌協(xié)議 (Timed Token Protocol)， 如 ， FDDI 則強(qiáng)調(diào)的是傳輸控制過(guò)程。 如果兩個(gè)過(guò)程能有機(jī)地結(jié)合在一起，就 能很好保證通訊協(xié)議的實(shí)時(shí)性。 和有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)一樣， 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性能同樣要求網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)必須在規(guī)定的 時(shí)間內(nèi)傳回?cái)?shù)據(jù)中心， 數(shù)據(jù)的丟失或延遲到達(dá)可能會(huì)造成嚴(yán)重的后果。 由于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng) 絡(luò)是 Ad hoc 網(wǎng)的一個(gè)特例，數(shù)據(jù)包需要通過(guò)多跳傳輸才能到達(dá)目的地，因此實(shí)時(shí)傳輸過(guò) 程中數(shù)據(jù)包的調(diào)度除了考慮時(shí)間約束外還需要考慮距離約束。 其中距離是由源節(jié)點(diǎn)和目的 節(jié)點(diǎn)的物理位置決定的。這是無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)和有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的不同之處。 在無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)中提供實(shí)時(shí)通信支持 面臨著許多挑戰(zhàn)。首先，無(wú)線(xiàn)鏈路不穩(wěn)定，易 受周?chē)h(huán)境和噪聲的影響，因此通信延遲很難估計(jì)；其次，許多無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用需 要在僅有電池供電的情況下工作數(shù)月甚至數(shù)年， 這要求在滿(mǎn)足應(yīng)用實(shí)時(shí)性的同時(shí)必須考慮 如何減小網(wǎng)絡(luò)的能量開(kāi)銷(xiāo)；再次，在無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)中不同數(shù)據(jù)包有不同延遲要求，高優(yōu) 先級(jí)的數(shù)據(jù)包抵達(dá)基站節(jié)點(diǎn)的延遲要少于低優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)包； 最后， 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)資 源受限，因此在設(shè)計(jì)相應(yīng)的協(xié)議時(shí)需要減少通信以及能量開(kāi)銷(xiāo)。 但是為了保證節(jié)點(diǎn)間數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性， 實(shí)時(shí)通信協(xié)議依然像有線(xiàn)實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)一樣需要 考慮兩個(gè)過(guò)程： 訪(fǎng)問(wèn)仲裁過(guò)程和傳輸控制過(guò)程。 訪(fǎng)問(wèn)仲裁過(guò)程決定一個(gè)節(jié)點(diǎn)什么時(shí)候可以 通過(guò)無(wú)線(xiàn)介質(zhì)發(fā)