【文章內(nèi)容簡介】 少數(shù)據(jù)傳輸過程中的能量消耗就成為一個關(guān)鍵問題。數(shù)據(jù)融合可以在各個傳感器節(jié)點收集數(shù)據(jù)的過程中利用節(jié)點的本地計算和存儲能力去除冗余信息，減少傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，從而有效的節(jié)省能量。由于傳感器節(jié)點的易失效特性，從提高信息準(zhǔn)確度的角度出發(fā)，無線傳感網(wǎng)絡(luò)也需要數(shù)據(jù)融合技術(shù)對多份數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合。6．網(wǎng)絡(luò)安全無線傳感網(wǎng)絡(luò)的特點決定了它的安全與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)安全在研究方法和計算段上會有很大的不同。在進(jìn)行傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和軟件設(shè)計時如何保證數(shù)據(jù)產(chǎn)生的可靠性、任務(wù)執(zhí)行的機(jī)密性和數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?，就成為無線傳感網(wǎng)絡(luò)不容忽視的問題。7．?dāng)?shù)據(jù)管理從數(shù)據(jù)存儲的角度來看，無線傳感網(wǎng)絡(luò)是一種分布式數(shù)據(jù)庫。以數(shù)據(jù)庫的方法對網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，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(jìn)行分離，從而使得網(wǎng)絡(luò)用戶只需要關(guān)心數(shù)據(jù)查詢的邏輯結(jié)構(gòu)，而不需要關(guān)心其實現(xiàn)細(xì)節(jié)。但是無線傳感網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)管理與傳統(tǒng)分布式數(shù)據(jù)庫有很大差別。因此，設(shè)計針對無線傳感網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)管理方法就成為一個重要問題。8．無線通信技術(shù)無線傳感網(wǎng)絡(luò)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。因此無線傳感網(wǎng)絡(luò)需要低發(fā)射信號功率譜密度、低復(fù)雜度、短距離、低功耗的無線通信技術(shù)。超寬帶技術(shù)(UWB)是一種極具潛力的無線通信技術(shù)。非常適合在無線傳感網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用。另外，很多研究機(jī)構(gòu)把IEEE 。但是，目前還沒有一種方案能夠成為正式的國際標(biāo)準(zhǔn)。因此，無線通信技術(shù)也就成為無線傳感網(wǎng)絡(luò)研究的關(guān)鍵技術(shù)之一。9．嵌入式操作系統(tǒng)傳感器節(jié)點本質(zhì)上是一個微型的嵌入式系統(tǒng)，硬件資源有限，這就要求操作系統(tǒng)能夠高效地利用其有限的內(nèi)存、處理器和通信模塊等硬件資源，且能夠?qū)Ω鞣N特定應(yīng)用提供強(qiáng)大的支持。在無線傳感網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)的支持下，多個應(yīng)用可以并發(fā)地使用系統(tǒng)的有限資源。另外，傳感器節(jié)點具有并發(fā)性密集和模塊化程度高兩個突出的特點。這就對無線傳感網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)的設(shè)計提出了新的挑戰(zhàn)。10．應(yīng)用層技術(shù)無線傳感網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層是由各種面向應(yīng)用的軟件系統(tǒng)構(gòu)成，部署的網(wǎng)絡(luò)往往執(zhí)行多種任務(wù)。因此，應(yīng)用層的研究主要是各種無線傳感網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)和多任務(wù)之間的協(xié)調(diào)。無線傳感網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用開發(fā)環(huán)境的研究就是為應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)提供有效的軟件開發(fā)環(huán)境和軟件工具，需要解決的問題包括網(wǎng)絡(luò)程序設(shè)計方法學(xué)，網(wǎng)絡(luò)程序設(shè)計語言，基于感知數(shù)據(jù)的理解、決策和舉動的理論與技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)軟件測試工具，網(wǎng)絡(luò)軟件開發(fā)環(huán)境和工具以及面向應(yīng)用的系統(tǒng)服務(wù)。2．3 無線傳感網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用無線傳感網(wǎng)絡(luò)作為一種融合了無線通信技術(shù)、傳感器技術(shù)和分布式計算的特殊自組織網(wǎng)其在軍事、環(huán)境監(jiān)測和預(yù)報、健康護(hù)理、智能家居、建筑物狀態(tài)監(jiān)控絡(luò)，等領(lǐng)域都有十分廣泛的應(yīng)用。1．軍事應(yīng)用在戰(zhàn)場上無線傳感網(wǎng)絡(luò)可以通過炮彈或者飛機(jī)直接將網(wǎng)絡(luò)節(jié)點部署到敵方的陣地內(nèi)部或者公共隔離區(qū)域，能夠非常隱蔽且近距離的準(zhǔn)確收集戰(zhàn)場的信息。2．環(huán)境監(jiān)測當(dāng)今社會環(huán)境問題受到越來越多的關(guān)注，環(huán)境保護(hù)越來越受到重視。由于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)規(guī)模通常較大，傳感器節(jié)點可以集成各類傳感模塊，并且適用于大區(qū)域監(jiān)測和不適合人工作業(yè)的惡劣環(huán)境，如災(zāi)難現(xiàn)場、有毒化學(xué)氣體的泄漏區(qū)域等，所以無線傳感網(wǎng)絡(luò)在環(huán)境監(jiān)測方面的應(yīng)用越來越廣泛。3．醫(yī)療護(hù)理無線傳感網(wǎng)絡(luò)在醫(yī)療護(hù)理領(lǐng)域也有應(yīng)用，它可以跟蹤和監(jiān)測醫(yī)院內(nèi)醫(yī)生和患者的行動，可以用F監(jiān)測人體的各種生理數(shù)據(jù)等。4．智能家居隨著社會的發(fā)展，人類對生活各方面的要求也在不斷提高，智能家居應(yīng)運而生。通過把傳感器節(jié)點嵌入到家具和家電中組成無線傳感網(wǎng)絡(luò)，并與互聯(lián)網(wǎng)連接相連，為人類的生活提供更加方便、舒適和人性化的智能環(huán)境。5．建筑物的狀態(tài)監(jiān)控建筑物狀態(tài)監(jiān)控是利用無線傳感網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控建筑物的存在狀態(tài)。通過把傳感器節(jié)點安裝到建筑物上，實時監(jiān)測各種安全參數(shù)，建筑物就能夠自我感知，并主動的向管理部門報告自身的狀態(tài)信息，管理部門據(jù)此采取必要的措施。6．交通管理無線傳感網(wǎng)絡(luò)可以作為車輛監(jiān)控的有力工具用在交通領(lǐng)域，在十字路口安裝傳感器節(jié)點進(jìn)行交通情況監(jiān)測或者速度測量，為出行者提供方便的信息服務(wù)，實現(xiàn)高效的道路交通運輸管理。這些傳感器節(jié)點形成一個無線傳感交通網(wǎng)，通過該網(wǎng)絡(luò)可以查詢信息或者發(fā)出控制指令。7．其它應(yīng)用除了以上的應(yīng)用外，無線傳感網(wǎng)絡(luò)在精作農(nóng)業(yè)、安全生產(chǎn)、空間探索、復(fù)雜機(jī)械監(jiān)控、大型車間和倉庫管理、機(jī)場和大型工業(yè)園區(qū)的安全監(jiān)測等領(lǐng)域也有廣泛應(yīng)用。隨著研究的深入，無線傳感網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用將深入到人類生活的各個領(lǐng)域，其未來的應(yīng)用范圍將只受到人們想象力的限制，具有廣闊的應(yīng)用前景。 3無線傳感網(wǎng)絡(luò)定位基本原理通常無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點是隨機(jī)分布在不同的環(huán)境中進(jìn)行各項監(jiān)測任務(wù)。節(jié)點只有知道了自身的位置信息，才能夠提供有效的監(jiān)測消息。因此，對于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)測活動來說，位置信息至關(guān)重要，在很多無線傳感網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中，沒有節(jié)點位置信息的監(jiān)測信息往往毫無意義。監(jiān)測到事件后關(guān)心的一個重要問題就是該事件發(fā)生的位置，這是進(jìn)一步采取措施和做出決策的基礎(chǔ)。如森林火災(zāi)監(jiān)測，天然氣管道泄漏監(jiān)測，戰(zhàn)場上敵方車輛運動的區(qū)域具體地點等。，還可以用于目標(biāo)跟蹤、目標(biāo)軌跡預(yù)測、協(xié)助路由等。獲取位置信息是無線傳感網(wǎng)絡(luò)基本功能之一，定位技術(shù)是無線傳感網(wǎng)絡(luò)的一項重要支撐技術(shù)。目前針對無線傳感網(wǎng)絡(luò)的定位機(jī)制和定位算法己經(jīng)大量涌現(xiàn)。通常這些算法都在二維情況下使用，但是經(jīng)過擴(kuò)展以后，可以很好的在三維情況下運用。3．1 無線傳感網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)概述3．1．1 無線傳感網(wǎng)絡(luò)定位的概念對于定位一般的理解就是確定位置。在無線傳感網(wǎng)絡(luò)中，定位是指網(wǎng)絡(luò)通過特定的方法確定節(jié)點的位置信息。其可分為節(jié)點的自身定位和目標(biāo)定位。節(jié)點自身定位是確定網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點位置坐標(biāo)的過程。它是網(wǎng)絡(luò)自身屬性的確定過程，是網(wǎng)絡(luò)的支撐，可以通過人工配置或各種節(jié)點自定位算法完成，它是整個無線傳感網(wǎng)絡(luò)存在的必要的支撐技術(shù)之一。目標(biāo)定位是指在網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍內(nèi)確定一個事件或一個目標(biāo)的位置坐標(biāo)，這可以通過把位置已知的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點作為參考節(jié)點來確定事件或目標(biāo)在網(wǎng)絡(luò)中所處的位置，它是無線傳感網(wǎng)絡(luò)的一項重要應(yīng)用方向。兩者可以統(tǒng)一起來考慮，無線傳感網(wǎng)絡(luò)定位問題就是尋求利用少量的錨節(jié)點來確定網(wǎng)絡(luò)中未知節(jié)點的位置坐標(biāo)的方法。位置信息可以分為兩種類型:一種是物理位置，它表示目標(biāo)的相對或者絕對位置，是指目標(biāo)在特定坐標(biāo)系下的位置數(shù)值。另一種是符號位置，它表示的是目標(biāo)與基站之間的連通關(guān)系，提供目標(biāo)大致的所在范圍，即指在目標(biāo)與一個基站或者多個基站接近程度的信息。3．1．2 無線傳感網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)有關(guān)術(shù)語無線傳感網(wǎng)絡(luò)定位用到的有關(guān)術(shù)語主要有:未知節(jié)點: WSN中不能自主定位，需要依賴定位算法和已知位置信息的節(jié)點來定位的節(jié)點。錨節(jié)點:通過GPS系統(tǒng)或人工部署已知自身位置信息，并且能夠協(xié)助網(wǎng)絡(luò)對未知節(jié)點定位的節(jié)點，又稱為信標(biāo)節(jié)點。鄰居節(jié)點:在傳感器節(jié)點通信半徑內(nèi)，可直接相互通信的節(jié)點。跳數(shù):兩個節(jié)點之間間隔的跳段總數(shù)。測距:測量相互能夠通信的節(jié)點之間的距離。測距誤差:測量距離與真實距離之間的誤差。一般指它與真實距離之間的比值。到達(dá)時間:一種信號從一個節(jié)點傳播到另一個節(jié)點所需的時間。到達(dá)時間差:兩種不同傳播速度的信號從一個節(jié)點傳播到另一個節(jié)點所需時間差。到達(dá)角度:節(jié)點接收到的信號相對于自身軸線的角度。接收信號強(qiáng)度:節(jié)點接收到無線信號強(qiáng)度的大小。視線關(guān)系:沒有任何障礙物間隔的兩個節(jié)點間能夠直接通信的關(guān)系。非視線關(guān)系:兩個節(jié)點之間存在障礙物。網(wǎng)絡(luò)連通度:網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點的鄰居節(jié)點個數(shù)的平均值。覆蓋率:能夠確定坐標(biāo)位置的節(jié)點在總節(jié)點數(shù)中所占的比例?；A(chǔ)設(shè)施:協(xié)助傳感器節(jié)點定位的已知自身位置的固定設(shè)備，如衛(wèi)星、基站等。空洞:空洞就是一個沒有節(jié)點存在的區(qū)域?？斩从锌赡苡商烊坏恼系K如河流或湖泊所造成，也可能由一些像電池壽命耗盡等情況造成的節(jié)點失效而產(chǎn)生。3．1．3 無線傳感網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)特點無線傳感網(wǎng)絡(luò)中，傳感器節(jié)點的可靠性差、能量有限、節(jié)點數(shù)量龐大且節(jié)點部署具有不確定性，再加上節(jié)點有限的通信能力、數(shù)據(jù)處理能力和存儲能力，這些限制因素對定位技術(shù)提出了更高的要求。通常無線傳感網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)具備以下特點。1．自組織性通常無線傳感網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點是隨機(jī)布設(shè)的，不能依靠全局的基礎(chǔ)設(shè)施的協(xié)助確定每個節(jié)點的位置所在。因此，自組織性就顯得格外重要。2．容錯性傳感器節(jié)點的硬件配置低、處理能力弱、可靠性差、能量少以及測距時會產(chǎn)生誤差等因素決定了傳感器節(jié)點本身的脆弱性，因此定位算法必須具有良好的容錯性。3．能量高效性為了盡量延長網(wǎng)絡(luò)的生存周期，要盡可能的減少節(jié)點間的通信開銷，減少算法中計算的復(fù)雜度，用盡量少的能量完成盡可能多的工作。4．分布式計算每個節(jié)點自己對自身的位置進(jìn)行估算，不需要將所有信息傳送到某個特定的節(jié)點進(jìn)行集中計算。3．1．4 無線傳感網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)相關(guān)應(yīng)用位置信息在某些應(yīng)用中起關(guān)鍵性的作用，同時具有多種用途，大體可分為導(dǎo)航、跟蹤、虛擬現(xiàn)實和網(wǎng)絡(luò)路由等。無線傳感網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)提供了網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中至關(guān)重要的地理位置信息。無線傳感網(wǎng)絡(luò)中不但有很多特定應(yīng)用都依賴于節(jié)點或目標(biāo)物體的地理位置信息，而且很多網(wǎng)絡(luò)運行和管理也需要位置信息的輔助，如基于地理位置信息的路由、資源的有效配置、對外部目標(biāo)的定位和跟蹤等。無線傳感網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)通常具體應(yīng)用在以下幾方面:1．導(dǎo)航導(dǎo)航是定位最基本的用途，但在無線傳感網(wǎng)絡(luò)中這項功能并不突出，但也有這方面的應(yīng)用。例如:在軍事上，通過事先部署的無線傳感網(wǎng)絡(luò)采集到的信息，可以對敵方目標(biāo)進(jìn)行準(zhǔn)確的定位，為火控系統(tǒng)提供精確的制導(dǎo)。在智能交通系統(tǒng)中可以通過網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的布設(shè)獲取車輛的位置信息可以為道路車輛提供信息反饋，從而實現(xiàn)城內(nèi)精確導(dǎo)航等。2．目標(biāo)跟蹤目標(biāo)跟蹤是指網(wǎng)絡(luò)實時監(jiān)測目標(biāo)的行動路線，預(yù)測目標(biāo)的前進(jìn)軌跡。例如在戰(zhàn)場上實時的跟蹤并報告敵方運動態(tài)勢以便及時采取相應(yīng)的措施。對動物活動進(jìn)行追蹤，通過將傳感器節(jié)點植入該動物身體的某個部位，并通過該節(jié)點周期性地把相關(guān)信息發(fā)送給控制中心便可以得到其活動的路徑信息?？梢酝ㄟ^在礦工身上部署網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，實時了解礦井下礦工的位置分布情況等。另外，在工廠、物流管理和醫(yī)院儀器管理等環(huán)境中都有很廣泛的應(yīng)用和迫切的需求。3．事件的監(jiān)控事件監(jiān)控是指通過網(wǎng)絡(luò)對某些感興趣的事件進(jìn)行監(jiān)控。例如:對森林防火應(yīng)急監(jiān)控，目前很多森林的防火監(jiān)控都是利用無線傳感網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)的，將網(wǎng)絡(luò)節(jié)點部署在監(jiān)控區(qū)域，通過傳感網(wǎng)絡(luò)回傳至控制中心的數(shù)據(jù)一旦發(fā)生異常情況，就可以通過該節(jié)點的相關(guān)地理位置信息判斷出是什么地方發(fā)生異常，以便工作人員采取相關(guān)措施。對貴重文物進(jìn)行監(jiān)控，通過在文物上或附近部署網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，利用節(jié)點的位置信息判斷文物是否在原來的位置。對天然氣管道泄露具體位置進(jìn)行監(jiān)控等。4．定向信息查詢?nèi)绻芾砉?jié)點需要知道某一個監(jiān)測區(qū)內(nèi)的狀態(tài)或是否有事件發(fā)生，可以將監(jiān)測任務(wù)發(fā)布到這個區(qū)域內(nèi)的傳感器節(jié)點進(jìn)行定向的信息查詢。5．進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)管理網(wǎng)絡(luò)可以利用傳感器節(jié)點的位置信息構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D，據(jù)此實時地統(tǒng)計網(wǎng)絡(luò)覆蓋情況，對覆蓋較差的區(qū)域及時采取必要的補(bǔ)救措施。6．協(xié)助路由路由算法可以借助節(jié)點的位置信息進(jìn)行路由選擇，基于地理位置的網(wǎng)絡(luò)路由就是一種利用節(jié)點位置信息進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)路由的優(yōu)化路由。此種優(yōu)化路由需要網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點知曉每個節(jié)點或者至少相鄰節(jié)點的位置信息，據(jù)此做出優(yōu)化的路由選擇。在無線傳感網(wǎng)絡(luò)中，優(yōu)化的路由可以提高系統(tǒng)性能、安全性，從而節(jié)省寶貴的電能。3．2 無線傳感網(wǎng)絡(luò)定位基本方法通常無線傳感網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點是隨機(jī)分布的且數(shù)量龐大。如果通過人工標(biāo)定的方式來確定每個節(jié)點的位置，其工作量過大難以完成。如果采用直接獲得節(jié)點位置的方式即為每個節(jié)點裝備全球定位系統(tǒng)(GPS)，考慮到價格、體積、功耗等因素的限制，通常該方案也被排除在外。一種較合理的方法就是在網(wǎng)絡(luò)中部署少量的錨節(jié)點，然后網(wǎng)絡(luò)利用這些錨節(jié)點來估算其它節(jié)點的位置。目前節(jié)點定位的研究熱點就集中在如何利用這些錨節(jié)點計算未知節(jié)點的位置。無線傳感網(wǎng)絡(luò)定位問題的一般前提假設(shè)是:1．具有較高的網(wǎng)絡(luò)密度。2．每一個節(jié)點都具有全網(wǎng)唯一的ID。3．在沒有特別說明的情況下，所有節(jié)點具有相同的最大通信半徑。4．在定位過程中，假設(shè)節(jié)點相對位置不變。 基本原理無線傳感網(wǎng)絡(luò)定位的基本原理就是直接或間接測量節(jié)點之間的距離、角度或者其它連通性信息，然后再利用這些已獲得的信息估算網(wǎng)絡(luò)中所有未知節(jié)點的位置，最后再利用其它修正方法對估算出來的位置坐標(biāo)進(jìn)行修正，減小誤差提高定位精度。盡管現(xiàn)有的定位算法各不相同，但從基本原理上講，現(xiàn)有的無線傳感網(wǎng)絡(luò)定位機(jī)制通常由以下三步組成：第一步，未知節(jié)點通過一定的手段或方法估計未知節(jié)點到錨節(jié)點的距離。第二步，運用適當(dāng)?shù)奈恢霉浪惴椒▽崿F(xiàn)位置估計。第三步，采取一定的措施對估算值進(jìn)行修正或優(yōu)化處理。不同的定位算法可根據(jù)具體的情況對以上幾步進(jìn)行取舍，或選擇其中幾步或選擇所有步驟來進(jìn)行定位。3．2．2 節(jié)點間距離的測量方法測量節(jié)點之間角度或距離的方法有很多，直接測距的方法有接收信號強(qiáng)度(RSSSI)，到達(dá)時間(TOA)，往返傳播時間(Roundtrip Time of Flight,RTOF ),到達(dá)時間差(TDOA)，以及到達(dá)角度(AOA)等。此外，還有一些間接測距的定位算法，如DVhop。1．信號強(qiáng)度測距信號強(qiáng)度測距技術(shù)主要使用RF信號，已知發(fā)射信號功率，在接收節(jié)點測量接收信號功率，估算出傳播損耗，然后，使用信號傳播模型將傳播損耗轉(zhuǎn)化為距離。因傳感器節(jié)點本身具有無線通信能力，所以該技術(shù)是一種廉價、低功率的測距技術(shù)，該方法由于實現(xiàn)簡單已經(jīng)被廣泛采用，比較典型的應(yīng)用如RADAR和SpotOn定位系統(tǒng)。它的誤差主要來源于多徑傳播、反射、非視距傳播以及天線增益等，這些因素都會造成相同距離產(chǎn)生顯著不同的傳播損耗，從而造成信號傳播模型建模的復(fù)雜性，因此精度比較低，有時RSSI的測距誤差可達(dá)到50%。通常將其看作為一種粗糙的測距技術(shù)。實際環(huán)境中常用的信道模型為: ()模型中是事先知道的距發(fā)射節(jié)點處的參考信號強(qiáng)度，單位是 , 為參考距離。為在距離發(fā)射節(jié)點米遠(yuǎn)處接收到的信號強(qiáng)度，單位凡為路徑衰減指數(shù)，與特定環(huán)境密切相關(guān)。表示標(biāo)準(zhǔn)偏差，是由遮蔽效應(yīng)引起的正態(tài)隨機(jī)變量，單位。2．傳播時間測距傳播時間測距技術(shù)通過測量信號傳播