【文章內容簡介】 少數據傳輸過程中的能量消耗就成為一個關鍵問題。數據融合可以在各個傳感器節(jié)點收集數據的過程中利用節(jié)點的本地計算和存儲能力去除冗余信息，減少傳輸的數據量，從而有效的節(jié)省能量。由于傳感器節(jié)點的易失效特性，從提高信息準確度的角度出發(fā)，無線傳感網絡也需要數據融合技術對多份數據進行綜合。6．網絡安全無線傳感網絡的特點決定了它的安全與傳統(tǒng)網絡安全在研究方法和計算段上會有很大的不同。在進行傳感器網絡協(xié)議和軟件設計時如何保證數據產生的可靠性、任務執(zhí)行的機密性和數據傳輸的安全性，就成為無線傳感網絡不容忽視的問題。7．數據管理從數據存儲的角度來看，無線傳感網絡是一種分布式數據庫。以數據庫的方法對網絡中的數據進行管理，可以將存儲在網絡中的數據邏輯視圖與網絡中的實現進行分離，從而使得網絡用戶只需要關心數據查詢的邏輯結構，而不需要關心其實現細節(jié)。但是無線傳感網絡的數據管理與傳統(tǒng)分布式數據庫有很大差別。因此，設計針對無線傳感網絡的數據管理方法就成為一個重要問題。8．無線通信技術無線傳感網絡的通信帶寬窄而且經常變化，通信覆蓋范圍只有幾十到幾百米。因此無線傳感網絡需要低發(fā)射信號功率譜密度、低復雜度、短距離、低功耗的無線通信技術。超寬帶技術(UWB)是一種極具潛力的無線通信技術。非常適合在無線傳感網絡中應用。另外，很多研究機構把IEEE 。但是，目前還沒有一種方案能夠成為正式的國際標準。因此，無線通信技術也就成為無線傳感網絡研究的關鍵技術之一。9．嵌入式操作系統(tǒng)傳感器節(jié)點本質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存、處理器和通信模塊等硬件資源，且能夠對各種特定應用提供強大的支持。在無線傳感網絡操作系統(tǒng)的支持下，多個應用可以并發(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。這就對無線傳感網絡操作系統(tǒng)的設計提出了新的挑戰(zhàn)。10．應用層技術無線傳感網絡應用層是由各種面向應用的軟件系統(tǒng)構成，部署的網絡往往執(zhí)行多種任務。因此，應用層的研究主要是各種無線傳感網絡應用系統(tǒng)的開發(fā)和多任務之間的協(xié)調。無線傳感網絡應用開發(fā)環(huán)境的研究就是為應用系統(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絡程序設計方法學，網絡程序設計語言，基于感知數據的理解、決策和舉動的理論與技術，網絡軟件測試工具，網絡軟件開發(fā)環(huán)境和工具以及面向應用的系統(tǒng)服務。2．3 無線傳感網絡的應用無線傳感網絡作為一種融合了無線通信技術、傳感器技術和分布式計算的特殊自組織網其在軍事、環(huán)境監(jiān)測和預報、健康護理、智能家居、建筑物狀態(tài)監(jiān)控絡，等領域都有十分廣泛的應用。1．軍事應用在戰(zhàn)場上無線傳感網絡可以通過炮彈或者飛機直接將網絡節(jié)點部署到敵方的陣地內部或者公共隔離區(qū)域，能夠非常隱蔽且近距離的準確收集戰(zhàn)場的信息。2．環(huán)境監(jiān)測當今社會環(huán)境問題受到越來越多的關注，環(huán)境保護越來越受到重視。由于無線傳感網絡的網絡規(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，如災難現場、有毒化學氣體的泄漏區(qū)域等，所以無線傳感網絡在環(huán)境監(jiān)測方面的應用越來越廣泛。3．醫(yī)療護理無線傳感網絡在醫(yī)療護理領域也有應用，它可以跟蹤和監(jiān)測醫(yī)院內醫(yī)生和患者的行動，可以用F監(jiān)測人體的各種生理數據等。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絡，并與互聯(lián)網連接相連，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絡監(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，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，管理部門據此采取必要的措施。6．交通管理無線傳感網絡可以作為車輛監(jiān)控的有力工具用在交通領域，在十字路口安裝傳感器節(jié)點進行交通情況監(jiān)測或者速度測量，為出行者提供方便的信息服務，實現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，通過該網絡可以查詢信息或者發(fā)出控制指令。7．其它應用除了以上的應用外，無線傳感網絡在精作農業(yè)、安全生產、空間探索、復雜機械監(jiān)控、大型車間和倉庫管理、機場和大型工業(yè)園區(qū)的安全監(jiān)測等領域也有廣泛應用。隨著研究的深入，無線傳感網絡的應用將深入到人類生活的各個領域，其未來的應用范圍將只受到人們想象力的限制，具有廣闊的應用前景。 3無線傳感網絡定位基本原理通常無線傳感網絡節(jié)點是隨機分布在不同的環(huán)境中進行各項監(jiān)測任務。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，對于無線傳感網絡的監(jiān)測活動來說，位置信息至關重要，在很多無線傳感網絡應用中，沒有節(jié)點位置信息的監(jiān)測信息往往毫無意義。監(jiān)測到事件后關心的一個重要問題就是該事件發(fā)生的位置，這是進一步采取措施和做出決策的基礎。如森林火災監(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。，還可以用于目標跟蹤、目標軌跡預測、協(xié)助路由等。獲取位置信息是無線傳感網絡基本功能之一，定位技術是無線傳感網絡的一項重要支撐技術。目前針對無線傳感網絡的定位機制和定位算法己經大量涌現。通常這些算法都在二維情況下使用，但是經過擴展以后，可以很好的在三維情況下運用。3．1 無線傳感網絡定位技術概述3．1．1 無線傳感網絡定位的概念對于定位一般的理解就是確定位置。在無線傳感網絡中，定位是指網絡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定位。節(jié)點自身定位是確定網絡中節(jié)點位置坐標的過程。它是網絡自身屬性的確定過程，是網絡的支撐，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絡存在的必要的支撐技術之一。目標定位是指在網絡覆蓋范圍內確定一個事件或一個目標的位置坐標，這可以通過把位置已知的網絡節(jié)點作為參考節(jié)點來確定事件或目標在網絡中所處的位置，它是無線傳感網絡的一項重要應用方向。兩者可以統(tǒng)一起來考慮，無線傳感網絡定位問題就是尋求利用少量的錨節(jié)點來確定網絡中未知節(jié)點的位置坐標的方法。位置信息可以分為兩種類型:一種是物理位置，它表示目標的相對或者絕對位置，是指目標在特定坐標系下的位置數值。另一種是符號位置，它表示的是目標與基站之間的連通關系，提供目標大致的所在范圍，即指在目標與一個基站或者多個基站接近程度的信息。3．1．2 無線傳感網絡定位技術有關術語無線傳感網絡定位用到的有關術語主要有: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)助網絡對未知節(jié)點定位的節(jié)點，又稱為信標節(jié)點。鄰居節(jié)點:在傳感器節(jié)點通信半徑內，可直接相互通信的節(jié)點。跳數:兩個節(jié)點之間間隔的跳段總數。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。接收信號強度:節(jié)點接收到無線信號強度的大小。視線關系:沒有任何障礙物間隔的兩個節(jié)點間能夠直接通信的關系。非視線關系:兩個節(jié)點之間存在障礙物。網絡連通度:網絡中所有節(jié)點的鄰居節(jié)點個數的平均值。覆蓋率:能夠確定坐標位置的節(jié)點在總節(jié)點數中所占的比例。基礎設施:協(xié)助傳感器節(jié)點定位的已知自身位置的固定設備，如衛(wèi)星、基站等?？斩?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)點失效而產生。3．1．3 無線傳感網絡定位技術特點無線傳感網絡中，傳感器節(jié)點的可靠性差、能量有限、節(jié)點數量龐大且節(jié)點部署具有不確定性，再加上節(jié)點有限的通信能力、數據處理能力和存儲能力，這些限制因素對定位技術提出了更高的要求。通常無線傳感網絡定位技術具備以下特點。1．自組織性通常無線傳感網絡中的節(jié)點是隨機布設的，不能依靠全局的基礎設施的協(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絡的生存周期，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行估算，不需要將所有信息傳送到某個特定的節(jié)點進行集中計算。3．1．4 無線傳感網絡定位技術相關應用位置信息在某些應用中起關鍵性的作用，同時具有多種用途，大體可分為導航、跟蹤、虛擬現實和網絡路由等。無線傳感網絡定位技術提供了網絡應用中至關重要的地理位置信息。無線傳感網絡中不但有很多特定應用都依賴于節(jié)點或目標物體的地理位置信息，而且很多網絡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、對外部目標的定位和跟蹤等。無線傳感網絡定位技術通常具體應用在以下幾方面:1．導航導航是定位最基本的用途，但在無線傳感網絡中這項功能并不突出，但也有這方面的應用。例如:在軍事上，通過事先部署的無線傳感網絡采集到的信息，可以對敵方目標進行準確的定位，為火控系統(tǒng)提供精確的制導。在智能交通系統(tǒng)中可以通過網絡節(jié)點的布設獲取車輛的位置信息可以為道路車輛提供信息反饋，從而實現城內精確導航等。2．目標跟蹤目標跟蹤是指網絡實時監(jiān)測目標的行動路線，預測目標的前進軌跡。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的措施。對動物活動進行追蹤，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^在礦工身上部署網絡節(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用和迫切的需求。3．事件的監(jiān)控事件監(jiān)控是指通過網絡對某些感興趣的事件進行監(jiān)控。例如:對森林防火應急監(jiān)控，目前很多森林的防火監(jiān)控都是利用無線傳感網絡來實現的，將網絡節(jié)點部署在監(jiān)控區(qū)域，通過傳感網絡回傳至控制中心的數據一旦發(fā)生異常情況，就可以通過該節(jié)點的相關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措施。對貴重文物進行監(jiān)控，通過在文物上或附近部署網絡節(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行監(jiān)控等。4．定向信息查詢如果管理節(jié)點需要知道某一個監(jiān)測區(qū)內的狀態(tài)或是否有事件發(fā)生，可以將監(jiān)測任務發(fā)布到這個區(qū)域內的傳感器節(jié)點進行定向的信息查詢。5．進行網絡管理網絡可以利用傳感器節(jié)點的位置信息構建網絡拓撲圖，據此實時地統(tǒng)計網絡覆蓋情況，對覆蓋較差的區(qū)域及時采取必要的補救措施。6．協(xié)助路由路由算法可以借助節(jié)點的位置信息進行路由選擇，基于地理位置的網絡路由就是一種利用節(jié)點位置信息進行網絡路由的優(yōu)化路由。此種優(yōu)化路由需要網絡中的節(jié)點知曉每個節(jié)點或者至少相鄰節(jié)點的位置信息，據此做出優(yōu)化的路由選擇。在無線傳感網絡中，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 無線傳感網絡定位基本方法通常無線傳感網絡中節(jié)點是隨機分布的且數量龐大。如果通過人工標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絡中部署少量的錨節(jié)點，然后網絡利用這些錨節(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。無線傳感網絡定位問題的一般前提假設是:1．具有較高的網絡密度。2．每一個節(jié)點都具有全網唯一的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，假設節(jié)點相對位置不變。 基本原理無線傳感網絡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絡中所有未知節(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進行修正，減小誤差提高定位精度。盡管現有的定位算法各不相同，但從基本原理上講，現有的無線傳感網絡定位機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，運用適當的位置估算方法實現位置估計。第三步，采取一定的措施對估算值進行修正或優(yōu)化處理。不同的定位算法可根據具體的情況對以上幾步進行取舍，或選擇其中幾步或選擇所有步驟來進行定位。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度(RSSSI)，到達時間(TOA)，往返傳播時間(Roundtrip Time of Flight,RTOF ),到達時間差(TDOA)，以及到達角度(AOA)等。此外，還有一些間接測距的定位算法，如DVhop。1．信號強度測距信號強度測距技術主要使用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，所以該技術是一種廉價、低功率的測距技術，該方法由于實現簡單已經被廣泛采用，比較典型的應用如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生顯著不同的傳播損耗，從而造成信號傳播模型建模的復雜性，因此精度比較低，有時RSSI的測距誤差可達到50%。通常將其看作為一種粗糙的測距技術。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)點處的參考信號強度，單位是 , 為參考距離。為在距離發(fā)射節(jié)點米遠處接收到的信號強度，單位凡為路徑衰減指數，與特定環(huán)境密切相關。表示標準偏差，是由遮蔽效應引起的正態(tài)隨機變量，單位。2．傳播時間測距傳播時間測距技術通過測量信號傳播