【文章內容簡介】 件、嵌入式處理器、存儲器、通信部件和軟件這幾部分構成（如圖 所示） 。電源為傳感器提供正常工作所必需的能源。感知部件用于感知、獲取外界的信息，并將其轉換為數(shù)字信號。處理部件負責協(xié)調節(jié)點各部分的工作。通信部件負責與其他傳感器或觀察者的通信。軟件則為傳感器提供必要的軟件支持，如嵌入式操作系統(tǒng)、嵌入式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)等。湖 南 大 學 畢 業(yè) 論 文 第 5 頁圖 傳感器示意圖典型的傳感器網(wǎng)絡由傳感器節(jié)點、接收發(fā)送器(sink)、Inter 或通信衛(wèi)星、任務管理節(jié)點等部分構成。傳感器節(jié)點散布在指定的感知區(qū)域內，每個節(jié)點都可以收集數(shù)據(jù)，并通過“多跳” 路由方式把數(shù)據(jù)傳送到 Sink。Sink 也可以用同樣的方式將信息發(fā)送給各節(jié)點。Sink 直接與 Inter 或通信衛(wèi)星相連，通過 Inter 或通信衛(wèi)星實現(xiàn)任務管理節(jié)點(即觀察者 )與傳感器之間的通信。圖 描述了一個典型的傳感器網(wǎng)絡的結構 [14]。 典型的傳感器網(wǎng)絡的結構 傳感器網(wǎng)絡的特點傳感器網(wǎng)絡除了具有 AdHoc 網(wǎng)絡的移動性、斷接性、電源能力有限等特征外，還具有以下鮮明特點 [14]：(1) 通信能力有限。傳感器網(wǎng)絡中的傳感器的通信帶寬較窄而且經(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)常導致通信失敗。由于傳感器網(wǎng)絡更多地受到高山、建筑物、障礙物等地勢地貌以及風雨雷電等自然環(huán)境的影響，傳感器可能會長時間離線工作。(2) 計算能力有限。傳感器網(wǎng)絡中的傳感器都具有嵌入式處理器和存儲器。這些傳感器都具有計算能力，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器的能力和容量有限，傳感器的計算能力十分有限。使用大量具有有限計算能力的傳感器進行協(xié)作分布式信息處理，是我們的選擇之一。(3) 傳感器數(shù)量大、分布范圍廣。傳感器網(wǎng)絡中傳感器節(jié)點密集，數(shù)量巨大，可能達到幾百、幾千萬，甚至更多。此外，傳感器網(wǎng)絡可以分布在很廣泛的地理區(qū)域。傳湖 南 大 學 畢 業(yè) 論 文 第 6 頁感器的數(shù)量與用戶數(shù)量比通常也非常大。這就要求傳感器網(wǎng)絡的軟、硬件必須具有高強壯性和容錯性。(4) 感知數(shù)據(jù)流巨大。傳感器網(wǎng)絡中的每個傳感器通常都產(chǎn)生較大的流式數(shù)據(jù)，并具有實時性。每個傳感器僅僅具有有限的計算資源，難以處理巨大的實時數(shù)據(jù)流。這就需要研究強有力的分布式數(shù)據(jù)流管理、查詢、分析和挖掘方法。 傳感器網(wǎng)絡的核心技術以數(shù)據(jù)為中心的傳感器網(wǎng)絡的基本思想是：把傳感器視為感知數(shù)據(jù)流或感知數(shù)據(jù)源，把傳感器網(wǎng)絡視為感知數(shù)據(jù)空間或感知數(shù)據(jù)庫，把數(shù)據(jù)管理和處理作為網(wǎng)絡的應用目標。傳感器網(wǎng)絡以數(shù)據(jù)為中心的特點使得其設計方法不同于其他計算機網(wǎng)絡(包括Inter)。傳感器網(wǎng)絡的設計必須以感知數(shù)據(jù)管理和處理為中心，把數(shù)據(jù)庫技術和網(wǎng)絡技術緊密結合，從邏輯概念和軟、硬件技術兩個方面實現(xiàn)一個高性能的以數(shù)據(jù)為中心的網(wǎng)絡系統(tǒng)，為用戶或觀察者提供一個有效的感知數(shù)據(jù)空間或感知數(shù)據(jù)庫管理和處理系統(tǒng)，使用戶如同使用通常的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)一樣自如地在傳感器網(wǎng)絡上進行感知數(shù)據(jù)的管理和處理。感知數(shù)據(jù)管理與處理技術是實現(xiàn)以數(shù)據(jù)為中心的傳感器網(wǎng)絡的核心技術 [17]。感知數(shù)據(jù)管理與處理技術包括感知網(wǎng)絡數(shù)據(jù)的存儲、查詢、分析、挖掘、理解以及基于感知數(shù)據(jù)決策和行為的理論和技術。傳感器網(wǎng)絡的各種實現(xiàn)技術必須與這些技術密切結合，融為一體，而不是像目前其他網(wǎng)絡設計那樣分而治之。只有這樣才能夠設計實現(xiàn)高效率的以數(shù)據(jù)為中心的傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)。對感知數(shù)據(jù)管理與處理的研究方向主要包括：感知數(shù)據(jù)管理技術的研究、感知數(shù)據(jù)查詢處理技術的研究、感知數(shù)據(jù)分析技術的研究、感知數(shù)據(jù)挖掘技術的研究以及感知數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的研究。 傳感器網(wǎng)絡的應用 環(huán)境的檢測和保護隨著人們對于環(huán)境問題的關注程度越來越高，需要采集的環(huán)境數(shù)據(jù)也越來越多，無線傳感器網(wǎng)絡的出現(xiàn)為隨機性的研究數(shù)據(jù)獲取提供了便利，并且還可以避免傳統(tǒng)數(shù)據(jù)收集方式給環(huán)境帶來的侵入式破壞。比如，2022 年英特爾研究實驗室研究人員曾經(jīng)湖 南 大 學 畢 業(yè) 論 文 第 7 頁將 32 個小型傳感器連進互聯(lián)網(wǎng)，掌握緬因州大鴨島 上的氣候，以此評價一種海燕巢的條件。2022 年第二季度，他們換用 150 個安有 D 型微型電池的第二代傳感器，來評估這些鳥巢的條件。另外，無線傳感器網(wǎng)絡可以跟蹤候鳥和昆蟲的遷移，研究環(huán)境變化對農作物的影響，監(jiān)測海洋、大氣和土壤的成分等。它也可以應用在精細農業(yè)中，來監(jiān)測農作物中的害蟲、土壤的酸堿度和施肥狀況等。 醫(yī)療護理無線傳感器網(wǎng)絡在醫(yī)療研究、護理領域同樣可以大展身手。它可以用于病區(qū)移動查房、床邊護理、呼叫通信、護理監(jiān)控、藥庫管理等方面。羅徹斯特大學的科學家使用無線傳感器創(chuàng)建了一個智能醫(yī)療房間，使用微塵來測量居住者的重要征兆（血壓、脈搏和呼吸） 、睡覺姿勢以及每天 24 小時的活動狀況。英特爾公司也推出了無線傳感器網(wǎng)絡的家庭護理技術。該技術是作為探討應對老齡化社會的技術項目 Center for Aging Services Technologies（CAST）的一個環(huán)節(jié)開發(fā)的 [18]。該系統(tǒng)通過在鞋、家具以家用電器等家中道具和設備中嵌入半導體傳感器，幫助老齡人士、阿爾茨海默氏病患者以及殘障人士的家庭生活。利用無線通信將各傳感器聯(lián)網(wǎng)可高效傳遞必要的信息從而方便接受護理。而且還可以減輕護理人員的負擔。英特爾主管預防性健康保險研究的董事 Eric Dishman 稱， “在開發(fā)家庭用護理技術方面，無線傳感器網(wǎng)絡是非常有前途的領域”。 軍事領域由于無線傳感器網(wǎng)絡具有密集型、低成本、隨機分布的節(jié)點組成，自組織性和容錯能力使其非常適合應用于惡劣的戰(zhàn)場環(huán)境中，包括偵察敵情、監(jiān)控兵力、裝備和物資，判斷生物化學攻擊等多方面用途 [1]。美國國防部遠景計劃研究局已投資幾千萬美元，幫助大學進行 智能塵埃傳感器技術的研發(fā)。哈伯研究公司總裁阿爾門丁格預測：智能塵埃式傳感器及有關的技術銷售將從 2022 年的 1000 萬美元增加到 2022 年的幾十億美元。 其他應用無線傳感器網(wǎng)絡還被應用于其他一些領域。比如一些危險的工業(yè)環(huán)境如井礦、核湖 南 大 學 畢 業(yè) 論 文 第 8 頁電廠等，工作人員可以通過它來實施安全監(jiān)測。也可以用在交通領域作為車輛監(jiān)控的有力工具。此外和還可以在工業(yè)自動化生產(chǎn)線等諸多領域，英特爾正在對工廠中的一個無線網(wǎng)絡進行測試，該網(wǎng)絡由 40 臺機器上的 210 個傳感器組成，這樣組成的監(jiān)控系統(tǒng)將可以大大改善工廠的運作條件。它可以大幅降低檢查設備的成本，同時由于可以提前發(fā)現(xiàn)問題，因此將能夠縮短停機時間，提高效率，并延長設備的使用時間。盡管無線傳感器技術目前仍處于初步應用階段，但已經(jīng)展示出了非凡的應用價值，相信隨著相關技術的發(fā)展和推進，一定會得到更大的應用。無線傳感器網(wǎng)絡有著十分廣泛的應用前景，它不僅在工業(yè)、農業(yè)、軍事、環(huán)境、醫(yī)療等傳統(tǒng)領域有具有巨大的運用價值，在未來還將在許多新興領域體現(xiàn)其優(yōu)越性，如家用、保健、交通等領域。我們可以大膽的預見，將來無線傳感器網(wǎng)絡將無處不在，將完全融入我們的生活。比如微型傳感器網(wǎng)絡最終可能將家用電器、個人電腦和其他日常用品同互聯(lián)網(wǎng)相連，實現(xiàn)遠距離跟蹤。家庭采用無線傳感器網(wǎng)絡負責家電協(xié)同工作，進行安全調控，并且可以節(jié)省電能。另外，用戶可以根據(jù)自己的個人喜好，可以利用傳感器網(wǎng)絡設置智能生活環(huán)境，如依據(jù)傳感器檢測數(shù)據(jù)來調節(jié)室內光線強度、音樂聲音，以形成愜意的房間氛圍。無線傳感器網(wǎng)絡將是未來的一個無孔不入的十分龐大的網(wǎng)絡，其應用可以涉及到人類日常生活和社會生產(chǎn)活動的所有領域。 傳感器網(wǎng)絡的特點與挑戰(zhàn)傳感器網(wǎng)絡除了具有 AdHoc 網(wǎng)絡的移動性、斷接性、電源能力局限等共同特征以外，還具有很多其他鮮明的特點。這些特點向我們提出了一系列挑戰(zhàn)性問題 [14]：(1)通信能力有限。傳感器網(wǎng)絡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)常導致通信失敗。由于傳感器網(wǎng)絡更多地受到高山、建筑物、障礙物等地勢地貌以及風雨雷電等自然環(huán)境的影響，傳感器可能會長時間脫離網(wǎng)絡，離線工作。 (2)電源能量有限。傳感器的電源能量極其有限。網(wǎng)絡中的傳感器由于電源能量的原因經(jīng)常失效或廢棄。電源能量約束是阻礙傳感器網(wǎng)絡應用的嚴重問題。商品化的無線發(fā)送接收器電源遠遠不能滿足傳感器網(wǎng)絡的需要。傳感器傳輸信息要比執(zhí)行計算更消 1 位信息所需要的電能足以執(zhí)行 3000 條計算指令。(3)計算能力有限。傳感器網(wǎng)絡中的傳感器都具有嵌入式處理器和存儲器。這些傳湖 南 大 學 畢 業(yè) 論 文 第 9 頁感器都具有計算能力，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器的能力和容量有限，傳感器的計算能力十分有限。如何使用大量具有有限計算能力的傳感器進行協(xié)作分布式信息處理，是我們面臨的第 3 個挑戰(zhàn)。(4)傳感器數(shù)量大、分布范圍廣。傳感器網(wǎng)絡中傳感器節(jié)點密集，數(shù)量巨大，可能達到幾百、幾千萬，甚至更多。此外，傳感器網(wǎng)絡可以分布在很廣泛的地理區(qū)域。傳感器的數(shù)量與用戶數(shù)量比通常也非常大。傳感器數(shù)量大、分布廣的特點使得網(wǎng)絡的維護十分困難甚至不可維護，傳感器網(wǎng)絡的軟、硬件必須具有高強壯性和容錯性。(5)網(wǎng)絡動態(tài)性強。傳感器網(wǎng)絡具有很強的動態(tài)性。網(wǎng)絡中的傳感器、感知對象和觀察者這三要素都可能具有移動性，并且經(jīng)常有新節(jié)點加入或已有節(jié)點失效。因此，網(wǎng)絡的拓撲結構動態(tài)變化，傳感器、感知對象和觀察者三者之間的路徑也隨之變化。傳感器網(wǎng)絡必須具有可重構和自調整性。(6)大規(guī)模分布式觸發(fā)器。很多傳感器網(wǎng)絡需要對感知對象進行控制，如溫度控制。這樣，很多傳感器具有回控裝置和控制軟件。(7)感知數(shù)據(jù)流巨大。傳感器網(wǎng)絡中的每個傳感器通常都產(chǎn)生較大的流式數(shù)據(jù)，并具有實時性。每個傳感器僅僅具有有限的計算資源，難以處理巨大的實時數(shù)據(jù)流。這就需要研究強有力的分布式數(shù)據(jù)流管理、查詢、分析和挖掘方法。 小結本章首先給出了傳感器網(wǎng)絡的定義、特點以及傳感器網(wǎng)絡管理核心技術的描述，然后，簡要介紹了傳感器網(wǎng)絡的應用領域，最后，簡述了當前傳感器網(wǎng)絡研究中所面臨的挑戰(zhàn)。湖 南 大 學 畢 業(yè) 論 文 第 10 頁3. LEACH 算法簡介及分析 引言未來的計算裝置將越來越與環(huán)境融于一體，直至它們對于用戶是不可見的。而分布式無線傳感器網(wǎng)絡正是這一思想的重要體現(xiàn)。不斷小型化是微型傳感器的設計目標，而傳感器的能源供應則是傳感器小型化過程中最主要的限制。? 傳統(tǒng)的能量供應裝置是電池，然而縮小電池的體積，增加電池容量的工程技術發(fā)展緩慢，這直接影響了無線傳感器網(wǎng)絡的發(fā)展。無法從能量存儲的硬件設備上獲得突破，于是科研人員開始尋求延長傳感器網(wǎng)絡使用壽命的其它途徑。這就是通過各種優(yōu)化應用，完善操作系統(tǒng)和通信協(xié)議來降低網(wǎng)絡的能量消耗，從而在總能量不變的情況下增加傳感器網(wǎng)絡的使用時間。在上述背景下，各種有關傳感器網(wǎng)絡的路由算法和通信協(xié)議紛紛被提出，其中 Heinzelman 等人提出的 LEACH 算法是最具代表性和里程碑意義的。 LEACH 算法 LEACH 算法是一種典型的層次路由算法。相比較平面路由算法而言，LEACH 算法具有以下的優(yōu)點： ? 成員節(jié)點大部分時間可以關閉通信模塊，由簇頭構成一個更上一層的連通網(wǎng)絡來負責數(shù)據(jù)的長距離路由轉發(fā)。這樣既保證了原有覆蓋范圍內的數(shù)據(jù)通信，也在很大程度上節(jié)省了網(wǎng)絡能量。 ? 簇頭融合了成員節(jié)點的數(shù)據(jù)之后再進行轉發(fā)，減少了數(shù)據(jù)通信量，降低了數(shù)據(jù)冗余，在節(jié)省了通訊能量的同時也降低了傳感器網(wǎng)絡在數(shù)據(jù)計算方面的能量開銷。 ? 成員節(jié)點的功能比較簡單，無須維護復雜的路由信息。這大大減少了網(wǎng)絡中路由控制信息的數(shù)量，減少了通信量。 湖 南 大 學 畢 業(yè) 論 文 第 11 頁? 分簇拓撲結構便于管理，有利于分布式算法的應用，可以對系統(tǒng)變化作出快速反應，具有較好的可擴展性，適合大規(guī)模網(wǎng)絡。 LEACH 算法首先作了如下的假設：? 基站(BS)遠離傳感器網(wǎng)絡節(jié)點并且是穩(wěn)定的。 ? 傳感器網(wǎng)絡中的所有節(jié)點是同構的，并且能量都受到限制。 ? 所有節(jié)點可以直接和基站通訊。 ? 節(jié)點都沒有位置信息。 ? 簇頭節(jié)點負責數(shù)據(jù)壓縮匯聚以及與基站進行通訊。 該算法主要通過隨機選擇簇首領，平均分擔中繼通信業(yè)務來實現(xiàn)節(jié)能。同時LEACH 定義了“輪”(Round)的概念，針對每個節(jié)點 n 設定了一個閥值 T(n)： ()???????： 否 則 ： 若0)1mod()( GnprnT式() 中 p 表示簇頭節(jié)點占網(wǎng)絡節(jié)點總數(shù)的百分比，r 表示重新挑選簇頭節(jié)點的輪數(shù)，G 表示網(wǎng)絡中最近 1/p 輪未當選簇頭的節(jié)點的集合。并根據(jù)該閥值從候選節(jié)點中挑選簇頭，具體的步驟： Step1： 若傳感器節(jié)點 Ni∈G，則對于每個 Ni 獨立運算()式，獲得閥值T(n)。Step2： 若 Ni 不屬于 G，則根據(jù)()式，T(n) 為零。Step3： Ni 產(chǎn)生一個 0~1 之間的隨機數(shù) RadomNum。Step4： 若 T(n)＞RadomNum，則該節(jié)點當選為簇頭，并廣播當選消息。Step5： 其余節(jié)點選擇加入某簇頭所在的簇，形成穩(wěn)定的拓撲結構。Step6： 穩(wěn)定工作階段。Step7： 每隔時間 t，進行下一輪