【文章內(nèi)容簡介】 。2) 數(shù)據(jù)融合在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點傳感器采集數(shù)據(jù)并將它發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)終端。但是在數(shù)據(jù)的采集和傳輸過程中，總要對采集的數(shù)據(jù)進行處理，因此存在如何對采集的數(shù)據(jù)進行處理、融合的問題。如果完全在本地節(jié)點上處理采集的數(shù)據(jù)而只發(fā)送處理后的結(jié)果，可以降低傳輸數(shù)據(jù)的功耗，但增加了本地節(jié)點處理器的功耗；如果傳輸原始采集的數(shù)據(jù)，可以降低節(jié)點處理器的功耗但增加了節(jié)點傳輸數(shù)據(jù)的功耗。因此，如何對采集的數(shù)據(jù)進行處理與融合對降低節(jié)點能耗起到相當(dāng)大的作用。通常網(wǎng)絡(luò)中的傳感器數(shù)量很多，傳感器采集的數(shù)據(jù)具有一定的冗余度，因此將多個節(jié)點采集的數(shù)據(jù)相互結(jié)合起來進行處理可以降低整個網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的傳輸量，有效降低系統(tǒng)功耗，問題是如何尋找本地節(jié)點處理與節(jié)點聯(lián)合處理的平衡點。3) 定位技術(shù)位置信息是傳感器節(jié)點采集數(shù)據(jù)中不可缺少的部分，沒有位置信息的監(jiān)測消息通常毫無意義。為了提供有效位置信息，隨機部署的傳感器節(jié)點必須能夠在布置后確定自身位置。由于傳感器節(jié)點存在資源有限、隨機部署、通信易受環(huán)境干擾甚至節(jié)點失效等特點，定位機制必須滿足自組織性、健壯性、能量高效、分布式計算等要求?，F(xiàn)有的WSN定位算法根據(jù)定位機制的不同，可以分為基于測距的方法與不基于測距的方法兩類?；跍y距的定位機制利用到達時間延遲、信號到達時差和接收信號強度來估計距離或來波方向，然后使用三邊測量法或最大似然估計等計算未知節(jié)點的位置。而不基于測距的定位機制無需距離或角度信息，或者不用直接測量這些信息，僅根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的連通性等信息實現(xiàn)節(jié)點的定位。距離無關(guān)的定位機制的定位性受環(huán)境因素的影響小，雖然定位誤差相應(yīng)有所增加，但定位精度能夠滿足多數(shù)傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的需求，是目前大家重點關(guān)注的定位機制[20]。4) 無線通信技術(shù)傳感器網(wǎng)絡(luò)需要低功耗短距離的無線通信技術(shù)。，把低功耗、低成本作為設(shè)計的主要目標(biāo)。，因此很多研究機構(gòu)把它作為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的無線通信平臺。另外，超寬帶無線通信以其高速率、低功耗、抗多徑、低成本等諸多優(yōu)勢，已成為室內(nèi)短距離無線網(wǎng)絡(luò)的首選方案，這為WSN的數(shù)據(jù)傳輸開辟了一種嶄新的方案。5) 時間同步傳感器網(wǎng)絡(luò)中由于節(jié)能策略,節(jié)點在大部分時間是休眠的,所以要求解決通信同步問題,即通信節(jié)點雙方需要在通信時同時喚醒。另外,傳感器網(wǎng)絡(luò)是一個分布式網(wǎng)絡(luò),所有節(jié)點在通信上地位對等,沒有優(yōu)先級可言。所以要讓整個網(wǎng)絡(luò)能夠工作在有效狀態(tài),往往需要做到全網(wǎng)或者一定范圍內(nèi)所有節(jié)點的同步,而不是通信雙方的簡單同步。 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)從無線傳感器組網(wǎng)形態(tài)和方法來看，有集中式、分布式和混合式。集中式類似于移動通信的蜂窩結(jié)構(gòu)，可以集中管理；分布式結(jié)構(gòu)類似于Adhoc網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，可自組織網(wǎng)絡(luò)接入連接，可以分步管理；混合式結(jié)構(gòu)是集中式和分布式結(jié)構(gòu)的組合。其中無線傳感器按節(jié)點功能及結(jié)構(gòu)層次來看，有可分為平面網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、分級網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、混合網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)以及Mesh網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[21]。1) 平面網(wǎng)絡(luò)：結(jié)構(gòu)如下圖22所示，是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中最簡單的拓撲結(jié)構(gòu)，每個節(jié)點都為對等結(jié)構(gòu)，具有完全一致的功能特性，也就是每個節(jié)點包含相同的MAC、路由、管理和安全等協(xié)議。但是由于采用自組織協(xié)同算法形成網(wǎng)絡(luò)，其組網(wǎng)算法比較復(fù)雜：圖22 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)平面網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)Fig 22 level network structure of Wireless sensor network2) 分級網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)（層次網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)）：如下圖23所示，分級網(wǎng)絡(luò)分為上層和下層兩個部分—上層為中心骨干節(jié)點；下層為一般傳感器節(jié)點。骨干節(jié)點之間或者一般傳感器節(jié)點間采用的是平面網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，然而骨干節(jié)點和一般節(jié)點之間采用的是分級網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。一般傳感器節(jié)點沒有路由、管理及匯聚處理等功能。圖23 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分級網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)Fig 23 hierarchical network structure of wireless sensor network3) 混合網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)：如下圖24所示，混合網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)時無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中平面網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和分級網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的一種混合拓撲結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)和分級網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不同的是一般傳感器節(jié)點之間可以直接通信，可不需要通過匯聚骨干節(jié)點來轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，但是對所需硬件成本更高[22]。圖24無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的混合網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)Fig 24 hybrid network structure of Wireless sensor network4) Mesh網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)：如下圖25所示，這是新型的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，這是種規(guī)則分步的網(wǎng)絡(luò)，不同于完全連接的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。通常只允許和節(jié)點最近的鄰居通信。網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的節(jié)點一般也是相同的，因此Mesh網(wǎng)絡(luò)也稱為對等網(wǎng)。由于通常Mesh網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)節(jié)點之間存在多條路由路徑，網(wǎng)絡(luò)對于單點或單個鏈路故障具有較強的容錯能力。其中優(yōu)點就是盡管所有節(jié)點都是對等的地位[23]，且具有相同的計算和通信傳輸功能，某個節(jié)點可被指定為簇首節(jié)點，而且可執(zhí)行額外的功能，一旦簇首節(jié)點失效，另外一個節(jié)點可以立刻補充并接管原簇首那些額外執(zhí)行的功能。圖25無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的Mesh網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)Fig 25 Mesh network structure of Wireless sensor network從技術(shù)上看，基于Mesh網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的無線傳感器具有以下特點：：這種類型的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點是由一個傳感器或執(zhí)行器構(gòu)成且連接到一個雙向無線收發(fā)器。：網(wǎng)內(nèi)每個節(jié)點至少可以和一個其他節(jié)點通信，這種方式可以實現(xiàn)比傳統(tǒng)的集線式或星型拓撲更好地網(wǎng)絡(luò)連接性。具有自我形成、自愈功能，以確保存在一條更加可靠的通信路徑。：來自一個節(jié)點的數(shù)據(jù)在其到達一個主機網(wǎng)關(guān)或控制器前，可以通過多個其余節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)。通過Mesh方式的網(wǎng)絡(luò)連接，只需短距離的通信鏈路，經(jīng)受較少的干擾，因而可以為網(wǎng)絡(luò)提供較高的吞吐率及較高的頻譜復(fù)用效率。：通?；净騾R聚節(jié)點移動性較低，感應(yīng)節(jié)點可移動性較高?；静皇茈娫聪拗?，而感應(yīng)節(jié)點通常由電池供電。：可以通過新型、Mesh等節(jié)點方式和其他網(wǎng)絡(luò)集成。無線傳感器節(jié)點結(jié)構(gòu)：如下圖26所示，無線傳感器由傳感器模塊、處理器模塊、無線通信模塊和能量供應(yīng)模塊這四部分組成。其中，傳感器模塊（傳感器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器）負責(zé)監(jiān)測區(qū)域內(nèi)信息的采集和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換；處理器模塊（CPU、存儲器、嵌入式操作系統(tǒng)等）負責(zé)控制整個傳感器節(jié)點的操作，存儲和處理本身采集的數(shù)據(jù)；無線通信模塊（網(wǎng)絡(luò)、MAC、收發(fā)器）負責(zé)與其他傳感器節(jié)點進行無線通信；能量供應(yīng)模塊為傳感器節(jié)點提供運行所需的能量，通常采用微型電池。圖26無線傳感器節(jié)點結(jié)構(gòu)Fig 26 Wireless sensor node structure除了這四個模塊外，傳感器節(jié)點還可以包括其他輔助單元，如移動系統(tǒng)、定位系統(tǒng)和自供電系統(tǒng)等。由于傳感器節(jié)點采用電池供電，因此盡量采用低功耗器件，以獲得更高的電源效率。3 空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)硬件設(shè)計 ZigBee技術(shù)。根據(jù)這個協(xié)議規(guī)定的技術(shù)是一種短距離、低功耗的無線通信技術(shù)。這一名稱來源于蜜蜂的八字舞，由于蜜蜂(bee)是靠飛翔和“嗡嗡”(zig)地抖動翅膀的“舞蹈”來與同伴傳遞花粉所在方位信息，也就是說蜜蜂依靠這樣的方式構(gòu)成了群體中的通信網(wǎng)絡(luò)。其特點是近距離、低復(fù)雜度、自組織、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本。主要適合用于自動控制和遠程控制領(lǐng)域，可以嵌入各種設(shè)備。簡單的說，Zigbee是一種高可靠的無線數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)，類似于CDMA和GSM網(wǎng)絡(luò)。ZigBee數(shù)傳模塊類似于移動網(wǎng)絡(luò)基站。通訊距離從標(biāo)準(zhǔn)的75m到幾百米、幾公里，并且支持無限擴展。ZigBee是一個由可多到65000個無線數(shù)傳模塊組成的一個無線數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)平臺，在整個網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)，每一個Zigbee網(wǎng)絡(luò)數(shù)傳模塊之間可以相互通信，每個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點間的距離可以從標(biāo)準(zhǔn)的75m無限擴展。與移動通信的CDMA網(wǎng)或GSM網(wǎng)不同的是，ZigBee網(wǎng)絡(luò)主要是為工業(yè)現(xiàn)場自動化控制數(shù)據(jù)傳輸而建立，因而，它必須具有簡單，使用方便，工作可靠，價格低的特點。而移動通信網(wǎng)主要是為語音通信而建立，每個基站價值一般都在百萬元人民幣以上，而每個ZigBee“基站”卻不到1000元人民幣。每個ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點不僅本身可以作為監(jiān)控對象，例如其所連接的傳感器直接進行數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控，還可以自動中轉(zhuǎn)別的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點傳過來的數(shù)據(jù)資料。除此之外，每一個Zigbee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(FFD)還可在自己信號覆蓋的范圍內(nèi)，和多個不承擔(dān)網(wǎng)絡(luò)信息中轉(zhuǎn)任務(wù)的孤立的子節(jié)點(RFD)無線連接。ZigBee是一種無線連接，(全球流行)、868MHz(歐洲流行)和915MHz(美國流行)3個頻段上,分別具有最高250kbit/s、20kbit/s和40kbit/s的傳輸速率，它的傳輸距離在1075m的范圍內(nèi),但可以繼續(xù)增加。作為一種無線通信技術(shù)，ZigBee具有如下特點：1) 低功耗：由于ZigBee的傳輸速率低,發(fā)射功率僅為1mW,而且采用了休眠模式，功耗低,因此ZigBee設(shè)備非常省電。據(jù)估算，ZigBee設(shè)備僅靠兩節(jié)5號電池就可以維持長達6個月到2年左右的使用時間,這是其它無線設(shè)備望塵莫及的。2) 成本低：ZigBee模塊的初始成本在6美元左右，—, 并且ZigBee協(xié)議是免專利費的。低成本對于ZigBee也是一個關(guān)鍵的因素。3) 時延短：通信時延和從休眠狀態(tài)激活的時延都非常短，典型的搜索設(shè)備時延30ms,休眠激活的時延是15ms,活動設(shè)備信道接入的時延為15ms。因此ZigBee技術(shù)適用于對時延要求苛刻的無線控制(如工業(yè)控制場合等)應(yīng)用。4) 網(wǎng)絡(luò)容量大：一個星型結(jié)構(gòu)的Zigbee網(wǎng)絡(luò)最多可以容納254個從設(shè)備和一個主設(shè)備，一個區(qū)域內(nèi)可以同時存在最多100個ZigBee網(wǎng)絡(luò),而且網(wǎng)絡(luò)組成靈活。5) 可靠：采取了碰撞避免策略，同時為需要固定帶寬的通信業(yè)務(wù)預(yù)留了專用時隙,避開了發(fā)送數(shù)據(jù)的競爭和沖突。MAC層采用了完全確認的數(shù)據(jù)傳輸模式， 每個發(fā)送的數(shù)據(jù)包都必須等待接收方的確認信息。如果傳輸過程中出現(xiàn)問題可以進行重發(fā)。6) 安全：ZigBee提供了基于循環(huán)冗余校驗(CRC)的數(shù)據(jù)包完整性檢查功能,支持鑒權(quán)和認證，采用了AES128的加密算法,各個應(yīng)用可以靈活確定其安全屬性。ZigBee聯(lián)盟對ZigBee標(biāo)準(zhǔn)的制定：、MAC層及數(shù)據(jù)鏈路層，標(biāo)準(zhǔn)已在2003年5月發(fā)布。ZigBee網(wǎng)絡(luò)層、加密層及應(yīng)用描述層的制定也取得了較大的進展。[24]。其他應(yīng)用領(lǐng)域及其相關(guān)的設(shè)備描述也會陸續(xù)發(fā)布。，而且IEEE僅處理低級MAC層和物理層協(xié)議，因此ZigBee聯(lián)盟對其網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議和API進行了標(biāo)準(zhǔn)化。完全協(xié)議用于一次可直接連接到一個設(shè)備的基本節(jié)點的4K字節(jié)或者作為Hub或路由器的協(xié)調(diào)器的32K字節(jié)。每個協(xié)調(diào)器可連接多達255個節(jié)點，而幾個協(xié)調(diào)器則可形成一個網(wǎng)絡(luò)，對路由傳輸?shù)臄?shù)目則沒有限制。ZigBee聯(lián)盟還開發(fā)了安全層，以保證這種便攜設(shè)備不會意外泄漏其標(biāo)識，而且這種利用網(wǎng)絡(luò)的遠距離傳輸不會被其它節(jié)點獲得。 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計:星型結(jié)構(gòu)(Star)、網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)(Mesh)和星網(wǎng)結(jié)構(gòu) (ClusterTrec)，如圖31所示。在星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，ZigBee協(xié)調(diào)器負責(zé)整個網(wǎng)絡(luò)的控制，無其它路由節(jié)點，ZigBee終端設(shè)備直接與zigBee。協(xié)調(diào)器通信，終端設(shè)備間的通信則需通過協(xié)調(diào)器轉(zhuǎn)發(fā)。這是最簡單的拓撲結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)通信范圍十分有限，單獨使用這種拓撲結(jié)構(gòu)的情況很少。圖31 Zigbee的三種網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)Fig 31 Three kinds network topology structure of ZigBee在網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)和簇樹型網(wǎng)絡(luò)中，ZigBee協(xié)調(diào)器負責(zé)網(wǎng)絡(luò)的建立和初始參數(shù)設(shè)定，網(wǎng)絡(luò)都可以通過ZigBee路由器進行擴展。但是，在簇樹型網(wǎng)絡(luò)中，路由器采用分級路由策略傳送數(shù)據(jù)和控制信息，并且通常是基于信標(biāo)(Beacon)的通信模式。而在網(wǎng)狀網(wǎng)中則是完全對等的點對點通信，路由器不會定期發(fā)送信標(biāo)，僅在網(wǎng)內(nèi)設(shè)備要求時對其單播信標(biāo)。對于簇樹型網(wǎng)絡(luò)，其通信路由相對單一，骨干網(wǎng)絡(luò)中一旦有路由節(jié)點癱瘓，則相應(yīng)區(qū)域就進入通信癱瘓狀態(tài)，要等待該部分網(wǎng)絡(luò)重組后，才能恢復(fù)通信。但是，簇樹型網(wǎng)定期發(fā)送信標(biāo)，使網(wǎng)內(nèi)節(jié)點能做到很好的同步，便于節(jié)點定期進入休眠狀態(tài)，降低功耗，延長網(wǎng)絡(luò)壽命。在網(wǎng)狀網(wǎng)中情況則恰好相反，完全的點對點通信使路由有多種選擇，提高了網(wǎng)絡(luò)的容錯性，但是不定期發(fā)送信標(biāo)使網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點很難達到同步，必須采取別的手段來實現(xiàn)，如廣播。因此，網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)與簇樹結(jié)構(gòu)的層次融合，必定是ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)的一個發(fā)展方向。網(wǎng)狀網(wǎng)的優(yōu)點是容錯能力和可靠性高，缺點是不易維護和管理、費用高、安裝復(fù)雜和不經(jīng)濟?；谝陨戏治?，故設(shè)計選擇星狀網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)?？傮w設(shè)計圖如圖32：圖32 總體設(shè)計圖Fig 32 Overall design 傳感器節(jié)點的硬件設(shè)計無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的設(shè)計主要考慮以下幾點原則：1) 成本低：為了滿足工業(yè)控制上的某些需要，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)一般大量分布在被監(jiān)測區(qū)域，因此無線傳感器節(jié)點設(shè)計應(yīng)盡量簡單，降低成本。2) 功耗低：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)一般應(yīng)用人工方式現(xiàn)場采集困難的高危環(huán)境下，工作人員往往無法接近的場所，終端節(jié)點一般要求不能經(jīng)常更換供電設(shè)備，要求功耗盡可能較低。并要求節(jié)點通常在僅以小型電池供電的情況下，工作數(shù)月或更長。所以在無線傳感器節(jié)點的設(shè)計中，節(jié)能是至關(guān)重要的。3) 尺寸?。簾o線傳感器節(jié)點尺寸應(yīng)盡量小，保證對目標(biāo)系統(tǒng)本身不會造成影響。并能被放置在任何物理環(huán)境下，能適應(yīng)不同的環(huán)境要求。4) 擴展性靈活性：無線傳感器節(jié)點需要定義統(tǒng)一、完整的外部接口，在需要添加新的硬件部件時，可以在現(xiàn)有的節(jié)點上直接添加，不需要開發(fā)新的節(jié)點。同時，節(jié)點可以按照功能拆分成多個組件，組件之間通過標(biāo)準(zhǔn)接口自由組合，維護方便。在不同的應(yīng)用環(huán)境下，選擇不同組件自由配置系統(tǒng)，這樣就不必為每個應(yīng)用都開發(fā)一個全新的硬件系統(tǒng)[25]。 節(jié)點硬件總體結(jié)構(gòu)如圖33所示，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，一般由數(shù)據(jù)采集單元(各種傳感器)、數(shù)據(jù)處理單元(微控制器等)、數(shù)據(jù)收發(fā)單元(射頻收發(fā)器、天線等)、電池供電單元組成。可以根據(jù)具體要求在數(shù)據(jù)采集單元模塊上進行相應(yīng)的傳感器的擴充以完成特定數(shù)據(jù)采集。圖33傳感器節(jié)點的硬件設(shè)計框圖Fig 3