【文章內容簡介】 種 心 理數據，跟蹤和監(jiān)控醫(yī)院內醫(yī)生和患者的行動，醫(yī)院的藥物管理等。如果 在 住院病人身上安裝特殊用途的傳感器節(jié)點，如心率和血壓監(jiān)測設備，醫(yī)生利用傳感器網絡就可以隨時了解被監(jiān)護病人的病情．發(fā)現異常能 夠迅速搶救。將傳感器節(jié) 點 按 藥品種類分別放置， 計 算機系統即可幫助辨認所開的藥品，從而減少病人用 錯 藥的可能性。還可以利用傳感器網絡長時間地收集人體的生理數據，這些數據對了解人體活動機理和研制新藥品都是非常有用的。 人工視網膜是 一 項生物醫(yī)學的應用項 目 。在 SSIM( Smart Sensors and Integrated Microsystems)計劃中，替代視網膜的芯片 由 100 個微型的傳感器組成，并置入人眼，目的 是 使得失明者或者視力極差者能夠恢復到一個可以接受的視力水平。傳感器的 無 線通信滿足反饋控制的 需要，有利于圖像的識別 和確認。 4. 智能家居 傳感器網絡能夠應用 在 家居中。在家電和家具中嵌入傳感器節(jié)點，通過 無線網絡與 Inter 連接在 一 起，將 會 為人們提供更加舒適、方便 和 更具人性 化的智能家居環(huán)境。利用遠程監(jiān)控系統 ， 可完成對家電的遠程遙控，例如可以在回 家之前半小時打開 空 調，這樣回家的時候就可以直接享受適合的宅溫，也可以遙控電飯鍋、微波爐、電冰箱、電話機、電視機、錄像機、電腦等家電，按照 自 己的意愿完成相應的煮飯、 燒 菜、查收電話留言、選擇錄制電視和電臺節(jié) 7 目以及 下 載網上資料到電腦中等 工 作，也可以通過圖像 傳感設備隨時監(jiān)控家庭安全情況。 5. 建筑物狀態(tài)監(jiān)控 美國加州大學伯克利分校的環(huán)境工程 和 計算機科學家們采用傳感器網絡，讓大樓、橋梁和其他建筑物能夠自身感覺并意識別它們本身的狀況．使得安裝了傳感器網絡的智能建筑 自 動告訴管理部門它們的狀態(tài)信息，并且能夠自動按照優(yōu)先級來進行一系列自我修復 工 作。未來的各種摩 天 大樓可能就會裝備這種類似紅綠燈的裝 置 ，從而建筑物 可以自 動告訴人們當前是否安全、穩(wěn)固程度如何等信息。 以上列舉了西方發(fā)達國家在無線傳感器方面的幾種主要應用，當然，在其它的一些方面也得到了不同程度的應用，例如空間 探索等。 本次探討和研究的意義 由引言可知 無線傳感器網絡 在今天的中國應該 還 是一個比較新穎的研究和應用領域。 它涉及眾多學科， 我個人認為 將成為 IT 領域的研究熱點之一。 無線傳感器網絡 (WSN)就是由部署在監(jiān)測區(qū)域內大量的廉價 微型傳感器節(jié)點組成，通過無線通信方式形成的一個多跳的自組織的網絡系統，其目的是協作的感知、采集、和處理網絡覆蓋區(qū)域中感知對象的信息，并發(fā)送給觀察者。 傳感器、感知對象和觀察者構成了傳感器網絡的三個要素。 無線傳感器網絡將邏輯上的信息世界和客觀上的物理世界融合在一 起，改變人類和自然界 的交互方式。因此 它無論是在國家安全，還是國民經濟諸方面均有著廣闊的應用前景。未來，無線傳感器網絡將向天、空、海、陸、地下一體化綜合傳感器網絡的方向發(fā)展，最終將成為現實世界和數字世界的 接口，深 8 入到人們生活的各個層面，像互聯網一樣改變人們的生活方式。 美國商業(yè)周刊在預測未來技術發(fā)展的報告中，分別將 WSN 列為 21 世紀最有影響的 21 項技術和改變世界的 10 大技術之一。 由此可見研究 WSN 將是一件很有意義且時髦的工作 ，在引言中我們就可以發(fā)現，盡管我們中國的前輩們進行了卓有成效的工作，但相對美國等發(fā)達國家還有一定差距，特 別是 在 應用上。我作為一個后來者，本著能力學識有限，旨在學習、探索、發(fā)現。 本次畢 業(yè) 設 計 主要學習了無線傳感器網絡的網絡層和數據鏈路層協議。 其中網絡層的路由協議決定監(jiān)測信息的傳輸路徑；數據鏈路層的介質訪問控制用來構建底層的基礎結構，控制傳感器節(jié)點的通信過程和工 作模式。 在無線傳感器網絡中，路 由 協議 不 僅關心單個 節(jié) 點的能量消耗．更關心整個網絡能量的均衡消耗．這樣才能延長整個網絡的生存期。同時，無線傳感器網絡 是 以數據為 中 心 的，這在路由協議中表現得最為突出， 每 個節(jié)點沒 有 必要采用 全 網統 — 的編址，選擇路 徑 可以不用根據 節(jié)點的編址．更多的是根據感興 趣的數據建立數據源到匯聚節(jié)點之間的轉發(fā)路徑。目前提出了多種類型的傳感器網絡路由協議，如多個能量 感知的路由協議，定向擴散和謠傳路由等基于查詢的路由 協議， GEAR 和 GEM 等基于地理位置的路由協議， SPEED 和ReInForM 等支持 QoS 的路由協議。 在這么多的路由協議中 ，我主要精力放在了能量感知路由協議上，也就是祈求在這個點上能得到一些自己的發(fā)現。后面的相關章節(jié)將 會提出一些個人觀點和看法，有些可能有失偏頗，望各位老師指正。 9 本文的內容安排 第一章 緒論 包括引言， 發(fā)展 歷程， 研究的意義 和論文結構分析 ； 第二章 無線傳感器網絡的概述 包括傳感器網絡體系的結構、特征和關鍵技術； 第三章 路由協議 ，將全面分析能量路由協議， 針對它提出了一種簡單完整的處理辦法，并通過分析比較兩種實用的能量路由協議得出了一些有用的發(fā)現 ； 第四章 本文的重點： 路由算法的能量優(yōu)化及分析方法 包括能量模塊改進，協議性能評價，和 DEER算法； 第五章 路徑耗能最小的路由模擬 包含通過 C語言環(huán)境模擬結果 第六 章 結論 第二章 無線傳感器網絡概述 傳感器網絡體系結構 傳感器網絡結構 傳感器網絡結構如圖 21 所 示 ，傳感器網絡系統通常包括傳感器節(jié)點(sensor node)、匯聚節(jié)點 (sink node)和管理節(jié)點。大量傳感器節(jié)點隨機部署在 10 監(jiān)測區(qū)域 (sensor field)內部或附近，能夠通過自組織 方 式構成網絡 。 傳感器節(jié)點 監(jiān) 測的數據沿著其他傳感器節(jié)點逐跳地進行傳輸，在傳 輸 過程中監(jiān)測數據可能被多個節(jié)點處理，經過多跳后路 由 到匯聚節(jié)點，最后通過互聯網或衛(wèi)星到達管理節(jié)點。用戶通過管理 節(jié) 點對傳感器網絡進行配置和 管 理，發(fā) 布 監(jiān)測任務以及收集監(jiān)測數據。 用戶 監(jiān)測區(qū)域 傳感器節(jié)點 圖 21 傳感器網絡體系結構 傳感器節(jié)點結構 傳感器節(jié)點 由 傳感器模塊、處理器模塊、無線通信模塊和能 量 供應模塊 四部分組成，如圖 22 所示。傳感器模塊負責監(jiān)測區(qū)域內信息的采集和數據轉換；處理 器 模塊負責控制整個傳感器節(jié)點的操作，存儲和處理本身采集的數據 以及其他節(jié)點發(fā)來的數據；無線通信模塊負責與其他傳感器節(jié)點進行無線通信，交換控制消息和收發(fā)采集數據；能 量 供應模塊為傳感器節(jié)點提供運行所需的能互聯網和衛(wèi)星 任 務管理節(jié)點 匯聚節(jié)點 E C D B A 11 量，通常采用微型電池。 圖 22 傳感器節(jié)點體系結構 傳感器網絡協議棧 隨著 傳感器網絡的深入研究，研究人員提出了多個傳感器節(jié)點上的協議棧。 這個協議錢包括物理層、數據鏈路層、網絡層、傳輸層和應用層，與互聯網協議 棧 的五層協議相對應。另外，協議 棧 還包括能 量 管理平臺、移 動管理平 臺和任務管理平臺 。 這些管理平臺使得傳感器節(jié)點能夠按照能源高 效的 方 式協同合作 。 傳感器網絡的特征 與現有無線網絡的區(qū)別 無線自組網 (mobile adhoc work)是 一 個 由 幾十到上百個節(jié)點組成的、 傳感器模塊 處理器模塊 無線通信模塊 傳感器 AC/DC 處理器 存儲器 網絡 MAC 收發(fā)器 能 量 供 應 模 塊 12 采用無線通信方式的、動態(tài)組網的多跳的移動性對等網絡。其目的是通過動態(tài)路由和移動管理技術傳輸具有服務質量要求的多媒體 信 息流。通常節(jié)點具有持續(xù)的能量供給。 傳感器網絡雖然與無線自組網有相似之處，但同時也存在很大的差別。傳感器 網 是集成了監(jiān)測、控制以及無線通信的網絡系統， 節(jié)點數目更為龐大（上千甚至上萬），節(jié)點分布更為密集；由于環(huán)境影響和能量耗盡，節(jié)點更容易出現故障；環(huán)境干擾和節(jié)點故障易造成網絡拓撲結構的變化；通常情況下，大多數傳感器節(jié)點是不 動的。另外，傳感器節(jié)點具有 的 能量、處理能力、存儲能力和通信能 力 等都十分有限 。傳統無線網絡的首要設計目標是提供高服務質量和高效帶寬利用，其次才考慮節(jié)約能源；而傳感器網絡的首要設計目標是能源的高效利用，這也是傳感器網絡和傳統網絡的最重要的區(qū)別之一。 傳感器節(jié)點的限制 傳感器節(jié)點在實現各種網絡協議和應用系統時，存在一些現實 約束。 1. 電源能量有限 。 傳感器節(jié)點體積微小，通常攜帶能量十分有限的電池。 2. 通信能力有限 3. 計算和存儲能力有限 傳感器節(jié)點是一種微型嵌入式設備，要求它價格低功耗小，這些限制必然導致 其攜 帶的處理器能力比較弱，存儲器容量比較小。 13 傳感器網絡的特點 1. 大規(guī)模網絡 2. 自組織網絡 在傳感器網絡應用中，通常情況下傳感器節(jié)點被放置 在 沒有基礎結構的地方。傳感器節(jié)點的位置不能預先精確設定，節(jié)點之間的相 互 鄰居 關 系預 先 也不知道，如通過 飛 機播 散 大量傳 感器節(jié)點到面積廣闊的原 始 森林 中 ．或隨意放置到人不可到達或危險的區(qū)域。這樣就要求傳感器節(jié)點具有自組織的能力，能夠自動進行配置和管理，通過 拓 撲控制機制和網絡協議自動形成轉發(fā)監(jiān)測數據的多跳無線網絡系統。 在傳感器網絡使用過程中，部分傳感器節(jié)點 由于 能量耗盡或環(huán)境 因 素造成失效，也 有 一些 節(jié) 點為了彌補失效節(jié)點、增加監(jiān)測精度而補充到網絡中，這樣在傳感器網絡中的 節(jié) 點個數就動態(tài)地增加或減少，從而使網絡的拓撲結構隨之動態(tài)地變化 。 傳感器網絡的 自組織 性要能夠適應這種網絡拓撲結構的動態(tài)變化。 3. 動態(tài)性網絡 傳感器網絡的 拓 撲結構可 能因為下列因素 而 改變：①環(huán)境因 素或電能耗盡造成的傳感器節(jié)點出現故障或失效；②環(huán)境條件變化可能造成無線通信鏈路帶寬 變化，甚至時斷時通；⑦傳感器網絡的傳感器、感知對象和觀察者這 三 要素都可能具有移動 性 ；④新節(jié)點的加入。這就要求傳感器網絡系統要能夠適應這種變化，具有動態(tài)的系統可重構 性 。 4. 可靠的網絡 傳感器網絡特別適合部署在惡劣環(huán)境或人類不宜到達的區(qū)域，傳感器節(jié)點 14 可能工作在露天環(huán)境中，遭受太陽的暴曬或風 吹 雨淋，甚至遭到無關人員或動物的破壞。傳感器 節(jié) 點 往 往采 用 隨機部署，如通過 飛機 撒 播或發(fā)射炮彈到指 定區(qū)域進行部署。這些都要求傳感器節(jié)點非常堅固，不易損壞．適應各種惡劣環(huán)境條件。 出于監(jiān)測 區(qū) 域環(huán)境的限制以及傳感器節(jié)點數目巨大，不可能人工“照顧”每個傳感器節(jié)點，網絡的維護十分 困 難甚至不可維護。傳感器網絡的通信保密性和安全性也十分重要，要防 止 監(jiān)測數據被盜取和獲取偽造的 監(jiān) 測信息。因此，傳感器網絡的軟硬 件 必須具 有 魯棒性和容錯性 。 5. 應用相關的網絡 傳感器網絡用來感知客觀物理 界 ， 獲取物理世界的信息量?？陀^世界的物理 量 多種多樣，不可窮盡。不同的傳感器網絡應用關心不同的物理量，因此對傳感器的應用系統也有多種多樣 的要求。 6. 以數據為中心的網絡 目 前的互聯網是先有計算機終端系統，然后 再 互聯成為網絡，終端系統可以脫離網絡獨立存在。在互聯網 中 ，網絡設備用網絡 中 惟一的 IP 地址標識， 資源定位和信息傳輸依賴于終端、路 由 器、服務器等網絡設備的 IP 地址。如果想訪問互聯網中的資源，首先要知道存放資源的服務器 IP 地址。可以說 目前 的互聯網是一個以地址為中心的網絡。 傳感器網絡是任務型的網絡，脫離傳感器網絡談論傳感器節(jié)點沒有任何意義。傳感器網絡 中 的節(jié)點采用節(jié)點編 號 標識，節(jié)點編號是否需要全 網統 一取決于網絡通信協議的設計。 由 于傳感器節(jié) 點隨機部署，構成的傳感器網絡與節(jié)點編號之間的關系是完全動態(tài)的，表現為節(jié)點編號與節(jié)點位置沒有必然聯系。用戶使用傳感器網絡查詢事件時，直接將所關心的事件通告給網絡，而不是通告 15 給某個確定編號的節(jié)點。網絡 在 獲得指定事件的信息后匯報給用戶。這種以數據本身作為查詢或傳輸線索的思想 更 接近于自然語言交流 的習慣。所以通常說傳感器網絡是一個以數據為中心的網絡 。 傳感器網絡的關鍵技術 無線傳感器網絡作為當今信息領域新的研究熱點，涉及多學科交叉的研究領域，有非常多的關鍵技術有待發(fā)現和研究，下面僅列出部分關鍵技術。 有些