【文章內(nèi)容簡介】 代意義的傳感器網(wǎng)絡及其應用研究幾乎與發(fā)達國家同步啟動，同步發(fā)展。 2020年中國科學院依托上海微系統(tǒng)所成立微系統(tǒng)研究與發(fā)展中心， 其后，該中心在 傳感器網(wǎng)絡方向上陸續(xù)部署了若干重大研究項目，參加單位包括上海微系統(tǒng)所、聲學所、 微電子所、半導體所、電子所、軟件所以及中國科技大學等 10 余所研究所和高校。 經(jīng)過幾年的努力，初步建立了傳感器網(wǎng)路系統(tǒng)的研究平臺， 在無線智能傳感器網(wǎng)絡通信技術(shù)、微型傳感器、傳感器端機、移動基站和應用各級組織系統(tǒng)等方面取得了很大進展。 其中多項關鍵技術(shù)已列入 “國家中長期科技發(fā)展規(guī)劃 ”和上海市 “十一五 ”規(guī)劃，并具備制定國家乃至國際標準的條件。 目前，上海無線傳感技術(shù)已在寧波北侖區(qū)政府應急指揮、嘉興水運智能交通等系統(tǒng)中示范應用，在電力、水利設施 維護等領域也已開發(fā)運用，并瞄準上海市世博會需求進行開發(fā)應用。 傳感器網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu) 傳感器網(wǎng)絡結(jié)構(gòu) 在傳感器網(wǎng)絡中，結(jié)點任意散落在被監(jiān)測區(qū)域內(nèi)，這一過程是通過飛行器撒播、人工埋置和火箭彈射等方式完成的。 節(jié)點以自組織形式構(gòu)成網(wǎng)絡，同過多跳中繼方式將監(jiān)測數(shù)據(jù)傳到 sink 結(jié)點， 最終借助長距離或臨時建立的 sink 鏈路將整個區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)傳送到遠程中心進行集中處理。 衛(wèi)星鏈路可用作 sink 鏈路，借助游戈在監(jiān)測區(qū)上空的無人飛機回收 sink 結(jié)點上的數(shù)據(jù)也是一種方式， UC Berkeley 在進行 UAV(unmanned aerial vehicle)項目的外場測試時便采用了這種方式。 如果網(wǎng)絡規(guī)模太大，可以采用聚類分層的管理模式， 圖 給出了2020 屆通信工程專業(yè)畢業(yè)設計（論文） 5 傳感器網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)一般形式的描述。 圖 傳感器網(wǎng)絡結(jié)構(gòu) 傳感器網(wǎng)絡協(xié)議棧 傳感器網(wǎng)絡協(xié)議棧包括物理層、 數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡層、傳輸層和應用層 ，與互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議棧的五層協(xié)議相對應。 圖 所示是一種細化了的協(xié)議棧， 定位和時間 同步協(xié)商，同時又要為網(wǎng)絡協(xié)議各層提供信息支持，所以用到 L 型描述兩個功能子層。 獨立于協(xié)議棧外的各協(xié)議，通過各種收集和配置接口對相應的機制進行配 置和監(jiān)控。如能量管理， 每個協(xié)議層中都要增加能量控制代碼，并提供給操作系統(tǒng)進行能量分配決策； Qos 管理在各層協(xié)議層設計隊列管理、優(yōu)先級機制或帶寬預留機制，并對特定應用的數(shù)據(jù)給予特別處理； 拓撲控制利用物理層、鏈路層或路由層完成拓撲生成， 反過來又為它們提供基礎信息支持，優(yōu)化 MAC 協(xié)議和路由協(xié)議的過程， 提高協(xié)議效率，減少網(wǎng)絡能量消耗；網(wǎng)絡管理則要求協(xié)議各層嵌入各種信息接口，并定時收集協(xié)議運行狀態(tài)和流量信息，協(xié)調(diào)控制網(wǎng)絡中各個協(xié)議組件的運行。 圖 傳感器網(wǎng)絡協(xié)議棧 鞏艷：無線傳感器網(wǎng)絡 SMAC 協(xié)議的研究 6 傳感器網(wǎng)絡的特征 傳 感器節(jié)點能量有限 傳感器節(jié)點體積微小， 通常攜帶能量十分有限的電池。 節(jié)點中消耗能量的模塊有傳感器模塊、處理器模塊和通信模塊。 隨著集成電路工藝的進步，處理器和傳感器模塊的功耗很低。絕大部分能量消耗在無線通信模塊上。 圖 給出的是 Deborah Estrin 在 Mobi 2020 會議上的特邀報告 (Wireless Sensor Network， Part IV： Sensor Network Protocols)[4]中所述傳感器節(jié)點各模塊的能量消耗情況。 從圖中可知 傳感器節(jié)點的絕大部分能量消耗在無線通信模塊上 ，而且無線通信模塊在空閑狀態(tài)和接收狀態(tài)的能量消耗接近，在睡眠狀態(tài)的能量消耗最少。 圖 傳感器節(jié)點各模塊的能量消耗情況 傳感器網(wǎng)絡的特點 1．傳感器網(wǎng)絡是以數(shù)據(jù)為中心 (DataCentric)的網(wǎng)絡 [5]，整個網(wǎng)絡相當 于分布式的網(wǎng)絡數(shù)據(jù)庫，要查詢的數(shù)據(jù)分布在所有或部分節(jié)點中。 傳感器網(wǎng)絡中每個傳感器節(jié)點同時具有終端系統(tǒng)和路由器兩者的作用： 傳感器節(jié)點接收匯聚節(jié)點的查詢或控制命令，實現(xiàn)信息的采集、處理和收發(fā)功能； 同時，處理和轉(zhuǎn)發(fā)收到的來自其他節(jié)點的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)路由的功能。 由于傳感器網(wǎng)絡關注的 是具有某種特性的數(shù)據(jù)，加之傳感器節(jié)點數(shù)目巨大和節(jié)點放置的隨機性，傳感器節(jié)點可以不采用與 IP 地址類似的編址，而是使用僅在局部能夠區(qū)分的標號進行標識。 2．傳感器網(wǎng)絡是與應用相關的網(wǎng)絡。 傳統(tǒng)網(wǎng)絡發(fā)展的趨勢是電信網(wǎng)、計算機網(wǎng)以及電視網(wǎng)的逐步融合， 而傳感器網(wǎng)絡是針對某個或某些應用而專門設計的。 傳感器網(wǎng)絡中鄰居節(jié)點的數(shù)據(jù)具有相似性，它們監(jiān)測 到的事件可能是同一事件 (如火災 )， 從不同監(jiān)測點得到同一事件的相關數(shù)據(jù)，因此這些數(shù)據(jù)存在信息的冗余性 。 在數(shù)據(jù)傳輸路徑上的中間傳感器節(jié)點需要針對具體應用，對收到其他節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)來的數(shù)據(jù)以及 本身采集的數(shù)據(jù)進行融合、緩存和轉(zhuǎn)發(fā)，2020 屆通信工程專業(yè)畢業(yè)設計（論文） 7 減少冗余數(shù)據(jù)的發(fā)送，以求有效地節(jié)省網(wǎng)絡資源，特別是能源。 傳感器網(wǎng)絡的應用前景 雖然傳感器網(wǎng)絡的大規(guī)模商業(yè)應用，由于技術(shù)等方面的制約還有待時日，但是最近幾年，隨著計算成本的下降以及微處理器體積越來越小，已經(jīng)有為數(shù)不少的傳感器網(wǎng)絡開始投入使用。 目前傳感器網(wǎng)絡的應用主要集中在以下領域： 1． 軍事領域 傳感器網(wǎng)絡將會成為現(xiàn)代化戰(zhàn)場指揮系統(tǒng)不可或缺的一部分。由于傳感器網(wǎng)絡具有密集型、隨機分布的特點，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。 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(shù)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(shù)銷售將從 2020 年的 1000 萬美元增加到 2020 年的幾十億美元。 2． 環(huán)境監(jiān)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， 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，英特爾研究實驗室研究人員曾經(jīng)將 32 個小型傳感器連進互聯(lián)網(wǎng)，以讀出緬因州 “大 鴨島 ”上的氣候，用來評價一種海燕巢的條件。 傳感器萬網(wǎng)絡還可以跟蹤候鳥和昆蟲的遷移，研究環(huán)境變化對農(nóng)作物的影響， 監(jiān)測海洋、大氣和土壤的成分等。 此外，它也可以應用在精細農(nóng)業(yè)中， 來監(jiān)測農(nóng)作物 中的害蟲、土壤的酸堿度和施肥狀況等。 3． 醫(yī)療護理 傳感器網(wǎng)絡在醫(yī)療研究、護理領域也可以大展身手。 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傳感器網(wǎng)絡的家庭護理技術(shù)。該技術(shù)是作為探討應對老齡化社會的技術(shù)項 目 Center for Aging Services Technologies(CAST)的一個環(huán)節(jié)開發(fā)的。 該系統(tǒng)通過在鞋、家具以及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)家庭護理技術(shù)方面，傳感器網(wǎng)落是非常有前途的領域 ”。 鞏艷：無線傳感器網(wǎng)絡 SMAC 協(xié)議的研究 8 無線傳感器網(wǎng)絡的關鍵技術(shù) 無線傳感器網(wǎng)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(shù)有待發(fā)現(xiàn)和研究，下面僅列出部分關鍵技術(shù) [6]。 1． 網(wǎng)絡拓撲控制 通過拓撲控制自動生成的良好的網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)，能夠提高路由協(xié)議和 MAC 協(xié)議的效率，可為數(shù)據(jù)融合、時間同步和目標定位等很多方面奠定基礎，有利于節(jié)省節(jié)點的能量來延長網(wǎng)絡的生存期。 2． 網(wǎng)絡協(xié)議 傳感網(wǎng)絡協(xié)議負責使各個獨立的節(jié)點形成一個多跳的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡，目前研究的重點是網(wǎng)絡層協(xié)議和數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議。網(wǎng)絡層的路由協(xié)議決定監(jiān)測信息的傳輸路徑；數(shù)據(jù)鏈路層的介質(zhì)訪問控制用來構(gòu)建底層的基礎結(jié)構(gòu)，控制傳感器 節(jié)點的通信過程和工作模式。 3． 網(wǎng)絡安全 為了保證任務的機密布置和任務執(zhí)行結(jié)果的安全傳遞和融合，傳感器網(wǎng)絡需要實現(xiàn)一些最基本的安全機制：機密性、點到點的消息認證、完整性鑒別、新鮮性、認證廣播和安全管理。除此之外，為了確保數(shù)據(jù)融合后數(shù)據(jù)信息的保留，水印技術(shù)也成為傳感器網(wǎng)絡研究內(nèi)容。SPING[7]安全框架是目前傳感器網(wǎng)絡安全最有代表性的算法。 4． 時間同步 時間同步是需要協(xié)同工作的傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)的一個關鍵機制。目前已提出了多個時間同步機制 [8]，其中 RBS、 TINY/MINISYNC 和 TPSN 被認為是三個基 本的同步機制。 5． 定位技術(shù) 確定事件發(fā)生的位置或采集數(shù)據(jù)的節(jié)點位置是傳感器網(wǎng)絡最基本的功能之一。根據(jù)定位過程中是否實際測量節(jié)點間的距離或角度，把傳感器網(wǎng)絡中的定位分類為基于距離的定位和距離無關的定位 [9]。 6． 數(shù)據(jù)融合 傳感器網(wǎng)絡存在能量約束。減少傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量能夠有效地節(jié)省能量，因此在從各個傳感器節(jié)點收集數(shù)據(jù)的過程中，可利用節(jié)點的本地計算和存儲能力處理數(shù)據(jù)的融合 [10]，去除冗余信息，從而達到節(jié)省能量的目的。 7． 數(shù)據(jù)管理 數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)必須在盡量減少能量消耗的同時提供有效的數(shù)據(jù)服務。傳統(tǒng)分布式數(shù)據(jù)庫的數(shù) 據(jù)管理技術(shù)不適用于傳感器網(wǎng)絡。傳感器網(wǎng)絡中數(shù)據(jù)的存儲采用網(wǎng)絡外部存儲、本地存儲和數(shù)據(jù)為中心的存儲三種方式。相對于其他兩種方式，以數(shù)據(jù)為中心的存儲方式可以在通2020 屆通信工程專業(yè)畢業(yè)設計（論文） 9 信效率和能量消耗兩個方面獲得很好的折中。 8． 無線通信技術(shù) 傳感器網(wǎng)絡需要低功耗短距離的無線通信技術(shù) [11]。 標準 [12]是針對低速無線個人域網(wǎng)的無線通信標準，把低功耗、低成本作為設計的主要目標。由于 標準的網(wǎng)絡特征與無線傳感器網(wǎng)絡存在很多相似之處。故很多研究機構(gòu)把 作為無線傳感器網(wǎng)絡的 無線通信平臺。超寬帶技術(shù)（ UWB） [13]是一種極具潛力的無線通信技術(shù)。超寬帶技術(shù)具有對信道衰落不敏感、發(fā)射信號功率譜密度低、低截獲能力、系統(tǒng)復雜度低、能提供數(shù)厘米的定位精度等優(yōu)點，非常適合應用在無線傳感器網(wǎng)絡中，不過目前還沒有正式的國際標準。 9． 嵌入式操作系統(tǒng) 傳感器節(jié)點是一個微型的嵌入式系統(tǒng)，攜帶非常有限的硬件資源，需要操作系統(tǒng)能夠節(jié)能高效地使用其有限的內(nèi)存、處理器和通信模塊，且能夠?qū)Ω鞣N特定應用提供最大的支持。在面向無線傳感器網(wǎng)絡的操作系統(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。美國加州大學 伯克分校針對無線傳感器網(wǎng)絡研發(fā)了 TinyOS 操作系統(tǒng)，在科研機構(gòu)中得到比較廣泛的使用，但仍然存在不足之處。 本章小結(jié) 本章介紹了一種新興的無線網(wǎng)絡 無線傳感器網(wǎng)絡，介紹了其概念、特點、體系結(jié)構(gòu)、應用領域和對未來網(wǎng)絡的深遠影響，詳細分析了傳感器網(wǎng)絡的研究進展及設計時需考慮的因素，總結(jié)了現(xiàn)有的傳感器網(wǎng)絡的網(wǎng)絡架構(gòu)以及現(xiàn)在面臨的技術(shù)難點和挑戰(zhàn)，最后，根據(jù)當前的應用需要和研究狀況，給出了傳感器網(wǎng)絡研究的幾個方向。 鞏艷：無線傳感器網(wǎng)絡 SMAC 協(xié)議的研究 10 第 3 章 MAC 協(xié)議 MAC 協(xié)議 設計的因素 MAC 協(xié)議保證 節(jié)點間的完整、無誤、可靠的通信，并且使各節(jié)點在整個網(wǎng)絡中公平、有效的共享通信信道。無線自組織網(wǎng)絡主要考慮如何在節(jié)點在高速移動性的環(huán)境中如何高效建立連接，同時考慮 QoS 要求，能量消耗不是其主要考慮因素。無線傳感器網(wǎng)絡的 MAC 協(xié)議首要考慮的因素就是節(jié)省能量，無線傳感器網(wǎng)絡的性能如能量消耗、吞吐量、端到端延遲性能等很大程度上取決于所采用的 MAC 協(xié)議，與無線自組織網(wǎng)絡的 MAC 協(xié)議相比較，無線傳感器網(wǎng)絡的 MAC 協(xié)議需要考慮以下幾個因素 [14]。 1． 節(jié)點自身約束 無線傳感器網(wǎng)絡的節(jié)點能量有限，無線傳感器網(wǎng)絡的節(jié)點一般 以電池提供能量，由于節(jié)點數(shù)目眾多或無人職守等原因，能量不便進行補充。所以，節(jié)能成為無線傳感器網(wǎng)絡 MAC協(xié)議設計的最核心問題，需要在充分滿足應用的前提下盡最大可能延長網(wǎng)絡壽命。無線傳感器節(jié)點由于受體積、成本等因素影響，處理和存儲能力有限，這要求在 MAC 協(xié)議設計時盡量簡化協(xié)議的運行機制，減速運算和存儲量。 2． 適應性 傳感器節(jié)點多為靜止狀態(tài)，但是節(jié)點因為能量耗盡而失效以及新節(jié)點的加入都會造成節(jié)點的拓撲結(jié)構(gòu)發(fā)生變化， MAC 協(xié)議設計時也需要適應這種局部拓撲的變化，使協(xié)議具有一定適應性。 3． 網(wǎng)絡吞吐量、延時、信道帶 寬 無線傳感器網(wǎng)絡的業(yè)務類型單一、業(yè)務量小，應用層的業(yè)務對于帶寬利用率和網(wǎng)絡的吞吐等性能的要求不是很嚴格。業(yè)務具有一定規(guī)律，無線傳感器網(wǎng)絡以信息獲取為目的，應用層的業(yè)務類型主要歸納為三類，即 sink 向傳感器節(jié)點分配任務、查詢數(shù)據(jù)的業(yè)務，傳感器節(jié)點向 sink 報告監(jiān)測的業(yè)務，以及傳感器節(jié)點之間的協(xié)作處理監(jiān)測數(shù)據(jù)的業(yè)務。前兩種業(yè)務具有很明顯的方向性，第三種業(yè)務方向性不明顯。在 MAC 協(xié)議設計時需要考慮三種業(yè)務的多數(shù)來合理的分配信道資源，簡化 MAC 協(xié)議運行機制，降低能耗和提高信道利用率。 4． 能量消耗原因和改進策略 受到傳感節(jié)點電池容量的限制，提高能量效率和延長網(wǎng)絡生命周期時成為無線傳感器網(wǎng)絡 MAC 協(xié)議主要的設計準則。無線傳感器網(wǎng)絡的 MAC 協(xié)議能量消耗原因有： (1)節(jié)點在傳輸時不可避免的沖突引起重傳，重傳則帶來的多余能量消耗。 2020 屆通信工