【正文】 當多個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的傳感器節(jié)點同時到達組節(jié)點的時候，組節(jié)點運行數(shù)據(jù)融合算法進行數(shù)據(jù)融合操作。(5)如果該應(yīng)答的節(jié)點不包含中心節(jié)點通路，則將該節(jié)點加入可連通路徑。傳輸網(wǎng)絡(luò)的形成流程如圖 43 所示：(1)某個組節(jié)點判斷自己是否屬于傳輸網(wǎng)絡(luò)。③服務(wù)管理層：該層主要作用是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的管理和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的形成和管理，主要完成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能量管理和服務(wù)質(zhì)量控制等任務(wù)。其結(jié)構(gòu)如圖 42 所示。第三層是中心節(jié)點層。(2)組節(jié)點的形成可以反映監(jiān)測區(qū)域狀態(tài)的快速變化情況。檢測節(jié)點具有無線通信能力、智能化程度足夠高的數(shù)據(jù)處理和網(wǎng)絡(luò)處理能力，可以布置在遙遠的地理位置上，要求最低的建立成本和管理成本。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)格結(jié)合框架中，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)主要完成監(jiān)測區(qū)域數(shù)據(jù)的采集、原始數(shù)據(jù)融合、組節(jié)點數(shù)據(jù)融合和向中心節(jié)點傳輸數(shù)據(jù)的工作。在該結(jié)合框架中，中心節(jié)點就代表著一個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，所有無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)都通過中心節(jié)點向上傳輸，上層對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的操作也通過中心節(jié)點向下層下達。其結(jié)合框架如圖 41 所示。由于高動態(tài)的傳感器網(wǎng)格環(huán)境，任何關(guān)于 QoS 供應(yīng)的嘗試都應(yīng)該是自適應(yīng)的。另外還需要服務(wù)描述來表達一個傳感器服務(wù)做什么，如何存取它以及該服務(wù)的 QoS 參數(shù)。傳感器應(yīng)用的 QoS 需求規(guī)范應(yīng)該以一個高層次的方式描述出來，需要一個好的機制來完成高級別的需求到低級別 QoS 參數(shù)的映射。如果有足夠的傳感資源，傳感任務(wù)也可以復制。結(jié)合框架為了同時保證網(wǎng)格和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的安全，需要將網(wǎng)格安全技術(shù)和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)有機結(jié)合起來，確保整個系統(tǒng)的安全。(6)系統(tǒng)數(shù)據(jù)安全性無線傳感器網(wǎng)絡(luò)所感知到的數(shù)據(jù)往往都是非常重要而且要求保密的，不允許任何數(shù)據(jù)的竊取和惡意修改。這就要求用戶有一個簡單接口來交互地給 WSN 分配、調(diào)度任務(wù)。所以能量管理是一個需要重點考慮的問題，要在執(zhí)行操作和節(jié)省能量之間做出權(quán)衡。結(jié)合框架需要在不改變整體結(jié)構(gòu)的前提下將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)動態(tài)加入到網(wǎng)格中。介質(zhì)訪問控制(MAC)協(xié)議決定無線信道的使用方式，它通過在傳感器節(jié)點之間分配和共享有限的無線信道資源，構(gòu)建起無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)的底層基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。網(wǎng)格是通過快速和可靠的有線連接將網(wǎng)絡(luò)中的各種設(shè)備互聯(lián)起來，形成一個一大的資源共享網(wǎng)絡(luò)。 [1][2][3][5][11][12](1)不同網(wǎng)絡(luò)的連接問題在 WSN 中，各個通信節(jié)點通過無線媒介相互連接，這些鏈路可以由無線電波、紅外線、光構(gòu)成。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)成為一個新北方民族大學畢業(yè)論文 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與網(wǎng)格結(jié)合研究第 24 頁的計算平臺，它可以無縫銜接數(shù)字世界和物理世界。網(wǎng)格主要完成任務(wù)管理層和服務(wù)管理層的數(shù)據(jù)融合。在我國，網(wǎng)格研究項目主要有以中科院為主的“國家高性能計算環(huán)境”和清華大學牽頭、教育部支持的重點項目“先進計算基礎(chǔ)設(shè)施北京上海試點工程” ，兩個網(wǎng)格計算項目已取得重要成果。 我國網(wǎng)格研究現(xiàn)狀從 1995 年開始，中國科學院計算所就建立了專門的網(wǎng)格研究隊伍，開始研究與網(wǎng)格相關(guān)的技術(shù)，并成功開發(fā)了多個版本的信息一體化平臺。(4)遠程沉浸。(3)數(shù)據(jù)密集型計算。(1)分布式超級計算。通信技術(shù)是實現(xiàn)網(wǎng)格計算系統(tǒng)安全可靠地進行資源動態(tài)整合、任務(wù)分布協(xié)同的保證。第三是資源信息的描述和表示方法，需要設(shè)計一種具有通用性和擴展性的、簡單易用的、統(tǒng)一的資源信息元數(shù)據(jù)描述和表示方法，以便屏蔽大量資源數(shù)據(jù)的異構(gòu)性，按照統(tǒng)一的形式進行操作和訪問。網(wǎng)格環(huán)境需要數(shù)據(jù)資源的高度共享與用戶之間的密切協(xié)作，數(shù)據(jù)信息如何發(fā)布并被發(fā)現(xiàn)是達到該目的的關(guān)鍵技術(shù)之一。網(wǎng)格可以實現(xiàn)用戶共享跨多個管理域的資源，實現(xiàn)單一的資源共享空間，用戶定義和分類是從整個網(wǎng)格的角度進行的。網(wǎng)格計算的目標是分解一個應(yīng)用為幾個任務(wù)或子任務(wù)，并為每個任務(wù)匹配一個最適合執(zhí)行的機器。知識網(wǎng)格與數(shù)據(jù)網(wǎng)格的主要區(qū)別在于知識網(wǎng)格的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及數(shù)據(jù)之間的關(guān)系更加復雜，主要反映在以下幾個方面：數(shù)據(jù)對象的來源多樣化；數(shù)據(jù)對象的信息即屬性更加復雜；數(shù)據(jù)對象之間的關(guān)系復雜化，難以用傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的二維關(guān)系來表達。并發(fā)應(yīng)用的接口圖 33 OGSA 的網(wǎng)格服務(wù)示意圖北方民族大學畢業(yè)論文 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與網(wǎng)格結(jié)合研究第 20 頁起來，以盡量小的管理開銷達到完成一個共同計算任務(wù)的目的，成為科學計算網(wǎng)格的中心任務(wù)。授權(quán)在OGSA中引入了軟狀態(tài)來實現(xiàn)服務(wù)生命周期的管理，解決了臨時服務(wù)永久占用資源的問題，并可以在臨時服務(wù)的生命周期內(nèi)根據(jù)需要不斷擴展生命周期。 網(wǎng)格服務(wù)通過定義接口來完成不同的功能，服務(wù)數(shù)據(jù)是關(guān)于網(wǎng)格服務(wù)實例的信息，因此網(wǎng)格服務(wù)可以表示為：網(wǎng)格服務(wù)=接口/ 行為+服務(wù)數(shù)據(jù)。應(yīng)用程序的開發(fā)涉及到大量的庫函數(shù)，為便于網(wǎng)格應(yīng)用程序的開發(fā)，需要構(gòu)建一個支持網(wǎng)格計算的庫函數(shù)。第四層為匯聚層(ConectiveLayer):該層的作用是將資源層提交的受控資源匯聚在一起，供虛擬組織的應(yīng)用程序共享、調(diào)用。通信協(xié)議使構(gòu)造層資源間的數(shù)據(jù)交換成為可能。第一層為構(gòu)造層(FabricLayer):該層組件實現(xiàn)了基于底層特定資源的高層共享操作。五層沙漏體系結(jié)構(gòu)是以協(xié)議為中心的協(xié)議結(jié)構(gòu)，自下而上分別為:構(gòu)造層、連接層、資源層、匯聚層和應(yīng)用層。 網(wǎng)格體系結(jié)構(gòu)網(wǎng)格體系結(jié)構(gòu)是網(wǎng)格系統(tǒng)的骨架，是關(guān)于如何建造網(wǎng)格的技術(shù)。(3)易訪問性要求。網(wǎng)格的可靠性指網(wǎng)格提供的計算能力必須保證持續(xù)、穩(wěn)定和安全，網(wǎng)格內(nèi)部個別資源的變化對網(wǎng)格應(yīng)用不會造成影響。以前對資源的共享大多停留在數(shù)據(jù)文件傳輸?shù)膶哟?，而網(wǎng)格資源的共享允許直接使用或控制其他資源，充分利用網(wǎng)格提供的各種功能。在以前，要使用這些資源，必須得到特定的位置去，這在很大程度上限制了資源的使用率。它充分利用地理上分散的異構(gòu)資源(高速互聯(lián)的異構(gòu)計算機、數(shù)據(jù)庫、科學儀器、文件和超級計算系統(tǒng)等)進行廣域環(huán)境的分布式高性能計算、協(xié)同計算或高吞吐量計算，實現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用的協(xié)同求解和應(yīng)用服務(wù)。 網(wǎng)格的意義網(wǎng)格是一種面向問題和應(yīng)用的技術(shù)，隨著網(wǎng)格技術(shù)的不斷完善和應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴展，網(wǎng)格可以在更多的領(lǐng)域得到應(yīng)用，發(fā)揮更大的作用 [13]。網(wǎng)格資源監(jiān)控系統(tǒng)可以對網(wǎng)格資源進行狀態(tài)監(jiān)控，對于異常情況會及時向管理員做出反映，而且可以通過監(jiān)控系統(tǒng)對系統(tǒng)進行控制，改變其狀態(tài)和行為。網(wǎng)格上的資源首先是屬于某一本地的個人或者組織，網(wǎng)格資源的擁有者對資源具有最高級別的管理權(quán)限，網(wǎng)格應(yīng)該允許資源擁有者對其資源有自主的管理能力，因此，網(wǎng)格具有自治性。(2)異構(gòu)性。網(wǎng)格通信服務(wù)主要完成五層沙漏模型中的連接層功能。網(wǎng)格環(huán)境下的應(yīng)用程序調(diào)度方法包括應(yīng)用程序網(wǎng)格調(diào)度模型、機器選擇算法和任務(wù)映射與調(diào)度算法。(1)分布性。網(wǎng)格可以分為計算網(wǎng)格、數(shù)據(jù)網(wǎng)格及服務(wù)網(wǎng)格。這種方法成本很低，節(jié)點體積小，相互之間可以通信，也可以和地面站進行通信。雖然地殼偶爾小的震動可能不會帶來看得見的損壞，但是建筑物上也許會產(chǎn)生潛在的裂縫，這些裂縫可能會導致建筑物在下一次地震中倒塌。(4)智能家居在家電和家具中嵌入傳感器節(jié)點，通過無線網(wǎng)絡(luò)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。(2)環(huán)境觀測和預(yù)報系統(tǒng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可用于監(jiān)視農(nóng)作物灌溉情況、土壤和空氣情況、牲畜和家禽的生存環(huán)境狀況和大面積的地表監(jiān)測；可用于行星探測、氣象和地理研究、森林環(huán)境監(jiān)測、火災(zāi)報告、洪水監(jiān)測；可以通過跟蹤鳥類、小型動物和昆蟲進行種群復雜度的研究；能夠進行動物棲息地生態(tài)監(jiān)測，對生態(tài)進行多樣性描述；還可以利用WSN監(jiān)測與分析冰河的變化情況來推斷地球氣候的變化 [6]。它能夠廣泛地應(yīng)用于軍事、環(huán)境監(jiān)測和保護、健康護理、智能家居、建筑物狀態(tài)監(jiān)控、復雜機械監(jiān)控、城市交通、空間探測、大型車間和倉庫管理，以及機場、大型工業(yè)園區(qū)的安全監(jiān)測等領(lǐng)域 [3][5][6][7][14]。(10)應(yīng)用層技術(shù)北方民族大學畢業(yè)論文 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與網(wǎng)格結(jié)合研究第 12 頁傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層由各種面向應(yīng)用的軟件系統(tǒng)構(gòu)成，部署的傳感器網(wǎng)絡(luò)往往執(zhí)行多種任務(wù)。由于IEEE ，故很多研究機構(gòu)把它作為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的無線通信平臺。以數(shù)據(jù)庫的方法在傳感器網(wǎng)絡(luò)中進行數(shù)據(jù)管理，可以將存儲在網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)邏輯視圖與網(wǎng)絡(luò)中的實現(xiàn)進行分離，使得傳感器網(wǎng)絡(luò)的用戶只需要關(guān)心數(shù)據(jù)查詢的邏輯結(jié)構(gòu)，無需關(guān)心實現(xiàn)細節(jié)。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，去除冗余信息，從而達到節(jié)省能量的目的。(5)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，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(luò)最基本的功能之一。 (4)時間同步時間同步是需要協(xié)同工作的傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的一個關(guān)鍵機制。網(wǎng)絡(luò)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(chǔ)結(jié)構(gòu)，控制傳感器節(jié)點的通信過程和工作模式 [7]。 (2)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議由于傳感器節(jié)點的計算能力、存儲能力、通信能力以及攜帶的能量都十分有限，每個節(jié)點只能獲取局部網(wǎng)絡(luò)的拓撲信息，其上運行的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議也不能太復雜。 (1)網(wǎng)絡(luò)拓撲控制拓撲控制是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究的核心技術(shù)之一。網(wǎng)絡(luò)在獲得指定事件的信息后匯報給用戶。針對每一個具體應(yīng)用來研究傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，這是傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計不同于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的顯著特征。這些都要求傳感器節(jié)點非常堅固，不易損壞，適應(yīng)各種惡劣環(huán)境條件，其軟硬件必須具有健壯性和容錯性 [2][3][6]。這就要求傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)要能夠適應(yīng)這種變化，具有動態(tài)的系統(tǒng)可重構(gòu)性。傳感器節(jié)點的位置不能預(yù)先精確設(shè)定，節(jié)點之間的相互鄰居關(guān)系預(yù)先也不知道，如通過飛機播撒大量傳感器節(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。如何利用有限的計算和存儲資源完成諸多協(xié)同任務(wù)成為傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的挑戰(zhàn)。在這樣的通信環(huán)境和節(jié)點有限通信能力的情況下，如何設(shè)計網(wǎng)絡(luò)通信機制以滿足傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信需求是傳感器網(wǎng)絡(luò)面臨的挑戰(zhàn)之一。 (2) 通信能力有限。(1)電源能量有限。(5)傳感器數(shù)量多，分布范圍廣。傳感器節(jié)點都有嵌入式微處理器和存儲器，嵌入式微處理器的處理和存儲器的存儲容量有限，因此傳感器的計算能力十分有限。應(yīng)用中的傳感器節(jié)點要高度集成化，保證對目標系統(tǒng)的特性不會造成影響。大量傳感器節(jié)點隨機部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)部或附近，能夠通過自組織方式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)。傳感器節(jié)點最重要的組成單元是功率單元，功率受到諸如太陽能電池之類的功率提取單元的支持。感知單元通常由兩個子單元組成：傳感器(數(shù)量、種類可變)和模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)。北方民族大學畢業(yè)論文 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與網(wǎng)格結(jié)合研究第 5 頁傳感器 ADC 處理器存儲器收發(fā)信機感知單元 處理單元功率單元功率發(fā)生器定位系統(tǒng) 移動管理器圖 21 WSN 傳感器節(jié)點的組成第 2 章 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)概述無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是新一代的傳感器網(wǎng)絡(luò)，它是典型的具有交叉學科性質(zhì)的軍民兩用的高科技技術(shù)，可以廣泛應(yīng)用于軍事、國家安全、環(huán)境科學、交通管理、災(zāi)害預(yù)測、醫(yī)療衛(wèi)生、制造業(yè)、城市信息化建設(shè)等領(lǐng)域，其發(fā)展和應(yīng)用將會給人們的生活和生產(chǎn)帶來深遠影響。該框架主要包括無線傳感器網(wǎng)絡(luò)層和網(wǎng)格層。本文大致分為 5 章。網(wǎng)格能夠?qū)π畔⑦M行處理和共享，這些信息目前基本上來自計算機網(wǎng)絡(luò)，隨著科技的發(fā)展，未來的應(yīng)用不會只局限于對這些信息的存取，將會擴展到對真實自然信息的存取。HourGlass [1]是一個網(wǎng)格和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合方案，它能夠提供一個網(wǎng)格 API(Application Programming Interface,應(yīng)用程序編程接口)給不同的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)組，使應(yīng)用程序可以通過 OGSA(Open Grid Services Atchitecture，開放式網(wǎng)格服務(wù)體系) 標準訪問無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)。目前網(wǎng)格的研究已經(jīng)從美國和歐洲推廣到了世界各大洲，各個國家和地區(qū)都投入了大量的資金進行網(wǎng)格技術(shù)研究和網(wǎng)格基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。他們成功創(chuàng)建了瓶蓋大小的全功能傳感器，可以執(zhí)行計算、檢測與通信等功能。 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是新一代的傳感器網(wǎng)絡(luò)，具有非常廣泛的應(yīng)用前景，其發(fā)展和應(yīng)用，將會給人們生活和生產(chǎn)的各個領(lǐng)域帶來深遠的影響。網(wǎng)格技術(shù)將為高能物理、大氣、天文、生物信息、石油地質(zhì)等許多重大應(yīng)用領(lǐng)域提供科學活動的虛擬計算環(huán)境，必將對社會和經(jīng)濟的發(fā)展、國防科學研究以及人們的生活工作方式產(chǎn)生巨大的影響。網(wǎng)格的目標是把整個因特網(wǎng)整合成一臺巨大的超級虛擬計算機，實現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)上所有資源的互聯(lián)互通，完成計算資源、存儲資源、通信資源、軟件資源、信息資源、知識資源、專家資源等的智能共享?；谖⑿蜋C電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)、無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及低功耗微型廉價處理器，人們能夠布置無線 Ad Hoc 網(wǎng)絡(luò)，開展各種各樣的 WSN 應(yīng)用。從 20 世紀末開始，現(xiàn)場總線技術(shù)開始應(yīng)用于傳感器網(wǎng)絡(luò)，人們用其組建智能化傳感器網(wǎng)絡(luò)，大量多功能傳感器被運用，并使用無線技術(shù)進行連接，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Networks, WSN)逐漸形成。一方面，國家在先進技術(shù)方面不斷加大資助力度；另一方面，通過長期的學習和跟蹤，我國科技人員也積累了大量的技術(shù)知識和經(jīng)驗，已經(jīng)具備在一些新興技術(shù)領(lǐng)域與國外一爭高下的能力。