【正文】 的物理量，是國(guó)際單位制中 7 個(gè)基本物理量之一。 溫濕度傳感器是指能將溫度量和濕度量轉(zhuǎn)換成容易被測(cè)量處理的電信號(hào)的設(shè)備或裝置。也就是說(shuō)為了保證無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性，我們應(yīng)該通過(guò) MAC 層來(lái)讓數(shù)據(jù)包能 盡快的通過(guò)無(wú)線介質(zhì)發(fā)送出去；通過(guò)路由層來(lái)選擇最快最可靠的路徑將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到 Sink 節(jié)點(diǎn)。 訪問(wèn)仲裁過(guò)程決定一個(gè)節(jié)點(diǎn)什么時(shí)候可以 通過(guò)無(wú)線介質(zhì)發(fā)送數(shù)據(jù)，而傳輸控制過(guò)程決定節(jié)點(diǎn)可在無(wú)線介質(zhì)上不間斷傳輸數(shù)據(jù)的時(shí) 間。首先，無(wú)線鏈路不穩(wěn)定，易 受周圍環(huán)境和噪聲的影響，因此通信延遲很難估計(jì)；其次，許多無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用需 要在僅有電池供電的情況下工作數(shù)月甚至數(shù)年， 這要求在滿足應(yīng)用實(shí)時(shí)性的同時(shí)必須考慮 如何減小網(wǎng)絡(luò)的能量開銷；再次，在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中不同數(shù)據(jù)包有不同延遲要求，高優(yōu) 先級(jí)的數(shù)據(jù)包抵達(dá)基站節(jié)點(diǎn)的延遲要少于低優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)包； 最后， 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)資 源受限，因此在設(shè)計(jì)相應(yīng)的協(xié)議時(shí)需要減少通信以及能量開銷。這是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)和有線網(wǎng)絡(luò)的不同之處。 由于無(wú)線傳感器網(wǎng) 絡(luò)是 Ad hoc 網(wǎng)的一個(gè)特例，數(shù)據(jù)包需要通過(guò)多跳傳輸才能到達(dá)目的地，因此實(shí)時(shí)傳輸過(guò) 程中數(shù)據(jù)包的調(diào)度除了考慮時(shí)間約束外還需要考慮距離約束。 如果兩個(gè)過(guò)程能有機(jī)地結(jié)合在一起，就 能很好保證通訊協(xié)議的實(shí)時(shí)性。 訪問(wèn)仲裁過(guò)程是為 了保證各個(gè)節(jié)點(diǎn)的實(shí)時(shí)性，而傳輸控制過(guò)程則是保證整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性。 一般來(lái)說(shuō)，為了保證網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)間數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性，通信協(xié)議需要考慮兩個(gè)過(guò)程： 訪問(wèn)仲裁過(guò)程和傳輸控制過(guò)程。這種方案需要針對(duì)硬件 (網(wǎng)卡 等 )作改動(dòng)，并且在修改了 MAC 層協(xié)議之后，上層協(xié)議集可能也需要進(jìn)行相應(yīng)的修改， 最終形成一個(gè)支持專有協(xié)議的專用系統(tǒng)， 另外一種有效的方式是在 的基礎(chǔ)上采 用一種虛擬的基于令牌的介質(zhì)訪問(wèn)方式， 以避免報(bào)文碰撞的發(fā)生。因此，傳統(tǒng)有線網(wǎng)絡(luò)中的機(jī) 制無(wú)法直接應(yīng)用于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中 。 當(dāng)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)時(shí)， 人們也很自然地有了在傳感 器網(wǎng)絡(luò)上傳送不同類型業(yè)務(wù)的需求， 并且希望無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)能像固定有線網(wǎng)絡(luò)一樣為不 同業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量提供保障。 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性能研究比較 具有實(shí)時(shí)性 要求的通信網(wǎng)絡(luò)與普通通信網(wǎng)絡(luò)的不同在于引入了時(shí)間限制， 它要確保準(zhǔn) 時(shí)地傳遞信息并且支持分布式計(jì)算。我們需 要研究強(qiáng)有力的分布式數(shù)據(jù)流管理、 查詢、 分析和挖掘方法。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)傳感器通常都產(chǎn)生較大的流式數(shù)據(jù)，并 具有實(shí)時(shí)性。成千上萬(wàn)的動(dòng)態(tài)觸發(fā)器的管理是我們面臨的第 6 個(gè)挑戰(zhàn)。 很多無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)需要對(duì)感知對(duì)象進(jìn)行控制， 如溫度控制。 這是我們面臨的第 5 個(gè)挑戰(zhàn) 。因此，網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)變化，傳感器、感知 對(duì)象和觀察者三者之間的路徑也隨之變化。 5)網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)性強(qiáng) 。 傳感器數(shù)量大、 分布廣的特點(diǎn)使得網(wǎng)絡(luò)的 維護(hù)十分困難甚至不可維護(hù)，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的軟、硬件必須具有高健壯性和容錯(cuò)性。 4)傳感器數(shù)量大、 分布范圍廣 。但是，由于嵌入式處理器和存儲(chǔ)器的 能力和容量有限， 傳感器的計(jì)算能力十分有限。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的傳感器都具有嵌入式處理器和存儲(chǔ)器。 如何在網(wǎng)絡(luò) 工作過(guò)程中節(jié)省能源，最大化網(wǎng)絡(luò)的生命周期，是我們面臨的第 2 個(gè)挑戰(zhàn)。傳感器的電源能量極其有限。 因此如何在有限通信能力的條件下高質(zhì)量地完 成感知信息的處理與傳輸，是我們面臨的第 1 個(gè)挑戰(zhàn)。傳感器之間的通信斷接頻繁，經(jīng)常導(dǎo)致通信失敗。這些特點(diǎn)都不同于傳統(tǒng)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，在實(shí)現(xiàn)各種網(wǎng)絡(luò) 協(xié)議和應(yīng)用系統(tǒng)時(shí) 帶來(lái)了許多的約束，同時(shí)也提出了一系列挑戰(zhàn)性問(wèn)題 [2931]： 1)通信能力有限 。從而真正實(shí)現(xiàn)“無(wú)處不在的計(jì)算”理 念。另外，網(wǎng)絡(luò)的自組織、微型化和對(duì)外 部世界的感知能力的三大特點(diǎn)使其在倉(cāng)庫(kù)管理、交互式博物館、交互式玩具、工廠自動(dòng)化生產(chǎn)線等眾多領(lǐng)域，都將會(huì)孕育出全新的設(shè)計(jì)和應(yīng)用模式 [2427]。類似地，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)對(duì)森林火災(zāi)準(zhǔn)確、及時(shí)地預(yù)報(bào)也應(yīng)該 是有幫助的。環(huán)境監(jiān)控方面，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)為野外隨機(jī)性的研究數(shù)據(jù)獲取提供了方便，比 如，跟蹤候鳥和昆蟲的遷移，研究環(huán)境變化對(duì)農(nóng)作物的影響，監(jiān)測(cè)海洋、大氣和土壤的成 分等 [1820]。 現(xiàn)在的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的已經(jīng)在很多應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用 [1217]。 感知對(duì)象的信息一般通過(guò)表示物理現(xiàn)象、化學(xué)現(xiàn)象或其他現(xiàn)象的數(shù)字量來(lái)表示，如溫度、 濕度、物體的大小、物體的移動(dòng)速度等。信息獲取者將對(duì)感知信息進(jìn)行觀察、分析、挖掘、制 定決策，甚至對(duì)感知對(duì)象采取相應(yīng)的行動(dòng)。另外，一個(gè)傳感器網(wǎng)可以有多個(gè)信息獲取者，一個(gè)信息獲取者也 可以是多個(gè)傳感器網(wǎng)的用戶。 信息獲取者可以人， 也可以是計(jì)算機(jī)或其他設(shè)備。 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的概述 當(dāng)前， 自織網(wǎng)的一個(gè)重要的發(fā)展方向是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)， 我們可以把無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò) 定義如下 [11]：無(wú)線傳感器網(wǎng)是由一組按需隨機(jī)分布的集 成有傳感器、數(shù)據(jù)處理單元和通 信模塊的微型傳感器以自組織方式構(gòu)成的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)， 其目的是協(xié)作地感知、 采集和處理網(wǎng) 絡(luò)覆蓋范圍內(nèi)感知對(duì)象的信息，并傳送給信息獲取者。因此在無(wú) 線傳感器網(wǎng)絡(luò)里實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)傳輸具有很多與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)不同的難點(diǎn)。 第七章。 最后將接收到的數(shù)據(jù)通過(guò) tinyos 服務(wù)器以 jsp 曲線動(dòng)態(tài)顯示實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。然后在ubuntu 中編譯并運(yùn)行 Com_Sensor 程序獲取傳感器實(shí)驗(yàn)箱的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制和數(shù)據(jù)線路的分析與整合 傳感器的介紹 和應(yīng)用程序的燒錄 以及實(shí)用 第五章開發(fā)內(nèi)容和傳輸機(jī)制 ； 項(xiàng)目開發(fā)詳細(xì)內(nèi)容 （包括傳感器的配置、傳感器燒錄、數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)收集、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的傳輸、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)在服務(wù)器端的接受及存儲(chǔ) TCPServer 及MySql、數(shù)據(jù)庫(kù)及 Web 服務(wù)器安裝、利用 JSP 曲線動(dòng)態(tài)顯示實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)） 首先燒錄整合好的溫濕度傳感器的代碼。包含了 所需要的軟件設(shè)備，開發(fā)環(huán)境，以及開發(fā)內(nèi)容，和重要的數(shù)據(jù)采集提取 和讀取部分。 網(wǎng)絡(luò)工作方式為信標(biāo)網(wǎng)絡(luò)和非信標(biāo)網(wǎng)絡(luò)，對(duì)不同的網(wǎng)絡(luò)工作方式將采用不同的信道接入機(jī)制。最后介紹了仿真平臺(tái) OPNET。本文研究的概要情況，包括研究背景、國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及研究?jī)?nèi)容等； 第 二 章無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)簡(jiǎn)介。 圖 主要研究?jī)?nèi)容 本文結(jié)構(gòu) 全文共分七章，內(nèi)容包括：緒論；無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)簡(jiǎn)介；無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信延分 析； 節(jié)點(diǎn)級(jí)延遲分析與仿真； 動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)分組調(diào)度算法研究與仿真； 具有優(yōu)先 CSMA/CA 研究與仿真；結(jié)論。 2)針對(duì)在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中， 數(shù)據(jù)分組在不同的應(yīng)用背景下對(duì)傳輸性能有著不同的要 求 (如在家庭網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中和在工業(yè)應(yīng)用中，數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐掏铝亢蛯?shí)時(shí)性等性能要求是不同 的 )，提出了一種具有優(yōu)先級(jí)的 CSMA/CA 算法，使數(shù)據(jù)分組可以根據(jù)其優(yōu)先級(jí)的不同選 擇不同的 BE 或 CW 值，采用離散 Markov 鏈模型對(duì)所提出算法性 能進(jìn)行分析，并進(jìn)行了 仿真驗(yàn)證。 3)根據(jù)以上的理論分析，針對(duì)簡(jiǎn)單優(yōu)先級(jí)調(diào)度算法以及 DropTail 的不足，提出了一 種動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)調(diào)度算法，并通過(guò)仿真對(duì)提出的動(dòng)態(tài)優(yōu)先調(diào)度算法進(jìn)行了性能評(píng)價(jià)。 第二階段，在上階段的研究工作的基礎(chǔ)上，對(duì)節(jié)點(diǎn)級(jí)延遲進(jìn)行研究： 1)利用 M/M/1/n 排隊(duì)模型， 按照先進(jìn)先服務(wù)的規(guī)則對(duì)星型無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中簇頭節(jié)點(diǎn) 建模， 分析數(shù)據(jù)分組的各項(xiàng)性能指標(biāo)， 在系統(tǒng)損失率的約束下， 得到系統(tǒng)參數(shù)的優(yōu)化結(jié)果。 本文研究的內(nèi)容主要分為以下三個(gè)階段： 第一階段， 對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信延遲進(jìn)行分析和研究。由于文獻(xiàn)只進(jìn)行一個(gè)蜂窩內(nèi)的實(shí)驗(yàn)，蜂窩 間的通信問(wèn)題未解決，而且要求網(wǎng)絡(luò)部署成特殊結(jié)構(gòu) (不能隨機(jī)部署 )等其它嚴(yán)格限制而不 具有實(shí)用性的特點(diǎn)。另外 SPEED 協(xié)議無(wú)須 MAC 層提供 Qos 或?qū)崟r(shí)性支持； 最后是建立在 標(biāo)準(zhǔn)之上的 MAC 層解決方 案。 為實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)， SPEED 協(xié)議首先交換節(jié)點(diǎn)的傳輸延遲，以得到網(wǎng)絡(luò)負(fù)載情況；然后節(jié)點(diǎn)利用局部地理信息和傳輸速率信息做出路由決定， 同時(shí)通過(guò)鄰居反饋機(jī)制保證網(wǎng)絡(luò)傳輸速率在一個(gè)全局定義的傳輸速率閥值之上。 SPEED 是地理位置信息相關(guān)的路由協(xié)議， 它通過(guò)保證預(yù)期的發(fā)送速度提供了無(wú)線傳感器網(wǎng) 絡(luò)的實(shí)時(shí)服務(wù)。其次， RAP 根據(jù)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)提出了單調(diào)速度調(diào)度 VMS(Velocity Monotonic Scheduling)策略，使得每一個(gè)數(shù)據(jù)包如果能按 照它要求的速度向著目標(biāo)方向前進(jìn)的話，它一定是可以實(shí)現(xiàn)它的端到端的期限的。 它是針對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)應(yīng)用提出的一種新的體系結(jié)構(gòu)， 指出了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)應(yīng)用的特點(diǎn)及需要考慮的基本 問(wèn)題和基本解決方法。最后，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)資源受限，因此在設(shè)計(jì)相應(yīng)協(xié)議時(shí)要減少通信以 及能量開銷，僅使用節(jié)點(diǎn)內(nèi)存的一小部分來(lái)保存相關(guān)狀態(tài)。首先，無(wú)線鏈路不穩(wěn)定，易受 周圍環(huán)境和噪聲的影響，因此通信延遲難以估計(jì)；其次，許多無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用需要 在僅有電池供電的情況下工作數(shù)月甚至數(shù)年。 其中哈爾濱工業(yè)大學(xué)和黑 龍江大學(xué)在傳感器數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)方面提出了以數(shù)據(jù)為中心的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)模型、 一系列的能源有效的感知數(shù)據(jù)操作算法和感知數(shù)據(jù)查詢處理技術(shù)， 并研制了一個(gè)無(wú)線傳感 器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。 2020 年中國(guó)科學(xué)院依托上海微系統(tǒng)所成立微系統(tǒng)研究與發(fā)展 中心， 在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)方向上陸續(xù)部署了若干重大研究項(xiàng)目， 初步建立了傳感器網(wǎng)絡(luò)系 統(tǒng)的研究平臺(tái)，在無(wú)線智能傳感器網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、微型傳感器、傳感器端機(jī)、移動(dòng)機(jī)站和 應(yīng)用系統(tǒng)等方面取得很大進(jìn)展。 傳感器網(wǎng)絡(luò)為實(shí)現(xiàn)更 加準(zhǔn)確、數(shù)據(jù)量更大、對(duì)環(huán)境影響更小的生態(tài)監(jiān)測(cè)提供一個(gè)全新的手段。 實(shí)驗(yàn)表明傳感器網(wǎng)絡(luò)在這樣的應(yīng)用環(huán)境中有非常明顯的優(yōu)勢(shì)。大鴨島是一個(gè)對(duì)外來(lái)監(jiān)控設(shè)備十分敏感的生態(tài)環(huán)境。 他們提出了低級(jí)通信不依賴于網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的分布式系統(tǒng)技術(shù)、 支持多應(yīng)用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中命名數(shù)據(jù)和網(wǎng)內(nèi)數(shù)據(jù)處理的軟件結(jié)構(gòu)、 變換初始感知為高級(jí)數(shù)據(jù)流的層次系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間同步的解決方法、 自組織無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)問(wèn)題和解決方法、新的多路徑模式等。 針對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)內(nèi)節(jié)點(diǎn)眾多，以及多并發(fā)操作的工作方式， TinyOS 采用了事件驅(qū) 動(dòng)的體系結(jié)構(gòu)。 加州大學(xué)伯克力分校提出了應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)連通性重構(gòu)傳感器位置的方法、 基于相關(guān)性的數(shù) 據(jù)編碼模式、 用稀疏傳感器網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)跟蹤移動(dòng)對(duì)象 路線的方法、 傳感器網(wǎng)絡(luò)上隨時(shí)間變化的連續(xù)流可視化方法、 允許系統(tǒng)級(jí)優(yōu)化時(shí)有效通信機(jī)制的一般化解、 傳感器網(wǎng)絡(luò)上的數(shù)據(jù)分布式存儲(chǔ)的地理表方法、 確定傳感器網(wǎng)絡(luò)中結(jié)點(diǎn)位置的分布式算法等， 同時(shí)專門為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)開發(fā)了一種微型操作系統(tǒng) TinyOS。在美國(guó)自然科學(xué)基金委員會(huì)的推動(dòng)下，加州大學(xué)伯克力分校、麻省理 工學(xué)院、 康奈爾大學(xué)、 加州大學(xué)洛杉磯分校等學(xué)校開始了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)理論和關(guān) 鍵技術(shù)的研究。 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本思想起源于 20 世紀(jì) 70 年代， 研究的重點(diǎn)主要放在國(guó)防項(xiàng)目上?，F(xiàn)在，互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)為人們提供快捷的通信平臺(tái)，極大地方便了人們的信息交流。 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 傳感器技術(shù)、微機(jī)電系統(tǒng)、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)和無(wú)線通信等技術(shù)的進(jìn)步，推動(dòng)了具有現(xiàn)代意義 的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的產(chǎn)生和發(fā)展。目前大多數(shù)無(wú) 線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中， 人們關(guān)注較多的主要有兩個(gè)問(wèn)題 ： 如何保證網(wǎng)絡(luò)能夠及時(shí)可靠地發(fā) 現(xiàn)所實(shí)施應(yīng)用中相關(guān)事件的產(chǎn)生和如何保證采集的傳感數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中傳輸