【正文】 同的網絡設計標準來滿足應用要求。上述這些特點對設計面向無線傳感器網絡的操作系統(tǒng)提出了新的挑戰(zhàn)。傳感器節(jié)點有兩個突出的特點。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存、處理器和通信模塊，且能夠對各種特定應用提供最大的支持。另外，超寬帶技術（UWB）是一種極具潛力的無線通信技術。IEEE ，把低功耗、低成本作為設計的主要目標，旨在為個人或者家庭范圍內不同設備之間低速聯網提供統(tǒng)一標準。因此在節(jié)點手機數據過程中，可利用節(jié)點的本地計算和存儲能力處理數據的融合，去除冗余信息，從而達到節(jié)省能量的目的。無線傳感器網絡中數據的存儲采用網絡外部存儲、本地存儲和以數據為中心的存儲三種方式。此外，對傳感器網絡的數據查詢經常是連續(xù)的查詢或隨即抽樣的查詢，這也使得傳統(tǒng)分布式數據庫的數據管理技術不適用于無線傳感器網絡。由于傳感器節(jié)點能量受限且容易失效，數據管理系統(tǒng)必須在盡量少能量消耗的同時提供有效的數據服務。雖然對網絡所存儲的數據進行抽象會在一定程度上影響執(zhí)行效率，但可以顯著增強無線傳感器網絡的易用性。從數據存儲的角度來看，傳感器網絡可被視為一種分布式數據庫。首先是延遲的代價，在數據傳送的過程中，尋找易于進行數據融合的路由、進行數據融合操作、為融合而等待其他數據的到來，這三個方面都可能增加網絡的平均延遲。在無線傳感器網絡的設計中，只有面向應用需求設計針對性強的數據融合頒發(fā)，才能最大限度地獲益。此外，還有研究者提出了獨立于其他協(xié)議層的數據融合協(xié)議層，通過減少MAC層的發(fā)送沖突和頭部開銷達到節(jié)省能量的目的，同時又不損失時間性能和信息的完整性。數據融合技術可以與傳感器網絡的多個協(xié)議層次進行結合。 數據融合與管理由于傳感網絡存在能量約束，減少傳輸的數據量能夠有效地節(jié)省能量，因此在從各個傳感器節(jié)點收集數據的過程中，可利用節(jié)點的本地計算和存儲能力處理數據的融合，去除冗余信息，從而達到節(jié)省能量的目的。由于無需測量節(jié)點間的絕對距離或方位，因而降低了對節(jié)點硬件的要求，使得節(jié)點成本更適合于大規(guī)模無線傳感器網絡。由于要實際測量節(jié)點間的距離或角度，基于距離的定位機制通常定位精度相對較高，所以對節(jié)點的硬件也提出了很高的要求。基于距離的定位機制就是通過測量相鄰節(jié)點間的實際距離或方位來確定未知節(jié)點的位置，通常采用測距、定位和修正等步驟實現。在傳感器網絡定位過程中，通常使用三邊測量法、三角測量法、極大似然估計確定節(jié)點位置。根據節(jié)點位置是否確定，傳感器節(jié)點分為信標節(jié)點和位置未知節(jié)點。 為了提供有效的位置信息，隨即部署的傳感器節(jié)點必須能夠在布置后確定自身位置。 無線傳感器網絡定位技術位置信息時傳感器節(jié)點采集數據中不可缺少的部分，沒有位置信息的監(jiān)測消息通常毫無意義。TINY/MINISYNC是簡單的輕量級時間同步機制：假設節(jié)點的時鐘漂移循線性變換，那么兩個節(jié)點之間的時間偏移也是線性的，可通過交換時標分組來估計兩個節(jié)點間的最優(yōu)匹配偏移量。目前提出了多個時間同步機制，其中RBS、TINY/MINISYNC和TPSN被認為是三個基本的同步機制。 無線傳感器網絡時間同步時鐘同步是需要協(xié)同工作的傳感器網絡系統(tǒng)的一個關鍵機制。目前提出了SMAC, TMAC, SIFT等基于競爭的MAC協(xié)議，DEANA, TRAMA、DMAC和周期性調度等時分復用的MAC協(xié)議，以及CSMA/CA與CDMA相結合、TDMA和FDMA相結合的MAC協(xié)議。在MAC層的能量浪費主要表現在空閑偵聽、接收不必要數據和碰撞重傳等。網絡效率包括無線傳感器網絡的公平性、實時性、吞吐量以及利用率等。由于在一定范圍內，傳感器節(jié)點數目，分布密度，拓撲結構在不斷發(fā)生變化，節(jié)點位置也可能被移動，新加入節(jié)點融入網絡等問題，導致了無線傳感器網絡的拓撲結構具有動態(tài)性，而MAC協(xié)議也應具有可擴展性，從而適應這種動態(tài)變化的拓撲結構。MAC協(xié)議就需要在滿足網絡應用要求的前提下，盡可能的使節(jié)點能量的消耗達到最小化。所以，在設計MAC協(xié)議首先要考慮到如下幾個方面：（1）節(jié)省能量。由于單個傳感器節(jié)點在能量，計算，存儲以及通信能力上具有局限性，而網絡功能的實現有賴于眾多節(jié)點協(xié)同作用。 MAC協(xié)議在無線傳感器網絡中，MAC層協(xié)議決定了無線信道的使用方式，網絡中各節(jié)點如何分配有限的無線通信資源，構建整個系統(tǒng)的底層基礎結構。對于無線傳感器網絡路由協(xié)議的研究，目前已提出謠傳路由，定向擴散等基于查詢的路由協(xié)議。（4） 可靠的路由協(xié)議。把節(jié)點的位置信息作為網絡路由選擇的重要依據。將無線傳感器網絡應用于跟蹤項目時，需要及時喚醒距離所跟蹤目標最近的傳感器節(jié)點，從而得到目標較為精確的位置信息。當然，傳感器節(jié)點所采集到的數據信息要經過數據融合，壓縮以減少通信流量，達到節(jié)省能量的目的。在諸如環(huán)境檢測、戰(zhàn)場評估中，需要不斷查詢傳感器節(jié)點采集的數據，以及匯聚節(jié)點發(fā)出的任務指令，傳感器節(jié)點向匯聚節(jié)點上傳采集的信息。高效利用網絡能量是傳感器網絡路由協(xié)議的一個顯著特征，從數據傳輸中的能量消耗出發(fā)，討論最優(yōu)能量消耗路徑以及最長網絡生存期等問題。針對不同的傳感器網絡應用，研究人員提出了不同的路由協(xié)議。（4） 快速收斂性。（3） 魯棒性。（2） 可擴展性。傳感器網絡路由協(xié)議不僅要選擇能量消耗小的消息傳輸路徑，而且要從整個網絡的角度考慮，選擇使整個網絡能量均衡消耗的路由。設計者需要針對每一個具體應用的要求，設計與之適應的特定路由機制。（4） 應用相關。傳統(tǒng)的路由協(xié)議通常以地址為節(jié)點的標識和路由的依據，而無線傳感器網絡中大量節(jié)點隨即部署，所關注的是監(jiān)測區(qū)域的感知數據，而不是具體哪個節(jié)點獲取的信息，不依賴于全網惟一標識。在節(jié)點只能獲取局部拓撲信息和資源有限的情況下，如何實現簡單高效的路由機制是無線傳感器網絡的一個基本問題。（2） 基于局部拓撲信息。傳統(tǒng)路由協(xié)議在選擇最優(yōu)路徑時，很少考慮節(jié)點的能量消耗問題。同時，無線傳感器網絡是以數據為中心的，這在路由協(xié)議中表現得尤為突出，每個節(jié)點沒必要采用全網統(tǒng)一的編址，選擇路徑可以不用根據節(jié)點的地址，更多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。Ad hoc、無線局域網等傳統(tǒng)的無線網絡首要目標是提供高服務質量和公平高效地利用網絡帶寬，這些網絡路由協(xié)議的主要任務是尋找原節(jié)點到目的節(jié)點間通信延遲小的路徑，同時提高整個網絡的利用率，避免產生通信擁塞并均衡網絡流量等，而能量消耗問題不是這類網絡考慮的重點。網絡層的路由協(xié)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和基礎結構，控制節(jié)點的通信過程和工作模式。無線傳感器網絡協(xié)議負責使各個獨立的節(jié)點形成 一個多跳的數據傳輸網絡。 無線傳感器網絡通信協(xié)議由于無線傳感器節(jié)點的計算能力、存儲能力、通信能量以及攜帶的能量能十分有限，每個節(jié)點只能獲取局部網絡的拓撲信息，其上運行的網絡協(xié)議也不能太復雜。該機制能夠使節(jié)點在沒有事件發(fā)生時設置通信模塊為睡眠狀態(tài)，而在有事件發(fā)生時，及時自動醒來并喚醒鄰居節(jié)點，形成數據轉發(fā)的拓撲結構。層次型的拓撲控制主要利用分簇機制，在一定通信范圍內，讓一些節(jié)點作為簇頭節(jié)點，以簇頭節(jié)點為核心節(jié)點形成一個處理（數據融合）并轉發(fā)數據的局部網絡，處于該局部網絡內的其他節(jié)點可以暫時關閉通行模塊，進入休眠狀態(tài)以節(jié)省能量；目前提出了TopDisc成簇算法，GAF虛擬地理網格分簇算法，以及LEACH和HEED等自組織成簇算法。功率控制機制調節(jié)網絡中每個節(jié)點的發(fā)射功率，在滿足網絡連通度的前提下，減少節(jié)點的發(fā)送功率，從而可降低節(jié)點間通信干擾，均衡節(jié)點單挑可達的鄰居數目。而在的無線傳感器網絡拓撲控制目前研究熱點是在滿足網絡連通性及對監(jiān)測區(qū)域達到完全覆蓋度的前提下，通過對傳感器節(jié)點通信功率的控制以及選擇合理的匯聚節(jié)點、數據轉發(fā)節(jié)點，剔除網絡中冗余度較高的通信鏈路，生成一個高效的數據轉發(fā)的網絡拓撲結構。由于傳感器節(jié)點可能部署于較為惡劣的環(huán)境中，容易遭到破壞，而失效的節(jié)點會引發(fā)網絡連通性及對監(jiān)測區(qū)覆蓋度方面的問題。由于無線傳感器網絡中的數據融合一般在匯聚節(jié)點中完成，當其接收到其他節(jié)點所的轉發(fā)數據后，會將融合結果繼續(xù)發(fā)送給數據收集節(jié)點。同時為各個節(jié)點確定其鄰節(jié)點。（3） 為路由協(xié)議提供基礎。無線傳感器網絡節(jié)點密集部署于監(jiān)測區(qū)域，如果每個節(jié)點間通信功率過大，將會加劇節(jié)點間無線通信的干擾，降低通信效率，造成節(jié)點能量浪費。而對于拓撲控制而言，其中一個重要目標就是在保證網絡連通性和對監(jiān)測區(qū)域覆蓋度的前提下，盡量高效地使用網絡能量，從而延長網絡壽命。網絡的拓撲結構控制與優(yōu)化的重要性主要由以下幾方面體現：（1） 影響網絡的生存周期。 無線傳感器網絡拓撲控制在無線傳感器網絡中，網絡拓撲控制具有特別重要的意義。無線傳感網絡就是由布署在監(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一個多跳的自組織的網絡系統(tǒng)。第2章 無線傳感器網絡關鍵技術20世紀90年代末期，隨著微電子技術、計算技術和無線通信等技術的進步，推動了低功耗多功能的傳感器飛速發(fā)展。論文最后是總結與展望。第四章：研究礦井下無線傳感器網絡的拓撲控制策略，并給出基于“虛擬力量”的可自愈拓撲控制算法。第二章：介紹適用于礦山安全監(jiān)測系統(tǒng)的無線傳感網絡關鍵技術及其優(yōu)勢。本論文的主要內容包括：第一章：緒論。給出了新的傳感器節(jié)點的部署算法，優(yōu)化了網絡拓撲結構，并采取了“自愈”策略來解決監(jiān)測盲區(qū)的問題。通過對礦井下環(huán)境數據的實時監(jiān)測，有效傳輸，特別是在環(huán)境（地形等）不斷變化的情況下給安全生產提供了有力保障。不需要人工補充能量，適用于無人看守的網絡。特別是礦井出現爆炸、塌垮等危險事故時，傳感器及線纜將會受到致命的損壞，更不能為搶險和搜救工作等提供信息。 本課題的研究背景和意義目前，礦山井下環(huán)境監(jiān)測主要采取有線傳輸為主無線傳輸為輔的方式，這種方式存在布線煩瑣、成本高、線路依賴性強等缺陷。ALERT 系統(tǒng)通過配備多種傳感器監(jiān)測降雨量、水位和土壤水分，并依此預測山洪；國際著名礦山企業(yè)——加拿大國際鎳公司（Inco）從20世紀90年代初開始研究遙控采礦技術，其技術基礎就是地下通信系統(tǒng)和高精度的地下定位、定向技術，目前已經在安太略省的薩德泊里盆地的幾家地下鎳礦試用；美國礦業(yè)安全和健康管理部（MSHA）目前正在集中精力開展礦山無線通訊和定位跟蹤技術批準申請的評估工作；可以說，國際礦業(yè)巨頭已經開始應用無線傳感器網絡對礦山生產進行管理。新的無線傳感網絡技術具有低成本、低功耗、自組網的特點，該技術在礦山井下安全生產中必定會占有一席之地。我國政府一直重視礦山安全生產，20世紀80年代初就從國外引進安監(jiān)產品裝備了部分煤礦，與此同時，通過消化、吸收先后研制出KJ系列監(jiān)測系統(tǒng)以及MSNM、WEBGIS等煤礦安全綜合化和數字化網絡監(jiān)測管理系統(tǒng)。但仍然是美國的22倍。 礦山安全監(jiān)測技術的研究現狀近年來隨著我國經濟的高速發(fā)展，對能源、生產原料的需求持續(xù)增加，造成礦山安全問題日益突出，據2004年統(tǒng)計數據，我國僅煤礦平均百萬噸死亡率就在6左右，年死亡人數6000人左右。由于建筑物不斷修補，可能會存在一些安全隱患。利用遠程監(jiān)控系統(tǒng)，可完成對家電的遠程遙控。如果在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)護病人病情，發(fā)現異常及時搶救。類似地，無線傳感器網絡可實現對森林環(huán)境監(jiān)測和火災報告，節(jié)點被隨即密布在森林之中，平常狀態(tài)下定期報告森林環(huán)境數據，當發(fā)生火災時，這些傳感器節(jié)點通過協(xié)同合作會在很短的時間內將火源具體地點，火勢大小等信息傳送給終端平臺。美國DARPA很早就啟動了SENSIT計劃，目的就是將各種類型的傳感器、可重編程的通信處理器和無線通信技術組合起來，建立一個廉價無處不在的網絡系統(tǒng)，用以監(jiān)測光學、聲學、震動、磁場、毒物溫度等物理量。利用無線傳感器網絡能夠實現對敵軍兵力和裝備的監(jiān)控、戰(zhàn)場的實時監(jiān)視、目標定位和搜索等功能。隨著無線傳感器網絡的深入研究和廣泛應用，也將逐漸深入到人類生活的各個領域。如何利用有限的計算和存儲資源完成諸多協(xié)同任務成為傳感器網絡設計的挑戰(zhàn)。（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，要求價格低，功耗小必然導致其攜帶的處理器能力較弱，存儲器容量較小。由于節(jié)點能量變化，受障礙物等因素影響，通信性能將受到影響。（2）通信能力有限：考慮到傳感器節(jié)點的能量限制和網絡覆蓋區(qū)域大，傳感器網絡采用多跳路由的傳輸機制。而無線通信模塊在發(fā)送狀態(tài)的能量消耗最大，在空閑狀態(tài)和接收狀態(tài)的能量消耗接近，略少于發(fā)送狀態(tài)的能量消耗，在睡眠狀態(tài)的能量消耗最少。無線通信模塊存在發(fā)送、接收、空閑和睡眠四種狀態(tài)。如何高效使用能量來最大化網絡生命周期是傳感器網絡面臨的首要挑戰(zhàn)。 無線傳感器網絡局限性傳感器節(jié)點在實現各種網絡協(xié)議和應用系統(tǒng)時，也存在一些現實約束：（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。另外，傳感器節(jié)點具有的能量、處理能力、存儲能力、通信能力等十分有限。傳感器我那個羅雖然與無線自組網有相似之處，但同時也存在很大的差別。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。事實上，在目標移動過程中，必然是由不同的節(jié)點提供目標的位置信息。網絡在獲得指定事件的信息后匯報給用戶。（6）以數據為中心的網絡：無線傳感器網絡是任務型網絡，脫離傳感器網絡談論傳感器節(jié)點沒有任何意義。（5）應用相關網絡：由于不同的無線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(tǒng)也有多種多樣的而要求。另外，無線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。這就要求無線傳感器網絡系統(tǒng)要能適應這種變化，具有動態(tài)的系統(tǒng)可重構性。無線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。各節(jié)點位置不能預先精確設定，這就要求傳感器節(jié)點具有自組織能力，能夠自動進行配置和管理，通過拓撲控制機制和網絡協(xié)議自動形成轉發(fā)監(jiān)測數據的多跳無線網絡系統(tǒng)。通過不同空間視角獲得的信息具有更大的信噪比；通過分布式處理大量的采集信息能提高監(jiān)測精度，降低對單個檢點的要求；大量冗余節(jié)點的存在，使得系統(tǒng)具有很強的容錯性能；也能夠增大覆蓋的監(jiān)測區(qū)域，減少盲區(qū)。 無線傳感器網絡特點（1）大規(guī)模網絡。（7）移動管