【正文】 新的設(shè)計和應(yīng)用模式。 其他商業(yè)應(yīng)用 ： 自組織、微型化和對外部世界的感知能力是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的三大特點，這些特點決定了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在商業(yè)領(lǐng)域應(yīng)該也會有不少的機會。 NASA的 JPL(Jet Propulsion Laboratory)實驗室研制的 Sensor Webs 就是為將來的火星探測進(jìn)行技術(shù)準(zhǔn)備的，已在佛羅里達(dá)宇航中心周圍的環(huán)境監(jiān)測項目中進(jìn)行測試和完善。 此外，在藥物管理等諸多方面，它也有新穎而獨特的應(yīng)用。 類似地，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)對森林火災(zāi)準(zhǔn)確、及時地預(yù)報也應(yīng)該是有幫助的。比如，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。通過 傳統(tǒng)方式采集原始數(shù)據(jù)是一件困難的工作。 (5)多節(jié)點聯(lián)合，形成覆蓋面積較大的實時探測區(qū)域 。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)也可避免核反應(yīng)部隊直接暴露在核輻射的環(huán)境中。無線傳感器網(wǎng)絡(luò) 還 可以為火控和制導(dǎo)系統(tǒng)提供準(zhǔn)確的目標(biāo)定位信息。在戰(zhàn)場，指揮員往往需要及時準(zhǔn)確地了解部隊、武器裝備和軍用物資供給的情況，鋪設(shè)的傳感器將采集相應(yīng)的信息，并通過匯聚節(jié)點將數(shù)據(jù)送至 信息處理站 ，再轉(zhuǎn)發(fā)到指揮部，最后融合來自戰(zhàn)場 各 個環(huán)節(jié) 的數(shù)據(jù)形成完備的戰(zhàn)區(qū)態(tài)勢圖。 C4ISRT 系統(tǒng)的目標(biāo)是利用先進(jìn)的高科技技術(shù)，為未來的現(xiàn)代化戰(zhàn)爭設(shè)計一個集命令、控制、通信、計算、智能、監(jiān)視、偵察和定位于一體的戰(zhàn)場指揮系統(tǒng)，受到了軍事發(fā)達(dá)國家的普遍重視。 1． 3 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用 在傳感器網(wǎng)中數(shù)據(jù)傳輸具有很強的方向性。因此，網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不斷變化 。此外，傳感器網(wǎng)可以 分 布在很廣泛的地理區(qū)域。 （ 4）網(wǎng)絡(luò)規(guī)模大，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜。這些傳感器都具有計算能力，可以完成一些信息處理工作。 （ 3）計算能力有限。 基于復(fù)合定位的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)層次路由協(xié)議設(shè)計與實現(xiàn) 2 （ 2）能量有限。傳感器網(wǎng) 絡(luò) 的傳輸速率低，通信距離近 ， 一般只有幾十到幾百米。 1． 2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點 [3][4] 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與無線自組網(wǎng)有許多相似之處，如：無中心和自組織性、動態(tài)變化的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、受限的無線傳輸帶寬、移動終端的能力有 限、多跳路由、安全性差等。 1． 1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的定義 [1][2] 目前已有很多文獻(xiàn)給出了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的定義，說法各有不同，但實質(zhì)上大同小異。 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用前景十分廣闊，能夠廣泛應(yīng)用軍事、環(huán)境監(jiān)測和預(yù)報、健康護(hù)理、智能家居、建筑物狀態(tài)監(jiān)控、城市交通、空間探索以及安全監(jiān)測等領(lǐng)域。從 21 世紀(jì)開始，傳感器網(wǎng)絡(luò)引起了學(xué)術(shù)界、軍界和工業(yè)界的極大關(guān)注，美國和歐洲相繼啟動了許多關(guān)于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究計劃。目前以 Inter 為代表的信息網(wǎng)改變的是人與人之間的溝通方式，而無線傳感器網(wǎng)絡(luò)則是將邏輯上的信息世界與客觀上的物理世界融合在一起，改變的是人與自然的 交互方式，它將是信息社會不可或缺的重要組成部分。南京航空航天大學(xué)碩士學(xué)位論文 1 第一章 緒論 微電子技術(shù)、計算技術(shù)和無線通信等技術(shù)的 進(jìn)步 ，推動了低功耗多功能傳感器的快速發(fā)展，使其在微小體積內(nèi)能夠集成信息采集、數(shù)據(jù)處理和無線通信等多種功能。無線傳感器網(wǎng)絡(luò) (Wireless Sensor Network, WSN)就是 在這種情況下應(yīng)運而生，它是 由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量的廉價微型傳感器節(jié)點組成，通過無線通信方式組成的一個多跳的自組織網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。 具有現(xiàn)代意義的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究起步于 20 世紀(jì) 90 年代末期。特別是美國通過國家自然基金委 員會 、國防部等多種渠道投入巨資支持傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的研究。隨著傳感器網(wǎng)絡(luò)的深入研究和廣泛應(yīng)用，它必將深入到人們生 活的各個領(lǐng)域。比較通用的定義為： 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是指由一組按需隨機分布的集成有傳感器、數(shù)據(jù)處理單元和通信模塊的傳感器以自組織方式構(gòu)成的無線網(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)感知對象的信息，并傳送 到 信息 用戶 。在此基礎(chǔ)之上，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)還有下列特點： （ 1）傳感器節(jié)點的通信能力有限。 大部分 工作環(huán)境惡劣地區(qū)，更多地受到 地形、地貌、 風(fēng)雨雷電、潮濕、水浸等自然環(huán)境的影響，一方面造成傳感器之間的 通信 不可行，另一方面可能使傳感器出現(xiàn)長時間故障、甚至損壞。網(wǎng)絡(luò)中的傳感器一般都由電池供電 且需 長時間工作，而節(jié)點的電池更換往往又不 可行 ，這樣就造成了能源方面突出的矛盾。傳感器網(wǎng)中的傳感器一般采用嵌入式處理器和 存儲器。但是，由于嵌入式處理器和存儲器的能力和容量有限， 故 傳感器的處理能力十分有限。傳感器網(wǎng)中傳感器節(jié)點密集，數(shù)量巨大，可能達(dá)到幾百甚至幾千 上 萬個。而且，傳感器網(wǎng)絡(luò)中的傳感器、 感知對象 和觀察者這三要素都可能移動，并且經(jīng)常有新節(jié)點加入或已有節(jié)點失效。 （ 5）數(shù)據(jù)傳輸方向性強。通常，查詢信息是通過廣播或多播的方式從觀察 者向網(wǎng)絡(luò)內(nèi)傳感器傳輸，而探測結(jié)果信息則是由分 布在各處的傳感器節(jié)點向查詢節(jié)點匯聚。 軍事應(yīng)用 ： 在軍事領(lǐng)域，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)將會逐漸成為 C4ISRT 系統(tǒng)的 重要組成 部分。因為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由密集型、低成本、隨機分布的節(jié)點組成的，自組織性和容錯能力使其不會因為某些節(jié)點在惡意攻擊中的損壞而導(dǎo)致整個系統(tǒng)的崩潰，這一點 是傳統(tǒng)的傳感器技術(shù)所無法比擬的，也正是這一點，使無線傳感器網(wǎng)絡(luò)非常適合應(yīng)用于惡劣的戰(zhàn)場環(huán)境，包括監(jiān)控 己 方兵力、裝備和物資，監(jiān)視沖突區(qū)，偵察敵方地形和布防，定位攻擊目標(biāo)，評估損失，偵察和探測核、生物和化學(xué) 武器 攻擊。在戰(zhàn)爭中，對沖突區(qū)和軍事要地的監(jiān)視也是至關(guān)重要的，通過鋪設(shè)傳感器網(wǎng)絡(luò)，以更隱蔽的方式近距離地觀 察敵方的布防 ； 也可以直接將傳感器節(jié)點撤向敵方陣地，在敵方還未來得及反應(yīng)時迅速收集利于作戰(zhàn)的信息。在生物和化學(xué)戰(zhàn)中，利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)及時、準(zhǔn)確地探測爆炸中心，將會為 己 方提供寶貴的反應(yīng)時間，從而最大可能地減小傷亡。 在軍事應(yīng)用中，與獨立的衛(wèi)星和地面雷達(dá)系統(tǒng)相比，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的潛在優(yōu)勢表現(xiàn)在以下幾個方面 ： 南京航空航天大學(xué)碩士學(xué)位論文 3 (1)分布節(jié)點中多角度和多方位信息的綜合有效地提高了信噪比，這一直是衛(wèi)星和雷達(dá)這 類獨立系統(tǒng)難以克服的技術(shù)問題之一 ； (2)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)低成本、高冗余的設(shè)計原則為整個系統(tǒng)提供了較強的容錯能力 ； (3)傳感器節(jié)點與探測目標(biāo)的近距離接觸大大消除了環(huán)境噪聲對系統(tǒng)性能的影響； (4)節(jié)點中多種傳感器的混合應(yīng)用有利于提高探測的 準(zhǔn)確性 。 (6)借助于個別具有移動能力的節(jié)點對網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的調(diào)整，可以有效地消除探測區(qū)域內(nèi)的陰影和盲點。 環(huán)境科學(xué) ： 隨著人們對于環(huán)境的日益關(guān)注，環(huán)境科學(xué)所涉及的范圍越來越廣泛。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)為野外隨機性的研究數(shù)據(jù)獲取提供了方便。 ALERT 系統(tǒng)中就有數(shù)種傳感器來監(jiān)測降雨量、河水水位和土壤水分，并依此預(yù)測爆發(fā)山洪的可能性。此外，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)也可以應(yīng)用在精細(xì)農(nóng)業(yè)中，以監(jiān)測農(nóng)作物中的害蟲、土壤的酸堿度和施肥狀況等。 醫(yī)療健康 ： 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(shè)備，利用無 線傳感器網(wǎng)絡(luò)，醫(yī)生就可以隨時了解被監(jiān)護(hù)病人的病情，進(jìn)行及時的處理，還可以利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)長時間地收集人的生理數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)在研制新藥品的過程中是非常有用的，而安裝在被監(jiān)測對象身上的微型傳感器也不會給人的正常生活帶來太多的不便?？傊?，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)為未來的遠(yuǎn)程醫(yī)療提供了更加方便、快捷的技術(shù)實現(xiàn)手段。 空間探索 ： 探索外部星球一直是人類夢寐以求的理想，借助航天器撒布的無線傳感器網(wǎng)絡(luò) 可 實現(xiàn)對星球表面長時間的監(jiān)測，是一種經(jīng)濟(jì)可行的方案。 比如，嵌入家具和家電中的傳感器與執(zhí)行機構(gòu)組成的無線網(wǎng)絡(luò)與 Inter 連接在一起將會 為人們 提供更加舒適、方便和具有人性化的智能家居環(huán)境。 1． 4 研究進(jìn)展 基于復(fù)合定位的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)層次路由協(xié)議設(shè)計與實現(xiàn) 4 美國陸軍近期又確立了“無人值守地面?zhèn)鞲衅魅?” 項目，其主要目標(biāo)是使基層部隊指揮員具有在他們所希望部署傳感器的任何地方靈活地部署傳感器的能力，該項目是支持陸軍“更廣闊視野”的 3 個項目之一。該系統(tǒng)是一個智能化 傳感器網(wǎng)絡(luò)，可以更為詳盡、準(zhǔn)確地探測到精確信息，為更準(zhǔn)確地制定戰(zhàn)斗行動方案提供情報依據(jù)。該系統(tǒng)組由撒布型微傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、機載和車載型偵察與探測設(shè)備等構(gòu)成。該系統(tǒng)可以利用現(xiàn)有的通信機制對從戰(zhàn)術(shù)級到戰(zhàn)略級的傳感器信息進(jìn)行管理，而管理工作只需通過一臺專用的商用便攜機即可，不需要其他專用設(shè)備，并可協(xié)調(diào)來自地面和空中監(jiān)視傳感器以及太空監(jiān)視設(shè)備的信息 ， 可以部 署到各級指揮單位。該研究屬于美國能源部 反 恐對策項目的重要一環(huán)， 整個 系統(tǒng)融檢測有毒氣體的化學(xué)傳感器和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)于一體，傳感器一旦檢測到某種有害物質(zhì)，就會自動向管理中心通報，自動 開啟 引導(dǎo)旅客避難的廣播，并封鎖有關(guān)入口等。 CEC 是一個無線網(wǎng)絡(luò)， 其感知數(shù)據(jù)是原始的雷達(dá)數(shù)據(jù)。 該計劃試圖把先進(jìn)的信息技術(shù)、數(shù)據(jù)通信技術(shù)、傳感器技術(shù)、控制技術(shù)及計算機處理技術(shù)有效地集成運用于整個地面交通管理，建立一個在大范圍內(nèi)、全方位發(fā)揮作用的，實時、準(zhǔn)確、高效 的綜合交通運輸管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)用大量的傳感器與各種車輛保持聯(lián)系，人們可以利用計算機來監(jiān)視每一輛汽車的運行狀況，如制動質(zhì)量、發(fā)動機 運轉(zhuǎn)情況 等。 2020年 10 月 24 日，美國英特爾公司發(fā)布了“基 于微型傳感器網(wǎng)絡(luò)的新型計算發(fā)展規(guī)劃”，南京航空航天大學(xué)碩士學(xué)位論文 5 規(guī)劃中稱， 今后英特爾將致力于 研究 微型傳感器網(wǎng)絡(luò)在預(yù)防醫(yī)學(xué)、環(huán)境監(jiān)測、森林滅火乃至海底板塊調(diào)查、行星探查等領(lǐng)域的應(yīng)用。物理階段主要開發(fā)集成感知、計算和通信功能的超微型傳感器 (也被稱作塵?；蛑悄芪m )，實現(xiàn)階段將在實際商務(wù)中使用來自傳感器網(wǎng)絡(luò)的感知數(shù)據(jù)，應(yīng)用階段將應(yīng)用傳感器網(wǎng)絡(luò)于預(yù)防醫(yī)學(xué)、環(huán)境監(jiān)測及災(zāi)害對策等領(lǐng)域?，F(xiàn)在己經(jīng)有一些 從事 無線傳感器網(wǎng)絡(luò) 開發(fā) 的公司，如美國的 Crossbow 公司和 Dust 公司等，其中 Crossbow 公司己經(jīng)推出了 Mica 系列傳感器網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品，到現(xiàn)在已經(jīng)有了Mica、 Mica Mica2Dot 三種產(chǎn)品。Mica2Dot 的大小和一枚硬幣差不多，每個 Mica2 可以分為兩個模塊，一個是基本的射頻和處理模塊 MPR (Mote Processor Radio Board)，另一個是可選的傳感模塊MDA(Mote Data Acquisition Board)。 英國、日 本、意大利等國家的一些大學(xué)和研究機構(gòu)也紛紛開展了該領(lǐng)域的研究工作。第一階段主要偏重利用 微型機電系統(tǒng) (MicroElectromechanical Systems， MEMS)技術(shù)設(shè)計小型化的節(jié)點設(shè)備，代表性的研究項目有 Smart Dust 和 WINS(WirelessIntegrated Network Sensors)實驗室 ； 對于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和通信協(xié)議的關(guān)注和研究可以認(rèn)為是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究的第二個階段，目前正在成為無線網(wǎng)絡(luò)研究領(lǐng)域的一個熱點。 就己有的研究而言，主要集中在網(wǎng)絡(luò)層和鏈路層。下面， 主要 介紹一下目前在網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和通信協(xié)議方面的一些研究進(jìn)展。 加州大學(xué)洛杉磯分校開發(fā)了一個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和一個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)模擬環(huán)境，用于考察傳感器網(wǎng)絡(luò)各方面的問題，他們提出了低級通信不依賴于網(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數(shù)據(jù)流的層次系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、傳感器網(wǎng)絡(luò)的時間同步的解決方法、自組織傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計問題和解決方 法、新的多路徑模式等。斯坦福大學(xué)提出了在傳感器網(wǎng)絡(luò)中事件跟蹤和傳感器資源管理的對偶空間方法以及由無網(wǎng)連接的傳感器和控制器構(gòu)成的閉環(huán)控制系統(tǒng)的框架。 (2)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議的研究 鏈路層協(xié)議用于建立可靠的點到點或點到多點通信鏈路，主要由介質(zhì)訪問控制(MAC)組成。這三類各有特點，就某一種而言，都不是完全適合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信協(xié)議，需要對它們進(jìn)行融合和改進(jìn)。 GSM 和 CDMA 中的介質(zhì)訪問控制主要關(guān)心如何滿足用戶的 QoS 要求和節(jié)省帶寬資源，功耗是第二位的 ； Ad hoc 網(wǎng)絡(luò)則考慮如何在節(jié)點具有高度移動性的環(huán)境中建立彼此間的鏈接，同時兼顧一定的 QoS 要求，功耗也不是其首要關(guān)心的 ； 而藍(lán)牙采用了主從式的星型 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，這本身就不適合傳感器網(wǎng)絡(luò)自組織的特點。通常，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)都是應(yīng)用于人員不能長期或不能直接控制的區(qū)域，對大量布置的節(jié)點進(jìn)行能源補充也是不切實際的，因此，需要最大限度地利用節(jié)點自身攜帶的有限能源。同時，考慮到無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用是 和節(jié)點位置密切相關(guān)的，任何采集得來的數(shù)據(jù)如果不能和地域位置相關(guān)，是沒有意義的，因此將節(jié)點的位置和路由協(xié)議的能源有效性結(jié)合在一起是本文的研究重點。 1． 6 本文的內(nèi)容安排 本文的內(nèi)容共分以下六章： 第一章緒論 ，介紹 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的定義 、 特點 、 應(yīng)用范圍 以及 研究背景和意義 ；第二章無線傳感器網(wǎng)絡(luò) ， 主要 分析 無線傳感 器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu) 和與之相關(guān)的 關(guān)鍵技術(shù) ，并 在 基于 ZigBee 協(xié)議的基礎(chǔ)上，設(shè)計了用于路由協(xié)議驗證的溫度傳感器節(jié)點 ； 第三章節(jié)點定位分析 ，對基于測距和 基于不測距 兩大類型的節(jié)點定位方式作了簡要介紹，提出了基于測距與不測距的復(fù)合定位方法。 基于復(fù)合定位的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)層次路由協(xié)議設(shè)計與實現(xiàn) 8 第二章 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分析 與節(jié)點設(shè)計 2． 1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體 系結(jié)構(gòu) [5] 2． 1． 1 傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)