【正文】 細農(nóng)業(yè)、空間探索等傳統(tǒng)系統(tǒng)無法完成的任務(wù)。 研究背景 傳感器是數(shù)據(jù)采集、 信息處理的關(guān)鍵部件， 它可以將物理世界中的一個物理量映射到一個定量的測量值， 使人們對物理世界形成量化認識。隨著微電子、計算機和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，傳感器技術(shù)正在向微型化、 智能化、網(wǎng)絡(luò)化、集成化的方向發(fā)展。 傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展可以劃分為以下四個階段： 第一代傳感器網(wǎng)絡(luò)是由具有簡單點對點信號傳輸功能的傳統(tǒng)傳感器所組成的測控系 統(tǒng)，只是初步實現(xiàn)了信息的單向傳遞； 第二代傳感器網(wǎng)絡(luò)是由智能傳感器和現(xiàn)場控制站組成的測控網(wǎng)絡(luò)。 第三代傳感器網(wǎng)絡(luò)是基于現(xiàn)場總線的智能 傳感器網(wǎng)絡(luò)。 第四代傳感器網(wǎng)絡(luò)是由大量無處不在的， 具有通信與計算能力的微小傳感器節(jié)點密集布設(shè)在無人值守的監(jiān)控區(qū)域而構(gòu)成的能夠根據(jù)環(huán)境自主完成指定任務(wù)的“智能”自治測控 系統(tǒng)。 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)最初來源于美國高級國防研究計劃署 (DARPA)的一個研究項目， 當時處于冷戰(zhàn)時期，為了監(jiān)測敵方潛艇的活動情況，需要在海洋中布置大量的傳感器，使用這 些傳感器所監(jiān)測的信息來實時監(jiān)測海水中潛艇的行動 [3]。隨著無線通信、微處理器、微電機系統(tǒng) MEMS(Micro Electro Mechanical System)等技術(shù)的發(fā)展，使得開發(fā)小體積、低成本、低功耗的微傳感器成為可能，為無線 傳感器網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建奠定了基礎(chǔ)。 如圖中吉普車所在地方的傳感器發(fā)現(xiàn)了某種類型的入侵者 [5]，顯然，監(jiān)測到有入侵者的信息相比于正常情況信息更加重要，需要以更可靠、更及時的方式將入侵信息報告給指揮中心以便采取相應(yīng)的措施。 圖 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實例 對于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)， QoS 問 題最近才引起人們的關(guān)注。其自身特點使得現(xiàn)有的 QoS 支持機制都無法適用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。 本文從保證實時應(yīng)用的延遲的角度出發(fā)， 分析了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信延遲中節(jié)點內(nèi) 的排隊延遲和由于節(jié)點競爭信道而產(chǎn)生的鏈路級延遲，對簡單優(yōu)先級調(diào)度算法、 協(xié)議中的退避算法進行了分析， 針對其不足提出了動態(tài)優(yōu)先級調(diào)度算法和優(yōu) 先級 CSMA/CA 算法。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)涉及眾多學(xué)科，成為 IT 領(lǐng)域中的研究 熱點之一。 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)擴展了人們的信息獲取能力， 將客觀世界的物理信息同傳輸網(wǎng)絡(luò)連接在一起，在下一代互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中將為人們提供最直接、最有效、最真實的信息。 1978 年 DARPA 在卡耐基－梅隆大學(xué)成立了分布式傳感器網(wǎng)絡(luò)工作組，拉開了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究的序幕。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。 TinyOS 是一個適用于網(wǎng)絡(luò)化嵌入式系統(tǒng)的編程框架， 通過在這個框架內(nèi)鏈接一組必要的組件， 就能方便地編譯出面向特定應(yīng)用的操作系統(tǒng)， 這對于存儲資源極為有限的系統(tǒng)來說非常重要。 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， 用于考察無線傳感器網(wǎng)絡(luò)各方面的問題。 目前比較系統(tǒng)地利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的實例是 2020 年 Intel 實驗室和大西洋學(xué)院聯(lián)合 進行的大鴨島 環(huán)境監(jiān)測項目。 Intel 實驗室和大西洋學(xué)院在大鴨島上部署了傳感器網(wǎng)絡(luò)并進行了 9 個月左右的監(jiān)控， 得到了大量第一手數(shù)據(jù)。 生態(tài)環(huán)境監(jiān) 測是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在應(yīng)用上的一個方面， 也是一個跨學(xué)科的課題。 我國現(xiàn)代意義的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)及其應(yīng)用研究幾乎與發(fā)達國家同步啟動， 首次正式出 現(xiàn)于 1999 年中國科學(xué)院 《 知識創(chuàng)新工程試點領(lǐng)域方向研究》 的“信息與自動化領(lǐng)域研究報告”中，作為該領(lǐng)域提出的五個重大項目之一 (當時的項目名稱 :重點地區(qū)災(zāi)害實時監(jiān)測、 預(yù)警和決策支持示范系統(tǒng) )。目前國內(nèi)的一些科研單位和大學(xué)，如清華大學(xué)、中國科學(xué) 院沈陽自動化所、 哈爾濱工業(yè)大學(xué)等己經(jīng)初步 開展了研究工作。 在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中提供實時通信支持也面臨著挑戰(zhàn)。 這要求在滿足應(yīng)用實時性的同時必須考慮如 何減小網(wǎng)絡(luò)的能量開銷，用于無線傳感器 網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議不能過于復(fù)雜；再次，在無線傳感器 網(wǎng)絡(luò)中不同數(shù)據(jù)包有不同的延遲要求， 高優(yōu)先級的數(shù)據(jù)包到達簇頭節(jié)點的延遲要少于低優(yōu) 先級數(shù)據(jù)包。 目前為滿足無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的實時性需求較為成熟的方法有以下三種： 第一種是基于距離感知的實時通信調(diào)度體系結(jié)構(gòu) RAP[6]。 RAP 的查詢和事件服務(wù)是建立在基于地理位置編址的通信模型之上的，路由層也使用基于地理位置編址的協(xié)議。 第二種是實時無狀態(tài)路由協(xié)議 SPEED[7]的網(wǎng)絡(luò)層解決方案。 在一定的程度上實現(xiàn)了端到端的傳輸速率保證、 網(wǎng)絡(luò)擁塞控制以及負載平衡機制。 在滿足網(wǎng)絡(luò)傳輸速率要求的前提下， 數(shù)據(jù)傳輸延遲與源節(jié)點和目的節(jié)點之間的距離成正比。它把無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的 節(jié)點布置成蜂窩結(jié)構(gòu) [8]，并且采用 EDF(Earliest Deadline First)算法對數(shù)據(jù)包進行調(diào)度，在 單個蜂窩內(nèi)實現(xiàn)了對無線媒介的無沖突訪問 [9]。 項目研究內(nèi)容 網(wǎng)絡(luò)延遲是衡量網(wǎng)絡(luò)傳輸能力和實時性能指標之一，對于具有實時需求的應(yīng)用來說， 網(wǎng)絡(luò)的延遲不但會影響網(wǎng)絡(luò)算法和協(xié)議的選擇， 而且 對應(yīng)用的成功與否起著至關(guān)重要的作 用。 重點分析了影響排隊延遲的相同節(jié)點內(nèi)的信息競爭產(chǎn)生的延遲 (節(jié)點級延遲 )和不同節(jié)點間的信息競爭產(chǎn)生的延遲 (鏈路級延遲 )。 2)針對在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)分組重要性的不同，而將數(shù)據(jù)分組進行分級， 利用排隊模型， 按照優(yōu)先級服務(wù)規(guī)則對簇頭節(jié)點進行了建模， 分析了數(shù)據(jù)分組的排隊延遲， 通過仿真對系統(tǒng)的性能指標進行了分析。 第三階段，對鏈路級延遲進行的研究： 1)針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中， 由 于同一時刻多個相鄰節(jié)點競爭使用無線信道而造成的鏈 路級延遲，從而降低了鏈路的利用率，因此對 標準中規(guī)定的 CAMA/CA 信 道接入方式進行了分析研究。 主要研究內(nèi)容見圖 所示。各章組織如下： 第 一 章緒論。 首先介紹了無線傳感器網(wǎng)絡(luò) 的概念、 網(wǎng)絡(luò)的實時性應(yīng)用、 特點及挑戰(zhàn)； 其次介紹了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)實時性能的區(qū)別， 并指出無線傳感絡(luò)的實時應(yīng)用需要考慮的基本問題和解決方案。 第 三 章 CSMA/CA 和 ZIGBEEZIGBEE。 第四章 系統(tǒng)應(yīng)用設(shè)計。重點說明了。接著連接傳感器取得數(shù)據(jù)。 在 Ubuntu11 編譯并運行 把數(shù)據(jù)發(fā)送到 tinyos ,tinyos 通過TCPServer 服務(wù)器接收數(shù)據(jù)并存入 MySQL 數(shù)據(jù)庫。 第六章 設(shè)置開發(fā)環(huán)境， 首先介紹了 標準，對此標準中的 CAMA/CA 道信 接入方式，并結(jié)合其工作流程進行了分析，提出一種具有優(yōu)先級的 CSMA/CA 算法， 使數(shù)據(jù)分組可以根據(jù)其優(yōu)先級的不同而選擇不同 BE 和 CW，采用離散 Markov 鏈 模型分析了所提出算法的性能，最后進行仿真驗證。 C數(shù)據(jù)采集平臺 二 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)簡介 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是 Ad hoc[10] 網(wǎng)絡(luò)的特例，通過多跳無線方式傳輸數(shù)據(jù)。 本章首先介紹了無線傳感 器網(wǎng)絡(luò)的概念、 特點及挑戰(zhàn)； 然后重點介紹了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)在實時性能方面 的比較及基本解決方案；最后對仿真平臺 OPNET 進行了介紹。 信息獲取者是傳感器網(wǎng)的用戶， 也是感知信息的接受和應(yīng)用者。例如，軍隊指揮官、一個由飛機攜帶的移動計算機都可以是 傳感器網(wǎng)的信息獲取者。 信息獲取者可以主動地查詢或收集傳感器的感知信息， 也可 以被動地接收 傳感器網(wǎng)發(fā)布的信息。 傳感器網(wǎng)的感知對象是觀察者感興趣的監(jiān)測目標， 如坦克、 軍隊、 動物、 有害氣等。一個傳感器網(wǎng)可以感知網(wǎng)絡(luò)分布區(qū)域內(nèi)的多個對 象，一個對象也可以被多個傳感器網(wǎng)所感知。 軍事應(yīng)用無 線傳感器網(wǎng) 絡(luò)技術(shù)的主要應(yīng)用領(lǐng)域，由于其特有的無需架設(shè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)施、可快速展開、抗毀 性強等特點， 是數(shù)字戰(zhàn)場無線數(shù)據(jù)通信的首選技術(shù)， 是軍隊在敵對區(qū)域中獲取情報的重要 技術(shù)手段。 ALERT[21]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。 無線傳 感器網(wǎng)絡(luò)還為未來的遠程醫(yī)療提供了更加方便、 快捷的技術(shù)實現(xiàn)手段 [22]，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 將會為我們提供更加舒適、方便和具有人性化的智能家居環(huán)境；文獻 [23]中描述的城市車 輛監(jiān)測和跟蹤系統(tǒng)中成功地應(yīng)用了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點和挑戰(zhàn) 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)綜合了傳感器技術(shù)、嵌入式計算技術(shù)、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)及無線通信技術(shù)、分 布式信息理論技術(shù)等， 能夠通過各類集成化的微型傳感器協(xié)作地實時監(jiān)測、 感知和采集各 種環(huán)境或監(jiān)測對象的信息， 通過嵌入式系統(tǒng)對信息進行處理， 并通過隨機自組織無線通信 網(wǎng)絡(luò)以多跳中繼方式將所感知信息傳送到用戶終端。 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)有著很多鮮明的特點 [28]，如大規(guī)模、自組織、電源能量和計算能力 有限、動態(tài)性和以數(shù)據(jù)為中心等特點。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的傳感器的通信帶寬窄而且經(jīng)常變化，通信覆蓋范 圍只有幾十到幾百米。同時由于無線傳 感器網(wǎng)絡(luò)更多地受到高山、建筑物、障礙物等地勢地貌以及風(fēng)雨雷電等自然環(huán)境的影響， 傳感器可能會長時間脫離網(wǎng)絡(luò)， 離線工作。 2)電源能量有限 。網(wǎng)絡(luò)中的傳感器由于電 源能量的原因 經(jīng)常失效或廢棄， 因此電源能量約束是阻礙無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的嚴重問題。 3)計算能力有限。這些傳 感器都具有計算能力，可以完成一些信息處理工作。 如何讓大量具有有限計算能力的傳感器節(jié) 點協(xié)作地進行分布式信息處理，是我們面臨的第 3 個挑戰(zhàn)。 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中傳感器節(jié)點密集， 數(shù)量巨大外， 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以分布在很廣泛的地理區(qū)域。這 是我們面臨的第 4 個挑戰(zhàn)。網(wǎng)絡(luò)中的傳感器、感知對象和觀察者這三要素都可能具有移動性， 并且經(jīng)常有新節(jié)點加入或已有節(jié)點失效。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)必須具有可重構(gòu)和自調(diào)整性。 6)大 規(guī)模分布式觸發(fā)器 。 這樣，很多傳感器具有觸發(fā)器。 7)感知數(shù)據(jù)流巨大 。每個傳感器僅僅具有有限的計算資源，難以處理巨大的實時數(shù)據(jù)流。 這是我們面臨的第 7 個挑戰(zhàn)。 因此， 使得網(wǎng)絡(luò)性能在度量方面區(qū)別于普通通信網(wǎng)絡(luò)， 其對于網(wǎng)絡(luò)延遲具有更高的要求。然而，與固定的有線網(wǎng)絡(luò)不同，在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，無線 鏈路的帶寬相對較低，節(jié)點的內(nèi)存、能源等資源都相對受限。 與有線網(wǎng)絡(luò)的比較 在有線網(wǎng)實時化的研究領(lǐng)域中，有很多研究工作是修改網(wǎng)絡(luò)協(xié)議底層的 MAC 層， 以期望獲得定量的通道訪問時間，從而保證通訊的實時性。 這種方法不需要對硬件 做任何修改，但要增加新的協(xié)議軟件。 訪問仲裁過程決定一個節(jié)點什么時候可以通過網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)發(fā) 送數(shù)據(jù)， 而傳輸控制過程決定節(jié)點可在介質(zhì)上不間斷傳輸數(shù)據(jù)的時間。如令牌環(huán) (Token Ring)協(xié)議 強調(diào)的是訪問仲裁過程，而定時令牌協(xié)議 (Timed Token Protocol)， 如 ， FDDI 則強調(diào)的是傳輸控制過程。 和有線網(wǎng)絡(luò)一樣， 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的實