傳感與控制-無線傳感器網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)及現(xiàn)狀解析.doc

8 2008年第 8期adv . cn (廣告專用 無 線 傳 感 器 網(wǎng) 絡(luò) 研 究 綜 述 蘇北航務(wù)管理處 余向陽 摘 要無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是當(dāng)前信息領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)。本文總結(jié)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展歷史和研究現(xiàn)狀 , 分析無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的地位和作用 , 對(duì)當(dāng)前國(guó)內(nèi)外的最新研究現(xiàn)狀進(jìn)行概述 , 列舉當(dāng)前無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研 究的關(guān)鍵技術(shù) , 最后指出無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展所面對(duì)的挑戰(zhàn)以及無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展趨勢(shì)。 關(guān)鍵詞無線傳感器網(wǎng)絡(luò) 路由協(xié)議 拓?fù)淇刂贫ㄎ患夹g(shù)引 言無線傳感器網(wǎng)絡(luò) (WSN 能力的微小傳感器節(jié)點(diǎn) , 控網(wǎng)絡(luò)。 :大 規(guī)模、 無線、 自組織 、 無基礎(chǔ)設(shè)施支持的網(wǎng) 絡(luò) , 其中節(jié)點(diǎn)是同構(gòu)的 , 成本較低 、 體積較小 , 大部分節(jié)點(diǎn) 不移動(dòng) , 被隨意散布在工作區(qū)域 , 要求網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)有盡可能 長(zhǎng)的工作時(shí)間。一個(gè)典型的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)架構(gòu)包括分布式 無線傳感器節(jié)點(diǎn) (群 、 接收發(fā)送器匯聚節(jié)點(diǎn)、 互聯(lián)網(wǎng)或通 信衛(wèi)星和任務(wù)管理節(jié)點(diǎn)等 , 如圖 1所示 。圖 1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)架構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)引起了全世界范圍的廣泛關(guān)注 , 世界各國(guó)的科研機(jī)構(gòu)和科研人員對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的 研究投入了極大的熱情。 它綜合了現(xiàn)代傳感器技術(shù)、 微電 子技術(shù)、 通信技術(shù)、 嵌入式計(jì)算技術(shù)和分布式信息處理技 術(shù)等多個(gè)學(xué)科 , 是新興的交叉研究領(lǐng)域 。1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究歷程與現(xiàn)狀無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有重要的科研價(jià)值和廣泛的應(yīng)用, , 被公認(rèn)為是將 無線傳感網(wǎng)絡(luò)的研 , 但發(fā)展很快。1. 1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究歷史WSN 的基本思想起源于 20世紀(jì) 70年代 。 1978年 , DARPA 在卡耐基 2梅隆大學(xué)成立了分布式傳感器網(wǎng)絡(luò)工作組 ;1980年 ,DARPA 的分布式傳感器網(wǎng)絡(luò)項(xiàng)目 (DSN 開啟了傳感器網(wǎng)絡(luò)研究的先河 ;20世紀(jì) 8090年代 , 研 究主要在軍事領(lǐng)域 , 成為網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)的關(guān)鍵技術(shù) , 拉開了 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究的序幕 ; 20世紀(jì) 90年代中后期 ,WSN 引起了學(xué)術(shù)界、 軍界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注 , 發(fā)展了現(xiàn)代意義的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。1. 2 國(guó)外無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究現(xiàn)狀(1 美 國(guó)美國(guó)軍方最先開始無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的研究 , 包括CEC 、 REMBASS 、 TRSS 、 SensorIT 、 WINS 、 Smart Dust 、SeaWeb 、 AMPS 、 N EST 等研究項(xiàng)目。 美國(guó)國(guó)防部遠(yuǎn)景計(jì) 劃研究局已投資幾千萬美元 , 幫助大學(xué)進(jìn)行無線傳感器網(wǎng) 絡(luò)技術(shù)的研發(fā)。美國(guó)國(guó)家自然基金委員會(huì) (NSF 也開設(shè)了大量與其相關(guān)的項(xiàng)目。 NSF 于 2003年制定了 WSN 研究計(jì)劃 , 每 年撥款 3400萬美元支持相關(guān)研究項(xiàng)目 , 并在加州大學(xué)洛 杉磯分校成立了傳感器網(wǎng)絡(luò)研究中心 。 2005年對(duì)網(wǎng)絡(luò)技 術(shù)和系統(tǒng)的研究計(jì)劃中 , 主要研究下一代高可靠、 安全的 可擴(kuò)展的網(wǎng)絡(luò)、 可編程的無線網(wǎng)絡(luò)及傳感器系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)特 性 , 資助金額達(dá) 4000萬美元。此外 , 美國(guó)交通部、 能源 部、 美國(guó)國(guó)家航空航天局也相繼啟動(dòng)了相關(guān)的研究項(xiàng)目 。美國(guó)所有著名院校幾乎都有研究小組在從事 WSN 相關(guān)技術(shù)的研究 , 加拿大、 英國(guó) 、 德國(guó)、 芬蘭、 日本和意大利 paper . cn (投稿專用 2008年第 8期Microcontrollers &Embedded Systems 9 等國(guó)家的研究機(jī)構(gòu)也加入了 WSN 的研究 。加州大學(xué)洛 杉磯分校、 加州大學(xué)伯克利分校、 麻省理工學(xué)院、 康奈爾大 學(xué)、 哈佛大學(xué)、 卡耐基 2梅隆大學(xué)等在 WSN 研究領(lǐng)域成績(jī) 較為突出。 國(guó)際相關(guān)學(xué)術(shù)會(huì)議中對(duì) WSN 的研討增多 , 檢 索論文數(shù)目逐年以較大幅度增加。美國(guó)的 Crossbow 、 Dust Network 、 Ember 、 Chip s 、 In 2tel 、 Freescale 等公司也開展了 WSN 的研究工作。(2 其他國(guó)家 加拿大、 英國(guó)、 德國(guó) 、 芬蘭、 日本和意大利等國(guó)家的研 究機(jī)構(gòu)也加入了 WSN 的研究。歐盟第 6個(gè)框架計(jì)劃將 “信息社會(huì)技術(shù)” 作為優(yōu)先發(fā) 展領(lǐng)域之一。其中多處 涉及對(duì) WSN 的研究 。啟動(dòng)了 EYES 等研究計(jì)劃。日本總務(wù)省在 2004年 3月成立了 “ 泛在傳感器網(wǎng)絡(luò)” 調(diào)查研究會(huì)。韓國(guó)信息通信部制訂了信息技術(shù) “ 839” 戰(zhàn)略 , 其中 “ 3” 是指 IT 產(chǎn)業(yè)的三大基礎(chǔ)設(shè)施 , 即寬帶融合網(wǎng)絡(luò)、 器網(wǎng)絡(luò)、 下一代互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議。企 業(yè) 界 , 歐 盟 的 Philips 、 France Telecom 、 N EC 、 O KI 、 Sky 2leynetworks 、 世康、 WSN 的研究 。1. 3 國(guó)內(nèi)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究現(xiàn)狀首次正式啟動(dòng)出現(xiàn)于 1999年中國(guó)科學(xué)院 知識(shí)創(chuàng)新 工程點(diǎn)領(lǐng)域方向研究 的 “信息與自動(dòng)化領(lǐng)域研究報(bào)告” 中 , 該領(lǐng)域的五大重點(diǎn)項(xiàng)目之一。 2001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 , 旨在引領(lǐng)中 科院 WSN 的相關(guān)工作。國(guó)家自然科學(xué)基金已經(jīng)審批了與 WSN 相關(guān)的一個(gè)重 點(diǎn)課題和多項(xiàng)課題。 2004年 , 將一項(xiàng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)項(xiàng)目 (面上傳感器網(wǎng)絡(luò)的分布自治系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)及協(xié)調(diào)控制理 論 列為重點(diǎn)研究項(xiàng)目。 2005年 , 將網(wǎng)絡(luò)傳感器中的基礎(chǔ) 理論和關(guān)鍵技術(shù)列入計(jì)劃。 2006年將水下移動(dòng)傳感器網(wǎng) 絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)列為重點(diǎn)研究項(xiàng)目。 國(guó)家發(fā)改委下一代互聯(lián) 網(wǎng) (CN GI 示范工程中 , 也部署了 WSN 相關(guān)的課題。在一份我國(guó)未來 20年預(yù)見技術(shù)的調(diào)查報(bào)告中 , 信息 領(lǐng)域 157項(xiàng)技術(shù)課題中有 7項(xiàng)與傳感器網(wǎng)絡(luò)直接相關(guān) 。 2006年初發(fā)布的 國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)與技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要 為信息技術(shù)定義了 3個(gè)前沿方向 , 其中 2個(gè)與 WSN 的研 究直接相關(guān) , 即智能感知技術(shù)和自組織網(wǎng)絡(luò)技術(shù) 。我國(guó) 2010年遠(yuǎn)景規(guī)劃和 “ 十五” 計(jì)劃中 , 將 WSN 列為重點(diǎn)發(fā)展 的產(chǎn)業(yè)之一。2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的地位和作用2. 1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的地位2003年 2月份 , 美國(guó)的 技術(shù)評(píng)論 雜志評(píng)選出對(duì)人類生活產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響的十大新興技術(shù)中 , WSN 被列為其 中之一。 美國(guó)的 商業(yè)周刊 在 2003年 8月份的技術(shù)評(píng)論 中 , 將 WSN 定位為 21世紀(jì)高技術(shù)領(lǐng)域中的四大支柱型 產(chǎn)業(yè)之一。 美國(guó) 今日防務(wù) 雜志認(rèn)為 WSN 的應(yīng)用和發(fā) 展 , 將引起一場(chǎng)劃時(shí)代的軍事技術(shù)革命和未來戰(zhàn)爭(zhēng)的變 革。 2004年 , IEEE Spectrum 雜志發(fā)表一期專題 傳 感器國(guó)度 , 專門論述 WSN 的發(fā)展與可能的廣泛應(yīng)用 。WSN 的地位可從 3個(gè)方面具體分析。(1 第 4代傳感器網(wǎng)絡(luò)可將傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展劃分為 4個(gè)階段 。一般地將 簡(jiǎn)單點(diǎn)到點(diǎn)信號(hào)傳輸功能的傳統(tǒng)傳感器所組成的測(cè)控系 統(tǒng)稱為第 1代傳感器網(wǎng)絡(luò) ; 第 2代為由智能傳感器和現(xiàn)場(chǎng) 控制站組成的測(cè)控網(wǎng)絡(luò) ; 感器網(wǎng)絡(luò) 代傳感器網(wǎng)絡(luò) , 其應(yīng)用 Bell 定律 , 每十年會(huì)有一類新的計(jì) 算設(shè)備誕生。它們是巨型機(jī)、 小型機(jī)、 工作站、 PC 、 PDA 、WSN 節(jié)點(diǎn)等、 生物芯片。 (WSN 被認(rèn)為是新一代的計(jì)算設(shè)備 (3 普適計(jì)算的一個(gè)重要途徑普適計(jì)算是與信息空間發(fā)展相適應(yīng)的一種計(jì)算模式 。1991年 ,Mark Weiser 提出了 “普適計(jì)算 (Pervasive Com 2puting ” 的思想 , 即把計(jì)算機(jī)嵌入到環(huán)境或日常生活中去 , 讓計(jì)算機(jī)從人們視線中消失 , 使人們能夠隨時(shí)隨地且 透明地獲得數(shù)字化的服務(wù)。 WSN 是普適計(jì)算的一個(gè)重要 途徑 , 是普適計(jì)算發(fā)展的趨勢(shì)。在 WSN 環(huán)境中 , 在任何 時(shí)間、 任何地點(diǎn)都能夠與外界信息更方便地交流 , 人們可 以自由地穿行于物理世界和信息空間中 , 實(shí)現(xiàn)物理世界與 信息世界的融合。2. 2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用(1 軍事應(yīng)用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)研究最早起源于軍事領(lǐng)域 。 由于其具有可快速部署、 自組織、 隱蔽性強(qiáng)和高容錯(cuò)性的 特點(diǎn) , 因此能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)敵軍地形和兵力布防及裝備的偵 察、 戰(zhàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)監(jiān)視、 定位攻擊目標(biāo)、 戰(zhàn)場(chǎng)評(píng)估、 核攻擊和 生物化學(xué)攻擊的監(jiān)測(cè)以及搜索等功能。(2 環(huán)境應(yīng)用WSN 可以用于氣象和地理研究 , 自然和人為災(zāi)害 (如洪水和火災(zāi) 的監(jiān)測(cè) , 監(jiān)視農(nóng)作物灌溉及土壤、 空氣變更的 情況、 牲畜和家禽的環(huán)境狀況 , 以及大面積的地表檢測(cè)和 跟蹤珍稀鳥類、 動(dòng)物和昆蟲 , 進(jìn)行瀕危種群的研究等。美國(guó)的 AL ER T 計(jì)劃中 , 研究人員開發(fā)了數(shù)種傳感器 來分別監(jiān)測(cè)降雨量、 河水水位和土壤水分 , 并依此預(yù)測(cè)暴 102008年第 8期adv . cn (廣告專用 發(fā)山洪的可能性。 2002年 , 美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校 In 2tel 實(shí)驗(yàn)室和大西洋學(xué)院聯(lián)合 , 在大鴨島上部署了用來監(jiān) 測(cè)島上海鳥生活習(xí)性的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。哈佛大學(xué) Mate Wel 的研究小組用 WSN 對(duì)活火山 Volcan Tungurahua 進(jìn) 行觀測(cè)。 2005年 , 澳洲的科學(xué)家利用傳感器網(wǎng)絡(luò)探測(cè)北 澳大利亞的蟾蜍分布情況。挪威科學(xué)家利用 WSN 監(jiān)測(cè) 冰河的變化情況 , 目的在于通過分析冰河環(huán)境的變化來推 斷地球氣候的變化。Intel 在俄勒岡州的一個(gè)葡萄園內(nèi) , 利用 WSN 測(cè)量葡 萄園氣候的細(xì)微變化。(3 醫(yī)療應(yīng)用WSN 可以用于檢測(cè)人體的生理數(shù)據(jù)和健康狀況 , 對(duì) 醫(yī)院藥品進(jìn)行管理以及用于遠(yuǎn)程醫(yī)療等醫(yī)療領(lǐng)域。在 SSIM 項(xiàng)目中 ,100個(gè)微型傳感器被植入病人眼中 , 幫助盲人獲得了一定程度的視覺。 科學(xué)家還創(chuàng)建了一個(gè) “ 智能醫(yī)療之家” , 即一個(gè) 5間房的公寓住宅 , 使用無線傳 感器網(wǎng)絡(luò)來測(cè)量居住者的重要生命體征 (血壓 、 吸 、 睡覺姿勢(shì)以及每天 24, (4 家庭應(yīng)用嵌入家具和家電中的傳感器和執(zhí)行單元組成的無線 網(wǎng)絡(luò)與 Internet 連接在一起 , 能夠?yàn)槿藗兲峁└邮孢m 、 方便和具有人性化的智能家居環(huán)境。用戶可以方便地對(duì) 家電進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控 , 如在下班前遙控家里的電飯鍋、 微波 爐、 電話機(jī)、 錄像機(jī)、 電腦等家電 , 按照自己的意愿完成相 應(yīng)的煮飯、 燒菜、 查收電話留言、 選擇電視節(jié)目以及下載網(wǎng) 絡(luò)資料等工作。在家居環(huán)境控制方面 , 將傳感器節(jié)點(diǎn)放在家庭里不同 的房間 , 可以對(duì)各個(gè)房問的環(huán)境溫度進(jìn)行局部控制。此 外 , 利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)還可以監(jiān)測(cè)幼兒的早期教育環(huán) 境 , 跟蹤兒童的活動(dòng)范圍 , 讓研究人員、 父母或是老師全面 地了解和指導(dǎo)兒童的學(xué)習(xí)過程。(5 工業(yè)應(yīng)用WSN 可以用于車輛的跟蹤、 機(jī)械故障的診斷、 工業(yè)生 產(chǎn)的監(jiān)控、 建筑物狀態(tài)的監(jiān)測(cè)等。將 WSN 和 RFID 技術(shù) 融合 , 是實(shí)現(xiàn)智能交通系統(tǒng)的絕好途徑 。在一些危險(xiǎn)的工作環(huán)境 , 如煤礦、 石油鉆井 、 核電廠 等 , 利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可探測(cè)工作現(xiàn)場(chǎng)的一些重要 信息。機(jī)械故障診斷方面 , Intel 公司曾在芯片制造設(shè)備上 安裝過 200個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn) , 用來監(jiān)控設(shè)備的振動(dòng)情況 , 并 在測(cè)量結(jié)果超出規(guī)定時(shí)提供監(jiān)測(cè)報(bào)告 。美國(guó)貝克特營(yíng)建 集團(tuán)公司已在倫敦地鐵系統(tǒng)中采用了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn) 行監(jiān)測(cè)。采用 WSN , 可以讓大樓、 橋梁及其他建筑物感知并匯 報(bào)自身的狀態(tài)信息。英國(guó)的一家博物館利用無線傳感器 網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)了一個(gè)警告系統(tǒng)。(6 其他應(yīng)用在太空探索方面 , WSN 可以實(shí)現(xiàn)對(duì)星球表面長(zhǎng)期的 監(jiān)測(cè)。美國(guó)國(guó)家航空與航天局 (NASA 的 J PL 實(shí)驗(yàn)室的 Sensor Webs 計(jì)劃 , 就是為將來的火星探測(cè)進(jìn)行技術(shù)準(zhǔn) 備的。德國(guó)某研究機(jī)構(gòu)正在利用 WSN 為足球裁判研制一 套輔助系統(tǒng) , 以降低足球比賽中越位和進(jìn)球的誤判率 。在商務(wù)方面 ,WSN 可用于物流和供應(yīng)鏈的管理。 WSN 在大型工程項(xiàng)目、 防范大型災(zāi)害方面也有著良 好的應(yīng)用前景 , 海嘯預(yù)警等。3, 計(jì)算機(jī)、 通信、 自動(dòng)控制、 人工智能等多學(xué) 目前的研究涉及通信、 組網(wǎng) 、 管理、 分布 式信息處理等多個(gè)方面。 具體而言 , 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān) 鍵技術(shù)有路由協(xié)議、 MAC 協(xié)議、 拓?fù)淇刂啤?定位技術(shù)、 時(shí)間 同步、 安全技術(shù)和數(shù)據(jù)融合等。(1 路由協(xié)議路由協(xié)議負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)分組 , 從源節(jié)點(diǎn)通過網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)到 目的節(jié)點(diǎn)。 它主要包括兩方面的功能 :尋找源節(jié)點(diǎn)和目的 節(jié)點(diǎn)間的優(yōu)化路徑 , 將數(shù)據(jù)分組沿著優(yōu)化路徑正確轉(zhuǎn)發(fā) 。路由協(xié)議可有不同的分類方法 , 包括平面路由和層次 路由 ; 主動(dòng)路由、 按需路由和混合路由 ; 基于位置的路由和 非基于位置的路由 ; 基于 Qos 的路由和不基于 Qos 的路 由 ; 基于數(shù)據(jù)融合的路由和非基于數(shù)據(jù)融合的路由 ; 能量 感知路由協(xié)議和非能量感知路由協(xié)議 ; 查詢驅(qū)動(dòng)和非查詢 驅(qū)動(dòng)路由 ; 單路徑和多路徑路由 ; 安全路由與非安全路由 。(2 M AC 協(xié)議在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中 , 介質(zhì)訪問控制 (MAC 協(xié)議決 定無線信道的使用方式 , 在傳感器節(jié)點(diǎn)之間分配有限的無 線通信資源 , 用來構(gòu)建傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的底層基礎(chǔ)結(jié)構(gòu) 。 MAC 協(xié)議處于傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的底層部分 , 對(duì)傳感器網(wǎng) 絡(luò)的性能有較大影響 , 是保證無線傳感器網(wǎng)絡(luò)高效通信的 關(guān)鍵網(wǎng)絡(luò)協(xié)議之一。(3 拓?fù)淇刂苽鞲衅骶W(wǎng)絡(luò)的拓?fù)淇刂萍夹g(shù)主要研究的問題是 :在滿 足網(wǎng)絡(luò)覆蓋度和連通度的前提下 , 通過功率控制和骨干網(wǎng) 節(jié)點(diǎn)選擇 , 剔除節(jié)點(diǎn)之間不必要的通信鏈路 , 形成一個(gè)數(shù) 據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。 具體地講 , 傳感器網(wǎng)絡(luò)中的拓?fù)?控制按照研究方向可以分為兩類 :節(jié)點(diǎn)功率控制和層次型 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)組織。 paper . cn (投稿專用 2008年第 8期Microcontrollers &Embedded Systems 11(4 定位技術(shù) 對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用 , 不知道傳感器位置而感知的數(shù)據(jù)是 沒有意義的。 傳感器節(jié)點(diǎn)必須明確自身位置才能詳細(xì)說 明 “ 在什么位置或區(qū)域發(fā)生了特定事件” , 實(shí)現(xiàn)對(duì)外部目標(biāo) 的定位和追蹤 ; 另外 , 了解傳感器節(jié)點(diǎn)位置信息還可以提 高路由效率 , 為網(wǎng)絡(luò)提供命名空間 , 向部署者報(bào)告網(wǎng)絡(luò)的 覆蓋質(zhì)量 , 實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載均衡以及網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞淖耘渲?。(5 時(shí)間同步技術(shù)在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中 , 單個(gè)節(jié)點(diǎn)的能力非常有 限 , 整個(gè)系統(tǒng)所要實(shí)現(xiàn)的功能需要網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)相互配 合共同完成。 時(shí)間同步在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中起著非 常重要的作用 , 國(guó)內(nèi)外的研究者已經(jīng)提出了多種無線傳感 器網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間同步算法。(6 安全技術(shù)與其他無線網(wǎng)絡(luò)一樣 , 安全問題是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的 一個(gè)重要問題。 由于采用的是無線傳輸信道 , 存在竊聽、 惡意路由、 , 應(yīng)用當(dāng)中 , , 軍事上在敵控區(qū) 監(jiān)視對(duì)方軍事部署的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)等 , 安全問題顯得尤 為重要。(7 數(shù)據(jù)融合技術(shù)由于大多數(shù)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用都是由大量傳感器 節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的 , 共同完成信息收集、 目標(biāo)監(jiān)視和感知環(huán)境的 任務(wù)。 在信息采集的過程中 , 采用各個(gè)節(jié)點(diǎn)單獨(dú)傳輸數(shù)據(jù) 到匯聚節(jié)點(diǎn)的方法顯然是不合適的。通過數(shù)據(jù)融合技術(shù) , 能將多份數(shù)據(jù)或信息進(jìn)行處理 , 組合出更高效 、 更符合用 戶需求的數(shù)據(jù)。4 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)所面臨的挑戰(zhàn)和發(fā)展趨勢(shì)4. 1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)所面臨的挑戰(zhàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)不同于傳統(tǒng)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn) , 對(duì)無線 傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)提出了新的挑戰(zhàn) , 主要體現(xiàn)在 5個(gè)方面 :低能耗、 實(shí)時(shí)性 、 低成本、 安全和抗干擾、 協(xié)作。4. 2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展趨勢(shì)由以上這些挑戰(zhàn) , 根據(jù)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究現(xiàn)狀 , 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)主要有 4個(gè)方面。(1 靈活 、 自適應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議體系無線傳感器網(wǎng)絡(luò)廣泛地應(yīng)用于軍事、 環(huán)境、 醫(yī)療、 家 庭、 工業(yè)等領(lǐng)域。其網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、 算法的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)與具體 的應(yīng)用場(chǎng)景有著緊密的關(guān)聯(lián)。 在環(huán)境監(jiān)測(cè)中 , 需要使用靜止、 低速的無線傳感器網(wǎng)絡(luò) ; 軍事應(yīng)用中 , 需要使用移動(dòng) 的、 實(shí)時(shí)性強(qiáng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò) ; 智能交通領(lǐng)域 , 還需要將RFID 技術(shù)和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)融合起來使用。這些面向不同應(yīng)用背景的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)所使用的路由機(jī)制、 數(shù) 據(jù)傳輸模式、 實(shí)時(shí)性要求以及組網(wǎng)機(jī)制等都有著很大的差 異 , 因而網(wǎng)絡(luò)性能各有不同。(2 跨層設(shè)計(jì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)有著分層的體系結(jié)構(gòu) , 因此在設(shè)計(jì)時(shí) 也大都是分層進(jìn)行的 。各層的設(shè)計(jì)相互獨(dú)立且具有一定 局限性 , 因而各層的優(yōu)化設(shè)計(jì)并不能保證整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì) 最優(yōu)。針對(duì)此問題 , 一些研究者提出了跨層設(shè)計(jì)的概念 。 , 能量管理機(jī) ; 但要使整個(gè) , 還應(yīng)采用跨層設(shè)計(jì)的思想 。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范ZigBee 是一種新興的無線網(wǎng)絡(luò)通信規(guī)范 , 主要用于近距離無線連接。 Z igBee 的基礎(chǔ)是 IEEE 無線個(gè)域網(wǎng)工作 組所制定的 IEEE 802. 15. 4技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。 IEEE 802. 15. 4標(biāo)準(zhǔn)旨在為低能耗的簡(jiǎn)單設(shè)備提供有效覆蓋范圍在 10m 左右的低速連接 , 可廣泛用于交互玩具、 庫存跟蹤監(jiān)測(cè)等 消費(fèi)與商業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域。 ZigBee 當(dāng)然不僅只是 IEEE 802.15. 4的名字。 IEEE 802. 15. 4僅處理低級(jí) MAC 層和物理層協(xié)議 ;Z igBee 聯(lián)盟對(duì)其網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議和 API 進(jìn)行了標(biāo) 準(zhǔn)化 , 還開發(fā)了安全層 , 以保證這種便攜設(shè)備不會(huì)意外泄 漏其標(biāo)識(shí) , 而且這種利用網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)距離傳輸不會(huì)被其他節(jié) 點(diǎn)獲得。(4 與其他網(wǎng)絡(luò)的融合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的融合將帶來新的應(yīng)用 。 例如 , 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)、 移動(dòng)通信網(wǎng)的融合 , 一方 面使無線傳感器網(wǎng)絡(luò)得以借助這兩種傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)傳遞信息 , 另一方面可以利用傳感信息實(shí)現(xiàn)應(yīng)用的創(chuàng)新。結(jié) 語無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可以被廣泛地應(yīng)用于國(guó)防軍事 、 國(guó)家安全、 航空航天、 環(huán)境監(jiān)測(cè) 、 交通管理 、 醫(yī)療救護(hù)、 制造 業(yè)、 反恐抗災(zāi)等領(lǐng)域。特別是在未來軍事領(lǐng)域中 , 由于傳 感網(wǎng)絡(luò)可以快速部署在敵對(duì)地區(qū)并收集相關(guān)情報(bào) , 同時(shí)又 無需人為干預(yù) , 所以可以極大地減少人員的傷亡 , 是現(xiàn)代 化電子信息戰(zhàn)的重要體現(xiàn)。 因此 , 傳感器網(wǎng)絡(luò)在未來具有 良好的應(yīng)用前景 , 它將掀起新的產(chǎn)業(yè)浪潮 。編者注 :本文為期刊縮略版 , 全文見本刊網(wǎng)站 www.mesnet. com. cn 。 122008年第 8期adv . cn (廣告專用 短 距 離 無 線 數(shù) 據(jù) 低 功 耗 傳 輸 協(xié) 議 研 究東南大學(xué) 王琢玉 方晨 劉昊 摘 要 針對(duì)短距離無線數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備因高功 耗 而限 制了工 業(yè)應(yīng)用這一問題 , 本文基于 Freescale 公司的MC13213硬件平臺(tái) , 對(duì)其低功耗的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議進(jìn)行了研究 , 采用信標(biāo)同步機(jī)制極大地降低了無線數(shù)據(jù) 傳輸設(shè)備的功耗。 關(guān)鍵詞低功耗無線數(shù)據(jù)傳輸信標(biāo)時(shí)間同步 MC13213 短距離無線數(shù)據(jù)傳輸是一種線纜替代技術(shù) , 在當(dāng)前很 多領(lǐng)域 (如工業(yè)生產(chǎn)、 醫(yī)療監(jiān)護(hù)、 科學(xué)研究等 泛的應(yīng)用。 它的出現(xiàn) , 有線布線的問題 , Freescale 公司的 MC13213輸協(xié)議進(jìn)行了研究 , 在保證數(shù)據(jù)可靠傳輸?shù)耐瑫r(shí) , 極大地 降低了設(shè)備的功耗。1 主要芯片介紹MC13213是 Freescale 公司推出的一款 SoC 芯片 , 它主要由微處理器和射頻模塊兩部分組成。微處理器采用8位的 HCS08內(nèi)核 , 集成了 1個(gè) SPI (Serial Perip