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(jì)與實(shí)現(xiàn)論文

1、 PAGE57 / NUMPAGES57第一章緒論微電子技術(shù)、計(jì)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(yùn)而生，它是由部署在監(jiān)測區(qū)域大量的廉價(jià)微型傳感器節(jié)點(diǎn)組成，通過無線通信方式組成的一個(gè)多跳的自組織網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。目前以Internet 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。具有現(xiàn)代

2、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。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(jì)劃。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。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(bào)、健康護(hù)理、智能家居、建筑物狀態(tài)監(jiān)控、城市交通、空間探索以與安全監(jiān)測等領(lǐng)域。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(gè)領(lǐng)域。11 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的定義12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(shí)質(zhì)上小異。比較通用的定義為：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

3、是指由一組按需隨機(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)覆蓋圍感知對象的信息，并傳送到信息用戶。12 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)34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。在此基礎(chǔ)之上，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)還有下列特點(diǎn)：（1）傳感器節(jié)點(diǎn)的通信能力有限。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。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

4、方面可能使傳感器出現(xiàn)長時(shí)間故障、甚至損壞。（2）能量有限。網(wǎng)絡(luò)中的傳感器一般都由電池供電且需長時(shí)間工作，而節(jié)點(diǎn)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。（3）計(jì)算能力有限。傳感器網(wǎng)中的傳感器一般采用嵌入式處理器和存儲器。這些傳感器都具有計(jì)算能力，可以完成一些信息處理工作。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。（4）網(wǎng)絡(luò)規(guī)模大，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜。傳感器網(wǎng)中傳感器節(jié)點(diǎn)密集，數(shù)量巨大，可能達(dá)到幾百甚至幾千上萬個(gè)。此外，傳感器網(wǎng)可以分布在很廣泛的地理區(qū)域。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(diǎn)加入或已有節(jié)點(diǎn)失效。

5、因此，網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不斷變化。（5）數(shù)據(jù)傳輸方向性強(qiáng)。在傳感器網(wǎng)中數(shù)據(jù)傳輸具有很強(qiáng)的方向性。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)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(diǎn)向查詢節(jié)點(diǎn)匯聚。13 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用軍事應(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。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(jì)一個(gè)集命令、控制、通信、計(jì)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。因?yàn)闊o線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由密集型、低成本、隨機(jī)分布的節(jié)點(diǎn)組成的，自組織性和容錯(cuò)能力使其不會因?yàn)槟承┕?jié)點(diǎn)在惡意攻擊中

6、的損壞而導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的崩潰，這一點(diǎn)是傳統(tǒng)的傳感器技術(shù)所無法比擬的，也正是這一點(diǎn)，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)場，指揮員往往需要與時(shí)準(zhǔn)確地了解部隊(duì)、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(diǎn)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(gè)環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)形成完備的戰(zhàn)區(qū)態(tài)勢圖。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(diǎn)撤向敵方陣地，在敵

7、方還未來得與反應(yīng)時(shí)迅速收集利于作戰(zhàn)的信息。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。在生物和化學(xué)戰(zhàn)中，利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與時(shí)、準(zhǔn)確地探測爆炸中心，將會為己方提供寶貴的反應(yīng)時(shí)間，從而最大可能地減小傷亡。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)也可避免核反應(yīng)部隊(duì)直接暴露在核輻射的環(huán)境中。在軍事應(yīng)用中，與獨(dú)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(gè)方面： (1)分布節(jié)點(diǎn)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(dú)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(jì)原則為整個(gè)系統(tǒng)提供了較強(qiáng)的容錯(cuò)能力； (3)傳感器節(jié)點(diǎn)與探測目標(biāo)的近距離接觸

8、大大消除了環(huán)境噪聲對系統(tǒng)性能的影響； (4)節(jié)點(diǎn)中多種傳感器的混合應(yīng)用有利于提高探測的準(zhǔn)確性; (5)多節(jié)點(diǎn)聯(lián)合，形成覆蓋面積較大的實(shí)時(shí)探測區(qū)域; (6)借助于個(gè)別具有移動能力的節(jié)點(diǎn)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)域的陰影和盲點(diǎn)。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)所涉與的圍越來越廣泛。通過傳統(tǒng)方式采集原始數(shù)據(jù)是一件困難的工作。無線傳感器網(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)境變化對農(nóng)作物的影響，監(jiān)測海洋、大氣和土壤的成分等。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。類似地，無線傳感器網(wǎng)

9、絡(luò)對森林火災(zāi)準(zhǔn)確、與時(shí)地預(yù)報(bào)也應(yīng)該是有幫助的。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(diǎn)，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(shí)了解被監(jiān)護(hù)病人的病情，進(jìn)行與時(shí)的處理，還可以利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)長時(shí)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。此外，在藥物管理等諸多方面，它也有新穎而獨(dú)特的應(yīng)用?？傊瑹o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(shí)現(xiàn)手段?？臻g探索：探索外部星球一直是

10、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(shí)現(xiàn)對星球表面長時(shí)間的監(jiān)測，是一種經(jīng)濟(jì)可行的方案。NASA的JPL(Jet Propulsion Laboratory)實(shí)驗(yàn)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(xiàng)目中進(jìn)行測試和完善。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(diǎn)，這些特點(diǎn)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(jī)會。比如，嵌入家具和家電中的傳感器與執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成的無線網(wǎng)絡(luò)與Internet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。此外，在災(zāi)難拯救、倉庫管理

11、、交互式博物館、交互式玩具、工廠自動化生產(chǎn)線等眾多領(lǐng)域，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)都將會孕育出全新的設(shè)計(jì)和應(yīng)用模式。14 研究進(jìn)展軍事領(lǐng)域的研究進(jìn)展情況：美國陸軍2001年提出了“靈巧傳感器網(wǎng)絡(luò)通信”計(jì)劃，己被批準(zhǔn)為2001財(cái)政年度的一項(xiàng)科學(xué)技術(shù)研究計(jì)劃，并在2001-2005財(cái)政年度期間實(shí)施。美國陸軍近期又確立了“無人值守地面?zhèn)鞲衅魅骸表?xiàng)目，其主要目標(biāo)是使基層部隊(duì)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(xiàng)目是支持陸軍“更廣闊視野”的3個(gè)項(xiàng)目之一。美國陸軍最近還確立了“戰(zhàn)場環(huán)境偵察與監(jiān)視系統(tǒng)”項(xiàng)目。該系統(tǒng)是一個(gè)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

12、戰(zhàn)斗行動方案提供情報(bào)依據(jù)。它通過“數(shù)字化路標(biāo)”作為傳輸工具，為各作戰(zhàn)平臺與單位提供“各取所需”的情報(bào)服務(wù)，使情報(bào)偵察與獲取能力產(chǎn)生質(zhì)的飛躍。該系統(tǒng)組由撒布型微傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、機(jī)載和車載型偵察與探測設(shè)備等構(gòu)成。美國海軍最近也確立了“傳感器組網(wǎng)系統(tǒng)”研究項(xiàng)目。該系統(tǒng)可以利用現(xiàn)有的通信機(jī)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(jī)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)視傳感器以與太空監(jiān)視設(shè)備的信息，可以部署到各級指揮單位。2002年5月，美國Sandia國家實(shí)驗(yàn)室與美國能源部合作，共同研究能夠盡早發(fā)現(xiàn)以地鐵、車站等場所為目標(biāo)的生化武器襲擊，并與時(shí)采取防

13、對策的系統(tǒng)。該研究屬于美國能源部反恐對策項(xiàng)目的重要一環(huán)，整個(gè)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(bào)，自動開啟引導(dǎo)旅客避難的廣播，并封鎖有關(guān)入口等。美國海軍最近開展的網(wǎng)狀傳感器系統(tǒng)CEC(Cooperative Engagement Capability)是一項(xiàng)革命性的技術(shù)。CEC是一個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)，其感知數(shù)據(jù)是原始的雷達(dá)數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)適用于艦船或飛機(jī)戰(zhàn)斗群攜帶的電腦進(jìn)行感知數(shù)據(jù)的處理，每艘戰(zhàn)船不但依賴于自己的雷達(dá)，還依靠其他戰(zhàn)船或者裝載CEC的戰(zhàn)機(jī)來獲取感知數(shù)據(jù)，極提高了測量精度，進(jìn)而可以快速準(zhǔn)確地跟蹤混亂中的敵機(jī)和導(dǎo)彈。民用領(lǐng)域的研究進(jìn)

14、展情況：1995年，美國交通部提出了“國家智能交通系統(tǒng)項(xiàng)目規(guī)劃”，預(yù)計(jì)到2025年全面投入使用。該計(jì)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)與計(jì)算機(jī)處理技術(shù)有效地集成運(yùn)用于整個(gè)地面交通管理，建立一個(gè)在大圍、全方位發(fā)揮作用的，實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、高效的綜合交通運(yùn)輸管理系統(tǒng)。這種新型系統(tǒng)將有效地使用傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行交通管理，不僅可以使汽車按照一定的速度行駛、前后車距自動地保持一定的距離，而且還可以提供有關(guān)道路堵塞的最新消息，推薦最佳行車路線以與提醒駕駛員避免交通事故等。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(jì)算機(jī)來監(jiān)視每一輛汽車的運(yùn)行狀況，如制動質(zhì)量、發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)情況等。根據(jù)具

15、體情況，計(jì)算機(jī)可以自動進(jìn)行調(diào)整，使車輛保持在高效低耗的最佳運(yùn)行狀態(tài)，并就潛在的故障發(fā)出警告，或直接與事故搶救中心取得聯(lián)系。2002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(jì)算發(fā)展規(guī)劃”，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。實(shí)現(xiàn)該計(jì)劃需要3個(gè)階段，即物理階段、實(shí)現(xiàn)階段和應(yīng)用階段。物理階段主要開發(fā)集成感知、計(jì)算和通信功能的超微型傳感器(也被稱作塵?；蛑悄芪m)，實(shí)現(xiàn)階段將在實(shí)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)測與災(zāi)害對策等領(lǐng)域。英特爾研究中心伯克利實(shí)驗(yàn)

16、室和大西洋學(xué)院的研究人員計(jì)劃部署和使用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)來研究島上環(huán)境，這些傳感器由溫度、濕度、氣壓等芯片和紅外線傳感器組成，科學(xué)家們使用這些設(shè)備可以在不干擾野生動植物正常生活的情況下監(jiān)視它們與其生存環(huán)境?，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、 Mica2、Mica2Dot三種產(chǎn)品。他們還為Mica開發(fā)了一套微型的操作系統(tǒng)。Mica2Dot的大小和一枚硬幣差不多，每個(gè)Mica2可以分為兩個(gè)模塊，一個(gè)是基本的射頻和處理模塊MPR (Mote Processor R

17、adio Board)，另一個(gè)是可選的傳感模塊MDA(Mote Data Acquisition Board)。Mica2工作在915MHz的ISM頻段上，有兩個(gè)可調(diào)的工作頻率：914.007MHz和915.998MHz，它以AA電池或鈕扣電池作為能源，現(xiàn)在關(guān)于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的大多數(shù)科研和演示系統(tǒng)都是以Mica為平臺的。學(xué)術(shù)界的研究進(jìn)展在美國自然科學(xué)基金委員會的推動下，美國的加州大學(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)校開始了傳感器網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)理論和關(guān)鍵技術(shù)的研究。英國、日本、意大利等國家的一些大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)也紛紛開展了該領(lǐng)域的研究工作。到現(xiàn)在為止，學(xué)術(shù)界對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

18、的研究大致經(jīng)過了兩個(gè)階段。第一階段主要偏重利用微型機(jī)電系統(tǒng)(Micro-Electromechanical Systems， MEMS)技術(shù)設(shè)計(jì)小型化的節(jié)點(diǎn)設(shè)備，代表性的研究項(xiàng)目有Smart Dust和WINS(WirelessIntegrated Network Sensors)實(shí)驗(yàn)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(gè)階段，目前正在成為無線網(wǎng)絡(luò)研究領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)。從網(wǎng)絡(luò)分層模型的角度分析，每一層都有需要結(jié)合傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)進(jìn)行細(xì)致研究的問題。就己有的研究而言，主要集中在網(wǎng)絡(luò)層和鏈路層。目前的研究工作還處于起步階段，大量的問題還沒有涉與到，未來的研究工作任

19、重而道遠(yuǎn)。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。(1)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的研究進(jìn)展 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Sensor數(shù)據(jù)編碼模式、用稀疏傳感器網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)跟蹤移動對象路線的方法、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)分布式存儲的地理Hash表方法、確定傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)位置的分布式算法等，并研制了一個(gè)專門適用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的操作系統(tǒng)TinyOS11。 加州大學(xué)洛杉磯分校開發(fā)了一個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和一個(gè)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

20、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)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(shí)間同步的解決方法、自組織傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)問題和解決方法、新的多路徑模式等。南加州大學(xué)提出了在生疏環(huán)境部署移動傳感器的方法、傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)視結(jié)構(gòu)與其聚集函數(shù)計(jì)算方法、節(jié)省能源的計(jì)算聚集的樹構(gòu)造算法等。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與由無網(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。 麻省理工學(xué)院開始研究超低能源無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的問題，試圖解決超低能源無線傳感器系統(tǒng)的方法學(xué)和技術(shù)問題。 (2)無線傳感器

21、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(diǎn)到點(diǎn)或點(diǎn)到多點(diǎn)通信鏈路，主要由介質(zhì)訪問控制(MAC)組成。就實(shí)現(xiàn)機(jī)制而言，MAC協(xié)議分3類：確定性分配、競爭占用和隨機(jī)訪問。這三類各有特點(diǎn)，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)。通信蜂窩網(wǎng)絡(luò)、Ad hoc和藍(lán)牙技術(shù)是當(dāng)前主流的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，但它們各自的MAC協(xié)議也不適合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。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(diǎn)具有高度移動性的環(huán)境中建立彼此間的，同時(shí)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

22、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(diǎn)。15課題背景與研究容從當(dāng)前的研究工作來看，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用受限最大的問題在于傳感器節(jié)點(diǎn)的能源有限上。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(diǎn)進(jìn)行能源補(bǔ)充也是不切實(shí)際的，因此，需要最大限度地利用節(jié)點(diǎn)自身攜帶的有限能源。節(jié)點(diǎn)消耗能源的主要部份在于其無線電收發(fā)方面，如何在當(dāng)前的節(jié)點(diǎn)制作水平上延長節(jié)點(diǎn)生存時(shí)間，最為主要的是構(gòu)建高效節(jié)能的路由協(xié)議，減少數(shù)據(jù)收發(fā)量，降低其收發(fā)、偵聽時(shí)間。同時(shí)，考慮到無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用是和節(jié)點(diǎn)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(diǎn)

23、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(diǎn)。為此，本文提出了一種基于節(jié)點(diǎn)位置的無線傳感器路由協(xié)議，通過節(jié)點(diǎn)自組網(wǎng)過程中形成的節(jié)點(diǎn)位置拓?fù)鋱D，使節(jié)點(diǎn)能動態(tài)地根據(jù)自身剩余能量選擇合適的路由，從而達(dá)到充分利用每個(gè)節(jié)點(diǎn)能量的目的，以此延長網(wǎng)絡(luò)使用壽命。16本文的容安排本文的容共分以下六章： 第一章緒論，介紹無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的定義、特點(diǎn)、應(yīng)用圍以與研究背景和意義；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(jì)了用于路由協(xié)議驗(yàn)證的溫度傳感器節(jié)點(diǎn)；第三章節(jié)點(diǎn)定位分析，對基于測距和基于不測距兩大類型的節(jié)點(diǎn)定位方式作了簡要介紹，提出了基

24、于測距與不測距的復(fù)合定位方法。第四章，對路由協(xié)議作了分類介紹，并對其中一些定位算法作了分析比較，詳細(xì)討論了GEM路由協(xié)議，針對GEM路由協(xié)議的不足，提出了相應(yīng)的改進(jìn)措施，這是本文的重點(diǎn)容；第五章總結(jié)與展望，對全文作了總結(jié)，提出了下一步的工作目標(biāo)。第二章無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分析與節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)21 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)5211 傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2-1 所示，整個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)由傳感器節(jié)點(diǎn)群、匯聚節(jié)點(diǎn)（基站）、互聯(lián)網(wǎng)與遠(yuǎn)程監(jiān)控中心(用戶)組成。圖2-1傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)部署或拋撒在感興趣區(qū)域的傳感器節(jié)點(diǎn)以自組織方式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)，采集數(shù)據(jù)之后以多跳中繼方式將數(shù)據(jù)傳回匯聚節(jié)點(diǎn)，由匯聚節(jié)點(diǎn)將收集到的數(shù)

25、據(jù)通過互聯(lián)網(wǎng)或移動通信網(wǎng)絡(luò)傳送到遠(yuǎn)程監(jiān)控中心進(jìn)行處理。在這個(gè)過程中，傳感器節(jié)點(diǎn)既充當(dāng)感知節(jié)點(diǎn)，又充當(dāng)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的路由器。整個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)以數(shù)據(jù)為中心的網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)融合的數(shù)據(jù)相當(dāng)于來自一個(gè)分布式的數(shù)據(jù)庫。匯聚節(jié)點(diǎn)的處理能力、存儲能力和通信能力相對比較強(qiáng)，它充當(dāng)傳感器網(wǎng)絡(luò)和Internet等外部網(wǎng)絡(luò)之間的接口部件，實(shí)現(xiàn)兩種協(xié)議棧之間的通信協(xié)議轉(zhuǎn)換，同時(shí)發(fā)布管理節(jié)點(diǎn)的監(jiān)測任務(wù)，并把收集的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到外部網(wǎng)絡(luò)中。匯聚節(jié)點(diǎn)既可是一個(gè)具有增強(qiáng)功能的傳感器節(jié)點(diǎn)，有足夠的能量供給和更多的存與計(jì)算資源，也可是沒有監(jiān)測功能僅帶有無線通信接口的特殊網(wǎng)關(guān)設(shè)備。212 傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成傳感器節(jié)點(diǎn)通常是一個(gè)微型的嵌入式系

26、統(tǒng)，它的處理能力、存儲能力和通信能力相對較弱，通過能量有限的電池供電。從網(wǎng)絡(luò)功能上看，每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)兼顧傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)終端和路由器雙重功能，除了進(jìn)行本地信息收集和數(shù)據(jù)處理外，還要對其他節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)來的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲、管理和融合等處理，同時(shí)與其他節(jié)點(diǎn)協(xié)作完成一些特定任務(wù)。傳感器節(jié)點(diǎn)由傳感器模塊、路由協(xié)議管理模塊、系統(tǒng)控制模塊、無線收發(fā)模塊和能量控制模塊五部分組成，如圖2-2所示。傳感器模塊負(fù)責(zé)監(jiān)測區(qū)域信息的采集和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換；系統(tǒng)控制模塊負(fù)責(zé)控制整個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的操作，存儲和處理本身采集的數(shù)據(jù)以與其他節(jié)點(diǎn)發(fā)來的數(shù)據(jù)，路由協(xié)議管理模塊負(fù)責(zé)與其他傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行無線通信，交換控制消息和收發(fā)采集數(shù)據(jù)；能量模塊為傳感器

27、節(jié)點(diǎn)提供運(yùn)行所需的能量，電源通常采用微型電池。圖2-2節(jié)點(diǎn)組成模塊示意圖213 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議分層8對于傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議分層，研究人員提出了一個(gè)與互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議棧相對應(yīng)的五層協(xié)議棧：物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層和應(yīng)用層。在此基礎(chǔ)上，由于定位和時(shí)間同步在網(wǎng)絡(luò)的特殊性，又增加了定位和時(shí)間同步子層。物理層：物理層負(fù)責(zé)頻率選擇、載波生成、信號檢測、調(diào)制解調(diào)、編碼、定時(shí)和同步等問題，物理層設(shè)計(jì)直接影響到電路的復(fù)雜度和傳輸能耗等問題。由于傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)體積小、能量、通信能力和運(yùn)算能力都很有限，這就要求傳感器網(wǎng)絡(luò)的物理層設(shè)計(jì)比傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)要更加節(jié)能，能盡量延長節(jié)點(diǎn)的生存時(shí)間，目標(biāo)是設(shè)計(jì)低成本、低功耗和小體積的傳感器

28、節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)鏈路層：數(shù)據(jù)鏈路層主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)幀檢測、介質(zhì)訪問控制(MAC)和差錯(cuò)控制等，以保證可靠的點(diǎn)到點(diǎn)和點(diǎn)到多點(diǎn)的通信。介質(zhì)訪問控制方法是否合理與高效，直接決定了傳感器節(jié)點(diǎn)間協(xié)調(diào)的有效性和對網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的適應(yīng)性，合理與高效的介質(zhì)訪問控制方法能夠有效的減少傳感器節(jié)點(diǎn)收發(fā)控制性數(shù)據(jù)的比率，進(jìn)而減少能量損耗。數(shù)據(jù)鏈路層的Mac子層不僅要能使成千上萬的傳感器節(jié)點(diǎn)建立起自組織的多跳網(wǎng)絡(luò)，還要保證這種多跳自組網(wǎng)的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有公平和高效的通信環(huán)境，是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究的熱點(diǎn)問題之一。網(wǎng)絡(luò)層：與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的路由層類似，傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由層也是負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的路由轉(zhuǎn)發(fā)。但由于傳感器網(wǎng)絡(luò)的一些自身特點(diǎn)，尤其是能耗的極度有限性

29、，使得傳感器網(wǎng)絡(luò)路由層除了高效的完成路由轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù)外，還要仔細(xì)考慮節(jié)能問題。傳輸層：傳輸層的作用和數(shù)據(jù)鏈路層在某些方面比較類似，如兩者都有保證數(shù)據(jù)可靠傳輸?shù)呢?zé)任。WSN對數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議的要求主要體現(xiàn)在MAC層介質(zhì)訪問控制的可靠性和高效性，而由于傳輸層是建立在數(shù)據(jù)鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層提供的服務(wù)之上的，如果數(shù)據(jù)鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層提供的服務(wù)確實(shí)是高效可靠的，那么傳輸層就不是必須的。如果需要接入Internet，也不一定需要專門開發(fā)一個(gè)WSN的傳輸層協(xié)議，只需將WSN中的路由分組封裝成TCP或UDP報(bào)文即可。如果封裝成TCP報(bào)文，則節(jié)點(diǎn)必須維護(hù)滑動窗口和3次握手等TCP機(jī)制，勢必對能力十分有限的傳感器節(jié)點(diǎn)造成很大

30、負(fù)荷，因此封裝成UDP報(bào)文更現(xiàn)實(shí)些。如果UDP是建立在WSN網(wǎng)絡(luò)層的容錯(cuò)機(jī)制和數(shù)據(jù)鏈路層的差錯(cuò)控制機(jī)制上的，則其可靠性能使有保證的。另一方面，現(xiàn)有WSN都是和應(yīng)用相關(guān)的，在 WSN有了自己的傳輸層協(xié)議之后，這種情況也將大大改善應(yīng)用層：應(yīng)用層要負(fù)責(zé)時(shí)間同步、節(jié)點(diǎn)定位、QoS、移動性控制、能量管理、配置管理、安全管理和遠(yuǎn)程管理。雖然QoS、移動性控制、能量管理、配置管理、安全管理和遠(yuǎn)程管理可以由多個(gè)層次共同完成，每個(gè)層次都可以針對相應(yīng)的功能加入自己的實(shí)現(xiàn)機(jī)制，但由于數(shù)據(jù)鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層對網(wǎng)絡(luò)的QoS屬性、節(jié)點(diǎn)移動性和能耗比較敏感，更加適合實(shí)現(xiàn)這方面的特性。而應(yīng)用層作為WSN的最高層次，處于一種統(tǒng)觀全

31、局的位置，更適合于網(wǎng)絡(luò)的配置管理、安全管理和遠(yuǎn)程管理。定位與時(shí)間同步子層：定位與時(shí)間同步子層既依賴于數(shù)據(jù)傳輸通道進(jìn)行協(xié)作定位和時(shí)間同步協(xié)商，同時(shí)又要網(wǎng)絡(luò)協(xié)議各層提供信息支持，如：為基于時(shí)分復(fù)用的MAC協(xié)議提供時(shí)間同步控制信息，為基于地理位置的路由協(xié)議提供節(jié)點(diǎn)位置信息等。除上文提到的六層協(xié)議外，協(xié)議棧還包括能量管理平臺、移動管理和任務(wù)管理平臺。這些管理使得傳感器節(jié)點(diǎn)能夠按照能源高效的方式協(xié)同工作，在節(jié)點(diǎn)移動的傳感器網(wǎng)絡(luò)中轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，并支持多任務(wù)和資源共享。其功能如下：能量管理平臺管理傳感器節(jié)點(diǎn)如何使用能源，在各個(gè)協(xié)議層都需考慮節(jié)省能量；移動管理平臺檢測傳感器節(jié)點(diǎn)的移動，維護(hù)到匯聚節(jié)點(diǎn)的路由，使得傳

32、感器節(jié)點(diǎn)能夠動態(tài)跟蹤其鄰居的位置；任務(wù)管理平臺在一個(gè)給定的區(qū)域平衡和調(diào)度監(jiān)測任務(wù)。22 傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)為研究無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在實(shí)際應(yīng)用中的有關(guān)問題，驗(yàn)證協(xié)議算法的有效性，設(shè)計(jì)了基于ZigBee技術(shù)的溫度傳感器節(jié)點(diǎn)，為下一步的研究打下基礎(chǔ)。221ZigBee概述67ZigBee是以IEEE 802.15.4 規(guī)作為介質(zhì)訪問層（MAC）和物理層（PHY）協(xié)議的、專為低速率傳感器和控制網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。與其他無線協(xié)議相比，ZigBee提供了低復(fù)雜性、縮減的資源要求和一組標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)。另外它還提供了IEEE 802.15.4定義的3個(gè)工作頻帶：2.4 GHz、915 MHz和868 MHz，以與

33、一些網(wǎng)絡(luò)配置和可選的安全功能。ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)可采用多種類型的配置。星型網(wǎng)絡(luò)配置由一個(gè)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)（主設(shè)備）和一個(gè)或多個(gè)終端設(shè)備（從設(shè)備）組成。協(xié)調(diào)器是實(shí)現(xiàn)了一組很多ZigBee 服務(wù)的一種特殊的全功能設(shè)備（Full Function Device，F(xiàn)FD）。終端設(shè)備是FFD或簡化功能設(shè)備（RFD）。RFD 是最小而且最簡單的ZigBee 節(jié)點(diǎn)。它只實(shí)現(xiàn)了一組最少的ZigBee 服務(wù)。在星型網(wǎng)絡(luò)中，所有的終端設(shè)備都只與協(xié)調(diào)器通信。如果某個(gè)終端設(shè)備需要傳輸數(shù)據(jù)到另一個(gè)終端設(shè)備，它會把數(shù)據(jù)發(fā)送給協(xié)調(diào)器，然后協(xié)調(diào)器依次將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到目標(biāo)接收器終端設(shè)備。除了星型網(wǎng)絡(luò)之外，ZigBee 還可以采用點(diǎn)對點(diǎn)

34、網(wǎng)絡(luò)、群集或網(wǎng)狀（mesh）網(wǎng)絡(luò)配置。由于群集和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)具有在多個(gè)網(wǎng)絡(luò)之間路由數(shù)據(jù)包的功能，因而被稱為多跳網(wǎng)絡(luò)，而星型網(wǎng)絡(luò)則被稱為單跳網(wǎng)絡(luò)。和任何網(wǎng)絡(luò)一樣，ZigBee 網(wǎng)絡(luò)也是多點(diǎn)接入網(wǎng)絡(luò)，它主要有兩種類型的多點(diǎn)接入機(jī)制。一是在沒有使能信標(biāo)的網(wǎng)絡(luò)中，只要信道是空閑的，在任何時(shí)候都允許所有節(jié)點(diǎn)發(fā)送。二是在使能了信標(biāo)的網(wǎng)絡(luò)中，僅允許節(jié)點(diǎn)在預(yù)定義的時(shí)隙進(jìn)行發(fā)送。協(xié)調(diào)器會定期以一個(gè)標(biāo)識為信標(biāo)幀的超級幀開始發(fā)送，并且希望網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點(diǎn)與此幀同步。在這個(gè)超級幀中為每個(gè)節(jié)點(diǎn)分配了一個(gè)特定的時(shí)隙，在該時(shí)隙允許節(jié)點(diǎn)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。超級幀可能還含有一個(gè)公共時(shí)隙，在此時(shí)隙所有節(jié)點(diǎn)競爭接入信道。ZigBee協(xié)議棧

35、是采用C語言編寫的，可用MPLABC18 和Hi-Tech PICC-18 編譯器進(jìn)行編譯。源文件會自動根據(jù)所使用的編譯器進(jìn)行必要的更改。協(xié)議棧使用部閃存程序存儲器來存儲可配置的MAC地址、網(wǎng)絡(luò)表和綁定表。因此，必須使用可自編程的閃存存儲器單片機(jī)。如果需要的話，可以修改非易失性存儲器（NVM）程序來支持任何其他類型的NVM而不使用可自編程的單片機(jī)。Microchip ZigBee協(xié)議棧提供了一種易于使用的不依賴于應(yīng)用和RTOS的函數(shù)庫。該函數(shù)庫是專為僅需對上層軟件做極小更改就可支持多個(gè)RF收發(fā)器而設(shè)計(jì)的。應(yīng)用程序能容易地從一個(gè)RF收發(fā)器移植到另一個(gè)收發(fā)器。如有需要，能很容易地修改該協(xié)議棧以支持

36、其他編譯器。ZigBee協(xié)議棧一般由七個(gè)模塊組成，如圖23所示。圖2-3ZigBee協(xié)議棧典型的應(yīng)用程序總是與應(yīng)用層（APL）和應(yīng)用支持子層（APS）接口。但是，如果需要的話，也可以簡單地將應(yīng)用程序與其他模塊接口或者根據(jù)需要對它們進(jìn)行自定義。應(yīng)用層（APL）模塊提供高級協(xié)議棧管理功能。用戶應(yīng)用程序使用此模塊來管理協(xié)議棧功能。zAPL.c文件實(shí)現(xiàn)了APL邏輯，而zAPL.h文件定義APL模塊支持的API。用戶應(yīng)用程序?qū)瑉APL.h頭文件來訪問其API。ZigBee 設(shè)備對象（ZDO）負(fù)責(zé)打開和處理EP0接口。ZDO負(fù)責(zé)接收和處理遠(yuǎn)程設(shè)備的不同請求。不同于其他的端點(diǎn)，EP0總是在啟動時(shí)就被打開

37、并假設(shè)綁定到任何發(fā)往EP0的輸入數(shù)據(jù)幀。網(wǎng)絡(luò)層（NWK）負(fù)責(zé)建立和維護(hù)網(wǎng)絡(luò)連接。它獨(dú)立處理傳入數(shù)據(jù)請求、關(guān)聯(lián)、解除關(guān)聯(lián)和孤立通知請求。介質(zhì)訪問控制層（Medium Access Control，MAC）實(shí)現(xiàn)了IEEE 802.15.4 規(guī)所要求的功能。MAC層負(fù)責(zé)同物理（Physical，PHY）層進(jìn)行交互。為支持不同類型的RF收發(fā)器，Microchip協(xié)議棧將不同的PHY交互歸類到不同的文件中。每個(gè)支持的收發(fā)器都有一個(gè)獨(dú)立的文件。物理層（PHY）定義了無線信道和MAC子層之間的接口，提供物理層數(shù)據(jù)服務(wù)和物理層管理服務(wù)。物理層數(shù)據(jù)服務(wù)從無線物理信道上收發(fā)數(shù)據(jù)，物理層管理服務(wù)維護(hù)一個(gè)由物理層相關(guān)

38、數(shù)據(jù)組成的數(shù)據(jù)庫。222基于ZigBee協(xié)議的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)比較通用的傳感器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)是由一個(gè)中央處理器模塊、射頻處理模塊以與天線組成。如圖24所示。圖2-4節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)MCU選用MICROCHIP公司的PIC18LF4620芯片， PIC4620單片機(jī)主要性能:DC40MHZ的時(shí)鐘輸入，10MIPS的執(zhí)行速度，16位寬指令，8位寬數(shù)據(jù)通道，64K字節(jié)Flash存儲器， 4K字節(jié)的EEPROM, SPI接口在線編程，JTAG在線調(diào)試接口，1個(gè)8位定時(shí)器，3個(gè)16位定時(shí)器，10位13通道A/D轉(zhuǎn)換模塊, 省電休眠模式，可軟件選擇時(shí)鐘，5個(gè)雙向I/O接口，并行從接口等，寬圍的工作電壓（2.05.5V

39、）等。圖25為傳感器節(jié)點(diǎn)主板電路的PCB圖，圖26為主板電路布線圖。圖2-5節(jié)點(diǎn)主板電路PCB圖圖2-6印刷電路板布線示意圖無線收發(fā)處理芯片選擇CHIPCON的CC2420，它的ZigBee開發(fā)應(yīng)用的實(shí)例比較多，同時(shí)MICROCHIOP公司開發(fā)了ZigBee開發(fā)平臺，是ZigBee聯(lián)盟的主席成員公司之一。CC2420的主要性能特點(diǎn)：它是ChipCon公司推出的首款符合2.4GHzIEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的射頻收發(fā)器。該器件包括眾多額外功能，是第一款適用于ZigBee產(chǎn)品的RF器件。它基于ChipCon公司的Smart RF03技術(shù)，以0.18mCMOS工藝制成只需極少外部元器件，性能穩(wěn)定且

40、功耗極低。CC2420的選擇性和敏感性指數(shù)超過了IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的要求，可確保短距離通信的有效性和可靠性。利用此芯片開發(fā)的無線通信設(shè)備支持?jǐn)?shù)據(jù)傳輸率高達(dá)250kbps，可以實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)對多點(diǎn)的快速組網(wǎng)該芯片采用SPI通信接口，射頻輸出的功率可調(diào)，具有接收信號強(qiáng)度監(jiān)測器輸出接口，可方便用在基于接收信號強(qiáng)度的算法(比如定位)號強(qiáng)度的獲得。圖2-7CC2420典型應(yīng)用電路表2-1 PIC18LF與CC2420接口關(guān)系溫度傳感器選擇數(shù)字化DS18b20溫度傳感器，這是世界上第一片支持 “一線總線”接口的溫度傳感器，其主要特點(diǎn)有：只占用一個(gè)端口，屬于一線制芯片，無需外部器件，可通過數(shù)據(jù)線供電，零

41、待機(jī)功耗，測溫圍廣（55125），溫度以9位數(shù)字量讀出，溫度轉(zhuǎn)換時(shí)間200ms，具有價(jià)格低廉的特點(diǎn)，符合傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)價(jià)格低廉的要求。一線總線獨(dú)特而且經(jīng)濟(jì)的特點(diǎn)，使用戶可輕松地組建傳感器網(wǎng)絡(luò)。圖2-7所示為節(jié)點(diǎn)中射頻器件CC2420電路連線示意圖，表2-1列出了CC2420與主板電路的接口連接關(guān)系。圖2-8DS18b20與PIC18F4620連線示意圖圖2-8所示為DS18b20與PIC18F4620連線示意圖。圖29所示為帶溫度傳感器的節(jié)點(diǎn)實(shí)物圖樣。圖2-9節(jié)點(diǎn)實(shí)物圖223節(jié)點(diǎn)間通信的實(shí)現(xiàn)由于制作的節(jié)點(diǎn)數(shù)量有限，本節(jié)通過對五個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通連實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)間建立數(shù)據(jù)鏈路的執(zhí)行效果，因?yàn)闆]有

42、為節(jié)點(diǎn)配置超聲波接收裝置，采用人工方式為每個(gè)節(jié)點(diǎn)確定了具體位置。圖210至圖212是部分實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖，通過對圖中數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可以看出，節(jié)點(diǎn)間數(shù)據(jù)鏈咱的建立是可行的。通信幀各字段代表的意義如表22所示：時(shí)間延遲幀長度幀類型是否加密后繼包標(biāo)識應(yīng)答節(jié)點(diǎn)號目的地址句柄目的地址源節(jié)點(diǎn)句柄源地址數(shù)據(jù)類型信號接收強(qiáng)度信號質(zhì)量循環(huán)校驗(yàn)TdTLenTypeEncrPndAckSeqDstPANDstAddSrcPANSrcAddTypeRSSILQIFCS.表2-2通信幀字段說明圖210（見下頁）所示為各節(jié)點(diǎn)向上傳送節(jié)點(diǎn)信息過程的部分截圖，從圖中可以看出節(jié)點(diǎn)地址為796F、4A30以與3A58的孤兒節(jié)點(diǎn)（Orph

43、an Notification）在廣播一個(gè)查找上級節(jié)點(diǎn)信息后（目的地址為FFFF），地址為6C18的節(jié)點(diǎn)向它們分別發(fā)出了響應(yīng)信息，之后，孤兒節(jié)點(diǎn)就與6C18節(jié)點(diǎn)發(fā)送請求建立數(shù)據(jù)鏈路的信號(Association Request),并報(bào)告自己的節(jié)點(diǎn)信息（如： RFD（簡化功能設(shè)備）類型，即葉節(jié)點(diǎn)，采用電池供電等），節(jié)點(diǎn)6C18繼續(xù)向上傳送尋找更高一級節(jié)點(diǎn)，直至匯聚節(jié)點(diǎn)(基站)。圖2-10節(jié)點(diǎn)信息收集（部分）圖211所示為在基站成功為各節(jié)點(diǎn)建立路由之后，節(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)請求應(yīng)答過程，首先是地址為6C18的節(jié)點(diǎn)向地址為796F的節(jié)點(diǎn)發(fā)出數(shù)據(jù)請求，796F收到請求信號后，向6C18作出應(yīng)答，并傳送相應(yīng)信息

44、。圖2-11節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)交換（部分）圖212所示為控制終端發(fā)出收集溫度信息命令，節(jié)點(diǎn)成功返回?cái)?shù)據(jù)的界面。圖2-12數(shù)據(jù)傳送結(jié)果23 傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)910無線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為當(dāng)今信息領(lǐng)域新的研究熱點(diǎn)，涉與多學(xué)科交叉的研究領(lǐng)域，有非常多的關(guān)鍵技術(shù)有待發(fā)現(xiàn)和研究。在此，本文僅簡單列出部分當(dāng)前認(rèn)為是比較重要的一些技術(shù)，并結(jié)合本文的研究容，著重對網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂?、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、節(jié)點(diǎn)定位做比較詳細(xì)的介紹。231 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂茖τ跓o線傳感器網(wǎng)絡(luò)來說，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂凭哂刑貏e重要的意義。通過拓?fù)淇刂谱詣由闪己玫木W(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，能夠提高路由和MAC協(xié)議的效率，可為數(shù)據(jù)融合、時(shí)間同步和目標(biāo)定位等很多方面奠定基礎(chǔ)，有利于節(jié)省節(jié)

45、點(diǎn)的能量以延長網(wǎng)絡(luò)的生存期。所以，拓?fù)淇刂剖菬o線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究的核心技術(shù)之一。目前，傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂蒲芯康闹饕獑栴}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)之間不必要的無線通信鏈路，生成一個(gè)高效的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。拓?fù)淇刂瓶梢苑譃楣?jié)點(diǎn)功率控制和層次型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)組織12兩個(gè)方面。節(jié)點(diǎn)功率控制機(jī)制調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率，在滿足網(wǎng)絡(luò)連通度的前提下，減少節(jié)點(diǎn)的發(fā)送功率，均衡節(jié)點(diǎn)單跳可達(dá)的鄰居數(shù)目。當(dāng)前基于功率控制機(jī)制的算法主要有： COMPOW13等統(tǒng)一功率分配算法，LINT/LILT14和LMN/LMA15等基于節(jié)點(diǎn)度數(shù)的算法，CBTC16、LMST17、R

46、NG、DRNG和DLSS18等基于鄰近圖的近似算法。層次型的拓?fù)淇刂评梅执貦C(jī)制，讓一些節(jié)點(diǎn)作為簇頭節(jié)點(diǎn)，由簇頭節(jié)點(diǎn)形成一個(gè)處理并轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的骨干網(wǎng)，其他非骨干網(wǎng)節(jié)點(diǎn)可以暫時(shí)關(guān)閉通信模塊，進(jìn)入休眠狀態(tài)以節(jié)省能量；目前提出了TopDisc19成簇算法，改進(jìn)的GAF虛擬地理網(wǎng)格分簇算法20，以與LEACH21和HEED22等自組織成簇算法。除了傳統(tǒng)的功率控制和層次型拓?fù)淇刂?，人們還提出了啟發(fā)式的節(jié)點(diǎn)喚醒和休眠機(jī)制。該機(jī)制能夠使節(jié)點(diǎn)在沒有事件發(fā)生時(shí)設(shè)置通信模塊為睡眠狀態(tài)，而在有事件發(fā)生時(shí)與時(shí)自動醒來并喚醒鄰居節(jié)點(diǎn)，形成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。這種機(jī)制重點(diǎn)在于解決節(jié)點(diǎn)在睡眠狀態(tài)和活動狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換問題，不能

47、夠獨(dú)立作為一種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)控制機(jī)制，因此需要與其他拓?fù)淇刂扑惴ńY(jié)合使用。232 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議由于傳感器節(jié)點(diǎn)的計(jì)算能力、存儲能力、通信能量以與攜帶的能量都十分有限，每個(gè)節(jié)點(diǎn)只能獲取局部網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)湫畔?，其上運(yùn)行的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議也不能太復(fù)雜。同時(shí)，傳感器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)動態(tài)變化，網(wǎng)絡(luò)資源也在不斷變化，這些都對網(wǎng)絡(luò)協(xié)議提出了更高的要求。傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議負(fù)責(zé)使各個(gè)獨(dú)立的節(jié)點(diǎn)形成一個(gè)多跳的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，目前研究的重點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議和數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議。網(wǎng)絡(luò)層的路由協(xié)議決定監(jiān)測信息的傳輸路徑；數(shù)據(jù)鏈路層的介質(zhì)訪問控制用來構(gòu)建底層的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，控制傳感器節(jié)點(diǎn)的通信過程和工作模式。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，路由協(xié)議不僅關(guān)心單個(gè)節(jié)點(diǎn)的能量消耗，更關(guān)心

48、整個(gè)網(wǎng)絡(luò)能量的均衡消耗，這樣才能延長整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的生存期。同時(shí)，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是以數(shù)據(jù)為中心的，這在路由協(xié)議中表現(xiàn)得最為突出，每個(gè)節(jié)點(diǎn)沒有必要采用全網(wǎng)統(tǒng)一的編址，選擇路徑可以不用根據(jù)節(jié)點(diǎn)的編址，更多的是根據(jù)感興趣的數(shù)據(jù)建立數(shù)據(jù)源到匯聚節(jié)點(diǎn)之間的轉(zhuǎn)發(fā)路徑。目前提出了多種類型的傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議，如能量感知的路由協(xié)議、定向擴(kuò)散 (directed diffusion, DD) 13和謠傳路由(rumor routing, RR)24等基于查詢的路由協(xié)議，GEAR(geographical and energy aware routin)25和GEM(graph embedding)26等基于地理位置的

49、路由協(xié)議，SPEED27和EAQR 28等支持QoS的路由協(xié)議。傳感器網(wǎng)絡(luò)的MAC協(xié)議首先要考慮節(jié)省能源和可擴(kuò)展性，其次才考慮公平性、利用率和實(shí)時(shí)性等。在MAC層的能量浪費(fèi)主要表現(xiàn)在空閑偵聽、接收不必要的數(shù)據(jù)和碰撞重傳等。為了減少能量的消耗，MAC協(xié)議通常采用“偵聽/睡眠”交替的無線信道偵聽機(jī)制，傳感器節(jié)點(diǎn)在需要收發(fā)數(shù)據(jù)時(shí)才偵聽無線信道，沒有數(shù)據(jù)需要收發(fā)時(shí)就盡量進(jìn)入睡眠狀態(tài)。比較有代表性的有：S-MAC29、T-MAC30和Sift31等基于競爭的MAC協(xié)議；DEANA32、TRAMA33、DMAC34周期性調(diào)度等時(shí)分復(fù)用的MAC協(xié)議；以與TDMA和FDMA相結(jié)合的SEMAC35等協(xié)議。需要指

50、出的是，由于傳感器網(wǎng)絡(luò)是與應(yīng)用相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議往往需要根據(jù)應(yīng)用類型或應(yīng)用目標(biāo)環(huán)境特征定制，從目前的研究成果來看，沒有任何一個(gè)協(xié)議能夠適應(yīng)所有不同應(yīng)用。233 節(jié)點(diǎn)定位技術(shù)位置信息是傳感器節(jié)點(diǎn)采集數(shù)據(jù)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。確定事件發(fā)生的位置或采集數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)位置是傳感器網(wǎng)絡(luò)最基本的的功能之一。為了提供有效的位置信息，隨機(jī)部署的傳感器節(jié)點(diǎn)必須能夠在布置后確定自身位置。由于傳感器節(jié)點(diǎn)存在資源有限、隨機(jī)部署、通信易受環(huán)境干擾甚至節(jié)點(diǎn)失效等特點(diǎn)。定位機(jī)制必須滿足自組織性、健壯性、能量高效、分布式計(jì)算等要求。根據(jù)節(jié)點(diǎn)位置是否確定，傳感器節(jié)點(diǎn)分為錨節(jié)點(diǎn)和位置未知節(jié)點(diǎn)。錨節(jié)點(diǎn)

51、的位置是已知的，位置未知節(jié)點(diǎn)需要根據(jù)少數(shù)錨節(jié)點(diǎn)，按照某種定位機(jī)制確立自身的位置。在傳感器網(wǎng)絡(luò)定位過程中，通常會使用三邊測量法、三角測量法或極大似然估計(jì)法確定節(jié)點(diǎn)位置。根據(jù)定位過程中是否實(shí)際測量節(jié)點(diǎn)間的距離或角度，把傳感器網(wǎng)絡(luò)中的定位分為基于測距（Range-Based）的定位和基于不測距(Range-Free)的定位36。基于測距的定位機(jī)制就是通過測量相鄰節(jié)點(diǎn)間的距離或方位來確定未知節(jié)點(diǎn)的位置，通常通過測距、定位和修正等步驟來實(shí)現(xiàn)。根據(jù)測量節(jié)點(diǎn)間距離或方位時(shí)所采用的方法，基于測距的定位分為基于到達(dá)時(shí)間（time of arrival,TOA）的定位、基于到達(dá)時(shí)間差（time differenc

52、e of arrival,TDOA）的定位、基于到達(dá)角度(angle af arrival,AOA)37的定位、基于接收信號強(qiáng)度指示(received signal strength indicator,RSSI)的定位等。由于節(jié)點(diǎn)定位依賴實(shí)際的角度或距離，通常定位精度相對較高，但對節(jié)點(diǎn)的硬件也提出了較高的要求?；诓粶y距的定位機(jī)制無須實(shí)際測量節(jié)點(diǎn)間的絕對距離或方位就能夠確定未知節(jié)點(diǎn)的位置，目前提出的定位機(jī)制主要有質(zhì)心算法38、DV-Hop3940算法、Amorphous算法41、APIT算法36等。由于無須測量節(jié)點(diǎn)間的絕對距離或方位，因而降低了對節(jié)點(diǎn)硬件的要求，使得節(jié)點(diǎn)成本更適合于大規(guī)模傳感

53、器網(wǎng)絡(luò)。基于不測距的定位機(jī)制的定位準(zhǔn)確性受環(huán)境因素的影響，使得定位誤差較大，不適合對定位精度要求較高的應(yīng)用，特別是象軍事應(yīng)用等對位置極為敏感的項(xiàng)目。234 時(shí)間同步技術(shù)時(shí)間同步技術(shù)在傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，如網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議NTP ( Network Time Protocol) 是Internet采用的時(shí)間同步協(xié)議，GPS、無線測距等技術(shù)也用來提供網(wǎng)絡(luò)的全局時(shí)間同步。在傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中同樣需要時(shí)間同步機(jī)制，例如時(shí)間同步能夠用于形成分布式波束系統(tǒng)、構(gòu)成TDMA調(diào)度機(jī)制和多傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)融合，在節(jié)點(diǎn)間時(shí)間同步的基礎(chǔ)上，用帶時(shí)間序列的目標(biāo)位置檢測可以估計(jì)目標(biāo)的運(yùn)行速度和方向，通過測量聲音的傳播時(shí)

54、間能夠確定節(jié)點(diǎn)到聲源的距離或聲源的位置等。傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)造價(jià)不能太高，節(jié)點(diǎn)的微小體積不能安裝除本地振蕩器和無線通信模塊外更多的用于同步的器件，因此，價(jià)格和體積成為傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步的重要約束條件。還有節(jié)點(diǎn)的能量有限性也要求傳感器網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間同步機(jī)制必須充分考慮能耗問題?，F(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步機(jī)制往往關(guān)注最小化同步誤差來達(dá)到最大的同步精度，較少考慮計(jì)算和通信的開銷，因而不適合在傳感器網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用，需要修改或重新設(shè)計(jì)以滿足傳感器網(wǎng)絡(luò)的要求。目前，許多大學(xué)和科研機(jī)構(gòu)已經(jīng)提出了多種用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的同步機(jī)制，其中影響較為重要的主要有：參考廣播同步機(jī)制(Reference Broadcast Synchro

55、nization, RBS)4243、傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步協(xié)議(Timing-sync Protocol for Sensor Networks, TPSN)4445、延遲測量時(shí)間同步(Delay Measurement Time Synchronization, DMTS)46等。RBS機(jī)制是基于接收者之間的時(shí)間同步，一個(gè)節(jié)點(diǎn)廣播發(fā)送時(shí)間參考分組，廣播域的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)分別采用本地時(shí)鐘記錄參考分組的到達(dá)時(shí)間，然后交換記錄時(shí)間來確定它們之間的時(shí)間偏移量，實(shí)現(xiàn)它們之間的時(shí)間同步。TPSN機(jī)制采用層次結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的時(shí)間同步，所有節(jié)點(diǎn)按照層次結(jié)構(gòu)進(jìn)行邏輯分級，表示節(jié)點(diǎn)到根節(jié)點(diǎn)的距離，通過基于發(fā)送者與

56、接收者的節(jié)點(diǎn)對方式，每個(gè)節(jié)點(diǎn)與上一級的一個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行同步，從而所有節(jié)點(diǎn)都與根節(jié)點(diǎn)時(shí)間同步。DMTS機(jī)制是通過選擇一個(gè)節(jié)點(diǎn)作為時(shí)間主節(jié)點(diǎn)廣播同步時(shí)間，所有接收節(jié)點(diǎn)測量這個(gè)時(shí)間廣播分組的延遲，設(shè)置它的時(shí)間為接收到分組攜帶的時(shí)間加上這個(gè)廣播分組的傳輸延遲，這樣所有接收到廣播分組的節(jié)點(diǎn)都與主節(jié)點(diǎn)進(jìn)行時(shí)間同步。由于傳感器網(wǎng)絡(luò)具有應(yīng)用相關(guān)的特性，在眾多不同應(yīng)用中很難采用統(tǒng)一的時(shí)間同步機(jī)制，即使在單個(gè)應(yīng)用中，多個(gè)層次上可能都需要時(shí)間同步，并且每個(gè)層次對時(shí)間同步的要求也不盡一樣，因此，必須針對特定的應(yīng)用環(huán)境設(shè)計(jì)相應(yīng)的時(shí)間同步機(jī)制。235 其他關(guān)鍵技術(shù)網(wǎng)絡(luò)安全：為保證任務(wù)的布置和任務(wù)執(zhí)行結(jié)果的安全傳遞和融合，無線

57、傳感器網(wǎng)絡(luò)需要實(shí)現(xiàn)一些最基本的安全機(jī)制，如何保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)男?、點(diǎn)到點(diǎn)的消息認(rèn)證、完整性鑒別、新鮮性、認(rèn)證廣播和安全管理，就成為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)需要全面考慮的容。數(shù)據(jù)融合：傳感器網(wǎng)絡(luò)存在能量約束，減少傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量能夠有效地節(jié)省能量，因此在從各節(jié)點(diǎn)收集數(shù)據(jù)的過程中，可利用節(jié)點(diǎn)的本地計(jì)算和存儲能力處理數(shù)據(jù)，去除冗余信息，從而達(dá)到節(jié)省能量的目的。數(shù)據(jù)管理：從數(shù)據(jù)存儲的角度來看，傳感器網(wǎng)絡(luò)可被視為一種分布式數(shù)據(jù)庫。以數(shù)據(jù)庫的方法在傳感器網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行數(shù)據(jù)管理，可將存儲在網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)的邏輯視圖與網(wǎng)絡(luò)中的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行分離，使得傳感器網(wǎng)絡(luò)的用戶只需關(guān)心數(shù)據(jù)查詢的邏輯結(jié)構(gòu)，不用關(guān)心實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)。無線通信技術(shù)：傳感器網(wǎng)絡(luò)需要低

58、功耗短距離的無線通信技術(shù)，目前已有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)IEEE802.15.4。這是一個(gè)針對低速無線個(gè)人域網(wǎng)絡(luò)的通信標(biāo)準(zhǔn)，在些標(biāo)準(zhǔn)上，如何提供具有對信道衰落不敏感、發(fā)射信號功率密度低、低截獲能力、系統(tǒng)復(fù)雜度低、能提供較高的定位精度等要求通信技術(shù)，也是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究的重點(diǎn)之一。嵌入式操作系統(tǒng)：傳感器節(jié)點(diǎn)是一個(gè)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存、處理器和通信模塊，且能夠?qū)Ω鞣N特定應(yīng)用提供最大的支持。應(yīng)用層技術(shù)：應(yīng)用層由各種面向應(yīng)用的軟件系統(tǒng)構(gòu)成，主要研究如何在多任務(wù)中進(jìn)行協(xié)調(diào)，以與為傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究提供有效的開發(fā)環(huán)境和開發(fā)工具。24 本章小節(jié)本章主要從網(wǎng)絡(luò)結(jié)

59、構(gòu)、節(jié)點(diǎn)構(gòu)成以與網(wǎng)絡(luò)協(xié)議分層三個(gè)方面介紹了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，用PIC18LF4620處理器和CC2420 RF芯片的完成了傳感器節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)開發(fā)，搭建了路由實(shí)現(xiàn)的硬件平臺，列舉了目前傳感器網(wǎng)絡(luò)相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)，并針對本文容特點(diǎn)，著重對網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂?、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、節(jié)點(diǎn)定位以與時(shí)間同步技術(shù)方面的相關(guān)容作了必要介紹。第三章 節(jié)點(diǎn)定位與改進(jìn)措施對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行自身定位是其實(shí)際應(yīng)用的重要前提條件之一。由于節(jié)點(diǎn)工作區(qū)域或者是人類不適合進(jìn)入的區(qū)域，或者是敵對區(qū)域，傳感器節(jié)點(diǎn)有時(shí)甚至需要通過飛行器拋撒于工作區(qū)域，因此節(jié)點(diǎn)的位置都是隨機(jī)并且未知的。但對大部分的應(yīng)用來說，節(jié)點(diǎn)所采集到的數(shù)據(jù)必須結(jié)合產(chǎn)生數(shù)據(jù)

60、的地理位置信息才有具體的意義。此外，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)自身的定位還可以在外部目標(biāo)的定位和追蹤以與提高路由效率等方面發(fā)揮作用。因此，實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)的自身定位對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)有重要的意義。31節(jié)點(diǎn)定位機(jī)制分析關(guān)于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的定位問題可分為兩類，一類是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)對自身傳感器節(jié)點(diǎn)的定位，另一類是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)對外部目標(biāo)的定位,本文主要討論前者。獲得節(jié)點(diǎn)位置的一個(gè)直接想法是利用全球定位系統(tǒng)(GPS)來實(shí)現(xiàn)。但是，在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中使用GPS來獲得所有節(jié)點(diǎn)的位置受到價(jià)格、體積、功耗以與可擴(kuò)展性等因素限制，存在著一些困難。因此目前主要的研究工作是利用傳感器網(wǎng)絡(luò)中少量已知位置的節(jié)點(diǎn)來獲得其他未知位置節(jié)點(diǎn)的位