Technology&ApplicationofSensor機(jī)械工業(yè)出版社傳感器技術(shù)及其應(yīng)用*項(xiàng)目8無線傳感器網(wǎng)絡(luò)任務(wù)8.1無線傳感器網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)任務(wù)8.2無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)8.3應(yīng)用實(shí)例*CONTENTS無線傳感器網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用實(shí)例123目錄目錄01020304無線傳感器體系結(jié)構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議結(jié)構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用8.1無線傳感器網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)任務(wù)8.1無線傳感器網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)WSN（wirelesssensornetwork）是由隨機(jī)分布在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量的由無人值守具有無線通信與計(jì)算能力的微小型節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的自主探測系統(tǒng)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)綜合了無線通信技術(shù)、

傳感器技術(shù)、嵌入式計(jì)算技術(shù)與分布式信息處理技術(shù)，可以使人們在任何時(shí)間、任何地點(diǎn)和任何環(huán)境條件下獲取大量詳實(shí)而可靠的信息。1.網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)WSN目的：協(xié)作感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域里被監(jiān)測對象的信息，并發(fā)送給觀察者。傳感器、感知對象和觀察者構(gòu)成了傳感器網(wǎng)絡(luò)的三個(gè)要素。

在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)可以通過飛機(jī)隨機(jī)布撒、人工定向布置等方式，大量部署在感知對象內(nèi)部或者附近。8.1.1無線傳感器體系結(jié)構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)2.無線傳感器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)

無線傳感器節(jié)點(diǎn)的硬件組成

無論節(jié)點(diǎn)體積的大小，其結(jié)構(gòu)都基本相同。主要有電源、處理器、傳感器、通信等單元組成。電源單元為系統(tǒng)提供能量，有微型電池、超薄太陽能板、專用電容器等組成。處理器單元有C

P

U、儲(chǔ)存器、嵌入式操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫組成。傳感器單元有傳感器和數(shù)模轉(zhuǎn)換器組成。傳感器可以采用不同的探測單元。如聲音傳感器可以探測槍炮聲，振動(dòng)傳感器可以通過地面震動(dòng)探測裝甲車輛的行蹤。電磁傳感器可以發(fā)現(xiàn)戰(zhàn)場上的電磁輻射源。紅外傳感器主要探測熱敏目標(biāo)。這些傳感器生成的模擬信號，經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號傳輸?shù)教幚砥鲉卧?/p>

通信單元負(fù)責(zé)將節(jié)點(diǎn)與現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)連接起來，除此之外，一些節(jié)點(diǎn)還安裝了特殊裝置，如機(jī)動(dòng)節(jié)點(diǎn)安裝的運(yùn)動(dòng)裝置，電子對抗節(jié)點(diǎn)安裝了電磁波發(fā)射裝置等。傳感器節(jié)點(diǎn)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)工作環(huán)境通常比較惡劣，而且數(shù)量大，更換困難，所以低功耗是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)重要的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則之一，從無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)到整個(gè)網(wǎng)絡(luò)各層的協(xié)議設(shè)計(jì)都把節(jié)能作為設(shè)計(jì)目標(biāo)，以最大限度地延長無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的壽命。傳感器節(jié)點(diǎn)通常是一個(gè)微型的嵌入式系統(tǒng)，是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)層支撐平臺(tái)。它的處理能力、存儲(chǔ)能力和通信能力相對較弱，通常用電池供電。匯聚節(jié)點(diǎn)的處理能力、存儲(chǔ)能力和通信能力相對較強(qiáng)，它連接傳感器網(wǎng)絡(luò)與Internet等外部網(wǎng)絡(luò)，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)，把收集的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到外部網(wǎng)絡(luò)。傳感器節(jié)點(diǎn)模塊化設(shè)計(jì)是提高節(jié)點(diǎn)通用性、擴(kuò)展性和靈活性的有效途徑。集成化以滿足節(jié)點(diǎn)集數(shù)據(jù)采集、處理和轉(zhuǎn)發(fā)等功能于一身的需求。微型化可以滿足大規(guī)模布撒、提高隱蔽性的應(yīng)用需求。無線傳感器網(wǎng)的典型應(yīng)用模式是將大量傳感器節(jié)點(diǎn)分均部署在現(xiàn)場，形成所需的監(jiān)測區(qū)域。其中一個(gè)為網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，也叫匯聚節(jié)點(diǎn)。

網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)向遠(yuǎn)程控制站發(fā)送信息。當(dāng)目標(biāo)進(jìn)入監(jiān)測范圍，首先發(fā)現(xiàn)目標(biāo)的傳感器節(jié)點(diǎn)通過網(wǎng)關(guān)向遠(yuǎn)程控制站發(fā)送目標(biāo)在T1時(shí)間的三維坐標(biāo)信息。當(dāng)目標(biāo)進(jìn)一步深入時(shí)，其他節(jié)點(diǎn)先后發(fā)送目標(biāo)在T2、T3時(shí)間的三維坐標(biāo)信息。

遠(yuǎn)程控制站可以綜合分析這些信息，為精確控制提供基礎(chǔ)。8.1.2無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議結(jié)構(gòu)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)由三部分組成:分層的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議模塊、網(wǎng)絡(luò)管理模塊和應(yīng)用支撐模塊。5)應(yīng)用層包括一系列基于監(jiān)測任務(wù)的應(yīng)用層軟件。3)網(wǎng)絡(luò)層的主要功能包括分組路由、網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)、擁塞控制等。2）數(shù)據(jù)鏈路層負(fù)責(zé)媒體接入控制和建立網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間可靠通信鏈路，為鄰居節(jié)點(diǎn)提供可靠的通信通道；1）物理層負(fù)責(zé)感知數(shù)據(jù)的收集，并對收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣、信號的發(fā)送和接收、信號的調(diào)制解調(diào)等任務(wù)。4)傳輸層負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)流的傳輸控制，是保證通信服務(wù)質(zhì)量的重要部分。1.網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議8.1.2無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議結(jié)構(gòu)能量管理負(fù)責(zé)控制節(jié)點(diǎn)對能量的使用，為延長網(wǎng)絡(luò)存活時(shí)間有效的利用能源。拓?fù)涔芾碡?fù)責(zé)保持網(wǎng)絡(luò)的連通和數(shù)據(jù)有效傳輸。網(wǎng)絡(luò)管理負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)維護(hù)、診斷，并向用戶提供網(wǎng)絡(luò)管理服務(wù)接口，通常包括數(shù)據(jù)收集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)分析和故障處理等功能。服務(wù)質(zhì)量為應(yīng)用程序提供足夠的資源使它們按用戶可以接受的性能指標(biāo)工作。2.網(wǎng)絡(luò)管理平臺(tái)使傳感器節(jié)點(diǎn)能夠以高效的方式協(xié)同工作，在節(jié)點(diǎn)移動(dòng)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。節(jié)點(diǎn)定位確定每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的相對位置或絕對的地理坐標(biāo)。

時(shí)間同步為傳感器節(jié)點(diǎn)提供全局同步的時(shí)鐘支持。3.應(yīng)用支撐平臺(tái)

包括一系列給予檢測任務(wù)的應(yīng)用層軟件，通過應(yīng)用服務(wù)接口和網(wǎng)絡(luò)管理接口來為終端用戶提供具體的應(yīng)用支持。

應(yīng)用服務(wù)接口。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用是多種多樣的，針對不同的應(yīng)用環(huán)境，有各種應(yīng)用層的協(xié)議,如任務(wù)安排和數(shù)據(jù)分發(fā)協(xié)議、節(jié)點(diǎn)查詢和數(shù)據(jù)分發(fā)協(xié)議等。

網(wǎng)絡(luò)管理接口。主要是傳感器管理協(xié)議，用來將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綉?yīng)用層。8.1.3無線傳感器網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)①能量資源有限：網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)由電池供電，其特殊的應(yīng)用領(lǐng)域決定了在使用過程中，通過更換電池的方式來補(bǔ)充能量是不現(xiàn)實(shí)的?！案咝褂媚芰縼碜畲蠡W(wǎng)絡(luò)生命周期”。②硬件資源有限：傳感器節(jié)點(diǎn)是一種微型嵌入式設(shè)備，大量的節(jié)點(diǎn)數(shù)量要求其低成本、低功耗，所攜帶的處理器能力較弱，計(jì)算能力和存儲(chǔ)能力有限。在成本、硬件體積、功耗等受到限制的條件下，傳感器節(jié)點(diǎn)需要完成監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集、轉(zhuǎn)換、管理、處理、應(yīng)答匯聚節(jié)點(diǎn)的任務(wù)請求和節(jié)點(diǎn)控制等工作。通過優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)硬件的協(xié)調(diào)工作。8.1.3無線傳感器網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)③無中心和自組織：WSN是一個(gè)對等式網(wǎng)絡(luò)，所有節(jié)點(diǎn)地位平等，沒有嚴(yán)格的中心節(jié)點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)僅知道與自己彼鄰節(jié)點(diǎn)的位置及相應(yīng)標(biāo)識，通過與鄰居節(jié)點(diǎn)的協(xié)作完成信號處理和通信。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)往往通過飛機(jī)播撒到未知區(qū)域，通常情況下沒有基礎(chǔ)設(shè)施支持，其位置不能預(yù)先設(shè)定，節(jié)點(diǎn)之間的相鄰關(guān)系預(yù)先也不明確。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)布撒后，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通過分層協(xié)議和分布式算法協(xié)調(diào)各自的監(jiān)控行為，自動(dòng)進(jìn)行配置和管理，利用拓?fù)淇刂茩C(jī)制和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議形成轉(zhuǎn)發(fā)監(jiān)測數(shù)據(jù)的多跳無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。8.1.3無線傳感器網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)④多跳路由：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的通信距離有限，一般在幾十到幾百米范圍內(nèi)，節(jié)點(diǎn)只能與它的鄰居直接通信，對于面積覆蓋較大的區(qū)域，傳感器網(wǎng)絡(luò)需要采用多跳路由的傳輸機(jī)制。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中沒有專門的路由設(shè)備，多跳路由由普通網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)完成。同時(shí)，因?yàn)槭芄?jié)點(diǎn)能量、節(jié)點(diǎn)分布、建筑物、障礙物和自然環(huán)境等因素的影響，路由可能經(jīng)常變化，頻繁出現(xiàn)通信中斷。針對通信環(huán)境和有限通信能力，設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)多跳路由機(jī)制以滿足傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信需求。⑤動(dòng)態(tài)拓?fù)洌涸赪SN使用過程中，部分節(jié)點(diǎn)附著于物體表面隨處移動(dòng)，部分節(jié)點(diǎn)由于能量耗盡或環(huán)境因素造成故障或失效而退出網(wǎng)絡(luò)，部分節(jié)點(diǎn)因彌補(bǔ)失效節(jié)點(diǎn)、增加監(jiān)測精度而補(bǔ)充到網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)數(shù)量動(dòng)態(tài)變化，使網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)變化。動(dòng)態(tài)拓?fù)浣M織功能和動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的可重構(gòu)性。⑥節(jié)點(diǎn)數(shù)量多可靠性高：大量布設(shè)的傳感器節(jié)點(diǎn)。可以使探測信息互相印證。網(wǎng)絡(luò)的容錯(cuò)能力強(qiáng)。即使某個(gè)節(jié)點(diǎn)失效，對整體影響也不大。⑦成本低功能強(qiáng)：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)成本低廉。具有聲光，電，振動(dòng)等多種探測功能的傳感器網(wǎng)絡(luò)，可以對各種物理參數(shù)進(jìn)行測量，具有非常強(qiáng)大的探測能力。未來傳感器將向著微型化，長壽命，多功能，高機(jī)動(dòng)等方向發(fā)展。8.1.3無線傳感器網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)8.1.4無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)微小，價(jià)格低廉，部署方便、隱蔽性高、可自主組網(wǎng)等特點(diǎn)，在軍事、農(nóng)業(yè)、環(huán)境監(jiān)控、健康監(jiān)測、工業(yè)控制、智能交通和倉儲(chǔ)物流等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。隨著傳感網(wǎng)絡(luò)研究的深入，無線傳感網(wǎng)絡(luò)逐漸滲透到人類生活的各個(gè)領(lǐng)域。地震監(jiān)測、生活習(xí)性監(jiān)測、船只監(jiān)控、深海監(jiān)控、戰(zhàn)場評估、目標(biāo)跟蹤和檢測、森林火災(zāi)監(jiān)控、小區(qū)安全監(jiān)控、精細(xì)農(nóng)業(yè)。

1軍事應(yīng)用

利用飛機(jī)拋撒或火炮發(fā)射等裝置，將大量廉價(jià)傳感器節(jié)點(diǎn)按照一定的密度部署在待測區(qū)域內(nèi)，對周邊的各種參數(shù)，如震動(dòng)、氣體、溫度、濕度、聲音、磁場、紅外線等各種信息進(jìn)行采集，然后由傳感器自身構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)，通過網(wǎng)關(guān)、互聯(lián)網(wǎng)、衛(wèi)星等信道，傳回監(jiān)控中心?？梢詫o線傳感網(wǎng)絡(luò)用作武器自動(dòng)防護(hù)裝置，在友軍人員、裝備上加裝傳感器節(jié)點(diǎn)以供識別，隨時(shí)掌控情況避免誤傷。通過在敵方陣地部署各種傳感器，做到知己知彼，先發(fā)制人。另外，該項(xiàng)技術(shù)利用自身接近環(huán)境的特點(diǎn)，可用于智能型武器的引導(dǎo)器，與雷達(dá)和衛(wèi)星等相互配合，可避免攻擊盲區(qū)，大幅度提升武器的殺傷力。2城市生命線被稱為城市生命線的水、電、煤氣和石油等網(wǎng)絡(luò)，縱橫交錯(cuò)，埋在地下，出現(xiàn)問題很難發(fā)現(xiàn)，維護(hù)極其困難，泄露、爆炸等事故造的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)損失巨大。采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)對城市水管網(wǎng)進(jìn)行監(jiān)測，獲取水壓、水位以及水的質(zhì)量等信息，判斷水位、泄漏和污染情況。采用壓力和超聲傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測城市天然氣管網(wǎng)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用將大幅提高城市生命線的安全性。3健康監(jiān)測：人體健康監(jiān)測為更好的對冠心病、腦溢血等高危病人進(jìn)行24小時(shí)健康監(jiān)測，不妨礙病人的日常起居和生活質(zhì)量，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)有廣闊的應(yīng)用前景。通過在老年人身上佩戴血壓、脈搏、體溫等微型無線傳感器，經(jīng)過住宅內(nèi)的傳感器網(wǎng)關(guān)，將數(shù)據(jù)發(fā)送給醫(yī)院，醫(yī)生可以遠(yuǎn)程了解老年人的健康狀況。在公寓內(nèi)安裝包括溫度、濕度、光、紅外、聲音和超聲等多個(gè)傳感節(jié)點(diǎn)，根據(jù)這些節(jié)點(diǎn)收集的信息，實(shí)時(shí)了解人員的活動(dòng)情況。采用多傳感器信息融合技術(shù)，可以準(zhǔn)確地判斷出被監(jiān)測人的行為，如：做飯、睡覺、看電視、淋浴等等。3健康監(jiān)測：建筑物健康監(jiān)測

在建筑物上安裝聯(lián)網(wǎng)的地震傳感器，為處于地震帶的民居提供更好的監(jiān)測預(yù)警機(jī)制。把無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)綁定在鳥巢鋼架結(jié)構(gòu)上，對施工過程中鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)力、壓力分析等。將具有溫度、濕度、壓力、加速度、光照等傳感器的節(jié)點(diǎn)布放在重點(diǎn)保護(hù)對象當(dāng)中，無需拉線鉆孔，便可有效地對建筑物進(jìn)行長期監(jiān)測。此外，對于珍貴文物，在保存地點(diǎn)的墻角、天花板等位置，監(jiān)測環(huán)境的溫度、濕度是否超過安全值，可以更妥善地保護(hù)展品的品質(zhì)。

3健康監(jiān)測：建筑物健康監(jiān)測在橋梁監(jiān)測中，利用適當(dāng)?shù)膫鞲衅鳎鐗弘妭鞲衅?、加速度傳感器、超聲傳感器、濕度傳感器等，可以有效地?gòu)建一個(gè)三維立體的防護(hù)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)。用于監(jiān)測橋梁、高架橋、高速公路等環(huán)境。對許多老舊的橋梁，橋墩長期受到水流的沖刷，傳感器能夠放置在橋墩底部、用以感測橋墩結(jié)構(gòu)；也可放置在橋梁兩側(cè)或底部，搜集橋梁的溫度、濕度、震動(dòng)幅度、橋墩被侵蝕程度等，能減少事故造成的生命財(cái)產(chǎn)損失。4環(huán)境監(jiān)測監(jiān)視大鴨島海燕的棲息情況。位于緬因州海岸大鴨島上的海燕由于環(huán)境惡劣，海燕又十分機(jī)警，研究人員無法采用常規(guī)方法進(jìn)行跟蹤觀察。為此使用了包括光、濕度、氣壓計(jì)、紅外傳感器、攝像頭在內(nèi)的近10種傳感器類型數(shù)百個(gè)節(jié)點(diǎn)，系統(tǒng)通過自組織無線網(wǎng)絡(luò)，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)?00英尺外的基站計(jì)算機(jī)內(nèi)，再由此經(jīng)衛(wèi)星傳輸至加州的服務(wù)器。全球的研究人員都可以通過互聯(lián)網(wǎng)察看該地區(qū)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，掌握第一手的環(huán)境資料，為生態(tài)環(huán)境研究者提供了一個(gè)極為便利的平臺(tái)。4環(huán)境監(jiān)測2005年，澳洲的科學(xué)家利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)探測北澳大利亞蟾蜍的分布情況。利用蟾蜍叫聲響亮而獨(dú)特特點(diǎn)，選用聲音傳感器作為監(jiān)測手段，將采集到的信息發(fā)回給控制中心，通過處理，了解蟾蜍的分布、棲息情況。2008年1月新加坡政府與哈佛大學(xué)、麻省理工學(xué)院合作，成立了環(huán)境監(jiān)測與建模研究中心。計(jì)劃在未來幾年內(nèi)，采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)新加坡國內(nèi)海陸空一體化的自然環(huán)境監(jiān)測。實(shí)現(xiàn)新加坡的國界、大氣污染、海域、空氣質(zhì)量及空域信息監(jiān)測等。5大型場館安全監(jiān)測英國國家博物館利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)了報(bào)警系統(tǒng)，將節(jié)點(diǎn)放在珍貴文物或藝術(shù)品的底部或背面，通過偵測燈光的亮度是否改變，測量物品是否遭受到振動(dòng)等，來確保展覽品的安全。傳感器網(wǎng)可以與館內(nèi)火警噴水網(wǎng)絡(luò)的控制系統(tǒng)連接。如果一個(gè)傳感器群監(jiān)測到過熱或煙塵或兩者都有，它可以自動(dòng)與網(wǎng)絡(luò)中的其它群通訊并確定這是否是一個(gè)真實(shí)事件并相應(yīng)做出反應(yīng)。通過確定傳感器群周圍的溫度和煙塵，傳感器網(wǎng)可以精確查出火源位置，在需要區(qū)域打開噴水裝置，并優(yōu)選安全逃離通道。機(jī)械工業(yè)出版社休息一下*任務(wù)8.2無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)

8.2.1時(shí)間同步技術(shù)8.2.2定位技術(shù)8.2.3拓?fù)淇刂萍夹g(shù)

8.2.4數(shù)據(jù)融合技術(shù)8.2.5安全技術(shù)8.2.6能量控制技術(shù)任務(wù)8.2無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)8.2.1時(shí)間同步技術(shù)

時(shí)間同步是完成實(shí)時(shí)信息采集的基本要求，也是提高定位精度的基礎(chǔ)。在集中式系統(tǒng)中，任何模塊或進(jìn)程均可以從全局時(shí)鐘獲取時(shí)間，或者基于同一時(shí)鐘源的節(jié)拍而工作，因此時(shí)間同步比較容易實(shí)現(xiàn)。

分布式系統(tǒng)，特別是對于具有高度隨機(jī)性和環(huán)境差異性的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)而言，由于物理上的獨(dú)立性和分散性，系統(tǒng)無法使用同一個(gè)有直接關(guān)聯(lián)的時(shí)鐘源，而是各個(gè)節(jié)點(diǎn)使用其本地時(shí)鐘。由于硬件的差異以及運(yùn)行環(huán)境因素的影響，即使各個(gè)節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘在使用前經(jīng)過統(tǒng)一的校準(zhǔn)，

后期使用中仍有可能發(fā)生不同步現(xiàn)象。所以，越來越多的研究試圖去解決時(shí)間同步的問題，提出了如參考廣播同步(RBS)、

時(shí)間同步協(xié)議(TPSN)等同步機(jī)制，但都還存在一定的缺陷。

8.2.2定位技術(shù)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位是指自組織的網(wǎng)絡(luò)通過一些特定的方法和算法確定節(jié)點(diǎn)或目標(biāo)的位置信息。節(jié)點(diǎn)定位可以采用GPS技術(shù)來確定節(jié)點(diǎn)的位置，但很顯然基于成本和功耗等方面的原因，不可能在每個(gè)節(jié)點(diǎn)都配置GPS模塊。

因此，一般采取手動(dòng)部署少量的配置有GPS模塊的參考節(jié)點(diǎn)來進(jìn)行基本定位，其他節(jié)點(diǎn)根據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜蜔o線定位技術(shù)來間接確定位置。目標(biāo)定位則是通過網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)之間的配合完成對網(wǎng)絡(luò)區(qū)域中特定目標(biāo)的定位。定位算法有很多種，根據(jù)不同的標(biāo)準(zhǔn)可以將定位算法分為基于測距的定位、與測距無關(guān)的定位、絕對定位和相對定位等。8.2.3拓?fù)淇刂萍夹g(shù)

良好的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)能夠提高路由協(xié)議和MAC協(xié)議的效率，可為數(shù)據(jù)融合、時(shí)間同步和目標(biāo)定位等奠定基礎(chǔ)，有利于節(jié)省節(jié)點(diǎn)能量消耗、延長網(wǎng)絡(luò)的生存周期。

傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂颇壳爸饕难芯繜狳c(diǎn)是在滿足網(wǎng)絡(luò)覆蓋度和連通度的前提下，通過功率控制和主干節(jié)點(diǎn)選擇，剔除節(jié)點(diǎn)之間不必要的無線通信鏈路，形成一個(gè)優(yōu)化的網(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、層次型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)控制、節(jié)點(diǎn)睡眠調(diào)度3類。節(jié)點(diǎn)功率控制調(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)連通度和覆蓋率的前提下，減小節(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。層次型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)控制利用分簇機(jī)制選擇一些節(jié)點(diǎn)作為簇點(diǎn)，由簇頭節(jié)點(diǎn)形成一個(gè)處理并轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的子網(wǎng)，在子網(wǎng)內(nèi)簇頭節(jié)點(diǎn)調(diào)度非簇頭節(jié)點(diǎn)介人睡眠狀態(tài)以節(jié)省能量。節(jié)點(diǎn)睡眠調(diào)度則是控制傳感器節(jié)點(diǎn)在工作狀態(tài)和睡眠狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換。目前，在節(jié)點(diǎn)功率控制方面，有COMPOW和LMN/LMA等算法；在層次型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)控制方面，有TopDisc算法等。8.2.4數(shù)據(jù)融合技術(shù)

數(shù)據(jù)融合或優(yōu)化是指節(jié)點(diǎn)或系統(tǒng)根據(jù)信息的類型、采集時(shí)間、地點(diǎn)和重要程度等信息標(biāo)度，通過聚類技術(shù)將收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行本地壓縮和處理，這一方面可以排除信息冗余，減少傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，從而節(jié)省傳感器網(wǎng)絡(luò)的能量；另一方面可以通過推理技術(shù)實(shí)現(xiàn)本地的智能決策。此外，由于傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的失效，傳感器網(wǎng)絡(luò)也需要數(shù)據(jù)融合技木對多份數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合，以提高信息的準(zhǔn)確度。8.2.5安全技術(shù)

傳感器網(wǎng)絡(luò)由于部署的覆蓋范圍具有一定的空間廣度，

其所處環(huán)境以及是否有人為干擾甚至入侵都處于不可控制的狀態(tài)。除了具有一般無線網(wǎng)絡(luò)可能面臨的信息泄露、拒絕服務(wù)攻擊等威脅外，還面臨節(jié)點(diǎn)可能被攻擊者直接獲取，從而獲取其中的重要信息甚至進(jìn)而控制網(wǎng)絡(luò)的威脅。8.2.6能量控制技術(shù)對于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)而言，傳感器節(jié)點(diǎn)往往都采用電池供電。因此，高效利用傳感器節(jié)點(diǎn)中電池的能量，采取優(yōu)化的管理控制技術(shù)盡量延長電池的消耗時(shí)間，其實(shí)就是在延長無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的生存時(shí)間。一是盡可能地降低各種元器件的功耗；二是研究合適的使用策略，讓節(jié)點(diǎn)或通信鏈路只在必要的時(shí)間處于工作狀態(tài)，其余時(shí)間處于睡眠或部分睡眠狀態(tài)，從而節(jié)省能量。機(jī)械工業(yè)出版社休息一下*8.3應(yīng)用實(shí)例8.3.1自動(dòng)節(jié)水灌溉系統(tǒng)8.3.2遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)

8.3應(yīng)用實(shí)例8.3應(yīng)用實(shí)例任務(wù)8.3應(yīng)用實(shí)例

8.3.1自動(dòng)節(jié)水灌溉系統(tǒng)自動(dòng)節(jié)水灌溉系統(tǒng)江華瑤族自治縣在縣城園林綠化升級中啟用新型微噴灌溉系統(tǒng)，相比于傳統(tǒng)的水車大水漫灌方式，能夠節(jié)約用水一半以上，并且能進(jìn)一步起到美化和保護(hù)環(huán)境的作用。園林微噴灌溉系統(tǒng)對水的有效利用率在80%以上，同時(shí)還可調(diào)節(jié)空氣溫度和濕度，在干熱風(fēng)季節(jié)起到增加空氣濕度和降低氣溫的良好效果。目前，園林部門對縣城主干道進(jìn)行了2400米綠化帶的微噴改造試點(diǎn)，下一步將視情況在整個(gè)城區(qū)進(jìn)行有效推廣。

一個(gè)節(jié)水灌溉自動(dòng)化系統(tǒng)的基本框架主要由中心主控系統(tǒng)、采集控制模塊、無線通訊模塊、土壤水分傳感器、氣象觀測站、電磁閥等設(shè)備組成，系統(tǒng)可分為傳感器與電磁閥、采集控制、數(shù)據(jù)傳輸及控制中心四部分。2寒地水稻灌溉控制系統(tǒng)

由無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、智能網(wǎng)關(guān)和用戶終端組成整體方案結(jié)構(gòu)圖

水位、溫濕度、風(fēng)速、日照時(shí)數(shù)與日照輻射所有傳感器將收集的信息匯聚在采集點(diǎn)，后經(jīng)過采集節(jié)點(diǎn)芯片程序的處理，把它們變?yōu)閱纹瑱C(jī)能夠收到的數(shù)據(jù)，而且利用ZigBee技術(shù)傳輸進(jìn)單片機(jī)的控制芯片里。

硬件部分布局圖客戶端主界面無線通信模塊

理論上無線通信可采用射頻、激光