第1章無線傳感器網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)知識(shí)

1.1無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的概念與特點(diǎn)1.2無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展1.3無線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)1.4無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用及關(guān)鍵技術(shù)

1.1無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的概念與特點(diǎn)

1.1.1無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的概念

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WirelessSensorNetwork，WSN)是新一代的傳感器網(wǎng)絡(luò)，具有非常廣泛的應(yīng)用前景，其發(fā)展和應(yīng)用將會(huì)給人類的生活和生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域帶來深遠(yuǎn)影響。2001年1月《MIT技術(shù)評(píng)論》將無線傳感器列于十種改變未來世界新興技術(shù)之首。2003年8月，《商業(yè)周刊》預(yù)測(cè)：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)將會(huì)在不遠(yuǎn)的將來掀起新的產(chǎn)業(yè)浪潮。2004年《IEEESpectrum》雜志出版了專集《傳感器的國(guó)度》，論述無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展和可能的廣泛應(yīng)用。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)課題有7項(xiàng)與傳感器網(wǎng)絡(luò)直接相關(guān)。2006年年初發(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)確定了三個(gè)前沿方向，其中兩個(gè)與無線傳感器的研究直接相關(guān)，即智能感知技術(shù)和自組織網(wǎng)絡(luò)技術(shù)?？梢灶A(yù)計(jì)，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究與應(yīng)用的進(jìn)一步發(fā)展是一種必然趨勢(shì)，將會(huì)給人類社會(huì)帶來極大的變革。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)綜合了微電子技術(shù)、嵌入式計(jì)算技術(shù)、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)及無線通信技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)，能夠協(xié)同地實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、感知和采集網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中各種環(huán)境或監(jiān)測(cè)對(duì)象的信息，并對(duì)其進(jìn)行處理，處理后的信息通過無線方式發(fā)送，并以多跳自組的網(wǎng)絡(luò)方式傳送給觀察者。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以定義為：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)大量的廉價(jià)微型傳感器節(jié)點(diǎn)組成，通過無線通信方式形成的一個(gè)多跳自組織網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其目的是協(xié)作感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中感知對(duì)象的信息，并發(fā)送給觀察者。

可以看出，傳感器、感知對(duì)象和觀察者是傳感器網(wǎng)絡(luò)的三個(gè)基本要素。這三個(gè)要素之間通過無線網(wǎng)絡(luò)建立通信路徑，協(xié)作地感知、采集、處理、發(fā)布感知信息。1.1.2無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)

目前常見的無線網(wǎng)絡(luò)包括移動(dòng)通信網(wǎng)、無線局域網(wǎng)、藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)、AdHoc網(wǎng)絡(luò)等，它們?cè)谕ㄐ欧绞?、?dòng)態(tài)組網(wǎng)以及多跳通信等方面有許多相似之處，但同時(shí)也存在很大的差別。與這些無線網(wǎng)絡(luò)相比，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有如下特點(diǎn)：

(1)電源能量有限。傳感器節(jié)點(diǎn)體積微小，通常攜帶能量十分有限的電池。由于傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)目龐大，成本要求低廉，分布區(qū)域廣，而且部署區(qū)域環(huán)境復(fù)雜，有些區(qū)域甚至人員不能到達(dá)，所以傳感器節(jié)點(diǎn)通過更換電池的方式來補(bǔ)充能源是不現(xiàn)實(shí)的。如何在使用過程中節(jié)省能源，最大化網(wǎng)絡(luò)的生命周期，是傳感器網(wǎng)絡(luò)面臨的首要挑戰(zhàn)。

(2)通信能量有限。傳感器網(wǎng)絡(luò)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。傳感器網(wǎng)絡(luò)更容易受到高山、建筑物、障礙物等地勢(shì)地貌以及風(fēng)雨雷電等自然環(huán)境的影響，傳感器可能會(huì)長(zhǎng)時(shí)間脫離網(wǎng)絡(luò)，離線工作。因此，如何在有限通信能力的條件下高質(zhì)量地完成感知信息的處理與傳輸，是傳感器網(wǎng)絡(luò)面臨的挑戰(zhàn)之一。

(3)傳感器節(jié)點(diǎn)的計(jì)算能力和存儲(chǔ)能力有限。傳感器節(jié)點(diǎn)是一種微型嵌入式設(shè)備，其價(jià)格低，功耗小，處理器能力比較弱，存儲(chǔ)器容量比較小。為了完成各種任務(wù)，傳感器節(jié)點(diǎn)需要完成監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的采集和轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)的管理和處理、應(yīng)答匯聚節(jié)點(diǎn)的任務(wù)請(qǐng)求和節(jié)點(diǎn)控制等多種工作。如何利用有限的計(jì)算和存儲(chǔ)資源完成諸多協(xié)同任務(wù)成為傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的挑戰(zhàn)。

(4)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模大，分布廣。傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)分布密集，數(shù)量巨大。此外，傳感器網(wǎng)絡(luò)可以分布在很廣泛的地理區(qū)域。傳感器網(wǎng)絡(luò)的這一特點(diǎn)使得網(wǎng)絡(luò)的維護(hù)十分困難甚至不可維護(hù)，因此傳感器網(wǎng)絡(luò)的軟、硬件必須具有高強(qiáng)壯性和容錯(cuò)性，以滿足傳感器網(wǎng)絡(luò)的功能要求。

(5)自組織、動(dòng)態(tài)性網(wǎng)絡(luò)。在傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中，傳感器節(jié)點(diǎn)多通過隨機(jī)布撒的方式放置，其位置往往不能預(yù)先精確設(shè)定，節(jié)點(diǎn)之間的相互鄰居關(guān)系預(yù)先也不知道。這就要求傳感器節(jié)點(diǎn)具有自組織能力，能夠自動(dòng)進(jìn)行配置和管理，通過拓?fù)淇刂茩C(jī)制和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議自動(dòng)形成轉(zhuǎn)發(fā)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的多跳無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。同時(shí)，由于部分傳感器節(jié)點(diǎn)能量耗盡或環(huán)境因素造成失效，以及經(jīng)常有新的節(jié)點(diǎn)加入，或是網(wǎng)絡(luò)中的傳感器、感知對(duì)象和觀察者這三要素都可能具有移動(dòng)性，這就要求傳感器網(wǎng)絡(luò)必須具有很強(qiáng)的動(dòng)態(tài)性，以適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)變化。

(6)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的傳感器節(jié)點(diǎn)具有數(shù)據(jù)融合能力，與Mesh網(wǎng)絡(luò)的區(qū)別是數(shù)據(jù)少、易移動(dòng)以及注重節(jié)點(diǎn)的能源，與無線AdHoc網(wǎng)絡(luò)相比數(shù)量多、密度大、易受損、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變動(dòng)頻繁。此外，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的傳感器節(jié)點(diǎn)還具有廣播式點(diǎn)對(duì)多通信、節(jié)點(diǎn)能量及計(jì)算能力受限等特點(diǎn)。

1.2無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展

1.2.1無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展階段

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展分為以下幾個(gè)階段：

第一階段：最早可以追溯至20世紀(jì)70年代越戰(zhàn)時(shí)期使用的傳統(tǒng)的傳感器系統(tǒng)。當(dāng)年美越雙方在密林覆蓋的“胡志明小道”上進(jìn)行了一場(chǎng)血腥較量，這條道路是胡志明部隊(duì)向南方游擊隊(duì)源源不斷輸送物資的秘密通道，美軍曾經(jīng)絞盡腦汁動(dòng)用航空兵狂轟濫炸，但效果不理想。后來，美軍投放了2萬多個(gè)“熱帶樹”傳感器。所謂“熱帶樹”，實(shí)際上是由震動(dòng)和聲響傳感器組成的系統(tǒng)，它由飛機(jī)投放，落地后插入泥土中，只露出偽裝成樹枝的無線電天線，因而被稱為“熱帶樹”。只要越軍車隊(duì)經(jīng)過，傳感器就會(huì)探測(cè)出目標(biāo)產(chǎn)生的震動(dòng)和聲響信息并自動(dòng)發(fā)送到指揮中心，美軍飛機(jī)立即展開追殺，總共炸毀或炸壞越軍4.6萬輛卡車。

第二階段：20世紀(jì)80年代至90年代。此階段主要是美軍研制的分布式傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、海軍協(xié)同交戰(zhàn)能力系統(tǒng)、遠(yuǎn)程戰(zhàn)場(chǎng)傳感器系統(tǒng)等。這種現(xiàn)代微型化的傳感器具備感知能力、計(jì)算能力和通信能力。第三階段：21世紀(jì)初至今。這個(gè)階段的傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)特點(diǎn)在于網(wǎng)絡(luò)傳輸自組織、節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)低功耗。除了應(yīng)用于情報(bào)部門反恐活動(dòng)以外，在其他領(lǐng)域也獲得了很好的應(yīng)用，所以2002年美國(guó)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室——橡樹嶺實(shí)驗(yàn)室提出了“網(wǎng)絡(luò)就是傳感器”的論斷。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)經(jīng)歷了智能傳感器、無線智能傳感器和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)三個(gè)階段。智能傳感器將計(jì)算能力嵌入到傳感器中，使得傳感器節(jié)點(diǎn)不僅具有數(shù)據(jù)采集能力，而且具有濾波和信息處理能力；無線智能傳感器在智能傳感器的基礎(chǔ)上增加了無線通信能力，大大延長(zhǎng)了傳感器的感知觸角，降低了傳感器的工程實(shí)施成本；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)則將網(wǎng)絡(luò)技術(shù)引入到無線智能傳感器中，使得傳感器不再是單個(gè)的感知單元，而是能夠交換信息、協(xié)調(diào)控制的有機(jī)結(jié)合體，實(shí)現(xiàn)了物與物的互聯(lián)，把感知觸角深入世界各個(gè)角落，必將成為下一代互聯(lián)網(wǎng)的重要組成部分。1.2.2無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展背景

1996年，美國(guó)UCLA的WilliamJ.?Kaiser教授向DARPA提交的“低能耗無線集成微型傳感器”揭開了現(xiàn)代WSN的序幕。1998年，同是UCLA的GregoryJ.Pottie教授從網(wǎng)絡(luò)研究的角度重新闡釋了WSN的科學(xué)意義。在其后的10余年里，WSN技術(shù)得到學(xué)術(shù)界、工業(yè)界乃至政府的廣泛關(guān)注，成為在國(guó)防軍事、環(huán)境監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)、健康護(hù)理、智能家居、建筑物結(jié)構(gòu)監(jiān)控、復(fù)雜機(jī)械監(jiān)控、城市交通、空間探索、大型車間和倉庫管理以及機(jī)場(chǎng)、大型工業(yè)園區(qū)的安全監(jiān)測(cè)等眾多領(lǐng)域中最有競(jìng)爭(zhēng)力的應(yīng)用技術(shù)之一。美國(guó)《商業(yè)周刊》將WSN列為21世紀(jì)最有影響的技術(shù)之一，麻省理工學(xué)院(MIT)技術(shù)評(píng)論則將其列為改變世界的十大技術(shù)之一。

1．WSN相關(guān)的會(huì)議和組織

WSN技術(shù)一經(jīng)提出，就迅速在研究界和工業(yè)界得到了廣泛的認(rèn)可。1998年到2003年，各種無線通信、AdHoc網(wǎng)絡(luò)、分布式系統(tǒng)的會(huì)議開始大量收錄與WSN技術(shù)相關(guān)的文章。2001年，美國(guó)計(jì)算機(jī)學(xué)會(huì)(ACM)和IEEE成立了第一個(gè)專門針對(duì)傳感網(wǎng)技術(shù)的會(huì)議InternationalConferenceonInformationProcessinginSensorNetwork(IPSN)，為WSN技術(shù)的發(fā)展開拓了一片新的技術(shù)園地。2003年到2004年，一批針對(duì)傳感網(wǎng)技術(shù)的會(huì)議相繼組建。ACM在2005年還專門創(chuàng)刊《ACMTransactiononSensorNetwork》，用來出版最優(yōu)秀的傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)成果。2004年，Boston大學(xué)與BP、Honeywell、InetcoSystems、Invensys、MillennialNet、Radianse、SensicastSystems等公司聯(lián)合創(chuàng)辦了傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)會(huì)，旨在促進(jìn)WSN技術(shù)的開發(fā)。2006年10月，中國(guó)計(jì)算機(jī)學(xué)會(huì)傳感器網(wǎng)絡(luò)專委會(huì)在北京正式成立，標(biāo)志著中國(guó)WSN技術(shù)研究開始進(jìn)入一個(gè)新的歷史階段。

2．相關(guān)科研和工程項(xiàng)目

從20世紀(jì)90年代開始，美國(guó)就陸續(xù)展開分布式傳感器網(wǎng)絡(luò)(DSN)、集成的無線網(wǎng)絡(luò)傳感器(WINS)、智能塵埃(SmartDust)、無線嵌入式系統(tǒng)(WEBS)、分布式系統(tǒng)可升級(jí)協(xié)調(diào)體系結(jié)構(gòu)研究(SCADDS)、嵌入式網(wǎng)絡(luò)傳感(CENS)等一系列重要的WSN研究項(xiàng)目。

自2001年起，美國(guó)國(guó)防部遠(yuǎn)景研究計(jì)劃局(DARPA)每年都投入千萬美元進(jìn)行WSN技術(shù)研究，設(shè)立了SmartSensorWeb、靈巧傳感器網(wǎng)絡(luò)通信、無人值守地面?zhèn)鞲衅魅?、傳感器組網(wǎng)系統(tǒng)、網(wǎng)狀傳感器系統(tǒng)等一系列軍事傳感器網(wǎng)絡(luò)研究項(xiàng)目。在美國(guó)自然科學(xué)基金委員會(huì)的推動(dòng)下，美國(guó)麻省理工學(xué)院、加州大學(xué)伯克利分校、加州大學(xué)洛杉磯分校、南加州大學(xué)、康奈爾大學(xué)、伊利諾斯大學(xué)等許多著名高校也進(jìn)行了大量WSN的基礎(chǔ)理論和關(guān)鍵技術(shù)的研究。除美國(guó)以外，日本、英國(guó)、意大利、巴西等國(guó)家也對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)表現(xiàn)出了極大的興趣，并各自展開了該領(lǐng)域的研究工作。

中國(guó)現(xiàn)代意義的WSN及其應(yīng)用研究幾乎與發(fā)達(dá)國(guó)家同步啟動(dòng)，首先被記錄在1999年發(fā)表的中國(guó)科學(xué)院《知識(shí)創(chuàng)新工程試點(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。

2001年，中國(guó)科學(xué)院成立了微系統(tǒng)研究與發(fā)展中心，掛靠中科院上海微系統(tǒng)所，旨在整合中科院內(nèi)部的相關(guān)單位，共同推進(jìn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究。從2002年開始，中國(guó)國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)開始部署傳感器網(wǎng)絡(luò)相關(guān)的課題。截至2008年年底，中國(guó)國(guó)家自然基金共支持面上項(xiàng)目111項(xiàng)、重點(diǎn)項(xiàng)目3項(xiàng)；國(guó)家“863”重點(diǎn)項(xiàng)目發(fā)展計(jì)劃共支持面上項(xiàng)目30余項(xiàng)，國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃“973”也設(shè)立了兩項(xiàng)與傳感器網(wǎng)絡(luò)直接相關(guān)的項(xiàng)目；國(guó)家發(fā)改委中國(guó)下一代互聯(lián)網(wǎng)工程項(xiàng)目(CNGI)也對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)項(xiàng)目進(jìn)行了連續(xù)資助。“中國(guó)未來20年技術(shù)預(yù)見研究”提出的157個(gè)技術(shù)課題中有7項(xiàng)直接涉及無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。這些專項(xiàng)的設(shè)立將大大推進(jìn)WSN網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在應(yīng)用領(lǐng)域的快速發(fā)展。

3．WSN技術(shù)的成熟度分析

Gartner信息技術(shù)研究與咨詢公司從2005年到2008年對(duì)WSN技術(shù)進(jìn)行了追蹤和評(píng)估。2005年，Gartner認(rèn)為WSN技術(shù)的關(guān)注度已經(jīng)越過了膨脹高峰并回歸理性，表現(xiàn)為以美國(guó)為首的科研人員開始理性反思這種技術(shù)模式是不是有進(jìn)一步推廣和發(fā)展的機(jī)會(huì)。當(dāng)時(shí)的預(yù)期比較樂觀，認(rèn)為該技術(shù)將在2～5年內(nèi)走向成熟。2006年，Gartner的評(píng)估認(rèn)為該技術(shù)正按照預(yù)定曲線前行，但成熟時(shí)間要更長(zhǎng)一些。到了2007年，Gartner發(fā)現(xiàn)對(duì)該技術(shù)的關(guān)注度又有大幅度回升，但其市場(chǎng)并沒有走向高產(chǎn)能期，而似乎又回到了技術(shù)膨脹期。同時(shí)，距離成熟的時(shí)間仍然是10年以上。超過5年的市場(chǎng)預(yù)測(cè)往往意味著公司對(duì)該項(xiàng)技術(shù)缺乏準(zhǔn)確的判斷。從這一點(diǎn)上看，WSN技術(shù)從市場(chǎng)的角度上看還有些撲朔迷離。Gartner的2008年技術(shù)預(yù)測(cè)報(bào)告中沒有對(duì)該領(lǐng)域進(jìn)行預(yù)測(cè)也正是基于這一點(diǎn)。這種結(jié)果的可能原因是殺手級(jí)應(yīng)用所需的幾項(xiàng)關(guān)鍵性的支撐技術(shù)目前難于突破，微型化、可靠性、能量供給在目前看來是制約應(yīng)用的最大問題。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)要想在未來十幾年內(nèi)有所發(fā)展，一方面要在這些關(guān)鍵的支撐技術(shù)上有所突破，另一方面則要在成熟的市場(chǎng)中尋找應(yīng)用，構(gòu)思更有趣、更高效的應(yīng)用模式。值得慶幸的是，WSN技術(shù)在中國(guó)找到了發(fā)展機(jī)會(huì)。政府引導(dǎo)、研究人員的推動(dòng)和企業(yè)的積極參與大大加快了WSN技術(shù)的市場(chǎng)化進(jìn)程。中國(guó)必將在WSN技術(shù)和市場(chǎng)推進(jìn)中發(fā)揮重要作用。

1.3無線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

1.3.1無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)如圖1.1所示。監(jiān)測(cè)區(qū)域中隨機(jī)分布著大量的傳感器節(jié)點(diǎn)，這些節(jié)點(diǎn)以自組織的方式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。每個(gè)節(jié)點(diǎn)既有數(shù)據(jù)采集又有路由功能，采集數(shù)據(jù)經(jīng)過多跳傳遞給匯聚節(jié)點(diǎn)，連接到互聯(lián)網(wǎng)。在網(wǎng)絡(luò)的任務(wù)管理節(jié)點(diǎn)對(duì)信息進(jìn)行管理、分類、處理，最后供用戶進(jìn)行集中處理。圖1.1無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)1.3.2無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)

節(jié)點(diǎn)同時(shí)具有傳感、信息處理和進(jìn)行無線通信及路由的功能。對(duì)于不同的應(yīng)用環(huán)境，節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)也可能不一樣，但它們的基本組成部分是一致的，一個(gè)節(jié)點(diǎn)通常由傳感器、微處理器、存儲(chǔ)器、A/D轉(zhuǎn)換接口、無線發(fā)射以及接收裝置和電源組成。概括之，無線傳感器節(jié)點(diǎn)可分為傳感器模塊、處理器模塊、無線通信模塊和能量供應(yīng)模塊四個(gè)部分，如圖1.2所示。圖1.2無線傳感器節(jié)點(diǎn)的體系結(jié)構(gòu)傳感器模塊負(fù)責(zé)信息采集和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換；處理器模塊控制整個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的操作，處理本身采集的數(shù)據(jù)和其他節(jié)點(diǎn)發(fā)來的數(shù)據(jù)，運(yùn)行高層網(wǎng)絡(luò)協(xié)議；無線通信模塊負(fù)責(zé)與其他傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信；能量供應(yīng)模塊為傳感器節(jié)點(diǎn)提供運(yùn)行所需的能量，通常是微型蓄電池。1.3.3無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1.3所示。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用支撐層、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施和基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用程序以及管理、信息安全等部分組成了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中間件與平臺(tái)軟件。其基本含義是，應(yīng)用支撐層支持應(yīng)用業(yè)務(wù)層為各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域服務(wù)，提供所需的各種通用服務(wù)，這一層的核心是中間件軟件；管理和信息安全是貫穿各個(gè)層次的保障。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中間件與平臺(tái)軟件體系結(jié)構(gòu)主要分為四個(gè)層次：網(wǎng)絡(luò)適配層、基礎(chǔ)軟件層、應(yīng)用開發(fā)層和應(yīng)用業(yè)務(wù)適配層。其中，網(wǎng)絡(luò)適配層和基礎(chǔ)軟件層組成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)嵌入式軟件(部署在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)中)的體系結(jié)構(gòu)，應(yīng)用開發(fā)層和基礎(chǔ)軟件層組成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用支撐結(jié)構(gòu)(支持應(yīng)用業(yè)務(wù)的開發(fā)與實(shí)現(xiàn))。在網(wǎng)絡(luò)適配層中，網(wǎng)絡(luò)適配器是對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)底層(無線傳感器網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施、無線傳感器操作系統(tǒng))的封裝。基礎(chǔ)軟件層包含無線傳感器網(wǎng)絡(luò)各種中間件。這些中間件構(gòu)成了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)軟件的公共基礎(chǔ)，并提供了高度的靈活性、模塊性和可移植性。圖1.3無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中間件有如下幾種：

(1)網(wǎng)絡(luò)中間件：完成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)接入服務(wù)、網(wǎng)絡(luò)生成服務(wù)、網(wǎng)絡(luò)自愈合服務(wù)、網(wǎng)絡(luò)連通等。

(2)配置中間件：完成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的各種配置工作，例如路由配置、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的調(diào)整等。

(3)功能中間件：完成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)各種應(yīng)用業(yè)務(wù)的共性功能，提供各種功能框架接口。

(4)管理中間件：為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)各種管理功能，例如目錄服務(wù)、資源管理、能量管理和生命周期管理。

(5)安全中間件：為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)各種安全功能，例如安全管理、安全監(jiān)控和安全審計(jì)。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中間件與平臺(tái)軟件采用層次化、模塊化的體系結(jié)構(gòu)，使其更加適應(yīng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用系統(tǒng)的要求，并用自身的復(fù)雜換取應(yīng)用開發(fā)的簡(jiǎn)單，而中間件技術(shù)能夠更簡(jiǎn)單明了地滿足應(yīng)用的需要。一方面，中間件提供滿足無線傳感器網(wǎng)絡(luò)個(gè)性化應(yīng)用的解決方案，形成了一種特別適用的支撐環(huán)境；另一方面，中間件通過整合，使無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用只需面對(duì)一個(gè)可以解決問題的軟件平臺(tái)。因此，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中間件與平臺(tái)軟件的靈活性、可擴(kuò)展性保證了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的安全性，提高了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)管理能力和能量效率，降低了應(yīng)用開發(fā)的復(fù)雜性。1.3.4無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信體系結(jié)構(gòu)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)需要自組織網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，相對(duì)于一般意義上的自組織網(wǎng)絡(luò)，傳感器網(wǎng)絡(luò)具有以下特點(diǎn)，需要在體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中加以特殊考慮。

(1)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)數(shù)目眾多，這就對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展性提出了要求。由于傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)目多，開銷大，傳感器網(wǎng)絡(luò)通常不具備全球唯一的地址標(biāo)識(shí)，這使得傳感器網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層相對(duì)于一般網(wǎng)絡(luò)而言有很大的簡(jiǎn)化。

(2)自組織傳感器網(wǎng)絡(luò)最大的特點(diǎn)就是能量受限，傳感器節(jié)點(diǎn)受環(huán)境的限制，通常由電量有限且不可更換的電池供電，所以在考慮傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)以及各層協(xié)議設(shè)計(jì)時(shí)，節(jié)能是設(shè)計(jì)的主要考慮目標(biāo)之一。

(3)由于傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用環(huán)境具有特殊性、無線信道不穩(wěn)定以及能源受限的特點(diǎn)，傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)受損的概率遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，因此自組織網(wǎng)絡(luò)的健壯性保障是必需的，以保證部分傳感器網(wǎng)絡(luò)的損壞不會(huì)影響全局任務(wù)的進(jìn)行。

(4)傳感器節(jié)點(diǎn)高密度部署，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化快，對(duì)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的維護(hù)也提出了挑戰(zhàn)。根據(jù)以上特性分析，傳感器網(wǎng)絡(luò)需要根據(jù)用戶對(duì)網(wǎng)絡(luò)的需求設(shè)計(jì)適應(yīng)自身特點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，為網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和算法的標(biāo)準(zhǔn)化提供統(tǒng)一的技術(shù)規(guī)范，使其能夠滿足用戶的需求。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信體系結(jié)構(gòu)如圖1.4所示，即橫向的通信協(xié)議層和縱向的傳感器網(wǎng)絡(luò)管理面。通信協(xié)議層可以劃分為物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層和應(yīng)用層，而網(wǎng)絡(luò)管理面可以劃分為能耗管理面、移動(dòng)性管理面和任務(wù)管理面。網(wǎng)絡(luò)管理面主要用于協(xié)調(diào)不同層次的功能以求在能耗管理、移動(dòng)性管理和任務(wù)管理方面獲得綜合考慮的最優(yōu)設(shè)計(jì)。圖1.4無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信體系結(jié)構(gòu)

1.4無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用及關(guān)鍵技術(shù)

1.4.1WSN的應(yīng)用

WSN的應(yīng)用可以分為監(jiān)測(cè)和追蹤兩類，如圖1.5所示。監(jiān)測(cè)應(yīng)用包括室環(huán)境監(jiān)測(cè)、公共衛(wèi)生監(jiān)測(cè)、商業(yè)監(jiān)測(cè)、生物監(jiān)測(cè)、軍事監(jiān)測(cè)等方面。跟蹤應(yīng)用包括工業(yè)追蹤、公共事業(yè)追蹤、商業(yè)追蹤、軍事追蹤等方面。圖1.5無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用分類

1．軍事領(lǐng)域

2005年，美國(guó)軍方成功測(cè)試了由美國(guó)Crossbow產(chǎn)品組建的槍聲定位系統(tǒng)，為救護(hù)、反恐提供了有力手段。美國(guó)科學(xué)應(yīng)用國(guó)際公司采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)筑了一個(gè)電子周邊防御系統(tǒng)，可為美國(guó)軍方提供軍事防御和情報(bào)信息。

中國(guó)中科院微系統(tǒng)所主導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)積極開展基于WSN的電子圍欄技術(shù)的邊境防御系統(tǒng)的研發(fā)和試點(diǎn)，已取得了階段性的成果。

2．公共衛(wèi)生

WSN可用于殘疾人監(jiān)測(cè)、病人監(jiān)測(cè)、診斷及醫(yī)院藥品管理系統(tǒng)。C.R.Badker等人指出，在公共衛(wèi)生醫(yī)療監(jiān)測(cè)中應(yīng)用WSN能提高現(xiàn)有衛(wèi)生和病人的監(jiān)測(cè)狀況。他們提出了四種應(yīng)用原型：嬰兒監(jiān)測(cè)、聾人提醒、血壓監(jiān)測(cè)與追蹤以及消防員身體特征信號(hào)監(jiān)測(cè)。這些原型采用了SHIMME和T-mote節(jié)點(diǎn)。

在醫(yī)療監(jiān)控方面，美國(guó)英特爾公司目前正在研制家庭護(hù)理的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，它是美國(guó)“應(yīng)對(duì)老齡化社會(huì)技術(shù)項(xiàng)目”的一項(xiàng)重要內(nèi)容。另外，在對(duì)特殊醫(yī)院(精神類或殘障類)中病人的位置監(jiān)控方面，WSN也有巨大的應(yīng)用潛力。

3．環(huán)境應(yīng)用

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用包括跟蹤生物，如鳥類、小動(dòng)物和昆蟲的遷移，監(jiān)測(cè)影響農(nóng)作物的環(huán)境，以及監(jiān)測(cè)大海、土壤及森林火災(zāi)等。美國(guó)加利福尼亞州索諾馬縣應(yīng)用WSN研究紅木樹林的現(xiàn)狀，每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)用于測(cè)量空氣溫度、相對(duì)濕度以及光合有效輻射作用。在樹的不同高度放置節(jié)點(diǎn)，生物學(xué)家可以追蹤紅木樹林小氣候的空間漸變情況，從而驗(yàn)證其生物學(xué)理論。哈佛大學(xué)MattWelsh等人將傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于火山的監(jiān)測(cè)。他們分別于2004年和2005年對(duì)厄瓜多爾的Tungurahua和Reventodaor兩座火山進(jìn)行了監(jiān)測(cè)。該網(wǎng)絡(luò)由16個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)組成，每個(gè)傳感器間隔200～400m不等。在19天的觀測(cè)中，網(wǎng)絡(luò)觀測(cè)到230次火山噴發(fā)和其他事件。在肯尼亞構(gòu)建的ZebraNet系統(tǒng)是一個(gè)移動(dòng)傳感網(wǎng)絡(luò)，用于追蹤動(dòng)物的遷移。該系統(tǒng)將跟蹤節(jié)點(diǎn)安裝在斑馬的項(xiàng)圈上，目的在于準(zhǔn)確記錄斑馬的位置，用于生物行為分析。在環(huán)境監(jiān)控和精細(xì)農(nóng)業(yè)方面，WSN的應(yīng)用最為廣泛。2002年，英特爾公司率先在俄勒岡建立了世界上第一個(gè)無線葡萄園，這是一個(gè)典型的精細(xì)農(nóng)業(yè)、智能耕種的實(shí)例。杭州齊格科技有限公司與浙江農(nóng)科院合作研發(fā)了遠(yuǎn)程農(nóng)作物管理決策服務(wù)平臺(tái)，該平臺(tái)利用無線傳感器技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)農(nóng)田溫室大棚溫度、濕度、露點(diǎn)、光照等環(huán)境信息的監(jiān)測(cè)。

4．工業(yè)應(yīng)用

在工業(yè)監(jiān)控方面，美國(guó)英特爾公司為俄勒岡的一家芯片制造廠安裝了200臺(tái)無線傳感器，用來監(jiān)控部分工廠設(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。西安成峰公司與陜西天和集團(tuán)合作開發(fā)了礦井環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和礦工井下區(qū)段定位系統(tǒng)。

5．公共事業(yè)領(lǐng)域

在民用安全監(jiān)控方面，英國(guó)一家博物館的工作人員利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)了一個(gè)報(bào)警系統(tǒng)，他們將節(jié)點(diǎn)放在珍貴文物或藝術(shù)品的底部或背面，通過偵測(cè)燈光的亮度改變和振動(dòng)情況，來判斷展覽品的安全狀態(tài)。中科院計(jì)算所在故宮博物院實(shí)施的文物安全監(jiān)控系統(tǒng)也是WSN技術(shù)在民用安防領(lǐng)域中的典型應(yīng)用。

現(xiàn)代建筑的發(fā)展不僅要求為人們提供更加舒適、安全的房屋和橋梁，而且希望建筑本身能夠?qū)ψ陨淼慕】禒顩r進(jìn)行評(píng)估。WSN技術(shù)在建筑結(jié)構(gòu)健康監(jiān)控方面發(fā)揮著重要作用。2004年，哈爾濱工業(yè)大學(xué)在深圳地王大廈實(shí)施部署了監(jiān)測(cè)環(huán)境噪聲和震動(dòng)加速度響應(yīng)測(cè)試的WSN網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。在智能交通方面，美國(guó)交通部提出了“國(guó)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。該系統(tǒng)綜合運(yùn)用大量傳感器網(wǎng)絡(luò)，配合GPS系統(tǒng)、區(qū)域網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)等資源，實(shí)現(xiàn)對(duì)交通車輛的優(yōu)化調(diào)度，并為個(gè)體交通推薦實(shí)時(shí)的、最佳的行車路線服務(wù)。目前在美國(guó)賓夕法尼亞州的匹茲堡市已經(jīng)建有這樣的智能交通信息系統(tǒng)。

以中科院上海微系統(tǒng)所為首的研究團(tuán)隊(duì)正在積極開展WSN在城市交通中的應(yīng)用。中科院軟件所在地下停車場(chǎng)基于WSN網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了細(xì)粒度的智能車位管理系統(tǒng)，使得停車信息能夠迅速通過發(fā)布系統(tǒng)推送給附近的車輛，大大提高了停車效率。在物流領(lǐng)域中，基于RFID和傳感器節(jié)點(diǎn)在大粒度商品物流管理中已得到了廣泛的應(yīng)用。寧波中科萬通公司與寧波港合作，實(shí)現(xiàn)了基于RFID網(wǎng)絡(luò)的集裝箱和卡車的智能化管理。

在智能家居領(lǐng)域中，浙江大學(xué)計(jì)算機(jī)系的研究人員開發(fā)了一種基于WSN網(wǎng)絡(luò)的無線水表系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)水表的自動(dòng)抄錄。復(fù)旦大學(xué)、電子科技大學(xué)等單位研制了基于WSN網(wǎng)絡(luò)的智能樓宇系統(tǒng)，其典型結(jié)構(gòu)包括照明控制、警報(bào)門禁以及家電控制的PC系統(tǒng)，各部件自治組網(wǎng)，最終由PC將信息發(fā)布到互聯(lián)網(wǎng)上，人們可以通過互聯(lián)網(wǎng)終端對(duì)家庭狀況實(shí)施監(jiān)測(cè)。1.4.2無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)

WSN技術(shù)是多學(xué)科交叉的研究領(lǐng)域，包含眾多研究方向。WSN技術(shù)具有應(yīng)用相關(guān)性，利用通用平臺(tái)構(gòu)建的系統(tǒng)都無法達(dá)到最優(yōu)效果。WSN技術(shù)的應(yīng)用定義要求網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)設(shè)備能夠在有限能量(功率)供給下實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)控，因此網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的能量效率是一切技術(shù)元素的優(yōu)化目標(biāo)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的核心關(guān)鍵技術(shù)和關(guān)鍵支撐技術(shù)如下。

1．核心關(guān)鍵技術(shù)

1)組網(wǎng)模式

在確定采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)行應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)后，首先面臨的問題是采用何種組網(wǎng)模式。

(1)扁平組網(wǎng)模式。此模式中所有節(jié)點(diǎn)的角色相同，通過相互協(xié)作完成數(shù)據(jù)的交流和匯聚。最經(jīng)典的定向擴(kuò)散路由(DirectDiffusion)就是這種組網(wǎng)模式。

(2)基于分簇的層次型組網(wǎng)模式。此模式中的節(jié)點(diǎn)分為普通傳感器節(jié)點(diǎn)和用于數(shù)據(jù)匯聚的簇頭節(jié)點(diǎn)，傳感器節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)先發(fā)送到簇頭節(jié)點(diǎn)，然后由簇頭節(jié)點(diǎn)匯聚到后臺(tái)。簇頭節(jié)點(diǎn)完成的工作和消耗的能量更多。

(3)網(wǎng)狀網(wǎng)(Mesh)模式。Mesh模式在傳感器節(jié)點(diǎn)形成的網(wǎng)絡(luò)上增加一層固定無線網(wǎng)絡(luò)，用來收集傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，另一方面實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)之間的信息通信以及網(wǎng)內(nèi)融合處理。

(4)移動(dòng)匯聚模式。此模式使用移動(dòng)終端收集目標(biāo)區(qū)域的傳感數(shù)據(jù)，并轉(zhuǎn)發(fā)到后端服務(wù)器。采用移動(dòng)匯聚模式可以提高網(wǎng)絡(luò)的容量，但數(shù)據(jù)的傳遞延遲與移動(dòng)匯聚節(jié)點(diǎn)的軌跡相關(guān)。如何控制移動(dòng)終端軌跡和速率是該模式研究的重要目標(biāo)。

2)拓?fù)淇刂?/p>

組網(wǎng)模式?jīng)Q定了網(wǎng)絡(luò)的總體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，但為了實(shí)現(xiàn)WSN網(wǎng)絡(luò)的低能耗運(yùn)行，還需要對(duì)節(jié)點(diǎn)連接關(guān)系的時(shí)變規(guī)律進(jìn)行細(xì)粒度控制。目前主要的拓?fù)淇刂萍夹g(shù)分為時(shí)間控制、空間控制和邏輯控制三種。時(shí)間控制是通過控制每個(gè)節(jié)點(diǎn)睡眠、工作的占空比，調(diào)度節(jié)點(diǎn)間睡眠起始時(shí)間，讓節(jié)點(diǎn)交替工作，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓谟邢薜耐負(fù)浣Y(jié)構(gòu)間切換；空間控制是通過控制節(jié)點(diǎn)發(fā)送功率改變節(jié)點(diǎn)的連通區(qū)域，使網(wǎng)絡(luò)呈現(xiàn)不同的連通形態(tài)，從而獲得控制能耗、提高網(wǎng)絡(luò)容量的效果；邏輯控制是通過鄰居表將不“理想的”節(jié)點(diǎn)排除在外，從而形成更穩(wěn)固、可靠和強(qiáng)健的拓?fù)?。WSN技術(shù)中，拓?fù)淇刂频哪康脑谟趯?shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的連通(實(shí)時(shí)連通或機(jī)會(huì)連通)的同時(shí)保證信息的能量高效、可靠地傳輸。

3)媒體訪問控制和鏈路控制

媒體訪問控制(MAC)和鏈路控制解決無線網(wǎng)絡(luò)中普遍存在的沖突和丟失問題，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)流狀態(tài)控制臨近節(jié)點(diǎn)乃至網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)的信道訪問方式和順序，達(dá)到高效利用網(wǎng)絡(luò)容量，減低能耗的目的。要實(shí)現(xiàn)拓?fù)淇刂浦械臅r(shí)間和空間控制，WSN的MAC層需要配合完成睡眠機(jī)制、時(shí)分信道分配和空分復(fù)用等功能。

4)路由、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)及跨層設(shè)計(jì)

WSN中的數(shù)據(jù)流向與Internet相反：在Internet中，終端設(shè)備主要從網(wǎng)絡(luò)上獲取信息；而在WSN中，終端設(shè)備是向網(wǎng)絡(luò)提供信息。因此，WSN網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議設(shè)計(jì)有自己的獨(dú)特要求。由于在WSN網(wǎng)絡(luò)中對(duì)能量效率的苛刻要求，研究人員通常利用MAC層的跨層服務(wù)信息來進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)、數(shù)據(jù)流向的選擇。另外，網(wǎng)絡(luò)在任務(wù)發(fā)布過程中一般要將任務(wù)信息傳送給所有的節(jié)點(diǎn)，因此設(shè)計(jì)能量高效的數(shù)據(jù)分發(fā)協(xié)議也是網(wǎng)絡(luò)層研究的重點(diǎn)。網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)也是提高網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)效率的一項(xiàng)技術(shù)。在分布式存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，一份數(shù)據(jù)往往有不同的代理對(duì)其感興趣，網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)通過有效減少網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)，來提高網(wǎng)絡(luò)容量和效率。

5)?QoS保障和可靠性設(shè)計(jì)

QoS保障和可靠性設(shè)計(jì)技術(shù)是傳感器網(wǎng)絡(luò)走向可用的關(guān)鍵技術(shù)之一。QoS保障技術(shù)包括通信層控制和服務(wù)層控制。傳感器網(wǎng)絡(luò)大量的節(jié)點(diǎn)如果沒有質(zhì)量控制，將很難完成實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)環(huán)境變化的任務(wù)。可靠性設(shè)計(jì)技術(shù)的目的是保證節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò)在惡劣工作條件下長(zhǎng)時(shí)間工作。節(jié)點(diǎn)計(jì)算和通信模塊的失效直接導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)脫離網(wǎng)絡(luò)，而傳感模塊的失效則可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)出現(xiàn)畸變，造成網(wǎng)絡(luò)的誤警。如何通過數(shù)據(jù)檢測(cè)失效節(jié)點(diǎn)也是關(guān)鍵研究?jī)?nèi)容之一。

6)移動(dòng)控制模型

隨著WSN組織結(jié)構(gòu)從固定模式向半移動(dòng)乃至全移動(dòng)轉(zhuǎn)換，節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)控制模型變得越來越重要。LuoJ.等指出，當(dāng)匯聚節(jié)點(diǎn)沿著網(wǎng)絡(luò)邊緣移動(dòng)收集時(shí)可以最大限度地提高網(wǎng)絡(luò)生命周期；BiY.等提出了多種匯聚點(diǎn)移動(dòng)策略，根據(jù)每輪數(shù)據(jù)匯聚情況，估計(jì)下一輪能夠最大延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生命周期的匯聚點(diǎn)位置；ButlerZ.等針對(duì)事件發(fā)生頻度自適應(yīng)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的位置，使感知節(jié)點(diǎn)更多地聚集在使事件經(jīng)常發(fā)生的地方，從而分擔(dān)事件匯報(bào)任務(wù)，延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)壽命。

2．關(guān)鍵支撐技術(shù)

1)?WSN網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間同步技術(shù)

時(shí)間同步技術(shù)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關(guān)鍵手段。常用方法是通過時(shí)間同步協(xié)議完成節(jié)點(diǎn)間的對(duì)時(shí)，通過濾波技術(shù)抑制時(shí)鐘噪聲和漂移。最近，利用耦合振蕩器的同步技術(shù)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)無狀態(tài)自然同步方法也備受關(guān)注，這是一種高效的、可無限擴(kuò)展的時(shí)間同步新技術(shù)。

2)基于WSN的自定位和目標(biāo)定位技術(shù)

定位跟蹤技術(shù)包括節(jié)點(diǎn)自定位和網(wǎng)絡(luò)區(qū)域內(nèi)的目標(biāo)定位跟蹤。節(jié)點(diǎn)自定位是指確定網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)自身位置，這是隨機(jī)部署組網(wǎng)的基本要求。GPS技術(shù)是室外慣常采用的自定位手段，但這種技術(shù)成本較高，另一方面在有遮擋的地區(qū)會(huì)失效。傳感器網(wǎng)絡(luò)更多采用混合定位方法，即手動(dòng)部署少量的錨節(jié)點(diǎn)(攜帶GPS模塊)，其他節(jié)點(diǎn)根據(jù)拓?fù)浜途嚯x關(guān)系進(jìn)行間接位置估計(jì)。目標(biāo)定位跟蹤通過網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)之間的配合完成對(duì)網(wǎng)絡(luò)區(qū)域中特定目標(biāo)的定位和跟蹤，一般建立在節(jié)點(diǎn)自定位的基礎(chǔ)上。

3)分布式數(shù)據(jù)管理和信息融合

分布式動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)管理是以數(shù)據(jù)中心為特征的WSN網(wǎng)絡(luò)的重要技術(shù)之一。該技術(shù)部署或者指定一些節(jié)點(diǎn)為代理節(jié)點(diǎn)，代理節(jié)點(diǎn)根據(jù)監(jiān)測(cè)任務(wù)收集興趣數(shù)據(jù)。監(jiān)測(cè)任務(wù)通過分布式數(shù)據(jù)庫的查詢語言下達(dá)給目標(biāo)區(qū)域的節(jié)點(diǎn)。在整個(gè)體系中，WSN網(wǎng)絡(luò)被當(dāng)作分布式數(shù)據(jù)庫獨(dú)立存在，實(shí)現(xiàn)對(duì)客觀物理世界的實(shí)時(shí)和動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。

信息融合技術(shù)是指節(jié)點(diǎn)根據(jù)類型、采集時(shí)間、地點(diǎn)、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)行本地的融合和壓縮，一方面排除信息冗余，減少網(wǎng)絡(luò)通信開銷，節(jié)省能量；另一方面可以通過貝葉斯推理技術(shù)實(shí)現(xiàn)本地的智能決策。

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