（通信与信息系统专业论文）cdma模块在无线传感器网络中的应用.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 无线传感器网络作为一种新型的a dh o c 网络，相对于传统的无线网络具有覆 盖面广、组建方便、抗毁性强等优势，正在医疗、自然灾难监控、军事等各种领 域得到越来越广泛的应用。本文主要研究提出了一种采用c d m a 模块的无线传感器 网络网关设计，网关丰要负责处理网络中传感器节点发送的数据，实现协议转换 后通过串行接口驱动c d m a 模块通过c d m a 网络将数据发送到远程监控中心。由于 c d m a 网络技术的特点，这种网关使用c i ) r a 模块的无线传感器网络非常适用于需要 信息传输速率高、抗干扰性强的场合。 关键字：无线传感器网络，网关设计，c d m a 模块，智能交通系统 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t a san e wk i n do fa dh o cn e t w o r k ，w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ( w s n ) h a st h e a d v a n t a g e so v e rt h et y p i c a lw i r e l e s sn e t w o r k s ，s u c ha sp r o v i d i n gc o v e r a g eo fal a r g e a r e a , e a s yt od e p l o y , i m p r o v e da n t i - d e s t r u c t i b i l i t y m e d i c a lt r e a t m e n t ，d e t e c t i n g e n v i r o n m e n th a z a r d sa n dm i l i t a r ys u r v e i l l a n c ea r ea m o n g m a n yw s na p p l i c a t i o n s i n t h i sp a p e r , t h es i n kn o d eo fw s nt h a ti sd e s i g n e do nt h eb a s eo fc d m am o d u l ei s p r e s e n t e d t h es i n kn o d ea c ta sac o n n e c t o ri nw s n i tt r a n s m i tt h ea c q u i r e dd a t at ot h e r e m o t em o n i t o r i n gc e n t e rw i t ht h eh e l po fc d m am o d u l e ，w h i c hi sd r o v e dt h r o u g h s e r i a li n t e r f a c e ，a f t e rp r o c e s s i n gt h ed a t ac o l l e c t e db ys e n s o rn o d e s d u et ot h ef e a t u r e s o ft h ec d m an e t w o r kt e c h n o l o g y , t h i st y p eo fw s nw h o s es i n kn o d ei sb a s e do n c d 队m o d u l ei se x t r e m e l yf i tf o rt h ea p p l i c a t i o n sw h i c hn e e dh i g ha n t i - i n t e r f e r e n c e a n dt r a n s m i s s i o nr a t e k e y w o r d s ：w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k , s i n kn o d e ，c d m am o d u l e ，i n t e l l i g e n tt r a f f i c m a n a g e m e n ts y s t e m 2 c d m a m e m s s o c w s n s 山东大学硕士学位论文 论文中的缩略词汇表 c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s m i c r o - e l e c t r o m e c h a n i s ms y s t e m s y s t e mo nc h i p w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s e tm o b i l ea dh o cn e t w o r k i e t f o f d m i 肿 m i m o i n t e m e te n g i n e e r i n gt a s kf o r c e 码分多址复用 微机电系统 片上系统 无线传感器网络 移动a dh o c 网络 互联网工程任务组 o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g 正交频分复用技术 u l t r aw i d e b a n d m u l t i p l e i n p u tm u l t i p l e - o u t p u t 超宽带 多输入多输出 3 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 婵 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 一：晔：阻 山东大学硕士学位论文 。 i i i i i i i i i i i i i i i i i , i i i i i i 舅 1 1 课题背景 第一章绪论 更小更廉价的低功耗计算设备逡现以及网络普遍囊二带来的难以估计的计算处 理能力，再加上微机电系统( m i c r o e l e c t r o m e c h a n i s ms y s t e m 简称m e m s ) 的迅 速发展奠定了设计和实现片上系统( s y s t e mo nc h i p ，简称s o c ) 的基础。以上三 方面的高度集成又孕育出了许多薪静信息获取和处理模式，在这种情况下，一种 新型的无线通信技术无线传感器应运而牛。通过将数量巨大的传感器组建成 网络可将探测感知技术延伸到更广阔豹领域，目前无线传感器网络技术( w i r e l e s s s e n s o rn e t w o r k s ，简称w s n s ) 在军事、医疗、商业和环境保护等领域都得到广泛 的应用。可以预测，w s n 将是信息感知和采集的一场革命，是2 l 世纪最重要的技术 之一。 目前国际上具有代表性的传感器网络的体系结构，大概分成两类，第一类是 水平结构；第二类是u cb e r k e l e y 提出的基于分簇的层次结构模型。层次结构能使 传感爨网络的负载均衡，放而减少数据大量转输对霹能发生的磁撞，降低网络功 耗，具有很好的发展潜力。在层次结构中，整个网络有若干无线节点( n o d e ) 组 成，它们都具有感知、动态自组织和路由的功能，为了将这些节点的感知信息能 有效笼传送给监控中心，系统将在一定的区域志节点分成一簇薨设置一个簇头。 当相关事件发生时，簇成员将收集到的信息传给簇头，经过数据融合后形成一个 簇级判决，由于同一时间可能影响周围的多个簇，所以在相邻簇之闻进行判决信 息交互，只将选出的一个最佳簇级判决传绘 节点，利用有限的延时换取通信量 的减少，有效减少网络中的冗余通信壁，延长网络生命期。然后由丰节点通过无 线透信模块与强鼹连接发送绘远端的控制中心。 传统大多数传感器网络主节点通常采用g s m g p r s 无线通信模块，通过g s m g p r s 网络对传感器网络进行远程监控。这种监控模式投入少、无需维护费用、 4 山东大学硕士学位论文 简便灵活。但当传感器网络工作在强多径干扰，强环境噪音，可用带宽非常有限 的环境中，c d m a 网络即l i i i 现其网中设备低功耗、频带利用率高、安全性能好及费 用低廉等优点。本文着重提出使用c d m a 模块的无线传感器网络丰节点即网关的实 现方法，并将这种采用c d m a 模块的传感器网络应用在一个智能交通铃；理系统实例 中。 1 2 无线传感器网络概述 无线传感器网络技术的研究可溯源于七十年代美国军方的分组无线网，随后 i e e e 在建立8 0 2 1 1 标准时，将分组无线网改称为无线a dh o c 网络，意为“仅为 特定目的、情况或场合的”。这类网络的突出特性是具备自组织能力，属于无基 础设施网。根据网络中节点是否可移动无线a dh o c 网络又可分为两类：一类为移 动a dh o c 网络( m o b il ea dh o cn e t w o r k ，简称m a n e t ) ，1 9 9 7 年i e t f ( i n t e r n e t e n g i n e e r i n gt a s kf o r c e ) 成立的m a n e t 工作组，目的在于对该类型网络的算法进 行研究和开发；另一类为无线传感器网络( w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ) ，网络拓 扑结构固定或变化缓慢，这类网络通过在远控区布撒大量传感器，然后由各传感 器接点自行协调来迅速组建通讯网，在能量利用率优先考虑原则下进行工作任务 划分以获取监视区域信息。从总体上来说，无线传感器网络的发展历程经过了以 下几个阶段： 第一代使用具有简单信号获取能力的传统，采用点对点传输，连接传感控制器 构成传感器网络；第二代传感器网络，具有获取多种信息信号的综合能力，采用 串，并接口与传感控制器相联，构成有综合多种信息的传感器网络；第三代传感 器网络出现在2 0 世纪9 0 年代后期和本世纪初，用具有智能获取多种信息信号的 传感器，采用现场总线连接传感控制器，构成句区网络，成为智能化传感器网络； 第四代传感器网络正在研究开发，采用大量的具有多功能多信息信号获取能力的 传感器，采用自组织无线接入网络，与传感器网络控制器连接构成无线传感器网 络。本文所设计的无线传感器网络节点设计方案就是基于第四代传感器网络。 山东大学硕士学位论文 域覆盖 面覆盖 线覆盖 点覆盖 1 3 国内外研究现状 第代 第_ 代第：i t 第叫代 图1 - 1 传感器网络发展历程 国外很多大学在无线传感器网络方面开展了大量的工作。如美国加州大学洛 杉矾分校( u c l a ) 的c e n s ( c e n t e rf o re m b e d d e dn e t w o r k e ds e n s i n g ) 实验室， w i n s ( w i r e l e s si n t e g r a t e dn e t w o r ks e n s o r ) 实验室，n e s l ( n e t w o r k e da n d e m b e d d e ds y s t e m sl a b o r a t o r y ) 实验窒等。除此之外，麻省理工学院( m i t ) 获得 了a r p a 的支持，从事着极低功耗的无线传感网络方面的研究，业界广为关注的s p i n ( s e n s o rp r o t o c o l sf o ri n f o r m a t i o nv i an e g o t i a t i o n ) 协议也是由m i t 开发； 同时奥本大学也获得d a r p a 支持，从事了大量关于自组织传感器网络方面的研究， 并完成了一些实验系统的研究；州立克利夫兰大学( c l e v e l a n ds t a t eu n i v e r s i t y ， o h i o - c u so h i o ) 的移动计算实验室在基于i p 的移动网络和自组织网络方面结合 无线传感器网络技术进行了研究。特别在2 0 0 0 年后，无线传感器网络技术的研究 开始进入蓬勃发展时期，随着硬件体系结构的逐步稳定，无线传感器实用接点的 硬件开发逐渐从研究所和大学转向了公司。c r o s s b o w ，m o t e i y 等一批以传感器网 络节点为产业的公司开始为大家所熟知，他们的产品为很多研究机构搭建起了硬 件平台，方便的开发平台使得大部分研究机构开始转而研究大规模无线组网、传 感信息融合、时间同步与定位、低功耗设计技术等关键技术。目前国际主流研究 项目有以下几个： 1 s m a r td u s t ( 智能尘埃) ：s m a r td u s t 项目是在美国d a r p a 赞助支持下， 6 山东大学硕士学位论文 蔓曼曼曼曼舅舅蔓鼍l ；l 皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼舅曼曼曼曼蔓笪皇岂! 曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼舅舅曼舅曼曼曼曼曼鼍曼鼍 有u c b e r k e l y 开展进行的微型传感器网的研究计划，已于2 0 0 0 年完成。它的主 要目标是在尽可能小的封装下完成一个传感器和通信系统的设计与制造，其中包 括小型化、一体化设计和能量箭理等几个方面问题。 2 n e s t ( n e t w o r ke m b e d d e ds y s t e mt e c h n o l o g y ) ：n e s t 项目是在s m a r td u s t 研究基础上，由u c b e r k e l e y 和i n t e l 共同开展的一项研究计划。n e s t 主要围绕 传感器网的软件硬件开发实验平台进行了深入地研究与开发，并构建了一个演示 范例g d i ( g r e a td u c ki s l a n d ) 检测系统。 3 ua m p s ( n a d a p t i v em u l t i d o m a i np o w e ra w a r es e n s o r ) ：pa m p s 计划 是麻省理工学院在d a r p a 、a r l 、t e x a si n s t r u m e n t s 公司、h p 公司资助下，针对 传感器网进行的研究。从单个节点和整个系统两方面考虑能量的利用效率，从智 能化角度研究网络的灵活性、使网络实现自组织、重配置和自适应。 4 s c a d d s ( s c a l a b l ec o o r d i n a t i o na r c h i t e c t u r e sf o rd e e p l yd i s t r i b u t e d s y s t e m s ) ：由美国d a r p a 传感器信息技术计划支持的项目，主要研究定向扩散、 自适应保真、定位、时间同步、自我配置、传感器姒c 协议。 国内在无线传感器网络技术方面的起步稍晚，但国家和研究机构投入的力度很 大，在推动无线传感器网络技术的自主知识产权方面，很多研究所和大学都做出 很大贡献。在网络节点方面，考虑到软件( t i n y o s ) 的兼容性及硬件平台的可比 性，国内研究机构绝大多数的设计方案都是研习国外著名的节点硬件平台，如m i c a 和t e l o s 系列节点，而主要专注与无线通信协议栈、同步和定位中间件、数据融 合、低功耗与高可靠高安全性设计、网络管理、质量保证技术以及特定行业的应 用研究，这也是无线传感器网络的知识产权的关键所在。中国科学院上海微系统 与信息技术研究所凭借在微系统和m e m s 技术方面良好的基础，已经通过系统集成 的方式完成了一些终端节点和基站节点的研发，在国内处于领先地位；中科院电 子技术研究所和沈阳自动化所也分别从传感器技术和控制技术两种角度入手研究 节点设计和应用技术；浙江大学现代控制工程研究所成立了“无线传感器网络控 制实验室，与相关单位专门从事面向传感器网络的分布自治系统关键技术及协调 控制理论方面的研究。山东省科学院也看到无线传感器网络这一极具前景的领域， 并且在2 0 0 4 年1 0 月启动了关于无线传感器网络节点操作系统的研究。 国内外研究机构纷纷开展的无线传感器网络研究，完全归功于其广阔的应用前 7 山东大学硕士学位论文 景和对社会牛活的巨大影响 1 4 论文安排 本文丰要介绍了c d m a 模块在无线传感器网络中的应用，并将该技术应用到智 能交通篱理系统中，取得了良好的效果。 本论文的丰要章节内容安排如下： 第一章绪论，简单介绍了w s n 的研究背景。 第二章介绍t w s n 的概念、结构、特点和应用，探讨了网络的关键技术和面临 的挑战，简要介绍了各种协议的分类。 第三章详细介绍了网络s i n k 节点的设计，主要研究了一种采用c d m a 通信模 块的网关设计方案。 第四章详细介绍了智能交通篱理系统的实现，其中重点介绍无线传感器网络 监测子系统的构成，并进行了深入的分析及研究。 第五章对本文的研究工作进行了总结，指出了存在的不足，并对下一步工作 进行了展望。 1 5 本章小结 无线传感器网络作为传感器网络发展的一个新的方向越来越受到重视，网络 所具有的各种特性使得它在各种人类难以接近或者是不易干涉的领域得到广泛的 应用。目前国内外都对无线传感器网络展开了深入的研究并在节点设计、协议制 定等方面取得了较大的成果。 山东大学硕士学位论文 1111111, i l i i i ii i i i i i i ,i i ! il i j j j , i , i , i , , i ii i 曼曼曼曼 第二章无线传感器网络技术 2 1 无线传感器网络体系结构、特点及其主要应用 2 1 。董网络体系结构及节点实现 无线传感器网络典型的体系结构如图2 一l 所示。网络节点具有感测信息、信号 处理昶无线通信功能，它 | 】既是信息包的发起者，也是信息包的转发者。通过网 络自组织和多跳路由，将数据向网关发送。网关( 以下也称为s i n k 节点) 是一个 特殊的节点，网关可以使用多种方式与外部网络通信，如i n t e r n e t 、卫星或移动 通信网络等等，大规模麴应用可畿使髑多个网关。 ，一卜、 互联列、 i 壁或移 动逶痿瓣终 王 i 监控中心 图2 - 1 无线传感器网络结构 、 | 、 0 t l ， ， 太 照测区域 无线传感器网络一般采用分层体系结构。分藤协议由物理层、数据链路层、 网络层、传输层和应用层组成，其中物理层可以采用先进的无线射频传输技术， 如正交频分复用o f d m ( o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) 、超宽 带u w b ( u l t r aw i d e b a n d ) 、多输入多输出m i m o ( m u l t i p l e i n p u t m u l t i p l e o u t p u t ) ，甚至码分多址c d m a ( c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 技术等，也可以采惩传统的红外线传输技术；数据链路层主要任务是保证物理层 9 山东大学硕士学位论文 传输的数据尽量正确，同时提高系统频谱效率；网络层的功能包括分组路由、拥 塞控制等：传输层丰要用于提供可靠的额外开销合理的数据传输服务；应用层提 供各种具体的增值业务应用，同时也提供时间同步和节点定位功能。 ! 用层 日十m 定位 各种戮l i 司步 据戍h ji 输层 l 传输协议 i 9 络层 l 路由阶议 i 略层l i 媒体镁八径利i ，理层 i 射频i i 红外线i 网 l 理 i i j 阿习 i 管理l _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ - j 服务质量 无线传感器网络管理技术 图2 - 2无线传感器网络协议体系结构 为了保证网络内大多数节点都可以与网关建立无线链路，节点的分布要相当 的密集。它们被密集地被放置在要测量环境或非常接近要测量的环境中，不用经过 工程处理，或预先定位，可以进行随机放置在人类难以到达的地形或灾难区域，目 的是减轻工作强度。传感器节点的另外一个特征是传感器节点间相互协作。传感 器节点上都安有小型处理器，传感器节点不是把大量的原始数据传送给汇总节点， 而仅仅是把需要处理的部分数据发给汇总节点。传感器节点的基本组成见图2 - 3 。 l o 山东大学硕士学位论文 图2 3 传感器节点基本组成 它包括电源、传感器、a d 转换接口，处理器单元、存储器单元、数据发送接 收的传输单元。传感器部件用于感知、获取外界的信息，并将其转换为数字信号； 处理器部件负责协调节点各部分的工作，控制传感器、执行通信协议和处理传感 数据的算法，如对感知部件获取的信息进行必要的处理、保存和控制电源的工作模 式等；通信部件负责与其他传感器或观察者的通信。个别的功能更强大的可能还 包括定位系统、运动或执行机构、电源再生装置。总之，单个传感器节点集微电子 技术，低功耗信号处理，低功耗位运算和廉价无线网络等各种性能于一身。目前为 止，已开发的无线传感器网络节点有：b e r k e l e ym o t e s 、b e r k e l e yp i c o n o d e s 、 s e n s o r i aw i n s 、m i tu a 即s 、s m a r tm e s hd u s tm o t e 、i n t e li m o t e 以及i n t e lx s c a l e n o d e s 等。 2 1 2w s n 的特点 无线传感器网络与物理世界紧密藕合，传感器节点能在无人值守的情况下感 知周围环境状况、相瓦通信，对感知数据进行处理并实时做出反应。目前常见的 无线网络包括移动通信网、无线局域网、蓝牙网络和a dh o c 网络等，作为一种新 兴的“智能”网络，无线传感器网络有其自身的独特之处。与这些网络相比，除 了具有无线网络的移动性、断接性、自组织等共同特征外，还有其他鲜明的特点 咖删： 1 传感器节点体积小、成本低 山东大学硕士学位论文 随着m e m s 技术和数字电路技术的日臻成熟，节点各模块的集成度已经很高， 因而具有体积小的优点。另外，缩小节点尺寸，也是网络大规模应用所必须要考 虑的要素之一。传感器网络由成千上万的节点组成，同样也需要节点造价低廉， 以降低网络成本。 2 传感节点数量大、分布广 传感器网络可以分布在很广的地理区域内，节点分布密集、数量巨大。根据 应用的不同，数量可以达到几百万个，甚至更多。无线传感器网络适用于不同的 行业、应用于广阔的地理区域，其用户数量也是非常可观的。 3 节点能量有限、难以补充 传感器网络通常运行在条件恶劣、人迹难至、偏僻遥远的环境中，无人值守， 大多数情况下为节点更换、补充能量几乎是不可能的；并且节点受体积的限制， 一般采用纽扣式电池供电，电源能量极其有限。所以节点经常由于能量的原因而 失效或废弃，一旦电池能量耗尽，节点也就失去作用，因此节省能量是一个很重 要的问题。在传感器网络设计过程中，任何技术和协议的使用都要以节能为前提。 4 通信能力有限、带宽很低 传感器节点的通信带宽窄且经常变化，通信覆盖范围只有几十到几百米。由 于传感器网络一般部署在条件恶劣的环境中，受高山、建筑物、障碍物等地势地 貌及风雨雷电等自然环境的影响，干扰大，传感器节点间的无线通信可能经常变 化、频繁断接，导致通信失败、中断，节点可能会长时间脱离网络。因此，如何 利用有限的通信能力高质量地完成感知任务是设计人员面临的重要挑战。 5 。计算和存储能力有限 传感器节点都具有嵌入式处理器和存储器，这些器件受体积、成本、能量和 功率的限制，计算能力比较弱、存储能力比较小。 6 以数据为中心 传感器网络是以数据为中心的网络，数据感知、管理与处理是传感器网络的 核心。观察者感兴趣的是传感器产生的数据，而不是传感器本身。以数据为中心 的特点，要求传感器网络的设计必须以数据感知、管理和处理为中心，把数据库 技术和网络技术紧密结合，实现一个以数据为中心的网络系统。 7 网络动态性强 1 2 山东大学硕士学位论文 ! i l l m li l l l l l l l l i i i i i i i i i i i 蔓曼曼曼曼鼍鼎燃麓蔓曼曼曼罡 传感器网络工作在比较恶劣的环境中，传感器节点位置融于投放方式的原因 不能预先精确设定，相百闻的位置关系也不能预先知道。网络中经常会有新节点 加入或已有节点失效，网络的拓扑结构变化很快，而且网络旦形成，就很少有 人干预，加之终界环境不确定性的影响，使整个系统呈现出高度的动态性。 8 高强壮性和容错性 无线传感器数量大、分布广，使网络的维护十分网难，甚至是不可维护的。 因此，无线传感器网络应雳设计过程中必须确保软硬件都有高强壮性和高容错缝， 必须保证应用设计是可扩展的。因此，传感器网络的硬件必须具有高强壮性和容 错性，相应的通信协议必须具有可重构和自适应性。 9 。应掰相关 传感器网络用以感知客观的物理世界，以获取相关的信息。客观世界的物理 量多种多样，不可穷尽。不同的网络应用关注的信息也不同。对传感器网络要求 各不相同，其硬件平台、软件系统和网络协议也必然会有很大的差别。传感器的 网络应用虽然存在一些熬性问题，但具体的开发过程更关心网络的差异。针对具 体的应用来研究传感器网络技术，是传感器网络设计不霜于传统网络的显簧特征。 此外，由于传感器节点分布比较密集，相邻节点的感知数据具有很强的相似 度。对于一些具体的传感器网络，工作环境非常恶劣，再加之节点分布密集，环 境噪声的干扰和节点之闻的相互干扰更强。 2 1 3w s n 的主要应用 盎于无线传感器嬲终布置筠便、无人值守、可靠性高等褥天独厚的技术优势， 因而具有广泛的应用前景，其发展和应用给人类生产生活的各个领域带来了深远 影响。随着计算成本的下降及微处理器体积越来越小，为数不少的无线传感器网 络已经开始投入使用。嚣前无线传感器网络的应用_ 聿要集中在以下领域0 。0 ： 1 军攀应用 传感器网络在军事领域的应用十分重要。因为传感器网络是由大量低成本、 随机分布豹繁点组成的，叁组织性和容错熊力使英不会因某些节点在恶意攻击孛 的损坏而导致整个系统的崩溃，非常适用于条件恶劣的战场环境。凭借传感器网 络，可以监控军队兵力、装备和物资，监视战场和冲突区域，侦察敌方地形和布 山东大学硕士学位论文 防情况，定位攻击目标，评估战争损伤，侦察和探测核、牛物和化学攻击。数据 通过汇聚节点送至指挥部，供指挥员做出决定、定下决心。与独立的卫星和地面 雷达系统相比，传感器网络具有高信噪比、强抗毁性和高容错力的特点。 美国国防部提出的c 4 i s r t 计划，该计划强调战场情报的感知能力、信息的综 合能力和信息的利用能力，其中对传感器网络给予了高度重视。由于传感器网络 是不可或缺的一部分，因此将其作为一个重要研究领域，设立了一系列的研究项 目。投资几千万美元，帮助大学进行“智能尘埃”传感器技术的研发。 2 环境监测 随着人们对环境的日益关注，环境科学所涉及的范围越来越广泛，而通过传 统方式采集环境数据是一个非常困难的工作。传感器网络为野外随机性研究数据 的获取提供了方便，并且还避免了传统数据收集方式给环境带来的侵入式破坏。 比如，跟踪候鸟和昆虫的迁移，研究环境变化对农作物的影响，监测海洋、大气 和土壤成分及森林火灾准确、及时地预报中。a l e r t 系统中就有数种传感器，用来 监测降雨量、河水水位和土壤水分，并依此预测爆发山洪的可能性。此外，它也 可用在精细农业中，监测农作物中的害虫、土壤的酸碱度和施肥状况等。 3 医疗健康 无线传感器网络在医疗研究、保健护理领域也可以大展身手。医生可以通过 病人身上特殊的传感器节点，随时了解病人病情，进行及时处理。罗彻斯特大学 的科学家使用无线传感器创建了一个智能医疗房间，来测量居住者的重要征兆( 血 压、脉搏和呼吸) 、睡觉姿势以及2 4 小时的活动状况。英特尔公司也推出了无线 传感器网络的家庭护理技术。该系统利用无线通信将各传感器联网，可高效传递 必要的信息从而方便接受护理。利用传感器网络长时间收集人的生理数据，对新 药品的研制是非常有用的。此外，在药物管理等方面，也有新颖而独特的应用。 总之，传感器网络为未来的远程医疗提供了更加方便、快捷的技术实现手段。 4 空间探索 探索外部星球一直是人类梦寐以求的理想，借助航天器布撒的传感器网络节 点，可以实现对星球表面长时间的监测，是一种经济可行的方案。n a s a 的j p l ( j e t p r o p u l s i o nl a b o r a t o r y ) 实验室研制的s e n s o rw e b s ，就是为将来的火星探测进行 技术准备的，已在佛罗里达宇航中心周围的环境监测项目中进行测试和完善。 1 4 山东大学硕士学位论文 i i i i u i i i i i ii i i , , , 皇曼曼鼍曼 5 其他应用 自组织、微型化和对外部世界的感知能力是传感器网络的三大特点，决定了 其在商业领域有广阔的应用前景。嵌入家具和家电中的传感器与执行机构组成的 无线网络与i n t e r n e t 连接在一起，将会为人 | 、】提供更加舒适、方便、人性化的智 能家居环境。在一些危险的工业环境中( 如井矿、核电j 等) ，工作人员可以通过 它来实施安全监测。也可以用在交通领域作为车辆监控的有力工具，起到车辆跟 踪与控制、智能交通控制的作用。德蘧某磅究机构正在剥用佼感器网络技术兔足 球裁判研制一套辅助系统，以减小足球比赛中越位和进球的误判率。此外在灾难 拯救、汽车防盗、交互式博物馆、物流管理、工业传感、工业自动化生产线等诸 多领域，无线传感器网络都将会孕育懑全薪设计相应焉模式。尽管无线传感器技 术目前仍处于初步应用阶段，但已经展示出了非凡的应用价值，相信随蓿相关技 术的发展剽推进，一定会得到更大的应用。 2 2w s n 的关键技术及面l 晦的挑战 2 2 1w s n 的关键技术 无线传感器网络作为当今信息领域新的研究热点，涉及多学科交叉的研究领 域，有非常多的关键技术有待发现和研究。姗剐。 王拓扑控制 拓扑控制是无线传感器网络研究的核心技术之一。对于无线自组织的传感器 网络磊言，网络拓羚控制具有特别重要的意义。好的拓扑结构，襞提高路盘按议 和m a c 协议的效率，为数据融合、时间同步和目标定位等很多方面奠定基础，有 利于节省节点的能量来延长网络的生存期。 2 网络协议 由于传感器节点的计算、存储和通信能力及能量都十分有限，其网络协议也 不能太复杂；并且由于数警很大，节点在构建路赉时只麓获数局部拓扑信息，网 络的拓扑也在动态变化，这都对网络协议提出了更高的要求。传感器网络路由必 须考虑能量有效性，以数据为中心，利用位置信息进行路由，数据融合等操作。 1 5 山东大学硕士学位论文 无线传感器网络协议，既要有效维持数据传输通路，又要减少网络中的通信量， 讲究能量效率，还要具有一定的鲁棒性。因此，在执行数据通信功能下尽可能延 长网络寿命，并通过高效的能量毹；理技术避免网络连通性因能量不足造成的恶化， 是一个关键问题，也是本文研究的课题。 3 网络安全 传感器网络处于真实的物理世界，缺乏专门的服务与维护，因此传感器网络 的安全受到严峻的挑战。无线传感器网络作为任务型的网络，不仅要进行数据的 采集，而且要进行数据的传输和融合、任务协同等。由于采用的是无线传输信道， 传感器网络可能会遇到窃听、消息修改、消息注入、路由欺骗、拒绝服务、恶意 代码等安全威胁。尤其在无线传感器网络的某些应用中( 如战场监测、安全防卫 等) ，安全问题更是显得尤为重要。如何保证任务执行的机密性、数据产生的可靠 性、数据融合的高效性、数据传输的安全性，就成为无线传感器网络安全需要全 面考虑的内容。目前传感器网络安全的研究仅处于起步阶段，需依据传感器网络 的特点，针对其安全威胁，研究新型的安全协议和安全策略。 4 时间同步 很多具体的网络应用都要求各节点能相瓦协同配合，因此时间同步是无线传 感器网络设计的一个关键问题。在无线传感器网络中，每个节点都有自己的本地 时钟。由于不同节点的晶体振荡器频率存在偏差，以及温度变化和电磁波干扰等， 即使在某个时刻所有节点时钟都同步了，随着时间变化也会逐渐出现偏差。传感 器网络本质上是一个分布式协同工作的网络系统，受能量、价格和体积等方面的 约束，传统的网络时间协议等现有的时间同步机制已不适用于传感器网络，需要 修改或设计新的时间同步机制来满足传感器网络的要求。 5 定位技术 位置信息是传感器节点采集数据中不可缺少的部分，确定事件发生的位置或 采集数据的节点位置，是无线传感器网络最基本的功能。为了提供有效的位置信 1 6 山东大学硕士学位论文 篡皇曼曼! 蔓曼曼曼璺燃燃i i h l l l l l l i l l j l ll, 一 !l , 曼曼曼皇 患，传感器节点必须能在布置后确定盘身位置。通过节点定位，w s n 可以智能地选 择一些特定的节点来完成任务，这可以大大降低系统能耗，提高网络的工作寿命。 由于健感器节点存在资源有限、随机部署、通信易受环境干扰甚至实效等特点， 定位机制崧须满足自组织、健壮性、鸵量高效、分布式计算等要求。受体积、成 本和功耗等方面的限制，不能为每个节点安装g p s ，这对定位算法和定位技术都提 出了较高的要求。 6 数据融合 无线传感器网络中，由于节点分布密集，采集到的数据有很大冗余。这虽然 保证了网络在个别节点或通信链路失效的情况下，不至引起分割或监测数据的不 完整；但如果把这些数据都传输给用户，会产生巨大的通信量，消耗过多的能量。 数据融合，裁是对节点获取的大量随机、不确定、不完整翡含有噪声( 甚至是错 误) 的数据，进行滤波等处理，得到可靠、精确、完整数据信息的过程。数据融 合，降低了数据冗余、提高了带宽效率和能量效率。到目兹为止，人们已经提出 了不少数据融合的方法，其中波束生成( b e a mf o r m i n g ) 算法怒应用较多的一种方 法；但是这种算法计算量比较集中，执行该任务节点的能量消耗非常大，这对于 辘量有限的传感器节点是菲常不利鲍，迫切需要新的数据惑含技术。 7 操作系统 传感器节点是一个微型的嵌入式系统，携带的硬件资源非常有限。传统的操 作系统w i n d o w s 和u n i x 不能满足其需要。人们需要开发新的操作系统：既要能满 足传感器网络的特殊需要，对各种特定应用提供最大支持，又要能高效地利用其 有限的内存、处理器魏通信模块。在这样的操俸系统支持下，多个应霜可以并发 地使用系统的有限资源。操作系统如何自动配置、如何自适应地支持无线传感器 网络的需要，这依l b 是一个有待研究的闻题。 8 m a c 协议 在无线传感器网络中，会有多个节点同时接入信道，导致分组发送时的冲突， 1 7 山东大学硕士学位论文 使接收节点无法正确接收数据，浪费信道资源，降低吞吐量。传统的m a c 协议要 么没有考虑能源有效性，要么需要全局协调，因此需要根据传感器网络的特点设 计简单高效的m a c 协议，以实现两个主要目标：为数据传输建立通信链路，使节 点公平有效地共享通信信道。m a c 协议的设计，要着重考虑：节省能量、可扩展性 和网络效率( 包括公平性、实时性、吞吐量和带宽利用率) ，使网络中的节点更加 有效、有序和公平地使用有限的信道资源，其中节能是要首要考虑的因素。 9 跨层设计 当前很多无线传感器网络协议是基于传统的分层结构设计的，这种分层结构 实际上是一种局部的最优方案。由于无线传感器网络的资源( 如能量、带宽和节 点等) 是十分有限的，这种分层的次优结构很难适应无线传感器网络的发展需要。 跨层设计，通过层与层之间的信息交换来满足全局性的需要，是一个全局性的优 化问题，有望使整个网络性能得到很好的提高。但层与层之间的联合优化将会带 来高复杂度的算法，这对传感器节点的运算能力又是一个极大的挑战。 1 0 其他 很多情况下，传感器节点被随意放置在野外环境中，通信天线几乎没有高度， 因此低天线情况下无线电波传播模型的研究也是一个重要课题。传感器软硬件技 术的研究，主要包括新型传感器材料和m e m s 技术的研究、恶劣环境下可操作的传 感器技术的研究等。不同的应用目的对自组织无线传感器网络提出了不同的要求， 将影响到网络拓扑、路由算法、组网算法等方面。 2 2 2w s n 面临的挑战 无线传感器网络不同于传统的数据网络，使其在具有某些优势的同时，也存 在很多需要解决的问题。无论对现代研究者来说，还是对无线传感器网络在实际 中的应用来说，都具有很大的挑战。主要体现在以下5 个方面o ： 1 低能耗 传感器节点通常由电池供电，电池容量一般很小。在无人值守的环境中，人 们通常无法为节点充电或更换电池。一旦电池用完，节点就失去了作用。这要求 山东大学硕士学位论文 i i ! 1 1 1 1 i i i i i i i i i i i i i ,i b ! ! u l ! l l ! ! l i i , , 1 1 1 1 冀皇皇曼曼曼曼 在无线传感器网络运行过程中，每个节点都要使自身能耗最小化，以获得更长的 工作寿命。无线传感器阏络中各项技术和协议的使用，一般都以节能为前提。 2 实时性 无线传感器网络应用大多有实时性的要求。铡如，誉标在进入监测区域詹， 网络要在很短的时间内对这一事件做出反应。反应时间越短，说明系统的性能越 好。此类应用都对无线传感器网络的实时性设计提出了很大的挑战。 3 低成本 传感器网络的节点数量众多，单个节点的价格会极大地影响系统的成本。为 了降低单个节点成本，需要设计对计算、通信和存储能力均要求较低的简单网络 和通信协议。此外，通过减少系统管理与维护的开销来降低系统的成本，这也需 要无线传感器网络系统具有自配置和自修复的能力。 4 安全 无线传感器网络有严格的资源限制，需要低开销的通信协议，同时也会带来 严重的安全问题。如何使用较少的能量完成数据加密、身份认证、入侵检测及在 破坏或受予扰的情况下可靠地完成锓务，是无线传感器网络研究与设计藤峻的一 个重要挑战。 5 协作 单个的传感器节点往往不能完成对鹜标的测量、跟踪和谈别，往往需要多个 节点通过一定算法来交换信息，对数据进行加工、汇总和过滤，最终以事件的形 式通知用户。数据的传递协作，涉及网络协议的设计和能量的消耗，也是目前的 研究热点之。 2 3w s n 主要通信协议 自组织无线传感器网络通信协议圭要包括物理层、数据链路层、网络层翻传 输层，无线传感器网络自身的特点决定了它不能使用目前已经存在的一些标准协 议，所以国外的研究工作者为无线传感器网络的各个层次都提如了一些解决方案， 但是总的来说，到目蘸轰止并没有形成被广泛认可的标准。本小节主要分绍物理 层协议、数据链路层的媒体访问协议以及部分路由协议。 1 9 由东大学碾掌披论文 , i , , , , i ! l , i i i i i ii ii i i , , i i i i i i i 蔓曼曼皇舅舅舅舞鼎嬲皇曼 2 3 1 物理层 物理层负责载波频家产譬、信号的调铡怨调等工作。节点的设计丰要有蹲种 方法，一种是利用市场上可以获得的商业元器件构件传感器节点，如围绕t i n y o s 项目所设计的系列硬件平台；另一种方法是采用m e m s 和集成电路技术，设计包含 微处理器、遁信电路、传感器等模块麴高度集成化传感器节点。无线传感器阏络 的载波媒体可能的选择包括红外线、激光和无线电波。为了提高网络的环境适应 性，所选择的传输媒体应该是在多数地区内都可以使用的。由于w s n 随机分布使用， 红外线等方式受限，所以多数传感器节点的硬件设计多摹予射频电路。由于使用 9 0 2 m h z 、2 4 g h z 及5 8 g h z 的i s m 频段在很多国家都不需要向无线电筲理部门申 请，所以很多系统采用i s m 频段作为载波频率。 2 3 2 数据链路层 数据链路层负责媒体访闯和错误控制。媒体访闯执议( m a c 协议) 保证可靠的 点对点帮点对多点通信，错误控制则保证源节点发滋的信息可以完整、无误地到 达目标节点。 在传感区域内，成千上万的节点随机分布，m a c 协议要在节点之间建立链路， 保证所有的繁点可以公平、有效的利麓有限的带宽。传统的无线瞒络内，主要的 评价指标有吞吐量、带宽利用率、公平性和延时等，但是对于w s n 来说，电源效率 是第一位的，有时甚至不惜牺牲其他方垂，来获得更高的电源效率。m a c 狲议是 个非常活跃的研究领域，研究者已经提出了很多的建议方案，这些协议可以大 致划分为以随机竞争为基础和基于预约的媒体访问控制协议。 王。以竞争为基础的燃协议 i e e e8 0 2 1 1 的m a c 协议就是以竞争为基础的协议，它可以简单可靠地处理 多跳网络中的隐藏节点问题，因此被广泛应用于a dh o e 网络中。但是该协议要求 射频接收部分一直处于谈听状态，消耗了大量的麓量，不适合无线传感器网络。 为了避免射频接收部分对无线信道的持续侦听，文献验1 在传感器节点通信射频之 外，使用了一个低功率唤醒射频。节点之间的通信采用载波侦听多路访问冲突 避免技术( c s m a c a ) ，遥信完毕，逶信射频进入睡眠状态( 关闭通信射频的电源) 。 如果一个节点希望与邻居通信，它首先使用唤醒射频通知目标节点，虽然所有的 山东大学硕士学位论文 邻居都接收到这个信息，但是只有被呼瑟q 的目标节点打开通信射频准备通信。这 个协议可以避免通信射频接收部分对无线信道