（控制科学与工程专业论文）无线网络控制系统中的延时分析及算法设计.pdf

浙江大学博士学位论文 摘要 利用无线通讯网络实现地域上分布的、可移动的现场传感器、控制器及执行 器之间的信息相互交换。以达到被控对象的实时反馈控制，这样一类被称为“无 线网络控制系统”的新型控制系统近年来得到了广泛的关注。与传统的点对点控 制系统或有线网络控制系统相比，基于控制技术、网络技术、射频通讯技术和计 算机技术实现的无线网络控制系统具有可实现资源共享、高的诊断能力、高度移 动性、减少系统布线、增加系统的柔性和鲁棒性、安装维护方便等诸多优点，可 在众多领域应用，成为控制领域的研究热点之一。然而，无线网络中的随机延时、 丢包、低通讯带宽、通讯约束等闯题也使无线网络控制系统的分析和设计变得异 常复杂。 本文针对一类在无线传感器网络基础上实现的无线网络控制系统，结合现代 控制理论和射频通讯理论，通过实验和仿真对这类无线网络控制系统进行了研 究，着眼于提高闭环控制系统的稳定性、减少网络延时对闭环控制系统性能的影 响，从控制和网络两个角度提出了新的延时补偿算法。 本文的主要工作如下： 1 设计了一种基于i e e e8 0 2 1 5 4 z i g b e c 通讯协议的、可用于无线网络控 制系统和无线传感器网络研究的实验平台。该实验平台有助于理解无线 网络控制系统，为本文的后续研究提供理论验证手段，同时，也给网络 控制算法、实时调度算法、路由协议算法等理论研究者提供一种实际的 算法验证平台。 2 分析了利用i e e e8 0 2 1 5 4 z i g b e e 通讯协议所实现无线网络控制系统中 延时的组成，在此基础上，以实验手段探讨了不同网络因素对网络控制 系统延时的影响。研究结果表明，为了减少网络延时，需要综合分析考 虑采样周期、传输路由、信道条件、信号质量等因素。 3 提出了种基于t a k a g i s u g e n o 模糊模型的简化模糊控制算法，并将其 应用在基于无线传感器网络实现的直流无刷电机控制系统实验平台上， 分析了网络的存在对控制系统的影响。在此基础上，对所提出的简化模 糊控制算法进行了改进，改进后的控制算法可有效补偿随机网络延时对 浙江大学博士学位论文 控制系统的影响。 4 针对一类具有随机网络延时的无线网络控制系统，通过将网络延时作为 模糊规则的前件变量。提出了一种新的基于t a k a g i - s u g e n o 模糊模型的 网络控制系统建模方法：在此基础上，通过分析实时输入与模糊模型之 间的映射关系，对模糊模型进行了简化；利用l y a p u n o v 稳定性分析理 论和线性矩阵不等式等工具推导了闭环网络控制系统的可镇定条件，进 而设计了相应的模糊状态反馈控制器。 5 考虑一类基于无线网络实现闭环的控制系统，分析了无线传感器网络中 采用的多跳射频通讯方式对系统延时的影响；针对这种具有可变延时的 闭环网络控制系统，提出了一种基于客户机一服务器模型的l q r 输出 反馈控制策略，并利用文献结论和线性矩阵不等式等工具，将闭环系统 转换为一个切换控制系统，推导了系统的稳定性条件，在此基础上，给 出了控制器的参数优化办法。 6 。针对基于无线传感网络实现的无线网络控制系统，从网络通讯的角度分 析了网络延时的组成，在此基础上。提出了一种实现最小网络延时的路 由算法，对路由算法的设计和实现进行了详细叙述。 最后，对全文进行了概括性总结，提出了理论和应用上有待进一步深入研究 的问题。 关键词：无线网络控制系统；无线传感器网络；网络延时；网络协议栈； t a k a g i s u g e n o 模糊模型；线性矩阵不等式；路由协议；原型实验平台 浙江大学博士学位论文 a b s t r a c t ag r e a td e a lo fa t t e n t i o nh a sr e c e n t l yb e e nf o c u s e do nac l a s so fw i r e l e s s n e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m s ( w i n e s ) w h o r et h ec o n t r o ll o o p sa l ec l o s e dt h r o u g h w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k s n i sf a m i l yo fs y s t e m si s 如i n t e g r a t i o no f p l a n t s s e n s o r s ，c o n t r o l l e r s ，a g 吐u a t o r sa n dw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k so fc e r t a i nl o c a l f i e l d i ta i m st oe n s u r ed a t at r a n s m i s s i o na n dc o o r d i n a t i o nm a n i p u l a t i o na m o n g s p a t i a l l yd i s t r i b u t e da n dm o b i l ec o m p o n e n t s c o m p a r e d w i t hc o n v e n t i o n a l p o i n t - t o - p o i n tc o n t r o ls y s t e m sa n dw i r e dn e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m s ，t h ea d v a n t a g e s o fw i n c sb a s e do i lt h ec o n t r 0 1 n 出v o r k , r a d i of r e q u e n c yc o m m u n i c a t i o na n d c o m p u t e rt e c h n o l o g yb l - et h ee l i m i n a t i o no f w i r i n g , l o w e ri n s t a l lc o s t , g r e a t e rm o b i l i t y 勰w e l l 硒g r e a t e ra g i l i t ya n dr o b n s t n e s si nd i a g n o s i sa n dm a i n t e n a n c e b e c a u s eo f t h e s ed i s t i n c t i v eb e n e f i t s , t h e s ew i n c sa r eu e s di nv a r i o u sf i e l d s , s u c ha sa u t o m o t i v e , m o b i l er o b o t i c s ，a d v a n c e da i r c r a f t , m e c h a n i c a la n dp r o c e s sc o n t r o l ，a n d o n 伯e w i n c sb e c o m e sah o t s p o ti nt h ec o n t r o lf i e l d h o w e v e r , t h ei n t r o d u c t i o no fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k si nt h ec o n t r o l l o o p sm a k e st h ea n a l y s i sa n dd e s i g no fw i n c sc o m p l e x t h er e q u i r e m e n t so fs t a b l e f e e d b a c kc o n t r o l 、“t l lw i r e l e s sn e t w o r ka r en o t y e ts a t i s f i e dd u ot o r a n d o m n e t w o r k - i n d u c e dd e l a y s ，h i g h e rb i t - e r r o r , j i t t e r , p a c k e tl o s s e s 鹄w e l la sl i m i t e d c o m m u n i c a t i o nb a n d w i d t h i n t h i sd i s s e r t a t i o n ，t h ew i n c si nt h ef l a m eo fm o d e r nc o n t r o lt h e o r ya n dr a d i o f r e q u e n c yc o m m u n i c a t i o nt h e o r ya r es t u d i e dt h r o u 醣e x p e r i m e n t a lm e t h o d sf o ra c l a s so fw i n c sb u i l ta r o u n dw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k sf w s n ) w i ma na i mt o i m p r o v et h es t a b i l i t yo fc l o s e d l o o pw i n c sa n dd e c r e a s e t h ei m p a c to ft h e n e t w o r k i n d u c e dd e l a yo nc l o s e d - l o o pw i n c s ，t h en o v e la l g o r i t h m sc o m p e n s a t e dt h e n e t w o r k - i n d u c e dd e l a ya r ep r e s e n t e df r o mt h ev i e w p o i n to fc o n t r o la n dw i r e l e s s n e t w o r k s n 坨m a i nr e s e a r c hw o r k sa r e 部f o l l o w s ： 1 b a s e do nt h ei e e e8 0 2 1 5 4 z i g b p r o t o c o l ss t a c k , an o v e lp r o t o t y p e i 浙江大学博士学位论文 t e s t b e di sd e s i g n e da n du s e dt os t u d yt h ew i n c sa n dw s n t h et e s t h e dc a n h e l pt od e v e l o pat h o r o u g hu n d e r s t a n d i n go fw i n c sa n dt ov e i l f yt h e v a l i d i t yo ft h er e s e a r c hr e s u l t si nt h i sd i s s e r t a t i o n , a l s os e r v e $ a sav e r y u s e f u lt o o lf o rt h e o r e t i c a lr e s e a r c h e r so nn e t w o r k e dc o n t r o l ，r e a l t i m e s c h e d u l i n ga n dr o u t i n ga l g o r i t h r a 2 f o rt h ew i n c sb a s e do nt h ei e e e8 0 2 1 5 4 z i g h e ec o m m u n i c a t i o n p r o t o c o l ss t a c k , t h ed i f f e r e n tt i m ed e l a yc o m p o n e n t so ft h et o t a lr o u n d t r i p t i m ed e l a yi nt h i sw i n c sr i mi d e n t i f i e d t h ee x p e r i m e n t a ls t u d i e so na w i n c sp r o t o t y p et e s t h e da r cu s e dt oa n a l y z et h ei m p a c to ft h ev a r i o u s f a c t o r so nt h et o t a lr o u n d t r i pt i m ed e l a y t h er e s u l t si n d i c a t et h en e e df o r c o m p r o m i s eb e t w e e nt h es e l e c t e ds a m p l i n gp e r i o d , r o u t i n g , c o n d i t i o no f t h ec h a n n e l ，q u a l i t yo ft h er a d i of r e q u e n c ys i g n a la n dt h en e t w o r k s t h r o u g h p u t 3 t h en o v e l s i m p l i f i e df u z z y c o n t r o l a l g o r i t h m i s p r o p o s e db a s e dt h e t a k a g i s u g e n of u z z ym o d e la n da p p l i e di nn e t w o r k e db r u s h l e s s d i r e c t c u r r e n tm o t o rc o n t r o ls y s t e mb u i l to nt h ew s n t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sa u s e dt oa n a l y z et h ei m p a c to ft h ew i r e l e s sn e t w o r k so nc l o s e d l o o pc o n t r o l s y s t e m b a s e do i lt h ea n a l y s i sr e s u l t s ，t h es i m p l i f i e df u z z yc o n t r o la l g o r i t h m a r ei m p r o v e di no r d e rt oc o m p e n s a t et h er a n d o mn e t w o r k i n d u c ed e l a y 4 ，f o rac l a s so fw i n c sw i t hr a n d o mn e t w o r k i n d u c ed e l a y , t h en e wf u z z y m o d e la r ep r e s e n t e db a s e dt h et a k a g i s u g e n of u z z ym o d e l ，i nw h i c ht h e r a n d o mn e t w o r k i n d u c ed e l a ya c t e d 盐t h ep r e m i s ev a r i a b l e b a s e do nt h e f u z z ym o d e l ，i ts i m p l i f i e st h ef u z z ym o d e lt h r o u g hs e a r c h i n gt h ed o m i n a n t f u z z ys u b - s y s t e mr e l a t e dt ot h er e a l t i m ei n p u tv a r i a b l e s ，t h e nt h es t a b i l i z i n g p r o b l e mi ss t u d i e df o rac l a s so fw i n c sb a s e dt h ea b o v em o d e ls i m p l i f i e d a r g o r i t h m ，t h ec o n d i t i o n so fs t a b i l i z i n gc l o s e d s y s t e ma l ed e r i v e da n dt h e s t a b i l i z i n gf a l z z ys t a t ef e e d b a c kc o n t r o l l e ri sd e s i g n e dt h r o u g hl y a p u n o v s t a b i l i t ya n a l y s i st h e o r ya n d l i n e a rm a t r i xi n e q u a l i t yr e s p e c t i v e l y 5 f o rac l a s so fw i n c sb a s e do i lt h em u l t i - h o p p i n gr a d i of r e q u e n c y c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , t h en u m b e ro f h o p sn e c e s s a r yf o rd a t ap a c k e t st o 浙江大学博士学位论文 r e a c ht h e i rd e s t i n a t i o n si sv a r i a b l ea n da f f e c t st h en e t w o r k - i n d u c e dd e l a y t o d e a lw i t l lt h e s cv a r i a b l et i m ed e l a y , a l ll q r o u t p u tf e e d b a c kc o n t r o ls c h e r n e i si n t r o d u c e db a s e do nt h ec l i e n t s e r v e l a l c l l i t e c t u r e b e c a l l s eo ft h e c o n t r o l l e rp a r a m e t e r sa d j u s t e da c c o r d i n gt ot h en u m b e ro ft h eh o p s ，t h e d o s e d - l o o pw i n c s c a nb ec o n v e r t e di n t ot h es w i t c h e dc o n t r o ls y s t e m , t h e n t h ec o n d i t i o n so fs t a b i l i z i n gd o s e d - s y s t e ma l ed e r i v e da n dt h ep a r a m e t e r o p t i m a lp r o c e d u r eo ft h ec o n t r o l l e ri si n t r o d u c e dt h r o u g hl y a p u n o vs t a b i l i t y a n a l y s i st h e o r y , l i n e a rm a t r i xi n e q u a l i t ya n dt h er e s u l to fl i t e r a t u r e s r e s p e c t i v e l y 6 f r o mt h ev i e w p o i n to ft h ew i r e l e s s n e t w o r k s ，t h e $ 0 1 1 r c 髓o f n e t w o r k - i n d u c e dd e l a ya mi d e n t i f i e df o rac l a s so f w i n c sb u i l to nt h ew s n b e c a u s et h er o u t i n gs e v e r e l ya f f e c tt h et o t a lr o u n d t r i pt i m ed e l a yi nt h i s w i n c s ，an o v e lr o u t i n ga l g o r i t h mt h a tc a l lm i n i m i z et h et o t a lr o u n d - t r i p t i m ed e l a yi sp r o p o s e d , t h ed e t a i l e di m p l e m e n t a t i o no ft h ea l g o r i t h mi s i n t r o d u c e d f i n a l l y , w es u m m a r i z e dt h ed i s s e r t a t i o na n ds u g g e s t e ds o m eo p e np r o b l e m si n t h e o r ya n da p p l i c a t i o n k e y w o r d s ：w i r e l e s s n e t w o r k e dc o n t r o l s y s t e m s ；w i r e l e s s s e f l s o r n e t w o r k ； n e t w o r k i n d u c e dd e l a y ；n e t w o r kp r o t o c o l ss t a c k ；t a k a g i s u g e n of u z z ym o d e l ；l i n e a r m a t r i xi n e q u a l i t y ；, r o u t i n gp r o t o c o l s ；p r o t o t y p et e s t h e d v 浙江大学博士学位论文 致谢 值此论文完成之际，首先要向我的恩师王树青教授表示崇高的敬意和 深深的感谢，感谢恩师在学习上、生活上给予我的无私帮助和悉心关怀 王树青教授作为我的博士研究生导师，他严谨求实的工作作风、渊 博扎实的专业知识、诲人不倦的敬业精神、乐观而积极的生活态度、无 私奉献的人生哲学、平易近人的长者风范都令我受益非浅。在我博士研 究生期间的每一个工作环节，他无论工作多忙，都会认真地给我具体指 导，实验室、办公室的每次谈话，演讲厅里的每次报告，工作失误时的 每次批评，这些让我永远难忘；在生活中，过年过节时候的饺子、春游 时候的爬山、节日里的喝茶和打牌等与恩师共同参与的活动，在我遇到 人生挫折时候恩师对我的包容、谅解和鼓励，都让我觉得能够遇到导师 这样的良师益友，真是我此生莫大的幸运。在此，再一次向导师表示我 最深挚的谢意，这份情感我将铭刻于心，伴我一生。 非常幸运能遇到张建明副教授这样一位老大哥似的良师益友。本文 的工作能得以顺利进行，离不开他具体而细致的指导和建议，在此向他 表示诚挚谢意。 同时，也非常感谢研究所的褚健教授、荣冈教授、苏宏业教授、王 宁研究员、金晓明副教授、张泉灵副教授、来国妹老师以及信息学院的 赵颂平老师、王锐老师等人在学习和生活上给予我的关心和帮助。 在我的学习过程中，师兄张智焕、王林，同学郭明、刘峙飞、黄海、 朱炜、刘天泉、何宁、王达、李奇安、郭敏强、谢磊等人对我的学业、 生活有过很多的帮助和启发，在此表示诚挚的感谢。 最后。需要特别感谢我的父母及家人，他们在精神和物质上给予我 无尽的关怀和无言的支持，是我永远的精神支柱，谨将这篇文章献给他 们，以回报他们为我做的一切。 v i i 韩安太 二零零七年四月于浙大求是园 浙江大学博士学位论文 第一章绪论 摘要：作为无线网络控制系统的一种实现方式，基于无线传感器网络实现 的无线网络控制系统是以网络控制系统和无线传感器网络为支撑的交叉研究 课题，已成为控制界的热点研究之一本章首先对无线传感器网络、网络控 制系统两个领域的发展历程、体系结构、研究现状、存在问题等分别进行了 综述；在此基础上，对无线网络控制系统，特别是基于无线传感器网络实现 的无线网络控制系统的研究现状和结果进行分析，指出了该领域一些急需解 决的问题；最后，给出了本文的研究思路和研究结论。 关键词：无线传感器网络，嵌入式系统，z i g b e c 协议，网络控制系统，无线 网络控制系统，工业应用 1 1 无线传感器网络 1 1 1 引言 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 s ，简称为w s n ) 1 - 4 是当前备受 关注的、涉及多学科高度交叉、知识高度集成的前沿热点研究领域。它综合了传 感器技术、嵌入式计算技术、无线通讯技术、网络技术、电子技术、自动控制技 术和分布式信息处理技术等领域的技术成果，能够通过各类集成化的微型传感器 协作地实时监测、感知和采集各种环境或监测对象的信息，这些信息通过无线方 式被发送，并以自组多跳的网络方式传送到用户终端，从而实现物理世界、计算 世界以及人类社会三元世界的连通。 无线传感器网络具有十分广阔的应用前景1 5 - 6 1 ，在军事国防、工农业、城市 管理、生物医疗、环境监测、抢险救灾、防恐反恐、危险区域远程控制等许多重 要领域都有潜在的实用价值，已经引起了许多国家学术界和工业界的高度重视， 被认为是继i n t e m e t 以后，对2 1 世纪人类生活方式产生巨大影响力的技术之一， 2 0 0 3 年的m 1 1 r 技术评论也将无线传感器网络称为是改变世界的十大高新技术之 一，2 0 0 3 年的美国商业周刊在其“未来技术专版”中指出：无线传感器网络是 l 无线网络控制系统中的延时分析及算法设计 未来的四大高新技术产业之一，将形成一个新的产业链条。 在无线传感器网络的研究初期，人们一度认为成熟的无线网络技术( 如：基 于i e e e8 0 2 1 l x 协议的无线局域网和蜂窝移动电话网络等) 对传感器网络的设计 是足够充分的，但深入的研究表明【7 l ：传感器网络有着与传统无线网络明显不同 的技术要求和设计目标；传统无线网络以传输数据为目的，其设计目标是在高度 移动的环境中通过优化路由和资源管理策略，从而最大化网络带宽的利用率，同 时为用户提供一定的服务质量保证；而无线传感器网络以数据为中心，对于多数 应用而言，除了少数节点需要移动以外，大部分节点都是静止不动的，同时，这 些节点通常运行在人无法接近的恶劣、甚至危险的远程环境中，传感器能源有限， 因此，设计有效的能源利用策略来延长网络的生命周期就成为无线传感器网络的 核心目标。 由于这些差异的存在，使得一些为自组织的无线网络设计的协议和算法未必 适合传感器网络的特点和应用要求，或者至少需要修改后才可以使用。例如：为 了适应广泛的应用程序，传统网络的设计遵循着“端到端”的边缘论思想【8 】，强 调将一切与功能相关的处理都放在网络的端系统上，中间节点仅仅负责数据分组 的转发，对于传感器网络，节点标识( 如地址等) 的作用在传感器网络中就显得 不是十分重要，因为应用程序不怎么关心单节点上的信息。 同时，无线传感器网络也有其自身的特殊性，例如：由于构成传感器网络的 节点资源有限，特别是能源有限，怎样长期、稳定实现与具体应用相关的数据处 理、融合和缓存就显得非常重要，因此，需要某种以能耗最小或时问最短为目标 的优化算法；在密集性的传感器网络中，相邻节点间的距离非常短，信息的发送 和接收一般采用节点协作的方式来实现，这种办法有效拓展了网络的信号传输范 围，但是，也增加了信息的传输延时；传感器网络中多采用低功耗多跳通信模式， 这种通讯模式可降低功耗，但是，相对于计算来说，其功耗仍然是比较大的，因 此，减少传感器网络中的通讯量可有效延长网络的生命周期，这就涉及到信息的 传输路径规划、路由算法设计等方面的问题；对于那些采用飞机或其它手段大量 散布的传感器节点，当它周围发生某种受关注的事件时，该节点需要将事件的信 息和事件的位置报告给监控中心，而怎样确定节点自身的位置就涉及到传感器网 络中的节点定位问题等。这些特殊性的存在，为传感器网络的研究和应用提出了 浙江大学博士学位论文 新的技术挑战，而来源于工程实践的需求，也迫切需要研究人员提供解决这些问 题的办法。 基于上述考虑，本节对无线传感器网络的体系结构、应用现状、主要研究领 域、存在的问题等方面进行介绍，目的是希望能够对无线传感器网络有一个全面 认识，为后续的研究打下基础。 1 1 2 无线传感器网络的体系结构 两种典型的无线传感器网络结构如图1 1 1 、1 1 2 所示主要包括分布式传 感器节点、接收发送器、数据中心、互联网和用户界面等。 图1 1 1 典型的无线传感器网络体系结构( 1 ) 图1 1 2 典型的无线传感器网络体系缮构( 2 ) 3 无线网络控制系统中的延时分析及算法设计 其中，传感器网络节点( 简称为节点、网络节点或传感器节点) 是构成无线 传感器网络的基础和核心，节点的典型硬件结构如图1 1 3 所示，图1 1 4 给出其 软件组成。 传瘟器节点硬件 图1 1 3 典型的无线传感器网络节点硬件结构 图1 1 4 典型的无线传感器网络节点软件结构 4 浙江大学博士学位论文 可以看到，一个典型的无线传感器网络节点主要由传感器、运行通讯协议栈 的嵌入式c p u 、无线通讯收发器、电源等部件组成；此外，还可以选择的其他 功能部件包括：定位装置、移动装置、执行器、电源自供电装置等。节点的功能 配置随具体应用的不同而各异，但是，对所有节点来说，共有的特点是节点的资 源是有限的。 在传感器网络中，节点可以通过飞机布撒或人工布置等方式，大量部署在被 感知对象内部或者附近，这些节点通过自组织方式构成多跳无线网络，在这个网 络中，每个节点不仅是数据源和分布式数据处理点，同时，也是网络路由器和中 继器；它们以协作的方式实时感知、采集和处理网络覆盖区域中的信息，并通过 多跳通讯网络将数据经由接收发送器链路将整个区域内的信息传送到远程控制 管理中心；反之，远程管理中心也可以对网络节点进行实时控制和操纵。 在同一个传感器网络中，每个节点的功能也可能不同；例如：节点可以配置 不同功能的传感器，从而实现不同信号的检测；一些节点可以配置功能强大的处 理器和更多的存储资源，从而实现复杂的计算；一些节点配置多种网络连接器， 运行多种网络协议软件，作为无线传感器网络与其它网络直接的网关，从而实现 异构网络的互联；一些节点配置执行部件，实现对外部环境的调节和控制。 对于节点来说，其有限的资源导致了它相对小的工作范围和工作能力，只能 监测到现实世界中某个物理对象的部分状态或部分信息，然而，将大量相关节点 所监测到的信息进行融合，则能够得到被监测物理对象的整体状态信息。例如： 在没有速度传感器的情况下，只要每个传感器节点可以检测到运动物体的存在及 运动物体与节点之间的距离，可以使用传感器网络来估计某个移动物体的运动速 度和运动轨迹。从这里能够看到，虽然单个节点功能有限，整个无线传感器网络 的能力是相当强大的，同时，网络动态也是相当复杂的。 传感器网络的输出可用于不同的目的，多数情况下，传感器网络的输出直接 送给远程控制管理中心，供其做进一步的分析和评估；该输出也可用于控制传感 器网络的行为，例如：通过使能、禁止某些传感器节点、通过改变节点的操作参 数( 如采样周期、位置、方向、灵敏度等) 等手段都可以改变传感器网络的行为； 另外，如果一些节点配置有某种形式的执行器，则传感器网络的输出还可作为反 馈信号来触发这些执行器的动作，在这种情况下，事实上构建了一个以无线传感 5 无线网络控制系统中的延时分析及算法设计 器网络为基础的闭环网络控制系统。 1 1 3 无线传感器网络的应用现状 作为一种受应用驱动的技术，无线传感器网络的发展与具体工程应用密切相 关。到目前为止，无线传感器网络已经在物种监控、环境监测、精细农业、生产 和物流、减灾救灾、智能建筑、交通运输、军事和国土安全、生物医疗等方面得 到了广泛应用。 在物种监控方面，无线传感器网络主要用来收集动物在它们的栖息地的活 动情况，从而得出一些对物种研究有意义的结论1 9 】；在该应用领域中，有代表性 的应用是文献【m 1 描述的“美国缅因洲大鸭岛海燕繁殖行为监测”；同时，在肯尼 亚的m p a l a 研究中心，也使用无线传感器网络来对一个大面积野生动物栖息地中 的动物活动情况进行监测】：另外，无线传感器网络也用于鲨鱼的水下行为监测 【2 1 、海豹的社会活动监测【13 】和c e n s 的水下微生物监测。 在环境监测方面，挪威科学家们使用无线传感器网络来观测冰川的移动【1 5 1 ： 而在英格兰的海滨地区，则应用无线传感器网络来观测风力发电及农业开发对周 围环境的影响【1 6 1 ；欧盟的s e w i n g 工袒7 1 使用传感器网络监测水质，c e n s t l g 】 使用传感器网络来监测水质以及地下水中污染物的含量和污染物的蔓延情况：此 外，活火山监测【嘲、地震活动和建筑物反应监测、大风对金门桥的影响【2 ”、 外星球生命监测【2 2 1 、气候和地质灾害监测【2 3 。2 4 1 等工程中，也都使用了无线传感器 网络。 在农业方面，美国俄勒冈洲的农业学家使用无线传感器网络来监测葡萄的生 长过程【2 5 l ；此外，在牲畜放牧中，无线传感器网络可用来实现虚拟围栏【2 6 1 ， h o g t h r o b 项目f 2 习使用无线传感器网络来监测猪群的活动，目的是了解疾病对猪 群活动的影响；p l a n t c a r e 工程【2 8 】使用无线传感器网络来测量种植区内土壤的含 水量，从而控制灌溉装置的运行。 在生产和物流方面，新鲜食品安全监溯系统【2 9 1 就是一个异构无线传感器网 络，它用来监测新鲜食品生产、运输、存储、销售过程中温度的变化情况；另外， 在生产工具生命周期管理和监测【划、i n t d 公司的半导体装配生产线制冷设备的 故障检测 3 n 、b p 公司的油并和输油管线完整性检测等项目中，也使用了无线传 6 浙江大学博士学位论文 感器网络 在减灾救灾行动中，无线传感器网络可帮助救援小组了解灾情、找到受害者。 在文献【3 2 】中，介绍了无线传感器网络在雪山雪崩事故救援中的应用；在森林火灾 中，无线传感器网络也用于消防队员的自身安全监测【3 3 】，同时，提供风速、风向、 火势等信息以便制订合适的灭火计划。 在现代建筑中包含了大量的有线传感器和执行器来实现不同的功能，例如： 加热器控制、门的自动开关、自动灯光控制、火情监测、空调的分布式控制等【3 4 - 3 5 1 。 在交通运输方面，文献【3 6 1 介绍了无线传感器网络在自动停车系统中的应用； 另外，安装在道路旁边传感器网纠3 7 1 可以用来实现多种目的，例如：道路安全检 测、改善交通流量、环境情况监测、超载超限监测、超速监测等。 无线传感器网络在军事方面的应用是促进其发展的主要动力，文献【3 8 】中介绍 了一个将无线传感器网络用于车辆跟踪的例子；文献”9 1 介绍了无线传感器网络在 雷区中的应用；a r g u s 工程【删使用具有卫星通讯能力和射频通讯能力的传感 器网络来监测冲突区域中的震动、声波、空气成分、环境温度、湿度等参数，从 而判断是否遭受了敌人的攻击以及攻击强度如何；而n e s t 工型4 1 】贝0 使用无线传 感器网络来实现移动物体跟踪，从而判断敌人是否入侵某个区域；s e a w e b 工程 t 4 2 1 n 将无线传感器网络用在河流、海洋、港湾等水下环境，节点通过声纳进行通 讯，通过检测水下声音、水下热源等方式来判断水域内是否存在敌人的潜艇等。 无线传感器网络在医疗卫生领域的应用主要是实现人类健康状态监控。文献 即】对无线传感器网络的在该领域的应用现状、存在的问题等做了综述。另外，无 线传感器网络也用于对医院病人生命体征的监控j 、运动员体能和身体极限测试 【4 5 l ；老年人的活动规律监测【4 6 1 。 事实上，除了上述应用领域外，无线传感器网络还可以用在很多其它的场合， 例如：机器人控制、设备故障诊断、恶劣环境下的生产过程控制、智能家居环境 等。从这些应用中也可以看到，无线传感器网络本身是- - f 实践性非常强的技术。 它的出现源于军事需要，而它的发展也得益于在不同领域的应用实践中遇到的问 题，而这些技术问题的解决又将进一步提高其应用水平。 1 1 4 主要研究领域及研究现状 7 无线网络控制系统中的延时分析及算法设计 到目前为止无线传感器网络的研究大致有三个方向，第一个方向主要偏重 于利用现有的m e m s 技术、集成电路技术、片上系统等概念设计小型化的网络 节点等；第二个方向主要是结合无线传感器网络自身，着眼于无线网络对系统性 能的影响，通过改进网络协议来提高整个无线传感器网络的性能；第三个方向主 要是从应用角度出发，探讨无线传感器网络中一些共性问题的解决办法，目的是 进一步拓展无线传感器网络的应用范围 下面，分别对这些研究方向中一些重要的研究课题进行综述。 1 。传感器节点的研制 无线传感器网络很大程度上受实际需求的推动，在不同的应用场合，需要不 同功能的传感器节点和不同类型的无线网络共同来构成适合需要的无线传感器 网络；因此，设计模块化的传感器节点可为无线传感器网络的研究者提供一种较 理想的理论验证工具和原型设计平台。 可用于无线传感器网络研究的早期传感器节点是1 9 9 6 年由w a n ta tx e r o x p a r c 开发的p a r k t a b 4 r 、1 9 9 7 年剑桥a t ：t 研究中心的w a r d 和h o p p e r 等人开 发的意识分析系统【4 8 1 和1 9 9 8 年美国加利福尼亚大学伯克立分校的b r o d e r s e n 等 人开发的i n f o p a d 【4 9 1 。这些早期的传感器节点虽然不是专门用于无线传感器网络 的研究，从现在的观点来看，这些节点都可以看作是无线传感器网络的具体应用。 专门用于无线传感器网络研究的传感器节点是加利福尼亚大学伯克立分校 开发的m o t e 系列5 0 1 ，整个m o t e 系列节点包括早期的w e c 、r e n e 、r e n e 2 、 d o t 、m i c a m o t e 和现在的m i c a 2 、m i c a 2 d o t 节点；近来，也出现了些改进的 m o t e 节点【5 ”，这些节点或者使用了新的工业标准通讯协议来代替原先的定制 通讯协议，或者使用了新的低功耗处理器。 除了m o t e 系列外，研究者们还开发了一些其它的实验平台，用于不同目 的的科学研究。例如：r a b a e y 等人开发的p i e o r a d i o 测试平刨5 2 l ，p o t t i e 等人设 计的r o c k w e l l w i n s 节点【5 3 1 ，文献【删介绍的i - b a d g e 实验平台，e s t r i n 等人【5 5 】 使用i p a q 掌上电脑和安装了超声波测距传感器的m i c a 2 节点构建的实验平台， b e i 翊等人【5 q 开发的s m a r t - l t s 节点，s c h i l l e r 等人明设计的s c a t t e r w e b 实验平台 等 s s 6 1 】 2 节点支撑软件开发 浙江大学博士学位论文 在无线传感器网络中，除了与具体应用和硬件相关的软件外，最基础的软件 就是节点使用的嵌入式实时操作系统。比较有影响的实时操作系统是源代码开放 的t i n yo s i 吲，支持者们将该操作系统与具体平台独立开来，使之通过移植以后 可以运行在多种硬件平台上。另外，u c o s i i t 6 3 l 也在一些节点的软件开发中得到 了使用，与t i n y o s 相比，u c o s i i 功能强大，但是，它的运行需要占用较多的 硬件资源。在一些使用a r m 处理器构成的实验平台中，也广泛使用嵌入式l m u x 操作系统，如u c l i n u x 、r t l i n u x t 删等。 除了实时操作系统外，中间件对传感器网络中某些复杂功能( 例如：节点定 位、事件查询、跟踪等) 的实现至关重要。在文献【明中，使用了一种称为r m y d b 的数据库软件来实现对传感器网络中数据的查询，t m y d b 将传感器网络中的节 点看作分布式的数据库，通过执行简单的s q l 查询语言，使用者可实现数据内 容的查询、排序等操作。在文献【删中介绍了一种s e n s o r w a r e 软件，它使用类似 智能体的方法进行传感器网络应用代码开发，从而实现复杂的功能，这一类辅助 编程的软件还有d s w a r e 【锕。 3 路由协议设计 对无线