（生物医学工程专业论文）基于zigbee无线传感网络的动物机器人系统.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ee r ad e v e l o p i n ga n dt h es c i e n t i f i cp r o g r e s s i n g ，p e o p l e sn e e d sb e c o m e m o r ea n dm o r em u l t i f a r i o u s i ns o m ec a s e s ，t r a d i t i o n a lb i o n i cr o b o t sc a n n o tm e e tt h e n e e d so fs p e c i f i ct a s k s b u ta n i m a l - r o b o t sa r ea b l et or e f l e c ti t su n i q u ea d v a n t a g e si n m a n ya s p e c t s ，s u c ha sl o wc o s t ，a n i m a l so w ns e l f - i n i t i a t i v ea n df l e x i b l ea c t i o na n ds o o n a tt h es a m et i m e ，w ec a l lt a k ef u l la d v a n t a g eo ft h ea n i m a l s s p e c i a l t y i nr e c e n t y e a r s ，t h er a p i dg r o w t ho fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s ，m e m s ，e m b e d d e dt e c h n o l o g i e s l a i dag o o df o u n d a t i o nf o rt h er e s e a r c ha n dd e s i g no fa n i m a l - r o b o t sr e m o t ec o n t r o l s y s t e m t h i sa r t i c l ef i r s ta n a l y z e dt h er e s e a r c hb a c k g r o u n da n df u t u r ea p p l i c a t i o n so f a n i m a l - r o b o t ，a n dt h ec u r r e n tr e s e a r c hs t a t u s t h e ni ti n t r o d u c e dt h eb a s i cp r i n c i p l e s o fb i o l o g i c a ls c i e n c e sf o rt h ea n i m a l r o b o ts y s t e md e s i g n a n db a s e do nt h ep r e v i o u s r e s e a r c hr e s u l t s ，w eh a v eb e e ni m p r o v e dt h ee x p e r i m e n t a lp r o c e s s e sa n dm e t h o d s ， i n c l u d i n ge l e c t r o d ei m p l a n t i n gi n t ot h er a t sc e r e b r a ln u c l e i ，- e l e c t r o d ep r o d u c t i o n ， e x p e r i m e n t a lm e t h o do fr a tt r a i n i n ga n ds oo n t h ed e s i g no fa n i m a l - r o b o tw i r e l e s sr e m o t ec o n t r o ls y s t e mb a s e do nw i r e l e s s s e n s o rn e t w o r kt e c h n o l o g y , w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o np r o t o c o l s ，a n do t h e rt e c h n o l o g i e s s u c ha se m b e d d e dh a r d w a r ed e s i g n c h a p t e r si i ia n di vd i s c u s s e dt h ec h a r a c t e r i s t i c s ， s t r u c t u r e ，k e yt e c h n o l o g i e so fw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r ka n dt h er e l a t e dc o n c e p t s ，s t a c k s t r u c t u r e ，f o r m a t i o no fn e t w o r k sr e s e a r c ho fz i g b e ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o np r o t o c o l i n d e p t h ，a n db r i e f l yi n t r o d u c e dt h es t r u c t u r e ，f e a t u r e s ，a n do t h e rc o n t e n to fc c 2 4 3 0 c h i p t h i si su s e dt op a v et h ew a yw o r kf o rt h es p e c i f i cd e s i g no ft h ea n i m a l r o b o t s y s t e mb a s e do nz i g b e ew i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k n e x t ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e dt h ed e s i g np r o c e s so ft h ea n i m a l - r o b o ts y s t e mb a s e d o nz i g b e ew i r e l e s ss e n s o rn e t w o r ki nd e t a i l a tf i r s t ，w ed e s c r i b e das i n g l er a t r o b o t r e m o t ec o n t r o ls y s t e ma n di t sd e s i g np r o c e s s ，i n c l u d i n gt h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r e d e s i g no ft h ec o n t r o l l e ra n dt h er a t r o b o tn o d e a n dt h e nb a s e do nt h es i n g l er a t r o b o t d e s i g n ，w eg a v et h ed e s i g nm e t h o do fm u l t i a n i m a l r o b o ts y s t e ma n dd e s c r i b e da s i m p l es t a rt o p o l o g yn e t w o r ka n di t sf o r m a t i o np r o c e s s c u r r e n t l y , o u rs i n g l e - r a t - r o b o t r e m o t ec o n t r o ls y s t e mh a sb e e np u ti n t op r a c t i c a le x p e r i m e n t s ，w h i c hc a nb ea c h i e v e d i nr e m o t ec o n t r o l l i n gt h er a tt u r nl e f to rt u r nr i g h t b u tm u l t i r a t r o b o tn e t w o r ks y s t e m i sy e tt oe x p e r i m e n t ，a n dt ob ef o l l o w u pw o r kf u r t h e r i i i a b s t r a c t k e y w o r d s ：z i g b e e ；w s n ；c c 2 4 3 0 ；a n i m a l r o b o t i v 中国科学技术大学学位论文原创性声明 本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作所取得的成果。除已特别 加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任何他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同 工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：签字日期：垄! ! ：茎：! 蔓 中国科学技术大学学位论文授权使用声明 作为申请学位的条件之一，学位论文著作权拥有者授权中国科学技术大学拥有学位论文 的部分使用权，即：学校有权按有关规定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，可以将学位论文编入中国学位论文全文数据库等有关数据库进 行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。本人提交的电子文档 的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 l 删公开口保密( 年) 作者签名： 签字日期： 导师签名： 签字日期：2 里! 旦：呈：! 兰 第一章绪论 第一章绪论 1 1课题研究背景与意义 1 1 1 动物机器人研究背景 在我们生活的自然界中存在着各种各样的生物，而每种生物都有其特定的本 领或特长，例如：老鼠能够穿梭于地震后的砖缝瓦砾中；鸽子可以在空中飞行； 壁虎可以在各种地面、竖直墙面以及天花板上来去自如；等等。起初，人们从中 受到启发后，开始模仿各种生物的身体结构、运动机能及控制方式，设计出各种 仿生机器人。仿生机器人在很多方面给人类大大节约了劳力物力等，代替了不少 人类的工作，也完成了许多人类无法完成的任务，对工业生产、国防科技以及家 庭装置自动化都做出了巨大贡献。 随着时代的不断发展和科技的不断进步，人们开始从事动物机器人的研究开 发。动物机器人也叫生物机器人，是指根据生物体的运动感受传入或神经支配等 生物学原理，结合微电子、传感器等技术实现对该生物的运动行为的人为控制， 利用该生物的某种或某些特长，从而让其代替人类去完成人所不能或具有较高危 险性的特殊任务。动物机器人结合了现代电子信息技术、微制造技术以及生物科 学等技术，是目前发展最活跃而且备受人们关注的研究领域之一。因此目前世界 上许多国家及各个科学研究单位都纷纷投入大量的人力物力开始动物机器人的 研究开发。 1 1 2 动物机器人研究意义及应用前景 传统的机器人具有很多不足的地方，例如运动灵活性、能源供给、适应性等 方面都很欠缺，而动物机器人则可以弥补上述不足，尤其在反恐、侦查、危险环 境下搜救工作以及狭小复杂环境下监测等各方面的应用，更加体现了动物机器人 的明显优势。动物机器人的主要应用领域如下所示。 ( 1 ) 安全保卫方面：例如，对某些活动场所及周边环境需要做出各种各样 的全面检查，以确保大家人身安全，除了传统的仪器探测以外，某些仪器无法探 测到的特定空间地点的监测则需要侦察员来完成，这种方法不可避免的对侦查员 要求较高、工作环境恶劣而且效率较低。而有了动物机器人，则可以方便地解决 这个难题，可以开发出相应的体型小、速度快的动物机器人( 如老鼠机器人) ， 第一章绪论 或者可在空间飞行的动物机器人( 如鸽子机器人) 来代替人类完成狭小空间或特 定环境下的侦查任务。 ( 2 ) 灾难搜救方面：自然灾害或多或少的不可避免( 如近些年来的汶川、 玉树地震) ，在这种大面积大规模的房屋建筑物倒塌的情况下，仅仅依靠入为的 搜救在某些情况下就会显得盲目而又低效。而如果有了相应的动物机器人，则可 以在各种几何表面或者更加狭小的空间完成探测或其它任务，速度快，优势显著。 当动物机器人在运动时，如果空间受障碍、转角、管道直径过小，则可以同过软 件上的设计使得动物机器人自行避开。 ( 3 ) 军事方面：未来我国对军事安全方面的需求也会变得愈来愈迫切，并 且世界各国在军事装备研制方面也都给予了高度重视。据悉，美国国防部高级研 究计划局在资助相关研究单位从事动物机器人的研究方面投资了数千万美元。其 中，微小型动物机器人的研制用以解决反恐安全问题已成为各国研究特点。 ( 4 ) 医疗保健方面：动物机器入的相关原理也可应用在医疗方面。例如， 脑机接口技术，就是将人脑信号进行分析处理后直接控制外部设备，可以帮助 瘫痪的病人实现与外界的交流( 如假肢、轮椅等) 。 ( 5 ) 设备检测方面：诸如大规模楼字的管道系统、中央空调系统等设备的 维修检测都可以通过动物机器人来很方便地完成。 1 1 3 动物机器人系统研究的可行性分析 多年来，生物神经科学的发展和技术的成熟为动物机器人的研究开发提供了 必要条件。纽约州立大学的以s a n j i v k t a l w a r 为首的研究小组成功研制出了人工 制导的老鼠，为我们建立大鼠机器人系统提供了重要依据和线索。 另外，无线通信技术、m e m s 技术、检测技术、控制技术等各方面技术的 迅速发展，尤其是z i g b e e 技术的发展，为我们建立基于z i g b e e 无线传感网络的 大鼠机器人系统提供了良好的条件。利用无线传感器网络技术来控制动物机器人 系统，虽然相比较传统机器人系统来说将面临着更多复杂和不确定的情况，但是 动物机器人的控制算法相对容易实现，而且动物机器人本身成本低廉，可以利用 数量优势来实现信息的冗余，所以，动物机器人遥控系统的研究是可行的。 1 1 4 无线通信协议的研究背景 目前无线通信技术主要有蓝牙( b l u e t o o t h ) 、红外( i r d a ) 和z i g b e e 等【8 1 。 b l u e t o o t h 芯片价格高，对系统资源占用较大，功耗高，不适用于动物机器人终 端节点要求尽可能减少能量损耗的无线网络。i r d a 技术具备低功耗、高速率、 2 第一章绪论 低成本等优点，但其必须点对点定向传输，也不适用于多动物机器人系统。z i g b e e 协议推出时间较迟，是一种新兴的低功耗、低速率、低成本、低复杂度的无线网 络技术，传输距离更远，比较适用于对传输速率要求不高的无线网络，详见第四 章论述。所以在本文重点论述的大鼠机器人中我们使用z i g b e e 协议。 12 动物机器人研究现状 动物机器人虽然研究历史短暂，但是其发展却是极其迅速，尤其是美国、e l 本等发达国家在这方面的研究颇有成果。国内的不少研究单位也逐渐开始加大了 对动物机器人方面的研究的关注。 121 国外研究现状 ( 1 ) 老鼠机器人 老鼠体积不大，环境适应能力强，而且可在夜间活动。人们对老鼠的大脑 神经系统的研究也较早，发展到目前技术也较成熟。2 0 0 2 年，美国纽约州立大 学的咀s a n j i v k t a l w a t 为首的研究小组研究实现了人工制导老鼠的多种运动”】， 如图l1 所示。相关研究人员通过在老鼠脑部相应区域植入电极，并在其背部安 黄微处理器，再加上短期的训练，在一定范围内可实现遥控老鼠完成穿越狭长面、 上下阶梯、穿过环形物、爬树、以及走下陡峭斜面等各种运动。该研究小组扮相 关人员预言，如果在老鼠身体上安装摄像头、定位系统等其它设备，那么该老鼠 机器人就可以帮助人类找寻灾难中倒塌建筑里遇难者或其它目标，也可用于军事 探测敌情等方面。 图1 1 老鼠机器人示意图 ( 2 ) 蟑螂机器人 蟑螂，体积小，爬行速度约为0 9 m s ，据有关数据显示，其在一秒内可改变 第一章绪论 运动方向2 5 次。上个世纪末，日本东京大学的i s a os h i m o y a m a 教授等就开始研 究蟑螂的生物控制技术【h 】。如图1 2 所示，实验中，首先将蟑螂固定在轻质泡沫 球体上，分别在蟑螂的触须和尾须处放置刺激电极，分别在泡沫球体的下面和侧 面放置编码器，用来分别记录泡沫球在两个平面上的转动，以进一步计算蟑螂机 器人前行和转向的运动量。接着由计算机发出刺激指令，蟑螂身体上的刺激产生 器发出刺激电流，以使蟑螂运动。这样，他们通过遥控产生电刺激，再由传感器 的实时信号反馈，实现对蟑螂机器人运动行为的控制。目前，该研究小组已经能 够初步实现遥控蟑螂机器人沿直线运动。 图1 2 蟑螂机器人示意图 ( 3 ) 思维控制机器人 2 0 0 0 年，美国杜克大学的n i c o l e l i s 教授及其实验室开始从事利用猴子的大 脑信息控制机器人手臂的课题研究【6 】。相关研究人员将电极植入到猴子大脑的相 关核区，然后训练猴子抓取食物，并记录猴子大脑中的相应电极信号，将信号分 析处理后筛选出猴子完成这个抓取食物这一动作的神经信号模式，编程后发送信 号以实现利用猴子思维控制机器人手臂的动作，如图1 3 所示。目前相关研究人 员f 在尝试研究通过增加记录电极的数量，以控制机器手臂以及其它装置完成更 复杂的任务。该种方式建立起来的模型技术发展到一定程度后，可以给某些瘫痪 残疾人带来福音。医学医疗研究可以绕过病人( 如脑损伤或脊神经受损) 的神经 传导正常通路，通过类似这种神经信号模式直接刺激控制肌肉伸屈的神经，从而 4 第一章绪论 达到治疗的效果。 圈1 3 猴子思维控制机器 手臂示意图 ( 4 ) 鲨鱼机器人 2 0 0 4 年，美国波士顿大学a t e m a 教授等人将相关电极埋入鲨鱼大脑内的某 一特定核团，利用植入鲨鱼体内的微型芯片来控制鲨鱼在水中游动的方向”。 具体实现方案请参阅参考文献1 8 。 1 2 2 国内研究现状 到目前为止，国内在仿生机器人这方面的研究成果已有不少，研究也十分深 入，但是对于动物机器人的研究工作还颇为有限。目前国内在动物机器人方面的 已有研究成果主要有以下几个方面。 ( 1 ) 壁虎机器人 目前，南京航空航天大学的戴振东教授等人正从事壁虎机器人的研究，该研 究小组探索了壁虎脊椎以及外周神经的电刺激和壁虎运动之间的关系，初步确认 外周神经对肌肉的控制关系及壁虎控制上下肢运动的相应神经，并在壁虎浅麻醉 的状态下模拟神经放电活动制导壁虎肢体活动，目前他们正进一步研究探索模拟 神经放电脉冲的时空编码顺序。 ( 2 ) 鸽子机器人 2 0 0 7 年，山东科技大学的苏学成教授及其课题组成功研制出鸽子机器人， 如图14 所示，相关研究人员将电极植入鸽子大脑内特定核团，在鸽子背部固定 微刺激控制器，通过计算机向其发送控制指令，使其向鸽子脑内相关核团发放脉 冲刺激，从而使得鸽子机器人能够按照指示实现起飞、左转、右转、前进、盘旋 5 第一章绪论 等动作。不难想象，这种飞行类动物机器人的应用范围与地面动物机器人相比更 为广泛，在搜救、探测、空中摄像等方面具有更重大的意义。 幽1 鸽子机器人实验示意幽 ( 3 ) 大鼠遥控导航系统 2 0 0 7 年，浙江大学张韶岷、王鹏、封洲燕、陈卫东等人成功研究开发了一 套大鼠遥控导航及行为训练系统。该系统主要由p c 机控制程序、蓝牙模块、基 于c 8 0 5 1 的刺激器等部分，以及训练实验所用的八臂迷宫等组成。实验表明该 系统能够有效地控制单只大鼠走八臂迷宫、以及遥控引导大鼠按照三维障碍路线 行走，如图15 所示州。 图1 5 浙江大学的太鼠机器人实验示意图 13论文结构 论文分为六章，具体结构组织安排如下 第一章绪论 第一章为绪论，主要介绍动物机器人的研究背景及研究意义、国内外的研 究现状，并简单概述了无线通信协议的研究背景。 第二章详细介绍了大鼠机器人的生物学原理、电极植入手术以及动物训练 实验方案等。 第三章主要介绍了无线传感网络相关概念、体系结构、关键技术等方面的 内容。 第四章为z i g b e e 协议栈、组网研究和c c 2 4 3 0 c c 2 4 3 1 芯片结构功能及其 相关内容的介绍。 第五章深入研究了基于z i g b e e 的大鼠机器人遥控系统，先介绍单只大鼠机 器人遥控系统的设计过程，再在此基础上简单介绍如何组建多动物机器人系统。 第六章总结本文所作的工作，并进一步探讨与本文相关的有待进一步深入 继续研究的扩展内容。 第二章丈鼠机器人遥控导航系统的原理及实验方法 第二章大鼠机器人遥控导航系统的原理及实验方法 21 大鼠机器人系统的基本原理和理论依据 有关研究结果表明，大鼠大脑内有两个特定核团：体感皮层触须区( s l w s ) 和前脑内侧束( m f b ) 。体感皮层触须区是大鼠触须触觉在脑中的映射区，研究 发现大鼠判断行走方向主要借助于其触须，如左边触须碰到障碍物，则会产生神 经冲动至丈鼠脑中右侧体感皮层触须区，使其产生左边有障碍物的感觉从而向右 转弯行走；前脑内侧束是一个与奖赏相关的区域。我们根据p a x i n o s 和w a t s o n 大鼠脑立体定位图谱1 来确定大鼠的体感皮层触须区和前脑内侧束的相应坐标， 通过在其体感皮层触须区植入电极，用刺激电流模拟该区神经冲动，使得太鼠产 生类似的感觉。在前脑内侧柬区域植入电极给予电流刺激，使得大鼠产生愉悦兴 奋的感觉。通过这种类似于经典条件反射的行为练习，使行为暗示与奖赏相结合， 通过短期的训练即能实现对大鼠行动的控制，完成左拐、右拐、前进等基本动作， 进而使其应用于完成人类或机械机器人无法完成的任务。图2 1 为实验中大鼠。 圉2 1 实验中的太鼠机器人 2 2 大鼠脑核电极植入手术 221 电极植入手术的理论依据及具体过程 我们选择2 5 0 9 左右的雄性s d 大鼠作为实验对象实验前将大鼠禁食不禁 水1 2 小时，实验当天禁水。手术开始前使用水合氯醛( 3 0 0 q 0 0 m g k g ，腹腔注 射) 将其麻醉，然后固定于三维立体定位仪( 如图2 2 所示) 上，手术使大鼠颅 第_ _ 二章太鼠机器人遥控导航系统的原理段实验方法 骨完全暴露，并去除骨膜。根据p a x i n o s 和w a t s o n 大鼠脑立体定位图谱 】，前脑 内侧束m f b 的定位坐标为：前囟向后38 m m ，中缝向右l6 r a m ，电极深度82 m m ； 体感皮层触须区左侧s i 的定位坐标为：前囟向后18 r a m ，中缝向左50 m m ，电 极深度28 m m ；体感皮层触须区右侧s i ：前囟向后18 t u r n ，中缝向右50 m m ， 电极深度28 m m 。用颅骨钻在大鼠颅骨上的上述三个位置分g 幅 出直径1 m m 左 右的孔利用立体定位仪的坐标系统先后将三对电极缓慢匀速插入，并用牙科水 泥及微型螺丝将电极固定在大鼠颅骨表面。手术后将大鼠饲养一星期左右，若大 鼠状态良好即可接通电极进行相关实验训练。 闰2 2 人鼠脑立体定位仪 2 22 检验电极植入的位置 在大鼠脑核植入电极井固定好后，如何判断实际的电极植入位置是否分别在 大鼠大脑内的体感皮层触须区( s l w s ) 和前脑内侧柬( m f b ) 是一个十分重要 的问题。经研究，主要有两个方法。 方法一：在实验结束后，将大鼠麻醉后解剖，心脏插管，先用生理盐水灌洗 后，再注入4 的多聚甲醛固定，然后对大鼠的脑组织进行切片，相应部位切片 做he 染色，检验刺激电极在脑内的埋植位置。同时也可以检查刺激电极对大鼠 脑内的相应脑组织有无造成损伤等。这个方法能够准确的验证电极所植入的位置 是否准确，但是，验证后的大鼠就不能再利用了。 方法二：建立给予大鼠胡须触碰刺激的系统，电极植入后，利用生物电生理 等方面的实验方法，对太鼠的体感应层触须区电极进行信号采集，分别记录给予 大鼠胡须触碰的情况和未给予大鼠胡须触碰的情况的信号数据并加以分析。理论 。，给予大鼠胡须触碰感觉的情况下，大鼠体感皮层触须区所在的电极提取出来 第二章大鼠机器人遥控导航系统的原理及实验方法 的信号数据是和未给予胡须触碰外来刺激的情况下的信号数据不同的。从而达到 验证效果。这种验证方法也是非常精确的，但是建立给予大鼠胡须外界触碰刺激 系统并实现与电极信号记录系统同步的这个模型相对复杂，另外，目前还没有使 用类似方法对奖赏区内侧前脑束的电极埋植位置进行有效检验的方法。 2 3电极制作及脉冲刺激方案 选用外镀绝缘物质特氟纶的不锈钢丝作为制作刺激电极的材料，电极内径 1 2 5 微米，外径2 0 0 微米。电极植入手术前取双股电极丝粘合并与接口排针焊好， 这样埋植后只有嵌入牙科水泥中的排针露于表面，不易被老鼠抓坏。 实验中采用双股电极作为刺激电极，刺激波形为一个正脉冲紧跟一个等强度 等脉宽的负脉冲，以尽量减d , n 激伪迹，去除电荷的累积效应【9 】。刺激电压为5 v ， 默认脉冲个数为2 0 个，脉冲宽度l m s ，通过自行编制的软件对脉冲个数和脉冲 宽度进行调节。 2 4 大鼠训练实验方案 按照上述设计的刺激脉冲，如果要大鼠“左拐”，则给予左侧体感皮层触须区 一定刺激，使大鼠产生右侧触须触碰障碍物的感觉，从而拐向左侧行走，若大鼠 行为j 下确，则追加给予前脑内侧束区一定刺激，使之兴奋，即给予奖赏；同理， 如果要完成“右拐”运动，则给予右侧体感皮层触须区刺激，若行为正确，再给予 i j 脑内侧束刺激；另外，直接给予前脑内侧束刺激，可使大鼠产生向前的运动。 经过一定时间的强化训练即可得到理想的训练结果【l 0 1 。 2 5本章小结 本章主要介绍了大鼠机器人遥控系统的生物科学方面的原理和理论依据，详 细描述了大鼠脑核电极植入手术的具体过程及如何检验电极插入位置是否准确， 接着给出电极制作的过程和脉冲刺激方案的设计，最后给出具体大鼠实验方案。 第三章无线传感网络 第三章无线传感网络 3 1 无线传感网络概述 无线传感网络w s n ( w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s ) 是指由具有传感、驱动控 制、通信等功能的多个嵌入式节点以无线通信的方式相互连接起来的网络。这些 节点通过测量诸如温度、压力、湿度、光照、噪声等物理参数来达到监测环境或 系统的目的。无线传感网络技术涵盖了传感器、嵌入式、无线通信、微机电系统 制造技术等多种技术，其首要解决问题就是节点能源问题，因此相对其它集成系 统，对功耗要求较严格。 3 1 1 无线传感网络的发展 随着时代的发展和科技的进步，传统的传感器已经逐渐不能满足人们同夜增 长的各种需求，开始朝着智能化、网络化、微型化等方向发展。近些年来，无线 通信技术、电子技术、微机电技术m e m 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 ) 、 片上系统s o c ( s y s t e mo nc h i p ) 及嵌入式技术的不断发展和成熟促进了无线传 感网络技术的飞速发展。无线传感网络是一种多学科相互融合的技术，由大量的 廉价传感器节点组成，依据特定无线通信标准构建的一种多跳自组织网络，以其 低功耗、低成本、自组织等独特优势成为众多领域的研究热点。 早在上世纪7 0 年代，就开始出现了将传统的传感器使用点对点形式传输数 据构成简单的传感器网络。到了上世纪9 0 年代，国际上很多知名研究单位和公 司纷纷投入了对无线传感网络的开发和研究，传感器网络正式全面研究开来。 2 0 0 1 年，美国计算机学会a c m 和i e e e 成立了专门针对传感网络技术的会议 i n t e r n a t i o n a lc o n f e r e n c eo ni n f o r m a t i o np r o c e s s i n gi ns e n s o rn e t w o r k ，简称i p s n 。 2 0 0 2 年，英特尔公司发布了“基于微型传感器网络的新型计算发展规划”，紧接 着，他们将普通药瓶大小的3 2 个传感器连进互联网，用来研究缅因州大鸭岛上 的气候，以评估一种海燕鸟巢的条件。该公司后来在2 0 0 4 年又开发出了用于家 庭护理的无线传感网络系统，该系统通过在家具和家用电器等设备甚至鞋子里面 嵌入半导体传感器，用来帮助老弱病残人员的日常家庭生活。2 0 0 3 年，美国自 然科学基金委员会制订了无线传感网络研究计划，并在加州大学成立了传感器网 络研究中心，展开了名为“嵌入式智能传感器 的研究项目。紧接着众多公司及 研究单位相继组建了针对无线传感网络的研究小组。2 0 0 6 年，中国计算机学会 传感器网络专委会正式成立，这标志着我国的无线传感网络技术研究也进入了一 第三章无线传感网络 个新的历史阶段。 总的来说，无线传感网络的发展阶段主要有点对点、点对多点和多跳网状结 构这三个阶段。其中，点对点结构的无线传感网络只是简单取代有线传输，简单 使用一个设备控制另一个设备工作，通信能力很有限。点对多点是一种星型网络， 由一个中央节点和多个终端节点组成，所有终端节点只能和中央节点进行数据交 换，而终端节点之间不可交换数据。发展到了多跳网状结构的无线传感器网络， 能够实现完全的r f 冗余，具有多个数据通道，能够自动组建网络，智能分布， 应用及其灵活，可以满足绝大部分的应用需求。 3 1 2 无线传感网络的特点及其应用领域 无线传感网络的特点主要有以下几个方面： ( 1 ) 规模大，节点多：实际应用中，为了获得精确的数据信息，在监测区 域内需要部署大量的节点。规模大包含两层意思，一方面是实际应用中的监测区 域面积较大，从而需要大量的传感节点来采集数据，比如监测某一原始森林的某 些物理参数，另一方面是指实际应用中要求在某一监测区域内密集部署传感节 点，通过增加节点密度来达到测量数据的精度。 ( 2 ) 自组织：在实际应用中，无线传感网络节点所在的位置以及节点与节 点之间的关系预先无法知道，例如通过飞机撒下大量传感节点至某一人类无法抵 达的荒山野岭，这就要求节点具有自组织的能力，能够自动组建网络或加入网络， 自动进行配置和管理。 ( 3 ) 动态拓扑：无线传感网络的拓扑结构在实际应用中会因为网络中的节 点的不断加入或离开而发生变化。例如某些节点可能因为电池没电出现故障失 效，也有可能因为环境的变化对无线通信产生影响，使得某些节点无法正常通信， 这就要求整个网络以及每个节点能够适应这种结构的动态变化，不会因为部分节 点的异常而影响整个网络系统的正常工作。 ( 4 ) 自我调节：作为传感节点，需要根据环境的某些指定物理参数的变化 而相应实时动态地作出动作来改变自身系统状态。 ( 5 ) 以数据为中心：每个无线传感网络都被设计用来执行某一指定任务的， 节点采用编号标识，节点编号是否需要全网唯一地址取决于不同的无线通信协 议。因为无暇传感网络中的节点是随机部署的，节点编号和节点位置没有必然联 系，当某个传感器采集到所需数据时，直接将所关心的数据通告给网络，而不是 通告给某个确定编号的节点，所以说无线传感网络是一种以数据为中心的网络。 ( 6 ) 低成本：由于实际应用中的无线传感网络要求节点数量众多，这就相 应要求单个节点的成本有所降低，不然则会阻碍无线传感网络的普及和发展。 1 4 第三章无线传感网络 ( 7 ) 功耗低：在众多无线传感网络的应用中，传感节点通常会被部署在人 类无法到达或者环境恶劣比较危险的地方，也就是说节点的电池能量一旦用完就 无法更换电池来补充能量，这就对无线传感网络节点的功耗提出较高要求。 ( 8 ) 节点体积小：节点的体积大小也是无线传感网络的一个重要目标，许 多为了监测的方便性和具体应用的可行性，都对节点的体积提出了要求，l t - , j z n 本 文所论述的大鼠机器人系统，就要考虑到大鼠自身的携带能力，这就要求节点的 硬件电路板尽可能的减小体积、减轻重量。 无线传感网络的应用领域十分广泛，在军事领域、建筑领域、环保监测、医 疗护理、智能交通、家居智能化等各方面都得到了很好的应用，具体如下： ( 1 ) 军事：可以用来监测装备、弹药，侦查地方军力和地形，监测战场， 也可应用于智能导弹的制导系统，等等。 ( 2 ) 环保：可以通过监测各种物理参数来达到监测环境各项指数的目的， 比如通过监测空气湿度来监测森林火险，通过监测水位来预防洪水的发生，通过 监测土壤、光照、温度、湿度等方面来精确农作物耕种，还可以通过监测人类无 法抵达的荒山野岭来进行考古研究。 ( 3 ) 建筑：无线传感网络技术在建筑结构健康监控方面也可发挥重大作用， 如2 0 0 4 年，哈尔滨工业大学在深圳地王大厦建立了监测环境噪声和震动加速度 响应测试的无线传感网络系统。 ( 4 ) 医疗：有了无线传感网络技术，就可以实现远程监控人体的各项生理 指数，如血压，心跳等，采集的数据可以通过无线网络发送给主治医生，这样就 大大方便了医生和病人。此外，无线传感网络也可以用于药品管理，跟踪监督医 院星的病人及医生等方面。 ( 5 ) 交通：无线传感网络可以用来跟踪、监测车辆，也可用于监控车辆偷 盗情况。美国交通部提出“国家智能交通系统项目规划”，预计到2 0 2 5 年能够投 入使用，该系统运用大量无线传感网络，结合g p s 系统等，实现对交通车辆的 优化调度，为司机推荐实时最佳的行车路线服务。 ( 6 ) 家居：无线传感网络在家居领域的应用最为普遍，如浙江大学计算机 系的相关研究人员开发了一套基于无线传感网络的无线抄表系统，可以实现水表 的自动抄录数据。此外，无线传感网络还可以用来实现照明控制、门禁警报、家 电遥控，人们还可以通过互联网终端实现对家庭设备的监测和控制。 3 2 无线传感网络体系结构 3 2 1 无线传感网络的网络结构 一般来说，无线传感网络系统主要由传感器节点、汇聚节点和任务管理节点 1 5 第三章无线传感网络 组成，其网络结构如图3 1 所利2 。图3 1 所示的是一个网状拓扑结构的无线传 感网络，在监测区域内部署大量的传感器节点，这些节点通过自组织形式构建无 线网络。其中每个传感器节点测到的数据通过其它节点多跳传输至汇聚节点，最 终发给管理节点。管理节点就是用户用来对网络进行配置和管理，发布监测任务 以及收集和处理数据的部分。 传感器节点一般是一个微型嵌入式系统，其通信能力，存储能力和处理能力 都十分有限，能量依靠携带的电池提供，供电也十分有限。传感器节点在网络中 主要负责采集数据、发送数据、接收数据等，部分节点除了收集处理自身的数据 外，还起到路由作用，对其它节点转发来的数据也要作存储或转发等处理。传感 器节点的软硬件技术是整个无线传感网络技术中研究的重点，也是提高整体性能 的瓶颈所在。汇聚节点用来连接无线传感网络和外部网络，实现两种协议栈间的 通信协议转换，其处理能力、存储能力以及通信能力都比较强，而且一般不受能 量限制。 图3 1 无线传感网络的一般网络结构 3 2 2 无线传感网络的节点结构 无线传感网络的节点一般由传感模块、处理器模块、无线通信模块以及能源 供给模块组成，如图3 2 所示。传感模块主要区域内信息数据的采集和模数转换； 处理器模块负责本节点数据的存储和处理以及其它节点发送过来的数据的存储 和处理；无线通信模块负责收发数据信息，包括控制信息和采集的数据信息；能 源供给模块为整个节点的正常运行提供能量，实际应用中通常使用干电池。如果 实际需要，用户可以在此基础上自行添加定位系统、移动系统等等。 1 6 第三章无线传感网络 图3 2 无线传感网络节点的一般组成结构 。- i 电源供电系统； 3 3 无线传感网络设计的关键技术 如前所述，无线传感网络技术涉及到众多研究领域，如传感器、嵌入式、无 线通信、自动控制技术、微机电系统制造技术等。无线传感网络设计的关键技术 主要有以下几个方面： ( 1 ) 拓扑控制：由于无线传感网络采用自组织形式组建和管理网络，因此 网络拓扑控制就显得特别重要。好的网络拓扑控制生成优化的网络拓扑结构，不 仅可以提高路由协议和介质访问控制层协议的效率，而且也为时间同步、数据融 合等各方面打好基础，同时也有效节省能量来延长网络的生存期。拓扑控制技术 主要从时间控制、空间控制和逻辑控制这三个方面入手。其中时间控制室通过控 制每个节点的休眠、工作的占空比，各个节点休眠时间的调度，让节点交替工作， 使得网络拓扑在一定的拓扑结构件切换；空间控制是指通过控制节点发送功率， 改变节点的连通区域，从而达到控制能耗的目的；逻辑控制是指通过邻接表把不 理想的节点排除在外，均衡节点单挑可达的邻居数目。总之拓扑控制的目的就在 于在保证网络连通的前提下实现数据的高效可靠传输。 ( 2 ) 路由控制：传统的路由实现是通过i p 协议，不过在无线传感网络里， 不需要使用i p ，因为无线传感网络中的节点数量通常十分庞大，i p 路由一般是 基于固定位置的，而无线传感网络中的路由是根据需求变化而变化的，如果在无 线传感网络中使用需要根据拓扑结构维持路由表的i p 协议来实现路由，那么就 会因为网络不断改变拓扑结构而不断维持路由表，将会消耗大量时间和能源，所 以无线传感网络不适合使用i p 协议来实现路由控制。在实际应用中，通过部署 大量的传感器节点，提供足够多的路径，来满足网络的生存和对采集数据的要求， 无线传感网络的路由协议应该考虑到按需运行、无环路、分布式运行、节能、维 护多条路由等方面。 ( 3 ) 能量控制：无线传感网络技术的瓶颈之一就是能量问题，很多应用中 1 7 第三章无线传感网络 的传感器节点电池无法更换，电量一旦用完，就意味着该节点从此不能工作。所 以能量问题一直是无线传感网络节点设计的一大主题。除了在节点硬件设计上尽 可能地降低功耗，软件设计上在不影响网络功能的前提下尽可能多的让节点处于 休眠状态，也可以从另一个角度来解决能量问题，比如可将自然环境中的能量转 换成节点可利用的电能，像太阳能、风能等。 ( 4 ) 时间同步技术：时间同步技术要求网络中各个节点间的时钟保持同步， 这是传感器节点完成实时数据采集的基本要求，同时也是影响定位精度的一个因 素。多个节点相互协作，以及设置节点休眠时间都要求时间同步。 ( 5 ) 定位技术：定位技术是用来确定无线传感网络中每个节点的相对位置 或绝对位置，也可以用于对目标定位跟踪。这在军事侦察、灾难救援等方面的应 用中显得尤其重要。 ( 6 ) 分布式数据管理和数据融合：如前所述，无线传感网络的特征之一就 是以数据为中心，而分布式动态实时数据管理技术通过指定部分节点为代理节 点，代理节点根据监测任务收集数据，监测任务通过分布式数据库的查询语言来 发送给目标区域节点。数据融合技术是指节点根据信息类型、时间、优先级等信 息指标，对数据进行融合和压缩，一方面排除信息冗余减小网络通信丌销，另一 方面实现节点的智能决策功能。 ( 7 ) 安全可靠性：针对一些军事、金融等领域中的应用，无线传感网络通 信就必须保证其安全可靠性。鉴于直接在无线传感网络中使用现有的安全通信、 完整性认证等算法存在实际困难，相关研究人员一直都在探讨可能遭遇到的各种 攻击形式，并同时尝试设计安全强度可控的安全协议，来满足不同需求。 3 4 本章小结 本章主要介绍了无线传感网络的相关内容，包括其发展由来、特点、应用领 域、体系结构以及关键技术等。 第四章z i g b e e 技术及其相关内容 第四章z ig b e e 技术及其相关内容 4 1几种无线通信协议的比较 ( 1 ) 红外技术( i r d a ) ：红外技术是利用红外线实现点对点通信的技术， 目前该技术各方面都很成熟，具备低功耗、高速率、低成本等优点，在p d a 、 手机等许多地方都有着较广泛的应用。其有效传输距离在1 米内，传输速率可达 1 6 m b p s ，非常适合传输容量大的多媒体数据。但是，红外技术只能实现点对点 的定向传输，无法实现灵活组网，这就大大限制其在许多对传输距离要求较高或 者要求实现多节点组网等方面的应用。 ( 2 ) 蓝牙技术( b l u e t o o t h ) ：1 9 9 8 年，爱立信、东芝、i b m 及英特尔等公 司体提出了蓝牙技术，主要用于弥补红外等技术的不足。蓝牙被列入i e e e 8 0 2 1 5 1 ，是实现多媒体等数据无线传输的开放性规范，支持点对点、点对多点 无线通信，规定了物理层、介质访问控制层、网络层和应用层等协议栈。蓝牙的 传输频段是全球通用的2 4 g h zi s m 频段，采用1 6 0 0 m h z 的快速跳频扩频技术， 传输率可达1 m b p s ，安全可靠性较高，具有很强的抗干扰能力，采用t d d 全双 工方式，组网方便灵活。另一方面，蓝牙需要占用系统资源2 5 0 k b ，复杂程度 也较高，有效通信距离1 0 m ，另外芯片价格较高，网络节点数为7 个，从而大大 限制了其在大型无线通信网络中的应用。 ( 3 ) 无线高保真技术( w i f i ) ：无线高保真技术( w i r e l e s sf i d e l i t y ) 作为一 种全球性的无线局域网( w l 蝌) 技术，是i e e e8 0 2 1 1 标准的统称，其发展的 根本目标就是提高数据传输速率，从早期的i e e e8 0 2 1 1 b 的1 1 m b p s 的传输速度 发展到了i e e e8 0 2 1 1 a 和i e e e8 0 2 1 1 9 的5 4 m b p s 的传输速度，再到i e e e 8 0 2 1 1 a 。n 的2 4 8 m b p s 。w i f i 已经广泛应用到各种手持设备连接，p c 连接，无线 定位等领域，进入家用电子设备、数字相机等方面的开发，目前采用a r m 芯片 和w i f i 无线前端组合的新一代w i f i 无线单片机s o c 芯片已经大量涌入市场。 w i f