（测试计量技术及仪器专业论文）基于普适计算的无线传感器网络信息处理技术研究与实现.pdf

南京航空航天大学硕士学位论文 摘要 随着半导体技术和通信技术的飞速发展，传统的计算机时代和网络时代正在向普适计算时 代迈进。普适计算的特点是将集计算、通信、传感功能于一身的各种信息设备通过无线网络与 互联网连接有效组织起来，以嵌入式产品的方式呈现在人们的工作和生活中。 普适计算模式下，无线网络需要产生并传输大量的数据。为将淹没在海量数据中的有效信 息提取出来，本文研究了数据挖掘技术，并利用该技术提取无线传感器网络节点间有效的关联 规则。本文重点研究了关联规则挖掘技术，并在对关联规则挖掘技术研究的基础上，通过对传 统a p f i o f i 算法的改进，提出了一种节点关联规则挖掘方法( a p f i o f i 1 算法) 来发现大量节点之 间有用的联系，以消除节点间的信息冗余。这种方法可以帮助用户对数据进行有效的融合、分 类、查询、分析、理解和决策。实验结果表明该方法能够有效减少无线传感器网络节点信息处 理中通信和计算所消耗的能量，缩短数据查询响应的时间，从而延长整个网络的寿命。 本文设计并实现了一个基于无线传感器网络数据库的数据挖掘系统( d m s w s n ) ，该系统 实现了数据操作和数据挖掘的功能。通过数据挖掘技术在该系统中的实例应用，验证了所研究 的数据挖掘技术的有效性和实用性。 关键词：普适计算，无线传感器网络，数据挖掘，关联规则， a p r i o r i 1 算法 基于普适计算的无线传感器网络信息处理技术研究与实现 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fs e m i c o n d u c t o rt e c h n o l o g ya n dc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , w e i i t a k eab i gs t r i d ef o r w a r dt h ep e r v a s i v ec o m p u t i n g i nt h ep e r v a s i v ec o m p u t i n ge n v i r o n m e n t , v a r i o u s i n f o r m a t i o nd e v i c e sw h i c hh a v ef u n c t i o n so fc o m p u t i n g ，c o m m u n i c a t i o na n ds e n s a t i o na r eo r g a n i z e d v a l i d l yt h r o u g ht h ew i r e l e s sn e t w o r k sa n dt h ei n t e r a c t ，a n dp r o v i d ee m b e d d e dp r o d u c t st ou s i nt h ep e r v a s i v ec o m p u t i n ge n v i r o n m e n t , l a r g ea m o u n t so fd a t aa r ep r o d u c e da n dm m s p o n e d f r o mt h ew i t l e s sn e t w o r k s f o rg e t t i n gt h ev a l i di n f o r m a t i o nf r o mam o u n t a i no fd a t a ，w es t u d y d a t am i n i n g ，a n dr e c o v e ra s s o c i a t i o nr u l e so f t h ew i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k sn o d e sw i t hi t t h i sa r t i c l ef o c u s e so nt h ea s s o c i a t i o nr u l em i n i n gt e c h n o l o g y , i m p r o v e st h et r a d i t i o n a la p f i o f i a l g o r i t h m ，a n dg e t san e wa l g o r i t h mt of i n du s e f u ll i n k sa m o n gt h en o d e s t h en e wa l g o r i t h mc a n h e l p su se l i m i n a t et h er e d u n d a n c yi n f o r m a t i o na m o n gt h en o d e sv a l i d l y i ta l s oa s s i s t su st oa n a l y s i s a n dq u e r yt h ed a t a , w h i c hh e l p su sm a k er i g h td e c i s i o na f t e rw ec o m p r e h e n dt h ed a t a e x p e r i m e n t a l r e s u l t ss h o wt h a tt h em e t h o dc a ns a v ee n e r g yo fc o m m u n i c a t i o n sa n dc o m p u t i n gi np r o c e s s i n g i n f o r m a t i o ne f f e c t i v e l y , r e d u c er e s p o n s et i m ei nq u e r y i n gd a t a ，a n dm a k et h en e t w o r ks l i f el o n g e r as y s t e mn a m e dd a t a - m i n i n gs y s t e mb a s e do nw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k sd a t a b a s e ( d m s w s n ) i s d e s i g n e ds ot h a tu s e rc a nc o n v e n i e n t l yu s ed a t a - m i n i n gt e c h n i q u e t h i ss y s t e mh a st w of u n c t i o n s o p e r a t i o no fd a t a s e ta n dd a t a - m i n i n g t h ev a l i d i t ya n dp r a c t i c a b i l i t yo fd a t a - m i n i n gt e c h n i q u eh a s b e e nv a l i d a t e dt h r o u g ht h er e a l i z a t i o no fe x a m p l e sb a s e do nt h ew i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k sd a t a b a s e k e y w o r d s ：p e r v a s i v ec o m p u t i n g , w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s ，d a t am i n i n g ，a s s o c i a t i o nr u l e s ， a p r i o r i 一1a l g o r i t h m 基于普适计算的无线传感器网络信息处理技术研究与实现 v i 图表清单 图1 1无线传感器网络体系结构。2 图2 1 无线传感器网络结构图6 图2 2 无线传感器节点结构图7 图2 3z i g b e e 协议栈模型示意图l l 图3 1 数据挖掘是知识发现的一个特定步骤1 4 图3 2 数据挖掘的任务1 5 图3 3 典型的数据挖掘系统结构1 7 图3 4 数据预处理的形式1 8 图4 1 传统的节点分簇2 l 图4 2 节点之间的关联性2 3 图4 3a p r i o r i 算法2 4 图4 4a p r i o r i 1 算法运行过程3l 图4 5a p r i o r i 算法和a p r i o r i 1 算法测试结果对比图。：3 2 图4 6 节点根据关联规则分簇结果3 3 图5 1d m s w s n 的结构。3 4 图5 2 无线传感器网络数据采集子系统实物图3 6 图5 3 传感器节点软件流程图3 6 图5 4 协调器节点的软件流程图3 6 图5 5 节点程序烧录图。3 8 图5 6 数据采集图3 9 图5 7 数据挖掘子系统的总体结构图4 0 图5 8 数据挖掘子系统功能结构图。4 0 图5 9d m s w s n 登录界面4 4 图5 1 0 数据操作菜单4 5 图5 1 l 数据库操作窗口4 5 图5 1 2 数据库查询对话框4 6 图5 1 3 添加数据对话框4 6 图5 1 4 建立数据集市向导4 8 图5 1 5 获取表或视图键值部分代码4 9 南京航空航天大学硕士学位论文 图5 1 6 数据清理对话框5 0 图5 17 数据变换对话框5 0 图5 1 8 带数据清理和数据变换的数据挖掘流程图5 l 图5 19 自定义数据挖掘对话框5 2 图5 2 0a p r i o r i 1 算法流程图5 3 图5 2 1 数据挖掘测试结果。5 5 表2 1 几种短距离无线通信技术的技术特点9 表2 2z i g b e e 使用频段l1 表4 1a p r i o r i 算法和a p r i o r i 1 算法运行时间对比3 2 表5 1j n 5 1 3 9 唤醒源及唤醒后执行的程序位置3 7 v i i 基于普适计算的无线传感器网络信息处理技术研究与实现 v i i i 注释表 英文缩写英文全称中文全称 w i f iw i r e l e s sf i d e l i t y 无线保真技术 i r d ai n f r a r e dd a t aa s s o c i a t i o n 红外传输技术 n f c n e a rf i e l dc o m m u n i c a t i o n 近距离无线传输技术 u ，bu l t r a - w i d e b o n d 超宽带技术 p h y p h y s i c a ll a y e r 物理层 m a cm e d i u ma c c e s sl a y e r 数据链路层 o s i o p e ns y s t e mi n t e r c o n n e c t i o n 开放网络互联 e d e n e r g yd e t e c t i o n 能量检测 l q i l i n kq u a l i t yi n d i c a t o r 链路质量指示 c c a c l e a rc h a n n e la s s e s s m e n t 信道空闲监测 f f df u l lf u n c t i o nd e v i c e 全功能设备 r f dr e d u c e df u n c t i o nd e v i c e 简化功能设备 n p d un e t w o r kl a y e rp r o t o c o ld a t au n i t 网络层数据单元 a p s a p p l i c a t i o ns u p p o r ts u b l a y e r 应用支持子层 a f a p p l i c a t i o nf r a m e w o r k 应用框架 z d o z i g b e ed e v i c eo b j e c t设备对象 k d d k n o w l e d g ed i s c o v e r yi nd a t a b a s e数据库中的知识发现 a d o a c t i v e xd a t ao b j e c t 微软公司存取数据源的组件 d m s w s nd a t am i n i n gs y s t e mb a s e d 基于无线传感器网络数据库 o nw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s 的数据挖掘系统 r d s r e m o t ed a t as e r v e r 远程数据服务 c o m c o m p o n e n to b j e c tm o d e l 组件对象模型 承诺书 本人声明所呈交的硕士学位论文是本人在导师指导下进 行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特另w j d n 以标注和致 谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得南京航空航天大学或其他教育机构的学位 或证书而使用过的材料。 本人授权南京航空航天大学可以将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、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本承诺书) 作者签名：丑盔) 丑 日 期洫扣b ，遐= 南京航空航天大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 引言 普适计算1 1 】的思想是由x e r o x 的首席执行官m a r kw e i s e r 在1 9 9 1 年提出的，强调把计算机 嵌入到环境或日常工具中去，让计算机本身从人们的视线中消失，让人们注意的中心回归到要 完成的任务本身。i b m 在1 9 9 9 年创造了一个名词普适计算( p e r v a s i v ec o m p u t i n g ) 【2 j ，指的就 是：“无论何时何地，只要您需要，就可以通过某种设备访问到所需的信息。”目前国内普遍采 用的是清华大学徐光裕教授给出的定义：“普适计算是信息空间与物理空间的融合，在这个融合 的空间中人们可以随时随地、透明地获得数字化的服务1 3 1 。” 众多文献描述了普适计算的关键特征，如文献 4 1 描述其为：可扩展性，异构性，集成性， 不可见，上下文感知和管理。文献1 5 】描述为：智能空间的有效利用，不可见，本地化可扩展， 消除不平衡条件等。下面是普适计算关键特性的总结： 普适：在任何时间和地点，用户都有不同的方法访问同一信息。 移动：用户和计算可以根据需要随意移动到任何地方。 不可见：在变化的环境中工作时，系统智能并安静地处理环境变化。因此用户可专注于其 工作，也意味着当用户移动时，其工作上下文也可无缝地在不同的环境间跟随用户迁移。 感知和智能：主要针对上下文感知计算而言。普适计算系统( 包括移动设备) 感知上下文， 主动满足用户可能出现的需求。这些过程并不为用户所知，不需要用户介入，是对用户透明的。 普适计算被认为是一种能包含各种设备( 计算机、汽车、娱乐设备和信息设备等) 的计算 模式。它的实现目标是建立一个充满计算和通信能力的环境，同时使这个环境与人们逐渐地融 合在一起。为了实现这样的目标，普适计算环境需要传感器代替用户去感觉物理世界，需要各 种传感器定位用户位置、感知用户意图。因此无线传感器网络技术成为普适计算思想体系中的 一个典型应用。 无线传感器网络是由大量的、具有无线通信与计算能力的微小传感器节点构成的自组织分 布式网络系统i 刚。典型的无线传感器网络体系结构如图i 1 所示。 无线传感器网络通过无线通信方式形成多跳自组织的网络系统，能够感知、采集和处理网 络覆盖地理区域中对象的信息，并传送给观察者。在跟踪对象的过程中，如果所有的传感器节 点都实时地对物体进行探测会导致大量的能量浪费。解决这个问题的方法是每一时刻只使用网 络中节点的一部分，其它节点则处于休眠状态【7 8 1 。实现这种方法的关键在于尽可能正确的预测 传感器各节点之间的相关性，让部分相关传感器节点工作，而其余的相关节点继续处于休眠状 态。这也成为无线传感器网络信息处理研究的关键问题。 基于普适计算的无线传感器网络信息处理技术研究与实现 图1 1 无线传感器网络体系结构 1 2 国内外研究现状 现在，移动设备、可穿戴计算机、无线网络、传感器网络等硬件关键技术的迅速发展为实 现普适计算的提供了硬件保障。越来越多的研究者致力于普适计算的相关研究。在世界主要的 大学和公司有很多普适计算的研究项目： 1 麻省理工的o x y g e n 项目【9 1 o x y g e n 项目由美国国防部创新科技计划事务署赞助，研发新一代以人为本、具双向沟通能 力的人性化计算机。在麻省理工学院计算机科学实验室的首席研究科学家s t e p h e ng a r l a n d 的带 领下该学院成立了“氧气联盟计划”( p r o j e c to x y g e na l l i a n c e ) ，其目的是“按照自然的人类用语 更方便地实现人机互动”。o x y g e n 的寓意：未来的计算将像氧气一样无处不在，并可自由获取。 2 卡耐基梅隆的a u r a 项目 1 0 1 a u r a 项目强调普适计算的中间件技术和应用设计，该项目包括3 个子项：d a r w i n 智能网络， 是a u r a 的核心；c o d a 分布式文件管理系统；o d y s s e y 为资源t l 适应提供操作系统支持。该系统 可容纳桌面、手持和可以穿戴的系统。 3 微软公司公司的e a s y l i v i n g 研究项引1 1 1 e a s y l i v i n g 项目致力于智能环境的体系开发，涉及中间件、几何世界建模、定位感知、服 务描述等技术。关键特点：机器视觉、多传感器的自动和半自动校准，以及独立于设备的通信。 4 清华大学的s m a r tc l a s s r o o m 项目【1 2 1 清华大学计算机系从1 9 9 9 年开始对该领域进行探索，在交互空间、交互空间的软件平台、 感知上下文的计算等领域开展了相应的研究，并取得了初步的成果。s m a r tc l a s s r o o m 使得教室 内的任意用户，通过终端连接的教室内投影或显示设备，将自己电脑中的信息投影到屏幕上； 2 南京航空航天大学硕士学位论文 或发送到所有课堂无线设备参与者屏幕上，共享教学信息。 除上面列举的项目之外，全球与普适计算研究相关的项目还包括惠普公司的c o o lt o w n 项 目：a t & t 实验室和英国剑桥大学合作的项目s e n t i e n tc o m p u t i n g 项目；伊利诺伊斯的g a l a ；加 州理工伯克利分校e n d e a v o u r 1 3 1 ；华盛顿大学的p o r t o l a n o 1 4 1 ：i b m 的d r e a m s p a c e 15 1 等。 在美国自然科学基金委员会的推动下，美国的加州大学伯克利分校、麻省理工学院、康奈 尔大学、加州大学洛杉矶分校等学校开始了无线传感器网络的基础理论和关键技术的研究。英 国、日本、意大利等国家的一些大学和研究机构也纷纷开展了该领域的研究工作。我国的哈尔 滨工业大学，黑龙江大学和浙江大学也从2 0 0 2 年起开始了对无线传感器网络的研究。 学术界的研究主要集中在传感器网络技术和通信协议的研究上，也开展了一些感知数据管 理和处理技术的研究，取得了一些初步研究结果。目前的研究工作还处于起步阶段，大量的问 题还没有涉及到，未来的研究工作任重而道远。下面，介绍一下目前在无线传感器数据管理和 处理技术的主要研究进展。 1 美国加州大学伯克利分校的t i n y d b 系统【l 6 1 。7 】 加州大学伯克利分校研究了传感器网络的数据查询技术，提出了实现可动态调整的连续查 询的处理方法和管理传感器网络上多查询的方法，应用数据库技术实现了传感器网络上的数据 聚集函数，提出了在低能源、分布式无线传感器网络环境下实现聚集函数的方法，并研制了一 个感知数据库系统t i n y d b 。t i n y d b 系统的数据模型是对传感的关系模型的扩展，它把传感器 网络数据定义为一个单一的，无限长的虚拟关系表，网络中每个传感器节点产生的每一个读数 都对应关系表中的一行。因此，这个虚拟表就是一个无限流数据库，对传感器网络数据的查询 就是对这个虚拟关系表的查询。 2 康奈尔大学的c o u g a r 系统【1 8 2 0 】 康奈尔大学在感知数据查询处理技术方面开展的研究工作较多。他们研制了一个测试感知 数据查询技术性能的c o u g a r 系统，把传感器网络看成是一个大型分布式数据库，每个传感器对 应于分布式数据库的一个节点，存储部分数据。提出了在传感器网络上计算聚集函数的容错和 可扩展算法，并探索了把传感器网络表示为数据库的思想，探讨了如何把分布式查询处理技术 应用于感知数据查询的处理。c o u g a r 系统的数据模型支持两种类型的数据，即存储数据和传感 器实时产生的感知数据。存储数据用传统关系来表示，而感知数据用时间序列来表示。对存储 和感知数据的查询也就是对关系和时间序列的查询，每个连续查询定义为给定时间内保持不变 的一个永久视图，被查询的关系和时间序列可以被更新。 哈尔滨工业大学和黑龙江大学在传感器数据管理系统方面开展了研究工作，提出了以数据 为中心的传感器网络的数据模型、一系列的能源有效的感知数据操作算法和感知数据查询处理 技术，并研制了一个传感器网络数据管理系统【2 l j 。 3 基于普适计算的无线传感器网络信息处理技术研究与实现 1 3 研究目的和意义 1 3 1 研究目的 随着数据密集型应用的飞速发展，应用数据呈爆炸式的增长，使人们对数据处理能力的要 求越来越高。但是现有的数据管理体系结构、方法和技术己经不能满足高性能、大容量分布存 储和处理的需求。利用互联网技术和普适计算平台实现资源的共享，最大程度的避免重复投资 与建设，加快分布仿真原型系统的开发具有现实意义和直接的应用前景。本课题的研究目的是， 对普适计算模式下无线传感器网络的信息处理技术进行研究，初步探讨无线传感器网络信息处 理方法，为下一步无线传感器网络的继续研究提供一些参考。 1 3 2 研究意义 无线传感器网络潜在的实用价值，己经引起了许多国家学术界和工业界的高度重视。无线 传感器网络被认为是2 l 世纪最重要的技术之一，它将会对人类未来的生活方式产生深远影响。 感知数据管理和处理技术的研究是一项实现高效率传感器网络的重要和关键的任务。遗憾 的是，到目前为止，感知数据管理和处理技术的研究还不多，还有大量的问题需要解决。感知 数据管理与处理技术的研究是数据库界面临的新任务和新挑战，也为数据库界提供了新机遇。 1 4 研究内容 本课题是武器装备预研基金项目的一个子课题。主要研究普适计算模式下，数据挖掘技术 在无线传感器网络信息处理中的应用。在对无线传感器网络技术与数据挖掘技术深入研究的基 础上，对数据挖掘算法a p r i o f i 进行改进，使得改进后的a p r i o r i 算法更有效地适用于无线传感 器网络数据库，实现在无线传感器网络数据库的应用。论文主要内容如下： 1 深入研究无线传感器网络技术，采用新兴z i g b e e 组网技术，利用g a i n s j 开发套件组建 一个m e s h 结构的无线传感器网络，设计实现了一个无线、实时的无线传感器网络数据采集系统。 系统中传感器节点定期向协调器发送传感数据，协调器通过r s 2 3 2 串口线连接监控计算机，通 过后台软件i s n a m p j 对传感数据进行可视化及存储。 2 数据挖掘算法的研究、改进与实现。数据挖掘算法多种多样，本文主要研究的是关联规 则中的a 研o r i 算法。在对算法深入了解的基础上，详细分析算法的优缺点，进行了相应的改进， 使得改进后的算法a p r i o f i 1 更好地适用于无线传感器网络数据库。 3 以v c + + 6 0 作为开发平台，s q ls e r v e r 为底层数据库，建立基于无线传感器网络数据库 的数据挖掘系统d m s w s n 。数据挖掘系统包含两大部分：无线传感器网络数据采集子系统和 数据挖掘子系统。数据采集子系统负责采集数据。数据挖掘子系统又分为两个功能模块：数据 操作模块和数据挖掘模块。数据操作模块实现了对数据库的查询、添加、更新数据等功能；数 4 南京航空航天大学硕士学位论文 据挖掘模块则是对数据的挖掘过程，从传感器节点采集的大量数据中挖掘出无线传感器节点间 的关联性。按照节点间的关联性进行分簇，在同簇中用部分关联节点代替全簇节点工作，有效 减少无线传感器网络中节点通信和计算所消耗的能量，从而延长了整个传感器网络的寿命。 1 5 论文组织结构 第一章：绪论 主要介绍了课题来源及背景，分析了国际国内研究的现状，阐述了课题研究的意义和目的 以及论文的主要内容。 第二章：无线传感器网络与z i g , b e e 协议 主要进行无线传感器网络与z i g b e e 协议的研究。介绍了无线传感器网络和传感器节点的体 系结构、特点及目前几种使用较广泛的近距无线通信技术：详细介绍了z i g b e e 协议各层功能及 特点，确定采用z i g b e e 技术的节点作为开发对象。 第三章：数据挖掘技术研究 主要介绍了数据挖掘技术的基本概念以及数据挖掘的任务和过程。着重介绍了关联规则的 基本概念、典型算法。 第四章：无线传感器网络中节点关联规则算法的改进 本章分析了传统a p r i o r i 算法一些固有的缺陷，对其作出了一些改进，尝试提出了一种高效 的关联规则挖掘算法a p r i o r i 1 算法。该算法比a p r i o r i 算法性能有较大改善，具有一定实用性。 第五章：无线传感器网络数据挖掘系统( d m s w s n ) 的设计与实现 分别从系统功能、系统硬件环境、系统软件设计三个方面描述无线传感器网络数据挖掘系 统的设计方案。详细描述了系统开发中的关键技术问题，并给出解决方案，最终开发出无线传 感器网络数据挖掘系统，给出验证结果。 第六章：总结与展望 对本文的工作进行了总结，指出了系统需要改进的地方，为下一步工作提供参考。 5 基于普适计算的无线传感器网络信息处理技术研究与实现 第二章无线传感器网络与z i g b e e 协议 无线传感器网络是由大量的、具有无线通信与计算能力的微小传感器节点构成的自组织分 布式网络系统。其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息并发送给观 察者【2 2 1 。作为一种特定的网络形态，无线传感器网络最根本的技术就是其网络协议。如何在极 其有限的硬件条件下实现高效、安全、低功耗的无线通信成为了无线传感器网络至关重要的问 题。z i g b e e 协议采用i e e e s 0 2 1 5 4 标准的物理层和链路层，并在其上增加了网络层、安全模块 和应用支持子层等相关模块，从而实现了大区域网络覆盖。z i g b e e 由于其在低功耗、低复杂度、 自组织等方面的优势，逐渐成为了无线传感器网络的首选通信协议。 2 1 无线传感器网络 2 1 1 无线传感器网络的结构 无线传感器网络体系结构如图2 1 所示。无线传感器网络通常包括传感器节点( s e n s o r n o d e ) 、汇聚节点( s i n kn o d e ) 和管理节点( m a n a g e rn o d e ) 1 2 3 l 。大量的传感器节点随机布撒在 监测区域内，通过自组织的方式构成网络。大量传感器节点监测的数据沿着其他传感器节点逐 跳的传递，在传输过程中监测数据可能被处理和融合，经过多跳后路由到汇聚节点，最后通过 互联网或卫星到达管理节点。用户通过管理节点对传感器网络进行配置和管理，发布检测任务 以及收集检测数据。 图2 1 无线传感器网络结构图 传感器节点通常是一个微型的嵌入式系统，它的处理、存储、通讯能力较弱，通过自身携 带的能量有限的电池供电。从网络功能上看每个节点兼顾传统传感器及路由器双重功能，除了 进行本地信息收集和数据处理外，还要对其他节点转发来的数据进行存储、管理、融合和转发 等处理，并与网络中其他节点协作完成一些特定任务。 6 南京航空航天大学硕士学位论文 汇聚节点的处理、存储、通讯能力相对较强，有足够的能量供应。它一方面与传感器节点 通讯，收集环境信息，另一方面通过互联网或卫星等方式与管理节点通讯，向用户提供监测数 据。汇聚节点连接传感器网络与i n t e m e t 等外部网络，必须具有两种网络协议之间的通信协议 转换功能，它可以是一个具有增强功能的传感器节点( 有足够的能量供给和更多的内存与计算 资源) ，也可以是没有监测功能仅带有无线通信接口的特殊网关设备。 2 1 2 无线传感器节点的结构 无线传感器节点主要由传感单元、处理单元、无线通讯单元和电源单元四个基本单元组成。 无线传感器节点结构如图2 2 所示。 图2 2 无线传感器节点结构图 传感单元通常由传感器和a d 转换模块组成，负责监测环境中物理信号的采集和模拟信号 到数字信号的转换。处理单元负责传感器节点的管理，存储、处理和发送传感单元采集的数据， 并负责与其他传感器节点的协调，转发、处理其他节点发来的数据。无线通讯单元负责与其它 其他传感器节点进行无线通讯，交换控制信息、收发采集数据。电源单元是传感器节点最重要 的单元之一，负责传感器节点中各单元的电源供应，通常采用微型电池或千电池。 2 2 无线传感器网络的特点 2 2 1 传感器网络的特点 1 规模大、密度高：为了实现对监测区域的精确感知，通常需要部署大量的传感器节点， 传感器节点的数量可能成千上万，形成大面积、高密度的空间分布。 2 无中心、自组织：无线传感器网络所有传感器节点地位平等，节点之间通过分布式算法 协调彼此的行为。节点往往是通过飞机播撒等方法，随机布置到人不可到达的危险检测区域。 这样就要求传感器节点具有自组织的能力，能够自动进行配置和管理，通过拓扑控制机制和通 信协议自动形成多跳网络系统。 3 节点资源受限：传感器节点体积微小，通常携带能量十分有限的电池，使得传感器节点 在计算、存储和通讯能力以及电源能量方面受到严格的限制。特别是能量严格受限，使能量高 效成为无线传感器网络的首选目标，这也是w s n 和传统网络最重要的区别之一。 7 基于普适计算的无线传感器网络信息处理技术研究与实现 4 动态性、可靠性：无线传感器网络的拓扑结构可能会因为节点故障失效、环境变化导致 通信链路变化、信号干扰、节点电源耗尽、新节点加入等因素影响而发生拓扑结构的变化。这 就要求传感器网络系统要能够适应这种变化，具有动态的系统可重构性。另一方面，由于监测 区域环境的限制以及节点数量巨大，不可能人工“照顾”每个传感器节点，网络的维护十分困 难。因此，还需要传感器网络的软硬件具有很强的鲁棒性和容错性。 5 应用相关、以数据为中心：无线传感器网络是用来感知客观世界，获取物理世界信息的， 不同的应用环境对网络的需求不同。另外，不同于传统的以地址为中心的互联网，无线传感器 网络以数据本身作为查询与传输的线索，而不是地址。所以通常说无线传感器网络是一个以数 据为中心的网络【2 2 1 。 2 2 2 传感器节点的特点 1 电源容量有限 传感器节点体积微小，通常携带能量十分有限的电池。传感器节点消耗能量的模块包括传 感器模块、处理器模块和无线通信模块。传感器节点传输信息时要比执行计算时更消耗电能， 传输l 比特信息1 0 0 m 距离需要的能量大约相当于执行3 0 0 0 条计算指令消耗的能量1 2 4 1 。因此如 何在网络中节省电源，延长网络的生命周期是传感器网络面临的挑战之一。 2 通信能力有限 传感器节点的无线通信带宽窄而且经常变化，通常仅有几百k b p s 的速率。传感器之间的通 信断接频繁，经常导致通信失败。由于节点能量的变化，受高山、建筑物、障碍物等地势地貌 以及风雨雷电等自然环境的影响，传感器可能长时间脱离网络。一般而言，传感器节点的无线 通信半径在1 0 0 m 以内比较合适。 3 计算和存储能力有限 传感器节点是一种微型嵌入式设备，要求它价格低功耗小，这些限制必然导致其携带的处 理器能力比较弱，存储器容量比较小。随着低功耗电路和系统设计技术的提高，目前已经开发 出许多超低功率微处理器，除了降低处理器的绝对功耗以外，现代处理器还支持模块化供电和 动态频率调整。利用这些处理器的特性，传感器节点的操作系统设计了动态能量管理和动态电 压调节模块，可以更有效地利用节点的各种资源。 2 3 目前几种使用较广泛的近距无线通信技术 目前使用较广泛的近距无线通信技术是蓝牙( b l u e t o o t h ) 、无线保真技术8 0 2 1 l b ( 晰f i ) 和红外数据传输( i r d a ) 、短距通信n f c 、超宽频( u l t r a w i d e b a n d ) 、z i g b e e 等【2 射。它们都有 其立足的特点，或基丁= 传输速度、距离、耗电量的特殊要求：或着眼于功能的扩充性；或符合 某些单一应用的特别要求；或建立竞争技术的差异化等。但没有一种可以完美到足以满足所有 8 南京航空航天大学硕士学位论文 的需求。这几种短距离无线通信技术的技术特点如下表2 1 。 表2 1 几种短距离无线通信技术的技术特点 速率( b p s ) 距离( 米)功率应用范围价格 b l u e t o o t h l m 1 01 1 0 0 毫瓦家庭或办公室高 w i f il l m1 0 1 0 0l 瓦以上电脑和互联网高 i r d a 1 6 m 1 0低家庭或办公室低 n f c 1 0 m 2 0低家庭或办公室低 u ，b最高l g 1 0 l 毫瓦以下近距离高速传送低 z i g b e e 10 k 2 5 0 k1 0 l o o0 2 5 1 0 0 毫瓦近距离无线连接低 1 蓝牙技术( b l u e t o o t h ) 蓝牙技术是近几年出现的一种无线数据与语音通信的开放性全球 规范，为固定设备或移动设备之间的通信环境建立通用的近距无线接口。其传输频段为全球公 众通用的2 4 g h z i s m 频段，提供1 m b p s 的传输速率和1 0 m 的传输距离。 蓝牙技术遭遇的最大障碍是过于昂贵。突出表现在芯片大小和价格难以下调、抗干扰能力 不强、传输距离太短、信息安全问题等等。 2 无线保真技术( w i r e l e s sf i d e l i t y ，w i f i ) w i f i 正式名称是i e e 8 0 2 1 l b ，与蓝牙一样同 属于短距离无线通信技术。w i f i 速率最高可达l1 m b p s 。虽然在数据安全性方面比蓝牙技术要 差一些，但在电波的覆盖范围方面却略胜一筹，可达1 0 0 m 左右。它的工作频率也是2 4 g h z 3 红外传输技术( i n f r a r e dd a t aa s s o c i a t i o n ，i r d a ) i r d a 是一种利用红外线进行点对点通 信的技术，主要优点是无需申请频率的使用权因而红外通信成本低廉，并且还具有移动通信所 需的体积小、功耗低、连接方便、简单易用的特点。红外线发射角度较小，传输上安全性高。 i r d a 的不足在于它是一种视距传输两个相互通信的设备之间必须对准，中间不能被其它物 体阻隔，因而该技术只能用于2 台( 非多台) 设备之间的连接。 4 近距离无线传输技术( n e a rf i e l dc o m m u n i c a t i o n ，n f c ) n f c 技术是由p h i l i p s 、n o k i a 和s o n y 主推的一种类似于r f i d ( 非接触式射频识别) 的短距离无线通信技术标准。在2 0 c m 距离内工作于1 3 5 6 m h z 频率范围。 5 超宽带技术( u l t r a - w i d e b o n d ，u w b ) u w b 是一种无线载波通信技术。u w b 可在非常 宽的带宽上传输信号。美国f c c 对u w b 的规定为：在3 1 1 0 6 g h z 频段中占用5 0 0 m h z 以上 的带宽。u w b 主要应用在小范围、高分辨率、能够穿透墙壁地面和身体的雷达和图像系统中。 6 紫蜂技术( z i g b e e ) 名字来源于蜂群使用的赖以生存和发展的通信方式，蜜蜂通过跳 z i 醇a g 形状的舞蹈来分享新发现的食物源的位置、距离和方向等信息。其特点如下： 工作频段灵活：使用的频段分别为2 4 g h z 、8 6 8 m h z ( 欧洲) 及9 1 5 m h z ( 美国) ，均为免 9 基于普适计算的无线传感器网络信息处理技术研究与实现 执照频段。 传输速率低：z i g b e e 专注于低传输速率应用，数据传输速度只有1 0 k b p s 一2 5 0 k b p s 。适合传 输一些采集到的温度、湿度之类的简单数据。 功耗低：由于z i g b e e 的传输速率低，加上协议特有的简洁特性和休眠功能，使得z i g b e e 设备的功耗极低。z i g b e e 设备的电池工作时间可达到6 个月甚至两年。 网络容最大：z i g b e e 网络层为每个节点分配一个两字节的网络地址，整个网络可以支持超 过6 5 0 0 0 个节点。数量巨大的网络节点可以根据需要组成星形、树形和网状的网络。 自动动态组网；z i g , b e e 协议层的网络层标准制订了网络的动态组网方法，支持节点动态的 加入和离开网络，使得网络的可扩展性和可修复性得到了极大的加强。 数据传输可靠：z i g b e e 的m a c 层和网络层分别具有点到点和端到端的数据传输确认机制， 保证了系统信息传输的可靠性。 安全性：z i g b e e 提供了数据完整性检查和鉴权功能，在数据传输中提供了三级安全性，可 以用来防止攻击者冒充合法器件窃取数据。 实现成本低：z i g b e e 协议免专利费用，同时对通信设备硬件要求极低，因此设备成本极低。 正是由于z i g b e e 以上的特点使得z i g b e e 协议非常适合无线传感器网络。 2 4z i g b e e 网络协议 2 0 0 0 年1 2 月i e e e 成立了i e e e 8 0 2 1 5 4 工作组，目标是制定一种提供廉价的固定、便携 或移动设备使用的极低复杂度、低成本、低功耗、低速率的无线连接技术。i e e e s 0 2 1 5 4 标准 于2 0 0 3 年正式发布。它定义了物理层( p h y s i c a ll a y e r ，p h y ) 和数据链路层( m e d i u ma c c e s s l a y e r ，m a c ) 。根据开放网络互联( o p e ns y s t e mi n t e r c o r m e c t i o n ，o s l ) 七层协议模型，物理 层和链路层是网络协议中硬件相关的两个最底层协议。但是，仅仅定义物理层和链路层并不能 解决问题。不同厂家如果想解决设备兼容与互通，还需要一套基于i e e e 8 0 2 1 5 4 之上的统一规 范，于是z i g b e e 应运而生( z i g b e e a l l i a n c e ) 。2 0 0 5 年，由英国i n v e n s y s 、日本三菱、美国摩托 罗拉、荷兰飞利浦等公司组成的z i g b e e 联盟发布了正式版本的z i g b e e 标准。z i g b e e 标准基于 i e e e s 0 2 1 5 4 ，并在其上定义了网络层、安全层和应用层。 z i g b e e 协议符合o s i 七层协议模型，从下往上具有物理层、数据链路层、