（计算机科学与技术专业论文）多目标跟踪传感器网络路由策略研究.pdf

国防科技大学研究生院学位论文 摘要 近几年，针对无线传感器网络路由协议的研究相对于传统的无线通讯路由协 议吸引了更多人的研究视线。但是，大部分关于无线传感器网络路由的研究多是 强调去寻找一个能量高效的路径来将数据报文发送到s i n k 节点，而对于强调节点 间合作的应用研究较少。本文正是考虑到这一点，才专门针对多目标跟踪传感器 网络路由算法进行了研究。 本文首先对无线传感器网络进行了概述，介绍了无线传感器网络的体系结构 和无线传感器网络的研究及应用现状，分析了无线传感器网络的特征。使大家对 于传感器网络能有一个初步的了解。 接下来，我们分析多目标跟踪传感器网络的特点，提出了一种多目标跟踪路 由算法( r m t t - - r o u t i n gf o rm u l t i p l et a r g e tt r a c k i n g ) 这种算法主要是通过节点 之间的合作，将跟踪目标的信息传送给s i n k 节点。它的优点是能够均衡节点能耗， 减少树的变换开销。 然后，我们做了r m t t 算法的能耗分析，取得了比较满意的结果。 文章的最后，为了能将这种算法在实际的环境中模拟，我们专门为其设计了 传感器节点。首先分析了现有的节点产品，然后提出了四种设计方案。最后，选 择了方案中最优的一种进行实现。同时我们也指出了下一步的研究方向和应该进 行的工作。 主题词：无线传感器网络，路由，传感器节点，目标跟踪 第i 页 国防科技大学研究生院学位论文 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，t h er e s e a r c ho nt h er o u t i n gp r o t o c o l so fw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r ki s m o r ea t t r a c t i v et h a nt h a to nt h et r a d i t i o n a lw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nr o a d b u t , t h eb i g p a r to f r e s e a r c hc o n c e n t r a t eo nh o w t of i n da ne n e r g y - e f f i c i e n tr o u t et ot h et r a n s m i td a t a t os i n kn o d e ，a n dt i t t l ef i l lc o l l a b o r a t i o no f n o d e s c o n s i d e r i n gt h a t , w es t u d yt h em u t i n g p r o t o c o lo f m u l t i p l em o b i l et a r g e tt r a c k i n gi ns e n s o rn e t w o r k s i no u rp a p e r , w eg e n e r a l i z et h ew i r e l e s ss e l l s o rn e t w o r kf i r s t l y , d e s c r i b i n gt h e s y s t e mo f i ta n dt h ea c t u a l i t yo f r e s e a r c ha n da p p l i c a t i o n w ea l s oa n a l y z et h ec h a r a c t e b o fw i r c l e s ss e n s o rn c t w o d ca l lo ft h e s ec a nh e l py o uu n d e r s t a n dt h em o d e lo fw i r e l e s s 鲫l l s o rn e t w o r k s n e x t , t h r o u g ha n a l y z i n gt h ec h 卸陷c t e 招o f m u l t i p l em o b i l et a r g e tt r a c k i n gi n 船n s o r n e t w o r k s ，w ep r o p o s eam u t i n gp r o t o c o lf o rm u l t i p l et a r g e tt r a c k i n g ( r m t t - - r o u t i n g f o rm u l t i p l et a r g e tt r a c k i n g ) i nt h i sa r i t h m e t i c ，t h ed a t ao f t a r g e ta r es e n tt os i n kn o d e t h r o u g ht h e c o l l a b o r a t i o no f n o d e s i tg a nb a l a n c et h ee n e r g yc o n s u m p t i o no f n o d e sa n d r e d u c et h ee n e r g yu s e db yc o n f i g u r a t i o no f t r e e t h e n , w em a k ea na n a l y s i sa b o u tt h ee n e r g yc o n s u m p t i o no f r m t t ，a n do b t a i n i n g t h em o r es a t i s f i e dr e s u l t a tt h ee n do ft h i sa r t i c l e ，w ed e s i g nt h es e n s o rn o d e sf o ra c h i e v i n gt h ea r i t h m e t i c r ea n a l y z et h ec u r r e n tp r o d u c t i o n s a n dp r o p o s ef o u rp r o j e c t s a tl a s t , w es e l e c tt h e b e s to n eo f p r o j e c t sa n dc o n l ei tt r u e a tt h es a m et i m e ，w ea l s op o i n to u tt h er e s e a r c h d i r e c t i o na n dt h et a s kf o rt h ef u m l e k e yw o r d s ：w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k m u t e 。s e n s o rn o d e ，t a r g e tt r a c k i n g 第i i 页 国防科技大学研究生院学位论文 表目录 表lw i n s 目中无线传感器节点的能耗数据3 9 表2m e d u s a - i i 项目中无线传感器节点的能耗数据3 9 表3 方案对比表4 4 第1 页 国防科技大学研究生院学位论文 图目录 图2 1 图2 2 图2 3 图2 4 图3 1 图3 2 图3 3 图3 4 图3 5 图3 6 图3 7 图3 8 图3 9 图3 1 0 图3 1 1 图3 1 2 图3 1 3 图3 1 4 图3 1 5 图3 1 6 图4 1 图4 2 图5 1 图5 2 图5 3 图5 4 图5 5 图5 6 图5 7 图5 8 传感器网络体系结构4 传感器节点体系结构。5 传感器网络协议栈。5 传感器网络协议框架6 s p 工作原理图1 6 d d 工作原理图1 7 1 1 1 e n 工作原理图1 9 网格划分图1 9 状态转换图2 0 g e a r 工作原理图2 0 节点状态转换图2 3 节点唤醒图2 4 局部树构建图2 4 o c r 算法的局部树构建图2 4 r m t t 算法的局部树构建图2 5 新根的选择原理图2 5 根替换原理图2 6 增加分支原理图2 6 理由分析图2 7 多根信息的汇总图2 8 节点的能耗对比图3 1 消息开销对比图3 2 节点结构图3 8 方案l 结构图4 2 方案2 结构图4 2 方案3 结构图4 3 测温电路和j t a g 电路4 6 电源电路4 6 扩展存储器电路4 7 射频板电路原理图4 7 第1 v 页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已 经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它教育机构的学 位或证书而使用过的材料与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示谢意 学位论文题目：垒旦拯退跬篮盛墨圆垒整由筮坠盈究 学位论文作者签名：喜陋l 日期：- 切年阽月如日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留使用学位论文的规定本人授权国 防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文档，允 许论文被查阅和借i 网；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据厍进行检索， 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存汇编学位论文。 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文题目：垒旦拯堡篮篮壁墨旦签竖由筮! 垒盈窥 学位论文作者签名： 童j 亟日期：h 年肚月如日 作者指导教师签名：莲匿i 主1日期：6 年，2 ，月日 国防科技大学研究生院学位论文 第一章绪论 1 1 课题研究背景 对于传感器网络系统，路由协议设计的研究是很重要的。这主要是因为：1 ) 传感器网络中的多数节点都是源节点，向小量目的节点s i n k 发送数据；2 ) 由于在 被测对象内部或附近部署了大量的节点，它们采集到的数据是相同或相近的，这 就需要路由协议具有数据融合能力，以节约电能，提高带宽利用率；3 ) 节点具备 的处理能力，电能和存储能力是很有限的，需要强大的资源管理和任务调度能力。 一个好的无线传感器网络路由协议应具备如下特征： 一具有动态的选择汇聚节点的能力。很明显，汇聚节点的生命周期直接影响 到整个传感器网络的生命周期。在信息的传递过程中，汇聚节点的使用频率最高， 能量消耗最大。当某一个汇聚节点的能量消耗过大时，传感器网络能够根据汇聚 节点的能量消耗状况，动态的选择能量消耗少的节点，进行信息的传递，平衡整 个网络的汇聚节点的能量消耗，可以延长传感器网络的生命周期。 快速的数据融合技术。多传感器的信息采集过程同时也是多信息的融合问 题。如果信息能够在传感器节点进行快速的信息融合和分离，将提高整个网络的 运行效率。 -随机路径选择能力。当有多条路径可以进行信息传递时，系统可以根据整 个网络的能量消耗进行平衡，从多条路径中选择最适合的路径。 目前，大部分关于无线传感器网络路由的研究多是强调去寻找一个能量高效 的路径来将数据报文发送到s i n k 节点。例如：d i r e c t e dd i f f u s i o n 1 【2 】，l e a c h 3 】 和t w o - t i e r d a t a d i s s e m i n a t i o n 4 。而对于强调节点间合作的应用研究较少。z h a o e ta 1 【5 】，【6 】， 7 1 研究了采用消息驱动的方法来跟踪一个移动目标的问题。他们的方 法是通过一个节点来探测目标的状态。他们考虑了当目标移动时，侦查节点的交 接问题。但由于始终只有一个侦查节点，所以节点之间的合作极少。c e r p a e t a l 【8 】 提出了采用目标周围多个节点合作的方法来确保收集到的目标信息准确，可靠。 但是具体的方案没有给出。b r o o k se ta 1 9 】虽然给我们提供了一种基于簇的数据收 集方法，这种方法要求所有的节点互相交换它们的感应数据。但是它的容错性较 差而且数据的冗余大，从而导致能量的浪费。c a oe ta 1 【l o 】，【1 1 】提出了一种基于树 的重构的目标跟踪方法。这种方法要求随着目标的移动，对侦查树进行重新构造。 但是没有考虑到多个目标的情况，以及目标的移动方向可能会使树的重构带来更 多的能量消耗。 在这篇文章中，我们正是出于以上原因，提出了一种多目标跟踪路由策略 第1 页 国防科技大学研究生院学位论文 ( r m t t - - r o u t i n gf o rm u l t i p l et a r g e tt r a c k i n g ) ，并针对这种网络应用设计了传感 器节点。 1 2 课题研究内容 本课题主要承担了多目标跟踪传感器网络路由策略的研究。在研究的过程中， 我们对o c r ( o p t i m i z e dc o m p l e t er e e o r t f i g u r a t i o n ) 算法进行了改进，提出了一种 更具优越性的算法rm ，r r 算法。这种算法的提出是因为我们发现o c r 算法存在 以下两点不足：1 局部树的构造是选择自己邻居中距离r o o t 最近的节点作为父母， 这样做会使能量的消耗不均，容易造成某些节点快速失效。2 当目标移动的方向是 远离s i n k 节点时，如果仍然采用根替换的算法，那么数据将会被送到远离s i n k 节点 的地方。因此，当根节点的信息要传送回s i n k 节点时，一部分能量就会浪费在往返 的途中。所以，我们从这两个方面进行了改进，并且把算法扩展为对多个目标的 跟踪，从而更具实际意义，然后我们做了能量分析，证明了这种优越性的存在。 接下来，为了实现这种算法，我们为其设计了传感器节点。我们分析需求，制定 方案，设计原理图，生成电路板，最终实现了传感器节点的方案。 1 3 课题研究现状 在本课题完成过程中主要取得以下成果： 1 针对多目标跟踪传感器网络的特点，设计r m t t 算法并对其进行了能耗分 析； 2 设计并实现这种应用于多目标跟踪传感器网络的传感器节点； 目前，已完成了传感器节点的设计并且通过公式分析，体现了r m i t 算法的 优越性，达到了预期的目标。 1 4 论文的组织形式 这篇论文是对自己在硕士阶段课题研究的一个总结和升华，全文共分六章。 第一章主要介绍了和课题相关的一些研究背景、研究现状等； 第二章对无线传感器网络进行了概述，介绍了它的体系结构和一些网络特 征，以及发展现状等； 第三章分析了无线传感器网络的路由策略，提出了针对多目标跟踪应用的 r m t t 算法，并对其进行了详细的描述； 第四章分析了r m t t 算法的能耗并将其公式化，然后在此基础上分析说明了 算法的优越性： 第2 页 国防科技大学研究生院学位论文 第五章详细阐述了传感器节点的分析、设计和实现过程； 第六章总结了本文的工作，并介绍了下一步研究应该关注的方向。 第3 页 国防科技大学研究生院学位论文 第二章无线传感器网络概述 2 1 传感器网络体系结构 2 1 1 传感器网络结构 传感器网络结构如图2 1 所示，传感器网络系统通常包括传感器节点、接收节 点和管理节点。大量传感器节点随机部署在监测区域内部或附近，能够通过自组 织方式构成网络。传感器节点监测的数据沿着其他传感器节点逐跳地进行传输， 在传输过程中监测数据可能被多个节点处理，经过多跳后路由到接收节点，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，发布监测任务以及收集监测数据【2 0 】。 图2 1 传感器网络体系结构 传感器节点通常是一个微型的嵌入式系统，它的处理能力、存储能力和通信 能力相对较弱，通过携带能量有限的电池供电。从网络功能上看，每个传感器节 点兼顾传统网络节点的终端和路由器双重功能，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、管理和融合等处理，同时与其他 节点协作完成一些特定任务。目前传感器节点的软硬件技术是传感器网络研究的 重点。 接收节点的处理能力、存储能力和通信能力相对比较强，它连接传感器网络 与锄脚1 e t 等外部网络，实现两种协议栈之间的通信协议转换，同时发布管理节点 的监测任务，并把收集的数据转发到外部网络上。汇聚节点既可以是一个具有增 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。 第4 页 国防科技大学研究生院学位论文 2 1 2 传感器节点结构 传感器节点由传感单元、控制单元、通信单元和能量供应单元四部分组成， 如图2 2 所示。传感单元负责监测区域内信息的采集和数据转换；控制单元负责控 制整个传感器节点的操作、存储和处理本身采集的数据以及其他节点发来的数据； 通信单元负责与其他传感器节点进行无线通信、交换控制消息和收发采集数据； 能量供应单元为传感器节点提供运行所需的能量，通常采用微型电池。 图2 2 传感器节点体系结构 2 1 3 传感器网络协议栈 随着传感器网络的深入研究，研究人员提出了多个传感器节点上的协议栈。 图2 3 所示是早期提出的一个协议栈，这个协议栈包括物理层、数据链路层、网络 层、传输层和应用层，与互联网协议栈的五层协议相对应。另外，协议栈还包括 能量管理平台、移动管理平台和任务管理平台 1 3 】。 图2 3 传感器网络协议栈 这些管理平台使得传感器节点能够按照能源高效的方式协同工作，在节点移 动的传感器网络中转发数据，势支持多任务和资源共享。各层协议和平台的功能 第5 页 国防科技大学研究生院学位论文 如下： - 物理层提供简单但健壮的信号调制和无线收发技术： 数据链路层负责数据成帧、帧检测、媒体访问和差错控制； 一网络层主要负责路由生成与路由选择： _ 传输层负责数据流的传输控制，是保证通信服务质量的重要部分； - 应用层包括一系列基于监测任务的应用层软件； 能量管理平台管理传感器节点如何使用能源，在各个协议层都需要考虑节 省能量【1 6 】； - 移动管理平台检测并注册传感器节点的移动，维护到汇聚节点的路由，使 得传感器节点能够动态跟踪其邻居的位置； 一任务管理平台在一个给定的区域内平衡和调度监测任务 图2 4 所示的协议栈细化并改进了原始模型。定位和时间f 司步子层在协议栈中 的位置比较特殊。它们既要依赖于数据传输通道进行协作定位和时间同步协商。 同时又要为网络协议各层提供信息支持，如基于时分复用的m a c 协议，基于地理 位置的路由协议等很多传感器网络协议都需要定位和同步信息。所以在图2 4 中用 倒l 型描述这两个功能子层。图2 4 右边的诸多机制一部分融入到图2 3 所示的各 层协议中，用以优化和管理协议流程；另一部分独立在协议外层，通过各种收集 和配置接口对相应机制进行配置和监控。如能量管理，在图2 3 中的每个协议层次 中都要增加能量控制代码，并提供给操作系统进行能量分配决策；q 0 8 管理在各 协议层设计队列管理、优先级机制或者带宽预留等机制，并对待定应用的数据给 予特别处理；拓扑控制利用物理层、链路层或路由层完成拓扑生成，反过来又为 它们提供基础信息支持，优化m a c 协议和路由协议的协议过程，提高协议效率， 减少网络能量消耗；网路管理则要求协议各层嵌入各种信息接口，并定时收集协 议运行状态和流量信息，协调控制网络中各个协议组件的运行。 l 上器庭蔫 lii 蓟刚 l 蒋赣象爨l | a l l 量l l 三i 麓由 il 籀i i 窭i l 曩l _ _ _ _ _ _ - - - - - - _ _ _ _ _ j ii lil 目il _ l r _ _ - _ _ l “i tji il4 l i 魏蝴l1 7 r l 二l i i锈慧i l ll 翔lll 2 2 传感器网络的特征 第6 页 国防科技大学研究生院学位论文 2 2 1 传感器网络的特点 为了更清楚地说明无线传感器网络的特点，首先简要讨论一下相关的几种无 线网络模型：移动自组织网络m a n e t ( am o b i l ea dh o en e t w o r k ) 、蜂窝网络以及 包括蓝牙在内的许多短距离的无线局域网。移动自组织网络是对等网络，它通常 包含成千上万个通信节点，这些节点能覆盖到几百米的范围，可以是完全移动的。 m a n e t 的目的是形成并维持一个有联系关系的多跳网络，并保证节点在高速移动 情形下，网络仍能提供好的吞吐时延特性。m a n e t 的能量消耗并不是设计主要考 虑的因素，因为每个设备总是隶属于人的，当我们猜测电池的能量可能快耗尽时， 就将它替换掉。蜂窝网络是由静止节点和移动节点组成的很大网络。位于通信子 网中的静止节点( 基站) 和构成固定基础设施结构的有线中枢网络相连。每个基站都 覆盖一个很大的区域，有成百上千个移动节点。这种蜂窝网络的主要目标就是提 供高的服务质量和高的带宽效率。基站有无限的功率供给，丽移动台由电池供电。 蓝牙是短距离的无线网络系统，其目的是替换掉电器之间的电缆线，同时提供电 器间的射频连接。蓝牙的拓扑为星形网络结构，一个主节点最多可以有7 个附属 节点与之相连，从而构成了微微网络。网络的信息速率大约为lm b i t s ，典型的 传输功率是lm w ，可望覆盖1 0m 的范围。还有一种正在发展的短距离商用系统 是家用射频( h o m e r f ) 。此系统网络模型基于i e e e 8 0 2 1 l 标准，是一种单跳自组 织网络。信道接人基于时分多址( t d m a ) 和载波侦听多址接人( c s m a ) 模式。信息 速率最高可达大约2m b i t s ，传输功率是1 0 0m w 。综上所述，这些传统的无线网 络的主要目标都是在移动环境下能提供高的服务质量( 即高吞吐量低时延) 和高 的带宽效率，以传输数据为目的。网络的设计遵循着“端到端”的边缘论思想， 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，而且能量消耗并不是设计主要考虑的因素 2 1 1 。 无线传感器网络除了具有无线网络的移动性、断接性等共同特征以外，还具 有很多其他鲜明的特点。 1 ) 传感节点体积小，成本低，计算能力有限。无线传感器网络是在m e m $ 技 术、数字电路技术基础上发展起来的，传感节点各部分集成度很高，因此具有体 积小的优点，当然从应用角度讲，减小节点尺寸也是必须考虑的设计要素。传感 网络是由大量的传感节点组成的，单个节点的成本直接影响到网络的总体成本， 如果总体成本比使用传统传感器的成本高，势必会影响无线传感网络的竞争力。 由于体积、成本以及能量的限制，嵌人式处理器和存储器的能力和容量有限，因 此传感器的计算能力十分有限。 2 ) 传感节点数量大、易失效，具有自适应性。根据应用的不同，传感器节点的 数量可能达到几百万个，甚至更多。此外，传感器网络工作在比较恶劣的环境中， 第7 页 国防科技大学研究生院学位论文 经常有新节点加人或已有节点失效，网络的拓扑结构变化很快，而且网络一旦形 成，人很少干预其运行，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。 3 ) 通信半径小，带宽很低。无线传感器网络是利用“多跳”来实现低功耗下的 数据传输，因此其设计的通信覆盖范围只有几十米。和传统无线网络不同，传感 器网络中传输的数据大部分是经过节点处理过的数据，因此流量较小。根据目前 观察至q 的现象特性来看，传感数据所需的带宽将会很低0 - - 1 0 0k b i t s ) 。 4 ) 电源能量是网络寿命的关键。无线传感器网络中通常运行在人无法接近的恶 劣甚至危险的远程环境中，能源无法替代，只能选择纽扣式电池供电，电源能量 极其有限，网络中的传感器由于电源能量的原因经常失效或废弃，因此电源效率 是设计考虑的关键因素。 5 ) 数据管理与处理是传感器网络的核心技术。对于观察者来说，传感器网络的 核心是感知数据，而不是网络硬件。比如在智能家居应用中人们可能希望知道“现 在客厅的温度室多少”，而不会关心“2 号节点感测到的温度是多少”。以数据为 中心的特点要求传感器网络的设计必须以感知数据管理和处理为中心，把数据库 技术和网络技术紧密结合，从逻辑概念和软、硬件技术两个方面实现一个高性能 的以数据为中心的网络系统，使用户如同使用通常的数据库管理系统和数据处理 系统一样自如地在传感器网络上进行感知数据的管理和处理。 2 2 2 传感器网络的主要研究内容 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，有非常多的研究方向有待发现，下面仅列出两项主要的研究内容。 1 新型智能传感器关键技术和传感系统 传感器网络系统的性能很大程度上取决于作为网络节点的智能传感器的性 能。智能传感器是目前国际传感器领域的一个热点问题，其科学意义和应用价值， 已引起了世界各国学术界、军事部门和工业界的极大关注。美国国防高级研究计 划局把智能传感器及网络作为一项最高优先发展的研究计如，出资近7 亿美元， 以求获得所谓战区“超视觉”数据。美国国家科学基金会n s f 一期资助4 0 0 0 万美 元在u c l a 成立了传感器网络研究中心，联合各高校展开“嵌入式智能传感器” 的研究项目，以求对物理世界实现全方位的监测与控制。 ( 1 ) 新型智能化传感器的研制 研究新型传感器概念、理论和技术：研究新型传感器材料和传感器装置；研 究高速低功耗智能核心传感器芯片以实现信息采集的核心处理器。将自主设计实 现不f 哥类型传感器。利用各种新机理、新材料、新工艺、新结构研究新型的传感 第8 页 国防科技大学研究生院学位论文 器，在尺寸尽可能小的前提下，提高传感器的性能。微小型传感器主要是研制应 用m e m s 技术开发力、光、电、热、电磁等多手巾传感器及执行器：智能化传感器 主要研究将传感器( 执行器) 、信号调理器、a d ( d a ) 、存储器、处理器、通 信接口集成一体化的技术。包括：动态触觉、温度、湿度、压力复合传感器，检测 信息处理的专用集成电路硬件实现等。 ( 2 ) 无线传感器网络接点技术 在传感器网络节点设计中，需要重点突破的关键技术涉及无线传感器节点微 型化技术，在有限的系统资源条件下，微型、廉价、能量有限的多功能传感器设计 技术。传感器网络节点有快速移动的可能，同时伴随有老节点的失效、新节点的 加入以及用户应用任务的不断变化等，这些都将导致网络拓扑结构频繁发生变化。 因此必须赋予无线传感器网络节点及系统新的功能特性，系统必须具有自适应和 自配置的能力。研究节点系统各个部件在给定外部环境变化范围内的稳定工作所 需技术，保证系统在恶劣环境下的运行。 ( 3 ) 低功耗系统设计技术研究 低成本节点系统供电技术是一个重要的技术难题，研究在能源有限的条件下， 系统能够有效运行的相关技术也是一个重要内容。分析研究新型光电材料的工作 原理、结构、加工工艺和专用集成电路的硬件实现，设计专用的供电系统。 2 传感器网络的网络协议研究 网络协议是传感器网络系统的一个非常重要的研究方向。该方向重点研究传 感器网络的分布式自治系统及关键技术，适用于传感器网络的网络通信协议、支 持传感器网络通信的各种协议、时间同步、任务分配与协调控制以及相应的软硬 件资源等。网络协议的重点研究目标就是如何设计能量高效的传感器网络系统， 即如何优化m a c 协议和路由协议，来延长网络生存时间。传感器网络的网络协议 是传感器网络其它核心技术和支撑技术的基础。 ( 1 ) m a c 层协议研究 对m a c 层协议的研究，主要集中在网络的拓扑结构和共享通信信道的介质访 问控制协议的研究。所构造的传感器网络结构应该适应以下三种变化：1 网络中传 感器节点的随机放置；2 部分节点因为损坏和电源耗尽而停止工作，从而从网络上 消失；3 节点失效或待监测目标的变化而导致的新节点的补充加入。核心问题是根 据环境的变化、任务目标的不确定性和网络系统自身的动态变化，利用智能计算 和系统理论方法，研究自主、在线地组织网络拓扑结构。 ( 2 )能量高效的路由协议 对于传感器网络系统，路由协议设计的研究是很重要的。这主要是因为：1 ) 传感器网络中的多数节点都是源节点，向小量目的节点s i n k 发送数据：2 ) 由于在 第9 页 国防科技大学研究生院学位论文 被测对象内部或附近部署了大量的节点，它们采集到的数据是相同或相近的，这 就需要路由协议具有数据融合能力，以节约电能，提高带宽利用率：3 ) 节点具备 的处理能力，电能和存储能力是很有限的，需要强大的资源管理和任务调度能力。 ( 3 ) 节点自定位技术 传感器节点在被布置在目标区域之后，多节点协调的自身定位是传感器网络 应用的基础。传感器网络规模大、节点成本低廉的特点使得人工布置网络或者为 每个传感器安装g p s 定位模块很不实际。目前，所有的节点定位算法都假设传感 器网络节点分布在一个二维空间中，且一部分是位置已知的锚节点，通过g p s 信 号来确定自身的位置，剩下的普通节点就靠锚节点和定位算法的共同作用来确定 其位置。 2 3 无线传感器网络的发展现状 2 3 1 无线传感器网络的研究现状 “科技攻关项目把传感器网络列为重大研究项目。对传感器网络系统信息获 取与处理相关技术的研究，符合国家的整体科技发展计划，对国防科学技术和国 家经济建设具有重要的战略意义。在国防技术方面，传感器网络信息获取与处理 系统可以将大量地理上分散的战区传感器、指挥控制中心、主战武器平台以及处 于动态移动的目标等联系起来，从而提高综合传感器网络系统是当今前沿性的热 点研究方向之一，有着巨大的科学意义和应用前景，被认为是将对2 l 世纪产生巨 大影响力的高技术之一。2 0 0 3 年2 月份的美国技术评论杂志评选出对人类未 来生活产生深远影响的十大新兴技术，传感器网络即被列为第一。美国商业周 刊在2 0 0 3 年g 月的技术评论中，已经将传感器网络定位成2 1 世纪高技术领域 的四大支柱型产业之一，其潜在的市场需求十分巨大。传感器网络系统已引起了 世界各国学术界、军事部门和工业界的极大关注。 国外的一些著名大学，如加州大学洛杉矾分校、康奈尔大学、麻省理工学院 和加州大学伯克利分校等也先后开展了传感器网络方面的研究工作c 2 2 】。加州大学 洛杉矶分校在生态监控方面研究了小气候传感器和视频传感器网络技术，在地震 监控和响应结构方面研究了数据通信控制器和网络时间同步、传感器可靠部署、 宽带地震网络、结构检测的无线地震监控网络。加州大学伯克利分校实施了w i n s 项目，项目包括n e s t ( 网络嵌入系统技术) ，为网络嵌入系统开发了一系列的软 硬件实验平台，包括在小型传感器器上运行的t i n y o s 操作系统，t o s s i m 模拟器， 数据查询系统t i n y d b ，以及在t i n y o s 上运行的编译器n e s c ，用于传感器网络的 定位系统c a l a m a r i ，链路层加密算法t i n y s e c ：还包括s e n s o r w e b s 、s m a r t d u s t 、 第1 0 页 国防科技大学研究生院学位论文 p i c or a d i o 等部分。麻省理工学院研究了传感器网络的数据流管理系统集成框架， 查询优化技术，网络节约能量的拥塞控制等，中间件技术比如定位、追踪和联网 等，大型传感器网络可扩展算法，还研究了传感器网和移动装置网的分布算法， 这些研究获得了n s f 、d a r p a 和空军太空实验室的支持。 在国内传感器网络系统方面的研究起步较晚，近两年才受到广泛关注。“传 感器网络系统的基础软件及数据管理关键技术的研究”已被列为国家自然科学基 金委员会信息科学部与微软亚洲研究院正式签署的第二期联合资助项目之一，国 家“十五战斗能力和预防能力。在民用方面，在环境监测、生态保护、交通、工 业控制等方面，传感器网络可以为我们及时准确的提供全方位的监测手段和监测 信息。 研究成果举例如下： l 、2 0 0 3 2 1 4 本特利内华达发布t r e n d m a s t e r 它是低成本、刨新性的状态监测系统，通过有线或无线网络将几千个传感器 连接到一起。t r e n d m a s t e r 平台于1 9 8 9 年首次发布，为一般用途机械和采用传统框 架安装的连续监测系统成本过高的机械设备提供在线状态监测测量。该系统采用 特殊的传感器总线网络和能够巡检几千个传感器的低成本数据采集模块，提供准 连续的状态监测功能，通常一小时巡检每个测点几次。它的结构将每个测点的成 本降低到与使用便携式数据采集仪表手动采集数据的传统状态监测方式接近的水 平。 该系统支持振动、温度、密封泄漏、转速、压力、流量、电平、电源以及其 它多种类型的传感器。具有重要意义的一点是，该系统与在化工厂或炼油厂常见 的有害地区标准兼容。特殊的设计允许几十个传感器共用一个本质安全设备，显 著地降低了用于有害地区时的成本。t r e n d m a s t 盯系统已在全球接近1 0 0 0 个工厂中 成功应用，包括水泥生产、炼油、钢铁、发电、制药、半导体制造及h v a c ( 供 热通风空调) 等行业。通过该系统的应用，降低维护成本和减少过程中断所带 来的收益大于1 5 0 万美元，在年内的投资回报超过4 0 0 。 该系统中的各个传感器单元均为固定单元，与随机分布的无线传感器网络相 比，这种系统更加稳定，功耗可以做到更低，体积更小，价格更便宜。它用间断 地扫描各个传感器信息代替实时扫描，大幅度降低了传感器网络的功耗。这种固 定的无线传感器网络，应用范围更广，不但可以实现更多的功能，而且更容易实 现和控制。 2 、m i l l e n n i a ln e t 公司i - b e a n5 0 0 0 收发器 该硬币大小的i - b e a n5 0 0 0 收发器日前在美国r o s e m o u n t 举行的传感器展览会 上亮相。其电池亦如硬币大小，器件工作寿命为1 0 年，每秒更新一次。该器件 第1 1 页 国防科技大学研究生院学位论文 在无线网络中可以自行组织和自行配置。i e e e s 0 2 1 5 4 标准定义了短距离无线网络 的物理层，在这神情形下，r i e d e l 称m i l l e n n i a l 定义了该协议，实现3 0 米传输速 度1 1 5k b p s ，中继器将延伸网络至3 0 米以上。m i l l e n n i a ln e t 采用了多种i s m 频 带无线技术，包括3 1 5 m i - i z 和2 4 g h z ，硬件供应商包括挪威奥斯陆的c h j p c 0 n 。 新型i - b e a n5 0 0 0 是一个高效远程数据采集系统，包含一个8 通道a d 转换器、2 通道d ，a 转换器、8 个数字u o 通道和2 个脉宽调制通道。 由于该收发器内部集成了a 仍，d ，a 转换器，还有i o 和脉宽调制通道，传感 器的信号可以直接通过a d 转换器等模块直接经收发器发射出去。这样同一个节 点可以让多个同种或异种传感器公用一个收发模块，更加降低使用成本。 为了克服远程无线传感器网络的电池寿命问题，m i l l e n n i a ln e t 公司将其i - b e a n 无线技术与新兴公司f e r r os o l u t i o n s 的“能源收获( e n e r g yh a r v e s t i n g ) ”技术相结合。 在日前i s a2 0 0 3 展会上，该技术进行了首次演示，i - b e a n 无线收发器可以在震动 感应能量转换的驱动下工作，该装置可以带来1 2 到3 6 毫伏的电压。“这可以允 许我们在不用电池情况下，在3 0 米的距离内以1 1 5 k b p s 速率传送信息。”m i l l e n i a l n e t 公司创始人t o d r i e d e l 表示，他担任公司的商业开发和市场部副总裁。n e t ”s i - b e a n s 包括小型、超低功率自供能无线传感器网络器件，可以让传感器与其他其 他监视和控制应用以低速无线网络连接。该技术可用于工业、医疗、消费电子和 军用领域。 3 、三菱电机日前开发成功了一种设想用于传感器网络的小型低耗电无线模块 无线模块的外形尺寸为4 e r a x3 c r u x3 c m ，封装面积约为名片的1 4 左右。使 用4 2 9 m h z 频带的特定小功率无线进行通信。在使用该无线频带的无线模块中为 业界最小。使用市售钮扣电池，工作时间可达1 年以上。通信距离最大为5 0 m ， 数据传输速度最大为2 4 k b i 缈。 为了降低无线模块的耗电量，采取了多种措施。比如，( 1 ) 对等网络通信方 法的研究，( 2 ) 降低微控制器耗电量的技术开发等。 具体来说，措施( 1 ) 通过降低无线模块的通信次数来降低耗电量。比如设想 这样一种情况：终端a 、终端b 、终端c 采用多跳型( m u l t i - h o p ) 连接，由终端 a 向终端c 传输数据。过去的多跳型连接，如果终端b 将从终端a 接收到的数据 向终端c 中继，那么就要向终端a 发送一个通知对方中继成功的响应信号。此次 开发的无线模块，终端a 会对终端b 向终端c 发送数据的无线信号进行监视。这 样一来，终端b 就不需再发送响应信号，从而就能减少各终端的通信次数。措施 ( 2 ) 则根据微控制器的负荷，通过动态改变工作频率来降低耗电量。预先对所需 运算量进行预测，然后以m s 为单位将通常为1 0 m h z 的微控制器调整到5 加舷或 2 5 姗z 的频率上。 第1 2 页 国防科技大学研究生院学位论文 4 、德国研制只有豌豆大小的无线传感器 一种新型无线传感器网络系统将问世。这神新型传感器只有豌豆大小，可用 于操纵机器人、监护病人。以及找寻事故中的死伤者。这种传感器网络系统是欧 盟近年来的一项重要科研项目，由欧洲的几个著名科研机构如柏林工业大学、弗 朗霍夫研究所以及费迪南一布劳恩研究所共同研制。 这种微型无线传感器可以傲成多种形式，其中最常见的是腕式传感器。它可 以随时监控病人的身体状况，并在必要的时候发出警报。此外，由多个传感器连 接而成的传感器网络，能够快速准确地找到事故中死伤者的位置，从而使救援工 作大为简化。 5 、英特尔公司的微粒传感器 该监控器的体积如同一对五号电池那么大，它包括微处理器、存贮器和传感 器等部分，能监控光、湿度、压力和温度。它还装有无线电收发器，其功率大小 刚好能够接收到相邻“微粒”的信息，并可将信息发送给相邻的另一个“微粒”。 对于“微粒”之间的信息传递，有一个比喻非常形象，那就是如同排成一行的救 火队员在传递水桶。 目前，库勒领导着英特尔公司的一个研究小组正在完善这种“微粒”传感器， 并正在研究由成千上万甚至数百万个传感器组成的无线网络。这些网络将能对许 多物体进行监测，包括交通、气候、地震活动、战场上部队的移动、建筑物和桥 梁所承受的荷载，等等。由于这样的网格分布极广，以至于网格中的传感器既不 能用电线相连来提供能源，也不能通过电线进行信息传输，所以该小组面临的第 一个挑战就是要制造出能够利用极小的电池能源进行无线信息传输的“微粒”样 机，并将这些“微粒”样机组成一个网络进行试验。在此过程中，他们发现“微 粒”的无线电收发器待机时耗费的能量接近其收发信息所耗费的能量。面对这一 难题，他们从因特网上的数据传输方式得到了启示。模仿因特网上数据被分解成 数据包后在节点之间进行传递，他们让“微粒”的无线电收发器在大部分时间处 于关机状态，在收发数据时才开机，这样，既能保证数据在网络中进行传递，也 节省了能源。 2 3 2 无线传感器网络的应用现状 虽然无线传感器网络的大规模商业化由于技术等方面的制约还有待时日，但 是最近几年，随着计算成本的下降以及微处理器体积越来越小，已经为数不少的 无线传感器网络开始投入使用。目前无线传感器网络的应用主要集中在以下领域 【2 4 】： 1 环境的监测和保护 第1 3 页 国防科技大学研究生院学位论文 随着人们对于环境问题的关注程度越来越高，需要采集的环境数据也越来越 多，无线传感器网络的出现为随机性的研究数据获取提供了便秘，并且还可以避 免传统数据收集方式给环境带来的侵入