（计算机软件与理论专业论文）基于jxta的无线传感器网络的研究.pdf

冀热麦学骥士掌翌蚤交 攮要 无线传麟器网络是撩成了传感器、嵌入式计算、网络和无线潦情瞪大拽术黪 蕊弱一释垒瓣绩息获取帮她蠼技末，宅楚继a d h o c 嘲终之嚣掇现浆耪新型溅 鏊礴设筵戆嚣线翳络，辩够实跨簦灏、感翔稚采巢器转嚣靖蠛蘸灏麓蒙兹霪鑫， 并对其进行处理，传送到滞要这些信息的用户。无线传感器网络魁计算机科举敝 零熬一个薪戆疆突疆域，建骞卡分广捅拣戏耀羲爨，辞 起了学术嚣秘工盈界戢薅 度重甏。 无线传膊嚣网络在部瓣时通常是相馘独立的，肆致其信息檄源受限。根据 q 。s 霎点，熟l 果建落嚣泌络之秘霹潋掬亘秘龚，捷感器瓣络及葜臻户耪哥班分攀 更多戆话爨，褥囊委簿鹣藏务。琵p 方蔑挺供了 瑟静静僖悫莛事警螽及有赣麓漆 源发现方法，利用p 2 p 方式实现传感器网络之间的相互通信和协作，将极大地 推遘莛惑嚣蜒终磐壅曩秘鼗及。 本文对瑟璐簧惑嚣网络、j x 酸祷璇数及无线滤擦方式避孬了潦a 戆磷究， 提出了构建拣于j a 的溅线传感器网络的思想；冠线传感器网络由个网关节 感秘一级终感器繁纛缀藏，瓣关苇煮受漆喜磐雾魏遮麓。疆关竣茏竣穷建连接粼 j x 稻蠹瓠黼绦孛，栈衰了麓络中艇一个鹣e r ，与芟稳健感器瓣络鹣弼关苇点滞e o 砖 以p 2 p 方式通信。针对濑种构造思想，我们定义了湖关节点的体系结构，描谶 了各瑟魂懿；定义了襞惑器蔫轰獒配鬟浆式，它氢疆嚣鼙分：鬓谯醚鲞雾鼗攥熬 麓。最后，潞述r 无线两竣阏与无线广域鼹孛静两辩应薅场景。 使用仿瓶工具s e n 嚣e 对上述思想加以验证。瓣先，对无线倦感器网络的郴 努攘茬遂抒了稼冀鬟毅，癸褥了萎爨络鼯置囊囊警纛密塞基爱节蠡失效海无线甓 憋器鼹络静蹩性能参数的影响。景露，经s e n s 嚣平台静仿真测试，实验缩粜 诞明了基于j x 隗的无线传感器网络魁娜实现的。 关键谣：秃娥传感嚣两终，基予j k r a 酌光线话惑器黼络，j x r 黼，仿真工基， s e n s e 嚣难未= 学醺士攀建 文 a 瓠妇矬e 囊 w i r e i e s ss 煳s o rn e m o r k ( w s n ) ，w h i 曲i sm a d eb ym ec o v e 略e n c eo fs e s o r s 器躐砖潮辨t a 置主鹇嚣撕n 攮sa 翻弼揩l e s s 越糙珏珏j c 嬲。建t e 吐l o 磷e 趣a 珏o v e l t e 曲n o l o g ya 蜘娃ta c q u 瓣n ga 珏dp f o c c s s i 娃g 鞠两n 缸i o 矬薹li sal 越e 一船瞄e lw 妇 e s s n e n o r k so fi n h 钮s t f u c t u r e l e s sn e t w o r ka f t e ra d h o cn e 脚o r k sa n dc a nb eu s e df o r f e 蠢，l i 疆。 e s | i n 器吝搴建鲢n 番l l 掀i 珏g 蠲磊p 船懿强gi 珏f o 黼挂量i o 蠹疆粥。迸o f e d 喇e c 耋s f o f s e r s 诵on e e dt h ei n 融m a 矗o n w s ni san e wf e s o a 燃a f e ao f 潮髓p n | e rs c i e n 。e dt e c h n o l o g y 柚db a saw i d ea p p i i c a t i o nf u t u r e b o l ha c a d e m i aa n di n d u s t f i e sa m 麟咎强耗狂臻e 娃谴矗 w s nw i l lb e 如p l o y e di n d e p e 稚e n t l y 艏e a c l lo h 蝎w h 雄w i l lh n d o 鞋凝d l yl e 聪 t ot h el i m i t a t i o no ff e s o u r c 散a c c o r d i n gt oq o s ，i fs e v 站r a lw s n sc a nc m l a b o r a t i o n w 鑫魏糖矗。疆l 缝萝a 矗d 始矗珏s e 强e 勰始a 羚接o f 。瓤f 破珠采 s 基玎db e 辖e 嚣捃dw e l l + 骶ep 2 pm o t h o dp f o v i d e s 帕e a u t i f u lp l a t 触mf o fi n 釉a t i 曲甜i 稚ga 髓e 臻c i e m r e s o u 赋d i s c 0 v e r y r e a l i z a “o nc o m m u n i c a t i o na n dc o l l a b o r a t i o nb e t w e e nw s n s b a s 醛秘p 嚣w i l la 曲a 羹a p 薅媳强s 鞠d p 蹿谨翻z 磷。建w s n 。 强i sp 印e rh a sat h o f o u 曲r e s e a f c h 椭m ew s n j r ap f o t o c o la n dw i f e l e s s 0 0 h s p o n d e n c em o d e ，a n dp u tf 0 1 w a r da ni d e aa b o u th o 、vt oc o n s r h c tw s n sb a s e d o n 毒粥陵。矬钕w 赘o 醛s 姆o f 叠辞t g w 姆a 翻8s 硪e s 建s e 砖s o r 魏稠o s ；秘l 嚣 g a t e w a yi sr e s p o n s i b l ef o r m m u n i c a 蛀o nw i 也o u t s i d e 聃eg a l e w a yc 0 棘n c c t s 埝协e j x i av i n u a ln e t w o r k sb yw i r e l e s sm o d a n dt 印r e s e n t sa p e e ri nt h ej x l l av i r t u a l 雏e 辩。噍sg 鑫重蝴羚灏n m 聒砸涮霉w 主蠊e a e 鞋鲥l 嚣姆p 露嚣翻e 。w e 蠢蠡秘聪张 舯c h i t e c t u r e0 fw s n 飞g a t a w a ya i m e dt ot h ei d e a ，a l l dd e s 蕊b e d 函e 如n c t i d no fe a 蕊 l a y e lw ea 1 8 0p u tf o 州a r das e n s o rp r o f i l of o 瑚a tw h i c hc o n s i s t so fa t t r i b u t ep r o f i l e 勰l 薹纛疆鼬巍量e 援嚣疽l y ，溉& s 旺i 醅s 瓣os e 赫a 螽o s 硝峡挖l 镐sl 。c a lb e 髓蕊医鞴d w i r e l e s sw i d en e t w d r k s w ev a l i d a t e dt h ea b o v 站i d e ab ys e n s e f i r s t l y w es i m u l a t e ds o m ea t t r i b u t e s0 f w 滔鞋惑噩g 龇s i 瓣囊瓣s 麟s e ，a 赫弦e 娃话ei 氆p a c to f 瓣辩j 畦晦o 娜e 霾蹲n 穗 i i 郑捕夫学镶士学位论空 a s d ed e 珏s 至t ya 嚣d 嚣o d e 铡l u 嘲。秘s o 臻e 虹嬲so fp e 渤戳a n c ep 啪m 烈c f so fw s n n e x t 像e 弹辄l t 妊i 磕s i m 珏l 镀e do 珏佼es e n s e 妫测蹲氆越w s b 8 s e do 娃j x 强i s a c h i e v a b l e k e ，m r d s ：w i r e i e s ss e n s o rn e t 、v o r k s ( w s n s ) ，w s n sb a s c d o nj x i 茂j x i a ，s i m l a t o r ， s e n s e m 郑重声明 y9 7 主6 8 本人的学位论文是在导师指导下独立撰写并完成的，学位论文没 有剽窃、抄袭等违反学术道德、学术规范的侵权行为，否则，本人愿 意承担由此产生的一切法律责任和法律后果，特此郑重声明。 学位论文作者( 簦名) ：崔蝴 枷年月2 日 罄予j x l a 的无线传感器鼹络的研究 第一章引言 1 1 无线传感器网络研究的价值和意义 无线佟懑嚣网络被认必是2 l 世纪最黧要豹技米之一，它姆会对人类拳来豹 生活方式产生蔽太影响。麻省穗工学院静技术评论杂志出l o l o g y 鬏“i 嘲1 1 l 评出了对人类未来生活产生深远影响的十大新兴j 雯术，无线传感器阔络帮位于这 十种新技术之酋。 无线传感器网络综合了传感器技术、嵌入式计算技术、无线网络通信技术、 分布式信息处理技术以及微机电披术等，能够通过备类集成化的微趔传感器协作 地实时监测、感知秘采集各釉环境成监测对象的信息，通过嵌入式系统对信息进 嚣处理，并逶过照规囊组织无线逶痞耀络以多跳中继方式烽蘩息传送到终端用 户。 由于无线传感嚣网络瀚巨大应稻价值，它已经弓| 嫠了毽界许多潼家豹军事藩 门、工她乔和学术界的极大关注。在美国军方、美凿国家自然科学基金和一些跨 国企业的支持下，美国在9 0 年代初便开展了无线传感器网络的研究和开发。美国 自然科学基金娄员会2 0 0 3 年制定了无线传感器网络研究计划，投资3 4 0 0 0 0 0 0 美元，支持相关基础理论的研究，美国国防部和各军事部门都对无线传感器网络 绘予了高度重褪，提出了c 4 i s r t 计划，强调战场情报的感知能力、信息的综 合能力和信息的剩蠲熊力，把茏线传感器燃络终巍一个重要研宠镪域，设立了一 系翔静军事传感器阚络疆究矮强。美国荚特尔公司、美国徽软公司簿爨患工韭爨 巨头也开始了_ 茏线传感器嗣络方面的工俸，纷纷设立或启动相痘的幸亍动计划。| i = = l 本、英国、意丈利、巴西等国家也对无线傣感器网络表现磁了极大的装趣，纷纷 展开了该领域的研究工作。近年来，在中闰国家自然科学基金、霞家“8 6 3 ”计 划基金的支持下，中国的些研究机构也开始开展无线传感器网络领域的研究， 包括中国科学技术大学、清华大学、中科院计算所、上海微系统所、沈阳自动化 所以及会腮智缝所、西安电子秘技大学等蓖野究单位。 建筑在各类黄感器鄹络节点平台土熬、嚣怒海陆空全方位应用豢求豹备类磺 究顼霹毽耩：爝予嚣凌益测、气象瑗象静躞测帮天气预报嬲、生物群落静微蕊鼹 测瞳洪灾的预警 4 l 、农田管理溺、智熊家瑶嘲、智能交通川、辐射溢渊精的研究， 基于j ) 订a 的无线传 蹬；器网络的研究 用于定位的c r i c k e t f 9 】和e c h o 【1 0 】，以及用于医疗的s s i m 项目【1 1 l 等。 无线话藩器簿络楚予赫技术戆最蓠滔。国舔土簸2 o 年开始鑫现一麓有关 传感器网络研究结果的报道。但是，这些研究成果处于起步阶段，距离实际需求 还辐差甚遁。尤箕是传感器两络潋p 2 p 方式的联刚交互，还处于初级研究阶段。 对这一应用领域的研究是作为多学科交叉课题出域的，它联涉及蛉方嚣包拱网络 架构、信母处理、无线通信、嵌入机制、同步算法以及m e m s f m i c r o 飘l e c t m m e c h a n i e a ls ￥s t e 搬) 传感嚣技术等，霆癸对这一瀑题疆变只是毒禳步验进鼹，在 国内还未见有这方面的报邋。由于无线传艨器网络以p 2 p 方式的联网交互怒一门 瑟兴技术，窝内与露际承平懿差爨舞不攘犬，及对开震这矮黟 究，褥攉遂健感器 网络在现实生活中的应用进程，对攘个国家的社会、经济发展都将产生重大的影 响。 重0 匡逡外研究动态 近年来，在无线传感器网络领域的一些比较稳代表性的磷究进展有： 达特茅斯大学的r e z ao l f a t i - s a b e r 和加利福尼渡大学的e m i l i of r a z z o l i 等人利 用o l f a t i s a b e f m h h a y 的乎均共识算法提斑分布式馁设梭骏f d 雕，同时缮列一 个新的称为信任共识( b e l i c fc o n s e n s u s ) 的信任增殖算法f 1 2 。它通过对网络内n 个 不阋节点豹珏个售经进行努露式诗冀，褥龚雯大应麓范疆肉戆簸设检验。 u c l a 的n i t h y ar a m a n a t h a i l 等人提出实现无线传感器网络的便携性、快速配 置靛，阻将其布置在自然弼= ：境孛，撬供一种箍控手段。传戆器两络收集的信息可 以作为一种共享资源，为生态资源等的可持续发展情况提供参考和预警信息【1 3 l 。 加利祸尼亚大学的p h i l j ph v i s 等人疆出使用一种虚拟机( a s v m s ) 来对配置 好舱无线馋感器嬲终进行方便的霉编程( r c 舯g f a m 少叭。 马里兰大学提出一种支持移动的用户对传感器网络访问的h ”e r 路由协议， 珏撑e f 毒以下静支撼移凌豹主要特懿：快速邻屠 砉诗 有效戆耱浚敛提供绘移动 用户对网络的低访闷延迟；多聚集树支持多个移动用户和一个固定的聚集微服务 器静著发使糟；挺供一静梳裁专为梳会主义者使翊裔带煮背频秘k c h a n n 醴) 所 用，比如通过8 0 2 1 1 ；一种链路传输策略，1 1 i 丁以推导出无连接的存在并且减少无 用静信号使用；一种存储系统可以延迟发送允许的传输r 当路由暂时不好的时 候) ，对孤立尘埃云的支持( 故意长时间不建立路囊，直到移动用户连接到它 蘩于j m 豹无拽传礴器两络静研究 髫1 1 1 1 熨。 醮e e 龇e 妫。赫g 等在文献f 1 6 】孛指掇：在泰寒徽转感器戆蔓联技术将悬一门 重簧的技术。对大蓬廉价、智能的设备( 含有多个餐铡静黄感器避行配置，使它 们通过无线链路和h i t e r n e t 实现联网，为检测和控制家庭、缄市和环境提供7 穰 好的手段。 文献【1 7 】提出了构建移动p 2 p 传感器网络的构想。s r d j a nk r c 0 等提出将当今 固定通信网络中应用的p 2 p 的概念应用到移动网络中，实现传感嚣网络之间以 p 撑方式的协掺。但在这藤文献中，具体的传感器节点如何实现、网关节点剿p 2 p 嚣络数接入点热留实瑗、建立传感器踺络之上的p 2 p 网络的具体步骤等等，都没 有给密买体描述。 文献【1 8 】提出这样一种场景：在车辆密集的大城市中，辩佟戆嚣辫鸯褥到簿 一台车辆上。这些车载传感器可以蓝控位鬣、车辆大小、速度和交通密度，以及 路况信息。每台车上的传感器形成一个小型网络，当车辆交汇时，它们互相交换 信息概况，这蝗信息最终得以在城市的各个区域内散播。驾驶员可以根据这些信 息更改线路，估计旅行时间，接收危险状况的警告。 1 3 本文的研究内容 灵线传惑器网络农部磐对通露是楣互独立灼，导致其蕴息资源受浆。根据 q o s 鼹点，翔柒传感器疆络之闽可跌樱互协侮，黄戆器阚终及其用户裁可以分享 更多的信总，得虱更好静暇务。p 2 p 方式掇供了缀好的信患共辜平台及有效豹瓷 源发现方法，利用p 2 p 方式实现传感器网络乏闻的相互通信和协作，将裰大魄 推进传感器网络的应用和普及。 国际上对传感器网络以p 2 p 方式联网技术的研究尚处于起步阶段，目前可以 找到的资料很少，研究中尚存在惹许多不完善的地方。 基于对无线钱感器网络以及p 2 p 网终研究各方西的现有成果的消化，以及 其中亟特解决闫瑟豹综合考虑，我妇在本次研究中拟解决如下理论及实琢阔题： 1 对基于瓢豹无线簧感嚣网络互联模型送行舆钵纯，梅建基予 j 陵的无线传惑器网络模鼙，绘崮翼体网络的系统结构，以及传 感器嘲络的网关的体系结构，给国应用中的参考场景。 2 利用传感器网络的仿真平台，对传感器网络的部分性能进行仿真测 3 萋手措聚髂无线传感器璃络瓣断究 试，配复不疑豹参数，分板这些参数的设置对网终性鼹的影响。 3 合理蕺要转感器爨绥，对基于j x 强鹣媸感器鄹终互联摸型逆行仿 真灞试。 1 4 本文的组织结构 第一章：弓f 言主要概述了研究无线传感器网络的理论价穰和实用意义，然 后讨论了国内外对传感器网络的研究动态，最精叙述了本文的研究内容。 第二章：背景知识第一小节介绍了无线传感器网络的概念、特点和体系结 构等内容，第二小节介绍了无线传感器网络的仿真平台，第三小节介绍了j x l a 协议。 第三章；论述了橡建蘩予l x 魏豹笼线转感器嬲络的思想，绘如具体网络豹 系统缩构和一释传懑嚣霞络阚关静体系结椽，提爨了两释实舔的应焉场景。 第四章：使雨仿囊工矮s e n s e ，首先对无线传感器网络翡部分谯能 薤行了 仿真模拟，分析了其网络配置( 节点密度以及节点失效) 传感器网络的一些散能参 数的影响；最后，对基于j 1 a 的无线传感器网络进行仿真，实验结果证明了基 于j x r r a 的无线传感器网络是可实现的。 第五章：总结和展望。 4 基于黼酸的无线傣蒜器两络的研究 第二章相关知识介绍 本章第一节是辩无线传感器网络静穰述，我 f 】分掰分缨7 无线传感器戆构 成，无线传感耱网络的概念、体系结构、特点、协议栈的分层模型帮疲焉等等。 第二节介绍了无线传感器网络的仿真平台。第三节介缩了j x r a 协议。 2 。l 无线传感器网络憋概述 2 1 。l 无线传感器网络概念和系统结构 无线传感嚣网络包括大量的微小设备，我们称之为传戆器藏传感器节点，它 们静态或动态地随机分布于某区域。它们具有传感能力，可以执行简单数据处 理任务，弗且可以和其他类似设备进行无线通信。传感器负贵收集区域内的声音、 电磁或地震信号等多神信息，将它们发送到s i n k 节点。s i n k 节点具有更强大的 处理能力，能够进一步处理售息，将接息融合，或发送到更大的发送范围，可以 将信息送袋某个大型燃络，健远毅用户戆够捡索到该傣息。 我销两戬如下定义无线转感器稠络：无线传感器网络罴蠹组无线传感器潋 自组鳜方式构成的无线网络，蕊蟊的是协作遥感翔、采集和疑遴网络覆盖静毯毽 区域中感知对象的信息，并发布给用户f 有的文献中，蠲户也称为观察者1 。 从上述定义可以看到，无线传感器节点、感知对象和用户是无线传感器网络 的三个基本要索：无线是传感器之问、传感器与用户之间的通信方式，用于在传 感器与用户之间建立通信路径；协作地感知、采集、处理、发布感知信息是无线 捷感器网终豹基本功能；一组功能囊艰的无线传感器e 够协作地完成大的感知任 务是秃线转感器尉络豹重要特点；无线黪感嚣网络中爨邦分残全郝节点可以移 爵，秃线健感器网络韵拓矜结祷会涟着节点静移动褥不断熄动态交纯，节点闽数 自组织方式迸行通信，每个节点都可敬充当路由器的角色，并霞每个节点都其各 动态搜索、定位和恢复连接的能力。 下面，我们来详细的介绍传感器、感知对象和用户。 在不同应用中，传感器网络节点的组成不尽相同，但揍本组成和功能一般都 包括如下几个单元：煲感单元( 由传感器和模数转换功能模块组成) 、处理单元( 由 罄予麟毯翡无线传蒋嚣弼络翦磷究 嵌入式系统搀贼，包括c p u 、存旗器、嵌入式操作系统等) 、通信尊元( 由无线通 藩模块组成) 、电源部分帮软姊，如图2 一l 鼹示。拢秘，逐有一些珂根据实际应 用需要选择的功能单元：定位系统、移动系统黻及电源窝供电系绞等。 图2 - l 一种典型的传感器节点构成 毫滚免传感器提供正露工侔掰必霰的能源。处壤单元受责揍调节点各部分豹 工作，翔对传缮单元获欷静信怠进行努要的楚瑾、保存，控制镑感擎元萃拜嘏滚鹣 工作横式等。通信单元负责与矮他传感器或用户的通信。软件涮为传感器提供貉 要的软件支持，如嵌入式操作系统、嵌入式数据库系统等。 无线传感器网络的用户是感知信息的接受和应用者。用户可以是人，也可以 是计算机或其他设备。例如，举队指挥官可以是无线传感器网络的用户；一个由 飞机携带妁移动计算机也可以是无线传感器网络的用户。一个戈线传感器网络可 以有多个爝户，一个用户媳可以是多个无线传感爨阚终的月户。用户可以主动地 查诲或牧綮无线健感秣网络静感絮信爨，恣可以被动热接| | 曼无线黄感器网络发糍 的信怠。稍户蒋对感知信意进行璃察、分析、挖掘、制定决策，或对惑翔对象采 取相应的行动。 感知对象是用户感兴趣的监测目标，也是三j 己线传感器网络的感知对象，如毽 克、军队、车况、动物、有害气体等。感知对象一般通过表示物理现象、化学现 象或其他现象的数字量来表征，如温度、湿度等。一个无线传感器网络可以感知 网络分布区域内的多个对象，一个对象也可以被多个传感器网络所感知。 从系统结梅上来讲，戈线传感器嬲络由婕感器节点、s i 呔节点、烛据豫e l 或 逶信至星、任务管理节点等部分构残。图2 2 绘出了秃线健感器网络系统结梅一 般形式的描述。 6 莲子疆l a 熬无线转感嚣霹络戆磷窕 图2 穗耱典型戆抟感器列络系缝缕梭 传感器节点散布在指定的感知区域内，每个节点都可以收集数据，并通过“多 跳”路由方式把数据传送划s i | l l 【节点。s i n k 节点也珂以用同样的方式将信息发 送给各萤点。在典型戆无线传感器网终中，繁点 壬蠢散落在被篮溅送城内，这 过程是通过飞行器撒播、人工埋置和火箭弹射等方式究成的，当然，也有的无线 传感器网络魑由人工布嚣安放的。节点以自组织形式构成网络，通过多跳路由方 式涛釜溺数撵佞到s i 呔繁点楚瑾，最终爨秘长疆褒或漆对建立熬s i 放装蘧涛熬 个区域内的数据传送到远程中心。卫星链路可用作s i n k 链路，借助游弋在监测 区上空的无人飞机回收s j n k 节点上的数据也是一种方式，u cb e r k e l e v 在进行 u a v 因瓣8 n n o da e r i 越v e 氧l c l e ) 瑗翼1 1 9 j 熬岁 场嚣试惑矮采强了这耱方式。絮粟网 络规模太大，可以使用聚灏分层的管理模式。 t o 掺站节点。飘煮节意 图2 a 无线传感器网络的另一种绪构 鋈2 3 鲶懑了无线倭撼器阚络的贯癸一耱结褐。在这耱结稳中，一些镄感嚣 预先布置在某些位置上，撒这种节点称为固定节点，然后再任意散播一些传感器 节点，这种节点被称为移动节点，使他们覆盖整个懿测范围。节点擞据收集到的 数据强国定萤点形藏簇，然嚣逶过移动节点耪固定节点之霹、霾懋节点之秘、蠢 7 蔫于嚣暇靛无线传感器释络熬辫究 定节点期遴程基站之闯的通信共享数据。 2 1 2 无线传感器网络的特点 焉线转感器网络嚣其节点豹特殊搜，鼓露富跟固定网络、a d ，轴e 阚终等不 同的一些特点： ( 1 ) 通信能力有限：无线传感器网络的通信带宽窄而鼠经常交亿，通信覆盖 范围只有几十茔几百米。传感器之间的通信断接频繁，经常导致通信失败。由于 无线传感器网络更多地受到高山、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，传感器可能会长时间脱离网络、离线工作。 ( 秘电源熊量剪限；传感器豹电源g g 量极其有限，网终中的传感器由于电源 裁攫懿辍嚣经常失效或废弃，魄源能量约隶是嫩碍茏线传感爨嬲终应用的严重阉 怒。商品纯的蠢线发送接浚器耄源远运不黥满怒无线铸感器网络静需要，传感嚣 传输信息癸磁执行计算更消耗电能，棒感器传输l 往信怠所需要静惫钷砖鼓撬 行3 ，0 0 0 条计算指令。如何在网络工作过程中节省能源，最大化网络的生命筒 期，是需要研究者深入研究的个课题。 ( 3 ) 计算能力有限：无线传感器网络中的传感器都具有嵌入式处理器和存储 器，这些传感器都具有计算能力，可以完成一些信息处理工作。但是，由于嵌入 式处理器翻存储器豹能力秘容量有限，传感器的计算熊力卜分青隈。 ( 4 ) 传戆爨数量太、分布黎圈广：笼线传感嚣燃终中传感器节点密集，数攫 匿大，可麓达到死万、几十万，甚至受多。忿捧，无线传感器掰络霹竣分衣在缀 广泛的地理区域。传感器数量大、分布广的祷点使褥网络的维护十分圈难蓉至不 可维护。 ( s ) 网络动态性：无线传感器网络具有一定的动态性，网络中的传感器、感 知对象和用户这三要素都可能具有移动性，并且经常有新节点加入或已有节点失 效，因此，网络的拓扑结构会经常动态变化，传感器、感知对缀和用户三赣之间 的路径也随之变化，无线传感器网络必须舆有珂熏构瑚自调整性。 ( 6 ) 大援模分奄式触发器：缀多无线传感嚣鄹络需要对感妇对象遴毒亍控制， 弼温度、气援控隶。因此，狠多传感器其商霞控装置和控制软件，我们一般稼圜 控装嚣和控制软件为触发器，无线传感器网络需要对成千上万的动态触发器避行 有效的管邂。 8 基于j a 的无线传感器网络的研究 ( 7 ) 感知数据流巨大：无线传感器网络中的每个传感器通常都面临较大的流 式数据，并具有实时性，每个传感器仅具有有限的计算资源，难以处理巨大的实 时数据流。研究强有力的分布式数据流管理、查询、分析和挖掘方法，是科研工 作者面临的一大挑战。 2 1 0 无线传感器网络分层模型 按照分层的思想，无线传感器网络可分为物理层、数据链路层、网络层、传 输层和应用层五层和能源管理平台、移动管理平台、任务管理平台三平台【2 0 】【2 1 1 ， 如图2 _ 4 所示。 酬2 - 4 无线传感器网络分层模型 能源管理平台管理节点如何使用自己的能源，比如节点会在收到一个报文后 关闭自己的接收装置，这可以避免获得重复的报文。而且，当节点的能源级别较 低的时候，节点可以向邻居广播一个报文，告诉邻居自己不再承担路由转发的任 务，剩余能源只是用来感知数据。 移动管理平台用来探测和注册节点的移动，因此，总是维护着到s i n k 节点 的路由，并且，节点总是知道谁是自己的邻居，可以平衡自己的能源和任务。 任务管理平台平衡和调度某个特殊区域分配的任务。在同一时间，在那个区 域的所有节点并不需要都执行相同的感知任务，因此，是否执行这个任务就取决 蒺辛l 嬲l a 静无线糖感器瓣络静辑究 于节点自身的能源状况。 这三个平台互摆配合工作，使得传感器节点能够惦调、高效的运转，为整个 阕络逶行路蠢，在节点闯逡行资源共事。 物理层：负责频率选择、生成载波、信号探测、对数据加密和调制解调等等 随题。业界广泛建议无线传感器网络采耀9 1 5 m h zi s m 频段。 数据穗路艨：负责数掭流静多重复阕、检测数据犊、媒体访阉橙潮和差错控 制。在一个多跳自组织的无线网络中必颁达到两个目标：首先，必须组建起网络 的基础设施；其次，应该确保节点闻公警、有效的熬翠资源。数据链路层豹一个 蘸要功憝是数据的差错控稍，两种重要的差错控截模式楚转发错误戮正稻套动辙 告重复申请。数据链路层包括了m a c 予层，它用来决定广播信道中信道的分配。 m a c 层的协议主要有：s e 燃。争i 旺a c ( s 。姒a c ) i 竭【2 3 j ；骶m e o u t m a c m a c ) f 驯； w i s e m a c 嘲渊 ； b a 成e l e y m a b 。谳c ) f 2 7 】 ；黔m a l 嚣l ； d a t a g a t l l e f i n g m a c n ) m a c ) 【2 9 1 ；i e e e 8 0 2 1 5 4 f 3 0 1 。 网络屡：以通信网终为核心，实现传感器与传感嚣、傣感嚣与髑户之闻的谴 信，支持多传感器协作完成大型感稚任努；网络层和数据链路层协闲工作，使器 节点采用自组织的方式构建起网络，并确定网络拓扑结构，随后在给定网络的拓 羚缝鞫麓情况下，进萼亍有效鼹由。网络搽魏主要路出协议蠢：f l o o d i n g ；s p l n i 3 1 】； s a r ；定向积“敞f 3 2 】；h 潍硼f 3 3 l ；删剐。 传输层；在无线传感器网络与h l t e m e t 互联时，传输层就显得尤其重要，传 麓爨汝议仍然处于探索玲段，由于节点静毙源和存镔缝力邦菲常蠢隈，或许应该 蹩纯u d p 类的协议。 应用层：解决应用的热性问题，包括应用基础和媳型应用，目前各国学者雁 凌深入磅究戆应翅层按议露：s m p 器镰s o fm 勰a g e 璐e 燃p 赋0 1 ) 、讼d a p 疆h 呔 触s i 辨m e n ta n dd a t aa d v 州i s e m 髓tp r o t o c 0 1 ) 和s q d d p ( s e n s o rq u e r ya n dd a t a d i s s e m i n a t i o np f o t o c o n 。 2 1 | 无线传感器疆络的痰用 m e m s 支持下的微小传感器技术和节点侧的无线通信能力为传感器网络赋 予了广趣的应掰瓣蒹，主瑟表现在军事、强境、健康、家庭翻其健海业领域。当 然，在空目搽索和灾难拯救等特殊的领域，传感器网络也有其得天独厚的技术傥 1 0 耩f 疆殛翦戈线搀黪器霪缮蘸疆究 势。 2 重瘫l 军器传感嚣弼终静研究 在军事领域，传感器网络将会成为c 4 l s r 姒c o m m a n d ，c o n t r o l ， 搬整骊i 貉i 糯，璐辨t i 端t 瓤托羹i 冀e 垂c e ，辩糟e 呈狂强，蕊s s 8 狂嬲dt 嚣g e 翻i 必 系统不可或缺的一部分。搿i s r t 系统的强标是藕焉先进静高科技技术，隽束聚 的现代化战争设计一个集命令、控制、通信、计算、智能、监视、侦察和定位予 嚣魏竣场攒挥系凌，受戮了军事发这强家熬营速重视。嚣为转惑器瓣终是虫密 集型、低成本、随梳分京酶穗点组成的，螽组织性和容铬能力使菇冀；会透为菜黪 节点在恶意攻击中的损坏简导致整个系揽的崩溃，遮点是传统的传感器技术所 茏法毪菝琵，谗正是这一点，使簧鐾嚣潮络菲露逶禽斑雳子恶劣熬撬臻环境孛， 包括监控我警矮力、装备靳物资，监祸冲突区，篌察敬方地形和布黼，定位攻辔 目标，评估损失，侦察和探测核、生物羊口化学攻击。狂战场上，描撵员往往需辫 及葬雪准臻逡了罄巷馥、武器装釜亵军弼貉资拱给静清凝，黎设熬掺感嚣饕采囊穰 成的信息，并通过汇聚节点将数据送至指挥所，再转发到指挥豁，最后融合来藤 备战场的数搬形成我军完备的战区态势图。在战争中，对冲突区和擎事要地的般 粳也是至关夔要魏，逶过镳设传感嚣瓣络，班更黎蔽瓣方式运薤蕤蘧l 麓察敌方熬 布防；当然，也可以直接将传感器节点激向敌方阵地，在敌方还泰 涞褥及反应时 迅速收集利于作战的信息。传感器网络也可以为火控洋f 】制导系统提供准确的目标 定短癌惠。程生耱窝袋擎战孛，煮舞赞感器鼹终及藉孪、难礁建搽澳l 爆簿孛，0 褥会 为我军提供窳资的反应时间，从而最大w 能地减小伤亡。传感器嘲络也可避免梭 艇应部队直接暴露在核辐射的环境中。程军事应用中，与独立的卫攫和地面雷达 系统穗蠢，转感器嚣络熬潜在筑势表现在越下咒令方瑟： ( 1 ) 分布节点中多角腋和多方位信慰酹综合有效她提高了信蝾院，这一意怒 卫星和雷达这类独立系统潍以克服的披术问题之一。 疆捷惑器鼹络蘸成本、离冤余韵设诗孬襄为整个系统鬟貘了技强黎容餐熊 力。 ( 3 ) 传感器节点与探测目标的近鼹谢接触大大消除了环境噪声对系统性能 瓣彰襄。 基于j ) f d 的无线传感器网络的研究 ( 4 ) 节点中多种传感器的混合应用有利于提高探测的性能指标。 ( 5 ) 多节点联合，形成覆盖面积较大的实时探测区域。 ( 6 ) 借助于个别具有移动能力的节点对网络拓扑结构的调整能力，可以有效 地消除探测区域内的阴影和盲点。 2 1 4 2 基础设施的安全 传感器网络可以用于基础设施的安全和反恐。在关键的建筑和基础设施( 例 如电厂和交通中心1 周围，可以配置基于视频、声音和其他的传感器网络。这些， 传感器能够提供早期的防范检测工作，通过融合从多个传感器中得到的数据能够 提高网络检测的范围并降低误报的可能性。传感器网络也能用来检测生物的、化 学的和核攻击【3 5 。 2 1 4 3 环境监控 环境监控中应用传感器网络是很自然的，因为要检测的环境变量经常在一个 很大的范围内分布，例如温度、水质。举个例子，去年我国松花江流域发生了化 学污染，如果能在污染河段的沿途布置上无线传感器网络，网络中的传感器收集 水的流速、水质样本、污染物流动方向等数据，通过无线信道发送回控制中心， 可以为科学家提供更多的辅助参考信息。环境监控应用中，一些大型的传感器网 络中通常包含不同类型的互相连接的传感器：雷达，感应图像的和监控环境的传 感器。通过在路径上配置足够冗余的传感器来保证这种环境下系统的抗毁性和适 应性。在本应用的研究中，扩散协议方法依赖于邻居节点的消息来确保实现这些 性能【1 8 1 。但是这些方法可能达不到空间分布的无线网络中消息在理论上能实现 的性能【翊。另一项重要的研究课题是一些参数如网络规模、单位平方节点密度 是怎样在延迟、可靠性和能量上取得折衷。 2 1 4 4 用于工业上的传感器 工业上为了减少生产成本、提高生产效率和方便维护，一直关注传感器的研 究。通过检查机器的震动或磨损和润滑的程度来监控机器的“健康”，还有就是 把传感器放到人们不能进入的区域，这两种情况是工业上应用传感器最广泛的例 蒸子i a 熬无线糖黪器援终麴研筑 子。光谱传感器也是工业环境中运用传艨器的例子。聪e e 仪器与测量分会和荑 翻国家痨潍与技术协会讲】s d 定义了1 4 5 l 智能传感器接目标准l 州，实现了工业 环境中完垒帮疆g p 用的僚臻器和掰络，瘸标准逶信接瓣解决了簧统佼感器集藏豹 问题。 2 1 磊5 交遥控麓 传感器网络已经用来谶行车辆交通的监控和控制。犬多数应用中，在交通路 鞴巍絮或是壤入黄感器寒骏控车辘和控剃交遵瘘。并髓，褪频照相枫经鬻被用来 监控路段繁忙的交通，采集的视频发往中心操作员。不过这些传感器帮通讯网络 十分昂贵；因此，交通监控仅限于一些燕键的地点。廉价的无线传感器网络一旦 壅瑷，壤宠全浚变交通羹控帮控制豹瑷坟。转感器弱邻居节点进褥邋讽，交流傣 怠，最后会形成一个全局的交通图。 另一种想法是把传感器附加到每一裔车辆上1 1 8 l 。当车辆交汇时，它们互相 交换交逶麴褰蟪点、速度秘交通密度豹楚簧售塞，这黧售惑霉数麸越嚣费感器中 获得。 2 0 无线传感器网络的仿真平台 2 2 。l 无线传感器网络的仿真特点 无线传感器网络是高液蕊向应用的网络类型，其仿真特点在以下几个方面明 驻不露子蠛有静有线裙无线瓣络躲仿囊分析。 ( 1 ) 仿真规模 对于传统静有线网络，利用有限豹具考代表性的节点拓扑就可以楣当大摆度 德模撅整个两络豹佳能，稳楚对于无线健惑箍网络，患子箕大冗余发，赢密度节 点拓扑构造焱型，因此无法用有限的节点数目来分析其整体性能，因此在仿真规 模上必须考虑大量节点的并行运算。 ( 2 ) 仿真瓣标 传统的有线和无线网络主要仿真分析的是网络的番吐量、端对端延迟和丢包 攀等q i o s 指拣，薅这些在大部分无线传感器嘲络的鹰爝中都不是壤主要的分析弱 标。相反，在黻往网络禳黧中不是那么被注意的节点辫命分橱、节点能耗分轿翻 熬予麟蘸无线抟蒜器薅缝麴瑟巍 成为非常重瓣的分析目标。 f 3 ) 业务特点 在簧统瓣络孛，蒋宾转橇兹实隧骚辘类型琵较露定，瞽妇多媒体遴蕊主要藤 魑考虑实时储息量在恒寇比特流情况下网络的性能；数据报网络圭鞭就是考虑泊 掇分毒静驻枫数器报豹产生和终送。担憝对于无线传感嚣搠络，其业务类型是以 随辊事箨驱旗，其健矮是巍发面瘫不簿废瘸静，霞茈不存在一个霾定戆遂务模型。 攀件的产生也是随机的，甚至事件在网络存在的整个出命周期内都不会发生，网 捷不薤套用任馋一耱现存熬鄹络韭务楱鍪避行建模。 f 节点特纛 无线传感器网络是与物理世界高度凝互的系统，因此受到突靛攀件的影响非 嚣严重。遮赢不仅仅蕊觋捷巍龛受到豹噪声、于挽帮认为酸舔等戮索，更蒋现在 节点静不稳愆性。由予节基自身麓力露限魏上萁爵失效性阳 翔节点髓量耗尽毒 起) ，这些都加剧了网络的不确定情况，简这些情况魁在以往系统中很少见到的。 受无线铃感爨疆终黪箕德特点 除了上麟的足个方瑟井，无线健感舔瓣络在许多蕊能方商都弓 a 了萁自身静 独特性，比如网络节点自身的操作系统廊该是十分精简的，这点不间于传统的路 f = l 嚣萤蠢翻个人羧挺节点中的撵孬系统。禺势，竣继懿璃终蕊真系绫一簸卣屡定 的层次模块缀含而成，眈翔m a c 层使蕊8 0 2 协议族，梅输瑶使露必剐d p 协议等， 但是在无线传感器网络中，由于其高縻蛳向不同应用的特点，根本就没有一个蹴 霉定夔蛰议缀合，嚣姥擞秘在蕊囊巾建立毙较耪磺戆萤焘摸墼乓漭浚抽象辔是 个值得探讨的问题。 2 2 。2 无线传感器鄹终的仿真平台 自& 准确测试协议，蒡篮时阎耪帮磷较枣的敬模羧平台将楚十分蠢鬻翡。餐怒 因为传感器网络的限制以殿考虑的角度冰同，现存的网络模型可能光法完全论诫 仿真平台在这些爱藐豹麓雾渊。爨襻鹣弼终摸拟耧爨然是不完蛰窝在发震中 的1 3 9 l 。下丽我们介绍几鞭逶用于无线传薅嚣鼹络静傍囊工其。 ( 1 ) s e n s e s 基嚣s 菇躺1 跫为了鲟凌檐绞翅终谤粪工具蚕襄对象方法在无线臻惑器网络领 域使雳的缺陷两开发的一款仿真程穿。s e n s e 焉e + + 歼发。它使溺了面岛缝辞瓣 1 4 基于1 a 的无线传感器网络的研究 系统结构，图2 5 和2 6 分别显示了节点组件的内部结构与网络结构。 t o c h 舢1 n c i f 叩一c h a n n 七lp 0 5 一o u l 图2 5 节点组件的内部结构 图2 6 节点组件的网络结构 s e n s e 使用了面向组件的系统构建方法，组件问消除了依赖性，提高了可 重用性，只要组件问的接口符合要求，组件既可以重用也可以进行替换，甚至可 以在s e n s e 的基础上完全开发出新的应用仿真程序。只要在接口和语义上满足 后一种的需要，针对一种仿真开发的组件可以也用到另一种仿真上。s e n s e 在 实现中，将传感器看成是静态组件的一组集合。组件之间的通信只能通过输入端 口和输出端口( 图2 5 ) 。输出端口代表了一项功能指针的抽象：它定义了希望其 他端口实现一种什么样的功能。与其他仿真软件的不同之处是s e n s e 使用了并 行仿真和串行仿真可选方式，其系统默认是串行仿真。 s e n s e 的开发者b o l e s l a wk s z y m a n s k i 教授说：“s e n s e 仍然处在活跃发 基于j m 的无线传感器网络的研究 展期。”首先，尽管模拟器的核心已经相当稳定了，但仍然缺乏针对无线传感器 网络的模型的综合集和多种配置平台。其次，在增加传感方式( 排除物理现象和 外部环境影响) 这方面还没有研究。除此之外，s e n s e 还需要一种可视工具来快 速跟踪模拟进行中哪些地方出错了。当前由于没有这么个工具，模拟输出很难解 释。通过允许网络用图表构造，可视化也会使配置过程变得方便。 ( 2 ) s e n s o r s i m s e n s o r s i m 【4 1 】是以n s 2 仿真工具为基础发展起来的，其思路是在n s 2 上建立适 应无线传感器网络的模型库。它使用基于组件的实现技术，事实证明这种方式明 显快于n s 2 。s e s o r s i m 中传感器的节点模型如图2 7 。 图2 - 7 传感器的节点模型 s e n s o r s i m 准确模拟了大部分硬件，包括物理环境。协议栈的所有层都能被 改变。s e n s o r s i m 分别使用功能模型( s e n s o rf i l n c t i o nm o d e l ) 和能源模型( p o w c r m o d e l ) 来模拟节点的软件( 各种协议栈以及应用相关的程序) 和硬件部分( c p u 、电 源、射频接收电路和传感器) 。其硬件模拟主要的思路是建立一个电源到各种物 理硬件的单对多映射关系，通过分析硬件使用电源的特点来总结整体节点的功耗 问题。s e n s o r s i m 目前主要完成了电源和射频接收电路模型，其他方面的模型正 在完善之中。s e n s o r s i m 项目的努力方向是模拟电池的间断特性来进一步细化电 池的使用模型，另外还要继续完成模型库的建设包括各种传感器硬件特性的软件 模拟工作。s e n s o r s i m 相对而言比较难以理解，如果用户想在不同环境中检验自 己的协议的话，他们要做很多背景工作。 基于，x 弧瓣无线俦感器瓣络的群究 p ) g b m o s i m g b 确s i m f 4 2 】怒在1 9 9 8 年针对移动戆无线网络提出麴一魏赞真王具。它运行 在并幸亍环境串。餐是移动瓣络牵广泛瘦蠲翡广播协议导致了相当藏大约逶信量， 这使得并行实现起来报困难。g l o m o s 溉主罄设计目舔是扩展性，所有静协议褥 模块来实现。g 1 0 m o s i m 是面向对象的。值是，设计者考虑到面向对象伸缩住不 强，它将节点分段，每个对象负责运行每个节点的协议栈中的个层。这有助于 降低大型网络的开销。它可以有效地模拟i p 网络，但是对于传感器网络而畜，有 效性缀难保证。同时，g l o m o s i m 不支持发生在模拟环境外部的现象，所有的事 孛必矮是从网络内郄的其他节点处产生。g l o m o s i m 在2 o 年殴婷止更勰，现雀 戳裔焉产晶拉a l n e t 的名义来受薪。 ( 令两s s i m t o s s i m l 4 3 l 是建立在弼n y o s 系统上的一种仿真工其，其特点是建立了爵n y o s 的底层部分硬件的软件抽象，并增加了仿真必须的事件模型和外部通信机制。 t o s s l m 已经使用在t i n y o s 节点的性能分析中，并通过仿真运行发现解决了 t j n y o s 系统内部的部分缺陷。t o s s i m 是高度面向t i n y o s 系统的仿真工具，可以 进行比特级的仿真，丽这点是疆前丈郝分t 目真工