（控制理论与控制工程专业论文）基于无线传感器网络火灾监测与营救方法的研究.pdf

中北大学学位论文 基于无线传感器网络火灾监测与营救方法的研究 捅要 本文描述的是一个利用安装了传感器节点的具有自动搜索路径和营救功能的机器 人，通过无线传感器网络在某监测区域内完成营救工作的仿真实验。将无线传感器网络 的思想应用到空间探索和灾难营救是当今世界比较关注的研究方向。人类面对很多救援 工作都是无能为力，或者即使可以尝试但危险系数很大。应用机器人到人类不方便到达 的区域或者危险区域完成救援工作，不仅降低了救援人员的危险系数而且提高了工作效 率。在文章中是通过利用此系统来完成救火任务的实例来介绍系统的功能和具体实现的 算法。机器人在网络中是最主要的部分，当发现火源的时候或者有什么危险事件发生时， 可以搜索出一条最优路径去执行营救任务。对于路径的选择主要是从能量的角度来考虑 的，由于能量是无线传感器网络的关键，为了节省能量机器人应该选择最短路径来完成 任务；当监测区域较大可以在网络中布置几个机器人，计算出哪个机器人离火源近，然 后让这个机器人去执行营救任务。在网络系统中除了机器人外还设计了主要进行环境监 测的传感器节点，它安装了温度湿度传感器和火焰传感器，主要的作用就是即可以监测 环境情况也可以检测到火源的发生；还有一种节点是搜索危险区域或敌对区域的节点， 这种节点也是移动节点，它主要的作用就是来搜寻监测区域中的危险或敌对区域并且标 识出来，当机器人在执行任务的时候可以避开危险区域。文章对于每一个实验细节进行 了分析和验证，对这几种节点设计了相应的算法，展示了这种方案可行具有一定的实际 意义。 关键词：无线传感器网络，传感器节点，移动节点，机器人，危险区域或敌对区域 中北大学学位论文 t h er e s e a r c ho ffi s u p e r v is e da n dr e s c u e db a s eo nwir eiessher e s e a r c l 3or ers e da n dk e s c u e db a s eo nr ee s siiwii s e n s o rn e t w o r k l i uc h a n g m i n gr e ny i f e n gr e nz u o x i n a b s t r a c t i nt h i sp a p e rw ed e s c r i b es i m u l a t i o ne x p e r i m e n t st h a tt h er o b o ti ns u p p o r t o fs e a r c ha n dr e s c u ed o e sa na c to fr e s c u i n gi nt h er e g i o nw i t hw i r e l e s ss e n s o r n e t w o r k u s i n gt h ew i r e l e s ss e n s o rn e t w o r ki nt h es p a c ee x p l o r i n ga n dc a l a m i t y r e s c u i n gh a sp a i da t t e n t i o nt oi nt o d a y t h ep e o p l eo f t e nd oh e l p l e s s l yo rc o u l d d ob u tt o od a n g e r o u si nf a c eo ft h ec a l a m i t yr e s c u i n g u s i n gt h er o b o ti nt h e r e g i o nt h a tp e o p l ec o u l dn o te n t e ri n t oo rd a n g e r o u sr e g i o n ，n o to n l yr e d u c e t h ed a n g e rc o e f f i c i e n tb u ta l s oi m p r o v eo nw o r ke f f i c i e n c y u s et h es y s t e mi n f i r ef i g h t i n gt oi n t r o d u c et h ef u n c t i o na n da r i t h m e t i c t h er o b o ti st h em o s t i m p o r ti nt h es y s t e mt h a tc o u l df i n da no p t i m i z a t i o np a t ha n dd or e s c u em i s s i o n w h e ni tf i n df i r ea n dd a n g e re v e n th a p p e n e d b e c a u s et h ee n e r g yi sac r u xi n t h ew i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ，s os e l e c t i n gt h ep a t hb a s eo np o i n to f v i e wo fs a v i n g e n e r g y t h er o b o ts e l e c t st h es h o r t e s tp a t hi no r d e rt os a v ee n e r g y w h e nt h e r e g i o ni sb i gw ec a np a i dt w oo rt h r e er o b o t s w h i c ho n ei st h en e a r e s tr o b o t f r o mt h ef i r e ，t h e ns e tt h i sr o b o tt od or e s c u i n g 。t h e r ei st h es e n s o rn o d e s t h a ti n s t a l lt h et e m p e r a t u r es e n s o r ，h u m i d i t ys e n s o ra n df i r es e n s o rt oi n s p e c t t h ee n v i r o n m e n ta n df i r eh a p p e n e da n dm o b i l en o d e st h a ts e a r c ht h ed a n g e r o u s f i l e do rh o s t i l i t yf i l e da n dp r o v i d ew i t has i g nt om a k et h er o b o tc o u l da v o i d t h ed a n g e r o u sf i l e do rh o s t i l i t yf i l e dw h e ni th a sd o n er e s c u em i s s i o n w ea n a l y z e a n dv a l i d a t ee v e r yo n et h ed e t a i l so fe x p e r i m e n t ，a n dd e s i g nt h ea r i t h m e t i co f t h e s en o d e s i ts h o w st h eb l u ep r i n ti sa v a i l a b i l i t ya n ds i g n i f i c a t i v 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 ，s e n s o rn o d e ，m o b il en o d e ，r o b o t ，d a n g e r o u s f i l e do rh o s t i l i t yf i l e d 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究 作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的 法律责任由本人承担。 论文作者签名：侣铷7 t 日期： 枷矿上；p 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解中北大学有关保管、使用学位论文的规定，其中包 括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件； 学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文； 学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的，复 制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内容 ( 保密学位论文在解密后遵守此规定) 。 签名： 导师签名： 日期： 砂dy ，) o 日期- 沙。莎；6 中北大学学位论文 己l 言 ji 口 课题背景与意义 更小、更廉价的低功耗计算设备代表的“后p c 时代 冲破了传统台式计算机和高性 能服务器的设计模式；普遍的网络化带来的计算处理能力是难以估量的；微机电系统 ( 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 , 简称m e m s ) 的迅速发展奠定了设计和实现片上系统 ( s y s t e mo nc h i p ，简称s o c ) 的基础。以上高度集成又孕育出了许多新的信息获取和处理 模式，传感器网络就是其中一例。n 】 随机分布的集成有传感器、数据处理单元和通信模块的微小节点通过自组织的方式 构成网络，借助于节点中内置的形式多样的传感器测量所在周边环境中的热、红外、声 纳、雷达和地震波信号，从而探测包括温度、湿度、噪声、光强度、压力、土壤成分、 移动物体的大小、速度和方向等众多我们感兴趣的物质现象。在通信方式上，虽然可以 采用有线、无线、红外和光等多种形式，但一般认为短距离的无线低功率通信技术最适 合传感器网络使用，为明确起见，一般称作无线传感器网络( w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ， w s n ) 。但也不绝对，b e r k e l e y 的s m a r td u s t 因为可以像尘埃一样悬浮在空中，有效地避 免了障碍物的遮挡，因此采用光作为通信介质。 无线传感器网络与传统的无线网络( 如w l a n 和蜂窝移动电话网络) 有着不同的设计 目标，后者在高度移动的环境中通过优化路由和资源管理策略最大化带宽的利用率，同 时为用户提供一定的服务质量保证。在无线传感器网络中，除了少数节点需要移动以外， 大部分节点都是静止的。因为它们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，设计有效的策略延长网络的生命周期成为无线传感器网络的核心问题。 当然，从理论上讲，太阳能电池能持久地补给能源，但工程实践中生产这种微型化的电池 还有相当的难度。在无线传感器网络的研究初期，人们一度认为成熟的i n t e r n e t 技术加 上a d h o c 路由机制对传感器网络的设计是足够充分的，但深入的研究表明：传感器网络 有着与传统网络明显不同的技术要求。前者以数据为中心，后者以传输数据为目的。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，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 1 中北大学学位论文 感器网络，这未必是一种合理的选择。一些为自组织的h d - h o c 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的要求。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；中间节点上与具体应用 相关的数据处理、融合和缓存也显得很有必要。在密集性的传感器网络中，相邻节点间 的距离非常短，低功耗的多跳通信模式节省功耗，同时增加了通信的隐蔽性，也避免了长 距离的无线通信易受外界噪声干扰的影响。这些独特的要求和制约因素为传感器网络的 研究提出了新的技术问题。位1 俗话说：“水火无情 ，“贼偷一半，火烧全光。当今，火灾是世界各国人民所面 临的一个共同的灾难性问题。它给人类社会造成过不少生命、财产的严重损失。随着社 会生产力的发展，社会财富日益增加，火灾损失上升及火灾危害范围扩大的总趋势是客 观规律。据联合国“世界火灾统计中心提供的资料介绍，发生火灾的损失，美国不到 7 年翻一番，日本平均1 6 年翻一番，中国平均1 2 年翻一番。全世界每天发生火灾1 万 多起，造成数百人死亡。近几年来，我国每年发生火灾约4 万起，死2 0 0 0 多人，伤3 0 0 0 4 0 0 0 人，每年火灾造成的直接财产损失1 0 多亿元，尤其是造成几十人、几百人死亡 的特大恶性火灾时有发生，给国家和人民群众的生命财产造成了巨大的损失。严峻的现 实证明，火灾是当今世界上多发性灾害中发生频率较高的一种灾害，也是时空跨度最大 的一种灾害。火灾的危害性具体体现在以下五个方面。 1 、火灾会造成惨重的直接财产损失 1 9 9 3 年8 月5 日，深圳市安贸危险品储运公司清水河仓库，因化学危险物品混存而 发生反应，引起火灾爆炸事故，大火燃烧了1 6 小时，有1 5 人死亡，8 人失踪，8 7 3 人 受伤，在抢险中仅公安干警就有5 4 人伤亡，2 名公安局副局长殉职，烧毁建筑面积3 9 0 0 0 平方米，火灾直接财产损失1 5 2 亿元。 2 、火灾造成的间接财产损失更为严重。 现代社会各行各业密切联系，牵一发而动全身。一旦发生重、特大火灾，造成的间 接财产损失之大，往往是直接财产损失的数十倍。1 9 9 0 年7 月3 日，四川省梨子园铁路 隧道因油罐车外溢的油气遇到电火花导致爆炸起火。参加灭火抢险战斗的有解放军第1 3 集团军、二炮集团、成都军区、达县军分区预备师以及武警达县支队、四支队、四川省 消防总队。这起火灾直接财产损失仅5 0 0 万元，但致使铁路运输中断2 3 天，2 6 日全线 2 中北大学学位论文 通车，造成成千上万旅客滞留和许多单位停工待料，间接财产损失难以估算。 3 、火灾会造成大量的人员伤亡 据统计，2 0 0 0 年全国火灾中烧死3 0 2 1 人，烧伤4 4 0 4 人，平均每天有8 3 人在火中 被烧死。2 0 0 0 年四川共发生火灾5 7 1 8 起，死1 0 2 人，伤2 4 3 人。2 0 0 0 年1 2 月2 5 日河 南洛阳东都商厦因电焊工违章操作引起火灾，造成3 0 9 人死亡，7 人受伤。 国际消防技术委员会对全球火灾调查统计表明，近几年全球每年发生6 0 ( - - - 7 0 0 万起 火灾，大约有6 _ 1 万人在火灾中丧命，全球每年在火灾中死亡人数最多的6 个国家是： ( 1 ) 印度，年均2 万人；( 2 ) 俄罗斯，年均1 3 5 万人；( 3 ) 美国，年均5 千人；( 4 ) 中国，年均2 1 千人；( 5 ) 日本，年均2 干人；( 6 ) 乌克兰，年均1 7 千人。 4 、火灾会造成生态平衡的破坏 1 9 8 7 年5 月6 日到6 月2 日几乎长达一个月的大兴安岭森林特大火灾，起火直接原 因是林场工人在野外吸烟引起，间接原因是气候条件有利燃烧，可燃物多。人民解放军、 森林警察、公安消防人员、广大职工近1 0 万军民经过近一个月的殊死搏斗，才将大火 扑灭。这场大火致使1 9 3 人丧生，2 2 6 人受伤，火灾破坏了1 0 0 0 多万亩林业资源，大火 殃及1 个县城3 个镇，破坏的生态平衡需8 0 年才能恢复，经济损失高达6 9 1 3 亿元。 据资料统计，我国年均森林火灾毁林面积达1 0 0 万公顷( 我国森林覆盖率仅为1 3 ，日 本6 0 9 6 ) ，森林大面积减少，造成洪水泛滥。 5 、火灾会造成不良的社会政治影响 如火灾发生在首脑机关，通信枢纽、涉外单位、古建筑、风景区等都会造成严重的 政治影响，甚至波及全国乃至全世界。 1 9 9 4 年1 1 月1 5 日，吉林市银都夜总会因纵火发生火灾，殃及在同一建筑物内的市 博物馆，烧毁建筑面积6 8 0 0 平方米，不仅造成直接财产损失6 7 1 万多元，而且将无法 用金钱计算的博物馆内藏文物7 千余件和黑龙江在该馆巡展的l 具7 0 0 0 多万年以前的 恐龙化石( 长1 1 米，高6 5 米) 被烧毁，以及堪称世界级瑰宝、被列入吉尼斯世界 大全的吉林陨石雨中最大的l 号陨石( 重1 7 7 5 千克) 也在大火中分为两半，还有2 人被烧死，既造成了难以计算的经济损失，更造成了不良的政治影响。 由此可见，火灾造成的损失是相当惨重的，火灾的救援工作也是非常危险的。所以 3 中北大学学位论文 对容易发生火灾的区域进行监测和做一些预防工作，或者在发生火灾的时候能及时的给 予扑救，防止火势的蔓延是非常必要的。在气象条件中，空气湿度是火险天气中的关键 因素，空气湿度、空气温度对火灾的影响也非常大。针对于此，本文利用无线传感器网 络和动态的机器人联合工作的思想设计了基于无线传感器网络火险监测系统，在监控区 域内按照算法的要求来布置传感器网络，普通的传感器节点监测空气湿度、温度和火源 的位置；当有火灾发生的时候，可以通知机器人能够在无人状态下自动的即时的进行救 援工作。 该系统由传感器节点、机器人节点、危险敌对区域搜索节点和远端用户节点四部分 组成。无线传感器网络是由大量的具有温度、湿度采集功能、无线通信、计算功能的微 小传感器节点构成的自组织分布网络系统。每个节点具有数据采集与路由功能。传感器 节点最后把数据都发送到机器人节点处，机器人节点相当于网关负责融合、存储数据，并 把它传送至u i n t e r n e t 或卫星网络上将信息传给用户节点。用户管理节点可以远程接收、 分析数据，对火险进行监测和预报，即使发生火灾的时候具有消防功能的机器人节点也 可以即时的通过传感器网络的数据信息最快的赶到火灾发生地点给予扑救。当火势过大 时在一定程度上可以控制火势蔓延，为救援人员赢得了时间。文章着重从整个网络的节 能和动态机器人导航路径选择算法两方面进行仿真。 本文章节安排及本人主要工作 本文重点研究了无线传感器网络应用于区域危险监测，当区域内发生危险事件时候 可以通过无线传感器网络导航机器人执行任务，解决危险事件。本设计主要是研究监测 和营救火灾，只要根据论文的基本思想，该网络还可以根据不同的需要进行改动完成其 它任务。文章中主要是对无线传感器网络实现火灾监测与营救的方法进行仿真研究，论 文组织结构如下： 第一章主要介绍无线传感器网络的基本知识，包括传感器网络体系结构、拓扑结构、 网络特点，传感器节点、关键技术及在社会各个领域的应用； 第二章介绍无线传感器网络中常用到的协议算法的说明，基于能量的路由，基于查 询方式的路由，基于网络地理位置的路由选择；还有一些常用的路由。 第三章从硬件要求与软件实现本仿真过程的功能及具体算法的说明； 第四章对全部设计进行总结。 4 中北大学学位论文 第一章无线传感器网络 无线传感器网络的构想最初是由美国军方提出的，美国国防部高级研究所计划署 ( d a r p a ) 于1 9 7 8 年开始资助卡耐基一梅隆大学进行分布式传感器网络的研究，这被看 成是无线传感器网络的雏形。从那以后，类似的项目在全美高校间广泛展丌，著名的有 u cb e r k e e y 的s m a r td u s t 项目，u c l a 的w i n s 项目，以及多所机构联合攻关的s e n s i t 计 划，等等。在这些项目取得进展的同时，其应用也从军用转向民用。在森林火灾、洪水 监测之类的环境应用中，在人体生理数据监测、药品管理之类的医疗应用中，在家庭环 境的智能化应用以及商务应用中都已出现了它的身影。目下，无线传感器网络的商业化 应用也已逐步兴起。美国c r o s s b o w 公司就利用s m a r td u s t 项目的成果开发出了名为m o t e 的智能传感器节点，还有用于研究机构二次开发的m o t e w o r k t m 开发平台。这些产品都很 受使用者的欢迎。h 1 1 1 与现有有线网络和无线网络的区别 传统的有线传感器网络，传感器的位置是固定的，拆卸、安装、调试、校准都不方 便，对于环境条件差的地方信号线极易损坏，并且采用有线网铺建大范围网络投资大， 网络布线困难传输距离有限。图1 1 就是一个有线网络的终端，不仅铺设麻烦，而且维 护就是很大的一个障碍。 图1 1 某有线传感器网络的终端哺 5 中北大学学位论文 移动自组网( m o b i l ea dh o cn e t w o r k ) 是一个由几十到上百个节点组成的、采用无线 通信方式的、动态组网的移动性对等网络，其目的是通过动态路由和移动管理技术传输 具有服务质量要求的多媒体信息流。传感器网络虽然与无线自组网有相似之处，但同时 也存在很大的差别。传感器网络是集监测、控制以及无线通信的网络系统，节点数目更 为庞大( 成千甚至上万) ，节点分布更为密集：由于环境影响和能量耗尽，节点更容易出 现故障：环境干扰和节点故障易造成网络拓扑结构的变化：通常情况下，大多数传感器节 点是固定不动的。另外，传感器节点具有的能量、处理能力、存储能力和通信能力等都 十分有限。传统无线网络的首要设计目标是提供高服务质量和高效带宽利用，其次才考 虑节约能源：而传感器网络的首要设计目标是能源的高效使用，这也是传感器网络和传 统网络最重要的区别之一。嘲 1 2 无线传感器网络的结构 无线传感器网络通常包括传感器节点( s e n s o rn o d e ) 、汇聚节点( s i n kn o d e ) 和 管理( m a n a g e rn o d e ) 节点。大量的传感器节点随机的部署在监测区域，通过自组织方 式构成网络，随机分布的集成有传感器、数据处理单元和通信模块的微小节点通过自组 织的方式构成网络，借助于节点中内置的形式多样的传感器测量所在周边环境中的热、 红外、声纳、雷达和地震波信号，从而探测包括温度、湿度、噪声、光强度、压力、土 壤成分、移动物体的大小、速度和方向等众多我们感兴趣的物质现象。将监测到的数据 - - f e t i o r 曼，- - ；7l l i i 跚n k n o a e e r ：i ；纠s ；n kn 。d ej 人 f ”“：弋n 占o 彳 叫n拙。 m a n a e e rn o d e之丫o ? 白心 、 s e n s o rn o d e s e n s o rf i l e d 6 中北大学学位论文 图1 2 无线传感器体系结构 通过路由方式送到汇聚节点，最终通过互联网或卫星送到管理节点，用户通过管理节点 收到的信息对传感器网络进行配置管理和监测任务。嘲无线传感器体系结构如图1 2 所 示。传感器节点通常是一个微型的嵌入式系统，它的体积很小，有的小的传感器节点， 小到可以漂浮在空中。其处理能力，存储能力和通信能力都相对较弱，一般都是通过携 带有限的电池供电。一个节点主要由传感器模块( s e n s i n gu n i t ) ，处理器模块 ( p r o c e s s i n gu n i t ) ，无线通信模块( t r a n s c e i v e r ) 和能量供应模块( p o w e ru n i t ) 四部分组成。如1 3 所示，传感器模块负责监测区域内的信息采集和数据转换：处理器 模块负责控制整传感器节点的操作，存储和处理本身采集的数据以及其他节点发来的数 据；无线通信模块负责与其他传感器节点进行无线通信，交换信息与收发采集数据；能 量供给模块为传感器提供运行所需要的能量，通常采用微型电池。m 图1 3 传感器节点的结构图 汇聚节点的处理能力、存储能力和通信能力相对比较强，它连接传感器网络与外部 网络，实现两种协议之间的通信和协议转换，同时发布管理节点的监测任务并把收集的 数据发到外部的网络上。汇聚节点机可以是一个具有增强功能的的传感器节点，有足够 的能量供给和存储能力和计算机资源，也可以作为没有监测能力仅带有无线通信接口的 特殊网关设备。 传感器节点存在诸多的限制，比如由于电池供电，电源能量有限；体积比较小，处 理器的处理能力较低，计算存储能力较低；通信能力也有一定的限制。这些因素是随着 科技的发展面临解决的问题。一个实物传感器节点如图1 4 所示，该节点是美国克尔斯 7 中北大学学位论文 博c r o s s b o w 公司的产品。 图1 4 左为传感器节点右为网关节点汇聚节点吲 1 3 传感器网络的特点 大规模网络 为了准确的获取数据，就需要在监测区域部署大量的传感器节点，可能成千上万。 一方面是因为监测的范围较大，两一方面传感器部署很密集，在以局部就需要部署大量 的传感器节点。 无中心自组织性 由于每个节点的地位平等，网内没有绝对的控制中心，可以在任何时刻地点自动组 网。传感器节点的位置不能预先精确设定，节点之间的邻里关系也不确定，不像通常使 用的网络固定地址，固定关系。能够自动的进行配置和管理，通过拓扑和网络通信协议 自动的形成监测多跳无线网络。如果一些节点由于能量耗尽，离开网络其他的节点就要 改变拓扑结构弥补它的缺失，所以节点数量的增加和减少都会导致网络的拓扑结构变 化，自组织性能就是描述网络拓扑结构的动态变化。 动态变化的网络拓扑 移动终端可以在网络中随意的移动，由于受能量或环境等各方面的影响网络拓扑容 易发生变化。整个网络可以适应各种变化，具有动态系统可重构性。 可靠的网络 8 中北大学学位论文 传感器节点不是简单的射频通信，它往往要工作在恶劣的环境下，甚至还会遭到破 坏，有时要利用飞机的散播和发射炮弹来进行网络节点的部署，所以要求节点非常坚固， 不易损坏，适应各种恶劣环境。由于传感器节点数量很大，监测的环境面积很大，具体 的节点位置会时常发生变化所以不可能人为的进行网络维护，为了防止监测的数据被盗 取，所以就要注意网络的保密性和安全性，要求整个网络的软硬件具有很好的鲁棒性和 容错性。 夸以数据为中心的网络 目前的互联网是现有计算机系统后再互联成网络，中断计算机系统可以脱离网络独 立存在。互联网中，网络设备用网络中唯一的i p 地址标识，资源定位和信息传输依赖于 终端，路由器，服务器等网络设备的i p 地址。要访问互联网中的资源就要知道存放资源 的服务器地址。所以互联网是一个一地址为核心的网络。 但是如果要脱离传感器网络，去谈传感器节点是没有任何意义的。传感器网络中节 点采用编号标识，节点编号是否需要全网唯一取决于网络通信的协议，由于传感器节点 随机部署，构成传感器网络的节点编号与节点之间是完全动态的，表示节点编号与节点 位置之间没有必然联系。用户将事件通告给网络而不是通告给具体节点，网络获得指定 事件信息后，再汇报给用户，所以通常说传感器网络是一个以数据为中心的网络。 夸受限的无线传输宽带 带宽比有线网络低得多，会产生网络阻塞，信号冲突和衰减，信道间的干扰不利于 网络工作的因素。 夺移动终端的能力有限 虽然节点的体积小，携带方便，但是存在c p u 性能差，内存小，能源受限( 网络正常 工作的基本条件) 。 夺多跳路由 受功率的限制，节点覆盖范围较小，与超出范围的节点通讯时，采用中间节点转发 的方法。多跳是一定数量的中间节点协作完成的。此多跳方式也节省能源。 ， 夺 安全性较差 无线信道分布式控制，很容易被窃听。 睁网络可扩展性差 9 中北大学学位论文 由于动态的拓扑结构具有不同的子网地址，节点属于哪个子网是不确定的。因此 i n t e r n e t 的扩展方式不适合无线网络的扩展。睁1 2 1 1 4 无线传感器网络的拓扑结构 无线传感器网络特定的应用环境及其固有的特征，对传感器网络拓扑结构的设计提 出了新的要求。在无线传感器网络中，节点需要完全以自组织的形式构成自治型网络， 并且能够工作在无入值守的恶劣环境当中。到目前为止，无线传感器网络拓扑结构的研 究主要集中在两个方向，即平面型拓扑结构和层次型拓扑结构。 1 4 1 平面型拓扑结构 平面型拓扑结构，所有节点的地位平等、作用相同，既采集数据又进行数据通信的 中转，网络中不存在集中式控制中心。为了有效地节省能量，远距离节点之间以多跳通 信方式，如图1 5 所示。平面结构网络比较简单，无需任何的结构维护过程，节点根据 预定的路由协议自组织成无线网络。由于随机分布、高密度等特性，源节点和目的节点 之间可能存在多条传输路径，如图1 5 中节点a 和e 之间存在两条路径：a c 一 d 一 e 和 a _ c 一 f 一 e ，既可以使用多条路径实现负载分担，也可以为不同的数据传输需求选择适 当的路径。 图1 5 平面型拓扑结构 平面结构网络中所有的传感器节点理论上是对等的，不存在瓶颈和单点故障，所以 1 0 中北大学学位论文 比较健壮，但是网络规模受限，动态扩展性差，难以维护。在平面结构中，源节点为了 获得目的节点信息通常需要传输大量的查询消息，而且由于网络的动态性，如节点失效、 增加等，维护这些动态变化的路由信息需要发送大量的控制消息。网络规模越大路由维 护的开销就越大，当网络的规模增加到某个程度时，网络的所有带宽可能被路由协议消 耗掉，所以平面式结构的网络扩展性较差。 1 4 2 层次型拓扑结构 层次型拓扑结构中，网络根据具体应用需求，如地理区域、能源、应用类型等，划 分为簇( c l u s t e r ) ，每个簇由一个簇头节点和多个簇成员构成，多个簇头节点抽象成高 一级的网络，在高一级网络中可以继续分簇，形成更高一级网络，最终形成多层次组织 结构的传感器网络，如图1 6 所示。 n o d e 图1 6 层次性拓扑结构 层次型拓扑结构中，不同层次以自己的局部概念进行交互，聚集起来实现期望的全 局任务。分层组织结构中，簇内成员节点负责感知任务，以多跳方式将采集的信息发送 到簇头节点。簇头节点作为簇类的中心节点，担负着与远程终端通讯、发布簇类管理信 息、执行更高层次的数据融合和数据分析等使命。为了有效利用能源和延长网络的生命 周期，簇头节点通常依据能量概率分布由网络节点轮流充当。这样可以使簇头节点的高 能量消耗平均到网络节点上，同时也避免了固定簇头引起的网络的脆弱性和不稳定性， 而且可以通过簇拆分来增加簇的个数或者簇聚合形成更高一级网络来提高整个网络的 容量。但缺点是，为了维护层次化结构需要仔细设计簇头选择算法。而且簇间节点为了 】 中北大学学位论文 完成数据通信需要经过簇头转发，因此不一定能使用最佳路由，例如图1 5 中的a ，b 节 点，物理距离很接近，在平面结构中可以直接通信，但分簇后需要通过两个簇的簇头中 继进行通信。 1 5 传感器节点 很多公司都投入了很大的精力去研发无线传感器网络的相关产品，包括各种传感器、 微型传感器节点、网络协议和软件操作系统等。传感器的硬件平台的市场竞争相当激烈， 例如：有美国c r o s s b o w 公司生产的m i c a ，m i c a 2 ，和m i c a 2 d o t 节点：有m i l l e n n i a ln e t 公司生产的i - b e a ne n d p o i n t s ，r o u t e r s 和g a t e w a y s ；e m b e r 公司生产的e v a l u a t i o n m o d u l e s 和d e v e l o p e rk i t s 等等。n 町这些节点硬件都是由微处理器、通信模块、模拟 或数字的传感器接口组成。对于通信模块一般选择一个射频收发器，一个激光模块或者 一个三角棱镜反射器来控制射频通信。最后再加上标准或者定做的一个传感器与预留的 接口连接作为数据采集部分，温度传感器，湿度传感器，角度传感器，加速度传感器， 压力传感器等。一个节点上可以安装多个传感器，进行多路数据的采集。 1 5 1 处理器模块 处理器模块是无线传感器节点的核心，所有的设备控制，任务调度，能量计算和功 能协调，通信协议，数据整合等都将在这个模块的支持下完成。目前使用较多的有a t m e l 公司的a v r 系列单片机；t i 公司的m s p 4 3 0 超低功耗系列处理器；3 2 位的a r m 处理器也将是 未来传感器节点的设计的考虑对象。微处理器朝着功耗低，速度快，集成度高，地址空 间非常大，可以扩展大容量的存储器的方向发展。高档的处理器大多应用在汇聚节点 s i n kn o d e 上，a r m 就是一个理想的对象。n 钉 1 5 2 无线通信模块 传感器网络的数据通信协议包括物理层，数据链路层，网络层和应用层。目前各层 协议没有标准化，不同的应用往往对通信指标有不同的要求，也不太可能为所有的应用 统一使用相同的协议。 1 2 中北大学学位论文 物理层协议 物理层主要考虑的编码调制技术、通信技术和通信频段等问题。调制编码技术包括 开关控制，幅值控制，频率控制，相位控制等。一般传感器网络为低功耗，低数据量传 输，长期工作在无线网络，所以本身对数据的传输速率的要求不高，提高速率可以减少 数据收发的时间，对于节能有一定的好处。 通信频段其工作在2 4 g h z 。2 4 g h z 无线技术的传输距离可以达到1 0 米。所谓的 2 4 g h z 所指的是一个工作频段，2 4 g h zi s m ( i n d u s t r ys c i e n c em e d i c i n e ) 是全世界 公开通用使用的无线频段，蓝牙技术即工作在这一频段，2 4 g h z 频段在大多数国家都无 需申请许可证，是传感器网络优先选择的传输频段。在2 4 g h z 频段下工作可以获得更大 的使用范围和更强的抗干扰能力。睁1 7 3 随着产品向高端化发展，越来越多的2 4 g h z 无线 游戏外设开始在市场里销售。 数据链路层协议 传感器网络的链路层和其他网络的链路层一样需要提供流量控制和传输可靠的点 对点的通信服务。与其他网络不同的对数据的传输速率要求不高，而对长期的稳定工作 要求很高。i e e e8 0 2 1 5 系列标准由i e e e 协会的无线个人区域网络工作组制定。i e e e 8 0 2 1 5 1 是为蓝牙制定的标准；i e e e8 0 2 1 5 2 是解决蓝牙和w l a n 的共存问题；i e e e 8 0 2 1 5 是服务高速的w p a n 物理层和链路层，以支持多媒体方面的应用；i e e e8 0 2 1 5 4 协议( 即z i g b e e 协议) 是定义2 5 0 k b p s 的低复杂度、超低功耗和超低价格的无线数据通 信协议的物理层和m a c 层同时支持无线通信。除了2 4 g h z 的载波频段，z i g b e e 还定义了 8 6 8 m h z 和9 1 5 m h z 两个频段。【l 羽同时支持多种数据通信速率的选择。z i g b e e 技术的主要优 势及其与蓝牙和w i _ f i 的比较：i e e e8 0 2 1 5 4 和z i g b e e 从一开始就被设计用来构建包括 恒温装置，安全装置和煤气读数表等设备的无线网络。这是由其主要技术优势决定的： 1 数据传输速率低：只有l o k 字节秒 ! u 2 5 0 k 字节秒，专注于低传输应用。 2 功耗低：在低耗电待机模式下，两节普通5 号干电池可使用6 个月到2 年，免去了 充电或者频繁更换电池的麻烦。这也是z i g b e e 的支持者所一直引以为豪的独特优势。 3 成本低：z i g b e e 数据传输速率低，协议简单，所以大大降低了成本。且免收专 利费。 4 网络容量大：每个z i g b e e 两 络最多可支持2 5 5 个设备。 1 3 中北大学学位论文 5 时延短：通常时延都在1 5 毫秒至3 0 毫秒之间。 6 安全：z i g b e e 提供了数据完整性检查和鉴权功能，采用a e s - 1 2 8 力h 密算法。 7 有效范围小：有效覆盖范围i 0 7 5 米之间，具体依据实际发射功率的大小和各 种不同的应用模式而定，基本上能够覆盖普通的家庭或办公室环境。 8 工作频段灵活：使用频段为2 4 g h z 、8 6 8 m h z ( 欧洲) 及9 1 5 m h z ( 美国) ，均为免执照 频段。n 叫 1 5 3 静态节点与动态节点 传感器节点分为静态节点( s t a t i cs e n s o rn o d e ) 和动态节点( m o b il es e n s o rn o d e ) 两种，静态节点顾名思义就是配置好节点以后，该节点就静止不动了，进行数据的采集 和转发等工作；而动态节点是把传感器节点安装到可以行走的机器人上，传感器节点根 据收到的命令可以控制机器人节点移动到任何地方。由此可见动态节点的造价要比静态 的节点造价高很多，但是它不受地域的限制可以监测不同区域的数据，又很大的灵活性。 动态节点如图1 7 所示。 图1 7 动态传感器节点旧叫 动态节点不仅要进行数据的采集和转发，还要控制节点的移动，这样比静态传感器 节点耗电量大的多，所以能耗就是动态节点的面对的最大的问题。这就要求有一套能保 证工作，又能节省能量的算法支持。由静态节点组成的网络，称为静态网络；比如：监 测高尔夫球场的草皮的湿度，和土壤的酸碱度，是将传感器节点埋在地下2 0 c m 处，一旦 14 中北大学学位论文 安放好就不需要更改位置。 既有静态节点也有动态节点的网络称为混合网络，在网络中增加了动态节点，也就 增加了网络的灵活性，但并不是所有的动态节点都在不停的移动，大多数的时候它们还 是保持静止的，甚至为了节省能量，有的也会处在睡眠状态，直到他们接收到什么移动 的命令的时候去执行它的工作。移动的节点，一般多用在有侦查性和探索性的网络中或 者救援性的网络中。 1 6 传感器网络的关键技术 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 非常多的关键技术有待发现和研究。 ( 1 ) 网络拓扑控制 对于无线的自组织的传感器网络而言，网络拓扑控制具有特别重要的意义。通过拓 扑控制自动生成的良好的网络拓扑结构，能够提高路由协议和介质访问控制( 姒c ) 协议 的效率，可为数据融合、时间同步和目标定位等很多方面奠定基础，有利于节省节点的 能量来延长网络的生存期。拓扑控制是无线传感器网络研究的核心技术之一。传感器网 络拓扑控制目前主要的研究问题是在满足网络覆盖度和连通度的前提下，通过功率控制 和骨干网节点选择，剔除节点之间不必要的无线通信链路，生成一个高效的数据转发的 网络拓扑结构。拓扑控制可分为节点功率控制和层次性拓扑结构形成两个方面。同时研 究者也提出了启发式的节点唤醒和休眠机制。该机制能够使节点在没有事件发生时设置 通信模块为睡眠状态，而在有事件发生时及时自动醒来并唤醒邻居节点，形成数据转发 的拓扑结构。口1 1 这种机制重点在于解决节点在睡眠状态和活动状态之间的转换问题，不 能够独立作为一种拓扑结构控制机制，因此需要与其他拓扑控制算法结合使用。 ( 2 ) 网络协议 由于无线传感器网络节点的计算能力、存储能力、通信能力以及携带的能量都十分 有限。每个节点只能获取局部网络的拓扑信息，其上运行的网络协议也不能太复杂。同 时，传感器拓扑结构动态变化，网络资源也在不断变化，这些都对网络协议提出了更高 的要求。无线传感器网络协议负责使各个独立的节点形成一个多跳的数据传输网络，目 1 5 中北大学学位论文 前研究的重点是网络层协议和数据链路层协议。网络层的路由协议决定监测信息的传输 路径：数据链路层的介质访问控制用来构建底层的基础结构，控制传感器节点的通信过 程和工作模式。吻1 在无线传感器网络中，路由协议不仅关心单个节点的能量消耗，更关心整个网络能 量的均衡消耗，这样才能延长整个网络的生存期。同时，无线传感器网络是以数据为中 心的，这在路由协议中表现得最为突出，每个节点没有必要采用全网统一的编址，选择 路径可以不用根据节点的编址，更多的是根据感兴趣的数据建立数据源g l j s i n k 节点之间 的转发路径。传感器网络的m a c 协议首先要考虑节省能源和网络扩展性，其次才考虑公 平性、利用率和实时性等。在m a c 层的能量浪费主要表现在空闲侦听、接受不必要数据 和碰撞重传等。为了减少能量的消耗，m a c 协议通常采用“侦听睡眠交替的无线信道 侦听机制，传感器节点在需要收发数据时才侦听无线信道，没有数据需要收发时就尽量 进入睡眠状态。由于传感器网络是应用相关的网络，应用需求不同时，网络协议往往需 要根据应用类型或应用目标环境特征定制，没有任何一个协议能够高效适应所有的不同 的应用。 ( 3 ) 网络安全 无线传感器网络作为任务型的网络，不仅要进行数据的传输，而且要进行数据采集 和融合、任务的协同控制等。如何保证任务执行的机密性、数据产生的可靠性、数据融 合的高效性以及数据传输的安全性，就成为无线传感器网络安全问题需要全面考虑的内 容。为了保证任务的机密布置和任务执行结果的安全传递和融合，无线传感器网络需要 实现一些最基本的安全机制：机密性、点到点的消息认证、完整性鉴别、新鲜性、认证 广播和安全管理。口幻 ( 4 ) 时间同步 时间同步是需要协同工作的传感器网络系统的一个关键机制。j e r e m y ei s o n 和k a y r o m e r 在2 0 0 2 年5 月的h o t n e t s l 国际会议上首次提出并阐述了无线传感器网络中的时间 同步机制的研究课题，在无线传感器网络研究领域引起了关注。目前已提出了多个时间 同步机制，其中r b s ，t i n y m i n i s y n c 和t p s n 被认为是三个基本的同步机制。 ( 5 ) 定位技术 位置信息是传感器节点采集数据不可缺少的部分，没有位置信息的监测消息通常毫 1 6 中北大学学位论文 无意义。确定事件发生的位置或采集数据的节点位置是无线传感器网络最基本的功能之 一。为了提供有效的位置信息，随机部署的传感器节点必须能够在布置后确定自身位置。 根据节点位置是否确定，传感器节点分为信标节点和位置未知节点。信标节点的位置时 已知的，位置未