（电磁场与微波技术专业论文）传感器网络智能事件探测机制研究.pdf

独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的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。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他 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了谢意。 申请学位论 本人签名： 处，本人承担一切相关责任。 日期：礁竺：垄：! 兰 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借 阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论 文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名：五垦丝 日期： 导师签名 乙口i 口。 1 日期：型竺：墨：! ! 3 一 。；矿 北京邮电大学硕士研究生学位论文基于标量数据处理的异构传感器网络智能事件探测机制研究 传感器网络智能事件探测机制研究 摘要 随着微机电系统、计算机技术、通信等学科的飞速发展，异构无 线传感器网络作为传感器网络中最复杂，最智能的网络形式已经被广 泛地应用于环境监测、医疗、农业、军事等各个领域。无线传感器网 络的首要任务之一是进行环境监测和事件探测，然而对于异构分层传 感器网络，由于底层采集信息的节点类型可能不同，并不能按照单一 节点类型的传感器网络进行事件探测判断。所以对同层异构节点所采 集的不同类型标量数据进行综合的分析处理从而进行事件探测的机 制成为了传感器网络相关的具有研究意义的方向之一。 针对当今采集标量数据信息的异构传感器网络，本文提出了一种 基于标量数据智能分析处理的异构传感器网络的事件探测机制，包括 分析了传感器网络事件探测应用的研究意义以及研究现状，建立了较 为完整的数学模型，包括数据分析处理模型以及事件探测网络机制模 型，并且定义了该机制要涉及到的众多技术细节。 本文还针对提出机制的核心数据处理算法进行了特定场景的有 效性验证，验证结果表明本文提出的事件探测机制是可靠的，有效的。 该机制不仅提高了事件探测的准确性，而且缩短了事件探测的周期， 也间接的节省了传感器网络中节点的能耗，提高了诸如网络寿命等性 能。最后，论文还将该机制实现于基于t i n y o s 的系统中，并在m i c a 2 节点上成功运行，实际运行稳定有效。 +， 北京邮电大学硕士研究生学位论文 基于标量数据处理的异构传感器网络智能事件探测机制研究 关键字：传感器网络，标量数据处理，区域智能事件探测 北京邮电大学硕士研究生学位论文 基于标量数据处理的异构传感器网络智能事件探测机制研究 n 呵t e l l i g e n te v e n td e t e c t i o nm e c h a n i s m f o rw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s a b s t r a c t w k ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fm i c r o - e l e c t r i c i t ys y s t e m ，c o m p u t e r t e c h n o l o g ya n dc o m m u n i c a t i o n s ，t h eh e t e r o g e n e o u sw i r e l e s s s e n s o r n e t w o r k s ，a st h em o s tc o m p l i c a t e d ，i n t e l l i g e n tn e t w o r k sf o r m a to fs e n s o r n e t w o r k s ，h a sb e e na p p l i e di n t oa l lk i n d so fa r e ai n c l u d i n ge n v i r o n m e n t m o n i t o r i n g ，h e a l t hc a r e ，a g n c u l t u r e ，a n dm i l i t a r y t h em a j o rt a s ko f w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k si st od oe n v i r o n m e n ts u r v e i l l a n c ea n de v e n t d e t e c t i o n h o w e v e r , f o rh e t e r o g e n e o u sw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s ，i ti s i n a d v i s a b l et od e c i d ew h e t h e rt h ee v e n t sh a p p e nj u s ta c c o r d i n gt os i n g l e t y p en o d e ，s i n c et y p e so fn o d e si nl o w e rt i e ra r ed i f f e r e n t o b v i o u s l y , m a k i n gd e c i s i o no f e v e n td e t e c t i o nb a s e do nc o m p r e h e n s i v ea n a l y s i sa n d p r o c e s s i n go fd i f f e r e n tt y p eo fs c a l a rd a t ac o l l e c t e db ys a m et i e rn o d e s b e c o m e so n eo f m a j o rs i g n i f i c a n tr e s e a r c hd i r e c t i o na b o u tw i r e l e s ss e n s o r n e t w o r k s t h i st h e s i sp r o p o s e das c a l a rd a t ap r o c e s s i n gb a s e d e v e n td e t e c t i o n m e c h a n i s m ，w h i c hi n c l u d e sd e t a i l e dd i s c u s s i n gt h er e l a t e dw o r ka b o u tt h e e v e n td e t e c t i o ni nw s na n de s t a b l i s h i n gr e l a t i v e l yc o m p l e t em a t h e m a t i c m o d e ll i k ed a t aa n a l y s i sm o d e la n de v e n td e t e c t i o na l g o r i t h mm o d e la n d m a n yd e t a i l sr e l a t e dt ot h ep r o p o s e dm e c h a n i s m i i i 北京邮电大学硕士研究生学位论文 基于标量数据处理的异构传感器网络智能事件探测机制研究 t h i st h e s i sa l s op r e s e n t e dt h es i m u l a t i o no ft h ep r o p o s e dm e c h a n i s m ， w h i c hi sac o m p a r i s o nb e t w e e np r o p o s e dm e c h a n i s ma n dt r a d i t i o n a l m e c h a n i s mu n d e rt h es p e c i f i cs c e n a r i o t h er e s u l t sp r o v e dt h er e l i a b i l i t y a n de f f i c i e n c yo ft h ep r o p o s e dm e c h a n i s m t h ep r o p o s e dm e c h a n i s m e f f i c i e n t l ye n h a n c e st h ep e r f o r m a n c ei n c l u d i n gs h o r t e n i n gt h ee v e n t d e t e c t i o np e r i o da n dd e c r e a s i n gt h ee n e r g yc o n s u m p t i o n f i n a l l y , t h i s t h e s i sa l s o p r o p o s e dac o m p l e t et i n y o sb a s e di m p l e m e n t a t i o nw i t h u s i n gm i c a 2m o t ea n dm t s 3 10s e n s o rb r o a d i t ss y s t e m a t i cr u n n i n gi s s t a b l ea n da v a i l a b 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 s ；s c a l a rd a t ap r o c e s s i n g ；r e g i o n a l i n t e l l i g e n te v e n td e t e c t i o n i v 北京邮电大学硕士研究生学位论文基于标量数据处理的异构传感器网络智能事件探测机制研究 目录 第一章绪论l 1 1 无线传感器网络概述1 1 1 1 概念和特点l 1 1 2 应用背景1 1 1 3 体系结构2 1 1 4 关键技术及朱来研究点3 1 2 论文主要工作4 1 3 论文组织结构4 第二章传感器网络事件探测机制国内外研究现状6 2 1 事件探测的研究意义6 2 2 事件探测相关网络结构7 2 2 1 平面无线传感器网络8 2 2 2 基于分簇的网络结构9 2 2 3 基于分层的网络体系结构1 0 2 3 事件探测机制国内外究现状1 2 2 3 1 非实时事件探测机制研究l3 2 3 2 实时的传感器网络事件探测机制研究1 3 2 3 3 事件探测相关应用研究1 5 2 4 本章小结1 7 第三章异构无线传感器网络区域智能事件探测1 8 3 1 异构无线传感器网络结构。1 8 3 。2 异构智能事件判断机制1 9 3 2 1 数据结构2 0 3 2 2 机制过程描述2 2 3 2 3 机制技术细节。2 4 3 3 本章小结3 0 第四章t i n y o s 系统实现。3 l 4 1 基于模拟场景应用的算法有效性验证3l 4 1 1 模拟场景经验值及相关参数设定3 l 4 1 2 区域智能事件探测模拟场景验证及结果。3 3 4 2 基于t i n y o s 的系统实现3 5 4 2 1 系统实现目标3 5 4 2 2t i n y o s3 1 z 台3 7 4 2 3 实现原理3 8 4 2 4t i n y o s 系统实现4 l 4 3 本章小结4 6 第五章总结与展望。4 7 5 1 研究工作与总结4 7 5 2 展望4 7 参考文献4 9 j 1 5 谢5 l 攻读硕士学位期间发表的论文情况5 2 北京邮电大学硕士研究生学位论文 基于标量数据处理的异构传感器网络智能事件探测机制研究 北京邮电大学硕士学位论文基于标量数据处理的异构传感器网络智能判断唤醒机制 1 1 无线传感器网络概述 第一章绪论 目前传感器网络【l 】技术已被列为对人类未来生活产生深远影响的十大新兴 技术之首。人类进入2 1 世纪以来，微机电系统、计算机技术、通信等学科的飞速 发展孕育了一种新型的网络，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 ) 。 低功耗无线电通信技术、嵌入式计算技术、微型传感器技术及集成电路技术的飞 速发展和日益成熟，使得大量的、低成本的微型传感器通过无线链路自组织成无 线传感器网络成为现实。它具有网络规模大、成本低、节点硬件简单、功耗低、 自组织等特点，可以广泛应用于环境监测、医疗、农业、军事等领域。 1 1 1 概念和特点 无线传感器网络是由具有感知、计算和通信能力的微型传感器节点通过自组 织的方式构成的无线网络。其主要功能是由节点采集物理信息，并进行一定处理 后传给一个或者多个汇聚节点。传感器节点集成了传感器件、数据处理单元和通 信模块，借助于传感器节点中内置的形式多样的传感器件，可以测量所在周边环 境中的热、红外、声纳、雷达和地震波等信掣列，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( 其大小、速度和方向) 等众多感兴趣的 物质现象。作为一种特殊的a d - h o c 网络【3 】，无线传感器网络可应用于布线和电源 供给困难的区域、人员不能到达的区域( 如受到污染、环境不能被破坏或敌对区 域) 和一些临时场合( 如发生自然灾害时，固定通信网络被破坏) 等。它不需要固定 网络支持，具有快速展开，抗毁性强等特点，可广泛应用于军事、工业、交通、 环保等领域。 目前常见的无线网络包括移动通信网、无线局域网、蓝牙网络、a dh o c 网络 等，与这些网络相比，无线传感器网络具有硬件资源有限、电源容量有限、无中 心、自组织、与应用相关、动态拓扑、规模大等特点【l 】。 1 1 2 应用背景 微电子机械系统【4 ( m i c r oe l e c t r om e c h a n i c a ls y s t e m ，简称m e m s ) 支持下的微 小传感器技术和节点间的无线通信能力为无线传感器网络赋予了广阔的应用前 景，主要表现在军事、环境、健康、家庭和其他商业领域。当然，在空间探索和 北京邮电大学硕士学位论文基于标量数据处理的异构传感器网络智能判断唤醒机制 灾难拯救等特殊领域，无线传感器网络也有其得天独厚的技术优势。 军事领域：该领域的应用需求是无线传感器网络产生的主要推动力量。对无 线传感器网络最早进行研究的就是美国军方。在未来，无线传感器网络将会成为 c4is黼control,，commurlication，computing,intelligence，surveillance,， r e c o 衄a i s s 锄c e ) 和其他系统不可或缺的部分【引。c 4 1 s r t 系统的目标是利用先进的 高科技技术，为未来的现代化战争设计一个集命令、控制、通信、计算、智能、 监视、侦察和定位于一体的战场指挥系统。因为无线传感器网络一般是由密集型、 低成本、随机分布的节点组成的，自组织性和容错能力使其不会因为某些节点在 恶意攻击中的损坏而导致整个系统的崩溃，而且整个无线传感器网络还有无需外 界配置管理的自组织特性。 环境科学：随着人们对于环境的日益关注，环境科学所涉及的范围越来越广 泛。通过传统方式采集原始数据是一件困难的工作。无线传感器网络为野外随机 性的研究数据获取提供了方便。比如，跟踪候鸟和昆虫的迁移，研究环境变化对 农作物的影响，监测海洋、大气和土壤的成分等。a l e r t t 6 】中就有数种传感器来 监测降雨量、河水水位和土壤水分，并依此预测爆发山洪的可能性 7 1 。 医疗健康：如果在住院病人身上安装特殊用途的无线传感器节点，如心率和 血压监测设备，利用无线传感器网络，医生可以随时了解被监护病人的病情，进 行及时处理【8 l 。还可以利用无线传感器网络长时间地收集人的生理数据，这些数 据在研制新药品的过程中是非常有用的，而安装在被监测对象身上的微型传感器 也不会给人的正常生活带来太多的不便。 空间探索：探索外部星球一直是人类梦寐以求的理想，借助于航天器抛撒的 无线传感器网络节点实现对星球表面长时间的监测，应该是一种经济可行的方 案。美国国家宇航局的j p l ( j e tf r o p u l s i o nl a b o r a t o r y ) 实验室研制的s e n s o rw e b s 【9 】 就是为火星探测进行技术准备的，已在美国佛罗里达宇航中心周围的环境监测项 目中进行测试和完善。 其它领域：自组织、微型化和对外部世界的感知能力是无线传感器网络的三 大特点，这些特点决定了无线传感器网络在商业领域也有不少的应用机会。比如， 嵌入家具和家电中的传感器与执行机构组成的无线网络与i n t a c t ：连接在一起将 会为我们提供更加舒适、方便和具有人性化的智能家居环境。此外，在灾难拯救、 仓库管理、交互式博物馆、交互式玩具、工厂自动化生产线等众多领域，无线传 感器网络都将会孕育出全新的设计和应用模式【m 】。 1 1 3 体系结构 无线传感器网络中，所有的传感器节点散布在一定区域内，完成对感测区域 2 北京邮电大学硕士学位论文基于标量数据处理的异构传感器网络智能判断唤醒机制 的有效监视。无线传感器网络典型的体系结构如图1 1 所示。典型的无线传感器 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 ) 和任务管理节点。 节点具有传感、信号处理和无线通信功能，它们既是信息包的发起者，也是信息 包的转发者。通过网络自组织和多跳路由，将数据向汇聚节点发送。汇聚节点可 以使用多种方式与外部网络通信，如i n t e m e t 、卫星或移动通信网络等等，大规 模的应用可能使用多个汇聚节点。最后，将数据信息传送给任务管理节点提供给 用户。节点由于受到体积、价格和电源供给等因素的限制，通信距离较短，只能 与自己通信范围内的邻居交换数据。要访问通信范围以外的节点，必须使用多跳 路由。为了保证网络内大多数节点都可以与网关建立无线链路，节点的分布要相 当的密集。 传感器节点 网络区域 图1 - 1 无线传感器网络体系结构 1 1 4 关键技术及未来研究点 无线传感器网络的研究内容很多，按节点层面和网络层面可分为两大部分。 对传感器节点而言，研究内容主要包括：传感器技术、电源技术、低功耗芯片技 术、无线通信技术、嵌入式操作系统、低能耗编译技术等。 在网络层面上，研究内容主要包括：低能耗介质访问控n ( m a c ) t 办议t 】、能 量高效路由协议、网络覆盖和网络规划、拓扑控制技术、定位技术、时钟同步技 术、数据融合技术、数据管理技术、网络安全技术、应用层技术等。 同时，对于未来的传感器网络，当下的研究点成为了研究热点。主要包括： 节点芯片设计、三维场景的覆盖问题、多媒体传感器网络的q o s 体系与保障方法、 智能多媒体信息处理、信息同步与融合技术、信息安全等方面。这些研究点构成 了未来五到十年，无线传感器网络的研究热点以及发展方向。 3 北京邮电大学硕士学位论文 基于标量数据处理的异构传感器网络智能判断唤醒机制 1 2 论文主要工作 本文创新性的提出了一种基于标量数据智能处理判断的多层异构传感器网 络事件探测机制。针对多层异构网络的跨层事件探测机制融入了分簇的概念，同 时，为低端的簇内节点以及簇首节点都配备了数据计算处理功能。让普通的事件 探测机制不单单是根据某一类型数据，而是根据某一个区域内的所有不同类型数 据所反映出来的最接近事实的数值来自行判断是否事件发生并从而进行下一步 的唤醒操作等控制，确保事件探测机制准确有效，显著的节约了网络的能量消耗， 延长了网络的生存时间。 本论文的主要研究工作及成果有： 1 研究了当前多层网络结构的模型，同时分析了当前事件探测机制的不足， 即判断事件是否发生所基于的数据过于片面和单一，即使触发唤醒的节点有数据 的融合判断功能，普通节点也不具备处理能力，这通常会导致簇首节点负荷过大。 因此本文提出了，簇首节点可以根据要求选择不同类型的传感信息作为事件判断 的标准，普通节点遵循先数据处理，后上传的理念，大大提高了事件判断机制的 智能型，也减少了中心计算节点的负荷同时减小了冗余，提高了收集区域数据的 精确度。 2 本文针对提出的智能事件探测机制的数据处理部分的核心算法进行了有 效性验证，根据经验数据给出了特定的模拟场景进行验证，验证了算法的有效性 和智能型。其次，本文针对当今传感器网络普遍使用的t i n y o s 平台进行了编程 实现，将该机制实现于t i n y o s 平台，并且利用c r o s b o w 节点以及传感器板进行了 实际的系统实现，运行可靠有效。 1 3 论文组织结构 论文全文共分为六章： 第一章，绪论。首先从概念、特点、应用前景、体系结构以及关键技术几个 方面介绍了无线传感器网络，然后阐明了本文的主要研究工作及其意义，最后列 出了本文的组织结构。 第二章，传感器网络事件探测机制研究意义及现状。首先介绍了无线传感器 网络的主要任务，及环境监测和事件判断。并且通过分析当今无线传感器网络的 技术发展和应用价值，强调了事件探测在无线传感器网络中的重要性。其次，介 绍了事件探测任务所能够应用的无线传感器网络结构类型。接着阐述了针对异构 无线传感器网络事件探测研究的必要性，并讨论了当前事件探测机制的国内外研 究现状。 4 北京邮电大学硕士学位论文基于标量数据处理的异构传感器网络智能判断唤醒机制 第三章，异构无线传感器网络区域智能事件探测。本章首先给出了所研究的 异构无线传感器网络的事件探测机制的应用背景，然后给出了该机制所使用的网 络结构。最后详细地提出了该智能事件探测机制，包括，数据结构、数学模型、 机制流程以及该机制中的各个技术细节等。最后对本章内容进行了小结。 第四章，算法模拟仿真验证及t i n y o s 实现。首先给出特定的应用场景以及 经验数据，对该智能事件探测机制中的核心算法进行了有效性验证，其次给出了 该机制在t i n y o s 平台的实现。 第五章，总结与展望，总结了全文进行的工作并对未来工作进行了展望。 5 北京邮电大学硕士学位论文基于标量数据处理的异构传感器网络智能判断唤醒机制 第二章传感器网络事件探测机制国内外研究现状 2 1 事件探测的研究意义 无线传感器网络的典型应用模式可分为两类，一类是传感器节点监测环境状 态的变化或事件的发生，将发生的事件或变化的状态报告给管理中心；一类是由 管理中心发布命令给某一区域的传感器节点，传感器节点执行命令并返回相应的 监测数据。与之对应的，传感器网络中的通信模式也主要有两种，如图2 1 ，一 是传感器将采集到的数据传输到管理中心，称为多到一通信模式；一是管理中心 向区域内的传感器节点发布命令，称为- - n 多通信模式。前一种通信模式的数据 量大，后一种则相对较小。然而随着传感器网络技术的全面普及，传感器网络的 应用将被应用于越来越广泛的生活和工作中。其中，监测环境状态变化以及事件 发生为当今无线传感器网络的首要任务，而多对一的通信模式，即传感器将采集 到的数据传输到管理中心的方式也是最常用的通信方式。所以，由大量的传感器 节点进行环境探测以及事件探测，并将采集到的数据发送给数据管理节点的这一 应用模式成为了所有无线传感器网络应用中最普遍也最有价值的应用类型。 囵 传感器节点管理中心 图2 - 1 传感器网络通信模式 无线传感器网络是一种全新的信息获取平台，能够实时监测和采集网络分布 区域内的各种检测对象的信息，并将这些信息发送到网关节点，以实现复杂的指 定范围内目标检测与跟踪，具有快速展开、抗毁性强等特点，有着广阔的应用前 景。无线传感器网络顾名思义即由传感器节点组成的无线网络。按照传感器节点 采集数据类型的不同，可以把信息采集节点归结为标量信息节点和矢量信息节 点。因为传感器网络节点目前仍具有功耗小，处理运算能力相对较低的特点，所 6 北京邮电大学硕士学位论文基于标量数据处理的异构传感器网络智能判断唤醒机制 以大部分的传感器节点主要探测包括地震、电磁、温度、湿度、噪声、光强度、 压力、土壤成分、移动物体的大小、速度和方向等标量数据信息，从而来进行对 环境的监测以及判断事件的发生。而随着网络结构的不断复杂化，对于某些应用 场景，可以对于传感器节点可以配备有源电源，因此电量也不再是限制传感器网 络节点寿命的因素，从而也可以选择一些处理运算能力相对较强的节点支撑传感 器网络的更加高要求的应用。如我们可以引入采集矢量数据的音频视频节点，这 样利用高性能运算节点对采集到的矢量数据进行一定的操作，主要包括模式识别 和信息提取，可以有效的进行要求更高的实时的环境的监测以及事件判断任务。 随着异构无线传感器网络的发展，人们对于复杂事件的探测成为了可能。所 谓异构无线传感器网络，即由异种类型的传感器节点组成的网络。这种异构不单 单体现在分层的立体网络中不同层的节点类型不同，而是即使同一层的节点，也 会根据不同的功能所采用不同类型的节点。异构无线传感器网络通常用以完成比 较复杂的环境监测以及事件探测任务。通常在检测一个事件的时候，往往监测其 主要因素，如在监测火灾的过程中，人们主要考量温度这一主要参数。人们把温 度这样的参数成为火灾这个事件的充要因素。即温度和火灾事件的发生满足一个 充要条件。然而，实际环境中的事件往往不单单由一个因素所导致，这就是前面 介绍的复合事件。这类事件的发生往往由两个或两个以上的充要因素所决定。同 时，在实际的环境中，一件事情的发生往往还伴随着非充要因素，即充分因素或 必要因素。例如烟雾这个因素即为火灾发生的必要因素。因此如果能够有效的利 用当今异构无线传感器网络给我们提供的如此有力的网络技术支撑，并且能够全 面科学的引入复合事件探测的概念，再通过权衡考虑每个因素对于一个复杂事件 所产生的影响来判断一个事件是否发生，这势必将成为针对异构无线传感器网络 的环境监测和事件探测应用的一个新的研究点，并且具备十分广阔的应用前景。 2 2 事件探测相关网络结构 如前一节所述，事件探测是无线传感器网络的主要任务之一。对于无线传感 器网络而言，事件探测会根据网络结构的不同而有所变化。按照无线传感器网络 所采用的路由协议，可以令网络形成不同的拓扑结构。无线传感器网络结构可以 划分为平面网络，分层网络以及分簇的无线传感器网络。在平面网络结构中，所 有节点的地位都是平等的，可扩充性比较差，维护动态变化的路由需要大量的控 制信息。在分层的网络结构中，群成员的功能比较简单，不需要维护复杂的路由 信息。这大大减少了网络中路由控制信息的数量，具有很好的可扩展性。同其他 通信网络一样，传感器网络主要涉及属性之一就是可扩展性。随着传感器节点密 度的增加，单层的网络可能会引起网关节点负荷过重的情况，这种负荷过重可能 7 北京邮电大学硕士学位论文 基于标量数据处理的异构传感器网络智能判断唤醒机制 会引起通信延迟和不能即使跟踪检测事件。另外，对于覆盖更大区域的大规模传 感器网络，由于传感器节点不支持长距离的通信，单层网络结构将是不可扩展的， 为了使系统能够在不降低服务质量的情况下处理额外的负载和覆盖更大的范围 的区域，人们采用了分簇的方式组织传感器网络。分簇的网络相比平面的网络有 如下优点： 1 分簇的路由协议消耗的能量少且能量消耗的分布均匀，能有效的延长网络 寿命，平衡网络负载。 2 分簇式路由协议是基于某种簇形成策略，选举产生一个较为稳定的子网 络，从而减少了拓扑结构变化对路由协议带来的影响。 3 簇头节点对所在簇内的节点进行管理，能方便地向基站传达节点的各种信 息，例如能量、安全性、故障等。另外基站通过头节点可以有效地向网络中其他 节点发送命令，这是平面路由所不能有效实现的。 对于平面的传感器网络而言，其事件探测主要完成一些单一数据的采集，通 过对等的节点多跳发送至簇首节点。而基于分簇的传感器网络则可以更附加的采 集更大区域内的数据，并进行一些简单的筛选。基于分层的异构传感器网络则是 目前传感器网络中最复杂的形式，它的网络结构保障了可以在其上使用更为复杂 的事件探测应用。此外，异构分层的无线传感器网络也为事件探测应用研究提供 了良好的底层支持和保障。本文所提出的智能事件探测机制也是基于异构分层无 线传感器网络结构提出的，下面本文将简单介绍无线传感器网络的网络结构。 2 2 1 平面无线传感器网络 平面的无线传感器网络，顾名思义即网络中的节点之间相互对等，因此由平 等的身份所组成的节点可是为一个网络内各个节点都平等的网络。即下图2 2 所 示的平面无线传感器网络。这类网络采用平面的无线传感器网络路由协议。 传感器节点 图2 - 2 平面无线传感器网络 在这类协议中，节点之间通过互相的信息反馈和局部操作来生成路由，s i n k 节点向监测区域的节点发出查询命令，监测区域内的节点收到查询命令后，向目 8 北京邮电大学硕士学位论文基于标量数据处理的异构传感器网络智能判断唤醒机制 的节点发送监测数据。平面路由协议的优点是简单、易扩展，无须进行任何结构 维护工作，所有网络节点的地位是平等的。因此具有良好的健壮性。典型的平面 路由算法有f l o o d i n g 1 2 , d d ( d i r e c t e dd i f f u s i o n ) u 引，s a r ( s e q u e n t i a la s s i g n m e n t r o u t i n g ) 14 1 ，s p i n ( s e n s o r p r o t o c o l sf o ri n f o r m a t i o nv i an e g o t i a t i o n ) ，r u m o r r o u t i n g 1 5 】等协议。平面网络的最大特点在于：网络中无管理节点，缺乏对通信 资源的优化管理，自组织协同工作算法复杂对网络动态变化的反应速度较慢等。 2 2 2 基于分簇的网络结构 如下图2 3 所示的分簇拓扑结构图，网络被划分为簇( c l u s t e r ) 。所谓簇，就是 具有某种关联( 例如位置、剩余能量等关联) 的网络节点的集合。在分簇路由协议 的拓扑结构中，网络中的节点被划分为簇头节点和成员节点两类，每个簇由一个 簇头和多个簇内成员组成，低一层网络的簇头是高一层网络中的簇内成员，由最 高层中的簇头直接与基站b s 通信。在每个簇内，根据一定的机制算法选择某个 节点作为簇头，用于管理或控制整个簇头成员，协调成员节点之间的工作，负责 簇内信息的收集和数据的融合处理，以及簇问转发。 分簇式路由协议有层次之分，簇头节点和成员节点在数据传送过程中执行的 任务和所起的作用不同，分簇式网络结构较之平面路由有许多优势【1 6 】【l 。凡 1 成员节点大部分时间可以关闭通信模块，由簇头构成上一层的连通网络 来负责数据的长距离路由转发，这样既保证了原有覆盖范围内的数据通信，也在 很大程度上节省了网络能量； 2 分簇式网络消耗的能量相对较少，且能量消耗的分布均匀，能有效地延 长网络寿命，平衡网络负载： 3 分簇式网络结构中通过减少参与路由计算的节点数目，减少了路由表尺 寸，降低了交换路由信息所需的通信开销和维护路由表所需的内存开销； 4 分簇网络采用的分簇路由是基于某种簇形成的策略，选举产生一个较为 稳定的子网络，从而减少了拓扑结构变化对路由协议带来的影响； 5 簇头节点对簇内节点进行管理，能方便地向基站传达节点的信息。另外， 基站通过簇头节点可以有效地向网络中其它节点发送命令； 6 与平面路由相比，更容易克服传感器节点移动带来的问题。 正因为分簇的网络结构具有这些优点，使得分簇的路由算法成为当前w s n 路由协议的一个研究热点。下面本文详细探讨典型的分簇路由协议l e a c h 协议， 且结合现状分析分簇路由协议的研究现状。 9 北京邮电大学硕士学位论文 基于标量数据处理的异构传感器网络智能判断唤醒机制 图2 - 3 ：分簇的网络拓扑图 2 2 3 基于分层的网络体系结构 相较于平面的网络结构，分簇的网络结构具备的优点已经详尽的有所阐述。 关于网络的体系结构，那么单一簇头所领导的网络仍然是平面的网络。所以把 簇的概念运用到多节点网络中来，并且把网络中的节点分成不同的簇，簇首之间 也可以通过多跳进行通信。这从某种意义来讲，网络已经根据节点角色的不同， 被分成了不同的两层，簇首节点层和簇内成员节点层。所以根据不同类型的节点 所组成的网络，按照节点类型，功能以及节点之间的相互关系，划分为不同的层 次，这就组成了分层的无线传感器网络体系结构，而不单单只是网络结构。一般 按照网络中s i n k 节点与普通节点，簇首节点之间的关系将网络从体系结构的角度 上分为单层，多层以及混合型网络。这三种无线传感器网络各有彼此的优势以及 弊端，结构如图2 4 所示： 1 单层结构 各个簇内的传感器节点在低位上是平等的，通过多跳的方式与s i n k 节点通 信。这种结构结构简单，便于部署，网络延迟小，但是汇聚节点瓶颈处理压力 突出，资源共享能力也较差，严重的资源浪费，网络可扩展性和灵活性差。 2 多层结构 传感器节点按照资源或能力的不同划分为多层，如两层结构中传感器节点分 为簇头和成员节点两种，成员节点执行征程检测并出发簇头的高分辨率检测，进 一步处理和上报检测结果到汇聚节点。这种网络结构的优点就是功能明确，便 于管理，任务分级，层间协作，网络容错性好。而缺点就是能力受限的簇头可能 会成为网络瓶颈。 3 混合结构 混合了单层和多层两种网络结构的混合结构网络，突出表现为传感器节点即 1 0 北京邮电大学硕士学位论文基于标量数据处理的异构传感器网络智能判断唤醒机制 可通过簇头与汇聚节点通信，又可不经过簇头以多跳方式与汇聚节点相互通信。 这种结构的优点就是兼顾单层和多层网络结构双重优势；在一定程度上有效地分 担了簇头处理压力，网络灵活性较好，适用于各种任务。而缺点就是网络结构相 - 对复杂，网络管理与维护代价较大。 ( b ) m u l t i l a y e r ( c ) m i x e d 图2 - 4 单层、多层以及混合型网络结构图 如图2 4 b 所示，该图展示了一个三层的无线传感器网络。主要分为簇首节点 和簇内节点，以及高层待唤醒节点。如果只考虑一个圆内的网络，则该网络即可 以被视为分簇的传感器网络。但是当多个簇网络连接成一个大型的网络时，簇首 节点有时就会被指定的部署，而不是通过选簇的协议来进行选举产生簇首。通常， 对于分层的无线传感器网络，簇首节点的能力要远超过普通节点。而簇首节点和 簇内节点也采用了一些集中式的网络协议，有时甚至并不需要多跳路由，而是一 跳达成。这样的网络价格大大省去了建立路由，选举簇首，更新各个簇内节点的 状态以及更新拓扑的过程。这种明确的网络结构，十分适合于大规模，高数据量 的业务类型。通常，分层的网络结构还采取了不同的节点工作状态。即并不需要 时刻保持某一层节点处于工作激活状态，若簇首节点采集来的信息判断为事件发 生，并需要触发更高层的节点进行工作，则更高层节点受控开启。然而，对于控 制高层节点进行更高性能的工作，判定事件的发生就成了十分重要的环节。控制 操作大部分都基于事件探测的结果，即某个具有一定处理运算能力的节点通过计 算探测到事件已经发生时，往往进行这些诸如唤醒的控制操作。由此可见，事件 探测作为当今复杂的分层无线传感器网络来说，是其中十分重要的一个技术环 节。 北京邮电大学硕士学位论文 基于标量数据处理的异构传感器网络智能判断唤醒机制 2 3 事件探测机制国内外究现状 无线传感器网络作为当前具有很深远的应用意义的新型网络，主要根据节点 类型，节点在网络中所承担的角色，以及网络中所应用的路由协议将网络分成了 平面式无线传感器网络，分簇的无线传感器网络以及分层的无线传感器网络。面 ， 对当今越来越错综复杂，节点越来越密集的多层无线传感器网络，节能性以及智 能性依然是无线传感器网络研究的重中之重。所以面对多层次的网络，节点之间 协同工作的模式就孕育而生。网络结构中的节点就好像人类社会中的角色一样， 按照不同的等级来完成不同的任务。簇内的普通节点一般采取处理数据能力较低 的低功耗节点，用来采取一切所需要的简单数据，如标量数据。而簇首节点通常 是具备了一定的数据采集和运送处理能力的高级别节点，他们具有更快的数据运 算处理速度，更加持久耐用的能源补给设备，以及更加突出的通信能力。通常簇 首节点之间可以相互自由的通信，这要根据簇首和簇内节点，簇首节点之间所采 取的协议来决定簇首节点的硬件构成来决定，如双网卡还是单网卡。通常应用较 复杂的无线传感器网络，数据汇总和处理并不是网络的终极目的，如动态的实时 监控，控制某些设备的运行，这些才是真正的高效智能的无线传感器网络。所以， 数据汇集节点也仅仅是多层次网络中的倒数第二层。对于当今的大部分无线传感 器网络，进行各种环境的监测以及事件的探测是其首要的应用任务。这就存在了 一个非常有意义且值得讨论的问题，传感器网络应用场景中对于事件的探测是如 何进行判断的。尤其对于当今越来越复杂的网络结构和应用场景，以及越来越智 能的要求，如何进行科学，合理，准确的事件探测成为了研究无线传感器网络应 用的一个十分重要的研究内容。 对于传感器网络中主要应用任务，事件探测无疑是其中较为重要的一个方 面。本文对当今事件探测机制的相关研究内容做了全面的调研，不仅仅包括无线 传感器网络应用中的事件探测，还包括了其他应用系统中对于事件的探测机制。 从而开阔了思路，使本文所提出的智能事件探测机制思路不仅仅来源于无线传感 器网络的范围内，而且针对应用于不同的应用场景和领域的各种事件探测机制作 出了比较全面的考虑和调研。 2 2 节已经讨论的应用事件探测机制的无线传感器网络的结构，一般进行大 规模事件探测的应用场景多采用多层的传感器网络体系结构，即下层的数据探测 节点通过对信息的采集，并且通过簇首节点对数据进行分析，最终进行事件探测 结果的判断。目前的事件探测机制研究工作主要按照以下几个方面进行展开。1 基于数据库数据挖掘的事件探测，多为计算机科学领域中如何快速的，准确的对 已有数据提取出事件并进行判定，多为非实时应用。2 引用于传感器网络的事件 探测方法，该类研究主要有两个研究点，包括事件探测部分和事件探测组网部分。 1 2 北京邮电大学硕士学位论文 基于标量数据处理的异构传感器网络智能判断唤醒机制 事件探测部分又把数据分为了标量数据和矢量数据，通过对数据进行的运算处 理，包括模式识别等操作，进行事件发生的判断。该事件判断多为在线的实时判 断。而组网部分，主要考虑的是传感器网络节点在事件探测中的数据采集和上报 是如何相互协作的。3 还有一些和事件探测相关的应用，利用传感器节点进行事 件的探测应用网络架构的研究以及应用的一些创新研究。下面本文将就以上几点 一一介绍事件探测的研究现状。 2 3 1 非实时事件探测机制研究 此类事件探测机制多是进行数据的检索，从而判断用户所感兴趣的事件的发 生。也即从有一些元素组成的数据中提取出自己感兴趣的元素并从而判断事件的 发生。这类事件探测机制多数研究特征提取。论文【l8 】中提出了一种可以根据用 户要求对指定文件进行事件探测的机制。该机制将用户的需求流和作为输入的文 档流处理后合并为一个流配置文件。该配置文件就是复合用户提出要求的文档的 集合。该文论通过分别的对博客和新闻搜索引擎使用数据收集，达到了很高的事 件探测准确率。新事件的探测算法主要通过与