（电机与电器专业论文）无线传感网络覆盖技术的应用与研究.pdf

武汉理： 人学硕士学位论文 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，p e o p l ep a ym o r ea t t e n t i o no ns a f e t y , c o m f o r ta n dc o n v e n i e n c eo f i n t e l l i g e n tb u i l d i n g ，s oh i 曲e rr e q u i r e m e n ti sp u tf o r w a r d o ni t sd e s i g n i nt h e t r a d i t i o n a ld e s i g no fi n t e l l i g e n tb u i l d i n g s ，w eu s u a l l ya d o p tt h ew a y o f g e n e r i cc a b l i n g , b u tt h r e ea r em a n yd r a w b a c k s ，s u c ha sw a s t eo fr e s o u r c e ，f r a g i l ea n da g i n gl i n e s ， r e p a i ri n c o n v e n i e n c e ，w i r i n gc o m p l e x i t ya n ds o o n i nc o n t r a s t ，w i r e l e s ss e n s o r n e t w o r k s ( w s n ) n o to n l yc a nc o m p e n s a t ef o rt h e s es h o r t c o m i n g s ，b u ta l s ow i t hi t s o w nc h a r a c t e r i s t i c s ，f l e x i b l ea n ds c a l a b l e ，i tc a r lq u i c k l ya n da c c u r a t e l ym a d eo nt h e n e t w o r kf a u l td i a g n o s i s s oa p p l i c a t i o no fw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k si ni n t e l l i g e n t b u i l d i n g si si n e v i t a b l e t h i sp a p e rd e s c r i b e st h ed e v e l o p m e n to fi n t e l l i g e n tb u i l d i n g , a p p l i c a t i o no f w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k si ni n t e l l i g e n tb u i l d i n ga n dt h ep r o b l e m sf a c e df i r s t ，a n d a n a l y s e sa r c h i t e c t u r ea n df e a t u r e so fw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s 。t h e nw es t u d i e d t e c h n o l o g yo fw i r e l e s s g r o u p e d n e t w o r ka n dc o m m u n i c a t i o ns t a n d a r d s ， a n d d e s i g n e dt h ea r c h i t e c t u r eo fc o m m u n i c a t i o np r o t o c o la i m e da ti n t e u i g e n tb u i l d i n g s t h i sp a p e rd e s i g n st h eh a r d w a r eo fn o d ei nw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s i no r d e rt o m e e tl a r g ec a p a c i t ya n dl l i 曲s p e e dr e q u i r e m e n t s ，w ec h o o s ea r m 2 131o fa r m 7 f a m i l y a sp r o c e s s o rc h i p w ea l s oc h o o s eal o wp o w e rc c 2 4 2 0c h i p a s c o m m u n i c a t i o n sc h i p ，w h i c hc a nc o m p l e t ed a t aw e l l ，a n dc o n t r o lt r a n s m i s s i o no f c o i n m a n d sb e t t e r f u l l f e a t u r e dh a r d w a r ed e s i g n ，l o we n e r g yc o n s u m p t i o nn e e d s ，a n d i n s t a l l a t i o nf l e x i b i l i t yp r o v ea d v a n t a g e so ft h ed e s i g n w er e s e a r c h e dc o v e r a g et e c h n o l o g yw h i c hi so n eo ft h ec o r et e c h n o l o g yi n i n t e l l i g e n tb u i l d i n g sa n dd e c i d e sm o n i t o r i n gc a p a c i t yo ft h ee n t i r en e t w o r k , i n c l u d i n g t h eb a s i cc o n c e p t s s e v e r a li m p o r t a n ti s s u e so fc o v e r a g e ，a r e ac o v e r 电e ，p o i n t c o v e r a g e ，b a r r i e rc o v e r a g e ，a n dd i s c u s s e d e v a l u a t i o nc r i t e r i ao fc o v e r a g e w e i m p r o v e dv i r t u a lf o r c ea l g o r i t h m ( v f a ) b a s eo nt h eo r i g i n a lt h e o r y , a n dg e tt h em o r e e f f e c t i v ea l g o r i t h mc c v f a t h r o u 曲c o m p a r i n gs i m u l a t i o nr e s u l t so fn o d e su n d e r t w oa l g o r i t h m s w ec a ns e et h a tn o d e su n d e rc c v f a i sm o r es t a b l ea n de f f e c t i v e 1 1 武汉理：厂火学硕+ 学位论文 t h i sa l g o r i t h mc a nc o v e rm o r ec o m p l e t e l yi nt h ec a s eo fn o tw a s t i n gn o d e s ，i n o r d e rt oa c h i e v ec o s ts a v i n g ，a n do p t i m i z ec o v e r a g e k e y w o r d s ： w i r e l e s ss e n s o r n e t w o r k s ，i n t e l l i g e n tb u i l d i n g ， c o v e r a g e ， s e l f - o r g a n i z a t i o n ，v i r t u a lf o r c e i i i 独创性声明 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，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育 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了谢意。 学位论文使用授权书 枷弧r 比 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：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电子版，允许论文被查阅 和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时 授权经武汉理工大学认可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论 文，并向社会公众提供信息服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ： 胄幸素 ( 注：此页内容装订在论文扉页) 导师( 签名) ：纪乞 日期 k 卜 如 武汉理t 大学硕十学位论文 1 1 智能楼宇的发展 第1 章绪论 由于科技的进步，智能楼宇( i n t e l l i g e n tb u i l d i n g ) 这个概念越来越被 大家所熟知，在社会飞速进步的今天，人们对于各方面的要求也在逐步提高， 而只能楼宇正式顺应了人们的需求，它的起源是由楼字自动化控制开始的，在 科技发展的催化下，智能楼宇的定义以及实际的设计也在不停的进步着。它早 已发展成为高科技的产物，为人们带来了安全、舒适，也给生活带来了便利。 目f ； 智能楼宇主要采用的是系统集成的方法，通过把信息数据，以及电气设备 等技术结合起来，从而实现监测和控制的。 到目前为止，智能楼宇的概念是多种多样的，能够这样理解，它就是在普 通的建筑物上添加了许多现代化的设备，把先进的科学元素嵌入到里面，使一 个物理环境活了起来。而且在今后的发展中，随着嵌入的东西越来越多，比如 从前是简单的计算机技术和信息技术，并且都是有线的，而现在慢慢由无线所 取代了。以下是关于智能楼宇的两个官方定义： 1 美国智能建筑协会的定义 美国主要是针对楼宇的四个重要的条件，并且把他们之间的关系作为考虑 的最先条件，通过对建筑物结构的改善、系统的优化、优质的品质和严格的管 理，来给予投资者一个合理、舒适、现代的投资环境，吸引投资者的目光从而 获取更多的利益。 2 我国对智能楼宇建筑的定义： 所谓智能建筑，就是将建筑方面的艺术同计算机科学、现代通讯以及现代 信息技术四个方面做完美的匹配，使建筑物内的所有硬件设备通过自动控制和 信息的数据优化，从而达到实现建筑物智能的作用，使其楼宇的资源利用达到 最佳的状态。 美国是智能大厦的诞生地，在1 9 8 4 年哈特福德市，智能大厦第一次出现在 大家的眼前。这座智能大厦的前身是金融大厦，经过科研人员的技术改进和信 息导入而建立的。当第一座智能大厦建立之后在当时取得了巨大的效果，不仅 武汉理工人学硕十学位论文 大厦出租，还是大厦的投资回报，都取得了相当大的回报。在这之后，智能大 厦更是如雨后春笋一般，在人民强烈的关注之下在世界各国的土地上相继崛起， 并且楼宇的技术也因为越来越多人的研究而更加的先进起来。美国在这方面一 直是处于领先的位置。从美国一个国家的统计可知，本土的智能大厦都已经超 过五位数。现在的智能大厦更是越来越符合人们的需求，以期达到人和工作环 境的最佳和谐。 日本的发展相对于美国来说，稍微晚了一些，在美国发展之后第二年，日 本才开始投入对智能楼字的研究，由于日本工业非常发达，他们的智能大厦基 本都是人工智能类型的。在日本，一些大的企业和财团对智能楼字一阵热捧， 投入了打来那个的资金、精力以及技术，这让智能楼宇的有了飞速的发展，楼 宇的规模也逐步扩大，但是好景不长，不久日本的金融经济泡沫破灭，房地产 在当时受到了巨大的冲击，智能建筑的发展随之被制约。而大部分欧洲国家中 智能楼宇的发展时间相近于日本，发展的特点也相当的相似。 对于我国而言，智能建筑真正形成规模的发展，是在1 9 9 2 年前后邓小平同志 考察了国外的智能建筑行情之后，扩大了我国改革开放的步伐，房地产市场也得 到了非常好的发展。在这样有利的条件下，我国的建设力度相当壮观。并且在改 革开放的带动下，我国在各方面的水平也力求与国外接轨，当然这其中也包括 了建筑业。在这种行情之下，国外优秀的智能楼宇技术和比较成熟的产品不断的 涌进我国，提供了新的技术，新的建筑理念和更高的要求。在我国，各个方面 的条件都具备了，并且人们对于智能楼宇的需求也在不断的增加，致使我国楼 宇智能化的脚步也买进了一个崭新的历史时期。 在这个阶段中，我国的技术人员通过不断的学习和研究，快速的掌握了这 些建筑方面的新知识，并在实际的工程中付诸实践，具有中国特色的智能楼宇也 是蓬勃健壮的发展起来，随着技术的不断成熟，我国现在已经大大地缩小了和 发达国家之间的差距。 近几年来，智能化建筑已经逐渐从写字楼发展走向了住宅和居住小区。不管 从任何一个方面来说，智能楼宇都是非常有利的，也得到了国家和政府的重视， 它不仅提高了安全性，舒适性，也为文明社会带来了福音。 武汉理工人学硕士学位论文 1 2 无线传感网络在智能楼宇中的应用 在传统的智能楼宇的设计中，基本上都是通过综合布线的方法，用计算机 网络来实现的。这些技术都是有线的，但是在布线的过程中非常的麻烦，有些 恶劣的环境也让人望尘莫及，并且非常浪费资源，线路也可能经常损坏和老化， 在修理的过程中也不方便，并且会浪费大量的资源。与有线网络的这些缺点相 比，无线传感网络在这些方面做了很好的补足，它不但弥补了上面这些缺点， 还具有自己的特性，灵活并且可扩展的，还能够快速准确的对网络故障作出诊 断。 无线传感器网络是很多技术的结合体，它不仅包含了传感器、无线通信技 术、还包括了嵌入式、网络技术以等等，是名副其实的高科技的综合产物。它能 够通过各个传感器节点对于信息实时监测和采集，然后经由无线的方式传输出 去，真正达到人和物理世界，以及计算机的统一。无线传感器网络以其巨大的 优势在各个方面都得到了很好的应用，并且应用的范围也越来越广泛。其中包 括军用、医疗、城市管理、反恐行动、环境监控、对于遥远偏僻区域的远程控 制、工业农业等等，无处不在，具有非常大的研究探索价值。无线传感网络中， 通过对算法的优化，覆盖的优化，将会使能量得到更好的利用，监测的效果也 会提高，从而越来越满足人们对于智能楼宇的要求。 2 0 0 3 年美国技术评论杂志称无线传感网络技术是对人们未来生活有很 大影响的第一大技术。2 0 0 4 年( i e e es p e c t r u m ) ) 杂志也发表了一期专集，名字 叫传感器的国度，从各个方面分析了无线传感器网络的发展，以及它也许会 被使用的方面。无线传感器的发展必然会推动智能楼宇技术的提升。在本文中， 就将对无线传感网络在智能楼宇中的具体应用，节点分析，覆盖算法的设计及 其优化等等方面作出细致的说明。 1 3 研究的现状以及所面i 艋的问题 随着智能楼宇技术的不断完善，要求的逐步提高，无线网络在这方面的需 求也随之增多。由于其特定的优点，无线替代有线似乎成了一种必然的趋势。 然而在研究的过程中，必然会遇到很多的问题，楼字内部环境比较特殊，跟在 室外相比，在其内部使用这方面的技术必然会遇到更多的问题。 武汉理t 大学硕士学位论文 首先，无线网络并不如有限网络来得稳定，因为它并不是由固定的线来进 行通信的，它所采用的是无线通信，这是因为如此，无线网络必然会遭遇很多 问题，比如墙体的阻碍，别的方面的通信干扰和通信时产生的冲突等等，这些 必然会使网络的稳定性遭到破坏，损坏网络的通信质量；然后，目前大多数楼 宇的监测系统都是建立在有线网络上面的，但是这方面的协议并不适合无线网 络，所以无线我那个了还要重新对协议作一定的改进，再者，这项科技在使用 的过程中，由于要用到很多的节点，节点之间要通信，这也就涉及到了成本问 题，必须降低成本才有更好利用的价值。最后，由于无线传感器网络的节点能 量有限，在设计的过程中，需要考虑很多方面的因素，一定要做到低功耗。 1 4 论文的思路 本文的章节分为五章： 第一章：绪论，叙述了智能楼宇的发展，无线传感网络在智能楼宇中的应 用，以及在应用的过程中所面临的问题。并且对本文的主要研究内容和论文的 思路做了说明。 第二章：首先介绍了无线传感网络的体系结构，然后分析了无线传感网络 的特点，接着对给出了无线传感网络覆盖的相关概念，最后讨论了网络覆盖的 评价标准，给出了自己的一些见解。 第三章：分析了智能楼宇中无线传感网络的整体结构层次，然后介绍了节 点的设计准则，最后详细的叙述了无线传感网络中节点的硬件设计。 第四章：首先对无线传感网络组网技术进行了分析，然后设计了楼宇中一 个网络通信协议架构，最后重点介绍了无线传感网络的覆盖优化，提出了自己 的覆盖算法c c v f a 。 第五章：总结和展望。总结了本文所作出的工作，并且对未来的工作进行 了展望。 4 武汉理1 人学硕十学位论文 第2 章无线传感网络覆盖 2 1 无线传感网络简介 21 1 无线传感网络的体系结构 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 ) 是一种新起的技术，始发 于2 0 世纪9 0 年代初期。它的知识面牵涉到了很多的学科、也让这些学科很好 的交织在一起，是现在热点并且前沿的科学研究领域，在民用和军事上有很好 的应用前景。 无线传感网络是又很多传感器节点通过自组织的方式形成酌，包含传感器 节点、汇聚节点以及管理节点。它的体系结构如图2 1 。这些节点的价格低廉， 体积小的能耗很低，并且支持短距离的通信。当被嵌入在实际的应用环境中的 时候他们能够采集信号、处理这些采集到的信号、彼此之间相互通信，表现 出很大的灵活性。在实际应用中是非常方便的。他们的投放方式基本上有两种： 其一是按照一定的要求来放置的，它有一些特定的规律让系统能够更好的工作， 一般采取手动放置的方法；另外一种足按照一定的统计规律来洒的，比如说飞 行器撒播，火箭弹射等方法。之后节点便通过自组织形成一个新的网络，但是 这种情况有很大的随机性，也是很不确定的。 口 监测区域 n t e r n e t 等 ：，、 图2 一l 无线传感网络的体系结构 一j 管理中心 武汉理t 大学硕十学位论文 2 1 2 无线传感器网络的特点 与传统的无线网络以及移动自组织网络相比，无线传感网络在设计目标、 技术和应用需求上都有自身的特点。 传统的无线网络主要目的是传输数据信息和完成通信，而无线传感网络主 要是把获得数据当作重点，并且获取信息也是关键的任务。然而传统的无线网 络中间节点只是负责转发一部分数据信息，为了保证用户的使用质量f 2 】，这些中 间节点会通过一定的方法，以期让带宽的利用率达到最大。而无线传感网络的 中心节点除了转发数据信息之外，还要对数据进行充分的处理，存储并且会让 数据进行融合等等。除此之外，无线传感网络还要考虑节能的问题，因为它用 的一般是电池，电量是有限的，但是有时候并不是很好或者很及时的去更换， 这样势必造成网络的使用问题，影响网络的使用寿命。所以无线传感网络在设 计时需要考虑的东西很多，现在来看看它的特点： ( 1 ) 网络自组织、拓扑变化快 在前面的叙述中了解到传感器节点有可能是随机抛的，他们通过自组织形 成一个新的网络，而且有的时候，节点能够在一定范围内移动，或者一个节点 出了故障，再可能要新增一个节点等等，都可能会对网络造成一定的影响，网 络都要重新再自组织，这样会使网络的拓扑结构在任何时候都可能要发生改变， 所以在设计的过程中动态拓扑的能力是必不可少的。 ( 2 ) 节点的数量多、实际的体积小 在很多的应用场景，比如野外，战场中等等，节点都是被大量的抛散下去 的，单位面积内节点的数量肯定是很多的。由于其他方面比如电源的限制，还 有实际场景的需求，节点要求越是小型越是符合要求。 ( 3 ) 节点的能量，以及硬件资源有限 在节点中一般都是采用电池来供电的，但是有时候由于物理环境的原因不 可能及时的去更换电池，当电池电量用完的时候【3 3 1 ，这个节点也就失去了作用， 因此对于传感器节点的设计中节能是个很重要的问题。另外，在硬件方面资源 比较有限，计算能力和存储空间都是有限的，这就要求在设计中还要考虑协议 的层次不要太繁琐，算法也尽量的简单一些。 ( 4 ) 以数据作为中心的网络 在传统的网络中节点传送的数据都是和物理地址相联系的，但是在无线传 6 武汉理：r 大学硕士学位论文 感网络中，并不关心某个节点所在的位置，而是直接注意这个区域的值，这样 就脱离了原始的需要寻址的过程，而直接以数据作为中心。更加的直接方便了。 ( 5 ) 直接与物理世界进行交互 无线传感网络把人从这个数据信息的过程中抽离出来，不再以人为中心， 而是主动的与物理世界进行交互。在不需要人来值守的条件下，它可以直接实 时的对外界环境做出采集，并且将信息通过处理、存储、融合，直接传送出去。 ( 6 ) 多跳的路由 无线传感网络节点是没有中心的，节点之间的通信距离也是有限的，节点 只能够与邻近的节点进行通信，当需要通信的节点在该节点的覆盖范围之外的 时候，是需要中间节点来进行路由的。在无线传感网络中，并没有固定的路由， 任何一个节点都可以实现路由。 ( 7 ) 网络的协同性 无线传感网络节点的体积很小，电源有限，存储和计算能力有限，硬件资 源也是受到限制的，但是节点之间又要进行大量的通信，这样网络的协同性就 必须要达到应有的要求，在保证网络覆盖度的前提下，在设计的时候可以让冗 余节点处于休眠的状态，以达到节约能量的目的。 2 2 无线传感网络覆盖的基本概念 ( 1 ) 覆盖概率和覆盖程度 覆盖概率是指对于目标的覆盖中，这个目标被节点或者网络覆盖的可能性。 g a g e 最早提出来了覆盖程度 3 1 ，是用来衡量目标监测区域覆盖效果的，它的定 义是所有节点覆盖的总面积同目标区域总面积的比值。节点覆盖总面积为并集， 因此覆盖程度基本上小于等于1 。 u4 c = 牛 ( 2 1 ) 覆盖程度的公式见2 1 ，c 表示覆盖程度，a i 为第i 个节点的覆盖面积，n 表示节点总的个数，a 为目标区域的总面积。 ( 2 ) 覆盖范围和覆盖效率 覆盖范围是只网络罩单个传感器对于物理世界所能感知的最大的范围，也 7 武汉理工大学硕士学位论文 叫传感器节点的感知范围或者是节点的探测范围。它主要是由节点的硬件来决 定的，体现了节点对于物理世界的覆盖能力，覆盖范围越大，那么网络的能力 越强大。覆盖效率c e 是所有节点覆盖范围的并集同所有节点覆盖范围【3 4 】之和的 比值。计算公式如2 2 所示它是专门用来衡量覆盖范围利用率的，它不仅能够反 映出整个网络的覆盖情况，而且能够反映出网络的能量消耗问题，还能反映出 节点的冗余度的问题。覆盖效率越高，节点的冗余越小，否则结果相反。 u4 啦兹 ( 2 2 ) ( 3 ) 邻居节点和感知精度 邻居节点是指在节点覆盖范围之内的节点，它们的覆盖范围基本都是相交 的或者相切的，也就是它们的覆盖范围是有重合的。节点在采集物理世界的数 据时的准确度被称为节点的感知精度，它是节点感知数据和物理世界真实数据 的比值。如式2 3 ，p 感知精度，v t 为物理世界真实值，v s 为节点监测值。 y 。 p = i ( 2 3 ) ，f ( 4 ) 漏检概率 漏检率是指目标被网络或者节点漏检的概率，它是与覆盖率相对的，两者 互为补集，漏检率的大小跟覆盖率一样，与节点的硬件和应用的环境是紧密联 系在一起的。 ( 5 ) 覆盖时间和网络寿命 当日标区域被完全覆盖的时候，所有节点从启动到就绪的时间为覆盖时间， 在移动节点中，这个时间是这些移动节点移动到最后确定的位置时所要的时间。 覆盖时间其实相当于电脑的启动时间，是可以通过优化和对于硬件的改善来减 少的。网络能够满足使用需求时所持续的时间即为网络时间。 ( 6 ) 覆盖的均匀性 节点在被监测的物理环境中分布的情况反映出了覆盖的均匀性。它一般是 由节点间距来衡量的，当标准差值越小的时候，网络的覆盖均匀剧3 5 l 就越好。 试中u 代表均匀性，k i 为第i 个节点的邻居节点的个数，n 表示节点的总 武汉理t 大学硕士学位论文 数，d i , j 是指第i 个节点和第j 个节点问的距离，m i 为第i 个节点与其相邻节点 间距离的平均值。 u = 丙1 nu ( 2 4 ) 智 一7 2 3 无线传感网络覆盖的几个重要问题 ( 2 5 ) 覆盖问题在传感器网络中占有非常重要的作用。对于覆盖问题来说，核心 就是“无线传感器网络对所观察物理空间的监测能力 ，同时，覆盖也是传感器 网络服务质量的重要衡量标准。在实际的使用过程中，主要是为了在保证服务 质量的同时，使网络的覆盖范围达到最大化。通过对于覆盖的计算，可以知道 哪里有覆盖的盲点，这样就可以重新来对所监测地区的节点进行调整，改变节 点的分布，也可以相应的增加节点的数且【4 1 。同时，可以通过覆盖算法的优化， 更加好的改善分布情况，以最节能的方式达到节点覆盖的最大化，从而更好的 满足应用需求。 根据应用的不同，覆盖问题能够从不同的角度来建模。覆盖问题的思考角 度的受到一些条件的影响： ( 1 ) 如何放置传感器的算法 确定性部署算法和随机部署算法。根据应用的需求，会在一些人们可以方 便去的应用场所采用确定性部署算法，但是在那些军事应用中，比如战场，或 是一些人们不好进入的环境，比如荒地，环境恶劣的地方等等，通常采用随机 部署算法。 ( 2 ) 通信半径和感知半径 在实际的应用中，根据应用的需求不同，传感网络中的节点也可能不同， 这个时候就要知道节点感知半径是不是相同，同时也要关注通信半径，因为他 跟网络的连通性是密不可分的，它与感知半径相等或者不相等。 ( 3 ) 能量的效率和连通性 9 pi， 2 p rm一 虏 巧芦，一k ，、 = 厂f u 武汉理：i ：大学硕十学位论文 根据覆盖对象的不同，传感器网络的覆盖问题分为常见的3 种：区域覆盖 ( a r e ac o v e r a g e ) 、点覆盖( p o i n tc o v e r a g e ) 和栅栏覆j 盖( b a r r i e rc o v e r a g e ) 。区域覆 盖是被研究的最多的，它要求在目标区域中，任何一点至少被一个节点覆盖， 并且在满足充分覆盖和连通性要求的前提下，使覆盖最大化，节点数量最小化， 从而节约能源，降低成本。如图2 2 为区域覆盖图。 图2 - 2区域覆盖 点覆盖主要是针对若干离散的点来进行覆盖的，它主要是关注所监测区域 内的少数的点，并且确定出最少的节点数和节点位置来覆盖这些点。如图2 3 所 不。 图2 3点覆盖 栅栏覆盖主要是考察网络对于移动目标的检测。它所关注的是某个移动的 l o 武汉理工人学硕十学位论文 目标在监测区域内沿任意轨道穿越时没被监测到的概率。如图2 4 所示。 2 3 1 区域覆盖 图2 - 4栅栏覆盖 区域覆盖是被研究最多的覆盖问题之一，它基本都是和连通性紧密联系的， 通常两者都会被考虑。而连通也是无线传感网络的一个重要问题，一个无线传 感网络中，网络的联通性是网络通信的保障，它影响着采集的信息能否正常的 发送，如果不能，那么覆盖就没有意义了，因此在区域覆盖中，网络的联通性 是非常重要的，通常会把区域覆盖和连通一起考虑，称为连通覆盖，这在很多 的文献中都有介绍。 s l i j e p c e v i c 通过利用节点的高密度以及冗余性来延长网络生存时间。他的方 法是将网络中所有节剧5 1 进行划分，那么这个网络中就形成了几个互相不关联的 节点集合，并且集合都能够覆盖目标区域，那么在任意时刻只需要一个节点集 合处于活跃工作状态，而其他的节点集合处于睡眠状态f 3 6 】，这样既保证了区域的 覆盖，完成了通信，又能够节省能量。而且这些节点集合交替工作，能够非常 有效地延长网络寿命。在这种情况之下，互不关联的节点集合越多，网络寿命 就越长。 而b e r m a n 改进了上面的思想，他允许某些节点可以同时在多个集合中出现， 并不要求每个节点只属于一个集合。在一些实际的使用中，可能只是要求覆盖 的面积要达到或者多余先前设定的一个阈值，对于目标环境的完全覆盖并没有 武汉理工人学硕士学位论文 作要求，b e r m a n 针对这些又作了一步的分析，深入研究了在这种覆盖要求下网 络节点集合的划分，和节点集工作时间的分配。 一种分布式的节点密度控制算法p e a s 由y e 提出来，这种算法是建立在探 测基础上的。在这种算法中，起先节点是处于睡眠状态的，当经过一个随机时 间间隔后，它被唤醒唤醒了。这个时候这个被唤醒的节点会在它的覆盖范围内 观察是不是还有其它的节点处于活动状态。如果没有，那这个节点将会进入活 跃状态，反之，它就再进入睡眠状态。经过对监测范围以及唤醒时间间隔的调 节，能够根据网络的不同来实现它的覆盖率。 c h e n 提出了一种活跃工作节点选择算法，这个算法是建立在网格划分基础 上的。该算法把网络覆盖区域约等于网格点，然后用最少的活跃状态的节点来 覆盖这些网格点。通过对线性规则，以及覆盖问题的分析，他对这个问题进行 了抽象并且仿真，但是实验结果显示，这种方法在大范围的无线传感网络中并 不好用，因为这种方法虽然可以找出最小的覆盖集合，但是计算需要很长的时 间，这不仅消耗了大量的能量，而且硬件上的支持性也不是很大。 l u 在概率感知模型中研究了节点的调度问题。众所周知，在概率感知模型 中，节点对于目标点的监测概率是随着距离的增加而减少的 3 7 1 。l u 在这个基础 上创建了针对网络覆盖的概率模型，并且把节点对这个网络覆盖质量所作的努 力都形象的表现出来。如果这个节点所作的努力越大，那么它处于活跃状态的 概率也就越大，工作的时间也就越长，处于睡眠状态的可能性就越小。任何一 个节点都可以自己来决定进入睡眠状态的概率，当然了这是通过一定的计算来 确定的。通过仿真实验，l u 验证了这个算法在延长网络寿命上的有效性。 2 3 2 点覆盖 点覆盖是一种离散目标的覆盖，针对这一点，c a r d e i 具体分析了高效能离散 目标覆盖的问题。在实际的军事环境中，经常会投掷大量的节点在某些离散的 目标监测点周围。根据这些离散的目标点，把所有的节点分成几个节点集合， 这些集合互不相交，但是每个集合都可以对这些目标点进行完全覆盖，当其中 任何一组集合工作的时候，其他的集合都保持在睡眠状况，这样通过一定周期 的调节交替进行，就可以有效的延长网络寿命，可以看到集合数和网络的寿命 是成正比的。但是这是有难度的，因为找到既能够完全覆盖又没有交集的节点 1 2 武汉理工大学硕十学位论文 实在是非常困难，对此，c a r d e i 在此基础上提出了自己的新观念，就是不限制一 个节点必须属于一个集合。 2 3 3 栅栏覆盖 栅栏覆盖所考察的是移动目标子啊穿越无线传感网络时，被监测到的几率。 它的研究意义是可以改变网络部署，使节点的监测概率达到最大；同时反过来 看，也可以理解为当在穿越一个监测区域时，怎样确定一条最隐秘的路线。穿 越时被监测到的概率还和时间有关，在网络中运动的时间越长，被监测到的几 率相对来说也就越大。 2 4 网络覆盖的评价标准 总的来说，网络覆盖和算法的应用，对于节点能量的高效控制1 、增强感知 服务质量以及延长整体生存时间都是有一定帮助的，然而在无形之中增加了网 络的负担，比如传输、存储、管理和计算等。因此，分析一个覆盖控制方法和 算法的可用性时，网络覆盖性能的评价标准是相当有必要的。为了更加明了的 比较各个算法的优缺点，可以从不同的角度进行分析总结。在这里，归纳为以 下几点： ( 1 ) 覆盖质量 作为最基本的衡量网络覆盖效果的因素，覆盖质量体现出了网络对物理世 界的监测能力。根据在实际环境中不同的应用要求，感知质量包括几个影响因 素：感知精度、感知概率、覆盖程度和覆盖效率、覆盖重数以及覆盖的均匀性 等等【3 8 1 ，这些知识在2 2 节的基本概念中已经详细解释过了。 ( 2 ) 网络的连通性 无线传感网络是把数据作为重点和关键，通过数量繁多的节点间的共同作 用，把在监测目标中的采集的数据信息及时高效地发送到目标点，在设计覆盖 算法的过程中，为了保证网络的连通性，保证通信任务的圆满完成，还必须保 证传送途径的可靠程度和稳定程度。 武汉理一r 大学硕十学位论文 c h 图2 - 5 传感器的节点实效 如图2 - 5 ，能够看到无线传感网络由节点a 、b 、c 、d 、e 、f 、g 、h 构成， 在节点d 失效的时候，这个无线网络将会断开，这个时候网络失去了连接通性， 这样就意味着节点a 、b 、c 与点e 、f 、g 和h 无法相互通信。 ( 3 ) 能量的有效性 能量有效性包含两个方面：网络的使用时间，即在实际应用环境中，网络正 常工作所能持续的时间：无线传感网络能量的优化，其中包括单个节点以及整个 网络的能量优化。在实际的应用环境中，节点的硬件资源有限，能量也是有限 的，有的时候人们并不是很好更换。因此在算法的设计工作中，为了获得更好 的网络质量，要考虑很多方面的问题，包括对节点转换工作状态、调节功率以 及数据开销的减少等。 ( 4 ) 网络的容错性 网络的容错性是一个覆盖控制的重要衡量标准之一。在无线传感器网络的 实际使用中，可能会因为能量消耗以及地理环境等因素使节点失效，从而引起 出现覆盖盲区的现象。为了提高网络通信的稳定性和可靠度，这种情况在设计 覆盖算法的时候必须都要考虑到，可以通过一些方法来进行补救，比如节点的 移动以及其它信息处理技术等等。 ( 5 ) 算法的复杂度 在无线传感网络的设计中，算法复杂度是评价算法好坏的一个非常重要的 指标。由于无线网络中硬件资源，通信以及计算存储能力，节点的能量都是有 限的，这就导致了网络算法的设计一定会受到这些条件的限制。在设计算法的 时候，应该尽量的采用简单的、低复杂度以及小计算量的方法来满足网络的需 求。算法复杂程度会根据覆盖协议和算法的不同而不同，它一般包括时间复杂 度、以及通信复杂度和实现复杂度等，在实际的实际过程中，而偶们需要充分 考虑和权衡。 1 4 武汉理t 大学硕七学位论文 ( 6 ) 算法的精确度 无线传感网络覆盖是综合了很多因素的，所以通常会存在很多问题，一般 只会达到近似优化的程度。这主要是因为实际环境的限制，覆盖目标【7 】的区别以 及硬件资源的有限等等，同时，这也会导致覆盖算法的结果出现误差，更有甚 者，算法无法正常有效的运行【3 9 l 。因此，在设计的过程中，减小误差，增加算法 的精确度是至关重要的。 ( 7 ) 动态性和兼容性 无线传感器网络最为突出的特性之一便是动态性，因此在覆盖算法中，动 态性是非常重要的衡量标准。由于无线传感网络的使用环境一般比较特殊，硬 件资源也有限，网络中可能会出现很多情况，比如节点失效、新节点加入、节 点根据需要移动等等。因此设计算法设计时必然会考虑动态性和兼容性的情况。 ( 8 ) 网络的可扩展性 无线传感网络覆盖的另一项关键指标就是可扩展性。在大范围的网络中， 覆盖算法必须要有可扩展性才能够更好的使用从而更好的提高网络的整体性 能。根据实际使用环境的不同，无线传感器网络的规模也不同，这个时候可扩 展性对于设计一个通用的网络覆盖算法来说就更加必要了。 ( 9 ) 执行的复杂程度 无线传感网络节点在实际的监测区域中，为了达到实时的目的，必须很快 的完成自我定位，时间的校准和调整自身节点位置等，这个时候快速的、执行 复杂程度度低的覆盖算法显得尤为突出。同样的，由于实际监测环境的多变性， 当要求改变的时候，复杂度低的执行才能够更好的满足需要，达到应用的需求， 保证网络通信的质量。 在实际的算法设计过程中，必须根据实际目标的需要来确定选择哪几项指 标作为重点。而不一定要全部考虑。 2 5 本章小结 本章首先介绍了无线传感网络的体系结构，然后在对比传统网络和移动自 组织网络的基础上详细介绍了无线传感网络的特点。接着就无线传感网络覆盖 的相关概念作出了解释，更加熟悉了覆盖相关的知识，在此基础上，根据应用 的不同，提出了看覆盖问题的一些条件，包括如何设置传感器的算法，通信半 武汉理1 = 人学硕士学位论文 径和感知半径，能量的效率和连通性。接下来讨论了无线传感网络覆盖的几个 重要问题：区域覆盖( a r e ac o v e r a g e ) 、点覆盖( p o i n tc o v e r a g e ) $ 口栅栏覆盖( b a r r i e r c o v e r a g e ) t 引，并且把文献中关于这些覆盖问题的知识点和算法都作了介绍和说 明。、最后讨论了网络覆盖的评价标准，给出了自己的一些见解。 1 6 武汉理t 大学硕士学位论文 第3 章智能楼宇中无线传感网络体系结构和节点的 硬件设计 智能楼宇的重要性和不可阻挡的发展趋势已经是为大家所熟知的了，而无 线传感器网络技术因为它特有的优势和特点，在智能楼宇中的应用也是势如破 竹。采用无线来代替有线有很多优势，比如缩小了部署线路的难度、降低了维 护方面的成本，节省了能源，也增加了使用上的灵活性，同时在它还具有保密 性高，更短的施工和维修时间这些优点，尤其是在像仓库、旧大楼等这些不能 布线或者很难布线的地方，更是具有优越性。因此，专家预言：无线通信将越 来越多的取代有线通信。 3 1 智能楼宇中无线传感网络系统的总体层次结构 如图3 一l ，是智能楼宇监控中无线传感网络系统的整个系统构架【2 9 1 ，由图中 可见，实际监控的具体环境中传感器节点在图像的最顶层，然后往下为传输网 络，然后是基站，最后是连接到i n t e m e t 中。在这个过程中，传感器节点实时采 集楼宇内的温湿度、烟浓度等等，它们能够通过自组织形成一个网络，当数据 采集之后，将数据传送到网关，而网关节点会通过传输网络将这些数据发送至 基站。传输网络是一个局部网络，它负责系统中每一个传感器网络的网关节点， 并且负责把这些网关节点的信息综合。基站的作用是为了完成数据的收发，处 理，存储，以及网络的监控。传感器节点、传输网络、基站、i n t e r n e t 都在发挥 着各自的作用【加】。 1 7 武汉理i 大学硕t 学位论文 皓感器节点 ，7 ； 甲 ! 、? 、自卑 卧、7 w 卿瑚 、k i 乳7 二之土逆i 基站 i一、一-,f_j-iicrediet f 一 | 屠 ! i 雾远程客户访问瑞 图3 1智能楼宇中无线传感网络系统的总体层次结构 所有的传感器节点负责实时采集数据，它们会自主形成一个多跳的网络。 在实际的室内，比如温度检测中，当节点布置完之后在很多时候电源不能经 常频繁的更换，这就意味着系统必须要节能。有的时候，比如火灾发生时，数 据有可能发生大量的拥塞现象，这是非常不利的，所以系统除了节能还要控制 拥器度。 在整个楼字系统删中，在各个地方部署很多节点，不同的节点都有一个覆盖 范围，采集的数据也有可能会发生蘑复的现象，如果每个节点都像s i n k 这样上 报数据，不但引起电源的浪费还有可能造成数据的拥塞，这和楼宇的要求是 不符的! 因此对这些问题提出的解决方法就是数据融合。具体就是在每一个片 区选取一个节点来作为这个地区的活动节点，它们也就是这个片区内的中继节 点，并且将会通过数据融合的技术把这些搜集起来的数据进行处理，然后发送 武汉理工大学硕十学位论文 到s i n k 节点，如图3 - 2 所示。 f 9 。心 图3 2 楼层无线节点分布示意图 3 2 智能楼宇中无线传感网络节点的设计准则 传感器节点是无线传感网络的重点，它的性能是整个网络性能的直接影响 者。在整个无线传感网络系统中，传感器是不同的，这是因为所监控的对象不 同，这也说明了每个传感器节点是不同的。在智能楼宇监控网络中，必须针对 智能楼宇的实际需求，设计出能够满足智能楼宇监控的传感器节点。在节点的 设计中，应该考虑以下因素。 ( 1 ) 较低的能耗 这点在前面的叙述中也相应的提到了，节点在工作时由于要采集数据、并 且在无线射频通信中也会耗去大量的能量，如图3 3 所示，但是这与长时间的工 作需求是相违背的，因为不可能频繁的去更换电池，这样反而造成了无线通信 1 9 武汉理_ t 大学硕十学位论文 的繁琐度。在设计的过程中，会尽量的选择一些低功耗的处理器芯片，并且也 会采用节点的睡眠机制【9 】，同时在覆盖度的方面，也会进行相应的优化，从而减 少能量的消耗、延长网络的使用寿命、增加电池的更换时间。 2 、稳定程度 由于使用环境是智能楼字，直接关系到人们工作生活的安全性和舒适性， 可靠稳定是最基本的，同时也是非常必要的。这也是与有线网络竞争的非常重 要的一点。 3 、可扩展的特点 根据实际的情况，可能要对温度、适度、声音、烟雾、灯光等等因素进行 实时采集，同时也可能会增加新的应用，这样传感器也会根据要求有所增加。 但是由于监测对象的不同，增加的传感器并不一样，这样在设计传感器节点的 时候，就要求定义统一的外部接口，在不需要开发新节点的情况下就可以把需 要的新的硬件部件直接添加上。做到这一点是非常重要的。 4 、鲁棒性 节点一般由几个部分组成，各个部分之间互相独立，同时也是一个统一的 整体。在一个模块出问题的情况下，为了不影响其它模块正常工作，各个电路 之间要保持相对的独立。 5 、计算能力与实际物理体积 无线传感器网络对于信号采集以及数据传输具有实时性的要求。越高的通 信速率就必须要求越快的计算能力【l o 】。传感器的大小对于