无线传感器网络技术

1、第二章第二章 无线传感器网络技术无线传感器网络技术2.12.12.22.2无线传感器网络概述无线传感器网络概述无线传感器网络硬件基础无线传感器网络硬件基础无线传感器网络操作系统无线传感器网络操作系统2.32.32.42.42.52.5无线传感器网络的关键技术无线传感器网络的关键技术无线传感器网络中间件软件无线传感器网络中间件软件面向多类型网络的无线传感器网络接入技术面向多类型网络的无线传感器网络接入技术2.62.62.1.12.1.1 什么是无线传感器网络？什么是无线传感器网络？2.1.22.1.2 无线传感器网络体系结构无线传感器网络体系结构2.1.22.1.2 无线传感器网络体系结构无线传

2、感器网络体系结构图2-2无线传感器网络协议栈 2.1.32.1.3 无线传感器网络基本特点无线传感器网络基本特点 以传输数据，完成通信为目以传输数据，完成通信为目的，中间节点仅负责分组数据的，中间节点仅负责分组数据的转发，通常节点具有持续的的转发，通常节点具有持续的能量供给。他们注重在高度移能量供给。他们注重在高度移动的环境中通过优化路由和资动的环境中通过优化路由和资源管理策略，最大化带宽利用源管理策略，最大化带宽利用率，同时提供高性能的服务质率，同时提供高性能的服务质量量QoS(Quality of Service)。 以数据为中心，以获取信以数据为中心，以获取信息为目的，中间节点不但要转息

3、为目的，中间节点不但要转发数据，还要进行与具体应用发数据，还要进行与具体应用相关的数据处理、融合和缓存，相关的数据处理、融合和缓存，除了少数节点可能移动外，大除了少数节点可能移动外，大部分节点都是静止的。有时运部分节点都是静止的。有时运行在恶劣甚至危险的远程环境行在恶劣甚至危险的远程环境中，传感器节点的电池无法补中，传感器节点的电池无法补充更新。充更新。无线传感器网络无线传感器网络传统的无线网络和传统的无线网络和MANET网络网络2.1.42.1.4 无线传感器网络的关键技术无线传感器网络的关键技术 1.物理层关键技术；物理层关键技术； 2.信道接入技术；信道接入技术； 3.无线传感器网络路由

4、；无线传感器网络路由； 4.无线传感器网络拓扑控制技术；无线传感器网络拓扑控制技术； 5.无线传感器网络覆盖技术；无线传感器网络覆盖技术； 6.无线传感器网络数据融合技术；无线传感器网络数据融合技术；7.无线传感器网络定位与跟踪技术。无线传感器网络定位与跟踪技术。 灵活、自适应的网络协议体系；灵活、自适应的网络协议体系； 跨层设计；跨层设计； 寻求系统节能策略；寻求系统节能策略； 节点的自动配置；节点的自动配置； 与其他网络的融合与其他网络的融合2.1.52.1.5 无线传感器网络的发展现状与趋势无线传感器网络的发展现状与趋势2.1.62.1.6 无线传感器网络面临的挑战无线传感器网络面临的挑

5、战 低能耗；低能耗； 实时性；实时性； 低成本；低成本； 安全和抗干扰；安全和抗干扰； 协作。协作。2.1.72.1.7 无线传感器网络的主要应用领域无线传感器网络的主要应用领域无线传感器网络战场评估地震监测深海监控医疗状况监控目标跟踪和检测小区安全监控精细农业森林火灾监控生活习性监测第二章第二章 无线传感器网络技术无线传感器网络技术2.12.12.22.2无线传感器网络的基本概念无线传感器网络的基本概念无线传感器网络硬件基础无线传感器网络硬件基础无线传感器网络操作系统无线传感器网络操作系统2.32.32.52.5无线传感器网络的关键技术无线传感器网络的关键技术无线传感器网络中间件软件无线传感

6、器网络中间件软件面向多类型网络的无线传感器网络接入技术面向多类型网络的无线传感器网络接入技术2.62.62.42.42.2.12.2.1无线传感器网络硬件设备概述无线传感器网络硬件设备概述 在无线传感器网络中，传感器节点既要实现数据采集和处在无线传感器网络中，传感器节点既要实现数据采集和处理转化，又要实现数据的融合和路由，并对本身采集的数据和理转化，又要实现数据的融合和路由，并对本身采集的数据和收到的其他节点发送的数据进行综合，转发回监控终端。收到的其他节点发送的数据进行综合，转发回监控终端。 无线传感器无线传感器网络节点网络节点传感节点传感节点汇聚节点汇聚节点网关节点网关节点2.2.12.2

7、.1无线传感器网络硬件设备概述无线传感器网络硬件设备概述 由南京邮电大学传感网研究中心由南京邮电大学传感网研究中心自主研发的自主研发的UbiCellUbiCell系列节点是国内无系列节点是国内无线传感器网络节点的典型代表之一，线传感器网络节点的典型代表之一，同时也提供了该系列节点的开发套件。同时也提供了该系列节点的开发套件。开发套件包括多种规格的开发套件包括多种规格的UbiCellUbiCell系列系列节点、可插拔下载编程转接器、可上节点、可插拔下载编程转接器、可上传式烧写器等部分。传式烧写器等部分。UbiCellUbiCell套件提供套件提供了完整的无线传感器网络节点的开发了完整的无线传感器

8、网络节点的开发平台。平台。2.2.22.2.2典型的无线传感器网络节点典型的无线传感器网络节点2.2.22.2.2典型的无线传感器网络节点典型的无线传感器网络节点的主要特点如下：的主要特点如下： 使用太阳能作为其工作能量的来源，具有长期工作使用太阳能作为其工作能量的来源，具有长期工作的潜力。的潜力。 采用采用MEMSMEMS技术，体积微小，整个传感器节点可以技术，体积微小，整个传感器节点可以控制在控制在1 1立方毫米左右。立方毫米左右。 采用光通信方式。一方面功耗比无线电小；另一方采用光通信方式。一方面功耗比无线电小；另一方面不需要长长的天线，在体积上也可以做得更小。面不需要长长的天线，在体积

9、上也可以做得更小。另外，通信信道空分复用，所以基站可以同时与多另外，通信信道空分复用，所以基站可以同时与多个节点通信。个节点通信。 光通信方式降低了节点功耗，但是其传输的方向性光通信方式降低了节点功耗，但是其传输的方向性、无视距阻碍的要求给节点的部署带来很大挑战。、无视距阻碍的要求给节点的部署带来很大挑战。2.2.22.2.2典型的无线传感器网络节点典型的无线传感器网络节点 是加州大学伯克利分校研制的用于是加州大学伯克利分校研制的用于传感器网络研究的演示平台的试验节点。产品包括传感器网络研究的演示平台的试验节点。产品包括WeC、Renee、Mica、Mica2、Mica2dot和和Spec等，

10、其等，其中中Mica2和和Mica2dot节点已经由节点已经由Crossbow公司包装生公司包装生产。产。Mica系列节点在硬件上由运算和通信平台和传感系列节点在硬件上由运算和通信平台和传感器平台构成。两者之间通过器平台构成。两者之间通过51针的自定义接口进行连针的自定义接口进行连接。接。Mica2dot是是Mica2的一个微缩版，对的一个微缩版，对 Mica2的外围的外围电路进行了如下的简化：外部指示灯从三个减少到一电路进行了如下的简化：外部指示灯从三个减少到一个；外部接口引脚从个；外部接口引脚从51个减少到个减少到18个，以环形方式排个，以环形方式排布；接口的减少使得其外部可用的布；接口的

11、减少使得其外部可用的I/O资源变少；使用资源变少；使用4MHz的外部时钟，降低系统运行时的功率消耗。的外部时钟，降低系统运行时的功率消耗。 2.2.22.2.2典型的无线传感器网络节点典型的无线传感器网络节点 是是 MoteIV 公司出品的超低功耗、高数公司出品的超低功耗、高数据传输率的下一代无线传感器网络平台；使用据传输率的下一代无线传感器网络平台；使用TI公司公司的超低功耗微处理器芯片的超低功耗微处理器芯片MSP430，通信模块采用了，通信模块采用了TI公司支持公司支持 IEEE802.15.4标准和标准和ZigBee协议的协议的CC2420芯芯片，可与其它片，可与其它IEEE802.15

12、.4的设备协同工作；的设备协同工作；250kbps的数据收发速率可以使节点更快完成通信事件的处理的数据收发速率可以使节点更快完成通信事件的处理，快速休眠，节省系统能量；编程和数据获取通过，快速休眠，节省系统能量；编程和数据获取通过 USB接口，最大的特点是具有接口，最大的特点是具有10KBits 的片上的片上RAM 作作为数据处理使用，为数据处理使用，1Mbits的外部数据存储器，集成了的外部数据存储器，集成了湿度、温度、光等敏感元件，能够独立作为传感器节湿度、温度、光等敏感元件，能够独立作为传感器节点使用，但内部的点使用，但内部的FLASH空间较小。空间较小。2.2.22.2.2典型的无线传

13、感器网络节点典型的无线传感器网络节点 的主要特性如下：的主要特性如下： （1）通信距离编程可调）通信距离编程可调0300m，有效距离达，有效距离达100m以上；以上； （2）采用的元器件大都为低功耗器件，在睡眠状）采用的元器件大都为低功耗器件，在睡眠状态，电流仅为态，电流仅为5mA，在掉电节能模式下，电流更是，在掉电节能模式下，电流更是只有只有110A左右；左右； （3）功能丰富、接口清晰的协议栈。）功能丰富、接口清晰的协议栈。2.2.22.2.2典型的无线传感器网络节点典型的无线传感器网络节点 由南京邮电大学研发的由南京邮电大学研发的，涵盖了从，涵盖了从测量普通温、湿度数据到音频、图像、视频

14、等多媒体数测量普通温、湿度数据到音频、图像、视频等多媒体数据的多种无线传感器网络节点。普通据的多种无线传感器网络节点。普通UbiCell节点拥有节点拥有强大的强大的8位精简指令系统微处理器，处理速度和精确性位精简指令系统微处理器，处理速度和精确性完全可以满足各种应用需求完全可以满足各种应用需求;图像和音频图像和音频UbiCell节点采节点采用了与普通用了与普通UbiCell节点相同的处理器，但是扩展了存节点相同的处理器，但是扩展了存储空间，采用了更为强大的无线通信芯片。储空间，采用了更为强大的无线通信芯片。UbiCell视视频节点则采用了强大的集成了硬件视频频节点则采用了强大的集成了硬件视频C

15、ODEC的的ARM9处理器，采用了更高像素的处理器，采用了更高像素的CMOS摄像头，无线摄像头，无线通信模块采用支持通信模块采用支持802.11标准的标准的WiFi模块。模块。2.2.32.2.3无线传感器网络硬件节点无线传感器网络硬件节点2.2.32.2.3无线传感器网络硬件节点无线传感器网络硬件节点应用程序应用程序嵌入式操作系统嵌入式操作系统设备驱动层设备驱动层硬件功能层硬件功能层存储器存储器系统总线系统总线I/O接口接口定时器定时器中断系统中断系统系统电源管理系统电源管理图2-3 无线传感器网络硬件节点的基本构架2.2.32.2.3无线传感器网络硬件节点无线传感器网络硬件节点典型的无线传

16、感器网络节点的硬件系统主要包括：典型的无线传感器网络节点的硬件系统主要包括：要选择合适的处理器以满足设计需求要选择合适的处理器以满足设计需求 主要是根据具体的要求选择合适的接口形式比主要是根据具体的要求选择合适的接口形式比如采用屏幕显示和输入设备实现或者采用常如采用屏幕显示和输入设备实现或者采用常用的通信接口比如用的通信接口比如UART与中央主控处理模与中央主控处理模块进行通信块进行通信 核心是射频芯片的选择和射频电路核心是射频芯片的选择和射频电路PCB的设计的设计 一是直接将传感器集成在节点上；二是将传一是直接将传感器集成在节点上；二是将传感器以插件的方式同节点连接感器以插件的方式同节点连接

17、 该模块设计的好坏决定着传感器网络的该模块设计的好坏决定着传感器网络的寿命寿命2.2.42.2.4无线多媒体传感器网络硬件节点无线多媒体传感器网络硬件节点（1）无线音频传感器节点设计与实现）无线音频传感器节点设计与实现 滤波电路模块滤波电路模块 音频放大模块音频放大模块 音频编解码模块音频编解码模块 （2）无线图像传感器节点设计与实现）无线图像传感器节点设计与实现 多媒体图像传感器节点的基本结构包括了一多媒体图像传感器节点的基本结构包括了一个个CMOS图像传感器、一个高性能的微控制器（如图像传感器、一个高性能的微控制器（如ATmega128L）、一个辅控制器（）、一个辅控制器（Tiny12）以

18、及外）以及外围辅助电路。围辅助电路。 （3）无线视频节点）无线视频节点 处理器与视频处理模块采用高集成度、极小体积的处理器与视频处理模块采用高集成度、极小体积的片上系统设计，可以采用片上系统设计，可以采用Freescale i.MX27处理器。处理器。 无线通信模块要有足够大的带宽来满足视频传输的无线通信模块要有足够大的带宽来满足视频传输的需要。需要。 摄像头选用摄像头选用OmniVision公司的公司的OV2640。 视频采集端和接收端通过视频采集端和接收端通过Wi-Fi无线网络联接，可采无线网络联接，可采用用UDP Socket进行数据传输。进行数据传输。 视频解码模块采用视频解码模块采用

19、ffmpeg库进行解码。库进行解码。 2.2.42.2.4无线多媒体传感器网络硬件节点无线多媒体传感器网络硬件节点2.2.52.2.5无线传感器网络硬件开发套件无线传感器网络硬件开发套件图像音频传感器的核心处理器为图像音频传感器的核心处理器为Mega128，可以采用，可以采用JTAG ICE仿真仿真器进行仿真。器进行仿真。图像传感器的辅处理器为图像传感器的辅处理器为Tiny12，可，可以采用以采用stk500与之通信。与之通信。视频传感器的核心处理器为视频传感器的核心处理器为i.MX27，开发板的，开发板的flash中已经配置好嵌入中已经配置好嵌入式式Linux。2.2.62.2.6面向多类型

20、网络接入的无线传感器网络网关面向多类型网络接入的无线传感器网络网关2.2.62.2.6面向多类型网络接入的无线传感器网络网关面向多类型网络接入的无线传感器网络网关图2-5 网关节点设备系统结构实例第二章第二章 无线传感器网络技术无线传感器网络技术2.12.12.32.3无线传感器网络的基本概念无线传感器网络的基本概念无线传感器网络操作系统无线传感器网络操作系统无线传感器网络硬件基础无线传感器网络硬件基础2.22.22.52.5无线传感器网络的关键技术无线传感器网络的关键技术无线传感器网络中间件软件无线传感器网络中间件软件面向多类型网络的无线传感器网络接入技术面向多类型网络的无线传感器网络接入技

21、术2.62.62.42.42.3.12.3.1无线传感器网络操作系统概述无线传感器网络操作系统概述 针对传感器网络应用的多样性、硬件功能有限、资源针对传感器网络应用的多样性、硬件功能有限、资源有限、节点微型化和分布式多协作等特点，研究和设有限、节点微型化和分布式多协作等特点，研究和设计新的基于传感器网络的操作系统成为当前提高无线计新的基于传感器网络的操作系统成为当前提高无线传感器网络性能的一个重要课题。传感器网络性能的一个重要课题。 由于传感器网络的特殊性，需要操作系统能够高效地由于传感器网络的特殊性，需要操作系统能够高效地使用传感器节点有限的系统资源，且能够对各种特定使用传感器节点有限的系统

22、资源，且能够对各种特定应用提供最大的支持。在面向传感器网络的操作系统应用提供最大的支持。在面向传感器网络的操作系统支持下，多个应用可以并发地使用各类系统资源，如支持下，多个应用可以并发地使用各类系统资源，如计算、存储和通信等。因此需要设计针对无线传感器计算、存储和通信等。因此需要设计针对无线传感器网络的操作系统网络的操作系统。2.3.22.3.2TinyOS操作系统操作系统2.3.22.3.2TinyOS操作系统操作系统 TinyOS操作系统、库程序和应用服务程序均由操作系统、库程序和应用服务程序均由nesC语言编写，语言编写，TinyOS的很多特性，如并发模型的很多特性，如并发模型、组件结构

23、等等都是由、组件结构等等都是由nesC语言体现的。语言体现的。 nesC在设计时强调组件化的编程思想，提高开发的在设计时强调组件化的编程思想，提高开发的方便性和代码的有效性，其基本特性如下：方便性和代码的有效性，其基本特性如下： （1）结构和内容的分离。）结构和内容的分离。 （2）根据接口的设置说明组件功能。）根据接口的设置说明组件功能。 （3）组件通过接口彼此静态地相连。）组件通过接口彼此静态地相连。 2.3.22.3.2TinyOS操作系统操作系统TinyOS的应用程序中，每个组件需要指明其使用的的应用程序中，每个组件需要指明其使用的 接口以及提供的接口。接口以及提供的接口。 TinyOS

24、中的通信遵循主动消息（中的通信遵循主动消息（Active Message，AM）通信模型，它是一个简单的可扩展的面向消息）通信模型，它是一个简单的可扩展的面向消息通信的高性能通信模式，一般广泛地应用在并行分布通信的高性能通信模式，一般广泛地应用在并行分布式处理系统中。式处理系统中。 2.3.32.3.3MantisOS操作系统操作系统2.3.32.3.3MantisOS操作系统操作系统图2-6 MantisOS 体系结构第二章第二章 无线传感器网络技术无线传感器网络技术2.12.12.42.4无线传感器网络的基本概念无线传感器网络的基本概念无线传感器网络的关键技术无线传感器网络的关键技术无线传

25、感器网络硬件基础无线传感器网络硬件基础2.22.22.52.5无线传感器网络操作系统无线传感器网络操作系统无线传感器网络中间件软件无线传感器网络中间件软件面向多类型网络的无线传感器网络接入技术面向多类型网络的无线传感器网络接入技术2.62.62.32.32.4.12.4.1无线传感器网络物理层关键技术无线传感器网络物理层关键技术 无线传感器网络无线传感器网络物理层的作用物理层的作用主要有主要有实现信道的选择、无线信号的监测、信号实现信道的选择、无线信号的监测、信号的发送与接收等功能，的发送与接收等功能，设计目标设计目标是以尽可是以尽可能少的能量损耗获得较大的链路容量。目能少的能量损耗获得较大的

26、链路容量。目前，对无线传感器网络物理层的研究迫切前，对无线传感器网络物理层的研究迫切需要解决的问题需要解决的问题有：在降低硬件成本方面有：在降低硬件成本方面需要研究集成化、全数字化、通用化的电需要研究集成化、全数字化、通用化的电路设计方法；在节能方面需要设计具有高路设计方法；在节能方面需要设计具有高数据率、低符号率的编码、调制算法。数据率、低符号率的编码、调制算法。2.4.12.4.1无线传感器网络物理层关键技术无线传感器网络物理层关键技术 为了满足低功耗、低成本的无线网络的要求，为了满足低功耗、低成本的无线网络的要求，IEEE标准委员会在标准委员会在2000年年12月份正式批准并成立了月份正

27、式批准并成立了IEEE 802.15.4工作组，其任务就是开发一个低速率的工作组，其任务就是开发一个低速率的WPAN（LR-WPAN，Low-rate wireless Personal Area Network）标准化工作，它具有复杂度低、成本极少、）标准化工作，它具有复杂度低、成本极少、功耗很小的特点，能在低成本设备（固定、便携或可移功耗很小的特点，能在低成本设备（固定、便携或可移动的）之间进行低数据率的传输。动的）之间进行低数据率的传输。 IEEE 802.15.4标准满足国际标准组织（标准满足国际标准组织（ISO）开放）开放体系互联（体系互联（OSI）参考模式，包括物理层、介质访问层）

28、参考模式，包括物理层、介质访问层（MAC层）、网络层以及高层。体系结构如图层）、网络层以及高层。体系结构如图2-8所示：所示：2.4.12.4.1无线传感器网络物理层关键技术无线传感器网络物理层关键技术图 2-8 IEEE 802.15.4标准体系结构2.4.12.4.1无线传感器网络物理层关键技术无线传感器网络物理层关键技术 IEEE 802.15.4标准所定义的标准所定义的物理层物理层具有的具有的功能功能有：激活和休眠无线电收发器，当前信道的能量有：激活和休眠无线电收发器，当前信道的能量检测、接收数据包的链路质量指示、信道频率选检测、接收数据包的链路质量指示、信道频率选择和数据的发送与接收

29、。择和数据的发送与接收。 近几年来，物理层的近几年来，物理层的超宽带超宽带UWB（Ultra Wide Band）短距离无线通信引起了全球通信技术领域）短距离无线通信引起了全球通信技术领域极大的重视。超宽带通信技术以其传输速率高、极大的重视。超宽带通信技术以其传输速率高、抗多径干扰能力强等优点成为短距离无线通信极抗多径干扰能力强等优点成为短距离无线通信极具竞争力和发展前景的技术之一。具竞争力和发展前景的技术之一。 2.4.22.4.2无线传感器网络无线传感器网络MAC层关键技术层关键技术2.4.22.4.2无线传感器网络无线传感器网络MAC层关键技术层关键技术 因此，在因此，在设计设计无线传感

30、器网络的无线传感器网络的MAC协议协议时，时，需要着重考虑以下几个方面：需要着重考虑以下几个方面： （1）能源有效性；）能源有效性；（2）可扩展性；）可扩展性；（3）性能的综合测评；）性能的综合测评；（4）分布式算法；）分布式算法；（5）可靠性。）可靠性。2.4.32.4.3无线传感器网络路由关键技术无线传感器网络路由关键技术 路由协议的作用是寻找一条或多条满足一定条件的路由协议的作用是寻找一条或多条满足一定条件的，从源节点到目的节点的路径，将数据分组沿着所，从源节点到目的节点的路径，将数据分组沿着所寻找的路径进行转发，由此可以看出路由协议的功寻找的路径进行转发，由此可以看出路由协议的功能主要

31、有以下两个方面：能主要有以下两个方面： （1）搜索满足条件的从源节点到目的节点的优化）搜索满足条件的从源节点到目的节点的优化路径；路径； （2）转发数据分组。）转发数据分组。2.4.32.4.3无线传感器网络路由关键技术无线传感器网络路由关键技术 目前，研究人员根据无线传感器网络的结构、路由目前，研究人员根据无线传感器网络的结构、路由协议自身特点以及应用类型等，将路由协议分为以协议自身特点以及应用类型等，将路由协议分为以下几个类型。下几个类型。（1）以数据为中心的路由协议；）以数据为中心的路由协议；（2）基于层次结构（树结构）的路由协议；）基于层次结构（树结构）的路由协议；（3）基于地理信息路

32、由协议；）基于地理信息路由协议；（4）基于多路径的路由协议。）基于多路径的路由协议。2.4.32.4.3无线传感器网络路由关键技术无线传感器网络路由关键技术 在设计路由协议时需要考虑到以下关键问题在设计路由协议时需要考虑到以下关键问题 ：（1）节点部署）节点部署 ；（2）数据精确性前提下的能耗）数据精确性前提下的能耗 ；（3）以数据为中心的数据报告模型）以数据为中心的数据报告模型 ；（4）鲁棒性与容错性）鲁棒性与容错性 ；（5）网络动态性）网络动态性 ；（6）数据融合）数据融合 。2.4.32.4.3无线传感器网络路由关键技术无线传感器网络路由关键技术 Flooding路由协议是传统网络中最为

33、经典和简单的路由协议是传统网络中最为经典和简单的路由协议，是基于洪泛机制的路由协议，可以应用到路由协议，是基于洪泛机制的路由协议，可以应用到无线传感器网络中。无线传感器网络中。Flooding路由协议不要求维护网络路由协议不要求维护网络的拓扑结构和相关路由计算信息，仅要求节点在接收的拓扑结构和相关路由计算信息，仅要求节点在接收到信息后以广播的方式向邻居节点转发数据包，邻居到信息后以广播的方式向邻居节点转发数据包，邻居节点重复执行上述过程（转发时除去刚刚发送给它们节点重复执行上述过程（转发时除去刚刚发送给它们的节点），直到数据包到达目的地或者该数据包的生的节点），直到数据包到达目的地或者该数据包

34、的生命周期结束。命周期结束。2.4.32.4.3无线传感器网络路由关键技术无线传感器网络路由关键技术 Flooding路由协议的路由协议的优点优点是实现简单，每个节点只是实现简单，每个节点只需将接收到的数据包进行广播，而无需进行查找路由需将接收到的数据包进行广播，而无需进行查找路由表，选择下一跳节点的计算；其次，其无需特殊的算表，选择下一跳节点的计算；其次，其无需特殊的算法保持网络拓扑信息的更新以及新路由的发现。但是法保持网络拓扑信息的更新以及新路由的发现。但是Flooding路由协议的路由协议的漏洞漏洞也是十分明显且致命的，主要也是十分明显且致命的，主要有以下三个方面：有以下三个方面：a.

35、信息内爆（信息内爆（Implosion）；）；b. 部分部分重迭（重迭（overlap）现象；）现象；c.网络资源利用不合理。网络资源利用不合理。2.4.32.4.3无线传感器网络路由关键技术无线传感器网络路由关键技术 定向扩散路由协议是一种典型的以数据为中心，基定向扩散路由协议是一种典型的以数据为中心，基于查询的路由机制。汇聚节点根据不同的应用需求定于查询的路由机制。汇聚节点根据不同的应用需求定义不同的兴趣请求消息，并通过洪泛的方式将兴趣请义不同的兴趣请求消息，并通过洪泛的方式将兴趣请求消息数据包发送至全网或者局部网络的传感器节点。求消息数据包发送至全网或者局部网络的传感器节点。在进行兴趣请

36、求消息洪泛发送过程的同时，每个节点在进行兴趣请求消息洪泛发送过程的同时，每个节点根据缓存中的兴趣列表，沿着兴趣请求消息发送方向根据缓存中的兴趣列表，沿着兴趣请求消息发送方向的反向建立数据传输梯度，当兴趣请求消息到达源节的反向建立数据传输梯度，当兴趣请求消息到达源节点后，源节点则将数据沿着之前建立好的传输梯度传点后，源节点则将数据沿着之前建立好的传输梯度传输，直到汇聚节点。输，直到汇聚节点。 2.4.32.4.3无线传感器网络路由关键技术无线传感器网络路由关键技术 LEACH也可以说是一种自适应分簇拓扑算法，其也可以说是一种自适应分簇拓扑算法，其基本思想是将节点组织成簇结构形式，每个簇有一个基本

37、思想是将节点组织成簇结构形式，每个簇有一个簇头节点，其他节点作为非簇头节点。所有的非簇头簇头节点，其他节点作为非簇头节点。所有的非簇头节点只与本簇的簇头节点通信，而簇头节点收集簇内节点只与本簇的簇头节点通信，而簇头节点收集簇内非簇头节点的数据，进行融合后传输到汇聚节点。因非簇头节点的数据，进行融合后传输到汇聚节点。因此，簇头节点要比非簇头节点消耗更多能量，为了避此，簇头节点要比非簇头节点消耗更多能量，为了避免节点长期担当簇头节点而过早耗尽能量，免节点长期担当簇头节点而过早耗尽能量，LEACH使使用轮转的方式选举簇头，从而让所有的节点都有机会用轮转的方式选举簇头，从而让所有的节点都有机会成为簇头

38、进而达到网络中节点能量消耗均匀的目的。成为簇头进而达到网络中节点能量消耗均匀的目的。 2.4.32.4.3无线传感器网络路由关键技术无线传感器网络路由关键技术 GRID路由协议是一种典型的基于地理栅格的分层网路由协议是一种典型的基于地理栅格的分层网络路由协议，其开始是为移动自组织网络而设计的路络路由协议，其开始是为移动自组织网络而设计的路由协议，其根据地理栅格构建分层网络并实现路由。由协议，其根据地理栅格构建分层网络并实现路由。其基本思想是将整个网络划分成一个个正方形的小区其基本思想是将整个网络划分成一个个正方形的小区域，在同一个区域内，所有节点的标号都是用栅格号域，在同一个区域内，所有节点的

39、标号都是用栅格号来标识。来标识。 GRID路由协议主要包括了三个阶段：栅格划分、路路由协议主要包括了三个阶段：栅格划分、路由建立与路由维护。由建立与路由维护。r r2.4.32.4.3无线传感器网络路由关键技术无线传感器网络路由关键技术图2-9 GRID示例如图如图2-9所示，有一个所示，有一个4*5的的栅格域，每个栅格的边长都栅格域，每个栅格的边长都相同且为相同且为r。则节点通过每。则节点通过每个栅格内的簇头节点构成整个栅格内的簇头节点构成整个网络的骨干网络完成数据个网络的骨干网络完成数据通信。每个栅格都有自己的通信。每个栅格都有自己的编号，如（编号，如（1，2）、（）、（2，4）等，栅格中

40、的所有节点都共等，栅格中的所有节点都共享这个栅格编号，栅格内的享这个栅格编号，栅格内的簇头节点负责栅格中的分组簇头节点负责栅格中的分组转发。转发。2.4.42.4.4无线传感器网络拓扑控制技术无线传感器网络拓扑控制技术2.4.42.4.4无线传感器网络拓扑控制技术无线传感器网络拓扑控制技术 在无线传感器网络中，网络拓扑结构的控制与优化在无线传感器网络中，网络拓扑结构的控制与优化有着十分重要的意义，主要表现在以下几个方面：有着十分重要的意义，主要表现在以下几个方面：（1）影响整个网络的生存时间）影响整个网络的生存时间 ；（2）减小节点间通信干扰，提高网络通信效率；）减小节点间通信干扰，提高网络通

41、信效率；（3）为路由协议、时间同步提供基础；）为路由协议、时间同步提供基础；（4）影响数据融合；）影响数据融合；（5）弥补节点失效的影响。）弥补节点失效的影响。2.4.42.4.4无线传感器网络拓扑控制技术无线传感器网络拓扑控制技术 无线传感器网络是与应用密切相关的，不同的应用无线传感器网络是与应用密切相关的，不同的应用对应有不同的拓扑控制设计目标要求。在拓扑控制中对应有不同的拓扑控制设计目标要求。在拓扑控制中一般需要考虑的一般需要考虑的设计目标设计目标如下：如下：（1）能量消耗；）能量消耗； （5）网络延迟；）网络延迟；（2）覆盖度；）覆盖度； （6）干扰和竞争；）干扰和竞争；（3）连通性；

42、）连通性； （7）对称性；）对称性；（4）算法的分布式程度；）算法的分布式程度； （8）鲁棒性和可扩展性。）鲁棒性和可扩展性。2.4.42.4.4无线传感器网络拓扑控制技术无线传感器网络拓扑控制技术拓扑控制功率控制（作用在单个节点上）层次型拓扑结构（节点地位不同）分簇算法连通支配集平面拓扑结构（节点具有平等地位）拓扑管理（作用于整个网络） 传感器网络中的拓扑控制按照研究方向可以分为两类，如图传感器网络中的拓扑控制按照研究方向可以分为两类，如图2-11所示：节点功率控制和层次性拓扑结构组织。所示：节点功率控制和层次性拓扑结构组织。图2-11 拓扑控制算法的分类2.4.52.4.5无线传感器网络覆

43、盖关键技术无线传感器网络覆盖关键技术2.4.52.4.5无线传感器网络覆盖关键技术无线传感器网络覆盖关键技术 如果无线传感器网络的状态相对固定或是无线传感器网络环如果无线传感器网络的状态相对固定或是无线传感器网络环境已知，就可以根据预先配置的节点位置确定网络拓扑情况或增境已知，就可以根据预先配置的节点位置确定网络拓扑情况或增加关键区域的传感器节点密度，这种情况被称为确定性覆盖问题。加关键区域的传感器节点密度，这种情况被称为确定性覆盖问题。典型的确定性覆盖有确定性区域典型的确定性覆盖有确定性区域/点覆盖、基于网格的目标覆盖和点覆盖、基于网格的目标覆盖和确定性网络路径确定性网络路径/目标覆盖目标覆

44、盖3种类型。种类型。 在许多实际自然环境中，由于网络情况不能预先确定且多数在许多实际自然环境中，由于网络情况不能预先确定且多数确定性覆盖模型会给网络带来对称性与周期性特征。加之，无线确定性覆盖模型会给网络带来对称性与周期性特征。加之，无线传感器网络自身拓扑变化复杂，因此，需要进一步对节点随机分传感器网络自身拓扑变化复杂，因此，需要进一步对节点随机分布在预先没有得到自身位置的传感区域的情况进行讨论，这正是布在预先没有得到自身位置的传感区域的情况进行讨论，这正是无线传感器网络随机覆盖所要解决的问题。无线传感器网络随机覆盖所要解决的问题。 2.4.52.4.5无线传感器网络覆盖关键技术无线传感器网络

45、覆盖关键技术 面覆盖算法的目标是在大量冗余的节点中寻找能够覆盖同样区面覆盖算法的目标是在大量冗余的节点中寻找能够覆盖同样区域大小并保证网络连通的节点集合。域大小并保证网络连通的节点集合。 在点覆盖算法中，每一个目标点都要能够被至少一个传感器节在点覆盖算法中，每一个目标点都要能够被至少一个传感器节点所覆盖。点所覆盖。 栅栏覆盖考察了目标穿越网络时被检测或是没有被检测的情况，栅栏覆盖考察了目标穿越网络时被检测或是没有被检测的情况，反映了给定的无线传感器网络所能提供的传感、监视能力。反映了给定的无线传感器网络所能提供的传感、监视能力。2.4.62.4.6无线传感器网络数据管理与数据融合技术无线传感器

46、网络数据管理与数据融合技术 无线传感器网络的大量数据如何存储、查询和分析无线传感器网络的大量数据如何存储、查询和分析计算是无线传感器网络的一个重要研究方向计算是无线传感器网络的一个重要研究方向数据数据管理技术。本小节分别介绍了无线传感器网络数据管管理技术。本小节分别介绍了无线传感器网络数据管理技术的概念，关键技术及现有的数据管理系统：加理技术的概念，关键技术及现有的数据管理系统：加州大学伯克利分校的州大学伯克利分校的TinyDB系统、康奈尔大学的系统、康奈尔大学的Cougar系统和南京邮电大学的系统和南京邮电大学的DisWareDM系统。系统。DisWareDM由南京邮电大学计算机学院无线传感

47、器网由南京邮电大学计算机学院无线传感器网络研究中心开发，是在络研究中心开发，是在DisWare中间件及其开发平台基中间件及其开发平台基础上设计的一个无线传感器网络数据管理系统，它可础上设计的一个无线传感器网络数据管理系统，它可以为用户提供灵活的传感器网络数据实时查询功能以为用户提供灵活的传感器网络数据实时查询功能。2.4.62.4.6无线传感器网络数据管理与数据融合技术无线传感器网络数据管理与数据融合技术 传感器网络是以数据为中心，应该把传感器节点视传感器网络是以数据为中心，应该把传感器节点视为感知数据流或感知数据源，把传感器网络视为感知为感知数据流或感知数据源，把传感器网络视为感知数据空间或

48、感知数据库，以数据作为线索进行查询和数据空间或感知数据库，以数据作为线索进行查询和计算处理。计算处理。 根据上述设计思想，被监测的物理环境的数据可以根据上述设计思想，被监测的物理环境的数据可以被模型化为一个数据库，该数据库提供的数据有来自被模型化为一个数据库，该数据库提供的数据有来自实体的静态指标数据（如节点编号、传感器类型等）实体的静态指标数据（如节点编号、传感器类型等）和来自传感器收集到的动态感知数据值（如光强、温和来自传感器收集到的动态感知数据值（如光强、温度、湿度、土壤酸碱度等）。这些感知数据构成的分度、湿度、土壤酸碱度等）。这些感知数据构成的分布式感知数据库需要由一个软件系统来管理。

49、该软件布式感知数据库需要由一个软件系统来管理。该软件系统称为无线传感器网络数据管理系统。系统称为无线传感器网络数据管理系统。 2.4.62.4.6无线传感器网络数据管理与数据融合技术无线传感器网络数据管理与数据融合技术 （1）TinyDB系统系统 加州大学伯克利分校在其研制的操作系统加州大学伯克利分校在其研制的操作系统TinyOS的基础上开的基础上开发了一个发了一个TinyDB数据管理系统，该系统为用户提供了一个简洁、数据管理系统，该系统为用户提供了一个简洁、易用、类易用、类SQL的应用程序接口。用户可以如同使用传统关系数据的应用程序接口。用户可以如同使用传统关系数据库系统一样使用库系统一样使

50、用TinyDB查询传感器网络数据。查询传感器网络数据。 （2）Cougar系统系统 康奈尔大学在研制康奈尔大学在研制Cougar查询处理系统过程中，提出了在传查询处理系统过程中，提出了在传感器网络上计算聚集函数的容错和可扩展算法，采用了网内数据感器网络上计算聚集函数的容错和可扩展算法，采用了网内数据聚合的方法，减少了通讯能耗。此外，探索了把传感器网络表示聚合的方法，减少了通讯能耗。此外，探索了把传感器网络表示为数据库的思想，并探讨了如何把多查询处理优化的问题。为数据库的思想，并探讨了如何把多查询处理优化的问题。2.4.62.4.6无线传感器网络数据管理与数据融合技术无线传感器网络数据管理与数据

51、融合技术 数据融合是针对一个系统中使用多种（多个或多类）数据融合是针对一个系统中使用多种（多个或多类）传感器这一特定问题而展开的一种信息处理的新的研传感器这一特定问题而展开的一种信息处理的新的研究方向，因此数据融合又可称作信息融合、多传感器究方向，因此数据融合又可称作信息融合、多传感器融合（融合（MSF）。根据国外研究成果，传统的数据融合）。根据国外研究成果，传统的数据融合比较确切的定义为：利用计算机技术对按时序获得的比较确切的定义为：利用计算机技术对按时序获得的若干传感器的观测信息在一定准则下加以自动分析、若干传感器的观测信息在一定准则下加以自动分析、综合以完成所需的决策和估计任务而进行的信

52、息处理综合以完成所需的决策和估计任务而进行的信息处理过程。过程。2.4.62.4.6无线传感器网络数据管理与数据融合技术无线传感器网络数据管理与数据融合技术 数据融合是将来自多传感器或多源的信息和数据进数据融合是将来自多传感器或多源的信息和数据进行综合处理，得出更为准确完整的信息。这与传统的行综合处理，得出更为准确完整的信息。这与传统的多传感器数据融合技术有所不同。传统的多传感器数多传感器数据融合技术有所不同。传统的多传感器数据融合是对不同的知识源和传感器采集的数据进行融据融合是对不同的知识源和传感器采集的数据进行融合，以实现对观测现象更好的理解。而无线传感器网合，以实现对观测现象更好的理解。

53、而无线传感器网内数据融合主要是为了减少网络内的数据传输量，达内数据融合主要是为了减少网络内的数据传输量，达到减少能源的消耗，延长网络生命期的目的。到减少能源的消耗，延长网络生命期的目的。 数据融合技术在节省能量、提高信息准确度的同时，数据融合技术在节省能量、提高信息准确度的同时，要牺牲其他方面的性能作为代价。要牺牲其他方面的性能作为代价。 2.4.72.4.7无线传感器网络定位与目标跟踪技术无线传感器网络定位与目标跟踪技术2.4.72.4.7无线传感器网络定位与目标跟踪技术无线传感器网络定位与目标跟踪技术 在传感器网络中，由于在特定的环境下，某些算法在传感器网络中，由于在特定的环境下，某些算法

54、的某些性能可能会优于其他算法，因此没有统一的最的某些性能可能会优于其他算法，因此没有统一的最优的定位算法，只有针对特定环境比较适合的定位算优的定位算法，只有针对特定环境比较适合的定位算法。在统计和归纳已有的定位算法的基础上，各个定法。在统计和归纳已有的定位算法的基础上，各个定位算法又可以按照不同的划分标准进行分类。常用的位算法又可以按照不同的划分标准进行分类。常用的划分标准有基于测距或者无需测距的定位分类标准、划分标准有基于测距或者无需测距的定位分类标准、绝对定位和相对定位标准、按照集中式计算、分布式绝对定位和相对定位标准、按照集中式计算、分布式计算与递增式计算划分标准、紧密耦合与松散耦合分计

55、算与递增式计算划分标准、紧密耦合与松散耦合分类、粗粒度与细粒度等。类、粗粒度与细粒度等。 2.4.72.4.7无线传感器网络定位与目标跟踪技术无线传感器网络定位与目标跟踪技术 按照最常用的划分标准将其划分为基于测距的定位按照最常用的划分标准将其划分为基于测距的定位算法和无需测距的定位算法。前者需要测量相邻节点算法和无需测距的定位算法。前者需要测量相邻节点之间的绝对距离或者方位，并利用节点间的实际距离之间的绝对距离或者方位，并利用节点间的实际距离或者方位来计算未知节点的位置，常用的测距技术有或者方位来计算未知节点的位置，常用的测距技术有RSSI、TOA、TDOA和和AOA等。虽然测距技术容易受等

56、。虽然测距技术容易受到周围环境的干扰，具有一定的局限性，但再通过各到周围环境的干扰，具有一定的局限性，但再通过各种方法进行改进，比如多次测量求平均值、剔除误差种方法进行改进，比如多次测量求平均值、剔除误差太大的数据等方法。然而这些方法需要增加计算复杂太大的数据等方法。然而这些方法需要增加计算复杂度和多余的通信开销，所以基于测距的定位方法虽然度和多余的通信开销，所以基于测距的定位方法虽然在定位精度上有一定可取之处，但是并不适用于低功在定位精度上有一定可取之处，但是并不适用于低功耗、低成本的领域。耗、低成本的领域。 2.4.72.4.7无线传感器网络定位与目标跟踪技术无线传感器网络定位与目标跟踪技

57、术 基于无需测距的定位算法无需测量节点之间的绝对基于无需测距的定位算法无需测量节点之间的绝对距离或方位，而是利用节点间的估计距离计算节点的距离或方位，而是利用节点间的估计距离计算节点的位置，其比较典型的算法有位置，其比较典型的算法有DV-Hop定位和凸规划定位。定位和凸规划定位。基于无需测距的定位算法虽然在精确度方面有待进一基于无需测距的定位算法虽然在精确度方面有待进一步改进，但是具有可扩展性、规模性以及代价小等优步改进，但是具有可扩展性、规模性以及代价小等优点。点。2.4.72.4.7无线传感器网络定位与目标跟踪技术无线传感器网络定位与目标跟踪技术 笼统地说解析几何中的任何可以确定某一点位置

58、的笼统地说解析几何中的任何可以确定某一点位置的几何学方法，只要传感器网络能够提供足够的信息，几何学方法，只要传感器网络能够提供足够的信息，都可以成为定位的方法。比较常用的是三边定位法、都可以成为定位的方法。比较常用的是三边定位法、多边极大似然估计法以及角度测量法。下面具体介绍多边极大似然估计法以及角度测量法。下面具体介绍一下三边定位原理：一下三边定位原理： 已知三个信标节点（已知具体位置）的坐标和其中已知三个信标节点（已知具体位置）的坐标和其中一个未知节点（具体位置不知）到三个信标节点的距一个未知节点（具体位置不知）到三个信标节点的距离，求该未知节点的坐标。该方法为基本的几何方法，离，求该未知

59、节点的坐标。该方法为基本的几何方法，具体过程如图具体过程如图2-12所示。所示。2.4.72.4.7无线传感器网络定位与目标跟踪技术无线传感器网络定位与目标跟踪技术图 2-12 三边定位原理 设未知节点D的坐标为(x,y)，信标节点的A、B、C的坐标分别为(xA,yA)、 (xB,yB) 、(xC,yC)，未知节点到三个信标节点的距离分别为dA、dB、dC，则：222222222()()()()()()AAABBBCCCxxyydxxyydxxyyd2.4.72.4.7无线传感器网络定位与目标跟踪技术无线传感器网络定位与目标跟踪技术从而可以推出未知节点的坐标：22222222222222222

60、2222222()()()()12()()()()()()()()12()()()()BCACACCAACACBCCBACBCACBCACACBCCBBCACACCAACBCACBCyyxxyyddyyxxyyddxxxyyyyxxxxxxyyddxxxxyyddyxxyyyyxx2.4.72.4.7无线传感器网络定位与目标跟踪技术无线传感器网络定位与目标跟踪技术 在无线传感器网络的许多实际应用中，跟踪运动目标是在无线传感器网络的许多实际应用中，跟踪运动目标是一项基本功能。由于传感器节点体积小、价格低廉、采用无一项基本功能。由于传感器节点体积小、价格低廉、采用无线通信方式，以及传感器网络部署随