無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)第一章

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)第一章第一頁(yè)，共142頁(yè)。本章目標(biāo)

理解無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的定義。

理解物聯(lián)網(wǎng)的概念。

理解無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)與物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)系。

了解傳感器的分類(lèi)。

了解傳感器與傳感器網(wǎng)絡(luò)之間的關(guān)系。

掌握無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)。

了解無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)及應(yīng)用。

了解無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)。

了解與無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)相關(guān)的技術(shù)。第二頁(yè)，共142頁(yè)。學(xué)習(xí)導(dǎo)航第三頁(yè)，共142頁(yè)。

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WirelessSensorNetwork，WSN)是一種全新的信息獲取和處理技術(shù)，是集微機(jī)電技術(shù)、傳感器技術(shù)和無(wú)線通信技術(shù)為一體的技術(shù)，而無(wú)線通信技術(shù)是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的支撐技術(shù)之一。1.1概述第四頁(yè)，共142頁(yè)。1.1.1無(wú)線通信技術(shù)

本小節(jié)將介紹無(wú)線通信技術(shù)幾個(gè)重要的概念：電磁波與信道、調(diào)制解調(diào)以及幾種短距離無(wú)線通信技術(shù)。

1.電磁波

電磁波是由同相振蕩且互相垂直的電場(chǎng)和磁場(chǎng)在空間以波的形式傳遞能量和動(dòng)量，其傳播方向垂直于電場(chǎng)與磁場(chǎng)構(gòu)成的平面。18世紀(jì)物理學(xué)家麥克斯韋預(yù)言了電磁波的存在，后由赫茲用實(shí)驗(yàn)證明了電磁波的存在。第五頁(yè)，共142頁(yè)。俄國(guó)的波波夫和意大利業(yè)余無(wú)線電家馬克尼同時(shí)獨(dú)立地發(fā)明了天地線制(當(dāng)把發(fā)射電磁波的天線與接收機(jī)的天線及地線相互連接時(shí)，電磁波將轉(zhuǎn)化為脈沖電流)，至此無(wú)線電通信開(kāi)始進(jìn)入實(shí)用階段。無(wú)線電波的頻率范圍為3Hz～300GHz，對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)為1000km～1mm。電磁波波段的劃分如表1-1所示。第六頁(yè)，共142頁(yè)。

表1-1電磁波波段劃分第七頁(yè)，共142頁(yè)。無(wú)線電波的傳播方式因波長(zhǎng)的不同產(chǎn)生不同的傳播特性，可以分為如下三種形式：

地波：沿地球表面空間向外傳播的無(wú)線電波，中、長(zhǎng)波均利用地波方式傳播。

天波：依靠電離層的反射作用傳播天線的電波，短波多利用這種方式傳播。

空間波：沿直線傳播的無(wú)線電波，它包括由發(fā)射點(diǎn)直接到達(dá)接收點(diǎn)的直射波和經(jīng)地面反射到接收點(diǎn)的發(fā)射波，微波的電視和雷達(dá)多采用空間波方式傳播。第八頁(yè)，共142頁(yè)。2.信道

信道可以從狹義和廣義兩方面理解，狹義信道即信號(hào)傳輸?shù)拿劫|(zhì)，分為有線信道和無(wú)線信道；廣義信道除包括傳輸媒質(zhì)外還包括有關(guān)的轉(zhuǎn)換器，如：發(fā)送設(shè)備、接收設(shè)備、饋線與天線、調(diào)制器、解調(diào)器等。本小節(jié)將詳細(xì)講解廣義信道。

廣義信道按功能可以分為模擬信道(即調(diào)制信道)和數(shù)字信道(即編碼信道)。廣義信道模型如圖1-1所示。第九頁(yè)，共142頁(yè)。

圖1-1廣義信道模型第十頁(yè)，共142頁(yè)。

調(diào)制信道(模擬信道)：傳輸模擬信號(hào)的信道稱(chēng)為模擬信道，模擬信號(hào)的電平隨時(shí)間連續(xù)變化，語(yǔ)音信號(hào)是典型的模擬信號(hào)。

編碼信道(數(shù)字信道)：數(shù)字信道是一種離散信道，它只能傳送離散的數(shù)字信號(hào)。

另外，模擬信道傳送數(shù)字信號(hào)必須經(jīng)過(guò)數(shù)字信號(hào)和模擬信號(hào)之間的A/D轉(zhuǎn)換器，調(diào)制/解調(diào)器就是完成此項(xiàng)工作的。第十一頁(yè)，共142頁(yè)。3.調(diào)制與解調(diào)

調(diào)制/解調(diào)主要通過(guò)調(diào)制/解調(diào)器使模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)相互轉(zhuǎn)換。調(diào)制就是把數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成有線設(shè)備傳輸?shù)哪M信號(hào)；解調(diào)則是把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。兩者合稱(chēng)調(diào)制/解調(diào)。

調(diào)制/解調(diào)的分類(lèi)有多種方式，按照調(diào)制方式可分為：

模擬調(diào)制：包括三種調(diào)制方法，即模擬調(diào)制、脈沖調(diào)制和復(fù)合調(diào)制。

模擬調(diào)制：調(diào)幅(AM)、調(diào)頻(FM)、調(diào)相(PM)。

第十二頁(yè)，共142頁(yè)。

脈沖調(diào)制：脈沖幅度(PAM)、脈沖相位(PWM)、脈沖編碼(PCM)。

復(fù)合調(diào)制：正交幅度調(diào)制(QAM)。

數(shù)字調(diào)制：包括通斷鍵控(ASK)、頻移鍵控(FSK)、相移鍵控(PSK)。

調(diào)制/解調(diào)按照解調(diào)方式可分為：

檢波法：適合調(diào)幅(AM)。

同步解調(diào)：適合大部分調(diào)制。第十三頁(yè)，共142頁(yè)。4.短距離無(wú)線通信技術(shù)

隨著通信技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了許多短距離無(wú)線通信技術(shù)，而它們往往帶有自己的通信協(xié)議，不同的通信協(xié)議有著不同的應(yīng)用。目前最常見(jiàn)的短距離無(wú)線通信技術(shù)有IrDA/紅外、藍(lán)牙、WIFI(802.11標(biāo)準(zhǔn))和Zigbee技術(shù)。

IrDA/紅外技術(shù)最早應(yīng)用于紅外探測(cè)儀。1800年，F(xiàn)·W·赫歇爾使用水銀溫度計(jì)發(fā)現(xiàn)紅外輻射，這是最原始的熱敏型紅外探測(cè)儀，從此掀起紅外熱潮。紅外應(yīng)用產(chǎn)品種類(lèi)繁多，有紅外熱像、紅外通信、紅外光譜儀、紅外傳感器，且應(yīng)用范圍廣泛，應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、軍事、醫(yī)療與人們生活息息相關(guān)的各方面。第十四頁(yè)，共142頁(yè)。但是紅外對(duì)指向性要求較高，要求點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信且中間不能有阻礙物的阻擋，并且紅外無(wú)線傳輸對(duì)于發(fā)射功率要求較高，使得紅外應(yīng)用有一些局限性。但是在某些應(yīng)用場(chǎng)合，紅外技術(shù)仍然占據(jù)著主導(dǎo)地位，例如家電的遙控器。

藍(lán)牙通信是一種基于2.4G技術(shù)的無(wú)線傳輸協(xié)議通信方式，由于采用的協(xié)議不同于其他2.4G技術(shù)協(xié)議，而稱(chēng)為藍(lán)牙技術(shù)。就目前來(lái)說(shuō)，藍(lán)牙技術(shù)較廣泛的應(yīng)用是手機(jī)的藍(lán)牙通信和藍(lán)牙耳機(jī)，由于大部分的手機(jī)和音頻設(shè)備都集成藍(lán)牙功能，并且藍(lán)牙設(shè)備不需要設(shè)置發(fā)射機(jī)，僅需要藍(lán)牙耳機(jī)這個(gè)接收機(jī)就可以工作，從而降低了成本。藍(lán)牙相對(duì)于WIFI的缺點(diǎn)是它的傳輸數(shù)據(jù)量小，僅能達(dá)到每秒1M左右，并且沒(méi)有實(shí)現(xiàn)真正意義的組網(wǎng)。第十五頁(yè)，共142頁(yè)。WIFI是基于802.11標(biāo)準(zhǔn)的通信技術(shù)，工作在2.4G頻段，帶寬比較大，802.11b標(biāo)準(zhǔn)的最高帶寬達(dá)到11Mb/s，802.11n標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)將傳輸速率提高到300Mb/s。其主要特點(diǎn)為速度快，可靠性高，方便與現(xiàn)在的有線以太網(wǎng)整合。WIFI與藍(lán)牙相比優(yōu)勢(shì)在于無(wú)線電波的覆蓋范圍廣，但是無(wú)線通信傳輸?shù)馁|(zhì)量不是很好，數(shù)據(jù)安全性相對(duì)于藍(lán)牙差一些，傳輸質(zhì)量也有待于改善。

Zigbee是一種新興的短距離、低復(fù)雜度、低數(shù)據(jù)速率、低成本的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，同樣工作在2.4G頻段。Zigbee聯(lián)盟于2001年8月成立。Zigbee聯(lián)盟認(rèn)為Zigbee和藍(lán)牙的關(guān)系互為補(bǔ)充，而不是相互競(jìng)爭(zhēng)。第十六頁(yè)，共142頁(yè)。Zigbee技術(shù)的特點(diǎn)是可靠、時(shí)延短、網(wǎng)絡(luò)容量大、安全保密、高度的靈活性和低成本，可以形成星形、樹(shù)形、網(wǎng)狀及其共同組成的復(fù)合結(jié)構(gòu)，可通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)或者移動(dòng)網(wǎng)相連。藍(lán)牙、WIFI、Zigbee三種技術(shù)比較如表1-1所示。第十七頁(yè)，共142頁(yè)。

表1-2藍(lán)牙、WIFI、Zigbee三種技術(shù)的比較第十八頁(yè)，共142頁(yè)。1.1.2產(chǎn)生和定義

1.無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的產(chǎn)生

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(簡(jiǎn)稱(chēng)無(wú)線傳感網(wǎng))的研究起源于20世紀(jì)70年代，是一種特殊的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，最早應(yīng)用于美國(guó)軍方，例如空中預(yù)警控制系統(tǒng)。這種原始的傳感器網(wǎng)絡(luò)只能捕獲單一信號(hào)，傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行簡(jiǎn)單的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信。

1980年，美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃局提出了分布式傳感器網(wǎng)絡(luò)項(xiàng)目，開(kāi)啟了現(xiàn)代無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究的先例。此項(xiàng)目由美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃局信息處理技術(shù)辦公室主任RobertKahn主導(dǎo)，第十九頁(yè)，共142頁(yè)。并由卡耐基·梅隆大學(xué)、匹茲堡大學(xué)和麻省理工學(xué)院等大學(xué)研究人員配合，建立一個(gè)由空間分布的低功耗傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)，這些節(jié)點(diǎn)之間相互協(xié)作并自主運(yùn)行，將信息送達(dá)處理的節(jié)點(diǎn)。

20世紀(jì)80～90年代，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究依舊主要應(yīng)用于軍事領(lǐng)域方面，并成為網(wǎng)絡(luò)中心站思想中的關(guān)鍵技術(shù)。1994年，加州大學(xué)洛杉磯分校的WillianJ·Kaiser教授向DARPA提交了研究建議書(shū)“LowPowerWirelessIntegratedMicrosensors”。1998年，G·J·Pottie從網(wǎng)絡(luò)的研究角度重新闡釋了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的科學(xué)意義。同年，美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃局投入巨資使用啟動(dòng)SensIT項(xiàng)目，目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)“超視距”戰(zhàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)。第二十頁(yè)，共142頁(yè)。1999年9月，美國(guó)《商業(yè)周刊》將無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)列入21世紀(jì)最重要的21項(xiàng)技術(shù)之一，被預(yù)見(jiàn)為21世紀(jì)人類(lèi)信息研究領(lǐng)域所面臨的重要挑戰(zhàn)之一。

進(jìn)入21世紀(jì)后，隨著無(wú)線通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和傳感器技術(shù)的發(fā)展，對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)有了更明確的定義。第二十一頁(yè)，共142頁(yè)。2.無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的定義

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是大量的靜止或移動(dòng)的傳感器以自組織和多跳的方式構(gòu)成的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。其目的是協(xié)作地感知、采集和處理傳輸網(wǎng)絡(luò)覆蓋地理區(qū)域內(nèi)感知對(duì)象的監(jiān)測(cè)信息，并報(bào)告給用戶(hù)。

在這個(gè)定義中，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集、處理和傳輸三種功能，對(duì)應(yīng)著現(xiàn)代三大基礎(chǔ)信息技術(shù)，即傳感器技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)。由于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)具有低功耗、低成本、分布式和自組織的特點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、軍事、醫(yī)療方面。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展無(wú)疑給信息感知帶來(lái)了意義重大的一場(chǎng)變革。第二十二頁(yè)，共142頁(yè)。1.1.3WSN的發(fā)展

2000年以后，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)引起了全世界范圍的廣泛關(guān)注，被譽(yù)為是全球未來(lái)的四大高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)之一。2001年，美國(guó)陸軍提出了“靈巧傳感器網(wǎng)絡(luò)通信計(jì)劃”，并在2001～2005財(cái)政年度期間批準(zhǔn)實(shí)施，其基本思想是：在戰(zhàn)場(chǎng)上布設(shè)大量的傳感器用于收集和傳輸信息，并對(duì)相關(guān)的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行過(guò)濾，把重要的信息傳送到各數(shù)據(jù)融合中心，將大量的信息集成為一副戰(zhàn)場(chǎng)全景圖，使參戰(zhàn)人員對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)的感知能力大大提高。第二十三頁(yè)，共142頁(yè)。2002年10月24日，因特爾公司發(fā)布了“給予微型傳感器網(wǎng)絡(luò)的新型計(jì)算機(jī)發(fā)展規(guī)劃”，計(jì)劃宣稱(chēng)因特爾公司將致力于微型傳感器網(wǎng)絡(luò)在醫(yī)學(xué)、環(huán)境監(jiān)測(cè)等方面的應(yīng)用。

2003年，美國(guó)自然科學(xué)基金委員會(huì)制定無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究計(jì)劃，并在加州大學(xué)洛杉磯分校成立了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究中心，聯(lián)合周邊的康奈爾大學(xué)伯克利分校、南加州大學(xué)等，開(kāi)展“嵌入式智能傳感器”的研究項(xiàng)目。

目前，美國(guó)大多數(shù)知名院校幾乎都有課題組在從事傳感器網(wǎng)絡(luò)相關(guān)技術(shù)的研究，日本、英國(guó)、加拿大等國(guó)家的科研機(jī)構(gòu)也加入了傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究。這表明無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)開(kāi)始深入人們生活的各方面。第二十四頁(yè)，共142頁(yè)。從無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展過(guò)程來(lái)看，可以劃分為如下四個(gè)階段：

第一代傳感器網(wǎng)絡(luò)是將傳統(tǒng)的傳感器采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸、連接傳感控制器而構(gòu)成。

第二代傳感器網(wǎng)絡(luò)在第一代傳感器網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上增加了獲取多種信息信號(hào)的綜合處理能力，并通過(guò)與傳感控制器的相連，組成了具有信息綜合和信息處理能力的傳感器網(wǎng)絡(luò)。

第二十五頁(yè)，共142頁(yè)。

第三代傳感器網(wǎng)絡(luò)是指基于現(xiàn)場(chǎng)總線的智能傳感器網(wǎng)絡(luò)?，F(xiàn)場(chǎng)總線是連接智能化現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和控制室之間的全數(shù)字、開(kāi)放式的雙向通信網(wǎng)絡(luò)?，F(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的發(fā)展最終導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)取代第二代傳感器網(wǎng)絡(luò)。

21世紀(jì)，微機(jī)電系統(tǒng)(Misro-Electro-MecchanicalSystems，MEMS)技術(shù)、低功耗的模擬和數(shù)字電路技術(shù)、低能耗的無(wú)線射頻技術(shù)的發(fā)展使得開(kāi)發(fā)小體積、低成本、低功耗的微傳感器成為可能，將成千上萬(wàn)個(gè)體積小、重量輕的傳感器協(xié)同工作，就構(gòu)成了第四代無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。第二十六頁(yè)，共142頁(yè)。

傳感器是一種裝置或器件，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB7665—87對(duì)傳感器的定義是：“能夠感受規(guī)定的被測(cè)量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件或裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。”無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)通過(guò)傳感器來(lái)識(shí)別物體，并采集數(shù)據(jù)。傳感器不僅數(shù)量多，品種也比較復(fù)雜，是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分。1.2傳感器與WSN第二十七頁(yè)，共142頁(yè)。1.2.1傳感器

傳感器的作用主要是感受和測(cè)量物理世界的被測(cè)量物，將采集量按一定規(guī)律將其轉(zhuǎn)換成有用輸出：將非電量轉(zhuǎn)換為電量。傳感器的組成原理如所示。第二十八頁(yè)，共142頁(yè)。

圖1-2傳感器的組成原理第二十九頁(yè)，共142頁(yè)。

敏感元件：傳感器的重要組成部分，其作用是感受物理世界的信息并將其轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦畔ⅲ瓿煞请娏康念A(yù)變換。

變換器：將感受的非電量變換為電量的器件。例如電阻變換器和電感變換器，可將位移量直接變換為電容值、電阻值及電感值。變換器也是傳感器不可缺少的重要組成部分。第三十頁(yè)，共142頁(yè)。在具體實(shí)現(xiàn)非電量到電量的變換時(shí)，并非所有的非電量都能利用現(xiàn)有的手段直接變換為電量，有些必須進(jìn)行預(yù)變換，將待測(cè)的非電量變?yōu)橐子谵D(zhuǎn)換成電量的另一種非電量。

在實(shí)際情況中，由于一些敏感元件直接可以輸出變換后的電信號(hào)，所以經(jīng)常無(wú)法嚴(yán)格區(qū)分敏感元件和變換器。

傳感器的種類(lèi)繁多，分類(lèi)方法也比較多。通常可以按被測(cè)物理量、工作原理、信號(hào)變換特征、能量轉(zhuǎn)換情況等分類(lèi)。第三十一頁(yè)，共142頁(yè)。1.2.2傳感器與傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)系

顧名思義，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)離不開(kāi)傳感器，傳感器負(fù)責(zé)在傳感器網(wǎng)絡(luò)中感知和采集數(shù)據(jù)。它處于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的感知層，是獲識(shí)物體，采集信息的設(shè)備。

傳感器與傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)系如下：

傳感器是傳感器網(wǎng)絡(luò)中的感知部件。傳感器網(wǎng)絡(luò)中部署了多種類(lèi)型的傳感器，每個(gè)傳感器都是一個(gè)信息源，不同類(lèi)別的傳感器所捕獲的信息內(nèi)容和信息格式不同。傳感器獲得的數(shù)據(jù)具有實(shí)時(shí)性，按一定的頻率周期性地采集環(huán)境信息，不斷更新數(shù)據(jù)。第三十二頁(yè)，共142頁(yè)。

傳感器網(wǎng)絡(luò)為傳感器提供網(wǎng)絡(luò)連接，使傳感器具有智能處理的能力，能夠?qū)ξ矬w實(shí)施智能控制。

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中傳感器的應(yīng)用是物與用戶(hù)(包括人、組織和其他系統(tǒng))的接口。它與行業(yè)需求結(jié)合，實(shí)現(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的智能應(yīng)用。

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)采用各種傳感設(shè)備，實(shí)施采集任何需要監(jiān)控、連接、互動(dòng)的物體或過(guò)程，采集聲音、光、電、力學(xué)等各種需要的信息，并與互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合，形成一個(gè)巨大的網(wǎng)絡(luò)。其目的就是實(shí)現(xiàn)物與物以及所有物品和網(wǎng)絡(luò)的連接，方便識(shí)別、管理和控制。第三十三頁(yè)，共142頁(yè)。

近年來(lái)興起的物聯(lián)網(wǎng)成為各國(guó)構(gòu)建經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展新模式和重塑?chē)?guó)家長(zhǎng)期競(jìng)爭(zhēng)力的先導(dǎo)領(lǐng)域。尤其是發(fā)達(dá)國(guó)家通過(guò)國(guó)家戰(zhàn)略指引、政府研發(fā)投入、企業(yè)全球推進(jìn)、政策法律保障等措施加快物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，以搶占戰(zhàn)略主攻權(quán)和發(fā)展先機(jī)。本節(jié)將詳細(xì)闡述物聯(lián)網(wǎng)與無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)系。1.3物聯(lián)網(wǎng)與WSN第三十四頁(yè)，共142頁(yè)。1.3.1物聯(lián)網(wǎng)定義

物聯(lián)網(wǎng)(InternetOfThings，IOT)的概念1999年由美國(guó)麻省理工學(xué)院提出。早期的物聯(lián)網(wǎng)是指依托射頻識(shí)別(RadioFrequencyIdentification，RFID)技術(shù)和設(shè)備，按約定的通信協(xié)議和互聯(lián)網(wǎng)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)物品的智能化識(shí)別和管理。隨著技術(shù)的發(fā)展，對(duì)物聯(lián)網(wǎng)的理解不斷擴(kuò)展，現(xiàn)代意義的物聯(lián)網(wǎng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)物的感知識(shí)別控制，網(wǎng)絡(luò)化互聯(lián)和智能信息處理的有機(jī)統(tǒng)一，從而形成高智能決策。物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展關(guān)鍵要素包括感知、網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用組成的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。第三十五頁(yè)，共142頁(yè)。在2011年我國(guó)工信部發(fā)表的《物聯(lián)網(wǎng)白皮書(shū)》(下稱(chēng)白皮書(shū))中，對(duì)物聯(lián)網(wǎng)的定義為：“物聯(lián)網(wǎng)是通信網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)的拓展應(yīng)用和網(wǎng)絡(luò)延伸，它利用感知技術(shù)與智能裝置對(duì)物理世界進(jìn)行感知識(shí)別，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸互聯(lián)，進(jìn)行計(jì)算、處理和知識(shí)挖掘，實(shí)現(xiàn)人與物、物與物信息交互和無(wú)縫鏈接，達(dá)到對(duì)物理世界實(shí)時(shí)控制、精確管理和科學(xué)決策的目的?！薄拔锫?lián)網(wǎng)技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)包括服務(wù)業(yè)和制造業(yè)在內(nèi)的物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)、資源體系、隱私和安全以及促進(jìn)和規(guī)范物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的法律、政治和國(guó)際治理體系?！钡谌?yè)，共142頁(yè)。1.3.2物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)

在白皮書(shū)中，物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)由感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層組成，如所示。

其中各層的含義如下：

感知層實(shí)現(xiàn)對(duì)物理世界的智能感知識(shí)別、信息采集處理和自動(dòng)控制，并通過(guò)通信模塊將物理實(shí)體連接到網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。

網(wǎng)絡(luò)層主要實(shí)現(xiàn)信息的傳遞、路由和控制，包括延伸網(wǎng)絡(luò)、接入網(wǎng)和核心網(wǎng)絡(luò)。第三十七頁(yè)，共142頁(yè)。

應(yīng)用層包括應(yīng)用基礎(chǔ)設(shè)施/中間件和各種物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用。應(yīng)用基礎(chǔ)設(shè)施/中間件為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用提供信息處理、計(jì)算等通用基礎(chǔ)服務(wù)設(shè)施、能力及資源調(diào)用接口，以此為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)在眾多領(lǐng)域的各種應(yīng)用。

物聯(lián)網(wǎng)涉及感知、控制、網(wǎng)絡(luò)通信、微電子、計(jì)算機(jī)、軟件、嵌入式系統(tǒng)、微機(jī)電等技術(shù)領(lǐng)域。因此物聯(lián)網(wǎng)體系劃分為感知關(guān)鍵技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信關(guān)鍵技術(shù)、應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)、共性技術(shù)和支撐技術(shù)。第三十八頁(yè)，共142頁(yè)。

圖1-3物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)第三十九頁(yè)，共142頁(yè)。1.3.3物聯(lián)網(wǎng)與傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)系

目前常有人把無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)與物聯(lián)網(wǎng)的概念混為一談，認(rèn)為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)就是物聯(lián)網(wǎng)，從1.3.2節(jié)中可以了解到物聯(lián)網(wǎng)是通信網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)的拓展應(yīng)用和網(wǎng)絡(luò)延伸，利用感知技術(shù)與智能裝置對(duì)物理世界進(jìn)行感知識(shí)別，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸互聯(lián)，進(jìn)行計(jì)算、處理和知識(shí)挖掘，實(shí)現(xiàn)人與物、物與物的信息交互和無(wú)縫鏈接。

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是利用各種傳感器加上中低速的近距離無(wú)線通信技術(shù)構(gòu)成的傳感器模塊和組網(wǎng)模塊獨(dú)立網(wǎng)絡(luò)。第四十頁(yè)，共142頁(yè)。傳感器是感知周?chē)男盘?hào)，并不對(duì)物體進(jìn)行標(biāo)識(shí)。所以無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)比較小的概念，僅僅提供小范圍內(nèi)物與物之間的信息傳遞。

傳感器網(wǎng)絡(luò)與物聯(lián)網(wǎng)的對(duì)比如所示(表中提到的“基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)”如：如移動(dòng)網(wǎng)、聯(lián)通網(wǎng)的基站等)。第四十一頁(yè)，共142頁(yè)。

表1-3傳感網(wǎng)與物聯(lián)網(wǎng)對(duì)比第四十二頁(yè)，共142頁(yè)。由此可見(jiàn)，物聯(lián)網(wǎng)的概念比傳感器網(wǎng)絡(luò)概念大一些，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是構(gòu)成物聯(lián)網(wǎng)感知層和網(wǎng)絡(luò)層的一部分，是物聯(lián)網(wǎng)的重要組成部分。

物聯(lián)網(wǎng)把我們的生活擬人化，在物物相連的世界中，物品能夠彼此進(jìn)行“交流”，而無(wú)需人的干預(yù)。物聯(lián)網(wǎng)和無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)與我們的生活都是密切相關(guān)的，讓我們的生活變得更加快捷、更加人性化、社會(huì)更加和諧。第四十三頁(yè)，共142頁(yè)。

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有覆蓋區(qū)域廣泛、監(jiān)測(cè)精度高、可遠(yuǎn)程監(jiān)控、可快速部署、可自組織和高容錯(cuò)性能的優(yōu)點(diǎn)。傳感器網(wǎng)絡(luò)中傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)量龐大，節(jié)點(diǎn)分布比較密集，使得無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和協(xié)議棧的設(shè)計(jì)與其他無(wú)線網(wǎng)絡(luò)不同。1.4WSN體系結(jié)構(gòu)第四十四頁(yè)，共142頁(yè)。1.4.1網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)由分布在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的大量無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)、具有接收和發(fā)射功能的匯聚節(jié)點(diǎn)、互聯(lián)網(wǎng)或通信衛(wèi)星和任務(wù)管理節(jié)點(diǎn)構(gòu)成。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)如所示。第四十五頁(yè)，共142頁(yè)。

圖1-4無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)第四十六頁(yè)，共142頁(yè)。

傳感器節(jié)點(diǎn)：用于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)并沿著傳感器節(jié)點(diǎn)逐跳地進(jìn)行傳輸。

匯聚節(jié)點(diǎn)：用于連接傳感器網(wǎng)絡(luò)、互聯(lián)網(wǎng)和Internet等外部網(wǎng)絡(luò)，各方面能力相對(duì)于傳感器節(jié)點(diǎn)較強(qiáng)，可實(shí)現(xiàn)幾種通信協(xié)議之間的轉(zhuǎn)換；同時(shí)發(fā)布管理節(jié)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)任務(wù)，并把收集的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到外部網(wǎng)絡(luò)。匯聚節(jié)點(diǎn)可以是一個(gè)具有增強(qiáng)功能的傳感器節(jié)點(diǎn)(比如：協(xié)調(diào)器)，有足夠的能量和更多的內(nèi)存與計(jì)算資源，也可以是沒(méi)有監(jiān)測(cè)功能僅帶有無(wú)線通信接口的特殊網(wǎng)關(guān)設(shè)備。

任務(wù)管理節(jié)點(diǎn)：直接面向用戶(hù)，匯聚節(jié)點(diǎn)通過(guò)外部網(wǎng)絡(luò)將傳感器節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)傳遞給任務(wù)管理節(jié)點(diǎn)，第四十七頁(yè)，共142頁(yè)。用戶(hù)就可以管理數(shù)據(jù)，并發(fā)布監(jiān)測(cè)信息。

檢測(cè)區(qū)域內(nèi)的傳感器節(jié)點(diǎn)具有以下特點(diǎn)：

大量的傳感器節(jié)點(diǎn)以分布式隨機(jī)部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)部或者附近，能夠通過(guò)自組織的方式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)。

傳感器節(jié)點(diǎn)通常是一個(gè)微型的嵌入式系統(tǒng)，處理能力、存儲(chǔ)能力和通信能力相對(duì)較弱。

傳感器節(jié)點(diǎn)在傳輸過(guò)程中，其監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可能被多個(gè)節(jié)點(diǎn)處理，經(jīng)過(guò)多跳后路由到匯聚節(jié)點(diǎn)。所以傳感器節(jié)點(diǎn)不僅要對(duì)本地的信息進(jìn)行采集和處理，同時(shí)要協(xié)助其他節(jié)點(diǎn)完成數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)功能。第四十八頁(yè)，共142頁(yè)。檢測(cè)區(qū)域的傳感器節(jié)點(diǎn)類(lèi)型一般包括：

終端節(jié)點(diǎn)：只負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)信息的采集和環(huán)境的檢測(cè)，一般數(shù)量比較多。

路由節(jié)點(diǎn)：負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)功能，一個(gè)路由節(jié)點(diǎn)可以與若干個(gè)路由節(jié)點(diǎn)或終端節(jié)點(diǎn)通信。

協(xié)調(diào)器：網(wǎng)絡(luò)的控制中心，負(fù)責(zé)一個(gè)網(wǎng)絡(luò)的建立，可以與此網(wǎng)絡(luò)中的所有路由節(jié)點(diǎn)或終端節(jié)點(diǎn)通信。第四十九頁(yè)，共142頁(yè)。1.4.2節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)

傳感器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)數(shù)據(jù)的采集和處理，一般的傳感器節(jié)點(diǎn)由五部分構(gòu)成，能量供應(yīng)模塊、傳感器模塊、處理器模塊、無(wú)線通信模塊和嵌入式軟件系統(tǒng)。傳感器節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)如所示。第五十頁(yè)，共142頁(yè)。

圖1-5傳感器節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)第五十一頁(yè)，共142頁(yè)。傳感器節(jié)點(diǎn)各組成部分的作用：

能量供應(yīng)模塊為傳感器節(jié)點(diǎn)的其他模塊提供運(yùn)行所需的能量，可以采取多種靈活的供電方式，通常采用微型電池。

傳感器模塊包括傳感器和AD/DA模塊。傳感器負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)信息的采集，在不同的環(huán)境中，被監(jiān)測(cè)物理信號(hào)的形式?jīng)Q定了傳感器的類(lèi)型。AD/DA負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換。

處理器模塊包括處理器和存儲(chǔ)器，負(fù)責(zé)控制整個(gè)節(jié)點(diǎn)的操作、存儲(chǔ)和處理本身采集的數(shù)據(jù)以及其他節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)。處理器模塊通常采用通用的嵌入式處理器。第五十二頁(yè)，共142頁(yè)。

無(wú)線通信模塊負(fù)責(zé)與其他節(jié)點(diǎn)進(jìn)行無(wú)線通信、交換控制信息和收發(fā)采集數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪芰空脊?jié)點(diǎn)總能耗的絕大部分，所以通常采用短距離、低功耗的無(wú)線通信模塊。

嵌入式軟件系統(tǒng)是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的重要支撐，其軟件協(xié)議棧由物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、傳輸層和應(yīng)用層組成。

傳感器節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)要符合低成本、低功耗、微型化的特點(diǎn)，這是因?yàn)闊o(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的重要設(shè)計(jì)目標(biāo)是將大量可長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)測(cè)、處理和執(zhí)行任務(wù)的傳感器節(jié)點(diǎn)嵌入到物理世界中。第五十三頁(yè)，共142頁(yè)。1.4.3節(jié)點(diǎn)限制

傳感器節(jié)點(diǎn)具有的處理能力、存儲(chǔ)能力、通信能力和電源能力都十分有限，所以傳感器節(jié)點(diǎn)在實(shí)現(xiàn)各種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和應(yīng)用控制中存在以下約束條件。

1.電源能量有限

傳感器節(jié)點(diǎn)體積微小，通常攜帶能量十分有限的電池。由于傳感器節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)多、成本低、分布區(qū)域廣、部署區(qū)域環(huán)境復(fù)雜，有些區(qū)域甚至人員不能到達(dá)，所以傳感器節(jié)點(diǎn)通過(guò)更換電池的方式來(lái)補(bǔ)充能源是不現(xiàn)實(shí)的。第五十四頁(yè)，共142頁(yè)。傳感器的能耗模塊包括傳感器模塊、處理器模塊和無(wú)線通信模塊。隨著電路工藝的進(jìn)步，處理器和傳感器模塊的功耗變得很低，絕大部分能量消耗在無(wú)線通信模塊上，如所示。第五十五頁(yè)，共142頁(yè)。

圖1-6傳感器節(jié)點(diǎn)能耗情況第五十六頁(yè)，共142頁(yè)。無(wú)線通信模塊存在發(fā)送、接收、空閑和休眠四種狀態(tài)。無(wú)線通信模塊在空閑狀態(tài)一直監(jiān)聽(tīng)無(wú)線信道的使用情況，檢查是否有數(shù)據(jù)發(fā)送給自己，而在休眠狀態(tài)則關(guān)閉通信模塊。從圖1-6中可以看出，無(wú)線通信模塊在發(fā)送狀態(tài)的能量消耗最大，在空閑狀態(tài)和接收狀態(tài)的能量消耗接近，比發(fā)送狀態(tài)能量消耗少一些，在休眠狀態(tài)的能量消耗是最小的。所以在設(shè)計(jì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)，如何讓網(wǎng)絡(luò)通信更有效率，減少不必要的轉(zhuǎn)發(fā)和接收，不需要通信時(shí)傳感器節(jié)點(diǎn)盡快進(jìn)入休眠狀態(tài)，是傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議設(shè)計(jì)需要重點(diǎn)考慮的問(wèn)題。第五十七頁(yè)，共142頁(yè)。2.通信能力有限

無(wú)線通信的能量消耗與通信距離的關(guān)系為

E=kdn (1-1)

式中：k為一個(gè)常數(shù)；d為通信距離；參數(shù)n滿(mǎn)足關(guān)系，的取值與很多因素有關(guān)，例如傳感器節(jié)點(diǎn)的部署環(huán)境、天線的質(zhì)量等。

第五十八頁(yè)，共142頁(yè)。由式(1-1)可知，在參數(shù)一定的情況下，隨著通信距離的增加，無(wú)線通信的能量消耗急劇增加。因此，在滿(mǎn)足通信連通度的前提下，應(yīng)該盡量減少單跳(即一跳)的通信距離?？紤]到傳感器節(jié)點(diǎn)的能量限制和網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域大，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)采用多跳的傳輸機(jī)制。第五十九頁(yè)，共142頁(yè)。3.計(jì)算和存儲(chǔ)能力有限

傳感器節(jié)點(diǎn)通常是一個(gè)微型的嵌入式系統(tǒng)，它的處理能力、存儲(chǔ)能力和通信能力相對(duì)較弱。每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)兼顧傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的終端和路由器雙重功能。為了完成各種任務(wù)，傳感器節(jié)點(diǎn)需要完成監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的采集和轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)管理和處理、應(yīng)答匯聚節(jié)點(diǎn)的任務(wù)請(qǐng)求和節(jié)點(diǎn)控制等多種工作。如何利用有限的計(jì)算和存儲(chǔ)資源完成諸多協(xié)同任務(wù)成為傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議設(shè)計(jì)的挑戰(zhàn)。第六十頁(yè)，共142頁(yè)。1.4.4WSN協(xié)議棧

隨著對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的深入研究，研究人員提出了多個(gè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議棧。早期提出的協(xié)議棧包括物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層和應(yīng)用層，與互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議棧的五層協(xié)議相對(duì)應(yīng)。另外，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議棧還包括能量管理平臺(tái)移動(dòng)管理平臺(tái)，和任務(wù)管理平臺(tái)。如所示。第六十一頁(yè)，共142頁(yè)。

圖1-7早期的協(xié)議棧第六十二頁(yè)，共142頁(yè)。各層的功能如下：

物理層負(fù)責(zé)載波頻率的產(chǎn)生、信號(hào)的調(diào)制解調(diào)和無(wú)線收發(fā)技術(shù)。

數(shù)據(jù)鏈路層負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)成幀、幀校驗(yàn)、媒體接入和差錯(cuò)控制。

網(wǎng)絡(luò)層負(fù)責(zé)路由的發(fā)現(xiàn)與維護(hù)，使得傳感器節(jié)點(diǎn)可以進(jìn)行有效的數(shù)據(jù)通信。

傳輸層負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)流的傳輸控制，保證通信服務(wù)的質(zhì)量。

應(yīng)用層根據(jù)不同應(yīng)用的具體要求，負(fù)責(zé)任務(wù)調(diào)度、數(shù)據(jù)分發(fā)等具體業(yè)務(wù)。第六十三頁(yè)，共142頁(yè)。

能量管理平臺(tái)負(fù)責(zé)管理傳感器節(jié)點(diǎn)如何使用能源，在各個(gè)協(xié)議層都需要節(jié)省能源。

移動(dòng)管理平臺(tái)負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)并傳輸傳感器節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)信息，維護(hù)到匯聚節(jié)點(diǎn)的路由，使得傳感器節(jié)點(diǎn)能動(dòng)態(tài)跟蹤?quán)従庸?jié)點(diǎn)的位置。

任務(wù)管理平臺(tái)負(fù)責(zé)平衡和調(diào)度監(jiān)測(cè)任務(wù)。第六十四頁(yè)，共142頁(yè)。隨著對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的深入研究，研究人員在原始模型上細(xì)化并改進(jìn)了早期的協(xié)議棧。由于基于時(shí)分復(fù)用的MAC協(xié)議和基于地理位置的路由協(xié)議等很多傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議都需要定位和同步信息，所以在早期的協(xié)議棧中添加了時(shí)間同步和定位子層。它們?cè)趨f(xié)議棧中的位置比較特殊，依賴(lài)于數(shù)據(jù)傳輸通道進(jìn)行協(xié)作定位和時(shí)間同步協(xié)商，同時(shí)又要為網(wǎng)絡(luò)協(xié)議各層提供信息支持。改進(jìn)的協(xié)議棧模型如所示。第六十五頁(yè)，共142頁(yè)。

圖1-8改進(jìn)的協(xié)議棧模型第六十六頁(yè)，共142頁(yè)。改進(jìn)的協(xié)議棧模型將原始的協(xié)議棧模型融入到各層協(xié)議中，并且具有以下特點(diǎn)：

協(xié)議棧模型一部分用于優(yōu)化和管理協(xié)議流程，另一部分獨(dú)立在協(xié)議層外，通過(guò)各種收集和配置接口對(duì)相應(yīng)的機(jī)制進(jìn)行配置和監(jiān)控，如能量管理平臺(tái)和移動(dòng)管理平臺(tái)。

QoS管理各協(xié)議層設(shè)計(jì)、隊(duì)列管理、優(yōu)先級(jí)機(jī)制或者帶寬預(yù)留等機(jī)制，并對(duì)特定應(yīng)用的數(shù)據(jù)給予特別處理。

拓?fù)淇刂评梦锢韺?、鏈路層或者路由層完成拓?fù)渖桑催^(guò)來(lái)又為它們提供基礎(chǔ)信息支持。第六十七頁(yè)，共142頁(yè)。

優(yōu)化MAC協(xié)議和路由層協(xié)議的協(xié)議過(guò)程，提高協(xié)議效率，減少網(wǎng)絡(luò)能量消耗。

網(wǎng)絡(luò)管理要求協(xié)議各層潛入各種信息接口，并定時(shí)收集協(xié)議運(yùn)行狀態(tài)和流量控制信息，協(xié)調(diào)控制網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)協(xié)議組件的運(yùn)行。第六十八頁(yè)，共142頁(yè)。1.4.5體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)目前還處于起步階段，在技術(shù)上尚不成熟，所以在設(shè)計(jì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)時(shí)需要注意以下幾個(gè)方面。

1.有效利用節(jié)點(diǎn)資源

由于節(jié)點(diǎn)(大量、低成本和微型)的資源有限，怎樣有效地管理和使用這些資源，并最大限度地延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)壽命是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究面臨的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)挑戰(zhàn)，需要在體系結(jié)構(gòu)的層面上給予系統(tǒng)性的考慮。可以從以下幾個(gè)方面考慮：

第六十九頁(yè)，共142頁(yè)。

選擇低功耗的硬件設(shè)備，設(shè)計(jì)低功耗的MAC協(xié)議和路由協(xié)議。

各功能模塊間保持時(shí)間同步，即同步休眠和喚醒。

從系統(tǒng)的角度設(shè)計(jì)能耗均勻的路由協(xié)議，而不是一味追求低功耗的路由協(xié)議，這需要體系結(jié)構(gòu)提供跨層設(shè)計(jì)。

由于節(jié)點(diǎn)計(jì)算能力和存儲(chǔ)能力有限，不適合進(jìn)行復(fù)雜計(jì)算和大量數(shù)據(jù)的緩存。第七十頁(yè)，共142頁(yè)。2.支持網(wǎng)內(nèi)數(shù)據(jù)處理

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是以數(shù)據(jù)為中心的，網(wǎng)絡(luò)不僅要實(shí)現(xiàn)傳輸?shù)墓δ?，還要實(shí)現(xiàn)“網(wǎng)內(nèi)數(shù)據(jù)處理”。例如：多個(gè)路由節(jié)點(diǎn)可能同時(shí)監(jiān)聽(tīng)到同一終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)，分別產(chǎn)生數(shù)據(jù)向匯聚節(jié)點(diǎn)發(fā)送，匯聚節(jié)點(diǎn)只需要收到它們其中一個(gè)分組即可，其余分組都是多余的。如果能在中間節(jié)點(diǎn)(如路由節(jié)點(diǎn)等)上進(jìn)行一定的聚合、過(guò)濾和壓縮，可以有效地減少重復(fù)發(fā)送數(shù)據(jù)的可能，從而減少了頻繁傳送分組造成的能量開(kāi)銷(xiāo)；也可以有效地協(xié)助處理?yè)砣刂坪土髁靠刂?。網(wǎng)內(nèi)數(shù)據(jù)處理示意圖如所示。第七十一頁(yè)，共142頁(yè)。

圖1-9網(wǎng)內(nèi)數(shù)據(jù)處理示意圖第七十二頁(yè)，共142頁(yè)。假如終端節(jié)點(diǎn)1-3發(fā)送的數(shù)據(jù)被路由節(jié)點(diǎn)2監(jiān)聽(tīng)到(如圖1-9中虛線部分所示)，路由節(jié)點(diǎn)2先診斷是不是它的子節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)，如果不是，路由節(jié)點(diǎn)2將會(huì)把數(shù)據(jù)過(guò)濾掉，這樣會(huì)有效地減少匯聚節(jié)點(diǎn)收到重復(fù)數(shù)據(jù)。第七十三頁(yè)，共142頁(yè)。3.支持協(xié)議跨層設(shè)計(jì)

在WSN系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，各個(gè)層次的研究人員為了統(tǒng)一性能優(yōu)化目標(biāo)(如節(jié)省能耗、提供傳輸效率、降低誤碼率等)而進(jìn)行的協(xié)作非常普遍，這種優(yōu)化工作使傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)中各個(gè)層次之間的耦合變得更加緊密，上層協(xié)議需要了解下層協(xié)議(不僅僅限于相鄰的下層)所提供服務(wù)的質(zhì)量，下層協(xié)議的運(yùn)行需要上層協(xié)議(不僅僅限于相鄰的上層)的建議和指導(dǎo)，這違背了傳統(tǒng)分層網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)中只有相鄰兩層之間才可以進(jìn)行消息交互的約定。第七十四頁(yè)，共142頁(yè)。這種協(xié)議的跨層設(shè)計(jì)無(wú)疑會(huì)增加體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的復(fù)雜度，但是實(shí)踐證明它是提高系統(tǒng)整體性能的有效方法。第七十五頁(yè)，共142頁(yè)。4.增強(qiáng)安全性

由于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)采用無(wú)線通信的方式，信道缺少必要的屏蔽和保護(hù)，更容易受到攻擊和竊聽(tīng)，所以無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中要將安全方面的考慮提升到一個(gè)重要的位置上，設(shè)計(jì)一定的安全機(jī)制，確保所提供服務(wù)的質(zhì)量，確保所提供服務(wù)的安全性和可靠性。這些安全機(jī)制必須是自下而上地貫穿于體系結(jié)構(gòu)的各個(gè)子層。第七十六頁(yè)，共142頁(yè)。5.支持多協(xié)議

與“互聯(lián)網(wǎng)依賴(lài)于統(tǒng)一的TCP/IP協(xié)議實(shí)現(xiàn)端到端的通信”相比，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的形式與應(yīng)用具有多樣性，除了轉(zhuǎn)發(fā)分組外，更重要的是負(fù)責(zé)將監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)無(wú)線通信子網(wǎng)采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)等外部網(wǎng)絡(luò)傳輸給用戶(hù)，這需要多協(xié)議的支持。例如，在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)部子網(wǎng)工作時(shí)，采用Zigbee協(xié)議廣播或者組網(wǎng)的方式，但是當(dāng)接入外部互聯(lián)網(wǎng)時(shí)需要屏蔽Zigbee協(xié)議，提供與外部網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)無(wú)縫信息交互的手段。第七十七頁(yè)，共142頁(yè)。6.支持有效的資源發(fā)現(xiàn)機(jī)制

在設(shè)計(jì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)，需要考慮提供定位監(jiān)測(cè)信息的類(lèi)型、覆蓋區(qū)域的范圍，并獲得具體監(jiān)測(cè)信息的訪問(wèn)接口。傳感器網(wǎng)絡(luò)資源發(fā)現(xiàn)包括網(wǎng)絡(luò)自組織、網(wǎng)絡(luò)編址和路由等。拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)自動(dòng)生成是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)特點(diǎn)，部署大規(guī)模的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)不可能預(yù)先知道網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，依?jù)單一符號(hào)(如IP地址或者節(jié)點(diǎn)ID)來(lái)編址(效率不高)，可以考慮根據(jù)節(jié)點(diǎn)采集數(shù)據(jù)的多種屬性(如溫度、濕度等)來(lái)進(jìn)行編址。第七十八頁(yè)，共142頁(yè)。這種編址方案本身就應(yīng)該屬于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)研究?jī)?nèi)容之一。當(dāng)然，在新的編址方案下，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)還需對(duì)相應(yīng)的資源發(fā)現(xiàn)機(jī)制給予必要的支持。第七十九頁(yè)，共142頁(yè)。7.支持可靠的低延時(shí)通信

各種類(lèi)型的傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)工作在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)，物理環(huán)境的各種參數(shù)動(dòng)態(tài)變化很快，需要網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的實(shí)時(shí)性，因此，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)必須支持低延時(shí)的可靠傳輸。

第八十頁(yè)，共142頁(yè)。8.支持容忍延時(shí)的非面向連接通信

由于傳感器應(yīng)用需求不一樣，有些任務(wù)對(duì)實(shí)時(shí)性要求不高，如海洋監(jiān)測(cè)、生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)等。有些應(yīng)用隨時(shí)都可能出現(xiàn)拓?fù)鋭?dòng)態(tài)變化，在這種情況下節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)性使節(jié)點(diǎn)保持長(zhǎng)期穩(wěn)定的連通性比較困難，因此，引入非面向連接的通信，其目的是即使在連通無(wú)法保持的狀態(tài)下也能進(jìn)行通信。第八十一頁(yè)，共142頁(yè)。9.開(kāi)放性

近年來(lái)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)衍生出來(lái)的水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)和無(wú)線地下傳感器網(wǎng)絡(luò)，使無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該具備充分的開(kāi)放性，來(lái)包容這些已經(jīng)出現(xiàn)或未來(lái)可能出現(xiàn)的新型同類(lèi)網(wǎng)絡(luò)。第八十二頁(yè)，共142頁(yè)。

本節(jié)從無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)有無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的區(qū)別出發(fā)，詳細(xì)介紹無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)。1.5WSN特點(diǎn)第八十三頁(yè)，共142頁(yè)。1.5.1與現(xiàn)有無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的區(qū)別

目前，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)可以分為兩種：一種是有基礎(chǔ)設(shè)施的網(wǎng)絡(luò)，此類(lèi)網(wǎng)絡(luò)需要有固定的基站；另一種是無(wú)基礎(chǔ)設(shè)施的網(wǎng)絡(luò)，又稱(chēng)無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)(AdHocNetwork)。前一種網(wǎng)絡(luò)比較常見(jiàn)，如移動(dòng)、聯(lián)通和電信網(wǎng)絡(luò)，需要高大的天線和大功率基站來(lái)支持，常見(jiàn)的有基礎(chǔ)設(shè)施的網(wǎng)絡(luò)為無(wú)線寬帶網(wǎng)，包括GSM、CDMA、3G、Beyond3G、4G、WLAN(WIFI)和WMAN(WiMax)等，這些網(wǎng)絡(luò)都有固定的基站，網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃、部署、配置、管理、維護(hù)和運(yùn)營(yíng)一般需要管理員干預(yù)來(lái)完成。第八十四頁(yè)，共142頁(yè)。無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)(即AdHoc網(wǎng)絡(luò))的特點(diǎn)是分布式的，沒(méi)有專(zhuān)門(mén)的固定基站，但能夠快速、靈活和方便地組網(wǎng)。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)和AdHoc網(wǎng)絡(luò)作為快捷靈活的組網(wǎng)方式，基本不需要人的干預(yù)，大部分工作是以自組織的方式完成的，因此可以將它們統(tǒng)稱(chēng)為自組織網(wǎng)絡(luò)。雖然無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)和AdHoc網(wǎng)絡(luò)存在著相似之處，同時(shí)也存在很大的差別。這些差別主要集中在以下三個(gè)方面：節(jié)點(diǎn)規(guī)模、節(jié)點(diǎn)部署和工作模式。第八十五頁(yè)，共142頁(yè)。1.節(jié)點(diǎn)規(guī)模

就節(jié)點(diǎn)規(guī)模而言，AdHoc網(wǎng)絡(luò)與無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的差別如下所：

AdHoc網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)量比較少，一般由幾十個(gè)到上百個(gè)節(jié)點(diǎn)組成，采用無(wú)線通信方式、動(dòng)態(tài)組網(wǎng)、多跳方式組成移動(dòng)性的對(duì)等網(wǎng)絡(luò)，大多數(shù)節(jié)點(diǎn)是移動(dòng)的。

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是集成了監(jiān)測(cè)、控制以及無(wú)線通信的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，節(jié)點(diǎn)數(shù)目龐大，可以達(dá)到成千上萬(wàn)，且節(jié)點(diǎn)分布密集。通常情況下，大多數(shù)傳感器節(jié)點(diǎn)是固定不動(dòng)的(或者只有少數(shù)節(jié)點(diǎn)移動(dòng))，第八十六頁(yè)，共142頁(yè)。節(jié)點(diǎn)具有的能量、處理能力、存儲(chǔ)能力和通信能力都是有限的。由于環(huán)境影響和能量耗盡，節(jié)點(diǎn)容易出現(xiàn)故障，環(huán)境干擾和節(jié)點(diǎn)故障容易造成網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化。所以傳感器節(jié)點(diǎn)在設(shè)計(jì)上要考慮能源的節(jié)約與優(yōu)化。第八十七頁(yè)，共142頁(yè)。2.節(jié)點(diǎn)部署

就節(jié)點(diǎn)部署而言，早期的無(wú)線傳感器網(wǎng)路研究借用了AdHoc網(wǎng)絡(luò)中較成熟的自組織路由協(xié)議。隨著研究的深入，逐漸發(fā)現(xiàn)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)與AdHoc網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和工作模式各不相同。主要表現(xiàn)如下：

AdHoc網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)具有強(qiáng)烈的移動(dòng)性，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是動(dòng)態(tài)變化的，使路由技術(shù)的設(shè)計(jì)帶來(lái)了很大的局限性。第八十八頁(yè)，共142頁(yè)。

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)在部署完成之后大部分節(jié)點(diǎn)不會(huì)再移動(dòng)，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是靜態(tài)的。雖然部分節(jié)點(diǎn)會(huì)因調(diào)度機(jī)制(如拓?fù)淇刂?，或者失效等原因改變網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，但依然可以認(rèn)為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是靜態(tài)的。第八十九頁(yè)，共142頁(yè)。3.工作模式

就工作模式而言，AdHoc網(wǎng)絡(luò)與無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的差別如下：

AdHoc網(wǎng)絡(luò)中任意兩節(jié)點(diǎn)之間都是可以互相通信的，路由協(xié)議是以傳輸為目的的。

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中終端節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)傳輸給上一層路由節(jié)點(diǎn)或者匯聚節(jié)點(diǎn)，即多對(duì)一通信，而終端節(jié)點(diǎn)之間是不通信的，所以路由協(xié)議是以數(shù)據(jù)為中心的。

綜上所述，AdHoc網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議在設(shè)計(jì)上比無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議要復(fù)雜很多。第九十頁(yè)，共142頁(yè)。1.5.2特點(diǎn)

1.大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)

為了獲取精確信息，在監(jiān)測(cè)區(qū)域通常部署大量傳感器節(jié)點(diǎn)，傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)量可能達(dá)到成千上萬(wàn)甚至更多。傳感器網(wǎng)絡(luò)的“大規(guī)模”包含兩層含義：

傳感器節(jié)點(diǎn)分布地理區(qū)域大。例如，原始大森林采用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行森林防火和環(huán)境監(jiān)測(cè)。

傳感器節(jié)點(diǎn)部署密集，在面積不是很大的空間內(nèi)部署大量的傳感器節(jié)點(diǎn)。第九十一頁(yè)，共142頁(yè)。傳感器網(wǎng)絡(luò)的大規(guī)模性具有如下優(yōu)點(diǎn)：

通過(guò)不同空間視角獲得的信息具有更大的信噪比。

通過(guò)分布式處理大量的采集信息能夠提高監(jiān)測(cè)的精確度，降低對(duì)單個(gè)節(jié)點(diǎn)傳感器精度的要求。

大量冗余節(jié)點(diǎn)的存在，使得系統(tǒng)具有很強(qiáng)的容錯(cuò)性能，可以增大覆蓋的監(jiān)測(cè)區(qū)域，減少洞穴或者盲區(qū)。第九十二頁(yè)，共142頁(yè)。2.自組織網(wǎng)絡(luò)

在傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中，通常情況下傳感器節(jié)點(diǎn)被放置的環(huán)境沒(méi)有基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，傳感器節(jié)點(diǎn)的位置不能預(yù)先精確地設(shè)定，節(jié)點(diǎn)之間的相互鄰居關(guān)系預(yù)先也不知道。這樣要求傳感器節(jié)點(diǎn)具有自組織的能力，能夠自動(dòng)進(jìn)行配置和管理，通過(guò)拓?fù)淇刂茩C(jī)制和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議自動(dòng)形成轉(zhuǎn)發(fā)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的多跳無(wú)線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

在傳感器節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)使用過(guò)程中，部分傳感器節(jié)點(diǎn)由于能量耗盡或者環(huán)境因素造成失效，一些節(jié)點(diǎn)為了彌補(bǔ)失效節(jié)點(diǎn)，增加監(jiān)測(cè)精度而補(bǔ)充到網(wǎng)絡(luò)中，第九十三頁(yè)，共142頁(yè)。這樣在傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)就動(dòng)態(tài)地增減，從而使網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)隨之動(dòng)態(tài)地變化。傳感器網(wǎng)絡(luò)的自組織性要能夠適應(yīng)這種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)變化。第九十四頁(yè)，共142頁(yè)。3.動(dòng)態(tài)性網(wǎng)絡(luò)

傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可能因?yàn)橄铝幸蛩囟l(fā)生改變：

環(huán)境因素或電能耗盡造成傳感器節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障或失效。

環(huán)境條件變化可能造成無(wú)線通信鏈路帶寬變化，時(shí)斷時(shí)通。

傳感器網(wǎng)絡(luò)的傳感器、感知對(duì)象和觀察者這三要素都可能具有移動(dòng)性。

新節(jié)點(diǎn)的加入。

這就要求無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)要能夠適應(yīng)這種變化，具有動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的可重構(gòu)性。第九十五頁(yè)，共142頁(yè)。4.可靠的網(wǎng)絡(luò)

傳感器網(wǎng)絡(luò)特別適合部署在惡劣環(huán)境或人類(lèi)不宜到達(dá)的區(qū)域，傳感器節(jié)點(diǎn)可能工作在露天環(huán)境中，被破壞的可能性極大，并且傳感器節(jié)點(diǎn)往往采用隨機(jī)部署，如通過(guò)飛機(jī)隨機(jī)散播，這就要求傳感器節(jié)點(diǎn)非常堅(jiān)固，不易損壞，適應(yīng)各種惡劣的環(huán)境條件。

由于監(jiān)測(cè)區(qū)域環(huán)境的限制以及傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)目巨大，網(wǎng)絡(luò)的維護(hù)十分困難，甚至不可維護(hù)。傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信保密性和安全性也十分重要，要防止監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)被盜取和獲取偽造監(jiān)測(cè)信息，因此，傳感器網(wǎng)絡(luò)的軟硬件必須具有魯棒性(穩(wěn)定性或可靠性)和容錯(cuò)性。第九十六頁(yè)，共142頁(yè)。5.應(yīng)用相關(guān)網(wǎng)絡(luò)

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)用來(lái)感知客觀物理世界、獲取物理世界的信息量?？陀^世界的物理量多種多樣，不同的傳感器關(guān)心不同的物理量，多傳感器的應(yīng)用系統(tǒng)也有多種多樣的要求。

不同的應(yīng)用背景對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)的要求不同。硬件平臺(tái)、軟件系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議也會(huì)有很大差別。在開(kāi)發(fā)傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中，要關(guān)心傳感器網(wǎng)絡(luò)的差異，讓系統(tǒng)貼近應(yīng)用才能做出高效的目標(biāo)系統(tǒng)。針對(duì)每一個(gè)具體應(yīng)用來(lái)研究傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，這是傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)不同于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的顯著特征。第九十七頁(yè)，共142頁(yè)。6.以數(shù)據(jù)為中心

傳感器網(wǎng)絡(luò)是任務(wù)型網(wǎng)絡(luò)，脫離傳感器網(wǎng)絡(luò)談?wù)搨鞲衅鞴?jié)點(diǎn)沒(méi)有任何意義。由于傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)隨機(jī)部署，構(gòu)成傳感器網(wǎng)絡(luò)與節(jié)點(diǎn)編號(hào)之間的關(guān)系完全是動(dòng)態(tài)的，與節(jié)點(diǎn)位置沒(méi)有必然的聯(lián)系。用戶(hù)使用傳感器網(wǎng)絡(luò)查詢(xún)事件時(shí)，直接將事件通告給網(wǎng)絡(luò)，而不是通告給某個(gè)確定編號(hào)的節(jié)點(diǎn)(即將數(shù)據(jù)廣播到整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中)。網(wǎng)絡(luò)在指定時(shí)間內(nèi)將數(shù)據(jù)匯報(bào)給用戶(hù)。由此可以看出無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是以數(shù)據(jù)本身作為查詢(xún)或傳輸線索，所以通常說(shuō)傳感器網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)以數(shù)據(jù)為中心的網(wǎng)絡(luò)。第九十八頁(yè)，共142頁(yè)。

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的操作系統(tǒng)是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本軟件環(huán)境，是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用軟件開(kāi)發(fā)的基礎(chǔ)。它定義了一套通用的界面框架，允許應(yīng)用程序選擇服務(wù)的實(shí)現(xiàn)。另外還提供框架的模塊化，以便適應(yīng)硬件的多樣性。本小節(jié)主要講述現(xiàn)階段廣泛應(yīng)用的三種操作系統(tǒng)，并作出比較。1.6WSN操作系統(tǒng)第九十九頁(yè)，共142頁(yè)。1.6.1現(xiàn)有的操作系統(tǒng)

隨著無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，目前已經(jīng)出現(xiàn)了好幾種應(yīng)用于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的操作系統(tǒng)，比較有突出代表性的操作系統(tǒng)有以下幾種。

1.

TinyOS操作系統(tǒng)

TinyOS操作系統(tǒng)是加州大學(xué)伯克利分校(UCBerkeley,UCB)的DavidCuller領(lǐng)導(dǎo)研究小組為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)量身定制的嵌入式操作系統(tǒng)。TinyOS系統(tǒng)的核心代碼和數(shù)據(jù)大概有400字節(jié)左右，能夠突破傳感器資源少的限制。TinyOS系統(tǒng)現(xiàn)階段已經(jīng)成為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域事實(shí)上的標(biāo)準(zhǔn)平臺(tái)。第一百頁(yè)，共142頁(yè)。2.

MANTIS操作系統(tǒng)

MANTISOS(MultimodA1NeTworksofIn-situSensorsOS，MOS)是由美國(guó)科羅拉多大學(xué)MANTIS項(xiàng)目組為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)開(kāi)發(fā)的源代碼公開(kāi)的多線程操作系統(tǒng)。他的內(nèi)核和API采用標(biāo)準(zhǔn)C語(yǔ)言，提供熟悉的類(lèi)UNIX的編程環(huán)境。

MOS系統(tǒng)采用經(jīng)典的分層式多線程結(jié)構(gòu)，如所示。

MOS系統(tǒng)包括內(nèi)核/調(diào)度器、通信層(COMM)、設(shè)備驅(qū)動(dòng)層、網(wǎng)絡(luò)棧以及命令服務(wù)器。應(yīng)用程序線程和底層操作系統(tǒng)API相互獨(dú)立，所以MOS通過(guò)提供不同平臺(tái)的API可以實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)平臺(tái)的支持。第一百零一頁(yè)，共142頁(yè)。

圖1-10MOS系統(tǒng)架構(gòu)第一百零二頁(yè)，共142頁(yè)。3.

SOS操作系統(tǒng)

SOS操作系統(tǒng)由加州大學(xué)洛杉磯分校的網(wǎng)絡(luò)和嵌入式實(shí)驗(yàn)室(NESL)為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)開(kāi)發(fā)的操作系統(tǒng)。SOS系統(tǒng)與TinyOS系統(tǒng)一樣，也是一個(gè)事件驅(qū)動(dòng)操作系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)消息傳遞、動(dòng)態(tài)內(nèi)存管理、模塊裝載和卸載。

SOS系統(tǒng)由可以動(dòng)態(tài)加載的模塊和靜態(tài)的系統(tǒng)內(nèi)核組成，靜態(tài)內(nèi)核可以先被燒錄到節(jié)點(diǎn)上，節(jié)點(diǎn)運(yùn)行過(guò)程中用戶(hù)還可以根據(jù)任務(wù)的需要?jiǎng)討B(tài)地增刪模塊。第一百零三頁(yè)，共142頁(yè)。靜態(tài)內(nèi)核實(shí)現(xiàn)了最基本的服務(wù)，包括底層抽象、靈活的優(yōu)先級(jí)消息調(diào)度器、動(dòng)態(tài)內(nèi)存分配等功能。其中，簡(jiǎn)單的動(dòng)態(tài)內(nèi)存分配機(jī)制減小了編程復(fù)雜度，并增加了內(nèi)存的重用度；而可以動(dòng)態(tài)加載的模塊則實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)大多數(shù)的功能，包括驅(qū)動(dòng)程序、協(xié)議和應(yīng)用程序等。這些模塊本身都是獨(dú)立的代碼實(shí)體，可以實(shí)現(xiàn)一項(xiàng)具體的任務(wù)和功能，并且對(duì)模塊的修改不會(huì)中斷操作系統(tǒng)。SOS的系統(tǒng)架構(gòu)如所示。第一百零四頁(yè)，共142頁(yè)。

圖1-11SOS系統(tǒng)架構(gòu)第一百零五頁(yè)，共142頁(yè)。4.三種操作系統(tǒng)的比較

目前無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)操作系統(tǒng)的調(diào)度系統(tǒng)可以分為事件驅(qū)動(dòng)單線程系統(tǒng)和多線程系統(tǒng)。

事件驅(qū)動(dòng)單線程系統(tǒng)以TinyOS為代表，其基本特點(diǎn)是：任務(wù)由中斷產(chǎn)生，任務(wù)持續(xù)運(yùn)行直至結(jié)束。

多線程系統(tǒng)以MOS為代表。它們?cè)谠O(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)上有很大差別。

從理論分析看，事件驅(qū)動(dòng)單線程系統(tǒng)，與多線程系統(tǒng)的比較如表1-3所示。第一百零六頁(yè)，共142頁(yè)。

表1-4操作系統(tǒng)比較第一百零七頁(yè)，共142頁(yè)。1.6.2TinyOS技術(shù)特點(diǎn)

TinyOS操作系統(tǒng)本身在軟件上體現(xiàn)了一些已有的研究成果，如組件化編程、事件驅(qū)動(dòng)模式、輕量級(jí)線程技術(shù)、主動(dòng)消息通信技術(shù)等。TinyOS的技術(shù)優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

組件化編程，TinyOS提供一系列可重用的組件，一個(gè)應(yīng)用程序可以通過(guò)連接配置文件將各種組件連接起來(lái)，以完成它所需要的功能。第一百零八頁(yè)，共142頁(yè)。

事件驅(qū)動(dòng)模式，TinyOS的應(yīng)用程序都是基于事件驅(qū)動(dòng)模式的，采用事件觸發(fā)去喚醒傳感器工作。事件相當(dāng)于不同組件之間傳遞狀態(tài)信息的信號(hào)。當(dāng)事件對(duì)應(yīng)的硬件中斷發(fā)生時(shí)，系統(tǒng)能夠快速調(diào)用相關(guān)的事件處理程序。

輕量級(jí)線程，即任務(wù)。任務(wù)之間是平等的，不能相互搶占，應(yīng)按先入先出的隊(duì)列進(jìn)行調(diào)度。輕線程是針對(duì)節(jié)點(diǎn)并發(fā)操作比較頻繁且線程比較短的問(wèn)題提出的。第一百零九頁(yè)，共142頁(yè)。

兩級(jí)調(diào)度方式，任務(wù)(即一個(gè)進(jìn)程)一般都用于事件要求不是很高的應(yīng)用中。通常每一個(gè)任務(wù)都很短小，使系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)較輕，事件一般用在對(duì)于時(shí)間的要求很?chē)?yán)格的應(yīng)用中，且它可以占先優(yōu)于任務(wù)和其他事件執(zhí)行。在TinyOS中一般由硬件中斷處理來(lái)驅(qū)動(dòng)事件。

分階段作業(yè)，為了讓一個(gè)耗時(shí)較長(zhǎng)的操作盡快完成，TinyOS沒(méi)有提供任何阻塞操作。而是一般將這個(gè)操作的請(qǐng)求和這個(gè)操作的完成分開(kāi)實(shí)現(xiàn)，以便獲得較高的執(zhí)行效率。第一百一十頁(yè)，共142頁(yè)。

主動(dòng)消息通信，每一個(gè)消息都維護(hù)一個(gè)應(yīng)用層的處理程序。當(dāng)節(jié)點(diǎn)收到消息后，把消息中的數(shù)據(jù)作為參數(shù)，傳遞給應(yīng)用層的處理程序，由其完成消息數(shù)據(jù)的解析、計(jì)算處理和發(fā)送響應(yīng)消息等任務(wù)。第一百一十一頁(yè)，共142頁(yè)。1.6.3TinyOS體系結(jié)構(gòu)

TinyOS操作系統(tǒng)最初通過(guò)匯編語(yǔ)言和C語(yǔ)言編寫(xiě)，但C語(yǔ)言不能有效、方便地支持面向無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用程序和操作系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)。因此，科研人員對(duì)C語(yǔ)言進(jìn)行擴(kuò)展，提出了支持組件化編程的nesC(Clanguagefornetworkembeddedsystem)語(yǔ)言，把組件化、模塊化思想和基于事件驅(qū)動(dòng)的執(zhí)行模式結(jié)合起來(lái)。

TinyOS操作系統(tǒng)采用組件的結(jié)構(gòu)，它是一個(gè)基于事件的系統(tǒng)。系統(tǒng)本身提供了一系列的組件供用戶(hù)調(diào)用，其中包括主組件、應(yīng)用組件、執(zhí)行組件和感知組件、通信組件和硬件抽象組件，如所示。第一百一十二頁(yè)，共142頁(yè)。

圖1-12TinyOS體系結(jié)構(gòu)第一百一十三頁(yè)，共142頁(yè)。組件由下到上通?？梢苑譃槿?lèi)：硬件抽象組件、綜合硬件組件和高層軟件組件。

硬件抽象組件是將物理硬件映射到TinyOS的組件模型。

綜合硬件組件則模擬高級(jí)的硬件行為，如感知組件、通信組件等。高層軟件組件實(shí)現(xiàn)控制、路由以及數(shù)據(jù)傳輸?shù)葢?yīng)用層的功能。

高層軟件組件向底層組件發(fā)出命令，底層組件向高層組件報(bào)告事件。第一百一十四頁(yè)，共142頁(yè)。TinyOS的層次結(jié)構(gòu)就如同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧，底層的組件負(fù)責(zé)接收和發(fā)送最原始的數(shù)據(jù)位，而高層的組件對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼、解碼，更高層的組件則負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)打包、路由選擇以及數(shù)據(jù)傳輸。

調(diào)度器具有兩層結(jié)構(gòu)，第一層維護(hù)著命令和事件，主要是在硬件中斷發(fā)生時(shí)對(duì)組件的狀態(tài)進(jìn)行處理；第二層維護(hù)著任務(wù)，負(fù)責(zé)各種計(jì)算，只有當(dāng)組件狀態(tài)維護(hù)工作完成后，任務(wù)才能被調(diào)度。TinyOS調(diào)度模型主要有以下幾特點(diǎn)：第一百一十五頁(yè)，共142頁(yè)。

任務(wù)單線程運(yùn)行結(jié)束，只分配單個(gè)任務(wù)棧，這對(duì)內(nèi)存受限的系統(tǒng)很有利。

沒(méi)有進(jìn)程管理概念，對(duì)任務(wù)按簡(jiǎn)單的FIFO隊(duì)列進(jìn)行調(diào)度。

FIFO的任務(wù)調(diào)度策略具有能耗敏感性，當(dāng)任務(wù)隊(duì)列為空時(shí)，處理器進(jìn)入休眠，隨后由外部中斷事件喚醒CPU進(jìn)行任務(wù)調(diào)度。

兩級(jí)的調(diào)度結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)優(yōu)先執(zhí)行少量同事件相關(guān)的處理，同時(shí)打斷長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的任務(wù)。第一百一十六頁(yè)，共142頁(yè)。

基于事件的調(diào)度策略，只需要少量空間就可獲得并發(fā)性，并允許獨(dú)立的組件共享單個(gè)執(zhí)行上下文。與事件相關(guān)的任務(wù)可以很快被處理，不允許阻塞，具有高度并發(fā)性。

任務(wù)之間相互平等，沒(méi)有優(yōu)先級(jí)的概念。第一百一十七頁(yè)，共142頁(yè)。

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)以低功耗、低成本、分布式和自組織的特點(diǎn)著稱(chēng)，要求具有較低的傳輸延時(shí)和極低的功率消耗。目前的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的幾個(gè)技術(shù)都各有特點(diǎn)，互有補(bǔ)充。

例如IEEE802.15.4/Zigbee標(biāo)準(zhǔn)把低功耗、低成本作為主要目標(biāo)，為傳感器網(wǎng)絡(luò)提供了一種互聯(lián)互通的平臺(tái)；RFID技術(shù)存在通信距離短等缺點(diǎn)，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以彌補(bǔ)RFID技術(shù)這些缺點(diǎn)，而RFID可以準(zhǔn)確地為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)賦予ID號(hào)；無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)通過(guò)匯聚節(jié)點(diǎn)接入互聯(lián)網(wǎng)等外部網(wǎng)絡(luò)，1.7WSN相關(guān)技術(shù)第一百一十八頁(yè)，共142頁(yè)。而GPRS技術(shù)和WIFI技術(shù)正好解決了此項(xiàng)難題。所以Zigbee技術(shù)、RFID(RadioFrequencyIdentification)技術(shù)、GPRS技術(shù)和WIFI技術(shù)是與無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)息息相關(guān)的幾種技術(shù)。第一百一十九頁(yè)，共142頁(yè)。1.7.1Zigbee技術(shù)

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，一般不需要很高的帶寬，但對(duì)功耗要求卻很?chē)?yán)格，大部分時(shí)間必須保持低功耗。傳感器節(jié)點(diǎn)通常使用存儲(chǔ)容量不大的嵌入式處理器，對(duì)協(xié)議棧的大小也有嚴(yán)格的限制，另外無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)對(duì)網(wǎng)絡(luò)安全性、節(jié)點(diǎn)自動(dòng)配置和網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)重組等方面也有一定的要求。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特殊性對(duì)應(yīng)用于該技術(shù)的協(xié)議提出了較高的要求，目前最廣泛使用的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的物理層和MAC層協(xié)議為IEEE802.15.4.第一百二十頁(yè)，共142頁(yè)。

圖1-13Zigbee網(wǎng)絡(luò)協(xié)議架構(gòu)分層第一百二十一頁(yè)，共142頁(yè)。IEEE802.15.4描述了低速率無(wú)線個(gè)人局域網(wǎng)的物理層和媒體接入控制協(xié)議，屬于IEEE802.15.4工作組。Zigbee技術(shù)是基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)線技術(shù)，IEEE802.15.4只負(fù)責(zé)Zigbee的物理層和MAC層，Zigbee網(wǎng)絡(luò)協(xié)議架構(gòu)分層如所示。

Zigbee技術(shù)適用于通信數(shù)據(jù)量不大、數(shù)據(jù)傳輸速率相對(duì)較低、成本較低的便攜或移動(dòng)設(shè)備。這些設(shè)備只需要很少的能量，以接力的方式通過(guò)無(wú)線電波將數(shù)據(jù)從一個(gè)傳感器傳到另外一個(gè)傳感器，并能實(shí)現(xiàn)傳感器之間的組網(wǎng)，具有無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)分布式和自組織的特點(diǎn)。第一百二十二頁(yè)，共142頁(yè)。Zigbee協(xié)議的表現(xiàn)形式有多種，如TIZstack協(xié)議、Freakz等。TIZStack、Freakz協(xié)議棧只是Zigbee協(xié)議的一種實(shí)現(xiàn)方式，TIZStack也是目前最常用的協(xié)議。

Zigbee技術(shù)是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)的一種形式。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以借助Zigbee技術(shù)實(shí)現(xiàn)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)檢測(cè)區(qū)域的大范圍的節(jié)點(diǎn)分布、路由傳輸和數(shù)據(jù)采集。第一百二十三頁(yè)，共142頁(yè)。1.7.2RFID技術(shù)

RFID即射頻識(shí)別技術(shù)，是一種非接觸式自動(dòng)識(shí)別技術(shù)。該技術(shù)通過(guò)射頻信號(hào)識(shí)別目標(biāo)對(duì)象獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，具有精度高、適應(yīng)環(huán)境能力強(qiáng)、操作快捷且同時(shí)可識(shí)