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IP屬地：安徽 上傳時(shí)間：2024-04-03 格式：DOC 頁(yè)數(shù)：103 大?。?.92MB 積分：20 舉報(bào) 版權(quán)申訴

PAGE10PAGE嵌入式Web傳感器的研究與應(yīng)用摘要：本文在分析了傳統(tǒng)傳感器和智能傳感器的不足之處的基礎(chǔ)上，結(jié)合IEEE1451標(biāo)準(zhǔn)，著重介紹了嵌入式Web傳感器的結(jié)構(gòu)與功能，并闡述了其發(fā)展前景和存在的問(wèn)題。Abstract:OnthebasisofanalyzingtheshortcomingsoftheDumbSensorandtheSmartSensor,theauthorintroducedtheEmbeddedWebSensorbythelinkoftheIEEE1451.關(guān)鍵字：網(wǎng)絡(luò)傳感器嵌入式Web傳感器IEEE1451KeyWords：NetworkedSensorEmbeddedWebSensorIEEE1451一、嵌入式Web傳感器的必然性1.1網(wǎng)絡(luò)傳感器的必然性傳感器是人類(lèi)探知自然界信息的觸角,它可將人們需要探知的各種非電量信息轉(zhuǎn)化成可測(cè)的電量信息,是信息系統(tǒng)的第一道門(mén)檻,為人們認(rèn)識(shí)和控制相應(yīng)的對(duì)象提供條件和依據(jù)。作為現(xiàn)代信息技術(shù)三大核心技術(shù)之一的傳感器技術(shù),從誕生到現(xiàn)在,已經(jīng)經(jīng)歷了傳統(tǒng)的傳感器(DumbSensor)、“智能傳感器”(SmartSensor)[1]、“網(wǎng)絡(luò)化傳感器”(NetworkedSensor)[2]的發(fā)展歷程。傳統(tǒng)的傳感器基本上分為電阻式和電容式，它的設(shè)計(jì)指導(dǎo)思想是把外部信息變換成模擬電壓或電流信號(hào),然后通過(guò)變送器以電壓或電流方式連接到采集器。它輸出幅值小,靈敏度低,而且功能單一,因而被人們稱(chēng)為“聾啞傳感器”。人們將微處理器技術(shù)、智能技術(shù)和微機(jī)械加工技術(shù)（MEMS）應(yīng)用于傳感器，傳感器性能的改變不再僅僅依賴(lài)硬件的改進(jìn)，而是用存放于微處理器中的功能強(qiáng)大的軟件對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行非線性自動(dòng)校正、自校零、自校準(zhǔn)、自補(bǔ)償、自檢驗(yàn)、抑制噪聲等處理，增強(qiáng)了傳感器的“智能化”功能，這就是智能傳感器[3]。智能傳感器仍然存在缺陷。例如，在數(shù)據(jù)通信方面，傳感器與控制設(shè)備之間仍然采用傳統(tǒng)的模擬電壓和電流信號(hào)進(jìn)行通信，沒(méi)有根本解決布線復(fù)雜和抗干擾性差的問(wèn)題。網(wǎng)絡(luò)傳感器的出現(xiàn)成了歷史的必然。網(wǎng)絡(luò)傳感器的輸出信號(hào)是符合某種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的數(shù)字信號(hào)，這就從根本上解決了傳統(tǒng)傳感器和智能傳感器的缺陷，使得網(wǎng)絡(luò)傳感器的精度更高、傳輸距離更遠(yuǎn)、抗干擾性更強(qiáng)。1.2嵌入式Web傳感器的必然性根據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳感器所遵從的協(xié)議不同，可以將其分為基于現(xiàn)場(chǎng)總線的網(wǎng)絡(luò)傳感器和基于Internet的網(wǎng)絡(luò)傳感器?；诂F(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)傳感器的測(cè)控系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖1典型的分布式測(cè)量和控制系統(tǒng)目前市場(chǎng)上現(xiàn)場(chǎng)總線多種多樣，較為流行的現(xiàn)場(chǎng)總線有CAN（控制局域網(wǎng)絡(luò)），Lonworks(局部操作網(wǎng)絡(luò))、Profibus（過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)總線）、HART（可尋址遠(yuǎn)程傳感器數(shù)據(jù)通信）、FF（基金現(xiàn)場(chǎng)總線）等。各種現(xiàn)場(chǎng)總線的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、通信接口、通信協(xié)議各不相同，使得基于現(xiàn)場(chǎng)總線的傳感器/執(zhí)行器（Sensor/Actuator）接口協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)各異，這就要求智能傳感器必須符合所在現(xiàn)場(chǎng)總線的有關(guān)規(guī)定，從而給系統(tǒng)的擴(kuò)展、維護(hù)等帶來(lái)不利的影響。對(duì)于傳感器生產(chǎn)商而言，要開(kāi)發(fā)出為所有控制網(wǎng)絡(luò)支持的傳感器，是不現(xiàn)實(shí)的，所以現(xiàn)有的智能傳感器只能用在特定的現(xiàn)場(chǎng)總線中；對(duì)于用戶(hù)來(lái)說(shuō)，如果所需要的智能傳感器不支持現(xiàn)有的現(xiàn)場(chǎng)總線，是更換現(xiàn)有的現(xiàn)場(chǎng)總線(顯然這樣代價(jià)太大)，還是忍痛割?lèi)?ài)，選擇現(xiàn)有現(xiàn)場(chǎng)總線支持但不太符合需要的智能傳感器？哪種選擇都不理想。如果所使用的傳感器是基于TCP/IP協(xié)議的，那么它將直接與企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)（Intranet）或因特網(wǎng)(Internet)相連，從而使數(shù)據(jù)采集、信息傳輸?shù)榷寄苤苯釉贗ntranet/Internet上進(jìn)行，既統(tǒng)一了標(biāo)準(zhǔn)，又使工業(yè)測(cè)控?cái)?shù)據(jù)能直接在Intranet/Internet上動(dòng)態(tài)發(fā)布和共享，供相關(guān)技術(shù)人員、管理人員參考，這樣就把測(cè)控網(wǎng)（Infranet）和信息網(wǎng)（Intranet）有機(jī)地結(jié)合了起來(lái)，使得工廠或企業(yè)擁有一個(gè)一體的網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，無(wú)論從成本、管理、維護(hù)等方面考慮，都是一個(gè)最佳的選擇。于是就有了本文要論述的嵌入式Web傳感器，下面將對(duì)之進(jìn)行詳細(xì)的介紹。二、嵌入式Web傳感器簡(jiǎn)介2.1嵌入式Web傳感器的定義與特點(diǎn)嵌入式Web傳感器的實(shí)質(zhì)是在傳統(tǒng)傳感器的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)信息化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化和微型化，其核心是使傳感器本身實(shí)現(xiàn)TCP/IP網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，將傳感器作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)直接與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信，可以利用Internet上的任意一臺(tái)PC通過(guò)瀏覽器與該傳感器通信。確切地說(shuō)，嵌入式Web傳感器已不再是簡(jiǎn)單意義上的“傳感器”，它已經(jīng)涵蓋了以前是屬于儀器和微型計(jì)算機(jī)所具有的功能。嵌入式Web傳感器具有如下特點(diǎn)：第一，具有高可靠性、低功耗、低成本和微體積等特點(diǎn)；第二，可根據(jù)輸入信號(hào)進(jìn)行判斷和制定決策，具有自檢測(cè)、自校準(zhǔn)和自保護(hù)功能；第三，不同的應(yīng)用系統(tǒng)無(wú)須采用不同的傳感器，可在單一傳感器的基礎(chǔ)上通過(guò)軟件設(shè)計(jì)來(lái)改變傳感器的功能，以滿(mǎn)足客戶(hù)的不同需求；第四，采用當(dāng)今最為流行的TCP/IP網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議為載體，利用Internet傳輸傳感器數(shù)據(jù)，與外部進(jìn)行信息交換；第五，嵌入式Web傳感器組成的控制網(wǎng)絡(luò)與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)直接通信，技術(shù)人員利用瀏覽器通過(guò)網(wǎng)絡(luò)管理嵌入式Web傳感器的工作狀態(tài)，實(shí)施遠(yuǎn)程測(cè)控；第六，采用即插即用技術(shù)，具有良好的開(kāi)放性、可升級(jí)性和可維護(hù)性，方便測(cè)控系統(tǒng)的集成；第七，實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集與發(fā)送向網(wǎng)絡(luò)化的信息管理與集成的轉(zhuǎn)移。2.2嵌入式Web傳感器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)嵌入式Web傳感器主要由三部分組成：敏感單元、智能處理單元和TCP/IP通信協(xié)議接口[3]。從原理結(jié)構(gòu)上來(lái)說(shuō)，基于Internet的嵌入式Web傳感器可以用圖2來(lái)表示。圖2基于Internet的嵌入式WEB傳感器的體系結(jié)構(gòu)從框圖中我們可以看到，傳統(tǒng)的傳感器在嵌入式Web傳感器中只占其中的一部分，其核心部分是完成信號(hào)處理、數(shù)據(jù)交換和控制的嵌入式智能單元以及完成數(shù)據(jù)傳輸?shù)腡CP/IP網(wǎng)絡(luò)接口，通過(guò)微處理器和嵌入式操作系統(tǒng)的使用，使傳感器本身實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、處理的智能化和數(shù)據(jù)傳輸?shù)腡CP/IP網(wǎng)絡(luò)化。2.3嵌入式Web傳感器的技術(shù)基礎(chǔ)[3]微處理器技術(shù)的發(fā)展促進(jìn)了傳感器的智能化，微機(jī)械加工技術(shù)的發(fā)展為傳感器的微型化提供了可能，基于TCP/IP協(xié)議的Internet技術(shù)的發(fā)展為傳感器的網(wǎng)絡(luò)化提供了必要的技術(shù)手段，這三大技術(shù)的日漸融合促進(jìn)了基于Internet的嵌入式Web傳感器的產(chǎn)生。具體地講，嵌入式Web傳感器的實(shí)現(xiàn)需要硬件技術(shù)和軟件技術(shù)的緊密配合。其中硬件技術(shù)有[3]：a)嵌入式網(wǎng)絡(luò)硬件技術(shù)：微處理器、數(shù)據(jù)采集和信號(hào)處理、TCP/IP等嵌入式網(wǎng)絡(luò)硬件的飛速發(fā)展是嵌入式Web傳感器發(fā)展的重要保證。目前，美國(guó)ConnectOne公司、Philips公司、EmWare公司、TASKING公司和國(guó)內(nèi)的P&S公司等均提供基于Internet的Device-Networking的軟件、固件(Firmware)和硬件產(chǎn)品。此外，在數(shù)據(jù)采集、DSP、TCP/IP、STIM、NCAP方面都不斷有新型的專(zhuān)用接口模塊產(chǎn)生，例如完成數(shù)據(jù)采集的有ADµ、c812、CS5511、TLC548；完成DSP的有TMS320C2000TMDSP；完成STIM和NCAP的有EDI1520、PLCC-44，而AnalogDevices公司生產(chǎn)的芯片ADCu812就可用來(lái)執(zhí)行IEEE1451.2的STIM端的工作；完成TCP/IP協(xié)議轉(zhuǎn)換的有研華公司的ADAM4572、ADAM4570；目前已有TCP/IP芯片（如美國(guó)SeikoInstruments公司生產(chǎn)的ichipS7600A芯片可直接用作網(wǎng)絡(luò)接口[4]）等等。隨著這些專(zhuān)用模塊和MCU的不斷發(fā)展，完全可以保證在片上系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)具有Internet功能的Web傳感器。b)大規(guī)模集成電路技術(shù)：利用大規(guī)模集成電路技術(shù)將敏感元件、信號(hào)處理器和微處理器集成在一塊硅片上，形成一個(gè)"單片智能傳感器"，是一個(gè)對(duì)外界信息具有檢測(cè)、數(shù)據(jù)、處理、判斷、識(shí)別、自診斷和自適應(yīng)能力的多功能傳感器，還能實(shí)現(xiàn)與主機(jī)遠(yuǎn)距離、高速度、高精度的傳輸。這類(lèi)傳感器具有小型化、性能可靠、能批量生產(chǎn)、價(jià)格低廉的優(yōu)點(diǎn)。嵌入式Web傳感器用到的軟件技術(shù)有：a)嵌入式Web服務(wù)器：嵌入式Web傳感器只需要完成基本參數(shù)和采集數(shù)據(jù)的傳遞，所以對(duì)Web功能要求比較簡(jiǎn)單，只需要幾個(gè)簡(jiǎn)單的控制命令和完成基本的數(shù)據(jù)傳輸。根據(jù)這個(gè)特點(diǎn)，可以綜合采用Internet技術(shù)、操作系統(tǒng)剪裁技術(shù)，在ROMDOS上實(shí)現(xiàn)了一個(gè)最小化剪裁的嵌入式Web服務(wù)器，只保留了最基本的控制命令，其它與傳感器數(shù)據(jù)傳送要求無(wú)關(guān)的命令都剪裁掉。它接收瀏覽器的訪問(wèn)，實(shí)現(xiàn)瀏覽器命令到設(shè)備管理命令、數(shù)據(jù)的解析。瀏覽器訪問(wèn)命令有GET、POST、READ等，一般只要支持文件獲取命令GET就可以了。最小化裁剪的Web服務(wù)器程序可以設(shè)計(jì)為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的子程序，嵌入在應(yīng)用程序中，故稱(chēng)之為嵌入式Web服務(wù)器。另外，也可根據(jù)需要在Web服務(wù)器模塊中提供CGI、JAVA腳本、嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)等技術(shù)，也可加入GET、POST、READ等Web協(xié)議以外的自定義命令和數(shù)據(jù)通訊格式，這時(shí)需要在Web服務(wù)器功能、復(fù)雜度、可靠性和尺寸大小等方面進(jìn)行權(quán)衡和選擇。b)Web遠(yuǎn)程信號(hào)采集：利用內(nèi)嵌在網(wǎng)頁(yè)中的程序、ActiveX控件等服務(wù)程序，可以很方便地通過(guò)Internet實(shí)現(xiàn)傳感器信號(hào)的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集，用戶(hù)可以通過(guò)瀏覽器設(shè)定采樣參數(shù)、啟動(dòng)采樣過(guò)程和獲取采樣數(shù)據(jù)。有一點(diǎn)要指出的是，由于傳感器的軟、硬件資源畢竟有限，要使它象PC微機(jī)那樣成為一個(gè)全功能的Internet節(jié)點(diǎn)，顯然是不可能的，也是沒(méi)有必要的[4]。2.4嵌入式Web傳感器的前景展望目前，包括Siemens/Infineon、Philips與Motorola在內(nèi)的數(shù)十家大公司聯(lián)合成立了“嵌入式Internet聯(lián)盟（ETI）”，共同推動(dòng)著嵌入式Internet技術(shù)和市場(chǎng)的發(fā)展[4]。具有Internet/Intranet功能的網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器技術(shù)已經(jīng)不再停留在論證階段或?qū)嶒?yàn)室階段，越來(lái)越多成本低廉具備Internet/Intranet網(wǎng)絡(luò)化功能的智能傳感器/執(zhí)行器涌向市場(chǎng)，正在并且將要更多更廣地影響著人類(lèi)生活?？梢灶A(yù)見(jiàn)，在網(wǎng)絡(luò)化測(cè)控、嵌入式網(wǎng)絡(luò)和e-維護(hù)技術(shù)三個(gè)領(lǐng)域中，嵌入式Web傳感器都將起到重要作用[3]。在國(guó)防、通信、航空、航天、氣象、制造等領(lǐng)域，對(duì)大范圍的網(wǎng)絡(luò)化測(cè)控將提出更迫切的需求，嵌入式Web傳感器必將很快發(fā)展并成熟起來(lái)，從而有力地帶動(dòng)和促進(jìn)現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)即網(wǎng)絡(luò)測(cè)量技術(shù)的進(jìn)步。在此基礎(chǔ)上，嵌入式網(wǎng)絡(luò)、e-維護(hù)等技術(shù)也會(huì)蓬勃發(fā)展起來(lái)，對(duì)工業(yè)和社會(huì)的進(jìn)步產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。而同時(shí)，嵌入式Web傳感器使得“數(shù)字地球”成為可能。屆時(shí)，無(wú)數(shù)因特網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)（具有Internet/Intranet功能的網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器）將發(fā)揮著神經(jīng)細(xì)胞的功能，它將使地球披上一層“電子皮膚”[4]，地球用因特網(wǎng)在支持和傳遞著它的“感覺(jué)”，無(wú)處不在的網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器（包括氣象參數(shù)傳感器、水土分析傳感器、污染檢測(cè)器、電子眼、電子鼻、葡萄糧傳感器和腦電圖儀等等）探測(cè)和監(jiān)視著我們的城市、大氣、船只、車(chē)流和我們?nèi)祟?lèi)自己。三、IEEE1451系列標(biāo)準(zhǔn)簡(jiǎn)介3.1IEEE1451系列標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展歷程鑒于現(xiàn)場(chǎng)總線的混亂，為了實(shí)現(xiàn)智能傳感器接口總線的統(tǒng)一，IEEE-TC9在1993年9月決定制定一種智能傳感器通信接口。1994年3月，NIST(theNationalInstituteofStandardandTechnology)和IEEE(theInstituteofElectrical&ElectronicEngineer)共同組織了一次關(guān)于制定智能傳感器接口的研討會(huì)，會(huì)上討論了開(kāi)發(fā)這樣一種簡(jiǎn)化控制網(wǎng)絡(luò)和智能傳感器連接標(biāo)準(zhǔn)接口的可能性。從那以后，連續(xù)召開(kāi)四次研討會(huì)，直到1995年4月,成立了兩個(gè)專(zhuān)門(mén)的技術(shù)委員會(huì)：P1451.1工作組和P1451.2工作組。P1451.1工作組主要負(fù)責(zé)智能變送器的公共目標(biāo)模型進(jìn)行定義和對(duì)相應(yīng)模型的接口進(jìn)行定義；P1451.2工作組主要定義TEDS和數(shù)字接口標(biāo)準(zhǔn)，包括STIM和NACP之間的通訊接口協(xié)議和管腳定義分配[5]。在1997年和1999年IEEE先后頒布了IEEE1451.2標(biāo)準(zhǔn)和IEEE1451.1標(biāo)準(zhǔn)。1998底，技術(shù)委員會(huì)針對(duì)大量的模擬量傳輸方式的測(cè)量控制網(wǎng)絡(luò)及小空間數(shù)據(jù)交換問(wèn)題，鑒于許多混合型智能傳感器（即能非同時(shí)地以模擬和數(shù)字的方式進(jìn)行通信）由于沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，成立了另外兩個(gè)工作組P1451.3和P1451.4。其中P1451.3負(fù)責(zé)制定模擬量傳輸網(wǎng)絡(luò)與智能網(wǎng)絡(luò)化傳感器的接口標(biāo)準(zhǔn)；P1451.4負(fù)責(zé)制定小空間范圍內(nèi)智能網(wǎng)絡(luò)化傳感器相互之間的互聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)。IEEE1451.4就是一個(gè)混合型的智能傳感器接口的標(biāo)準(zhǔn)，它通過(guò)提供一個(gè)與傳統(tǒng)傳感器兼容的通用IEEE1451.4傳感器通信接口使得傳感器具有即插即用功能，在傳統(tǒng)儀器與智能混合型（smartmixed-mode）傳感器之間提供了一個(gè)橋梁。IEEE1451.4標(biāo)準(zhǔn)通過(guò)定義不依賴(lài)于特定控制網(wǎng)絡(luò)的硬件和軟件模塊來(lái)簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)化傳感器的設(shè)計(jì)，使得工程師們?cè)谶x擇傳感器時(shí)不用考慮網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，這就減輕了制造商要生產(chǎn)支持多網(wǎng)絡(luò)的傳感器的負(fù)擔(dān)，也使得用戶(hù)在需要把傳感器移到另一個(gè)不同的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)可減少開(kāi)銷(xiāo)[5]。3.2IEEE1451標(biāo)準(zhǔn)的優(yōu)越性IEEE1451是為變送器制造商和用戶(hù)提供的一種有效而經(jīng)濟(jì)的方式以支持各種控制網(wǎng)絡(luò)。IEEE1451標(biāo)準(zhǔn)接口的結(jié)構(gòu)如圖3所示[5]：圖3.不同網(wǎng)絡(luò)總線IEEE1451轉(zhuǎn)換方案針對(duì)上圖的幾點(diǎn)說(shuō)明：第一層模塊結(jié)構(gòu)用來(lái)運(yùn)行網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧（NetworkProtocolStack）和應(yīng)用硬件（ApplicationFirmware）,即網(wǎng)絡(luò)匹配處理器NCAP(NetworkCapableApplicationProcessor);第二層模塊為智能變送器接口模塊STIM（SmartTransducerinterfaceModule）,其中包括變送器和變送器電子數(shù)據(jù)單TEDS（TransducerElectronicDataSheet）。這樣在基于各種現(xiàn)場(chǎng)總線的分布測(cè)量控制系統(tǒng)中，各種變送器的設(shè)計(jì)制造無(wú)須考慮系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。3.3.IEEE1451.2標(biāo)準(zhǔn)簡(jiǎn)介[6]IEEE1451.1標(biāo)準(zhǔn)定義了網(wǎng)絡(luò)獨(dú)立的信息模型，使傳感器接口與NCAP相連，它使用了面向?qū)ο蟮哪Ｐ投x提供給智能傳感器及其組件；IEEE1451.2標(biāo)準(zhǔn)定義了一個(gè)連接傳感器到微處理器數(shù)字接口（STIM），并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)適配器（NCAP）把傳感器和執(zhí)行器連接到網(wǎng)絡(luò)。據(jù)IEEE和NIST最新資料，1451.X標(biāo)準(zhǔn)之間可以一起使用，也可以單獨(dú)使用[7]。IEEE1451.2是一個(gè)開(kāi)放的標(biāo)準(zhǔn)，它的目標(biāo)不是開(kāi)發(fā)另外一種控制網(wǎng)絡(luò)，而是在控制網(wǎng)絡(luò)和傳感器之間定義一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)接口，使傳感器的選擇和控制網(wǎng)絡(luò)的選擇分開(kāi)，從而使用戶(hù)可以根據(jù)自己的需要選擇不同廠家生產(chǎn)的智能傳感器而不受限制，實(shí)現(xiàn)真正意義上的即插即用(PlugandPlay)?；贗EEE1451.2標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)Web傳感器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如下：圖4IEEE1451.2傳感器的結(jié)構(gòu)框圖IEEE1451.2主要定義了STIM(SmartTransducerInterfaceModule)的內(nèi)容,其中主要包括TEDS(TransducerElectronicDataSheet)和TII(TransducerIndependentInterface)。TEDS是IEEE1451.2標(biāo)準(zhǔn)的核心,提供了對(duì)廣大范圍傳感器(sensor)、緩存?zhèn)鞲衅?bufferedsensor)、數(shù)據(jù)系列傳感器(datasequencesensor)、事件系列傳感器(eventsequencesensor)、執(zhí)行器(actuator)等模型的支持,并具有自動(dòng)識(shí)別這些傳感器和執(zhí)行器的能力。TEDS完整詳細(xì)地描述了它支持的傳感器和執(zhí)行器的類(lèi)型、操作和屬性。TEDS被分成8個(gè)可以尋址的部分,其中只有MetaTEDS和ChannelTEDS是必須要的,其余的6個(gè)TEDS可以根據(jù)需要選擇。每個(gè)STIM包括1個(gè)MetaTEDS，用來(lái)描述TEDS的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、STIM的極限時(shí)間參數(shù)和通道組信息等有關(guān)STIM的總體信息；每個(gè)STIM通道包括1個(gè)ChannelTEDS，主要用來(lái)對(duì)每個(gè)通道的具體信息，如：函數(shù)模型、校準(zhǔn)模型、通道的物理屬性、返回的數(shù)據(jù)類(lèi)型和格式、對(duì)象使用上下極限、使用時(shí)限等參數(shù)。TII并非是額外的一種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，而是用于連接NCAP和STIM的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、時(shí)鐘同步、短距離的接口，共有10個(gè)引腳。IEEE1451.2標(biāo)準(zhǔn)詳細(xì)定義了這10個(gè)引腳的功能，并定義了NCAP和STIM數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議。3.4IEEE1451系列標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展動(dòng)向[5]IEEE和NIST還在著手制定無(wú)線連接各種傳感設(shè)備的接口標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)的名稱(chēng)為“IEEEP1451.5”，主要用于利用電腦等主機(jī)設(shè)備綜合管理建筑物內(nèi)各傳感設(shè)備獲得的數(shù)據(jù)，還將包括把傳感器獲得的信息用于WWW等外部網(wǎng)絡(luò)的表述方式。如果這一過(guò)程中的傳送方式能得到統(tǒng)一，則有望降低無(wú)線傳送部分的成本。IEEE1451中將包括自動(dòng)進(jìn)行傳感器微調(diào)的結(jié)構(gòu)及實(shí)現(xiàn)通用即插即用（UPnP）的方法等。此前制訂的標(biāo)準(zhǔn)主要是面向有線接入用途，但隨著無(wú)線通信的硬件及軟件價(jià)格的降低，無(wú)線支持功能便被提上了議事日程。IEEEP1451.5將對(duì)物理層的傳送方式等問(wèn)題做出規(guī)定。正在探討IEEE802.15.1（藍(lán)牙協(xié)議）、IEEE802.15.4（介于無(wú)線識(shí)別技術(shù)和藍(lán)牙之間的技術(shù)提案）以及IEEE802.11b等無(wú)線通訊協(xié)議的使用問(wèn)題。還將著手制定耗電量、傳送距離以及接收/發(fā)送部件的成本等方面的標(biāo)準(zhǔn)，推動(dòng)無(wú)線通訊網(wǎng)絡(luò)化儀器的進(jìn)步。四、嵌入式Web傳感器的研究現(xiàn)狀及存在的問(wèn)題正是由于信息傳感器廣泛的市場(chǎng)前景和無(wú)所不在的應(yīng)用領(lǐng)域，如智能交通系統(tǒng)，虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）應(yīng)用、信息家電、家庭自動(dòng)化、工業(yè)自動(dòng)化、POS網(wǎng)絡(luò)、電子商務(wù)、環(huán)境監(jiān)測(cè)及遠(yuǎn)程醫(yī)療等等，國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究正方興未艾，各類(lèi)方法和實(shí)現(xiàn)方案不斷涌現(xiàn)，各有特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)。總體上講，這些研究無(wú)非是兩大類(lèi)，一類(lèi)是直接在智能傳感器上實(shí)現(xiàn)TCP/IP，使之直接連上Internet；另一類(lèi)是智能傳感器通過(guò)公共的TCP/IP轉(zhuǎn)接口（或稱(chēng)網(wǎng)關(guān)Gateway）與Internet相連[4]。4.1直接在智能傳感器上實(shí)現(xiàn)TCP/IP典型代表是HP公司設(shè)計(jì)的一個(gè)測(cè)量流量的信息傳感器模型，它是IEEE1451接口標(biāo)準(zhǔn)的一個(gè)典型應(yīng)用。該傳感器模型是采用BFOOT-66051（一種帶有定制Web頁(yè)的嵌入式以太網(wǎng)控制器）來(lái)設(shè)計(jì)的，STIM（SmartTransducerInterfaceModule，智能變送器接口模塊）用以連接傳感器，NCAP（NetworkCapableApplicationProcessor，網(wǎng)絡(luò)適配器）用以連接Ethernet或Internet。STIM內(nèi)含一個(gè)支持IEEEP1451數(shù)字接口的微處理器，NCAP通過(guò)相應(yīng)的P1451.2接口訪問(wèn)STIM，每個(gè)NCAP網(wǎng)頁(yè)中的內(nèi)容通過(guò)PC機(jī)上的瀏覽器可以在Internet上讀取。STIM和NCAP接口有專(zhuān)用的集成模塊問(wèn)世，如EDI1520，PLCC-44，這就使在片上系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)具有Internet/Intranet功能的網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器成為可能。例如AnalogDevices已經(jīng)推出了基于IEEE1451的MicroConverter系列產(chǎn)品。4.2智能傳感器通過(guò)公共的TCP/IP轉(zhuǎn)接口與Internet相連后一類(lèi)的典型代表是美國(guó)國(guó)家儀器公司的GPIB-ENET控制器模塊，它包含一個(gè)16位微處理器和一個(gè)可以將數(shù)據(jù)流的GPIB格式與Ethernet格式相互轉(zhuǎn)換的軟件，將這個(gè)控制器模塊安裝在傳感器或數(shù)據(jù)采集儀器上，就可以和Internet互通了。另一個(gè)典型代表是Emware的EMIT（嵌入式微互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)），也是利用網(wǎng)間連接器模式的解決方案。中國(guó)單片機(jī)公共實(shí)驗(yàn)室基于EMIT軟件提出的BOL-IST方案在國(guó)內(nèi)相關(guān)研究中有一定優(yōu)勢(shì)。EMIT采用桌面計(jì)算機(jī)或高性能的嵌入式處理器作為網(wǎng)關(guān)，稱(chēng)為EmGateway，上面支持TCP/IP協(xié)議并運(yùn)行HTTP服務(wù)程序，形成一個(gè)用戶(hù)可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)瀏覽器進(jìn)行遠(yuǎn)程訪問(wèn)的服務(wù)器。EmGateway通過(guò)RS-232、RS-485、CAN、紅外及射頻等通信方式與多個(gè)嵌入式設(shè)備聯(lián)系起來(lái)，每個(gè)嵌入式設(shè)備的應(yīng)用程序包含一個(gè)獨(dú)立的通信任務(wù)，稱(chēng)為EmMicro，監(jiān)測(cè)嵌入式設(shè)備中預(yù)先定義的各個(gè)變量，并將結(jié)果反饋到EmGateway中，同時(shí)EmMicro還可以解釋Gateway的命令，修改設(shè)備中的變量，或進(jìn)行某種控制。EmMicro和EmGateway一起為嵌入式設(shè)備中的傳感器/執(zhí)行器提供了Internet/Intranet功能[4]。4.3無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳感器在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳感器方面，英特爾公司已有成型的產(chǎn)品面市。英特爾的網(wǎng)絡(luò)傳感器原型產(chǎn)品是基于現(xiàn)在大量使用的PXA255集成處理器模塊，使用802.11或以太網(wǎng)技術(shù)把傳感器和IP網(wǎng)絡(luò)連接在一起，外形也很小。而用來(lái)感知真實(shí)物理世界的則是只有幾十克重的個(gè)人傳感器節(jié)點(diǎn)(individualsensornode)，包括StrongARM處理器和藍(lán)牙技術(shù)，被稱(chēng)為iMote(智能塵埃)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)調(diào)查平臺(tái)，它含有傳感器、處理器、電池、網(wǎng)絡(luò)連接裝置、存儲(chǔ)單元等一系列我們今天在電腦里才會(huì)看到的功能模塊。個(gè)人iMote能方便拿在手上，有一層白色的塑料保護(hù)膜，像管子附件，使用時(shí)擰開(kāi)塑料帽即可。2002年夏，研究人員把許多被稱(chēng)為“塵?！钡暮苄〉谋O(jiān)控裝置裝到了緬因州海岸的一個(gè)小島上有海燕巢的洞穴中，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳感器監(jiān)測(cè)氣溫、風(fēng)力、鳥(niǎo)兒的活動(dòng)來(lái)進(jìn)行生物學(xué)研究。僅僅三個(gè)月，監(jiān)測(cè)人員就收到300萬(wàn)條信息[8]。五、研究方向產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化是未來(lái)的必然趨勢(shì)，要想使某一種產(chǎn)品得到用戶(hù)的認(rèn)可并得到長(zhǎng)遠(yuǎn)的發(fā)展，必須在設(shè)計(jì)之初就緊跟行業(yè)或國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。IEEE1451為變送器制造商和用戶(hù)提供了一種有效而經(jīng)濟(jì)的方式以支持各種控制網(wǎng)絡(luò)，它的模塊化設(shè)計(jì)思想既簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)步驟，又使不同廠家之間的合作開(kāi)發(fā)成為可能。鑒于短期內(nèi)智能傳感器仍然占據(jù)一定的市場(chǎng)而不會(huì)馬上退出歷史舞臺(tái)，開(kāi)發(fā)一種符合IEEE1451標(biāo)準(zhǔn)的接口模塊以使智能傳感器實(shí)現(xiàn)嵌入式Web傳感器的功能就成為了一種實(shí)用的設(shè)計(jì)方案。六、參考文獻(xiàn)[1]陳忠碧.現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)中的智能傳感器.信號(hào)處理.2000(1)[2]繆曉波.智能傳感器·網(wǎng)絡(luò)傳感器·信息傳感器.信號(hào)處理.2000(1)[3]朱文凱，何嶺松，丁漢.基于Internet的嵌入式Web傳感器.華中科技大學(xué)智能維護(hù)技術(shù)中心.武漢.430074[4]具有Internet/Intranet功能的網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器的現(xiàn)狀與展望.中國(guó)智能建筑專(zhuān)家網(wǎng).[5]PPT.網(wǎng)絡(luò)化儀器.林君.2004年6月28日[6]王衛(wèi)華，丁漢，熊有倫.基于IEEE1451.2標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)傳感器TMI1451.2-KC.《自動(dòng)化儀表》.2001年8月[7]慧聰網(wǎng)電子行業(yè)頻道.基于IEEE1451.1網(wǎng)絡(luò)智能傳感器設(shè)計(jì)[8]英特爾造另類(lèi)Inside：“塵?！毙途W(wǎng)絡(luò)傳感器.深圳新聞網(wǎng)./n/ca611424.htm學(xué)校代碼：學(xué)校代碼：學(xué)號(hào)：中國(guó)石油大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文(申請(qǐng)工學(xué)碩士學(xué)位)能量高效的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂蒲芯繉W(xué)科專(zhuān)業(yè)：計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)培養(yǎng)方向：計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)及應(yīng)用碩士生：指導(dǎo)教師：（副教授）ResearchonEnergy-EfficientTopologyControlinWirelessSensorNetworkThesisSubmittedtoChinainpartialfulfillmentoftherequirementforthedegreeofMasterofEngineeringbyCHENLin(ComputerApplicationTechnology)Tutor:AssociateProfessorZHAOShi-junApril,PAGEi獨(dú)創(chuàng)性聲明 本人聲明所呈交的論文是我個(gè)人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的研究成果。盡我所知，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫(xiě)過(guò)的研究成果，也不包含為獲得中國(guó)石油大學(xué)或其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書(shū)而使用過(guò)的材料。與我一同工作的同志對(duì)本研究所做的任何貢獻(xiàn)均已在論文中作了明確的說(shuō)明并表示了謝意。 簽名： 年月日關(guān)于論文使用授權(quán)的說(shuō)明 本人完全了解XXX大學(xué)有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，即：學(xué)校有權(quán)保留送交論文的復(fù)印件及電子版，允許論文被查閱和借閱；學(xué)?？梢怨颊撐牡娜炕虿糠謨?nèi)容，可以采用影印、縮印或其他復(fù)制手段保存論文。(保密論文在解密后應(yīng)遵守此規(guī)定)學(xué)生簽名：年月日導(dǎo)師簽名：年月日能量高效的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂蒲芯繜o(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由大量能量受限的傳感器節(jié)點(diǎn)組織成的無(wú)中心結(jié)構(gòu)的無(wú)線自組織多跳網(wǎng)絡(luò)。無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)體積微小，攜帶的電池能量有限，研究節(jié)約能量的機(jī)制是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中一項(xiàng)非常重要的工作。拓?fù)淇刂剖枪?jié)能機(jī)制的一項(xiàng)重要研究?jī)?nèi)容，它研究如何在保證網(wǎng)絡(luò)連通性和覆蓋度的情況下，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。介紹了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本概念和相關(guān)技術(shù)，總結(jié)了拓?fù)淇刂频闹饕芯糠较颍槍?duì)層次型拓?fù)淇刂平Y(jié)構(gòu)作了深入的研究。闡述了層次型拓?fù)淇刂频睦碚摶A(chǔ)及網(wǎng)絡(luò)模型，對(duì)網(wǎng)絡(luò)生命周期的定義方法進(jìn)行了理論和實(shí)驗(yàn)討論，研究了該方向的幾種典型算法，實(shí)現(xiàn)了算法的仿真，并對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作出了分析比較。針對(duì)目前大部分骨干網(wǎng)構(gòu)造算法中，只采用單一權(quán)值作為骨干節(jié)點(diǎn)選舉標(biāo)準(zhǔn)的情況，提出了一種組合權(quán)值方法，均衡了每個(gè)權(quán)值因子的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明改進(jìn)的權(quán)值可以?xún)?yōu)化生成的骨干網(wǎng)性能。最后，提出了一種基于分簇結(jié)構(gòu)的骨干網(wǎng)構(gòu)造算法。該算法在將網(wǎng)絡(luò)劃分為若干多跳簇結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，在簇內(nèi)實(shí)施連通支配集構(gòu)造算法優(yōu)化簇內(nèi)結(jié)構(gòu)，形成層次型的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。由于算法引入了能量較強(qiáng)的節(jié)點(diǎn)擔(dān)任簇頭，可以克服簇頭節(jié)點(diǎn)過(guò)早死亡的問(wèn)題，有效延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)壽命。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，算法在高密度的網(wǎng)絡(luò)中，可以明顯優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，具有能量高效性。關(guān)鍵詞：無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，拓?fù)淇刂?，?quán)值，虛擬骨干網(wǎng)ResearchonEnergy-EfficientTopologyControlinWirelessSensorNetworkCHENLin(ComputerApplicationTechnology)DirectedbyAssociateProfessorZHAOShi-junAbstractWirelesssensornetwork,whichisconsistedofahugenumberofenergy-limitedsensornodes,isaself-organization,multi-hop,wirelessnetworkwithoutfixedinfrastructure.Consideringthelimitedbatterycapacity,itisanimportantworktostudyenergyconservingmechanism.Topologycontrolisanimportantcontentofenergyconservingmechanism,itaimsforanoptimizednetworktopologywhichcanguaranteenetworkconnectivityandcoverage.Thebasicconceptionsandtechnologiesofwirelesssensornetworkareintroducedinthispaper,whichsummarizethemainresearchmethodsandespeciallystudyhierarchicaltopologystructure.Thetheoryandnetworkmodelareintroduced,thedefinitionofnetworklifeisanalyzed,andinthiscontext,afewtypicalalgorithmsareanalyzedandcompared.Manybackboneconstructionalgorithmsarebasedonasingleweight,soacombinedweightisintroducedhere,whichisdemonstratedtohaveagoodperformanceandmakeacompromisebetweendifferentweights.Atlast,anenergy-efficientvirtualbackboneconstructionalgorithmbasedonclusteringisbroughtup,whichdividesthenetworkintomuti-hopclusters.Connecteddominatingsetsareconstructedinclusters,andahierarchicaltopologyisfinallybuiltup.Nodeswithhighenergyareusedtoprolongthelivesofclusterheads.Experimentsdemonstratethatthealgorithmcanimprovethenetworktopologyandprolongthelifeofthenetwork,especiallyinnetworkofhighdensity.Keywords：WirelessSensorNetwork,TopologyControl,Weight,VirtualBackbone目錄TOC\o\h\z聲明 i中文摘要 ii英文摘要 iii目錄 v第1章前言 11.1研究背景 11.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 21.3論文研究工作 61.4論文組織結(jié)構(gòu) 6第2章無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)概述 82.1無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的定義 82.2無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu) 82.2.1網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu) 82.2.2節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu) 92.2.3通信體系結(jié)構(gòu) 102.3無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn) 132.3.1特點(diǎn) 132.3.2與現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的區(qū)別 142.4無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用 152.5無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂?152.5.1拓?fù)淇刂聘攀?152.5.2無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂茊?wèn)題的分類(lèi) 172.5.3拓?fù)淇刂扑惴ǖ脑O(shè)計(jì)目標(biāo)和設(shè)計(jì)要素 19第3章無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)層次型拓?fù)淇刂?223.1概述 223.2相關(guān)基礎(chǔ)理論及仿真測(cè)試環(huán)境 233.2.1網(wǎng)絡(luò)模型及相關(guān)定義 233.2.2網(wǎng)絡(luò)生命周期 243.2.3仿真測(cè)試環(huán)境 253.3層次型拓?fù)淇刂频臉?gòu)造算法 263.4典型算法的分析與仿真 293.4.1典型算法的描述 293.4.2仿真結(jié)果分析 33第4章一種改進(jìn)的骨干節(jié)點(diǎn)選舉機(jī)制 364.1概述 374.2權(quán)值因子的計(jì)算方法 394.4.1權(quán)值因子的計(jì)算方法 394.4.2仿真結(jié)果分析 41第5章能量高效的虛擬骨干網(wǎng)構(gòu)造算法(EEVBC) 455.1問(wèn)題的提出 455.2系統(tǒng)假設(shè) 465.3算法模型及符號(hào)描述 475.4算法分析及實(shí)現(xiàn) 485.4.1分簇 495.4.2簇頭節(jié)點(diǎn)的功率控制 495.4.3構(gòu)造簇內(nèi)連通支配集 505.5基于EEVBC算法的簇內(nèi)路由方法 535.6算法性能分析與仿真測(cè)試 535.6.1算法性能分析 535.6.2算法仿真測(cè)試 54第6章總結(jié)與展望 586.1全文總結(jié) 586.2主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn) 596.3存在的問(wèn)題和未來(lái)展望 59參考文獻(xiàn) 61致謝 66個(gè)人簡(jiǎn)歷、在學(xué)期間的研究成果 67中國(guó)石油大學(xué)(華東)碩士論文第1章前言PAGE3 第1章前言1.1研究背景近年來(lái)微電子技術(shù)、計(jì)算技術(shù)和無(wú)線通信等技術(shù)的進(jìn)步，推動(dòng)了低功耗多功能傳感器的快速發(fā)展，使其在微小體積內(nèi)能夠集成信息采集、數(shù)據(jù)處理和無(wú)線通信等多種功能。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WirelessSensorNetwork，WSN）就是由部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)大量的廉價(jià)微型傳感器節(jié)點(diǎn)組成，通過(guò)無(wú)線通信方式形成的一個(gè)多跳的自組織的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中感知對(duì)象的信息，并發(fā)送給觀察者，從而實(shí)現(xiàn)物理世界、計(jì)算世界以及人類(lèi)社會(huì)三元世界的連通。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在環(huán)境與軍事監(jiān)控，地震與氣候預(yù)測(cè)、地下、深水以及外層空間探索等許多方面都具有廣泛的應(yīng)用前景?？梢哉f(shuō)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是信息感知和采集的一場(chǎng)革命，是21世紀(jì)最重要的技術(shù)之一。不同于現(xiàn)有的移動(dòng)通信網(wǎng)、Internet、Adhoc網(wǎng)絡(luò)，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)擁有數(shù)目更巨大、分布更密集的節(jié)點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)不是以全球唯一的地址作為標(biāo)識(shí)，而是以數(shù)據(jù)為中心的，且節(jié)點(diǎn)的電池能量、計(jì)算能力和存儲(chǔ)能力很有限。由于節(jié)點(diǎn)隨時(shí)有可能因電量不足或遭到破壞等原因失效，導(dǎo)致拓?fù)漕l繁變化。因?yàn)樯鲜龅奶攸c(diǎn)，導(dǎo)致已有網(wǎng)絡(luò)中的許多技術(shù)并不能直接應(yīng)用到無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究領(lǐng)域存在著許多新的挑戰(zhàn)。對(duì)于無(wú)線自組織的傳感器網(wǎng)絡(luò)而言，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂凭哂刑貏e重要的意義。如果沒(méi)有拓?fù)淇刂?，網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)都會(huì)以最大傳輸功率工作。這種情況下，一方面，節(jié)點(diǎn)有限的能量將被快速消耗，降低了網(wǎng)絡(luò)的生命周期。同時(shí)，網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)的無(wú)線信號(hào)將覆蓋大量其他節(jié)點(diǎn)，造成無(wú)線信號(hào)沖突頻繁，影響節(jié)點(diǎn)的通信質(zhì)量，降低網(wǎng)絡(luò)的吞吐率。另一方面，在生成的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲袑⒋嬖诖罅康逆溌?，從而?dǎo)致網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔⒘看螅酚捎?jì)算復(fù)雜，浪費(fèi)了寶貴的計(jì)算資源。因此，需要研究無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的拓?fù)淇刂茊?wèn)題，在維持拓?fù)涞哪承┤中再|(zhì)的前提下，通過(guò)各種節(jié)能措施延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生命周期，提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量，降低網(wǎng)絡(luò)干擾，節(jié)約節(jié)點(diǎn)資源。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究起步于20世紀(jì)90年代末期，綜合了傳感器技術(shù)、嵌入式計(jì)算技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)和無(wú)線通信技術(shù)，是計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)中一個(gè)新的研究領(lǐng)域，同時(shí)引起了世界各國(guó)軍事部門(mén)、工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的極大關(guān)注。在軍事領(lǐng)域有20世紀(jì)90年代末期的SensIT項(xiàng)目，美國(guó)陸軍提出的“靈巧傳感器網(wǎng)絡(luò)通信”計(jì)劃，“無(wú)人值守地面?zhèn)鞲衅魅骸表?xiàng)目，美國(guó)海軍確立的“傳感器組網(wǎng)系統(tǒng)”研究項(xiàng)目，等等。除此之外，在環(huán)境監(jiān)測(cè)、醫(yī)療健康等民用領(lǐng)域無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)也得到了廣泛應(yīng)用，2002年，英特爾公司發(fā)布了“基于微型傳感器網(wǎng)絡(luò)的新型計(jì)算發(fā)展規(guī)劃”，2004年，NASA的JPL（JetPropulsionLaboratory）研制了用于空間探索的SensorWebs。在學(xué)術(shù)領(lǐng)域，美國(guó)自然科學(xué)基金委員會(huì)2003年制定了傳感器研究計(jì)劃，投資三千四百萬(wàn)美元，支持相關(guān)基礎(chǔ)理論的研究。在美國(guó)自然科學(xué)基金委員會(huì)的推動(dòng)下，美國(guó)的加州大學(xué)伯克利分校、麻省理工學(xué)院、康奈爾大學(xué)、加州大學(xué)洛杉磯分校等學(xué)校開(kāi)始了傳感器網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)理論和關(guān)鍵技術(shù)的研究，如：加州大學(xué)伯克利分校的PicoRadio項(xiàng)目，加州大學(xué)洛杉磯分校的WINS項(xiàng)目，康奈爾大學(xué)的COUGAR系統(tǒng)等。我國(guó)在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)方面的研究還相對(duì)較少，但一些高校和研究機(jī)構(gòu)已經(jīng)積極開(kāi)展了有關(guān)傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究。國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)自2003年開(kāi)始連續(xù)三年將無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)列為重點(diǎn)項(xiàng)目，課題涉及傳感器網(wǎng)絡(luò)的各個(gè)方面。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)展主要受到微電子技術(shù)水平的制約，隨著科學(xué)的發(fā)展，已經(jīng)研制除了多種傳感器節(jié)點(diǎn)，它們?cè)趯?shí)現(xiàn)原理上是相似的，只是分別采用了不同的微處理器或者通信協(xié)議。比較典型的包括BerkeleyMotes、SensoriaWINS、BerkeleyPiconodes、SmartMeshDustMote等，中科院無(wú)線傳感器項(xiàng)目組成功研制了基于專(zhuān)用低功耗處理器芯片的IPv6無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)軟硬件平臺(tái)。由于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的能量受限性，研究節(jié)約能量的機(jī)制是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中一項(xiàng)非常重要的工作。拓?fù)淇刂圃跐M(mǎn)足網(wǎng)絡(luò)覆蓋度和連通度的前提下，通過(guò)功率控制和骨干網(wǎng)節(jié)點(diǎn)選擇，剔除節(jié)點(diǎn)之間不必要的通信鏈路，形成一個(gè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)控制與優(yōu)化有著十分重要的意義，良好的拓?fù)淇刂茩C(jī)制能夠在保證網(wǎng)絡(luò)連通性和覆蓋度的情況下，盡量高效地使用網(wǎng)絡(luò)能量，延長(zhǎng)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的生存時(shí)間。關(guān)于拓?fù)淇刂频难芯浚饕譃閮蓷l技術(shù)路線：功率控制和拓?fù)涔芾?。功率調(diào)節(jié)的方法通過(guò)調(diào)整發(fā)送節(jié)點(diǎn)的信號(hào)功率來(lái)影響節(jié)點(diǎn)的無(wú)線信號(hào)的覆蓋范圍進(jìn)而調(diào)整網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，同時(shí)降低對(duì)鄰近節(jié)點(diǎn)的干擾，最終提高整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的連通性能。目前在功率控制方面，在2002至2004年間，已經(jīng)提出了COMPOW[1]等統(tǒng)一功率分配算法，LINT/LILT[2]和LMN/LMA[3]等基于節(jié)點(diǎn)度數(shù)的算法，CBTC[4]、LMST[5]、RNG、DRNG和DLSS[6]等基于臨近圖的近似算法。功率控制算法存在著以下缺點(diǎn)：1)大多數(shù)基于功率調(diào)節(jié)的機(jī)制僅僅考慮如何在滿(mǎn)足網(wǎng)絡(luò)的連通性時(shí)，使得節(jié)點(diǎn)的能量消耗量最小。經(jīng)過(guò)功率控制后的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙允瞧矫嫘偷?，并沒(méi)有形成層次型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。2)功率控制后網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)的地位是一樣的，所有節(jié)點(diǎn)都參加路由轉(zhuǎn)發(fā)，因此比僅由少量骨干網(wǎng)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的層次型拓?fù)淇刂平Y(jié)構(gòu)消耗更多能量。拓?fù)涔芾硗ㄟ^(guò)分簇和計(jì)算連通支配集的方法，構(gòu)造虛擬骨干網(wǎng)，使網(wǎng)絡(luò)形成層次型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。由于在這種結(jié)構(gòu)中，節(jié)點(diǎn)可以根據(jù)自己在網(wǎng)絡(luò)中的地位，調(diào)整自己的工作狀態(tài)，使非骨干節(jié)點(diǎn)進(jìn)入睡眠狀態(tài)，因此比功率調(diào)節(jié)的方法更有效的節(jié)約能量。目前，在拓?fù)涔芾矸矫?，?001至2004年，提出了TopDisc成簇算法[7]，GAF虛擬地理網(wǎng)格分簇算法[8]，以及LEACH[9]和HEED[10]算法等自組織成簇算法，以及1999年至2002年提出的WL算法[11]、WAF算法[12,13]等構(gòu)造連通支配集的算法，但是這些算法往往考慮不夠全面，只是針對(duì)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞哪骋环矫孢M(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。TopDisc算法是基于最小支配集的經(jīng)典算法。它利用顏色區(qū)分節(jié)點(diǎn)狀態(tài)，解決骨干網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的形成問(wèn)題。TopDisc算法繼承了圖論中的經(jīng)典算法，是早期成簇算法中的代表，可以使節(jié)點(diǎn)在密集部署的傳感器網(wǎng)絡(luò)中快速地形成分簇結(jié)構(gòu)，并在簇頭之間建立樹(shù)型關(guān)系。但是由于這種算法構(gòu)建成的層次型網(wǎng)絡(luò)靈活性不強(qiáng)，重復(fù)執(zhí)行算法的開(kāi)銷(xiāo)過(guò)大。另外，該算法僅考慮在保證在網(wǎng)絡(luò)覆蓋度的前提下，使全網(wǎng)中所形成的簇個(gè)數(shù)盡量少，而沒(méi)有考慮節(jié)點(diǎn)的剩余能量和網(wǎng)絡(luò)的魯棒性等問(wèn)題。GAF算法是較早采用使冗余節(jié)點(diǎn)處于休眠狀態(tài)以節(jié)省能量方法的算法，該算法以節(jié)點(diǎn)地理位置為依據(jù)將網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分簇。它提出的節(jié)點(diǎn)狀態(tài)轉(zhuǎn)換機(jī)制和按地理位置劃分虛擬單元格等思想具有一定的意義。由于傳感器節(jié)點(diǎn)自身體積和資源受限，這種基于地理位置進(jìn)行分簇的算法對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)提出了更高的要求。另外GAF算法基于平面模型，沒(méi)有考慮到在實(shí)際網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)之間距離的鄰近并不能代表節(jié)點(diǎn)之間可以直接通信的問(wèn)題。LEACH算法是一種自適應(yīng)分簇拓?fù)渌惴?，主要通過(guò)隨機(jī)選擇簇頭，平均分擔(dān)中繼通信業(yè)務(wù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。采用LEACH方法使因能量耗盡而失效的節(jié)點(diǎn)呈隨機(jī)分布狀態(tài)，因而與一般的靜態(tài)聚類(lèi)算法相比，可以有效延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生命周期。但是LEACH假設(shè)所有的節(jié)點(diǎn)都能直接與簇頭節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)通訊，采用連續(xù)數(shù)據(jù)發(fā)送模式和單跳路徑選擇模式，因此在需要監(jiān)測(cè)面積范圍大的應(yīng)用中不適用，而且動(dòng)態(tài)分簇帶來(lái)了拓?fù)渥儞Q和大量廣播這樣的額外開(kāi)銷(xiāo)。WL算法、WAF算法是構(gòu)造連通支配集的算法，可以在初始網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)上形成虛擬骨干網(wǎng)，有效地減少網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的開(kāi)銷(xiāo)，解決洪泛廣播時(shí)廣播風(fēng)暴問(wèn)題。但是，構(gòu)造連通支配集的算法側(cè)重于將路由限制在規(guī)模較小的骨干網(wǎng)內(nèi)，并沒(méi)有考慮拓?fù)淇刂扑惴ㄋ枰_(dá)到的性能。在規(guī)模較大的場(chǎng)景中，不易對(duì)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行管理，同時(shí)，靠近基站的骨干節(jié)點(diǎn)因承擔(dān)流量過(guò)大而首先耗盡能量，造成網(wǎng)絡(luò)分區(qū)并破壞網(wǎng)絡(luò)的連通性，使得網(wǎng)絡(luò)使用壽命嚴(yán)重下降。因此這類(lèi)算法更適合解決簇內(nèi)路由問(wèn)題。目前，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂频难芯坑辛顺醪降倪M(jìn)展。但是大多數(shù)算法停留在理論研究階段或者只作過(guò)少量節(jié)點(diǎn)的模擬，沒(méi)有充分考慮實(shí)際應(yīng)用的諸多困難，傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)淇刂七€不夠完善，對(duì)層次型拓?fù)淇刂七M(jìn)行深入研究仍然是必要的。1.3論文研究工作本論文介紹了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展和現(xiàn)狀，討論了拓?fù)淇刂频闹匾饔煤脱芯糠较颍攸c(diǎn)對(duì)層次型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)控制做出了深入細(xì)致的研究。首先，在閱讀大量文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，討論了構(gòu)造層次型拓?fù)淇刂频姆椒ê突驹怼倪B通性和覆蓋度兩方面出發(fā)，研究了網(wǎng)絡(luò)生命周期的定義方法，為如何評(píng)判算法提供了參考。重點(diǎn)研究了WCA、WL和WAF三種構(gòu)造虛擬骨干網(wǎng)邏輯拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的典型算法，在編制的仿真程序中實(shí)現(xiàn)了這些算法，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)算法的主要性能指標(biāo)進(jìn)行了分析。其次，研究了權(quán)值因子在骨干節(jié)點(diǎn)選舉中的作用，針對(duì)大多數(shù)算法只考慮單一權(quán)值的情況，提出了復(fù)合權(quán)值的計(jì)算公式，并在不同網(wǎng)絡(luò)情況下，對(duì)提出的權(quán)值計(jì)算方法進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)證明在節(jié)點(diǎn)分布密集的情況下，新的權(quán)值可以將網(wǎng)絡(luò)生命周期延長(zhǎng)兩倍以上。論文最后提出了一個(gè)基于分簇的虛擬骨干網(wǎng)構(gòu)造算法，它將網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)按照地理距離最近的原則劃分為若干多跳簇，利用最小連通支配集理論優(yōu)化簇內(nèi)結(jié)構(gòu)，最終在網(wǎng)絡(luò)上形成層次型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，仿真結(jié)果證明算法是能量高效的，在延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生命周期方面具有良好的效果。1.4論文組織結(jié)構(gòu)本論文分為6章。第1章敘述了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)及其產(chǎn)生的背景，同時(shí)介紹了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的國(guó)內(nèi)為研究現(xiàn)狀，并對(duì)本論文的主要研究工作和論文組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行了說(shuō)明。第2章詳細(xì)介紹了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)定義、網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)及相關(guān)研究?jī)?nèi)容、網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)及應(yīng)用領(lǐng)域。最后介紹了拓?fù)淇刂扑惴ǖ亩x、作用，并對(duì)其研究方向進(jìn)行了分類(lèi)闡述。第3章闡述了層次型拓?fù)淇刂频睦碚摶A(chǔ)及符號(hào)描述，對(duì)網(wǎng)絡(luò)生命周期的定義方法進(jìn)行了理論和實(shí)驗(yàn)討論，分析了幾個(gè)典型算法的基本原理并進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)。第4章對(duì)骨干節(jié)點(diǎn)選舉的權(quán)值因子的計(jì)算方式進(jìn)行了改進(jìn)，提出了新的計(jì)算方法，進(jìn)行了仿真，并對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作出了分析。第5章提出了一種新的基于簇的虛擬骨干網(wǎng)構(gòu)造算法EEVBC，詳細(xì)介紹了算法的原理，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。第6章對(duì)本文在課題中所做的工作進(jìn)行全面的總結(jié)，并指出了今后需要做的進(jìn)一步工作。中國(guó)石油大學(xué)(華東)碩士論文第2章無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)概述第2章無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)概述2.1無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的定義無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(wirelesssensornetwork,WSN)是由部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)大量的廉價(jià)微型傳感器節(jié)點(diǎn)組成，通過(guò)無(wú)線通信方式形成的一個(gè)多跳的自組織的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中感知對(duì)象的信息，并發(fā)送給觀察者。傳感器、感知對(duì)象和觀察者構(gòu)成了傳感器網(wǎng)絡(luò)的三個(gè)要素。2.2無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)2.2.1網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)由三個(gè)主要部分組成：大量微型傳感器節(jié)點(diǎn)（Sensornode），基站節(jié)點(diǎn)和任務(wù)管理節(jié)點(diǎn)。網(wǎng)絡(luò)中的傳感器節(jié)點(diǎn)互相協(xié)作，監(jiān)測(cè)用戶(hù)感興趣的區(qū)域，收集監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)并傳輸給基站節(jié)點(diǎn)。圖2-1表示一個(gè)典型的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如圖所示，大量傳感器節(jié)點(diǎn)隨機(jī)部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域（Sensorfield）內(nèi)部或附近，這一過(guò)程是通過(guò)飛行器撒播、人工埋置和火箭彈射等方式完成的，節(jié)點(diǎn)以自組織方式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)。傳感器節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)沿著其它傳感器節(jié)點(diǎn)以多跳中繼方式傳輸，在傳輸過(guò)程中監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可能與多個(gè)節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，經(jīng)過(guò)多跳路由后數(shù)據(jù)到達(dá)基站節(jié)點(diǎn)，最終通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)或衛(wèi)星直接或間接地到達(dá)管理節(jié)點(diǎn)。用戶(hù)通過(guò)管理節(jié)點(diǎn)對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行配置和管理，發(fā)布監(jiān)測(cè)任務(wù)以及收集監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。圖2-1無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)2.2.2節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)傳感器節(jié)點(diǎn)是一個(gè)裝配有傳感器、收發(fā)器、處理器、存儲(chǔ)器等設(shè)備的微型嵌入式系統(tǒng)。在傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的不同場(chǎng)合，傳感器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)會(huì)有所不同，但通常包括以下四個(gè)基本模塊：傳感器模塊、處理器模塊、無(wú)線通信模塊和能量供應(yīng)模塊，如圖2-1所示。(1)傳感器模塊由傳感器和模數(shù)轉(zhuǎn)換功能模塊組成，負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)信息的采集和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。(2)處理器模塊包括CPU、處理器和嵌入式操作系統(tǒng)等，負(fù)責(zé)控制整個(gè)傳感器節(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)發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)。(3)無(wú)線通信模塊無(wú)線通信模塊負(fù)責(zé)與其他傳感器節(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)。無(wú)線通信模塊存在發(fā)送、接收、空閑、睡眠四種狀態(tài)。無(wú)線通信模塊在空閑狀態(tài)監(jiān)聽(tīng)無(wú)線信道使用情況，而在睡眠狀態(tài)則關(guān)閉通信模塊。(4)能量供應(yīng)模塊能量供應(yīng)模塊為傳感器節(jié)點(diǎn)提供運(yùn)行所需的能量，通常采用微型電池。此外，可以選擇的其他功能單元包括：定位系統(tǒng)、移動(dòng)系統(tǒng)以及電源自供電系統(tǒng)等。2.2.3通信體系結(jié)構(gòu)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)與通信網(wǎng)絡(luò)不同，研究人員參照OSI五層協(xié)議模型，提出了多個(gè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議體系結(jié)構(gòu)框架，大部分框架都是由文獻(xiàn)[14]提出的五層協(xié)議棧細(xì)化改進(jìn)而來(lái)的。圖2-2是通過(guò)綜合文獻(xiàn)[15,16,17]提出的幾種框架得到的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧。拓?fù)淇刂茟?yīng)用層傳輸層網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)鏈路層時(shí)間同步定位物理層拓?fù)淇刂茟?yīng)用層傳輸層網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)鏈路層時(shí)間同步定位物理層(1)各層網(wǎng)絡(luò)協(xié)議①物理層負(fù)責(zé)信道的選擇、無(wú)線信號(hào)的監(jiān)測(cè)、信號(hào)的發(fā)送與接收等，物理層的設(shè)計(jì)目標(biāo)是以盡可能少的能量損耗獲得較大的鏈路容量。②數(shù)據(jù)鏈路層負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)成幀、幀檢測(cè)、媒體訪問(wèn)和差錯(cuò)控制。③網(wǎng)絡(luò)層主要負(fù)責(zé)分組路由、網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)、擁塞控制等。④傳輸層負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)流的傳輸控制，提供可靠的、開(kāi)銷(xiāo)合理的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)。⑤應(yīng)用層包括一系列基于監(jiān)測(cè)任務(wù)的應(yīng)用層軟件。(2)網(wǎng)絡(luò)管理技術(shù)①能量管理能量管理部分管理傳感器節(jié)點(diǎn)如何使用能源，在每個(gè)協(xié)議層次中都要增加能量控制代碼，并提供給操作系統(tǒng)進(jìn)行能量分配決策。②拓?fù)淇刂仆負(fù)淇刂评梦锢韺?、鏈路層或路由層完成拓?fù)渖?，反過(guò)來(lái)又為它們提供基礎(chǔ)信息支持，優(yōu)化MAC協(xié)議和路由協(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。③Qos支持是網(wǎng)絡(luò)與用戶(hù)之間關(guān)于信息傳輸與共享的質(zhì)量的約定。為滿(mǎn)足用戶(hù)要求，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)必須能夠?yàn)橛脩?hù)提供足夠的資源，以用戶(hù)可以接收的性能指標(biāo)工作。由于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)特殊的應(yīng)用要求以及高度受限的資源，其Qos問(wèn)題與IP網(wǎng)絡(luò)的Qos問(wèn)題有很大的差別，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的Qos是建立在盡力而為的、不可靠的數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕A(chǔ)上，無(wú)法為業(yè)務(wù)流提供可預(yù)測(cè)的傳輸服務(wù)，有人提出了基于中間件方案的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)主動(dòng)Qos機(jī)制[18]。④網(wǎng)絡(luò)安全無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)多用于軍事、商業(yè)領(lǐng)域，安全性是其走向?qū)嵱玫年P(guān)鍵問(wèn)題。由于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)隨機(jī)部署、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞膭?dòng)態(tài)性、信道的不穩(wěn)定性以及節(jié)點(diǎn)資源的嚴(yán)重受限，使傳統(tǒng)的安全機(jī)制無(wú)法適用。因此需要設(shè)計(jì)新型的網(wǎng)絡(luò)安全機(jī)制?？山梃b括頻通信、接入認(rèn)證/鑒權(quán)、數(shù)字水印、數(shù)據(jù)加密等技術(shù)。⑤移動(dòng)控制移動(dòng)控制檢測(cè)并注冊(cè)傳感器節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)，維護(hù)到匯聚節(jié)點(diǎn)的路由，使得傳感器節(jié)點(diǎn)能夠動(dòng)態(tài)跟蹤其鄰居的位置。⑥網(wǎng)絡(luò)管理網(wǎng)絡(luò)管理負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)維護(hù)、診斷，并向用戶(hù)提供網(wǎng)絡(luò)管理服務(wù)接口，通常包含數(shù)據(jù)收集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)分析和故障處理等功能。需要根據(jù)WSN的能量受限、自組織、節(jié)點(diǎn)易損壞等特點(diǎn)設(shè)計(jì)新型的全分布式網(wǎng)絡(luò)管理機(jī)制。(3)應(yīng)用支撐技術(shù)①時(shí)間同步無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信協(xié)議和應(yīng)用要求各節(jié)點(diǎn)間的時(shí)鐘必須保持同步，多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)相互配合工作，確定節(jié)點(diǎn)休眠也要求時(shí)鐘同步?，F(xiàn)在廣泛采用的NTP協(xié)議和GPS系統(tǒng)不適用于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，2002年無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的時(shí)間同步機(jī)制被作為一個(gè)獨(dú)立的研究課題提出。②節(jié)點(diǎn)定位節(jié)點(diǎn)定位是指確定傳感器節(jié)點(diǎn)位置的機(jī)制，根據(jù)定位過(guò)程中是否實(shí)際測(cè)量節(jié)點(diǎn)間的距離或角度，分為基于距離的定位和距離無(wú)關(guān)的定位。由于基于距離的定位對(duì)硬件要求很高，而距離無(wú)關(guān)的定位精度能滿(mǎn)足大多數(shù)應(yīng)用的需要，因此目前的研究重點(diǎn)集中在距離無(wú)關(guān)的定位機(jī)制。2.3無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)2.3.1特點(diǎn)(1)節(jié)點(diǎn)資源受限無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)體積微小，攜帶的電池能量有限，且部署區(qū)域廣大而復(fù)雜，更換電池不現(xiàn)實(shí)。如何高效使用能量來(lái)最大化網(wǎng)絡(luò)周期是其面臨的首要挑戰(zhàn)。此外，節(jié)點(diǎn)是一種微型嵌入式設(shè)備，其計(jì)算能力和存儲(chǔ)能力相當(dāng)有限。(2)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)數(shù)目巨大，部署密集。(3)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是動(dòng)態(tài)的自組織網(wǎng)絡(luò)在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)是通過(guò)飛機(jī)播撒等方式隨機(jī)部署到監(jiān)測(cè)區(qū)域的，節(jié)點(diǎn)的位置不能預(yù)先精確設(shè)定，相互間的鄰居關(guān)系也無(wú)法預(yù)先得知。傳感器節(jié)點(diǎn)具有自組織的能力，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)。在通信過(guò)程中，節(jié)點(diǎn)會(huì)隨時(shí)因?yàn)槟茉春谋M而離開(kāi)網(wǎng)絡(luò)，也可能因?yàn)槟撤N需要而隨時(shí)進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)，從而引起網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞念l繁變化，影響通信質(zhì)量。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)不僅可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)組網(wǎng)，還具有網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)配置和自動(dòng)維護(hù)功能，保證了網(wǎng)絡(luò)的通信質(zhì)量。(4)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是以數(shù)據(jù)為中心的網(wǎng)絡(luò)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)數(shù)目巨大，而且由于網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞膭?dòng)態(tài)特性和節(jié)點(diǎn)放置的隨機(jī)性，節(jié)點(diǎn)沒(méi)有全球唯一的IP地址標(biāo)識(shí)，而是采用節(jié)點(diǎn)編號(hào)標(biāo)識(shí)，節(jié)點(diǎn)編號(hào)與節(jié)點(diǎn)位置沒(méi)有必然聯(lián)系。用戶(hù)對(duì)所需數(shù)據(jù)的收集，是以數(shù)據(jù)為中心進(jìn)行，并不依靠節(jié)點(diǎn)的標(biāo)號(hào)。(5)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是面向應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用在不同的領(lǐng)域，各領(lǐng)域應(yīng)用對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的要求也各不相同。針對(duì)不同的應(yīng)用，可以將無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)按動(dòng)態(tài)性、數(shù)據(jù)傳輸模式、實(shí)時(shí)性、節(jié)點(diǎn)散布方式等進(jìn)行分類(lèi)，對(duì)于每一類(lèi)網(wǎng)絡(luò)采用不同的設(shè)計(jì)方法。針對(duì)每一個(gè)具體應(yīng)用來(lái)研究無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，這是其本身不同于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的顯著特征。2.3.2與現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的區(qū)別無(wú)線自組網(wǎng)（MANET）是一個(gè)由幾十到上百個(gè)節(jié)點(diǎn)組成的、采用無(wú)線通信方式的、動(dòng)態(tài)組網(wǎng)的多跳的移動(dòng)性對(duì)等網(wǎng)絡(luò)。其目的是通過(guò)動(dòng)態(tài)路由和移動(dòng)管理技術(shù)傳輸具有服務(wù)質(zhì)量要求的多媒體信息流。通常節(jié)點(diǎn)具有持續(xù)的能量供給。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)雖與無(wú)線自組網(wǎng)相似，但也存在著很大的差別。體現(xiàn)在：(1)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)目更為龐大（上千甚至上萬(wàn)），節(jié)點(diǎn)分布更為密集（能高達(dá)20個(gè)/m3[19]）。(2)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)一般不進(jìn)行快速移動(dòng)，但節(jié)點(diǎn)可能會(huì)隨時(shí)加入或離開(kāi)，因而網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)渥兓芸臁?3)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的電池能量、計(jì)算能力和存儲(chǔ)能力相當(dāng)有限。2.4無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)有著巨大的應(yīng)用前景，非常適合應(yīng)用于軍事偵察、環(huán)境監(jiān)測(cè)、醫(yī)療護(hù)理等重要和特殊的環(huán)境，被認(rèn)為是21世紀(jì)最重要的技術(shù)之一。隨著傳感器技術(shù)、無(wú)線通信技術(shù)、計(jì)算技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，各種無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)將遍布我們生活環(huán)境，從而真正實(shí)現(xiàn)“無(wú)處不在的計(jì)算”。表2-1列出了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的一些應(yīng)用。表2-1無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用領(lǐng)域任務(wù)軍事應(yīng)用監(jiān)控友方部署、裝備、軍火情況；戰(zhàn)場(chǎng)監(jiān)視；定位；戰(zhàn)場(chǎng)損失評(píng)估；核、生化武器攻擊監(jiān)測(cè)和偵察環(huán)境應(yīng)用森林防火；洪水監(jiān)測(cè)；污染監(jiān)控；精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)；生物種群研究醫(yī)療應(yīng)用無(wú)線監(jiān)測(cè)人體生理數(shù)據(jù)；醫(yī)院藥品管理；老年人健康狀況監(jiān)控；遠(yuǎn)程醫(yī)療建筑及城市管理智能家居；建筑安全；智能交通其它應(yīng)用空間探索等2.5無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂?.5.1拓?fù)淇刂聘攀鐾負(fù)淇刂萍夹g(shù)是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的基本問(wèn)題。動(dòng)態(tài)變化的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是WSN最大特點(diǎn)之一，因此拓?fù)淇刂撇呗栽赪SN中有著重要的意義。傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)湫畔⒑屯負(fù)涔芾硎前诼酚刹呗灾械?。最近許多研究人員在研究WSN時(shí)，都不約而同地將拓?fù)涔芾韽木W(wǎng)絡(luò)層分離出來(lái)，而是在MAC層和Network層之間引入拓?fù)涔芾?控制層。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂浦饕芯康膯?wèn)題是：在滿(mǎn)足網(wǎng)絡(luò)覆蓋度和連通度的前提下，通過(guò)功率控制和骨干網(wǎng)節(jié)點(diǎn)選擇，剔除節(jié)點(diǎn)之間不必要的通信鏈路，形成一個(gè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。良好的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)能夠提高路由協(xié)議和MAC協(xié)議的效率，為數(shù)據(jù)融合、時(shí)間同步和目標(biāo)定位等很多方面提供基礎(chǔ)，有利于延長(zhǎng)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的生存時(shí)間。在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)控制與優(yōu)化有著十分重要的意義，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：(1)影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的生存時(shí)間。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)一般采用電池供電，節(jié)省能量是網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)主要考慮的問(wèn)題之一。拓?fù)淇刂频囊粋€(gè)重要目標(biāo)就是在保證網(wǎng)絡(luò)連通性和覆蓋度的情況下，盡量高效地使用網(wǎng)絡(luò)能量，延長(zhǎng)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的生存時(shí)間。(2)減小節(jié)點(diǎn)間的通信干擾，提高網(wǎng)絡(luò)通信效率。無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)通常密集部署，如果每個(gè)節(jié)點(diǎn)都以大功率進(jìn)行通信，會(huì)加劇節(jié)點(diǎn)之間的干擾，減低通信效率，并造成節(jié)點(diǎn)能量的浪費(fèi)。另一方面，如果選擇太小的發(fā)射功率，會(huì)影響網(wǎng)絡(luò)的連通性。所以，拓?fù)淇刂浦械墓β士刂剖墙鉀Q這個(gè)矛盾的重要途徑之一。(3)為路由協(xié)議提供基礎(chǔ)。在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，只有活動(dòng)的節(jié)點(diǎn)才能夠進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，而拓?fù)淇刂瓶梢源_定有哪些節(jié)點(diǎn)作為轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，同時(shí)確定節(jié)點(diǎn)之間的鄰居關(guān)系。(4)影響數(shù)據(jù)融合。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)融合是指?jìng)鞲衅鞴?jié)點(diǎn)將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送給骨干節(jié)點(diǎn)，骨干節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，并把融合結(jié)果發(fā)送給數(shù)據(jù)收集節(jié)點(diǎn)。而骨干節(jié)點(diǎn)的選擇是拓?fù)淇刂频囊豁?xiàng)重要內(nèi)容。(5)彌補(bǔ)節(jié)點(diǎn)失效的影響。傳感器節(jié)點(diǎn)可能部署在惡劣環(huán)境中，在軍事應(yīng)用中甚至部署在敵方區(qū)域中，所以很容易受到破壞而失效。這就要求網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有魯棒性以適應(yīng)這種情況。2.5.2無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂茊?wèn)題的分類(lèi)目前，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂频难芯坑辛顺醪降倪M(jìn)展，研究人員一方面從adhoc網(wǎng)絡(luò)借鑒了寶貴經(jīng)驗(yàn)；另一方面針對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)自身的特點(diǎn)，提出了形式多樣、側(cè)重點(diǎn)不同的拓?fù)淇刂扑惴?。具體地講，從不同的研究方向出發(fā)，節(jié)約能量的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)淇刂瓶梢苑譃閮纱箢?lèi)：節(jié)點(diǎn)的功率控制和拓?fù)涔芾?，如圖2-3所示。圖2-3拓?fù)淇刂扑惴ǖ姆诸?lèi)(1)功率控制功率調(diào)節(jié)的方法通過(guò)調(diào)整發(fā)送節(jié)點(diǎn)的信號(hào)功率來(lái)影響節(jié)點(diǎn)的無(wú)線信號(hào)的覆蓋范圍進(jìn)而調(diào)整網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，同時(shí)降低對(duì)鄰近節(jié)點(diǎn)的干擾，最終提高整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的連通性能。功率調(diào)節(jié)方法可以在保證網(wǎng)絡(luò)的連通性和覆蓋度的前提下使得節(jié)點(diǎn)的能量消耗最小，同時(shí)增加網(wǎng)絡(luò)的容量、降低節(jié)點(diǎn)之間的干擾。目前在功率控制方面，已經(jīng)提出了COMPOW等統(tǒng)一功率分配算法，LINT/LILT和LMN/LMA等基于節(jié)點(diǎn)度數(shù)的算法，CBTC、LMST、RNG、DRNG和DLSS等基于臨近圖的近似算法。大多數(shù)基于功率調(diào)節(jié)的機(jī)制僅僅考慮如何在滿(mǎn)足網(wǎng)絡(luò)的連通性時(shí)，使得節(jié)點(diǎn)的能量消耗量最小。功率控制后僅僅是刪除網(wǎng)絡(luò)多余鏈路，使網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D中邊的數(shù)量減少，在網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)的地位是一樣的，也即經(jīng)過(guò)功率控制后的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙允瞧矫嫘偷模](méi)有形成層次型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。平面結(jié)構(gòu)理論上不存在瓶頸節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)比較健壯，但在網(wǎng)絡(luò)規(guī)模較大，特別是在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓^頻繁的情況下，平面結(jié)構(gòu)具有控制開(kāi)銷(xiāo)大，路由經(jīng)常中斷等缺點(diǎn)，并且很難實(shí)施集中式的網(wǎng)絡(luò)管理和控制。(2)拓?fù)涔芾頍o(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)冗余度很大，每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都有許多鄰居節(jié)點(diǎn)在它的功率覆蓋范圍內(nèi)。依據(jù)這個(gè)特點(diǎn)，如果采用一定機(jī)制選擇某些關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)作為骨干網(wǎng)節(jié)點(diǎn)，打開(kāi)其通信模塊，并關(guān)閉非骨干節(jié)點(diǎn)的通信模塊，由骨干節(jié)點(diǎn)構(gòu)建一個(gè)連通網(wǎng)絡(luò)來(lái)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的路由轉(zhuǎn)發(fā)。這樣既能保證原有覆蓋范圍內(nèi)的通信，也能在很大程度上節(jié)省能量。在這種拓?fù)涔芾頇C(jī)制下，網(wǎng)絡(luò)最終形成一個(gè)層次型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)可以劃分為骨干網(wǎng)節(jié)點(diǎn)和普通節(jié)點(diǎn)兩類(lèi)，骨干網(wǎng)節(jié)點(diǎn)對(duì)周?chē)钠胀ü?jié)點(diǎn)進(jìn)行管轄，將隸屬于它的節(jié)點(diǎn)傳來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合并轉(zhuǎn)發(fā)。目前在拓?fù)涔芾矸矫?，提出了TopDisc成簇算法，GAF虛擬地理網(wǎng)格分簇算法，以及LEACH和HEED等自組織成簇算法。但是這些算法往往考慮不夠全面，只是針對(duì)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞哪骋环矫孢M(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。例如，TopDisc算法僅考慮在保證在網(wǎng)絡(luò)覆蓋度的前提下，使全網(wǎng)中所形成的簇個(gè)數(shù)盡量少，而沒(méi)有考慮節(jié)點(diǎn)的剩余能量和網(wǎng)絡(luò)的魯棒性等問(wèn)題；基于地理網(wǎng)格分簇的GAF及其改進(jìn)算法需要節(jié)點(diǎn)的精確位置信息；基于臨近圖的近似算法需要臨近節(jié)點(diǎn)信息過(guò)多且運(yùn)算量大，現(xiàn)階段在傳感器網(wǎng)絡(luò)中還不實(shí)用?？梢?jiàn)，傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)淇刂七€不夠完善，大部分算法處于理論研究階段，而且，隨著傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，拓?fù)溲芯康姆诸?lèi)己經(jīng)沒(méi)有那么嚴(yán)格，往往是多種方式的結(jié)合，并引入啟發(fā)性、數(shù)據(jù)捎帶等機(jī)制，以達(dá)到能量節(jié)省和拓?fù)淇焖傩纬傻哪康摹?.5.3拓?fù)淇刂扑惴ǖ脑O(shè)計(jì)目標(biāo)和設(shè)計(jì)要素通過(guò)研讀大量的相關(guān)文獻(xiàn)，認(rèn)識(shí)到影響拓?fù)湫阅艿囊蛩剌^多，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：算法的分布式程度一般情況下，在無(wú)線多跳網(wǎng)絡(luò)中，不設(shè)置認(rèn)證中心，節(jié)點(diǎn)只能依據(jù)自身從網(wǎng)絡(luò)中收集的信息作出決策。另外，任何一種涉及到節(jié)點(diǎn)間同步的通信協(xié)議都有建立通信的開(kāi)銷(xiāo)。顯然，如果節(jié)點(diǎn)了解全局的拓?fù)浜途W(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)的電量，就能作出最優(yōu)的決策，如果不計(jì)同步消息的開(kāi)銷(xiāo)，得到的是最優(yōu)的性能。但是，如果所有的節(jié)點(diǎn)都要了解全局信息，那么同步消息產(chǎn)生的開(kāi)銷(xiāo)要多于數(shù)據(jù)消息。節(jié)點(diǎn)依據(jù)本地信息作出決策，得到的雖然是次優(yōu)解，但考慮到系統(tǒng)的開(kāi)銷(xiāo)，因此，采取分布式而非集中式算法是必要的。能量消耗能量?jī)?yōu)化是無(wú)線多跳網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂蒲芯康囊粋€(gè)重要目標(biāo)。目前研究人員從傳感器節(jié)點(diǎn)的物理性能及各層網(wǎng)絡(luò)協(xié)議等各方面考慮引進(jìn)能量?jī)?yōu)化策略，Chandrakasan等人指出，設(shè)計(jì)能量消耗最小化的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)成功應(yīng)用的關(guān)鍵[20]。連通性為了實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)間的互相通信，生成的拓?fù)浔仨毐ＷC連通性，即從任何一個(gè)結(jié)點(diǎn)都可以發(fā)送消息到另外一個(gè)結(jié)點(diǎn)。連通性是任何拓?fù)淇刂扑惴ǘ急仨毐ＷC的一個(gè)性質(zhì)。(4)覆蓋度生成的拓?fù)浔仨毐ＷC足夠大的覆蓋度，即覆蓋面積足夠大的監(jiān)測(cè)區(qū)域。一個(gè)覆蓋度高的拓?fù)鋺?yīng)該盡量避免感知空洞和盲點(diǎn)。如何實(shí)現(xiàn)最優(yōu)覆蓋是網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涔芾淼年P(guān)鍵內(nèi)容，直接關(guān)系到傳感器監(jiān)測(cè)物理空間的效果程度。根據(jù)[21]，衡量全網(wǎng)覆蓋情況有一個(gè)量化指標(biāo)—平均每節(jié)點(diǎn)的覆蓋率c(%)，c=所有節(jié)點(diǎn)覆蓋區(qū)域面積／(N×π×R2)。(5)稀疏性指生成的拓?fù)鋱D中的邊數(shù)為O(n)，其中n是節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)。減少拓?fù)渲械倪厰?shù)可以有效減少網(wǎng)絡(luò)中的干擾，提高網(wǎng)絡(luò)的吞吐率。稀疏性還可以簡(jiǎn)化路由計(jì)算。(6)對(duì)稱(chēng)性指如果從結(jié)點(diǎn)i到結(jié)點(diǎn)j有一條邊，那么一定存在從結(jié)點(diǎn)j到結(jié)點(diǎn)i的邊。由于非對(duì)稱(chēng)鏈路在目前的MAC協(xié)議中沒(méi)有得到很好的支持，而且非對(duì)稱(chēng)鏈路通信的開(kāi)銷(xiāo)很大，因此一般都要求生成的拓?fù)渲墟溌肥菍?duì)稱(chēng)的。(7)節(jié)點(diǎn)的度數(shù)一個(gè)節(jié)點(diǎn)的度數(shù)是指所有距離該節(jié)點(diǎn)一跳的鄰居節(jié)點(diǎn)的數(shù)目。在無(wú)線多跳網(wǎng)絡(luò)中，降低節(jié)點(diǎn)的度數(shù)，可以減少信道競(jìng)爭(zhēng)和干擾，同時(shí)減少節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)消息的數(shù)量和路由計(jì)算的復(fù)雜度。(8)魯棒性由于傳感器節(jié)點(diǎn)攜帶的電能有限，容易因電能耗盡而失效，無(wú)線通信鏈路易受環(huán)境影響而無(wú)法保證通信質(zhì)量，還有一些節(jié)點(diǎn)在具體應(yīng)用中可能有移動(dòng)性，另外還有一些新的節(jié)點(diǎn)會(huì)加入進(jìn)來(lái)，這些因素都會(huì)造成網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化。這就要求拓?fù)淇刂凭哂恤敯粜院涂蓴U(kuò)展性，可以適應(yīng)變化，保證網(wǎng)絡(luò)的連通性和覆蓋度。中國(guó)石油大學(xué)(華東)碩士論文第3章無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)層次型拓?fù)淇刂频?章無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)層次型拓?fù)淇刂?.1概述在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點(diǎn)擔(dān)任著普通節(jié)點(diǎn)與路由器的雙重職責(zé)。與傳統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)存在著顯著不同，由于無(wú)中心控制，這種網(wǎng)絡(luò)最初的結(jié)構(gòu)是平面式的。平面式結(jié)構(gòu)具有減少擁塞、消除瓶頸現(xiàn)象的優(yōu)點(diǎn)，但在節(jié)點(diǎn)數(shù)目增多時(shí)路由開(kāi)銷(xiāo)很大,可擴(kuò)展性較差，因此平面式結(jié)構(gòu)不適合無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，從而使構(gòu)造層次型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)成為必要。另一方面，由于自身體積的限制，傳感器節(jié)點(diǎn)的能量有限，合理的管理能量能夠有效的延長(zhǎng)傳感器網(wǎng)絡(luò)的壽命。無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)的無(wú)線通信模塊存在發(fā)送、接收、空閑（或監(jiān)聽(tīng)）和睡眠四種狀態(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，而在睡眠狀態(tài)則關(guān)閉通信模塊。研究人員在能量消耗模型方面做了大量的工作，通過(guò)測(cè)量，研究人員得到了無(wú)線通信模塊在各種狀態(tài)時(shí)消耗能量的比例。Kasten等人得到發(fā)送：接收：空閑≈1：0.8：0.4[22]，Chen等人得到的比例有所不同，為1：0.7：0.6[23]，而Stemmet等人得到的比例1：0.75：0.71[24]。由上面數(shù)據(jù)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，在睡眠狀態(tài)的能量消耗最小，最重要的結(jié)論是在空閑狀態(tài)的能量消耗與在接受狀態(tài)的能量消耗相當(dāng)，是不可忽略的。因此，制定恰當(dāng)?shù)墓芾聿呗允咕W(wǎng)絡(luò)中的冗余節(jié)點(diǎn)從空閑模式轉(zhuǎn)換為睡眠模式將能明顯地節(jié)約能量。在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，考慮依據(jù)一定機(jī)制選擇某些節(jié)點(diǎn)作為骨干網(wǎng)節(jié)點(diǎn)，打開(kāi)其通信模塊，并關(guān)閉非骨干節(jié)點(diǎn)的通信模塊，由骨干節(jié)點(diǎn)構(gòu)建一個(gè)連通網(wǎng)絡(luò)來(lái)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的路由轉(zhuǎn)發(fā)。這樣既能保證原有覆蓋范圍內(nèi)的通信，也能在很大程度上節(jié)省能量。在這種拓?fù)涔芾頇C(jī)制下，網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)可以劃分為骨干網(wǎng)節(jié)點(diǎn)和普通節(jié)點(diǎn)兩類(lèi)。骨干網(wǎng)節(jié)點(diǎn)對(duì)周?chē)钠胀ü?jié)點(diǎn)進(jìn)行管轄。層次型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有很多優(yōu)點(diǎn)，例如，由簇頭節(jié)點(diǎn)擔(dān)負(fù)數(shù)據(jù)融合的任務(wù)，減少了數(shù)據(jù)通信量；分簇式的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有利于分布式算法的應(yīng)用，適合大規(guī)模部署的網(wǎng)絡(luò)；由于大部分節(jié)點(diǎn)在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)關(guān)閉通信模塊，所以顯著地延長(zhǎng)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的生存時(shí)間等。因此，對(duì)于大規(guī)模無(wú)線多跳的自組織網(wǎng)絡(luò)，如何求解其虛擬骨干網(wǎng)，形成層次型拓?fù)淇刂平Y(jié)構(gòu)是目前學(xué)術(shù)界的一個(gè)熱點(diǎn)問(wèn)題。3.2相關(guān)基礎(chǔ)理論及仿真測(cè)試環(huán)境3.2.1網(wǎng)絡(luò)模型及相關(guān)定義定義1：無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以用二維平面上的單位圓圖（UDG）來(lái)建模，即利用無(wú)向圖G=(V,E)描述網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其中：V是一組節(jié)點(diǎn)的集合，每個(gè)節(jié)點(diǎn)si表示一個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)；E是一組邊的集合，R(si)表示節(jié)點(diǎn)si的傳輸半徑，每條邊（其中，）表示。定義2：在圖G=(V,E)中，若找到一個(gè)V的一個(gè)子集，，對(duì)于，S都至少與V-S中的一個(gè)節(jié)點(diǎn)相鄰，則稱(chēng)S是圖G的支配集DS(DominatingSet)，DS中的節(jié)點(diǎn)稱(chēng)為支配節(jié)點(diǎn)，不在該集中的節(jié)點(diǎn)稱(chēng)為被支配節(jié)點(diǎn)。如果由S誘導(dǎo)的子圖G[S]是連通的，則S是連通支配集CDS(ConnectedDominatingSet)，如果不存在任何其它支配集，使，則S稱(chēng)為最小連通支配集MCDS(MininmumConnectedDominatingSet)。定義3：頂點(diǎn)集S是圖G=(V,E)的獨(dú)立集，當(dāng)且僅當(dāng)S中任何2個(gè)頂點(diǎn)在G中是不相鄰的。如果不存在任何其它獨(dú)立集，使，則S稱(chēng)為最大獨(dú)立集MIS(MaxIndependentSet)。3.2.2網(wǎng)絡(luò)生命周期無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)體積微小，攜帶的電池能量有限，且部署區(qū)域廣大而復(fù)雜，更換電池不現(xiàn)實(shí)。如何高效使用能量來(lái)最大化網(wǎng)絡(luò)生命周期是其面臨的首要挑戰(zhàn)，網(wǎng)絡(luò)的生命周期是評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)方案性能的重要指標(biāo)。如何定義傳感器網(wǎng)絡(luò)的壽命是首先需要回答的一個(gè)問(wèn)