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？ 无线传感器网络无线传感器网络(Wireless Sensor (Wireless Sensor NetworkNe
2、twork，WSN)WSN)是由具有感知、处理和无是由具有感知、处理和无线通信能力的微型节点通过自组织方式形线通信能力的微型节点通过自组织方式形成的网络，是一种全新的信息获取平台，成的网络，是一种全新的信息获取平台，能够实时监测和采集网络分布区域内的各能够实时监测和采集网络分布区域内的各种检测对象的信息，并将这些信息发送到种检测对象的信息，并将这些信息发送到网关节点，以实现复杂的指定范围内目标网关节点，以实现复杂的指定范围内目标检测与跟踪，具有快速展开、抗毁性强等检测与跟踪，具有快速展开、抗毁性强等特点，有着广阔的应用前景。特点，有着广阔的应用前景。2.1.22.1.2 无线传感器网络体系结构
3、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)。
4、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MANETMANET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 1.1.物理
5、层关键技术；物理层关键技术； 2.2.信道接入技术；信道接入技术； 3.3.无线传感器网络路由；无线传感器网络路由； 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； 5. 5.无线传感器网络覆盖技术；无线传感器网络覆盖技术； 6. 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；7.7.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
6、络的发展现状与趋无线传感器网络的发展现状与趋势势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
7、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收到的其他节点发送的数据进行综合，转发回监控终端数据和收到的其他节点发送的数据进行综合，转发
8、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2.2.12.2.1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由南京邮电大学传感网研究中心自主研发的中心自主研发的UbiCellUbiCell系列节点是系列节点是国内无线传感器网络节点的典型代表国内无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之一，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发套件。开发套件包括多种规格的UbiCellUbiCell系列节点、可插拔下载编程系列节点、可插拔下载编程转接器、可上传式烧写器等部分。转接器、可
9、上传式烧写器等部分。UbiCellUbiCell套件提供了完整的无线传感套件提供了完整的无线传感器网络节点的开发平台。器网络节点的开发平台。 国外的许多机构由于对无线传感器网国外的许多机构由于对无线传感器网络的研究起步较早，因此已开发成功的传感器节络的研究起步较早，因此已开发成功的传感器节点较多。比较典型的有点较多。比较典型的有UC BerkeleyUC Berkeley的的Smart Smart dustdust、CrossbowCrossbow公司的公司的MicaMica系列节点、系列节点、IntelIntel公公司的司的Intel Mote2Intel Mote2以及以及MoteIVMo
10、teIV公司的公司的TmoteTmote系列节系列节点。国内一些科研机构由于对无线传感器网络的点。国内一些科研机构由于对无线传感器网络的研究起步较晚，因此已成功开发的节点不多，主研究起步较晚，因此已成功开发的节点不多，主要有中科院计算所宁波分所研发的要有中科院计算所宁波分所研发的GAINSGAINS和和GAINZGAINZ系列节点以及上一节提及的南京邮电大学研发的系列节点以及上一节提及的南京邮电大学研发的UbiCellUbiCell系列节点等。系列节点等。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
11、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控技术，体积微小，整个传感器节点可以控制在制在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
12、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。产品包用于传感器网络研究的演示平台的试验节点。产品包括括WeCWeC、ReneeRenee、MicaMica、Mica2Mica2、Mica2dotMica2dot和和SpecSpec等，其等，其中中Mica2Mica2和和Mica2dotMica2dot节点已经由节点已经由CrossbowCr
13、ossbow公司包装生产公司包装生产。MicaMica系列节点在硬件上由运算和通信平台和传感器系列节点在硬件上由运算和通信平台和传感器平台构成。两者之间通过平台构成。两者之间通过5151针的自定义接口进行连接针的自定义接口进行连接。Mica2dotMica2dot是是Mica2Mica2的一个微缩版，对的一个微缩版，对 Mica2Mica2的外围电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个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；外部接口引脚从5151个减少到个减少到1818个，以环形方式排布个，以环形方式排布；接口的减少使得其外部可用的；接口的减少使得其外部
14、可用的I/OI/O资源变少；使用资源变少；使用4MHz4MHz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 MoteIV 公司出品的超低功耗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、高数据传输率的下一代无线传感器网络平台；使用TITI公司的超低功耗微处理器芯片公司的超低功耗微处理器芯片MSP430MSP430，通信模块采，通信模块采用了用了TITI公司支持公司支持 IEEE802.15.4IEEE802.15.4标准和标准和ZigBeeZigBee协
15、议的协议的CC2420CC2420芯片，可与其它芯片，可与其它IEEE802.15.4IEEE802.15.4的设备协同工作的设备协同工作；250kbps250kbps的数据收发速率可以使节点更快完成通信事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；编程和数据获件的处理，快速休眠，节省系统能量；编程和数据获取通过取通过 USBUSB接口，最大的特点是具有接口，最大的特点是具有10KBits 10KBits 的片上的片上RAM RAM 作为数据处理使用，作为数据处理使用，1Mbits1Mbits的外部数据存储器，的外部数据存储器，集成了湿度、温度、光等敏感元件，能够独
16、立作为传集成了湿度、温度、光等敏感元件，能够独立作为传感器节点使用，但内部的感器节点使用，但内部的FLASHFLASH空间较小。空间较小。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 的主要特性如下：的主要特性如下： （1 1）通信距离编程可调）通信距离编程可调0300m0300m，有效距离达，有效距离达100m100m以上；以上； （2 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5mA5mA，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110A110A左右；左右； （3 3）功能丰富、接
17、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，涵盖了从测量普通温、湿度数据到音频、图像、视频等涵盖了从测量普通温、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。普通多媒体数据的多种无线传感器网络节点。普通UbiCellUbiCell节点拥有强大的节点拥有强大的8 8位精简指令系统微处理器，处理速度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和精确性完全可以满足各种应用需求; ;图像和音频图像和音频UbiCellUbiCell节点采用了与普通节点采
18、用了与普通UbiCellUbiCell节点相同的处理器，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但是扩展了存储空间，采用了更为强大的无线通信芯片。UbiCellUbiCell视频节点则采用了强大的集成了硬件视频视频节点则采用了强大的集成了硬件视频CODECCODEC的的ARM9ARM9处理器，采用了更高像素的处理器，采用了更高像素的CMOSCMOS摄像头，摄像头，无线通信模块采用支持无线通信模块采用支持802.11802.11标准的标准的WiFiWiFi模块。模块。 无线传感器网络节点是无线传感器网无线传感器网络节点是无线传感器网络的主要组成部分，节点不仅需要成本低廉
19、，络的主要组成部分，节点不仅需要成本低廉，而且要求它的工作时间要尽可能长。无线传感而且要求它的工作时间要尽可能长。无线传感器网络中不应该存在专门的路由器节点，每个器网络中不应该存在专门的路由器节点，每个节点既是终端节点，又是路由器节点。节点间节点既是终端节点，又是路由器节点。节点间采用无线自组织网络联系起来，并采用多跳的采用无线自组织网络联系起来，并采用多跳的路由机制进行通信。因此，在单个的节点上，路由机制进行通信。因此，在单个的节点上，一方面硬件必须低能耗，采用无线传输方式；一方面硬件必须低能耗，采用无线传输方式；另一方面软件必须支持多跳的路由协议。另一方面软件必须支持多跳的路由协议。2.2
20、.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
21、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UARTUART与中央主控处理模块与中央主控处理模块进行通信进行通信 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PCBPCB的的设计设计 一是直接将传感器集成在节点上；二是将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传感器以插件的方式同节点连接 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 1）无线
22、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a.a.滤波电路模块滤波电路模块b.b.音频放大模块音频放大模块c.c.音频编解码模块音频编解码模块（2 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多媒体图像传感器节点的基本结构包括了一个一个CMOSCMOS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ATmega128LATmega128L）、一个辅控制器（）、一个辅控制器（Tiny12Tiny12）以及外围）以及外围辅助电路。辅助电路。 （3 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
23、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.MX27Freescale 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OmniVisionOmniVision公司的公司的OV2640OV2640。 视频采集端和接收端通过视频采集端和接收端通过Wi-FiWi-Fi无线网络联接，可采无线网络联接，可采用用UDP SocketUDP 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ffmp
24、egffmpeg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Mega128Mega128，可以采用，可以采用JTAG ICEJTAG ICE仿真器仿真器进行仿真。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Tiny12Tiny12，可以采用可以采用stk500stk500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.MX27i.MX27，开发板的，开发板的flashflash
25、中已经配置好嵌入中已经配置好嵌入式式LinuxLinux。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 网关设备将重点面向网关设备将重点面向TD-SCDMATD-SCDMA、GSMGSM等主流移动通信网络标准及等主流移动通信网络标准及InternetInternet网络系统，全面构建可接入多种异构网络网络系统，全面构建可接入多种异构网络的无线传感器网关节点设备，其拟订的系的无线传感器网关节点设备，其拟订的系统架构如图统架构如图2-52-5所示，其硬件部分通常包所示，其硬件部分通常包括如下五个主要模块：处理器模块、外部括如下五个主要模块：处理器
26、模块、外部网络接入与控制设备、网络接入与控制设备、802.15.4802.15.4无线通信无线通信模块、外部存储器模块和能量供应模块。模块、外部存储器模块和能量供应模块。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
27、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2.62.62.42.42.3.12.3.1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，研究源有限、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传感器网络性能的一个重要课题。高无线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由于传感器网络
28、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，且能够对各种地使用传感器节点有限的系统资源，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特定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作系统支持下，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。因此需要设计针对资源，如计算、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无线传感器网络的操作系统。2.3.22.3.2TinyOSTinyOS操作系统操作系统 TinyOSTinyOS是一个典型的无线传感器网络是一个典型的无线传感器网络操作系统。它是由美国加州大学伯
29、克利分校开发操作系统。它是由美国加州大学伯克利分校开发的开源嵌入式操作系统。它采用一种基于组件的开源嵌入式操作系统。它采用一种基于组件（Component-BasedComponent-Based）的开发方式，能够快速实）的开发方式，能够快速实现各种应用。现各种应用。TinyOSTinyOS的程序核心往往都很小（核的程序核心往往都很小（核心代码和数据大概在心代码和数据大概在400Bytes400Bytes左右），能够有效左右），能够有效缓解传感器存储资源少的问题，使其有效的运行缓解传感器存储资源少的问题，使其有效的运行在无线传感器网络上。它还提供一系列可重用的在无线传感器网络上。它还提供一系列
30、可重用的组件，可以简单方便的编制程序，用来获取和处组件，可以简单方便的编制程序，用来获取和处理传感器的数据并通过无线电来传输信息。理传感器的数据并通过无线电来传输信息。 2.3.22.3.2TinyOSTinyOS操作系统操作系统 TinyOSTinyOS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nesCnesC语言编写，语言编写，TinyOSTinyOS的很多特性，如并发模型、组件的很多特性，如并发模型、组件结构等等都是由结构等等都是由nesCnesC语言体现的。语言体现的。 nesCnesC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
31、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 1）结构和内容的分离。）结构和内容的分离。 （2 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 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。 2.3.22.3.2TinyOSTinyOS操作系统操作系统TinyOSTinyOS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。 TinyOSTinyOS中的通信遵循主动消息（中的通信遵循主动消息（Active MessageActive Messag
32、e，AMAM）通信模型，它是一个简单的可扩展的面向消息通）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式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。处理系统中。 2.3.32.3.3MantisOSMantisOS操作系统操作系统 MantisOS MantisOS是一种无线传感器网络操作系是一种无线传感器网络操作系统，它的内核和统，它的内核和APIAPI采用标准采用标准C C语言，提供语言，提供LinuxLinux和和WindowsWindows开发环境，易于用户使用。开发环境，易于用户使用。MantisOSMantisOS提供抢占式任
33、务调度器，采用节点循环休眠策略提供抢占式任务调度器，采用节点循环休眠策略来提高能量利用率。其对来提高能量利用率。其对RAMRAM的最小需求可到的最小需求可到500B500B，对，对FLASHFLASH的需求可小于的需求可小于14KB14KB。它提供集成。它提供集成的硬件和软件平台，适合广泛的传感器网络应用的硬件和软件平台，适合广泛的传感器网络应用程序，它是一个多模型系统，可以进行多频率通程序，它是一个多模型系统，可以进行多频率通讯，适合多任务传感器节点，可动态重新编程。讯，适合多任务传感器节点，可动态重新编程。 2.3.32.3.3MantisOSMantisOS操作系统操作系统图2-6 Ma
34、ntisOS 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
35、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
36、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，IEEEIEEE标准委员会在标准委员会在20002000年年1212月份正式批准并成立了月份正式批准并成立了IEEE IEEE 802.15.4802.15.4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WPANWPAN（LR-WPANLR-WPAN，Low-rate wireless Personal Area Low-rate wireless Personal Area NetworkNetwork）标准化工作，它具有复杂度低、成本极少、）标
37、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 802.15.4IEEE 802.15.4标准满足国际标准组织（标准满足国际标准组织（ISOISO）开放体系互联（开放体系互联（OSIOSI）参考模式，包括物理层、介质访）参考模式，包括物理层、介质访问层（问层（MACMAC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2-82-8所所示：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
38、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 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、信道频能量检测、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。率选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UWBUWB（Ultra Ultra Wide BandWide Band）短距离无线通信引起了全球通信
39、技术）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领域极大的重视。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高、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。信极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MACMAC层关键技术层关键技术 目前，对大多数传感器硬件平台而言，无线目前，对大多数传感器硬件平台而言，无线通信模块是传感器节点能量的主要消耗者，而通信模块是传感器节点能量的主要消耗者，而MACMAC协议直接控制着无线射频收发器的活动，决定何时协议直接控制着无线射频收发器的
40、活动，决定何时发送数据或接收数据，所以发送数据或接收数据，所以MACMAC协议节能效果的好协议节能效果的好坏将严重影响网络的生命周期。坏将严重影响网络的生命周期。 此外，传感器节点的能量、存储、计算和通此外，传感器节点的能量、存储、计算和通信带宽等资源有限，无线传感器网络的强大功能需信带宽等资源有限，无线传感器网络的强大功能需要众多节点密切协作才能实现。局部范围内的多点要众多节点密切协作才能实现。局部范围内的多点通信需要通信需要MACMAC协议协调节点间的无线信道分配，以协议协调节点间的无线信道分配，以高效的支持在整个网络范围内的路由选择与通信路高效的支持在整个网络范围内的路由选择与通信路径的
41、正确连通。径的正确连通。2.4.22.4.2无线传感器网络无线传感器网络MACMAC层关键技术层关键技术 因此，在因此，在设计设计无线传感器网络的无线传感器网络的MACMAC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 1）能源有效性；）能源有效性；（2 2）可扩展性；）可扩展性；（3 3）性能的综合测评；）性能的综合测评；（4 4）分布式算法；）分布式算法；（5 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
42、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有以下两个方面：能主要有以下两个方面： （1 1）搜索满足条件的从源节点到目的节点的优）搜索满足条件的从源节点到目的节点的优化路径；化路径； （2 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
43、个类型。下几个类型。（1 1）以数据为中心的路由协议；）以数据为中心的路由协议；（2 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 3）基于地理信息路由协议；）基于地理信息路由协议；（4 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 1）节点部署）节点部署 ；（2 2）数据精确性前提下的能耗）数据精确性前提下的能耗 ；（3 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 4）鲁棒
44、性与容错性）鲁棒性与容错性 ；（5 5）网络动态性）网络动态性 ；（6 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 FloodingFlooding路由协议是传统网络中最为经典和简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，可以应单的路由协议，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。用到无线传感器网络中。FloodingFlooding路由协议不要求维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，仅要求节点在接收到信息后以广播的方式向邻居节点转发
45、数据包，在接收到信息后以广播的方式向邻居节点转发数据包，邻居节点重复执行上述过程（转发时除去刚刚发送给邻居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它们的节点），直到数据包到达目的地或者该数据包的生命周期结束。的生命周期结束。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 FloodingFlooding路由协议的路由协议的优点优点是实现简单，每个节是实现简单，每个节点只需将接收到的数据包进行广播，而无需进行查找点只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，其无需特殊路由表，选择下一跳节
46、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。的算法保持网络拓扑信息的更新以及新路由的发现。但是但是FloodingFlooding路由协议的路由协议的漏洞漏洞也是十分明显且致命的，也是十分明显且致命的，主要有以下三个方面：主要有以下三个方面：a. a. 信息内爆（信息内爆（ImplosionImplosion）；）；b. b. 部分重迭（部分重迭（overlapoverlap）现象；）现象；c.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，定向扩散路由协
47、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基于查询的路由机制。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定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请求消息数据包发送至全网或者局部网络的传感器节点。在进行兴趣请求消息洪泛发送过程的同时，每个点。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节点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方向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
48、数据沿着之前建立好的传输梯源节点后，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。度传输，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 LEACHLEACH也可以说是一种自适应分簇拓扑算法，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，每个簇有一其基本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。所有的非簇个簇头节点，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，而簇头节点收集簇头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
49、。内非簇头节点的数据，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，为了因此，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，避免节点长期担当簇头节点而过早耗尽能量，LEACHLEACH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 GRID路由协议是一种典型的基于地理栅格的分层路由协议是一种典型的基于地理栅格的分层网
50、络路由协议，其开始是为移动自组织网络而设计的网络路由协议，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。路由协议，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，所有节点的标号都是用栅格号来标识。来标识。 GRID GRID路由协议主要包括了三个阶段：栅格划分、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。路由建立与路由维护。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
