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智能無線傳感器網(wǎng)絡(luò)原理與應(yīng)用

包郵 智能無線傳感器網(wǎng)絡(luò)原理與應(yīng)用

作者：吳成東
出版社：科學(xué)出版社出版時間：2021-07-01
開本： 其他 頁數(shù)： 276
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智能無線傳感器網(wǎng)絡(luò)原理與應(yīng)用 版權(quán)信息

智能無線傳感器網(wǎng)絡(luò)原理與應(yīng)用 內(nèi)容簡介

本書主要講述無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本理論與應(yīng)用技術(shù)。在系統(tǒng)介紹無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的構(gòu)成與性能、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，講述了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信與組網(wǎng)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)仿真實驗工具等內(nèi)容，重點講述了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)覆蓋與部署、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)管理、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用技術(shù)等，并通過典型領(lǐng)域的應(yīng)用案例分析，介紹了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)應(yīng)用的特點。本書內(nèi)容豐富，深入淺出，圖文并茂，其主要特點是不僅講述無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本理論，而且論述了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)。

智能無線傳感器網(wǎng)絡(luò)原理與應(yīng)用 目錄

目錄
前言
第1章 緒論 1
1.1 引言 1
1.2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)概述 1
1.2.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 1
1.2.2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)基本特點 1
1.2.3 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù) 3
1.3 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展 4
1.3.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)演變過程 4
1.3.2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)展現(xiàn)狀 5
1.3.3 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)未來趨勢 7
1.4 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)主要應(yīng)用領(lǐng)域 7
1.4.1 軍事領(lǐng)域 8
1.4.2 環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域 8
1.4.3 醫(yī)療領(lǐng)域 9
1.4.4 智能家居領(lǐng)域 9
1.4.5 智能交通領(lǐng)域 9
1.4.6 其他領(lǐng)域 9
思考題 10
第2章 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點 11
2.1 概述 11
2.2 節(jié)點硬件組成 11
2.2.1 處理器模塊 12
2.2.2 存儲模塊 14
2.2.3 通信模塊 14
2.2.4 傳感器模塊 1.7
2.2.5 電源模塊 18
2.3 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng) 20
2.3.1 nesC語言 21
2.3.2 TinyOS 28
2.3.3 TinyOS應(yīng)用實例解析 34
2.3.4 TinyOS的安裝 37
2.4 傳感器節(jié)點分析 38
2.4.1 常見傳感器節(jié)點 38
2.4.2 MicaZ節(jié)點分析 40
思考題 47
第3章 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu) 48
3.1 傳感器網(wǎng)絡(luò)工作模式 48
3.1.1 網(wǎng)絡(luò)的組成 48
3.1.2 多跳通信機制 49
3.2 網(wǎng)絡(luò)整體結(jié)構(gòu) 51
3.2.1 0SI分層模型 51
3.2.2 網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)分析 52
3.3 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量與體系結(jié)構(gòu) 54
3.3.1 服務(wù)質(zhì)量體系 54
3.3.2 QoS體系的通信協(xié)議 56
3.3.3 QoS體系下的管理系統(tǒng) 58
3.3.4 QoS體系功能模塊的聯(lián)系 60
3.4 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)跨層優(yōu)化設(shè)計 61
3.4.1 跨層優(yōu)化設(shè)計概述 61
3.4.2 面向QoS優(yōu)化的跨層設(shè)計總體框架 62
3.4.3 基于QoS保證的跨層設(shè)計 63
3.4.4 跨層模型與問題求解方法 64
3.4.5 網(wǎng)絡(luò)效能*大化模型 66
思考題 66
第4章 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信與組網(wǎng)技術(shù) 68
4.1 概述 68
4.2 物理層 69
4.2.1 物理層概述 69
4.2.2 通信信道分配 70
4.2.3 調(diào)制解調(diào)方式 72
4.3 MAC協(xié)議 73
4.3.1 MAC協(xié)議概述 73
4.3.2 MAC協(xié)議設(shè)計要求 73
4.3.3 基于競爭的MAC協(xié)議 74
43.4 基于信道分配的MAC協(xié)議 78
4.4 路由協(xié)議 79
4.4.1 路由協(xié)議概述 79
4.4.2 層次型路由協(xié)議 80
4.4.3 以數(shù)據(jù)為中心的路由協(xié)議 82
4.4.4 基于地理位置的路由協(xié)議 84
4.5 傳輸層協(xié)議 85
4.5.1 傳輸層協(xié)議概述 85
4.5.2 數(shù)據(jù)傳輸可靠性分析 87
4.5.3 多組傳輸與多徑傳輸 87
4.5.4 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與Jnternet互聯(lián) 90
思考題 95
第5章 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù) 96
5.1 IEEE 802.15.4標準 96
5.1.1 物理層 96
5.1.2 MAC層 98
5.2 ZigBee協(xié)議規(guī)范 99
5.2.1 ZigBee協(xié)議概述 99
5.2.2 ZigBee網(wǎng)絡(luò)層 101
5.2.3 ZigBee應(yīng)用層 105
5.2.4 ZigBee安全服務(wù) 107
5.3 其他無線通信標準 109
5.3.1 Wi.Fi 109
5.3.2 藍牙 11.1
5.3.3 超寬帶技術(shù) 112
5.3.4 近距離無線傳輸技術(shù) 113
思考題 114
第6章 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)覆蓋與部署技術(shù) 115
6.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)覆蓋與部署的意義 11.5
6.2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)覆蓋與部署問題 115
6.2.1 按照節(jié)點部署的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分類 115
6.2.2 按照覆蓋對象的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分類 117
6.2.3 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)覆蓋應(yīng)用特點 120
6.3 節(jié)點感知模型 121
6.3.1 二元感知模型（0-1模型） 121
6.3.2 概率感知模型 122
6.3.3 基于誤警率的感知模型 122
6.3.4 方向性傳感器的感知模型 125
6.3.5 不規(guī)則感知模型 126
6.3.6 多邊形感知模型 128
6.3.7 近似圓盤感知模型 129
6.4 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)覆蓋評價指標 129
6.4.1 覆蓋率 130
6.4.2 聯(lián)合探測／丟失概率 131
6.4.3 覆蓋場強一致性 131
6.4.4 覆蓋重數(shù) 132
6.4.5 覆蓋均勻性 132
6.1.6 覆蓋時間和平均移動距離 132
6.4.7 其他評價指標 133
6.5 傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點部署策略與算法 133
6.5.1 傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的隨機撒布 133
6.5.2 基于幾何格點和剖分的節(jié)點部署 133
6.5.3 移動傳感器網(wǎng)絡(luò)的部署策略 137
6.6 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)覆蓋技術(shù)面臨的挑戰(zhàn) 140
6.6.1 覆蓋空洞及修復(fù) 140
6.6.2 傳感器網(wǎng)絡(luò)的重部署 140
6.6.3 三維空間傳感器網(wǎng)絡(luò)部署 141
6.6.4 復(fù)雜環(huán)境下的傳感器網(wǎng)絡(luò)部署 141
思考題 143
第7章 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)管理技術(shù) 144
7.1 網(wǎng)絡(luò)管理概述 144
7.1.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)管理面臨的問題 144
7.1.2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)設(shè)計要求 145
7.1.3 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)的分類 145
7.2 網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)管理 145
7.2.1 網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)管理概述 146
7.2.2 基于分簇層次性拓撲結(jié)構(gòu) 148
7.2.3 基于功率控制的拓撲結(jié)構(gòu) 152
7.2.4 啟發(fā)式節(jié)點喚醒和休眠機制 155
7.3 能量管理 157
7.3.1 能量管理概述 157
7.3.2 硬件能耗設(shè)計 157
7.3.3 狀態(tài)調(diào)制機制 159
7.3.4 通信能耗 162
7.3.5 拓撲結(jié)構(gòu)能耗分析 163
7.3.6 路由協(xié)議能耗分析 163
7.4 網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)管理 165
7.4.1 網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)概述 165
7.4.2 網(wǎng)絡(luò)安全分類 166
7.4.3 WSN網(wǎng)絡(luò)安全設(shè)計策略 169
7.4.4 網(wǎng)絡(luò)安全框架協(xié)議分析 175
思考題 179
第8章 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù) 180
8.1 時間同步機制 180
8.1.1 時間同步機制概述 180
8.1.2 時鐘模型 181
8.1.3 基于接收者和接收者的時間同步機制 182
8.1.4 基于發(fā)送者和接收者的雙向時間同步機制 184
8.1.5 基于發(fā)送者和接收者的單向時間同步機制 187
8.1.6 時間同步機制的誤差來源及性能指標 190
8.1.7 時間同步機制的主要應(yīng)用 191
8.1.8 時間同步機制面臨的問題 192
8.2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù) 193
8.2.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)概述 193
8.2.2 定位技術(shù)基本概念 193
8.2.3 節(jié)點定位算法分類 194
8.2.4 典型定位系統(tǒng) 201
8.3 數(shù)據(jù)融合技術(shù) 203
8.3.1 數(shù)據(jù)融合概述 203
8.3.2 數(shù)據(jù)融合方法分類 204
8.3.3 主要數(shù)據(jù)融合方法分析 205
8.4 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)目標跟蹤技術(shù) 210
8.4.1 日標跟蹤概述 210
8.4.2 日標跟蹤步驟 211
8.4.3 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)作跟蹤 211
8.4.4 典型日標跟蹤算法比較 216
8.4.5 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)主要跟蹤技術(shù) 218
思考題 220
第9章 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)仿真實驗工具 221
9.1 NS2 221
9.1.1 NS2簡介 221
9.1.2 TcI/OTcl語言簡介 222
9.1.3 OTcl連接 225
9.1.4 NS基本組件 229
9.1.5 實例分析 233
9.2 OPNET 235
9.2.1 OPNET仿真流程 236
9.2.2 OPNET建模 237
9.2.3 OPNET Modeler開發(fā)環(huán)境 237
9.3 GloMoSim 239
9.4 TOSSIM 240
9.5 SensorSim 241
9.6 OMNeT++ 242
9.7 SENSE 243
思考題 243
第10 章無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用技術(shù) 244
10.1 環(huán)境領(lǐng)域的應(yīng)用 244
10.1.1 生態(tài)環(huán)境監(jiān)控實驗系統(tǒng) 244
10.1.2 山體滑坡監(jiān)測系統(tǒng) 245
10.1.3 地震監(jiān)測系統(tǒng) 246
10.1.4 基于無線傳感器網(wǎng)的極端環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng) 247
10.2 醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用 248
10.2.1 人體行為模式監(jiān)測應(yīng)用 248
10.2.2 遠程監(jiān)護系統(tǒng) 249
10.3 交通領(lǐng)域的應(yīng)用 250
10.3.1 車輛檢測與識別應(yīng)用 250
10.3.2 智能交通信息采集系統(tǒng) 251
10.4 農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用 253
10.4.1 蔬菜園環(huán)境監(jiān)測應(yīng)用 253
10.4.2 園藝溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng) 254
10.5 建筑領(lǐng)域的應(yīng)用 255
10.5.1 建筑質(zhì)量監(jiān)測應(yīng)用 255
10.5.2 建筑火災(zāi)探測與監(jiān)控應(yīng)用 256
10.5.3 室內(nèi)空間監(jiān)控系統(tǒng) 257
10.5.4 智能家居系統(tǒng) 258
10.6 其他應(yīng)用 259
10.6.1 煤礦安全監(jiān)測系統(tǒng) 259
10.6.2 高壓輸電線路監(jiān)測應(yīng)用 261
10.6.3 軸承溫度監(jiān)測系統(tǒng) 261
思考題 262
參考文獻 263
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智能無線傳感器網(wǎng)絡(luò)原理與應(yīng)用 節(jié)選

第1章 緒論 1.1 引言 在信息化無處不在的當今社會，人們絕大部分的日常生活行為都與信息資源的開發(fā)、采集、傳送和處理息息相關(guān)。尤其是在21世紀，人們對于信息的獲取手段提出更高的要求，要求傳感器具有小型化、智能化、多功能化和網(wǎng)絡(luò)化等特點。正是集合了人們對于信息化的迫切需求以及傳感器設(shè)備的發(fā)展趨勢，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(wireless sensor networks，WSN)應(yīng)運而生，并得到快速發(fā)展。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的雛形始于20世紀90年代末，在誕生之初便受到極大的關(guān)注，美國《商業(yè)周刊》和《MIT技術(shù)評論》在預(yù)測未來技術(shù)發(fā)展的報告中，將其列為21世紀*具影響力和改變世界的十大技術(shù)之一。伴隨著近10年電子和通信技術(shù)的蓬勃發(fā)展，與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)相關(guān)的研發(fā)工作受到全球眾多科研機構(gòu)和公司的關(guān)注，并逐漸完成了由概念到產(chǎn)品的轉(zhuǎn)化。如今，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)被應(yīng)用于眾多領(lǐng)域，如工業(yè)生產(chǎn)、環(huán)境監(jiān)測、智能建筑、醫(yī)療保健和軍事系統(tǒng)等。此外，以物聯(lián)網(wǎng)為代表的信息革命浪潮正在悄然興起，作為物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的重要組成部分，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)正面臨前所未有的發(fā)展機遇。在可以預(yù)見的未來，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)將憑借其“無處不在的計算”深刻地改變與人類生產(chǎn)和生活息息相關(guān)的各個領(lǐng)域。 1.2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)概述 1.2.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的大量節(jié)點組成，這些節(jié)點通過無線通信的方式形成多跳自組織監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，能夠協(xié)作地實時監(jiān)測、感知和采集各種環(huán)境或監(jiān)測對象的信息，并通過嵌入式系統(tǒng)對信息進行處理，*后通過隨機自組織無線通信網(wǎng)絡(luò)，以多跳中繼方式將所感知信息傳送到用戶終端。因此，可以說無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)使得邏輯上的信息世界與客觀上的物理世界融合在一起，改變了人類與自然界的交互方式。人們可以通過傳感網(wǎng)絡(luò)直接感知客觀世界，從而提高人類認識世界的能力。 在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，傳感器、感知對象和觀察者構(gòu)成傳感器網(wǎng)絡(luò)的三個要素，其中傳感器之間、傳感器與觀察者之間通過有線或無線網(wǎng)絡(luò)通信，節(jié)點間以Ad-Hoc方式進行通信。從結(jié)構(gòu)上來講，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通常由無線傳感器節(jié)點、匯聚節(jié)點(也稱為接收發(fā)送節(jié)點( sink)或基站(base station))、Internet或通信衛(wèi)星及用戶等構(gòu)成，如圖1 1所示。 1.2.2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)基本特點 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為一種新型的信息感知系統(tǒng)，除了具有Ad-Hoc網(wǎng)絡(luò)的移動性、獨立性、電源能力局限性等共同特征以外，還具有以下鮮明的技術(shù)特點。 (1)應(yīng)用相關(guān)性。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是無線網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合，一般是為了某個特定的需求而設(shè)計的。與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)能適應(yīng)廣泛的應(yīng)用不同，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通常是針對某一特定的應(yīng)用，是一種基于應(yīng)用的無線網(wǎng)絡(luò)。在應(yīng)用中，各個節(jié)點能夠協(xié)作地實時監(jiān)測、感知和采集網(wǎng)絡(luò)分布區(qū)域內(nèi)各種環(huán)境或監(jiān)測對象的信息，并對這些數(shù)據(jù)進行處理。從而獲得詳盡而準確的信息，將其傳送到需要這些信息的用戶。 圖1-1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) (2)網(wǎng)絡(luò)的大規(guī)模性。為了獲取精確信息，在監(jiān)測區(qū)域通常部署大量傳感器節(jié)點，其數(shù)量可能達到成千上萬，甚至更多。在大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)中，通過不同空間視角獲得的信息具有更大的信噪比；通過分布式處理大量采集的信息能夠提高監(jiān)測的精確度，降低對單個節(jié)點傳感器的精度要求。大量冗余節(jié)點的存在，使得系統(tǒng)具有很強的容錯性能，還能夠增大覆蓋的監(jiān)測區(qū)域，減少網(wǎng)絡(luò)空洞或盲區(qū)。 (3)自組網(wǎng)與自維護性。對于由隨機撒播大量節(jié)點而構(gòu)成的傳感網(wǎng)絡(luò)而言，每個節(jié)點的地位平等，網(wǎng)內(nèi)沒有絕對的控制中心，可以在任何時刻和地點自動組網(wǎng)，傳感器節(jié)點的位置不能預(yù)先精確設(shè)定，節(jié)點之間的關(guān)系也不確定，不像通常使用的網(wǎng)絡(luò)固定地址和關(guān)系。這就需要無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能夠通過拓撲和網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議自動地進行配置和管理，形成監(jiān)測多跳無線網(wǎng)絡(luò)。同時，單個節(jié)點或者局部幾個節(jié)點由于環(huán)境改變等原因而失效時，網(wǎng)絡(luò)拓撲應(yīng)能隨時間動態(tài)變化。這就要求無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具備維護動態(tài)路由的功能，才能保證網(wǎng)絡(luò)不會因為部分節(jié)點出現(xiàn)故障而癱瘓。 (4)以數(shù)據(jù)為中心。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，各節(jié)點內(nèi)置有不同形式的傳感器，用以測量熱、紅外、聲納、雷達和地震波等信號，從而探測包括溫度、濕度、噪聲、光強度、壓力、土壤成分、移動物體的大小、速度和方向等眾多感興趣的數(shù)據(jù)。用戶關(guān)心的是從網(wǎng)絡(luò)中獲取的信息而不是網(wǎng)絡(luò)本身，所以以數(shù)據(jù)為中心是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)區(qū)別于傳統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)的主要特點。 (5)路由多跳性。網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點通信距離有限，一般在幾十米到幾百米范圍內(nèi)，節(jié)點只能與它的鄰近節(jié)點直接通信。如果希望與其射頻覆蓋范圍之外的節(jié)點進行通信，則需要通過中間節(jié)點進行路由。網(wǎng)絡(luò)的多跳路由通常使用網(wǎng)關(guān)和路由器來實現(xiàn)，而無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的多跳路由是由普通網(wǎng)絡(luò)節(jié)點完成的，沒有專門的路由設(shè)備。因此，每個節(jié)點既可以是信息的發(fā)起者，也可以是信息的轉(zhuǎn)發(fā)者。 (6)網(wǎng)絡(luò)動態(tài)性。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一個動態(tài)的網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)中的傳感器、感知對象和觀察者三要素都可能具有移動性。另外，新節(jié)點的加入、已有節(jié)點故障或失效，及環(huán)境條件變化所造成無線通信鏈路的帶寬變化，都會引起無線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的變化。這就要求傳感器網(wǎng)絡(luò)能夠適應(yīng)結(jié)構(gòu)的隨時變化，具有動態(tài)系統(tǒng)的可重構(gòu)性。 (7)節(jié)點的可靠性。傳感器節(jié)點往往要工作在惡劣的環(huán)境下，甚至遭到破壞，如有時要利用飛機空投或發(fā)射炮彈來進行網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的部署，所以要求節(jié)點非常堅固、不易損壞，及能適應(yīng)各種惡劣環(huán)境。由于傳感器節(jié)點數(shù)量很大，監(jiān)測的環(huán)境面積很大，具體的節(jié)點位置會時常發(fā)生變化，所以不可能人為地進行網(wǎng)絡(luò)維護。為了防止監(jiān)測數(shù)據(jù)被盜取，要求無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有保密性和安全性，要求整個網(wǎng)絡(luò)的軟、硬件具有很好的魯棒性和容錯性。 (8)節(jié)點能量、存儲空間和處理能力的有限性。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，傳感節(jié)點數(shù)量眾多。為降低網(wǎng)絡(luò)成本，傳感節(jié)點的體積、存儲空間、處理能力都受到很大的限制。在通常情況下，傳感節(jié)點都布置在偏遠、惡劣的環(huán)境中，能源由電池提供且難以做到能源的替換，節(jié)點能量十分有限。因此，如何克服節(jié)點的局限性、降低能耗或者使節(jié)點具備成熟的自動獲取能源的能力，是目前無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計領(lǐng)域的一個重要技術(shù)問題。 1.2.3 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù) 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為當今信息領(lǐng)域新的研究熱點，尚有許多關(guān)鍵理論與技術(shù)問題有待研究，主要研究內(nèi)容有以下幾個方面： (1)網(wǎng)絡(luò)拓撲控制。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是自組織網(wǎng)絡(luò)，在保證網(wǎng)絡(luò)連通和覆蓋的前提下剔除不必要的通信鏈路，形成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)具有重要意義。通過拓撲控制自動生成良好的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，能夠提高路由協(xié)議和MAC協(xié)議的效率，從而節(jié)省節(jié)點能量以延長網(wǎng)絡(luò)生存期，并為數(shù)據(jù)融合、時間同步和目標定位等奠定基礎(chǔ)。 (2)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議負責使各個獨立的節(jié)點形成一個多跳的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)。但由于傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的計算能力、存儲能力、通信能力以及攜帶的能量都十分有限，每個節(jié)點只能獲取局部網(wǎng)絡(luò)的拓撲信息，其運行的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議也不能過于復(fù)雜，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)除結(jié)構(gòu)動態(tài)變化外，網(wǎng)絡(luò)資源也在不斷變化，這些都對網(wǎng)絡(luò)協(xié)議提出更高的要求。目前，研究的重點是網(wǎng)絡(luò)層路由協(xié)議和數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議。網(wǎng)絡(luò)層的路由協(xié)議決定監(jiān)測信息的傳輸路徑；數(shù)據(jù)鏈路層的介質(zhì)訪問控制用來構(gòu)建底層的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，控制傳感器節(jié)點的通信過程和T作模式。 (3)時間同步。實現(xiàn)時間同步是傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)協(xié)同工作的關(guān)鍵機制之一。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的一些固有特征，如能量、存儲、計算和寬帶的限制，以及節(jié)點的高密度分布，使傳統(tǒng)的時間同步算法無法適用。因此，越來越多的研究集中在設(shè)計適合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的時間同步算法。目前，已提出多個時間同步機制，其中RBS(reference broadcast synchronization)、Tiny/Mini-Sync和TPSN (timing-sync protocol for sensor network)被認為是三個基本的同步機制。 (4)定位技術(shù)。位置信息是傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點采集數(shù)據(jù)過程中不可缺少的部分。在某些應(yīng)用中，沒有位置信息的監(jiān)測消息通常毫無意義。確定事件發(fā)生的位置或數(shù)據(jù)采集的節(jié)點位置是傳感器網(wǎng)絡(luò)*基本的功能之一。根據(jù)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的自身特點，定位機制必須滿足自組織性、健壯性、能量高效性和分布式計算等要求。目前，主要的定位機制有TOA(time of arrival)、TDOA (time difference of arrival)、AOA (angle of arrival)和RSSI( received signalstrength indication)。 (5)網(wǎng)絡(luò)安全。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為任務(wù)型網(wǎng)絡(luò)，不僅要進行數(shù)據(jù)傳輸，還要進行數(shù)據(jù)采集、融合及任務(wù)協(xié)同控制等。如何保證任務(wù)執(zhí)行的機密性、數(shù)據(jù)產(chǎn)生的可靠性、數(shù)據(jù)融合的高效性以及數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩裕统蔀闊o線傳感器網(wǎng)絡(luò)需要全面考慮的安全問題。為了保證任務(wù)的機密布置和任務(wù)執(zhí)行結(jié)果的安全傳遞和融合，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)需要提供基本的安全機制，如機密性認證、點到點的消息認證、完整性鑒別、新鮮性鑒別、認證廣播和安全管理等。 (6)數(shù)據(jù)融合。數(shù)據(jù)融合是將多份數(shù)據(jù)或信息進行處理，組合出更有效、更符合需求的數(shù)據(jù)過程。由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)存在能量約束，因此需要數(shù)據(jù)融合以減少傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，有效節(jié)省能量。又由于傳感器節(jié)點的易失效性，因此傳感器網(wǎng)絡(luò)也需要數(shù)據(jù)融合技術(shù)對多份數(shù)據(jù)進行綜合，以提高信息的精確度。數(shù)據(jù)融合技術(shù)可以與傳感器網(wǎng)絡(luò)的多個協(xié)議層次進行結(jié)合。在傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計中，只有面向應(yīng)用需求設(shè)計針對性強的數(shù)據(jù)融合方法才能*大限度地獲益。但數(shù)據(jù)融合技術(shù)也存在缺點，它節(jié)省能量、提高信息準確度是以犧牲延遲性和魯棒性等性能為代價的。 (7)數(shù)據(jù)管理。從數(shù)據(jù)存儲的角度看，傳感器網(wǎng)絡(luò)可被視為一種分布式數(shù)據(jù)庫。以數(shù)據(jù)庫的方法在傳感器網(wǎng)絡(luò)中進行數(shù)據(jù)管理，可以將存儲在網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)邏輯視圖與網(wǎng)絡(luò)中的實現(xiàn)進行分離，使傳感器網(wǎng)絡(luò)的用戶只需要關(guān)心數(shù)據(jù)查詢的邏輯結(jié)構(gòu)，而不用關(guān)心細節(jié)實現(xiàn)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)主要有集中式、半分布式、分布式以及層次式結(jié)構(gòu)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)的存儲采用網(wǎng)絡(luò)外部存儲、本地存儲和以數(shù)據(jù)為中心存儲等方式。 (8)嵌入式操作系統(tǒng)。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，每個傳感器節(jié)點都是一個微型的嵌入式系統(tǒng)，內(nèi)部的硬件資源有限，需要操作系統(tǒng)對其有限的內(nèi)存、處理器和通信模塊進行節(jié)能高效的使用，并提供*大的支持。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的操作系統(tǒng)支持下，多個應(yīng)用可以并發(fā)地使用系統(tǒng)的有限資源，因此嵌入式操作系統(tǒng)也是傳感器網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的重要研究內(nèi)容。 1.3 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展 1.3.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)演變過程 無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展起源于人們對無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨螅牟粩噙M步直接推動了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)概念的產(chǎn)生和發(fā)展。早在20世紀70年代，就出現(xiàn)了傳統(tǒng)傳感器的點對點傳輸，形成傳感器網(wǎng)絡(luò)的雛形，人們把它稱為**代傳感器網(wǎng)絡(luò)。隨著相關(guān)學(xué)科的不斷發(fā)展和進步，傳感器網(wǎng)絡(luò)同時還具備了獲取多種信息的綜合處理能力，并通過與傳感控制器的結(jié)合，組成兼具信息綜合和信息處理兩種能力的傳感器網(wǎng)絡(luò)，形成第二代傳感器網(wǎng)絡(luò)。從20世紀末開始，現(xiàn)場總線技術(shù)開始應(yīng)用于傳感器網(wǎng)絡(luò)，人們用其組建智能化傳感器網(wǎng)絡(luò)，大量多功能傳感器獲得應(yīng)用，并使用無線技術(shù)連接，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)逐漸形成。到了21世紀，信息化技術(shù)的進步促進了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，形成從單一化逐漸向集成化、微型化和網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展方向。總之，無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展和進步一直是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的*主要推動力，下面分別介紹一些與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展過程息息相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)形式。 1) ALOHA系統(tǒng) ALOHA系統(tǒng)出現(xiàn)于20世紀60年代末，是**個獲得成功應(yīng)用的無線網(wǎng)絡(luò)，由美國夏威夷大學(xué)Norman Abramson等研制成功。ALOHA系統(tǒng)包

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