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硕士学位毕业论文一无线传感网络可靠性应用及其关键技术研究 摘要 无线传感器网络是由大量具有无线通信与计算能力的微小传感器节点构成 的自组织分布式网络智能系统。它集成了传感器、微机电系统、无线通信和分布 式信息处理技术，是一种全新的计算模式，将对2 1 世纪人类生活方式产生重大 影响。在过去的十年中，无线和传感技术有了巨大的发展，但是由于需要满足一 些特殊的要求，无线传感器网络的真正应用，尤其是在工业中的应用仍然谈之尚 早。面对众多的工业应用场景，该领域中并没有一个通用的体系结构和系统解决 方案。而且实际应用中还有通信的可靠性、协议的设计、硬件平台的设计、目标 的定位、协同信号处理、数据压缩、数据融合与决策等多个问题需要研究和解决。 为了实现无线传感器网络的实际部署应用，本文以工业为背景针对无线传感 器网络在实际应用中的可靠性问题进行了探讨。首先选取生产线自动化为场景提 出一个适用于讨论无线传感器网络与工业过程集成的原型系统，并给出系统解决 的方案。在此框架的基础之上，本文分别对其中三个关键问题进行了研究。 1 1 通信协议。基于工业应用通信协议需求分析的基础之上，对无线传感器 网络中主流的协议进行了研究和比较，并选择z i g b e e 为无线传感器网络 可靠性应用的最佳配置方案。 2 ) 节点的系统设计。首先根据无线传感器网络的主要特点，提出节点的系 统设计指标和体系结构。在此基础之上，给出了基于a t m e g a l 2 8 l 和 c c 2 4 2 0 的节点硬件电路设计和控制软件程序设计。 3 ) 测距和定位。研究和比较了基于信号强度的测距技术和基于信号传播速 度的测距技术。在m i c a 2 平台上实现了基于信号传播速度的t o a 和t d o a 方 法，通过实验分析评价了两种方法的性能。最后，对采用t d o a 方法进行 节点定位进行了误差分析。 总之，本文完成了无线传感器网络可靠性应用的若干关键支撑技术的研究， 在本文工作的基础之上，可以进步探讨无线传感器网络可靠性应用的其它问 题，并将其应用扩展到多种领域。 关键字：无线传感器网络；可靠性；原型系统；通信协议；节点；测距和 定位； 硕士学位毕业论文一无线传感网络可靠性应用及其关键技术研究 第1 章绪论 本章摘要：无线传感器网络是最近几年兴起和发展起来的一门新技术，是继因特网 之后的i t 热点技术，具有广泛的应用前景。本章主要介绍了无线传感器网络及其 体系结构、特点、应用前景、研究现状等，最后阐明了本文的研究意义和所做的主 要工作。 1 1 无线传感器网络简介 无线传感器网络是由大量节点形成的一种特殊a d - h o c 网络，其目的是协作 地感知、采集和处理网络覆盖的区域中感知对象的信息，并发送给观测者。集成 了传感器技术、微机电系统技术、无线通信技术和分布式信息处理技术的无线传 感器网络是因特网从虚拟世界到物理世界的延伸。因特网改变了人与人之间交 流、沟通的方式，而无线传感器网络将逻辑上的信息世界与真实物理世界融合在 一起，将改变人与自然交互的方式“2 ”。 综合无线传感器网络的各种特点，我们先给它一个比较合适的定义，即： 无线传感器网络是由大量无处不在的、具有无线通信与计算能力的微小 传感器节点构成的自组织分布式网络系统，是能根据环境自主完成指定 任务的“智能”系统“1 。 无线传感器网络打破了传统的点对点的声音与数据系统的交流模式，并提出 了一种崭新的分散信息交换模式。大量靠无线、多跳方式通信的智能传感器节点 随机分布在需要进行监测的环境中，并对感兴趣的环境参数( 如光、温度、声音 等) 进行采集，最终通过节点间的无线通讯将所采集的数据传输到控制台“2 “。 为什么要使用无线? 无线技术是一种新兴的信息获取和管理技术，而对传感 器赋予无线通信的功能将帮助我们更有效地使用能源，降低生产成本，提高生产 力。以电磁波作为传输介质，无线系统避免了有线系统的很多弊端并在成本、灵 活性和实用性上全面超越有线系统。 1 ) 低成本。随着技术的进步有线系统在安装、维修、故障排除和升级等方 面的费用都在不断增加，而无线系统的相应费用却有下降的趋势。而且 一旦有线系统出现问题在时间上的延误而造成的损失将会急剧地增加。 硕士学位毕业论文一无线传感网络可靠性戍用及其关键技术研究 2 ) 减少接口故障。大多数的网络故障都发生在接口处，无线系统有效地降 低接口故障的发生率。 3 ) 灵活性。特别是在移动设备中，没有了电线的约束，人们可以更好地根 据具体需求安装传感器以及跟踪目标。 4 ) 充分利用m e m s 。m e m s 极大地扩充了传感器的能力，集成了无线通信功 能的传感器可以避免附带大量的电线，也使得传感器的体积越来越小。 5 ) 系统测试。简单的无线传感器网络可以迅速组织形成有效的通信网络， 从而方便快捷地进行系统集成和测试。 1 2 无线传感网络的体系结构 典型的无线传感器网络的体系结构如图卜1 所示。_ 2 - 4 - 。”1 。 传感嚣节点 图卜1 无线传感器网络典型的体系结构图 通过自动随机部署( 比如无人驾驶飞机播撤) 在监测区域的传感器节点，自 组织形成网络，并通过网关将各种传感信号通过卫星、无线网络或i n t e r n e t 等传 送到控制中心服务器，用户可以通过服务器查看、查询、搜索相关数据，并通过 控制服务器发送相应的命令，实现远程监控和操作“3 。 节点既是信息的采集和发出者，也充当信息的路由者，采集的数据通过多跳 路由到达网关。网关( 一些文献也称为s i n k 或基站) 是一个特殊的节点，具有 硕士学位毕业论文无线传感网络可靠性应用及其关键技术研究 较强通信、存储和处理能力，配备足够电力的网关可以通过i n t e r n e t 、移动通 信网络、卫星等与监控中心通信，并且可以根据需要在传感器网络内移动采集数 据。 节点由于受到体积、价格和电源供给等因素的限制，通信距离较短，只能与 自己通信范围内的邻居交换数据。要访问通信范围以外的节点，必须使用多跳路 由。为了保证网络内大多数节点都可以与网关建立无线链路，节点的分布要相当 的密集。 1 。3 无线传感器网络的特点 目前常见的无线网络包括移动通信网、无线局域网、蓝牙网络、a d h o c 网 络等，但是这些网络中已有的规范和协议并不适合无线传感器网络。事实上，无 线传感器网络是通过协作来实现某种特殊的应用的，与这些网络相比，无线传感 器网络具有以下特点”。2 3 。4 1 ： 1 ) 硬件资源有限。节点由于受价格、体积和功耗的限制，其计算能力、程 序空间和内存空间比普通的计算机功能要弱很多。这一点决定了在节点 操作系统设计中，协议层次不能太复杂。 2 ) 电源容量有限。网络节点由电池供电，电池的容量一般不是很大。其特 殊的应用领域决定了在使用过程中，不能给电池充电或更换电池，一旦 电池能量用完，这个节点也就失去了作用( 死亡) 。因此在传感器网络 设计过程中，任何技术和协议的使用都要以节能为前提。 3 ) 无中心。无线传感器网络中没有严格的控制中心，所有节点地位平等， 是一个对等式网络。节点可以随时加入或离开网络，任何节点的故障不 会影响整个网络的运行，具有很强的抗毁性。 4 ) 自组织。网络的布设和展开无需依赖于任何预设的网络设旌，节点通过 分层协议和分布式算法协调各自的行为，节点开机后就可以快速、自动 地组成一个独立的网络。 5 ) 多跳路由。网络中节点通信距离有限，一般在几十米范围内，节点只能 与它的邻居直接通信。如果希望与其射频覆盖范围之外的节点进行通 信，则需要通过中间节点进行路由。固定网络的多跳路由使用网关和路 硕上学位毕业论文一无线传感网络可靠性应用发其关键技术研究 由器来实现，而无线传感器网络中的多跳路由是由普通网络节点完成 的，没有专门的路由设备。这样每个节点既可以是信息的发起者，也是 信息的转发者。 6 ) 动态拓扑。无线传感器网络是一个动态的网络，节点可以随处移动；一 个节点可能会因为电池能量耗尽或其他故障，退出网络运行；一个节点 也可能由于工作的需要而被添加到网络中。这些都会使网络的拓扑结构 随时发生变化，因此网络应该具有动态拓扑组织功能。 7 ) 节点数量众多，分布密集。为了对一个区域执行监测任务，往往有成千 上万传感器节点部署到该区域。传感器节点分布非常密集，利用节点之 间高度连接性来保证系统的容错性和抗毁性。 8 ) 容错性。节点可以随时加入或离开网络，任何节点的故障不会影响整个 网络的运行，具有很强的容错性和鲁棒性。 9 ) 广播通信。无线传感器网络主要使用广播( b r o a d c a s t ) 通信模式而不是 传统通信网络的点对点( p e e rt op e e r ) 模式。 1 0 ) 数据处理。无线传感器网络以数据为中心，而不像传统的网络以连接为 中心，因此需要节点进行数据聚合、融合、缓存和压缩等处理。 1 1 ) 局部标识。在无线传感器网络中，节点没有全局节点标识。 通常评价无线传感器网络采用能耗有效性、长寿性、可扩展性、容错性、实 时性、精确性等几个性能指标。这些性能指标还没有达到实用的程度，需要进一 步地模型化和量化“。同时，这些性能指标也是设计无线传感器网络时的优化 目标( 优化目标还需要考虑传感器节点的生产成本问题，由于无线传感器网络的 节点数多在几百到几千甚至成千上万，每个节点成本必须控制在1 美元以下“1 ) 。 为了达到这些目标的优化，有大量的研究工作需要完成。 1 4 无线传感器网络的应用领域 无线传感器网络所具有的众多类型的传感器，可探测包括地震、电磁、温度、 湿度、噪声、光强度、压力、土壤成分、移动物体的大小、速度和方向等周边环 境中多种多样的现象。微机电制造系统支持下的微小传感器技术和节点间的无线 通信能力为传感器网络赋予了广阔的应用前景，主要表现在军事、环境、医疗、 1 4 硕士学位毕业论文一无线传感网络可靠性应用及其关键技术研究 保健、家居、工业、商业等领域。当然，在空间探索和灾难拯救等特殊的领域， 传感器网络也有其得天独厚的技术优势“5 6 7 8 。 ( 1 ) 军事领域。 无线传感器网络是网络中心战体系中面向武器装备的网络系统，将会成为 c 4 i s r t ( c o m m a n d ，c o n t r o l ，c o m m u n i c a t i o n ，c o m p u t i n g ，i n t e l l i g e n c e ，s u r v e i l l a n c e ， r e c o n n a i s s a n c ea n dt a r g e 如g ) 系统不可或缺的一部分。c 4 i s r t 系统的目标是利用 先进的高科技技术，为未来的现代化战争设计一个集命令、控制、通信、计算、 智能、监视、侦察和定位于一体的战场指挥系统，受到了军事发达国家的普遍重 视。由于传感器网络是由密集型、低成本、随机分布的节点组成的，自组织性和 容错能力使其不会因为某些节点在恶意攻击中的损坏而导致整个系统的崩溃，这 一点是传统的传感器技术所无法比拟的，也正是这一点，使传感器网络非常适合 应用于恶劣的战场环境中。 ( 2 ) 环境监测领域。 随着人们对环境的越来越关注，环境科学所涉及的范围越来越广泛，通过 传统的监测方式来获取环境的相关数据变得越来越困难。传感器网络为野外数据 的获取提供了方便。比如，跟踪候鸟和昆虫的迁移、研究环境变化对农作物的影 响、监测海洋、大气和土壤的成分等。类似地，传感器网络对森林火灾准确、及 时地预报也应该是有帮助的。此外，传感器网络也可以应用在精细农业中，以监 测农作物中的害虫、土壤的酸碱度和施肥状况等0 1 。 ( 3 ) 医疗健康领域。 如果在住院病人身上安装特殊用途的传感器节点，如心率和血压监测设备， 利用传感器网络，医生就可以随时了解被监护病人的病情，及时根据新的病情做 出治疗决策。还可以利用传感器网络长时间地收集人的生理数据，这些数据在研 制新药品的过程中是非常有用的，而安装在被监测对象身上的微型传感器也不会 给人的正常生活带来太多的不便。此外，在药物管理等诸多方面，它也有新颖而 独特的应用。总之，传感器网络为未来的远程医疗提供了更加方便、快捷的技术 实现手段”。 ( 4 ) 智能家居。 嵌入家具和家电中的传感器与执行机构组成的无线传感器执行器网络与 硕士学位毕业论文一无线传感网络可靠性应用及其关键技术研究 施陈旧、人为和自然等因素，极易发生爆炸、坍塌等事故，造成生命和财产损失， 社会影响恶劣。在这些易爆场所，部署具有敏感气体浓度传感能力的节点，通过 无线通信自组织成网络，并把检测的数据传送给监控中心，一旦发现情况异常， 立即采取有效措施，防止事故的发生。 ( 10 ) 灾难救援。 在发生了地震、水灾、强热带风暴或遭受其他灾难打击后，固定的通信网络 设施( 如有线通信网络、蜂窝移动通信网络的基站等网络设施、卫星通信地球站 以及微波中继站等) 可能被全部摧毁或无法正常工作，对于抢险救灾来说，这时 就需要无线传感器网络这种不依赖任何固定网络设施、能快速布设的自组织网络 技术。边远或偏僻野外地区、植被不能破坏的自然保护区，无法采用固定或预设 的网络设施进行通信，也可以采用无线传感器网络来进行信号采集与处理”3 。 普遍网络化孕育的无线传感器网络是一种新的信息获取和处理技术，在各种 领域，它有着传统技术不可比拟的优势，同时也必将开辟出不少新颖而有价值的 商业应用。现今的信息系统是基于人类的输入或计算机产生的数据的，而未来的 信息系统将建立在现实世界的物理数据。在未来，无线传感器网络会成为人们生 活中不可或缺的一部分，这引起了科技界和商业界的广泛关注。著名的美国商 业周刊早在1 9 9 9 年就在预测未来技术发展中将无线传感器网络列为2 1 世纪最具 影响的2 1 项技术之一“。m i t 技术评论在2 0 0 3 年2 月版中认为，有【种新兴技 术在不远的将来会对世界产生巨大影响。排在这十种技术首位的就是无线传感器 网络“”。2 0 0 3 年8 月2 5 日的美国商业周刊在其“未来技术专版”中发文指出， 效用计算、传感器网络、塑料电子学和仿生人体器官是全球未来的四大高技术产 业，它们将掀起新的产业浪潮“。 1 5 无线传感器网络的研究现状 无线传感器网络是面向物理世界的一种崭新信息处理系统，是一种新的计算 模型，涉及网络的组织、管理和服务框架，信息传输路径的建立机制、面向需求 的分布信息处理模式等问题。无线传感器网络从最初发展到现在，已经成为i t 领域的研究热点之一，吸引了众多的学者进行各方面的研究，每个领域都已经有 许多的研究成果，并有新的不断涌现。 硕士学位毕业论文一无线传感网络町靠性应用及其关键技术研究 方法的很多基本假设都不成立。，因此需要针对无线传感器网络的特点来研究高 精度、低能耗、可扩展性好的时间同步协议。 定位( l o c a l i z a t i o n ) 主要是为路由层和高层的服务提供位置信息，实现对移 动目标进行跟踪等任务。无线传感器网络定位的主要作用：确定传感器信号的起 源位置：为一些基于位置信息的路由通信协议提供定位；为传感监测的对象提供 位置反馈；跟踪移动目标。无线传感器网络中的定位机制与算法主要用于提供单 个节点或目标的位置信息，常用的方法可以分为两类：基于测距( r a n g e b a s e d ) 的定位和非测距( r a n g e f r e e ) 的定位。前者基于绝对的点对点的距离或角度来 计算位置，对节点的硬件资源有一定的要求；后者则不需要获得这些信息就能估 算出位置，但是精度一般不如基于测距的定位算法。 系统管理( s e n s o rn e t w o r km a n a g e m e n t ，s n m p ) 致力于提供有效的解决方 案用于解决无线传感器网络中测量、性能分析等方面的问题。s n m p 相关的协议算 法与i n t e r n e t 的网络管理算法有很大的不同，是一个全新的领域，具有新的理论 问题和实现挑战m “。 ( 3 ) 应用系统 应用系统提供节点与网络的服务接口。面向通用的系统提供一套通用的服务 接口，而面向专用系统则提供不同的专用服务。应用系统通过协调控制整个网络， 优化现有的网络资源，以获得网络资源的最大利用率和单个任务的最少消耗量， 同时提供可操作的“人网交互”界面。衡量应用系统协调的好坏，主要考虑采集 信息的完整性和精确性、信息的可传输性和系统能耗( 即网络寿命) 。其热点问 题包括动态资源管理、任务分配、协调控制、信息处理、数据查询和安全问题等。 无线传感器网络的挑战性为研究人员提供了广阔的研究空间。虽然美国很早 就开始这方面的研究，但直到近几年，这方面的研究活动才在各大学及研究所蓬 勃开展起来。美国政府也斥巨资支持这方面的研究。美国国防部在这方面的投入 更为巨大。美国的很多大学都己开展无线传感器网络的研究。加州大学伯克利分 校( u n i v e r s i t yo fc a l i f o r n i aa tb e “e l e y ) 研制的传感器节点m i c a 、m i c a 2 、 m i c a 2 d ol 己被广泛地用于低能耗无线传感器网络的研究和开发。麻省理工学院 ( m a s s a c h u s e t t si n s t i t u t eo ft e c h n 0 1 0 9 y ) 致力于基于知识的信号处理技术。 哈佛大学( h a r v a r du n i v e r s i t y ) 则研究传感器网络中通讯的理论基础等。在其 硕十学位毕业论文一无线传感删络可靠性应用及其关键技术研究 它国家和地区，如欧洲、日本、澳大利亚也开展了不少关于传感器及传感器网络 的研究工作。 国内的一些科研单位和大学已经初步开展了在传感器及传感器网络方面的 研究工作并取得了一些可喜的成果。国家自然科学基金在2 0 0 3 年首次资助中科 院软件所、沈阳自动化所和清华大学进行无线传感器网络构架和原型方面的研 究。2 0 0 4 年又资助浙江大学和中科院合作开展无线传感器网络通信协议、定位、 部署和覆盖等方面的理论研究。另外哈尔滨工业大学在传感器数据管理系统，天 津大学在传感器网络的配置、连接和覆盖算法上都取得了一定的进展。 从总体来讲，国内关于传感器网络的研究还处于刚刚起步的阶段，但是由于 传感器网络是一门新兴技术，国内与国际水平的差距并不很大，及时开展这项对 人类未来生活影响深远的前沿科技的研究，对整个国家的社会、经济将有重大的 战略意义。 1 6 本文的研究意义和主要研究工作 1 6 1 研究意义 无线传感器网络有着巨大的应用潜力，它可以帮助我们更有效地使用能源和 原料，降低生产成本和提高生产力。虽然在过去的十年中无线局域网技术有了巨 大的发展，但是由于需要满足一些特殊的要求，无线传感器网络的真正应用，尤 其是在工业中的可靠性应用仍然谈之尚早。这其中通信的可靠性是传感信息通过 无线传输的一个关键技术难题。无线通信的可靠性易受到背景噪声、路径损耗、 多路干扰、物理冲突等因素影响而变得不稳定。经过多年的研究，科学工作者针 对传统的a d - h o c 网络提出了许多可靠的应用方案与协议算法，但是他们并不完全 适合无线传感器网络的特点，也不满足无线传感器网络在工业上应用的特殊要 求。 为了实现无线传感器网络的实际部署应用，本文将研究一些关键的支撑技术 包括体系结构、网络通信协议、节点的系统设计以及定位和测距技术等。无线传 感器网络可以扩展众多类型的传感器，可探测包括地震、电磁、温度、湿度、噪 声、光强度、压力、土壤成分、移动物体的大小、速度和方向等周边环境中多种 硕士学位毕业论文一无线传感刚络可靠性庶用披其关键技术研究 多样的现象，因此只要完成这些支撑技术，那么无线传感器网络的应用可以很方 便地延伸到各种领域，如军事、环境、医疗、保健、家居、工业、商业等领域。 1 6 1 研究工作 考虑典型的应用都会涉及到丌j 靠的状态监测和通过节点协同处理突发事件 等特点，本文将以工业应用为背景，从工业应用需求角度出发，着重解决其中几 个关键问题。 1 ) 体系结构 为了具体地讨论无线传感器网络在工业中的应用，本文首先提出一一个无线传 感器网络与工业过程集成的原型系统。这个原型系统采用了典型的无线传感器网 络的体系结构，并对其进行适当的扩充从而嵌入到1 ：业过程中。同时它包含了环 境状态监控和突发事件处理的场景，可对无线传感器网络在工业实际应用中相关 热点问题进行深入的研究，为其进一步研究和应用打下基础。 通过这个原型系统我们就将无线传感器网络在工业中的可靠性应用问题简 化为无线传感器网络自身的问题，主要包括物理层硬件设计开发、数据链路层 m a c 协议设计、网络层路由协议设计、时间同步、定位、协同信号处理、数据压 缩、数据融合与决策等。本文将在现有研究的基础上主要考虑其中的三个关键问 题：通信协议问题、节点的系统设计问题以及测距和定位问题。 2 ) 通信协议 通信协议是无线传感器网络联网的基础，而工业应用对无线传感器网络通信 协议提出了更高的需求。目前无线传感器网络的一些简单应用都没有基于某一种 成熟的协议，只是将数据以无线的形式传送。在无线传感器网络研究中比较流行 的协议有8 0 2 1 1 b w i f i 、8 0 2 1 5 1 b l u e t o o t h 和8 0 2 1 5 4 z i 印e e ，本文将分 别介绍这三种协议并通过比较选择最适合用于无线传感器网络可靠性应用的一 种。 3 ) 节点的系统设计 节点的系统设计对无线传感器网络有着至关重要的作用。设计中应综合考虑 性能效率需要和灵活性的需要，不但要保证无线传感器网络整个系统的工作性能 而且要使得该平台适用于多种应用场合。选择的硬件组件应尽量延长节点的工作 硕士学位毕业论文一无线传感网络町靠性应用及其关键技术研究 寿命，增加节点的通信范围，提高节点的通信速率，同时降低微处理器的开销和 总体的能耗。本文将首先根据无线传感器网络的主要特点，对节点的系统设计设 定一些指标，并根据这些指标进行电路设计、硬件选型等工作。 4 ) 测距和定位 确定事件发生的位置或获取消息的节点位置是传感器网络最基本的功能之 一，对无线传感器网络应用的有效性起着关键的作用。无线传感器网络中定位常 用的方法可以分为两类：非测距的定位和基于测距的定位o 。本文根据工业应用 的需求，对其中基于测距的定位进行研究，主要解决如何在资源有限的硬件平台 上实现两个节点之间精确的测距，从而实现更精确的定位。本文研究了两种测距 方法：基于接收信号强度的技术和基于信号传播速度的技术。对这两种主要的无 线测距方法进行了研究与比较，采用基于声音频率检测的t o a 和t d o a 方法在硬件 平台上实现了节点间的测距。评价了各自的性能误差，并在此基础上完成了采用 t d o a 进行定位的误差分析。 总之，本文面向工业应用，对无线传感器网络的相关热点技术进行了研究， 提出了自己的见解和一些方案，并通过实验进行了性能评价，为今后的进一步研 究和应用打下基础。 顾十学位毕业论文一无线传感网络可靠性应用及其关键技术研究 第2 章无线传感器网络工业应用系统研究 本章摘要：体系结构的设计研究对讨论无线传感器网络的应用具有重要的作用，在 明确的框架之上才能进一步研究其它具体的技术问题。本章首先介绍了无线传感器 网络工业应用的优势和一些典型实例。然后提出一个无线传感器网络和工业过程集 成的原型系统，基于这个原型系统提出了系统解决方案，并讨论了待解决的主要问 题。 2 1 工业应用优势 随着i n t e r n e t 的应用越来越广泛，人们对网络的依赖越来越强。从包括现 场总线在内的工业专用网络到在工业应用中吸收和应用以太网( 例如h s e ) 技术， 各种有线网络的研究变得越来越热。典型的工业控制系统如图2 1 所示。 图2 1 工业控制系统 这种有线网络由于需要布线等缺陷使其在应用时受到许多限制，如在火力发 电厂、炼油厂等对布设电缆具有严格要求的现场，双绞线必须铺设在昂贵的防火 管道里；在设备布局变动频繁的厂区，重复布线会消耗大量的财力物力和人力等 等；有线总是不方便的，而无线传感器网络在这些领域无疑都可以大展神威，它 在布线快捷方便、系统成本低廉等方面有明显优势。 1 ) 低廉的成本。随着技术的不断进步，有线系统的安装、维护、故障修理 和系统升级费用都在明显上升，而无线技术则在成本方面处于下降趋 势。例如在安装过程中，无线技术可以省去大量昂贵的电缆：而发生故 顾十学位毕业论文一无线传感网络可靠性应用及其关键技术研究 传感器网络可以通过加入相应的传感器很方便地实现对这些环境参数的采集。 在这个系统中，节点是最主要的信息载体和通信媒介。它要跟踪部件的生产 状况并向基站报告位置信息，还要接收基站传送来的指令来指导传感器完成特 定的传感监测任务。叉车上安装了移动基站，用于接收数据，自动引导叉车运送 部件。同时还要向控制中心报告位置信息和环境信息，并接收控制中心传送过来 的传感任务分发给节点完成。简单的应用中，基站可以用一个中间节点代替，只 需设计它与叉车控制系统的接口即可。根据应用的需要，也可以采用基于a r m 处 理器、p d a 或8 0 2 “b 无线网卡开发的基站。控制中心负责发送指令，接收数据 并处理、存储、显示，提供查询和远程监控等。可以采用专用的服务器，配备相 关的操作系统和自行开发的软件。在访问量不是特别大的情况下，也可采用配置 较好的个人计算机，操作系统可采用l i n u x ，也可以采用w i n d o w s 操作系统。在 这里我们利用节点实现控制中心的无线功能，采用了使用编程板与节点连接，再 通过串行口与控制中心电脑连接的方式。这样不但接口简单，而且避免了重新设 计无线模块的问题。 2 3 1 系统解决方案 反馈是是控制系统中的重要思想，我们把这一思想应用到上述原型系统中， 给出一个完整的工业应用系统解决方案，如图2 4 所示。 从图中我们可以看到这是一个带有两个闭环回路的系统解决方案。 1 ) 对于生产线这一回路来说，主要包括定位系统和叉车控制两大模块。生 产线上的位置信息通过节点标签组成的定位系统报告给控制中心或叉 车控制模块。叉车根据位置信息和控制指令，决定运送生产线上的部件。 2 ) 工厂的环境信息对于确认生产状况和安全性都有着重要作用，而且环境 的突发变化有可能引起生产停顿。环境信息对工厂管理者有重要的参考 价值。因此，这个系统解决方案包含一个同样由节点组成的环境监测网 络。工厂环境的特征可以通过一些传感器采集到的参数进行评估，其评 估的结果可以通过处理用来预测生产状况并采取一些策略改变工厂的 环境以使其适合于生产线的运行。 3 ) 另外，无线传感器网络应带有自检测功能。无线传感器网络自身的一些 硕士学位毕业论文一无线传感网络可靠性应用及其关键技术研究 变化( 如拓扑变化、节点失效等) 也会直接反馈给决策系统进行评估以 采取相应的控制策略保证网络正常的运行。 、_ 、 二； ”脖二= 厂 厂、 i ，1 二号 l ij 丌 ：二二父二= 图2 4 带有反馈控制环节的w s n s 原型系统解决方案 2 3 2 待解决的主要问题 图2 5 原型系统中待解决的主要问题 3 0 硕士学位毕业论文一无线传感f 6 9 络可靠性应用及其关键技术研究 在原型系统解决方案中，我们认为有以下几个关键问题需要研究和解决，主 要包括底层的硬件平台开发、通信协议的设计，中间件的测距定位、设备管理、 时间同步、协同处理、路由等，面向应用系统的数据管理、仿真实验等。 1 ) 通信协议。通信协议是无线传感器网络联网的基础，主要解决工业环境 中无线通信的可靠性问题。在工业应用中，需要设计能耗有效的可靠的 m a c 协议和高数据传输可靠性的。其中，m a c 协议主要用于解决无线信 道冲突问题，路由协议主要用于解决通信的可靠性问题。目前无线传感 器网络中有众多协议和标准，我们将根据工业应用的需求分析，选取一 种成熟的标准用于实际应用。这样，一方面跟上主流的发展趋势，另一 方面我们也可以方便地在其基础之上加入我们需要的协议，节省了自行 设计协议的工作量。 2 ) 硬件平台。主要是节点的系统设计。节点是组建无线传感器网络的支撑 技术之一，其系统设计包括节点的硬件设计和程序设计。单个节点的成 本要非常低，需要适用于多种应用并支持相应的物理层协议，而传感器 则应根据应用的需要加入不同的模块即可。 3 ) 准确经济的测距和定位机制。测距是节点向基站报告位置信息和部件定 位的基础，定位是部件持续跟踪的基础。无线传感器网络节点进行部署 开始工作前，需要首先发现拓扑并进行节点自身的定位，而且许多特定 的应用中( 如移动设备的在线跟踪监测等) 都对定位有较高要求。测距 和定位算法必须在无需增加额外硬件设备的情况下，尽可能提供定位精 度的同时又能节省能耗，减少通信的开销，并具有可扩展性，能应用于 大规模无线传感器网络。 4 ) 协同信息处理算法。传感器节点的能力有限，无法通过单个节点完成对 部件的跟踪等复杂的任务，为此必须通过多个传感器节点的协同处理来 完成。 5 ) 简单有效的时间同步机制。在部件跟踪时，需要记录相应的时间，因此 执行目标跟踪的节点必须保持时间的同步。 6 ) 数据查询机制与数据库系统。在对部件进行跟踪时，需要实时查询相关 的信息，比如部件的位置，运动速度，运动方向等。同时也需要一个数 据库，将这些信息存储起来，以便作迸一步的处理和分析。 硕上学位毕业论文一无线传感网络可靠性应用及其关键技术研究 7 ) 仿真与实验。为进行大规模无线传感器网络的性能评价，必须采用仿真 环境进行仿真分析。而为实际应用积累相关的经验又必须开发相应的原 型系统进行实验分析。 2 4 本章小结 本章对无线传感器网络的工业应用进行了系统的讨论，提出了原型系统和系 统解决方案，并给出待解决的关键问题。本文将主要针对通信协议、节点的系统 设计以及测距和定位这三个关键问题和支撑技术进行进一步的研究，其它的问题 有待进一步讨论和解决。 3 2 硕士学位毕业论文一无线传感网络可靠性应用及其关键技术研究 第3 章无线传感器网络工业应用通信协议研究 本章摘要：通信协议是无线传感器网络联网的基础。本章在工业应用中无线传感器 网络的通信协议需求分析上，对目前主流的三种协议标准进行了研究和比较，分析 了并自的特点以及在无线传感器网络中应用的可行性。之后我们详细介绍了 z i g b e e 协议以及它在无线传感器网络中应用的优势，并给出了工业中解决通信可 靠性问题的一些方案。 3 1 工业应用通信协议需求分析 组网与通信是无线传感器网络通信体系的主要功能，其核心内容是通信协 议，包括无线信道调制、共享信道分配、路由构建及与其它网络互联等。通信体 系使传感器节点能够相互通信，传送数据，形成一个网络整体，从而完成各种复 杂的任务，是无线传感器网络得以正常工作的基础。通信系统协议栈包括了四层 的通信协议和相关的管理，比如电源管理、移动管理、任务管理等，如图3 1 所示“。 图3 1 无线传感器网络通信系统协议栈 物理层提供简单可靠的频率选择、传输技术、信号调制、发送和接收机制。 数据链路层负责差错控制和媒介访问控制，并最小化节点间的信道访问冲突。由 于每个节点的通信范围很有限，网络层主要用于路由数据，以便数据能够在整个 网络中传送。传输层用于与其它网络互联。而电源、移动、任务管理机制用于监 硕士学位毕业论文一无线传感恻络可靠性应用殿其关键技术研究 控电源、节点移动和节点间的任务分配，从而使节点能以较低的能耗协作完成传 感任务。 在： 业应用中，数据要可靠而及时的传输到控制器或基站，否则，控制器就 无法根据目标的状态进行相应的控制策略调整。因此，工业应用对无线传感器网 络通信协议提出了更高的需求，主要包括以下几点“”“3 ： 1 ) 能耗有效性。由于无线传感器网络通常无人职守的运行在比较恶劣或危 险的环境，无法更换电池或更换电池的成本太高，如何更有效的使用传 感器节点的能量，对于延长整个网络的使用寿命至关重要。因此，能耗 有效性是无线传感器网络的首要设计目标中“1 。而在目标跟踪应用中， 节能策略更是必不可少的，否则，在工业应用中，能量很快耗尽，监测 任务就无法完成。 2 ) 数据传输可靠性。工业应用对于路由数据的可靠传输有较高的要求，因 为如果路由到基站的数据丢失，基站无法及时掌握目标的位置和状态情 况，也就无法制订相关的策略来进行控制，从而造成传感任务的不准确 或失败。因此，应用于工业的通信协议不仅要有较高的能耗有效性，还 必须能够可靠的传送数据，即必须有较高的数据包成功到达率。 3 ) 协议可扩展性。工业应用中所采用的传感器节点数量可能会随着目标的 数量、任务的要求的提高不断增加，如果通信协议在节点数量增加的时 性能迅速下降，或无法达到预定的通信功能，就无法在工业中广泛应用。 因此，工业应用要求协议具有较高的可扩展性。 4 1 通信实时性。在一些实时性要求较高的工业场合，要对目标进行准确的 监测，节点间的数据通信的实时性就需要得到很好的保证。否则，负责 根据监测到的数据而采取的相应控制策略是过时的，就无法及时、正确 的控制工业过程，甚至对1 ：业过程造成危害。 目前无线传感器网络的一些简单应用都没有基于某一种成熟的协议，只是将 数据以无线的形式传送。现有的典型无线网络协议一般规定了物理层和数据链路 层。在无线传感器网络中目前比较流行的协议有8 0 2 1 1 b w i f i 3 2 刚、 8 0 2 1 5 1 b 1 u e t o o t h ”1 和8 0 2 1 5 4 z i g b e e 。“矧，下面将分别介绍这三种协议并 分析了各自的特点以及在无线传感器网络中应用的可行性。 硕士学位毕业论文一无线传感网络可靠性应用及其关键技术研究 3 2 主流通信协议的比较 作为当今最热门的无线通信协议，i e e e8 0 2 1 1 是设计用于无线局域网的， 近一段时间w i f i 则更为流行，它执行i e e e8 0 2 1 l b 协议。而8 0 2 1 5 4 z i 邸e e 和8 0 2 1 5 1 b 1 u e t o o t h 设计用于低速率无线个人局域网( l o w r a t ew i r e l e s s p e r s o n a la r e an e t w o r k i n g ，l r 一1 v p a n ) 。无线个人局域网是通过一组私有的设备 进行短距离的信息传输的。不同于无线局域网，它一般不直接与其它外部的网络 进行连接。这样可以允许在大量无线设备上实现更节能，更经济的解决方案。 8 0 2 1 1 b w i f i 、8 0 2 1 5 1 b l u e t o o t h 和8 0 2 1 5 4 z i g b e e 各自使用的i s m 频段如 图3 2 所示。 i 豢i 豢糕i 攀蒸震! 獭婺i l 嚣纂| | | | | i 簇簇鐾| | | | | | | | | 鞴| | | | 囊i 掣8 | | | | | i 嚣黧磊瓣” 9 0 0 m h z 低吞吐量、较好 的穿透力和传输8 0 2 1 54 z 追b e e 工业 距离 2 4 g h z 在世界筹区域具 8 0 2 15 1 b 1 u e t o o t h 8 0 2 1l b w i f i 科学研究 有通用性 8 0 2 1 5 4 亿i g b 58 g h z 高吞吐量、抗干 医学扰、较小的天线 目前无 图3 2i s m 频段 ( 1 ) 8 0 2 1 1 b w i f i 。 8 0 2 1 1 b w i f i 最早由电气和电子工程师协会( i n s t i t u t eo fe l e c t r i c a l a n de l e c t r o n i c se n g i n e e r i n g ，i e e e ) 于1 9 9 9 年9 月发布。它通过引入工作于 2 4 g h z 频段的高速物理层兼容扩展了8 0 2 1 1 协议，主要定义了物理层和m a c 层。 在物理层，它使用2 4 g h z 频段和d s s s 技术，最高传输速率可达1 1 m b p s ；在m a c 层，它使用带冲突避免的载波侦听多路复用( c a r r i e rs e n s em u l t i p l ea c c e s s w i t hc o l l i s i o na v o i d a n c e ，c s m a c a ) 技术，显著提高了网络的效率。w i f i 简单易行，是实现单跳a d h o c 网络的一个很好的平台，是在低端最流行的一种 无线协议。但是对无线传感器网络来说，它还不够好，尤其是能耗方面。 ( 2 ) 8 0 2 1 5 1 b l u e t o o t h 。 硕上学位毕业论文一无线传感网络可靠性应用及其荚键技术研究 8 0 2 1 5 1 b l u e t 0 0 t h 是由爱立信、诺基亚、i b m 、英特尔等组成的一个商业 组织于1 9 9 8 年策划的一个针对固定、便携或移动设备在个人工作区( p e r s o n a l o p e r a t i n gs p a c e ，p o s ) 使用的协议，一般是1 0 米之内的范围。b l u e t o o t h 使 用展频扩频( f r e q u e n c yh o p p i n gs p r e a ds p e c t r u m ，f h s s ) 技术确保了数据链 路的稳定性。同时具有比w i f i 更好的移动性，例如一个被8 0 2 1 1 b w i f j 限制 在办公室或校园内的设备，b l u e t o o t h 却可以将它连接到局域网或广域网。 b l u e t o o t h 定义了物理层和数据链路层的四个子层，分别为：用于定义无线接口 的r f 层、建立设备间物理连接的基带层、建立b 1 u e t 0 0 t h 设备间链路的链路管 理和为高层协议提供服务的逻辑链路控制与适应协议。很多公司已经基于 b 1 u e t o o t h 开发了成熟的产品，但是它们大多还是用于个人使用，无法大规模地 组网。 ( 3 ) 8 0 2 1 5 4 z i g b e e 。 z i g b e e 是由霍尼韦尔、三菱、摩托罗拉、飞利浦等公司组成的z i g b e e 联盟 在8 0 2 1 5 4 协议基础上开发的用于自动控制系统利远程控制的短距离低速率新 兴技术。8 0 2 1 5 4 协议定义了物理层和m a c 层用于低速率无线连接，并满足了 低功耗的要求，z i g b e e 联盟则负责网络层和应用层的相关协议设计和测试。 z i g b e e 是基于现有协议的一个改进规范，它能实现可靠的、低成本的、低功耗 的、安全的无线网络监控。 我们通过如图3 3 所示的表格给出这三种协议具体的特点和比较。 从图中我们可以看到，z i g b e e 具有极低的能耗，使用普通电池的节点可以 在3 0 毫秒内完成唤醒、登入、发送数据和休眠任务，这直接延长了节点的使用 周期。如果我们合适地设置节点的信息帧和工作时隙，其工作时间将可以减至3 毫秒。而所有这些仅通过带有物理层和m a c 层功能的r f 芯片和同样使用电池的 8 位微处理器配合就能实现。z i g b e e 所需的系统存储容量根据设备的复杂性和协 议栈的特点从4 k b 到3 2 k b 不等，这大概只有b l u e t o o t h 所需的四分之一。z i g b e e 内嵌的m a c 层支持c s m a c a 、广播信道评估、链路质量估计和数据确认等，保证 了网络的可靠性。z i g b e e 单个子网可以连接多于6 4 0 0 0 个节点，而多个子网又 可以互联，这将使得大规模的无线传感器网络成为可能。 硕士学位毕业论文一无线传感网络可靠性应用及其关键技术研究 聪i | 8 能蕊薹b 潮勰删 ：i 躺誊薹5 疆l 辍黼鳓一| | | | 1 8 豫i l 蕊4 l l 酾j i ：；t i4 搬 + p n 最高1 l m b 口s 2 4 g h z ：5 0 k h d 5 有效值6 m b d s 最高1 m b d s 9 1 5 1 z ：4 0 k b d 5 速率 8 6 8 l z ：2 0 k b d 8 室外3 0 0 米 10 一】0 0 米1 01 0 0 束有效距离 室内1 0 0 米 l o 1 0 08 2 5 6 ，最多6 5 5 3 6连接设备数 1 0 0m w1m wl l om w 传输功率 通信时：3 0 m a 3 0 0m a 平均：4 5 u a能耗 窄闭时：0 3 m a 37 92 7 信道数 至少1 m b 6 0 2 8 0k b4 3 2 k b 系统所需存储空间 电池寿命 1 51 7 】0 0 1 0 0 0 ( 天) 类似以太网的协议， 容错控制，错误检测c s m a ，c a 方案完 可靠性 网络带宽的有效利用和修复全的数据确认 对等网、无线网桥、a d 山o c 、散状嗍、微星形、簇状树、网状 中继器 微| 廊9 网 拓扑 m a c 层数据帧的机 内置的鉴定和加密链婚层安全性密性、完整性和真实安伞性 降 速度、机动性成本、方便可靠性、成本、能耗 主要优势 企、【k 无线局域网无线个人局域网t 业无线传感器网络应用 硕士学位毕业论文一无线传感网络可靠性应用及其关键技术研究 3 。3z ig b e e 协议简介 z i g b e e 技术的物理层和m a c 层的协议由i e e e8 0 2 1 5 4 ：工作组负责制定， m a c 层以上协议由z i g b e e 联盟负责。完整的z i g b e e 协议套件由高层应用规范、 应用会聚层、网络层、数据链路层和物理层组成。协议堆栈见图3 4 。 【应用，l l 应用v 应用汇聚层 嗍络层 其它逻辑链路控制标准 i e e e8 。2 1 5 4 介质访问控带子层 2 4 g h z8 6 8 m h 到