无线传感器网络技术与应用现状的研究毕业论文 (2)

由于无线传感器网络涉及信息领域多个研究领域，有非常多的关键技术有待研究.

(1)对网络协议有效性的研究。主要是通过各种网络协议的设计与仿真来提高网络的综合性能。传感器网络协议负责使各个独立的节点间形成一条安全可靠的数据传输路径。通过提出适应传感器网络特点的路由协议，提高传输数据的能量有效性；通过研究和改进己有的MAC层协议，来增强节点之间数据传输的可靠性。较经典的MAC协议有近期提出的基于竞争的S-MAC协议，TDMA与FDMA相结合的MAC协议[7]。

(2)对时间同步技术的研究。时间同步用来精准确定来自不同节点的监测事件的先后关系。WSN中的通信协议和应用，比如基于TDMA的MAC协议和敏感时间的监测任务等，都要求节点间的时钟必须保持同步。设计高精度的时钟同步机制是传感网络设计和应用的难点。已有的NTP(Network Time Protocol)就是一种经典的同步策略[8]。

(3)对定位技术的研究。定位技术就是位置未知的节点根据少数信标节点，按照某种定位机制确定自身的位置。节点不能完全依靠GPS来实现定位机制，这就要求相应的机制与算法。已有的定位机制与算法包括两部分:节点自身定位和外部目标定位，前者是后者的基础。通常方法有三边测量法、三角测量法或极大似然估计法。

(4)对传感器基础层的软、硬件资源的研究。提高电池的供电能力，接收信号的处理能力和芯片的集成能力。由于传感器节点一方面特点是并发性密集；传感器节点的另一方面特点是高度的模块化。美国加州大学伯克利分校针对无线传感器网络研发了TinyOS操作系统，在科研机构的研究中得到比较广泛地应用。

(5)对数据管理和数据融合技术的研究。由于传感器网络感知数据的海量性，因此必须对采集到的数据进行提取、压缩和融合等处理，来保证采集数据的高效性[9]。在应用层设计中，利用分布式数据库技术对采集到的数据进行筛选，达到融合的效果；在MAC层，通过减少数据发送冲突和头部开销达到节省能量的目的。美国加州大学伯克利分校的TinyDB+71系统和Cornel大学的Cougar[18]系统就是典型的传感器网络数据管理系统[10]。

(6)对传感器网络安全性的研究。主要包括两方面内容:利用较少的能量和较

小的计算量来完成数据加密、解密和身份认证；在受破坏或受千扰的情况下可靠的完成执行任务。由于WSN的工作环境，可能面临着信息被窃听或被伪造的危险。这对该网络的拥有者会造成极大的威胁，因此必须综合考虑网络安全性的影响。 1.3 无线传感器网络的应用

无线传感器网络具有广阔的应用前景，被认为是将对21世纪产生巨大影响力的技术之一己有和潜在的传感器网络应用领域包括:军事侦察、环境监测、医疗监护、空间探索、城市交通管理、仓储管理等等。随着传感器技术、无线通信技术、计算技术的不断发展和完善，无线传感器网络将逐渐深入到人类生活的各个领域。

(1)军事应用

在军事领域，传感器网络将会成C41SRT系统不可或缺的一部分。C41SRT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。因为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，在军事应用中，与独立的卫星和地面雷达系统相比，传感器网络的潜在优势表现在以下几个方面:

①分布节点中多角度和多方位信息的综合有效地提高了信噪比，这一直是卫星和雷达这类独立系统难以克服的技术问题之一；

②传感器网络低成本、高冗余的设计原则为整个系统提供了较强的容错能力；

③传感器节点与探测目标的近距离接触大大消除了环境噪声对系统性能的影响；

④节点中多种传感器的混合应用有利于提高探测的性能指标； ⑤多节点联合，形成覆盖面积较大的实时探测区域；

⑥借助于个别具有移动能力的节点对网络拓扑结构的调整能力，可以有效地消除探测区域内的阴影和盲点。

(2)环境科学

随着人们对于环境的日益关注，环境科学所涉及的范围越来越广泛。通过传

统方式采集原始数据是一件困难的工作。传感器网络为野外随机性的研究数据获取提供了方便，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，传感器网络可实现对森林环境监测和火灾报告，传感器节点背随机密布在森林之中，平常状态下定期报告森林环境数据，当发生火灾时，这些传感器节点通过协同合作会在很短的时间内将火源的具体地点、火势的大小等信息传送给相关部门。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。

(3)医疗健康

传感器网络在医疗系统和健康护理方面的应用包括监测人体的各种生理数据，跟踪和监控医院内医生和患者的行动，医院的药物管理。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，进行及时处理。利用无线通信将各传感器联网可高效传递必要的信息从而方便接受护理。而且还可以减轻护理人员的负担。英特尔主管预防性健康保险研究的董事Eric Dishman称:“在开发家庭用护理技术方面，无线传感器网络是非常有前途的领域”。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[15]。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[11]。

(4)空间探索

探索外部星球一直是人类梦寐以求的理想，借助于航天器布撒的传感器网络节点实现对星球表面长时间的监测，应该是一种经济可行的方案。NASA的JPL实验室研制的Sensor Webs就是为将来的火星探测进行技术准备的，已在佛罗里达宇航中心周围的环境监测和完善。

(5)智能家居

在家电和家具中嵌入传感器节点，通过无线网络与互联网连接在一起，将会为人们提供更加舒适、方便和更具人性化的智能家居环境。利用远程监控系统，可完成对家电的远程遥控，也可以通过图像传感设备随时监控家庭安全情况。

(6)其他商业应用

自组织、微型化和对外部世界的感知能力是传感器网络的三大特点，这些特点决定了传感器网络在商业领域应该也会有不少的机会。比如城市车辆监测和跟踪系统中成功地应用了传感器网络;德国某研究机构正在利用传感器网络技术为足球裁判研制一套辅助系统，以减小足球比赛中越位和进球的误判率。此外，在灾难拯救、仓库管理、交互式博物馆、交互式玩具、工厂自动化生产线等众多领域，无线传感器网络都将会孕育出全新的设计和应用模式[12]。

2 无线网络路由协议概述

在OSI参考模型中，网络层是通信子网的最高层。在一般的联机系统和线路交换系统中，网络层的功能意义不大。但是，当终端增多时，它们之间就需要有中继设备相连，此时会出现一台终端要求与多台终端通信的情况，这就产生了把任意两台数据终端设备的数据链接起来的问题，即网络路由问题。

路由是把信息从源穿过网络传递到目的的行为。路由技术其实是由两项最基本的活动组成，即决定最优路径和传输数据包。路径选择是实现高效通信的基础。 2.1 路由的基本概念

路由包含两个基本动作:确定最佳路径和通过网络传输信息。在路由的过程中，后者也称为(数据)交换。交换相对来说比较简单，而选择路径很复杂[13]。 2.1.1 路径选择

为了帮助选路，路由算法初始化并维护包含路径信息的路由表。路由算法根据目的地址和下一跳地址等诸多信息填充路由表。路由器彼此通信，通过交换路由信息维护其路由表，路由更新信息通常包含或部分路由表，通过分析来自其他路由器的路由更新信息，每个路由器都可以建立一个网络拓扑图。路由器间还发送链接状态广播信息来通知其他路由器发送者的链接状态。链接信息用于建立完整的拓扑图，使路由器可以确定最佳路径。 2.1.2 交换

交换算法相对而言较简单，对大多数路由协议而言是相同的。多数情况下，某主机决定另一个主机发送数据，通过某些方法获得路由器的地址后，源主机发送指向该路由器的物理地址的数据包，该数据包中的IP协议地址指向目的主机。

路由器查看了数据包的目的地址后，确定是否知道如何转发该包.如果路由器不知道如何转发，通常就将之丢弃;如果路由器知道如何转发，就把目的物理地址变成下一跳的物理地址并向之发送。下一跳可能是最终的目的主机或另一个路由器。当数据包在网络中流动时，其物理地址在改变，但其IP地址始终不变。

ISO定义了用于描述源系统与目的系统交换过程的分层术语，在该术语中，

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