无线传感器网络的组网设计与开发

1  绪论

1.1 课题研究背景及意义

随着微电子机械系统、计算机技术、通信技术、自动控制和人工智能等学科的不断发展，无线传感器网络(Wireless Sensor Network，WSN)^[1-2]应运而生。无线传感器网络是由大量具有通信和计算能力、低成本小体积的传感器节点随机部署在无人值守的监控领域而构成的能够自主完成指定任务的智能网络系统，是一种大规模、无人干预、资源严格受限的分布式系统，其网络拓扑结构动态变化，具有自组织、自适应的智能属性。网络通过各类集成化的微型传感器节点协作感知、采集和处理覆盖区域内的对象信息，通过无线通信，以多跳的方式传送到需要这些信息的用户。

无线传感器网络可广泛应用于国防军事、环境监测、智能家居、医疗健康和工业控制等领域^[3]，是一项很有应用前景的新技术。美国《技术评论》杂志把无线传感器网络视为未来新兴十大技术的首位^[4]。美国《商业周刊》在未来技术专栏评论中，也将无线传感器网络定位成21世纪高技术领域的四大支柱型产业之一^[5]，其潜在的市场需求十分巨大。美国《今日防务》杂志更是认为无线传感器网络的发展将引起一场划时代的军事技术革命和未来战争的变革。可以预计，无线传感器网络的不断发展，将会对人类的社会生活和产业变革带来极大的影响和产生巨大的推动。

由于无线传感器网络拥有广泛的用途，对它的研究已经成为学术界的热点之一。研究主要集中在通信协议栈的各个子层和贯穿于协议栈的各项关键技术，但目前国内外的研究大多数是基于仿真环境，分析和改进传感器网络的各项性能指标。由于仿真环境与现实应用环境存在一定的差异，为了能够更加客观、准确地评测无线传感器网络不同硬件系统和通信协议栈在真实环境中的性能表现，因此有必要研究和设计无线传感器网络实际平台。目前国外各大知名公司陆续推出了若干种传感器节点试验平台。出于商业机密的原因，网络协议栈的核心代码大多数都不允许公开。研究人员无法透彻了解无线传感器网络协议栈的核心思想和关键技术。此外，无线传感器网络是一种应用相关的网络，在不同应用场合需要特定的网络协议和网络平台。为了能够更深刻地了解和掌握无线传感器网络的协议算法和在实际应用中的设计要求，无线传感器网络平台的开发与设计已经成为了一个重要的研究方向。

1.2 国内外研究现状与发展

无线传感器网络技术新起于20世纪90年代末，因其巨大的应用价值而迅速得到了军事部门、学术界、工业界广泛的关注。最早的研究由美国的自然科学基金(NSF)、DARPA、加州大学(University of California)和康奈尔大学(Cornell University)等机构和院校开展^[2]。从2000年起，国际上开始出现一些有关传感器网络研究结果的报道。美国英特尔公司、微软公司等信息业巨头也开始了传感器网络方面的研究工作。

2001年，美国陆军提出了“灵巧传感器网络通信”计划；目标是建设一个通用通信基础设施，支援前方部署，将无人值守式弹药、传感器和未来战斗系统所用的机器人系统连成网络，成倍地提高单一传感器的能力，使作战指挥员能更好、更快地做出决策，从而改进未来战斗系统的生存能力^[1-2]。

2002年，Intel公司发布“基于微型传感器网络的新型计算发展规划”，致力于微型传感器网络在预防医学、环境监测乃至海底板块调查、行星探测等领域的应用^[7]。

2003年，美国自然科学基金委员会制定了无线传感器网络研究计划，在加州大学成立了传感器网络研究中心，展开了“嵌入式智能传感器”研究项目。

近期，有更多的军事、民用、学术项目开始了无线传感器网络的开发、研究，如智能尘埃(Smart Dust)，NEST( Network Embedded System Technology)，UAMPS等^[5]。

国内对无线传感器网络的研究起步较晚，最近几年才受到广泛关注。

2001年8月，中国科学院微系统技术研究发展中心在上海成立，针对无线传感器网络部署了若干项重大研究项目^[1]。

2004年，863计划信息获取与处理技术主题年会在北京召开，会上专家学者们普遍认为无线传感器网络已经成为信息获取领域的发展重点。中国计算机学会青年计算机科技论坛于2004年11月在北京召开了中国第一次关于Wireless sensor network的专题报告会。讨论了Wireless sensor network技术及其在中国的发展问题^[7]。

2007年9月14日，中国科学院嘉兴无线传感网工程中心与上海世博局共建的“中国2010上海世博会信息化无线传感网应用联合实验室”在嘉兴揭牌，“联合实验室”将为3.28平方公里的世博园区提供全天候、全天时的实时监控与防护。

2008年中国科学院嘉兴无线传感网工程中心开展的无线车辆磁敏传感器研究项目已经在安徽合肥、黄山以及上海某重要路段得到了成功的应用，实现了道路信息采集高集成度的目的，很好地适应了道路交通信息采集的应用需求^[15]。

除此以外，清华大学、北京邮电大学、浙江大学和东南大学等众多高等院校也积极开展对无线传感器网络的研究^[1]。

但是，我们还应该清楚的认识到，无线传感器网络才刚刚开始发展，它的技术、应用都还还远谈不上成熟，国内企业应该抓住商机，加大投入力度，推动整个行业的发展。

目前国外各大知名公司陆续推出了若干种传感器节点试验平台。出于商业机密的原因，网络协议栈^[9-16]的核心代码大多数都不允许公开。研究人员无法透彻了解无线传感器网络协议栈的核心思想和关键技术。此外，无线传感器网络是一种应用相关的网络，在不同应用场合需要特定的网络协议^[9-16]和网络平台。为了能够更深刻地了解和掌握无线传感器网络的协议算法和在实际应用中的设计要求，无线传感器网络平台的组网设计与开发已经成为了一个重要的研究方向。

1.3 本文主要工作内容

本课题作为实验室无线传感器网络项目的基础研究，主要设计无线传感器网络的组网设计与开发，给出了传感器网络的协议栈的设计方案，并在实际硬件平台中开发实现。具体工作主要包括以下方面内容：

(1)无线传感网络协议栈的设计与实现

无线传感器网络论文在不同应用环境下的协议是不同的，缺乏一个统一的标准。本文分析了目前无线传感器网络协议栈各子层的典型协议和时间同步等关键技术，给出了适合于本课题的MAC协议、路由协议、工作模式和时间同步机制，分别是基于重传和应答的CSMA/CA信道接入机制、基于树型结构的能量感知可靠路由协议，休眠/侦听低占空比工作机制以及基于DMTS算法的全网时间同步机制。以上协议和机制均在硬件平台上开发实现，并在各项性能测试中达到了预期的结果。

1.4 本文章节结构安排

本文章节结构安排如下：

第一章为绪论，叙述了课题研究背景和意义。简述了无线传感器网络国内外研究现状和发展。

第二章主要介绍了无线传感器网络体系结构。介绍了节点的组成模块。详细分析了网络协议栈的典型协议和关键技术。

第三章介绍了节点电路设计和硬件制作，实现了性能优良的节点开发。

第四章给出了本文的网络协议栈设计方案，包括时间同步算法、工作模式和工作机制、链路控制算法、组网结构以及路由算法。

第五章详细设计并实现了所给出的网络协议栈，包括各子层的帧格式设计、算法实现以及各子层提供的服务函数。

第六章主要完成了本文所给出的几个方案机制的性能测试以及协议栈组网路由的调试验证工作。

第七章对本课题所做的工作和无线传感器网络论文进行总结，指出了系统中的不足之处，并对进一步的研究和改进提出了思路和展望