無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)展現(xiàn)狀研究
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每年很多嬰兒死于嬰兒猝死癥(SIDS)，睡眠安全原型則是設(shè)計(jì)用于監(jiān)測(cè)監(jiān)視嬰兒睡覺(jué)狀態(tài)。用傳感器監(jiān)測(cè)嬰兒的睡姿，一旦嬰兒俯臥就及時(shí)提醒家長(zhǎng)。SHIMMER節(jié)點(diǎn)中有一個(gè)重力三軸加速度計(jì)，用于監(jiān)測(cè)嬰兒相對(duì)位置。T—Mote節(jié)點(diǎn)則將該數(shù)據(jù)發(fā)送到基站，根據(jù)檢測(cè)值和設(shè)定值的比較判斷嬰兒的睡姿。Baby Glove原型設(shè)計(jì)用于監(jiān)測(cè)嬰兒的生命體征如溫度、水合程度以及脈搏。Fireline是一種無(wú)線心率監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，用于消防員火災(zāi)救援過(guò)程中實(shí)時(shí)心率和壓力異常監(jiān)測(cè)。Heart@Home是一種無(wú)線血壓監(jiān)測(cè)和跟蹤系統(tǒng)。除此之外，Listen采集環(huán)境中的音頻信息，從而提醒聽(tīng)力受損的人。
1．2 工業(yè)應(yīng)用
石油冶煉工廠中安裝的WSN由4個(gè)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)和一個(gè)執(zhí)行節(jié)點(diǎn)組成，可以降低成本，提高效率。監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)包通過(guò)以太網(wǎng)發(fā)送給計(jì)算單元，再由計(jì)算單元將結(jié)果發(fā)送到分布式控制系統(tǒng)中?？刂葡到y(tǒng)向執(zhí)行節(jié)點(diǎn)發(fā)送指令，完成整個(gè)控制過(guò)程。該試驗(yàn)測(cè)試了網(wǎng)絡(luò)噪聲對(duì)RSSI和LQI的影響，結(jié)果表明工業(yè)環(huán)境中的噪聲對(duì)WSN的性能有很大的影響。
WSN也用于半導(dǎo)體制造工廠和油輪的設(shè)備維護(hù)和監(jiān)測(cè)。傳感器節(jié)點(diǎn)通過(guò)采集振動(dòng)信號(hào)來(lái)預(yù)測(cè)設(shè)備的故障，這有利于設(shè)備的維護(hù)和保養(yǎng)。
1．3 環(huán)境應(yīng)用
傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用包括跟蹤生物，如鳥(niǎo)類、小動(dòng)物和昆蟲(chóng)的遷移，監(jiān)測(cè)影響農(nóng)作物和莊稼的環(huán)境，以及大海、土壤及森林火災(zāi)等的監(jiān)測(cè)。美國(guó)加利福尼亞州索諾馬縣應(yīng)用WSN研究紅木樹(shù)林的現(xiàn)狀。每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)用于測(cè)量空氣溫度、相對(duì)濕度以及光合有效輻射作用。在樹(shù)的不同高度放置節(jié)點(diǎn)，生物學(xué)家可以追蹤紅木樹(shù)林小氣候的空間漸變情況，從而驗(yàn)證其生物學(xué)理論。
哈佛大學(xué)Matt welsh等人將傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于火山的監(jiān)測(cè)。他們分別于2004年和2005年對(duì)厄瓜多爾的Tungurahua和Reventodaor兩座火山進(jìn)行監(jiān)測(cè)。該網(wǎng)絡(luò)由16個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)組成，每個(gè)傳感器間隔200～400 m不等。在19天的觀測(cè)中，網(wǎng)絡(luò)觀測(cè)到230次噴發(fā)和其他事件。在肯尼亞構(gòu)建的ZebraNet系統(tǒng)是一個(gè)移動(dòng)傳感網(wǎng)絡(luò)，用于追蹤動(dòng)物的遷移。該系統(tǒng)將跟蹤節(jié)點(diǎn)安裝在斑馬的項(xiàng)圈上，目標(biāo)在于準(zhǔn)確記錄斑馬的位置，用于生物行為分析。
2 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)
2．1 定位
定位方法可以分為距離相關(guān)(range-based)定位算法和距離無(wú)關(guān)(range-free)定位算法兩大類。距離相關(guān)定位算法通常利用測(cè)距技術(shù)得到節(jié)點(diǎn)間距離，再利用三邊測(cè)量法、三角測(cè)量法或極大似然估計(jì)法計(jì)算出未知節(jié)點(diǎn)的位置。常用的測(cè)距技術(shù)包括接收信號(hào)強(qiáng)度(RSSI)技術(shù)、信號(hào)傳輸時(shí)間(TOA)技術(shù)、信號(hào)到達(dá)時(shí)間差(TDOA)技術(shù)和信號(hào)到達(dá)角度(AOA)技術(shù)。
距離無(wú)關(guān)定位算法利用節(jié)點(diǎn)間的連通情況來(lái)估測(cè)自己的位置。其中一部分距離無(wú)關(guān)算法采用集中式計(jì)算模式，再用優(yōu)化方法來(lái)提高定位精度，如凸規(guī)劃算法和MDS—MAP算法，但是集中計(jì)算方式需要網(wǎng)絡(luò)中有中心節(jié)點(diǎn)支持，會(huì)導(dǎo)致中心節(jié)點(diǎn)通信量大，能量耗盡快，網(wǎng)絡(luò)癱瘓。
絕大多數(shù)距離無(wú)關(guān)定位算法采取分布式計(jì)算模式，擴(kuò)展性好，通信量小。
Blumenthal等人提出了質(zhì)心定位算法和加權(quán)質(zhì)心定位算法，根據(jù)ZigBee／IEEE802．15．4傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)射接收距離或連接質(zhì)量為每一個(gè)接收坐標(biāo)分配不同的權(quán)重。Behnke和Timmermann通過(guò)使用連接質(zhì)量的歸一化值推廣了WCL機(jī)制。Schuhmann推導(dǎo)了室內(nèi)發(fā)射接收距離的指數(shù)逆相關(guān)的固定參數(shù)集和對(duì)應(yīng)于與WCL，的權(quán)重。這些方法假設(shè)接收機(jī)與發(fā)射機(jī)的距離不是很遠(yuǎn)，發(fā)射接收距離至少有一個(gè)接收器是提前預(yù)知的。
2．2 同步
時(shí)間同步是WSN應(yīng)用的重要組成部分，傳感器數(shù)據(jù)融合、傳感器節(jié)點(diǎn)自身定位等都要求節(jié)點(diǎn)間的時(shí)鐘保持同步。時(shí)間的不準(zhǔn)確會(huì)嚴(yán)重影響網(wǎng)絡(luò)的生命周期。全局時(shí)間同步允許節(jié)點(diǎn)按照指定的方式發(fā)送數(shù)據(jù)，配合同步工作。現(xiàn)有的時(shí)間同步協(xié)議更多關(guān)注的是準(zhǔn)確地估計(jì)時(shí)間不確定性和網(wǎng)絡(luò)中局部節(jié)點(diǎn)間的時(shí)間同步。
TPSN算法是S．Ganeriwal等人提出的成對(duì)同步協(xié)議，分為發(fā)現(xiàn)階段和同步階段。發(fā)現(xiàn)階段建立網(wǎng)絡(luò)分層的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，確定每個(gè)節(jié)點(diǎn)的層號(hào)；同步階段由根節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)同步階段的初始化。每個(gè)節(jié)點(diǎn)僅與其上層中一個(gè)節(jié)點(diǎn)同步，最終與根節(jié)點(diǎn)同步從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的同步。FTSP算法是由Branislav Kusy等人提出的基于sender—receiver的單向同步算法。該算法使用單向廣播消息實(shí)現(xiàn)發(fā)送節(jié)點(diǎn)與接收節(jié)點(diǎn)之間的時(shí)間同步。
RATSS協(xié)議是一種自適應(yīng)同步協(xié)議。首先建立兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間長(zhǎng)期時(shí)鐘漂移，從而最小化占空比負(fù)擔(dān)。該方法使用長(zhǎng)期的時(shí)間測(cè)量評(píng)估和分析3種影響時(shí)間同步的主要因素。測(cè)量這些參數(shù)用于設(shè)計(jì)速率自適應(yīng)能效同步算法。RATS的目標(biāo)是最大化同步采樣周期，同時(shí)在用戶定誤差范圍內(nèi)設(shè)定預(yù)測(cè)誤差。
RFA算法是一種分散式時(shí)間同步。該算法按照螢火蟲(chóng)同步的方法，內(nèi)部設(shè)置一個(gè)振蕩器周期為T，在時(shí)刻T節(jié)點(diǎn)發(fā)送一個(gè)類似螢火蟲(chóng)的信號(hào)，能觀測(cè)到該信號(hào)的鄰居節(jié)點(diǎn)則縮短其自身的發(fā)送螢火蟲(chóng)信號(hào)的時(shí)間，縮短的時(shí)間由firing函數(shù)和常數(shù)ε決定。經(jīng)過(guò)一定時(shí)間，網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)將會(huì)達(dá)到同步。RFA是一種具有魯棒性的算法，能夠適應(yīng)數(shù)據(jù)丟失、節(jié)點(diǎn)增加、鏈接改變等網(wǎng)絡(luò)的變化。
評(píng)論