無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )發(fā)展現狀研究
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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計用于監測監視嬰兒睡覺(jué)狀態(tài)。用傳感器監測嬰兒的睡姿，一旦嬰兒俯臥就及時(shí)提醒家長(cháng)。SHIMMER節點(diǎn)中有一個(gè)重力三軸加速度計，用于監測嬰兒相對位置。T—Mote節點(diǎn)則將該數據發(fā)送到基站，根據檢測值和設定值的比較判斷嬰兒的睡姿。Baby Glove原型設計用于監測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(xiàn)心率監測系統，用于消防員火災救援過(guò)程中實(shí)時(shí)心率和壓力異常監測。Heart@Home是一種無(wú)線(xiàn)血壓監測和跟蹤系統。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)應用
石油冶煉工廠(chǎng)中安裝的WSN由4個(gè)監測節點(diǎn)和一個(gè)執行節點(diǎn)組成，可以降低成本，提高效率。監測節點(diǎn)將數據包通過(guò)以太網(wǎng)發(fā)送給計算單元，再由計算單元將結果發(fā)送到分布式控制系統中?？刂葡到y向執行節點(diǎn)發(fā)送指令，完成整個(gè)控制過(guò)程。該試驗測試了網(wǎng)絡(luò )噪聲對RSSI和LQI的影響，結果表明工業(yè)環(huán)境中的噪聲對WSN的性能有很大的影響。
WSN也用于半導體制造工廠(chǎng)和油輪的設備維護和監測。傳感器節點(diǎn)通過(guò)采集振動(dòng)信號來(lái)預測設備的故障，這有利于設備的維護和保養。
1．3 環(huán)境應用
傳感器網(wǎng)絡(luò )的應用包括跟蹤生物，如鳥(niǎo)類(lèi)、小動(dòng)物和昆蟲(chóng)的遷移，監測影響農作物和莊稼的環(huán)境，以及大海、土壤及森林火災等的監測。美國加利福尼亞州索諾馬縣應用WSN研究紅木樹(shù)林的現狀。每個(gè)傳感器節點(diǎn)用于測量空氣溫度、相對濕度以及光合有效輻射作用。在樹(shù)的不同高度放置節點(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 )應用于火山的監測。他們分別于2004年和2005年對厄瓜多爾的Tungurahua和Reventodaor兩座火山進(jìn)行監測。該網(wǎng)絡(luò )由16個(gè)傳感器節點(diǎn)組成，每個(gè)傳感器間隔200～400 m不等。在19天的觀(guān)測中，網(wǎng)絡(luò )觀(guān)測到230次噴發(fā)和其他事件。在肯尼亞構建的ZebraNet系統是一個(gè)移動(dòng)傳感網(wǎng)絡(luò )，用于追蹤動(dòng)物的遷移。該系統將跟蹤節點(diǎn)安裝在斑馬的項圈上，目標在于準確記錄斑馬的位置，用于生物行為分析。
2 無(wú)線(xiàn)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(lèi)。距離相關(guān)定位算法通常利用測距技術(shù)得到節點(diǎn)間距離，再利用三邊測量法、三角測量法或極大似然估計法計算出未知節點(diǎn)的位置。常用的測距技術(shù)包括接收信號強度(RSSI)技術(shù)、信號傳輸時(shí)間(TOA)技術(shù)、信號到達時(shí)間差(TDOA)技術(shù)和信號到達角度(AOA)技術(shù)。
距離無(wú)關(guān)定位算法利用節點(diǎn)間的連通情況來(lái)估測自己的位置。其中一部分距離無(wú)關(guān)算法采用集中式計算模式，再用優(yōu)化方法來(lái)提高定位精度，如凸規劃算法和MDS—MAP算法，但是集中計算方式需要網(wǎng)絡(luò )中有中心節點(diǎn)支持，會(huì )導致中心節點(diǎn)通信量大，能量耗盡快，網(wǎng)絡(luò )癱瘓。
絕大多數距離無(wú)關(guān)定位算法采取分布式計算模式，擴展性好，通信量小。
Blumenthal等人提出了質(zhì)心定位算法和加權質(zhì)心定位算法，根據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)接收坐標分配不同的權重。Behnke和Timmermann通過(guò)使用連接質(zhì)量的歸一化值推廣了WCL機制。Schuhmann推導了室內發(fā)射接收距離的指數逆相關(guān)的固定參數集和對應于與WCL，的權重。這些方法假設接收機與發(fā)射機的距離不是很遠，發(fā)射接收距離至少有一個(gè)接收器是提前預知的。
2．2 同步
時(shí)間同步是WSN應用的重要組成部分，傳感器數據融合、傳感器節點(diǎn)自身定位等都要求節點(diǎn)間的時(shí)鐘保持同步。時(shí)間的不準確會(huì )嚴重影響網(wǎng)絡(luò )的生命周期。全局時(shí)間同步允許節點(diǎn)按照指定的方式發(fā)送數據，配合同步工作?，F有的時(shí)間同步協(xié)議更多關(guān)注的是準確地估計時(shí)間不確定性和網(wǎng)絡(luò )中局部節點(diǎn)間的時(shí)間同步。
TPSN算法是S．Ganeriwal等人提出的成對同步協(xié)議，分為發(fā)現階段和同步階段。發(fā)現階段建立網(wǎng)絡(luò )分層的拓撲結構，確定每個(gè)節點(diǎn)的層號；同步階段由根節點(diǎn)負責同步階段的初始化。每個(gè)節點(diǎn)僅與其上層中一個(gè)節點(diǎn)同步，最終與根節點(diǎn)同步從而實(shí)現整個(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)現發(fā)送節點(diǎn)與接收節點(diǎn)之間的時(shí)間同步。
RATSS協(xié)議是一種自適應同步協(xié)議。首先建立兩個(gè)節點(diǎn)間長(cháng)期時(shí)鐘漂移，從而最小化占空比負擔。該方法使用長(cháng)期的時(shí)間測量評估和分析3種影響時(shí)間同步的主要因素。測量這些參數用于設計速率自適應能效同步算法。RATS的目標是最大化同步采樣周期，同時(shí)在用戶(hù)定誤差范圍內設定預測誤差。
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，內部設置一個(gè)振蕩器周期為T(mén)，在時(shí)刻T節點(diǎn)發(fā)送一個(gè)類(lèi)似螢火蟲(chóng)的信號，能觀(guān)測到該信號的鄰居節點(diǎn)則縮短其自身的發(fā)送螢火蟲(chóng)信號的時(shí)間，縮短的時(shí)間由firing函數和常數ε決定。經(jīng)過(guò)一定時(shí)間，網(wǎng)絡(luò )的節點(diǎn)將會(huì )達到同步。RFA是一種具有魯棒性的算法，能夠適應數據丟失、節點(diǎn)增加、鏈接改變等網(wǎng)絡(luò )的變化。
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