無線傳感器網(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)計用于監(jiān)測監(jiān)視嬰兒睡覺狀態(tài)。用傳感器監(jiān)測嬰兒的睡姿，一旦嬰兒俯臥就及時提醒家長。SHIMMER節(jié)點中有一個重力三軸加速度計，用于監(jiān)測嬰兒相對位置。T—Mote節(jié)點則將該數(shù)據(jù)發(fā)送到基站，根據(jù)檢測值和設(shè)定值的比較判斷嬰兒的睡姿。Baby Glove原型設(shè)計用于監(jiān)測嬰兒的生命體征如溫度、水合程度以及脈搏。Fireline是一種無線心率監(jiān)測系統(tǒng)，用于消防員火災(zāi)救援過程中實時心率和壓力異常監(jiān)測。Heart@Home是一種無線血壓監(jiān)測和跟蹤系統(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個監(jiān)測節(jié)點和一個執(zhí)行節(jié)點組成，可以降低成本，提高效率。監(jiān)測節(jié)點將數(shù)據(jù)包通過以太網(wǎng)發(fā)送給計算單元，再由計算單元將結(jié)果發(fā)送到分布式控制系統(tǒng)中。控制系統(tǒng)向執(zhí)行節(jié)點發(fā)送指令，完成整個控制過程。該試驗測試了網(wǎng)絡(luò)噪聲對RSSI和LQI的影響，結(jié)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(dǎo)體制造工廠和油輪的設(shè)備維護和監(jiān)測。傳感器節(jié)點通過采集振動信號來預(yù)測設(shè)備的故障，這有利于設(shè)備的維護和保養(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，如鳥類、小動物和昆蟲的遷移，監(jiān)測影響農(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。美國加利福尼亞州索諾馬縣應(yīng)用WSN研究紅木樹林的現(xiàn)狀。每個傳感器節(jié)點用于測量空氣溫度、相對濕度以及光合有效輻射作用。在樹的不同高度放置節(jié)點，生物學(xué)家可以追蹤紅木樹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(yīng)用于火山的監(jiān)測。他們分別于2004年和2005年對厄瓜多爾的Tungurahua和Reventodaor兩座火山進行監(jiān)測。該網(wǎng)絡(luò)由16個傳感器節(jié)點組成，每個傳感器間隔200～400 m不等。在19天的觀測中，網(wǎng)絡(luò)觀測到230次噴發(fā)和其他事件。在肯尼亞構(gòu)建的ZebraNet系統(tǒng)是一個移動傳感網(wǎng)絡(luò)，用于追蹤動物的遷移。該系統(tǒng)將跟蹤節(jié)點安裝在斑馬的項圈上，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距技術(shù)得到節(jié)點間距離，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(jié)點的位置。常用的測距技術(shù)包括接收信號強度(RSSI)技術(shù)、信號傳輸時間(TOA)技術(shù)、信號到達時間差(TDOA)技術(shù)和信號到達角度(AOA)技術(shù)。
距離無關(guān)定位算法利用節(jié)點間的連通情況來估測自己的位置。其中一部分距離無關(guān)算法采用集中式計算模式，再用優(yōu)化方法來提高定位精度，如凸規(guī)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(jié)點支持，會導(dǎo)致中心節(jié)點通信量大，能量耗盡快，網(wǎng)絡(luò)癱瘓。
絕大多數(shù)距離無關(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(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)量為每一個接收坐標(biāo)分配不同的權(quán)重。Behnke和Timmermann通過使用連接質(zhì)量的歸一化值推廣了WCL機制。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)集和對應(yīng)于與WCL，的權(quán)重。這些方法假設(shè)接收機與發(fā)射機的距離不是很遠(yuǎn)，發(fā)射接收距離至少有一個接收器是提前預(yù)知的。
2．2 同步
時間同步是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)點自身定位等都要求節(jié)點間的時鐘保持同步。時間的不準(zhǔn)確會嚴(yán)重影響網(wǎng)絡(luò)的生命周期。全局時間同步允許節(jié)點按照指定的方式發(fā)送數(shù)據(jù)，配合同步工作?，F(xiàn)有的時間同步協(xié)議更多關(guān)注的是準(zhǔn)確地估計時間不確定性和網(wǎng)絡(luò)中局部節(jié)點間的時間同步。
TPSN算法是S．Ganeriwal等人提出的成對同步協(xié)議，分為發(fā)現(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)，確定每個節(jié)點的層號；同步階段由根節(jié)點負(fù)責(zé)同步階段的初始化。每個節(jié)點僅與其上層中一個節(jié)點同步，最終與根節(jié)點同步從而實現(xiàn)整個網(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現(xiàn)發(fā)送節(jié)點與接收節(jié)點之間的時間同步。
RATSS協(xié)議是一種自適應(yīng)同步協(xié)議。首先建立兩個節(jié)點間長期時鐘漂移，從而最小化占空比負(fù)擔(dān)。該方法使用長期的時間測量評估和分析3種影響時間同步的主要因素。測量這些參數(shù)用于設(shè)計速率自適應(yīng)能效同步算法。RATS的目標(biāo)是最大化同步采樣周期，同時在用戶定誤差范圍內(nèi)設(shè)定預(yù)測誤差。
RFA算法是一種分散式時間同步。該算法按照螢火蟲同步的方法，內(nèi)部設(shè)置一個振蕩器周期為T，在時刻T節(jié)點發(fā)送一個類似螢火蟲的信號，能觀測到該信號的鄰居節(jié)點則縮短其自身的發(fā)送螢火蟲信號的時間，縮短的時間由firing函數(shù)和常數(shù)ε決定。經(jīng)過一定時間，網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點將會達到同步。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)點增加、鏈接改變等網(wǎng)絡(luò)的變化。
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