无线传感器网络与网格结合研究毕业论文(编辑修改稿)

无线传感器网络与网格结合研究毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

统可重构性。 (4)可靠性 传感器网络特别适合部署在恶劣环境或人类不宜到达的区域。 传感器节点可能工作在露天环境中，遭受太阳的暴晒或风吹雨淋，甚至遭到无关人员或动物的北方民族大学毕业论文 无线传感器网络与网格结合研究 第 9 页 破坏 ，而且 往往采用随机部署，如通过飞机撒播或发射炮弹到指定区域进行部署。 由于监测区域环境的限制以及传感器节点数目巨大，不可能人工 “ 照顾 ” 每个传感器节点，网络的维护十分困难甚至不可维护。 这些都要求传感器节点非常坚固，不易损坏，适应各种恶劣环境条件 ，其 软硬件必须具有健壮性和容错性 [2][3][6]。 (5)应用相关 性 传感器网络用来感知客观物 理世界，获取物理世界的信息量。 客观世界的物理量多种多样，不可穷尽。 不同的传感器网络应用关心不同的物理量，因此对传感器的应用系统也有多种多样的要求。 针对每一个具体应用来研究传感器网络技术，这是传感器网络设计不同于传统网络的显著特征。 (6)以数据为中心 传感器网络是任务型的网络， 其 节点采用节点编号标识。 由于传感器节点随机部署，构成的传感器网络与节点编号之间的关系是完全动态的，表现为节点编号与节点位置没有必然联系。 用户使用传感器网络查询事件时，直接将所关心的事件通告给网络，而不是通告给某个确定编号的节点。 网络在 获得指定事件的信息后汇报给用户。 这种以数据本身作为查询或传输线索的思想更接近于自然语言交流的习惯。 所以通常说传感器网络是一个以数据为中心的网络。 无线传感器网络关键技术 无线传感器网络作为当今信息领域新的研究热点， 具有 多学科交叉 性 ，有非常多的关键技术有待发现和研究。 (1)网络拓扑控制 拓扑控制是无线传感器网络研究的核心技术之一。 传感器网络拓扑控制目前主要的研究问题是在满足网络覆盖度和连通度的前提下，通过功率控制和骨干网节点选择，剔除节点之间不必要的无线通信链路，生成一个高效的数据转发网络拓 扑结构。 拓扑控制可以分为节点功率控制和层次型拓扑结构形成两个方面。 功率控制机制调节网络中每个节点的发射功率，在满足网络连通度的前提下，减少节点的发送功率，均衡节点单跳可达的邻居数目；层次型的拓扑控制利用分簇机制，让一些节点作为簇头节点，由簇头节点形成一个处理并转发数据的骨干网，北方民族大学毕业论文 无线传感器网络与网格结合研究 第 10 页 其他非骨干网节点可以暂时关闭通信模块，进入休眠状态以节省能量 [2]。 (2)网络协议 由于传感器节点的计算能力、存储能力、通信能 力 以及携带的能量都十分有限，每个节点只能获取局部网络的拓扑信息，其上运行的网络协议也不能太复杂。 同时， 随 传感器拓扑结构动态变化，网络资源也在不断变化，这些都对网络协议提出了更高的要求。 传感器网络协议负责使各个独立的节点形成一个多跳的数据传输网络， 其种类主要有 MAC协议、 路由协议、端到端可靠传输协议、逐跳可靠传输协议等。 目前研究的重点是网络层协议和数据链路层协议。 网络层的路由协议决定监测信息的传输路径；数据链路层的介质访问控制用来构建底层的基础结构，控制传感器节点的通信过程和工作模式 [7]。 (3)网络安全 为了保证任务的机密布置和任务执行结果的安全传递 与 融合，无线传感器网络需要实现一些最基本的安全机制：机密性 、点到点的消息认证、完整性鉴别、新鲜性、认证广播和安全管理。 安全管理方面目前以密钥预分布模型作为安全初始化和维护的主要机制，其中随机密钥对模型、基于多项式的密钥对模型等是目前最有代表性的 密钥 算法 [8]。 除此之外，为了确保数据融合后数据源信息的保留，水印技术也成为无线传感器网络安全的研究内容。 (4)时间同步 时间同步是需要协同工作的传感器网络系统的一个关键机制。 如测量移动车辆速度需要计算不同传感器检测事件 的 时间差，通过波束阵列确定声源位置 节点间时间同步。 目前已提出了多个时间同步机制，其中 RBS、 TINY/MINISYNC和TPSN被认为是三个基本的同步机制。 RBS机制是基于接收者 接收者的时钟同步 ；TINY/MINISYNC是简单的轻量级的同步机制 ； TPSN采用层次结构实现整个网络节点的时间同步。 (5)定位技术 位置信息是传感器节点采集数据中不可缺少的部分，确定事件发生的位置或采集数据的节点位置是传感器网络最基本的功能之一。 为了提供有效的位置信息，随机部署的传感器节点必须能够在布置 完成 后确定自身位置。 由于传感器节点存在资源有限、随机部署、通信易受环境干扰甚至节点失效等特点，定位机制必须满足自组织性、健 壮性、能量高效、分布式计算等要求。 北方民族大学毕业论文 无线传感器网络与网格结合研究 第 11 页 (6)数据融合 传感器网络存在能量约束 ， 减少传输的数据量能够有效地节省能量。 因此在从各个传感器节点收集数据的过程中，可利用节点的本地计算和存储能力处理数据的融合，去除冗余信息，从而达到节省能量的目的。 由于传感器节点的易失效性，传感器网络也需要数据融合技术对多份数据进行综合，提高信息的准确度。 数据融合技术在节省能量、提高信息准确度的同时，要以牺牲其他方面的性能为代价 ——延迟的代价 和 鲁棒性的代价 [9]。 (7)数据管理 从数据存储角度来看，传感器网络可被视为一种分布式数据库。 以数据库的方法在传感器网络中进行数据管理，可以将存储在网络中的数据逻辑视图与网络中的实现进行分离，使得传感器网络的用户只需要关心数据查询的逻辑结构，无需关心实现细节。 虽然对网络所存储的数据进行抽象会在一定程度上影响执行效率，但可以显著增强传感器网络的易用性。 (8)无线通信技术 传感器网络需要低功耗短距离的无线通信技术。 IEEE [3]标准是针对低速无线个人域网络的无线通信标准，把低功耗、低成本作为设计的主要目标，旨在为个人或者家庭范围内不同设备之间低速联网提供统一标准。 由于 IEEE 标准的网络特征与无线传感器网络存在很多相似之处，故很多研究机构把它作为无线传感器网络的无线通信平台。 超宽带技术 (UWB)是一种极具潜力的无线通信技术 ， 具有对信道衰落不敏感、发射信号功率谱密度低、低截获能力、系统复杂度低、能提供数厘米的定位精度等优点，非常适合应用在无线传感器网络中。 (9)嵌入式操作系统 传感器节点是一个微型的嵌入式系统，携带非常有限的硬件资源，需要操作系统能够节能高效地使用其有限的内存、处理器和通信模块，且能够对各种特定应用提供最大的支持。 在面向无线传感器网络的操作系统的支持 下，多个应用可以并发地使用系统的有限资源。 (10)应用层技术 传感器网络应用层由各种面向应用的软件系统构成，部署的传感器网络往往执行多种任务。 应用层的研究主要是各种传感器网络应用系统的开发和多任务之北方民族大学毕业论文 无线传感器网络与网格结合研究 第 12 页 间的协调，如作战环境侦查与监控系统、军事侦查系统、战场监测与指挥系统、环境监测系统、交通管理系统、灾难预防系统、危险区域监测系统、有灭绝危险的动物或珍贵动物的跟踪监护系统、生物医学监测、治疗系统和智能维护等。 无线传感器网络应用 起初无线传感器网络的研究是受到军事应用推动的。 而随着计算成本的 不断下降 、 微处理器体积 的 越来越小以及 传感器网络的 实用性 ， 已经导致了 无线传感器网络 许多其他可能的应用 ，包括从基础设施安全到工业传感的应用。 它能够广泛地应用于军事、环境监测和 保护 、健康护理、智能家居、建筑物状态监控、复杂机械监控、城市交通、空间探测、大型车间和仓库管理，以及机场、大型工业园区的安全监测等领域 [3][5][6][7][14]。 (1)军事应用 无线传感器网络具有可快速部署、可自组织、隐蔽性强和高容错性 等 特点，因此非常适合在军事上应用。 利用无线传感器网络能够实现对敌军兵力和装备的监控、战场 实时 监控、目标定位 、战场评估、核攻击和生物化学攻击的监测和搜索等功能。 通过飞机或炮弹直接将传感器节点播撒到敌方阵地内部，或者在公共隔离带部署无线传感器网络，能够非常隐蔽而且近距离准确地收集战场信息，迅速获取有利于作战的信息。 (2)环境观测和预报系统 无线传感器网络可用于监视农作物灌溉情况、土壤 和 空气情况、牲畜和家禽的 生存 环境状况和大面积的地表监测 ； 可用于行星探测、气象和地理研究、 森林环境监测 、 火灾报告 、 洪水监测 ； 可以通过跟踪鸟类、小型动物和昆虫进行种群复杂度的研究 ； 能够进行动物栖息地生态监测 ，对生态进行多样性描述；还可以利 用 WSN监测 与 分析 冰河的变化情况 来推断地球气候的变化 [6]。 (3)医疗护理 无线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个生理数据 、 跟踪和监控医院内医生和患者的行动 、 医院的药物管理等。 如果在住院病北方民族大学毕业论文 无线传感器网络与网格结合研究 第 13 页 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，医生利用无线传感器网络就可以随时了解被监护病人的病情， 一旦 发现异样能够迅速抢救。 利用无线传感器网络长时间收集人体的生理数据，这对了解人体活动机能和研制新药品都是非常有用的。 (4)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 Inter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 ； 利用无线传感器网络可以建立智能幼儿园，监测孩童的早期教育环境，跟踪孩童的活动轨迹，可以让父母和老师全面地研究学生的学习过程 ； 在牛的脖子上套上 WSN节点，当牛接近围栏时，上面的电子装置探测到有牛接近围栏，随即模拟出驱赶牛的声音，防止牛跑出电子桩划定的放牧区域，这样放牧人便可以坐在家 里 轻松自在地喝咖啡看电视 [6]。 (5)建筑物状态监控 建筑物状态监控是利用无线传感器网络来监控建筑物的安全状态。 由于建筑物不修补，可能会存在一些安全隐患。 虽然地壳偶尔小的震动可能不会带来看得见的损坏，但是建筑物上也许会产生潜在的裂缝，这些裂缝可能会导致建筑物在下一次地震中 倒 塌。 WSN 的出现为建筑物状态监测提供了省时省力的技术手段。 (6)其他方面的应用 无线传感器网络可以应用于空间探索。 借助于航天器在外星体撒播一些无线传感器网络节点，可以对星球表面进行长时间的监测。 这种方法成本很低，节点体积小，相互之间可以通信，也可以和地面站进行通信。 北方民族大学毕业论文 无线传感器网络与网格结合研究 第 14 页 第 3 章 网格技术概述 网格概念、特点 网格的 概念 网格是一种新兴的技术，正处在不断发展和变化当中。 目前学术界和商业界围绕网格开展的研究有很多，其研究的内容和名称也不尽相同 ， 因而网格尚未有精确的定义和内容定位。 从本质上讲，网格是一种网络计算，它 利用互联网把地理上广泛分布的各种资源 (包括计算资源、存储资源、带宽资源、软件资源、数据资源、信息资源、知识资源等 )连成一个逻辑整体，就像一台超级计算机一样，为用户提供一体化信息和应用服务 (计算、存储、访问等 )，彻底消除资源 “ 孤岛 ” ，最充分的实现信息共享。 网格可以分为计算网格、数据网格及服务网格。 计算网格是 狭义上的网格，包括分布式超级计算、高性能计算；数据网格是“数据超网”，其目标是开发出新一代速度更快、承受能力更大的数据网格，解决互联网上提供的大量异构数据共享；服务网格目标是满足任意时空“按需索取”的服务 、 协同运算及多媒体服务。 网格的 特点 虽然网格系统具有分布式的一些特征，但是作为一种新的计算基础设施， 它还具有一些重要的特点，这些特点对于网格构建、网格研究和网格应用有着重要的影响。 网格特点大致包括五个方面 [11][12]。 (1)分布性。 组成网格的资源可能是计算资源、存储资源、数据资源、 仪器资源等，它们分布在地理位置不同的许多地方，而网格工作流关键技术研究并不是集中在一起的。 在这种分布情况下，需要解决网格资源针对任务的分配和调度问题，传输和通信问题，人与系统以及人与人之间的交互和协同问题，网格应用在分布环境中自动执行和协作问题 [12]。 网格调度主要由网格应用层完成。 网格环境下的应用程序调度方法包括应用程序网格调度模型、机器选择算法和任务映射与调度算法。 以应用程序调度方法北方民族大学毕业论文 无线传感器网络与网格结合研究 第 15 页 中的分布式网格调度模型为例说明，它实现调度的其中一种方法是 ，设置多个网格调度器和一个中心管理节点。 当一个网格节点收到作业 时，中心管理节点根据搜索。