基于无线传感器网络的大棚监控系统(28页).doc

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1、-基于无线传感器网络的大棚监控系统-第 26 页无线传感器网络基于温湿度传感器物联网应用实时数据处理 系 别 专 业 班 级 学 号 组 次 姓 名 指导教师 评定成绩 起止日期 2012年10月至 2013年10月目录一 绪论-1.1 研究背景-1.2 国内外研究现状-1.3 项目研究内容-1.4 本文结构-二 无线传感器网络简介-2.1 无线传感器网络简述-2.2 无线传感器网络的特点和挑战-2.3 无线传感器网络与传统网络的实时性研究比较-2.31 与有线网络比较-2.32 环境传感器的简介2.4 实验仿真平台简介-2.5 本章小结-三 CSMA/CA和ZIGBEE四 系统应用设计 4.

2、1开发环境 4.2开发内容4.3 . 网络括扑图4.4.数据采集 4.5 TinyOS无线传感器网络操作系统分析4.6 tinyos系统控制 4.7 nesC语言 4.8 TinyOS系统的工作原理 4.9 组件模型 4.10主动消息通信 4.11. zigbeX Mote 设备套件以外的功能选项设备五 .开发内容和传输机制5.1开发内容 5.2 数据传输机制 5.3技术路线 5.4传感器数据处理 5.5 传感器节点烧录 六 设置开发环境6.1 .数据采集及A/D转换电路 6.2 .CC2420无线通信电路 6.3 .CC2420无线通信电路 6.4. zigbex 服务器（HBEEMPOS

3、II） 6.5 .针对zigbex的应用程序安装 6.6 .TinyOS和Nesc 6.7 .JAVA应用程序（tinyos的串行通信消息格式）6.8. 路由协议应用七 C#平台的数据采集7.17.27.3八 系统调试及实地应用123九温度和湿度传感器控制123十 总结与展望123主要符号表 CW Contention Window 竞争窗口 PQ Priority Queuing 优先级调度 SD Slow CW Decrease CW 慢速递减算法 AOB Asymptotically Optimal Backoff Algorithm 渐进最优退避算法 BEB Binary Expone

4、ntial Backoff 二进制指数退避 MAC Media Access Control 介质访问控制 QoS Quality of Service 服务质量 SBA Sense Backoff Algorithm 感知退避算法 DSCR Dual Stage Contention Resolution 双重状态的竞争策略 EIED Exponential Increase Exponential Decrease 指数增加指数递减 FCFS First Come First Service 先进先服务 MILD Multiplicative Increase Linear Decreas

5、e 倍数增加线性递减 MIMD Multiplicative Increase Multiplicative Decrease 倍数增加倍数递减 NSAD New Self-Adaptive DCF 新自适应 DCF REBS Residual Energy Based tree Splitting 基于剩余能量的树形 分裂算法 P-MAC Priority-based Fair MAC 基于优先级的公平 MAC 协议 CSMA/CA Carrier Sense Multiple Access 冲突避免的载波侦听 /Collision Avoided 多路访问协议 LMILD Linear/M

6、ultiplicative Increase Linear Decrease 线性倍数增加线性递减 一 绪 论 随着计算机应用的推广， 以计算机技术为代表的信息技术对人类社会已经产生了深刻的影响。Mark Weiser在 1991 年首次提出了普适计算1 (ubiquitous computing)思想，普适计算作为 21 世纪的计算模式，其基本思想是使计算机技术从用户意识中彻底消失。在物理环境中结合计算处理能力的控制能力， 人与人、 人与机器以及机器与机器的交互最终统一到人与自然的交互。 无线传感器网络技术正是这种普适计算思想的延伸。 借助于由大量微传感器构成的网络， 可以实时地监控周围物理

7、环境的变化， 不断地将一些模糊的感觉量化。 无线传感器网络将逻辑上的信息世界与真实的物理世界融合在一起， 改变着人与自然交互的方式。 人们可以通过无线传感器网络直接感知客观世界， 从而极大地扩展现有的网络的功能和人类认识世界的能力。 无线传感网络WSNs(Wireless Sensor Networks)技术作为普适计算思想大系统中的一个典型应用， 已经由军事领域扩展到其他许多领域， 能够完成诸如灾难预警与救助、家庭健康监测、精细农业、空间探索等传统系统无法完成的任务。美国商业周刊和MIT技术评论中分别将其列为21世纪最有影响的21项技术和改变世界的 10 大技术之一。 1.1 研究背景 传感

8、器是数据采集、 信息处理的关键部件， 它可以将物理世界中的一个物理量映射到一个定量的测量值， 使人们对物理世界形成量化认识。 目前传感器技术已广泛应用于国防、机械、电力、能源、交通等诸多领域。随着微电子、计算机和网络技术的发展，传感器技术正在向微型化、智能化、网络化、集成化的方向发展。研究表明，只有网络化的智能传感器技术才能适应各种控制系统对自动化水平、复杂性以及环境适应性越来越高的要求。 传感器网络的发展可以划分为以下四个阶段： 第一代传感器网络是由具有简单点对点信号传输功能的传统传感器所组成的测控系统，只是初步实现了信息的单向传递； 第二代传感器网络是由智能传感器和现场控制站组成的测控网络

9、。 传感器与现场控制站间的信号传输方式与第一代传感器网络基本相同。 第三代传感器网络是基于现场总线的智能传感器网络。 现场总线的不断发展和基于现场总线通信协议的智能传感器网络的广泛应用， 使智能传感器网络的通信技术进入局部测 控网络阶段。 第四代传感器网络是由大量无处不在的， 具有通信与计算能力的微小传感器节点密集布设在无人值守的监控区域而构成的能够根据环境自主完成指定任务的“智能”自治测控系统。 现在所指的无线传感器网络属于第四代传感器网络，是一种新型的无基础设施网络各个无线节点(传感器)静态地随机分布于某一区域，它们协作地监测、感知和采集网络分布区域内的各种环境或监测对象的信息， 并对这些

10、信息进行处理， 获得详尽而准确的结果，并最终传送给需要这些结果的用户。 无线传感器网络最初来源于美国高级国防研究计划署(DARPA)的一个研究项目， 当时处于冷战时期，为了监测敌方潜艇的活动情况，需要在海洋中布置大量的传感器，使用这些传感器所监测的信息来实时监测海水中潜艇的行动3。DARPA根据军方的要求研究无线传感器网络中的通信、 计算问题以及其在普适环境中的使用问题， 从而建立了网络中心战的思想体系。随着无线通信、微处理器、微电机系统MEMS(Micro Electro Mechanical System)等技术的发展，使得开发小体积、低成本、低功耗的微传感器成为可能，为无线传感器网络的构

11、建奠定了基础。 目前，无线传感器网络广泛应用于跟踪、监测等领域，这些应用的共同特点是：网络负责监测周围区域并报告异常事件的发生， 因此在这类应用中， 网络传输的数据包所包含信息的重要性将有很大不同， 同时要求无线传感器网络能够将采集到的数据尽量在规定的时间内传输到数据中心， 然后由数据中心对数据进行分析， 并将最终分析结果交给决策者 图 1.1 所示的是这些应用中的一个典型场景， 无线传感器网络被随机部署在一个指定的保护区域， 观察并报告是否有入侵者进入。 如图中吉普车所在地方的传感器发现了某种类型的入侵者5，显然，监测到有入侵者的信息相比于正常情况信息更加重要，需要以更可靠、更及时的方式将入

12、侵信息报告给指挥中心以便采取相应的措施。因此，充分研究无线传感器网络的实时数据传输技术具有重大的理论意义和应用价值。 图 1.1 无线传感器网络实例 对于无线传感器网络，QoS 问题最近才引起人们的关注。特别是基于无线传感器网络的图像、 视频和流媒体等多媒体信息的传输需求的急剧增加， 给无线传感器网络的设计带来了极大的挑战， 由于无线传感器网络是一种新兴的， 由大量无线传感器节点通过自组织的方式组成网络， 节点的传感器负责采集监测数据， 无线射频收发装置负责节点之间以及节点与之间数据的交互，其工作方式以及承载的业务类型都与传统网络有着很大的区别。其自身特点使得现有的 QoS 支持机制都无法适用

13、于无线传感器网络。目前大多数无线传感器网络应用中， 人们关注较多的主要有两个问题： 如何保证网络能够及时可靠地发现所实施应用中相关事件的产生和如何保证采集的传感数据在网络中传输时满足应用需 因此如何提高数据包传输的可靠性以及保证实时应用的延迟是目前无线传感器网络QoS 研究的重点。 本文从保证实时应用的延迟的角度出发， 分析了无线传感器网络的通信延迟中节点内的排队延迟和由于节点竞争信道而产生的链路级延迟，对简单优先级调度算法、 IEEE802.15.4 协议中的退避算法进行了分析， 针对其不足提出了动态优先级调度算法和优先级 CSMA/CA 算法。 1.2 国内外研究现状 传感器技术、微机电系

14、统、现代网络和无线通信等技术的进步，推动了具有现代意义的无线传感器网络的产生和发展。无线传感器网络涉及众多学科，成为 IT 领域中的研究热点之一。现在，互联网络为人们提供快捷的通信平台，极大地方便了人们的信息交流。 无线传感器网络扩展了人们的信息获取能力， 将客观世界的物理信息同传输网络连接在一起，在下一代互联网络中将为人们提供最直接、最有效、最真实的信息。 无线传感器网络的基本思想起源于20世纪70年代， 研究的重点主要放在国防项目上。1978 年 DARPA 在卡耐基梅隆大学成立了分布式传感器网络工作组，拉开了无线传感器网络研究的序幕。在美国自然科学基金委员会的推动下，加州大学伯克力分校、

15、麻省理工学院、 康奈尔大学、 加州大学洛杉矶分校等学校开始了无线传感器网络的基础理论和关键技术的研究。英国、日本、意大利等国家的一些大学和研究机构也纷纷开展了该领域的研究工作。 加州大学伯克力分校提出了应用网络连通性重构传感器位置的方法、 基于相关性的数 据编码模式、 用稀疏传感器网络重构跟踪移动对象路线的方法、 传感器网络上随时间变化的连续流可视化方法、 允许系统级优化时有效通信机制的一般化解、 传感器网络上的数据分布式存储的地理表方法、 确定传感器网络中结点位置的分布式算法等， 同时专门为无线传感器网络开发了一种微型操作系统 TinyOS。 TinyOS 是一个适用于网络化嵌入式系统的编程

16、框架， 通过在这个框架内链接一组必要的组件， 就能方便地编译出面向特定应用的操作系统， 这对于存储资源极为有限的系统来说非常重要。 针对无线传感器网络内节点众多，以及多并发操作的工作方式，TinyOS 采用了事件驱动的体系结构。 加州大学洛杉矶分校开发了一个无线传感器网络和一个无线传感器网络模拟环境， 用于考察无线传感器网络各方面的问题。 他们提出了低级通信不依赖于网络拓扑结构的分布式系统技术、 支持多应用无线传感器网络中命名数据和网内数据处理的软件结构、 变换初始感知为高级数据流的层次系统结构、 无线传感器网络的时间同步的解决方法、 自组织无线传感器网络的设计问题和解决方法、新的多路径模式等

17、。 目前比较系统地利用无线传感器网络的实例是2002年Intel实验室和大西洋学院联合进行的大鸭岛环境监测项目。大鸭岛是一个对外来监控设备十分敏感的生态环境。Intel实验室和大西洋学院在大鸭岛上部署了传感器网络并进行了 9 个月左右的监控， 得到了大量第一手数据。 实验表明传感器网络在这样的应用环境中有非常明显的优势。 生态环境监测是无线传感器网络在应用上的一个方面， 也是一个跨学科的课题。 传感器网络为实现更加准确、数据量更大、对环境影响更小的生态监测提供一个全新的手段。 我国现代意义的无线传感器网络及其应用研究几乎与发达国家同步启动， 首次正式出现于 1999 年中国科学院 知识创新工程

18、试点领域方向研究 的“信息与自动化领域研究报告”中，作为该领域提出的五个重大项目之一(当时的项目名称:重点地区灾害实时监测、预警和决策支持示范系统)。2001 年中国科学院依托上海微系统所成立微系统研究与发展中心， 在无线传感器网络方向上陆续部署了若干重大研究项目， 初步建立了传感器网络系统的研究平台，在无线智能传感器网络通信技术、微型传感器、传感器端机、移动机站和应用系统等方面取得很大进展。目前国内的一些科研单位和大学，如清华大学、中国科学院沈阳自动化所、 哈尔滨工业大学等己经初步开展了研究工作。 其中哈尔滨工业大学和黑龙江大学在传感器数据管理系统方面提出了以数据为中心的无线传感器网络的数据

19、模型、一系列的能源有效的感知数据操作算法和感知数据查询处理技术， 并研制了一个无线传感器网络数据管理系统。 在无线传感器网络中提供实时通信支持也面临着挑战。首先，无线链路不稳定，易受周围环境和噪声的影响，因此通信延迟难以估计；其次，许多无线传感器网络的应用需要在仅有电池供电的情况下工作数月甚至数年。 这要求在满足应用实时性的同时必须考虑如何减小网络的能量开销，用于无线传感器网络的协议不能过于复杂；再次，在无线传感器网络中不同数据包有不同的延迟要求， 高优先级的数据包到达簇头节点的延迟要少于低优先级数据包。最后，无线传感器网络节点资源受限，因此在设计相应协议时要减少通信以及能量开销，仅使用节点内

20、存的一小部分来保存相关状态。 目前为满足无线传感器网络的实时性需求较为成熟的方法有以下三种： 第一种是基于距离感知的实时通信调度体系结构RAP6。 它是针对无线传感器网络实时应用提出的一种新的体系结构， 指出了无线传感器网络实时应用的特点及需要考虑的基本问题和基本解决方法。 RAP的查询和事件服务是建立在基于地理位置编址的通信模型之上的，路由层也使用基于地理位置编址的协议。其次，RAP根据无线传感器网络的特点提出了单调速度调度VMS(Velocity Monotonic Scheduling)策略，使得每一个数据包如果能按照它要求的速度向着目标方向前进的话，它一定是可以实现它的端到端的期限的。

21、 第二种是实时无状态路由协议SPEED7的网络层解决方案。 SPEED是地理位置信息相关的路由协议， 它通过保证预期的发送速度提供了无线传感器网络的实时服务。 在一定的程度上实现了端到端的传输速率保证、 网络拥塞控制以及负载平衡机制。 为实现上述目标，SPEED协议首先交换节点的传输延迟，以得到网络负载情况；然后节点利用局部地理信息和传输速率信息做出路由决定， 同时通过邻居反馈机制保证网络传输速率在一个全局定义的传输速率阀值之上。 在满足网络传输速率要求的前提下， 数据传输延迟与源节点和目的节点之间的距离成正比。另外SPEED协议无须MAC层提供Qos或实时性支持； 最后是建立在 IEEE80

22、2.11 标准之上的MAC层解决方案。它把无线传感器网络中的节点布置成蜂窝结构8，并且采用 EDF(Earliest Deadline First)算法对数据包进行调度，在单个蜂窝内实现了对无线媒介的无冲突访问9。由于文献只进行一个蜂窝内的实验，蜂窝间的通信问题未解决，而且要求网络部署成特殊结构(不能随机部署)等其它严格限制而不 具有实用性的特点。 1.3 项目研究内容 网络延迟是衡量网络传输能力和实时性能指标之一，对于具有实时需求的应用来说，网络的延迟不但会影响网络算法和协议的选择， 而且对应用的成功与否起着至关重要的作用。 本文研究的内容主要分为以下三个阶段： 第一阶段， 对无线传感器网络

23、的通信延迟进行分析和研究。 重点分析了影响排队延迟的相同节点内的信息竞争产生的延迟(节点级延迟)和不同节点间的信息竞争产生的延迟(链路级延迟)。 第二阶段，在上阶段的研究工作的基础上，对节点级延迟进行研究： 1)利用 M/M/1/n 排队模型， 按照先进先服务的规则对星型无线传感器网络中簇头节点建模， 分析数据分组的各项性能指标， 在系统损失率的约束下， 得到系统参数的优化结果。 2)针对在无线传感器网络中传输的数据分组重要性的不同，而将数据分组进行分级，利用排队模型， 按照优先级服务规则对簇头节点进行了建模， 分析了数据分组的排队延迟，通过仿真对系统的性能指标进行了分析。 3)根据以上的理论

24、分析，针对简单优先级调度算法以及 Drop-Tail 的不足，提出了一种动态优先级调度算法，并通过仿真对提出的动态优先调度算法进行了性能评价。 第三阶段，对链路级延迟进行的研究： 1)针对无线传感器网络中， 由于同一时刻多个相邻节点竞争使用无线信道而造成的链路级延迟，从而降低了链路的利用率，因此对 IEEE802.15.4 标准中规定的 CAMA/CA 信道接入方式进行了分析研究。 2)针对在无线传感器网络中， 数据分组在不同的应用背景下对传输性能有着不同的要求(如在家庭网络环境中和在工业应用中，数据传输的吞吐量和实时性等性能要求是不同的)，提出了一种具有优先级的 CSMA/CA 算法，使数据

25、分组可以根据其优先级的不同选择不同的 BE 或 CW 值，采用离散 Markov 链模型对所提出算法性能进行分析，并进行了仿真验证。 主要研究内容见图 1.2 所示。图 1.2 主要研究内容 1.4 本文结构 全文共分七章，内容包括：绪论；无线传感器网络简介；无线传感器网络通信延分析； 节点级延迟分析与仿真； 动态优先级分组调度算法研究与仿真； 具有优先CSMA/CA研究与仿真；结论。各章组织如下： 第 一章绪论。本文研究的概要情况，包括研究背景、国内外研究现状及研究内容等； 第 二 章无线传感器网络简介。 首先介绍了无线传感器网络的概念、 网络的实时性应用、特点及挑战； 其次介绍了无线传感器

26、网络与传统网络实时性能的区别， 并指出无线传感络的实时应用需要考虑的基本问题和解决方案。最后介绍了仿真平台 OPNET。 第三章 CSMA/CA和ZIGBEEZIGBEE。网络工作方式为信标网络和非信标网络，对不同的网络工作方式将采用不同的信道接入机制。 第四章 系统应用设计。包含了 所需要的软件设备，开发环境，以及开发内容，和重要的数据采集提取 和读取部分。重点说明了。数据传输机制和数据线路的分析与整合传感器的介绍和应用程序的烧录 以及实用第五章开发内容和传输机制；项目开发详细内容（包括传感器的配置、传感器烧录、数据的实时收集、实时数据的存储、实时数据的传输、实时数据在服务器端的接受及存储-

27、TCPServer及MySql、数据库及Web服务器安装、利用JSP曲线动态显示实时数据）首先烧录整合好的温湿度传感器的代码。接着连接传感器取得数据。然后在ubuntu中编译并运行Com_Sensor程序获取传感器实验箱的数据。在Ubuntu11编译并运行senddata.c把数据发送到tinyos ,tinyos通过TCPServer服务器接收数据并存入MySQL数据库。最后将接收到的数据通过tinyos服务器以jsp曲线动态显示实时数据。第六章 设置开发环境，首先介绍了 IEEE802.15.4 标准，对此标准中的 CAMA/CA 道信接入方式，并结合其工作流程进行了分析，提出一种具有优先

28、级的 CSMA/CA 算法，使数据分组可以根据其优先级的不同而选择不同 BE 和 CW，采用离散 Markov 链模型分析了所提出算法的性能，最后进行仿真验证。 第七章。C#数据采集平台 二 无线传感器网络简介 无线传感器网络是 Ad hoc10 网络的特例，通过多跳无线方式传输数据。因此在无线传感器网络里实现实时传输具有很多与传统网络不同的难点。 本章首先介绍了无线传感器网络的概念、 特点及挑战； 然后重点介绍了无线传感器网络与传统网络在实时性能方面的比较及基本解决方案；最后对仿真平台OPNET进行了介绍。 2.1 无线传感器网络的概述 当前， 自织网的一个重要的发展方向是无线传感器网络，

29、我们可以把无线传感器网络定义如下11：无线传感器网是由一组按需随机分布的集成有传感器、数据处理单元和通信模块的微型传感器以自组织方式构成的无线网络， 其目的是协作地感知、 采集和处理网络覆盖范围内感知对象的信息，并传送给信息获取者。 信息获取者是传感器网的用户， 也是感知信息的接受和应用者。 信息获取者可以人，也可以是计算机或其他设备。例如，军队指挥官、一个由飞机携带的移动计算机都可以是传感器网的信息获取者。另外，一个传感器网可以有多个信息获取者，一个信息获取者也可以是多个传感器网的用户。 信息获取者可以主动地查询或收集传感器的感知信息， 也可以被动地接收传感器网发布的信息。信息获取者将对感知

30、信息进行观察、分析、挖掘、制定决策，甚至对感知对象采取相应的行动。 传感器网的感知对象是观察者感兴趣的监测目标， 如坦克、 军队、 动物、 有害气等。感知对象的信息一般通过表示物理现象、化学现象或其他现象的数字量来表示，如温度、湿度、物体的大小、物体的移动速度等。一个传感器网可以感知网络分布区域内的多个对象，一个对象也可以被多个传感器网所感知。 现在的无线传感器网络的已经在很多应用领域发挥着重要的作用12-17。 军事应用无线传感器网络技术的主要应用领域，由于其特有的无需架设网络设施、可快速展开、抗毁性强等特点， 是数字战场无线数据通信的首选技术， 是军队在敌对区域中获取情报的重要技术手段。环

31、境监控方面，无线传感器网络为野外随机性的研究数据获取提供了方便，比如，跟踪候鸟和昆虫的迁移，研究环境变化对农作物的影响，监测海洋、大气和土壤的成分等18-20。ALERT21系统中就有数种传感器来监测降雨量、河水水位和土壤水分，并依此预测爆发山洪的可能性。类似地，无线传感器网络对森林火灾准确、及时地预报也应该是有帮助的。 无线传感器网络还为未来的远程医疗提供了更加方便、 快捷的技术实现手段22，比如，嵌入家具和家电中的传感器与执行机构组成的无线网络与Internet连接在一起将会为我们提供更加舒适、方便和具有人性化的智能家居环境；文献23中描述的城市车辆监测和跟踪系统中成功地应用了无线传感器网

32、络。另外，网络的自组织、微型化和对外部世界的感知能力的三大特点使其在仓库管理、交互式博物馆、交互式玩具、工厂自动化生产线等众多领域，都将会孕育出全新的设计和应用模式24-27。 2.2 无线传感器网络的特点和挑战 无线传感器网络综合了传感器技术、嵌入式计算技术、现代网络及无线通信技术、分布式信息理论技术等， 能够通过各类集成化的微型传感器协作地实时监测、 感知和采集各种环境或监测对象的信息， 通过嵌入式系统对信息进行处理， 并通过随机自组织无线通信网络以多跳中继方式将所感知信息传送到用户终端。从而真正实现“无处不在的计算”理念。 无线传感器网络有着很多鲜明的特点28，如大规模、自组织、电源能量

33、和计算能力有限、动态性和以数据为中心等特点。这些特点都不同于传统数据网络，在实现各种网络协议和应用系统时带来了许多的约束，同时也提出了一系列挑战性问题29-31： 1)通信能力有限。无线传感器网络的传感器的通信带宽窄而且经常变化，通信覆盖范围只有几十到几百米。传感器之间的通信断接频繁，经常导致通信失败。同时由于无线传感器网络更多地受到高山、建筑物、障碍物等地势地貌以及风雨雷电等自然环境的影响，传感器可能会长时间脱离网络， 离线工作。 因此如何在有限通信能力的条件下高质量地完成感知信息的处理与传输，是我们面临的第 1 个挑战。 2)电源能量有限。传感器的电源能量极其有限。网络中的传感器由于电源能

34、量的原因经常失效或废弃， 因此电源能量约束是阻碍无线传感器网络应用的严重问题。 如何在网络工作过程中节省能源，最大化网络的生命周期，是我们面临的第 2 个挑战。 3)计算能力有限。无线传感器网络中的传感器都具有嵌入式处理器和存储器。这些传感器都具有计算能力，可以完成一些信息处理工作。但是，由于嵌入式处理器和存储器的能力和容量有限， 传感器的计算能力十分有限。 如何让大量具有有限计算能力的传感器节点协作地进行分布式信息处理，是我们面临的第 3 个挑战。 4)传感器数量大、 分布范围广。 无线传感器网络中传感器节点密集， 数量巨大外，无线传感器网络可以分布在很广泛的地理区域。 传感器数量大、 分布

35、广的特点使得网络的维护十分困难甚至不可维护，无线传感器网络的软、硬件必须具有高健壮性和容错性。这是我们面临的第 4 个挑战。 5)网络动态性强。网络中的传感器、感知对象和观察者这三要素都可能具有移动性，并且经常有新节点加入或已有节点失效。因此，网络的拓扑结构动态变化，传感器、感知对象和观察者三者之间的路径也随之变化。无线传感器网络必须具有可重构和自调整性。这是我们面临的第 5 个挑战。 6)大规模分布式触发器。 很多无线传感器网络需要对感知对象进行控制， 如温度控制。这样，很多传感器具有触发器。成千上万的动态触发器的管理是我们面临的第 6 个挑战。 7)感知数据流巨大。无线传感器网络中的每个传

36、感器通常都产生较大的流式数据，并具有实时性。每个传感器仅仅具有有限的计算资源，难以处理巨大的实时数据流。我们需 要研究强有力的分布式数据流管理、 查询、 分析和挖掘方法。 这是我们面临的第 7 个挑战。 2.3 无线传感器网络与传统网络的实时性能研究比较 具有实时性要求的通信网络与普通通信网络的不同在于引入了时间限制， 它要确保准时地传递信息并且支持分布式计算。 因此， 使得网络性能在度量方面区别于普通通信网络，其对于网络延迟具有更高的要求。 当无线传感器网络出现时， 人们也很自然地有了在传感器网络上传送不同类型业务的需求， 并且希望无线传感器网络能像固定有线网络一样为不同业务的服务质量提供保

37、障。然而，与固定的有线网络不同，在无线传感器网络中，无线链路的带宽相对较低，节点的内存、能源等资源都相对受限。因此，传统有线网络中的机制无法直接应用于无线传感器网络中。 2.3.1 与有线网络的比较 在有线网实时化的研究领域中，有很多研究工作是修改网络协议底层的 MAC 层，以期望获得定量的通道访问时间，从而保证通讯的实时性。这种方案需要针对硬件(网卡等)作改动，并且在修改了 MAC 层协议之后，上层协议集可能也需要进行相应的修改，最终形成一个支持专有协议的专用系统， 另外一种有效的方式是在 IEEE802.3 的基础上采用一种虚拟的基于令牌的介质访问方式， 以避免报文碰撞的发生。 这种方法不

38、需要对硬件做任何修改，但要增加新的协议软件。 一般来说，为了保证网络中节点间数据传输的实时性，通信协议需要考虑两个过程：访问仲裁过程和传输控制过程。 访问仲裁过程决定一个节点什么时候可以通过网络介质发送数据， 而传输控制过程决定节点可在介质上不间断传输数据的时间。 访问仲裁过程是为了保证各个节点的实时性，而传输控制过程则是保证整个网络的实时性。如令牌环(Token Ring)协议 IEEE802.5 强调的是访问仲裁过程，而定时令牌协议(Timed Token Protocol)，如 IEEE802.4，FDDI 则强调的是传输控制过程。如果两个过程能有机地结合在一起，就能很好保证通讯协议的实

39、时性。 和有线网络一样， 无线传感器网络的实时性能同样要求网络产生的数据必须在规定的时间内传回数据中心， 数据的丢失或延迟到达可能会造成严重的后果。 由于无线传感器网络是 Ad hoc 网的一个特例，数据包需要通过多跳传输才能到达目的地，因此实时传输过程中数据包的调度除了考虑时间约束外还需要考虑距离约束。 其中距离是由源节点和目的节点的物理位置决定的。这是无线传感器网络和有线网络的不同之处。 在无线传感器网络中提供实时通信支持面临着许多挑战。首先，无线链路不稳定，易受周围环境和噪声的影响，因此通信延迟很难估计；其次，许多无线传感器网络的应用需要在仅有电池供电的情况下工作数月甚至数年， 这要求在

40、满足应用实时性的同时必须考虑如何减小网络的能量开销；再次，在无线传感器网络中不同数据包有不同延迟要求，高优先级的数据包抵达基站节点的延迟要少于低优先级数据包； 最后， 无线传感器网络节点资源受限，因此在设计相应的协议时需要减少通信以及能量开销。 但是为了保证节点间数据传输的实时性， 实时通信协议依然像有线实时网络一样需要考虑两个过程： 访问仲裁过程和传输控制过程。 访问仲裁过程决定一个节点什么时候可以通过无线介质发送数据，而传输控制过程决定节点可在无线介质上不间断传输数据的时间。 访问仲裁过程是为了保证各个节点的实时性， 而传输控制过程则是保证整个网络的实时性。也就是说为了保证无线传感器网络的实时性，我们应该通过 MAC 层来让数据包能尽快的通过无线介质发送出去；通过路由层来选择最快最可靠的路径将数据转发到 Sink节点。 2.4 温湿度传感器的简介由于温度与湿度不管是从物理量本身还是在实际人们的生活中都有着密切的关系，所以温湿度一体的传感器就会相应产生。 温湿度传感器是指能将温度量和湿度量转换成容易被测量处理的电信号的设备或装置