1、北方民族大学学士学位论文论文题目: 无线传感器网络与网格结合研究 院(部)名 称: 电气信息工程学院 学 生 姓 名: 李 冰 专 业: 通信工程 学 号: 20060118 指导教师姓名:吴 亮 论文提交时间:2010 年 5 月 3 日 论文答辩时间:2010 年 5 月 28 日 学位授予时间: 北方民族大学教务处制北方民族大学毕业论文 无线传感器网络与网格结合研究I摘 要无线传感器网络由大量具有感知能力、计算能力和通信能力的微小传感器节点构成，能实时监测、感知、采集和处理各种监测对象的信息。网格技术是一种分布式计算技术，它利用计算机网络把地理上广泛分布的各种资源连成一个逻辑整体，为用户
2、提供一体化的信息应用服务。将无线传感器网络和网格结合起来可以更好发挥两者的功能效用。本文首先概述了无线传感器网络和网格的相关知识，通过定性分析，找出两者的异同点，总结出了将两者相结合需解决的关键性问题，并给与解决；再经交叉研究与探索，提出了一个结合框架，搭建起一个将无线传感器网络接入网格的应用平台。该平台采用分层结构无线传感器网络层、数据接入层、管理层、网格应用层，任务分配调度清晰，可以实现无线传感器网络与网格初步有效的融合，实现资源更有效的利用。关键词 无线传感器网络，网格，结合框架，节点，数据传输北方民族大学毕业论文 无线传感器网络与网格结合研究IIABSTRACTThe Wireless
3、 Sensor Network(WSN) is composed of lots tiny sensor nodes, which have the capability of sensing, computing and communicating. It can monitor real-time, sense, collect and process information on a variety of objects monitored. The grid is a distributed computing technology. It integrates various res
4、ources that geographically distributed widely into a logical super computer,which can provide integrated information applieation services for users.Combine WSN and grid can better play both functions.This paper first sketches out the related knowledge of WSN and grid. Through the qualitative analysi
5、s, differences and similarities were found out,and the key problems that need to be solved in combination were summarized. Then after researching and exploring, a framework was put forward and an application platform that combined WSN into grid was constructed. This platform puts to use the layered
6、structure,which includes a WSN layer, data access layer, management layer, the grid application layer. With this structure, the tasks scheduling and distribution are clear, and it can realize the preliminary integration effectively between WSN and grid, achieving more effective utilization of resour
7、ces.KEY WORDS WSN, grid, combined framework, code, data transmission北方民族大学毕业论文 无线传感器网络与网格结合研究III目 录第 1 章 绪 论 .11.1 课题研究背景 .11.2 国内外研究现状 .21.3 研究目标 .3第 2 章 无线传感器网络概述 .52.1 无线传感器网络概念 .52.2 无线传感器网络原理 .52.2.1 传感器节点组成 .52.2.2 无线传感器网络构成 .62.3 无线传感器网络特点 .72.3.1 传感器节点特征 .72.3.2 传感器节点的限制 .72.3.3 无线传感器网络特征 .8
8、2.4 无线传感器网络关键技术 .92.5 无线传感器网络应用 .12第 3 章 网格技术概述 .143.1 网格概念、特点 .143.1.1 网格的概念 .143.1.2 网格的特点 .143.1.3 网格的意义 .163.1.4 网格计算要求 .163.2 网格体系结构 .173.2.1 五层沙漏结构 .173.2.2 开放式网格服务体系结构 .183.2.3 其他网格体系结构 .193.3 网格研究关键问题 .203.4 网格的应用及研究现况 .213.4.1 网格的应用 .213.4.2 我国网格研究现状 .21第 4 章 无线传感器网络与网格结合研究 .234.1 结合的可行性 .2
9、34.2 结合的关键问题 .234.3 结合框架 .264.3.1 框架设计 .264.3.2 结合框架的应用 .30第 5 章 总结与展望 .32北方民族大学毕业论文 无线传感器网络与网格结合研究IV参考文献 .33致 谢 .35附页 1 英文文献 .36附页 2 中文翻译 .46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 1 页第 1 章 绪 论1.1 课题研究背景近年来，信息技术在我国获得了迅猛发展。但从整个信息领域来看，我国核心专利和核心技术还相对较少。即使是拥有专利比例较高的通信技术领域，也因为较多的核心专利掌握在国外研究机构或公司手中而在各种技术和商务谈判中受制于人。我国
10、核心技术匮乏的主要原因之一是我们国家在很多技术方面动手较晚，长期以来采用跟踪引进和复制国外技术的方式在夹缝中发展。通过引进技术发展经济可以在短期内实现经济飞跃性发展，但是如果忽视对技术的原始性创新，一味强调技术引进，势必造成经济技术发展的依赖性，使其缺乏后劲与核心竞争力。目前这种情况在我国已在不断好转。一方面，国家在先进技术方面不断加大资助力度；另一方面，通过长期的学习和跟踪，我国科技人员也积累了大量的技术知识和经验，已经具备在一些新兴技术领域与国外一争高下的能力。在这个科技发展迅猛的信息时代，作为信息获取最重要最基本的技术传感器技术，也得到极大的发展。早在 20 世纪 70 年代就出现了将传
11、统传感器采用点对点传输、连接传感控制器而构成传感器网络雏形，人们把它归结为第一代传感器网络。随着相关学科不断发展，传感器网络同时还具有了获取多种信息信号的综合处理能力，并通过与传感控制器相连，组成了具有信息综合处理能力的传感器网络，这是第二代传感器网络。从 20 世纪末开始，现场总线技术开始应用于传感器网络，人们用其组建智能化传感器网络，大量多功能传感器被运用，并使用无线技术进行连接，无线传感器网络(Wireless Sensor Networks, WSN)逐渐形成。从成熟的产业中发展原始性创新存在很大的难度，而在一个新的技术领域中掌握和拥有核心技术，可能性则非常大。传感器网络作为一种新兴的
12、技术发展方向，实现从技术获取，到信息传输、处理，以及目标系统控制的一体化智能管理，是信息技术发展的更高阶段，给我们提供了全新的发展契机。计算机与通信的最新发展和进步已经极大推动了传感器网络的研究，并且已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 2 页经将其推动到比较接近原始预想的阶段。基于微型机电系统(MEMS)技术、无线网络技术以及低功耗微型廉价处理器，人们能够布置无线 Ad Hoc 网络，开展各种各样的 WSN 应用。随着网络技术的高速发展，应用需求的日益增长，网格(Grid)技术应运而生。网格是一种新型的分布式计算技术，是信息社会的网络基础设施，已经成为当前国际计算机技术研究
13、的热点和前沿领域。它代表了继 Internet 技术和 Web 技术之后的第三次技术浪潮，引起了政府、学术界和工商界的高度重视，各国政府纷纷设立重大项目对网格计算环境进行研究和开发。网格的目标是把整个因特网整合成一台巨大的超级虚拟计算机，实现互联网上所有资源的互联互通，完成计算资源、存储资源、通信资源、软件资源、信息资源、知识资源、专家资源等的智能共享。随着研究的问题越来越复杂以及技术的日益壮大，今天的科学研究已经强烈依赖于计算机的应用，包括计算和数据分析，以及科学家之间的密切合作等。单台计算机系统或者简单的文件共享已经不能满足这些应用的需求，而是需要对其他计算机、软件、数据以及其他资源进行直
14、接访问。网格的出现为解决这一问题提供了崭新的途径。网格技术将为高能物理、大气、天文、生物信息、石油地质等许多重大应用领域提供科学活动的虚拟计算环境，必将对社会和经济的发展、国防科学研究以及人们的生活工作方式产生巨大的影响。将无线传感器网络与网格结合研究是一种新的研究方向，目前关于这一方面的研究还较少。把有线的网格和无线传感器网络结合起来，称之为传感器网格。两者的结合，可以使网格通过传感器访问真实的物理信息，同时无线传感器网络可以利用网格强大的计算能力和存储能力弥补自身的缺点，使其更具有实用价值。1.2 国内外研究现状无线传感器网络是新一代的传感器网络，具有非常广泛的应用前景，其发展和应用，将会
15、给人们生活和生产的各个领域带来深远的影响。各国都非常重视无线传感器网络的发展。IEEE(Institute of Electrical and Electronics Engineers，美 国电 气 和 电 子 工 程 师 协 会 )正在努力推进无线传感器网络的应用的和发展，波士顿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 3 页大学创办了传感器网络协会，期望能促进传感器联网技术开发。英特尔公司与加利福尼亚州大学伯克利分校也进行了“微尘”技术的研究工作。他们成功创建了瓶盖大小的全功能传感器，可以执行计算、检测与通信等功能。在旧金山，200个联网“微尘”节点已被部署在金门大桥上，这些
16、微尘用于确定大桥从一边到另一边的摆动距离（在强风中可以精确到几 ，1 =0.3048m） 。当微尘检测出移动tf距离时，它将把该信息通过微型计算机网络传递出去，最后到达一台更强大的计算机进行数据分析，任何与当天天气不吻合的异常读数都可能预示着大桥存在隐患。网格被称为继传统因特网、万维网之后的第三代因特网应用，以其重要的战略意义以及广阔的应用前景成为当今吸引众多研究人员和资金投入的研究热点。目前网格的研究已经从美国和欧洲推广到了世界各大洲，各个国家和地区都投入了大量的资金进行网格技术研究和网格基础设施建设。将无线传感器网络与网格结合研究，可以有效弥补无线传感器网络自身的诸多缺点，而且还可使网格应
17、用进一步扩展。现在已经有一些项目进行无线传感器网络和网格结合方面的研究。Harvard University 构建了一个健壮、可靠的数据收集网络Hourglass。HourGlass 1是一个网格和无线传感器网络的结合方案，它能够提供一个网格 API(Application Programming Interface,应用程序编程接口)给不同的无线传感器网络组，使应用程序可以通过 OGSA(Open Grid Services Atchitecture，开放式网格服务体系) 标准访问无线传感器网络数据。SensorGrid1是将无线传感器网络和网格结合在一起构成的复合系统，它采用分布式网络结构
18、，由传感节点、中间层和决策制定层构成。该系统主要考虑了分布式数据融合、分布式处理、网络协同等问题，可以进行数据融合、事务监测和分类、分布式决策制定等工作。1.3 研究目标由于无线传感器网络处理能力受限、存储资源受限以及能量受限，单纯靠自身的能力无法完成复杂的查询，或者说即使可以完成复杂的查询，但从发起查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 4 页询到得出查询结果所需的时间很长，实际应用性很差。网格能够对信息进行处理和共享，这些信息目前基本上来自计算机网络，随着科技的发展，未来的应用不会只局限于对这些信息的存取，将会扩展到对真实自然信息的存取。若想获取真实世界的自然信息，必须依靠
19、大量分布的传感器。将来，随着网格和传感器网络不断融合，网格就变成了一个自然网。将无线传感器网络与网格结合起来研究，就是提取两者的优点于一体，实现大量资源的捕捉、存储、处理和共享，使其更具有应用价值。本文大致分为 5 章。第 1 章介绍了课题的研究背景、国内外研究现状和课题研究目标。第 2 章和第 3 章为课题研究的理论基础，分别概述了无线传感器网络和网格的基础理论知识。第 4 章对无线传感器网络和网格两者的结合技术进行研究，提出一个结合框架。该框架主要包括无线传感器网络层和网格层。网络层主要完成监测区域的数据采集、原始数据融合、组节点数据融合和向中心节点传输数据的工作。网格层主要的任务是得到无
20、线传感器网络的数据并进一步进行处理。第 5 章作为全文总结。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 5 页传感器 ADC 处理器存储器收发信机感知单元 处理单元功率单元功率发生器定位系统 移动管理器图 2-1 WSN 传感器节点的组成第 2 章 无线传感器网络概述无线传感器网络是新一代的传感器网络，它是典型的具有交叉学科性质的军民两用的高科技技术，可以广泛应用于军事、国家安全、环境科学、交通管理、灾害预测、医疗卫生、制造业、城市信息化建设等领域，其发展和应用将会给人们的生活和生产带来深远影响。2.1 无线传感器网络概念一个无线传感器网络(WSN)一般由一组毫米般大小、设备齐全的微型机电系统(MEMS)装置组成，覆盖一个物理地理区域。这种微型装置包括大量的廉价传感器节点、无线发射机和接收机、电源，具有计算处理能力，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖的地理区域中感知对象的信息，并将其发布给观察者。2.2 无线传感器网络原理2.2.1 传感器节点组成
