1．2无线传感网络的研究意义及国内外研究现状
无线传感器网络是继Internet之后，将对21世纪人类生活方式产生重大影响 的一种rr热点技术。Internet改变了人与人之间交流、沟通的方式，而无线传感 器网络将逻辑上的信息世界与真实物理世界融合在一起，将改变人与自然交互的 方式。2003年著名的美国《商业周刊》在其“未来技术专版”中发表文章指出，效
用计算、传感器网络、塑料电子学和仿生人体器官是全球未来的四大高技术产业， 它们将掀起新的产业浪潮。2003年MIT技术评论Technology Review在预测未来 技术发展的报告中认为，有十种新兴技术在不远的将来将改变世界，其中无线传 感器网络被列为首位131。
目前，传感器网络在军事、民用和学术届等许多领域的研究都取得了重大的 1
进展。国外一些主要的研究项目及研究内容如表1．1所示。国内，包括国家自然 基金及各大高校、研究所也都对无线传感器网络投入了研究。
表1-1无线传感器网络的研究进展
计划名称研究内容与进展资助部承担单位起止年代
1．1研究背景和意义
无线传感器网络(WSN，Wireless Sensor Networks)，作为一项新型的信息 采集技术日益受到国内外科研工作者的高度重视。无线传感器网络，指在环境 中布置的传感器节点以无线通信方式组织成网络，传感器节点完成一些数据采 集工作，节点通过无线传感网络将数据发送到网络中，并最终由特定的应用接 收。传感器节点集成传感器件、数据处理和通信模块，并通过自组织的方式构 成网络。借助于传感器节点中内置的形式多样的传感器，可以测量所在周边环 境中的热、红外、声、雷达和地震波等信号，从而探测包括温度、湿度、噪声、 光强度、压力、速度和方向等物质现象。无线传感器网络是一种全新的信息获 取和信息处理模式。
无线传感器网络的节点通过飞行器撒播、人工埋置等方式任意散落在被监
测区域内，以自组织方式构成网络。根据节点数目的多少，传感器网络可按平 面结构和分簇结构⋯来构建。平面结构比较健壮，但是控制开销大，可扩展性 不佳，主要适用于中小型网络。在分簇结构中，网络被划分成簇，每个簇包含 一个簇头和多个簇成员，簇头和网关构成虚拟骨干网。分簇结构的优点是网络 可扩充性好，容易实现网络的管理和同步，主要用于大规模的无线传感器网络。 无线传感器网络的平面结构如图1-1所示。在传感器网络中，大量传感器
节点被随机部署在监测区域内，节点以自组织方式构成网络，节点监测到的数 据通过其他传感器节点逐跳地进行传输，在传输的过程中数据可能被多个中间 节点处理。经过多跳路由后，监测数据传输到汇聚(Sink)节点，最后由Internet 或者卫星进行收集并传送给用户。
用户传感器节点
图1-1无线传感器网络的平面结构
无线传感器网络中的节点分为两种：普通的传感器节点和汇聚节点。
普通节点，是一个微型的嵌入式系统，它的处理能力、存储能力和通信能
力相对较弱，通过携带能量有限的电池供电。从网络功能上看，每个传感器节 点兼顾传统网络节点的终端和路由器双重功能，除了进行本地信息收集和数据 处理外，还要对其他节点转发来的数据进行存储、管理和融合等处理，同时与 其他节点协作完成一些特定的任务。
汇聚节点(Sink节点)，节点处理能力、存储能力和通信能力相对比较强，
它连接传感器网络与Internet等外部网络，实现两种协议栈之间的通信协议转 换，同时发布管理节点的监测任务，并把收集的数据转发到外部网络上。汇聚 节点既可以是一个具有增强功能的普通节点，有足够的能量供给和更多的内存 与计算资源，也可以是没有监测功能仅带有无线通信接口的特殊网关设备。 在平面结构的无线传感器网络中，所有节点具有相同的地位，所以又被称
为对等式结构。平面结构的网络比较简单，源节点和目的节点间一般存在多条 路径，网络负荷由这些路径共同承担，一般情况下不存在瓶颈，网络比较健壮。 但是在无线传感器网络中，由于节点数量较大，密度较高，平面结构在节点的 组织、定位、节点与基站之间的路由建立、控制与维持的报文开销上都存在着 很大的问题，这些开销会占用很大的带宽，影响网络数据的传输速率，严重情 况下甚至会造成整个网络的崩溃。另外，节点在进行报文传输时，由于所有节 点都起着路由的作用，因此，某个节点在产生并发送报文之后，在这个节点和 基站节点之间会使得大量的节点参与存储转发工作，很难进入休眠状态，从而 使整个系统在宏观上将损耗很多能量。平面结构的可扩充性差，每个节点都需 要知道到达其它所有节点的路由，维护这些动态变化的路由信息则需要大量的 控制信息。
在分簇结构中，网络被划分为多个簇。每个簇由一个簇头和多个簇成员组 成，这些簇头形成了高一级的网络。分簇后的网络体系结构如图卜2所示。簇 成员负责数据的采集，而簇头节点负责簇间数据的转发，这大大减少了网络中 路由控制信息的数量，因此具有很好的可扩充性。簇头可以预先指定，也可以 通过分簇算法选举产生。由于簇头可以通过选举随时产生，所以分簇结构具有 很强的抗毁性，维护分簇结构需要节点执行分簇算法。
分簇结构存在的一个明显问题就是簇头的能量消耗问题，簇头的发送和接
收报文的频率要高出普通节点几倍甚至十几倍，这样簇头在发送、接收报文时 会消耗很多能量，而且很难进入休眠状态，从而相对普通节点，其寿命要短的 多。这就需要在簇内执行合适的算法以更新簇头。分簇结构比平面结构复杂的 多，由此也产生了很多相应的算法和协议。分簇结构解决了平面结构中的网络 堵塞问题，整体能量消耗较少，实用性也较高。
无线传感网络节点研究的发展
在无线传感器网络节点的研究开发方面，国外的许多大学和研究机构纷纷
投入了大量的研发力量从事研究工作，根据时间先后和技术特点，传感器网络 节点的研究大致可以划分四个时代阻1。
第一代(1996—1999年)：具有代表性的节点平台有UCLA的WINSu01， UC
Berkeley的Smart Dust⋯1、WeC和Renen纠。WINS是较早的节点，是DARPAl995 年资助项目“Low Power Wireless Integrated Microsensors”n列的研究成 果，主要是展示CIMS(CMOS Integrated Microsensors)技术在设计微型化低 功耗无线传感器构成组件的优势，并没有特别强调无线通信及网络技术，因此 最终没有形成影响力。Smart Dust即“智能尘埃”，是MEMS技术在微型化WSN 节点方面的一次尝试，节点最终的物理尺寸只有近8mm，节点间利用光进行通 信，具有一定的处理能力。Smart Dust节点证明了MEMS技术在微型化设备方 4
面的潜力，是WSN研究非常重要的一个领域。WeC和Rene节点是由D．Culler 领导的研究小组设计，它是UCB Mote的雏形，主要的差别在于后者有较灵活的 扩展性，用户可以通过较丰富的数／模通道和总线支持不同种类的传感器。而前 者是一个相对独立的系统，仅集成了温度、光强度的传感器电路，扩展能力有 限，且不支持通用标准接口。
第二代(2000—2001年)：随着WSN的研究受到广泛的关注，相继出现了多 种节点平台，典型的有UCB的MiCa和Dotn鲥，MIT的uAMPS-I和uAMPS-II，， 以及Rockwell公司的HYDRA。Mica和Dot分别是WeE和Rene的升级，与后者 相比，Mi ca和Dot提供了更丰富的传感器接口和内存资源，Mica被成功用在 Sensor Webs项目中原理性地演示了无人机器撒播WSN节点进行目标跟踪的新 军事侦察模式的可行性。如果说UCB的Mote系列是利用成熟的商用器件COST (Commercial Off the Shell)构建的节点，那么MIT的uAMPS-I也是COST设计， 特点是采用支持分级电压的处理器和自适应调节发送功率的技术来节省能耗。 uAMPS-II则提高了集成度，在FPGA验证设计的基础上，定制了两片ASIC来处 理射频通信。uAMPS曾被用在DARPA支持的PASTA(Power Aware Sensing and Tracking and AnalysiS)项目n63中。Rockwell公司的HYDRA是一个商用节点平 台，体积稍大，著名的Sensor IT项目就用它概念性地实现并演示了美国五角 大楼所期望的“超视距"战场监测应用。
第三代(2002-2003年)：随着研究的深入，人们开始关注到特殊环境中自
组织WSN的应用，降低能耗，尽可能延长网络生命周期等关键性问题的研究。 具有代表性的节点有：Mica2和MicaDot2，以及NASA JPL实验室的Sensor
Webn 7|。Sensor Web最初被定位于进行火星的长时间观测，在可再生能源不成 熟的条件下，面对这样的应用设计者们只能尽力寻找低功耗的节点设计方案。 目前，Sensor Web已被应用在多个项目中进行实际测试。Mica2和MicaDot2 属于UCB的Mote系列，修正了Mica通信距离短、易受干扰和不可靠等一些技 术缺陷，采用了新的微处理器Atmegal 128和射频芯片CCl 000来降低节点的功 耗。尽管Mica2还存在一些缺陷，但是它基本上已经成为目前WSN研究主流的 试验平台。此外，国内外多个研究机构根据各自的研究需要陆续研究出了功能 类似的各具特点的试验节点，如Wisenet，PicoNode，HelioMote，iBadge，Eyes 和U3。国内中科院、清华大学和哈尔滨工业大学等院校的研究小组也先后研制 出了类似Mica2的节点。
第四代(2004年至今)：2004年底，Chipcon率先发布了支持Zi gbe．e的射 频芯片，这成为WSN节点研发的又一个分水岭。随后的研究开始重点关注新无
线通信技术与标准在WSN节点设计中的应用。到目前为止，已经相继研发出了 一系列的第四代节点，典型的有MicaZ，Telos，EmberNode，Imote，Imote2， BTNode3和DSYS25。MicaZ是Crossbow公司用支持Zigbee的CC2420直接代替 Mica2的ccl000研制的。Telos是UCB Mote系列的第四代节点，设计上的改进 很大，除了支持Zigbee，Telos还支持USB接口，省去了对开发板的依赖，方 便开发和使用。通过采用新型的微处理器TI公司的MSP430，减小了休眠工作 电流和系统唤醒时间，能耗显著降低了，Telos的功耗大约是Mica2的十分之
一。研究数据表明”“．节点组网进行同步试验，用两节5号电池供电，每3min 进行一次同步，Mica2，MicaZ和Telos的工作时间分别是543days，328days 和945days。EmberNode””是在Ember公司推出的支持zigbee的商用硬件和软 件平台开发的WSN节点。Imote和Imote2节点是Intel公司研制的WSN试验节 点。在Imote中仅支持蓝牙．到了Imote2．蓝牙、Zigbee和wiFi同时支持。 Imote完全聚用Intel的微处理器，如AⅫ和XScMe．并配备了一定的协处理
器来管理系统能耗。BTNode3“”是瑞士联邦研究院(ETH Zurich)研发的第三个 版本的WSN节点，采用的是蓝牙技术。DSY$25““是爱尔兰国家微电子研究中心 为分布式自治传感器项目研发的试验节点，再一次尝试了纯粹的射频通信技术 在WSN中应用的可行性，它选用了Nordic公司的nRF2401．支持多通道，传输 率可选1～Ib／s，高于ccl000的76．8kb／s。虽然结合Active Message机制设计 了占空比控制机制来节省能耗．但整个系统的功耗依然很大。
国内在传感器节点的研究方面，中科院计算所研制出了兼容国外同类产品
的软件平台的高可靠性、使用便捷的无线传感器网络节点GAINS”“系列节点， 如图l一3所示。GAINS系列节点主要包括GATNSl、GAINS2、GAINS3、GAINSZ、 G^INSJ、miniGA【Ns，以及G^INz等。除了串口的接入节点外，中科院计算所还 推出了USB接口的接入节点，USB设备不但可以充当与Pc之问的通信接口，还 可以对节点电池进行充电，另外还实现了USB供电和电池供电的自动切换。 现有的无线传感器网络设计都大约遵循以下几方面的约定：通信距离短·
传输速率低，节点处理能力弱，存储空间有限等。基于这些约定·传感器节点 硬件的研究取得了较大进展，提出了超低功耗、成本低廉等实现途径，并将这 些设计思想体现在具体的实现上。
随着无线传感器网络应用领域的不断扩展，以及很多应用方面有较高的实
时性要求，这些约定已经成为无线传感器网络发展的瓶颈。如某些领域需要很
高的采样频率、较远的传输距离、较高的实时性。这些要求虽然能通过无线通
信协议的完善得到部分实现，但是最根本解决办法还是硬件设计的高性能化。
在语音识别和图像处理等领域也都需要增加传感器节点的采样频率和处理能
力。所有这些都说明节点的高性能化势在必行，而高性能化对节点的功耗和成
本又提出了挑战。
1．1环境监测应用现状
第一章绪论
目前，环境监测仪器设备被广泛的应用在工农业生产和环境保护等众多领域 中，能够监测的参数有温度、湿度、压强、水位、酸碱度和二氧化碳浓度等多个 环境参数，这些环境监测仪器设备主要用于产品生产环境的监测、大气和水污染 的监测、噪声与振动的监测、放射性和电磁波的监测等多个方面【11。
1．1．1国内外发展概况
在国外，环境监测仪器设备的技术已经达到了很高的水平，除了常规的监测 手段，在某些特定的领域甚至已经借助卫星进行环境的监测。国内环境监测产品 较之国外技术还显得比较单一，关键零部件需要依赖进口。当然近年来我国的环 境监测仪器设备取得了长足的发展，与西方发达国家的技术差距正在缩小。目前 已经有一部分环境监测仪器设备接近或达到国际先进水平，在市场上占有很大比 例，但还存在着诸多问题：
(一)开发核心层次不高。目前的很多环境监测仪器设备基本是使用基于单
片机技术的开发芯片，由于受数据总线所限，其外围和存储空间受到比较大的限
制。且受到单片机的操作指令的限制，对复杂数据处理运算无能为力。中断处理
仅能逐一按级别逐项处理，单任务运行，高级功能软件包无
法使用，难以支持复
杂的外部设备。
(二)重复生产多，规模效益差。很多生产环境监测仪器设备的企业规模较
小，从而使生产成本提高。很多企业研制的产品功能大同小异，不能满足目前市
场多元化的需求。
(三)通信方式简单。现有的产品在数据传输上大都采用技术简单的
RS．232／RS．485串行通讯接口，前者仅支持点对点通讯且速度慢、距离短。后者
支持多点通讯、距离远，但由于普通计算机大多不带该接口且仍受地域限制。这
种产品仅提供有线数据采集方式，使产品的现场安装受使用环境所限，产品的环
境应用适用性、灵活性差。
(四)显示方式简单。很多产品只用液晶、LED等方式简单显示，没有现场
数据分析、图形打印等功能。实时性、分析处理效率大打折扣，直观效果不佳。
需要人工进行分析总结，增加操作的复杂性。
第～章绪论
(五)量程较窄，难以满足超高温，超低温的特殊要求。
(六)部分产品的质量性能相对不稳定，使用寿命较短，某些设备的故障率
较高，不能满足精度的需要。
即使是先进的国外技术在某些方面也存在着缺陷与不足。总体来看，环境监
测设备还需要进一步提高功能水平。__
1．1．2环境监测的发展趋势
国内外的环境监测设备随着计算机和网络技术的发展而发展，设备的技术含 量在逐步提高，技术水平和监测手段也在逐渐完善。环境监测设备的发展趋势有 下面几个方面13J：
1、技术水平逐渐提高，由简单应用向综合应用领域发展；
2、生产企业向标准化、规范化和规模化方向发展；
3、由单一的生产向合作化方向发展；
4、向多功能、集成化和系统化方向发展；
5、向自动化、智能化和网络化方向发展。
随着人类探知领域和空间的拓展，人们需要获得的电子信息种类日益增加，这就要求信息传递的速
度加快和信息的处理能力增强。因而要求与此相对应的三大核心技术：信息采集技术（传感技术）、信
息传递技术（通讯技术）、信息处理技术（计算机技术）必须跟上人类信息化发展的需要。
传感器作为人类探知自然界信息的触角，它可将人类需要探知的非电量信息转化成可测量的电量信
息，为人类认识和控制相应的对象提供了条件和依据。作为现代信息技术核心之一的传感器技术，将是
人们在高科技发展方面争夺的一个制高点。
随着科学技术的迅速发展，气敏传感器与电子鼻在食品工业、化学工业、环境监测、安全检查、医
学诊断、航空航天、军事国防等方面有着广阔的应用前景。譬如，在工农业生产和人类生活中，人们对
污染环境的各种气体越来越重视，尤其是随着煤气、瓦斯气、液化石油气和天然气的开发利用，各种气
体灾害的危险性随之增加，因此需要对各种易燃、易爆和有毒气体进行及时的检测[1]。目前已发展出许
多不同类型的气体传感器，能满足不同场合使用的要求。把气体传感器与专门的检测分析电路结合，能
够进行特定气体的检测、分析。随着科学技术的进步、人民生活水平和生活质量的提高，气敏传感器的
应用领域越来越扩大，随之，人们对气敏传感器的要求也越来越高，要求其灵敏度高、选择性好、功耗
低，体积小、重量轻、价格低，集成化、智能化、多功能化等。这些都使得气敏测试技术得到了极大的
重视与发展，现在已被公认为是对人类生命和健康、丰富国民生活以及促进其它技术发展的关键技术。
发展好此技术，不但能对其它领域的技术具有极大的推动作用，而且还能改善人类的生存条件和生活质
量[2]。
1．1无线通讯技术的发展概述
20世纪是通信技术高速发展和成熟的时代，人类对通信的依赖程度愈来愈高。通讯技术
己不仅仅是一种通讯方式，而是成为了人们的一种生活方式。随着现代通讯技术的高速发展，
整个世界乃至整个地球变得越来越小，它架构起了人与人之间相互联系的桥梁，成为现代科
学技术不可或缺的重要技术手段和环节，是科学技术发展的必然趋势。Intemet、GSM、CDMA
网络可谓通讯技术中的成功典范。Intemet将全球所有的电脑连到了一起，实现了资源共享；
而移动通信则让人们实现了随时随地，自由畅通的通信。目前，无线移动通信技术凭其低成
本、携带方便的优势快速进入到了许多领域，成为最受人们青睐的一种通信方式。 由于无线数据传输与有线数据传输相比有着不可比拟的优点，现在已经在无线遥控、小
型无线网络、无线抄表、门禁系统、小区传呼、工业数据采集系统、无线标签、身份识别、
小型无线数据终端、安全防火系统、无线遥控系统、生物信号采集、水文气象监控、机器人
控制、数字音频、数字图像传输等等场合有着广泛的应用。大数据业务量传输以及移动通信
与Intemet合二为一，将成为未来移动通信的发展趋势。
提及无线通信发展史，首先想起的就是无线通讯的开创者——马可尼。1894年，即赫兹
去世的那年，年仅20岁的马可尼，在电气杂志上读到了赫兹的实验和洛奇的报告，从小就喜
欢摆弄线圈、电铃的他，便一头钻进了电磁波的研究中。他想既然赫兹能在几米外测出电磁
波，那么只要有足够灵敏的检波器，就一定能在更远的地方测出电磁波。经过多次的失败，
他终于在第二年的夏天取得了很大的进步，他的助手在距离自己27公里的地方发送信号，马
克尼可以完整的接收到信号，这就是最早期的无线通讯。
进入二十世纪以后，以马可尼、波波夫为首的一大批无线电领域的科学家不断致力于无
线电技术的研究，使得无线电技术逐渐成熟。到了70年代后，随着大规模集成电路及专用微
处理器的出现，无线数据传输的可靠性得到了提高。后来，随着数字处理技术和模拟集成电
路设计的迅速发展，各种高精度的模拟／数字转换器(A／D)和数字模拟转换器(D／A)研制成
功，这使得无线数据传输的可靠性与安全性日趋成熟。
许多科学和技术对无线通信的发展作出了贡献，但是造就当今移动通信辉煌局面的应首
推射频技术和微电子技术。要实现移动通信，必须采用无线传输，同时要实现有效的移动也
内蒙古大学顾1：学位论义
必须要求设备体积小、重量轻、耗电省。毋庸置疑，射频微电子技术是当代无线通信的基础。
从第一代模拟移动通信系统到第二代GSM(Global System for Mobile Comunication)全球移
动通讯系统，以及随之到来的第三代移动通信，无线移动通信己成为电子信息产业中发展最
为迅速的一个分支。
近几年，我国的无线数据传输技术也取得了很大的进步，成功研制了非接触RF智能卡、
大型无线数据终端、安全防火系统、无线遥控系统等，最令国人值得骄傲的是以中国大唐为
首的3G标准TD．SCDMA的提出。目前TD．SCDMA正处于试验运行阶段，相信不久就会有
中国自主知识产权在内的3G产品问世。
1．2国内外研究现状
嵌入式系统是自上世纪九十年代中期以来逐渐兴起的产业。将嵌入式应用作为一个系统
进行研究，是嵌入式应用中软硬件日益复杂化的趋势所决定的。上世纪70年代出现的单片
机微处理器实际上就是为了满足生产生活中的各种嵌入式应用而开发的(当时还没有真正意
义上的计算机系统)，即使现今32位处理器成为了应用主流之后，8位单片机仍然凭借着其
低廉的成本占据着一部分市场(尤其是在不需要复杂操作的工业控制领域)。之后出现的16
位微处理器，虽然处理能力上比8位处理器强很多，但是仍然不足以运行个人电脑上的复杂
操作系统，因此16位处理器一般被设计成针对某些领域应用的“特殊功能处理器”，其中最
具代表性的就是DSP(Digital Signal Processor数字信号处理器)。无论是使用8位或者是16
位处理器构建的系统，受限于处理能力的不足，其应用领域也受到了一定的限制，从嵌入式
系统作为一个软硬件集合体的角度上看，这些系统中硬件所起的作用明显大于软件，严格的
说还不是一个完整的嵌入式系统。
随着半导体工艺的不断发展，微处理器的处理能力也在不断地提高。由于高效的设计模
式与开放的构架，目前基于ARM内核的嵌入式微处理器已经占据了国际嵌入式微处理器市
场分额的70％以上，成为各行业嵌入式应用的主流嵌入式微处理器。嵌入式软件也从开始
的单线程无限循环发展到基于嵌入式操作系统的多线程软件系统。现在的嵌入式系统中，软
件所起的作用已经超过了硬件。只有有了好的嵌入式软件，才能充分发挥硬件系统的功能；
而要想编写出好的嵌入式软件，就必须对嵌入式操作系统有较为深入的认识。
1．2无线传感网络的研究意义及国内外研究现状
无线传感器网络是继Internet之后，将对21世纪人类生活方式产生重大影响 的一种rr热点技术。Internet改变了人与人之间交流、沟通的方式，而无线传感 器网络将逻辑上的信息世界与真实物理世界融合在一起，将改变人与自然交互的 方式。2003年著名的美国《商业周刊》在其“未来技术专版”中发表文章指出，效
用计算、传感器网络、塑料电子学和仿生人体器官是全球未来的四大高技术产业， 它们将掀起新的产业浪潮。2003年MIT技术评论Technology Review在预测未来 技术发展的报告中认为，有十种新兴技术在不远的将来将改变世界，其中无线传 感器网络被列为首位131。
目前，传感器网络在军事、民用和学术届等许多领域的研究都取得了重大的 1
进展。国外一些主要的研究项目及研究内容如表1．1所示。国内，包括国家自然 基金及各大高校、研究所也都对无线传感器网络投入了研究。
表1-1无线传感器网络的研究进展
计划名称研究内容与进展资助部承担单位起止年代
1．1研究背景和意义
无线传感器网络(WSN，Wireless Sensor Networks)，作为一项新型的信息 采集技术日益受到国内外科研工作者的高度重视。无线传感器网络，指在环境 中布置的传感器节点以无线通信方式组织成网络，传感器节点完成一些数据采 集工作，节点通过无线传感网络将数据发送到网络中，并最终由特定的应用接 收。传感器节点集成传感器件、数据处理和通信模块，并通过自组织的方式构 成网络。借助于传感器节点中内置的形式多样的传感器，可以测量所在周边环 境中的热、红外、声、雷达和地震波等信号，从而探测包括温度、湿度、噪声、 光强度、压力、速度和方向等物质现象。无线传感器网络是一种全新的信息获 取和信息处理模式。
无线传感器网络的节点通过飞行器撒播、人工埋置等方式任意散落在被监
测区域内，以自组织方式构成网络。根据节点数目的多少，传感器网络可按平 面结构和分簇结构⋯来构建。平面结构比较健壮，但是控制开销大，可扩展性 不佳，主要适用于中小型网络。在分簇结构中，网络被划分成簇，每个簇包含 一个簇头和多个簇成员，簇头和网关构成虚拟骨干网。分簇结构的优点是网络 可扩充性好，容易实现网络的管理和同步，主要用于大规模的无线传感器网络。 无线传感器网络的平面结构如图1-1所示。在传感器网络中，大量传感器
节点被随机部署在监测区域内，节点以自组织方式构成网络，节点监测到的数 据通过其他传感器节点逐跳地进行传输，在传输的过程中数据可能被多个中间 节点处理。经过多跳路由后，监测数据传输到汇聚(Sink)节点，最后由Internet 或者卫星进行收集并传送给用户。
用户传感器节点
图1-1无线传感器网络的平面结构
无线传感器网络中的节点分为两种：普通的传感器节点和汇聚节点。
普通节点，是一个微型的嵌入式系统，它的处理能力、存储能力和通信能
力相对较弱，通过携带能量有限的电池供电。从网络功能上看，每个传感器节 点兼顾传统网络节点的终端和路由器双重功能，除了进行本地信息收集和数据 处理外，还要对其他节点转发来的数据进行存储、管理和融合等处理，同时与 其他节点协作完成一些特定的任务。
汇聚节点(Sink节点)，节点处理能力、存储能力和通信能力相对比较强，
它连接传感器网络与Internet等外部网络，实现两种协议栈之间的通信协议转 换，同时发布管理节点的监测任务，并把收集的数据转发到外部网络上。汇聚 节点既可以是一个具有增强功能的普通节点，有足够的能量供给和更多的内存 与计算资源，也可以是没有监测功能仅带有无线通信接口的特殊网关设备。 在平面结构的无线传感器网络中，所有节点具有相同的地位，所以又被称
为对等式结构。平面结构的网络比较简单，源节点和目的节点间一般存在多条 路径，网络负荷由这些路径共同承担，一般情况下不存在瓶颈，网络比较健壮。 但是在无线传感器网络中，由于节点数量较大，密度较高，平面结构在节点的 组织、定位、节点与基站之间的路由建立、控制与维持的报文开销上都存在着 很大的问题，这些开销会占用很大的带宽，影响网络数据的传输速率，严重情 况下甚至会造成整个网络的崩溃。另外，节点在进行报文传输时，由于所有节 点都起着路由的作用，因此，某个节点在产生并发送报文之后，在这个节点和 基站节点之间会使得大量的节点参与存储转发工作，很难进入休眠状态，从而 使整个系统在宏观上将损耗很多能量。平面结构的可扩充性差，每个节点都需 要知道到达其它所有节点的路由，维护这些动态变化的路由信息则需要大量的 控制信息。
在分簇结构中，网络被划分为多个簇。每个簇由一个簇头和多个簇成员组 成，这些簇头形成了高一级的网络。分簇后的网络体系结构如图卜2所示。簇 成员负责数据的采集，而簇头节点负责簇间数据的转发，这大大减少了网络中 路由控制信息的数量，因此具有很好的可扩充性。簇头可以预先指定，也可以 通过分簇算法选举产生。由于簇头可以通过选举随时产生，所以分簇结构具有 很强的抗毁性，维护分簇结构需要节点执行分簇算法。
分簇结构存在的一个明显问题就是簇头的能量消耗问题，簇头的发送和接
收报文的频率要高出普通节点几倍甚至十几倍，这样簇头在发送、接收报文时 会消耗很多能量，而且很难进入休眠状态，从而相对普通节点，其寿命要短的 多。这就需要在簇内执行合适的算法以更新簇头。分簇结构比平面结构复杂的 多，由此也产生了很多相应的算法和协议。分簇结构解决了平面结构中的网络 堵塞问题，整体能量消耗较少，实用性也较高。
无线传感网络节点研究的发展
在无线传感器网络节点的研究开发方面，国外的许多大学和研究机构纷纷
投入了大量的研发力量从事研究工作，根据时间先后和技术特点，传感器网络 节点的研究大致可以划分四个时代阻1。
第一代(1996—1999年)：具有代表性的节点平台有UCLA的WINSu01， UC
Berkeley的Smart Dust⋯1、WeC和Renen纠。WINS是较早的节点，是DARPAl995 年资助项目“Low Power Wireless Integrated Microsensors”n列的研究成 果，主要是展示CIMS(CMOS Integrated Microsensors)技术在设计微型化低 功耗无线传感器构成组件的优势，并没有特别强调无线通信及网络技术，因此 最终没有形成影响力。Smart Dust即“智能尘埃”，是MEMS技术在微型化WSN 节点方面的一次尝试，节点最终的物理尺寸只有近8mm，节点间利用光进行通 信，具有一定的处理能力。Smart Dust节点证明了MEMS技术在微型化设备方 4
面的潜力，是WSN研究非常重要的一个领域。WeC和Rene节点是由D．Culler 领导的研究小组设计，它是UCB Mote的雏形，主要的差别在于后者有较灵活的 扩展性，用户可以通过较丰富的数／模通道和总线支持不同种类的传感器。而前 者是一个相对独立的系统，仅集成了温度、光强度的传感器电路，扩展能力有 限，且不支持通用标准接口。
第二代(2000—2001年)：随着WSN的研究受到广泛的关注，相继出现了多 种节点平台，典型的有UCB的MiCa和Dotn鲥，MIT的uAMPS-I和uAMPS-II，， 以及Rockwell公司的HYDRA。Mica和Dot分别是WeE和Rene的升级，与后者 相比，Mi ca和Dot提供了更丰富的传感器接口和内存资源，Mica被成功用在 Sensor Webs项目中原理性地演示了无人机器撒播WSN节点进行目标跟踪的新 军事侦察模式的可行性。如果说UCB的Mote系列是利用成熟的商用器件COST (Commercial Off the Shell)构建的节点，那么MIT的uAMPS-I也是COST设计， 特点是采用支持分级电压的处理器和自适应调节发送功率的技术来节省能耗。 uAMPS-II则提高了集成度，在FPGA验证设计的基础上，定制了两片ASIC来处 理射频通信。uAMPS曾被用在DARPA支持的PASTA(Power Aware Sensing and Tracking and AnalysiS)项目n63中。Rockwell公司的HYDRA是一个商用节点平 台，体积稍大，著名的Sensor IT项目就用它概念性地实现并演示了美国五角 大楼所期望的“超视距"战场监测应用。
第三代(2002-2003年)：随着研究的深入，人们开始关注到特殊环境中自
组织WSN的应用，降低能耗，尽可能延长网络生命周期等关键性问题的研究。 具有代表性的节点有：Mica2和MicaDot2，以及NASA JPL实验室的Sensor
Webn 7|。Sensor Web最初被定位于进行火星的长时间观测，在可再生能源不成 熟的条件下，面对这样的应用设计者们只能尽力寻找低功耗的节点设计方案。 目前，Sensor Web已被应用在多个项目中进行实际测试。Mica2和MicaDot2 属于UCB的Mote系列，修正了Mica通信距离短、易受干扰和不可靠等一些技 术缺陷，采用了新的微处理器Atmegal 128和射频芯片CCl 000来降低节点的功 耗。尽管Mica2还存在一些缺陷，但是它基本上已经成为目前WSN研究主流的 试验平台。此外，国内外多个研究机构根据各自的研究需要陆续研究出了功能 类似的各具特点的试验节点，如Wisenet，PicoNode，HelioMote，iBadge，Eyes 和U3。国内中科院、清华大学和哈尔滨工业大学等院校的研究小组也先后研制 出了类似Mica2的节点。
第四代(2004年至今)：2004年底，Chipcon率先发布了支持Zi gbe．e的射 频芯片，这成为WSN节点研发的又一个分水岭。随后的研究开始重点关注新无
线通信技术与标准在WSN节点设计中的应用。到目前为止，已经相继研发出了 一系列的第四代节点，典型的有MicaZ，Telos，EmberNode，Imote，Imote2， BTNode3和DSYS25。MicaZ是Crossbow公司用支持Zigbee的CC2420直接代替 Mica2的ccl000研制的。Telos是UCB Mote系列的第四代节点，设计上的改进 很大，除了支持Zigbee，Telos还支持USB接口，省去了对开发板的依赖，方 便开发和使用。通过采用新型的微处理器TI公司的MSP430，减小了休眠工作 电流和系统唤醒时间，能耗显著降低了，Telos的功耗大约是Mica2的十分之
一。研究数据表明”“．节点组网进行同步试验，用两节5号电池供电，每3min 进行一次同步，Mica2，MicaZ和Telos的工作时间分别是543days，328days 和945days。EmberNode””是在Ember公司推出的支持zigbee的商用硬件和软 件平台开发的WSN节点。Imote和Imote2节点是Intel公司研制的WSN试验节 点。在Imote中仅支持蓝牙．到了Imote2．蓝牙、Zigbee和wiFi同时支持。 Imote完全聚用Intel的微处理器，如AⅫ和XScMe．并配备了一定的协处理
器来管理系统能耗。BTNode3“”是瑞士联邦研究院(ETH Zurich)研发的第三个 版本的WSN节点，采用的是蓝牙技术。DSY$25““是爱尔兰国家微电子研究中心 为分布式自治传感器项目研发的试验节点，再一次尝试了纯粹的射频通信技术 在WSN中应用的可行性，它选用了Nordic公司的nRF2401．支持多通道，传输 率可选1～Ib／s，高于ccl000的76．8kb／s。虽然结合Active Message机制设计 了占空比控制机制来节省能耗．但整个系统的功耗依然很大。
国内在传感器节点的研究方面，中科院计算所研制出了兼容国外同类产品
的软件平台的高可靠性、使用便捷的无线传感器网络节点GAINS”“系列节点， 如图l一3所示。GAINS系列节点主要包括GATNSl、GAINS2、GAINS3、GAINSZ、 G^INSJ、miniGA【Ns，以及G^INz等。除了串口的接入节点外，中科院计算所还 推出了USB接口的接入节点，USB设备不但可以充当与Pc之问的通信接口，还 可以对节点电池进行充电，另外还实现了USB供电和电池供电的自动切换。 现有的无线传感器网络设计都大约遵循以下几方面的约定：通信距离短·
传输速率低，节点处理能力弱，存储空间有限等。基于这些约定·传感器节点 硬件的研究取得了较大进展，提出了超低功耗、成本低廉等实现途径，并将这 些设计思想体现在具体的实现上。
随着无线传感器网络应用领域的不断扩展，以及很多应用方面有较高的实
时性要求，这些约定已经成为无线传感器网络发展的瓶颈。如某些领域需要很
高的采样频率、较远的传输距离、较高的实时性。这些要求虽然能通过无线通
信协议的完善得到部分实现，但是最根本解决办法还是硬件设计的高性能化。
在语音识别和图像处理等领域也都需要增加传感器节点的采样频率和处理能
力。所有这些都说明节点的高性能化势在必行，而高性能化对节点的功耗和成
本又提出了挑战。
1．1环境监测应用现状
第一章绪论
目前，环境监测仪器设备被广泛的应用在工农业生产和环境保护等众多领域 中，能够监测的参数有温度、湿度、压强、水位、酸碱度和二氧化碳浓度等多个 环境参数，这些环境监测仪器设备主要用于产品生产环境的监测、大气和水污染 的监测、噪声与振动的监测、放射性和电磁波的监测等多个方面【11。
1．1．1国内外发展概况
在国外，环境监测仪器设备的技术已经达到了很高的水平，除了常规的监测 手段，在某些特定的领域甚至已经借助卫星进行环境的监测。国内环境监测产品 较之国外技术还显得比较单一，关键零部件需要依赖进口。当然近年来我国的环 境监测仪器设备取得了长足的发展，与西方发达国家的技术差距正在缩小。目前 已经有一部分环境监测仪器设备接近或达到国际先进水平，在市场上占有很大比 例，但还存在着诸多问题：
(一)开发核心层次不高。目前的很多环境监测仪器设备基本是使用基于单
片机技术的开发芯片，由于受数据总线所限，其外围和存储空间受到比较大的限
制。且受到单片机的操作指令的限制，对复杂数据处理运算无能为力。中断处理
仅能逐一按级别逐项处理，单任务运行，高级功能软件包无
法使用，难以支持复
杂的外部设备。
(二)重复生产多，规模效益差。很多生产环境监测仪器设备的企业规模较
小，从而使生产成本提高。很多企业研制的产品功能大同小异，不能满足目前市
场多元化的需求。
(三)通信方式简单。现有的产品在数据传输上大都采用技术简单的
RS．232／RS．485串行通讯接口，前者仅支持点对点通讯且速度慢、距离短。后者
支持多点通讯、距离远，但由于普通计算机大多不带该接口且仍受地域限制。这
种产品仅提供有线数据采集方式，使产品的现场安装受使用环境所限，产品的环
境应用适用性、灵活性差。
(四)显示方式简单。很多产品只用液晶、LED等方式简单显示，没有现场
数据分析、图形打印等功能。实时性、分析处理效率大打折扣，直观效果不佳。
需要人工进行分析总结，增加操作的复杂性。
第～章绪论
(五)量程较窄，难以满足超高温，超低温的特殊要求。
(六)部分产品的质量性能相对不稳定，使用寿命较短，某些设备的故障率
较高，不能满足精度的需要。
即使是先进的国外技术在某些方面也存在着缺陷与不足。总体来看，环境监
测设备还需要进一步提高功能水平。__
1．1．2环境监测的发展趋势
国内外的环境监测设备随着计算机和网络技术的发展而发展，设备的技术含 量在逐步提高，技术水平和监测手段也在逐渐完善。环境监测设备的发展趋势有 下面几个方面13J：
1、技术水平逐渐提高，由简单应用向综合应用领域发展；
2、生产企业向标准化、规范化和规模化方向发展；
3、由单一的生产向合作化方向发展；
4、向多功能、集成化和系统化方向发展；
5、向自动化、智能化和网络化方向发展。
随着人类探知领域和空间的拓展，人们需要获得的电子信息种类日益增加，这就要求信息传递的速
度加快和信息的处理能力增强。因而要求与此相对应的三大核心技术：信息采集技术（传感技术）、信
息传递技术（通讯技术）、信息处理技术（计算机技术）必须跟上人类信息化发展的需要。
传感器作为人类探知自然界信息的触角，它可将人类需要探知的非电量信息转化成可测量的电量信
息，为人类认识和控制相应的对象提供了条件和依据。作为现代信息技术核心之一的传感器技术，将是
人们在高科技发展方面争夺的一个制高点。
随着科学技术的迅速发展，气敏传感器与电子鼻在食品工业、化学工业、环境监测、安全检查、医
学诊断、航空航天、军事国防等方面有着广阔的应用前景。譬如，在工农业生产和人类生活中，人们对
污染环境的各种气体越来越重视，尤其是随着煤气、瓦斯气、液化石油气和天然气的开发利用，各种气
体灾害的危险性随之增加，因此需要对各种易燃、易爆和有毒气体进行及时的检测[1]。目前已发展出许
多不同类型的气体传感器，能满足不同场合使用的要求。把气体传感器与专门的检测分析电路结合，能
够进行特定气体的检测、分析。随着科学技术的进步、人民生活水平和生活质量的提高，气敏传感器的
应用领域越来越扩大，随之，人们对气敏传感器的要求也越来越高，要求其灵敏度高、选择性好、功耗
低，体积小、重量轻、价格低，集成化、智能化、多功能化等。这些都使得气敏测试技术得到了极大的
重视与发展，现在已被公认为是对人类生命和健康、丰富国民生活以及促进其它技术发展的关键技术。
发展好此技术，不但能对其它领域的技术具有极大的推动作用，而且还能改善人类的生存条件和生活质
量[2]。
1．1无线通讯技术的发展概述
20世纪是通信技术高速发展和成熟的时代，人类对通信的依赖程度愈来愈高。通讯技术
己不仅仅是一种通讯方式，而是成为了人们的一种生活方式。随着现代通讯技术的高速发展，
整个世界乃至整个地球变得越来越小，它架构起了人与人之间相互联系的桥梁，成为现代科
学技术不可或缺的重要技术手段和环节，是科学技术发展的必然趋势。Intemet、GSM、CDMA
网络可谓通讯技术中的成功典范。Intemet将全球所有的电脑连到了一起，实现了资源共享；
而移动通信则让人们实现了随时随地，自由畅通的通信。目前，无线移动通信技术凭其低成
本、携带方便的优势快速进入到了许多领域，成为最受人们青睐的一种通信方式。 由于无线数据传输与有线数据传输相比有着不可比拟的优点，现在已经在无线遥控、小
型无线网络、无线抄表、门禁系统、小区传呼、工业数据采集系统、无线标签、身份识别、
小型无线数据终端、安全防火系统、无线遥控系统、生物信号采集、水文气象监控、机器人
控制、数字音频、数字图像传输等等场合有着广泛的应用。大数据业务量传输以及移动通信
与Intemet合二为一，将成为未来移动通信的发展趋势。
提及无线通信发展史，首先想起的就是无线通讯的开创者——马可尼。1894年，即赫兹
去世的那年，年仅20岁的马可尼，在电气杂志上读到了赫兹的实验和洛奇的报告，从小就喜
欢摆弄线圈、电铃的他，便一头钻进了电磁波的研究中。他想既然赫兹能在几米外测出电磁
波，那么只要有足够灵敏的检波器，就一定能在更远的地方测出电磁波。经过多次的失败，
他终于在第二年的夏天取得了很大的进步，他的助手在距离自己27公里的地方发送信号，马
克尼可以完整的接收到信号，这就是最早期的无线通讯。
进入二十世纪以后，以马可尼、波波夫为首的一大批无线电领域的科学家不断致力于无
线电技术的研究，使得无线电技术逐渐成熟。到了70年代后，随着大规模集成电路及专用微
处理器的出现，无线数据传输的可靠性得到了提高。后来，随着数字处理技术和模拟集成电
路设计的迅速发展，各种高精度的模拟／数字转换器(A／D)和数字模拟转换器(D／A)研制成
功，这使得无线数据传输的可靠性与安全性日趋成熟。
许多科学和技术对无线通信的发展作出了贡献，但是造就当今移动通信辉煌局面的应首
推射频技术和微电子技术。要实现移动通信，必须采用无线传输，同时要实现有效的移动也
内蒙古大学顾1：学位论义
必须要求设备体积小、重量轻、耗电省。毋庸置疑，射频微电子技术是当代无线通信的基础。
从第一代模拟移动通信系统到第二代GSM(Global System for Mobile Comunication)全球移
动通讯系统，以及随之到来的第三代移动通信，无线移动通信己成为电子信息产业中发展最
为迅速的一个分支。
近几年，我国的无线数据传输技术也取得了很大的进步，成功研制了非接触RF智能卡、
大型无线数据终端、安全防火系统、无线遥控系统等，最令国人值得骄傲的是以中国大唐为
首的3G标准TD．SCDMA的提出。目前TD．SCDMA正处于试验运行阶段，相信不久就会有
中国自主知识产权在内的3G产品问世。
1．2国内外研究现状
嵌入式系统是自上世纪九十年代中期以来逐渐兴起的产业。将嵌入式应用作为一个系统
进行研究，是嵌入式应用中软硬件日益复杂化的趋势所决定的。上世纪70年代出现的单片
机微处理器实际上就是为了满足生产生活中的各种嵌入式应用而开发的(当时还没有真正意
义上的计算机系统)，即使现今32位处理器成为了应用主流之后，8位单片机仍然凭借着其
低廉的成本占据着一部分市场(尤其是在不需要复杂操作的工业控制领域)。之后出现的16
位微处理器，虽然处理能力上比8位处理器强很多，但是仍然不足以运行个人电脑上的复杂
操作系统，因此16位处理器一般被设计成针对某些领域应用的“特殊功能处理器”，其中最
具代表性的就是DSP(Digital Signal Processor数字信号处理器)。无论是使用8位或者是16
位处理器构建的系统，受限于处理能力的不足，其应用领域也受到了一定的限制，从嵌入式
系统作为一个软硬件集合体的角度上看，这些系统中硬件所起的作用明显大于软件，严格的
说还不是一个完整的嵌入式系统。
随着半导体工艺的不断发展，微处理器的处理能力也在不断地提高。由于高效的设计模
式与开放的构架，目前基于ARM内核的嵌入式微处理器已经占据了国际嵌入式微处理器市
场分额的70％以上，成为各行业嵌入式应用的主流嵌入式微处理器。嵌入式软件也从开始
的单线程无限循环发展到基于嵌入式操作系统的多线程软件系统。现在的嵌入式系统中，软
件所起的作用已经超过了硬件。只有有了好的嵌入式软件，才能充分发挥硬件系统的功能；
而要想编写出好的嵌入式软件，就必须对嵌入式操作系统有较为深入的认识。