物聯(lián)網(wǎng)下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分布式通信的研究

王進(jìn)

【摘要】 物聯(lián)網(wǎng)四大關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用非常廣泛的，這四個(gè)技術(shù)主要是RFID，WSN，M2M，還有兩化融合。RFID可以使用matlab，NS2，Anroid實(shí)現(xiàn)，WSN可以使用NS2，OMNET++實(shí)現(xiàn)，M2M可以使用JAVA開發(fā)。物聯(lián)網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)是父與子的關(guān)系，無線網(wǎng)絡(luò)和無線wsn網(wǎng)絡(luò)一樣，只不過無線節(jié)點(diǎn)固定和移動(dòng)的變?yōu)榱藗鞲衅鞫?。物?lián)網(wǎng)包括互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，也包括有線和無線網(wǎng)絡(luò)。

【關(guān)鍵詞】 物聯(lián)網(wǎng) RFID WSN M2M

一、物聯(lián)網(wǎng)定義與意義

物聯(lián)網(wǎng)的現(xiàn)狀和研究進(jìn)展分析：從美國物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展歷程圖中可得，美國在世界領(lǐng)先的研發(fā)實(shí)力的支撐下，采用了從基礎(chǔ)研究、應(yīng)用研究到市場開發(fā)的“長線”信息技術(shù)發(fā)展模式，不僅搶得了信息技術(shù)發(fā)展的先機(jī)，而且，還不斷地實(shí)現(xiàn)了新的技術(shù)飛躍，引領(lǐng)著信息技術(shù)革命的潮流和發(fā)展方向，掌控著信息技術(shù)國際標(biāo)準(zhǔn)制定權(quán)。這對于我國物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展可以借鑒兩點(diǎn)：第一，在加大物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的同時(shí)，絲毫不能放松物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)研究，第二，抓住新一輪新興科技的先發(fā)優(yōu)勢，參與國際標(biāo)準(zhǔn)的制定。歐洲的信息科技建設(shè)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展一直不甘落后于美國，雖然近期歐洲地區(qū)正面臨整體經(jīng)濟(jì)衰退、人口嚴(yán)重老齡化、氣候變暖問題等諸多問題，但歐盟一直致力于推動(dòng)歐洲共同體的統(tǒng)一發(fā)展。

二、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

最近，越來越多的文獻(xiàn)談?wù)撐锫?lián)網(wǎng)的事情，所以我們列出了一些如下。

文獻(xiàn)[1]提出了物聯(lián)網(wǎng)的定義是，通過無線射頻識(shí)別（射頻識(shí)別）、紅外傳感器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描儀等信息傳感設(shè)備，根據(jù)合同協(xié)議，將任何商品與互聯(lián)網(wǎng)連接，進(jìn)行信息的交流和溝通，目的是實(shí)現(xiàn)智能識(shí)別、定位、跟蹤和監(jiān)控和管理。

文獻(xiàn)[2]提出的互聯(lián)網(wǎng)的定義，是一種基于網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)和交互交流的動(dòng)態(tài)的全球網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施能力的自我配置，在事物的物理和虛擬的范圍之內(nèi)物體的特性有如身份特點(diǎn)、互聯(lián)網(wǎng)的物理特性，擬人化的特性，他們可以通過綜合信息網(wǎng)絡(luò)連接。

文獻(xiàn)[3]提出物聯(lián)網(wǎng)的定義是，通過信息傳感設(shè)備，按照約定的協(xié)議，把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行信息交換和通信，這個(gè)網(wǎng)絡(luò)的目的是實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理。

文獻(xiàn)[4]提出的物聯(lián)網(wǎng)的特點(diǎn)是可以針對每個(gè)對象，每個(gè)對象網(wǎng)絡(luò)都可以被控制，每一個(gè)空間網(wǎng)絡(luò)都可以溝通。

文獻(xiàn)[5]提出了物聯(lián)網(wǎng)是剛剛過去的大量的網(wǎng)絡(luò)和互聯(lián)網(wǎng)連接更進(jìn)一步深入，是他們具體應(yīng)用的區(qū)域劃，是很多增值服務(wù)的新一代在廣闊的網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的集合。在技術(shù)方面，它是傳感器，傳感器網(wǎng)絡(luò)和RFID等感知技術(shù)、通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、智能計(jì)算技術(shù)等的集成，實(shí)現(xiàn)全面感知、可靠傳輸，聰明的理察，是一個(gè)網(wǎng)絡(luò)連接的物理世界，智能化、高清，將成為物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵詞。

文獻(xiàn)[6]提出近年來物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)受到人們廣泛的關(guān)注，我國“十二五”規(guī)劃中已明確將物聯(lián)網(wǎng)作為戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)來培育發(fā)展。作為物聯(lián)網(wǎng)核心技術(shù)之一的RFID技術(shù)，將決定著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展程度。

文獻(xiàn)[7]深入分析MES重構(gòu)需求和監(jiān)控需求，提出以模塊粒度維和信息粒度維為主線的可重構(gòu)制造執(zhí)行系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)（Reconfigurable Manufacturing Execution System Architecture，RMESA），系統(tǒng)研究了 MES 實(shí)現(xiàn)快速重構(gòu)和實(shí)時(shí)監(jiān)控的理論和方法。

文獻(xiàn)[8]主要從路徑檢查、所有權(quán)轉(zhuǎn)讓、標(biāo)簽群組證明以及中繼攻擊四個(gè)方面對基于RFID技術(shù)的供應(yīng)鏈系統(tǒng)的安全和隱私問題進(jìn)行了初步的探索，從而提出了兩個(gè)新的供應(yīng)鏈路徑檢查協(xié)議PSAM和PCOMS，并且提出了一個(gè)基于可信第三方的所有權(quán)轉(zhuǎn)移方案FIT，以及提出了兩個(gè)新的標(biāo)簽群組證明協(xié)議GPO和GPI。

文獻(xiàn)[9]中無線 Ad Hoc 網(wǎng)絡(luò)以其無中心、自組織、多跳路由的特點(diǎn)在眾多無線網(wǎng)絡(luò)中獨(dú)樹一幟，并且在軍事和民用等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。然而，事物總是具有兩面性。無線 Ad Hoc 網(wǎng)絡(luò)研究中，面臨著網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋭?dòng)態(tài)變化、節(jié)點(diǎn)能量有限、信道帶寬有限等諸多挑戰(zhàn)。

文獻(xiàn)[10]提出無線傳感器網(wǎng)絡(luò)本質(zhì)上是一類資源受限的網(wǎng)絡(luò)。通常情況下，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)采用電池供電，有限的能量限制了網(wǎng)絡(luò)生存期。作為一個(gè)嵌入式系統(tǒng)，節(jié)點(diǎn)的計(jì)算能力和存儲(chǔ)能力都較??；節(jié)點(diǎn)間通信帶寬也比較低。

文獻(xiàn)[11]中無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Network， WSN）的能量嚴(yán)重受限。對WSN進(jìn)行剩余能量實(shí)時(shí)監(jiān)測（Residual Energy Real-time Monitoring， RERM），是了解WSN生命周期情況的根本途徑。RERM 對設(shè)計(jì)和檢驗(yàn)節(jié)能算法/協(xié)議具有重要意義。針對現(xiàn)有 RERM 研究中常見的脫離實(shí)際問題，對面向應(yīng)用的 RERM 進(jìn)行了系統(tǒng)、深入的研究。

文獻(xiàn)[12]中在移動(dòng)多媒體應(yīng)用驅(qū)動(dòng)下，以高速無線個(gè)域網(wǎng)為背景，從媒體訪問控制（MAC）層協(xié)議優(yōu)化、通信協(xié)議的高層次設(shè)計(jì)以及系統(tǒng)級(jí)的低功耗設(shè)計(jì)方法等方面，對無線個(gè)域網(wǎng)多媒體片上系統(tǒng)（SoC）進(jìn)行了深入研究。

文獻(xiàn)[13]提出在無線通信，特別是衛(wèi)星通信和下一代移動(dòng)通信系統(tǒng)（3G）中，數(shù)據(jù)傳輸占有越來越重要的地位。反觀無線信道，由于大氣環(huán)境、地形和移動(dòng)的多重影響，信道的狀態(tài)極其不穩(wěn)定，這給數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃詭砹藰O大挑戰(zhàn)。自動(dòng)請求重傳（ARQ）技術(shù)，特別是混合ARQ（HARQ），在提高傳輸?shù)目煽啃苑矫姘l(fā)揮了巨大的作用。

文獻(xiàn)[14]提出網(wǎng)絡(luò)編碼通過將多個(gè)數(shù)據(jù)包組合在一起，并利用數(shù)據(jù)包之間的相關(guān)性來解碼，網(wǎng)絡(luò)編碼巧妙解決了有向網(wǎng)絡(luò)中組播最大流等經(jīng)典的理論難題，大大提高了網(wǎng)絡(luò)容量和資源的利用效率，并在優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)管理和提高網(wǎng)絡(luò)的安全性等諸多方面都具有重要價(jià)值。無線信道的廣播特性使得網(wǎng)絡(luò)編碼在無線網(wǎng)絡(luò)中有很大的應(yīng)用潛力。

文獻(xiàn)[15]研究無線網(wǎng)絡(luò)中的公平性調(diào)度問題，針對三種典型的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，分別研究在無線衰落信道下，如何在保證公平性的前提下高效率的利用有限的系統(tǒng)資源。面向不同設(shè)計(jì)目標(biāo)，設(shè)計(jì)了不同的公平性調(diào)度策略。

文獻(xiàn)[16]提出無線網(wǎng)絡(luò)編碼是網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)研究的一個(gè)重要方向，而具有本地化特性的機(jī)會(huì)網(wǎng)絡(luò)編碼則是無線網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)領(lǐng)域中一個(gè)簡單實(shí)用的分支。針對無線機(jī)會(huì)網(wǎng)絡(luò)編碼吞吐性能優(yōu)化的基礎(chǔ)性問題，從理論框架、調(diào)度算法和應(yīng)用改良三個(gè)層次系統(tǒng)性地展開了理論和應(yīng)用研究，從而提出了一套理論框架，提出了一個(gè)有常數(shù)界保障的近似算法，提出了一套實(shí)用的譯碼緩存機(jī)制。

文獻(xiàn)[17]提出在無反饋信道的條件下，基于數(shù)據(jù)分割和不等錯(cuò)誤保護(hù)，提出一種在無線網(wǎng)絡(luò)中可靠傳輸 H.264/AVC碼流的聯(lián)合信源信道方法。根據(jù) C 型數(shù)據(jù)對錯(cuò)誤傳播影響的程度將其分為若干子型，對 A、B 和 C 型數(shù)據(jù)提供不等重錯(cuò)誤保護(hù)，并采用基于迭代改進(jìn)的雙向局部搜索算法。隨著丟包率增加，可提供更平穩(wěn)的重建視頻質(zhì)量。

文獻(xiàn)[18]圍繞著 RFID 讀寫器中一個(gè)重要部件-功率放大器（PA）的關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用展開討論。首先對 CMOS 功放技術(shù)進(jìn)行了總結(jié)，著重分析了 CMOS PA 應(yīng)用于 RFID 中的關(guān)鍵技術(shù)。在此基礎(chǔ)上，以一個(gè)單片 CMOS 功放的實(shí)現(xiàn)為起點(diǎn)，圍繞兩個(gè)常用的 RFID 通信協(xié)議，就相應(yīng)的讀寫器中發(fā)射機(jī)前端關(guān)鍵電路的實(shí)現(xiàn)展開了研究。另一方面，將 RFID 技術(shù)進(jìn)一步推廣到零待機(jī)功耗無線開關(guān)的設(shè)計(jì)中，最后還研究了便攜式讀寫器中的功率控制技術(shù)。

文獻(xiàn)[19]提出無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)和主要組成部分。

文獻(xiàn)[10]對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分布式調(diào)度方法進(jìn)行研究。本文對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分布式調(diào)度方法進(jìn)行了深入的研究，并針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能量受限的特點(diǎn)，提出了四個(gè)分布式調(diào)度方法。首先，提出了一類實(shí)用的、協(xié)作分布式的調(diào)度方法。其次，提出了一種 WSN 分布式自學(xué)習(xí)調(diào)度方法。最后，提出了一種 WSN 分布式進(jìn)化自學(xué)習(xí)調(diào)度方法。

物聯(lián)網(wǎng)前沿技術(shù)主要包括RFID（射頻識(shí)別技術(shù)），WSN（無線傳感器網(wǎng)絡(luò)），ITS（智能交通系統(tǒng)），GPS（全球定位系統(tǒng)），Lorawan技術(shù)（低功耗廣域網(wǎng)規(guī)范），云計(jì)算技術(shù)，物聯(lián)網(wǎng)感知層IPV6技術(shù)，嵌入式技術(shù)。

中國物聯(lián)網(wǎng)100個(gè)前沿技術(shù)報(bào)告匯編指出的內(nèi)容主要包括如下方面：智能機(jī)器人在物流方面的應(yīng)用情況和前景，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)框架，物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)，智能農(nóng)業(yè)，智能健康醫(yī)療監(jiān)護(hù)，物聯(lián)網(wǎng)助力煤礦行業(yè)，數(shù)字化油田，智能樓宇，智能網(wǎng)絡(luò)夜視，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)框架與標(biāo)準(zhǔn)體系，智能機(jī)器人在物流行業(yè)的應(yīng)用，物聯(lián)網(wǎng)安全性能分析，MEMS（微機(jī)電系統(tǒng)）傳感器，TCP/IP的智能家居系統(tǒng)，RFID標(biāo)準(zhǔn)，智能安防，智能RFID在工業(yè)控制住的應(yīng)用，智能建筑中的消防自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)，基于GPS技術(shù)的冷鏈物流解決方案，淺析ABB智能照明系統(tǒng)在智能建筑中的應(yīng)用，LTE（長期技術(shù)演進(jìn)，4G LTE）承載解決方案及分析，5G關(guān)鍵技術(shù)，ZigBee組網(wǎng)技術(shù)在電力SCADA中的應(yīng)用，虛擬化技術(shù)能否開啟云計(jì)算之門，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展與低碳經(jīng)濟(jì)，三網(wǎng)融合，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)之GPS導(dǎo)航儀分類及說明，試論物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展對C網(wǎng)演進(jìn)路線與策略的影響，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的建模分析，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及其仿真平臺(tái)分析，紅外傳感技術(shù)面面觀，數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化—DVR發(fā)展趨勢，物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代車載信息系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展方向，南京新建地鐵售檢票系統(tǒng)后臺(tái)維護(hù)用上物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，光纖寬帶推廣中的困局與解困之道分析，航空領(lǐng)域RFID技術(shù)應(yīng)用與分析，無所不在的無線網(wǎng)絡(luò)無所不能的智慧城市，電容式觸摸傳感器的技術(shù)與應(yīng)用，手機(jī)視頻監(jiān)控技術(shù)應(yīng)用，機(jī)動(dòng)車超速檢測系統(tǒng)，采用LabVIEW和NI無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測名勝古跡。由此，我們知道物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)有RFID技術(shù)，傳感器技術(shù)，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，LoraWAN技術(shù)等等，主要應(yīng)用在醫(yī)療方面，交通方面，家居方面，環(huán)能方面，機(jī)器人方面等等。

三、物聯(lián)網(wǎng)的實(shí)際應(yīng)用

物聯(lián)網(wǎng)主要包括組播網(wǎng)，ZIGBEE網(wǎng)絡(luò)，WSN網(wǎng)絡(luò)，LORAWAN網(wǎng)絡(luò)，藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)，紅外網(wǎng)絡(luò)等等。群體軟件工程是實(shí)現(xiàn)云計(jì)算，物聯(lián)網(wǎng)，大數(shù)據(jù)的途徑。云計(jì)算源于大數(shù)據(jù)，物聯(lián)網(wǎng)可以通過云計(jì)算來實(shí)現(xiàn)。群體軟件工程是實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)的重要途徑，尤其數(shù)據(jù)分析，數(shù)據(jù)仿真和數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)。大數(shù)據(jù)促進(jìn)了科研第四范式的出現(xiàn)和發(fā)展。在科學(xué)發(fā)現(xiàn)領(lǐng)域，第一范式，是指以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的科學(xué)研究模式。第二范式，即理論研究為基礎(chǔ)的科學(xué)研究模式。第三范式，即利用電子計(jì)算機(jī)對科學(xué)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行模擬仿真的模式。第四范式，主要針對非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)密集型科學(xué)發(fā)現(xiàn)（Data-Intensive Scientific Discovery），也就是現(xiàn)在所稱的“大數(shù)據(jù)”。 物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)化工作非常重要，物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)化是規(guī)范物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的重要手段和必要條件。

群體軟件工程的群體特性可以促進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)化問題的解決。2005年，國際電信聯(lián)盟（ITU）在《The Internet of Things》報(bào)告中對物聯(lián)網(wǎng)概念進(jìn)行擴(kuò)展，提出任何時(shí)刻、任何地點(diǎn)、任何物體之間的互聯(lián)，無所不在的網(wǎng)絡(luò)和無所不在計(jì)算的發(fā)展愿景，除 RFID 技術(shù)外、傳感器技術(shù)、納米技術(shù)、智能終端等技術(shù)將得到更加廣泛的應(yīng)用。物聯(lián)網(wǎng)實(shí)際上是指面向一個(gè)特定領(lǐng)域或者行業(yè)的、擁有超量數(shù)據(jù)的一個(gè)復(fù)雜信息系統(tǒng)，比如智能交通、智能電網(wǎng)、現(xiàn)代物流、醫(yī)療健康、信息柵格都是物聯(lián)網(wǎng)的典型應(yīng)用。

物聯(lián)網(wǎng)的這些典型應(yīng)用決定了必須使用群體軟件工程的方法去實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)。首先，可行性研究和需求分析。其次，概要設(shè)計(jì)。然后，詳細(xì)設(shè)計(jì)。最后，編碼和測試維護(hù)。由精英進(jìn)行上層規(guī)劃，再眾包給大眾完成。群體軟件工程普遍應(yīng)用于智慧城市，智慧醫(yī)療，現(xiàn)代國防，智能交通，智慧森林，智慧農(nóng)業(yè)，智能家居，航天等等之中，由上層精英規(guī)劃和執(zhí)行較難部分，其他部分由大眾一起完成，設(shè)計(jì)者就是使用者，運(yùn)用大眾的力量，將軟件工程普及推廣[20]。

致謝：

感謝北京工業(yè)大學(xué)和軟件學(xué)院博士獎(jiǎng)助學(xué)金的資助和培育。首先，感謝導(dǎo)師侯義斌學(xué)習(xí)科研生活各個(gè)方面的幫助和指導(dǎo)關(guān)心！無論是課程選擇和課程授課，還是開題報(bào)告撰寫，侯老師都傾注了大量的心血，也給予了很耐心的指導(dǎo)和幫助，并提供良好的學(xué)習(xí)和科研環(huán)境，使我在愉悅的學(xué)習(xí)科研中授人以漁的學(xué)會(huì)了科研的方法。同時(shí)，感謝提供和搭建的自我實(shí)現(xiàn)價(jià)值的平臺(tái)。侯老師智慧敏銳，洞察力超前超高，他淵博的專業(yè)知識(shí)，豐富的科研經(jīng)驗(yàn)，嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度，精益求精和不辭辛苦的工作作風(fēng)，誨人不倦的高尚師德，嚴(yán)于律己，寬以待人的崇高風(fēng)范，樸實(shí)無華，平易近人的人格魅力深深感染我并使我由衷的敬佩！不僅在專業(yè)方面教導(dǎo)我如何去做科學(xué)研究，還讓我知道了許多待人接物和做人做事的道理。在此，向侯老師及其家人表示感謝。同時(shí)，感謝所有鼓勵(lì)我的小學(xué)到博士的老師們和同學(xué)們和朋友們，感謝工大和軟件學(xué)院和8樓和我所在的實(shí)驗(yàn)室的老師們和同學(xué)們，感謝軟件學(xué)院專家教授對我的各種寶貴建議，感謝我所在的校院級(jí)研會(huì)和班級(jí)宿舍以及黨總支等組織。然后，感謝實(shí)習(xí)單位北京海軍總醫(yī)院等等。其次，感謝家人王印付，王桂芬等等，感謝石家莊鐵道大學(xué)，燕京理工學(xué)院，遷安一中等等。最后，感謝文后所有參考文獻(xiàn)的作者。

參 考 文 獻(xiàn)

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