无线传感器网络与网格结合研究学位论文.doc

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ABSTRACTThe Wireless 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 resources 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 analysis, 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 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 resources.KEY WORDS WSN, grid, combined framework, code, data transmission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82.4 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234.2 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32参考文献33致 谢35附页1 英文文献36附页2 中文翻译46IV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。HourGlass1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，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。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2.2.1 传感器节点组成一个传感器节点由图2-1所示的四个基本部分组成：感知单元、处理单元、收发信机和功率单元。感知单元通常由两个子单元组成：传感器(数量、种类可变)和模/数转换器(ADC)。ADC将传感器根据其观测到的物理现象而生成的模拟信号转换成数字信号，然后将其送给处理单元。处理单元通常连着一个小存储单元，管理各个传感器节点共同完成所承担的感知任务而必需的相互协作规程。收发信机将传感器节点连接到网络上。传感器节点最重要的组成单元是功率单元，功率受到诸如太阳能电池之类的功率提取单元的支持。传感器节点还可能包括其他子单元，比如定位系统、功率发生器、移动管理器，许多WSN应用都依赖这些子单元2。互联网及卫星任务管理器节点中心节点/基站用户传感器布置区域传感器节点图2-2 WSN系统构成2.2.2 无线传感器网络构成一般无线传感器网络由传感器节点、网关或基站、互联网或通信卫星、任务管理节点等部分构成。图2-2给出了一个典型的无线传感器网络的结构。大量传感器节点随机部署在监测区域内部或附近，能够通过自组织方式构成网络。传感器节点检测的数据沿着其他传感器节点逐跳进行传输，在传输过程中监测数据可能被多个节点处理，经过多跳路由到基站网关节点，最后通过互联网或卫星到达管理节点。用户通过管理节点对无线传感器网络进行配置和管理，发布监测任务，收集监测数据3。2.3 无线传感器网络特点2.3.1 传感器节点特征无线传感器节点作为无线传感器网络的重要组成部分，具有以下特点：(1)微型化。应用中的传感器节点要高度集成化，保证对目标系统的特性不会造成影响。(2)低功耗。无线传感器网络中的节点有严格的电源要求，因为网络往往部署在无人值守的地方，节点使用电池供电，不能频繁更换电池，因此，如何节省电能是应用的首要问题。(3)计算能力和存储容量有限。传感器节点都有嵌入式微处理器和存储器，嵌入式微处理器的处理和存储器的存储容量有限，因此传感器的计算能力十分有限。(4)通信能力有限。传感器网络的通信带宽窄，覆盖范围小，还经常受到自然环境的影响，导致传感器节点通信失败。因此，网络的自恢复性、抗毁性也是应解决的重点问题。(5)传感器数量多，分布范围广。网络中节点密集，数量巨大，而且传感器网络可以分布在很广的地域。因此，维护十分困难，传感器网络的软、硬件必须具有高强壮性和容错性。2.3.2 传感器节点的限制传感器节点在实现各种网络协议和应用系统时，存在以下一些现实约束4。(1)电源能量有限。传感器节点体积微小，通常携带能量十分有限的电池。由于传感器节点个数多、成本要求低廉、分布区域广，而且部署区域环境复杂，有些区域甚至人员不能到达，所以传感器节点通过更换电池的方式来补充能源是不现实的。如何高效使用能量来最大化网络生命周期是传感器网络面临的首要挑战。 (2) 通信能力有限。考虑到传感器节点的能量限制和网络覆盖区域大，传感器网络采用多跳路由的传输机制。传感器节点的无线通信带宽有限，通常仅有几百kbps的速率。由于节点能量的变化，加上受高山、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，无线通信性能可能经常变化，频繁出现通信中断现象。在这样的通信环境和节点有限通信能力的情况下，如何设计网络通信机制以满足传感器网络的通信需求是传感器网络面临的挑战之一。 (3)计算和存储能力有限。传感器节点是一种微型嵌入式设备，要求它价格低功耗小，这些限制必然导致其携带的处理器能力比较弱，存储器容量比较小。为了完成各种任务，传感器节点需要进行监测数据的采集和转换、数据的管理和处理、应答汇聚节点的任务请求和节点控制等多种工作。如何利用有限的计算和存储资源完成诸多协同任务成为传感器网络设计的挑战。 2.3.3 无线传感器网络特征(1)大规模性为了获取精确信息，在监测区域通常部署大量传感器节点，传感器节点数量可能达到成千上万，甚至更多。传感器网络的大规模性包括两方面的含义：一方面是传感器节点分布在很大的地理区域内，如在原始大森林采用传感器网络进行森林防火和环境监测，需要部署大量的传感器节点；另一方面，传感器节点部署很密集，在一个面积不是很大的空间内，密集部署了大量的传感器节点。(2)自组织性在传感器网络应用中，通常情况下传感器节点被放置在没有基础结构的地方。传感器节点的位置不能预先精确设定，节点之间的相互邻居关系预先也不知道，如通过飞机播撒大量传感器节点到面积广阔的原始森林中，或随意放置到人不可到达或危险的区域。这样就要求传感器节点具有自组织的能力，能够自动进行配置和管理，通过拓扑控制机制和网络协议自动形成转发监测数据的多跳无线网络系统。传感器网络的自组织性能够适应网络拓扑结构的动态变化5。(3)动态性传感器网络的拓扑结构可能因为下列因素而改变：环境因素或电能耗尽造成的传感器节点出现故障或失效；环境条件变化可能造成无线通信链路带宽变化，甚至时断时通；传感器网络的传感器、感知对象和观察者这三要素都可能具有移动性；新节点的加入。这就要求传感器网络系统要能够适应这种变化，具有动态的系统可重构性。(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236。(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。2.4 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，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/MINI-SYNC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/MINI-SYNC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。 (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 802.15.43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 802.15.4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。2.5 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356714。(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Internet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。第3章 网格技术概述3.1 网格概念、特点3.1.1 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。3.1.2 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 1112 。(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开销，确定作业迁移到周围哪些网格调度器是可行的，并从中选择最适合的网格调度器。这种网格调度方法的负载平衡属于静态的，适用于作业提交点服从均匀分布的情况。客户端应用层负责应用程序提交消息层信包组装与分析数据层数据压缩/解压、加密/解压，格式转换应用层负责应用程序提交消息层信包组装与分析数据层数据压缩/解压、加密/解压，格式转换服务端图3-1 网格系统的消息通信模型传输层(TCP/IP、UDP/IP)网格通信服务主要完成五层沙漏模型中的连接层功能。以层次通信模型为例，在计算网格中，由于节点的分布性、异构性，要求提供高效可靠的信息传递机制来支持节点间的通信。计算网格的异构消息通信模型可分四层。网格系统的层次通信模型和各层所支持的功能如图3-1所示。(2)异构性。组成网格的资源是异构的，对于计算资源，有不同类型的计算机，不同的计算方式，不同的计算接口，不同的系统构架；同样，对于存储资源和其他资源，也面临着这样的问题。因此，网格既要具有利用资源的异构特点进行处理的能力，也要具有提供一致资源管理的能力。(3)自治性。网格上的资源首先是属于某一本地的个人或者组织，网格资源的拥有者对资源具有最高级别的管理权限，网格应该允许资源拥有者对其资源有自主的管理能力，因此，网格具有自治性。(4)动态性。由于网络中的资源具有自治性，因此网格资源可能动态地加入或者退出网格，也可能出现故障而导致不可用；另外资源的性能情况也可能发生较大变化，使得供网格使用的资源也会发生相应变化。由于网格没有集中控制能力，因此，对于这种动态性,需要有一种机制来保障网格应用的运行不会遭受比较大的影响。网格资源监控系统可以对网格资源进行状态监控，对于异常情况会及时向管理员做出反映，而且可以通过监控系统对系统进行控制，改变其状态和行为。(5)自相似性。网格的局部和整体之间存在着一定的相似性。局部在许多地方具有全局的某些特性，而全局的特性在局部也有一定的体现；网格的构建通过小的局域网格可以形成更大的网络，其形成方式具有相似性。3.1.3 网格的意义网格是一种面向问题和应用的技术，随着网格技术的不断完善和应用领域的不断扩展，网格可以在更多的领域得到应用，发挥更大的作用13。(1)网格突破了计算能力的限制。以往由于大部分的用户得不到足够的计算能力，许多问题的解决只好通过对模型或算法的简化来取得近似效果。而网格所提供的计算能力要远远超过一般系统能够提供的计算能力。它充分利用地理上分散的异构资源(高速互联的异构计算机、数据库、科学仪器、文件和超级计算系统等)进行广域环境的分布式高性能计算、协同计算或高吞吐量计算，实现大规模应用的协同求解和应用服务。对于大多数用户来说，网格提供给他们的计算能力足以满足其需求，人们可以做很多以前无法完成的计算工作。(2)网格突破了地理位置的限制。网格资源是分布在各处的，有些资源是稀缺或不可复制的，甚至是无法和特定的地理位置分开的。在以前，要使用这些资源，必须得到特定的位置去，这在很大程度上限制了资源的使用率。网格使得使用资源与使用者的位置及资源的位置无关。它可以连接不同地理位置、不同领域的异构设备，形成一个高性能异构资源共享环境，真正实现互联共享。(3)网格打破了传统的共享和协作方面的限制。以前对资源的共享大多