浅谈无线传感器网络

浅谈无线传感器网络要做到目视千里，耳听八方是人类长久的梦想，现代卫星技术的出现虽然使人们离这目标又进了一步，但卫星高高在上，洞察全局在行，明察细微就不管用了。这个时候，本文的主角—无线无线传感器网络就排上用场了。将大量的传感器节点遍撒指定区域，数据通过无线无线电波传回监控中心，监控区域内的所有信息就会尽收观察者的眼中了。军用转民用的典范无线无线传感器网络的构想最初是由美国军方提出的，美国国防部高级研究所计划署（DARPA）于1978年开始资助卡耐基－梅隆大学进行分布式传感器网络的研究，这被看成是无线无线传感器网络的雏形。从那以后，类似的项目在全美高校间广泛展开，著名的有UCBerkeley的SmartDust项目，UCLA的WINS项目，以及多所机构联合攻关的SensIT计划，等等。在这些项目取得进展的同时，其应用也从军用转向民用。在森林火灾、洪水监测之类的环境应用中，在人体生理数据监测、药品管理之类的医疗应用中，在家庭环境的智能化应用以及商务应用中都已出现了它的身影。目下，无线无线传感器网络的商业化应用也已逐步兴起。美国Crossbow公司就利用SmartDust项目的成果开发出了名为Mote的智能传感器节点，还有用于研究机构二次开发的MoteWorkTM开发平台。这些产品都很受使用者的欢迎。组成和特点无线无线传感器网络可以看成是由数据获取网络、数据分布网络和控制管理中心三部分组成的。其主要组成部分是集成有传感器、数据处理单元和通信模块的节点，各节点通过协议自组成一个分布式网络，再将采集来的数据通过优化后经无线无线电波传输给信息处理中心。因为节点的数量巨大，而且还处在随时变化的环境中，这就使它有着不同于普通传感器网络的独特“个性”。首先是无中心和自组网特性。在无线无线传感器网络中，所有节点的地位都是平等的，没有预先指定的中心，各节点通过分布式算法来相互协调，在无人值守的情况下，节点就能自动组织起一个测量网络。而正因为没有中心，网络便不会因为单个节点的脱离而受到损害。其次是网络拓扑的动态变化性。网络中的节点是处于不断变化的环境中，它的状态也在相应地发生变化，加之无线无线通信信道的不稳定性，网络拓扑因此也在不断地调整变化，而这种变化方式是无人能准确预测出来的。第三是传输能力的有限性。无线无线传感器网络通过无线无线电波进行数据传输，虽然省去了布线的烦恼，但是相对于有线网络，低带宽则成为它的天生缺陷。同时，信号之间还存在相互干扰，信号自身也在不断地衰减，诸如此类。不过因为单个节点传输的数据量并不算大，这个缺点还是能忍受的。第四是能量的限制。为了测量真实世界的具体值，各个节点会密集地分布于待测区域内，人工补充能量的方法已经不再适用。每个节点都要储备可供长期使用的能量，或者自己从外汲取能量（太阳能）。第五是安全性的问题。无线无线信道、有限的能量，分布式控制都使得无线无线传感器网络更容易受到攻击。被动窃听、主动入侵、拒绝服务则是这些攻击的常见方式。因此，安全性在网络的设计中至关重要。下面，我们将会从几个方面来具体地介绍无线无线传感器网络。●物理层技术无线无线传感器网络是一个开放系统互联，按照国际标准化组织（ISO）的规定，为数据流传输所需的物理连接的建立、维护和释放提供的机械的、电气的、功能和规程性的模块就叫做物理层。从这个定义可以看出，物理层需要承担为数据终端提供数据传输通路、传输数据和完成管理工作的职责。具体到无线无线传感器网络就是介质的选择、频段的选择、调制技术以及扩频技术。因为是无线无线网络，传输介质自然要选电磁波了。不过，源信号要依靠电磁波传输必需要通过调制技术变成高频信号，当抵达接受端时，又通过解调技术还原成原始信号。目前采用的调制方法分为模拟调制和数字调制两种。它们的区别就在于调制信号所用的基带信号的模式不同而已（一为数字，一为模拟）。信号仅经过调制是不行的，还需要进行扩频。扩频，顾名思义，就是将待传输数据进行频谱扩展的技术。它的好处是：增强了抗干扰能力，可进行多地址通信，保密性提高。常见的扩频技术包括直接序列扩频、跳频、跳时以及线性调频。在物理层面上，无线无线传感器网络遵从的主要是IEEE802.15.4标准。依照此标准，物理层主要进行如下工作：激活和去活无线无线收发器，检测当前信道的能量，发送指示，信道频率的选择，数据发送与接收。IEEE802.15.4标准规划了几个工作频段。其中，2.4GHz频段的物理层可提供250Kb/s的数据传输率，适用于高吞吐量、低延时或低作业周期的场合；工作在869/915MHz频段的物理层则能提供20Kb/s的数据传输率，适用于低速率、高灵敏度和大覆盖面积的场合。依据IEEE802.15.4标准的协议被称为Zigbee，其传输带宽虽然没有Wi-Fi和BlueTooth大，但是能耗较低，非常适合无线无线style=COLOR:blue;TEXT-DECORATION:underlinehref=无线无线传感器网络。●MAC层协议信号的传输要靠信道，因此信道也就成为了一种宝贵的资源。怎样合理有效的分配信道，就是数据链路层中的MAC子层要解决的问题了。无线无线传感器网络经常使用的有三种MAC协议：传感器协议（S-MAC），分布式能量意识协议（DE-MAC）和协调设备协议。S-MAC协议通过调配节点的休眠方式来有效地分配信道；DE-MAC则采用周期性监听和休眠机制，避免空闲监听和串音，其目的是减少能耗和增加网络的生存周期；MD协议则能为大规模、低占空比运行的节点提供了不需要高精度时钟的可靠通信。总体来说，无线无线传感器网络的MAC协议在分配信道的同时还要保证系统的能耗最低。●路由在具备底层传输协议的保障后，信息怎样快速地从源传输到目的地就是由路由协议来解决了。简单来说，路由要实现两个基本功能：确定最佳路径和通过网络传输信息。数据传输的途径存于路由表，由路由算法初始化并负责维护。无线无线传感器网络与普通的网络不同，它有自己的特点：比如能量受限，通信方式以数据为中心，相邻节点的数据有着相似性，拓扑结构也在不断的变化等。与此对应，常规网络的路由并不一定能适应无线无线传感器网络。下面来介绍几种常见的路由协议：1泛洪式路由。这是一种非常传统的路由协议。泛洪式路由不进行维护网络拓扑和相关路由计算，只负责以广播形式转发数据包，因此效率并不高。2SPIN。SPIN是一组基于协商并且具有能量自适应功能的协议。节点之间通过协商来确定是否有发送信号的必要，并实时监控网络中的能量负载来改变工作模式。以上两种协议都是平面路由协议，依照这种协议，节点并不进行分区归类。3LEACH。LEACH是一种分层网络协议，它以循环的方式随机选择簇首节点，将全网络的能量负载平均分配到每个传感器节点，从而达到降低网络能源消耗的目的。这里要解释一下簇，簇是分层路由协议的概念，根据分层路由协议，网络被划分成不同簇，每一个簇由一个簇首和簇成员组成，多个簇首形成高级的网络，簇首节点不仅负责其辖下簇内信息的收集和融合处理，还负责簇之间数据的转发。4PEGASIS。PEGASIS可谓LEACH的升级版本。按照其规定，只有最为邻近的节点才相互通信，节点与汇聚点轮流通信，当所有的节点都与汇聚点通信后，节点再进行新一回合的轮流通信。●能量管理能耗是无线无线传感器网络所面临的最大问题，因为节点长期处于无人值守的状况下，有效的能耗策略必不可少。目前最常使用的策略是休眠机制，即在节点空闲时，使其处于休眠状态，此时其能耗降到最低。但是休眠的节点在转回正常状态的时候，往往会消耗大量的能量，因此寻找合理的状态转换策略是确保休眠机制成功的关键。数据融合是另一项节能技术。多个邻近节点经常会采集同样的信息，发送这些冗余信息就给系统增加了不必要的负担。因此，通过本地计算和筛选，确保发送出最有效的信息就是数据融合的任务。其他能量管理策略还有冲突避免和纠错以及多跳短距离通信，这里不再一一叙述。●软件的支持无线无线传感器网络也有一个属于自己的操作系统—TinyOS。这个系统不同于传统意义上的操作系统，它更像一个编程构架，在此构架下，搭配一组必要的组件，就能方便地编译出面向特定应用的操作系统。TinyOS由众多组件组成，包括了主组件、应用组件、执行组件、传感组件、通信组件和硬件抽象组件。每一个组件在其内部都封装了命令处理程序和事件处理程序，它们通过接口声明所调用的命令和将要触发的事件。调度器则负责根据任务的轻重缓急来安排系统的工作。Crossbow公司生产的MICA传感器平台上就使用了TinyOS系统。实践证明，其基本应用只占用很少的系统资源，能圆满的完成数据采集、处理和通信组网以及数据传输等任务。商业化的应用商业化的无线无线传感器产品中最常见的就是智能节点。前文也曾提到，UCBerkeley是无线无线传感器研究开展较早的美国高校。基于他们研发成果的无线无线传感器器件被称为Mote，这也是目前最为通用的一种无线无线传感器网络产品，是由Crossbow公司生产的。最基本的Mote组件是MICA系列处理器/无线无线模块，完全符合IEEE802.15.4标准。最新型的MICA2可以工作在868/916、433和315MHz三个频带，数据速率为40Kb/s，通信范围可达1000英尺。其配备了128KB的编程用闪存和512KB的测量用闪存，4KB的EEPROM，串行通信接口为UART模式。相对于终端节点，商用无线无线传感器网络系统并不算多。Crossbow的MEP系列就是其中之一。这是一种小型的终端用户网络，主要用来进行环境参数的检测。该系统包括了2个MEP410环境传感器节点，4个MEP510湿度/温度传感器节点，1个MBR410串行网关和MoteView显示和分析软件。整个系统采用了TrueMeshTM拓扑结构，非常便于用户安装和使用。类似的产品还有Microstrain公司的X-Link测量系统等。从应用的情况来看，北美的状况最好，在楼宇自动化、环境监控等方面，无线无线传感器网络已经开始大展拳脚。但对于中国来说，市场还处于起步阶段，产品应用最多的场合一般是科研机关和大学，多为研究之用。不过，根据相关公司的预测，离无线无线传感器网络市场起飞的时间也不会太远了。只要这个新技术被社会普遍接受，市场就会以惊人的速度来扩张。后记本文介绍的都是一些常见的无线无线传感器网络的概念。实际上，要想论述这个新兴技术的全貌，不用一本专著的篇幅是不够的。这个融合了通信、网络、微电子等众多学科精华的新技术有着无限的潜能，要想真正开发它，恐怕就要依靠广大的应用开发人员充分发挥自己的想象力了。薃肀莂蒃袂肀肂虿袈聿芄薂螄肈莇螇蚀肇葿薀罿肆腿莃袅肅芁薈螁膄莃莁蚇膄肃薇薃膃芅荿羁膂莈蚅袇膁蒀蒈螃膀膀蚃虿腿节蒆羈芈莄蚁袄芈蒆蒄螀芇膆蚀蚆袃莈蒃蚂袂蒁螈羀袁膀薁袆袁芃螆螂袀莅蕿蚈衿蒇莂羇羈膇薇袃羇艿莀蝿羆蒂薆螅羅膁蒈蚁羅芄蚄罿羄莆蒇袅羃蒈蚂螁羂膈蒅蚇肁芀蚁薃肀莂蒃袂肀肂虿袈聿芄薂螄肈莇螇蚀肇葿薀罿肆腿莃袅肅芁薈螁膄莃莁蚇膄肃薇薃膃芅荿羁膂莈蚅袇膁蒀蒈螃膀膀蚃虿腿节蒆羈芈莄蚁袄芈蒆蒄螀芇膆蚀蚆袃莈蒃蚂袂蒁螈羀袁膀薁袆袁芃螆螂袀莅蕿蚈衿蒇莂羇羈膇薇袃羇艿莀蝿羆蒂薆螅羅膁蒈蚁羅芄蚄罿羄莆蒇袅羃蒈蚂螁羂膈蒅蚇肁芀蚁薃肀莂蒃袂肀肂虿袈聿芄薂螄肈莇螇蚀肇葿薀罿肆腿莃袅肅芁薈螁膄莃莁蚇膄肃薇薃膃芅荿螀羀膆蒃蚆肀芈芆薂聿羈蒂蒈肈肀芅袆肇芃薀螂肆莅莃蚈肅肅薈薄蚂膇莁蒀蚁艿薇蝿螀罿荿蚅蝿肁薅薁螈膄莈薇螈莆膀袆螇肆蒆螁螆膈艿蚇螅芀蒄薃螄羀芇葿袃肂蒃螈袂膄芅蚄袂芇蒁蚀袁肆芄薆袀腿蕿蒂衿芁莂螁袈羁薇蚇袇肃莀薃羆膅薆葿羆芈荿螇羅羇膁螃羄膀莇虿羃节芀薅羂羂蒅蒁羁肄芈螀羀膆蒃蚆肀芈芆薂聿羈蒂蒈肈肀芅袆肇芃薀螂肆莅莃蚈肅肅薈薄蚂膇莁蒀蚁艿薇蝿螀罿荿蚅蝿肁薅薁螈膄莈薇螈莆膀袆螇肆蒆螁螆膈艿蚇螅芀蒄薃螄羀芇葿袃肂蒃螈袂膄芅蚄袂芇蒁蚀袁肆芄薆袀腿蕿蒂衿芁莂螁袈羁薇蚇袇肃莀薃羆膅薆葿羆芈荿螇羅羇膁螃羄膀莇虿