基于无线传感器网络的采样算法

1基于无线传感器网络的采样算法1.无线传感器网络的研究背景及应用现状1.1研究背景无线传感器网络(WirelessSensorNetwork，简称WSN)的基本功能是将一系列在空间上分散的传感器单元通过自组织的无线网络进行连接，从而将各自采集的数据进行传输汇总，以实现对空间分散范围内的物理或环境状况的协作监控，并根据这些信息进行相应的分析和处理。因具有成本低、范围大、布设灵活、移动支持等特点，无线传感器网络在工业监控、智能电力、矿山安全、医疗健康、环境监测等行业的应用一直广受重视;与此同时，无线传感器网络也面临着延长节点工作时间、增加通信距离、小型化、标准化等技术挑战和寻找应用场景等市场挑战。无线传感器网络的研究经历了以下四个阶段：（1）第一代传感器网络：20世纪70年代。点对点传输，具有简单信息获取能力。（2）第二代传感器网络：获取多种信息的综合能力，采用串/并接口与传感控制器相联。（3）第三代传感器网络：20世纪90年代后期。智能传感器采用现场总线连接传感控制器构成局域网络。（4）第四代传感器网络：以无线传感器网络为标志，正处于研究和开发阶段。近年来，无线传感器网络引起了业界极大关注，其应用环境通常是由价格便宜的传感器节点组成的，每个节点都能够采集、存储和处理环境信息，并且能和邻居节点通过无线链路保持通信。覆盖问题是无线传感器网络配置首先面临的基本问题，因为传感器节点可能任意分布在配置区域，它反映了一个无线传感器网络某区域被监测和跟踪的状况。随着无线传感器网络应用的普及，更多的研究工作深入到其网络配置的基本理论方面，其中覆盖问题就是无线传感器网络设计和规划需要面临的一个基本问题之一。随着深入研究的角度不同，覆盖问题也表述成不同的理论模型，甚至在计算几何里面就能找到与覆盖相关的解决方案。尽管这些办法并不能直接应用到无线传感器网络2中，但是研究这些问题有助于建立读者对无线传感器网络覆盖问题相关的理论背景。1.2无线传感器网络的应用现状虽然无线传感器网络的大规模商业应用，由于技术等方面的制约还有待时日，但是最近几年，随着计算成本的下降以及微处理器体积越来越小，已经为数不少的无线传感器网络开始投入使用。目前无线传感器网络的应用主要集中在以下领域：（1）环境的监测和保护随着人们对于环境问题的关注程度越来越高，需要采集的环境数据也越来越多，无线传感器网络的出现为随机性的研究数据获取提供了便利，并且还可以避免传统数据收集方式给环境带来的侵入式破坏。比如，英特尔研究实验室研究人员曾经将32个小型传感器连进互联网，以读出缅因州大鸭岛上的气候，用来评价一种海燕巢的条件。无线传感器网络还可以跟踪候鸟和昆虫的迁移，研究环境变化对农作物的影响，监测海洋、大气和土壤的成分等。此外，它也可以应用在精细农业中，来监测农作物中的害虫、土壤的酸碱度和施肥状况等。（2）医疗护理无线传感器网络在医疗研究、护理领域也可以大展身手。罗彻斯特大学的科学家使用无线传感器创建了一个智能医疗房间，使用微尘来测量居住者的重要征兆（血压、脉搏和呼吸）、睡觉姿势以及每天24小时的活动状况。英特尔公司也推出了无线传感器网络的家庭护理技术。该技术是做为探讨应对老龄化社会的技术项目CenterforAgingServicesTechnologies（CAST）的一个环节开发的。该系统通过在鞋、家具以家用电器等家中道具和设备中嵌入半导体传感器，帮助老龄人士、阿尔茨海默氏病患者以及残障人士的家庭生活。利用无线通信将各传感器联网可高效传递必要的信息从而方便接受护理。而且还可以减轻护理人员的负担。英特尔主管预防性健康保险研究的董事EricDishman称，在开发家庭用护理技术方面，无线传感器网络是非常有前途的领域。（3）军事领域3由于无线传感器网络具有密集型、随机分布的特点，使其非常适合应用于恶劣的战场环境中，使其非常适合应用于恶劣的战场环境中，包括侦察敌情、监控兵力、装备和物资，判断生物化学攻击等多方面用途。美国国防部远景计划研究局已投资几千万美元，帮助大学进行智能尘埃传感器技术的研发。哈伯研究公司总裁阿尔门丁格预测：智能尘埃式传感器及有关的技术销售将从2004年的1000万美元增加到2010年的几十亿美元。（4）其他用途无线传感器网络还被应用于其他一些领域。比如一些危险的工业环境如井矿、核电厂等，工作人员可以通过它来实施安全监测。也可以用在交通领域作为车辆监控的有力工具。此外和还可以在工业自动化生产线等诸多领域，英特尔正在对工厂中的一个无线网络进行测试，该网络由40台机器上的210个传感器组成，这样组成的监控系统将可以大大改善工厂的运作条件。它可以大幅降低检查设备的成本，同时由于可以提前发现问题，因此将能够缩短停机时间，提高效率，并延长设备的使用时间。尽管无线传感器技术目前仍处于初步应用阶段，但已经展示出了非凡的应用价值，相信随着相关技术的发展和推进，一定会得到更大的应用。但就目前的技术水平来说，让无线传感器网正常运行并大量投入使用还面临着许多问题：（1）网络内通信问题。无线传感器网络内正常通信联系中，信号可能被一些障碍物或其他电子信号干扰而受到影响，怎么安全有效的进行通信是个有待研究的问题。（2）成本问题。在一个无线传感器网络里面，需要使用数量庞大的微型传感器，这样的话成本会制约其发展。（3）系统能量供应问题。目前主要的解决方案有：使用高能电池；降低传感功率；此外还有传感器网络的自我能量收集技术和电池无线充电技术。其中后两者备受关注。（4）高效的无线传感器网络结构。无线传感器网络的网络结构是组织无线传感器的成网技术，有多种形态和方式，合理的无线传感器网络可以最大限度的利用资源。在这里面，还包括网络安全协议问4题和大规模传感器网络中的节点移动性管理等诸多问题有待解决。2.无线传感器网络相关技术2.1无线传感器网络节点构成无线传感器网络由大量体积小、成本低、具有无线通信、传感、数据处理的传感器节点以自组织方式构成。传感器节点构成了网络的硬件基础。节点具备三个功能：首先，作为现场信息采集单元要完成信息的采集并按要求对采集到的信息进行适当的预处理，因此节点包括数据采集模块及数据预处理模块；其次，传感器节点还具有信息转发功能，将采集到的现场信息通过一定的方式传输到其他节点或信息处理中心，因此节点还必须包括通信模块来完成信息的接收、传递等；第三，当节点处要实现某种控制作用时，还需要有控制模块。一般来说，无线传感器节点由以下几个物理部分构成：（1）由微处理器或微控制器构成的计算子系统，负责控制传感器、执行通信协议及处理传感数据的算法；（2）用于无线通信的短距离无线收发电路，即通信子系统；（3）由一组传感器和激励装置构成的传感子系统。实际应用中，并不是所有的节点都需要控制模块。传感器节点的一种基本模型如图2-1所示。包括传感器、ADC、CPU及存储器、通信模块、控制模块及电源（能量）等，当不需要控制作用时，节点组成如图2-1中粗线内部分所示。所有这些模块组装成一个火柴盒大小甚至更小的传感器节点，各模块相互协作以完成一项共同的任务。图2-1传感器节点基本模型控制模块控制器通信模块无线收发数据处理模块微处理器存储器采集模块传感器ADC供电模块电池DC/DC5除此之外，根据具体应用的需要，节点可能还会有定位系统、电源再生单元和移动单元等。其中电源再生单元是重要的模块之一，有的系统可能采用太阳能电池等方式来补充能量，但是大多数情况下传感器节点的电池是不可补充的。定位系统对传感器网络的路由是很重要的，有些传感器节点采用GPS进行定位，但是GPS模块价格昂贵且体积难以减少，所以不可能全部节点都使用GPS来进行定位。此外，GPS定位还受到其他限制，如网络放置于建筑物内部等。通常情况下是在整个网络中会有某些传感器节点配有GPS系统，其他节点通过局部定位算法得到它们与配有GPS的节点之间的相对位置，这样所有节点都能知道各自的具体位置了。除借助GPS的定位方式外，还有离散梯度法等间接定位方式。无线传感器网络中的节点不但要完成信息的采集、传输、预处理等，有时还涉及到较为复杂的任务调度及管理，因此在传感器网络中节点还可能带有嵌入式操作系统以进行更有效的管理，嵌入式操作系统可以是通用的如uCOS—II等，也可以是专门针对传感器网络开发的操作系统，如UCBerkeley开发的TinyOS。目前，无线传感网络的节点设计主要有两种方法：一种是利用市场上可以获得的商业元器件构建传感器节点，如围绕TinyOS项目设计的系列硬件平台；另一种方法是采用MEMS和集成电路技术，设计包含微处理器、通信电路、传感器等模块的高度集成化传感器节点，如SmartDust、WINS等。2.2无线传感器网络体系结构无线传感器网络体系结构如图2-2所示,传感器网络通常包括传感器节点，汇聚节点和管理节点。传感器节点任意的分布在某一监测区域内，节点以自组织的形式构成网络，通过多跳中继方式将监测数据传送到汇聚节点，最后通过Internet或其他网络通讯方式将监测信息传送到管理节点。同样的，用户可以通过管理节点进行命令的发布，告知传感器节点收集监测信息。6图2-2无线传感器网络体系结构图传感器节点是一个具有信息收集和处理能力的微系统，集成了传感器模块、信息处理模块、无线通讯模块和能量供应模块。其结构体系如图2-3所示。图2-3传感器节点体系结构传感器模块负责监测区域内信息的采集和转换，信息处理模块负责管理整个传感器节点、存储和处理自身采集的数据或者其他节点发送来的数据，无线通讯模块负责与其他传感器节点进行通讯，能量供应模块负责对整个传感器网络的运行进行能量的供应。传感器节点能量的供应是采用电池，节点能量有限，考虑尽可能的延长整个传感器网络的生命周期，在设计传感器节点时，保证能量供应的持续性是一个重要的设计原则。传感器节点能量消耗的模块主要是包括传感器模块、信息处理模块和无线通讯模块，而绝大部分的能量消耗是集中在无线通讯模块上，约占整个传感器节点能量消耗的80%。因此，目前提出的传感器节点通讯路由协议主要是围绕着减少能量消耗延长网络生命周期而进行设计的。在无线传感器网络中，路由协议不仅关心单个节点的能量消耗，更关心整个网能量的均衡消耗，这样才能延长整个网络的生存期。同时，无线传感器网络是以数据为中心的，这在路由协议中表现的最为突出，每个节点没有必要采用全网统一的编址，选择路径可以不用根据节点的编址，更多的是根据感兴趣的数据建立数据源到汇聚节点之7间的转发路径。目前提出了很多类型的传感器网络路由协议，就是基于上述的目的。3.无线传感器网络协同采样路由算法性能指标WSN协同采样路由算法的应用，有助于网络节点能量的有效利用、感知服务质量的提高和整体生存时间的延长，但另一方面也会带来网络相关传输、管理、存储和计算等代价的提高。因此，WSN信息采样的性能评价标准对于分析一个信息采样策略及算法的可用性与有效性至关重要。通过从不同的角度总结出信息采样算法所面临的挑战，有助于清楚地比较出各种算法之间的优缺点。这里归纳出以下几点：(1)信息采样能力以环境感知、目标监测、信息获取和有效传输为主要目标的WSN需要关心对传感区域或监测目标的信息采样能力，无线传感器网络信息采样问题也正是由此而来。因此，网络对目标区域或是目标点的采样覆盖程度是衡量一个WSN信息采样算法是否优劣的首要标准。(2)能量有效性(即延长网络生存时间)由于WSN节点硬件平台资源受限、网络节点数量巨大、实际应用的环境条件复杂且大多不允许对“失效”节点进行电池更换，因此，如何节约各节点有限的电池能量并尽力延长整体网络的生存时间已成为WSN的重要性能指标。能量的有效性将是WSN信息采样所面临的一个主要挑战。(3)网络的连通性由于WSN是一种无基础设施的网络，大量节点采用自组织方式协同完成指令中心的查询、搜集等指令，网络节点之间需要通过无线多跳方式或直接或间接地相互通信来协同工作。网络的连通性将有效保证自身无线多跳自组织通信的开展，并直接决定了WSN感知、监视、传感、通信等各种服务质量的达到。(4)算法精确性由于