物聯(lián)網(wǎng)中WSN與網(wǎng)關的研究

高麗

摘要：近年來，物聯(lián)網(wǎng)（IoT）技術已經(jīng)引起了很多關注，其能使不可識別的對象成為可識別的、互連的智能對象。物聯(lián)網(wǎng)應用離不開互聯(lián)網(wǎng)，事物信息需要上傳到互聯(lián)網(wǎng)，使得全球互聯(lián)網(wǎng)用戶可以共享事物信息。無線傳感器網(wǎng)絡（WSN），作為物聯(lián)網(wǎng)的基本技術，可以收集、傳輸信息。而將信息傳送到Internet需要網(wǎng)關作為橋接點。該文主要論述了物聯(lián)網(wǎng)中無線傳感器網(wǎng)絡（WSN）和傳～Internet網(wǎng)連接所用到的網(wǎng)關及其相關研究。

關鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；互聯(lián)網(wǎng)；WSN；網(wǎng)關

1概述

計算機技術和互聯(lián)網(wǎng)技術的快速發(fā)展，推動了物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展。作為一種新興技術，物聯(lián)網(wǎng)（IoT）技術允許嵌入有線/無線通信接口的多個智能對象自動地彼此通信和交互，有望為改變現(xiàn)有工業(yè)系統(tǒng)運行提供更好的解決方案。物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展可以支持各種應用，包括智能電網(wǎng)，智能交通，醫(yī)學和醫(yī)療保健，智能藝術，智能物流，智能生活等。在物聯(lián)網(wǎng)方面，無線傳感器網(wǎng)絡發(fā)揮著重要作用，改變著人們生活，提供著各種信息。網(wǎng)關實現(xiàn)了無線傳感器網(wǎng)絡和傳統(tǒng)Internet網(wǎng)絡之間的互連。

2互聯(lián)網(wǎng)與物聯(lián)網(wǎng)

2.1互聯(lián)網(wǎng)

如今，全世界約有二十億人使用互聯(lián)網(wǎng)瀏覽網(wǎng)絡，發(fā)送和接收電子郵件，訪問多媒體內(nèi)容和服務，玩游戲，使用社交網(wǎng)絡應用程序等等。令人值得注意的是互聯(lián)網(wǎng)將作為機器與智能對象通信、對話、計算的全球平臺。可以預見，在未來十年內(nèi)，互聯(lián)網(wǎng)將作為經(jīng)典網(wǎng)絡和網(wǎng)絡對象的無縫結構存在。因特網(wǎng)作為基礎設施網(wǎng)絡連接到終端用戶的終端，它的常規(guī)概念將被淘汰，而這使得形成普遍計算環(huán)境的“智能”對象概念有更大的發(fā)展空間。

但是互聯(lián)網(wǎng)基礎設施不會消失。相反，它將保持在全球信息共享和傳播的重要作用，并且在廣泛的服務和技術中，使物理對象和計算/通信能力互連。

2.2物聯(lián)網(wǎng)

術語物聯(lián)網(wǎng)最早由Kevin Ashton于1999年在供應鏈管理的背景下提出的。然而，隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，該定義涵蓋了更廣泛的應用，如醫(yī)療保健，公用事業(yè)，運輸?shù)取ｋm然“things”的定義隨著技術的發(fā)展而改變，但是主要目標保持不變一在沒有人類干預的情況下，計算機仍能感知信息。依賴于傳感，通信，網(wǎng)絡，和信息處理技術的眾多連接設備組成了全球網(wǎng)絡基礎設施，IoT就可以被認為是一個全球網(wǎng)絡基礎設施。從結構上看，物聯(lián)網(wǎng)可以分為：應用層，網(wǎng)絡層和感知層。物聯(lián)網(wǎng)結構如圖1所示。

物聯(lián)網(wǎng)（IoT）通過利用無線電頻率識別（RFID），無線，移動和傳感器設備，為構建強大的工業(yè)系統(tǒng)和應用提供了一個機會。loT的基本技術是RFID技術，其允許微芯片通過無線通信將識別信息發(fā)送到讀取器。通過RFID讀取器，人們可以自動識別，跟蹤和監(jiān)視附著有RFID標簽的任何物體。RFID已經(jīng)廣泛應用于物流，制藥生產(chǎn)，零售和供應鏈管理。物聯(lián)網(wǎng)的另一個基礎技術是傳感器技術。大量的傳感器集成到網(wǎng)絡中形成無線傳感網(wǎng)絡（WSN），使互連的智能傳感器監(jiān)測和采集數(shù)據(jù)。WSN主要應用于環(huán)境監(jiān)測，醫(yī)療監(jiān)控，工業(yè)監(jiān)控，交通監(jiān)控等。RFID和WSN的進步促進了物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展。除此之外，隨著條形碼，云計算技術，智能手機，社交網(wǎng)絡等的不斷發(fā)展，對支持物聯(lián)網(wǎng)有著重要意義。物聯(lián)網(wǎng)關鍵技術如圖2所示。

由于對諸如RFID標簽，嵌入式傳感器，執(zhí)行器節(jié)點等各種有能力的無線技術的適應，物聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)走出了它的嬰兒期，將互聯(lián)網(wǎng)轉變?yōu)橥耆傻奈磥砘ヂ?lián)網(wǎng)。隨著無線通信，智能手機和傳感器網(wǎng)絡技術的發(fā)展，越來越多的網(wǎng)絡事物和智能對象開始加人物聯(lián)網(wǎng)。

3WSN與網(wǎng)關

3.1WSN

無線傳感器網(wǎng)絡（Wireless Sensor Networks，WSN）作為物聯(lián)網(wǎng)的基本啟用技術，將多個空間分布式自主傳感器集成到網(wǎng)絡中，并通過無線通信協(xié)作傳遞數(shù)據(jù)。無線傳感器網(wǎng)絡的示意圖如圖3所示。在WSN中，節(jié)點分為匯聚節(jié)點（Sink節(jié)點）和傳感節(jié)點（Sensor節(jié)點）。傳感節(jié)點采集數(shù)據(jù)，以多跳的方式傳送到匯聚節(jié)點，匯聚節(jié)點將收到的數(shù)據(jù)通過有線或無線方式傳輸?shù)竭h端的用戶。無線傳感網(wǎng)絡是由大量節(jié)點設備組成的，單個節(jié)點設備的計算能力、存儲能力和通信帶寬都是有限的。如果需要傳感器節(jié)點長時間工作，能源消耗最小化是十分有必要的。

3.2網(wǎng)關

傳感器網(wǎng)絡為了實現(xiàn)遠距離傳輸信息，通過無線網(wǎng)絡將傳感器節(jié)點收集的信息通過sink節(jié)點連入互聯(lián)網(wǎng)中，這種跨傳感器網(wǎng)絡和傳統(tǒng)Internet網(wǎng)絡的節(jié)點就是網(wǎng)絡網(wǎng)關雛形。在實際應用中，WSN網(wǎng)絡不能以一個獨立的通信形式存在。網(wǎng)絡中檢測到的數(shù)據(jù)需要上傳到互聯(lián)網(wǎng)，在傳感器網(wǎng)絡和互聯(lián)網(wǎng)之間存在的橋接點就是網(wǎng)關。網(wǎng)絡可以通過網(wǎng)絡網(wǎng)關連接到更高級別的系統(tǒng)。在傳感器網(wǎng)絡和通過因特網(wǎng)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)方面，這些網(wǎng)關具有建設性控制。在文獻中，利用網(wǎng)關的戰(zhàn)略位置，提出了智能電子健康網(wǎng)關，從成本效益分析的角度闡述了智能電子健康網(wǎng)關的功能及其提供的服務。

4網(wǎng)關研究

4.1WSN網(wǎng)關

無線傳感器網(wǎng)絡（WSN）網(wǎng)關的發(fā)展，對有限的基礎設施導致頻繁的電力短缺和網(wǎng)絡不可靠性的站點是一種挑戰(zhàn)。在中，提出了一個低功耗，低成本的802.15.4和802.11兼容解決方案，它使用開源軟件來滿足本地條件。系統(tǒng)優(yōu)先應用于缺乏穩(wěn)定的電源和可靠的網(wǎng)絡基礎設施的偏遠地區(qū)。該系統(tǒng)基于Fox嵌入式Linux板，并配備了USB閃存驅動器和USB WiFi適配器。將WSN的數(shù)據(jù)需要存儲在具有電池備份的服務器中，這樣當公用電源不可用時，也可以保證電力的連續(xù)供應。

常規(guī)的網(wǎng)關節(jié)點類似于傳感器主要局限于在一個特定的固定或移動WSN方案來操作的節(jié)點，而增強型的WSN網(wǎng)關設備可以兼容多種無線傳感器網(wǎng)絡之間的傳輸。作為高級移動終端出現(xiàn)的智能手機，特別適合這種作用。文獻中把增加了WSN網(wǎng)關功能的智能手機作為網(wǎng)關，在蜂窩網(wǎng)絡中利用傳感器收集和匯總數(shù)據(jù)。在文獻中，關于定期專用傳感器和網(wǎng)關節(jié)點問題，作者研究了具備WSN網(wǎng)關功能的智能手機在無線傳感器網(wǎng)絡中發(fā)揮的作用。并給出了一個實際的例子一一個具有網(wǎng)關增強型功能的智能手機通過藍牙連接三星i8910手機和VESNA傳感器節(jié)點。

4.2異構網(wǎng)關

物聯(lián)網(wǎng)可通過無線方式連接智能對象來建立，但由于它們使用不同的標準，有的甚至在不同的頻率上工作，而使得已嵌入到智能對象或控制器中的各種無線技術（包括藍牙，Zig-Bee，WiFi和紅外技術）不能交換信息。為了在異構網(wǎng)絡中提供信息交換，文獻提出了可與異構網(wǎng)絡集成的物聯(lián)網(wǎng)多接口網(wǎng)關，其可以將信息轉換為可被各種智能對象識別的數(shù)據(jù)。在實驗中，物聯(lián)網(wǎng)多接口網(wǎng)關可以用于數(shù)字藝術或一些智能空間，可自動控制傳統(tǒng)電視，空調，智能電表，血壓計，智能手機等。實驗表明物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關可以交換數(shù)據(jù)在各種智能對象中使用不同的無線技術，并保證數(shù)據(jù)轉換時間的穩(wěn)定性。

4.3家庭網(wǎng)關

針對家庭自動化和智能家庭的研究越來越多，其研究重點在于如何利用HVAC（Heating，Ventilation and Air Conditioning）系統(tǒng)控制房間的采暖，通風，空氣調節(jié)。HVAC系統(tǒng)的各種智能控制系統(tǒng)可以在文獻中找到。文獻提出了一種基于傳感器網(wǎng)絡的新型智能家居控制系統(tǒng)，使家庭網(wǎng)絡更智能和自動化。文中給出了智能家居設備的描述和標準實踐，用來滿足在住宅或輕型商業(yè)環(huán)境下，智能能源所需的需求響應和負載管理。文獻提出了一個基于云的智能家庭理論框架，使家庭自動化，可移動和互連。文中建議使用云計算和Web服務完善六個智能家庭應用一家庭娛樂，安全，環(huán)境，健康，信息和通信，家用電器。為了節(jié)省能源和降低智能家居的成本，文獻提出了一種新型的智能家居控制系統(tǒng)，使用Android手機作為臨時家庭網(wǎng)關，而不是默認家庭網(wǎng)關。其目的主要是通過預測用戶行為自動關閉未使用的設備以節(jié)省能耗。

5總結

隨著互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，人們?nèi)粘Ｉ畹母鱾€方面有著極大改善。而在物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展中，物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關未來的挑戰(zhàn)有以下兩個方面：1）針對無線傳感器網(wǎng)絡（WSN）網(wǎng)關的發(fā)展，需要解決頻繁的電力短缺和網(wǎng)絡不可靠性。2）開發(fā)一種異構網(wǎng)絡網(wǎng)關，它能夠集成異構網(wǎng)絡中各種智能對象無線通信技術，并且設計的網(wǎng)關可以提高物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡的傳輸效率。endprint