面向物聯(lián)網(wǎng)的無線傳感器網(wǎng)絡關鍵技術研究

易月娥

（長沙民政職業(yè)技術學院，湖南長沙410004）

1、引言

無線傳感器網(wǎng)絡(Wireless Sensor Networks,WSNs)是由部署在監(jiān)測區(qū)域內大量傳感器節(jié)點相互通信形成的多跳自組織網(wǎng)絡系統(tǒng)，是物聯(lián)網(wǎng)底層網(wǎng)絡的重要技術形式[1]。隨著無線通信、傳感器技術、嵌入式應用和微電子技術的日趨成熟，WSNs可以在任何時間、任何地點、任何環(huán)境條件下獲取人們所需信息，為物聯(lián)網(wǎng)(Internet ofThings,IoT)的發(fā)展奠定基礎。由于WSNs具有自組織、部署迅捷、高容錯性和強隱蔽性等技術優(yōu)勢，因此非常適用于戰(zhàn)場目標定位、生理數(shù)據(jù)收集、智能交通系統(tǒng)和海洋探測等眾多領域[2]。隨著面向物聯(lián)網(wǎng)的WSNs技術再一次拓展和創(chuàng)新，國內外學術及工業(yè)界人士對于WSNs的研究從局部WSNs感知逐步擴展到廣域物物互聯(lián)階段。2006年10月，中國計算機學會傳感器網(wǎng)絡專委會宣布成立，該委員會是一個非商業(yè)性、產學研結合的學術機構，是全國范圍內學術溝通、合作交流以及吸引企業(yè)參與并加速傳感器網(wǎng)絡產業(yè)化進程的良好平臺。

2、WSNs與 IoT

物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)架構如圖1所示，包括底層網(wǎng)絡分布、匯聚網(wǎng)關接入、互聯(lián)網(wǎng)絡融合以及終端用戶應用4個部分。在圖1中，大量的底層網(wǎng)絡系統(tǒng)選擇性地分布于物理空間當中，根據(jù)各自特點通過相應方式構成網(wǎng)絡分布。底層網(wǎng)絡通過RFID(Radio Frequency IDentification)、WSNs、無線局域網(wǎng)等網(wǎng)絡技術采集物物交換信息并傳輸?shù)街悄芫劬W(wǎng)關[3]，通過智匯聚網(wǎng)關接入到網(wǎng)絡融合體系，最后利用包括廣播電視網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、電信網(wǎng)等網(wǎng)絡途徑使信息到達終端用戶應用系統(tǒng)。與此同時，終端用戶可以通過主觀行為影響底層網(wǎng)絡面向不同應用，從而實現(xiàn)人與物、物與物、物與人之間的物聯(lián)信息交互 [4]。通過定義如下3個抽象概念，可以進一步說明包括WSNs在內的底層網(wǎng)絡在物聯(lián)網(wǎng)中的作用。

(1)對象：客觀世界中任何一個事物都可以看成一個對象，數(shù)以萬計的對象證明了客觀世界的存在。每個對象都具有兩個特點：屬性和行為，屬性描述了對象的靜態(tài)特征，行為描述了對象的動態(tài)特征。任何一個對象往往是由一組屬性和一組行為構成的。

(2)消息：客觀世界向對象發(fā)出的一個信息。消息的存在說明對象可以對客觀世界的外部刺激作出反應。各個對象間可以通過消息進行信息的傳遞和交流。

(3)封裝：將有關的屬性和行為集成在一個對象當中，形成一個基本單位。

物聯(lián)網(wǎng)的重要特點之一就是使物體與物體之間實現(xiàn)信息交換，每個物體都是一個對象。因此負責感知和記錄信息的物聯(lián)網(wǎng)底層網(wǎng)絡必須能夠反映每個對象的特點。

圖1 物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)架構圖

3、WSNs關鍵技術

目前WSNs的關鍵技術主要體現(xiàn)在三個方面，即傳感器系統(tǒng)設計、網(wǎng)絡服務以及網(wǎng)絡通信協(xié)議。

表1 WSNs關鍵技術

1.傳感器系統(tǒng)設計。對于一個在WSNs中工作的傳感器節(jié)點來說，有一些重要的系統(tǒng)設計需要利用有效的WSNs網(wǎng)絡模型、系統(tǒng)平臺和操作系統(tǒng)支持完成。目前的WSNs模型主要支持大范圍的傳感器節(jié)點布置，但是每個生產廠商的傳感器節(jié)點產品在無線通信模塊、微處理器和存儲空間方面不盡相同，對于融合多類型傳感器節(jié)點到一個統(tǒng)一系統(tǒng)平臺是一個巨大的挑戰(zhàn)，因為不同的節(jié)點硬件設計存在差異，原始數(shù)據(jù)處理對于資源受限的節(jié)點來說同樣需要解決。與此同時，操作系統(tǒng)必須支持這樣的傳感器平臺；WSNs需要利用低功耗短距離無線通信技術，而IEEE 802.15.4具有低功耗、低成本的特性，該標準的許多特征與WSNs

具有相似之處，因此，眾多廠商將該技術作為WSNs的無線通信平臺；由于傳感器節(jié)點資源受限，所以一個有效的存儲模型對于滿足資源限制和查詢需求是十分必要的。目前的WSNs數(shù)據(jù)的存儲研究工作集中在網(wǎng)絡外部存儲、本地存儲和以數(shù)據(jù)為中心的存儲三個方面。相對于另外兩種方式，以數(shù)據(jù)為中心的存儲方式可以在通信效率和能量消耗等方面取得折中；最后，實驗測試床的設計對于研究者在真實物理環(huán)境中進行WSNs實驗起到至關重要的作用。它可以給研究者提供一個驗證相關協(xié)議、算法和各種網(wǎng)絡應用的有效平臺。

目前的WSNs模型主要支持大范圍的傳感器節(jié)點布置，但是每個生產廠商的傳感器節(jié)點產品在無線通信模塊、微處理器和存儲空間方面不盡相同，對于融合多類型傳感器節(jié)點到統(tǒng)一的系統(tǒng)平臺是一個巨大的挑戰(zhàn)，因為不同的節(jié)點硬件設計存在差異，而原始數(shù)據(jù)處理對于資源受限的節(jié)點來說同樣需要解決[5]。WSNs操作系統(tǒng)必須支持相應的傳感器平臺，這樣能保證感知數(shù)據(jù)處理的高效性；WSNs需要利用低功耗短距離無線通信技術進行數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，而IEEE 802.15.4具有低功耗、低成本的特性，該標準的許多特征與WSNs無線傳輸要求具有相似之處，因此，眾多廠商將該技術作為WSNs的無線通信平臺；由于傳感器節(jié)點資源受限，所以一個有效的存儲模型對于滿足資源限制和查詢需求是十分必要的。目前的WSNs數(shù)據(jù)的存儲研究工作集中在網(wǎng)絡外部存儲、本地存儲和以數(shù)據(jù)為中心的存儲3個方面。相對于另外兩種方式，以數(shù)據(jù)為中心的存儲方式可以在通信效率和能量消耗等方面取得折中；最后，實驗測試床的設計對于研究者在真實物理環(huán)境中進行WSNs實驗起到至關重要的作用，它可以給研究者提供一個驗證相關協(xié)議、算法和各種網(wǎng)絡應用的有效平臺。

2.網(wǎng)絡服務支持。在WSNs中，傳感器節(jié)點配置、處理和控制服務用于協(xié)調和管理傳感器節(jié)點，這些網(wǎng)絡服務在能量、任務分布和資源利用方面加強了整個網(wǎng)絡的性能[6]。節(jié)點配置可以適時地將諸如能量和帶寬等資源進行最有效的分配。節(jié)點配置有兩個方面的應用：網(wǎng)絡覆蓋度和定位。網(wǎng)絡的覆蓋度需要保證監(jiān)測區(qū)域在高可靠度的前提下被完全覆蓋。覆蓋度對于WSNs來說非常重要，因為它影響了需要配置的傳感器節(jié)點的數(shù)量、節(jié)點的位置、連通性和能量。位置信息是傳感器節(jié)點感知數(shù)據(jù)過程中不可缺少的參量，缺少位置信息的感知信息一般來講沒有任何意義。確定感知數(shù)據(jù)節(jié)點的位置或者確定事件發(fā)生的方位是WSNs最基本的關鍵技術之一。數(shù)據(jù)管理和控制服務在WSNs中扮演了重要角色，因為它們提供了必要的中間件服務支持，如安全保障、時間同步、數(shù)據(jù)壓縮和融合、跨層優(yōu)化等。WSNs作為一種功能性很強的應用網(wǎng)絡，不僅要完成數(shù)據(jù)傳輸，而且還有對數(shù)據(jù)進行一系列的融合、壓縮和控制，如何保證任務執(zhí)行的機密性、數(shù)據(jù)融合的可靠性以及傳輸?shù)陌踩允荳SNs的一項關鍵技術服務。

(1)時間同步機制

由于WSNs節(jié)點受價格和體積的約束，所以時間同步算法必須考慮能量因素。目前的傳統(tǒng)網(wǎng)絡時間同步算法通常只專注于最小化同步誤差，而并沒有考慮到通信和計算方面的限制。因此，諸如GPS(Global Positioning System)、NTP(Network Time Protocol)等現(xiàn)有的時間同步機制并不適用于WSNs，需要重新設計新的時間同步機制來滿足WSNs的網(wǎng)絡需求。一般來講，在WSNs中絕大多數(shù)節(jié)點都需要通過時間同步算法交換時間同步消息來保證網(wǎng)絡時間的同步。在研究WSNs時間同步算法時，需要從擴展性、穩(wěn)定性、能量有效和魯棒性等幾個方面來綜合考慮設計因素，保證時間最大精度和最小能耗的折中。圖2顯示了WSNs中消息傳輸過程中影響同步精度的關鍵路徑。因此，時間同步機制作為WSNs的一項核心支撐技術，在多傳感器數(shù)據(jù)融合、節(jié)點數(shù)據(jù)處理、低能耗MAC協(xié)議的設計、測距定位安全性等方面起著關鍵作用。

圖2 WSNs中影響同步精度的關鍵傳輸路徑

目前絕大多數(shù)WSNs的相關應用的理論研究都假設系統(tǒng)時鐘已經保持同步，然而在實際應用系統(tǒng)中，時鐘總會存在一定的偏移，應用效果必然會受到影響。RBS算法利用數(shù)據(jù)鏈路層的廣播信道特性，接收到同一參考廣播的多個節(jié)點，通過比較各自接收到信息的本地時間來消除接收端的誤差，然而接收節(jié)點間的時鐘頻率漂移、接收節(jié)點的數(shù)量以及傳播過程的不確定性都將產生新的同步誤差。而TPSN算法對所有節(jié)點進行分層處理，每個節(jié)點與它的上一級節(jié)點同步，使所有節(jié)點與根節(jié)點達到同步。它的一個明顯缺點就是沒有考慮根節(jié)點的失效問題，新節(jié)點加入網(wǎng)絡時對整個網(wǎng)絡的魯棒性會造成很大影響。FTSP算法利用單個廣播信息使得發(fā)送節(jié)點和它相鄰的節(jié)點達到時間同步，采用同步時間數(shù)據(jù)線性回歸方法估計時間頻率漂移和相位偏差，然而FTSP采用的估計方法對偏離正常誤差范圍的數(shù)據(jù)極其敏感，即使只有一個錯誤的數(shù)據(jù)也可能造成估計結果的失真。文獻[7]針對當前無線傳感器網(wǎng)絡時間同步協(xié)議普遍存在抗毀能力不足的缺陷，提出了一種基于擴散機制的無線傳感器網(wǎng)絡時間同步協(xié)議，全局時間通過鄰居節(jié)點間定時隨機交換時戳信息維護，取消同步發(fā)起節(jié)點在同步網(wǎng)絡中可能帶來的不安全隱患，實現(xiàn)同步網(wǎng)絡拓撲最優(yōu)。

(2)網(wǎng)絡節(jié)點定位

定位技術就是幫助人們解決“找東西”的難題，利用信息網(wǎng)絡的交互通信告訴用戶或者控制中心某一目標的位置信息[8]。目前最專業(yè)的定位系統(tǒng)是GPS，其具有全天候、高精度、自動化等顯著特點。GPS功能強大，但需要專門的客戶端設備才能使用，不利于民用普及，并且衛(wèi)星信號無法穿透建筑物，不能滿足室內環(huán)境應用。所以大量應用場合迫切需要研究者攻克一種新型定位技術代替GPS。由于WSNs定位不同于傳統(tǒng)的蜂窩定位和無線局域網(wǎng)定位，具有低功耗、低成本、分布式、自組織、能提供較高的定位精度等優(yōu)點，成為當前無線定位技術的研究熱點。

目前對于WSNs定位技術研究主要分為兩大類：一種是基于測距(range-based)定位算法，另一種是非測距(range-free)定位算法。相比之下，基于測距定位算法定位精度高，但對網(wǎng)絡的硬件設施要求很高，同時在定位過程中要產生大量計算和通信開銷。非測距定位算法缺點是定位精度較差，優(yōu)點是不需要附加硬件支持來實現(xiàn)節(jié)點間的距離測量，該定位算法憑借其在成本、功耗方面的優(yōu)勢，受到越來越多的關注。

3.網(wǎng)絡通信協(xié)議設計。一個可靠并且能量有效協(xié)議棧的開發(fā)對于支持多類型無線傳感器網(wǎng)絡應用具有重要意義。面向不同的應用，網(wǎng)絡內部可能由數(shù)百甚至上千的節(jié)點組成。每個傳感器節(jié)點通過協(xié)議棧以多跳的形式將信息傳遞給Sink節(jié)點。因此，就通信而言，協(xié)議棧必須能量有效，并可以在多個節(jié)點之間有效工作。目前WSNs通信協(xié)議棧研究的重點集中在數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡層和傳輸層，以及它們之間的跨層交互。數(shù)據(jù)鏈路層通過介質訪問控制來構建底層基礎結構，控制節(jié)點的工作模式。網(wǎng)絡層的路由協(xié)議決定感知信息的傳輸路徑。傳輸層確保了源節(jié)點和目的節(jié)點處數(shù)據(jù)的可靠性和高效性。

IEEE802.15.4/ZigBee協(xié)議 IEEE802.15.4致力于一種低速率網(wǎng)絡標準的開發(fā)，ZigBee聯(lián)盟是一個高速增長的非盈利業(yè)界組織，成員包括國際著名半導體生產商、技術提供者、代工生產商以及最終使用者，主要目的是通過加入無線網(wǎng)絡功能，為消費者提供具有更加靈活、更易用的電子產品。自從2004年12月Zig-Bee聯(lián)盟推出ZigBee 1.0版本規(guī)范以來，ZigBee協(xié)議的各種修訂版本相繼發(fā)布，它們始終致力于ZigBee網(wǎng)絡更加安全可靠、靈活簡單、可擴展性更強的規(guī)范的修改，使其特點充分發(fā)揮。IEEE802.15.4協(xié)議規(guī)定了網(wǎng)絡的物理層和媒體接入控制層；ZigBee協(xié)議則規(guī)定了網(wǎng)絡層和應用層。IEEE802.15.4/ZigBee網(wǎng)絡協(xié)議具有組網(wǎng)靈活方便、成本低廉、能量消耗低等特點，所以WSNs通常采用該網(wǎng)絡協(xié)議作為其無線通信標準。

四、面向IoT的WSNs發(fā)展新思路

WSNs作為物聯(lián)網(wǎng)底層網(wǎng)絡的重要組成部分，未來的發(fā)展?jié)摿Σ粩嗉哟?。本文通過研究提出面向IoT的WSNs發(fā)展新思路：

普適環(huán)境下非應用相關的研究趨勢

目前不同的WSNs應用背景要求不同的網(wǎng)絡服務支持策略以及網(wǎng)絡通信協(xié)議，對于面向不同應用的WSNs開發(fā)，研究者更關心WSNs的差異性，這也是WSNs設計發(fā)展到現(xiàn)有階段區(qū)別于傳統(tǒng)網(wǎng)絡的一個顯著特征。然而伴隨著無線通信技術、分布式計算、人工智能、嵌入式系統(tǒng)、感知網(wǎng)絡以及信息融合等多方面技術的蓬勃發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)技術應運而生。在物聯(lián)網(wǎng)普適環(huán)境模式下，用戶能夠在任何時間、任何地點、以任何方式進行信息的獲取與處理。WSNs作為感知信息的有效載體，可以充分利用物聯(lián)網(wǎng)的技術優(yōu)勢，建立統(tǒng)一的滿足多種需求的網(wǎng)絡通信協(xié)議和網(wǎng)絡服務支持策略，從而屏蔽應用相關帶來的WSNs設計差異復雜性。

系統(tǒng)性低能耗設計研究趨勢屬于資源管理的一部分

WSNs的節(jié)點通常體積微小，電源攜帶的能量十分有限，所以如何最大限度地降低能量消耗提高網(wǎng)絡生命周期，是WSNs面臨的最重要的設計挑戰(zhàn)。目前的WSNs低能耗設計處于一種各自為戰(zhàn)的狀態(tài)，沒有在一個系統(tǒng)研究的基礎上進行相關的低能耗設計。區(qū)別于傳統(tǒng)網(wǎng)絡，WSNs需要軟硬件設計的協(xié)同合作，才能保證將整個網(wǎng)絡能量消耗降低到最大限度。所以WSNs軟硬件協(xié)同低能耗設計應從工作開始之前就考慮產生和控制的問題。主要環(huán)節(jié)為：(a)WSNs輸入/輸出的系統(tǒng)能量估計；(b)WSNs硬件模塊及功能性軟件模塊的系統(tǒng)設計劃分；(c)WSNs器件設計的系統(tǒng)選擇?；贗P的上下文網(wǎng)絡聚合發(fā)展趨勢

WSNs所處的地理位置和網(wǎng)絡環(huán)境不盡相同，其采集和處理的信息和數(shù)據(jù)存在較大差異。研究者可以利用IP技術，使基于IEEE 802.15.4通信協(xié)議的WSNs與基于IPv6協(xié)議的互聯(lián)網(wǎng)的實現(xiàn)統(tǒng)一尋址。通過此技術革新，WSNs中海量信息和資源在跨層上下文的基礎之上可以進行深度挖掘、智能分類及挑選，從而為終端用戶提供更有價值、更有針對性的實用信息。這樣的發(fā)展趨勢保證了物聯(lián)網(wǎng)時代網(wǎng)絡層向傳輸層提供靈活簡單、無連接、滿足QoS需求的數(shù)據(jù)報服務。

四、結束語

本文通過分析面向物聯(lián)網(wǎng)的WSNs，提出了未來WSNs發(fā)展的新思路。WSNs作為物聯(lián)網(wǎng)底層網(wǎng)絡的重要感知技術之一，在國家安全和國民經濟等諸多方面具有廣泛的應用前景和社會意義。WSNs未來的發(fā)展方向將實現(xiàn)地球和外太空綜合一體化的信息感知網(wǎng)絡，形成物理世界和虛擬世界的網(wǎng)絡接口，并深入到人們生活領域的各個方面，從而改變人與自然的交互方式。研究人員應該通過掌握和擁有更多的自主知識產權，使WSNs逐步成為信息時代助推我國經濟騰飛的新引擎。WSNs的快速發(fā)展對提高我國在高新技術領域的國際地位、帶動相關產業(yè)的全面發(fā)展具有重要意義。

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