無線傳感器網(wǎng)絡(luò)簡(jiǎn)介

胡志鵬

摘 要：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種新型網(wǎng)絡(luò)，是物聯(lián)網(wǎng)的前身，它是由大量傳感器節(jié)點(diǎn)組成，這些結(jié)點(diǎn)具有計(jì)算通信等能力。傳感器節(jié)點(diǎn)部署在某一監(jiān)檢區(qū)域內(nèi)，節(jié)點(diǎn)間采用無線通信的方式組成自組織網(wǎng)絡(luò)。該網(wǎng)絡(luò)低能耗、低成本、分布式和自組織的特點(diǎn)無疑給信息感知領(lǐng)域帶來了一場(chǎng)重大變革[1-3]。

1.傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

通常情況下一個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)中包含兩類節(jié)點(diǎn)：1）傳感器節(jié)點(diǎn)（sensor node），簡(jiǎn)稱節(jié)點(diǎn)，2）匯聚節(jié)點(diǎn)（sink node）。這些節(jié)點(diǎn)以高密度形式隨機(jī)分布在某一監(jiān)測(cè)區(qū)域（sensor field）內(nèi)，節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)之間采用無線通信的方式構(gòu)成自組織網(wǎng)絡(luò)[19][20]。

節(jié)點(diǎn)的存儲(chǔ)能力、電池容量、通信能力和計(jì)算能力都比較有限。每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都具有終端和路由器功能，節(jié)點(diǎn)可以收集本地信息并處理數(shù)據(jù)，同時(shí)節(jié)點(diǎn)還存儲(chǔ)其它節(jié)點(diǎn)發(fā)送來的數(shù)據(jù)，并對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行管理和融合等操作。

匯聚節(jié)點(diǎn)的存儲(chǔ)能力、計(jì)算能力和通信能力較強(qiáng)，并且能量不受限制，匯聚節(jié)點(diǎn)上配備有網(wǎng)絡(luò)當(dāng)前的拓?fù)湫畔ⅲ摴?jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)與外部網(wǎng)絡(luò)的連接，同時(shí)還要實(shí)現(xiàn)通信協(xié)議的轉(zhuǎn)換。匯聚節(jié)點(diǎn)將網(wǎng)絡(luò)中收集到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給外部網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)將用戶的監(jiān)測(cè)任務(wù)發(fā)布給網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的其它節(jié)點(diǎn)。匯聚節(jié)點(diǎn)一般情況下可以認(rèn)為是一個(gè)增強(qiáng)節(jié)點(diǎn)，該節(jié)點(diǎn)的能量充足和計(jì)算能力強(qiáng)大。

節(jié)點(diǎn)的主要任務(wù)是收集數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)能過其它節(jié)點(diǎn)進(jìn)行傳輸，在數(shù)據(jù)的傳輸過程中，數(shù)據(jù)有可能通過多個(gè)節(jié)點(diǎn)才能到匯聚節(jié)點(diǎn)。匯聚節(jié)點(diǎn)將這些處理好的數(shù)據(jù)發(fā)送給用戶。用戶可以通過發(fā)布命令的方式對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)內(nèi)資源進(jìn)行配置與管理，還可以發(fā)布所需的監(jiān)測(cè)任務(wù)，達(dá)到最終收集信息的目的。

傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 傳感器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)

由大量的廉價(jià)微型傳感器節(jié)點(diǎn)組成，首先將傳感器節(jié)點(diǎn)部署在某一監(jiān)檢區(qū)域內(nèi)，節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)之間通過無線通信方式組成的一個(gè)自組織網(wǎng)絡(luò)。傳感器節(jié)點(diǎn)是由四個(gè)模塊組成的，傳感器模塊、無線通信模塊、能量供應(yīng)模塊和處理器模塊組成，如圖2所示。傳感器模塊負(fù)責(zé)測(cè)量周邊環(huán)境中的溫度、紅外、聲納、雷達(dá)、濕度、噪聲、光強(qiáng)度、壓力等用戶所需的物理特征，并將這些特征轉(zhuǎn)變?yōu)橥ㄐ胖杏玫降碾娦盘?hào);無線通信模塊主要負(fù)責(zé)與節(jié)點(diǎn)進(jìn)行無線通信，交換數(shù)據(jù)信息和收發(fā)控制消息;處理器模塊主要任務(wù)是控制整節(jié)點(diǎn)內(nèi)的操作及數(shù)據(jù)處理，存儲(chǔ)和處理數(shù)據(jù);能量供應(yīng)模塊將運(yùn)行時(shí)所需的能量提供節(jié)點(diǎn)，通常使用體積較小的紐扣電池。

3? 傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧

經(jīng)過大量的研究，研究人員提出了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧。該協(xié)議棧一共包括五層，分別為物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層和應(yīng)用層，與互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議棧的五層相對(duì)應(yīng)。協(xié)議棧配備了能量管理平臺(tái)、移動(dòng)管理平臺(tái)和任務(wù)管理平臺(tái)，這些管理平臺(tái)能夠高效的利用網(wǎng)絡(luò)的能量，管理傳感器節(jié)點(diǎn)間的協(xié)同工作，如圖3所示。

各層協(xié)議介紹

物理層：提供簡(jiǎn)單、健壯的信號(hào)調(diào)制和無線收發(fā)技術(shù)，還要完成對(duì)數(shù)據(jù)的加密工作。

數(shù)據(jù)鏈路層：負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)成幀、幀檢測(cè)、媒體訪問和差錯(cuò)控制等。

網(wǎng)絡(luò)層：負(fù)責(zé)路由生成與路由選擇，在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，路由協(xié)議不僅關(guān)注單個(gè)節(jié)點(diǎn)的能量消耗，更關(guān)注整個(gè)網(wǎng)絡(luò)能量的均衡消耗，使整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的生存期得以延長(zhǎng)。

傳輸層：負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)流的傳輸控制，是保證通信服務(wù)質(zhì)量的重要部分。

應(yīng)用層：包括一系列基于監(jiān)測(cè)任務(wù)的應(yīng)用層軟件

能量管理平臺(tái)管理傳感器節(jié)點(diǎn)如何使用能源，在各個(gè)協(xié)議層都需要考慮節(jié)省能量，使節(jié)點(diǎn)有限的能量發(fā)揮最大的作用。

移動(dòng)管理平臺(tái)檢測(cè)并注冊(cè)傳感器節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)，維護(hù)到匯聚節(jié)點(diǎn)的路由，使得傳感器節(jié)點(diǎn)能夠動(dòng)態(tài)跟蹤其鄰居的位置。

任務(wù)管理平臺(tái)在一個(gè)給定的區(qū)域內(nèi)平衡和調(diào)度監(jiān)測(cè)任務(wù)。

4 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)

1）節(jié)點(diǎn)能量有限：無線傳感器網(wǎng)一個(gè)極為重要的應(yīng)用就是軍事應(yīng)用，那么就要求節(jié)點(diǎn)能很好的隱蔽自己，所以傳感器節(jié)點(diǎn)通常體積微小，導(dǎo)致了節(jié)點(diǎn)所能攜帶的電池體積較小，能量較為有限。傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)非常多、節(jié)點(diǎn)成本低廉、部署區(qū)域環(huán)境復(fù)雜、分布區(qū)域廣，致使傳感器節(jié)點(diǎn)通過更換電池的方式來補(bǔ)充能源是不現(xiàn)實(shí)的，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用首要的要求就是高效的利用能量。

2）通信能力有限：經(jīng)過大量的實(shí)驗(yàn)，研究者們發(fā)現(xiàn)在無線通信中發(fā)送信號(hào)所消耗的能量與距離有關(guān)，其關(guān)系為E=kdn（2

3）存儲(chǔ)能力和計(jì)算能力有限：傳感器節(jié)點(diǎn)是一種微型嵌入式設(shè)備，計(jì)算能力和存儲(chǔ)能力極度低下，甚至無法存儲(chǔ)較為復(fù)雜的算法的代碼，而處理器模塊需要進(jìn)行控制整節(jié)點(diǎn)內(nèi)的操作及數(shù)據(jù)處理，存儲(chǔ)和處理數(shù)據(jù)等多種工作，為了解決這種能力低而工作任務(wù)重的不對(duì)等情況，成為了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的難以點(diǎn)。

4）以數(shù)據(jù)為中心：傳感器網(wǎng)絡(luò)是典型的任務(wù)型網(wǎng)絡(luò)，單獨(dú)的談?wù)摴?jié)點(diǎn)沒有意義的。網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)采用獨(dú)立的編號(hào)對(duì)某一節(jié)點(diǎn)標(biāo)識(shí)，節(jié)點(diǎn)編號(hào)在某一區(qū)域內(nèi)是唯一的，但是在全網(wǎng)內(nèi)是否需要唯一編號(hào)，可根據(jù)網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議設(shè)計(jì)自我規(guī)定。

5）自組織網(wǎng)絡(luò)：傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)是一般是通過飛機(jī)播撒的，那么節(jié)點(diǎn)位置將沒有固定結(jié)構(gòu)，完全隨機(jī)。由于每個(gè)節(jié)點(diǎn)的位置是隨機(jī)的，不能預(yù)先設(shè)定，那么網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也不可能預(yù)先知道，這就要求傳感器網(wǎng)絡(luò)是自組織的，網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)能自動(dòng)進(jìn)行配置，生成相應(yīng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，自行進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信，完成用戶交給的各項(xiàng)任務(wù)。

6）動(dòng)態(tài)性網(wǎng)絡(luò)：傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)容易受到外界環(huán)境的影響而改變，出現(xiàn)這種改變的原因有三種：1. 節(jié)點(diǎn)中電能耗盡使得節(jié)點(diǎn)失效或傳感器節(jié)點(diǎn)內(nèi)部出現(xiàn)故障而失效;2. 外界環(huán)境條件變化（如刮風(fēng)下雨等環(huán)境因素）造成通信鏈路帶寬改變;3. 傳感器、感知對(duì)象和觀察者都可能具有移動(dòng)性。傳感器網(wǎng)絡(luò)必須能夠適應(yīng)各種變化，使得網(wǎng)絡(luò)具有可重構(gòu)性。

參考文獻(xiàn)

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