朱祥賢 孫岐峰 楊 永

[摘 要]無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)是通過無線通信方式形成的一個(gè)多跳自組織網(wǎng)絡(luò)。它綜合了微傳感器、微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)、嵌入式、網(wǎng)絡(luò)通信和分布式信息處理等技術(shù),是集信息采集、信息傳輸、信息處理于一體的智能化信息系統(tǒng)。本文主要介紹了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)、傳感器節(jié)點(diǎn)的組成、協(xié)議棧和關(guān)鍵技術(shù)。

[關(guān)鍵詞]無線傳感器網(wǎng)絡(luò) 體系結(jié)構(gòu) 協(xié)議棧 關(guān)鍵技術(shù)

[中圖分類號]TQ114[文獻(xiàn)標(biāo)識碼]A[文章編號]1007-9416(2009)11-0042-03

The Architecture and Key Techniques of Wireless Sensor Network

Zhu Xiangxian, Sun Qifeng, Yang Yong

Huaian College of Information Technology, Huaian , 223003,China

[Abstract]Wireless sensor network is a self-organized network by the wireless communication way. It is a intellectualized information system with information collecting, processing and transmitting, which integrated the technologies of micro-sensor, micro-electron mechanical system, embedded chip, network communication and distributed information processing. This paper introduces the architecture, sensor node, protocol stack of wireless sensor network, describes its key techniques.

[Keywords]Wireless Sensor Network,Architecture,Protocol Stack,Key Techniques

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Network, WSN)是當(dāng)前在國際上倍受關(guān)注的、涉及多學(xué)科高度交叉、知識高度集成的前沿?zé)狳c(diǎn)領(lǐng)域。它以網(wǎng)絡(luò)為支撐,綜合了微智能傳感器技術(shù)、微機(jī)電系統(tǒng)、嵌入式計(jì)算技術(shù)、無線通信技術(shù)、分布式低功耗信息處理等技術(shù),由部署在檢測區(qū)域內(nèi)大量廉價(jià)的微型傳感器節(jié)點(diǎn),通過無線通信的方式形成的一個(gè)多跳的自組織的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),執(zhí)行一種全新的信息獲取和處理模式,可以完成數(shù)據(jù)的采集、存儲、處理以及進(jìn)行無線通信,協(xié)作地將感知對象的信息發(fā)送給用戶。

無線傳感網(wǎng)絡(luò)是信息技術(shù)的新領(lǐng)域,美國商業(yè)周刊和MIT技術(shù)評論在預(yù)測未來技術(shù)發(fā)展的報(bào)告中,分別將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)列為二十一世紀(jì)最有影響的二十一項(xiàng)技術(shù)和改變世界的十大技術(shù)之一,其廣泛應(yīng)用是一種必然趨勢,它必將會給人類社會帶來極大的變革。

1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)

微傳感器技術(shù)、微電子技術(shù)和無線通信技術(shù)的進(jìn)步,推動了低功耗多功能無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展,使其在微小體積內(nèi)能夠集成信息獲取、數(shù)據(jù)處理和無線通信等多種功能。

1.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)架構(gòu)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)通常包括傳感器節(jié)點(diǎn)(sensor node)、匯聚節(jié)點(diǎn)(sink node)和管理節(jié)點(diǎn)。大量傳感器節(jié)點(diǎn)隨機(jī)部署在監(jiān)測區(qū)域(sensor field),以無線自組織的方式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)。傳感器節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)通過其它傳感器節(jié)點(diǎn)逐跳地在網(wǎng)絡(luò)中傳輸,經(jīng)過多跳后路由到匯聚節(jié)點(diǎn),最后通過互聯(lián)網(wǎng)或者衛(wèi)星到達(dá)數(shù)據(jù)處理中心管理節(jié)點(diǎn)。用戶通過管理節(jié)點(diǎn)沿著相反的方向?qū)鞲衅骶W(wǎng)絡(luò)進(jìn)行配置和管理,發(fā)布監(jiān)測任務(wù)以及收集監(jiān)測數(shù)據(jù)。

(1)傳感器節(jié)點(diǎn)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由大量的傳感器節(jié)點(diǎn)組成的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)通常是一個(gè)微型的嵌入式系統(tǒng),它具有感知能力、處理能力、存儲能力和通信能力。傳感器節(jié)點(diǎn)一般包括數(shù)據(jù)采集模塊、處理控制模塊、無線通信模塊和能量供應(yīng)模塊。其中,數(shù)據(jù)采集模塊負(fù)責(zé)對感知對象的信息進(jìn)行采集和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換;處理控制模塊負(fù)責(zé)控制整個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的操作,存儲與處理自身采集的數(shù)據(jù)以及其他節(jié)點(diǎn)發(fā)來的數(shù)據(jù);無線通信模塊負(fù)責(zé)與其他傳感器節(jié)點(diǎn)通信,交互控制信息和收發(fā)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù);能量供應(yīng)模塊為傳感器節(jié)點(diǎn)提供運(yùn)行所需的能量,一般采用電池供電,一旦電源耗盡,節(jié)點(diǎn)就失去了工作能力。見圖2。

(2)匯聚節(jié)點(diǎn)

匯聚節(jié)點(diǎn)處理能力、存儲能力和通信能力相對較強(qiáng),它連接傳感器網(wǎng)絡(luò)和Internet等外部網(wǎng)絡(luò),實(shí)現(xiàn)兩種協(xié)議棧之間的通信協(xié)議的轉(zhuǎn)換,同時(shí)發(fā)布管理節(jié)點(diǎn)的監(jiān)測任務(wù),并把收集的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到外部網(wǎng)絡(luò)上。匯聚節(jié)點(diǎn)既可以是一個(gè)具有增強(qiáng)功能的傳感器節(jié)點(diǎn),有足夠的能量供給和更多的內(nèi)存與計(jì)算資源,也可以是沒有監(jiān)測功能僅帶有無線通信接口的特殊網(wǎng)關(guān)設(shè)備.

(3)管理節(jié)點(diǎn)

即用戶節(jié)點(diǎn),用戶通過管理節(jié)點(diǎn)對傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行配置和管理,發(fā)布監(jiān)測任務(wù)以及收集監(jiān)測數(shù)據(jù)。

拋撒在監(jiān)測區(qū)域的傳感器節(jié)點(diǎn)以自組織方式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò),采集數(shù)據(jù)之后以多跳中繼方式將數(shù)據(jù)傳回sink節(jié)點(diǎn),由sink節(jié)點(diǎn)將收集到的數(shù)據(jù)通過互聯(lián)網(wǎng)或移動通信網(wǎng)絡(luò)傳送到遠(yuǎn)程監(jiān)控中心進(jìn)行處理。在這個(gè)過程中,傳感器節(jié)點(diǎn)既充當(dāng)感知節(jié)點(diǎn),又充當(dāng)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的路由器。目前傳感器節(jié)點(diǎn)的軟硬件技術(shù)是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究的重點(diǎn)。

1.2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議棧

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議棧包括物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層和應(yīng)用層,還包括能量管理、移動管理和任務(wù)管理等平臺。這些管理平臺使得傳感器節(jié)點(diǎn)能夠按照能源高效的方式協(xié)同工作,在節(jié)點(diǎn)移動的傳感器網(wǎng)絡(luò)中轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù),并支持多任務(wù)和資源共享。

圖3所示為協(xié)議棧模型,定位和時(shí)間子層在協(xié)議棧中的位置比較特殊,它們既要依賴于數(shù)據(jù)傳輸通道進(jìn)行協(xié)作定位和時(shí)間同步協(xié)商,同時(shí)又要為各層網(wǎng)絡(luò)協(xié)議提供信息支持,如基于時(shí)分復(fù)用的MAC協(xié)議、基于地理位置的路由協(xié)議等都需要定位和同步信息。

物理層:負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕橘|(zhì)規(guī)范,規(guī)定了工作頻段、工作溫度、數(shù)據(jù)調(diào)制、信道編碼、定時(shí)、同步等到標(biāo)準(zhǔn)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的傳輸介質(zhì)可以是無線、紅外和激光,實(shí)現(xiàn)為數(shù)據(jù)終端設(shè)備提供傳送數(shù)據(jù)的通路和完成數(shù)據(jù)傳輸。為了確保能量的有效利用,保持網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間的平滑性能,物理層與介質(zhì)訪問控制(MAC)子層就密切關(guān)聯(lián)使用。物理層的設(shè)計(jì)直接影響到電路的復(fù)雜度和傳輸能耗等問題,研究目標(biāo)是設(shè)計(jì)低成本、低功耗和小體積的傳感器節(jié)點(diǎn)。

數(shù)據(jù)鏈路層:負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)流的多路復(fù)用、數(shù)據(jù)幀檢測、媒體介入和差錯(cuò)控制,以保證無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)之間的連接。由于網(wǎng)絡(luò)無信道的特性,環(huán)境噪聲、節(jié)點(diǎn)移動和多點(diǎn)沖突等現(xiàn)象在所難免,而能量問題又是傳感器網(wǎng)絡(luò)的核心問題。因此,該層最主要的是設(shè)計(jì)一個(gè)適合于傳感器網(wǎng)絡(luò)的介質(zhì)訪問控制方法(MAC)。介質(zhì)訪問控制方法是否合理與高效,直接決定了傳感器節(jié)點(diǎn)間協(xié)調(diào)的有效性和對網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的適應(yīng)性,合理與高效的介質(zhì)訪問控制方法能夠有效的減少傳感器節(jié)點(diǎn)收發(fā)控制性數(shù)據(jù)的比率,進(jìn)而減少能量損耗。

網(wǎng)絡(luò)層:負(fù)責(zé)路由發(fā)現(xiàn)、路由維護(hù)和路由選擇,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)融合,使得傳感器節(jié)點(diǎn)可以實(shí)現(xiàn)有效的相互通信。路由算法執(zhí)行效率的高低,直接決定了傳感器節(jié)點(diǎn)收發(fā)控制性數(shù)據(jù)與有效采集數(shù)據(jù)的比率。路由算法設(shè)計(jì)時(shí)需要特別考慮能耗的問題。根據(jù)路由轉(zhuǎn)發(fā)的原理不同,傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議又可以分為平面路由和層次路由兩種。

傳輸控制層:負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)流的傳輸控制,實(shí)現(xiàn)將傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)提供給外部網(wǎng)絡(luò),是保證通信服務(wù)質(zhì)量的重要部分。由于傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究還處于初期階段,還沒有一個(gè)專門的傳感器網(wǎng)絡(luò)傳輸層協(xié)議。如果傳感器網(wǎng)絡(luò)要通過現(xiàn)有的Internet網(wǎng)絡(luò)或衛(wèi)星與外界通信,必然需要將傳感器網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部以數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的尋址,變換為外界的以IP地址為基礎(chǔ)的尋址,即必需進(jìn)行數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換。

應(yīng)用層:包括一系列基于監(jiān)測任務(wù)的應(yīng)用層軟件。與傳輸層類似,應(yīng)用層研究也相對較少。應(yīng)用層的傳感器管理協(xié)議、任務(wù)分配和數(shù)據(jù)廣播管理協(xié)議以及傳感器查詢和數(shù)據(jù)傳播管理協(xié)議是傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層需要解決的三個(gè)潛在問題。

傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用支撐服務(wù)包括時(shí)間同步和定位,其中時(shí)間同步服務(wù)為協(xié)同工作的傳感器節(jié)點(diǎn)提供本地時(shí)鐘同步;節(jié)點(diǎn)定位服務(wù)依靠有限的已知節(jié)點(diǎn),確定其他節(jié)點(diǎn)的位置,在系統(tǒng)中建立起一定的空間關(guān)系。

在各層設(shè)計(jì)中還要考慮能量、安全等。拓?fù)涔芾碇饕菫榱斯?jié)約能量,制定節(jié)點(diǎn)的休眠策略,保證網(wǎng)絡(luò)暢通;QoS的服務(wù)主要是為用戶提供高質(zhì)量的服務(wù);網(wǎng)絡(luò)管理主要是實(shí)現(xiàn)在傳感器網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境下對各種資源的管理,為上層應(yīng)用服務(wù)的提供一個(gè)集成的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。

2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)綜合智能信息系統(tǒng),其構(gòu)建是一個(gè)龐大的系統(tǒng)工程,涉及到的研究工作和需要解決的問題在每一個(gè)層面上都很多:

2.1 網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議

由于傳感器節(jié)點(diǎn)的計(jì)算能力、存儲能力、通信能量以及攜帶的能量都十分有限,每個(gè)節(jié)點(diǎn)只能獲取局部網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)湫畔?因而節(jié)點(diǎn)上所運(yùn)行的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議也不能太復(fù)雜。同時(shí),傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與周邊環(huán)境動態(tài)變化,網(wǎng)絡(luò)資源也在不斷變化,這些都對網(wǎng)絡(luò)協(xié)議提出了更高的要求。傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信協(xié)議包括物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層,它們相互配合運(yùn)行使得若干獨(dú)立的傳感器節(jié)點(diǎn)能夠形成一個(gè)多跳的動態(tài)的數(shù)據(jù)采集與處理網(wǎng)絡(luò)。傳感器網(wǎng)絡(luò)的MAC協(xié)議首先要考慮節(jié)省能源和擴(kuò)展性,其次才考慮公平性、利用率和實(shí)時(shí)性等。路由協(xié)議不僅關(guān)心單個(gè)節(jié)點(diǎn)的能量消耗,更關(guān)心整個(gè)網(wǎng)絡(luò)能量的均衡消耗,這樣才能延長整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的生存期。

2.2 核心支撐技術(shù)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的核心支撐技術(shù)包括拓?fù)淇刂?、?jié)點(diǎn)定位、時(shí)間同步、網(wǎng)內(nèi)信息處理、網(wǎng)絡(luò)安全等。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的核心支撐技術(shù)使用網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議提供的服務(wù),并通過應(yīng)用服務(wù)接口來屏蔽底層網(wǎng)絡(luò)的細(xì)節(jié),使終端用戶可以方便地對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行操作。

通過拓?fù)淇刂谱詣由傻牧己玫木W(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),能夠提高路由協(xié)議和MAC協(xié)議的效率,可為數(shù)據(jù)融合、時(shí)間同步和目標(biāo)定位等很多方面奠定基礎(chǔ),有利于節(jié)省節(jié)點(diǎn)的能量來延長網(wǎng)絡(luò)的生存期;確定事件發(fā)生的位置或采集數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)位置是傳感器網(wǎng)絡(luò)最基本的功能之一。為了提供有效的位置信息,隨機(jī)部署的傳感器節(jié)點(diǎn)必須能夠在布置后確定自身位置,定位機(jī)制必須滿足自組織性、健壯性、能量高效、分布式計(jì)算等要求;時(shí)間同步是需要協(xié)同工作的傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的一個(gè)關(guān)鍵機(jī)制。如測量移動車輛速度需要計(jì)算不同傳感器檢測事件時(shí)間差,通過波束陣列確定聲源位置節(jié)點(diǎn)間時(shí)間同步;網(wǎng)絡(luò)安全包括通信安全和信息安全,常采用密鑰管理、安全路由、安全組播、數(shù)據(jù)融合和入侵檢測等策略防范和抵御攻擊。

2.3 自組織管理

多變的網(wǎng)絡(luò)狀況及外在環(huán)境要求無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有自組織能力,能夠自動組網(wǎng)運(yùn)行、自動配置維護(hù)、適時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)監(jiān)測數(shù)據(jù)等,包括節(jié)點(diǎn)管理、數(shù)據(jù)管理、任務(wù)管理和系統(tǒng)維護(hù)等。

節(jié)點(diǎn)管理內(nèi)容包括:節(jié)點(diǎn)休眠/喚醒機(jī)制中保證網(wǎng)絡(luò)覆蓋度的各種算法、節(jié)點(diǎn)自身的計(jì)算和傳感資源的動態(tài)管理、功率管理中的網(wǎng)絡(luò)連通性控制算法等,要力求降低算法復(fù)雜度,降低信息收集過程的協(xié)議開銷;數(shù)據(jù)管理包括:數(shù)據(jù)模式、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)索引、數(shù)據(jù)查詢等;任務(wù)管理則包括:任務(wù)分配、任務(wù)調(diào)度、負(fù)載均衡等。

2.4 開發(fā)與應(yīng)用

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的開發(fā)與應(yīng)用包括仿真平臺、硬件系統(tǒng)開發(fā)、操作系統(tǒng)開發(fā)、應(yīng)用軟件開發(fā)等。

3 結(jié)語

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種新的信息獲取和處理技術(shù),隨著傳感器技術(shù)、無線通信技術(shù)、嵌入式計(jì)算技術(shù)的飛速發(fā)展和完善,具有感知能力、計(jì)算能力和通信能力的微型傳感器節(jié)點(diǎn)不斷更新,很多公司和研究機(jī)構(gòu)相應(yīng)推出了很多無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的軟件,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)將會在軍事戰(zhàn)場監(jiān)控、環(huán)境監(jiān)測、工業(yè)生產(chǎn)、企業(yè)管理、交通、醫(yī)療保健等領(lǐng)域得到十分廣泛的應(yīng)用。

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