無(wú)線傳感器執(zhí)行器網(wǎng)絡(luò)研究

胡　波，張　麗，王雪麗（.宿州學(xué)院　機(jī)械與電子工程學(xué)院，安徽　宿州　4000；.臨沂市科技館，山東　臨沂　7607；.宿州學(xué)院　信息工程學(xué)院，安徽　宿州　4000）

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無(wú)線傳感器執(zhí)行器網(wǎng)絡(luò)研究

胡波1，張麗2，王雪麗3
（1.宿州學(xué)院機(jī)械與電子工程學(xué)院，安徽宿州234000；2.臨沂市科技館，山東臨沂276037；3.宿州學(xué)院信息工程學(xué)院，安徽宿州234000）

摘要：目前，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)成為信息領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，其不僅綜合了網(wǎng)絡(luò)、微電子以及傳感技術(shù)，同時(shí)涉及了嵌入式、無(wú)線通信、分布式計(jì)算處理等技術(shù).為了能夠更好地處理數(shù)據(jù)，感知環(huán)境信息，完善無(wú)線傳感器執(zhí)行器網(wǎng)絡(luò)已然成為一種必然趨勢(shì)，通過(guò)主動(dòng)地與監(jiān)測(cè)環(huán)境進(jìn)行交互，以全面完成任務(wù).本文分別介紹了帶執(zhí)行器的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)、無(wú)線傳感器執(zhí)行器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)、無(wú)線傳感器執(zhí)行器網(wǎng)絡(luò)協(xié)作機(jī)制、無(wú)線傳感器執(zhí)行器網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，本文的研究成果將為促進(jìn)無(wú)線傳感器技術(shù)的飛速發(fā)展與日益成熟指明研究方向.

關(guān)鍵詞:無(wú)線傳感器執(zhí)行器協(xié)作機(jī)制通信協(xié)議

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)也稱(chēng)WSA，是一種在監(jiān)測(cè)區(qū)域部署的，借助無(wú)線通信形成的自組織、多跳網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其包含大量的微型傳感器節(jié)點(diǎn)，能夠在有效協(xié)作下感知、采集以及處理信息.由于傳感器節(jié)點(diǎn)具有能量、通信能力以及計(jì)算資源有限的特點(diǎn)，所以為了更好地實(shí)施監(jiān)測(cè)、控制以及執(zhí)行，可設(shè)法在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中增加部分特殊節(jié)點(diǎn)，構(gòu)建出無(wú)線傳感器執(zhí)行器網(wǎng)絡(luò)體系，以便加強(qiáng)與環(huán)境交互的作用效果.

1　帶執(zhí)行器的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)

近年來(lái)，電子器件與無(wú)線通信技術(shù)得到了快速發(fā)展，其逐漸從實(shí)驗(yàn)室研究走向了工業(yè)應(yīng)用.雖然無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的成本低廉，靈活構(gòu)造已引起各界的廣泛關(guān)注，但是，由于無(wú)線傳感器具有節(jié)點(diǎn)較小的特點(diǎn)，其能量供給受到了極大的限制，這為能耗性以及硬件設(shè)計(jì)提出了新的挑戰(zhàn).目前，無(wú)線傳感器在實(shí)際工程中的應(yīng)用還存在一類(lèi)特殊的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，需要在傳感器節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)環(huán)境變化的基礎(chǔ)上，利用執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)控制環(huán)境，但是由于執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)是一個(gè)具有較強(qiáng)計(jì)算能力以及充足能量供給的系統(tǒng)，而傳感器節(jié)點(diǎn)卻是受到計(jì)算能力以及能量供給限制的嵌入式系統(tǒng)，所以，應(yīng)將帶執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)從一般無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中獨(dú)立出來(lái)并運(yùn)行.而在設(shè)計(jì)系統(tǒng)通信協(xié)議時(shí)，充分利用執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)的計(jì)算以及通信能力，最大限度地降低傳感器節(jié)點(diǎn)的能量消耗部分，進(jìn)而能夠延長(zhǎng)傳感網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的時(shí)間.

在匯聚節(jié)點(diǎn)的協(xié)助下，一般無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)能夠完成執(zhí)行器動(dòng)作以及傳感器檢測(cè)的功能.首先，傳感器節(jié)點(diǎn)檢測(cè)作用區(qū)域事件，利用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)將事件的相關(guān)消息傳遞給匯聚節(jié)點(diǎn)，由匯聚節(jié)點(diǎn)對(duì)消息進(jìn)行分析、判斷以及決策；其次，按照?qǐng)?zhí)行器節(jié)點(diǎn)的拓?fù)浞植?，合理選擇執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)，發(fā)出具體的動(dòng)作指令；最后，借助無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的總體指導(dǎo)，使執(zhí)行器完成對(duì)應(yīng)的功能動(dòng)作.帶執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)對(duì)于相同功能的實(shí)現(xiàn)過(guò)程有所出入，其在傳感器檢測(cè)后，立即將消息輸送給鄰近執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)，由執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)自行分析、決策，最后在決定是否發(fā)起動(dòng)作的同時(shí)，將事件發(fā)送到匯聚節(jié)點(diǎn)，進(jìn)行整體分析與紀(jì)錄.不難發(fā)現(xiàn)，帶執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在解決方案方面的優(yōu)勢(shì)更為突出，其不僅具有較好的系統(tǒng)實(shí)時(shí)性能以及傳感器節(jié)點(diǎn)節(jié)能性，同時(shí)傳感器網(wǎng)絡(luò)具有較小的流量，減弱了網(wǎng)絡(luò)通信沖突與匯聚節(jié)點(diǎn)負(fù)載.

2　無(wú)線傳感器執(zhí)行器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)

在無(wú)線傳感器執(zhí)行器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)中存在匯聚節(jié)點(diǎn)、傳感器以及執(zhí)行器三種類(lèi)型的節(jié)點(diǎn).匯聚節(jié)點(diǎn)部分主要負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)整體的協(xié)調(diào)，通過(guò)匯總與采集信息數(shù)據(jù)，進(jìn)而能夠?qū)崿F(xiàn)與執(zhí)行器、傳感器節(jié)點(diǎn)的遠(yuǎn)距離通信；傳感器節(jié)點(diǎn)主要是依托于采集系統(tǒng)所在的環(huán)境中的有效數(shù)據(jù)；執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)不僅能夠補(bǔ)充數(shù)據(jù)的采集內(nèi)容，還能夠在其判斷的基礎(chǔ)上去執(zhí)行了相應(yīng)的條件動(dòng)作，去進(jìn)而處理了監(jiān)測(cè)相應(yīng)的消息、問(wèn)題.能夠在需要判斷的基礎(chǔ)上執(zhí)行相關(guān)動(dòng)作，及時(shí)處理監(jiān)測(cè)的事件消息.

一般地，依據(jù)不同的任務(wù)處理方式，無(wú)線傳感器執(zhí)行器網(wǎng)絡(luò)具有兩種基本的體系結(jié)構(gòu).一種為全自動(dòng)結(jié)構(gòu)，其利用傳感節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，而后向臨近的執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)輸送信息內(nèi)容，由其根據(jù)相關(guān)信息進(jìn)行分析，并執(zhí)行了相應(yīng)的任務(wù)，所以其又可稱(chēng)為無(wú)控制中心結(jié)構(gòu).

另外一種則為半自動(dòng)結(jié)構(gòu)，其首先需要將事件消息路由至匯聚節(jié)點(diǎn)，然后由匯聚節(jié)點(diǎn)向執(zhí)行器發(fā)布指令，指揮執(zhí)行器執(zhí)行相關(guān)任務(wù)，其也可稱(chēng)為有控制中心結(jié)構(gòu).

以上兩種結(jié)構(gòu)都能夠呈現(xiàn)出屬于自己的優(yōu)勢(shì)：首先，系統(tǒng)的半自動(dòng)結(jié)構(gòu)與一般無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)十分相似，所以其無(wú)需開(kāi)發(fā)全新的通信協(xié)議以及算法，應(yīng)用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中已經(jīng)研發(fā)的算法與協(xié)議便可以解決運(yùn)行問(wèn)題.而全自動(dòng)結(jié)構(gòu)則具有延時(shí)低與更長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)壽命的優(yōu)點(diǎn).一方面，傳感器的采集信息直接被傳送給執(zhí)行節(jié)點(diǎn)，而無(wú)需繞路向匯聚節(jié)點(diǎn)傳送，大大縮短了傳輸途徑，提高了傳輸效率.另一方面，全自動(dòng)結(jié)構(gòu)并沒(méi)有像半自動(dòng)結(jié)構(gòu)一樣，存在一定的匯聚節(jié)點(diǎn)能量空洞，所以其具有更長(zhǎng)的網(wǎng)絡(luò)壽命.在無(wú)線傳感器執(zhí)行器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)中，匯聚節(jié)點(diǎn)可以被我們當(dāng)作一種特殊的執(zhí)行器，能夠依托于單跳或多跳路由與其他執(zhí)行器建立有效連接，進(jìn)而直接參與分配任務(wù).研究無(wú)線傳感器執(zhí)行器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)能夠更好理清各節(jié)點(diǎn)間的關(guān)聯(lián)，在促進(jìn)無(wú)線傳感器技術(shù)成熟方面具有重要意義.

3　無(wú)線傳感器執(zhí)行器網(wǎng)絡(luò)協(xié)作機(jī)制

在無(wú)線傳感器執(zhí)行器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，各個(gè)節(jié)點(diǎn)的通信半徑、信息探測(cè)范圍以及計(jì)算能力等均是有限的，再加上節(jié)點(diǎn)的分布式特性，使得無(wú)線傳感器執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)的控制不能由人員直接負(fù)責(zé)，而必須協(xié)調(diào)各節(jié)點(diǎn)行為，在保持高度一致性下，能夠?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的總體功能目標(biāo).對(duì)于無(wú)線傳感器執(zhí)行器網(wǎng)絡(luò)協(xié)作機(jī)制的設(shè)計(jì)，一般需要注意以下三點(diǎn)：首先，均衡各節(jié)點(diǎn)負(fù)擔(dān)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)延長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)資源利用的最大化.其次，注重實(shí)時(shí)性的塑造.執(zhí)行器應(yīng)能實(shí)現(xiàn)各類(lèi)任務(wù)的快速響應(yīng)，特別是實(shí)現(xiàn)機(jī)器人自主攻擊以及目標(biāo)追蹤等具有很高實(shí)時(shí)性的任務(wù).最后，事件消息必須要具備準(zhǔn)確性.因?yàn)橐坏﹩我粋鞲衅鱾魉偷男畔⒋嬖诟兄^(qū)等問(wèn)題，那么協(xié)作機(jī)制則需要及時(shí)借助信息融合、多維感知等技術(shù)實(shí)現(xiàn)事件的精確報(bào)告.

目前，學(xué)術(shù)界已進(jìn)行了大量的無(wú)線傳感器執(zhí)行器網(wǎng)絡(luò)協(xié)作機(jī)制的研究，我們能夠知道無(wú)線傳感器執(zhí)行器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間存在著傳感器與傳感器、傳感器與執(zhí)行器以及執(zhí)行器與執(zhí)行器三種類(lèi)型的協(xié)作通信，由于這些傳感器節(jié)點(diǎn)間的協(xié)作在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中已有大量研究，所以以下將就兩種協(xié)作方式進(jìn)行分析.

首先，傳感器-執(zhí)行器協(xié)作，其一般涉及單執(zhí)行器與多執(zhí)行器兩種.單執(zhí)行器，簡(jiǎn)言之就是只具備一個(gè)接收事件區(qū)信息執(zhí)行器的機(jī)制；多執(zhí)行器則具備多個(gè)接收事件區(qū)信息執(zhí)行器.單執(zhí)行器中并不存在相互協(xié)調(diào)的執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)，其一般根據(jù)事件區(qū)域與執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)的距離、作用范圍與執(zhí)行器能力等因素選擇節(jié)點(diǎn)，所以其需要復(fù)雜地分布式協(xié)調(diào)事件區(qū)中的傳感器節(jié)點(diǎn)，造成傳感器節(jié)點(diǎn)耗能較大.而多執(zhí)行器中由傳感器節(jié)點(diǎn)決定數(shù)據(jù)目的執(zhí)行器，雖然可以不必協(xié)調(diào)傳感器節(jié)點(diǎn)，但是卻也增加了不必要執(zhí)行器的激活率，其有必要借助分簇方法使傳感器將各自事件區(qū)的數(shù)據(jù)能夠去將各個(gè)節(jié)點(diǎn)去傳送到自己的執(zhí)行器內(nèi)，進(jìn)而解決過(guò)多執(zhí)行器被激活的問(wèn)題.其次，執(zhí)行器一執(zhí)行器協(xié)作.在此操作中，依據(jù)任務(wù)分配形式也可以分為單一執(zhí)行器任務(wù)與多執(zhí)行器任務(wù).一般情況下，執(zhí)行器可根據(jù)任務(wù)的類(lèi)型、復(fù)雜度以及發(fā)生地點(diǎn)等客觀因素決定任務(wù)執(zhí)行方式.單一執(zhí)行器協(xié)作在任務(wù)執(zhí)行時(shí)無(wú)需與其他執(zhí)行器進(jìn)行通信，所以其所用時(shí)間較短；而多執(zhí)行器任務(wù)狀態(tài)下，各執(zhí)行器需要協(xié)調(diào)合作，依據(jù)事件動(dòng)態(tài)變化及時(shí)調(diào)整執(zhí)行器行為，但是與此同時(shí)也增加了通信與計(jì)算負(fù)載，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)延遲的出現(xiàn).盡管協(xié)作機(jī)制的研究已有一定的歷程，但是大多研究還處于理論階段，為了更好地突出協(xié)作機(jī)制的效用，進(jìn)一步研究無(wú)線傳感器執(zhí)行器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)多點(diǎn)協(xié)作問(wèn)題具有重要的現(xiàn)實(shí)意義.

4　無(wú)線傳感器執(zhí)行器網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議

無(wú)線傳感器執(zhí)行器網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議共分為管理面、通信面與協(xié)作面三個(gè)層次.管理面主要進(jìn)行功率、移動(dòng)以及容錯(cuò)管理，其在負(fù)責(zé)監(jiān)控執(zhí)行器或者傳感器節(jié)點(diǎn)的基礎(chǔ)上向協(xié)作面輸送必要的節(jié)點(diǎn)信息.通信面具體而言，即為通信協(xié)議棧，一般包括物理、MAC、路由、傳輸以及應(yīng)用五個(gè)層次，其能夠?yàn)闊o(wú)線傳感器執(zhí)行器網(wǎng)絡(luò)提供必要的通信功能.協(xié)作面則主要處理由通訊面與管理面接收的信息，決定節(jié)點(diǎn)動(dòng)作.在充分考慮網(wǎng)絡(luò)異構(gòu)特性的基礎(chǔ)上，無(wú)線傳感器執(zhí)行器網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議的設(shè)計(jì)將主要強(qiáng)調(diào)底層通信標(biāo)準(zhǔn)、路由層以及傳輸控制層三個(gè)方面.首先，底層通信標(biāo)準(zhǔn).目前，在無(wú)線傳感器執(zhí)行器網(wǎng)絡(luò)中底層通信大多使用IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，其主要描述了媒體接入控制以及低速率無(wú)線個(gè)人局域網(wǎng)物理層規(guī)范.盡管該標(biāo)準(zhǔn)在能量消耗上占有一定優(yōu)勢(shì)，但是其在數(shù)據(jù)輸送速率方面還未能完全滿足無(wú)線傳感器執(zhí)行器網(wǎng)絡(luò)的要求，所以，已經(jīng)開(kāi)始有研究者向傳輸速率更高的IEEE 802.1l技術(shù)探索，以便更好地拓寬無(wú)線傳感器執(zhí)行器網(wǎng)絡(luò)在實(shí)際中的應(yīng)用范圍.其次，路由層協(xié)議.作為通信協(xié)議研究的熱點(diǎn)之一，路由協(xié)議主要解決無(wú)線傳感器執(zhí)行器網(wǎng)絡(luò)兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間缺失直接通信的問(wèn)題，其能夠?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)絡(luò)層信息的多跳中繼.因?yàn)闊o(wú)線傳感器執(zhí)行器網(wǎng)絡(luò)具有異構(gòu)特性，所以路由協(xié)議應(yīng)當(dāng)發(fā)展為滿足傳感器與傳感器、傳感器與執(zhí)行器、執(zhí)行器與執(zhí)行器三種形式的混合路由.最后，傳輸控制.經(jīng)由傳感器收集的事件信息需要有效按時(shí)地輸送給執(zhí)行器，而執(zhí)行器也必須保證在協(xié)同工作時(shí)所交換信息的可靠準(zhǔn)確性，所以在傳輸控制方面要求網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行端到端的可靠服務(wù)十分重要.不過(guò)，傳感器節(jié)點(diǎn)受到計(jì)算、能量、存儲(chǔ)等資源的限制，使得研究的大多協(xié)議還不能完全滿足無(wú)線傳感器執(zhí)行器網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性以及安全性要求，對(duì)比實(shí)際應(yīng)用的需求也還有一段距離.

5　結(jié)語(yǔ)

總之，當(dāng)前無(wú)線傳感器執(zhí)行器網(wǎng)絡(luò)的研究還有很多需要完善的地方.無(wú)論是完善任務(wù)協(xié)作機(jī)制以及支持動(dòng)態(tài)拓?fù)渑c實(shí)時(shí)傳輸?shù)耐ㄐ艆f(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，還是修復(fù)因拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化、網(wǎng)絡(luò)間歇連通造成的任務(wù)盲區(qū)，均是無(wú)線傳感器執(zhí)行器網(wǎng)絡(luò)的研究重點(diǎn)，其進(jìn)一步的探索任務(wù)仍然任重而道遠(yuǎn).與此同時(shí)，由于無(wú)線傳感器執(zhí)行器網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際應(yīng)用涉及多個(gè)行業(yè)，其需要根據(jù)不同的應(yīng)用研究具體的硬件、軟件系統(tǒng)以及網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，以便讓系統(tǒng)更好地貼近實(shí)際，實(shí)現(xiàn)高效低能的目標(biāo)系統(tǒng).

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基金項(xiàng)目：宿州學(xué)院校級(jí)項(xiàng)目（2013yyb02）

收稿日期：2015年11月17日

中圖分類(lèi)號(hào)：TP393

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1673-260X（2016）01-0038-02