【文章內(nèi)容簡介】 9 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)概述 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu) 1．無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu) 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖 1． 1所示，傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)通常包括傳感器節(jié)點(diǎn)(Sensornode)、匯聚節(jié)點(diǎn) (Sink node，也稱網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn) )和管理節(jié)點(diǎn)。大量 傳感器節(jié)點(diǎn)隨機(jī)散布在指定的監(jiān)測區(qū)域 (Sensor field)內(nèi)部或附近，通過自組織方式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)。每個傳感器節(jié)點(diǎn)都可以收集數(shù)據(jù)，并通過。多跳”路由方式把數(shù)據(jù)傳送到 Sink節(jié)點(diǎn) [3]。 Sink節(jié)點(diǎn)也可以用同樣的方式將信息發(fā)送給各節(jié)點(diǎn)。 Sink節(jié)點(diǎn)直接與 Inter或通信衛(wèi)星相連，通過 Inter或通信衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)任務(wù)管理節(jié)點(diǎn) (觀察者 )與傳感器之間的通信。 圖 1． 1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu) 從本質(zhì)上來說，傳感器節(jié)點(diǎn)是一個微型化的嵌入式系統(tǒng) ，由電池提供能量，具有有限的計算、存儲、通信能力，節(jié)點(diǎn)的通信距離也 比較短，一般只與其緊鄰的節(jié)點(diǎn)交換信息，通過多跳的方式傳輸數(shù)據(jù)。因此，節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中兼顧傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的終端和路由器雙重功能，除了進(jìn)行本地數(shù)據(jù)采集和處理外，還要與其他節(jié)點(diǎn)協(xié)作進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲、融合等處理。相對而言， sink節(jié)點(diǎn)的計算、存儲、通信能力較強(qiáng)，可以是特殊的網(wǎng)關(guān)設(shè)備，它實(shí)現(xiàn)了傳感器網(wǎng)絡(luò)和外部網(wǎng)絡(luò)的互重慶郵電大學(xué)移通學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 10 連，實(shí)現(xiàn)兩種協(xié)議棧之間的通信協(xié)議轉(zhuǎn)換，同時發(fā)布管理節(jié)點(diǎn)的監(jiān)測任務(wù)，并把手機(jī)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到外部網(wǎng)絡(luò)上。 2．無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu) 傳感器節(jié)點(diǎn)由傳感器模塊、處理器模塊、無線通信模塊和能量供應(yīng)模塊四部分組 成 ，如圖 1． 2所示。傳感器模塊負(fù)責(zé)監(jiān)測區(qū)域內(nèi)信息的采集和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，包括傳感器和模／數(shù)轉(zhuǎn)換器兩部分，傳感器用于感知、獲取外界的信息，并通過模／數(shù)轉(zhuǎn)換器將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，被監(jiān)測物理信號的形式?jīng)Q定了傳感器的類型。處理器模塊負(fù)責(zé)控制整個傳感器節(jié)點(diǎn)的操作，存儲和處理本身采集的數(shù)據(jù)以及其它節(jié)點(diǎn)發(fā)來的數(shù)據(jù)，它包括嵌入式微處理器、存儲器，某些復(fù)雜應(yīng)用可能還需要嵌入式 DsP的支持，傳感器節(jié)點(diǎn)通常選用的嵌入式微處理器如 Atmel公 ATmegal28L， Motor01a的 68Hcl6， A腳等。無線通信模塊負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)傳輸和與其他傳感器或觀察者 的通信，主要由低功耗、短距離的無線通信模塊及天線組成，比如 Chipcon公司的 ccl000等。能量供應(yīng)模塊為傳感器提供正常工作所必需的能源，通常采用微型電池。 圖 1． 2傳感器節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 3．無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)軟件構(gòu)成 傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件為傳感器提供必要的軟件支持，如嵌入式操作系統(tǒng)、嵌入式數(shù)據(jù)庫、編譯開發(fā)環(huán)境及應(yīng)用軟件等。 Tiny0S(Tiny Mcro threading 0perating System)是由加州大學(xué)伯克利分校開發(fā)的～個開源的嵌入式操作系統(tǒng)，主要應(yīng)用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò) 領(lǐng)域。主要特點(diǎn)是：基于組件 (onent— Based)的架構(gòu)并提供一系列的可重用組件；基于重慶郵電大學(xué)移通學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 11 事件驅(qū)動模式，采用事件觸發(fā)去喚醒傳感器工作；支持傳感器網(wǎng)絡(luò)的自主配置；無內(nèi)核、進(jìn)程管理和虛擬內(nèi)存管理；與硬件完全集成。 編譯環(huán)境方面， nesC是對 c的擴(kuò)展，它基于體現(xiàn) TinyOS的結(jié)構(gòu)化概念和執(zhí)行模型而設(shè)計。 Tinyos中的各組件、庫是用 nesC編寫的。在 nesC中，程序由組件(ponents)構(gòu)成，它們裝配在一起 (wired)構(gòu)成完整程序。 nesC目前已經(jīng)被用作伯克利大學(xué) Tiny0S的編程語言。 4．網(wǎng)絡(luò)協(xié) 議棧及其標(biāo)準(zhǔn) 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用價值在于用大量廉價的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行協(xié)同工作，因而協(xié)議棧的標(biāo)準(zhǔn)化工作顯得十分必要。 1998年 3月成立了 IEEE 802． 15[4]工作組，致力于 WPAN網(wǎng)絡(luò)的物理層和 MAC子層的標(biāo)準(zhǔn)化工作，為上述在個人操作空間(Personal0perating Space， POS)內(nèi)相互通信的設(shè)備提供一個統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。其中， IEEE 802． 15． 1就是著名的藍(lán)牙標(biāo)準(zhǔn)， 802． 15． 4則針對低速率的無線個人區(qū)域網(wǎng)絡(luò) (LowRate Wireless Personal Area Network， LR— WPAN)，目前許多商業(yè)化的傳感器節(jié)點(diǎn)逐步開始采用 802． 15． 4標(biāo)準(zhǔn)。 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)特征 1．與現(xiàn)有無線網(wǎng)絡(luò)的區(qū)別 傳統(tǒng)的無線網(wǎng)絡(luò)和 MANET(Mobile ad— hoc work)網(wǎng)絡(luò)都是以傳輸數(shù)據(jù)，完成通信為目的，中間節(jié)點(diǎn)僅僅負(fù)責(zé)分組數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)，它們注重在高度移動的環(huán)境中通過優(yōu)化路由和資源管理策略，最大化帶寬的利用率，同時為用戶提供一定的服務(wù)質(zhì)量。 而無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是以數(shù)據(jù)為中心 (Data— centric)，獲取信息為目的的，中間節(jié)點(diǎn)不但要轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，還要進(jìn)行與具體應(yīng)用相關(guān)的數(shù)據(jù)處 理、融合和緩存，除了少數(shù)節(jié)點(diǎn)可能移動外，大部分節(jié)點(diǎn)都是靜止的。無線傳感器跨絡(luò)有時運(yùn)行在惡劣甚至危險的遠(yuǎn)程環(huán)境中，傳感器節(jié)點(diǎn)的電池?zé)o法更新：即使無線傳感器網(wǎng)絡(luò)工作在友好的環(huán)境中，對數(shù)量巨大的傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行電池更換也是不現(xiàn)實(shí)的。因此設(shè)計有效的策略來延長網(wǎng)絡(luò)的生存壽命是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的核心問題，重慶郵電大學(xué)移通學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 12 能量效率的設(shè)計準(zhǔn)則貫徹在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的硬件、軟件、算法和協(xié)議等各個層面。這是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)最重要的區(qū)別之一。 2．無線傳感器節(jié)點(diǎn)的限制 [5] 1)電源能量有限 傳感器節(jié)點(diǎn)消耗能量的模塊包括傳感器模塊、處理器模塊 和無線通信模塊。隨著集成電路工藝的進(jìn)步，處理器和傳感器模塊的功耗變得很低，絕大部分能量消耗在無線通信模塊上。圖 1． 3表示傳感器節(jié)點(diǎn)能量消耗情況，從圖中可知傳感器節(jié)點(diǎn)的絕大部分能量消耗在無線通信模塊。傳感器節(jié)點(diǎn)傳輸信息時要比執(zhí)行計算時更消耗電能，傳輸 l比特信息 100m距離需要的能量大約相當(dāng)于執(zhí)行1000條計算指令消耗的能量。 圖 1． 3傳感器節(jié)點(diǎn)能量消耗情況 2)通信能力有限 無線通信能量的消耗與通信距離的關(guān)系為： E=Kdn 其中，參數(shù) n滿足關(guān)系 2n4。 n的取值與很多因素有關(guān)，例如傳感器節(jié)點(diǎn)部署貼近地面 時，障礙物多干擾大， n的取值就大；天線質(zhì)量對信號發(fā)射質(zhì)量的影響也很大。考慮諸多因素，通常 n取 3，隨著通信距離的增加，能耗將急劇增大。因此在滿足通信連通度的前提下盡量減少單跳通信距離。 3)計算和存儲能力有限 傳感器節(jié)點(diǎn)是一種微型嵌入式設(shè)備，要求它價格低功耗小，這些限制必然重慶郵電大學(xué)移通學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 13 導(dǎo)致其攜帶的處理器能力比較弱，存儲器容量比較小。傳感器節(jié)點(diǎn)需要完成監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集和轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)的管理和處理、應(yīng)答匯聚節(jié)點(diǎn)的請求和節(jié)點(diǎn)控制等多種工作，利用有限的計算和存儲資源完成諸多協(xié)同任務(wù)成為傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的挑戰(zhàn)。 3．無線傳感器網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn) 無 線傳感器網(wǎng)絡(luò)為中短距離、低速率網(wǎng)絡(luò)，射頻傳輸成本低，各節(jié)點(diǎn)只需要很少的能量，功耗小適于電池長期供電，可實(shí)現(xiàn)一點(diǎn)對多點(diǎn)，兩點(diǎn)問對等通信、快速組網(wǎng)自動配置、自動恢復(fù)和高級電源管理，任意個傳感器之間可相互協(xié)調(diào)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由于其使用目的以及要求不同，存在著許多特點(diǎn) [6]，列舉如下： 1)節(jié)點(diǎn)硬件資源有限。 在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)的計算能力與內(nèi)存空間受到種種限制，如價格、體積，最主要的是能耗，因此，相對于普通計算機(jī)，它們的功能要弱很多。在網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)采用電池作為能量來源，而由于其特殊的應(yīng)用領(lǐng)域，決定了電 池在使用過程中既不能接受充電也不能被更換，這就使得電池能量完全決定了節(jié)點(diǎn)的壽命。為此，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計方面一定要考慮最大限度節(jié)電，而軟件設(shè)計方面各層協(xié)議也要將節(jié)能置于重要地位，必要時甚至可以為節(jié)能而犧牲其他網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)，盡可能地提高節(jié)點(diǎn)的工作壽命，從而延長整個網(wǎng)絡(luò)的工作時間。 2)無中心和自組織性。 網(wǎng)絡(luò)中沒有嚴(yán)格的控制中心，一般情況下所有節(jié)點(diǎn)地位平等，屬于對等式網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)通過分布式算法來調(diào)節(jié)彼此的行為，無需人工干預(yù)和任何其它預(yù)置的網(wǎng)絡(luò)設(shè)施?？梢栽谌魏螘r刻任何地方快速展開并自動組網(wǎng)，加入網(wǎng)絡(luò)或從網(wǎng)絡(luò)中 分離也可以隨時發(fā)生，由于網(wǎng)絡(luò)的分布式特征、節(jié)點(diǎn)的冗余性和不存在單點(diǎn)故障瓶頸，使得網(wǎng)絡(luò)的魯棒性和抗毀性很好。 3)受限的無線傳輸帶寬。 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采用無線傳輸技術(shù)作為底層通信手段，由于無線信道本身的物理特性，它所能提供的網(wǎng)絡(luò)帶寬相對有線信道要低得多。此外，考慮到競爭共享無線信道產(chǎn)生的沖突、信號衰減、噪聲和重慶郵電大學(xué)移通學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 14 信道之間干擾等多種因素，節(jié)點(diǎn)終端得到的帶寬遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于理論上的最大帶寬。 4)多跳路由 。 由于網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的通信半徑有限，故要實(shí)現(xiàn)與更多的節(jié)點(diǎn)交換信息，就必須通過中間節(jié)點(diǎn)進(jìn)行路由。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由無法像固定網(wǎng)絡(luò) 一樣通過網(wǎng)關(guān)與路由器，而只能通過普通節(jié)點(diǎn)對信息的發(fā)送與轉(zhuǎn)發(fā)完成。 5)超大規(guī)模。 為了完成對物理世界高密度的感知，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)一般由成千上萬個微小傳感器構(gòu)成，比較無線自組網(wǎng)絡(luò)規(guī)模成數(shù)量級的提高。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)主要不是依靠單個設(shè)備能力的提升，而是通過大規(guī)模，冗余的嵌入式設(shè)備的協(xié)同工作來提高系統(tǒng)的可靠性和工作質(zhì)量。盡管在未來 5— 10年內(nèi)，具有計算、存儲、通信、感知能力的嵌入式設(shè)備 (節(jié)點(diǎn) )的體積可以小到 l舢 3，但單體的能力還十分有限。 6)動態(tài)變化的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹?網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是指從網(wǎng)絡(luò)層角度來看的物理網(wǎng)絡(luò)的邏輯 視圖。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)可以隨處移動，網(wǎng)絡(luò)中隨時可能發(fā)生節(jié)點(diǎn)加入或退出網(wǎng)絡(luò)的事件，加之無線信道間的互相干擾、地形和天氣等綜合因素的影響，會使網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)隨時發(fā)生變化，而且變化的方式和速度都難以預(yù)測。 7)無人值守。 傳感器的應(yīng)用與物理世界緊密聯(lián)系，傳感器節(jié)點(diǎn)往往密集的分布在需要監(jiān)控的物理環(huán)境之中。由于規(guī)模巨大，不可能人工“照顧”每個節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)往往在無人值守的狀態(tài)下工作。每個節(jié)點(diǎn)只能依靠自帶或自主獲取的能源 (電池、太陽能 )供電。由此導(dǎo)致的能源受限是阻礙無線傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)展及應(yīng)用的最重要的“瓶頸”之一。 8)易受物理環(huán)境的影響 —— 動態(tài)性強(qiáng)。 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與其所在的物理環(huán)境密切相關(guān)，并隨著環(huán)境的變化而不斷的變化。這些時變因素嚴(yán)重的影響了系統(tǒng)的性能，如低能耗的無線通信易受環(huán)境的影響；外界激勵變化導(dǎo)致的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載和運(yùn)行規(guī)模的動態(tài)變化；隨著能量的消耗，系統(tǒng)工作狀態(tài)的變化都要求傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)要具有對動態(tài)變化環(huán)境的適應(yīng)性。 重慶郵電大學(xué)移通學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 15 1． 2． 3 關(guān)鍵技術(shù)與研究熱點(diǎn)問題 作為一種新興的網(wǎng)絡(luò)形態(tài)，同時又是傳感技術(shù)、通信技術(shù)、微機(jī)電 (MEMS，Micro_E1ectroMechanism system)技術(shù)，嵌入式技術(shù)、分布式計算技術(shù)等 多學(xué)科交叉 的 領(lǐng)域，傳感器網(wǎng)絡(luò)一經(jīng)提出便引起了多方面的關(guān)注，這也意味著有眾多關(guān)鍵技術(shù)與熱點(diǎn)問題有待研究 [7]。 1．傳感器節(jié)點(diǎn)的定位問題 傳感器節(jié)點(diǎn)的部署大部分采用隨機(jī)部署的方法，因?yàn)樗鼣?shù)目眾多，考慮到費(fèi)用問題，每個節(jié)點(diǎn)都帶有定位系統(tǒng)是不可能的。定位是大多數(shù)應(yīng)用的基礎(chǔ)，目前主要的研究方向是如何利用少數(shù)錨節(jié)點(diǎn)提供的位置信息和其他節(jié)點(diǎn)的通信之間的約束 (鄰居節(jié)點(diǎn)之間無線通信半徑 )，未知節(jié)點(diǎn)估算出自身的位置。另一個