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浅谈无线传感器网络

浅谈无线传感器网络

要做到目视千里,耳听八方是人类长久的梦想,现代卫星技术的出现虽然使人们离这目标又进了一步,但卫星高高在上,洞察全局在行,明察细微就不管用了。这个时候,本文的主角—无线传感器网络就排上用场了。将大量的传感器节点遍撒指定区域,数据通过无线电波传回监控中心,监控区域内的所有信息就会尽收观察者的眼中了。

军用转民用的典范

无线传感器网络的构想最初是由美国军方提出的,美国国防部高级研究所计划署(DARPA)于1978年开始资助卡耐基-梅隆大学进行分布式传感器网络的研究,这被看成是无线传感器网络的雏形。从那以后,类似的项目在全美高校间广泛展开,著名的有UC Berkeley的Smart Dust项目,UCLA的WINS项目,以及多所机构联合攻关的SensIT计划,等等。在这些项目取得进展的同时,其应用也从军用转向民用。在森林火灾、洪水监测之类的环境应用中,在人体生理数据监测、药品管理之类的医疗应用中,在家庭环境的智能化应用以及商务应用中都已出现了它的身影。目下,无线传感器网络的商业化应用也已逐步兴起。美国Crossbow公司就利用Smart Dust项目的成果开发出了名为Mote的智能传感器节点,还有用于研究机构二次开发的MoteWorkTM开发平台。这些产品都很受使用者的欢迎。

组成和特点

无线传感器网络可以看成是由数据获取网络、数据分布网络和控制管理中心三部分组成的。其主要组成部分是集成有传感器、数据处理单元和通信模块的节点,各节点通过协议自组成一个分布式网络,再将采集来的数据通过优化后经无线电波传输给信息处理中心。

因为节点的数量巨大,而且还处在随时变化的环境中,这就使它有着不同于普通传感器网络的独特“个性”。首先是无中心和自组网特性。在无线传感器网络中,所有节点的地位都是平等的,没有预先指定的中心,各节点通过分布式算法来相互协调,在无人值守的情况下,节点就能自动组织起一个测量网络。而正因为没有中心,网络便不会因为单个节点的脱离而受到损害。

其次是网络拓扑的动态变化性。网络中的节点是处于不断变化的环境中,它的状态也在相应地发生变化,加之无线通信信道的不稳定性,网络拓扑因此也在不断地调整变化,而这种变化方式是无人能准确预测出来的。

第三是传输能力的有限性。无线传感器网络通过无线电波进行数据传输,虽然省去了布线的烦恼,但是相对于有线网络,低带宽则成为它的天生缺陷。同时,信号之间还存在相互干扰,信号自身也在不断地衰减,诸如此类。不过因为单个节点传输的数据量并不算大,这个缺点还是能忍受的。

第四是能量的限制。为了测量真实世界的具体值,各个节点会密集地分布于待测区域内,人工补充能量的方法已经不再适用。每个节点都要储备可供长期使用的能量,或者自己从外汲取能量(太阳能)。

第五是安全性的问题。无线信道、有限的能量,分布式控制都使得无线传感器网络更容易受到攻击。被动窃听、主动入侵、拒绝服务则是这些攻击的常见方式。因此,安全性在网络的设计中至关重要。

下面,我们将会从几个方面来具体地介绍无线传感器网络。

● 物理层技术

无线传感器网络是一个开放系统互联,按照国际标准化组织(ISO)的规定,为数据流传输所需的物理连接的建立、维护和释放提供的机械的、电气的、功能和规程性的模块就叫做物理层。从这个定义可以看出,物理层需要承担为数据终端提供数据传输通路、传输数据和完成管理工作的职责。具体到无线传感器网络就是介质的选择、频段的选择、调制技术以及扩频技术。因为是无线网络,传输介质自然要选电磁波了。不过,源信号要依靠电磁波传输必需要通过调制技术变成高频信号,当抵达接受端时,又通过解调技术还原成原始信号。目前采用的调制方法分为模拟调制和数字调制两种。它们的区别就在于调制信号所用的基带信号的模式不同而已(一为数字,一为模拟)。

信号仅经过调制是不行的,还需要进行扩频。扩频,顾名思义,就是将待传输数据进行频谱扩展的技术。它的好处是:增强了抗干扰能力,可进行多地址通信,保密性提高。常见的扩频技术包括直接序列扩频、跳频、跳时以及线性调频。

在物理层面上,无线传感器网络遵从的主要是IEEE 802.15.4标准。依照此标准,物理层主要进行如下工作:激活和去活无线收发器,检测当前信道的能量,发送指示,信道频率的选择,数据发送与接收。

IEEE 802.15.4标准规划了几个工作频段。其中,2.4GHz频段的物理层可提供250Kb/s的数据传输率,适用于高吞吐量、低延时或低作业周期的场合;工作在869/915MHz频段的物理层则能提供20Kb/s的数据传输率,适用于低速率、高灵敏度和大覆盖面积的场合。

依据IEEE 802.15.4标准的协议被称为Zigbee,其传输带宽虽然没有Wi-Fi和Blue Tooth大,但是能耗较低,非常适合无线传感器网络。

● MAC层协议

信号的传输要靠信道,因此信道也就成为了一种宝贵的资源。怎样合理有效的分配信道,就是数据链路层中的MAC子层要解决的问题了。

无线传感器网络经常使用的有三种MAC协议:传感器协议(S-MAC),分布式能量意识协议(DE-MAC)和协调设备协议。S-MAC协议通过调配节点的休眠方式来有效地分配信道;DE-MAC则采用周期性监听和休眠机制,避免空闲监听和串音,其目的是减少能耗和增加网络的生存周期;MD协议则能为大规模、低占空比运行的节点提供了不需要高精度时钟的可靠通信。

总体来说,无线传感器网络的MAC协议在分配信道的同时还要保证系统的能耗最低。

● 路由

在具备底层传输协议的保障后,信息怎样快速地从源传输到目的地就是由路由协议来解决了。简单来说,路由要实现两个基本功能:确定最佳路径和通过网络传输信息。数据传输的途径存于路由表,由路由算法初始化并负责维护。

无线传感器网络与普通的网络不同,它有自己的特点:比如能量受限,通信方式以数据为中心,相邻节点的数据有着相似性,拓扑结构也在不断的变化等。与此对应,常规网络的路由并不一定能适应无线传感器网络。

下面来介绍几种常见的路由协议:

1 泛洪式路由。这是一种非常传统的路由协议。泛洪式路由不进行维护网络拓扑和相关路由计算,只负责以广播形式转发数据包,因此效率并不高。

2  SPIN。SPIN是一组基于协商并且具有能量自适应功能的协议。节点之间通过协商来确定是否有发送信号的必要,并实时监控网络中的能量负载来改变工作模式。以上两种协议都是平面路由协议,依照这种协议,节点并不进行分区归类。

3  LEACH。LEACH是一种分层网络协议,它以循环的方式随机选择簇首节点,将全网络的能量负载平均分配到每个传感器节点,从而达到降低网络能源消耗的目的。这里要解释一下簇,簇是分层路由协议的概念,根据分层路由协议,网络被划分成不同簇,每一个簇由一个簇首和簇成员组成,多个簇首形成高级的网络,簇首节点不仅负责其辖下簇内信息的收集和融合处理,还负责簇之间数据的转发。

4  PEGASIS。PEGASIS可谓LEACH的升级版本。按照其规定,只有最为邻近的节点才相互通信,节点与汇聚点轮流通信,当所有的节点都与汇聚点通信后,节点再进行新一回合的轮流通信。

● 能量管理

能耗是无线传感器网络所面临的最大问题,因为节点长期处于无人值守的状况下,有效的能耗策略必不可少。

目前最常使用的策略是休眠机制,即在节点空闲时,使其处于休眠状态,此时其能耗降到最低。但是休眠的节点在转回正常状态的时候,往往会消耗大量的能量,因此寻找合理的状态转换策略是确保休眠机制成功的关键。

数据融合是另一项节能技术。多个邻近节点经常会采集同样的信息,发送这些冗余信息就给系统增加了不必要的负担。因此,通过本地计算和筛选,确保发送出最有效的信息就是数据融合的任务。

其他能量管理策略还有冲突避免和纠错以及多跳短距离通信,这里不再一一叙述。

● 软件的支持

无线传感器网络也有一个属于自己的操作系统—TinyOS。这个系统不同于传统意义上的操作系统,它更像一个编程构架,在此构架下,搭配一组必要的组件,就能方便地编译出面向特定应用的操作系统。

TinyOS由众多组件组成,包括了主组件、应用组件、执行组件、传感组件、通信组件和硬件抽象组件。每一个组件在其内部都封装了命令处理程序和事件处理程序,它们通过接口声明所调用的命令和将要触发的事件。调度器则负责根据任务的轻重缓急来安排系统的工作。

Crossbow公司生产的MICA传感器平台上就使用了TinyOS系统。实践证明,其基本应用只占用很少的系统资源,能圆满的完成数据采集、处理和通信组网以及数据传输等任务。

商业化的应用

商业化的无线传感器产品中最常见的就是智能节点。前文也曾提到,UC Berkeley是无线传感器研究开展较早的美国高校。基于他们研发成果的无线传感器器件被称为Mote,这也是目前最为通用的一种无线传感器网络产品,是由Crossbow公司生产的。最基本的Mote组件是MICA系列处理器/无线模块,完全符合IEEE 802.15.4标准。最新型的MICA2可以工作在868/916、433和315MHz三个频带,数据速率为40Kb/s,通信范围可达1000英尺。其配备了128KB的编程用闪存和512KB的测量用闪存,4KB的EEPROM,串行通信接口为UART模式。

相对于终端节点,商用无线传感器网络系统并不算多。Crossbow的MEP系列就是其中之一。这是一种小型的终端用户网络,主要用来进行环境参数的检测。该系统包括了2个MEP410环境传感器节点,4个MEP510湿度/温度传感器节点,1个MBR410串行网关和MoteView 显示和分析软件。整个系统采用了TrueMeshTM拓扑结构,非常便于用户安装和使用。类似的产品还有Microstrain公司的X-Link 测量系统等。

从应用的情况来看,北美的状况最好,在楼宇自动化、环境监控等方面,无线传感器网络已经开始大展拳脚。但对于中国来说,市场还处于起步阶段,产品应用最多的场合一般是科研机关和大学,多为研究之用。不过,根据相关公司的预测,离无线传感器网络市场起飞的时间也不会太远了。只要这个新技术被社会普遍接受,市场就会以惊人的速度来扩张。

后记

本文介绍的都是一些常见的无线传感器网络的概念。实际上,要想论述这个新兴技术的全貌,不用一本专著的篇幅是不够的。这个融合了通信、网络、微电子等众多学科精华的新技术有着无限的潜能,要想真正开发它,恐怕就要依靠广大的应用开发人员充分发挥自己的想象力了。

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