淺談無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

軍用轉(zhuǎn)民用的典范

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)想最初是由美國軍方提出的,美國國防部高級研究所計(jì)劃署（DARPA）于1978年開始資助卡耐基－梅隆大學(xué)進(jìn)行分布式傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究,這被看成是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的雛形。從那以后,類似的項(xiàng)目在全美高校間廣泛展開,著名的有UC Berkeley的Smart Dust項(xiàng)目,UCLA的WINS項(xiàng)目,以及多所機(jī)構(gòu)聯(lián)合攻關(guān)的SensIT計(jì)劃,等等。在這些項(xiàng)目取得進(jìn)展的同時(shí),其應(yīng)用也從軍用轉(zhuǎn)向民用。在森林火災(zāi)、洪水監(jiān)測之類的環(huán)境應(yīng)用中,在人體生理數(shù)據(jù)監(jiān)測、藥品管理之類的醫(yī)療應(yīng)用中,在家庭環(huán)境的智能化應(yīng)用以及商務(wù)應(yīng)用中都已出現(xiàn)了它的身影。目下,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的商業(yè)化應(yīng)用也已逐步興起。美國Crossbow公司就利用Smart Dust項(xiàng)目的成果開發(fā)出了名為Mote的智能傳感器節(jié)點(diǎn),還有用于研究機(jī)構(gòu)二次開發(fā)的MoteWorkTM開發(fā)平臺(tái)。這些產(chǎn)品都很受使用者的歡迎。

組成和特點(diǎn)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以看成是由數(shù)據(jù)獲取網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)分布網(wǎng)絡(luò)和控制管理中心三部分組成的。其主要組成部分是集成有傳感器、數(shù)據(jù)處理單元和通信模塊的節(jié)點(diǎn),各節(jié)點(diǎn)通過協(xié)議自組成一個(gè)分布式網(wǎng)絡(luò),再將采集來的數(shù)據(jù)通過優(yōu)化后經(jīng)無線電波傳輸給信息處理中心。

因?yàn)楣?jié)點(diǎn)的數(shù)量巨大,而且還處在隨時(shí)變化的環(huán)境中,這就使它有著不同于普通傳感器網(wǎng)絡(luò)的獨(dú)特“個(gè)性”。首先是無中心和自組網(wǎng)特性。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中,所有節(jié)點(diǎn)的地位都是平等的,沒有預(yù)先指定的中心,各節(jié)點(diǎn)通過分布式算法來相互協(xié)調(diào),在無人值守的情況下,節(jié)點(diǎn)就能自動(dòng)組織起一個(gè)測量網(wǎng)絡(luò)。而正因?yàn)闆]有中心,網(wǎng)絡(luò)便不會(huì)因?yàn)閱蝹€(gè)節(jié)點(diǎn)的脫離而受到損害。

其次是網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞膭?dòng)態(tài)變化性。網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)是處于不斷變化的環(huán)境中,它的狀態(tài)也在相應(yīng)地發(fā)生變化,加之無線通信信道的不穩(wěn)定性,網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湟虼艘苍诓粩嗟卣{(diào)整變化,而這種變化方式是無人能準(zhǔn)確預(yù)測出來的。

第三是傳輸能力的有限性。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通過無線電波進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,雖然省去了布線的煩惱,但是相對于有線網(wǎng)絡(luò),低帶寬則成為它的天生缺陷。同時(shí),信號(hào)之間還存在相互干擾,信號(hào)自身也在不斷地衰減,諸如此類。不過因?yàn)閱蝹€(gè)節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量并不算大,這個(gè)缺點(diǎn)還是能忍受的。

第四是能量的限制。為了測量真實(shí)世界的具體值,各個(gè)節(jié)點(diǎn)會(huì)密集地分布于待測區(qū)域內(nèi),人工補(bǔ)充能量的方法已經(jīng)不再適用。每個(gè)節(jié)點(diǎn)都要儲(chǔ)備可供長期使用的能量,或者自己從外汲取能量（太陽能）。

第五是安全性的問題。無線信道、有限的能量,分布式控制都使得無線傳感器網(wǎng)絡(luò)更容易受到攻擊。被動(dòng)竊聽、主動(dòng)入侵、拒絕服務(wù)則是這些攻擊的常見方式。因此,安全性在網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)中至關(guān)重要。

下面,我們將會(huì)從幾個(gè)方面來具體地介紹無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。

● 物理層技術(shù)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)開放系統(tǒng)互聯(lián),按照國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）的規(guī)定,為數(shù)據(jù)流傳輸所需的物理連接的建立、維護(hù)和釋放提供的機(jī)械的、電氣的、功能和規(guī)程性的模塊就叫做物理層。從這個(gè)定義可以看出,物理層需要承擔(dān)為數(shù)據(jù)終端提供數(shù)據(jù)傳輸通路、傳輸數(shù)據(jù)和完成管理工作的職責(zé)。具體到無線傳感器網(wǎng)絡(luò)就是介質(zhì)的選擇、頻段的選擇、調(diào)制技術(shù)以及擴(kuò)頻技術(shù)。因?yàn)槭菬o線網(wǎng)絡(luò),傳輸介質(zhì)自然要選電磁波了。不過,源信號(hào)要依靠電磁波傳輸必需要通過調(diào)制技術(shù)變成高頻信號(hào),當(dāng)?shù)诌_(dá)接受端時(shí),又通過解調(diào)技術(shù)還原成原始信號(hào)。目前采用的調(diào)制方法分為模擬調(diào)制和數(shù)字調(diào)制兩種。它們的區(qū)別就在于調(diào)制信號(hào)所用的基帶信號(hào)的模式不同而已（一為數(shù)字,一為模擬）。

信號(hào)僅經(jīng)過調(diào)制是不行的,還需要進(jìn)行擴(kuò)頻。擴(kuò)頻,顧名思義,就是將待傳輸數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜擴(kuò)展的技術(shù)。它的好處是：增強(qiáng)了抗干擾能力,可進(jìn)行多地址通信,保密性提高。常見的擴(kuò)頻技術(shù)包括直接序列擴(kuò)頻、跳頻、跳時(shí)以及線性調(diào)頻。

在物理層面上,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)遵從的主要是IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)。依照此標(biāo)準(zhǔn),物理層主要進(jìn)行如下工作：激活和去活無線收發(fā)器,檢測當(dāng)前信道的能量,發(fā)送指示,信道頻率的選擇,數(shù)據(jù)發(fā)送與接收。

IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)規(guī)劃了幾個(gè)工作頻段。其中,2.4GHz頻段的物理層可提供250Kb/s的數(shù)據(jù)傳輸率,適用于高吞吐量、低延時(shí)或低作業(yè)周期的場合;工作在869/915MHz頻段的物理層則能提供20Kb/s的數(shù)據(jù)傳輸率,適用于低速率、高靈敏度和大覆蓋面積的場合。

依據(jù)IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)議被稱為Zigbee,其傳輸帶寬雖然沒有Wi-Fi和Blue Tooth大,但是能耗較低,非常適合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。

● MAC層協(xié)議

信號(hào)的傳輸要靠信道,因此信道也就成為了一種寶貴的資源。怎樣合理有效的分配信道,就是數(shù)據(jù)鏈路層中的MAC子層要解決的問題了。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)經(jīng)常使用的有三種MAC協(xié)議：傳感器協(xié)議（S-MAC）,分布式能量意識(shí)協(xié)議（DE-MAC）和協(xié)調(diào)設(shè)備協(xié)議。S-MAC協(xié)議通過調(diào)配節(jié)點(diǎn)的休眠方式來有效地分配信道;DE-MAC則采用周期性監(jiān)聽和休眠機(jī)制,避免空閑監(jiān)聽和串音,其目的是減少能耗和增加網(wǎng)絡(luò)的生存周期;MD協(xié)議則能為大規(guī)模、低占空比運(yùn)行的節(jié)點(diǎn)提供了不需要高精度時(shí)鐘的可靠通信。

總體來說,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的MAC協(xié)議在分配信道的同時(shí)還要保證系統(tǒng)的能耗最低。

● 路由

在具備底層傳輸協(xié)議的保障后,信息怎樣快速地從源傳輸?shù)侥康牡鼐褪怯陕酚蓞f(xié)議來解決了。簡單來說,路由要實(shí)現(xiàn)兩個(gè)基本功能：確定最佳路徑和通過網(wǎng)絡(luò)傳輸信息。數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐緩酱嬗诼酚杀?由路由算法初始化并負(fù)責(zé)維護(hù)。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與普通的網(wǎng)絡(luò)不同,它有自己的特點(diǎn)：比如能量受限,通信方式以數(shù)據(jù)為中心,相鄰節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)有著相似性,拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也在不斷的變化等。與此對應(yīng),常規(guī)網(wǎng)絡(luò)的路由并不一定能適應(yīng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。

下面來介紹幾種常見的路由協(xié)議：

1 泛洪式路由。這是一種非常傳統(tǒng)的路由協(xié)議。泛洪式路由不進(jìn)行維護(hù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜拖嚓P(guān)路由計(jì)算,只負(fù)責(zé)以廣播形式轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包,因此效率并不高。

2  SPIN。SPIN是一組基于協(xié)商并且具有能量自適應(yīng)功能的協(xié)議。節(jié)點(diǎn)之間通過協(xié)商來確定是否有發(fā)送信號(hào)的必要,并實(shí)時(shí)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)中的能量負(fù)載來改變工作模式。以上兩種協(xié)議都是平面路由協(xié)議,依照這種協(xié)議,節(jié)點(diǎn)并不進(jìn)行分區(qū)歸類。

3  LEACH。LEACH是一種分層網(wǎng)絡(luò)協(xié)議,它以循環(huán)的方式隨機(jī)選擇簇首節(jié)點(diǎn),將全網(wǎng)絡(luò)的能量負(fù)載平均分配到每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn),從而達(dá)到降低網(wǎng)絡(luò)能源消耗的目的。這里要解釋一下簇,簇是分層路由協(xié)議的概念,根據(jù)分層路由協(xié)議,網(wǎng)絡(luò)被劃分成不同簇,每一個(gè)簇由一個(gè)簇首和簇成員組成,多個(gè)簇首形成高級的網(wǎng)絡(luò),簇首節(jié)點(diǎn)不僅負(fù)責(zé)其轄下簇內(nèi)信息的收集和融合處理,還負(fù)責(zé)簇之間數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)。

4  PEGASIS。PEGASIS可謂LEACH的升級版本。按照其規(guī)定,只有最為鄰近的節(jié)點(diǎn)才相互通信,節(jié)點(diǎn)與匯聚點(diǎn)輪流通信,當(dāng)所有的節(jié)點(diǎn)都與匯聚點(diǎn)通信后,節(jié)點(diǎn)再進(jìn)行新一回合的輪流通信。

● 能量管理

能耗是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)所面臨的最大問題,因?yàn)楣?jié)點(diǎn)長期處于無人值守的狀況下,有效的能耗策略必不可少。

目前最常使用的策略是休眠機(jī)制,即在節(jié)點(diǎn)空閑時(shí),使其處于休眠狀態(tài),此時(shí)其能耗降到最低。但是休眠的節(jié)點(diǎn)在轉(zhuǎn)回正常狀態(tài)的時(shí)候,往往會(huì)消耗大量的能量,因此尋找合理的狀態(tài)轉(zhuǎn)換策略是確保休眠機(jī)制成功的關(guān)鍵。

數(shù)據(jù)融合是另一項(xiàng)節(jié)能技術(shù)。多個(gè)鄰近節(jié)點(diǎn)經(jīng)常會(huì)采集同樣的信息,發(fā)送這些冗余信息就給系統(tǒng)增加了不必要的負(fù)擔(dān)。因此,通過本地計(jì)算和篩選,確保發(fā)送出最有效的信息就是數(shù)據(jù)融合的任務(wù)。

其他能量管理策略還有沖突避免和糾錯(cuò)以及多跳短距離通信,這里不再一一敘述。

● 軟件的支持

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)也有一個(gè)屬于自己的操作系統(tǒng)—TinyOS。這個(gè)系統(tǒng)不同于傳統(tǒng)意義上的操作系統(tǒng),它更像一個(gè)編程構(gòu)架,在此構(gòu)架下,搭配一組必要的組件,就能方便地編譯出面向特定應(yīng)用的操作系統(tǒng)。

TinyOS由眾多組件組成,包括了主組件、應(yīng)用組件、執(zhí)行組件、傳感組件、通信組件和硬件抽象組件。每一個(gè)組件在其內(nèi)部都封裝了命令處理程序和事件處理程序,它們通過接口聲明所調(diào)用的命令和將要觸發(fā)的事件。調(diào)度器則負(fù)責(zé)根據(jù)任務(wù)的輕重緩急來安排系統(tǒng)的工作。

Crossbow公司生產(chǎn)的MICA傳感器平臺(tái)上就使用了TinyOS系統(tǒng)。實(shí)踐證明,其基本應(yīng)用只占用很少的系統(tǒng)資源,能圓滿的完成數(shù)據(jù)采集、處理和通信組網(wǎng)以及數(shù)據(jù)傳輸?shù)热蝿?wù)。

商業(yè)化的應(yīng)用

商業(yè)化的無線傳感器產(chǎn)品中最常見的就是智能節(jié)點(diǎn)。前文也曾提到,UC Berkeley是無線傳感器研究開展較早的美國高校?；谒麄冄邪l(fā)成果的無線傳感器器件被稱為Mote,這也是目前最為通用的一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品,是由Crossbow公司生產(chǎn)的。最基本的Mote組件是MICA系列處理器/無線模塊,完全符合IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)。最新型的MICA2可以工作在868/916、433和315MHz三個(gè)頻帶,數(shù)據(jù)速率為40Kb/s,通信范圍可達(dá)1000英尺。其配備了128KB的編程用閃存和512KB的測量用閃存,4KB的EEPROM,串行通信接口為UART模式。

相對于終端節(jié)點(diǎn),商用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)并不算多。Crossbow的MEP系列就是其中之一。這是一種小型的終端用戶網(wǎng)絡(luò),主要用來進(jìn)行環(huán)境參數(shù)的檢測。該系統(tǒng)包括了2個(gè)MEP410環(huán)境傳感器節(jié)點(diǎn),4個(gè)MEP510濕度/溫度傳感器節(jié)點(diǎn),1個(gè)MBR410串行網(wǎng)關(guān)和MoteView 顯示和分析軟件。整個(gè)系統(tǒng)采用了TrueMeshTM拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),非常便于用戶安裝和使用。類似的產(chǎn)品還有Microstrain公司的X-Link 測量系統(tǒng)等。

從應(yīng)用的情況來看,北美的狀況最好,在樓宇自動(dòng)化、環(huán)境監(jiān)控等方面,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)開始大展拳腳。但對于中國來說,市場還處于起步階段,產(chǎn)品應(yīng)用最多的場合一般是科研機(jī)關(guān)和大學(xué),多為研究之用。不過,根據(jù)相關(guān)公司的預(yù)測,離無線傳感器網(wǎng)絡(luò)市場起飛的時(shí)間也不會(huì)太遠(yuǎn)了。只要這個(gè)新技術(shù)被社會(huì)普遍接受,市場就會(huì)以驚人的速度來擴(kuò)張。