無線傳感器網(wǎng)絡技術(shù)
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傳感器，即能夠感受物體屬性參數(shù)的元器件，這一概念對于普通人來說并不陌生和新鮮，然而隨著IT和無線通信技術(shù)的快速發(fā)展，其測量系統(tǒng)的組成已發(fā)展到智能化和網(wǎng)絡化。上世紀70年代，是模擬控制和顯示器時代，傳感器測量參數(shù)只能實現(xiàn)所謂的點對點傳輸，即多個參數(shù)的測控需要多個顯示/控制器，這樣的通信網(wǎng)只能說是傳感器測量網(wǎng)絡的雛形;80年代采用微處理器串/并接口(RS-232、RS-485等)與傳感器連接，而構(gòu)成具有信息綜合處理能力的傳感器網(wǎng)絡;90年代至21世紀初采用現(xiàn)場總線連接傳感器構(gòu)成局域網(wǎng)，產(chǎn)生有線連接的智能傳感器網(wǎng)絡;至目前為止無線傳感器網(wǎng)絡(WirelessSensorNetworks，WSN)已成為業(yè)界討論和研究的熱點。它是隨著無線通信技術(shù)與網(wǎng)絡技術(shù)、嵌入式計算機技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)等發(fā)展，應運而生的。時下，物聯(lián)網(wǎng)(Internetofthings，IOT)產(chǎn)業(yè)及技術(shù)如雨后春筍般蓬勃發(fā)展，作為其最底層的最基本的也是最重要的最關鍵的WSN網(wǎng)絡的性能好壞和功能強弱顯得尤為突出。應用中，WSN是由眾多功能相同或者不同的傳感器節(jié)點組成，并把它們科學地分布于被監(jiān)測區(qū)域，各節(jié)點間自組織形成無線網(wǎng)絡(一般多采用Zigbee協(xié)議)，采用多條鏈路進行數(shù)據(jù)傳送，最終把各類屬性測量數(shù)據(jù)(如溫/濕度、煙霧濃度、物體移動等)匯聚和融合處理后經(jīng)網(wǎng)關與外網(wǎng)聯(lián)結(jié)，到達用戶終端(電腦、手機等)，給用戶提供安全正常的信息，或者危險的非正常的信息，以便進行及時干預。
1對WSN的約束條件及性能要求
實際應用中各個傳感器節(jié)點多數(shù)是分布于無人區(qū)、野外、甚至是軍事區(qū)和劇毒、易腐蝕、爆炸等惡劣環(huán)境中，因此有以下約束限制:
1)自帶電源提供能量，如鈕扣電池、蓄電池、太陽能電池等;
2)安裝要隱蔽。要求節(jié)點的體積小、外殼設計要防水、防氧化，甚至有抗爆能力;
3)無線通信距離不能太遠，一般限制在幾米至幾十米，以節(jié)省能量。同時在一定范圍內(nèi)能預防監(jiān)聽、惡意路由、病毒攻擊等］;
4)自身攜帶的嵌入式系統(tǒng)功耗要小、速度要快、數(shù)據(jù)處理能力要強等?；谝陨霞s束條件，有以下關鍵性能指標要求:
1)網(wǎng)絡的工作壽命。在外殼設計滿足環(huán)境的要求下，影響壽命的主要因素就是電源供給和能耗。在自身攜帶電池的情況下，一個平均能耗足夠低的WSN網(wǎng)絡，能源儲備要維持數(shù)年才是。WSN中能耗最大的器件是無線接收/發(fā)送器，設計時可以降低其工作頻率和輸出功率、采取間隙工作方式等;
2)網(wǎng)絡覆蓋范圍。由節(jié)點的通信距離和節(jié)點數(shù)決定，但節(jié)點數(shù)過多時能耗加大，且數(shù)據(jù)的采樣速率會降低而受到牽制;
3)網(wǎng)絡安全機制。在各個協(xié)議層要有保密、點到點消息認證、完整性鑒別、時效性、認證組播和廣播等要求;
4)網(wǎng)絡響應時間。多數(shù)的WSN對響應時間無嚴格要求，但在安全監(jiān)測和工業(yè)控制中，該指標顯得尤為重要;
5)測量精度。說到底，WSN其本質(zhì)仍是一個計算機測量與監(jiān)督控制系統(tǒng)，在哪些場所對所測的數(shù)據(jù)精度要求高或者低，是不言自明的。
2WSN中的路由技術(shù)
與傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡不同，WSN的主要任務是傳送數(shù)據(jù)(以數(shù)據(jù)傳送為中心)。路由技術(shù)主要負責將數(shù)據(jù)從源節(jié)點通過網(wǎng)絡轉(zhuǎn)發(fā)至目標節(jié)點，每個節(jié)點都可以充當路由角色。并起著監(jiān)控網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)變化、建立、維護和刪除節(jié)點路由的任務。本小節(jié)主要闡述WSN的網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)和路由技術(shù)。
2．1傳感器節(jié)點拓撲結(jié)構(gòu)
WSN的組成包括分布式傳感器節(jié)點、無線接收/發(fā)送器、外部網(wǎng)絡和用戶終端/接口操作界面。應用中，眾多的傳感器節(jié)點網(wǎng)常以平面和聚類分層拓撲結(jié)構(gòu)進行路由驅(qū)動和數(shù)據(jù)傳送。平面結(jié)構(gòu)的拓撲網(wǎng)絡適合規(guī)模較小的節(jié)點網(wǎng)，如家庭、辦公室、實驗室等場所，其結(jié)構(gòu)簡單、容錯性好，但是每個節(jié)點需要維護龐大的路由記錄，在此不再贅述。當網(wǎng)絡節(jié)點規(guī)模較大時，就需要采用聚類分層結(jié)構(gòu)。聚類分層是把同一類型的傳感器節(jié)點劃分為一層，叫做簇。每個簇群中有一個節(jié)點稱為簇群頭，其負責簇群內(nèi)所有成員所采集信息的收集、融合處理和簇頭間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，起著匯聚節(jié)點的作用;在網(wǎng)外，可作為中繼或網(wǎng)關與用戶終端相連。整個網(wǎng)絡由若干簇組成，而各個簇頭之間的通信又構(gòu)成高一級的簇群網(wǎng)絡。簇頭的產(chǎn)生可以預定，也可以由節(jié)點使用分簇算法自動選舉產(chǎn)生，以增強網(wǎng)絡的容錯性。當簇頭確定好之后，簇成員的任務就簡單了，不需要維護大量的復雜的路由信息，而使網(wǎng)絡具有很好的擴展性。
2．2聚類分層路由技術(shù)
在WSN中，路由協(xié)議是基于無線鏈路連接的，路由的本質(zhì)是將數(shù)據(jù)幀由原節(jié)點傳輸至目標節(jié)點。結(jié)合WSN節(jié)點的拓撲結(jié)構(gòu)，路由技術(shù)又分為平面和層次兩種，也是最常用的。在此主要闡述一下低功耗自適應聚類分級LEACH(lowEn-ergyAdaptiveClusteringHierarchy，IEACH)層次路由協(xié)議。其基本方法是采用循環(huán)機制，隨機選擇簇頭節(jié)點，并將耗能負載平均分配到各個簇群成員中。具體講，隨機選擇一個節(jié)點做簇頭，由該簇頭向各傳感器節(jié)點廣播消息，各節(jié)點根據(jù)其信號的強弱選擇是否加入該群(等能量加群，以節(jié)省工作能量)。簇群確定好之后，簇頭按照TDMA(時分復用)方式給節(jié)點成員分配一個時間間隙，此時簇頭開始處于睡眠狀態(tài)，各節(jié)點成員在規(guī)定的時間間隙如有數(shù)據(jù)發(fā)送請求，可喚醒簇頭，以傳輸數(shù)據(jù)，當將所有成員數(shù)據(jù)接收完畢后，再進行數(shù)據(jù)融合，剔除冗余數(shù)據(jù)，傳輸給外網(wǎng)。此過程輪流不斷，周而復始。其每一輪都由初始化和穩(wěn)定工作兩個階段組成。初始化是簇的形成過程，要依據(jù)簇頭所占的百分比和節(jié)點成員數(shù)選出簇頭。方法是:在同一時間段，抽查任一節(jié)點成員隨機產(chǎn)生的0～1之間的數(shù)據(jù)，如果小于閾值T，則選為簇頭。
3傳感器節(jié)點硬件組成說明
WSN應用可分為環(huán)境數(shù)據(jù)采集、安全監(jiān)測和目標跟蹤定位三種類型。無論哪一種應用，其節(jié)點硬件均離不開傳感器元器件及調(diào)理電路、微處理器單元、數(shù)據(jù)無線接收/發(fā)射單元和電源四部分組成。其中，傳感器盡量選用集傳感、補償、信號調(diào)理及A/D轉(zhuǎn)換等于一體的器件，如DS18B20數(shù)字化一線式溫度傳感器、SHT11數(shù)字式溫/濕度傳感器、ADXL202數(shù)字式加速度傳感器、EL7900數(shù)字式光照度傳感器、Ms5534大氣壓力傳感器、BL1785數(shù)字化聲音傳感器、GS-1000數(shù)字式位移傳感器、AP-C30C數(shù)字式壓力傳感器、HBMC16i數(shù)字式稱重傳感器;微處理器的選擇主要考慮低功耗、運行速度快、I/O接口多可擴展，成本低，安全性可靠性好等，另外結(jié)構(gòu)組成上含有多通道A/D轉(zhuǎn)換及同步/異步無線接收發(fā)送器等。如ATMEL公司的AVR系列單片機、TI公司的MSP430F14系列單片機等;無線通信也有專門的模塊芯片，如TR1000，CC1000、NRF401、CC2530等，其中，CC2530芯片本身還集成有8051單片機和RF射頻無線收/發(fā)器，是一個真正的片上系統(tǒng)(Soc)。電源模塊有室內(nèi)和室外之分，室內(nèi)可采用外部穩(wěn)壓電源供電，或者外部與自身攜帶能源相結(jié)合原則，而在偏遠的野外一般只能采用自身供電方式，具體不再贅述。
4結(jié)束語
WSN其本質(zhì)上仍是計算機監(jiān)督測量與控制系統(tǒng)，只不過其應用已從最初的工業(yè)控制延伸到其它行業(yè)和人們生活當中。WSN的網(wǎng)絡體系也是物聯(lián)網(wǎng)的底層體系組成部分，并且是其最基本的和最主要的組成部分。雖然WSN的研究和發(fā)展已有若干年，但到目前，其技術(shù)還不很成熟，應用也沒有大規(guī)模投入。原因無非是成本和技術(shù)兩方面，技術(shù)方面主要是傳感器元件種類少、精確度、供電及能耗、節(jié)點路由、容錯性、安全性、內(nèi)外網(wǎng)接口及系統(tǒng)維護等，從現(xiàn)階段來看，這些都不是難事，其應用和普及是可以預見的。再過若干年，WSN及物聯(lián)網(wǎng)的應用將是人類生活的主要組成部分，就像當今人們離不開手機和電腦一樣，人類生活將離不開WSN和物聯(lián)網(wǎng)。
作者：鄭改成 單位：太原理工大學輕紡工程學院
