试论无线传感器网络研究进展

摘要无线传感器网络是微机电技术、无线通信技术和数字信息处理等学科技术交叉发展的研究领域,具有十分广阔的应用前景,其特点已经引起了学术界和工业界的高度重视。介绍了无线传感器网络的发展,无线传感器网络的组成、特点、关键技术及其应用情况。

关键词无线传感器网络;发展;组成;特点;关键技术;应用

中图分类号tp212文献标识码a文章编号 1007-5739(2010)01-0016-02

随着微机电技术、无线通信技术和数字信息处理技术的发展,低成本、低功耗、多功能、小尺寸的传感节点变成现实,此类节点包含有传感、数据处理和通信功能,传感节点可以在短距离内进行通信。与传统传感器不同的是,此类传感器依赖于大量传感节点的协同工作,传感器网络是对传统传感器的一大革新[1]。传感器网络被美国的《商业周刊》评为影响21世纪的21个方面[2],被美国麻省理工学院《技术评论》评为即将改变世界的十大技术[3]。

1无线传感器网络的发展

无线传感器网络的构想最初由美国军方提出,美国国防部高级研究所计划署于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。此后,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[4]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、洪水监测等环境应用中,在人体生理数据监测、药品管理等医疗应用中,在家庭环境的智能化应用及商务应用中都已形成。

2无线传感器网络的组成

2.1无线传感器网络的节点结构

无线传感器的网络节点由传感器模块、处理器模块、无线通信模块和能量供应模块四部分组成(见图1)[5]。传感器模块负责监测区域内信息的采集和数据转换;处理器模块负责控制整个传感器节点的操作,存储和处理本身采集的数据以及其他节点发来的数据;无线通信模块负责与其他传感器节点进行无线通信,交换控制消息和收发采集数据;能量供应模块为传感器节点提供运行所需的能量。

2.2无线传感器网络的网络结构

传感器网络是由大量的传感节点组成,传感节点部署在检测区域的附件传感器网络结构如图2所示,传感器网络系统通常包括传感器节点、汇聚节点和管理节点。大量传感器节点随机部署在监测区域内部或附近,能够通过自组织方式构成网络。传感器节点监测的数据沿着其他传感器节点逐跳地进行传输,在传输过程中监测数据可能被多个节点处理,经过多跳后路由到汇聚节点,最后通过互联网或卫星到达管理节点。用户通过管理节点对传感器网络进行配置和管理,监测任务以及收集监测数据。

3无线传感器网络的特点

传感器网络是集成了监测、控制以及无线通信的网络系统,节点数目更为庞大(上千甚至上万),节点分布更为密集;由于环境影响和能量耗尽,节点更容易出现故障;环境干扰和节点故障易造成网络拓扑结构的变化;另外,传感器节点具有的能量、处理能力、存储能力和通信能力等都十分有限。传统无线网络的首要设计目标是提供高服务质量和高效带宽利用,其次才考虑节约能源;而传感器网络的首要设计目标是能源的高效使用,这也是传感器网络和传统网络最重要的区别之一[6]。因为无线传感器网络的节点数量巨大,每个传感节点的尺寸和成本的的限制,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”。

3.1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。

3.2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。

3.3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。

3.4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,或者从自身以外汲取能量(如太阳能)。

3.5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。

4无线传感器网络的关键技术

4.1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[7]。由于是无线网络,传输介质自然要选电磁波。不过,源信号要依靠电磁波传输必须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。

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,其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zigee,其传输带宽虽然不及wi-fi和blue tooth,但是能耗较低,非常适合无线传感器网络[8]。图3为各无线协议工作的频段。

4.2mac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。如何合理有效地分配信道,是数据链路层中的mac子层要解决的问题。

无线传感器网络经常使用的有3种mac协议,即传感器协议(s-mac)、分布式能量意识协议(de-mac)和协调设备协议[9]。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。

4.3路由协议

在具备底层传输协议的保障后,信息如何快速地从源传输到目的地是由路由协议来解决的。路由要实现2个基本功能,即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[8]。无线传感器网络与普通的网络不同,它具有能量受限、通信方式以数 据为中心、相邻节点的数据具有相似性、拓扑结构也在不断变化等特点。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。

4.4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[10]。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等。

4.5软件支持

tinyos是uc berkeley针对其无线传感器网络节点开发的操作系统。该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[11]。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。

5无线传感器网络的应用

商业化的无线传感器产品中最常见的就是智能节点。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、315mhz 3个频带,数据速率为40kb/s,通信范围可达304.8m。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。著名的芯片公司ti也推出了基于其低功耗处理器msp430单片机的无线传感器网络的组件和模块。

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范围应用。但对于整理

6参考文献

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