[精品]淺談無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

1、淺談無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù) 要做到目視千里，耳聽八方是人類長(zhǎng)久的夢(mèng)想，現(xiàn)代衛(wèi)星技術(shù)的出現(xiàn)雖然使人們離這目標(biāo)乂 進(jìn)了一步，但衛(wèi)星高高在上，洞察全局在行，明察細(xì)微就不管用了。這個(gè)時(shí)候，本文的主和 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)就排上用場(chǎng)了。將大量的傳感器節(jié)點(diǎn)遍撒指定區(qū)域，數(shù)據(jù)通過無(wú)線電波傳 冋監(jiān)控中心，監(jiān)控區(qū)域內(nèi)的所有信息就會(huì)盡收觀察者的眼中了。軍用轉(zhuǎn)民用的典范無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)想最初是由美國(guó)軍方提心的，美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究所計(jì)劃署（darpa） 于1978年開始資助卡耐基一梅隆大學(xué)進(jìn)行分布式傳感辭網(wǎng)絡(luò)的研究，這被看成是無(wú)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

2、smart dust項(xiàng)冃，ucla的wins項(xiàng)h,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)冃取得進(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(cè)z類的環(huán)境應(yīng) 丿ij屮，在人體牛理數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)、藥品管理之類的醫(yī)療應(yīng)用中，在家庭壞境的智能化應(yīng)丿ij以及商 務(wù)應(yīng)用中都己出現(xiàn)了它的身影。冃下，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的商業(yè)化應(yīng)用也已逐步興起。美國(guó) crossbow公司就利用smart dust項(xiàng)目的成果開發(fā)岀了名為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(wú)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)利控制

3、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)議白組成 一個(gè)分布式網(wǎng)絡(luò)，再將采集來(lái)的數(shù)據(jù)通過優(yōu)化后經(jīng)無(wú)線電波傳輸給信息處理中心。因?yàn)楣?jié)點(diǎn)的數(shù)量巨大，而且還處在隨吋變化的環(huán)境中，這就使它有著不同于普通傳感辭網(wǎng)絡(luò) 的獨(dú)特“個(gè)性首先是無(wú)中心和口組網(wǎng)特性。在無(wú)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(lái)相互協(xié)調(diào)，在無(wú)人值守的情況下，節(jié) 點(diǎn)就能自動(dòng)組織起一個(gè)測(cè)量網(wǎng)絡(luò)。而正因?yàn)闆]有屮心，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)牛

4、變化，加之無(wú)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(wú)人能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)出來(lái)的。第三是傳輸能力的有限性。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)通過無(wú)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(duì)于冇線網(wǎng)絡(luò)，低帶寬則成為它的天生缺陷。同時(shí)，信號(hào)z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(cè)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(cè)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(zhǎng)期使用的能赧，或者自己從外汲 取能量（太陽(yáng)能）。笫五是安全性的問題。無(wú)線信道、冇限的能量，分布式控

5、制都使得無(wú)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)從兒個(gè)方面來(lái)貝體地介紹無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。物理層技術(shù)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)開放系統(tǒng)互聯(lián)，按照國(guó)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(wú)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(wú)線網(wǎng)絡(luò)，傳輸介質(zhì)自然要選電磁波了。不過，源倍號(hào)要依靠電磁波傳輸

6、必 需要通過調(diào)制技術(shù)變成髙頻信號(hào),當(dāng)?shù)诌_(dá)接受端吋,乂通過解調(diào)技術(shù)還原成原始信號(hào)。目詢 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)包括肓接序列擴(kuò)頻、跳頻、跳時(shí)以及線性調(diào)頻。在物理層血上，無(wú)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(wú)線收發(fā)器，檢測(cè)當(dāng)前信道的能最，發(fā)送指示，信道頻率的選 擇，數(shù)

7、據(jù)發(fā)送少接收。ieee 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)規(guī)劃了兒個(gè)工作頻段。英中，2.4ghz頻段的物理層可提供250kb/s的數(shù) 據(jù)傳輸率，適用于高吞吐雖、低延時(shí)或低作業(yè)周期的場(chǎng)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、高靈敏度和人覆蓋面積的場(chǎng)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 人，但是能耗較低，非常適合無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。 mac層協(xié)議信號(hào)的傳輸?？啃诺溃虼诵诺酪簿统蔀榱艘环N寶貴的資源。怎樣合理有效的分配信道，就 是數(shù)據(jù)鏈路層屮的mac子層要解決的問題了。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)經(jīng)常使

8、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(lái)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，其口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?？傮w來(lái)說，無(wú)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。路山在具備底層傳輸協(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(lái)解決 了。簡(jiǎn)單來(lái)說，路山要實(shí)現(xiàn)兩個(gè)基木功能：確定最佳路徑和通過網(wǎng)絡(luò)傳輸信息。數(shù)據(jù)傳輸?shù)?途徑存于路由表，由路由算法

9、初始化并負(fù)責(zé)維護(hù)。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)與普通的網(wǎng)絡(luò)不同，它冇自己的特點(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)冇著相似性，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也在不斷的變化等。與此對(duì)應(yīng)，常規(guī)網(wǎng)絡(luò)的路由 并不一定能適應(yīng)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。下面來(lái)介紹幾種常見的路市i辦議:1泛洪式路山。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 spino spin是一組基于協(xié)商并且具有能量白適應(yīng)功能的協(xié)議。節(jié)點(diǎn)z間通過協(xié)商來(lái)確 定是否冇發(fā)送信號(hào)的必要，并實(shí)時(shí)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)中的能屋負(fù)載來(lái)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。

10、3 leacho 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(jí)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 pegasiso pegasis可謂leach的升級(jí)版札 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。能最管理能耗是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)所面臨的最

11、大問題，因?yàn)楣?jié)點(diǎn)長(zhǎng)期處于無(wú)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)消耗大雖的能雖，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)送這些兀余信息就給 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-敘述。軟件的支持 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)也冇一個(gè)屬于自己的操作系統(tǒng)一tinyos。這個(gè)系統(tǒng)不同于傳統(tǒng)

12、意義上的操 作系統(tǒng)，它更像-個(gè)編程構(gòu)架，在此構(gòu)架下，搭配一組必要的組件，就能方便地編譯出血向 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、通信組件和碩 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(lái)女排系統(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，其基木應(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(wú)線傳感器產(chǎn)品屮最常見的就是智能節(jié)點(diǎn)。前文也

13、曾提到，uc berkeley是無(wú)線傳 感器研究開展較早的美國(guó)高校。基于他們研發(fā)成果的無(wú)線傳感器器件被稱為mote,這也是 目前最為通用的一種無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品，是由crossbow公司主產(chǎn)的。最基本的mote組 件是mica系列處理器/無(wú)線模塊，完全符合ieee 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)。授新型的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(cè)最用閃存，4kb的eeprom,串行通信接口為 uart模式。相對(duì)于終端節(jié)點(diǎn)，商用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)并不算多。crossbow的mep系列就是其小z 一。這是一種小型的終端用戶網(wǎng)絡(luò)，主要用來(lái)進(jìn)行環(huán)境參數(shù)的檢測(cè)。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(cè)量系統(tǒng)等。從應(yīng)用的情況來(lái)看，北美的狀況最好，在樓宇自動(dòng)化、環(huán)境監(jiān)控等方而，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)已 經(jīng)開始大展拳腳。但對(duì)于中國(guó)來(lái)說，市場(chǎng)還處于起步階段，產(chǎn)品應(yīng)用最