無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)概念基礎(chǔ)簡(jiǎn)介

要做到目視千里，耳聽(tīng)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)又進(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，本文的主角—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(guò)無(wú)線電波傳回監(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)軍方提出的，美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究所計(jì)劃署(DARPA)于1978年開(kāi)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(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(kāi)，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(cè)之類的環(huán)境應(yīng)用中，在人體生理數(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(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(kāi)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(kāi)發(fā)的MoteWorkTM開(kāi)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)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(guò)協(xié)議自組成一個(gè)分布式網(wǎng)絡(luò)，再將采集來(lái)的數(shù)據(jù)通過(guò)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(wú)中心和自組網(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(méi)有預(yù)先指定的中心，各節(jié)點(diǎn)通過(guò)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](méi) 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(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(guò)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(guò)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)期使用的能量，或者自己從外汲取能量(太陽(yáng)能)。

第五是安全性的問(wèn)題。無(wú)線信道、有限的能量，分布式控制都使得無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)更容易受到攻擊。被動(dòng)竊聽(tīng)、主動(dòng)入侵、拒絕服務(wù)則是這些攻擊的常見(jiàn)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(lái)具體地介紹無(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(kāi)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(guò)，源信號(hào)要依靠電磁波傳輸必需要通過(guò)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(guò)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(guò)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(jiàn)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(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(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、高靈敏度和大覆蓋面積的場(chǎng)合。

依據(jù)IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)議被稱為Zigbe e，其傳輸帶寬雖然沒(méi)有Wi-Fi和Blue Tooth大，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(wèn)題了。

無(wú)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(guò)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(tīng)和休眠機(jī)制，避免空閑監(jiān)聽(tīng)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(lái)說(shuō)，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?strong>路由協(xié)議來(lái)解決了。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，路由要實(shí)現(xiàn)兩個(gè)基本功能：確定最佳路徑和通過(guò)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?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(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(jiàn)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(guò)協(xié)商來(lái)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(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。

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(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 PEGASIS。PEGASIS可謂LEACH的升級(jí)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(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)所面臨的最大問(wèn)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(guò)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(wú)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(guò)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)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)傳輸等任務(wù)。

商業(yè)化的應(yīng)用

商業(yè)化的無(wú)線傳感器產(chǎn)品中最常見(jiàn)的就是智能節(jié)點(diǎn)。前文也曾提到，UC Berkeley是無(wú)線傳感器研究開(kāi)展較早的美國(guó)高校?；谒麄冄邪l(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公司生產(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)。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(cè)量用閃存，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 中之一。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)控等方面，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)開(kāi)始大展拳腳。但對(duì)于中國(guó)來(lái)說(shuō)，市場(chǎng)還處于起步階段，產(chǎn)品應(yīng) 用最多的場(chǎng)合一般是科研機(jī)關(guān)和大學(xué)，多為研究之用。不過(guò)，根據(jù)相關(guān)公司的預(yù)測(cè)，離無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)市場(chǎng)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(chǎng)就會(huì)以驚人的速度來(lái)擴(kuò)張。