面向物聯(lián)網(wǎng)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)綜述研究

引言

物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展應(yīng)用為人們的日常生活帶來(lái)了很大便利， 無(wú)疑物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用已經(jīng)成一種發(fā)展?jié)摿O大的技術(shù)手段。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的“誕生”，一度成為當(dāng)今信息領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一，更被應(yīng)用到社會(huì)的各個(gè)方面，如軍事領(lǐng)域、農(nóng)業(yè)領(lǐng)域、工業(yè)領(lǐng)域、醫(yī)療領(lǐng)域、智能交通與家居等，而無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在這些領(lǐng)域新方向的發(fā)展中將扮演著“重要角色”。無(wú)線傳感器作為支持物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)面向物聯(lián)網(wǎng)的無(wú)線傳感器進(jìn)行研究有著很大的意義。

1 物聯(lián)網(wǎng)與無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)概述

1.1 物聯(lián)網(wǎng)概述

物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things，IoT）是在互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，是互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的延伸與拓展。其主要特點(diǎn)是通過(guò)運(yùn)用其內(nèi)含有的識(shí)別、感知、通信等技術(shù)，將物體與物體連接，并實(shí)現(xiàn)信息共享，運(yùn)用其自身連接的特點(diǎn)，將用戶自身與互聯(lián)網(wǎng)或其他控制設(shè)備相連，實(shí)現(xiàn)新型信息化控制。物聯(lián)網(wǎng)起初應(yīng)軍事需求而發(fā)展，在其應(yīng)用前景不斷被發(fā)掘的同時(shí)， 伴隨著傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅速發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)的應(yīng)用也越來(lái)越普遍。

1.2 物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)所包含的關(guān)鍵技術(shù)分為軟件和硬件兩部分。軟件 技術(shù)主要包括信息管理技術(shù)、自組織管理技術(shù)和安全技術(shù)； 硬件技術(shù)包括無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)、射頻識(shí)別技術(shù)、智能嵌入式 技術(shù)和納米技術(shù)。

1.3 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的概述

無(wú)線傳感器（Wireless Sensor Networks，WSNs）是一種通過(guò)分布式傳感通信網(wǎng)絡(luò)，用其末梢感知和檢查外部世界的傳感器。無(wú)線傳感器通過(guò)無(wú)線通信方式形成了一種多跳自組織網(wǎng)絡(luò)，它可以協(xié)作感知、采集、處理和傳輸網(wǎng)絡(luò)覆蓋地理區(qū)域內(nèi)被感知對(duì)象的信息，并最終把這些有價(jià)值的信息和相關(guān)領(lǐng)域發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)所有者 [1]。無(wú)線傳感器有多個(gè)特點(diǎn)，如大規(guī)模、自組織、動(dòng)態(tài)性、可靠性、以數(shù)據(jù)為中心等，這些特點(diǎn)的核心都在不斷適應(yīng)當(dāng)今時(shí)代發(fā)展的需求，應(yīng)對(duì)著信息的飛速發(fā)展。

1.4 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)一般由傳感器節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)聚節(jié)點(diǎn)、服務(wù)器終端用戶組成。許多傳感器節(jié)點(diǎn)以自組織形式在環(huán)境中隨機(jī)分布，其監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)信息通過(guò)傳送，匯聚到網(wǎng)聚節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分析與處理，網(wǎng)聚節(jié)點(diǎn)再利用 Internet 或者 GPRS 將數(shù)據(jù)傳輸?shù)椒?wù)器終端，用戶便可查看和分析收集到的數(shù)據(jù)信息。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。

圖 1 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

2 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 網(wǎng)絡(luò)信息處理技術(shù)

在處理信息時(shí)，根據(jù)不同的信息功能，能夠?qū)o(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)劃分為多類信息服務(wù)，并建立起較為靈活的服務(wù)結(jié)構(gòu)， 再將其中的各個(gè)功能按類劃分，傳導(dǎo)相應(yīng)數(shù)據(jù)。付俊松 [2] 提到，目前網(wǎng)內(nèi)信息處理技術(shù)主要包括數(shù)據(jù)聚合、查詢、融合、壓縮、挖掘、預(yù)測(cè)以及協(xié)同處理等研究?jī)?nèi)容，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。理論和實(shí)驗(yàn)表明，網(wǎng)內(nèi)信息處理技術(shù)對(duì)于降低網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳送量、減小數(shù)據(jù)傳送時(shí)延、提高監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量、延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)壽命等具有重要作用。

2.2 網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)

在面對(duì)物聯(lián)網(wǎng)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的安全問(wèn)題上 [3]，由于VPN、硬件防火墻等多種因素的影響使得入侵者破解密碼而獲得權(quán)限，從而對(duì)無(wú)線傳感器的網(wǎng)絡(luò)安全造成很大威脅。因此如何規(guī)避黑客、病毒等因素對(duì)網(wǎng)絡(luò)安全造成的影響，采用有效的安全控制技術(shù)尤為重要。目前關(guān)于無(wú)線傳感器的網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)主要包括混沌加密技術(shù)、密鑰管理以及防火墻技術(shù)等，雖然取得了一定成果，但受其自身物理特性和外界因素的制約與影響，還有很多領(lǐng)域需要探索。

2.3 網(wǎng)絡(luò)使用技術(shù)

無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳感器具有通信功能，在網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行過(guò)程中，須遵守網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議的規(guī)定，關(guān)于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信功能， 則以 TCP/IP 協(xié)議為網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)協(xié)議，實(shí)現(xiàn)無(wú)線傳感器的信息傳輸。無(wú)線傳感器在使用的同時(shí)，定位技術(shù)也尤為關(guān)鍵， 在人類探索的盲區(qū)部署大量傳感器節(jié)點(diǎn)，并結(jié)合現(xiàn)代先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)，分布式處理大量采集信息，不僅能夠提高監(jiān)測(cè)精確度，系統(tǒng)還能擁有很強(qiáng)的容錯(cuò)性能。

3 面向物聯(lián)網(wǎng)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為物聯(lián)網(wǎng)的重要組成，逐漸成為與人們生活、服務(wù)息息相關(guān)的組成部分，隨著技術(shù)的發(fā)展與科學(xué)的進(jìn)步，面向物聯(lián)網(wǎng)的無(wú)線傳感器也應(yīng)該進(jìn)一步優(yōu)化，從而滿足人們不同的需求。徐拓 [4] 在文章中所說(shuō)，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化需要對(duì)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議技術(shù)進(jìn)一步完善，首先在滿足個(gè)體個(gè)性化需求的同時(shí)，盡量避免對(duì)傳統(tǒng)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜設(shè)置。另一方面，在深入探尋相關(guān)數(shù)據(jù)信息的過(guò)程中，能夠積極利用 IP 技術(shù)優(yōu)化通信協(xié)議，進(jìn)而使數(shù)據(jù)信息更加簡(jiǎn)易有效， 為技術(shù)人員在改進(jìn)技術(shù)工作方面提供寶貴經(jīng)驗(yàn)。在優(yōu)化的同時(shí)，也要求相關(guān)技術(shù)人員對(duì)低能耗技術(shù)的研發(fā)進(jìn)一步加強(qiáng)， 盡可能降低無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的能耗，響應(yīng)當(dāng)今時(shí)代環(huán)保節(jié)能的號(hào)召。

4 關(guān)于面向物聯(lián)網(wǎng)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)展新思路

4.1 低耗能無(wú)線傳感器

對(duì)于任何一個(gè)能源供應(yīng)的器械來(lái)說(shuō)，節(jié)能低耗無(wú)疑非常重要。如今隨著物聯(lián)網(wǎng)的普及，無(wú)線傳感器逐漸走進(jìn)家家戶戶，對(duì)于無(wú)線傳感器系統(tǒng)能耗的要求也越來(lái)越高。傳感器節(jié)點(diǎn)比較小，所儲(chǔ)能量十分有限，所以降低耗能就是關(guān)鍵所在。設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)精巧傳感器的同時(shí)，也要對(duì)無(wú)線傳感器與傳統(tǒng)傳感器網(wǎng)絡(luò)加以區(qū)分，并根據(jù)不同的傳感器系統(tǒng)功能來(lái)解決耗能問(wèn)題。

4.2 普通環(huán)境下無(wú)線傳感器研究趨勢(shì)

在不同的無(wú)線傳感器應(yīng)用背景下，要求不同的網(wǎng)絡(luò)支持策略和服務(wù)形式，所以研究者更加關(guān)心無(wú)線傳感器的差異性， 這是在不同應(yīng)用背景下無(wú)線傳感器開發(fā)所注重的。同時(shí)，這也是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)區(qū)別于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)顯著特征。曾東在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究中提到 [5]，用戶在不同的時(shí)間、地點(diǎn)滿足自身需求從而促使物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)生不需要根據(jù)周邊環(huán)境和時(shí)間便可自由獲取滿足自身需求的條件。物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)充分利用其技術(shù)優(yōu)勢(shì)，建立滿足多種需求的網(wǎng)絡(luò)支持策略與服務(wù)形式， 拒絕應(yīng)用帶來(lái)的無(wú)線傳感器設(shè)計(jì)差異復(fù)雜性。

4.3 IP數(shù)據(jù)信息不同情況下的網(wǎng)絡(luò)發(fā)展

在物聯(lián)網(wǎng)逐漸普及使用的過(guò)程中，海量的數(shù)據(jù)信息隨之而來(lái)。研究者需要對(duì) IP 技術(shù)進(jìn)行探索和研究，盡可能實(shí)現(xiàn)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)尋址的統(tǒng)一方法。由于不同的地理信息和網(wǎng)絡(luò)環(huán)境， 使得 IP 數(shù)據(jù)信息存在或多或少的差異，在數(shù)據(jù)匯集的時(shí)候容易產(chǎn)生偏差，因此，統(tǒng)一的方法尤為重要。

4.4 基于多宿主形式的網(wǎng)絡(luò)傳輸

無(wú)線傳感器作為物聯(lián)網(wǎng)的重要組成部分，是其獲得外部信息的重要手段之一，為提升物聯(lián)網(wǎng)的有效性與可靠性，多宿主形式能夠提高信息獲取的便利性。在網(wǎng)絡(luò)傳輸過(guò)程中， 無(wú)線傳感器所采集的數(shù)據(jù)信息則是通過(guò)多條鏈路傳輸?shù)缴蠈泳W(wǎng)絡(luò)，與之類似地通過(guò)多條鏈路進(jìn)行傳輸也適用于從上而下的指令。段蘇峰 [6]《無(wú)線多媒體傳感器上的高效的多宿主傳輸系統(tǒng)》中提到，該形式下的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)能夠使傳輸鏈路更加穩(wěn)定，傳輸更加迅速、準(zhǔn)確。

5 結(jié) 語(yǔ)

伴隨著當(dāng)今信息時(shí)代的飛速發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)已深入到人們生活的各個(gè)方面，給社會(huì)帶來(lái)前所未有的改變。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為網(wǎng)絡(luò)的重要感知技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)的重要組成部分，定會(huì)給物聯(lián)網(wǎng)帶來(lái)多元化的發(fā)展。雖然如今面向物聯(lián)網(wǎng)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相對(duì)較高，但也存在很多不足與挑戰(zhàn)，仍要對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化與創(chuàng)新，持續(xù)增加人們對(duì)物聯(lián)網(wǎng)的認(rèn)知與應(yīng)用，努力使其成為物質(zhì)世界與虛擬世界的重要接口。