淺談無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

軍用轉(zhuǎn)民用的典范

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)想最初是由美國軍方提出的，美國國防部高級研究所計劃署（DARPA）于1978年開始資助卡耐基－梅隆大學(xué)進(jìn)行分布式傳感器網(wǎng) 絡(luò)的研究，這被看成是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的雛形。從那以后，類似的項目在全美高校間廣泛展開，著名的有UC Berkeley的Smart Dust項目，UCLA的WINS項目，以及多所機構(gòu)聯(lián)合攻關(guān)的SensIT計劃，等等。在這些項目取得進(jìn)展的同時，其應(yīng)用也從軍用轉(zhuǎn)向民用。在森林火 災(zāi)、洪水監(jiān)測之類的環(huán)境應(yīng)用中，在人體生理數(shù)據(jù)監(jiān)測、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，無線傳 感器網(wǎng)絡(luò)的商業(yè)化應(yīng)用也已逐步興起。美國Crossbow公司就利用Smart Dust項目的成果開發(fā)出了名 為Mote的智能傳感器節(jié)點，還有用于研究機構(gòu)二次開發(fā)的MoteWorkTM開發(fā)平臺。這些產(chǎn)品都很受使用者的歡迎。

組成和特點

無線傳感器網(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，各節(jié)點通過協(xié)議自組成一個分布式網(wǎng)絡(luò)，再將采集來的數(shù)據(jù)通過優(yōu)化后經(jīng)無線電波傳輸給信息處理中心。

因為節(jié)點的數(shù)量巨大，而且還處在隨時變化的環(huán)境中，這就使它有著不同于普通傳感器網(wǎng)絡(luò)的獨特“個性”。首先是無中心和自組網(wǎng)特性。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò) 中，所有節(jié)點的地位都是平等的，沒有預(yù)先指定的中心，各節(jié)點通過分布式算法來相互協(xié)調(diào)，在無人值守的情況下，節(jié)點就能自動組織起一個測量網(wǎng)絡(luò)。而正因為沒 有中心，網(wǎng)絡(luò)便不會因為單個節(jié)點的脫離而受到損害。

其次是網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞膭討B(tài)變化性。網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點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人能準(zhǔn)確預(yù)測出來的。

第三是傳輸能力的有限性。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通過無線電波進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，雖然省去了布線的煩惱，但是相對于有線網(wǎng)絡(luò)，低帶寬則成為它的天生缺陷。同時，信號之間還存在相互干擾，信號自身也在不斷地衰減，諸如此類。不過因為單個節(jié)點傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量并不算大，這個缺點還是能忍受的。

第四是能量的限制。為了測量真實世界的具體值，各個節(jié)點會密集地分布于待測區(qū)域內(nèi)，人工補充能量的方法已經(jīng)不再適用。每個節(jié)點都要儲備可供長期使用的能量，或者自己從外汲取能量（太陽能）。

第五是安全性的問題。無線信道、有限的能量，分布式控制都使得無線傳感器網(wǎng)絡(luò)更容易受到攻擊。被動竊聽、主動入侵、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)計中至關(guān)重要。

下面，我們將會從幾個方面來具體地介紹無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。

● 物理層技術(shù)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一個開放系統(tǒng)互聯(lián)，按照國際標(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)和釋放提供的機械的、電氣的、功 能和規(guī)程性的模塊就叫做物理層。從這個定義可以看出，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)。因為是無線網(wǎng)絡(luò)，傳輸介質(zhì)自然要選電磁波了。不過，源信號要依靠電磁波傳輸必需要通過調(diào)制技術(shù)變成高頻 信號，當(dāng)?shù)诌_(dá)接受端時，又通過解調(diào)技術(shù)還原成原始信號。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)制信號所用的基帶信號的模式不 同而已（一為數(shù)字，一為模擬）。

信號僅經(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)包括直接序列擴(kuò)頻、跳頻、跳時以及線性調(diào)頻。

在物理層面上，無線傳感器網(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：激活和去活無線收發(fā)器，檢測當(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、低延時或低作業(yè)周期的場 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，其傳輸帶寬雖然沒有Wi-Fi和Blue Tooth大，但是能耗較低，非常適合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。

● MAC層協(xié)議

信號的傳輸要靠信道，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子層要解決的問題了。

無線傳感器網(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)點的休眠方式來有效地分配信道；DE-MAC則采用周期性監(jiān)聽和休眠機制，避免空閑監(jiān)聽和串音，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、低占空比運行的節(jié)點提供了不需要高精度時鐘的可靠通信。

總體來說，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的MAC協(xié)議在分配信道的同時還要保證系統(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)侥康牡鼐褪怯陕酚蓞f(xié)議來解決了。簡單來說，路由要實現(xiàn)兩個基本功能：確定最佳路徑和通過網(wǎng)絡(luò)傳輸信息。數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐緩酱嬗诼酚杀?，由路由算法初始化并?fù)責(zé)維護(hù)。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與普通的網(wǎng)絡(luò)不同，它有自己的特點：比如能量受限，通信方式以數(shù) 據(jù)為中心，相鄰節(jié)點的數(shù)據(jù)有著相似性，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也在不斷的變化等。與此對應(yīng)，常規(guī)網(wǎng)絡(luò)的路由并不一定能適應(yīng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。

下面來介紹幾種常見的路由協(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)點之間通過協(xié)商來確定是否有發(fā)送信號的必要，并實時監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)中的能量負(fù)載來改變工作模式。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)的方式隨機選擇簇首節(jié)點，將全網(wǎng)絡(luò)的能量負(fù)載平均分配到每個傳感器節(jié)點，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，每一個簇由一個簇首和簇成員組成，多個簇首形成高級的網(wǎng)絡(luò)，簇 首節(jié)點不僅負(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的升級版本。按照其規(guī)定，只有最為鄰近的節(jié)點才相互通信，節(jié)點與匯聚點輪流通信，當(dāng)所有的節(jié)點都與匯聚點通信后，節(jié)點再進(jìn)行新一回合的輪流通信。

● 能量管理

能耗是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)所面臨的最大問題，因為節(jié)點長期處于無人值守的狀況下，有效的能耗策略必不可少。

目前最常使用的策略是休眠機制，即在節(jié)點空閑時，使其處于休眠狀態(tài)，此時其能耗降到最低。但是休眠的節(jié)點在轉(zhuǎn)回正常狀態(tài)的時候，往往會消耗大量的能量，因此尋找合理的狀態(tài)轉(zhuǎn)換策略是確保休眠機制成功的關(guān)鍵。

數(shù)據(jù)融合是另一項節(jié)能技術(shù)。多個鄰近節(jié)點經(jīng)常會采集同樣的信息，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，通過本地計算和篩選，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以及多跳短距離通信，這里不再一一敘述。

● 軟件的支持

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)也有一個屬于自己的操作系統(tǒng)—TinyOS。這個系統(tǒng)不同于傳統(tǒng)意義上的操作系統(tǒng)，它更像一個編程構(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)的輕重緩急來安排系統(tǒng)的工作。

Crossbow公司生產(chǎn)的MICA傳感器平臺上就使用了TinyOS系統(tǒng)。實踐證明，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?shù)热蝿?wù)。

商業(yè)化的應(yīng)用

商業(yè)化的無線傳感器產(chǎn)品中最常見的就是智能節(jié)點。前文也曾提到，UC Berkeley是無線傳感器研究開展較早的美國高校?；谒麄冄邪l(fā)成果的無線傳感器器件被稱為Mote，這也是目前最為通用的一種無線傳感器網(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的測量用閃存，4KB的EEPROM，串行通信接口為UART模式。

相對于終端節(jié)點，商用無線傳感器網(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)，主要用來進(jìn)行環(huán)境參數(shù) 的檢測。該系統(tǒng)包括了2個MEP410環(huán)境傳感器節(jié)點，4個MEP510濕度/溫度傳感器節(jié)點，1個MBR410串行網(wǎng)關(guān)和MoteView 顯示和分析軟件。整個系統(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 測量系統(tǒng)等。

從應(yīng)用的情況來看，北美的狀況最好，在樓宇自動化、環(huán)境監(jiān)控等方面，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)開始大展拳腳。但對于中國來說，市場還處于起步階段，產(chǎn)品應(yīng) 用最多的場合一般是科研機關(guān)和大學(xué)，多為研究之用。不過，根據(jù)相關(guān)公司的預(yù)測，離無線傳感器網(wǎng)絡(luò)市場起飛的時間也不會太遠(yuǎn)了。只要這個新技術(shù)被社會普遍接 受，市場就會以驚人的速度來擴(kuò)張。

后記

本文介紹的都是一些常見的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的概念。實際上，要想論述這個新興技術(shù)的全貌，不用一本專著的篇幅是不夠的。這個融合了通信、網(wǎng)絡(luò)、微電子等眾多學(xué)科精華的新技術(shù)有著無限的潛能，要想真正開發(fā)它，恐怕就要依靠廣大的應(yīng)用開發(fā)人員充分發(fā)揮自己的想象力了。