無線傳感器網絡技術

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傳感器，即能夠感受物體屬性參數的元器件，這一概念對于普通人來說并不陌生和新鮮，然而隨著IT和無線通信技術的快速發展，其測量系統的組成已發展到智能化和網絡化。上世紀70年代，是模擬控制和顯示器時代，傳感器測量參數只能實現所謂的點對點傳輸，即多個參數的測控需要多個顯示/控制器，這樣的通信網只能說是傳感器測量網絡的雛形;80年代采用微處理器串/并接口(RS-232、RS-485等)與傳感器連接，而構成具有信息綜合處理能力的傳感器網絡;90年代至21世紀初采用現場總線連接傳感器構成局域網，產生有線連接的智能傳感器網絡;至目前為止無線傳感器網絡(WirelessSensorNetworks，WSN)已成為業界討論和研究的熱點。它是隨著無線通信技術與網絡技術、嵌入式計算機技術、分布式信息處理技術等發展，應運而生的。時下，物聯網(Internetofthings，IOT)產業及技術如雨后春筍般蓬勃發展，作為其最底層的最基本的也是最重要的最關鍵的WSN網絡的性能好壞和功能強弱顯得尤為突出。應用中，WSN是由眾多功能相同或者不同的傳感器節點組成，并把它們科學地分布于被監測區域，各節點間自組織形成無線網絡(一般多采用Zigbee協議)，采用多條鏈路進行數據傳送，最終把各類屬性測量數據(如溫/濕度、煙霧濃度、物體移動等)匯聚和融合處理后經網關與外網聯結，到達用戶終端(電腦、手機等)，給用戶提供安全正常的信息，或者危險的非正常的信息，以便進行及時干預。

1對WSN的約束條件及性能要求

實際應用中各個傳感器節點多數是分布于無人區、野外、甚至是軍事區和劇毒、易腐蝕、爆炸等惡劣環境中，因此有以下約束限制:

1)自帶電源提供能量，如鈕扣電池、蓄電池、太陽能電池等;

2)安裝要隱蔽。要求節點的體積小、外殼設計要防水、防氧化，甚至有抗爆能力;

3)無線通信距離不能太遠，一般限制在幾米至幾十米，以節省能量。同時在一定范圍內能預防監聽、惡意路由、病毒攻擊等］;

4)自身攜帶的嵌入式系統功耗要小、速度要快、數據處理能力要強等。基于以上約束條件，有以下關鍵性能指標要求:

1)網絡的工作壽命。在外殼設計滿足環境的要求下，影響壽命的主要因素就是電源供給和能耗。在自身攜帶電池的情況下，一個平均能耗足夠低的WSN網絡，能源儲備要維持數年才是。WSN中能耗最大的器件是無線接收/發送器，設計時可以降低其工作頻率和輸出功率、采取間隙工作方式等;

2)網絡覆蓋范圍。由節點的通信距離和節點數決定，但節點數過多時能耗加大，且數據的采樣速率會降低而受到牽制;

3)網絡安全機制。在各個協議層要有保密、點到點消息認證、完整性鑒別、時效性、認證組播和廣播等要求;

4)網絡響應時間。多數的WSN對響應時間無嚴格要求，但在安全監測和工業控制中，該指標顯得尤為重要;

5)測量精度。說到底，WSN其本質仍是一個計算機測量與監督控制系統，在哪些場所對所測的數據精度要求高或者低，是不言自明的。

2WSN中的路由技術

與傳統無線網絡不同，WSN的主要任務是傳送數據(以數據傳送為中心)。路由技術主要負責將數據從源節點通過網絡轉發至目標節點，每個節點都可以充當路由角色。并起著監控網絡拓撲結構變化、建立、維護和刪除節點路由的任務。本小節主要闡述WSN的網絡拓撲結構和路由技術。

2．1傳感器節點拓撲結構

WSN的組成包括分布式傳感器節點、無線接收/發送器、外部網絡和用戶終端/接口操作界面。應用中，眾多的傳感器節點網常以平面和聚類分層拓撲結構進行路由驅動和數據傳送。平面結構的拓撲網絡適合規模較小的節點網，如家庭、辦公室、實驗室等場所，其結構簡單、容錯性好，但是每個節點需要維護龐大的路由記錄，在此不再贅述。當網絡節點規模較大時，就需要采用聚類分層結構。聚類分層是把同一類型的傳感器節點劃分為一層，叫做簇。每個簇群中有一個節點稱為簇群頭，其負責簇群內所有成員所采集信息的收集、融合處理和簇頭間的數據轉發，起著匯聚節點的作用;在網外，可作為中繼或網關與用戶終端相連。整個網絡由若干簇組成，而各個簇頭之間的通信又構成高一級的簇群網絡。簇頭的產生可以預定，也可以由節點使用分簇算法自動選舉產生，以增強網絡的容錯性。當簇頭確定好之后，簇成員的任務就簡單了，不需要維護大量的復雜的路由信息，而使網絡具有很好的擴展性。

2．2聚類分層路由技術

在WSN中，路由協議是基于無線鏈路連接的，路由的本質是將數據幀由原節點傳輸至目標節點。結合WSN節點的拓撲結構，路由技術又分為平面和層次兩種，也是最常用的。在此主要闡述一下低功耗自適應聚類分級LEACH(lowEn-ergyAdaptiveClusteringHierarchy，IEACH)層次路由協議。其基本方法是采用循環機制，隨機選擇簇頭節點，并將耗能負載平均分配到各個簇群成員中。具體講，隨機選擇一個節點做簇頭，由該簇頭向各傳感器節點廣播消息，各節點根據其信號的強弱選擇是否加入該群(等能量加群，以節省工作能量)。簇群確定好之后，簇頭按照TDMA(時分復用)方式給節點成員分配一個時間間隙，此時簇頭開始處于睡眠狀態，各節點成員在規定的時間間隙如有數據發送請求，可喚醒簇頭，以傳輸數據，當將所有成員數據接收完畢后，再進行數據融合，剔除冗余數據，傳輸給外網。此過程輪流不斷，周而復始。其每一輪都由初始化和穩定工作兩個階段組成。初始化是簇的形成過程，要依據簇頭所占的百分比和節點成員數選出簇頭。方法是:在同一時間段，抽查任一節點成員隨機產生的0～1之間的數據，如果小于閾值T，則選為簇頭。

3傳感器節點硬件組成說明

WSN應用可分為環境數據采集、安全監測和目標跟蹤定位三種類型。無論哪一種應用，其節點硬件均離不開傳感器元器件及調理電路、微處理器單元、數據無線接收/發射單元和電源四部分組成。其中，傳感器盡量選用集傳感、補償、信號調理及A/D轉換等于一體的器件，如DS18B20數字化一線式溫度傳感器、SHT11數字式溫/濕度傳感器、ADXL202數字式加速度傳感器、EL7900數字式光照度傳感器、Ms5534大氣壓力傳感器、BL1785數字化聲音傳感器、GS-1000數字式位移傳感器、AP-C30C數字式壓力傳感器、HBMC16i數字式稱重傳感器;微處理器的選擇主要考慮低功耗、運行速度快、I/O接口多可擴展，成本低，安全性可靠性好等，另外結構組成上含有多通道A/D轉換及同步/異步無線接收發送器等。如ATMEL公司的AVR系列單片機、TI公司的MSP430F14系列單片機等;無線通信也有專門的模塊芯片，如TR1000，CC1000、NRF401、CC2530等，其中，CC2530芯片本身還集成有8051單片機和RF射頻無線收/發器，是一個真正的片上系統(Soc)。電源模塊有室內和室外之分，室內可采用外部穩壓電源供電，或者外部與自身攜帶能源相結合原則，而在偏遠的野外一般只能采用自身供電方式，具體不再贅述。

4結束語

WSN其本質上仍是計算機監督測量與控制系統，只不過其應用已從最初的工業控制延伸到其它行業和人們生活當中。WSN的網絡體系也是物聯網的底層體系組成部分，并且是其最基本的和最主要的組成部分。雖然WSN的研究和發展已有若干年，但到目前，其技術還不很成熟，應用也沒有大規模投入。原因無非是成本和技術兩方面，技術方面主要是傳感器元件種類少、精確度、供電及能耗、節點路由、容錯性、安全性、內外網接口及系統維護等，從現階段來看，這些都不是難事，其應用和普及是可以預見的。再過若干年，WSN及物聯網的應用將是人類生活的主要組成部分，就像當今人們離不開手機和電腦一樣，人類生活將離不開WSN和物聯網。

作者：鄭改成 單位：太原理工大學輕紡工程學院