雷达科学与技术
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无线传感器网络

  [摘要]无线传感器网络的问世和潜在应用前景,大有引发一场新技术革命的势头。无线传感器网络已成为IT领域的热点研究方向。通过对无线传感器网络的基本概念和结构的介绍,对拓扑控制、网络协议等关键技术进行列举。


  [关键词]无线传感器网络网络协议能量管理


  中图分类号:TP3文献标识码:A文章编号:1671-7597(2009)11100067-01


  一、无线传感器网络的定义


  无线传感器网络是由大量的具有特定功能的传感器节点通过自组织的无线通讯方式,相互传递信息,协同的完成特定功能的智能专用网络[1]。它可以实时的监测,感知和采集网络所监控区域内的各种环境或监测对象的信息,并对收集到的信息进行处理后传送给终端用户。


  二、无线传感器网络的结构


  无线传感器网络系统基本包括传感器节点(sensor node),汇聚节点(sink node)和管理节点,其结构如图1所示。大量的传感器节点随机的布置在检测区域,节点以自组织的形式构成网络,通过多条中继方式将检测到的数据传送到汇聚节点,最后通过Internet或其他网络通讯方式将检测信息传送到管理节点。同样的,用户可以通过管理节点进行命令的发布,告知传感器节点收集检测信息[2]。


  传感器节点是一个具有信息采集,处理和通信能力的微型嵌入式计算机系统,但是受限于携带电池能量有限的原因,其处理能力相对较弱。结构如图2所示。从网络功能上看,每个传感器节点除了要处理本地的信息,还需要协助其他节点进行转发和处理信息。


  三、无线传感器网络的几个具体关键问题


  (一)物理层协议。无线传感器网络是一个开放系统互联,按照国际标准化组织(ISO)的规定,为数据流传输所需的物理连接的建立、维护和释放提供的机械的、电气的、功能和规程性的模块就叫做物理层。从这个定义可以看出,物理层需要承担为数据终端提供数据传输通路、传输数据和完成管理工作的职责。具体到无线传感器网络就是介质的选择、频段的选择、调制技术以及扩频技术。因为是无线网络,传输介质自然要选电磁波了。不过,源信号要依靠电磁波传输必需要通过调制技术变成高频信号,当抵达接受端时,又通过解调技术还原成原始信号。目前采用的调制方法分为模拟调制和数字调制两种。它们的区别就在于调制信号所用的基带信号的模式不同而已(一为数字,一为模拟)。


  (二)MAC层协议[3]。信号的传输要靠信道,因此信道也就成为了一种宝贵的资源。怎样合理有效的分配信道,就是数据链路层中的MAC子层要解决的问题了。


  无线传感器网络经常使用的有三种MAC协议:传感器协议(S-MAC),分布式能量意识协议(DE-MAC)和协调设备协议。S-MAC协议通过调配节点的休眠方式来有效地分配信道;DE-MAC则采用周期性监听和休眠机制,避免空闲监听和串音,其目的是减少能耗和增加网络的生存周期;MD协议则能为大规模、低占空比运行的节点提供了不需要高精度时钟的可靠通信。


  总体来说,无线传感器网络的MAC协议在分配信道的同时还要保证系统的能耗最低。


  (三)路由。在具备底层传输协议的保障后,信息怎样快速地从源传输到目的地就是由路由协议来解决了。简单来说,路由要实现两个基本功能:确定最佳路径和通过网络传输信息。数据传输的途径存于路由表,由路由算法初始化并负责维护。


  无线传感器网络与普通的网络不同,它有自己的特点:比如能量受限,通信方式以数据为中心,相邻节点的数据有着相似性,拓扑结构也在不断的变化等。与此对应,常规网络的路由并不一定能适应无线传感器网络。


  下面来介绍几种常见的路由协议:


  1.泛洪式路由。这是一种非常传统的路由协议。泛洪式路由不进行维护网络拓扑和相关路由计算,只负责以广播形式转发数据包,因此效率并不高。


  2.SPIN。SPIN是一组基于协商并且具有能量自适应功能的协议。节点之间通过协商来确定是否有发送信号的必要,并实时监控网络中的能量负载来改变工作模式。以上两种协议都是平面路由协议,依照这种协议,节点并不进行分区归类。


  3.LEACH。LEACH是一种分层网络协议,它以循环的方式随机选择簇首节点,将全网络的能量负载平均分配到每个传感器节点,从而达到降低网络能源消耗的目的。这里要解释一下簇,簇是分层路由协议的概念,根据分层路由协议,网络被划分成不同簇,每一个簇由一个簇首和簇成员组成,多个簇首形成高级的网络,簇首节点不仅负责其辖下簇内信息的收集和融合处理,还负责簇之间数据的转发。


  4.PEGASIS。PEGASIS可谓LEACH的升级版本。按照其规定,只有最为邻近的节点才相互通信,节点与汇聚点轮流通信,当所有的节点都与汇聚点通信后,节点再进行新一回合的轮流通信。


  (四)软件的支持[4]。无线传感器网络也有一个属于自己的操作系统TinyOS。这个系统不同于传统意义上的操作系统,它更像一个编程构架,在此构架下,搭配一组必要的组件,就能方便地编译出面向特定应用的操作系统。


  TinyOS由众多组件组成,包括了主组件、应用组件、执行组件、传感组件、通信组件和硬件抽象组件。每一个组件在其内部都封装了命令处理程序和事件处理程序,它们通过接口声明所调用的命令和将要触发的事件。调度器则负责根据任务的轻重缓急来安排系统的工作。


  四、结束语


  无线传感器网络这种新兴的技术发展迅猛,已经成为无线网络研究的热点。在全球范围内此技术目前基本处于理论研究和实验室试验阶段,国内的研究起步也开始不久,从理论上和实际应用都有待于深入研究。


  参考文献:


  [1]孙利民,无线传感器网络[M].北京:清华大学出版社,2005.


  [2]赵志强,无线传感器网络结构及关键技术介绍[J].苏州职业大学学报,2007.


  [3]林小兰、肖明波,无线传感器网络MAC层协议的分析比较[J].现代电子技术,2007.


  [4]李世晗、白跃宾、钱德沛,无线传感器网络软件技术研究[J].计算机应用研究,2007.


  作者简介:


  罗敏(1983-),男,江苏淮安人,东南大学自动化学院检测技术与自动化装置专业硕士研究生,从事检测仪表与自动化装置方向研究。


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