室內無線傳感器網絡及其應用
2006-12-31 00:00:00曹紅蘋蔣云良繆強
計算機應用研究 2006年9期
摘要：介紹了傳統無線傳感器網絡的起源、發展和現狀，分析了室內環境對傳統無線傳感器網絡技術的挑戰，提出了一種新穎的室內無線傳感器網絡節點的構架設計方案；最后展望了室內無線傳感器網絡技術的應用前景。
關鍵詞：普適計算； 無線傳感器網絡； 室內無線傳感器網絡； 構架設計
中圖法分類號：TP393文獻標識碼：A
文章編號：1001－3695(2006)09－0209－04
普適計算[1]（UbiquitousComputing）思想作為21世紀的計算模式，自MarkWeiser在1991年首次提出以來，日益
受到人們的關注和重視。國內外研究機構投入大量的人力、物力和財力進行研究工作。例如，進行中的普適計算項目有MIT的Oxy￣genProjects[2]，CMU的ProjectAura[3]，UCLA的SmartKindergarten[4]等，主要研究方向包括支持普適計算的新型網絡技術（如無線傳感器網絡）、軟件系統(如支持普適計算的操作系統與網絡中間件技術)，上下文感知計算技術等。其中無線傳感器網絡技術作為普適計算思想大系統中的一個典型應用，因其在軍事偵察、工業生產控制、森林火災監控、醫療監護、農業養殖和太空探索等領域的巨大應用價值得到了各國政府、軍方、跨國公司和科研機構的關注與重視，成為當今世界工業界與學術界的研究熱點。
1無線傳感器網絡的起源、發展與現狀
隨著傳感器技術、嵌入式計算技術、通信技術和半導體與微機電系統制造技術的飛速發展，具有感知、計算存儲和通信能力的微型傳感器開始出現在軍事、工業、農業和宇航各個領域中。無線網絡傳感器是集傳感器執行器、控制器和通信裝置于一體，集傳感與驅動控制能力、計算能力、通信能力于一身的資源（計算、存儲和能源）受限的嵌入式設備。由這些微型傳感器構成的無線傳感器網絡能夠實時監測、感知和采集網絡分布區域內的各種監測對象信息，并對這些信息進行處理，傳送給需要這些信息的用戶。
傳感器網絡在軍事偵察、環境信息檢測、醫療健康監護、農業生產、建筑與家居、工業生產控制以及商業等領域有著廣闊的應用前景[5]。
（1）軍事領域。該領域的應用需求是無線傳感器網絡產生的主要推動力量，如UCBerkeley的SmartMote的應用背景就是戰場偵察系統。在未來無線傳感器網絡將會成為C4ISRT(Command，Control，Communication，Computing，Intelligence，Surveillance，ReconnaissanceandTargeting)系統不可或缺的部分。C4ISRT系統的目標是利用先進的高科技技術，為未來的現代化戰爭設計一個集命令、控制、通信、計算、智能、監視、偵察和定位于一體的戰場指揮系統。因為無線傳感器網絡是由密集型、低成本、隨機分布的節點組成的，自組織性和容錯能力使其不會因為某些節點在惡意攻擊中的損壞而導致整個系統的崩潰；而且由于無線傳感器網絡無需外界配置管理的自組織特性，使無線傳感器網絡易于快速部署，非常適合應用于惡劣的戰場環境中。它可以提供監控我軍兵力、裝備和物資，監視沖突區，偵察敵方地形和布防，定位攻擊目標，評估損失，偵察和探測核、生物和化學攻擊等功能，及時準確地將采集到的各種信息，通過匯聚節點將數據傳送到各級指揮部門；最后利用數據融合技術(包括分布式數據融合算法等)融合決定戰場勝敗的、完備的、及時更新的戰區信息庫，為指揮決策提供及時準確的信息。
（2）環境監測。隨著人們對環境問題的日益關注，環境科學所涉及的范圍越來越廣泛。通過傳統方式采集原始數據是一件困難的工作。傳感器網絡為野外隨機性的研究數據獲取提供了方便，如跟蹤候鳥和昆蟲的遷移，研究環境變化對農作物的影響。此外，無線傳感器網絡還可以有效地檢測到森林火災發生，并向相關部門提供有助于指定救火方案決策的詳實有效的火場信息。
（3）醫療健康。如果在住院病人身上安裝特殊用途的傳感器節點，如心率和血壓監測設備，利用傳感器網絡，醫生就可以隨時了解被監護病人的病情，并進行及時處理[6]，而安裝在被監測對象身上的微型傳感器也不會給人的正常生活帶來太多的不便。傳感器網絡為未來的遠程醫療提供了更加方便、快捷的技術實現手段。
（4）其他商業應用。在災難拯救、倉庫管理、交互式博物館、交互式玩具、工廠自動化生產線等眾多領域，無線傳感器網絡將會孕育出全新的設計和應用模式[7，8]。
無線傳感器網絡的研究起始于20世紀90年代末期。由于無線傳感器網絡的巨大應用價值，已經引起了世界許多國家的軍事部門、工業界和學術界的極大關注。從2000年起，國際上開始出現一些有關傳感器網絡研究結果的報道。美國自然科學基金委員會2003年制定了傳感器網絡研究計劃，支持相關基礎理論的研究。美國國防部和各軍事部門均對傳感器網絡給予了高度重視，將傳感器網絡作為一個重要研究領域，設立了一系列的軍事傳感器網絡研究項目。美國英特爾公司、微軟公司等信息業巨頭也開始了傳感器網絡方面的研究工作。日本、德國、英國、意大利等科技發達國家也對無線傳感器網絡表現出了極大的興趣，紛紛展開了該領域的研究工作。但是，目前大部分的研究尚處于起步階段，少數投入實用的商業產品距離實際需求還相差甚遠。我國在傳感器網絡方面的研究工作還很少。目前，國內一些高等院校與研究機構已積極開展了無線傳感器網絡的相關研究工作，主要有清華大學、中國科學院軟件所、浙江大學、哈爾濱工業大學、中國科學院自動化所、中國人民大學等。目前國內研究熱點主要集中在穿戴式計算、上下文感知環境、智能教室等領域，而支持無線傳感器網絡的無線通信網絡技術的研究尚不多見。隨著無線傳感器網絡應用的日益發展與不斷深入，支持無線傳感器網絡的無線通信網絡技術、超微型嵌入式實時操作系統、多傳感器數據融合技術等若干關鍵技術的研究將成為未來無線傳感器網絡應用的發展趨勢和熱點。
2傳統意義上的無線傳感器網絡的特點和挑戰
傳統意義上的無線傳感器網絡屬于無線網絡，而無線網絡可以分為具有基礎設施的網絡和沒有基礎設施的網絡兩大類。前者具有固定的和有線的基站，網絡節點從基站接收和向基站發送所有業務，這種網絡的典型例子就是IEEE802．11a/b/g系列無線局域網；無基礎設施的無線網絡的典型例子就是無線Adhoc網絡。無線Adhoc網絡[9]是由一組無線節點相互合作而組成的，不再需要其他基礎設施并且采用分布式管理的一種自組織、自管理的網絡。與傳統的移動蜂窩網絡相比，無線Adhoc網絡中沒有負責中繼的基站設施，網絡中每個節點在分布式對等運行的同時具有路由器功能，可以發現并維護網絡路由信息，向相鄰節點發射或轉發分組，整個網絡可以獨立運行，也可以通過網關接入到有線網絡中。Adhoc網絡的起源可以追溯到1968年的ALOHA網絡和1973年DARPA的分組無線電網絡。當時的分組無線電網絡主要用于大規模的軍事與救援行動，IEEE在制定IEEE802.11標準時，將分組無線電網絡改稱為Adhoc網絡。Adhoc來源于拉丁文，字面意義是為特定目的或場合的或僅為這種情況的，因此可以將無線Adhoc網絡理解為專用無線網絡。根據節點是否移動，可以將無線Adhoc網絡分為移動Adhoc網絡和無線傳感器網絡，因此無線傳感器網絡屬于無基礎設施（InfrastructurelessNetwork）的無線Adhoc網絡。與傳統的以計算為核心的網絡不同，無線傳感器網絡是以通信為核心的，其主要特征如下：
(1)高度自適應的自治能力。無線Adhoc網絡中的戶節點均兼備數據采集和無線網絡路由功能，不存在一個網絡中心控制點，用戶節點之間的地位是平等的；由于應用環境的限制，無線傳感器網絡必須是自我配置的，網絡路由協議必須能感知由于各種原因（如在戰場環境中某些傳感節點或網關節點可能會被毀壞而無法工作，或者某些節點因電池能源耗盡而無法工作），而導致無線傳感器網絡本身的拓撲結構所發生的變化，具有很強的自適應性和健壯性。
(2)多跳通信。由于低功率射頻器件的信號傳播范圍有限，Adhoc網絡要求支持多跳通信，即網絡中每個節點均需具備路由器的功能。這種多跳通信由此也帶來了隱藏節點、暴露節點和公平性等問題。
(3)節點。移動節點依靠電池提供工作所需的能量。盡可能地降低系統功耗將是影響網絡協議棧設計的一個關鍵因素。
總之，傳統意義上的無線傳感器網絡面臨的主要技術挑戰是在資源受限的條件下完成感知、通信和控制功能。這些限制主要包括，有限的能量供應、有限的計算能力、有限的存儲空間和有限的通信能力。
3室內環境對無線傳感器網絡技術的挑戰
室內環境中的無線傳感器網絡系統已經突破了傳統意義上的無線傳感器網絡。首先節點異構化，不再完全由同類的節點組成；其次網絡節點不再是完全靜止的，一方面由于某些辦公電器或家電產品在環境中的位置并不固定；另一方面室內環境中存在移動節點，如可以控制室內環境中所有電器的中央遙控器（如在PDA上安裝由家電廠商提供的控制軟件）。因此除了上述傳統意義上的傳感器網絡所面臨的挑戰外，室內無線傳感器網絡面臨的主要挑戰來自于理論層面的對移動節點的管理與相應的高效的路由算法的設計；其次是工程應用層面的實施問題，即如何才能讓來自不同電器廠商的各種電器設備以及傳感器執行器系統方便地互連。在家居環境中的室內無線傳感器網絡，由于現代家居系統中包括的家電種類繁多，而目前的各大家電生產商的產品只能是各有側重，如Philips的家用照明系統產品是同類產品中最好的，然而其洗衣機產品卻未必有伊萊克斯(Electrolux)公司的產品好；此外再考慮到價格等其他因素，消費者很少會一次性將電器購置齊全并且不太可能選用同一電器廠商的產品。因此如何實現這些來自不同廠商的不同類型的電器產品之間的互連就成了未來的室內無線傳感器網絡系統實用化將要面臨的主要挑戰。
4室內無線傳感器網絡節點系統構架設計
室內無線傳感器網絡節點可分為功能單一的傳感器節點、執行器節點和兼具傳感與執行功能可獨立工作的電氣設備節點以及具有強大計算與存儲功能的通用處理平臺節點（如PC機）等四大類節點。因此這種由形態結構和功能各異的節點構成的室內無線傳感器網絡是一個異構網絡。
若在設計實現這些不同類型的室內無線傳感器網絡節點時仍采用如圖1所示的傳統無線傳感器網絡節點單一式的體系構架(如UCBerkeley的MICA)，將會出現以下的問題：
(1)單一式構架中只有一個微處理器，其計算資源非常有限。在負責實現節點本身的邏輯功能（如采集環境信息或者控制某個外部執行機構等）的同時還要處理與通信相關的事務（作為信源節點發送數據或者作為路由器轉發其他節點的分組等）。由于這兩大類任務均屬于異步實時任務，當節點本身的邏輯功能很復雜時，系統的實時性和并行性變得很差以致可能產生通信過程中分組丟失的現象。
(2)此外，由于使用同一個微控制器控制所有的外部設備如傳感器、執行器和無線通信器件等，而在具體節點的設計與實現時，根據節點的類型與具體的功能需求的不同，可以選擇的微處理器范圍很大。此外根據應用的不同系統的軟件構架也有很大的差別，有的八位系統由于功能單一，結構簡單不需要采用嵌入式操作系統；而有的系統功能復雜而且對實時性要求很高，因此必須采用嵌入式實時操作系統。據不完全統計，目前市場上存在的嵌入式操作系統有100多種，如WindRiver的VxWorks，OS9，Symbians，Nuclears以及種類繁多的以Linux為基礎開發的針對嵌入式系統應用的Linux系列，加強了系統實時性的RTLinux，適用于沒有MMU的嵌入式系統微處理器的μCLinux等。總之隨著應用的不同，節點的軟/硬件結構有很大的變化，這使系統的軟/硬件設計的復用性很差。
(3)由于無線傳感器網絡多跳通信的特點要求該異構網絡中的所有節點能提供路由器功能。也就是說處于同一環境中來自不同生產商的各種電器和傳感器設備必須采用相同的無線通信網絡協議才能實現互連。然而各電器生產商事先并不知道也不可能知道這種電器會與其他什么電器處于同一環境中。因此除了在同一環境內采用來自同一電器廠商的產品外，不可能實現來自不同家電廠商產品的互連，然而電器產品種類繁多，電器廠商也是各有側重，目前還沒有一個電器廠商可以提供工業現場、辦公與家居所需要的所有電器設備。因此，采用這種單一結構的無線傳感器網絡節點體系構架將不可能實現室內無線傳感器網絡的互連。
為了解決上述問題，通過分析目前無線傳感器網絡應用范例并結合以前的傳感器系統應用經驗，我們將整個無線傳感器網絡節點在邏輯上劃分為兩部分，即同節點的應用有關的功能邏輯部分（如收集環境溫度濕度等信息的傳感器或微型電機、可控硅、光耦和干簧管等執行器各種相關的控制算法等）和無線通信部分[10]。即將系統分為負責實現節點本身邏輯功能的傳感與執行器子平臺和實現無線通信功能的無線通信子平臺兩個相對獨立的軟/硬件子系統進行設計，這樣兩個子系統可以分別獨立設計與實現并行的調試開發，降低了系統的開發成本、研發周期以及系統投入使用后的管理與維護成本。此外，將電器本身的邏輯功能部分與無線通信功能部分分開，使各大電器生產商在設計自己的電器系統時，無須在無線通信方面投入很多人力與資金去設計實現整個通信系統，而只需遵循同無線通信平臺的標準軟/硬件接口進行自己的通信應用層設計；由專門的公司負責遵循傳感及執行器平臺與無線通信平臺之間的軟/硬件接口標準設計，實現具體的電器互連無線通信模塊。室內環境中的電器產品以及傳感器產品互連時只需要根據需求到市場上選購這些遵循某種標準的軟/硬件接口規范的無線通信模塊，這樣就可以使來自不同生產廠商的不同種類的各種電器產品與傳感器、執行器方便互連。傳感與執行器子平臺和無線通信子平臺兩個子系統與兩個平臺間的接口的設計過程將另文詳述。
5室內無線傳感器網絡技術的應用前景
利用室內無線傳感器網絡技術，我們可以在大型倉儲設施管理、樓宇管理、辦公室和家居等應用環境中開發出多種應用。
在大型倉儲管理領域中，可以利用室內無線傳感器網絡技術開發出各種用于采集大型倉儲設施內部各個角落的溫度濕度等信息的各種無線傳感器節點，方便地實現無線布點和無線互連，在GIS等其他軟件的配合下，真正實現倉儲管理自動化。
在樓宇管理領域，除了可以開發出上述的用于監控環境的應用系統外，還可以開發出用于節能的應用系統。例如，目前樓宇中的中央空調系統只是在每個房間中設置了用于調節出風量的調節器，但這些調節器并沒有將各個房間對熱量的實際需求反饋給中央空調的主機，也就是說中央空調的主機不會考慮樓宇內對熱量的總體需求變化以恒定的輸出功率運行。這樣做，一方面用戶會感覺環境溫度并不容易控制；另一方面系統的無功電力消耗非常大。室內無線傳感器網絡技術的有反饋智能節能型中央空調系統，其主要由用戶溫度控制節點和一個用于控制主機的節點構成。用戶溫度控制節點可以采集其所在房間的實際溫度和用戶設定值，并且可以通過步進電機控制房間出風口擋板角度以控制其所在房間的溫度。中央空調主機控制節點可以根據采集到的用戶需求信息和實際的溫度信息以及系統的熱力學屬性等信息，選擇恰當的控制算法對主機進行控制。因此，如果采用這種可以根據實際需要調整功率輸出的中央空調即可以達到精確控制室內環境溫度和節能的雙重功效。
此外，隨著物質生活水平的逐步提高，人們對辦公與家居環境的需求已不再滿足于原來的基本功能，而是希望這些環境可以使工作與生活更加安全、舒適和便捷。采用無線傳感器網絡技術可以為辦公室或家居環境帶來以下好處：
(1)安全。方便快捷地部署各種安全監測無線傳感器，并建立同火警、治安系統等機構的通信連接使辦公室或家居與上述的社會職能機構構成一個大系統，有效地保障了辦公室或家居系統的安全。
(2)舒適。使人們在任何地點均可以方便地監控調節辦公室或家居內的光線、溫度和濕度等物理環境因素，為人們提供了一個舒適健康的生活工作環境。
(3)方便。安裝無須布線；系統維護和管理不需要太多的外部干預，由于實現了所有家電的互連協作，可以通過一個便攜式控制器控制整個辦公室或家居中的各種電器設備，并且支持電器設備的遠程控制。
例如，我們可以利用室內無線傳感器網絡技術開發出智能遠程抄表系統，使小區的物業管理或者電力公司等部門可以通過這套系統實現對居民家居中的電表、水表、煤氣表進行無需上門的無紙化遠程抄表，這在方便這些部門的同時也使普通居民無需為每一個儀表配置類似GSM公用網絡接入設備，節省了開支。
參考文獻：
［1］M Weiser. The Computer for the 21st Century\\[J\\]. Sci.Amer.， 1991，(9): 6166.
［2］Oxygen Projects\\[EB/OL\\]. http://oxygen.lcs.mit.edu/， 20030509.
［3］Project Aura\\[EB/OL\\].http://www2.cs.cmu.edu/~aura/， 20030509.
［4］Smart Kindergarten\\[EB/OL\\]. http://nesl.ee.ucla.edu/projects/smartkg/， 20030212.
［5］任豐原，黃海寧，林闖. 無線傳感器網絡\\[J\\]. 軟件學報，2003，14(7):12821291.
［6］Sensor Webs\\[EB/OL\\]. http://sensorwebs.jpl.nasa.gov/， 20030923.
［7］Shih E， Cho S， et al. Physical Layer Driven Protocol and Algorithm Design for Energyefficient Wireless Sensor Networks\\[C\\]. Procee￣dings of the ACM MOBICOM 2001， Rome: ACM Press， 2001.272286.
［8］Akyildiz I F， Su W， et al. Wireless Sensor Network: A Survey\\[J\\]. Computer Networks， 2002，38(4): 393422.
［9］Frodigh M， Johansson P， Larsson P. Wireless Ad hoc Networking: The Art of Networking without a Network\\[J\\]. Ericsson Review， 2000，(4):522536.
［10］繆強. 無線傳感器網絡研究與實現\\[D\\]. 杭州:浙江大學，2004.112.
作者簡介：
曹紅蘋（1968），女，講師，碩士，主要研究方向為網絡數據庫編程、信息融合等;
蔣云良（1967），男，副教授，博士研究生，主要研究方向為人工智能、信息融合、GIS等；
繆強（1978），男，碩士，主要研究方向為嵌入式系統、網絡技術等。
