無線傳感器網絡軟件技術研究

摘要：無線傳感器網絡是由大量資源有限的計算設備通過無線方式構成的自組織網絡，具有與環境緊密交互的能力，具有廣闊的應用前景，是信息科學領域一個重要的研究熱點。分析了傳感器網絡的特點，總結了當前傳感器網絡軟件技術發展現狀，并分析了軟件設計及應用開發所面臨的主要問題和挑戰，最后對基于中間件的傳感器網絡軟件體系結構進行了分析研究。

關鍵詞：傳感器網絡； 軟件體系結構； 中間件

中圖法分類號：TP393文獻標識碼：A

文章編號：10013695(2007)01000104

作為21世紀三大重要研究技術之一，傳感器網絡的研究還處于初步階段。傳感器網絡是由一組傳感器以Ad hoc方式構成的無線網絡，其目的是協作地感知、采集和處理網絡覆蓋的地理區域中感知對象的信息，并發布給觀察者[1]。這些低能耗具有通信能力的傳感器散布在監測區域中，與物理世界緊密耦合，通過大量高密度的部署可以獲得前所未有的感知精度。傳感器網絡已經在環境監測、精度農業、軍事偵察等很多領域應用，其潛在的應用價值正在被不斷地挖掘出來；同時，人類最終追求的普適計算的目標，既可以透明地獲得無處不在的信息的訪問能力，也離不開無線傳感器網絡技術的支撐。傳感器網絡技術已經成為工業界和學術界的研究熱點。

傳感器網絡研究涉及的內容很多，包括嵌入式系統、微型傳感器、無線通信、分布式協作算法、數據融合、網絡協議、安全、操作系統、中間件以及其他一些應用支撐技術。本文討論了對應用開發關系重大的軟件技術。首先分析傳感器網絡的特點，并對其應用進行了分類，隨后分析了軟件設計應該遵循的設計原則和因素，并在總結當前軟件技術發展狀況的基礎上提出了一個基于中間件的軟件體系結構。 

1傳感器網絡的特點

傳感器網絡系統由傳感器、感知對象和觀察者三個基本要素構成。觀察者是傳感器網絡的用戶，是感知信息的接收和使用者，觀察者可以是人，也可以是計算機或其他設備；感知對象是觀察者感興趣的監測目標，也是傳感器網絡的感知對象。目前使用的傳感器網絡概念實際上是指無線傳感器網絡，因為傳感器節點組網基本都是使用無線通信方式。傳感器網絡集成有傳感器、數據處理單元和通信模塊的微小設備節點，它們通過自組織的方式構成網絡，這些微小廉價的節點具有的存儲容量、計算能力相對較小。節點通過內置的形式多樣的傳感器測量其所在周邊環境中的眾多物質現象，由于節點數目巨大，通常部署在無人值守的環境中，導致傳感器網絡節點電源模塊通常難以置換。體積的限制使傳感器通常采用電池供電的方式，所以可以使用的能源非常有限，通常其通信范圍很小，只有數米或數十米，受到地形因素、干擾的影響，通信也很容易被中斷。 出于節能的需要，節點的無線模塊一般以多跳中繼的方式將信息發送到接收節點（Sink），最終由Sink節點將信息發送到遠程信息處理中心。傳感器節點的特點和部署環境決定了無線傳感器網絡自組織（Ad hoc）網絡的管理特征，但是與傳統Ad hoc 網絡相比， 無線傳感器網絡具有很多自身的特點[1~5]，這些特點決定了傳感器網絡的系統設計和軟件設計的特殊要求。

(1)電源能量有限。由于節點的電源模塊體積的限制，且節點很難采用手工更換的方式替換節點電池，因此傳感器節點的電源能量極其有限。

(2)通信能力有限。受天線和功率的限制、復雜自然環境和節點密度的影響，傳感器節點的通信覆蓋范圍只有幾十~幾百米，通信帶寬小且不穩定。 

(3)計算能力有限。由于嵌入式處理器和存儲器的能力及容量有限，傳感器的計算能力十分有限。

(4)傳感器數量多、分布范圍廣、網絡節點密度高。傳感器網絡中傳感器節點密集、數量巨大，可能達到幾百、幾千萬，甚至更多；此外，傳感器網絡可以分布在很廣泛的地理區域。

(5)網絡動態性強。網絡中的傳感器、感知對象和觀察者這三要素都可能具有移動性，并且經常有新節點加入或已有節點失效，節點的能力隨著使用會發生變化。因此，傳感器網絡具有很強的動態性。 

(6)以數據為中心，分布協同計算。傳統的Ad hoc網絡組網的主要目標是點到點的通信，而傳感器網絡則是以向接收節點傳輸數據為主要目標，在有限的共享資源（如傳感器能量、信道帶寬）下協同完成一個或多個應用目標。

2傳感器網絡應用分類

根據監測對象不同和網絡數據流的特性，傳感器網絡可以歸為以下幾種類型。

（1）數據采集

傳感器網絡數據采集的應用有很多，在目標區域，大規模部署的傳感器節點定期采集數據，同時對數據進行挖掘分析，可以掌握信息并發現趨勢和規律。通常可采用樹型結構路由將數據送往收集點，這種應用情況通常需要低數據率和長的時間周期，在部署之后網絡的物理結構基本保持恒定，所采集的數據能以離線的形式進行分析處理。這類應用具有的特點是：大的數據采樣間隔，對數據時間延遲要求不高，不要求實時處理但要求精確同步，相對靜止的拓撲。

這方面的例子有生物學家通過傳感器網絡研究紅樹林的生態環境，高精度農業獲取葡萄園溫度、濕度、光照等密集數據，在非洲研究斑馬遷徙的ZebraNet項目。

（2）安全監控

安全監控應用中，網絡的主要目標是監測系統所關注事件的出現，能夠發現異常情況而不是采集數據。只有出現違反安全的情況時才需要發送數據，這時必須將數據實時可靠地發送到信息接收者。為了保證在緊急情況出現時數據的可靠即時傳輸，路由節點需要經常監測無線信道，一旦有信息傳送就需要馬上處理。維護系統功能的能耗一般超過信息傳送的能耗。可以應用的場景有化工廠危險品泄漏監控、森林火情監控、軍事偵察等。

（3）物件跟蹤

在物流和庫存管理中，可以將小的傳感器節點附加在物體上作為標簽，傳感器節點根據需要報告物品的位置信息；可以實現物品的全程跟蹤，以提高管理自動化水平并有效地降低管理成本。 

實際的應用情況可能是以上幾種類型的混合，如在一個監測交通違章的系統中，當監測到一個行駛的車輛出現交通違規時，可能會啟動數據采集功能連續收集所需要的數據。應用的不同決定了網絡特性的不同。不同的應用具有不同的數據傳輸模型，數據傳輸可以是持續的、事件驅動的或者觀察者發起的。不同的應用網絡動態性也有很大不同，有相對靜態穩定的網絡和動態的網絡，在動態網絡中傳感器、觀察者和現象均可能是移動的，不同的動態組合呈現不同的動態特性。傳感器網絡技術的研究應該是需求牽引的，在提取通用特征的基礎上要考慮特殊性要求。對于軟件設計來說，不同的應用對軟件設計的要求很不相同，讓傳感器網絡軟件適應所有的應用情況是不現實的。所以在實際的應用開發中，通常是基于領域應用來進行軟件的分析設計。

3傳感器網絡軟件技術研究現狀

3．1傳感器網絡操作系統

傳感器網絡的操作系統均采用微內核的設計， 最典型的傳感器網絡操作系統是加州大學伯克利分校的TinyOS[6]。TinyOS 設計的主要目標是代碼量小、耗能量少、并發性高、魯棒性好，可以適應不同的應用。TinyOS采用組件(Component based)設計方法，它是一個基于事件的系統，完整的系統由一個調度器和一些組件組成。高層組件向低層組件發出命令，底層組件向高層組件報告事件。 TinyOS 采用 NesC 設計，也采用NesC進行應用開發。NesC是專為描述TinyOS的結構概念與執行模型而設計的一種編程語言， 是C語言的一個擴展集。

也有一些其他的傳感器網絡操作系統，采用了不同的設計方法，如美國科羅拉多大學開發的MantisOS[20]，它支持快速、靈活地構架無線傳感器網絡；MagnetOS[14] 則采用了與TinyOS完全不同的方法，該系統主要是為了解決自主網絡中的能源管理和應用程序透明地適應外界變化問題的。為此，Magnet￣OS通過實現一個虛擬機為用戶提供單一系統映像，將應用程序透明地分割成組件，動態地找到組件的最佳放置節點，以減少能量消耗，增加系統的壽命。此外還有基于Cygnal8051core處理器設計的操作系統Bertha，系統包括進程片斷管理子系統、公告板子系統、鄰居查看子系統和網絡子系統，并且在系統之上提出了一個基于移動代理框架的編程模型。進程片斷就是一個移動代理，它是用公告板系統與其他代理通信，通過鄰居查看完成不同設備之間的通信。系統為程序片斷提供了控制自己執行和從/向公告板讀取/發布信息的系統調用。

3．2傳感器網絡中間件

中間件技術是在軟件技術發展過程中，為了簡化應用程序的開發部署以及解決不同平臺互操作問題而發展起來的軟件技術。中間件作為分布式系統的組成部分，存在于應用軟件和操作系統之間，主要用于解決不同平臺的互操作問題。20 世紀90年代以來，一些中間件技術，有開放源代碼組織的DCE，對象管理組的CORBA，微軟的以COM/DCOM以及Sun公司的J2SE/RMI等在分布式環境中得到了廣泛的應用。在這些中間件平臺的架構上，分布式應用程序的開發變得容易起來。但是仍存在一些問題，主要表現在：一些流行的中間件使用專有的實現，使得采用這種技術的應用依賴于單一廠商的產品。相對于傳感器的應用環境，傳統中間件自身過于復雜和耗費資源，不適用于低端設備，尤其是沒有考慮能源有效的問題。 

另外在普適計算領域中，目前比較成熟的有CORBA/OTMS，Jini/J2SE，SOAP，UPnP等，還有一些針對普適計算的中間件技術仍處于實驗室研究中。這些中間件針對普適計算的需求，突出了靈活的協議支持、統一的編程支持以及可裁剪等特點，多用在研究項目的原型系統中。 這些中間件仍然不適合傳感器網絡，沒有考慮能源、計算、存儲、通信等資源的限制問題。

目前，傳感器網絡中間件有很多研究和原型實現，但是還處于初步的階段。這些中間件都具有不同的設計模式，解決問題的特點也有很大的不同。 

（1） 基于數據庫方式的中間件

傳感器網絡以數據為中心的特點啟發人們按照數據庫的方法研究傳感器網絡中間件，其中有TinyDB[17]，Cougar[12]以及SINA[15]。他們將傳感器網絡節點看作分布式數據對象，即將傳感器讀數看作虛擬的關系數據庫表，然后可以使用類似SQL語言對傳感器網絡分發任務。這樣，傳感器節點可以按照解析查詢語言的方式提供動態可編程性。通過在路由樹上進行數據融合計算以減少消息發送，從而提高網絡的能源效能。 其中，SINA 既能支持類似SQL的查詢，也能支持SQTL(Sensor Querying and Tasking Language)程序，可編程能力得到了進一步增強。

（2）腳本編程中間件

SensorWare[18]是具有腳本編程能力的中間件。在SensorWare中，可以向網絡中注入輕量級的移動控制腳本控制節點的計算、通信、數據采集。通過腳本使動態的編程成為可能，同時腳本語言具有很好的表達能力。與Mote節點相比，SensorWare需要運行在資源更充足的節點上(1MB Program Memory，128KB RAM)，所以可以支持更高級的腳本語言，并可支持多個并發應用。

（3）基于虛擬機形式的中間件

一些中間件提供虛擬機環境簡化應用的開發和部署，如Maté[14]。Maté實際上是運行在TinyOS之上的字節碼解釋器，它具有采用堆棧結構的非常緊促的指令集，采用簡單的類似于匯編的語言對Mote節點進行編程。程序可以分解為具有24個指令的程序包（Capsule），并利用特殊的命令向其他節點發送程序包，這樣程序的發送目的是有效地使用資源（通信和電源）。

（4） 基于移動Agent的中間件

Agilla[10]將移動Agent運用到傳感器網絡中間件設計中，移動Agent是在網絡中能夠復制和移動執行的程序。在Agilla中用戶可以創建Agent并注入到傳感器網絡中，這些移動Agent在網絡中遷移，通過局部元組空間進行協作，共同執行和完成某個特定的任務。通過移動Agent可以向網絡中動態部署復雜的應用。

（5）基于服務的中間件

受面向服務的軟件體系結構的啟發，不少研究結構將基于服務的中間件應用到傳感器網絡中，如Rostock[15]大學研究通過這樣的架構實現靈活的可擴展的編程，以簡化傳感器、傳感器節點和傳感器網絡的應用程序開發。在向外部網絡提供標準服務時，通過服務代理的形式將標準服務轉換為內部專有的協議；而在網絡內部，通常使用簡化的服務信息交換協議。 

（6） 其他中間件 

Impala[13]提供了模塊化的運行環境，可支持整個應用程序的更新。 Impala應用在 ZebraNet 項目中，其應用場景節點移動性很高，節點之間的通信非常不穩定，應用的更新部署的周期相對較長而且很少進行。

Milan[8]將中間件的層次跨到網絡層，允許提供網絡插件實現特別的協議，通過一個抽象層將命令轉換為特殊的協議命令。允許應用指定質量需求，調整網絡特性，在滿足服務質量的同時提高應用的壽命。 

3．3傳感器網絡仿真

為了支持傳感器網絡的協議開發驗證以及節點程序開發，開發了很多不同功能的傳感器網絡仿真軟件。Atemu是美國Maryland大學開發的主要針對MICA2平臺的指令級仿真軟件，它提供一個圖形化調試前端工具，可以支持任意數目的節點運行仿真，并準備支持其他硬件平臺的仿真；TOSSIM可以提供對TinyOS操作的仿真；另外還有通過對NS2進行修改用來進行傳感器網絡的仿真項目，如SENSE，SensorSim；EYES項目則是在OPNET++的基礎上進行傳感器網絡的仿真。有了這些工具的支持，可以大大降低傳感器網絡的開發成本并提高開發效率。

第1期李世晗等：無線傳感器網絡軟件技術研究

4軟件設計原則和考慮因素[5~7]

（1）輕量級。微小的傳感器節點在長期運行中總共可以利用的資源非常有限，這些節點上的軟件必須是輕量級的。輕量級意味著簡單性和啟發式次優算法，可以采用面向領域的方法，試圖解決所有應用場景的問題必然導致系統規模的擴大和復雜性的增長。傳感器網絡中間件在進行系統抽象時可以只針對某一類應用情況，這樣可以簡化設計，實現輕量級計算。

（2）模塊化。模塊化的軟件設計有利于軟件的更新和維護，個別模塊或組件的更新相對于整個更新開銷要小得多。

（3）局部化協作算法。局部化算法是僅通過與臨近界點交換信息而實現全局目標的分布式算法。大規模分布式的內在特性要求采用局部化算法提高系統的伸縮性和健壯性，協作對于共同完成任務非常關鍵，但是必須控制協作的開銷和范圍。一般通過層次化聚簇方法進行協同管理，通過適度的簇內信息或簇間信息交換將算法局部化。局部化算法具有容忍網絡分區和節點失效等問題的健壯性。

（4）以數據為中心。傳感器網絡的應用目的決定了傳感器網絡以數據為中心的特點，其軟件應該具有網絡內的數據處理和查詢的機制，以最有效的方式獲得并利用數據，滿足不同應用的需求。 

（5）自適應。 應用需求的變化和網絡動態性要求具有自適應性，通過自我調整有效地使用有限資源，提高系統的服務生命期。采用具有反射能力的軟件設計可以向上層有效地提供下層情況。將反射性引入中間件能夠以可控的方式開放平臺內部的實現，從而提高中間件的定制能力和運行時的適應能力。在計算機科學領域，反射是指一類應用，它們能夠自描述和自控制，也就是說，這類應用通過采用某種機制來實現對自己行為的描述(SelfRepresentation)和監測(Examination)，并能根據自身行為的狀態和結果調整或修改應用所描述行為的狀態和相關語義。自適應算法在資源使用與結果質量之間進行權衡，可提高資源使用效率。同時高層的變化以及獲得的關于網絡的知識可以作為低層的反饋輸入，以指導自適應的軟件調整其內部行為。 

在傳感器網絡的應用和軟件設計中，需要綜合考慮如下因素：

（1）能源有效性/生命周期。傳感器網絡的生命周期是指從網絡啟動開始提供服務到不能完成最低功能要求為止所持續的時間。影響傳感器網絡生命周期的因素很多，既包括硬件因素也包括軟件因素，軟件設計要結合硬件提供的功能，通過休眠管理、拓撲管理、能源有效的路由、信息獲取等設計，在提供滿足要求的服務質量下，最大化網絡的生命周期。 

(2)響應時間。傳感器網絡的響應時間是指當觀察者發出請求到其接收到回答信息所需要的時間。影響傳感器網絡時間延遲的因素也有很多。響應時間與應用密切相關，直接影響到傳感器網絡的可用性和應用范圍。

(3)感知精度。傳感器網絡的感知精度是指觀察者接收到的感知信息的精度。傳感器的精度、信息處理方法、網絡通信協議等均對感知精度有所影響，感知精度、時間延遲和能量消耗之間具有密切的關系，在傳感器網絡設計中，我們需要權衡三者的得失，使系統能在最小能源開銷條件下最大限度地提高感知精度、降低時間延遲。時間位置相關的應用中，信息的精度包括時間精度和位置精度，不同的應用具有不同的時間精度要求和位置精度要求。

(4)伸縮性。傳感器網絡伸縮性表現在傳感器數量、網絡覆蓋區域、生命周期、時間延遲、感知精度等方面的可擴展極限，其中傳感器數量、覆蓋范圍是兩個重要的伸縮性指標。

(5)容錯性。傳感器網絡中的傳感器節點經常會由于周圍環境或電源耗盡等原因而失效。由于環境或其他原因，物理的維護或替換失效傳感器常常是十分困難甚至是不可能的，這樣，傳感器網絡的軟、硬件必須具有很強的容錯性，以保證系統具有高強壯性。在部分節點失效的情況下，傳感器網絡通過自身的自愈能力繼續提供一定質量的服務。

（6）安全性。保證數據和系統安全性是很多應用的客觀要求，安全包括保密性、身份認證、抗攻擊能力等方面。既要保證相當的安全，又要節省資源使傳感器網絡軟件的安全性設計尤其困難。

（7）成本和部署容易度。成本和部署是最終影響傳感器網絡實際應用的一個重要因素，只有節點成本降低到一定程度，才有可能實現其大規模的應用。很多情況下，網絡在長期運行過程中處于無人看護狀態，實現系統的自動配置和部署以及軟件更新對傳感器網絡的應用很重要。軟件的模塊化設計對軟件的開發和維護至關重要。 

5基于中間件的軟件體系結構

傳感器網絡的應用開發涉及到兩類設計人員，即特定應用的開發人員以及系統級開發人員。傳感器網絡的軟件體系結構設計必須考慮為應用開發人員提供良好的服務抽象，為不同的應用提供良好的支持，同時又能夠保證最有效地、自適應地利用系統資源。操作系統提供了節點硬件的資源管理能力，但是沒有考慮各種不同應用的要求以及節點之間的協同計算。通過引入中間件層作為應用開發和操作系統的橋梁，使特定應用的開發人員易于使用，同時又能充分利用節點有限的軟硬件能力，在網絡和系統的層次上屏蔽復雜和異構。所以傳感器網絡的軟件設計可以大致分為三個層次，即操作系統、中間件和應用系統。操作系統主要解決與節點特性密切相關的問題。從節能、體積等要求的綜合考慮，傳感器節點通常將無線模塊、傳感器模塊一體化設計，在確定的硬件特性下，傳感器節點的主要功能應該包括電源（休眠）管理、定時器管理、傳感器管理以及相鄰節點間的可控無線通信功能。在選擇合適能力的節點之后，利用適合領域應用的中間件，可以高效地構建符合用戶需求的應用系統。如圖1所示，在軟件體系的層次結構中，中間件層處于應用層與數據鏈路層之間，而操作系統則與物理層和數據鏈路層對應。

在傳感器網絡中試圖通過一個中間件解決所有應用問題基本上是不現實的，所以傳感器網絡的中間件設計應該面向某一應用領域進行設計。基于領域的中間件層可以進一步劃分為兩個必要的子層，即服務接口層以及由若干核心模塊組成的中間件核心模塊層。之所以簡化為兩層設計，是因為在有限的資源條件下，綜合考慮路由、數據處理、拓撲管理并提高處理性能和最大化節能是設計的首要目標。多分層的設計方法使設計簡化、兼容性好，但在無線傳感器網絡中卻帶來了靈活性差、效率不高等缺點。因此在傳感器網絡中，需要采用自適應跨層優化設計，從而可以在能量受限的情況下，滿足應用的高吞吐量、低延遲等要求。應用目標和環境的不同決定了不同形式的路由和通信協議、不同的數據處理和協作方式，所以由中間件直接管理和實現網絡層協議可以最有效地利用合適的網絡協議實現節點間的協同計算，通過協同完成系統功能，提高可靠性，延長整個網絡的生命期。為了更好地適應環境和應用的變化，一方面必須接受應用的管理控制，同時可以獲得關于數據鏈路的狀態信息以及包括能量在內的節點資源信息。所以良好的層間接口以及一體化分層設計是傳感器網絡軟件以及中間件設計最突出的特征。

6總結

本文分析了傳感器網絡的特點，總結了傳感器網絡軟件設計的原則和功能要求，并提出了基于中間件的傳感器網絡軟件的體系結構，對我們進一步開發傳感器網絡應用具有一定的借鑒作用。我們下一步的工作是研究環境監測傳感器網絡的軟件體系結構，并開發基于服務的面向大規模環境監控的異構傳感器網絡應用中間件，并在此基礎上建立一個原型系統以解決在實際應用中可能遇到的技術難題。

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作者簡介：

李世晗（1971），男，河南光山人，博士研究生，主要研究方向為計算機網絡、中間件技術；

白躍彬（1962），男，副教授，碩導，主要研究方向為計算機體系結構、計算機網絡等；

錢德沛（1952），男，教授，博導，主要研究方向為計算機體系結構、計算機網絡、網格計算等。

注:本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文