無線傳感器執行器網絡研究

胡　波，張　麗，王雪麗（.宿州學院　機械與電子工程學院，安徽　宿州　4000；.臨沂市科技館，山東　臨沂　7607；.宿州學院　信息工程學院，安徽　宿州　4000）

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無線傳感器執行器網絡研究

胡波1，張麗2，王雪麗3
（1.宿州學院機械與電子工程學院，安徽宿州234000；2.臨沂市科技館，山東臨沂276037；3.宿州學院信息工程學院，安徽宿州234000）

摘要：目前，無線傳感器網絡已經成為信息領域的研究熱點，其不僅綜合了網絡、微電子以及傳感技術，同時涉及了嵌入式、無線通信、分布式計算處理等技術.為了能夠更好地處理數據，感知環境信息，完善無線傳感器執行器網絡已然成為一種必然趨勢，通過主動地與監測環境進行交互，以全面完成任務.本文分別介紹了帶執行器的無線傳感器網絡、無線傳感器執行器網絡體系結構、無線傳感器執行器網絡協作機制、無線傳感器執行器網絡通信協議，本文的研究成果將為促進無線傳感器技術的飛速發展與日益成熟指明研究方向.

關鍵詞:無線傳感器執行器協作機制通信協議

無線傳感器網絡也稱WSA，是一種在監測區域部署的，借助無線通信形成的自組織、多跳網絡系統，其包含大量的微型傳感器節點，能夠在有效協作下感知、采集以及處理信息.由于傳感器節點具有能量、通信能力以及計算資源有限的特點，所以為了更好地實施監測、控制以及執行，可設法在無線傳感器網絡系統中增加部分特殊節點，構建出無線傳感器執行器網絡體系，以便加強與環境交互的作用效果.

1　帶執行器的無線傳感器網絡

近年來，電子器件與無線通信技術得到了快速發展，其逐漸從實驗室研究走向了工業應用.雖然無線傳感器網絡的成本低廉，靈活構造已引起各界的廣泛關注，但是，由于無線傳感器具有節點較小的特點，其能量供給受到了極大的限制，這為能耗性以及硬件設計提出了新的挑戰.目前，無線傳感器在實際工程中的應用還存在一類特殊的網絡系統，需要在傳感器節點監測環境變化的基礎上，利用執行器節點控制環境，但是由于執行器節點是一個具有較強計算能力以及充足能量供給的系統，而傳感器節點卻是受到計算能力以及能量供給限制的嵌入式系統，所以，應將帶執行器節點的無線傳感器網絡從一般無線傳感器網絡中獨立出來并運行.而在設計系統通信協議時，充分利用執行器節點的計算以及通信能力，最大限度地降低傳感器節點的能量消耗部分，進而能夠延長傳感網絡運行的時間.

在匯聚節點的協助下，一般無線傳感器網絡能夠完成執行器動作以及傳感器檢測的功能.首先，傳感器節點檢測作用區域事件，利用無線傳感器網絡將事件的相關消息傳遞給匯聚節點，由匯聚節點對消息進行分析、判斷以及決策；其次，按照執行器節點的拓撲分布，合理選擇執行器節點，發出具體的動作指令；最后，借助無線網絡的總體指導，使執行器完成對應的功能動作.帶執行器節點的無線傳感器網絡對于相同功能的實現過程有所出入，其在傳感器檢測后，立即將消息輸送給鄰近執行器節點，由執行器節點自行分析、決策，最后在決定是否發起動作的同時，將事件發送到匯聚節點，進行整體分析與紀錄.不難發現，帶執行器節點的無線傳感器網絡在解決方案方面的優勢更為突出，其不僅具有較好的系統實時性能以及傳感器節點節能性，同時傳感器網絡具有較小的流量，減弱了網絡通信沖突與匯聚節點負載.

2　無線傳感器執行器網絡體系結構

在無線傳感器執行器網絡體系結構中存在匯聚節點、傳感器以及執行器三種類型的節點.匯聚節點部分主要負責網絡整體的協調，通過匯總與采集信息數據，進而能夠實現與執行器、傳感器節點的遠距離通信；傳感器節點主要是依托于采集系統所在的環境中的有效數據；執行器節點不僅能夠補充數據的采集內容，還能夠在其判斷的基礎上去執行了相應的條件動作，去進而處理了監測相應的消息、問題.能夠在需要判斷的基礎上執行相關動作，及時處理監測的事件消息.

一般地，依據不同的任務處理方式，無線傳感器執行器網絡具有兩種基本的體系結構.一種為全自動結構，其利用傳感節點進行數據采集，而后向臨近的執行器節點輸送信息內容，由其根據相關信息進行分析，并執行了相應的任務，所以其又可稱為無控制中心結構.

另外一種則為半自動結構，其首先需要將事件消息路由至匯聚節點，然后由匯聚節點向執行器發布指令，指揮執行器執行相關任務，其也可稱為有控制中心結構.

以上兩種結構都能夠呈現出屬于自己的優勢：首先，系統的半自動結構與一般無線傳感器網絡結構十分相似，所以其無需開發全新的通信協議以及算法，應用無線傳感器網絡中已經研發的算法與協議便可以解決運行問題.而全自動結構則具有延時低與更長網絡壽命的優點.一方面，傳感器的采集信息直接被傳送給執行節點，而無需繞路向匯聚節點傳送，大大縮短了傳輸途徑，提高了傳輸效率.另一方面，全自動結構并沒有像半自動結構一樣，存在一定的匯聚節點能量空洞，所以其具有更長的網絡壽命.在無線傳感器執行器網絡體系結構中，匯聚節點可以被我們當作一種特殊的執行器，能夠依托于單跳或多跳路由與其他執行器建立有效連接，進而直接參與分配任務.研究無線傳感器執行器網絡體系結構能夠更好理清各節點間的關聯，在促進無線傳感器技術成熟方面具有重要意義.

3　無線傳感器執行器網絡協作機制

在無線傳感器執行器網絡系統中，各個節點的通信半徑、信息探測范圍以及計算能力等均是有限的，再加上節點的分布式特性，使得無線傳感器執行器節點的控制不能由人員直接負責，而必須協調各節點行為，在保持高度一致性下，能夠實現網絡系統的總體功能目標.對于無線傳感器執行器網絡協作機制的設計，一般需要注意以下三點：首先，均衡各節點負擔，通過網絡延長，實現資源利用的最大化.其次，注重實時性的塑造.執行器應能實現各類任務的快速響應，特別是實現機器人自主攻擊以及目標追蹤等具有很高實時性的任務.最后，事件消息必須要具備準確性.因為一旦單一傳感器傳送的信息存在感知盲區等問題，那么協作機制則需要及時借助信息融合、多維感知等技術實現事件的精確報告.

目前，學術界已進行了大量的無線傳感器執行器網絡協作機制的研究，我們能夠知道無線傳感器執行器網絡節點間存在著傳感器與傳感器、傳感器與執行器以及執行器與執行器三種類型的協作通信，由于這些傳感器節點間的協作在無線傳感器網絡中已有大量研究，所以以下將就兩種協作方式進行分析.

首先，傳感器-執行器協作，其一般涉及單執行器與多執行器兩種.單執行器，簡言之就是只具備一個接收事件區信息執行器的機制；多執行器則具備多個接收事件區信息執行器.單執行器中并不存在相互協調的執行器節點，其一般根據事件區域與執行器節點的距離、作用范圍與執行器能力等因素選擇節點，所以其需要復雜地分布式協調事件區中的傳感器節點，造成傳感器節點耗能較大.而多執行器中由傳感器節點決定數據目的執行器，雖然可以不必協調傳感器節點，但是卻也增加了不必要執行器的激活率，其有必要借助分簇方法使傳感器將各自事件區的數據能夠去將各個節點去傳送到自己的執行器內，進而解決過多執行器被激活的問題.其次，執行器一執行器協作.在此操作中，依據任務分配形式也可以分為單一執行器任務與多執行器任務.一般情況下，執行器可根據任務的類型、復雜度以及發生地點等客觀因素決定任務執行方式.單一執行器協作在任務執行時無需與其他執行器進行通信，所以其所用時間較短；而多執行器任務狀態下，各執行器需要協調合作，依據事件動態變化及時調整執行器行為，但是與此同時也增加了通信與計算負載，導致網絡延遲的出現.盡管協作機制的研究已有一定的歷程，但是大多研究還處于理論階段，為了更好地突出協作機制的效用，進一步研究無線傳感器執行器網絡系統多點協作問題具有重要的現實意義.

4　無線傳感器執行器網絡通信協議

無線傳感器執行器網絡通信協議共分為管理面、通信面與協作面三個層次.管理面主要進行功率、移動以及容錯管理，其在負責監控執行器或者傳感器節點的基礎上向協作面輸送必要的節點信息.通信面具體而言，即為通信協議棧，一般包括物理、MAC、路由、傳輸以及應用五個層次，其能夠為無線傳感器執行器網絡提供必要的通信功能.協作面則主要處理由通訊面與管理面接收的信息，決定節點動作.在充分考慮網絡異構特性的基礎上，無線傳感器執行器網絡通信協議的設計將主要強調底層通信標準、路由層以及傳輸控制層三個方面.首先，底層通信標準.目前，在無線傳感器執行器網絡中底層通信大多使用IEEE 802.15.4標準，其主要描述了媒體接入控制以及低速率無線個人局域網物理層規范.盡管該標準在能量消耗上占有一定優勢，但是其在數據輸送速率方面還未能完全滿足無線傳感器執行器網絡的要求，所以，已經開始有研究者向傳輸速率更高的IEEE 802.1l技術探索，以便更好地拓寬無線傳感器執行器網絡在實際中的應用范圍.其次，路由層協議.作為通信協議研究的熱點之一，路由協議主要解決無線傳感器執行器網絡兩個節點間缺失直接通信的問題，其能夠實現網絡層信息的多跳中繼.因為無線傳感器執行器網絡具有異構特性，所以路由協議應當發展為滿足傳感器與傳感器、傳感器與執行器、執行器與執行器三種形式的混合路由.最后，傳輸控制.經由傳感器收集的事件信息需要有效按時地輸送給執行器，而執行器也必須保證在協同工作時所交換信息的可靠準確性，所以在傳輸控制方面要求網絡進行端到端的可靠服務十分重要.不過，傳感器節點受到計算、能量、存儲等資源的限制，使得研究的大多協議還不能完全滿足無線傳感器執行器網絡的實時性以及安全性要求，對比實際應用的需求也還有一段距離.

5　結語

總之，當前無線傳感器執行器網絡的研究還有很多需要完善的地方.無論是完善任務協作機制以及支持動態拓撲與實時傳輸的通信協議標準，還是修復因拓撲結構變化、網絡間歇連通造成的任務盲區，均是無線傳感器執行器網絡的研究重點，其進一步的探索任務仍然任重而道遠.與此同時，由于無線傳感器執行器網絡的實際應用涉及多個行業，其需要根據不同的應用研究具體的硬件、軟件系統以及網絡協議，以便讓系統更好地貼近實際，實現高效低能的目標系統.

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基金項目：宿州學院校級項目（2013yyb02）

收稿日期：2015年11月17日

中圖分類號：TP393

文獻標識碼：A

文章編號：1673-260X（2016）01-0038-02