面向物聯(lián)網(wǎng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計研究

楊自強，呂 偉

（河南省信息咨詢設(shè)計研究有限公司，鄭州　450008）

1　引言

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WirelessSensorNetworks，WSNs）是由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量傳感器節(jié)點相互通信形成的多跳自組織網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，是物聯(lián)網(wǎng)底層網(wǎng)絡(luò)的重要技術(shù)形式。傳感器網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的采集、處理和傳輸?shù)娜N功能，而這正對應(yīng)著現(xiàn)代信息技術(shù)的三大基礎(chǔ)技術(shù)，即傳感器技術(shù)、計算機技術(shù)和通信技術(shù)。

2　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)

WSNs作為當(dāng)今信息科學(xué)與計算機網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的研究熱點，其關(guān)鍵技術(shù)具有跨學(xué)科交叉、多技術(shù)融合等特點，每項關(guān)鍵技術(shù)都需要亟待突破。WSNs的關(guān)鍵技術(shù)主要體現(xiàn)在3個方面，即信息采集系統(tǒng)設(shè)計、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)支持和網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議設(shè)計。

2.1　信息采集系統(tǒng)設(shè)計

對于一個在WSNs中工作的傳感器節(jié)點來說，有一些重要的系統(tǒng)設(shè)計需要利用有效的WSNs網(wǎng)絡(luò)模型、系統(tǒng)平臺和操作系統(tǒng)支持等一系列關(guān)鍵技術(shù)完成。

（1）WSNs網(wǎng)絡(luò)模型：根據(jù)不同的通信功能，數(shù)據(jù)傳輸模型和網(wǎng)絡(luò)動態(tài)性將WSNs進(jìn)行分類，宏觀描述網(wǎng)絡(luò)模型建立過程。一種基于元胞自動機的WSNs建模觀點：元胞自動機（CellularAutomata，CA）是一個動態(tài)系統(tǒng)，根據(jù)一定的局部規(guī)則在離散時間域中演變，本質(zhì)上可以定義為由元胞組成的元胞空間，元胞帶有離散和有限的狀態(tài)。該方法基本的目標(biāo)和思想是確保WSNs的連續(xù)性和有效工作，這樣的模型結(jié)構(gòu)不僅僅保證了網(wǎng)內(nèi)節(jié)點的公平性，實現(xiàn)能量的均衡分布，而且保證了動態(tài)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錀l件下的強收斂性。

（2）傳感器系統(tǒng)設(shè)計其他關(guān)鍵技術(shù)分析：不同的節(jié)點硬件設(shè)計存在差異，而原始數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)處理對于資源受限的節(jié)點來說同樣需要解決WSNs操作系統(tǒng)必須支持相應(yīng)的傳感器平臺，這樣能保證感知數(shù)據(jù)處理的高效性；WSNs需要利用低功耗短距離無線通信技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，而IEEE802.15.4具有低功耗、低成本的特性，該標(biāo)準(zhǔn)的許多特征與WSNs無線傳輸要求具有相似之處，因此，眾多廠商將該技術(shù)作為WSNs的無線通信平臺；由于傳感器節(jié)點資源受限，所以一個有效的存儲模型對于滿足資源限制和查詢需求是十分必要的。目前的WSNs數(shù)據(jù)的存儲研究工作集中在網(wǎng)絡(luò)外部存儲、本地存儲和以數(shù)據(jù)為中心的存儲3個方面。

2.2　網(wǎng)絡(luò)服務(wù)支持

數(shù)據(jù)管理和控制服務(wù)在WSNs中扮演了重要角色，因為它們提供了必要的中間件服務(wù)支持，如時間同步、數(shù)據(jù)壓縮和融合、安全保障、跨層優(yōu)化等。WSNs作為一種功能性很強的應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)，不僅要完成數(shù)據(jù)傳輸，而且還有對數(shù)據(jù)進(jìn)行一系列的融合、壓縮和控制，如何保證任務(wù)執(zhí)行的機密性、數(shù)據(jù)融合的可靠性以及傳輸?shù)陌踩允荳SNs的關(guān)鍵技術(shù)服務(wù)。

（1）時間同步機制：目前的傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)時間同步算法通常只專注于最小化同步誤差，而并沒有考慮到通信和計算方面的限制。一般來講，在WSNs中絕大多數(shù)節(jié)點都需要通過時間同步算法交換時間同步消息來保證網(wǎng)絡(luò)時間的同步。在研究WSNs時間同步算法時，需要從擴展性、穩(wěn)定性、能量有效和魯棒性等幾個方面來綜合考慮設(shè)計因素，保證時間最大精度和最小能耗的折中。時間同步機制作為WSNs的一項核心支撐技術(shù)，在多傳感器數(shù)據(jù)融合、節(jié)點數(shù)據(jù)處理、低能耗MAC協(xié)議的設(shè)計、測距定位安全性等方面起著關(guān)鍵作用。

（2）網(wǎng)絡(luò)節(jié)點定位：目前，最專業(yè)的定位系統(tǒng)是GPS，其具有全天候、高精度、自動化等顯著特點。GPS功能強大，但需要專門的客戶端設(shè)備才能使用，不利于民用普及，并且衛(wèi)星信號無法穿透建筑物，不能滿足室內(nèi)環(huán)境應(yīng)用。所以大量應(yīng)用場合迫切需要研究者攻克一種新型定位技術(shù)代替GPS。由于WSNs定位不同于傳統(tǒng)的蜂窩定位和無線局域網(wǎng)定位，具有低功耗、低成本、分布式、自組織、能提供較高的定位精度等優(yōu)點，成為當(dāng)前無線定位技術(shù)的研究熱點。

（3）網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涓采w：WSNs網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂萍夹g(shù)在達(dá)到網(wǎng)絡(luò)連通性和覆蓋度的要求下，通過網(wǎng)絡(luò)內(nèi)節(jié)點選擇策略，避免節(jié)點間的冗余通信鏈路，從而形成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)優(yōu)化的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。現(xiàn)有的算法通常只是針對網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞哪骋环矫孢M(jìn)行了優(yōu)化和設(shè)計，相關(guān)研究缺乏系統(tǒng)性。所以WSNs的拓?fù)淇刂蒲芯窟€處于理論研究階段，隨著相關(guān)技術(shù)的迅速發(fā)展，拓?fù)溲芯康姆诸悈^(qū)分并不明顯，多種方式的結(jié)合往往可以取得良好的效果，所以通過引入啟發(fā)式或者計算幾何算法等機制，可以達(dá)到降低網(wǎng)絡(luò)能耗、加速拓?fù)湫纬梢约疤岣呔W(wǎng)絡(luò)魯棒性等目的。

（4）數(shù)據(jù)融合與壓縮：WSNs中的數(shù)據(jù)收集模式：基于查詢的數(shù)據(jù)收集模式、基于周期匯報的數(shù)據(jù)收集模式和基于事件匯報的數(shù)據(jù)收集模式。其中基于查詢的數(shù)據(jù)收集只有當(dāng)網(wǎng)絡(luò)接收到用戶端發(fā)來的查詢指令時才進(jìn)行數(shù)據(jù)收集，并隨之將收集結(jié)果上報給用戶，通常適用于用戶突然對某處監(jiān)測數(shù)據(jù)感興趣的情況或者用戶需要了解一段時間內(nèi)被監(jiān)測對象的變化趨勢等；基于周期匯報的數(shù)據(jù)收集是指用戶不需要向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送查詢指令，網(wǎng)絡(luò)自動持續(xù)收集數(shù)據(jù)，并根據(jù)預(yù)先設(shè)定好的匯報周期向用戶匯報監(jiān)測結(jié)果的數(shù)據(jù)收集方式，通常適用于遠(yuǎn)距離大范圍的監(jiān)控；基于事件匯報的數(shù)據(jù)收集模式是指當(dāng)被監(jiān)測區(qū)域內(nèi)有特殊情況發(fā)生（如某種數(shù)據(jù)的監(jiān)測值超出了設(shè)定的閾值）時，網(wǎng)絡(luò)主動收集并上報數(shù)據(jù)的情況，一般適用于災(zāi)難預(yù)警等突發(fā)狀態(tài)的匯報。

（5）網(wǎng)絡(luò)安全機制：WSNs的安全策略包括安全路由、訪問控制、入侵檢測、認(rèn)證以及密鑰管理等。由于WSNs的自身特性能夠提供隨時隨地的連接，從而產(chǎn)生了許多新的服務(wù)項目和應(yīng)用領(lǐng)域，同時它也面臨著許多新的安全威脅。并且由于節(jié)點的能量有限，處理器的計算能力較低，無法實現(xiàn)龐大復(fù)雜的加密算法，增加了被竊密的可能性；當(dāng)節(jié)點在野外時，由于缺乏足夠的安全保護(hù)措施，節(jié)點很可能被惡意侵占。因此，惡意攻擊除了來自網(wǎng)絡(luò)自身之外，很有可能來自網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部。為了獲得更高的安全性，WSNs應(yīng)該具備分布式安全結(jié)構(gòu)；大型的WSNs中包含成百上千個節(jié)點，因此安全策略應(yīng)該具有較好的可擴展性，以滿足網(wǎng)絡(luò)規(guī)模日益增大的需求。

2.3　網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議設(shè)計

目前，WSNs通信協(xié)議棧研究的重點集中在數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層，以及它們之間的跨層交互。數(shù)據(jù)鏈路層通過介質(zhì)訪問控制來構(gòu)建底層基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，控制節(jié)點的工作模式。網(wǎng)絡(luò)層的路由協(xié)議決定感知信息的傳輸路徑。傳輸層確保了源節(jié)點和目的節(jié)點處數(shù)據(jù)的可靠性和高效性。

（1）IEEE802.15.4/ZigBee協(xié)議：針對IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)中節(jié)點在信道接入時造成大量的冗余競爭信息，導(dǎo)致信道的利用率降低，因此提出一種自適應(yīng)的競爭控制策略。該策略采用記憶性的退避方案來檢測網(wǎng)絡(luò)負(fù)載并且動態(tài)地調(diào)整退避窗的大小，以此可以用來解決IEEE802.15.4中的數(shù)據(jù)傳輸效率問題。為了解決網(wǎng)絡(luò)中的能量消耗和冗余，為節(jié)點推導(dǎo)出能量消耗模型，以該模型為基礎(chǔ)分析了如何通過調(diào)節(jié)異步喚醒間隔從而減少網(wǎng)絡(luò)的耗能和延長節(jié)點的生存時間。IEEE802.15.4的研究雖然取得一些進(jìn)展，但主要還停留在仿真論證階段，如何在實際改動，并且對網(wǎng)絡(luò)的性能如能耗，延遲，吞吐量等有較大提高是個需要解決的問題。

（2）6LoWPAN協(xié)議：IPv6是下一代互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)層的主導(dǎo)技術(shù)，在地址空間、報文格式、安全性方面具有較大的優(yōu)勢。所以在IP協(xié)議的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)底層異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)的相互融合是未來無線網(wǎng)絡(luò)的主要發(fā)展方向。然而，在6LoWPAN技術(shù)出現(xiàn)以前，將基于IEEE802.15.4通信協(xié)議的WSNs與基于IPv6協(xié)議的互聯(lián)網(wǎng)相互無縫鏈接幾乎是不可能完成的任務(wù)。在網(wǎng)絡(luò)層和數(shù)據(jù)鏈路層之間引入的適配層，主要完成接入過程中的以下功能：（a）為了高效傳輸對IPv6數(shù)據(jù)包進(jìn)行分片與重組；（b）網(wǎng)絡(luò)地址自動配置；（c）為了降低IPv6開銷對IPv6分組進(jìn)行報頭壓縮；（d）有效路由算法。

3　面向IoT的WSNs發(fā)展新思路

WSNs作為物聯(lián)網(wǎng)底層網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分，未來的發(fā)展?jié)摿Σ粩嗉哟蟆１疚耐ㄟ^研究提出面向IoT的WSNs發(fā)展新思路：

（1）普適環(huán)境下非應(yīng)用相關(guān)的研究趨勢：目前，不同的WSNs應(yīng)用背景要求不同的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)支持策略以及網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，對于面向不同應(yīng)用的WSNs開發(fā)，研究者更關(guān)心WSNs的差異性，這也是WSNs設(shè)計發(fā)展到現(xiàn)有階段區(qū)別于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的一個顯著特征。在物聯(lián)網(wǎng)普適環(huán)境模式下，用戶能夠在任何時間、任何地點、以任何方式進(jìn)行信息的獲取與處理。WSNs作為感知信息的有效載體，可以充分利用物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)優(yōu)勢，建立統(tǒng)一的滿足多種需求的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)支持策略，從而屏蔽應(yīng)用相關(guān)帶來的WSNs設(shè)計差異復(fù)雜性。

（2）系統(tǒng)性低能耗設(shè)計研究趨勢：WSNs的節(jié)點通常體積微小，電源攜帶的的能量十分有限，所以如何最大限度地降低能量消耗提高網(wǎng)絡(luò)生命周期是WSNs面臨的最重要的設(shè)計挑戰(zhàn)。WSNs需要軟硬件設(shè)計的協(xié)同合作才能保證將整個網(wǎng)絡(luò)能量消耗降低到最大限度，所以WSNs軟硬件協(xié)同低能耗設(shè)計應(yīng)從工作開始之前就考慮產(chǎn)生和控制的問題。主要環(huán)節(jié)為：WSNs輸入/輸出的系統(tǒng)能量估計；WSNs硬件模塊及功能性軟件模塊的系統(tǒng)設(shè)計劃分；WSNs器件設(shè)計的系統(tǒng)選擇。

（3）基于IP的上下文網(wǎng)絡(luò)聚合發(fā)展趨勢：WSNs所處的地理位置和網(wǎng)絡(luò)環(huán)境不盡相同，其采集和處理的信息和數(shù)據(jù)存在較大差異。研究者可以利用IP技術(shù)，使基于IEEE802.15.4通信協(xié)議的WSNs與基于IPv6協(xié)議的互聯(lián)網(wǎng)的實現(xiàn)統(tǒng)一尋址。通過此技術(shù)革新，WSNs中海量信息和資源在跨層上下文的基礎(chǔ)之上可以進(jìn)行深度挖掘、智能分類及挑選，從而為終端用戶提供更有價值、更有針對性的實用信息。

（4）基于多宿主的網(wǎng)絡(luò)傳輸發(fā)展趨勢：WSNs作為物聯(lián)網(wǎng)底層網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分，基于多宿主的WSNs可以使底層網(wǎng)絡(luò)采集到的信息通過使用若干條有效鏈路接入到上層融合網(wǎng)絡(luò)中，上層網(wǎng)絡(luò)同樣通過有效的多宿主選擇機制可以將指令反饋給WSNs。多宿主網(wǎng)絡(luò)傳輸模型的研究，具有增強基于WSNs的物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)可靠性和魯棒性、實現(xiàn)負(fù)載均衡、減少傳輸延遲、降低用戶開銷的實際意義。

4　結(jié)束語

本文通過系統(tǒng)分析面向物聯(lián)網(wǎng)的WSNs，提出了未來WSNs發(fā)展的新思路。發(fā)展物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)不僅是提升信息產(chǎn)業(yè)核心競爭力、推動經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型升級、增創(chuàng)發(fā)展新優(yōu)勢的戰(zhàn)略選擇，也是改造提升傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)、促進(jìn)兩化融合的重要手段。掌握和擁有更多的自主知識產(chǎn)權(quán)，使WSNs逐步成為信息時代助推我國經(jīng)濟(jì)騰飛的新引擎。WSNs的快速發(fā)展對提高我國在高新技術(shù)領(lǐng)域的國際地位，帶動相關(guān)產(chǎn)業(yè)的全面發(fā)展具有重要意義。

[1]錢志鴻，王義君；物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與應(yīng)用研究[J].電子學(xué)報，2012.