淺談面向物聯(lián)網(wǎng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

呂文博

摘 要 隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及相關(guān)感知技術(shù)的發(fā)展與成熟，物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)運(yùn)而生，物聯(lián)網(wǎng)作為互聯(lián)網(wǎng)的延伸新技術(shù)，將在未來給人類生活帶來巨大的影響。而新興的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是物聯(lián)網(wǎng)感知層中獲取外部世界物理信息的重要手段。文章介紹了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和物聯(lián)網(wǎng)的基本概念及關(guān)鍵技術(shù)，并分析了面向物聯(lián)網(wǎng)的傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)及其對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)的意義，最后針對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在物聯(lián)網(wǎng)中應(yīng)用的特殊性，對(duì)面向物聯(lián)網(wǎng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了多方面的展望。

關(guān)鍵詞 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；物聯(lián)網(wǎng)；網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議

中圖分類號(hào) TN92 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1674-6708（2018）215-0120-02

當(dāng)今社會(huì)是快速發(fā)展的信息時(shí)代，物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用將給人們的生活帶來了前所未有的便捷，已經(jīng)成為一種備受矚目且潛能巨大的技術(shù)手段。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能在不同條件下，為人們提供氣象、環(huán)境和市場等各方面的信息，其應(yīng)用范圍十分廣泛，廣泛應(yīng)用于軍事、農(nóng)業(yè)、交通、居家和金融等領(lǐng)域。隨著物聯(lián)網(wǎng)等信息技術(shù)的發(fā)展，促進(jìn)了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的完善，以無線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為感知外部信息重要手段的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將成為物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及其應(yīng)用的一種發(fā)展趨勢。所以對(duì)面向物聯(lián)網(wǎng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行研究有著重要的意義。

1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和物聯(lián)網(wǎng)

1.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

1）無線傳感器網(wǎng)絡(luò)基本概念。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種分布式傳感通信網(wǎng)絡(luò)，它的終端由許多可以采集外部世界信息的傳感器組成，這些傳感器通過無線通信方式形成了多點(diǎn)傳輸?shù)淖灾螣o線網(wǎng)絡(luò)，它可以感知和檢查覆蓋區(qū)域內(nèi)所有的變化情況，并對(duì)被感知對(duì)象進(jìn)行數(shù)據(jù)的感知、采集、存儲(chǔ)、傳輸、分析和處理，從而獲取相應(yīng)有價(jià)值的信息應(yīng)用與相關(guān)領(lǐng)域[1]。

2）無線傳感器網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)主要體現(xiàn)在信息采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)支持和網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議設(shè)計(jì)[2]。其中信息采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要通過網(wǎng)絡(luò)模型設(shè)計(jì)、系統(tǒng)平臺(tái)和操作系統(tǒng)、節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化和數(shù)據(jù)儲(chǔ)存標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)等實(shí)現(xiàn)。網(wǎng)絡(luò)服務(wù)支持包括網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的時(shí)間同步和空間定位機(jī)制，同時(shí)數(shù)據(jù)融合與壓縮和網(wǎng)絡(luò)安全機(jī)制也是網(wǎng)絡(luò)服務(wù)支持的關(guān)鍵。網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議的設(shè)計(jì)在對(duì)網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層、傳輸層及物理層的設(shè)計(jì)的同時(shí)還需考慮跨層優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1.2 物聯(lián)網(wǎng)

1）物聯(lián)網(wǎng)基本概念。物聯(lián)網(wǎng)是指通過各類信息傳感設(shè)備，例如射頻識(shí)別、紅外線感應(yīng)器、GPS和傳感器等感知設(shè)備采集物理世界的信息傳入互聯(lián)網(wǎng)，從而形成一個(gè)以互聯(lián)網(wǎng)為核心的“物物相連”的網(wǎng)絡(luò)[3]。

物聯(lián)網(wǎng)為互聯(lián)網(wǎng)的拓展應(yīng)用，其依托于互聯(lián)網(wǎng)并以其作為核心進(jìn)行向外延伸。其最重要的思想是形成一個(gè)物物相連的互聯(lián)網(wǎng)，將互聯(lián)網(wǎng)延伸至任何物體與物體之間，將物理世界中物體的各類信息傳遞到互聯(lián)網(wǎng)中形成一個(gè)新型的智能網(wǎng)絡(luò)。

2）物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)。物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)主要在于信息的采集、網(wǎng)絡(luò)與通信及智能化3個(gè)方面。信息采集的關(guān)鍵技術(shù)為傳感技術(shù)與射頻識(shí)別技術(shù)，通過傳感技術(shù)與射頻識(shí)別技術(shù)可以將物理世界中的信息映射至互聯(lián)網(wǎng)中，從而使得物聯(lián)網(wǎng)具備感知外部世界的能力。物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)與通信技術(shù)需要解決當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)中標(biāo)準(zhǔn)太多、傳輸協(xié)議不適合物聯(lián)網(wǎng)、難以實(shí)現(xiàn)授權(quán)及數(shù)據(jù)隱私與完整性的問題。智能化方面的關(guān)鍵技術(shù)有智能交互與協(xié)同感知、信息處理與信息融合，這兩項(xiàng)技術(shù)旨在使整個(gè)物聯(lián)網(wǎng)中各個(gè)分布的部分具備協(xié)同能力，運(yùn)用云計(jì)算與模糊識(shí)別等智能計(jì)算技術(shù)，對(duì)跨地區(qū)和跨行業(yè)的信息進(jìn)行信息相互融合分析，提高整個(gè)網(wǎng)絡(luò)對(duì)現(xiàn)實(shí)世界中一些活動(dòng)過程的洞察與分析能力，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)物聯(lián)網(wǎng)智能化的控制和決策。

2 面向物聯(lián)網(wǎng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)

在物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用基礎(chǔ)上無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能得到更好的發(fā)展，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可實(shí)現(xiàn)邊緣地區(qū)及無線終端的無線入網(wǎng)，其覆蓋范圍廣及智能化的特點(diǎn)可很好的將其融入其他相關(guān)網(wǎng)絡(luò)中，可利用手機(jī)、電子手表和智能汽車等移動(dòng)終端，對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行物的連接入網(wǎng)，通過無線的手段實(shí)現(xiàn)移動(dòng)端與固定節(jié)點(diǎn)的連接，最終實(shí)現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用。實(shí)現(xiàn)面向物聯(lián)網(wǎng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)有以下幾點(diǎn)關(guān)鍵技術(shù)。

2.1 網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議

在信息技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行中，網(wǎng)絡(luò)通信必須遵守一定的協(xié)議，如果沒有這種協(xié)議，那么網(wǎng)絡(luò)通信將會(huì)變得沒有規(guī)律可尋，難以完成信息的通信傳輸和轉(zhuǎn)換等，沒有通信協(xié)議就會(huì)極大的阻礙網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)的發(fā)展，可見網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議是必不可少的。物聯(lián)網(wǎng)是物物及物人之間信息傳遞的網(wǎng)絡(luò)，其通過Iternet為載體實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)中的信息傳遞，其中通過特定的傳輸協(xié)議實(shí)現(xiàn)各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的信息傳遞。對(duì)于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)而言，具體應(yīng)用場景的不同其內(nèi)部的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)及網(wǎng)路拓?fù)漕愋筒煌钥煽康膮f(xié)議對(duì)于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用有重要意義。網(wǎng)絡(luò)層的路由協(xié)議將決定物聯(lián)網(wǎng)感知層的信息傳輸路徑，傳輸層確保了各個(gè)傳輸節(jié)點(diǎn)間數(shù)據(jù)的可靠且高效的傳輸。目前主流的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議為IEEE802.15.4/ZigBee協(xié)議，其為一種應(yīng)用于低速率可靠網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議[4]。由于IPv6將成為下一代互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)層的主導(dǎo)技術(shù)，以互聯(lián)網(wǎng)為核心的物聯(lián)網(wǎng)勢必將采用該技術(shù)，由于基于IEEE 802.15.4通信協(xié)議的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與IPv6協(xié)議的互聯(lián)網(wǎng)相互無縫連接是無可行性的，所以人們提出了6LoWPAN 協(xié)議。6LoWPAN 協(xié)議將成為未來面向物聯(lián)網(wǎng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)協(xié)議。

2.2 智能感知技術(shù)

普通的傳感器網(wǎng)絡(luò)只具備單一的感知輸出功能，實(shí)現(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的智能感知化是當(dāng)下傳感器網(wǎng)絡(luò)研究的趨勢。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)需要根據(jù)具體應(yīng)用需求實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的智能性。作為物聯(lián)網(wǎng)感知層的重要基礎(chǔ)手段之一，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的傳感器應(yīng)具有自主標(biāo)定、自校正功能，使用過程中應(yīng)對(duì)各類環(huán)境干擾及變化的自動(dòng)補(bǔ)償功能，工作狀態(tài)下的數(shù)據(jù)采集及自主分析、數(shù)據(jù)處理及執(zhí)行干預(yù)等本地邏輯功能，數(shù)據(jù)采集后的上傳及系統(tǒng)指令的決策處理功能等，特別是面向更多無人值守應(yīng)用環(huán)境，以及大數(shù)據(jù)分析數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品中的自學(xué)習(xí)功能等。同時(shí)一個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的各傳感器或各個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)之間具有一種智能協(xié)同及互補(bǔ)的功能。在物聯(lián)網(wǎng)概念下的智能感知技術(shù)將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為了感知層的一種智能感知終端。

2.3 定位技術(shù)

對(duì)于任何一個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)而言其中傳感器采集的信息只有具備時(shí)間及空間信息時(shí)才是有意義的數(shù)據(jù)[5]。一個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有成千上萬的密集型節(jié)點(diǎn)甚至具備移動(dòng)節(jié)點(diǎn)，因此需要對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的信息節(jié)點(diǎn)進(jìn)行精準(zhǔn)定位。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中由于節(jié)點(diǎn)能耗有限采用傳統(tǒng)的GPS接收器的定位手段將受到限制，所以在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)定位是采用通過傳感器網(wǎng)絡(luò)中少數(shù)節(jié)點(diǎn)的已知位置通過一定得定位技術(shù)確定網(wǎng)絡(luò)中的其他節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部定位技術(shù)。

3 面向物聯(lián)網(wǎng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)展新思路

3.1 系統(tǒng)低能耗設(shè)計(jì)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)由于其無線的特性無法連接至能源網(wǎng)絡(luò)，其自身所攜帶的自容式電池能量有限，要衍生無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的生命周期就需要對(duì)系統(tǒng)低能耗進(jìn)行設(shè)計(jì)。目前對(duì)于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能耗的研究都是基于單個(gè)傳感器的低能耗研究，沒有將整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的各個(gè)傳感器聯(lián)系起來考慮。和傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)不同，面向物聯(lián)網(wǎng)的傳感器網(wǎng)絡(luò)由于其上層物聯(lián)網(wǎng)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理與分析能力，可以考慮將軟硬件及各個(gè)傳感器間協(xié)同合作從而使得整個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的能耗降低。

3.2 多宿主的網(wǎng)絡(luò)傳輸

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是物聯(lián)網(wǎng)感知層獲取信息的重要手段之一，其為物聯(lián)網(wǎng)的有效運(yùn)行的基本。為了拓展整個(gè)物聯(lián)網(wǎng)的可靠性與魯棒性。可采用多宿主的網(wǎng)絡(luò)傳輸方式，基于多宿主的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以將其中各傳感器采集到的數(shù)據(jù)通過多條有效鏈路傳輸?shù)缴蠈泳W(wǎng)絡(luò)，同樣的從上而下的指令也可通過多條鏈路進(jìn)行傳輸。該方式可增強(qiáng)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中信息傳輸?shù)目煽啃裕瑴p小網(wǎng)絡(luò)傳輸延遲[3]。

4 結(jié)論

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展及其應(yīng)用的普遍，作為物聯(lián)網(wǎng)感知層基礎(chǔ)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)將取得更大規(guī)模的多元化應(yīng)用。文章淺析了面向物聯(lián)網(wǎng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)并針對(duì)其應(yīng)用特點(diǎn)提出了發(fā)展新思路。當(dāng)前無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用有許多關(guān)鍵技術(shù)有待解決，需要科研人員對(duì)其進(jìn)行深入細(xì)化的研究并對(duì)其進(jìn)行工程化試驗(yàn)。將來面向物聯(lián)網(wǎng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)將成為外部物理世界與互聯(lián)網(wǎng)虛擬世界之間的重要接口，并深入到人類生活的各個(gè)領(lǐng)域從而改變?nèi)祟惻c自然界的交互模式。

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