信息技術(shù)的發(fā)展使我們實現(xiàn)了對信息的海量存儲、高速傳輸和快速處理。但是,對新信息的獲取卻仍未達到自動化的水平,這就大大限制了人們對外部世界的實時反應(yīng)能力。近年來,隨著傳感器、計算機、無線通信、微機電等技術(shù)的發(fā)展和相互融合,人們終于可以實時監(jiān)測外部環(huán)境,實現(xiàn)大范圍、自動化的信息采集了,這就是――
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Network)是由大量低成本且具有傳感、數(shù)據(jù)處理和無線通信能力的傳感器結(jié)點通過自組織方式形成的網(wǎng)絡(luò)。它獨立于基站或移動路由器等基礎(chǔ)通信設(shè)施,通過分布式協(xié)議自組成網(wǎng)絡(luò)。
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由大量無線傳感器結(jié)點互連而成,是傳感器向微型化、智能化和無線通信化的延伸。根據(jù)傳感器結(jié)點在使用中是否移動,可將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分為靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)和動態(tài)網(wǎng)絡(luò),其中大多數(shù)是靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)。在靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)中,傳感器結(jié)點被隨機地或按一定要求布置在監(jiān)測區(qū)域內(nèi),并根據(jù)用戶的要求,可對溫度、濕度、噪聲、光強度、壓力等環(huán)境參數(shù)進行測量,或者感知物體的運動速度和方向等。在動態(tài)網(wǎng)絡(luò)中,傳感器結(jié)點一般被安置在可移動的物體上,如車輛或被監(jiān)測的動物,它將隨物體的移動而移動。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中有一個特殊結(jié)點,稱為匯聚(sink)結(jié)點,它是中心處理結(jié)點,也稱網(wǎng)關(guān)結(jié)點。該結(jié)點可向區(qū)域內(nèi)的傳感器結(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)采集命令,并接收和處理傳感器結(jié)點傳送來的數(shù)據(jù)。如圖1所示。
圖1 傳感器網(wǎng)絡(luò)示意圖
1.應(yīng)用模式
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的典型應(yīng)用模式可分為兩類,一類是傳感器結(jié)點監(jiān)測環(huán)境狀態(tài)的變化或事件的發(fā)生,將發(fā)生的事件或變化的狀態(tài)報告給管理中心;一類是由管理中心發(fā)布命令給某一區(qū)域的傳感器結(jié)點,傳感器結(jié)點執(zhí)行命令并返回相應(yīng)的監(jiān)測數(shù)據(jù)。與之對應(yīng)的,傳感器網(wǎng)絡(luò)中的通信模式也主要有兩種,一是傳感器將采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)焦芾碇行模Q為多到一通信模式;一是管理中心向區(qū)域內(nèi)的傳感器結(jié)點發(fā)布命令,稱為一到多通信模式。前一種通信模式的數(shù)據(jù)量大,后一種則相對較小。
2. 硬件組成
傳感器結(jié)點的組成可以分為與應(yīng)用相關(guān)和與應(yīng)用相對獨立兩部分,如圖2所示。前一部分包括傳感部件、模-數(shù)轉(zhuǎn)換(ADC)部件等;后一部分又稱為結(jié)點平臺,包括計算部件、存儲部件、通信部件、電源部件等。隨著微電子技術(shù)、微機械加工技術(shù)、高能電池技術(shù)的發(fā)展,傳感器結(jié)點的體積將越來越小,功耗越來越少,價格也會越來越低,而計算能力將越來越強,最終達到所謂“智能塵埃”的水平。這些廉價的微小結(jié)點可以大規(guī)模地部署到各類特殊環(huán)境中,對目標形成全方位的連續(xù)監(jiān)測,并將采集到的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)傳輸給處理中心或相應(yīng)的用戶。因此,這種技術(shù)在諸多領(lǐng)域都具有廣闊的應(yīng)用前景。
圖2 無線傳感器原理圖
3. 軟件系統(tǒng)
傳感器結(jié)點的軟件系統(tǒng)可分為三個層次:操作系統(tǒng)層、系統(tǒng)服務(wù)層、應(yīng)用層,如圖3所示。操作系統(tǒng)層提供硬件訪問接口和任務(wù)執(zhí)行環(huán)境;系統(tǒng)服務(wù)層包括網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議、能量管理、定位與定時等,主要為應(yīng)用提供所需的系統(tǒng)服務(wù);應(yīng)用層實現(xiàn)特定應(yīng)用所需的功能,包括對來自多個傳感器結(jié)點的數(shù)據(jù)進行融合等。
4. 系統(tǒng)特點
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與移動自組網(wǎng)絡(luò)(Mobile Ad hoc Network,MANET)有類似之處,但又各具特點。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)所具有的特點如下:
● 專用 傳感器網(wǎng)絡(luò)是針對某種數(shù)據(jù)采集需求而專門建立的。
● 自組織 網(wǎng)絡(luò)的建立和結(jié)點間通信不依賴于固定的通信基礎(chǔ)設(shè)施。傳感器結(jié)點通過分布式網(wǎng)絡(luò)協(xié)議實現(xiàn)組網(wǎng),網(wǎng)絡(luò)能夠自動調(diào)整以適應(yīng)結(jié)點的移動、加入和退出、剩余電量和無線傳輸范圍的變化等。
● 規(guī)模大 傳感器網(wǎng)絡(luò)可能包含多達上千個甚至上萬個結(jié)點。
● 高冗余 為了保證網(wǎng)絡(luò)的可用性和生存能力,傳感器網(wǎng)絡(luò)通常具有較高的結(jié)點和網(wǎng)絡(luò)鏈路冗余,以及采集的數(shù)據(jù)冗余。
● 拓撲易變化 除了結(jié)點移動帶來的網(wǎng)絡(luò)拓撲變化外,傳感器結(jié)點的功率控制和剩余電量下降等因素也會導致網(wǎng)絡(luò)拓撲變化。另外,根據(jù)應(yīng)用需要,網(wǎng)絡(luò)中有些結(jié)點可能進入休眠狀態(tài),從而引起工作結(jié)點在數(shù)目和分布上的變化,導致拓撲改變。
● 空間位置尋址 傳感器網(wǎng)絡(luò)一般不需要支持任意兩個傳感器結(jié)點之間的點對點通信,傳感器結(jié)點不必具有全球惟一的標識,不必采用Internet的IP尋址。用戶往往不關(guān)心數(shù)據(jù)采集于哪一個結(jié)點,而關(guān)心數(shù)據(jù)所屬的空間位置,因此可采取空間位置尋址方式。
● 流量不均衡 傳感器網(wǎng)絡(luò)中流向處理中心的數(shù)據(jù)量往往遠大于反方向的流量。數(shù)據(jù)流向處理中心并在處理中心集中,會出現(xiàn)離處理中心越近,結(jié)點負載越重的現(xiàn)象。
● 結(jié)點數(shù)據(jù)融合 傳感器網(wǎng)絡(luò)在數(shù)據(jù)傳輸過程中,通常要求中間結(jié)點能將來自多個傳感器的相關(guān)數(shù)據(jù)進行融合,再傳送給處理中心。數(shù)據(jù)融合可以減少冗余數(shù)據(jù),節(jié)省通信所帶來的電能消耗,延長網(wǎng)絡(luò)生存時間,減輕處理中心的負載。
● 結(jié)點能力有限 由于低成本、低能耗、體積小、野外部署等要求,傳感器結(jié)點在供電、計算、存儲、通信等方面的能力比較受限。
由于傳感器網(wǎng)絡(luò)潛在的巨大應(yīng)用價值,它已經(jīng)引起了世界各國的軍事部門、工業(yè)界和學術(shù)界的極大關(guān)注。2003年,美國自然科學基金委員會制定了傳感器網(wǎng)絡(luò)研究計劃,投資3400萬美元,支持相關(guān)基礎(chǔ)理論的研究。美國加州大學伯克利分校、麻省理工學院等一批高校分別開展了傳感器網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)理論和關(guān)鍵技術(shù)的研究。美國國防部也對傳感器網(wǎng)絡(luò)給予了高度重視,把傳感器網(wǎng)絡(luò)作為一個重要研究領(lǐng)域,設(shè)立了一系列研究項目。Intel、微軟等信息業(yè)巨頭也開始了傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用開發(fā)方面的工作。我國自然科學基金在2004年度也設(shè)置了傳感器網(wǎng)絡(luò)的重點項目,展開了相關(guān)的研究工作,目前不少部門已啟動相關(guān)的研究工作,我們應(yīng)抓住機遇,加強科技界和產(chǎn)業(yè)界的合作,推動我國無線傳感器網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的技術(shù)快速發(fā)展及推廣應(yīng)用。