無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建與關(guān)鍵技術(shù)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建與關(guān)鍵技術(shù)

0無線傳感器網(wǎng)絡(luò)目前，傳感器在環(huán)境評估中發(fā)揮著越來越重要的作用。尤其是微型傳感器,可以隱藏在環(huán)境的細微角落,感知環(huán)境信息,再通過無線通信將數(shù)據(jù)傳遞給指揮部。如當(dāng)有車輛、人員經(jīng)過時,緊貼地面的傳感器可將感知的震動信號轉(zhuǎn)化為電信號,發(fā)送回監(jiān)控中心,監(jiān)控中心就能實時地監(jiān)測環(huán)境中人員、車輛的運動,并作出相應(yīng)的決策。但單個傳感器能力有限,難以勝任環(huán)境感知的任務(wù),需要將傳感器組成網(wǎng)絡(luò),收集各類信息如振動、聲、光、溫度等,把不同的資料集中在一起,進行分析,并把真實情報實時傳遞給指揮部;同時要求傳感器必須足夠小,能夠隱蔽地分布于環(huán)境各個角落,避免被發(fā)現(xiàn)遭到破壞。網(wǎng)絡(luò)化、微型化的傳感器研究一直是國內(nèi)外關(guān)注的重點課題之一。美國五角大樓提出了“智能塵?！钡脑O(shè)計思想,目的是在戰(zhàn)場上拋撒數(shù)千個微小的具有無線通信功能的傳感器模塊,用于監(jiān)控敵人的活動情況?！爸悄軌m?！睂ο嚓P(guān)原始數(shù)據(jù)進行過濾,通過自組織的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)把重要的信息發(fā)送給指揮部。該智能傳感器(智能塵埃)正處于原型開發(fā)階段,由加州大學(xué)伯克利分校和英特爾公司共同研制。國內(nèi)很多大學(xué)也開展了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究,如清華大學(xué)計算機與科學(xué)系、解放軍理工大學(xué)信息通信工程學(xué)院、西南交通大學(xué)計算機與通信工程學(xué)院、中山大學(xué)電子與通信工程系、哈爾濱工業(yè)大學(xué)計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院和黑龍江大學(xué)計算機科學(xué)技術(shù)學(xué)院等。但無線網(wǎng)絡(luò)尚未達到完全實用階段,大部分工作仍處在仿真和實驗階段,仿真規(guī)模在數(shù)百至數(shù)千節(jié)點,實驗規(guī)模在幾十個節(jié)點左右。國防科技大學(xué)機電工程與自動化學(xué)院傳感器教研室開展了把無線微傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測的研究和設(shè)計,已取得初步成果。1網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)1.1無線發(fā)作了晶硅編碼微機械傳感器環(huán)境中分布大量由多種傳感器、中央處理器、無線收發(fā)器和高效電池組成的微型模塊(又稱智能塵埃),這些微型模塊按照一定的協(xié)議組成無線網(wǎng)絡(luò)。每個微型模塊代表網(wǎng)絡(luò)中的一個節(jié)點,都具有確定的身份地址(ID)。其硬件框圖如圖1所示。微型模塊的數(shù)據(jù)采集部分可根據(jù)實際需要選定合適的傳感器,如振動、聲響、溫度、光線等,本設(shè)計暫選振動和溫度傳感器。因為整個模塊由電池供電,這就要求傳感器的體積小,功耗低,外圍電路簡單,最好采用不需要信號調(diào)理電路的數(shù)字式傳感器。AD公司的兩維數(shù)字加速度計ADXL202和Maxim的一線式數(shù)字溫度計DS18B20是很好的選擇。ADXL202采用先進的MEMS技術(shù),在統(tǒng)一硅片中刻蝕了一個多晶硅編碼微機械傳感器,并集成了一套精密的信號處理電路。信號處理電路把表面微機械傳感器產(chǎn)生的模擬信號轉(zhuǎn)換為占空比調(diào)制(DCM)數(shù)字信號輸出。這種占空比調(diào)制信號可以直接送往單片機或計算機,使用非常方便。DS18B20是一種新型數(shù)字溫度傳感器,僅占用一根I/O數(shù)據(jù)線傳輸數(shù)據(jù),結(jié)構(gòu)簡單,不需要外接電路。其測量范圍為-55～125°C,在-10～85°C之間準(zhǔn)確度為±0.5°C,測量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠。無線收發(fā)模塊采用NORDIC公司的nRF401。nRF401是NORDIC公司最新推出的單片無線收發(fā)一體的芯片,采用藍牙核心技術(shù)設(shè)計,在一個20腳的芯片中包括了高頻發(fā)射、高頻接收、PLL合成、FSK調(diào)制、FSK解調(diào)、多頻道切換,是目前集成度最高的無線數(shù)傳產(chǎn)品。nRF401采用抗干擾能力強的FSK調(diào)制方式,工作頻率穩(wěn)定可靠,外圍元件少,便于設(shè)計生產(chǎn),功耗極低。由于采用了低發(fā)射功率,高接收靈敏度的設(shè)計,滿足無線管制要求,無需使用許可證,是小型無線網(wǎng)絡(luò)無線收發(fā)模塊的理想選擇。其收發(fā)距離和環(huán)境有關(guān),開闊地帶可達1000m,復(fù)雜環(huán)境要另行計算。CPU采用TI公司的MSP430F149。MSP430系列單片機能夠在低電壓下超低功耗(五種節(jié)電模式)工作,具有強大的處理能力和豐富的片內(nèi)外設(shè),并可以方便高效地進行在線開發(fā)。MSP430F149片內(nèi)嵌入2kRAM、60kFlash,具有48根I/O線、3個16位定時器、兩通道串行通信接口功能、12位A/D和硬件乘法器,性價比相當(dāng)高。MSP430系列單片機最顯著的特點就是它的超低功耗,在1.8～3.6V電壓、1MHz的時鐘條件下運行,耗電電流在0.1～400μA之間,RAM保持的節(jié)電模式為0.1μA,等待模式也僅為0.7μA。網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點感知的信息最終要傳送回指揮部,也就是說需要一個節(jié)點與指揮部的計算機相連。這個節(jié)點也可稱為基站,它通過計算機串口與上位機進行通信。基站是指揮中心與傳感器網(wǎng)絡(luò)的一個中轉(zhuǎn)站,負責(zé)發(fā)送上層命令(如查詢、分配ID地址等)、接收下層節(jié)點的請求和數(shù)據(jù),具有數(shù)據(jù)融合、請求仲裁、選擇路由協(xié)議等功能,是無線網(wǎng)絡(luò)中最重要的一部分。1.2分層結(jié)構(gòu)的特點根據(jù)節(jié)點數(shù)目的多少,傳感器網(wǎng)絡(luò)可按平面結(jié)構(gòu)和分層結(jié)構(gòu)構(gòu)建。平面結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)比較簡單,所有結(jié)點的地位平等,所以又可以稱為對等式結(jié)構(gòu),其平面結(jié)構(gòu)如圖2所示。平面結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)比較簡單,網(wǎng)絡(luò)中所有結(jié)點是完全對等的,原則上不存在瓶頸。它的缺點是可擴充性差,每一個結(jié)點都需要知道到達其它所有結(jié)點的路由,維護這些動態(tài)變化的路由信息則需要大量的控制消息。在分層結(jié)構(gòu)中,網(wǎng)絡(luò)可劃分為多個簇(Cluster),如圖3所示。每個簇由一個簇頭(ClusterHead)和多個簇成員(ClusterMember)組成。這些簇頭形成了高一級的網(wǎng)絡(luò)。在分層結(jié)構(gòu)中,簇頭結(jié)點負責(zé)簇間數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā),而簇成員只負責(zé)數(shù)據(jù)的采集。這大大減少了網(wǎng)絡(luò)中路由控制信息的數(shù)量,因此具有很好的可擴充性。簇頭可以預(yù)先指定,也可以由節(jié)點使用分簇算法自動選舉產(chǎn)生。由于簇頭可以隨時選舉產(chǎn)生,所以分層結(jié)構(gòu)具有很強的抗毀性。分層結(jié)構(gòu)的缺點是:維護分層結(jié)構(gòu)需要節(jié)點執(zhí)行分簇算法,簇頭節(jié)點可能會成為網(wǎng)絡(luò)的瓶頸。具體的分簇算法有最小節(jié)點ID分簇算法、考慮能量耗費和穩(wěn)定度的分簇算法、自適應(yīng)按需加權(quán)的分簇算法(AOW)、限制簇尺寸的分簇算法等等,必須按照系統(tǒng)本身具體的需要進行選取與設(shè)計。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模較小時,采用簡單的平面式結(jié)構(gòu)即可。本設(shè)計初步規(guī)模較小,節(jié)點在幾個至十幾個之間,故采用平面式結(jié)構(gòu)。2關(guān)于技術(shù)的研究2.1中心路由協(xié)議由于無線通信距離的限制,大部分節(jié)點并不能直接將數(shù)據(jù)發(fā)送給基站,而是采用多跳路由(Multi-Hop)的傳輸方式向基站發(fā)送數(shù)據(jù)。因此,每個節(jié)點必須具有數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)能力,即每個節(jié)點不僅要完成數(shù)據(jù)采集與傳輸,還要具備路由器的功能。節(jié)點內(nèi)核嵌入路由協(xié)議,負責(zé)維護網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)和路由信息,完成數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)。平面路由協(xié)議主要有4種:泛洪(flooding),SPIN(sensorprotocolforinformationvianegotiation),SAR(sequentialassignmentrouting),定向擴散(directeddiffusion)。本設(shè)計采用SPIN路由協(xié)議。SPIN是以數(shù)據(jù)為中心的自適應(yīng)路由協(xié)議,通過協(xié)商機制來解決消息的“內(nèi)爆”(implosion)和“重疊”(overlap)問題。傳感器節(jié)點僅廣播采集數(shù)據(jù)的描述信息,當(dāng)有相應(yīng)的請求時,才有目的地發(fā)送數(shù)據(jù)信息。SPIN協(xié)議中有3種類型的消息,即ADV、REQ和DATA。節(jié)點用ADV宣布有數(shù)據(jù)發(fā)送,用REQ請求希望接收數(shù)據(jù),用DATA封裝數(shù)據(jù)。SPIN協(xié)議又有4種不同的形式:(1)SPIN-PP。采用點到點的通信模式,并假定兩節(jié)點間的通信不受其他節(jié)點的干擾,分組不會丟失,功率沒有任何限制。要發(fā)送數(shù)據(jù)的節(jié)點通過ADV向它的相鄰節(jié)點廣播消息,感興趣的節(jié)點通過REQ發(fā)送請求,數(shù)據(jù)源向請求者發(fā)送數(shù)據(jù)。接收到數(shù)據(jù)的節(jié)點再向它的相鄰節(jié)點廣播ADV消息,如此重復(fù),使所有節(jié)點都有機會接收到任何數(shù)據(jù)。這種模式實際效果并不好,因為每個節(jié)點發(fā)射功率都是有限的(本設(shè)計為10dBm),而且兩節(jié)點之間通信會受到其他相鄰節(jié)點的干擾。(2)SPIN-EC。在SPIN-PP的基礎(chǔ)上考慮了節(jié)點的功耗,只有能夠順利完成所有任務(wù)且能量不低于設(shè)定閾值的節(jié)點才可參與數(shù)據(jù)交換。(3)SPIN-BC。設(shè)計了廣播信道,使所有在有效半徑內(nèi)的節(jié)點可以同時完成數(shù)據(jù)交換。為了防止產(chǎn)生重復(fù)的REQ請求,節(jié)點在聽到ADV消息以后,設(shè)定一個隨機定時器來控制REQ請求的發(fā)送,其他節(jié)點聽到該請求,主動放棄請求權(quán)利。(4)SPIN-RL。它在SPIN-BC基礎(chǔ)上又有所完善,主要考慮如何恢復(fù)無線鏈路引入的分組差錯與丟失;記錄ADV消息的相關(guān)狀態(tài),如果在確定時間間隔內(nèi)接收不到請求數(shù)據(jù),則發(fā)送重傳請求,重傳請求的次數(shù)有一定的限制。這種形式比較完善,在網(wǎng)絡(luò)規(guī)模不算很大的情況下效率也較高。層次路由協(xié)議有LEACH(lowenergyadaptiveclusteringhierarchy),TEEN(thresholdsensitiveenergyefficientsensornetworkprotocol),PEGAGIS(power-efficientgatheringinsensorinformationsystem),多層聚類算法。層次路由技術(shù)應(yīng)用于規(guī)模較大的無線網(wǎng)絡(luò)。2.2動態(tài)數(shù)據(jù)篩選每個節(jié)點采集到兩種數(shù)據(jù),是某一段區(qū)域的數(shù)據(jù)。因為傳感器采集到的數(shù)據(jù)大部分是靜態(tài)數(shù)據(jù),對于環(huán)境感知而言,動態(tài)數(shù)據(jù)才是最重要的。這就要求節(jié)點自身能對先期采集到的數(shù)據(jù)進行過濾篩選,分離出有用的數(shù)據(jù)再與相鄰節(jié)點共享。主機進行決策需要融合多傳感器、多點的數(shù)據(jù)。2.3天線及天線參數(shù)設(shè)計每個節(jié)點都要具備接收和發(fā)射功能,實現(xiàn)與相鄰節(jié)點的數(shù)據(jù)通信。因為實際環(huán)境復(fù)雜,多數(shù)情況是比較惡劣的,要保證穩(wěn)定可靠地?zé)o線收發(fā)數(shù)據(jù),需要對天線(本系統(tǒng)采用PCB天線)、發(fā)射功率、靈敏度、收發(fā)距離進行合理的設(shè)計。2.4監(jiān)管系統(tǒng)的運行傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點需分布在環(huán)境的各個角落,必須采用微電池供電。要保證系統(tǒng)一定的壽命就必須實現(xiàn)超低功耗。可以從兩個方面解決。一是選用超低功耗的器件;二是實現(xiàn)多種工作狀態(tài),如發(fā)射狀態(tài)、接收狀態(tài)、采集數(shù)據(jù)狀態(tài)、睡眠狀態(tài)等。環(huán)境中的監(jiān)測事件具有很強的偶發(fā)性,節(jié)點上所有的工作單元沒有必要時刻保持在正常的工作狀態(tài)。節(jié)點的主要功耗器件如處理器、傳感器、無線收發(fā)器大部分時間可工作在休眠狀態(tài),必要時才喚醒,實現(xiàn)最大限度的節(jié)能。3軍事及民用領(lǐng)域上文主要介紹了環(huán)境感知微型傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)及相關(guān)的幾項關(guān)鍵技術(shù)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是當(dāng)今國內(nèi)外