無線傳感器網(wǎng)絡(luò)緒論

緒論1.1傳感器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)1.2傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和協(xié)議棧1.3標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議1.4傳感器網(wǎng)絡(luò)特征及應(yīng)用

1.1傳感器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)

傳感器節(jié)點(diǎn)一般由傳感器模塊、處理器模塊、無線通信模塊和能量供應(yīng)模塊四個(gè)基本模塊組成。1.1.1傳感器節(jié)點(diǎn)特點(diǎn)傳感器節(jié)點(diǎn)在實(shí)現(xiàn)各種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和應(yīng)用系統(tǒng)時(shí)，需考慮以下一些現(xiàn)實(shí)特點(diǎn)。1．電源能量有限傳感器節(jié)點(diǎn)一般由電池供電，但傳感器節(jié)點(diǎn)體積微小，能夠攜帶的電池有限。如何高效使用能量實(shí)現(xiàn)最大化網(wǎng)絡(luò)生命周期是傳感器網(wǎng)絡(luò)所面臨的首要挑戰(zhàn)。采用占空比技術(shù)是傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議中節(jié)能的最有效技術(shù)。2．通信能力有限無線通信的能量消耗E與通信距離d的關(guān)系為E=kdn其中，參數(shù)n滿足關(guān)系2＜n＜4，k為常量。因此，在滿足通信連通度的前提下應(yīng)盡量減少單跳通信距離。3．計(jì)算和存儲(chǔ)能力有限傳感器節(jié)點(diǎn)是一種微型嵌入式設(shè)備，其體積小、成本和功耗低，因此傳感器節(jié)點(diǎn)的計(jì)算和存儲(chǔ)能力有限。1.1.2軟件系統(tǒng)目前已有的適合于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的操作系統(tǒng)有Contiki操作系統(tǒng)、TinyOS等。Contiki操作系統(tǒng)是一個(gè)開源的、可高度移植的多任務(wù)操作系統(tǒng)，適用于互聯(lián)網(wǎng)嵌入式系統(tǒng)和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。Contiki完全采用C語言開發(fā)，可移植性好，對(duì)硬件要求極低，能夠運(yùn)行在各種類型的微處理器及電腦上，目前已經(jīng)移植到8051單片機(jī)、MSP430、AVR、ARM、PC機(jī)等硬件平臺(tái)上。Contiki是開源操作系統(tǒng)，適用于BSD協(xié)議，即可以任意修改和發(fā)布，無需任何版權(quán)費(fèi)用，因此已經(jīng)應(yīng)用在許多項(xiàng)目中。Contiki操作系統(tǒng)提供可選的任務(wù)搶占機(jī)制，基于事件和消息傳遞的進(jìn)程間通信機(jī)制。Contiki操作系統(tǒng)中還包括一個(gè)可選的GUI子系統(tǒng)，可以提供對(duì)本地串口終端、基于VNC的網(wǎng)絡(luò)化虛擬顯示或者遠(yuǎn)程登錄Telnet的圖形化支持。Contiki操作系統(tǒng)內(nèi)部集成了兩種類型的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧：uIP和Rime。最重要的是，Contiki操作系統(tǒng)提供了一款非常直觀的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)仿真軟件——Cooja仿真器，可用于仿真不同平臺(tái)、不同類型的無線傳感器節(jié)點(diǎn)的實(shí)時(shí)通信過程。

1.2傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和協(xié)議棧

1.2.1傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)傳感器節(jié)點(diǎn)通常部署在感知區(qū)域，這些分散的傳感器節(jié)點(diǎn)具有采集數(shù)據(jù)并向匯聚節(jié)點(diǎn)/網(wǎng)關(guān)和終端用戶路由數(shù)據(jù)的能力。數(shù)據(jù)通過多跳、無基礎(chǔ)設(shè)施的自組織傳感器網(wǎng)絡(luò)到達(dá)匯聚節(jié)點(diǎn)，再由匯聚節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)浇K端用戶。在傳感器網(wǎng)絡(luò)中，傳感器節(jié)點(diǎn)承擔(dān)數(shù)據(jù)源和路由器兩種角色，因此，有兩種執(zhí)行通信的原因：數(shù)據(jù)源功能和路由器功能。1.2.2傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧傳感器網(wǎng)絡(luò)是自組織的多跳通信網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)源與匯聚節(jié)點(diǎn)間通常需要中間節(jié)點(diǎn)來轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。根據(jù)開放系統(tǒng)互連OSI標(biāo)準(zhǔn)，共有七層網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。(1)應(yīng)用層：應(yīng)用層包括主要的應(yīng)用和幾個(gè)管理功能，為用戶提供通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與物理世界交互的必要接口。(2)運(yùn)輸層：當(dāng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)或其他外部網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)時(shí)，運(yùn)輸層提供的功能是必需的。能耗、可擴(kuò)展性以及以數(shù)據(jù)為中心路由的特征等因素意味著傳感器網(wǎng)絡(luò)運(yùn)輸層需要不同的處理機(jī)制，因此，這些要求決定了傳感器網(wǎng)絡(luò)需要新的運(yùn)輸層協(xié)議。(3)網(wǎng)絡(luò)層：傳感器節(jié)點(diǎn)以高密度形式部署于感知區(qū)域中，它需要把感知到的與物理現(xiàn)象相關(guān)的信息轉(zhuǎn)發(fā)給匯聚節(jié)點(diǎn)。現(xiàn)有的為無線自組織網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的路由技術(shù)不適合傳感器網(wǎng)絡(luò)，通常根據(jù)以下原則設(shè)計(jì)傳感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)層的協(xié)議：①節(jié)能總是考慮的重要因素之一；②傳感器網(wǎng)絡(luò)是以數(shù)據(jù)為中心的網(wǎng)絡(luò)；③除了路由之外，通過本地處理，中繼節(jié)點(diǎn)可以融合來自多個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)；④由于傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的數(shù)量多，給每個(gè)節(jié)點(diǎn)唯一的標(biāo)識(shí)符是不可能的，節(jié)點(diǎn)可能需要基于它們的數(shù)據(jù)或位置尋址。(4)數(shù)據(jù)鏈路層：數(shù)據(jù)鏈路層負(fù)責(zé)封裝成幀、差錯(cuò)檢測(cè)和媒體接入等，它用于確保通信網(wǎng)絡(luò)中可靠的點(diǎn)到點(diǎn)和點(diǎn)到多點(diǎn)的連接。無線多跳自組織傳感器網(wǎng)絡(luò)中，媒體接入控制(MAC)協(xié)議必須完成兩個(gè)目標(biāo)：一是網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的建立，因?yàn)槌汕先f的傳感器節(jié)點(diǎn)以高密度的形式分散在感知區(qū)域中，MAC機(jī)制必須建立數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄐ沛溌?，這樣就形成了逐跳通信所必需的基本設(shè)施并且提供自組織的能力；二是公平和有效地共享傳感器節(jié)點(diǎn)間的通信資源，這些資源包括時(shí)間、能量和頻率。目前提出的一些MAC協(xié)議已經(jīng)解決了這些需求。(5)物理層：物理層負(fù)責(zé)頻率選擇、載波頻率生成、信號(hào)監(jiān)測(cè)、調(diào)制和數(shù)據(jù)加密等問題，本書主要介紹信號(hào)傳播、調(diào)制等。(6)時(shí)鐘同步：除了協(xié)議棧中的通信功能外，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)還需要裝備一些輔助設(shè)備以完成提出方案的功能模塊。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，每個(gè)傳感器設(shè)備需要配置用于內(nèi)部運(yùn)行的本地時(shí)鐘，與傳感器設(shè)備感知、處理和通信相關(guān)的每個(gè)事件與本地時(shí)鐘控制的定時(shí)信息相關(guān)聯(lián)。(7)傳感器定位：除了時(shí)間信息外，與物理現(xiàn)象的密切交互需要相關(guān)的位置信息，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與周圍環(huán)境的物理現(xiàn)象相關(guān)聯(lián)，為了提供觀察的感知區(qū)域的精確視圖，采集的信息需要和傳感器節(jié)點(diǎn)的位置相聯(lián)系。(8)能量管理：無線傳感器節(jié)點(diǎn)一般采用電池供電，節(jié)點(diǎn)能量非常有限，所以能量消耗是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)重點(diǎn)關(guān)注的問題(9)拓?fù)涔芾恚簽榱司S護(hù)傳感器網(wǎng)絡(luò)的連通性和覆蓋范圍，需要幾種拓?fù)涔芾矸桨浮?/p>

1.3標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議可用傳感器平臺(tái)的異構(gòu)性導(dǎo)致了應(yīng)用實(shí)現(xiàn)的兼容問題，因此，通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)化是必要的。為此，提出了面向長電池壽命、低復(fù)雜性的低數(shù)據(jù)率無線收發(fā)技術(shù)規(guī)范IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)可以選擇三種不同的通信頻率，如2.4GHz、915MHz和868MHz。同時(shí)，在868MHz和915MHz頻帶上使用二進(jìn)制相移鍵控BPSK，而在2.4GHz頻帶上使用偏移正交相移鍵控O-QPSK，MAC層可以提供星型、Mesh和基于分簇樹的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，節(jié)點(diǎn)的傳輸范圍為10～100m，而數(shù)據(jù)傳輸速率為20～250kb/s。在IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)之上，已經(jīng)提出了兩個(gè)重要的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議：Zigbee標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議和6LoWPAN標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。Zigbee標(biāo)準(zhǔn)的目的是通過無線個(gè)域網(wǎng)提出支持低數(shù)據(jù)率、低功耗、安全和可靠的低成本、基于標(biāo)準(zhǔn)的無線網(wǎng)絡(luò)方案。基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)議與IP網(wǎng)絡(luò)不兼容，因此，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)難以與互聯(lián)網(wǎng)相整合。為了使無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相結(jié)合，IETF提出了6LoWPAN標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)使得任何設(shè)備都能與互聯(lián)網(wǎng)互聯(lián)互通，極大地方便了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的部署。

1.4傳感器網(wǎng)絡(luò)特征及應(yīng)用1.4.1傳感器網(wǎng)絡(luò)特征1．大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)傳感器網(wǎng)絡(luò)的大規(guī)模特征可能包括兩方面的含義：一方面要求傳感器節(jié)點(diǎn)部署在很大的地理區(qū)域內(nèi)；另一方面要求高密度部署傳感器。傳感器網(wǎng)絡(luò)的大規(guī)模特征具有以下優(yōu)點(diǎn)：通過不同空間視角獲得的信息具有更大的信噪比；通過分布式處理大量的采集信息能夠提高檢測(cè)的精確度，降低單個(gè)節(jié)點(diǎn)傳感器的精度要求；大量冗余節(jié)點(diǎn)的存在，使得系統(tǒng)具有很強(qiáng)的容錯(cuò)性能；大量節(jié)點(diǎn)能夠增大覆蓋的檢測(cè)區(qū)域，減少洞穴或者盲區(qū)。2．自組織網(wǎng)絡(luò)傳感器節(jié)點(diǎn)通常部署在沒有網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的環(huán)境中，大規(guī)模的傳感器節(jié)點(diǎn)通過飛機(jī)播撒等手段隨機(jī)部署到檢測(cè)區(qū)域中，傳感器節(jié)點(diǎn)的位置及其相鄰的節(jié)點(diǎn)無法事先確定，這就要求傳感器節(jié)點(diǎn)具有自組織能力，能夠自動(dòng)進(jìn)行配置和管理，通過拓?fù)淇刂茩C(jī)制和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議自動(dòng)建立轉(zhuǎn)發(fā)檢測(cè)數(shù)據(jù)和控制指令的多跳無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。3．動(dòng)態(tài)性網(wǎng)絡(luò)傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)經(jīng)常發(fā)生變化，這就要求傳感器網(wǎng)絡(luò)對(duì)這種動(dòng)態(tài)變化具有自適應(yīng)性。4．可靠的網(wǎng)絡(luò)傳感器網(wǎng)絡(luò)特別適合部署在惡劣環(huán)境或人類不宜到達(dá)的區(qū)域；傳感器節(jié)點(diǎn)可能工作在露天環(huán)境中，遭受太陽的曝曬或風(fēng)吹雨淋，甚至遭到無關(guān)人員或其他破壞；傳感器節(jié)點(diǎn)往往隨機(jī)部署；這些都要求傳感器節(jié)點(diǎn)非常堅(jiān)固，不易損壞，適應(yīng)各種惡劣環(huán)境條件。5．應(yīng)用相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)傳感器網(wǎng)絡(luò)用來感知物理世界的物理現(xiàn)象，不同傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用關(guān)心不同的物理現(xiàn)象，因此對(duì)傳感器的應(yīng)用系統(tǒng)也有多種多樣的要求。不同的應(yīng)用背景對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)的要求不同，其硬件平臺(tái)、軟件系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議必然會(huì)有很大差別，所以傳感器網(wǎng)絡(luò)不能像Internet一樣，有統(tǒng)一的通信協(xié)議平臺(tái)。6．以數(shù)據(jù)為中心的網(wǎng)絡(luò)目前互聯(lián)網(wǎng)中，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備用網(wǎng)絡(luò)中唯一的IP地址標(biāo)識(shí)，資源定位和信息傳輸依賴于終端、路由器和服務(wù)器等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的IP地址。如果想訪問互聯(lián)網(wǎng)中的資源，首先需知道存放資源的服務(wù)器IP地址，可