時(shí)間：2023-03-06 15:58:07
導(dǎo)語：在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的撰寫旅程中，學(xué)習(xí)并吸收他人佳作的精髓是一條寶貴的路徑，好期刊匯集了九篇優(yōu)秀范文，愿這些內(nèi)容能夠啟發(fā)您的創(chuàng)作靈感，引領(lǐng)您探索更多的創(chuàng)作可能。
[論文摘要]無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究具有重大的科學(xué)意義及應(yīng)用前景。協(xié)作技術(shù)是其重要組成部分。通過介紹無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)作技術(shù)，對(duì)協(xié)作技術(shù)研究中的一些熱點(diǎn)問題進(jìn)行分析，展望無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)作技術(shù)研究中一些很有前景的研究方向。
一、引言
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WirelessSensorNetwork，WSN）包含大量智能傳感節(jié)點(diǎn)，分布在大范圍地理區(qū)域內(nèi)，近似實(shí)時(shí)地監(jiān)測(cè)、感知和采集網(wǎng)絡(luò)分布區(qū)域內(nèi)的各種環(huán)境或監(jiān)測(cè)對(duì)象的數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，獲得詳盡準(zhǔn)確的信息傳送給用戶。WSN以其監(jiān)測(cè)精度高、布設(shè)靈活性強(qiáng)、造價(jià)低廉等特點(diǎn)，在軍事偵察、工業(yè)控制、交通監(jiān)管、環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域具有非常廣闊的應(yīng)用前景[1]。
由于單個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的通信、處理和感知能力有限，無法處理大規(guī)模復(fù)雜問題，多數(shù)情況下不能獲取網(wǎng)絡(luò)全局信息，傳感節(jié)點(diǎn)要求具有協(xié)同通信功能。WSN的協(xié)同主要是指資源的協(xié)同、任務(wù)的協(xié)同、信號(hào)與信息的協(xié)同。資源的協(xié)同和信號(hào)與信息的協(xié)同從根本上是為任務(wù)協(xié)同服務(wù)的[2]。本文通過對(duì)協(xié)作技術(shù)研究中的一些熱點(diǎn)問題進(jìn)行分析，展望無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)作技術(shù)研究中一些很有前景的研究方向。
二、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)作技術(shù)研究熱點(diǎn)
（一）協(xié)作任務(wù)描述
任務(wù)描述是任務(wù)協(xié)同的基礎(chǔ)，任務(wù)描述能力直接影響任務(wù)分配系統(tǒng)的復(fù)雜性。WSN的任務(wù)描述涉及兩方面的內(nèi)容，即對(duì)任務(wù)功能進(jìn)行描述和對(duì)參與任務(wù)的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行描述。根據(jù)WSN的特點(diǎn)，感知任務(wù)可以從面向應(yīng)用和面向任務(wù)分配兩個(gè)角度加以描述。
文獻(xiàn)[3]分析比較了當(dāng)前具有代表性的幾種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)任務(wù)描述方式，如有向無環(huán)圖、抽象任務(wù)圖、基于角色的任務(wù)圖、類SQL查詢語言描述等。目前并沒有一種任務(wù)描述方式能同時(shí)從兩個(gè)角度出發(fā)有效地對(duì)任務(wù)進(jìn)行描述。
（二）協(xié)作信號(hào)處理
協(xié)作信號(hào)信息處理協(xié)作信號(hào)信息處理（collaborativesignalandinformasionprocessing，CSIP）技術(shù)。文獻(xiàn)[4]描述了CSIP針對(duì)WSN網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，在數(shù)據(jù)表達(dá)、存儲(chǔ)、傳輸和處理等方面研究新的方法和算法來滿足應(yīng)用對(duì)信息精度、網(wǎng)絡(luò)節(jié)能、低延遲、可擴(kuò)展和高可靠的要求。
文獻(xiàn)[5]分析WSN的特點(diǎn)和CSIP的需求，討論它的一般流程和主要處理模式，接著結(jié)合功能框架，歸納并總結(jié)目前已有的主要方法。CSIP基于節(jié)點(diǎn)間的協(xié)商和合作，選擇合適的傳感節(jié)點(diǎn)參與協(xié)作，平衡節(jié)點(diǎn)個(gè)體和網(wǎng)絡(luò)整體在協(xié)作過程中的信息收益和資源代價(jià)，解決網(wǎng)絡(luò)信息處理中的驅(qū)動(dòng)機(jī)制、節(jié)點(diǎn)選擇、處理地點(diǎn)、時(shí)機(jī)和算法等問題。
（三）協(xié)作時(shí)間同步
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用通常需要一個(gè)適應(yīng)性比較好的時(shí)間同步服務(wù)，以保證數(shù)據(jù)的一致性和協(xié)調(diào)性。時(shí)間同步是同步分布式數(shù)據(jù)感知和控制所必需的。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中協(xié)調(diào)、通信、安全、電源管理和分布式登陸等，都依賴于現(xiàn)有的全局時(shí)間。
文獻(xiàn)[6]提出了協(xié)作時(shí)間同步同步的概念。協(xié)作同步原理如下：如果時(shí)間基準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)按照相等的時(shí)間問隔發(fā)出多個(gè)同步脈沖，其周圍單跳節(jié)點(diǎn)接收后依據(jù)這一系列個(gè)脈沖的發(fā)送時(shí)刻估算出時(shí)間基準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)的下一個(gè)脈沖發(fā)送時(shí)刻，并在該時(shí)刻同時(shí)發(fā)出同步脈沖。此脈沖信號(hào)會(huì)擴(kuò)散至周圍單跳節(jié)點(diǎn)。如此重復(fù)下去，最終網(wǎng)內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)都會(huì)同時(shí)發(fā)出同步脈沖，即達(dá)到了同步狀態(tài)。
（四）MAS協(xié)作
多Agent系統(tǒng)（Multi-agentSystem，MAS）是分布式人工智能的重要研究領(lǐng)域，agent可以定義為具有目標(biāo)、知識(shí)和能力的軟件或硬件實(shí)體，能力包括感知、行動(dòng)、推理、學(xué)習(xí)、通信和協(xié)作等。
agent利用局部信息進(jìn)行自主規(guī)劃，通過規(guī)劃推理解決局部沖突以實(shí)現(xiàn)協(xié)作，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)整體目標(biāo)。Agent體系結(jié)構(gòu)、交互語言、協(xié)商策略研究較為成熟，并且與WSN具有很多相似性。因此，可以考慮在WSN協(xié)作中引入agent。
文獻(xiàn)[7]提出了一種WSN中基于P2P的多agent數(shù)據(jù)傳輸和匯總系統(tǒng)架構(gòu)。此構(gòu)架包括接口agent、查詢agent、路由agent及數(shù)據(jù)采集agent。接口agent與用戶交互，路由agent負(fù)責(zé)能源效率的數(shù)據(jù)傳輸。查詢agent為agent與路由agent之間的協(xié)作提供便利的接口，并負(fù)責(zé)建立優(yōu)化計(jì)劃，以實(shí)現(xiàn)其預(yù)定目標(biāo)。接口agent和查詢agent放置在資源豐富的基站，因?yàn)樗鼈冃枰?jì)算密集操作。數(shù)據(jù)采集agent負(fù)責(zé)采集，篩選和格式化傳感器的數(shù)據(jù)。提供MAS架構(gòu)和設(shè)計(jì)，使它們?cè)赪SNs中能夠協(xié)調(diào)和溝通，彼此之間相互傳輸和匯總數(shù)據(jù)。
三、總結(jié)與展望
隨著WSN商業(yè)應(yīng)用越來越廣泛，WSN研究面臨的挑戰(zhàn)也日益嚴(yán)峻。單個(gè)的能源、功率、功能均受限的傳感器節(jié)點(diǎn)需要協(xié)作完成任務(wù)。針對(duì)傳感器間的協(xié)作技術(shù)的研究也日益受到重視。目前的協(xié)作研究?jī)H僅局限在一些具體問題上，尚未形成通用方法。本文分析WSN協(xié)作研究還是很有前景的。
參考文獻(xiàn)：
[1]孫利民、李中建、陳渝等，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)[M]．北京：清華大學(xué)出版社，2005.
[2]于海斌、曾鵬，智能無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)[M]．北京：科學(xué)出版社，2006:212-222.
[3]谷建華、沈沉、彭力靜、李志剛，基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)任務(wù)描述方式的研究與比較，計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究，2008，25（5）:1292-1294.
[4]KumarS，ZhaoF，ShepherdD．Collaborativesignalandinformasion，processinginmier-esensornetworks[J]．IEEESignalProcessingMagazine，2002,19(2):13-l4.
[5]史浩山，楊少軍，侯蓉暉，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)作信號(hào)信息處理技術(shù)研究，信息與控制，2006,35（2）：225-232.
【關(guān)鍵詞】傳感器;嵌入式;無線通信;分布式信息處理
0.引言
電系統(tǒng)(Micro-Electro-Mechanism System, MEMS)、片上系統(tǒng)（SOC，System on Chip）、無線通信和低功耗嵌入式技術(shù)的飛速發(fā)展,孕育出無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Networks，WSN)，并以其低功耗、低成本、分布式和自組織的特點(diǎn)帶來了信息感知的一場(chǎng)變革。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)就是由部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)大量的廉價(jià)微型傳感器節(jié)點(diǎn)組成，通過無線通信方式形成的一個(gè)多跳自組織網(wǎng)絡(luò)。
本文就無線傳感器網(wǎng)絡(luò)原理、特點(diǎn)以及主要應(yīng)用進(jìn)行分析。
1.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)原理
所謂傳感器網(wǎng)絡(luò)是由大量部署在作用區(qū)域內(nèi)的、具有無線通信與計(jì)算能力的微小傳感器節(jié)點(diǎn)通過自組織方式構(gòu)成的能根據(jù)環(huán)境自主完成指定任務(wù)的分布式智能化網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的組成和功能包括如下四個(gè)基本單元：傳感單元（由傳感器和模數(shù)轉(zhuǎn)換功能模塊組成）、處理單元（由嵌入式系統(tǒng)構(gòu)成，包括CPU、存儲(chǔ)器、嵌入式操作系統(tǒng)等）、通信單元（由無線通信模塊組成）、以及電源部分。此外，可以選擇的其它功能單元包括：定位系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)以及發(fā)電裝置等。在傳感器網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)通過各種方式大量部署在被感知對(duì)象內(nèi)部或者附近。這些節(jié)點(diǎn)通過自組織方式構(gòu)成無線網(wǎng)絡(luò)，以協(xié)作的方式感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域定的信息，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)任意地點(diǎn)信息在任意時(shí)間的采集，處理和分析。一個(gè)典型的傳感器網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)包括分布式傳感器節(jié)點(diǎn)（群）、sink節(jié)點(diǎn)、互聯(lián)網(wǎng)和用戶界面等。傳感節(jié)點(diǎn)之間可以相互通信，自己組織成網(wǎng)并通過多跳的方式連接至Sink（基站節(jié)點(diǎn)），Sink節(jié)點(diǎn)收到數(shù)據(jù)后，通過網(wǎng)關(guān)（Gateway）完成和公用Internet網(wǎng)絡(luò)的連接。整個(gè)系統(tǒng)通過任務(wù)管理器來管理和控制這個(gè)系統(tǒng)。傳感器網(wǎng)絡(luò)的特性使得其有著非常廣泛的應(yīng)用前景，其無處不在的特點(diǎn)使其在不遠(yuǎn)的未來成為我們生活中不可缺少的一部分。
2.無線傳感器的體系結(jié)構(gòu)概述
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)包括4類基本實(shí)體對(duì)象：目標(biāo)、觀測(cè)節(jié)點(diǎn)傳感節(jié)點(diǎn)和感知視場(chǎng)，另外，還需定義外部網(wǎng)絡(luò)、遠(yuǎn)程任務(wù)管理單元和用戶來完成對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的應(yīng)用刻畫。大量傳感節(jié)點(diǎn)隨機(jī)部署，通過自組織方式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)，協(xié)同形成對(duì)目標(biāo)的感知視場(chǎng)。傳感節(jié)點(diǎn)檢測(cè)的目標(biāo)信號(hào)經(jīng)本地簡(jiǎn)單處理后通過鄰近傳感節(jié)點(diǎn)多跳傳輸?shù)接^測(cè)節(jié)點(diǎn)。用戶和遠(yuǎn)程任務(wù)管理單元通過外部網(wǎng)絡(luò)，比如衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)或Internet，與觀測(cè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行交互。觀測(cè)節(jié)點(diǎn)向網(wǎng)絡(luò)查詢請(qǐng)求和控制指令，接收傳感節(jié)點(diǎn)返回的目標(biāo)信息。
傳感節(jié)點(diǎn)具有原始數(shù)據(jù)采集、本地信息處理、無線數(shù)據(jù)傳輸及與其它節(jié)點(diǎn)協(xié)同工作的能力，依據(jù)應(yīng)用需求，還可能攜帶定位，能源補(bǔ)給或移動(dòng)等模塊。節(jié)點(diǎn)可采用飛行器撒播、火箭彈射或人工埋置等方式部署。
目標(biāo)是網(wǎng)絡(luò)感興趣的對(duì)象及其屬性，有時(shí)特指某類信號(hào)源。傳感節(jié)點(diǎn)通過目標(biāo)的熱、紅外、聲納、雷達(dá)或震動(dòng)等信號(hào)，獲取目標(biāo)溫度、光強(qiáng)度、噪聲、壓力、運(yùn)動(dòng)方向或速度等屬性。傳感節(jié)點(diǎn)對(duì)感興趣目標(biāo)的信息獲取范圍稱為該節(jié)點(diǎn)的感知視場(chǎng)，網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)視場(chǎng)的集合稱為該網(wǎng)絡(luò)的感知視場(chǎng)。當(dāng)傳感節(jié)點(diǎn)檢測(cè)到的目標(biāo)信息超過設(shè)定閥值，需提交給觀測(cè)節(jié)點(diǎn)時(shí)，被稱為有效節(jié)點(diǎn)。
觀測(cè)節(jié)點(diǎn)具有雙重身份。一方面，在網(wǎng)內(nèi)作為接收者和控制者，被授權(quán)監(jiān)聽和處理網(wǎng)絡(luò)的事件消息和數(shù)據(jù)，可向傳感器網(wǎng)絡(luò)查詢請(qǐng)求或派發(fā)任務(wù)；另一方面，面向網(wǎng)外作為中繼和網(wǎng)關(guān)完成傳感器網(wǎng)絡(luò)與外部網(wǎng)絡(luò)間信令和數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，是連接傳感器網(wǎng)絡(luò)與其它網(wǎng)絡(luò)的橋梁。通常假設(shè)觀測(cè)節(jié)點(diǎn)能力較強(qiáng)，資源充分或可補(bǔ)充。觀測(cè)節(jié)點(diǎn)有被動(dòng)觸發(fā)和主動(dòng)查詢兩種工作模式，前者被動(dòng)地由傳感節(jié)點(diǎn)發(fā)出的感興趣事件或消息觸發(fā)，后者則周期掃描網(wǎng)絡(luò)和查詢傳感節(jié)點(diǎn)，較常用。
3.無線傳感器主要用途
3.1環(huán)境的監(jiān)測(cè)和保護(hù)
隨著人們對(duì)于環(huán)境問題的關(guān)注程度越來越高，需要采集的環(huán)境數(shù)據(jù)也越來越多，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)為隨機(jī)性的研究數(shù)據(jù)獲取提供了便利，并且還可以避免傳統(tǒng)數(shù)據(jù)收集方式給環(huán)境帶來的侵入式破壞。比如，英特爾研究實(shí)驗(yàn)室研究人員曾經(jīng)將32個(gè)小型傳感器連進(jìn)互聯(lián)網(wǎng)，以讀出緬因州"大鴨島"上的氣候，用來評(píng)價(jià)一種海燕巢的條件。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)還可以跟蹤候鳥和昆蟲的遷移，研究環(huán)境變化對(duì)農(nóng)作物的影響，監(jiān)測(cè)海洋、大氣和土壤的成分等。此外，它也可以應(yīng)用在精細(xì)農(nóng)業(yè)中，來監(jiān)測(cè)農(nóng)作物中的害蟲、土壤的酸堿度和施肥狀況等。
3.2醫(yī)療護(hù)理
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在醫(yī)療研究、護(hù)理領(lǐng)域也可以大展身手。英特爾公司推出了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的家庭護(hù)理技術(shù)。該技術(shù)是做為探討應(yīng)對(duì)老齡化社會(huì)的技術(shù)項(xiàng)目Center for Aging Services Technologies（CAST）的一個(gè)環(huán)節(jié)開發(fā)的。該系統(tǒng)通過在鞋、家具以家用電器等家中道具和設(shè)備中嵌入半導(dǎo)體傳感器，幫助老齡人士、阿爾茨海默氏病患者以及殘障人士的家庭生活。利用無線通信將各傳感器聯(lián)網(wǎng)可高效傳遞必要的信息從而方便接受護(hù)理。而且還可以減輕護(hù)理人員的負(fù)擔(dān)。英特爾主管預(yù)防性健康保險(xiǎn)研究的董事Eric Dishman稱，“在開發(fā)家庭用護(hù)理技術(shù)方面，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是非常有前途的領(lǐng)域”。
3.3軍事領(lǐng)域
由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有密集型、隨機(jī)分布的特點(diǎn)，使其非常適合應(yīng)用于惡劣的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境中，使其非常適合應(yīng)用于惡劣的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境中，包括偵察敵情、監(jiān)控兵力、裝備和物資，判斷生物化學(xué)攻擊等多方面用途。美國(guó)國(guó)防部遠(yuǎn)景計(jì)劃研究局已投資幾千萬美元，幫助大學(xué)進(jìn)行"智能塵埃"傳感器技術(shù)的研發(fā)。
3.4其他用途
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)還被應(yīng)用于其他一些領(lǐng)域。比如一些危險(xiǎn)的工業(yè)環(huán)境如井礦、核電廠等，工作人員可以通過它來實(shí)施安全監(jiān)測(cè)。也可以用在交通領(lǐng)域作為車輛監(jiān)控的有力工具。此外和還可以在工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)線等諸多領(lǐng)域，英特爾正在對(duì)工廠中的一個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行測(cè)試，該網(wǎng)絡(luò)由40臺(tái)機(jī)器上的210個(gè)傳感器組成，這樣組成的監(jiān)控系統(tǒng)將可以大大改善工廠的運(yùn)作條件。它可以大幅降低檢查設(shè)備的成本，同時(shí)由于可以提前發(fā)現(xiàn)問題，因此將能夠縮短停機(jī)時(shí)間，提高效率，并延長(zhǎng)設(shè)備的使用時(shí)間。盡管無線傳感器技術(shù)目前仍處于初步應(yīng)用階段，但已經(jīng)展示出了非凡的應(yīng)用價(jià)值，相信隨著相關(guān)技術(shù)的發(fā)展和推進(jìn)，一定會(huì)得到更大的應(yīng)用。
4.結(jié)束語
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，無線傳感器的技術(shù)得到不斷地更新，適用的領(lǐng)域越來越廣泛，在未來，有許多廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域可以使傳感器網(wǎng)絡(luò)成為人們生活中的一個(gè)不可缺少的組成部分。但就目前而言傳統(tǒng)Ad hoc網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)并不能夠完全適應(yīng)于傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用。因此，充分認(rèn)識(shí)和研究傳感器網(wǎng)絡(luò)自組織方式及傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)，為網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和算法的標(biāo)準(zhǔn)化提供理論依據(jù)，為設(shè)備制造商的實(shí)現(xiàn)提供參考，成為當(dāng)前無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究領(lǐng)域中一項(xiàng)十分緊迫的任務(wù)。也只有從網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的研究人手，帶動(dòng)傳感器組織方式及通信技術(shù)的研究，才能更有力地推動(dòng)這一具有戰(zhàn)略意義的新技術(shù)的研究和發(fā)展。■
【參考文獻(xiàn)】
［1］孫利民,等編著.無線傳感器網(wǎng)絡(luò).北京：清華大學(xué)出版社，2005,5.
關(guān)鍵字：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；安全技術(shù)；運(yùn)用實(shí)踐
無線傳感器是一種符合無線纖細(xì)傳輸特點(diǎn)的設(shè)備，具有成本低廉、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和體積小、無需展開總線安裝結(jié)構(gòu)，可以有效的應(yīng)用到的數(shù)據(jù)信息的采集，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。針對(duì)無線傳感器的有效應(yīng)用，需要重視對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)的分析，合理的對(duì)網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)進(jìn)行運(yùn)用，盡可能的減少網(wǎng)絡(luò)安全問題的發(fā)生，避免數(shù)據(jù)的丟失和錯(cuò)誤，進(jìn)而保障的無線傳感器的功能?，F(xiàn)階段，無線傳感器的網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)種類較多，主要有安全路由技術(shù)、密鑰管理技術(shù)和密碼技術(shù)等，對(duì)于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)安全具有積極的推動(dòng)作用。
1無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分析
1.1涵義
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與協(xié)作感知之間具有模切的聯(lián)系，能在網(wǎng)絡(luò)覆蓋的區(qū)域內(nèi)，完成對(duì)相關(guān)信息的采集和處理，并將這一結(jié)果發(fā)送到需求信息的區(qū)域。目前，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是現(xiàn)代常用的通訊類型，可以有效的完成信息的傳遞和交流。
1.2無線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
如下圖1所示為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的具體節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖。由圖可見，每一個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)，均能夠成為一個(gè)獨(dú)立的小系統(tǒng)。除去節(jié)點(diǎn)之外，還由數(shù)據(jù)的匯聚和數(shù)據(jù)處理部分構(gòu)成，保障數(shù)據(jù)的傳輸質(zhì)量。
1.3無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，是使其有效應(yīng)用的基本條件。其具體的特點(diǎn)有：（1）規(guī)模大，通過合理的布置傳感器節(jié)點(diǎn)，可以有效的完成對(duì)區(qū)域范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)信息的采集和監(jiān)控工作。（2）自行管理，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)擁有良好的網(wǎng)絡(luò)的配置功能，能夠完成自行管理，保障信息的有效性。（3）以數(shù)據(jù)文中心，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是建立在數(shù)據(jù)信息的基礎(chǔ)上，根據(jù)數(shù)據(jù)信息的基本情況，發(fā)現(xiàn)觀察者主要是對(duì)無線傳感器最終數(shù)據(jù)結(jié)果具有需求。（4）成本低廉，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建成本較低，主要是由于無線傳感器的成本較低，符合具體的應(yīng)用需求。
2無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的安全問題分析
無線傳感器在實(shí)際的應(yīng)用中，網(wǎng)絡(luò)安全問題對(duì)無線傳感器的應(yīng)具有十分不利的影響，故此，需要合理的對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的安全問題進(jìn)行分析和解讀，為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)的合理應(yīng)用提供基礎(chǔ)。
2.1安全機(jī)制不夠健全
安全機(jī)制是保障無線傳感器網(wǎng)絡(luò)合理應(yīng)用的關(guān)鍵，由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由多個(gè)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，如果節(jié)點(diǎn)的能量、通信方面等沒有合理的展開安全機(jī)制的構(gòu)建，物理安全保護(hù)效果不夠理想，也就可能會(huì)導(dǎo)致安全隱患的影響擴(kuò)大，再加上安全機(jī)制的不夠健全，引起整個(gè)系統(tǒng)出現(xiàn)安全問題，影響系統(tǒng)的有效應(yīng)用，致使信息的丟失和殘缺的情況發(fā)生。
2.2能量限制
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建過程中，需要合理的將各類微型傳感器按照節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)進(jìn)行布置，布置完成后就不能輕易的對(duì)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的傳感器進(jìn)行變動(dòng)。而傳感器在不通電的情況下，各個(gè)微型傳感器就不能完成充電，而無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中=傳奇的沒有足夠的能量，也就導(dǎo)致傳感器不能得到持續(xù)應(yīng)用。另外，由于傳感器網(wǎng)絡(luò)中的部分設(shè)備具有高能耗的問題，也就會(huì)導(dǎo)致無線傳感器網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)能量限制問題，制約網(wǎng)絡(luò)的安全性。
2.3通信問題
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)需要具備穩(wěn)定可靠的通信通道，但是在實(shí)際的應(yīng)用中，路由的問題十分明顯，主要是由于路由存在一定的延遲，而這部分延遲會(huì)導(dǎo)致路由出現(xiàn)安全問題。另外，數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程中，可能會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)出現(xiàn)被攔截的情況，也就會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)泄漏的情況。這類不安定的通信方式，對(duì)通信的質(zhì)量具有明顯的影響，制約無線傳感器網(wǎng)絡(luò)安全。
2.4節(jié)點(diǎn)管理問題
節(jié)點(diǎn)是傳感器網(wǎng)絡(luò)的中的重要部分，節(jié)點(diǎn)的管理內(nèi)容對(duì)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的安全具有直接的影響。但是，在實(shí)際的管理中，存在節(jié)點(diǎn)組織隨機(jī)性強(qiáng)的問題，也就會(huì)導(dǎo)致，部分接電位置得不到確定，這一內(nèi)容也就可能會(huì)導(dǎo)致相關(guān)保護(hù)工作不能得到有效的實(shí)施，嚴(yán)重影響無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的安全。2.5節(jié)點(diǎn)量大和節(jié)點(diǎn)故障為了保障無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有較大的覆蓋面積，就需要具有大量的節(jié)點(diǎn)，其中有部分節(jié)點(diǎn)處于的位置較為敏感，甚至可能布置在極端環(huán)境中，導(dǎo)致傳感器容器容易受到外界因素的影響，這增加了節(jié)點(diǎn)受到惡意攻擊的風(fēng)險(xiǎn)。此外，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，在實(shí)際的應(yīng)用中，單個(gè)節(jié)點(diǎn)容易受到損壞，一旦單個(gè)節(jié)點(diǎn)受到損壞，就會(huì)導(dǎo)致整個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)受到不利影響，導(dǎo)致安全隱患的發(fā)生。
3無線傳感器網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)分析
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)對(duì)是保障網(wǎng)絡(luò)安全的關(guān)鍵，而且這些技術(shù)能夠?qū)W(wǎng)絡(luò)安全問題進(jìn)行處理，避免數(shù)據(jù)丟失和損壞。
3.1路由器安全技術(shù)
路由器安全技術(shù)是保障路由器安全的重要部分。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建時(shí)，路由器主要是達(dá)到節(jié)能能量的目的，保障無線傳感器系統(tǒng)的最大化形式的體現(xiàn)。然而這種情況，也就會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸出現(xiàn)隱患，也就導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)不能按照最初的方式進(jìn)行展開。針對(duì)路由器安全技術(shù)，可以合理的對(duì)TESLA協(xié)議和SNEP協(xié)議進(jìn)行應(yīng)用，進(jìn)而構(gòu)成符合的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的SPINS協(xié)議，進(jìn)而有效的避免信息出現(xiàn)的泄露的情況，進(jìn)而增加系統(tǒng)的防御能力，保障網(wǎng)絡(luò)的安全與穩(wěn)定。
3.2密鑰管理安全技術(shù)
管理密鑰是提升無線傳感器網(wǎng)絡(luò)安全的重要網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)。通過自動(dòng)生成密鑰的方式，完成對(duì)系統(tǒng)的加密。但是，在實(shí)際的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，而這一周期中，可能會(huì)出現(xiàn)薄弱環(huán)節(jié)，也就會(huì)導(dǎo)致信息泄露的情況發(fā)生?，F(xiàn)階段，針對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的密鑰管理安全技術(shù)主要有：（1）對(duì)稱密鑰管理，這類加密方式主要是建立在共同保護(hù)的基礎(chǔ)上，并通過設(shè)定防止密鑰丟失的程序，并根據(jù)公開密鑰加密技術(shù)，提升密鑰管理的有效性。（2）節(jié)點(diǎn)密鑰共享技術(shù)，在實(shí)際傳感器網(wǎng)絡(luò)中，通過節(jié)點(diǎn)間的網(wǎng)絡(luò)共享的方式，可以使得節(jié)點(diǎn)對(duì)基站的依賴性小，且復(fù)雜程度低，并保障兩個(gè)節(jié)點(diǎn)受到威脅，也不會(huì)導(dǎo)致其他不會(huì)產(chǎn)生密鑰泄漏的情況。（3）加密算法的有效應(yīng)用，通常情況下加密算法和氛圍加密算法、非對(duì)稱加密算法。（4）概率性的分配模式，這類分配模式，根據(jù)一課可以計(jì)算的概率，完成對(duì)密鑰的分配，屬于中非常確定的方式。
3.3密碼技術(shù)
密碼技術(shù)主是完成對(duì)使無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中一些不安定的特性進(jìn)行控制，采用密碼的方式，減少系統(tǒng)的安全問題。密碼可以采用自定的形式和隨機(jī)生成的形式，其中密碼安全技術(shù)主要取決于密碼的復(fù)雜程度，密碼復(fù)雜程度越高，密碼丟失的可能性越低。鑒于密碼技術(shù)的功能性，密碼技術(shù)可以廣泛的應(yīng)用到無線傳感器網(wǎng)絡(luò)安全問題的處理中。針對(duì)不同通信設(shè)備的基本情況，合理的展開的密碼技術(shù)，如：節(jié)點(diǎn)設(shè)備的通信可靠性不能得到有效的應(yīng)用，密碼技術(shù)體現(xiàn)出較好的優(yōu)勢(shì)，而且由于密碼技術(shù)的成本較低，且保密的效果較為理想，故此，可以廣泛的應(yīng)用到無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中。
3.4安全數(shù)據(jù)的融合
安全數(shù)據(jù)的融合同樣是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)中的重要組成部分，這一技術(shù)主要應(yīng)用于的數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程中。由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)主要是用到大量的數(shù)據(jù)。如果不能有效的對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行控制，也就可能會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)的流失和損壞的現(xiàn)象明顯。故此，可以采用安全數(shù)據(jù)的融合技術(shù)，嚴(yán)格的控制數(shù)據(jù)的安全融合，進(jìn)而使得數(shù)據(jù)在傳輸過程中，不會(huì)出現(xiàn)丟失和流失的現(xiàn)象，增加數(shù)據(jù)信息的安全性和真實(shí)性。
3.5無線傳感器網(wǎng)絡(luò)各層的安全技術(shù)的運(yùn)用
針對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的物理層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層、傳輸層等部分合理的展開安全保護(hù)，物理層可以通過主動(dòng)篡改保護(hù)和被動(dòng)篡改保護(hù)兩中，有效的避免物理層的攻擊，網(wǎng)絡(luò)層需要通過合理的對(duì)路由安全協(xié)議進(jìn)行設(shè)計(jì)，網(wǎng)絡(luò)層的安全。應(yīng)用層，需要通過惡意節(jié)點(diǎn)檢測(cè)和孤立、密碼技術(shù)等。針對(duì)傳輸層，可以采用認(rèn)證和客戶端謎題、安全數(shù)據(jù)的融合等方式。通過對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)各個(gè)層的安全技術(shù)進(jìn)行應(yīng)用，保障無線傳感器的穩(wěn)定運(yùn)行，有效的規(guī)避網(wǎng)絡(luò)安全問題。
4結(jié)語
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是現(xiàn)代人們生活中的重要問題，是便利人們生活的重要途徑。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在實(shí)際的應(yīng)用中，可能會(huì)出現(xiàn)一些安全問題，導(dǎo)致安全隱患的發(fā)生。為此，需要合理的對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)進(jìn)行分析，再合理的應(yīng)用，保障無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的安全性。（1）無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在實(shí)際的應(yīng)用中，具體的問題主要體現(xiàn)在安全機(jī)制不夠健全、能量限制、通信問題、節(jié)點(diǎn)管理問題、節(jié)點(diǎn)量大和節(jié)點(diǎn)故障。（2）針對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)安全問題，需要合理安全路由技術(shù)、安全認(rèn)證技術(shù)、安全數(shù)據(jù)融合技術(shù)。另外，針對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的入侵，需要合理的對(duì)入侵檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行應(yīng)用，有效的發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中的安全問題。（3）無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)問題，需要重視對(duì)節(jié)點(diǎn)的管理工作，盡可能的控制節(jié)點(diǎn)的能量限制和物理損壞情況。
參考文獻(xiàn)
[1]劉昌勇,米高揚(yáng),胡南生.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)若干關(guān)鍵技術(shù)[J].通訊世界,2016,08:23
[2]朱鋒.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)及應(yīng)用實(shí)踐探微[J].無線互聯(lián)科技,2016,14:30-31
[3]袁玉珠.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)安全協(xié)議及運(yùn)用實(shí)踐[J].電子技術(shù)與軟件工程,2016,16:215
Lv Xiaofeng
（Baoji University of Arts and Sciences，Baoji 721013，China）
摘要： 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是近年來發(fā)展迅速的無線網(wǎng)絡(luò)，與傳統(tǒng)的無線網(wǎng)絡(luò)相比具有更高的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。本文介紹了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的主要特征和優(yōu)勢(shì)，通過與傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)比較分析了無線傳感器的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用熱點(diǎn)。
Abstract: Wireless sensor network is developing rapidly in recent years, wireless networks, compared with the traditional wireless networks, have higher technological advantage. This article describes the main features and advantages of wireless sensor networks, and analyzes the hot spots of wireless sensor network technology by comparing the traditional wireless network.
關(guān)鍵詞：無線傳感器 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)
Key words: wireless sensors；network technology
中圖分類號(hào)：TP39 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1006-4311（2011）21-0138-02
0引言
無線傳感器的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用集成了信息采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)管理等多種主體功能，涉及各種傳感器技術(shù)、信息處理技術(shù)和數(shù)據(jù)管理技術(shù)等多個(gè)技術(shù)領(lǐng)域，并且由于網(wǎng)絡(luò)所具有的自組織、協(xié)作、分布式控制等特點(diǎn)，使得上述每種技術(shù)的實(shí)現(xiàn)都與傳統(tǒng)的技術(shù)實(shí)現(xiàn)方式有很大區(qū)別，具有鮮明的技術(shù)特色。
1無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的主要特征
1.1 低功耗、微型化、高度集成、低價(jià)格的傳感器節(jié)點(diǎn)相對(duì)傳統(tǒng)意義的傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)（如雷達(dá)）而言，當(dāng)前所指的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)更強(qiáng)調(diào)節(jié)點(diǎn)的低功耗、微型化、高度集成、低價(jià)格等特征。雖然當(dāng)前一些基于商用器件制造的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)（如MICA、DOT等）在許多指標(biāo)方面離預(yù)期目標(biāo)仍有一定差距，但這些指標(biāo)卻代表了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)今后的發(fā)展方向。微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）技術(shù)的發(fā)展，為開發(fā)低功耗、小體積、低價(jià)格、同時(shí)集成有微傳感器/執(zhí)行器、微處理器和無線通信等多種功能部件的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)提供了重要技術(shù)條件，使得開發(fā)類似“灰塵”的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)成為可能。
1.2 節(jié)點(diǎn)密集布設(shè)在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)密集布設(shè)大量相同或不同類型的傳感器節(jié)點(diǎn)，是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)重要特征。通過節(jié)點(diǎn)密集布設(shè)，可以獲取密集的空間抽樣信息或針對(duì)同一現(xiàn)象的多維信息，對(duì)這些信息進(jìn)行分布式處理之后，可以有效地提高檢測(cè)或識(shí)別目標(biāo)的準(zhǔn)確度，并降低對(duì)單一傳感器節(jié)點(diǎn)的精度要求；通過節(jié)點(diǎn)密集布設(shè)，可以在同一區(qū)域內(nèi)存在大量冗余節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)的冗余性使系統(tǒng)具有很強(qiáng)的容錯(cuò)性能，由此降低對(duì)單一傳感器節(jié)點(diǎn)的可靠性要求。另外，通過節(jié)點(diǎn)密集布設(shè)并對(duì)其節(jié)點(diǎn)進(jìn)行合理的休眠調(diào)度，也是延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)壽命的重要途徑。
1.3 協(xié)作式網(wǎng)絡(luò)協(xié)作是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)執(zhí)行任務(wù)的基本工作方式，一般包括協(xié)作式信息采集、協(xié)作式信息處理、協(xié)作式信息存儲(chǔ)、協(xié)作式信息傳輸?shù)?。通過協(xié)作，多個(gè)相同或不同類型的傳感器節(jié)點(diǎn)可以從不同的空間位置或不同的現(xiàn)象角度（如物理現(xiàn)象、化學(xué)現(xiàn)象等）共同對(duì)感知對(duì)象進(jìn)行感知，獲得更為精確、完整的信息；通過協(xié)作，傳感器節(jié)點(diǎn)可以克服自身處理和存儲(chǔ)能力受限的不利因素，在多個(gè)節(jié)點(diǎn)的共同協(xié)作下完成對(duì)復(fù)雜任務(wù)的執(zhí)行功能；通過協(xié)作，傳感器節(jié)點(diǎn)之間既可以通過多跳中繼轉(zhuǎn)發(fā)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離通信，也可以通過多節(jié)點(diǎn)協(xié)作發(fā)射、多節(jié)點(diǎn)協(xié)作接收等機(jī)制，實(shí)現(xiàn)延伸通信距離、改善通信質(zhì)量、降低網(wǎng)絡(luò)能耗等目的。
1.4 自組織網(wǎng)絡(luò)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的諸多特點(diǎn)決定了其采用自組織工作方式的必要性。首先，傳感器節(jié)點(diǎn)經(jīng)常采用隨機(jī)性布設(shè)的方式，節(jié)點(diǎn)的位置和相互鄰居關(guān)系不能預(yù)先確定，如通過飛機(jī)播撒或由人隨意放置的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；其次，傳感器節(jié)點(diǎn)可能由于能量耗盡或受到環(huán)境因素影響而失效，一些節(jié)點(diǎn)又可能為了彌補(bǔ)失效節(jié)點(diǎn)或增加監(jiān)測(cè)精度而補(bǔ)充進(jìn)來，再加上節(jié)點(diǎn)可能移動(dòng)以及采用休眠調(diào)度機(jī)制，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渫幱趧?dòng)態(tài)變化之中。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的自組織主要包括自組織通信、網(wǎng)絡(luò)功能的自調(diào)度以及網(wǎng)絡(luò)的自管理等。
1.5 無線網(wǎng)絡(luò)傳感器節(jié)點(diǎn)采用無線方式進(jìn)行組網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)之間、傳感器節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)關(guān)設(shè)備之間的通信。無線通信方式的采用大大提高了網(wǎng)絡(luò)布設(shè)及應(yīng)用的靈活性，通信線纜的節(jié)省有助于降低整個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的造價(jià)。
2無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的主要優(yōu)勢(shì)
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采用微小型的傳感器節(jié)點(diǎn)獲取信息，節(jié)點(diǎn)之間具有自動(dòng)組網(wǎng)和協(xié)同工作能力，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部采用無線通信方式，它與傳統(tǒng)的傳感器手段（如單一大型傳感器、有線傳感器網(wǎng)等）相比，具有以下幾個(gè)比較明顯的優(yōu)勢(shì)：
2.1 精度高 大量造價(jià)低廉的微小型傳感器節(jié)點(diǎn)對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)域進(jìn)行密集空間抽樣，或者對(duì)監(jiān)測(cè)目標(biāo)進(jìn)行近距離密集監(jiān)測(cè)，可以獲取非常高的信息感知精度，這是傳統(tǒng)單一大型傳感器所難以達(dá)到的。
2.2 靈活性強(qiáng) 臨時(shí)隨機(jī)性布設(shè)、網(wǎng)絡(luò)自組織等特點(diǎn)使無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在布設(shè)之后很快就能展開工作，不需人為干預(yù)，非常適合一些急、險(xiǎn)、偏的應(yīng)用場(chǎng)合，在布設(shè)、使用上的靈活性要遠(yuǎn)遠(yuǎn)強(qiáng)于傳統(tǒng)的傳感器手段。
2.3 可靠性高 由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有自組織特點(diǎn)，當(dāng)某一節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障或失效時(shí)，其功能可迅速由其他節(jié)點(diǎn)替代承擔(dān)。因此，雖然單一傳感器節(jié)點(diǎn)的可靠性比較低，但作為一個(gè)系統(tǒng)整體，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以獲取非常高的可靠性。
2.4 經(jīng)濟(jì)性好 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)利用無線傳輸取代傳統(tǒng)的線纜傳輸，大大降低了系統(tǒng)的建設(shè)成本；另外，隨著技術(shù)的發(fā)展與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的廣泛采用，單一傳感器節(jié)點(diǎn)的造價(jià)會(huì)越來越低。因此，與傳統(tǒng)傳感器手段相比，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在造價(jià)上的優(yōu)勢(shì)將越來越明顯。
3與無線自組織通信網(wǎng)絡(luò)的比較
在通信方式上，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與無線自組織通信網(wǎng)絡(luò)最為接近，都可以在不依托任何網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的情況下展開工作，都可以依靠節(jié)點(diǎn)之間的自組織行為協(xié)調(diào)以及在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋭?dòng)態(tài)變化的情況下實(shí)現(xiàn)多跳路由轉(zhuǎn)發(fā)等功能。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與無線自組織通信網(wǎng)絡(luò)在通信方式上具有很大的相似性，但當(dāng)前無線自組織通信網(wǎng)絡(luò)的許多協(xié)議及算法并不能高效地直接應(yīng)用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。主要體現(xiàn)為以下幾個(gè)方面：
3.1 網(wǎng)絡(luò)功能的不同無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種以獲取感知信息為主要目的的信息采集網(wǎng)絡(luò)，而無線自組織通信網(wǎng)絡(luò)是一種以解決人與人之間，或設(shè)備與設(shè)備之間信息傳輸為主要目的的通信網(wǎng)絡(luò)，這是二者的一個(gè)根本區(qū)別。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，通信只是作為一種保障手段，實(shí)現(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)之間、傳感器節(jié)點(diǎn)與管理控制節(jié)點(diǎn)之間、傳感器節(jié)點(diǎn)與用戶節(jié)點(diǎn)之間的信息傳輸。每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)除了集成有通信功能外，還集成有信息采集、信息處理等功能；而在自組織通信網(wǎng)絡(luò)中，通信是它的核心功能，每個(gè)節(jié)點(diǎn)只是一個(gè)單純意義上的通信節(jié)點(diǎn)。
3.2 節(jié)點(diǎn)能力的不同無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)需要執(zhí)行的功能相對(duì)簡(jiǎn)單，并且要求小型化、低成本、低功耗，所配置的處理器能力一般都比較弱、存儲(chǔ)容量比較小、通信速率及通信距離也非常有限，并且由于造價(jià)、體積以及工作環(huán)境的特殊性，傳感器節(jié)點(diǎn)的可靠性相對(duì)較差；而自組織通信網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)在處理與存儲(chǔ)能力、通信能力、可靠性等方面相對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)都比較強(qiáng)大。
3.3 網(wǎng)絡(luò)形態(tài)的不同無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模較大，節(jié)點(diǎn)數(shù)常是無線自組織通信網(wǎng)絡(luò)的數(shù)十倍至數(shù)千倍。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)密度高，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于無線自組織通信網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)密度。另外，動(dòng)態(tài)拓?fù)涫嵌叩墓餐卣?，但造成?dòng)態(tài)拓?fù)涞脑騾s存在一定的區(qū)別。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，造成網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓脑蛑饕莻鞲衅鞴?jié)點(diǎn)的休眠／激活、失效／補(bǔ)充以及可能存在的節(jié)點(diǎn)移動(dòng)性等；而在無線自組織通信網(wǎng)絡(luò)中，造成網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓脑蛑饕枪?jié)點(diǎn)移動(dòng)性。
3.4 業(yè)務(wù)特征的不同無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的通信業(yè)務(wù)主要發(fā)生在傳感器節(jié)點(diǎn)和用戶之間，普通傳感器節(jié)點(diǎn)之間一般并不存在過多通信要求，網(wǎng)絡(luò)中的通信業(yè)務(wù)具有很強(qiáng)的方向性，并且主要以“一到多（one-to-many）”、“多到一（many-to-one）”的形式而存在；而在自組織通信網(wǎng)絡(luò)中，由于任意兩點(diǎn)之間都有可能發(fā)生通信，網(wǎng)絡(luò)中的通信業(yè)務(wù)主要以任意點(diǎn)到點(diǎn)（any-to-any）的形式而存在。另外，由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中只有當(dāng)用戶發(fā)起查詢或命令，傳感器節(jié)點(diǎn)檢測(cè)到異常事件，或者報(bào)告周期到達(dá)時(shí)，網(wǎng)絡(luò)中才會(huì)產(chǎn)生通信業(yè)務(wù)，節(jié)點(diǎn)平時(shí)只處于監(jiān)測(cè)狀態(tài)，因此網(wǎng)絡(luò)中的業(yè)務(wù)量相對(duì)較低，而無線自組織通信網(wǎng)絡(luò)通常需要傳輸話音、數(shù)據(jù)、視頻等業(yè)務(wù)，其業(yè)務(wù)量相對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)而言是比較高的。
3.5 關(guān)注問題側(cè)重點(diǎn)的不同無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通常采用電池供電，且難以補(bǔ)充能量，能量有效性是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)之一；另外，適應(yīng)傳感器節(jié)點(diǎn)功能簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議及算法設(shè)計(jì)都非常強(qiáng)調(diào)簡(jiǎn)單、高效。而無線自組織通信網(wǎng)絡(luò)仍是一個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)，所關(guān)注問題的側(cè)重點(diǎn)仍主要在于網(wǎng)絡(luò)容量、業(yè)務(wù)的QoS保證、業(yè)務(wù)傳輸?shù)挠行约翱煽啃缘确矫妗?/p>
4結(jié)束語
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是目前信息技術(shù)領(lǐng)域中重要的前沿技術(shù)，由于精度、靈活性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性的優(yōu)良特性以及與傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)相比的眾多優(yōu)勢(shì)，其應(yīng)用和發(fā)展具有廣闊的市場(chǎng)前景。通過不斷深入的研究無線傳感器的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用技術(shù)，能夠在更成熟的技術(shù)優(yōu)勢(shì)下，建立更成功更標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用模式。
參考文獻(xiàn)：
[1]周嬋，李昕.工業(yè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)性能綜合評(píng)價(jià)研究[J].計(jì)算機(jī)工程,2010，36（16）：82-84.
[2]楊卓靜，孫宏志，任晨虹.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用技術(shù)綜述[J].中國(guó)科技信息，2010，（13）:127-129.
1 IPv6無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧
在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中引入IP技術(shù)有著重要意義[1]:
(1)經(jīng)濟(jì)價(jià)值方面。可以利用現(xiàn)有成熟的IP技術(shù)和已有的網(wǎng)絡(luò)設(shè)施實(shí)現(xiàn)IP-Based的應(yīng)用，不需要額外的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，大大減少應(yīng)用成本。
(2)知識(shí)產(chǎn)權(quán)方面。IP網(wǎng)絡(luò)普遍性使得IP組網(wǎng)技術(shù)相對(duì)其他專用或新型組網(wǎng)技術(shù)更容易被人們接受。
(3)互聯(lián)互通方面。IP-Based無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采用與Internet相同的IP技術(shù)，可以更容易地實(shí)現(xiàn)其與現(xiàn)有外部網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)互通。
(4)應(yīng)用方面。在安全監(jiān)測(cè)應(yīng)用領(lǐng)域，IP-Based無線傳感器網(wǎng)絡(luò)更具有抗毀魯棒性，可以及時(shí)有效地監(jiān)測(cè)災(zāi)害的發(fā)生以減少災(zāi)害所造成的損失。因此在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中采用IP技術(shù)是未來研究的主要方向。
將IPv6技術(shù)與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)融合，在大規(guī)模節(jié)點(diǎn)組成的傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中具有特殊優(yōu)點(diǎn)。
鑒于此，IETF于2004年11月正式成立了6LoWPAN[2-5]工作組，著手制訂基于IPv6的低速無線個(gè)域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，旨在將IPv6引入以IEEE 802.15.4作為底層標(biāo)準(zhǔn)的無線個(gè)域網(wǎng)中。當(dāng)前此工作組正處于草案征集階段，許多組織和個(gè)人已經(jīng)提交了有價(jià)值的草案，各項(xiàng)技術(shù)都還只是處于理論研究及不斷探討中。
IPv6傳感器網(wǎng)絡(luò)是IPv6技術(shù)與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的融合，具有兩者各自部分特征，同時(shí)也具有其獨(dú)特性。這種獨(dú)特性，決定了IPv6傳感器網(wǎng)絡(luò)不適合直接采用IPv6網(wǎng)絡(luò)或無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的傳統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)，主要體現(xiàn)在:(1)傳統(tǒng)的傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)不支持IPv6協(xié)議，無法實(shí)現(xiàn)與下一代互聯(lián)網(wǎng)的直接融合，不支持端到端通信，可擴(kuò)展性不高。(2)IPv6作為下一代互聯(lián)網(wǎng)的核心協(xié)議，充分考慮了網(wǎng)絡(luò)中的各種問題，已經(jīng)形成一套功能強(qiáng)大、魯棒性好的協(xié)議體系，無法應(yīng)用在存儲(chǔ)資源和處理資源受限的傳感器網(wǎng)絡(luò)中。因此，必須在充分考慮到此網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)和特殊性的前提下，重新構(gòu)建基于IPv6的傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)。
目前國(guó)際上有很多科研機(jī)構(gòu)和組織研究IPv6無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)及協(xié)議棧，如Arch Rock[6]，uIPv6[7-8]等。Arch Rock是一個(gè)致力于IP-Based無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的公司，其開發(fā)的Arch Rock IP/6LoWPAN協(xié)議棧以IETF工作組提出的6LoWPAN標(biāo)準(zhǔn)為核心技術(shù)，支持IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)。uIPv6是由Cisco、Atmel和SICS共同開發(fā)，于2008年的IPv6微型協(xié)議棧。其前身是uIP，是由瑞典計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院(網(wǎng)絡(luò)嵌入式系統(tǒng)小組)Adam Dunkels開發(fā)的適用于嵌入式開發(fā)的傳輸控制協(xié)議/網(wǎng)間協(xié)議(TCP/IP)棧。然而uIPv6并不具備傳感路由協(xié)議以及網(wǎng)絡(luò)管理等，另外有關(guān)uIPv6的產(chǎn)品還未進(jìn)入商業(yè)階段，還遠(yuǎn)不能適應(yīng)于大規(guī)模無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用。
北京交通大學(xué)從2003年就開始緊密跟蹤和研究IPv6無線傳感器網(wǎng)絡(luò)方面的最新技術(shù)，并于2004年9月研發(fā)出一套適用于小型無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的嵌入式IPv6微型協(xié)議棧MSRLab6[9]，該協(xié)議棧遵循6LoWPAN規(guī)范，同樣嚴(yán)格支持IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)。該協(xié)議棧去掉了不必要的組件及擴(kuò)展功能，使得IPv6、ICMPv6、ND、TCP、UDP等協(xié)議得到較大精簡(jiǎn);直接面向硬件，設(shè)計(jì)獨(dú)立于操作系統(tǒng)的調(diào)度機(jī)制;為提高運(yùn)行效率，采用了最大容量限制的內(nèi)存分配方案;設(shè)計(jì)了基于事件和數(shù)據(jù)類型驅(qū)動(dòng)的應(yīng)用程序接口。
MSRLab6微型傳感路由器體系結(jié)構(gòu)(見圖1)自下而上由通信域、計(jì)算域和應(yīng)用域組成，其中計(jì)算域采用了簡(jiǎn)化的IPv6微型協(xié)議棧和自主研發(fā)的微型傳感路由協(xié)議(MSRP)[10]。
(1)通信域
通信域包含載波監(jiān)聽以及數(shù)據(jù)收發(fā)功能，并支持包含IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)在內(nèi)的多種物理層接口，實(shí)現(xiàn)設(shè)備間數(shù)據(jù)幀的傳輸。
(2)計(jì)算域
計(jì)算域包含路由轉(zhuǎn)發(fā)模塊，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)層的基本功能，包括IPv6微型協(xié)議棧MSRLab6及IPv6 MSRP。在節(jié)省無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)資源的同時(shí)提供應(yīng)用層數(shù)據(jù)的IPv6封裝和解析，實(shí)現(xiàn)與現(xiàn)有TCP/IPv6協(xié)議體系的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信;適用于IPv6傳感器網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的路由協(xié)議MSRP，用于IPv6傳感器網(wǎng)絡(luò)內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸時(shí)建立和維護(hù)路由[11]。
(3)應(yīng)用域
應(yīng)用域包括應(yīng)用模塊、傳感模塊、管理模塊等。采用基于接口的獨(dú)特設(shè)計(jì)，用于應(yīng)用層與IPv6微型協(xié)議棧通信，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的各種應(yīng)用功能。
MSRLab6微型傳感路由器結(jié)構(gòu)基于IPv6數(shù)據(jù)傳輸與互聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)兼容，無需復(fù)雜的協(xié)議轉(zhuǎn)換設(shè)備;而路由機(jī)制與數(shù)據(jù)傳輸分離，具有傳感器網(wǎng)絡(luò)自身應(yīng)用的特點(diǎn)能夠保證路徑最優(yōu)，并減少選路的能耗和計(jì)算復(fù)雜度。2005年12月由北京交通大學(xué)下一代互聯(lián)網(wǎng)研究中心研制的中國(guó)首臺(tái)具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新一代傳感器網(wǎng)絡(luò)核心設(shè)備——BJTU IPv6微型傳感路由器，并通過了中國(guó)教育部組織的科技成果鑒定，通過該設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)下一代互聯(lián)網(wǎng)中“人與物”、“物與物”之間隨時(shí)隨地的通信，具有體積小、成本低、功耗低、組網(wǎng)簡(jiǎn)單方便等特點(diǎn)，這項(xiàng)成果解決了傳感器網(wǎng)絡(luò)的一系列關(guān)鍵技術(shù)問題，部分技術(shù)達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。由此，IPv6微型協(xié)議棧的傳感路由器可以采用IPv6全球合法地址進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)了真正端到端通信，實(shí)現(xiàn)了傳感器網(wǎng)絡(luò)與Internet的無縫融合，使部署“無所不在”的傳感器網(wǎng)絡(luò)成為可能。
2 IPv6無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與Internet的互聯(lián)
將IPv6技術(shù)引入無線傳感網(wǎng)絡(luò)可以方便實(shí)現(xiàn)與現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)設(shè)備端對(duì)端的通信，提高了轉(zhuǎn)發(fā)效率，增強(qiáng)了安全性。根據(jù)不同的應(yīng)用需求，IPv6無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)互通主要有兩種:直接接入方式、網(wǎng)關(guān)接入方式。
(1)直接接入方式
當(dāng)IPv6無線傳感器網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部有移動(dòng)設(shè)備進(jìn)入，需要獲取傳感器節(jié)點(diǎn)采集的相應(yīng)數(shù)據(jù)信息時(shí)，如果按照常規(guī)方法即通過網(wǎng)關(guān)接入Internet網(wǎng)絡(luò)再經(jīng)Internet網(wǎng)絡(luò)與移動(dòng)設(shè)備進(jìn)行互聯(lián)的方式通信，顯然是不夠靈活的。而且網(wǎng)關(guān)接入方式在傳輸數(shù)據(jù)時(shí)中間節(jié)點(diǎn)的能量損耗會(huì)進(jìn)一步加劇，整個(gè)互聯(lián)過程中會(huì)造成較大的通信負(fù)擔(dān)。因此可以采用移動(dòng)終端直接與區(qū)域內(nèi)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通信的方式進(jìn)行互聯(lián)，這樣便簡(jiǎn)化了網(wǎng)絡(luò)接入的模型。這種方式下，IPv6無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)備可以不需要特殊的中間節(jié)點(diǎn)或者網(wǎng)關(guān)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，直接接入現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)，成為網(wǎng)絡(luò)終端，實(shí)現(xiàn)與現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的無縫融合。Pv6無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)互通的直接接入方式如圖2所示。
轉(zhuǎn)貼于
當(dāng)移動(dòng)終端進(jìn)入無線傳感器網(wǎng)絡(luò)內(nèi)采用直接互連方式與傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信時(shí)，移動(dòng)終端可根據(jù)IPv6協(xié)議首先進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)地址的自動(dòng)配置。由于移動(dòng)終端和傳感器節(jié)點(diǎn)均配置了IPv6協(xié)議，因此兩者可使用鏈路本地地址根據(jù)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議進(jìn)行直接、便捷的通信。在環(huán)境監(jiān)測(cè)的應(yīng)用環(huán)境中，管理者可以手持移動(dòng)終端進(jìn)入傳感器網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部，通過與節(jié)點(diǎn)的直接互聯(lián)獲得感興趣的數(shù)據(jù)。在這種情況下，傳感器節(jié)點(diǎn)通常位于視距范圍內(nèi)，與移動(dòng)設(shè)備僅一跳之隔。移動(dòng)終端通過發(fā)送數(shù)據(jù)請(qǐng)求建立通信，這樣大大降低了網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的復(fù)雜程度，減少了在數(shù)據(jù)獲取過程中造成的能量損耗，延長(zhǎng)了節(jié)點(diǎn)的使用壽命。
(2)網(wǎng)關(guān)接入方式
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)備低成本、低功耗、低復(fù)雜性的要求以及接入網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的多樣性，決定了每個(gè)IPv6無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)備都直接接入現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)是不切實(shí)際的。通常，設(shè)備的程序存儲(chǔ)區(qū)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)都非常有限，無法配置完備的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧和大規(guī)模路由協(xié)議，因此，采用一種硬件資源相對(duì)豐富的網(wǎng)絡(luò)連接設(shè)備(網(wǎng)關(guān))完成IPv6無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與Internet的互聯(lián)互通。
Pv6無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)互通的網(wǎng)關(guān)接入方式如圖3所示，IPv6無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)備部署精簡(jiǎn)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧，將采集的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議匯聚到網(wǎng)際連接設(shè)備(網(wǎng)關(guān))，網(wǎng)際連接設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)處理，接入各種承載網(wǎng)絡(luò)將信息發(fā)送到服務(wù)器;承載網(wǎng)可以是WiFi、以太網(wǎng)、GSM等，網(wǎng)關(guān)只需配置相應(yīng)的接入模塊即可。服務(wù)器端對(duì)監(jiān)測(cè)信息進(jìn)行處理和分析，并存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫中。用戶終端通過現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議訪問服務(wù)器，獲取IPv6無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的訪問、控制以及有效的管理。
采用網(wǎng)際連接設(shè)備完成IPv6無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)互通，減少了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的復(fù)雜性，無需為每一個(gè)設(shè)備部署承載網(wǎng)絡(luò)的接入設(shè)備(以太網(wǎng)口、AP設(shè)備等)，降低了應(yīng)用成本。另外，網(wǎng)際連接設(shè)備(網(wǎng)關(guān))只負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)，不做網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層協(xié)議的處理，與ZigBee[12]、藍(lán)牙等網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)設(shè)備相比，增加了轉(zhuǎn)換效率，又沒有破壞端對(duì)端的控制，保證了數(shù)據(jù)的透明傳輸以及安全性。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的不同，必須采用不同的承載網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)際連接設(shè)備可以擴(kuò)展不同的協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊，接入各種承載網(wǎng)絡(luò)，具有更強(qiáng)的靈活性。
3 IPv6無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用
IPv6無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)、安全監(jiān)測(cè)、環(huán)境保護(hù)、智能建筑、醫(yī)療監(jiān)護(hù)等諸多方面具有廣闊的應(yīng)用前景[13]。北京交通大學(xué)下一代互聯(lián)網(wǎng)研究中心無線傳感器網(wǎng)絡(luò)組，利用IPv6無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用系統(tǒng)成功實(shí)現(xiàn)了在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用，在溫室部署大量的不同類型的傳感器節(jié)點(diǎn)，達(dá)到監(jiān)測(cè)控制溫室的目的。
在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了以下主要功能:
(1)環(huán)境監(jiān)測(cè)功能
各個(gè)溫室內(nèi)部署有溫度、濕度、CO2濃度、土壤濕度、光強(qiáng)傳感器監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫室內(nèi)環(huán)境的監(jiān)測(cè)，用戶遠(yuǎn)程獲知溫室內(nèi)環(huán)境信息并做出相應(yīng)控制措施，當(dāng)某個(gè)參數(shù)超過該設(shè)定值時(shí)，發(fā)出警報(bào)通知用戶。
(2)溫室內(nèi)設(shè)備控制功能
用戶獲知溫室內(nèi)的環(huán)境參數(shù)后，可以根據(jù)各種植物要求的環(huán)境信息來遠(yuǎn)程控制溫室內(nèi)的設(shè)備，滿足植物生長(zhǎng)的環(huán)境。
IPv6無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用如圖4所示。該應(yīng)用系統(tǒng)部署在3個(gè)溫室內(nèi)，根據(jù)用戶需要測(cè)試的位置點(diǎn)已經(jīng)固定，每個(gè)溫室中部署16個(gè)不同應(yīng)用類型的傳感器節(jié)點(diǎn)，包括2個(gè)土壤濕度、2個(gè)CO2濃度、4個(gè)空氣溫度、4個(gè)空氣濕度、3個(gè)室內(nèi)光強(qiáng)、1個(gè)室外光強(qiáng)傳感器節(jié)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)農(nóng)作物的生長(zhǎng)環(huán)境，采集節(jié)點(diǎn)可以直接傳輸數(shù)據(jù)到網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，承載網(wǎng)是CDMA網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)與Internet的互聯(lián)。另外在在室外也布置一個(gè)光強(qiáng)節(jié)點(diǎn)，通過比較室內(nèi)外光的強(qiáng)度，從而決定是否放下或提起遮擋簾。
從實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)的結(jié)果看來，IPv6無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)滿足精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的監(jiān)測(cè)控制等各項(xiàng)要求，各采集節(jié)點(diǎn)動(dòng)態(tài)的選擇最優(yōu)路由傳輸采集到的信息，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的功能，由于每個(gè)節(jié)點(diǎn)具有IPv6地址，管理員可以方便地根據(jù)地址來控制該節(jié)點(diǎn)。另外，可以看出該應(yīng)用系統(tǒng)靈活且可擴(kuò)展，若改變節(jié)點(diǎn)傳感器的類型或系統(tǒng)應(yīng)用軟件，則可以應(yīng)用到無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的其他應(yīng)用領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)不同的應(yīng)用要求。
4 結(jié)束語
IPv6無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是當(dāng)前通信領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)，是信息感知和采集的一場(chǎng)革命，具有廣闊的應(yīng)用前景。IPv6無線傳感器網(wǎng)絡(luò)將IPv6技術(shù)與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行融合具有重要意義，值得深入研究。
5 參考文獻(xiàn)
關(guān)鍵詞：網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用； IPv6技術(shù)； 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)
1 IPv6無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧
在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中引入IP技術(shù)有著重要意義：
（1）經(jīng)濟(jì)價(jià)值方面：可以利用現(xiàn)有成熟的IP技術(shù)和已有的網(wǎng)絡(luò)設(shè)施實(shí)現(xiàn)IP-Based的應(yīng)用，不需要額外的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，大大減少應(yīng)用成本。
（2）知識(shí)產(chǎn)權(quán)方面：IP網(wǎng)絡(luò)普遍性使得IP組網(wǎng)技術(shù)相對(duì)其他專用或新型組網(wǎng)技術(shù)更容易被人們接受。
（3）互聯(lián)互通方面：IP-Based無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采用與Internet相同的IP技術(shù)，可以更容易地實(shí)現(xiàn)其與現(xiàn)有外部網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)互通。
（4）應(yīng)用方面：在安全監(jiān)測(cè)應(yīng)用領(lǐng)域，IP-Based無線傳感器網(wǎng)絡(luò)更具有抗毀魯棒性，可以及時(shí)有效地監(jiān)測(cè)災(zāi)害的發(fā)生以減少災(zāi)害所造成的損失。因此在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中采用IP技術(shù)是未來研究的主要方向。
IETF于2004年11月正式成立了6LoWPAN工作組，著手制訂基于IPv6的低速無線個(gè)域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，旨在將IPv6引入以IEEE 802.15.4作為底層標(biāo)準(zhǔn)的無線個(gè)域網(wǎng)中。
IPv6傳感器網(wǎng)絡(luò)是IPv6技術(shù)與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的融合，具有兩者各自部分特征，同時(shí)也具有其獨(dú)特性。這種獨(dú)特性，決定了IPv6傳感器網(wǎng)絡(luò)不適合直接采用IPv6網(wǎng)絡(luò)或無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的傳統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)，主要體現(xiàn)在：（1）傳統(tǒng)的傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)不支持IPv6協(xié)議，無法實(shí)現(xiàn)與下一代互聯(lián)網(wǎng)的直接融合，不支持端到端通信，可擴(kuò)展性不高。（2）IPv6作為下一代互聯(lián)網(wǎng)的核心協(xié)議，充分考慮了網(wǎng)絡(luò)中的各種問題，已經(jīng)形成一套功能強(qiáng)大、魯棒性好的協(xié)議體系，無法應(yīng)用在存儲(chǔ)資源和處理資源受限的傳感器網(wǎng)絡(luò)中。因此，必須在充分考慮到此網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)和特殊性的前提下，重新構(gòu)建基于IPv6的傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)。
北京交通大學(xué)從2003年就開始緊密跟蹤和研究IPv6無線傳感器網(wǎng)絡(luò)方面的最新技術(shù)，并于2004年9月研發(fā)出一套適用于小型無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的嵌入式IPv6微型協(xié)議棧MSRLab6，該協(xié)議棧遵循6LoWPAN規(guī)范，同樣嚴(yán)格支持IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)。該協(xié)議棧去掉了不必要的組件及擴(kuò)展功能，使得IPv6、ICMPv6、ND、TCP、UDP等協(xié)議得到較大精簡(jiǎn)；直接面向硬件，設(shè)計(jì)獨(dú)立于操作系統(tǒng)的調(diào)度機(jī)制，為提高運(yùn)行效率，采用了最大容量限制的內(nèi)存分配方案；設(shè)計(jì)了基于事件和數(shù)據(jù)類型驅(qū)動(dòng)的應(yīng)用程序接口。
MSRLab6微型傳感路由器體系結(jié)構(gòu)自下而上由通信域、計(jì)算域和應(yīng)用域組成，其中計(jì)算域采用了簡(jiǎn)化的IPv6微型協(xié)議棧和自主研發(fā)的微型傳感路由協(xié)議（MSRP）。
（1）通信域
通信域包含載波監(jiān)聽以及數(shù)據(jù)收發(fā)功能，并支持包含IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)在內(nèi)的多種物理層接口，實(shí)現(xiàn)設(shè)備間數(shù)據(jù)幀的傳輸。
（2）計(jì)算域
計(jì)算域包含路由轉(zhuǎn)發(fā)模塊，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)層的基本功能，包括IPv6微型協(xié)議棧MSRLab6及IPv6 MSRP。在節(jié)省無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)資源的同時(shí)提供應(yīng)用層數(shù)據(jù)的IPv6封裝和解析，實(shí)現(xiàn)與現(xiàn)有TCP/IPv6協(xié)議體系的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信；適用于IPv6傳感器網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的路由協(xié)議MSRP，用于IPv6傳感器網(wǎng)絡(luò)內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸時(shí)建立和維護(hù)路由。
（3）應(yīng)用域
應(yīng)用域包括應(yīng)用模塊、傳感模塊、管理模塊等。采用基于接口的獨(dú)特設(shè)計(jì)，用于應(yīng)用層與IPv6微型協(xié)議棧通信，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的各種應(yīng)用功能。
MSRLab6微型傳感路由器結(jié)構(gòu)基于IPv6數(shù)據(jù)傳輸與互聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)兼容，無需復(fù)雜的協(xié)議轉(zhuǎn)換設(shè)備；而路由機(jī)制與數(shù)據(jù)傳輸分離，具有傳感器網(wǎng)絡(luò)自身應(yīng)用的特點(diǎn)能夠保證路徑最優(yōu)，并減少選路的能耗和計(jì)算復(fù)雜度。
2 IPv6無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與Internet的互聯(lián)
將IPv6技術(shù)引入無線傳感網(wǎng)絡(luò)可以方便實(shí)現(xiàn)與現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)設(shè)備端對(duì)端的通信，提高了轉(zhuǎn)發(fā)效率，增強(qiáng)了安全性。根據(jù)不同的應(yīng)用需求，IPv6無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)互通主要有兩種：直接接入方式、網(wǎng)關(guān)接入方式。
（1）直接接入方式
當(dāng)IPv6無線傳感器網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部有移動(dòng)設(shè)備進(jìn)入，需要獲取傳感器節(jié)點(diǎn)采集的相應(yīng)數(shù)據(jù)信息時(shí)，如果按照常規(guī)方法即通過網(wǎng)關(guān)接入Internet網(wǎng)絡(luò)再經(jīng)Internet網(wǎng)絡(luò)與移動(dòng)設(shè)備進(jìn)行互聯(lián)的方式通信，顯然是不夠靈活的。而且網(wǎng)關(guān)接入方式在傳輸數(shù)據(jù)時(shí)中間節(jié)點(diǎn)的能量損耗會(huì)進(jìn)一步加劇，整個(gè)互聯(lián)過程中會(huì)造成較大的通信負(fù)擔(dān)。因此可以采用移動(dòng)終端直接與區(qū)域內(nèi)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通信的方式進(jìn)行互聯(lián)，這樣便簡(jiǎn)化了網(wǎng)絡(luò)接入的模型，實(shí)現(xiàn)與現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的無縫融合。
當(dāng)移動(dòng)終端進(jìn)入無線傳感器網(wǎng)絡(luò)內(nèi)采用直接互連方式與傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信時(shí)，移動(dòng)終端可根據(jù)IPv6協(xié)議首先進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)地址的自動(dòng)配置。由于移動(dòng)終端和傳感器節(jié)點(diǎn)均配置了IPv6協(xié)議，因此兩者可使用鏈路本地地址根據(jù)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議進(jìn)行直接、便捷的通信。在環(huán)境監(jiān)測(cè)的應(yīng)用環(huán)境中，管理者可以手持移動(dòng)終端進(jìn)入傳感器網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部，通過與節(jié)點(diǎn)的直接互聯(lián)獲得感興趣的數(shù)據(jù)。在這種情況下，傳感器節(jié)點(diǎn)通常位于視距范圍內(nèi)，移動(dòng)終端通過發(fā)送數(shù)據(jù)請(qǐng)求建立通信，這樣大大降低了網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的復(fù)雜程度，減少了在數(shù)據(jù)獲取過程中造成的能量損耗，延長(zhǎng)了節(jié)點(diǎn)的使用壽命。
（2）網(wǎng)關(guān)接入方式
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)備低成本、低功耗、低復(fù)雜性的要求以及接入網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的多樣性，決定了每個(gè)IPv6無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)備都直接接入現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)是不切實(shí)際的。通常，設(shè)備的程序存儲(chǔ)區(qū)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)都非常有限，無法配置完備的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧和大規(guī)模路由協(xié)議，因此，采用一種硬件資源相對(duì)豐富的網(wǎng)絡(luò)連接設(shè)備（網(wǎng)關(guān)）完成IPv6無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與Internet的互聯(lián)互通。
3 IPv6無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用
IPv6無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)、安全監(jiān)測(cè)、環(huán)境保護(hù)、智能建筑、醫(yī)療監(jiān)護(hù)等諸多方面具有廣闊的應(yīng)用前景。北京交通大學(xué)下一代互聯(lián)網(wǎng)研究中心無線傳感器網(wǎng)絡(luò)組，利用IPv6無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用系統(tǒng)成功實(shí)現(xiàn)了在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用，在溫室部署大量的不同類型的傳感器節(jié)點(diǎn)，達(dá)到監(jiān)測(cè)控制溫室的目的。
在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了以下主要功能：
（1）環(huán)境監(jiān)測(cè)功能
在溫室內(nèi)部署溫度、濕度、CO2濃度、土壤濕度、光強(qiáng)傳感器監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫室內(nèi)環(huán)境的監(jiān)測(cè)，用戶遠(yuǎn)程獲知溫室內(nèi)環(huán)境信息并做出相應(yīng)控制措施，當(dāng)某個(gè)參數(shù)超過該設(shè)定值時(shí)，發(fā)出警報(bào)通知用戶。
（2）溫室內(nèi)設(shè)備控制功能
用戶獲知溫室內(nèi)的環(huán)境參數(shù)后，可以根據(jù)各種植物要求的環(huán)境信息來遠(yuǎn)程控制溫室內(nèi)的設(shè)備，滿足植物生長(zhǎng)的環(huán)境。
IPv6無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用系統(tǒng)部署在3個(gè)溫室內(nèi)，每個(gè)溫室中部署16個(gè)不同應(yīng)用類型的傳感器節(jié)點(diǎn)，包括2個(gè)土壤濕度、2個(gè)CO2濃度、4個(gè)空氣溫度、4個(gè)空氣濕度、3個(gè)室內(nèi)光強(qiáng)、1個(gè)室外光強(qiáng)傳感器節(jié)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)農(nóng)作物的生長(zhǎng)環(huán)境，采集節(jié)點(diǎn)可以直接傳輸數(shù)據(jù)到網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，承載網(wǎng)是CDMA網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)與Internet的互聯(lián)。另外在在室外也布置一個(gè)光強(qiáng)節(jié)點(diǎn)，通過比較室內(nèi)外光的強(qiáng)度，從而決定是否放下或提起遮擋簾。
4 結(jié)束語
IPv6無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是當(dāng)前通信領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)，是信息感知和采集的一場(chǎng)革命，具有廣闊的應(yīng)用前景。IPv6無線傳感器網(wǎng)絡(luò)將IPv6技術(shù)與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行融合具有重要意義，值得深入研究。■
參考文獻(xiàn)
【關(guān)鍵字】 無線傳感器 網(wǎng)絡(luò) 節(jié)能
一、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)及其節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的基本認(rèn)知
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由大量傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，在其網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，采取人工或飛行器埋設(shè)方式，按照實(shí)際需求將傳感器節(jié)點(diǎn)布置于監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)，采取自組織形式進(jìn)行節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建。節(jié)點(diǎn)在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中承擔(dān)著信息采集與傳輸任務(wù)，同時(shí)承擔(dān)著路由角色，節(jié)點(diǎn)作業(yè)所采取的數(shù)據(jù)信息則通過多條路由傳輸給匯聚節(jié)點(diǎn)。
匯聚節(jié)點(diǎn)屬于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)特殊節(jié)點(diǎn)，其具備較強(qiáng)的信號(hào)發(fā)射能力，能夠通過移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)通信、Internet或衛(wèi)星等，將監(jiān)測(cè)區(qū)域范圍內(nèi)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸給管理中心，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)收集與處理任務(wù)。
傳感器節(jié)點(diǎn)屬于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)部分，其節(jié)點(diǎn)以電池為能源，一旦電池消耗殆盡，則節(jié)點(diǎn)無法進(jìn)行信息采集工作。
為確保網(wǎng)絡(luò)傳感器節(jié)點(diǎn)運(yùn)行長(zhǎng)期穩(wěn)定，則需要采取節(jié)能策略以提高節(jié)點(diǎn)工作壽命。典型傳感器節(jié)點(diǎn)主要包括四個(gè)部分，分別為感知子系統(tǒng)、處理子系統(tǒng)、通信子系統(tǒng)及功能單元系統(tǒng)。
傳感器節(jié)點(diǎn)在工作中其耗能存在著一定差異性，如通信子系統(tǒng)較之處理子系統(tǒng)能耗更多，通信子系統(tǒng)進(jìn)行一個(gè)比特?cái)?shù)據(jù)的傳輸則相當(dāng)于處理子系統(tǒng)完成數(shù)千個(gè)指令處理所消耗能量。
在睡眠狀態(tài)下，通信子系統(tǒng)能耗水平較低。一般情況下感知子系統(tǒng)具備較低能耗，但如感知器精度要求較高，則其能耗水平增加。為確保無線傳感器網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行質(zhì)量，提出基于工作周期、基于移動(dòng)性與基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的三種節(jié)能策略。
二、基于工作周期的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)能策略
在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)狀態(tài)分為睡眠與活動(dòng)兩種，其中活動(dòng)狀態(tài)即屬于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的工作周期，建立于工作周期基礎(chǔ)之上的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)能策略，主要以降低通信子系統(tǒng)能耗為目的，其節(jié)能策略分為能量控制策略與拓?fù)淇刂撇呗浴?/p>
2.1能量控制策略
依據(jù)網(wǎng)絡(luò)流量運(yùn)行狀況，進(jìn)行通信子系統(tǒng)周期性睡醒狀態(tài)切換，是實(shí)現(xiàn)能量控制策略的基本思路。能量控制策略，進(jìn)行通信子系統(tǒng)喚醒，其主要包括三種方式，分別為依據(jù)要求的睡醒協(xié)議喚醒、異步喚醒協(xié)議與依據(jù)約定的睡醒協(xié)議。
2.1.1依據(jù)要求的睡醒協(xié)議
其中依據(jù)要求的睡醒協(xié)議，要求通訊節(jié)點(diǎn)只有在執(zhí)行通信活動(dòng)時(shí)方保持工作狀態(tài)，其他時(shí)間則進(jìn)入睡眠狀態(tài)。為有效解決睡眠可節(jié)點(diǎn)喚醒并保持與其節(jié)點(diǎn)通信，可以采取喚醒無線電形式來實(shí)現(xiàn)。
喚醒無線電多采取低能量與低速率無線電，進(jìn)行喚醒指令的有效傳達(dá)。當(dāng)無線電喚醒節(jié)點(diǎn)后，節(jié)點(diǎn)進(jìn)入工作狀態(tài)并保持通信，打開高能量與高速率無線電，執(zhí)行數(shù)據(jù)傳輸工作，當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束后，節(jié)點(diǎn)重新進(jìn)入到睡眠狀態(tài)。這種節(jié)能策略在低工作周期環(huán)境中較為適用，如火災(zāi)探測(cè)與信息傳輸?shù)阮I(lǐng)域，具備代表性意義的協(xié)議包括STEM-B、PTW、STEM-T等。
以STEM-B協(xié)議為例，對(duì)其喚醒工作方式進(jìn)行探究。在源節(jié)點(diǎn)與附近目的節(jié)點(diǎn)需要進(jìn)行通信時(shí)，采取喚醒無線電方式進(jìn)行周期性喚醒信號(hào)發(fā)送，當(dāng)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)接收到喚醒信號(hào)后，則會(huì)與系統(tǒng)進(jìn)行喚醒確認(rèn)，確認(rèn)后打開數(shù)據(jù)無線電。如在喚醒操作過程中，喚醒信道出現(xiàn)沖突，任何感知到喚醒信號(hào)的節(jié)點(diǎn)則都將其無線電打開，不進(jìn)行喚醒信號(hào)確認(rèn)；如系統(tǒng)沒有接收到喚醒確認(rèn)，源節(jié)點(diǎn)將在設(shè)置發(fā)送次數(shù)最高值以內(nèi)持續(xù)發(fā)送喚醒信號(hào)。
2.1.2異步喚醒協(xié)議
異步喚醒協(xié)議實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)為：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)每個(gè)節(jié)點(diǎn)，均設(shè)置有相應(yīng)的睡醒調(diào)度函數(shù)，從而進(jìn)行睡醒時(shí)間表產(chǎn)生。不需要進(jìn)行時(shí)鐘考慮，相鄰節(jié)點(diǎn)如需進(jìn)行相應(yīng)通信，只需要進(jìn)行重疊喚醒時(shí)間表即可實(shí)現(xiàn)。其協(xié)議以異步算法設(shè)計(jì)為核心，異步算法則確保節(jié)點(diǎn)通信需求的基礎(chǔ)上，將節(jié)點(diǎn)活動(dòng)時(shí)間進(jìn)行最小化處理，并確保節(jié)點(diǎn)滿足網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼芭鲎驳忍厥馇闆r，如RAW協(xié)議。
RAW協(xié)議，以睡眠調(diào)度函數(shù)為依托，對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行周期性喚醒，節(jié)點(diǎn)喚醒后進(jìn)入工作狀態(tài)，在一定時(shí)間后重新進(jìn)入睡眠。當(dāng)節(jié)點(diǎn)被成功喚醒后，以鄰居發(fā)現(xiàn)機(jī)制進(jìn)行活動(dòng)鄰居尋找，如S節(jié)點(diǎn)需要向D節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)包發(fā)送作業(yè)，S節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)集中存在著m個(gè)鄰居可以進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，其中存在與節(jié)點(diǎn)S一起被喚醒的概率，用公式表達(dá)則為：
通過公式可以看出，當(dāng)m值越大時(shí)，P概率值越大，其在高密度感知網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用較為廣泛。
2.1.3依據(jù)約定的睡醒協(xié)議
依據(jù)約定的睡醒協(xié)議，其是將鄰居節(jié)點(diǎn)進(jìn)行同一時(shí)間設(shè)定被進(jìn)行喚醒，其時(shí)間設(shè)定同步，當(dāng)節(jié)點(diǎn)喚醒后進(jìn)行通信作業(yè)。采取這種協(xié)議方式，可實(shí)現(xiàn)鄰居廣播信息傳遞，較為典型的協(xié)議包括DMAC、SMAC、TMAC協(xié)議等。
2.2拓?fù)淇刂撇呗?/p>
應(yīng)用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)冗余，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)壽命延長(zhǎng)是拓?fù)淇刂撇呗缘幕舅悸?。在其?jié)能策略中，要求選擇節(jié)點(diǎn)的一個(gè)子集，確保該子集通路正常并處于工作狀態(tài)，其他節(jié)點(diǎn)則保持睡眠狀態(tài)。
以GAF協(xié)議為例，將區(qū)域內(nèi)節(jié)點(diǎn)感知區(qū)域劃分為一定虛擬式方格，其節(jié)點(diǎn)路由等效，同一時(shí)間保持一個(gè)路由即可。GAF協(xié)議則對(duì)節(jié)點(diǎn)頭進(jìn)行周期性選擇，并讓其承擔(dān)一定的路由任務(wù)。剩余能量愈多節(jié)點(diǎn)，其被設(shè)定為節(jié)點(diǎn)頭的可能性越高，從而確保整個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)生命周期與節(jié)點(diǎn)密度保持一致。
三、基于移動(dòng)性的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)能策略
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)依據(jù)移動(dòng)物體特性，構(gòu)建移動(dòng)性節(jié)能策略，其策略包括移動(dòng)MS策略與移動(dòng)中繼MR策略兩種形式。建立于移動(dòng)性的無線傳感器節(jié)能策略，讓普通節(jié)點(diǎn)采取一跳或若干跳的方式，將數(shù)據(jù)傳輸給移動(dòng)relay或移動(dòng)sink，實(shí)現(xiàn)了靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)多跳數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐黄?，從而在很大程度上降低了轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)與連接錯(cuò)誤，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)節(jié)能操作。
3.1 MS策略
MS移動(dòng)性節(jié)能策略在無線傳感器中的應(yīng)用結(jié)構(gòu)圖如下所示：
圖1 應(yīng)用MS策略的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖
由圖1可見，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)劃分普通節(jié)點(diǎn)層與MS層，普通節(jié)點(diǎn)層進(jìn)行數(shù)據(jù)感知，MS層執(zhí)行數(shù)據(jù)收集。應(yīng)用該策略時(shí)，要求在其區(qū)域內(nèi)設(shè)定候選地點(diǎn)并選擇出哨兵節(jié)點(diǎn)，通過哨兵節(jié)點(diǎn)進(jìn)行附近節(jié)點(diǎn)能量信息的捕獲，在接收到MS詢問信號(hào)后將捕獲信息傳輸給MS，依據(jù)剩余能量信息MS選擇節(jié)點(diǎn)能量較多地點(diǎn)作下一次移動(dòng)目的地。MS策略在應(yīng)用中其目的地停留時(shí)間經(jīng)過精確計(jì)算，在平衡能量消耗的同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)壽命最大化。
3.2 MR策略
在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用MR策略，其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖如圖2。
該策略下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分三層，分別為普通節(jié)點(diǎn)層，執(zhí)行數(shù)據(jù)感知作業(yè)，第二層為MR層，承擔(dān)著數(shù)據(jù)收集與數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)工作，將獲取數(shù)據(jù)傳輸給AP，第三層屬AP層，承擔(dān)MR數(shù)據(jù)接收工作，并將所收集的數(shù)據(jù)信息與sink節(jié)點(diǎn)進(jìn)行同步。
圖2 應(yīng)用MR策略的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖
四、基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的無線傳感器節(jié)能策略
基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的無線傳感器節(jié)能策略主要包括數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)及高效能數(shù)據(jù)采集兩個(gè)模塊，其在降低感知子系統(tǒng)能耗方面應(yīng)用廣泛。
4.1數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)
通過數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)，可以將源節(jié)點(diǎn)發(fā)送給sink節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)量進(jìn)行有效降低，從而在很大程度上降低通信子系統(tǒng)能耗。在低階AR基礎(chǔ)上進(jìn)行PAQ數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)模型構(gòu)建。在布置傳感器初期，感知節(jié)點(diǎn)執(zhí)行數(shù)據(jù)采樣，并將其采樣值進(jìn)行隊(duì)列存儲(chǔ)，當(dāng)隊(duì)列存儲(chǔ)滿之后，感知節(jié)點(diǎn)以時(shí)間序列進(jìn)行PAQ模型計(jì)算，并將該模型向sink節(jié)點(diǎn)發(fā)送。感知節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)采集與模型預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)執(zhí)行對(duì)比，如預(yù)測(cè)值符合標(biāo)準(zhǔn)要求則認(rèn)定模型有效，如預(yù)測(cè)值偏差較大，則應(yīng)更換模型。采取這種工作方式，只要求感知節(jié)點(diǎn)向sink節(jié)點(diǎn)傳遞PAQ模型，無需進(jìn)行采樣值傳輸，從而實(shí)現(xiàn)了無線傳感器節(jié)能。
4.2高效能數(shù)據(jù)采集策略
提高數(shù)據(jù)采集效率，能夠有效降低采樣數(shù)量并降低感知子系統(tǒng)能源消耗。較為典型的高能效數(shù)據(jù)采集策略如Backcasting，其策略應(yīng)用空間聯(lián)系進(jìn)行采樣數(shù)量控制。其策略要求在節(jié)點(diǎn)間采樣值差異偏大的區(qū)域范圍內(nèi)，將更多節(jié)點(diǎn)激活并進(jìn)行感知。因一定區(qū)域內(nèi)開始節(jié)點(diǎn)處于睡眠狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)激活需經(jīng)過以下操作：第一，進(jìn)行部分節(jié)點(diǎn)激活，并將部分節(jié)點(diǎn)作為初始化節(jié)點(diǎn)子集，通過部分節(jié)點(diǎn)進(jìn)行環(huán)境感知并劃定子區(qū)域，子區(qū)域節(jié)點(diǎn)自組織成簇，由簇頭進(jìn)行節(jié)點(diǎn)激活評(píng)估并將評(píng)估結(jié)果發(fā)送給sink節(jié)點(diǎn)；第二，當(dāng)區(qū)域內(nèi)空間聯(lián)系降低時(shí)，sink節(jié)點(diǎn)發(fā)送激活信號(hào)給簇頭，按照信號(hào)要求簇頭將區(qū)域內(nèi)相應(yīng)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行激活。
五、結(jié)語
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在搶險(xiǎn)救災(zāi)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、目標(biāo)跟蹤及工業(yè)控制等領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛，其是由大量微型傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，節(jié)點(diǎn)以電池為基礎(chǔ)能耗，一旦能耗殆盡則無法實(shí)現(xiàn)其相應(yīng)功能。為此，進(jìn)行無線傳感器節(jié)能策略研究則具備著重要的現(xiàn)實(shí)意義。在分析無線傳感器網(wǎng)絡(luò)及其節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的基礎(chǔ)上，提出基于工作周期、基于移動(dòng)性與基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的三種節(jié)能策略，并對(duì)其策略工作模式及工作協(xié)議進(jìn)行探究。實(shí)踐證明，采取綜合的節(jié)能策略，能夠有效提高無線傳感器網(wǎng)絡(luò)生命周期，實(shí)現(xiàn)更好的現(xiàn)實(shí)效益。
參 考 文 獻(xiàn)
[1]姚蘭，曾鋒.基于最大覆蓋集的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)能策略研究[J].計(jì)算機(jī)工程與科學(xué)，2013，35（4）：47-52.
[2]掌明，王經(jīng)卓，董自健等.基于分簇的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC節(jié)能算法[J].計(jì)算機(jī)工程，2012，38（15）：70-73.
[3]廖翊丞.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)能數(shù)據(jù)收集技術(shù)研究[D].廣西大學(xué)，2014.
[4]王莘.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)能策略分析[J].電子測(cè)試，2013，（14）：45-46.
[5]趙斌潔，陳光喜.一種基于移動(dòng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)采集協(xié)議[J].桂林電子科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，32（4）：316-319.
[6]王越，萬洪.一種節(jié)能的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)多跳自適應(yīng)時(shí)間同步算法[J].傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2013，（11）：1557-1563.
關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；安全技術(shù)；技術(shù)應(yīng)用
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的民用化進(jìn)程近些年來顯著加快，其應(yīng)用安全問題也越來越為人們所關(guān)注。但從現(xiàn)狀來看，相關(guān)安全技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用并不理想，以目前對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用較多的醫(yī)療領(lǐng)域?yàn)槔?，網(wǎng)絡(luò)滯澀現(xiàn)象非常嚴(yán)重，物理損壞率很高，實(shí)際運(yùn)作的可用網(wǎng)絡(luò)空間與節(jié)點(diǎn)往往不足50%，安全問題導(dǎo)致了應(yīng)用能效的極大下降。因此文章將針對(duì)這種特殊網(wǎng)絡(luò)的常見安全技術(shù)問題加以分析并探析其安全技術(shù)的發(fā)展方向。
1無線傳感器網(wǎng)絡(luò)概述
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種以大量的外部傳感器作為末梢的分布傳感網(wǎng)絡(luò)，這些傳感器可以以無線的方式進(jìn)行外部通信。由于網(wǎng)絡(luò)靈活性非常高，而且三次元涵蓋面極廣，所以被認(rèn)為在軍事上有很大的發(fā)展?jié)摿?，近些年來更進(jìn)一步進(jìn)行了大量的民用應(yīng)用研究。但民間的技術(shù)力畢竟與軍方有一定的差距，所以無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在民用領(lǐng)域的應(yīng)用推廣面臨了一系列的困難，安全技術(shù)問題正是其中一例。
2無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在安全上的技術(shù)問題
2.1安全機(jī)制缺失問題
雖然無線傳感器網(wǎng)絡(luò)近些年的民用發(fā)展很快，但從總體水平來看仍遠(yuǎn)不及普通網(wǎng)絡(luò)，在諸多方面都存在著一定的局限性，比如后文將要說明的節(jié)點(diǎn)能量、通信穩(wěn)定性等。在這種情況下，很難系統(tǒng)性地構(gòu)建完整的安全防護(hù)機(jī)制，因此目前的安全措施大多是分散的、階段性的，只針對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的個(gè)別節(jié)點(diǎn)，所以不僅漏洞很多，而且有效性也難以保障，安全隱患擴(kuò)散的幾率相當(dāng)高。
2.2節(jié)點(diǎn)能量限制問題
無線傳感器的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通常具有小型化、廣域化特征，所以一旦部署完畢，不僅難以更換，而且充電也很困難?？闪硪环矫?，無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中有相當(dāng)一部分屬于高能耗設(shè)備，對(duì)能量的需求量非常大，這樣一來容量小、充電困難的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)很難滿足長(zhǎng)效的能量需求。這種能量限制不僅會(huì)阻礙無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通訊功能的進(jìn)一步發(fā)展，而且會(huì)對(duì)安全技術(shù)的應(yīng)用造成一定的負(fù)面影響。因?yàn)槟壳俺Ｓ玫陌踩惴ㄖ?，有相?dāng)一部分會(huì)消耗大量的能量，在節(jié)點(diǎn)能量的限制下，這些安全算法無法使用，需要研究新的節(jié)能型安全算法。
2.3節(jié)點(diǎn)組織隨機(jī)問題
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)成基礎(chǔ)是大量成規(guī)模的傳感器，這些傳感器的布置往往存在很強(qiáng)的自發(fā)性，而不是根據(jù)系統(tǒng)化、規(guī)范化的章程制度加以布置，在這種情況下，節(jié)點(diǎn)組織在布置上的隨機(jī)性無法避免。這種隨機(jī)性令安全技術(shù)在應(yīng)用上面臨很大的困難，因?yàn)楣?jié)點(diǎn)位置隨機(jī)，所以無法進(jìn)行先期預(yù)知，先期安全防護(hù)自然無法實(shí)現(xiàn)，導(dǎo)致了節(jié)點(diǎn)安全防護(hù)的滯后性。
2.4節(jié)點(diǎn)物理安全問題
由于節(jié)點(diǎn)較小，所以在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中時(shí)常會(huì)產(chǎn)生被俘節(jié)點(diǎn)，這是一種物理安全問題。為了保證網(wǎng)絡(luò)整體的運(yùn)作效率，當(dāng)被俘節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生時(shí)，有必要迅速對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)和拆除，否則被俘節(jié)點(diǎn)造成的安全隱患有進(jìn)一步擴(kuò)大化的可能。但目前來看，我們?nèi)匀狈Φ谝粫r(shí)間發(fā)現(xiàn)和拆除被俘節(jié)點(diǎn)的有效手段，而且拆除被俘節(jié)點(diǎn)這個(gè)行為本身也有可能令安全隱患發(fā)生擴(kuò)散。
2.5通信穩(wěn)定低下問題
使用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)的通信屬于一種無線通信，所以本身就具有無線通信固有的諸多通信不穩(wěn)定特征，比如無線信道不穩(wěn)、節(jié)點(diǎn)并發(fā)沖突等。此外，這種特殊的網(wǎng)絡(luò)還具有自身獨(dú)有的一些通信穩(wěn)定性問題，例如，由于該類網(wǎng)絡(luò)中多條路由同時(shí)存在，所以延遲性很強(qiáng)，在傳輸信息時(shí)，個(gè)別信息被攔截或者泄漏的可能性很高，在這種情況下，網(wǎng)絡(luò)通信的安全性與穩(wěn)定性都受到很大的負(fù)面影響。
3無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在安全上的技術(shù)措施
3.1通過密碼技術(shù)保障網(wǎng)絡(luò)安全
在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的安全保障措施中，密碼技術(shù)是較為傳統(tǒng)也較為常規(guī)的一種。這種技術(shù)通過建立密鑰來構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)安全機(jī)制，通常情況下代碼和數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度越長(zhǎng)，防護(hù)等級(jí)越高，但這兩項(xiàng)參數(shù)的長(zhǎng)度增加會(huì)導(dǎo)致處理時(shí)間延長(zhǎng)、能耗增大，進(jìn)而令無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)作能效降低，所以在實(shí)際應(yīng)用時(shí)要注意網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)條件，平衡安全防護(hù)能力和實(shí)際應(yīng)用性。
3.2通過安全路由保障網(wǎng)絡(luò)安全
通常情況下，路由只追求效率和能耗兩大指標(biāo)，對(duì)安全防護(hù)方面的要求比較低，在普通網(wǎng)絡(luò)中，路由安全問題相對(duì)較少，但無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由于具有多路由延遲，所以路由安全風(fēng)險(xiǎn)非常高。為此，安全路由技術(shù)被作為一種網(wǎng)絡(luò)安全保障措施引入，具體來說，就是應(yīng)用多種安全路由協(xié)議對(duì)多路徑下的路由風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行防范或者危害限制。
3.3通過密鑰管理保障網(wǎng)絡(luò)安全
密鑰管理是另一種網(wǎng)絡(luò)安全保障技術(shù)，嚴(yán)格來說，這種安全技術(shù)是從屬于密碼技術(shù)的，是對(duì)密碼技術(shù)中所創(chuàng)立的密鑰采取的安全管理措施。需要注意的是，雖然普通網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)有了較為完善的密鑰管理技術(shù)，但是在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋰?yán)重不穩(wěn)定的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，這種傳統(tǒng)技術(shù)的應(yīng)用適性很低，所以目前使用的大多是針對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)特征開發(fā)的特殊密鑰管理技術(shù)，比如預(yù)共享密鑰模型等。
3.4通過入侵檢測(cè)保障網(wǎng)絡(luò)安全
以密碼技術(shù)為基礎(chǔ)構(gòu)建的安全防護(hù)機(jī)制有一定的缺陷，具體來說，雖然可以對(duì)外來節(jié)點(diǎn)入侵加以識(shí)別，但對(duì)被捕獲節(jié)點(diǎn)的入侵識(shí)別是做不到的。為此，相關(guān)人士研究了入侵監(jiān)測(cè)技術(shù)，嘗試通過SEF機(jī)制來識(shí)別網(wǎng)絡(luò)中的虛假數(shù)據(jù)，用鄰接節(jié)點(diǎn)評(píng)價(jià)機(jī)制來識(shí)別惡意節(jié)點(diǎn)。這兩種入侵檢測(cè)技術(shù)可以通過密碼以外的技術(shù)進(jìn)行被俘節(jié)點(diǎn)的檢測(cè)，但相對(duì)的需要消耗更多的能量，所以在應(yīng)用上仍待完善。
3.5通過數(shù)據(jù)融合保障網(wǎng)絡(luò)安全
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)大多是融合后使用的，但由于聚合數(shù)據(jù)中有可能存在虛假數(shù)據(jù)，所以最終融合值的安全性難以保障，在這種情況下我們需要安全融合措施。具體來說，一方面要借助上文所述的入侵檢測(cè)技術(shù)分析和識(shí)別惡意節(jié)點(diǎn)，另一方面要訂立安全評(píng)估用的數(shù)學(xué)框架，以對(duì)數(shù)據(jù)融合過程進(jìn)行安全評(píng)價(jià)，規(guī)避惡意數(shù)據(jù)的干擾。
關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；能量消耗；LEACH；網(wǎng)絡(luò)均衡
中圖法分類號(hào)：TP212 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2014）03-0043-02
0 引 言
近幾年來，隨著各種技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用的推進(jìn)，傳感器正在向微型化、網(wǎng)絡(luò)化、集成化和智能化方向快速發(fā)展。在實(shí)際的應(yīng)用中，由于微傳感器的成本低、覆蓋范圍較小，所以通常需要大量的微傳感器協(xié)同工作，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)運(yùn)而生。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有規(guī)模大、密度高、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋭?dòng)態(tài)變化、自組織等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測(cè)、智能家居、智能交通等領(lǐng)域。
1 無線傳感網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（wireless sensor network，WSN）通常由傳感器節(jié)點(diǎn)（sensor node）、匯聚節(jié)點(diǎn)（sink node）和管理節(jié)點(diǎn)組成，如圖1所示。大量傳感器節(jié)點(diǎn)隨機(jī)分布在待監(jiān)測(cè)區(qū)域，這些傳感器節(jié)點(diǎn)通過無線通信的方式自組織成網(wǎng)絡(luò)，并將感知到的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行一定的處理分析后傳遞給匯聚節(jié)點(diǎn)，然后通過衛(wèi)星、移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)及互聯(lián)網(wǎng)傳輸?shù)胶蠖说墓芾砉?jié)點(diǎn)。
圖1 無線傳感器的體系結(jié)構(gòu)
但是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)有一個(gè)致命的問題，就是續(xù)航。由于大量的微傳感器被拋撒在無人的監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)，所以沒有辦法給它更換電池或充電，當(dāng)能量被消耗完時(shí)，微傳感器將失效。但是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是以數(shù)據(jù)為中心的，用戶關(guān)心的是在整個(gè)監(jiān)測(cè)區(qū)域中監(jiān)測(cè)對(duì)象所感知的信息，希望能夠獲取不同監(jiān)測(cè)位置的信息，所以要盡可能地均衡能量消耗，使絕大部分傳感器能夠工作到整個(gè)無線傳感網(wǎng)絡(luò)集體失效的那一刻。所以如何最大化整個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)的生命周期，如何在保證完成工作的情況下節(jié)省能量消耗將成為研究的重中之重[1]。
2 LEACH層次路由
LEACH（low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy）是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中典型的低功耗自適應(yīng)的層次路由協(xié)議[2]。該協(xié)議假定所有的傳感器節(jié)點(diǎn)的地位都是平等的，每個(gè)節(jié)點(diǎn)具有的能量和各個(gè)方向的能耗都是相等的。以“輪”的方式隨機(jī)選擇簇頭節(jié)點(diǎn)，簇頭節(jié)點(diǎn)將獲取的非簇頭節(jié)點(diǎn)感知的信息傳遞給匯聚節(jié)點(diǎn)，將整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的能量消耗均衡地分?jǐn)偟骄W(wǎng)絡(luò)中的每一個(gè)傳感節(jié)點(diǎn)，從而均衡網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)的能量消耗，來達(dá)到提高網(wǎng)絡(luò)生存周期的目的。
LEACH路由算法在操作中采用“輪”的方法，每一輪由初始階段和穩(wěn)定階段組成。在每一輪的初始階段，每個(gè)傳感節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生一個(gè)0～1的隨機(jī)數(shù)，如果這個(gè)隨機(jī)數(shù)小于T（n），那么該節(jié)點(diǎn)就是簇頭[3]。T（n）的計(jì)算公式為：
（1）
其中，p為簇頭數(shù)占總傳感節(jié)點(diǎn)數(shù)的百分比，r是當(dāng)前的選舉輪數(shù)，G是最近1/p輪不是簇頭的節(jié)點(diǎn)集。
簇頭節(jié)點(diǎn)選舉成功后，向周圍的節(jié)點(diǎn)宣布自己是本輪的簇頭節(jié)點(diǎn)，非簇頭節(jié)點(diǎn)將根據(jù)接收到的信號(hào)強(qiáng)弱來決定加入到哪個(gè)簇，并通知要加入的簇頭節(jié)點(diǎn)。在穩(wěn)定階段，傳感器節(jié)點(diǎn)采集數(shù)據(jù)，傳遞給簇頭節(jié)點(diǎn)，簇頭節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合后傳給匯聚節(jié)點(diǎn)。圖2所示是LEACH層次路由算法示意圖。
圖2 LEACH層次路由算法
2.1 自動(dòng)退避的簇頭選舉機(jī)制
在該路由算法中，采用“輪”的方式隨機(jī)選舉簇頭，有效地均衡了傳感器節(jié)點(diǎn)的能量消耗，延長(zhǎng)了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的生存周期。但是在這樣一個(gè)過程中，對(duì)于能量比較有限的傳感節(jié)點(diǎn)而言，也是同樣要消耗能量的。傳感節(jié)點(diǎn)可以根據(jù)自己剩余能量與原有能量的對(duì)比結(jié)果，來決定自己是否參與簇頭的選舉。如果剩余能量比較多，那么可以參與簇頭的選舉，反之，則自動(dòng)退避簇頭的競(jìng)爭(zhēng)以免消耗過多的能量，保存實(shí)力完成基本的信息感知功能，更好地服務(wù)于整個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。
2.2 設(shè)定閥值的數(shù)據(jù)融合
數(shù)據(jù)融合技術(shù)是無線傳感網(wǎng)中的一項(xiàng)非常重要的技術(shù)。傳感器節(jié)點(diǎn)的能量比較有限，而且經(jīng)過大量的實(shí)踐證明，節(jié)點(diǎn)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的能量消耗要遠(yuǎn)大于計(jì)算和正常工作的能耗。為了有效地提高傳感節(jié)點(diǎn)的生存周期，采用設(shè)定閥值的方式。
傳感器節(jié)點(diǎn)采集到監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)后，根據(jù)節(jié)點(diǎn)中所設(shè)定的閥值和浮動(dòng)范圍值確定是否要將該數(shù)據(jù)上傳，如果監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)是在以閥值為中心的上下浮動(dòng)范圍內(nèi)時(shí)，不上傳數(shù)據(jù)；反之，如果超出了上下浮動(dòng)范圍，那么通過簇頭上傳該數(shù)據(jù)，修改管理中心數(shù)據(jù)庫里的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，同時(shí)將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)作為新的閥值繼續(xù)監(jiān)測(cè)。
由于分布于待檢測(cè)區(qū)域的傳感器，所感知的是周圍環(huán)境中的一些模擬信息，而模擬量有連續(xù)變化的特征?；谶@種實(shí)際情況，基于閥值的數(shù)據(jù)融合策略可以極大降低上傳的數(shù)據(jù)信息量，從而能夠節(jié)省自身的能量消耗。
2.3 基于能量的多路徑路由
在LEACH層次路由算法中，非簇頭節(jié)點(diǎn)根據(jù)信號(hào)的強(qiáng)弱來尋找自己合適的簇頭節(jié)點(diǎn)，通過自動(dòng)退避的簇頭選舉機(jī)制以及設(shè)定閥值的數(shù)據(jù)融合技術(shù)，可以大大降低非簇頭節(jié)點(diǎn)和簇頭節(jié)點(diǎn)的能量消耗，并且一定程度上均衡了能量消耗。但是待檢測(cè)區(qū)域中的多個(gè)簇頭節(jié)點(diǎn)與匯聚節(jié)點(diǎn)之間還是采用一跳的方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，這在一定程度上加劇了簇頭節(jié)點(diǎn)的能量消耗。在這里提出基于能量的多路徑路由算法，可以有效地提高多個(gè)簇頭源節(jié)點(diǎn)和目標(biāo)節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)傳輸效率，均衡能量消耗。圖3所示就是基于能量的多路徑路由。
圖3 基于能量的多路徑路由
能量感知是根據(jù)簇頭節(jié)點(diǎn)的可用能量以及傳輸鏈路上的能量狀況選擇合適的路徑。這樣在簇頭節(jié)點(diǎn)和匯聚節(jié)點(diǎn)間將建立多條可達(dá)路徑，在此基礎(chǔ)上，根據(jù)節(jié)點(diǎn)的能量情況給每條路徑相應(yīng)的選擇概率，在簇頭節(jié)點(diǎn)傳送融合后的數(shù)據(jù)時(shí)就根據(jù)概率隨機(jī)選擇一條路徑[4]。通過這樣一種方式，將待檢測(cè)區(qū)域中的多個(gè)簇頭節(jié)點(diǎn)的一跳數(shù)據(jù)傳送轉(zhuǎn)換為基于能量的多路徑路由，一方面由于距離的縮短減少了簇頭節(jié)點(diǎn)的能量損耗，另一方面綜合考慮多個(gè)簇頭節(jié)點(diǎn)的剩余能量狀況和能量消耗情況選擇合適的傳送路徑，從而有效節(jié)省了能量消耗，延長(zhǎng)了網(wǎng)絡(luò)生存周期。
4 結(jié) 語
本文采用自動(dòng)退避的簇頭選舉機(jī)制、設(shè)定閥值的數(shù)據(jù)融合技術(shù)以及基于能量的多路徑路由策略優(yōu)化了LEACH層次路由算法，不僅降低和均衡了傳感器節(jié)點(diǎn)和整個(gè)無線傳感網(wǎng)絡(luò)的能量消耗，而且優(yōu)化了從簇頭節(jié)點(diǎn)到匯聚節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪芰肯摹?/p>
參 考 文 獻(xiàn)
[1]趙靜，潘斌. 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能耗分析與策略研究[J].通信技術(shù)，2010，43（10）：87-88.
[2]楊明帥.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由算法研究[D].杭州：浙江大學(xué)，2005.
[3]胡彧，王靜.基于蟻群算法的LEACH協(xié)議研究[J].傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2011，24（5）：747-748.
[4]孫利民，李建中，陳渝，等. 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)[M]. 北京：清華大學(xué)出版社，2005.
[5]潘高峰，馮全源. 超寬帶無線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)中的能耗分析[J].高技術(shù)通訊，2011（6）： 569-574.
Discussion on energy consumption in wireless sensor network
SHANG Hong
（Wuxi South Ocean College， WuXi 24081， China）