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浅谈无线传感器网络
发布时间:2021-11-26 02:28:34 来源:kok体育竞猜

  的设想开端是由美国军方提出的,美国国防部高档研讨所方案署(DARPA)于1978年开端赞助卡耐基-梅隆大学进行散布式传感器网 络的研讨,这被当作是的雏形。从那以后,相似的项目在全美高校间广泛打开,闻名的有UC Berkeley的Smart Dust项目,UCLA的WINS项目,以及多所组织联合攻关的SensIT方案,等等。在这些项目获得发展的一起,其运用也从军用转向民用。在森林火 灾、洪水监测之类的环境运用中,在人体生理数据监测、药品办理之类的医疗运用中,在家庭环境的智能化运用以及商务运用中都已呈现了它的身影。目下,无线传 感器网络的商业化运用也已逐渐鼓起。美国Crossbow公司就运用Smart Dust项意图效果开发出了名 为Mote的智能传感器节点,还有用于研讨组织二次开发的MoteWorkTM开发渠道。这些产品都很受运用者的欢迎。

  无线传感器网络能够当作是由数据获取网络、数据散布网络和操控办理中心三部分组成的。其首要组成部分是集成有传感器、数据处理单元和通讯模块的节点,各节点经过协议自组成一个散布式网络,再将搜集来的数据经过优化后经无线电波传输给信息处理中心。

  由于节点的数量巨大,而且还处在随时改动的环境中,这就使它有着不同于一般传感器网络的共同“特性”。首先是无中心和自组网特性。在无线传感器网络 中,一切节点的位置都是相等的,没有预先指定的中心,各节点经过散布式算法来彼此和谐,在无人值守的情况下,节点就能自动组织起一个丈量网络。而正由于没 有中心,网络便不会由于单个节点的脱离而遭到危害。

  其次是网络拓扑的动态改动性。网络中的节点是处于不断改动的环境中,它的情况也在相应地发生改动,加之无线通讯信道的不稳定性,网络拓扑因而也在不断地调整改动,而这种改动办法是无人能精确猜测出来的。

  第三是传输才能的有限性。无线传感器网络经过无线电波进行数据传输,尽管省去了布线的烦恼,可是相关于有线网络,低带宽则成为它的天然生成缺陷。一起,信号之间还存在彼此搅扰,信号本身也在不断地衰减,诸如此类。不过由于单个节点传输的数据量并不算大,这个缺陷仍是能忍耐的。

  第四是能量的约束。为了丈量实在世界的详细值,各个节点会密布地散布于待测区域内,人工弥补能量的办法现已不再适用。每个节点都要储藏可供长时刻运用的能量,或许自己从外罗致能量(太阳能)。

  第五是安全性的问题。无线信道、有限的能量,散布式操控都使得无线传感器网络更简略遭到进犯。被迫偷听、自动侵略、拒绝服务则是这些进犯的常见办法。因而,安全性在网络的规划中至关重要。

  无线传感器网络是一个开放体系互联,依照世界规范化组织(ISO)的规则,为数据流传输所需的物理衔接的树立、保护和开释供给的机械的、电气的、功 能和规程性的模块就叫做物理层。从这个界说能够看出,物理层需求承当为数据终端供给数据传输通路、传输数据和完结办理作业的责任。详细到无线传感器网络就 是介质的挑选、频段的挑选、调制技能以及扩频技能。由于是无线网络,传输介质天然要选电磁波了。不过,源信号要依托电磁波传输必需求经过调制技能变成高频 信号,当抵达承受端时,又经过解调技能还原成原始信号。现在选用的调制办法分为模仿调制和数字调制两种。它们的差异就在于调制信号所用的基带信号的方法不 同罢了(一为数字,一为模仿)。

  信号仅经过调制是不可的,还需求进行扩频。扩频,望文生义,便是将待传输数据进行频谱扩展的技能。它的优点是:增强了抗搅扰才能,可进行多地址通讯,保密性进步。常见的扩频技能包含直接序列扩频、跳频、跳时以及线性调频。

  在物理层面上,无线传感器网络遵照的首要是IEEE 802.15.4规范。依照此规范,物理层首要进行如下作业:激活和去活无线收发器,检测当时信道的能量,发送指示,信道频率的挑选,数据发送与接纳。

  IEEE 802.15.4规范规划了几个作业频段。其间,2.4GHz频段的物理层可供给250Kb/s的数据传输率,适用于高吞吐量、低延时或低作业周期的场 合;作业在869/915MHz频段的物理层则能供给20Kb/s的数据传输率,适用于低速率、高灵敏度和大覆盖面积的场合。

  依据IEEE 802.15.4规范的协议被称为Zigbe e,其传输带宽尽管没有Wi-Fi和Blue Tooth大,可是能耗较低,十分合适网络。

  信号的传输要靠信道,因而信道也就成为了一种名贵的资源。怎样合理有用的分配信道,便是数据链路层中的MAC子层要处理的问题了。

  无线传感器网络常常运用的有三种MAC协议:传感器协议(S-MAC),散布式能量认识协议(DE-MAC)和和谐设备协议。S-MAC协议经过调 配节点的休眠办法来有用地分配信道;DE-MAC则选用周期性监听和休眠机制,防止闲暇监听和串音,其意图是削减能耗和添加网络的生计周期;MD协议则能 为大规模、低占空比运转的节点供给了不需求高精度时钟的牢靠通讯。

  在具有底层传输协议的保证后,信息怎样快速地从源传输到意图地便是由路由协议来处理了。简略来说,路由要完结两个根本功用:确认最佳途径和经过网络传输信息。数据传输的途径存于路由表,由路由算法初始化并担任保护。

  无线传感器网络与一般的网络不同,它有自己的特色:比方能量受限,通讯办法以数 据为中心,相邻节点的数据有着相似性,拓扑结构也在不断的改动等。与此对应,惯例网络的路由并不一定能习惯无线传感器网络。

  1 泛洪式路由。这是一种十分传统的路由协议。泛洪式路由不进行保护网络拓扑和相关路由核算,只担任以播送方法转发数据包,因而功率并不高。

  2 SPIN。SPIN是一组依据洽谈而且具有能量自习惯功用的协议。节点之间经过洽谈来确认是否有发送信号的必要,并实时监控网络中的能量负载来改动作业方法。以上两种协议都是平面路由协议,依照这种协议,节点并不进行分区归类。

  3 LEACH。LEACH是一种分层网络协议,它以循环的办法随机挑选簇首节点,将全网络的能量负载平均分配到每个传感器节点,然后到达下降网络能源耗费的 意图。这儿要解释一下簇,簇是分层路由协议的概念,依据分层路由协议,网络被划分红不同簇,每一个簇由一个簇首和簇成员组成,多个簇首构成高档的网络,簇 首节点不只担任其辖下簇内信息的搜集和交融处理,还担任簇之间数据的转发。

  4 PEGASIS。PEGASIS可谓LEACH的晋级版别。依照其规则,只需最为附近的节点才彼此通讯,节点与会聚点轮番通讯,当一切的节点都与会聚点通讯后,节点再进行新一回合的轮番通讯。

  能耗是无线传感器网络所面对的最大问题,由于节点长时刻处于无人值守的情况下,有用的能耗战略必不可少。

  现在最常运用的战略是休眠机制,即在节点闲暇时,使其处于休眠情况,此刻其能耗降到最低。可是休眠的节点在转回正常情况的时分,往往会耗费很多的能量,因而寻觅合理的情况转化战略是保证休眠机制成功的要害。

  数据交融是另一项节能技能。多个附近节点常常会搜集相同的信息,发送这些冗余信息就给体系添加了不必要的担负。因而,经过本地核算和挑选,保证发送出最有用的信息便是数据交融的使命。

  无线传感器网络也有一个归于自己的操作体系—TinyOS。这个体系不同于传统意义上的操作体系,它更像一个编程构架,在此构架下,调配一组必要的组件,就能方便地编译出面向特定运用的操作体系。

  TinyOS由很多组件组成,包含了主组件、运用组件、履行组件、传感组件、通讯组件和硬件笼统组件。每一个组件在其内部都封装了指令处理程序和事情处理程序,它们经过接口声明所调用的指令和即将触发的事情。调度器则担任依据使命的轻重缓急来组织体系的作业。

  Crossbow公司出产的MICA传感器渠道上就运用了TinyOS体系。实践证明,其根本运用只占用很少的体系资源,能满意的完结数据搜集、处理和通讯组网以及数据传输等使命。

  商业化的无线传感器产品中最常见的便是智能节点。前文也曾说到,UC Berkeley是无线传感器研讨展开较早的美国高校。依据他们研制效果的无线传感器器材被称为Mote,这也是现在最为通用的一种无线传感器网络产品, 是由Crossbow公司出产的。最根本的Mote组件是MICA系列处理器/无线模块,完全符合IEEE 802.15.4规范。最新型的MICA2能够作业在868/916、433和315MHz三个频带,数据速率为40Kb/s,通讯规模可达1000英 尺。其装备了128KB的编程用闪存和512KB的丈量用闪存,4KB的EEPROM,串行通讯接口为UART方法。

  相关于终端节点,商用无线传感器网络体系并不算多。Crossbow的MEP系列便是其 中之一。这是一种小型的终端用户网络,首要用来进行环境参数 的检测。该体系包含了2个MEP410环境传感器节点,4个MEP510湿度/温度传感器节点,1个MBR410串行网关和MoteView 显现和剖析软件。整个体系选用了TrueMeshTM拓扑结构,十分便于用户装置和运用。相似的产品还有Microstrain公司的X-Link 丈量体系等。

  从运用的情况来看,北美的情况最好,在楼宇自动化、环境监控等方面,无线传感器网络现已开端大展拳脚。但关于我国来说,商场还处于起步阶段,产品应 用最多的场合一般是科研机关和大学,多为研讨之用。不过,依据相关公司的猜测,离无线传感器网络商场起飞的时刻也不会太远了。只需这个新技能被社会遍及接 受,商场就会以惊人的速度来扩张。

  本文介绍的都是一些常见的无线传感器网络的概念。实际上,要想论说这个新式技能的全貌,不必一本专著的篇幅是不行的。这个交融了通讯、网络、微电子等很多学科精华的新技能有着无限的潜能,要想真实开发它,恐怕就要依托广阔的运用开发人员充分发挥自己的想象力了。

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