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[關(guān)鍵詞]無線傳感器網(wǎng)絡網(wǎng)絡協(xié)議能量管理
中圖分類號:TP3文獻標識碼:A文章編號:1671-7597(2009)11100067-01
一、無線傳感器網(wǎng)絡的定義
無線傳感器網(wǎng)絡是由大量的具有特定功能的傳感器節(jié)點通過自組織的無線通訊方式,相互傳遞信息,協(xié)同的完成特定功能的智能專用網(wǎng)絡[1]。它可以實時的監(jiān)測,感知和采集網(wǎng)絡所監(jiān)控區(qū)域內(nèi)的各種環(huán)境或監(jiān)測對象的信息,并對收集到的信息進行處理后傳送給終端用戶。
二、無線傳感器網(wǎng)絡的結(jié)構(gòu)
無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)基本包括傳感器節(jié)點(sensor node),匯聚節(jié)點(sink node)和管理節(jié)點,其結(jié)構(gòu)如圖1所示。大量的傳感器節(jié)點隨機的布置在檢測區(qū)域,節(jié)點以自組織的形式構(gòu)成網(wǎng)絡,通過多條中繼方式將檢測到的數(shù)據(jù)傳送到匯聚節(jié)點,最后通過Internet或其他網(wǎng)絡通訊方式將檢測信息傳送到管理節(jié)點。同樣的,用戶可以通過管理節(jié)點進行命令的,告知傳感器節(jié)點收集檢測信息[2]。
傳感器節(jié)點是一個具有信息采集,處理和通信能力的微型嵌入式計算機系統(tǒng),但是受限于攜帶電池能量有限的原因,其處理能力相對較弱。結(jié)構(gòu)如圖2所示。從網(wǎng)絡功能上看,每個傳感器節(jié)點除了要處理本地的信息,還需要協(xié)助其他節(jié)點進行轉(zhuǎn)發(fā)和處理信息。
三、無線傳感器網(wǎng)絡的幾個具體關(guān)鍵問題
(一)物理層協(xié)議。無線傳感器網(wǎng)絡是一個開放系統(tǒng)互聯(lián),按照國際標準化組織(ISO)的規(guī)定,為數(shù)據(jù)流傳輸所需的物理連接的建立、維護和釋放提供的機械的、電氣的、功能和規(guī)程性的模塊就叫做物理層。從這個定義可以看出,物理層需要承擔為數(shù)據(jù)終端提供數(shù)據(jù)傳輸通路、傳輸數(shù)據(jù)和完成管理工作的職責。具體到無線傳感器網(wǎng)絡就是介質(zhì)的選擇、頻段的選擇、調(diào)制技術(shù)以及擴頻技術(shù)。因為是無線網(wǎng)絡,傳輸介質(zhì)自然要選電磁波了。不過,源信號要依靠電磁波傳輸必需要通過調(diào)制技術(shù)變成高頻信號,當?shù)诌_接受端時,又通過解調(diào)技術(shù)還原成原始信號。目前采用的調(diào)制方法分為模擬調(diào)制和數(shù)字調(diào)制兩種。它們的區(qū)別就在于調(diào)制信號所用的基帶信號的模式不同而已(一為數(shù)字,一為模擬)。
(二)MAC層協(xié)議[3]。信號的傳輸要靠信道,因此信道也就成為了一種寶貴的資源。怎樣合理有效的分配信道,就是數(shù)據(jù)鏈路層中的MAC子層要解決的問題了。
無線傳感器網(wǎng)絡經(jīng)常使用的有三種MAC協(xié)議:傳感器協(xié)議(S-MAC),分布式能量意識協(xié)議(DE-MAC)和協(xié)調(diào)設(shè)備協(xié)議。S-MAC協(xié)議通過調(diào)配節(jié)點的休眠方式來有效地分配信道;DE-MAC則采用周期性監(jiān)聽和休眠機制,避免空閑監(jiān)聽和串音,其目的是減少能耗和增加網(wǎng)絡的生存周期;MD協(xié)議則能為大規(guī)模、低占空比運行的節(jié)點提供了不需要高精度時鐘的可靠通信。
總體來說,無線傳感器網(wǎng)絡的MAC協(xié)議在分配信道的同時還要保證系統(tǒng)的能耗最低。
(三)路由。在具備底層傳輸協(xié)議的保障后,信息怎樣快速地從源傳輸?shù)侥康牡鼐褪怯陕酚蓞f(xié)議來解決了。簡單來說,路由要實現(xiàn)兩個基本功能:確定最佳路徑和通過網(wǎng)絡傳輸信息。數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐緩酱嬗诼酚杀?由路由算法初始化并負責維護。
無線傳感器網(wǎng)絡與普通的網(wǎng)絡不同,它有自己的特點:比如能量受限,通信方式以數(shù)據(jù)為中心,相鄰節(jié)點的數(shù)據(jù)有著相似性,拓撲結(jié)構(gòu)也在不斷的變化等。與此對應,常規(guī)網(wǎng)絡的路由并不一定能適應無線傳感器網(wǎng)絡。
下面來介紹幾種常見的路由協(xié)議:
1.泛洪式路由。這是一種非常傳統(tǒng)的路由協(xié)議。泛洪式路由不進行維護網(wǎng)絡拓撲和相關(guān)路由計算,只負責以廣播形式轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包,因此效率并不高。
2.SPIN。SPIN是一組基于協(xié)商并且具有能量自適應功能的協(xié)議。節(jié)點之間通過協(xié)商來確定是否有發(fā)送信號的必要,并實時監(jiān)控網(wǎng)絡中的能量負載來改變工作模式。以上兩種協(xié)議都是平面路由協(xié)議,依照這種協(xié)議,節(jié)點并不進行分區(qū)歸類。
3.LEACH。LEACH是一種分層網(wǎng)絡協(xié)議,它以循環(huán)的方式隨機選擇簇首節(jié)點,將全網(wǎng)絡的能量負載平均分配到每個傳感器節(jié)點,從而達到降低網(wǎng)絡能源消耗的目的。這里要解釋一下簇,簇是分層路由協(xié)議的概念,根據(jù)分層路由協(xié)議,網(wǎng)絡被劃分成不同簇,每一個簇由一個簇首和簇成員組成,多個簇首形成高級的網(wǎng)絡,簇首節(jié)點不僅負責其轄下簇內(nèi)信息的收集和融合處理,還負責簇之間數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)。
4.PEGASIS。PEGASIS可謂LEACH的升級版本。按照其規(guī)定,只有最為鄰近的節(jié)點才相互通信,節(jié)點與匯聚點輪流通信,當所有的節(jié)點都與匯聚點通信后,節(jié)點再進行新一回合的輪流通信。
(四)軟件的支持[4]。無線傳感器網(wǎng)絡也有一個屬于自己的操作系統(tǒng)TinyOS。這個系統(tǒng)不同于傳統(tǒng)意義上的操作系統(tǒng),它更像一個編程構(gòu)架,在此構(gòu)架下,搭配一組必要的組件,就能方便地編譯出面向特定應用的操作系統(tǒng)。
TinyOS由眾多組件組成,包括了主組件、應用組件、執(zhí)行組件、傳感組件、通信組件和硬件抽象組件。每一個組件在其內(nèi)部都封裝了命令處理程序和事件處理程序,它們通過接口聲明所調(diào)用的命令和將要觸發(fā)的事件。調(diào)度器則負責根據(jù)任務的輕重緩急來安排系統(tǒng)的工作。
四、結(jié)束語
無線傳感器網(wǎng)絡這種新興的技術(shù)發(fā)展迅猛,已經(jīng)成為無線網(wǎng)絡研究的熱點。在全球范圍內(nèi)此技術(shù)目前基本處于理論研究和實驗室試驗階段,國內(nèi)的研究起步也開始不久,從理論上和實際應用都有待于深入研究。
參考文獻:
[1]孫利民,無線傳感器網(wǎng)絡[M].北京:清華大學出版社,2005.
[2]趙志強,無線傳感器網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù)介紹[J].蘇州職業(yè)大學學報,2007.
[3]林小蘭、肖明波,無線傳感器網(wǎng)絡MAC層協(xié)議的分析比較[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2007.
[4]李世晗、白躍賓、錢德沛,無線傳感器網(wǎng)絡軟件技術(shù)研究[J].計算機應用研究,2007.
作者簡介:
關(guān)鍵詞： 無線傳感器；網(wǎng)絡；節(jié)點
中圖分類號：TN915 文獻標識碼：A 文章編號：1671－7597（2012）0220062－01
無線傳感器網(wǎng)絡使人們實現(xiàn)了耳聽八方、眼看千里的夢想，在現(xiàn)代衛(wèi)星技術(shù)出現(xiàn)以后，人們實現(xiàn)了洞察全局、明察細微設(shè)備的使用，也就職把許許多多的傳感器節(jié)點等待在指定的區(qū)域，將數(shù)據(jù)借助無線電波進行傳播，然后回到監(jiān)控中心，在監(jiān)控區(qū)域內(nèi)就會收到所有的信息。
1 無線傳感器網(wǎng)絡的組成和特點
1.1 無線傳感器網(wǎng)絡組成
可以將無線傳感器網(wǎng)絡分為控制管理中心、數(shù)據(jù)分布網(wǎng)絡和數(shù)據(jù)獲取三部分。它主要有傳感器、通信模塊以及數(shù)據(jù)處理單元的節(jié)點進行集成，各個節(jié)點遵循自己的協(xié)議，構(gòu)成了一個分布式的網(wǎng)絡，進一步對采集到的數(shù)據(jù)進行優(yōu)化，再通過無線電波傳到信息處理的中心。
1.2 無線傳感器網(wǎng)絡的特點
無線傳感器網(wǎng)絡中具有較多的節(jié)點，并且它們是不斷地變化的，這使它具有了和其它普通傳感器網(wǎng)絡不同的獨特“個性”。
1）自行組網(wǎng)及沒有中心的特性。在無線傳感器網(wǎng)絡中，所有節(jié)點具有平等的地位，這一網(wǎng)絡沒有預設(shè)的中心，更不會指定任何中心，各個節(jié)點借助分布式算法完成他們之間的協(xié)調(diào)，在沒有人看守時，各個節(jié)點就會對網(wǎng)絡自發(fā)組織起來，進行具體測量。2）動態(tài)變化呈網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)。網(wǎng)絡中的節(jié)點的變化是無時不有，無處不在的，在這種變化的環(huán)境中，它的狀態(tài)也會發(fā)生相應的變化，再加上無線通信信道具有不穩(wěn)定的特性，網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)也會因此自行調(diào)整，發(fā)生一定的變化。3）有限的傳輸能力。無線傳感器網(wǎng)絡借助無線電波對數(shù)據(jù)完成傳輸，這樣可以省去布線的麻煩，但是與有線網(wǎng)絡相比較，它的不足是帶寬低，這一點還需要在技術(shù)方面進行克服。然而，由于單個的節(jié)點對數(shù)據(jù)進行傳輸?shù)牧枯^小，這個缺點產(chǎn)生的不足還很小，人們可以接受。4）受限的能量。為了測量出比較真實的具體值，各個節(jié)點在需要測量區(qū)域呈密集性地分布，一般不采取人工補充能量的方法。每個節(jié)點自身儲備了可以長期使用的能量，有的可以在外界獲取相應的能量，比如太陽能的汲取。5）存在安全隱患。無線傳感器網(wǎng)絡最容易受到外界的攻擊，這主要是因為分布式控制、有限的能量、無線信道的干擾。所以出現(xiàn)了主動入侵、被動竊聽、拒絕服務等常見的攻擊方式。
2 無線傳感器網(wǎng)絡的應用
2.1 軍事方面的應用。對無線傳感器網(wǎng)絡進行研究，較早應用是在軍事領(lǐng)域。因為他具有可較快地部署、自行組織、較強的隱蔽性及容錯性較高的特性，所以它可以完成對敵軍地形的偵察，也可以完成對兵力的布防以及對裝備的偵察，還可以完成對戰(zhàn)場的實時監(jiān)視、定位，還可以完成戰(zhàn)場評估、核攻擊以及生物化學攻擊的監(jiān)測與搜索的功能。
2.2 環(huán)境方面的應用。對無線傳感器網(wǎng)絡的應用，可以涉及到氣象及地理方面，人們對自然與人為災害進行監(jiān)測，人們要對農(nóng)作物的澆和土壤、空氣的變化、家禽及牲畜所在的環(huán)境情況進行監(jiān)視，并通過它做大面積的地表檢測，還要通過它對自然界中的各種鳥類、動物以及昆蟲進行無線跟蹤，對瀕危種群做進一步的研究等。
美國在ALERT的計劃中，研究人員對多種傳感器進行了開發(fā)，并用它來對降雨量進行監(jiān)測，對河水水位及土壤水分做出監(jiān)測，并依據(jù)所得出的數(shù)據(jù)對一些自然災害進行預防。
2.3 醫(yī)療方面的應用。無線傳感器網(wǎng)絡還可以對人體的各項生理數(shù)據(jù)及健康情況做出檢沒，借助它對醫(yī)院的藥品做好管理工作，并將它應用到遠程醫(yī)療等相關(guān)的醫(yī)療領(lǐng)域。在SSIM這個項目中，醫(yī)生將100個微型傳感器放入病人的眼里，使盲人能夠有一定程度的視覺提高?？茖W家還大膽地借助它對“智能醫(yī)療之家”進行了創(chuàng)建，也就是在一個5間房的小區(qū)住宅內(nèi)，利用無線傳感器網(wǎng)絡對生命體征進行測量，住戶的主要生命體征，比如血壓、脈搏、呼吸、睡覺姿勢以及每天的活動情況都被測量并進行了數(shù)據(jù)保存，利用無線傳感器網(wǎng)絡對搜集到的數(shù)據(jù)被整理，送到相應的醫(yī)療機構(gòu)，進行相應的研究。比如哈佛大學的一個研究小組就是利用無線傳感器網(wǎng)絡絡構(gòu)，建立了一個醫(yī)療監(jiān)測平臺。
2.4 家庭中的應用。技術(shù)人員可以將無線傳感器嵌入到家具及家電中，將傳感器與執(zhí)行單元組成的無線網(wǎng)絡還有Internet相連接，可以為人們提供比較舒服、便得以及人性化的智能家居環(huán)境。用戶還可以更方便簡潔地對家電做到遠程監(jiān)控，比如在下班前對家里的電飯鍋、電話機、微波爐、錄像機、電腦等家電進行搖控，按照容量的大小和時間的安排，設(shè)置煮飯、燒菜的時間，并安排好對電話留言的查收，對電視節(jié)目的選擇，和網(wǎng)絡資料的下載等工作。在對家居環(huán)境進行控制時，把傳感器的節(jié)點安放在各自不同的房間，讓他產(chǎn)生不同的感應。另外，我們可以對各個房間的環(huán)境溫度做到局部的控制，甚至利用無線傳感器網(wǎng)絡還能夠?qū)τ變旱脑缙诮逃h(huán)境做出監(jiān)測，對兒童的活動范圍進行跟蹤，使這里的研究人員、兒童的父母或者是他們的老師對他們進行全面地了解，并對兒童的學習過程地行行之有效的指導。
2.5 工業(yè)方面的應用。無線傳感器網(wǎng)絡可以對車輛進行跟蹤、對機械故障做出正確的診斷、對工業(yè)生產(chǎn)進行計劃地監(jiān)控、對建筑物的狀態(tài)進行監(jiān)測等。將無線傳感器網(wǎng)絡與RFID技術(shù)相融合，可以實現(xiàn)智能交通?？梢园阉陀迷谳^危險的工作環(huán)境，比如在石油鉆井、煤礦、核電廠等的運用，利用無線傳感器網(wǎng)絡以后，可以對工作現(xiàn)場的比較重要信息進行探測。
2.6 機械故障診斷方面的應用。Intel公司做過一項實驗，就是對芯片制造設(shè)備做節(jié)點的安裝，借助所安裝的200個傳感器節(jié)點，對設(shè)備的振動情況進行監(jiān)控，當測量結(jié)果超過了相關(guān)數(shù)值時，無線傳感器會提供一份監(jiān)測報告。在美國的貝克特營建集團公司早已經(jīng)在倫敦的地鐵系統(tǒng)中大膽地對無線傳感器網(wǎng)絡做了檢測。對無線傳感器網(wǎng)絡的應用，可以使大樓、橋梁以及其他建筑物進行感知，并對自身的狀態(tài)信息做出匯報。
3 結(jié)束語
總而言之，傳感器網(wǎng)絡在當前是國內(nèi)外的熱點項目，它具有廣闊的發(fā)展空間，它的未來應用更廣泛，對技術(shù)要求較高。在近幾年的研究中，人們對傳感器網(wǎng)絡自身的特點得到了更深刻的認識，在技術(shù)上積累了經(jīng)驗，有所進步。它是一門先進的技術(shù)，對它的研究還需要科技工作者不斷的努力。在國內(nèi)外專家的努力下，無線傳感器網(wǎng)絡一定會以全新的局面展現(xiàn)在大家面前，必將更好、更廣地應用于各行各業(yè)，并造福于人類、造福于社會。
參考文獻：
[1]唐啟濤、陶滔，無線傳感器網(wǎng)絡綜述[J].網(wǎng)絡安全技術(shù)與應用，2008（02）：80-82.
[關(guān)鍵詞]無線傳感器網(wǎng)絡
中圖分類號：TP39 文獻標識碼：A 文章編號：1006-0278（2013）03-171-01
一、無線傳感器網(wǎng)絡的定義
無線傳感器網(wǎng)絡（WSN，Wireless Sensor Networks）是由大量具有通信和計算能力的微型傳感器節(jié)點密集分布在監(jiān)控區(qū)域內(nèi)部或附近，協(xié)作地監(jiān)控不同位置的物理或環(huán)境狀況，且能夠根據(jù)周圍環(huán)境自主完成指定任務的智能測控網(wǎng)絡系統(tǒng)。它綜合了傳感器、網(wǎng)絡通信、嵌入式計算、無線傳輸、分布式信息處理等領(lǐng)域技術(shù)，能夠通過大量微型傳感器協(xié)作地監(jiān)測、采集和處理網(wǎng)絡覆蓋的地理區(qū)域中感知對象的信息，并把信息給用戶。
二、無線傳感器網(wǎng)絡的基本特征
與數(shù)字蜂窩移動通信系統(tǒng)（GSM）、藍牙（Bluetooth）、無線局域網(wǎng)（WLAN）等無線通信網(wǎng)絡不同，無線傳感器網(wǎng)絡是類似于傳統(tǒng)Ad-hoe網(wǎng)絡，沒有基站設(shè)備支持，自組織、自管理的多跳網(wǎng)絡。無線傳感器網(wǎng)絡是Ad-Hoe網(wǎng)絡應用在傳感器技術(shù)中的一種具有動態(tài)拓撲結(jié)構(gòu)的組織網(wǎng)絡。
1.自組織的網(wǎng)絡：無線傳感器網(wǎng)絡通常具備自組織能力；
2.自管理的網(wǎng)絡：無線傳感器網(wǎng)絡通常具備自管理能力；
3.網(wǎng)絡規(guī)模大，分布密集：無線傳感器網(wǎng)絡中的節(jié)點數(shù)量多于傳統(tǒng)Ad-hoc網(wǎng)絡中的節(jié)點數(shù)量，并且分布密度大；
4.網(wǎng)絡節(jié)點易出錯：無線傳感器網(wǎng)絡中的節(jié)點較之傳統(tǒng)Ad-hoe網(wǎng)絡中的節(jié)點更容易出錯；
5.單個節(jié)點能力較弱：無線傳感器網(wǎng)絡的節(jié)點的計算能力、存儲能力十分有限，無法進行復雜的計算和數(shù)據(jù)存儲；
6.節(jié)點間廣播式通信：無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點主要采用廣播方式通信，而傳統(tǒng)Ad-hoe網(wǎng)絡大都采用點對點通信；
7.以數(shù)據(jù)為中心的網(wǎng)絡：與數(shù)據(jù)為中心的含義指無線傳感器網(wǎng)絡運行時，通常只關(guān)心整個任務的執(zhí)行情況，用戶在使用網(wǎng)絡查詢事件時，只關(guān)心是否獲得了所需的數(shù)據(jù)，不關(guān)心數(shù)據(jù)是由哪個節(jié)點發(fā)來。
三、無線傳感器網(wǎng)絡的發(fā)展
1998年，美國在先進國防研究項目局（DARPA）的一個研究項目中第一次提出無線自組織傳感器網(wǎng)絡的概念。
2000年IEEE協(xié)會成立了IEEE802.15.4工作組，其目標是開發(fā)一種供廉價的固定、便攜式或者移動設(shè)備使用的低復雜度，低成本，低速率與功耗的無線傳輸技術(shù)。2003年IEEE推出了IEEE802.15.4的PHY物理層與MAC媒體接入控制層，其主要的特點就是低成本，易實現(xiàn)，可靠的近距離傳輸操作，而且可以在一個PAN（Personal area network，其范圍為5-10米）里使用同一信道卻有效避免沖突。在IEEE802.15.4里定義了兩種網(wǎng)絡節(jié)點：全功能節(jié)點與半功能節(jié)點。全功能節(jié)點可以與任何一個其它的節(jié)點進行通訊而半功能節(jié)點只能與全功能節(jié)點通訊。另外，超寬帶無線通信（UWB[16]）以其高速率、低功耗、抗多徑、低成本等諸多優(yōu)勢，已成為室內(nèi)短距離無線網(wǎng)絡的首選方案，這為WSN網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)傳輸開辟了一種嶄新的方案。
關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡；體系結(jié)構(gòu)；關(guān)鍵技術(shù)；應用
中圖分類號：TP393文獻標識碼：A
1概述
無線傳感器網(wǎng)絡是新一代的網(wǎng)絡，有著非常廣泛的應用前景，將來會給人類的生活和生產(chǎn)的各個領(lǐng)域帶來深遠影響。近十年來，無線傳感器網(wǎng)絡已經(jīng)掀起了新的產(chǎn)業(yè)浪潮。我國未來20年預見技術(shù)的調(diào)查報告中，信息領(lǐng)域157項技術(shù)課題有7項與傳感器網(wǎng)絡直接相關(guān)。2006年初的《國家中長期科學與技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要》為信息技術(shù)確定了三個前沿方向，其中兩個與無線傳感器的研究直接相關(guān)，即智能感知技術(shù)和自組織網(wǎng)絡技術(shù)?？梢灶A計，無線傳感器網(wǎng)絡的研究與應用是一種必然趨勢，它的出現(xiàn)將會給人類社會帶來極大的變革。
2無線傳感器網(wǎng)絡的定義及體系結(jié)構(gòu)
無線傳感器網(wǎng)絡的定義：無線傳感器網(wǎng)絡就是由安裝在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量的微型傳感器組成，通過無線通信方式形成的一個多跳自組織的網(wǎng)絡系統(tǒng)，其目的是感知、采集和處理網(wǎng)絡覆蓋區(qū)域中感知對象的信息，并發(fā)送給觀察者。
傳感器，感知對象和觀察者是傳感器網(wǎng)絡的三個基本要素。
無線傳感器網(wǎng)絡和傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡有著不同的體系結(jié)構(gòu)。無線傳感器是由節(jié)點結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)以及網(wǎng)絡協(xié)議體系結(jié)構(gòu)來描述的。
傳感器節(jié)點由四部分組成：傳感器模塊、處理器模塊、無線通信模塊和電源模塊，
傳感器模塊負責采集監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的信息，并進行數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換，將原始的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，將交流信號轉(zhuǎn)換成直流信號，以供后續(xù)模塊使用；處理器模塊又分成兩部分，分別是處理器和存儲器，它們分別負責處理節(jié)點的控制和數(shù)據(jù)存儲的工作；無線通信模塊專門負責節(jié)點之間的相互通信；電源模塊為傳感器節(jié)點提供能量，一般都是采用微型電池供電。
無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)是由傳感器節(jié)點、匯聚節(jié)點和管理節(jié)點組成。大量傳感器節(jié)點隨機部署在監(jiān)測區(qū)域，通過自組織的方式構(gòu)成網(wǎng)絡。傳感器節(jié)點采集的數(shù)據(jù)通過其它傳感器節(jié)點逐跳地在網(wǎng)絡中傳輸，傳輸過程中數(shù)據(jù)可能被多個節(jié)點處理，經(jīng)過多跳后路由到匯聚節(jié)點，最后通過互聯(lián)網(wǎng)或者衛(wèi)星到達數(shù)據(jù)處理中心。也可以沿著相反的方向，通過管理節(jié)點對傳感器網(wǎng)絡進行管理，監(jiān)測任務以及收集監(jiān)測數(shù)據(jù)。
網(wǎng)絡協(xié)議體系結(jié)構(gòu)是網(wǎng)絡的協(xié)議分層以及網(wǎng)絡協(xié)議的集合，是對網(wǎng)絡及其部件應完成功能的定義與描述。由網(wǎng)絡通信協(xié)議、傳感器網(wǎng)絡管理以及應用支撐技術(shù)組成。
分層的網(wǎng)絡通信協(xié)議結(jié)構(gòu)類似于傳統(tǒng)的TCP/IP協(xié)議體系結(jié)構(gòu)，由物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡層、傳輸層和應用層組成。
網(wǎng)絡管理技術(shù)主要是對傳感器節(jié)點自身的管理以及用戶對傳感器網(wǎng)絡的管理。網(wǎng)絡管理模塊是網(wǎng)絡故障管理、計費管理、配置管理、性能管理的總和。其他還包括網(wǎng)絡安全模塊、移動控制模塊、遠程管理模塊。傳感器網(wǎng)絡的應用支撐技術(shù)為用戶提供各種應用支撐，包括時間同步、節(jié)點定位，以及向用戶提供應用服務接口。
3無線傳感器網(wǎng)絡的特點
目前常見的無線網(wǎng)絡包括移動通信網(wǎng)、無線局域網(wǎng)、藍牙網(wǎng)絡、Adhoc網(wǎng)絡等，與無線傳感器網(wǎng)絡在通信方式、動態(tài)組網(wǎng)以及多跳通信等方面有許多相似之處，但同時也存在很大的差別。無線傳感器網(wǎng)絡具有許多鮮明的特點：
3.1 電源能量有限
傳感器節(jié)點體積微小，電池的能量有限，且傳感器節(jié)點數(shù)量多，分布區(qū)域廣，部署區(qū)域環(huán)境復雜，有些區(qū)域甚至人員不能到達，所以傳感器節(jié)點通過更換電池的方式來補充能源是不現(xiàn)實的。如何產(chǎn)生新的能源，最大化網(wǎng)絡的生命周期，是傳感器網(wǎng)絡面臨的首要挑戰(zhàn)。
3.2 通信能力有限
傳感器網(wǎng)絡的通信帶寬窄而且經(jīng)常變化，通信覆蓋范圍只有幾十到幾百米。傳感器節(jié)點之間的通信斷接頻繁，經(jīng)常容易導致通信失敗。由于傳感器網(wǎng)絡更多地受到高山、建筑物、障礙物等地勢地貌以及風雨雷電等自然環(huán)境的影響，傳感器可能會長時間脫離網(wǎng)絡，離線工作。如何在有限通信能力的條件下高質(zhì)量地完成感知信息的處理與傳輸，也是傳感器網(wǎng)絡面臨的挑戰(zhàn)。
3.3 網(wǎng)絡規(guī)模大，分布廣且計算能力有限
傳感器網(wǎng)絡中的節(jié)點分布廣泛且密集，數(shù)量巨大，可能達到幾百、幾千萬，甚至更多。這一特點使得網(wǎng)絡的維護十分困難甚至不可維護，因此傳感器網(wǎng)絡的軟、硬件必須具有高強壯性和容錯性。然而傳感器節(jié)點是一種微型嵌入式設(shè)備，要求價格低功耗小，這些限制必然導致其攜帶的處理器能力比較弱，存儲器容量比較小。為了完成各種任務，傳感器節(jié)點需要完成監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集和轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)的管理和處理、應答匯聚節(jié)點的任務請求和節(jié)點控制等多種工作。如何利用有限的計算和存儲資源完成諸多協(xié)同任務成為傳感器網(wǎng)絡設(shè)計的挑戰(zhàn)。
3.4 以數(shù)據(jù)為中心的網(wǎng)絡和自組織、動態(tài)性網(wǎng)絡
傳感器網(wǎng)絡的核心是感知數(shù)據(jù)，而不是網(wǎng)絡硬件。在傳感器網(wǎng)絡中，傳感器節(jié)點不需要地址之類的標識。所以傳感器網(wǎng)絡是一種以數(shù)據(jù)為中心的網(wǎng)絡。
在傳感器網(wǎng)絡應用中，傳感器節(jié)點的位置不能預先精確設(shè)定，節(jié)點之間的相互鄰居關(guān)系預先也不知道，而是通過隨機布撒的方式。這就要求傳感器節(jié)點具有自組織能力，能夠自動進行配置和管理，通過拓撲控制機制和網(wǎng)絡協(xié)議自動形成轉(zhuǎn)發(fā)監(jiān)控數(shù)據(jù)的多跳無線網(wǎng)絡系統(tǒng)。同時，由于部分傳感器節(jié)點能量耗盡或環(huán)境因素造成失效，以及經(jīng)常有新的節(jié)點加入，這就要求傳感器網(wǎng)絡必須具有很強的適應網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)的動態(tài)變化。
傳感器網(wǎng)絡用來感知客觀物理世界，獲取物理世界的信息量。不同的傳感器關(guān)心不同的物理量，因此對傳感器的應用系統(tǒng)也有多種多樣的要求。不同的應用背景對傳感器網(wǎng)絡的要求不同，其硬件平臺、軟件系統(tǒng)和網(wǎng)絡協(xié)議必然有很大差別，在開發(fā)傳感器網(wǎng)絡應用時，更關(guān)心傳感器網(wǎng)絡差異。針對每個具體應用來研究傳感器網(wǎng)絡技術(shù)，這是傳感器網(wǎng)絡設(shè)計不同于傳統(tǒng)網(wǎng)絡的顯著特征。
4無線傳感器網(wǎng)絡的關(guān)鍵技術(shù)及應用
4.1 無線傳感器網(wǎng)絡的關(guān)鍵技術(shù)
無線傳感器網(wǎng)絡目前研究的難點涉及通信、組網(wǎng)、管理、分布式信息處理等多個方面。主要關(guān)鍵技術(shù)如下：
4.1.1 網(wǎng)絡拓撲管理
無線傳感器網(wǎng)絡是自組織的。目前的研究方向是在滿足網(wǎng)絡覆蓋度和連通度的情況下，通過選擇路由路徑，生成一個能高效的轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)。拓撲管理有節(jié)點功率控制和層次型拓撲控制兩種。前一種方法是控制每個節(jié)點的發(fā)射功率，均衡節(jié)點單跳可達的鄰居數(shù)目。而層次型拓撲控制采用分簇機制，有一些節(jié)點作為簇頭，它將作為一個簇的中心，簇內(nèi)每個節(jié)點的數(shù)據(jù)都要通過它來轉(zhuǎn)發(fā)。
4.1.2 網(wǎng)絡協(xié)議
因為傳感器節(jié)點具有計算能力、存儲能力、通信能力且攜帶的能量有限，每個節(jié)點都只能獲得局部網(wǎng)絡拓撲信息，在節(jié)點上運行的網(wǎng)絡協(xié)議也要盡可能的簡單。目前研究的重點主要集中在網(wǎng)絡層和MAC層上。網(wǎng)絡層的路由協(xié)議主要控制信息的傳輸路徑。好的路由協(xié)議不但能考慮到每個節(jié)點的能耗，還要能夠關(guān)心整個網(wǎng)絡的能耗均衡，使得網(wǎng)絡的壽命盡可能的保持的長一些。MAC層協(xié)議主要控制介質(zhì)訪問，控制節(jié)點通信過程和工作模式。設(shè)計無線傳感器網(wǎng)絡的MAC協(xié)議首先要考慮的是節(jié)省能量和可擴展性。由于能量消耗主要發(fā)生在載波偵聽，碰撞重傳和接收到不需要的數(shù)據(jù)處理等方面，MAC層協(xié)議的研究也主要在如何減少上述3種情況從而降低能量消耗以延長網(wǎng)絡和節(jié)點壽命。
4.1.3 網(wǎng)絡安全
數(shù)據(jù)的安全性，這主要從兩個方面考慮：一方面是從維護路由安全的角度出發(fā)以保證網(wǎng)絡的安全?，F(xiàn)已提出了一種叫“有安全意識的路由”的方法，其思想是找出真實值和節(jié)點之間的關(guān)系，然后利用這些真實值來生成安全的路由。另一方面是把重點放在安全協(xié)議方面。在具體的技術(shù)實現(xiàn)上，先假定基站總是正常工作的，并且總是安全的，滿足必要的計算速度、存儲器容量，基站功率滿足加密和路由的要求；通信模式是點到點，通過端到端的加密保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩浴；谝陨锨疤?，典型的安全問題可以總結(jié)為：信息被非法用戶截獲；一個節(jié)點遭破壞；識別偽節(jié)點；如何向已有傳感器網(wǎng)絡添加合法的節(jié)點等四個方面。
4.1.4 定位技術(shù)
位置信息是傳感器節(jié)點采集數(shù)據(jù)中重要的一部分，沒有位置信息的監(jiān)測消息可能毫無意義。節(jié)點定位是確定傳感器的每個節(jié)點的相對位置或絕對位置。節(jié)點定位在軍事偵察、環(huán)境檢測、緊急救援等應用中尤其重要。節(jié)點定位分為集中定位方式和分布定位方式。定位機制也必須要滿足自組織性，魯棒性，能量高效和分布式計算等要求。定位技術(shù)也主要有兩種方式：基于距離的定位和距離無關(guān)的定位。其中基于距離的定位對硬件要求比較高，通常精度也比較高。距離無關(guān)的定位對硬件要求較小，受環(huán)境因素的影響也較小，雖然誤差較大，但是其精度已經(jīng)足夠滿足大多數(shù)傳感器網(wǎng)絡應用的要求，所以這種定位技術(shù)是研究的重點。
4.1.5 時間同步技術(shù)
傳感器網(wǎng)絡中的通信協(xié)議和應用，比如基于TDMA的MAC協(xié)議和敏感時間的監(jiān)測任務等，要求節(jié)點間的時鐘必須保持同步。有人曾提出了一種簡單實用的同步策略。其基本思想是，節(jié)點以自己的時鐘記錄事件，隨后用第三方廣播的基準時間加以校正，精度依賴于對這段間隔時間的測量。這種同步機制應用在確定來自不同節(jié)點的監(jiān)測事件的先后關(guān)系時有足夠的精度，設(shè)計高精度的時鐘同步機制是傳感網(wǎng)絡設(shè)計和應用中的一個技術(shù)難點。
4.1.6 數(shù)據(jù)融合
傳感器網(wǎng)絡為了有效的節(jié)省能量，可以在傳感器節(jié)點收集數(shù)據(jù)的過程中，利用本地計算和存儲能力將數(shù)據(jù)進行融合，取出冗余信息，從而達到節(jié)省能量的目的。數(shù)據(jù)融合可以在多個層次中進行。在應用層中，可以應用分布式數(shù)據(jù)庫技術(shù)，對數(shù)據(jù)進行篩選，達到融合效果。在網(wǎng)絡層中，很多路由協(xié)議結(jié)合了數(shù)據(jù)融合技術(shù)來減少數(shù)據(jù)傳輸量。MAC層也能減少發(fā)送沖突和頭部開銷來達到節(jié)省能量的目的。當然，數(shù)據(jù)融合是以犧牲延時等代價來換取能量的節(jié)約。
4.2 無線傳感器網(wǎng)絡的應用
無線傳感器網(wǎng)絡的應用前景非常廣闊，隨著無線傳感器網(wǎng)絡的深入研究和廣泛應用，無線傳感器網(wǎng)絡將逐漸深入到人類生活的各個領(lǐng)域。
4.2.1 軍事方面
傳感器網(wǎng)絡具有可快速部署，可自組織，隱蔽性強和高容錯等特點，因此非常適合在軍事上應用。傳感器網(wǎng)絡是由大量隨機分布的節(jié)點組成，即使一部分傳感器網(wǎng)絡節(jié)點被敵方破壞，剩下的節(jié)點依然能夠自組織地形成網(wǎng)絡。利用傳感器網(wǎng)絡能夠?qū)崿F(xiàn)對敵軍兵力和裝備的監(jiān)控，戰(zhàn)場的實時監(jiān)視，目標的定位，戰(zhàn)場評估，核攻擊和生物化學攻擊的監(jiān)測和搜索等功能。例如，傳感器網(wǎng)絡可以通過分析采集到的數(shù)據(jù)，得到十分準確的目標定位，從而為火控和制導系統(tǒng)提供準確的制導。利用生物和化學傳感器，可以準確地探測到生化武器的成分，及時提供情報信息，有助于正確防范和實施有效的反擊。
4.2.2 環(huán)境科學
隨著人們對于環(huán)境的日益關(guān)注，環(huán)境科學所涉及的范圍越來越廣泛。通過傳統(tǒng)方式采集原始數(shù)據(jù)是一件困難的工作。傳感器網(wǎng)絡為野外隨機性的研究數(shù)據(jù)獲取提供了方便，比如，跟蹤候鳥和昆蟲的遷移，研究環(huán)境變化對農(nóng)作物的影響，監(jiān)測海洋、大氣和土壤的成分等。此外，傳感器網(wǎng)絡也可以應用在精細農(nóng)業(yè)中，以監(jiān)測農(nóng)作物中的害蟲、土壤的酸堿度和施肥狀況等。傳感器網(wǎng)絡還有一個重要應用就是生態(tài)多樣性的描述，能夠進行動物棲息的生態(tài)監(jiān)控。
4.2.3 智能家居
無線傳感器網(wǎng)絡還能夠應用在家居系統(tǒng)中。例如，2004年3月英特爾公司演示了家庭護理的無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過在鞋、家具以家用電器等設(shè)備中嵌入半導體傳感器，幫助老齡人士、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理。智能家居網(wǎng)絡系統(tǒng)是將家庭中各種與信息有關(guān)的通訊設(shè)備、家用電器和家庭保安裝置通過家庭總線技術(shù)連接到一個家庭智能化系統(tǒng)上進行集中的或者異地的監(jiān)視、控制和家庭事務性管理，并保持家庭設(shè)施與住宅環(huán)境的和諧與協(xié)調(diào)的系統(tǒng)。
4.2.4 醫(yī)療健康
如果在住院病人身上安裝特殊用途的傳感器節(jié)點，如心率和血壓監(jiān)測設(shè)備，利用傳感器網(wǎng)絡，醫(yī)生就可以隨時了解被監(jiān)護病人的病情，進行及時處理。還可以利用傳感器網(wǎng)絡長時間地收集人的生理數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)在研制新藥品的過程中是非常有用的，而安裝在被監(jiān)測對象身上的微型傳感器也不會給人的正常生活帶來不便。此外，在藥物管理等諸多方面，它也有新穎而獨特的應用?？傊?，傳感器網(wǎng)絡為未來的遠程醫(yī)療提供了更加方便、快捷的技術(shù)實現(xiàn)手段。
4.2.5 空間探索
探索外部星球一直是人類夢寐以求的理想，借助于航天器布撒的傳感器網(wǎng)絡節(jié)點實現(xiàn)對星球表面長時間的監(jiān)測，應該是一種經(jīng)濟可行的方案。NASA的JPL實驗室研制的Sensor Webs就是為將來的火星探測進行技術(shù)準備的，已在佛羅里達宇航中心周圍的環(huán)境監(jiān)測項目中進行測試和完善。
4.2.6 其他商業(yè)應用
自組織、微型化和對外部世界的感知能力是傳感器網(wǎng)絡的三大特點，這些特點決定了傳感器網(wǎng)絡在商業(yè)領(lǐng)域應該也會有不少的機會。比如，嵌入家具和家電中的傳感器與執(zhí)行機構(gòu)組成的無線網(wǎng)絡與Internet連接在一起將會為我們提供更加舒適、方便和具有人性化的智能家居環(huán)境；城市車輛監(jiān)測和跟蹤系統(tǒng)中成功地應用了傳感器網(wǎng)絡；美國某研究機構(gòu)正在利用傳感器網(wǎng)絡技術(shù)為足球裁判研制一套輔助系統(tǒng)，以減小足球比賽中越位和進球的誤判率，這套設(shè)備現(xiàn)在已經(jīng)研制成功。此外，在災難拯救、倉庫管理、交互式博物館、交互式玩具、工廠自動化生產(chǎn)線等眾多領(lǐng)域，無線傳感器網(wǎng)絡都將會孕育出全新的設(shè)計和應用模式。
5結(jié)束語
由于具有覆蓋區(qū)域廣闊、監(jiān)測高精度、可遠程監(jiān)控、可快速部署、可自組織和高容錯性等特點，盡管目前無線傳感器網(wǎng)絡仍處于初步應用階段，網(wǎng)絡安全研究等方面還面臨著許多不確定的因素和有待解決的問題，但已經(jīng)展示出了非凡的應用價值。相信在不久的將來，會對人們的生產(chǎn)生活起到不可估量的作用。
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關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡；網(wǎng)絡管理；拓撲結(jié)構(gòu)；節(jié)能
中圖分類號：TP393文獻標識碼：A文章編號：1009-3044(2007)18-31534-02
Network Management of Wireless Sensor Networks
DU Jing-lin1,SHI Lan2
(1.Nanjing University of Information Science and Technology Department of Electronic and information Engineering,Nanjing 21004,China;2. Department of Remote sensing,Nanjing 21004,China)
Abstract:Wireless sensor networks are networks consisting of small sensors that are limited in both power and processing. These sensor networks are often used in monitoring applications, such as the environment, structures and animal habitats. Network management is key function in all of networks, including sensor networks. The nature of wireless sensor networks makes networks management a more difficult than that of traditional networks. One main property of network management of sensor networks is topology management. This paper gives a brief background on network management and how it is used into sensor networks. It provides a more detailed look at topology management and some existing topology management algorithms.
Key words:Wireless sensor networks;network management;topology management;Energy conserving
1 概述
無線傳感器網(wǎng)路是由許多能量和處理能力有限的傳感器節(jié)點組成。這種網(wǎng)絡能夠用在許多不同的應用，包括環(huán)境監(jiān)測、軍事應用、結(jié)構(gòu)控制與監(jiān)測、野生動物習性的監(jiān)測等。無線傳感器網(wǎng)絡在這些應用面臨著許多挑戰(zhàn)，其中最主要的問題是能力消耗問題。傳感器網(wǎng)絡是典型的無人看護網(wǎng)絡，并且緊靠有限電池供電，因此節(jié)省能量是部署傳感器網(wǎng)絡非常關(guān)鍵的問題。
所有類型的網(wǎng)絡都需要管理和維護。所有的網(wǎng)絡管理都需要一些網(wǎng)絡的管理形式，不同類型網(wǎng)絡可能強調(diào)網(wǎng)絡網(wǎng)絡管理的不同方面。在網(wǎng)絡的管理上通常有以下幾種的不同的管理結(jié)構(gòu)：集中式的管理、層次式的管理結(jié)構(gòu)，分布式的管理結(jié)構(gòu)。在集中式管理中，一個中心服務器用來執(zhí)行網(wǎng)絡管理應用角色；在層次式管理中，包括多個管理平臺，通常有一個服務器和多個客戶端組成網(wǎng)絡管理應用；為了實現(xiàn)分布式網(wǎng)絡管理功能需要分布式管理體系結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)也適合無線傳感器網(wǎng)絡的網(wǎng)絡管理，在這種結(jié)構(gòu)中，網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)利用多個對等平臺來共同管理任務。這種結(jié)構(gòu)可以提供更好的擴展性、可用性和可靠性。
2 網(wǎng)絡管理
無線傳感器網(wǎng)絡的網(wǎng)絡管理與傳統(tǒng)網(wǎng)絡的網(wǎng)絡管理相似，有著相同的管理任務不同的管理方式。例如，性能管理也包括監(jiān)測網(wǎng)絡保證網(wǎng)絡的覆蓋與連接。傳感器網(wǎng)絡中的安全管理非常困難，因為網(wǎng)絡的自組織特點，采用無線通信以及資源有限。傳感器網(wǎng)絡中的管理一個主要目標是自主性，特別是在故障管理和自動配置中十分重要。由于傳感器網(wǎng)絡是無人看護網(wǎng)絡，自主發(fā)現(xiàn)錯誤，自主修復的能力就非常重要；另一個主要問題是，當網(wǎng)絡中一個節(jié)點實效后，不能影響整個網(wǎng)絡的操作，不像傳統(tǒng)網(wǎng)絡設(shè)備出現(xiàn)故障后會影響一些用戶甚至整個網(wǎng)絡。
在傳感器網(wǎng)絡中的網(wǎng)絡管理有一些新的功能，其中包括拓撲管理、能量管理以及編程管理。節(jié)省能量是傳感器網(wǎng)絡中的一個重要方面。節(jié)能可以在網(wǎng)絡管理的不同層面和不同方式下進行。其中最通用的辦法是當節(jié)點空閑關(guān)閉電源，現(xiàn)在又許多協(xié)議和算法建立都是為了節(jié)省能力。例如，為傳感器網(wǎng)絡開發(fā)的特別的MAC協(xié)議和路由協(xié)議，當傳輸數(shù)據(jù)時，高效的節(jié)省電池的能量。編程和代碼管理是傳感器網(wǎng)絡中的另一個主要功能。傳統(tǒng)的程序升級等功能是通過把節(jié)點連接到手提電腦或者PDA等設(shè)備上來實現(xiàn)，但是在大規(guī)模的網(wǎng)絡管理中，這種方式很不顯示現(xiàn)實，這就需要當某些節(jié)點需要更新程序時，通過網(wǎng)絡把有限的數(shù)據(jù)報通過自組織網(wǎng)絡傳送過去。目前在程序升級領(lǐng)域也是一個非?；钴S的研究方向。在無線傳感器網(wǎng)絡的網(wǎng)絡管理中還有一些主要的思想與傳統(tǒng)網(wǎng)絡不同。節(jié)省能量是傳感器網(wǎng)絡的主要問題，次之就是如何高效利用帶寬。一種方法就是通過提取網(wǎng)絡一部分節(jié)點的管理信息來實現(xiàn)整個網(wǎng)絡的管理。節(jié)省能力和有效利用帶寬的一個主要辦法就是數(shù)據(jù)聚集。在傳感器網(wǎng)絡中一個網(wǎng)絡節(jié)點和其鄰居節(jié)點都采集數(shù)據(jù)，通過比較和數(shù)據(jù)聚集的辦法，只傳送一個數(shù)據(jù)信息，消除冗余節(jié)點的數(shù)據(jù)，采用一定的數(shù)據(jù)收集策略，就可以大大減少數(shù)據(jù)信息的傳送量，起到節(jié)省能量和帶寬的目的。傳統(tǒng)網(wǎng)絡管理是集中式的應用，而無線傳感器網(wǎng)絡是分布式的架構(gòu)。網(wǎng)絡管理不應該就是收集所有節(jié)點的數(shù)據(jù)，然后無線的傳送到中心管理節(jié)點上，在中更應該采用網(wǎng)內(nèi)處理辦法，采用合適的數(shù)據(jù)聚集算法，來減少數(shù)據(jù)傳輸，減少能量消耗和帶寬的開銷。
3 網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)管理
無線傳感器網(wǎng)絡的主要問題是節(jié)能，而這也正是拓撲管理的主要的目標。拓撲管理的另一個主要目標是拓撲控制，也就是保證網(wǎng)絡的連通性。在無線傳感器網(wǎng)絡中拓撲管理主要有三個方面的想法：拓撲發(fā)現(xiàn)、睡眠周期管理和成簇管理方法。根據(jù)文獻[3]，可知在無線傳感器網(wǎng)絡中的拓撲管理主要有以下六個特點：1）對稱性2）連通性3）生成性4）分散性5）低度性6）低干擾性。
3.1拓撲發(fā)現(xiàn)
拓撲發(fā)現(xiàn)包括一個基站和整個網(wǎng)絡節(jié)點網(wǎng)絡的拓撲結(jié)構(gòu)和組織。網(wǎng)絡中節(jié)點之間的物理連接情況或者節(jié)點之間的邏輯關(guān)系信息傳輸?shù)焦芾砉?jié)點上，用來維護整個傳感器網(wǎng)絡的拓撲結(jié)構(gòu)圖?；净蛘吖芾碚军c向整個網(wǎng)絡發(fā)出拓撲發(fā)現(xiàn)請求，網(wǎng)絡上的節(jié)點通過網(wǎng)絡將相關(guān)信息傳送回來。在拓撲發(fā)現(xiàn)中主要兩種方法，一種方法是采用直接的辦法，節(jié)點一旦接受請求信息就立即傳送包含特定節(jié)點信息的響；另一種方法是采用聚集的辦法，這種辦法中，節(jié)點不是立即響應，而是等待其子孫節(jié)點將信息傳回來后，通過聚集然后將信息會傳給初始化節(jié)點。
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現(xiàn)有一些對拓撲發(fā)現(xiàn)問題的解決方法。例如TopDisc[1]算法使用樹結(jié)構(gòu)，樹的根節(jié)點是網(wǎng)絡監(jiān)測節(jié)點，用來發(fā)現(xiàn)整個網(wǎng)絡的拓撲。當一個拓撲發(fā)現(xiàn)的請求被傳送出去，節(jié)點的鄰居集就創(chuàng)建了。TopDisc算法在節(jié)點中創(chuàng)建了簇，并且標識簇頭節(jié)點用來報告整個網(wǎng)絡的拓撲結(jié)構(gòu)。這是一個近似于貪心的算法來發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡的覆蓋集，算法的開始是通過監(jiān)測節(jié)點廣播一個拓撲發(fā)現(xiàn)請求包，然后在整個網(wǎng)絡中傳播來實現(xiàn)的。TopDisc算法是近似于集中式的工作方式。該算法有一些可能的應用，如其可以用來報告幾個網(wǎng)絡圖，包括網(wǎng)絡連通圖、網(wǎng)絡可達圖等，還可以用來產(chǎn)生網(wǎng)絡節(jié)點的能量分布圖以及節(jié)點使用分布圖。
3.2睡眠周期管理
在無線傳感器網(wǎng)絡有些協(xié)議和算法通過讓一些冗余節(jié)點周期性的休眠來達到網(wǎng)絡節(jié)能的目的。這些算法主要是在一定周期內(nèi)來決定選取哪些節(jié)點集進入休眠狀態(tài)，而當休眠期結(jié)束，必須通過一定的機制來喚醒，以使其在下一輪進入工作狀態(tài)。因此維護傳感器網(wǎng)絡中節(jié)點的睡眠周期是這類算法協(xié)議的主要職責。
這種拓撲管理中的一個算法是STEM算法[4，5]，該算法中，節(jié)點在大部分時間里用來感知數(shù)據(jù)，一旦把數(shù)據(jù)發(fā)送出去，就把節(jié)點無線發(fā)射裝置關(guān)閉，因為無線通信是最主要的耗能源，等需要有數(shù)據(jù)時在開始通性設(shè)備。通常在這種算法要在傳感器節(jié)點上裝有兩個無線通信設(shè)備，其中第二個無線設(shè)備為低負載裝置，主要用來發(fā)送喚醒消息。在STEM算法中最主要的問題是延時，當網(wǎng)絡中一個節(jié)點要通過一個休眠節(jié)點將數(shù)據(jù)發(fā)送出去，必須等待其被喚醒才可以實現(xiàn)，帶來網(wǎng)絡的延遲，而在一些應用中，實時性是非常關(guān)鍵的。
3.3基于簇的管理
在現(xiàn)在有許多基于簇管理的算法用來拓撲管理。這些算法可以根據(jù)許多方式進行分類，如：基于位置信息和不基于位置信息的；分布式和集中的；基于節(jié)點ID和節(jié)點度的。我們通過對于基于簇的拓撲管理算法分析總結(jié)，按照一定特點歸結(jié)為表1。
3.4拓撲管理面臨的挑戰(zhàn)
傳感器網(wǎng)絡中的協(xié)議和算法的主要設(shè)計目標都是節(jié)能，這也是拓撲管理算法的目標。通過減少能量的消耗來最大化網(wǎng)絡的生命周期。算法的維護開銷應該最小化，如果算法中不要求位置信息和時間同步，這將是對能量節(jié)省是非常有利的。在實際的應用場景中，移動性是需要的，因此在未來的研究中，能夠支持移動性以及由于某些節(jié)點實效而要求算法的魯棒性都是十分必要的。
4 總結(jié)與展望
網(wǎng)絡管理是所有類型網(wǎng)絡中都非常關(guān)鍵的功能。在傳統(tǒng)的有線網(wǎng)絡中，網(wǎng)絡管理是由服務器控制的典型集中式結(jié)構(gòu)，主要包括了網(wǎng)絡故障管理、配置管理、安全管理、性能管理以及賬戶的管理。
無線傳感器網(wǎng)絡中包括有許多傳感器節(jié)點，并且受到了電源和能量的制約。網(wǎng)絡管理在無線傳感器網(wǎng)絡是非常關(guān)鍵的，采用分布式的運行方式更為實際。傳感器網(wǎng)絡中網(wǎng)絡管理主要包括了能量管理、編程管理以及拓撲管理。而在拓撲管理中主要可以通過定時讓一些節(jié)點進入休眠周期來達到節(jié)能的目的，通過簇管理算法來實現(xiàn)網(wǎng)絡的穩(wěn)定性與節(jié)點。目前已經(jīng)有了許多相關(guān)的算法，未來需要更加魯棒、更加節(jié)能的算法，在該領(lǐng)域還有許多工作亟待解決。
表1 無線傳感器網(wǎng)絡簇結(jié)構(gòu)算法
參考文獻：
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【關(guān)鍵詞】無線傳感器網(wǎng)絡;特點;應用
0.引言
隨著傳感器技術(shù)、微電子技術(shù)、嵌入式計算技術(shù)和通信技術(shù)等幾種技術(shù)的融合和匯聚，具有感知信息、數(shù)據(jù)處理、存儲和通信能力的微型傳感器被應用于國防軍事、工業(yè)生產(chǎn)、環(huán)境監(jiān)測等多個領(lǐng)域。無線傳感器網(wǎng)絡(Wireless Sensor Networks ,WSN)是由一組稠密布置的微型傳感器組成的無線自組織網(wǎng)絡，其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡覆蓋的地理區(qū)域內(nèi)感知對象的信息，并給觀察者。相對于有線傳感器網(wǎng)絡而言，無線傳感器網(wǎng)絡具有成本低、應用靈活、部署快速等優(yōu)點，具有很大的應用空間。無線傳感器網(wǎng)絡已在軍事、安全、環(huán)境、工業(yè)、交通、健康和家居等領(lǐng)域，有著廣泛的應用。
1.無線傳感器網(wǎng)絡的體系結(jié)構(gòu)及特點
1.1無線傳感器網(wǎng)絡的結(jié)構(gòu)
無線傳感器網(wǎng)絡由大量集傳感與驅(qū)動控制、計算存儲、通信于一體的的嵌入式傳感器節(jié)點構(gòu)成。這些傳感器節(jié)點通常包括傳感器節(jié)點、網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器節(jié)點和應用管理器節(jié)點。應用時，傳感器節(jié)點分布在不同的角落，采集節(jié)點周邊的溫度、濕度、光強度、噪聲、壓力、速度等物理信息，各傳感器節(jié)點將采集到的信息發(fā)送給特定的對象。圖1為無線傳感器網(wǎng)絡的結(jié)構(gòu)。
圖1 無線傳感器網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)
傳感器節(jié)點具有信息采集和處理的能力，是由傳感器模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和無線通信模塊組成的微系統(tǒng)。傳感器模塊負責采集外界環(huán)境的物理信息并將物理信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號；數(shù)據(jù)處理模塊對數(shù)字信號進行編碼等處理；無線通信模塊負責將信息傳送到網(wǎng)絡中。傳感器節(jié)點實質(zhì)是以自組織的形式構(gòu)成無線網(wǎng)絡。網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器節(jié)點具有信息處理能力和網(wǎng)絡管理能力，實現(xiàn)傳感器節(jié)點與應用管理器節(jié)點之間信息的交換。應用管理器節(jié)點是用戶于傳感器網(wǎng)絡的接口。用戶通過應用管理器節(jié)點實現(xiàn)處理無線傳感器網(wǎng)絡采集到的信息和向無線傳感器網(wǎng)絡應用指令的交互。
1.2無線傳感器的特點
無線傳感器網(wǎng)絡能夠得到廣泛的應用，因其具有以下特點：
1.2.1節(jié)點規(guī)模大、節(jié)點體積小
無線傳感器網(wǎng)絡中傳感器節(jié)點密度高，數(shù)量巨大，可能達到幾百、幾千萬，甚至更多。體積小是無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點一個重要特點，也是實現(xiàn)大量部署的內(nèi)在要求。
1.2.2自組織
無線傳感器網(wǎng)絡根據(jù)組網(wǎng)機制和網(wǎng)絡協(xié)議自動對網(wǎng)絡進行配置和管理，傳感器節(jié)點有自組織能力，能夠自動形成無線通信系統(tǒng)不需要固定的基礎(chǔ)設(shè)施作為網(wǎng)絡樞紐。
1.2.3能適應復雜環(huán)境
傳感器網(wǎng)絡主要分布在各種條件惡劣的環(huán)境，如軍事邊界或者一些人員難以進入地區(qū)。同時，節(jié)點容易受高山、建筑物、障礙物等地勢地貌以及風雨雷電等自然環(huán)境的影響。
1.2.4部署容易且成本低
只需要在目標區(qū)域進行隨機部署，不需要指定特定的位置。相對于有線網(wǎng)絡傳輸，無線網(wǎng)絡傳輸降低了各種成本。
1.2.5可靠性高
無線傳感器節(jié)點資源有限，其生命周期主要取決于電池。對無線傳感器節(jié)點進行維護、回收和替換的可能性很小。因此，無線傳感器網(wǎng)絡要具有信息傳輸?shù)母叨瓤煽啃院蛯?jié)點失效的高度容錯性。
2.無線傳感器網(wǎng)絡的應用
2.1軍事建設(shè)
無線傳感器網(wǎng)絡以其快速布署、自組織和容錯等特點，成為軍事通信控制系統(tǒng)的重要組成部分，可用于兵力、裝備彈藥和物資的監(jiān)控，陣地和敵情的偵查，戰(zhàn)場的監(jiān)視，生物化學攻擊的判斷、目標的指示，戰(zhàn)損的評估等。
2.2工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)
通過傳感器監(jiān)測設(shè)備的震動、和磨損情況，可以迅速得到設(shè)備的健康狀態(tài);通過在生產(chǎn)線上布署傳感器網(wǎng)絡，可以方便的實現(xiàn)在線質(zhì)量控制。無線傳感器網(wǎng)絡為提高設(shè)備性能、提升產(chǎn)品質(zhì)量、降低成本，提供了一種很好的技術(shù)方案。
我國是一個農(nóng)業(yè)大國，深化現(xiàn)代技術(shù)在農(nóng)業(yè)中的應用，對推進我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)業(yè)化和現(xiàn)代化進程具有重要作用。將無線傳感器網(wǎng)絡技術(shù)應用于現(xiàn)代農(nóng)業(yè)，可實現(xiàn)農(nóng)業(yè)信息采集以及遠程傳輸，為科學決策提供可靠依據(jù)。
2.3環(huán)境監(jiān)測
在環(huán)境科學研究中，無線傳感器網(wǎng)絡為大規(guī)模野外數(shù)據(jù)采集和氣候氣象監(jiān)測提供了便利，可用于跟蹤候鳥、小型動物和昆蟲的遷徙地球探測，林火和洪水監(jiān)測等。如美國Berkley等單位在美國緬因州的GreatDuck島對海燕棲息地的生態(tài)環(huán)境監(jiān)測；肯尼亞MPala研究中心對大規(guī)模野生動物(野馬，斑馬等)的棲息地進行考察研究；挪威對冰河觀測以了解地球氣候的變化。
2.4安全監(jiān)控
通過在監(jiān)控藏所部署無線傳感器網(wǎng)絡，利用場所附近的聲音、震動、光、溫度等物理信息的變化，了解被監(jiān)控對象的狀態(tài)，來防止非法入侵、安全事故等。目前應用較多的是煤礦、電站、通信樞紐、行政中心等。如實時監(jiān)控煤礦井下環(huán)境來進行災害預警，實時監(jiān)控井下人員和設(shè)備的位置來對其進行資源調(diào)度，并為災后的輔助救援提供支持。
2.5智能交通
將無線傳感器網(wǎng)絡應用到智能交通系統(tǒng)，作為它的一個信息采集和通信子系統(tǒng)。這個子系統(tǒng)充分利用了無線傳感網(wǎng)絡覆蓋范圍廣、靈活性好和易于大規(guī)模部署等特點，來采集全路段的車輛和路面信息。相對于有線交通信息采集通信系統(tǒng)而言，大幅度地降低現(xiàn)有交通監(jiān)控網(wǎng)絡的成本。通過車載和道路傳感器的配合，駕駛者和交通控制人員可以實時地了解路況和交通信息。布置于道路上的速度識別傳感器，可以監(jiān)測交通流量等信息，為出行者提供信息服務，并且在發(fā)現(xiàn)違章時能及時報警和記錄。 （下轉(zhuǎn)第143頁）
（上接第131頁）2.6醫(yī)療健康
利用無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點體積小、易于植入和便于攜帶等特點，其可以用于醫(yī)院藥品控制、病人生命體征不間斷采集和監(jiān)測等領(lǐng)域。
2.7教育教學
無線傳感器網(wǎng)絡作為計算機最前沿技術(shù)之一，是泛在學習的技術(shù)支撐。無線傳感器網(wǎng)絡的網(wǎng)絡實時性、網(wǎng)絡自組性等為我們未來的學習方式以及教學開辟了新的思路。如乒乓球訓練田、足球裁判輔助系統(tǒng)等可以提高教學效果。
2.8家居生活
通過布置于房間內(nèi)、家電中的無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點，實現(xiàn)自組織無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)，感知居室不同部分的溫度、濕度、光照、空氣成分等信息，從而對空調(diào)、門窗以及其他家電進行自動控制，同時可實現(xiàn)家電之間的交互和遠程控制，提供給人們舒適的居住環(huán)境。
3.結(jié)語
無線傳感器網(wǎng)絡融合了微機電、傳感器、嵌入式計算、網(wǎng)絡技術(shù)、無線通信和信息處理等技術(shù)，知識高度集成，創(chuàng)新度高，是在國際上前沿熱點研究領(lǐng)域之一，應用前景廣闊，對國家安全、社會進步、經(jīng)濟發(fā)展意義重大。這種多學科交叉融合的研究給人們提出了不少新的挑戰(zhàn)，無線傳感器網(wǎng)絡技術(shù)的發(fā)展還有許多要攻克的難題。
【參考文獻】
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關(guān)鍵詞：傳感器；物聯(lián)網(wǎng)；無線傳感器網(wǎng)絡
中圖分類號：TP393
文獻標識碼：A
1．引言
無線傳感器網(wǎng)絡和物聯(lián)網(wǎng)是比較新的技術(shù)領(lǐng)域，而且受到全社會的普遍關(guān)注。近年來，世界上某些發(fā)達國家加大投入，研究開發(fā)這方面的應用，積極攻克在標準上、技術(shù)和應用上的尖端技術(shù)。我國也把這項技術(shù)發(fā)展列入國家中長期科技發(fā)展規(guī)劃，以致當前的無線網(wǎng)絡得以飛速發(fā)展。在實現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展過程中，應該認清形勢，積極創(chuàng)造條件，加快發(fā)展和應用該項技術(shù)。
2．無線傳感網(wǎng)與物聯(lián)網(wǎng)的構(gòu)成
2.1 無線傳感器網(wǎng)絡的構(gòu)成
無線傳感器網(wǎng)絡（Wireless Sensor Network）是由大量傳感器節(jié)點通過無線通信方式形成的一個多跳的自組織網(wǎng)絡系統(tǒng)。它能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、量化、處理、融合和傳輸。它綜合了微電子技術(shù)、嵌入式計算技術(shù)、現(xiàn)代網(wǎng)絡和無線通信技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)等先進技術(shù)，能夠協(xié)同的實時監(jiān)測、感知和采集網(wǎng)絡覆蓋區(qū)域中的各種環(huán)境或監(jiān)測對象的信息，并對其進行處理。
無線傳感器網(wǎng)絡是由傳感器網(wǎng)絡節(jié)點構(gòu)成的。應用和監(jiān)測物理信號的不同決定了傳感器的類型，另外節(jié)點的功能和組成也不盡相同。無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的基本組成和功能包括如下幾個單元：傳感單元(由各種不同類型的傳感器和模數(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。也可以選擇其它功能單元如定位系統(tǒng)、移動系統(tǒng)等。
2.2 物聯(lián)網(wǎng)的構(gòu)成
物聯(lián)網(wǎng)（Internet of things），是指通過各種手段，將現(xiàn)實世界的物理信息進行自動化、實時性、大范圍、全天候的標記、采集、匯總和分析，并在必要時進行反饋控制的網(wǎng)絡系統(tǒng)。它是通過標準的協(xié)議，依靠自動識別技術(shù)，通過計算機互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)物品的自動識別和信息的共享?；蛘吆唵蔚恼f，即是通過裝置在各類物體上的電子標簽或稱射頻識別(RFID)，傳感器、二維碼等，經(jīng)過接口與無線網(wǎng)絡相連，從而給物體賦予智能和通訊能力，這種將物體聯(lián)接起來的網(wǎng)絡被稱為“物聯(lián)網(wǎng)”。
物聯(lián)網(wǎng)絡技術(shù)是多種技術(shù)的綜合應用。在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中應用到的技術(shù)主要包括：傳感器技術(shù)、射頻識別技術(shù)、二維碼技術(shù)、微機電系統(tǒng)等。物聯(lián)網(wǎng)主要由六方面組成:EPC編碼、EPC標簽、射頻識讀器、Savant(神經(jīng)網(wǎng)絡軟件)、對象名解析服務(Object Naming Ser-vice，ONS)和實體標記語言(Physical Markup Language， PML)。
2.2.1 EPC編碼
EPC編碼是物聯(lián)網(wǎng)的重要組成部分。它是對實體及實體的相關(guān)信息進行代碼化.通過統(tǒng)一并規(guī)范化的編碼建立全球通用的信息交換語言。
2.2.2 射頻識讀器
在射頻識別系統(tǒng)中，射頻讀寫器是將標簽中的信息讀出，或?qū)撕炈枰鎯Φ男畔懭霕撕灥难b置。讀寫器讀出的標簽的信息通過計算機及網(wǎng)絡系統(tǒng)進行管理和信息傳輸。
2.2.3 神經(jīng)網(wǎng)絡軟件(Savant)
每件產(chǎn)品都加上射頻識別（RFID）標簽之后，在產(chǎn)品的生產(chǎn)、運輸和銷售過程中，識讀器將不斷收到一連串的產(chǎn)品電子編碼。整個過程中最為重要、同時也是最困難的環(huán)節(jié)就是傳送和管理這些數(shù)據(jù)。Auto-ID中心提出一種名叫Savant的軟件中間件技術(shù)，相當于該新式網(wǎng)絡的神經(jīng)系統(tǒng)，負責處理各種不同應用的數(shù)據(jù)讀取和傳輸。
2.2.4 對象名解析服務(Object Name Service，ONS)
EPC標簽對于一個開放式的、全球性的追蹤物品的網(wǎng)絡需要一些特殊的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)。因為標簽中只存儲了產(chǎn)品電子代碼，計算機還需要一些將產(chǎn)品電子代碼匹配到相應商品信息的方法。這個角色就由對象名稱解析服務擔當，它是一個自動的網(wǎng)絡服務系統(tǒng)。
2.2.5 實體標記語言(Physical Mark up Language，PML)
EPC產(chǎn)品電子代碼識別單品，但是所有關(guān)于產(chǎn)品有用的信息都用一種新型的標準計算機語言— 實體標記語言(PML)所書寫，PML是基于為人們廣為接受的可擴展標識語言(XML)發(fā)展而來的。PML提供了一個描述自然物體，過程和環(huán)境的標準，并可供工業(yè)和商業(yè)中的軟件開發(fā)、數(shù)據(jù)存儲和分析工具之用。它將提供一種動態(tài)的環(huán)境，使與物體相關(guān)的靜態(tài)的、暫時的、動態(tài)的和統(tǒng)計加工過的數(shù)據(jù)可以互相交換。它將會成為描述所有自然物體、過程和環(huán)境的統(tǒng)一標準，PML的應用將會非常廣泛，并且進入到所有行業(yè)。
3．無線傳感器網(wǎng)絡和物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展現(xiàn)狀
雖然物聯(lián)網(wǎng)的概念在我國最近才得到廣泛關(guān)注，但物聯(lián)網(wǎng)的應用很早就在我國開展。在RFID方面，2009年中國RFID產(chǎn)業(yè)市場規(guī)模達110億元，相比2008年增長36.8%，已用于物流、城市交通、工業(yè)生產(chǎn)、食品追溯、移動支付等方面。
隨著3G網(wǎng)絡的使用，各運營商推出了移動支付方式。如中國電信目前采用RFID技術(shù)的UIM卡開通移動支付永久免費優(yōu)惠活動。該項技術(shù)預計未來年增長率將超過60%，在智能樓宇、路燈監(jiān)控等方面得到廣泛應用。
