第四章無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)第三章無線傳感器網(wǎng)絡(luò)趙建立山東科技大學(xué)普適計(jì)算未來計(jì)算將充斥于我們的日常生活中的每個(gè)角落智能空間(Ambientintelligence)/普適計(jì)算(Ubiquitouscomputing)大量不同種設(shè)備采集、處理來自不同來源的信息以供控制實(shí)際過程并與用戶交互?智能空間所需信息的來源：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)?這些由單個(gè)節(jié)點(diǎn)組成的網(wǎng)絡(luò)需要相互合作完成指定任務(wù)。

?節(jié)點(diǎn)間通過無線通信完成相互的合作無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是實(shí)現(xiàn)智能空間的重要組成部分信息獲取與信息發(fā)布有線方式連接：高額費(fèi)用和使用局限性WSN概述

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WirelessSensorNetwork,WSN）系統(tǒng)是當(dāng)前在國際上備受關(guān)注的、涉及多學(xué)科高度交叉、知識高度集成的前沿?zé)狳c(diǎn)研究領(lǐng)域。它綜合了傳感器技術(shù)、嵌入式計(jì)算技術(shù)、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)及無線通信技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)等。

MEMS技術(shù)對WSN的推動(dòng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WirelessSensorNetwork,WSN)是物聯(lián)網(wǎng)的一個(gè)重要的組成部分，是物聯(lián)網(wǎng)的感知控制層中實(shí)現(xiàn)“物”的信息采集、“物”與“物”之間相互通信的重要技術(shù)手段。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是狹義上的物聯(lián)網(wǎng)，它是物聯(lián)網(wǎng)的雛形、是物質(zhì)基礎(chǔ)之一，同時(shí)也必然是泛在網(wǎng)的重要基礎(chǔ)。5.1概述5.1.1無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的概念與特點(diǎn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WirelessSensorNetwork,WSN）就是由部署在檢測區(qū)域內(nèi)大量的廉價(jià)衛(wèi)星傳感器節(jié)點(diǎn)組成，通過無線通信方式形成的一個(gè)多跳的自組織的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中感知的對象信息，并發(fā)送給觀察者。構(gòu)成WSN的三要素：傳感器、感知對象、觀察者。1）無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的概念傳感器之間、傳感器與觀察者之間是以的無線網(wǎng)絡(luò)的通信方式進(jìn)行通信的，通過無線網(wǎng)絡(luò)在傳感器與觀察者之間建立通信路由。協(xié)作感知，采集和處理信息是傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本功能。由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的部分或者全部節(jié)點(diǎn)是可移動(dòng)，因此無線傳感器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也會隨著節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)而發(fā)生改變。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間以Adhoc方式進(jìn)行通信，每個(gè)節(jié)點(diǎn)即可以作為終端來實(shí)現(xiàn)感知功能，又可作為路由器來執(zhí)行動(dòng)態(tài)搜索，定位和恢復(fù)連接的功能。

AdHoc源于拉丁語，引申為一種有特殊用途的網(wǎng)絡(luò)。IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)委員會采用了“Adhoc網(wǎng)絡(luò)”一詞來描述這種特殊的自組織對等式多跳移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)。2）無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)（1）無線傳感器結(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)一個(gè)無線傳感器結(jié)點(diǎn)一般由傳感器模塊、處理器模塊、無線通信模塊和電源模塊四部分構(gòu)成，如圖所示。（2）無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（3）無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議體系結(jié)構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議體系是對網(wǎng)絡(luò)及其部件應(yīng)完成功能的定義與描述。它由網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議、傳感器網(wǎng)絡(luò)管理以及應(yīng)用支撐技術(shù)組成，其結(jié)構(gòu)如圖5.3所示。分層的網(wǎng)絡(luò)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(luò)層、傳輸層和應(yīng)用層組成。物理層的功能包括信道選擇、無線信號的監(jiān)測、信號的發(fā)送與接收等。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采用的傳輸方式可以是無線、紅外或者光波等。物理層的設(shè)計(jì)目標(biāo)是以盡可能少的能量損耗獲得較大的鏈路容量。數(shù)據(jù)鏈路層的主要任務(wù)是建立一條無差錯(cuò)的通信鏈路，該層一般包括媒體訪問控制(MAC)子層與邏輯鏈路控制(LLC)子層，其中MAC層規(guī)定了不同用戶如何共享信道資源，LLC層負(fù)責(zé)向網(wǎng)絡(luò)層提供統(tǒng)一的服務(wù)接口。網(wǎng)絡(luò)層的主要功能是完成分組路由、網(wǎng)絡(luò)互連等功能。傳輸層負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)流的傳輸控制，提供可靠高效的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)。網(wǎng)絡(luò)管理技術(shù)主要是對傳感器節(jié)點(diǎn)自身的管理以及用戶對傳感器網(wǎng)絡(luò)的管理。網(wǎng)絡(luò)管理模塊是網(wǎng)絡(luò)故障管理、計(jì)費(fèi)管理、配置管理、性能管理的總和。其他還包括網(wǎng)絡(luò)安全模塊、移動(dòng)控制模塊、遠(yuǎn)程管理模塊。傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用支撐技術(shù)為用戶提供各種應(yīng)用支撐，包括時(shí)間同步、節(jié)點(diǎn)定位，以及向用戶提供協(xié)調(diào)應(yīng)用服務(wù)接口。 5.1.2無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用難點(diǎn)1）WSN的關(guān)鍵技術(shù)通信能力有限節(jié)點(diǎn)帶寬窄，而且經(jīng)常變化節(jié)點(diǎn)通信覆蓋范圍只有幾十到幾百米，而且經(jīng)常變化挑戰(zhàn)之一如何在如此有限通信能力的條件下,高質(zhì)量地完成感知數(shù)據(jù)的查詢、分析、挖掘與傳輸？在傳感器網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，發(fā)現(xiàn)最小化算法通信復(fù)雜性的機(jī)理是我們面臨的第一個(gè)挑戰(zhàn)問題！多源、多跳是主要通信方式多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)向一個(gè)目標(biāo)傳送信息一次多源信息傳輸需要多條由多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)組成的路徑挑戰(zhàn)之二如何為多源信息傳輸選擇優(yōu)化通信路徑？在傳感器網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，建立選擇優(yōu)化或近似優(yōu)化通信路徑的理論是我們面臨的第二個(gè)挑戰(zhàn)問題！節(jié)點(diǎn)移動(dòng)、斷接頻繁在移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)移動(dòng)頻繁節(jié)點(diǎn)間通信的斷接頻繁，導(dǎo)致通信失敗.經(jīng)常受到高山、建筑物、障礙物等地勢地貌以及風(fēng)雨雷電等自然環(huán)境的影響,因此傳感器可能會長時(shí)間脫離網(wǎng)絡(luò),離線工作挑戰(zhàn)之三通信路徑重構(gòu)成為突出問題？路由算法必須具有自適應(yīng)性？如何建立網(wǎng)絡(luò)隨機(jī)連通性的數(shù)據(jù)理論，為通信路徑重構(gòu)和自適應(yīng)路由算法設(shè)計(jì)奠定堅(jiān)實(shí)理論基礎(chǔ)是我們面臨的第三個(gè)挑戰(zhàn)問題？電源能量有限傳感器的電源能量極其有限由于電源能量的原因經(jīng)常失效或廢棄電源能量約束是傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的障礙現(xiàn)有電源部件不能滿足傳感器網(wǎng)絡(luò)的需要傳感器傳輸信息比執(zhí)行計(jì)算更消耗電能傳感器傳輸1位信息需要的電能足以執(zhí)行3000條計(jì)算指令挑戰(zhàn)之四如何傳感器網(wǎng)絡(luò)在工作過程中節(jié)省能，實(shí)現(xiàn)能源均衡，最大化網(wǎng)絡(luò)生命周期？建立能源復(fù)雜性和能源均衡理論是我們面臨的第四個(gè)挑戰(zhàn)性問題！計(jì)算能力有限傳感器網(wǎng)絡(luò)中傳感器通常都具有嵌入式處理器和存儲器，具有計(jì)算能力但是，處理器性能、存儲器容量和能源都很有限，導(dǎo)致傳感器的計(jì)算能力十分有限挑戰(zhàn)之五如何使用大量具有有限計(jì)算能力的傳感器設(shè)計(jì)能源有效的高性能分布式算法?

設(shè)計(jì)同時(shí)最小化能源、時(shí)間、空間和通信復(fù)雜性的分布式算法是我們面臨的第五個(gè)挑戰(zhàn)性問題！傳感器數(shù)量大、分布范圍廣傳感器網(wǎng)絡(luò)中傳感器節(jié)點(diǎn)密集，數(shù)量巨大，可能達(dá)到幾百、幾千萬，甚至更多傳感器網(wǎng)絡(luò)可以分布在很大區(qū)域，也可以分布在險(xiǎn)惡環(huán)境下傳感器數(shù)量大、分布廣的特點(diǎn)使得網(wǎng)絡(luò)的維護(hù)十分困難甚至不可維護(hù)挑戰(zhàn)之六如何使傳感器網(wǎng)絡(luò)軟硬件具有高強(qiáng)壯性和容錯(cuò)性是我們面臨的第六個(gè)挑戰(zhàn)性問題！大規(guī)模分布式觸發(fā)器很多傳感器網(wǎng)絡(luò)需要對感知對象進(jìn)行控制（如溫度控制）傳感器需要配備回控裝置和控制軟件我們稱回控裝置和控制軟件為觸發(fā)器挑戰(zhàn)之七如何管理成千上萬分布式觸發(fā)器是我們面臨的第七個(gè)挑戰(zhàn)性問題？感知數(shù)據(jù)流無限傳感器網(wǎng)絡(luò)每個(gè)傳感器都產(chǎn)生無限的流式數(shù)據(jù)，并具有實(shí)時(shí)性每個(gè)傳感器僅具有有限的存儲器和計(jì)算資源，難以處理巨大的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流挑戰(zhàn)之八如何設(shè)計(jì)高效率、能源有效、實(shí)時(shí)的海量感知數(shù)據(jù)流的查詢、分析和挖掘的分布式算法？以數(shù)據(jù)為中心傳感器網(wǎng)絡(luò)不是通常的網(wǎng)絡(luò)用戶感興趣的是數(shù)據(jù)而不是網(wǎng)絡(luò)和傳感器硬件用戶很少詢問“A節(jié)點(diǎn)到B節(jié)點(diǎn)的連接是如何實(shí)現(xiàn)的？”用戶經(jīng)常詢問“網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中那些地區(qū)出現(xiàn)毒氣？”傳感器網(wǎng)絡(luò)不是以地址為中心的用戶不會詢問“地址為27的傳感器的溫度是多少？”用戶感興趣是“某個(gè)地理位置的溫度是多少？”數(shù)據(jù)傳輸以聚集方式進(jìn)行,而不是地址到地址的路由傳感器網(wǎng)絡(luò)是以數(shù)據(jù)為中心的網(wǎng)絡(luò)把傳感器視為感知數(shù)據(jù)流或感知數(shù)據(jù)源把傳感器網(wǎng)絡(luò)視為感知數(shù)據(jù)空間或數(shù)據(jù)庫把數(shù)據(jù)管理和處理作為網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用目標(biāo)挑戰(zhàn)之九如何建立以數(shù)據(jù)為中心的傳感器網(wǎng)絡(luò)？以感知數(shù)據(jù)管理和處理為中心;

把數(shù)據(jù)管理和處理技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)融為一體;

為用戶提供有效的感知數(shù)據(jù)空間或感知數(shù)據(jù)庫;

使用戶如同使用通常的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)一樣自如地使用感知數(shù)據(jù).傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的理論和技術(shù)是我們面臨的第九個(gè)挑戰(zhàn)性問題！需要多種多樣的感知器物理傳感器生物傳感器化學(xué)傳感器……挑戰(zhàn)之十如何建立新感知器概念、理論、技術(shù)和各種新型感知器是我們面臨的第十個(gè)挑戰(zhàn)性問題？其他挑戰(zhàn)性問題傳感器的投放或撒播理論與技術(shù)傳感器的定位問題時(shí)鐘同步問題組網(wǎng)連通可靠性研究和探測覆蓋率研究傳感器網(wǎng)絡(luò)安全性問題和抗干擾問題信號的協(xié)作處理2）物聯(lián)網(wǎng)中無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的難點(diǎn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是物聯(lián)網(wǎng)的重要組成部分。物聯(lián)網(wǎng)中，除WSN外還有其他性能不同、通信方式不同的異構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)終端（感知控制設(shè)備），這些大量的異構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)終端與WSN共同構(gòu)成了一個(gè)復(fù)雜的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。WSN在與其他物聯(lián)網(wǎng)終端協(xié)同應(yīng)用會產(chǎn)生一些幾個(gè)方面的應(yīng)用難點(diǎn)：（1）承載通信網(wǎng)的異構(gòu)與互聯(lián)WSN結(jié)點(diǎn)通過與匯聚結(jié)點(diǎn)與現(xiàn)有的各種信息網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)是WSN應(yīng)用的難點(diǎn)之一。物聯(lián)網(wǎng)中的網(wǎng)絡(luò)傳輸層是以現(xiàn)有的各種承載通信網(wǎng)為基礎(chǔ)的信息網(wǎng)絡(luò)，各種承載通信網(wǎng)就其本質(zhì)而言，又是一個(gè)異構(gòu)的通信網(wǎng)，這些異構(gòu)網(wǎng)從傳輸媒質(zhì)、傳輸速率、透明性能方面都是不同的。承載通信網(wǎng)上的信息網(wǎng)必須采用各種適配技術(shù)來滿足承載網(wǎng)的傳送要求，這就使得信息網(wǎng)的結(jié)構(gòu)需要分層、需要采用各種協(xié)議的相互轉(zhuǎn)換及適配。而WSN的加入又使得異構(gòu)的復(fù)雜度增加，因此在互聯(lián)時(shí)會產(chǎn)生較大的難度，如何以簡便的方式實(shí)現(xiàn)互聯(lián)是WSN應(yīng)用與物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)難點(diǎn)之一。（2）異構(gòu)終端間的通信與互聯(lián)在物聯(lián)網(wǎng)中，往往需要進(jìn)行終端之間的通信，常規(guī)的方式是通過網(wǎng)絡(luò)傳輸層后在應(yīng)用層進(jìn)行通信交互。當(dāng)異構(gòu)終端相互通信時(shí)，通過網(wǎng)絡(luò)傳輸層在應(yīng)用層通信成為了必然的手段，即可稱之為高層交互。當(dāng)進(jìn)行高層交互時(shí)，由于異構(gòu)終端與網(wǎng)絡(luò)傳輸層間的通信會產(chǎn)生各種延時(shí)、誤碼等傳輸錯(cuò)誤，因此可能導(dǎo)致異構(gòu)終端間的通信質(zhì)量下降、極端情況下甚至導(dǎo)致通信無法進(jìn)行。因此，如何解決WSN與各異構(gòu)終端間的通信也是其在物聯(lián)網(wǎng)中應(yīng)用的關(guān)鍵問題之一。（3）大結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)融合與異構(gòu)下的數(shù)據(jù)融合很多應(yīng)用場合中，需要大規(guī)模部署無線傳感器節(jié)點(diǎn)，形成一個(gè)覆蓋面很大的監(jiān)控區(qū)域，在這樣的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，傳感器節(jié)點(diǎn)經(jīng)過數(shù)據(jù)采集后，使用多跳路由將數(shù)據(jù)送住下一個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)，大量的傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，匯聚結(jié)點(diǎn)要對大量數(shù)據(jù)進(jìn)行協(xié)同處理，這種數(shù)據(jù)處理具有大結(jié)構(gòu)關(guān)聯(lián)協(xié)同處理的特點(diǎn)。監(jiān)測區(qū)域內(nèi)密集的自治結(jié)點(diǎn)產(chǎn)生大量的傳感數(shù)據(jù)，有效地對大量節(jié)點(diǎn)所獲感知數(shù)據(jù)進(jìn)行協(xié)同處理，在此基礎(chǔ)上完成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的任務(wù)。

另外，WSN結(jié)點(diǎn)還需要與異構(gòu)終端進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，使整個(gè)監(jiān)測區(qū)域的信息能通過不同的觀測角度獲得真實(shí)、可靠的相互印證，這也是物聯(lián)網(wǎng)中WSN應(yīng)用的難點(diǎn)之一。5.2IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)及ZigBee協(xié)議規(guī)范ZigBee是一種基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的高層技術(shù)，該技術(shù)的物理層和MAC(MediumAccessControl，MAC介質(zhì)訪問控制)直接引用IEEE802.15.4。ZigBee協(xié)議規(guī)范的基礎(chǔ)是IEEE802.15.4，這兩者之間有著非常密切的關(guān)系。以下首先詳細(xì)地介紹IEEE802.15.4，然后介紹ZigBee協(xié)議規(guī)范。5.2.1IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)1）IEEE802.15.4主要性能IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)是短距離無線通信的個(gè)域網(wǎng)WPAN(WirelessPersonalAreaNetwork,WPAN)標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了個(gè)域網(wǎng)PAN(PersonalAreaNetwork,PAN)中設(shè)備間的無線通信協(xié)議和接口。IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)采用了CSMA/CA（載波偵聽CarrierSenseMultipleAccesswithCollisionDetection，CSMA/CA，多址接入/沖突檢測）的媒體接入或媒體訪問