无线传感器执行器网络研究

胡　波，张　丽，王雪丽（.宿州学院　机械与电子工程学院，安徽　宿州　4000；.临沂市科技馆，山东　临沂　7607；.宿州学院　信息工程学院，安徽　宿州　4000）



无线传感器执行器网络研究

胡波1，张丽2，王雪丽3
（1.宿州学院机械与电子工程学院，安徽宿州234000；2.临沂市科技馆，山东临沂276037；3.宿州学院信息工程学院，安徽宿州234000）

摘要：目前，无线传感器网络已经成为信息领域的研究热点，其不仅综合了网络、微电子以及传感技术，同时涉及了嵌入式、无线通信、分布式计算处理等技术.为了能够更好地处理数据，感知环境信息，完善无线传感器执行器网络已然成为一种必然趋势，通过主动地与监测环境进行交互，以全面完成任务.本文分别介绍了带执行器的无线传感器网络、无线传感器执行器网络体系结构、无线传感器执行器网络协作机制、无线传感器执行器网络通信协议，本文的研究成果将为促进无线传感器技术的飞速发展与日益成熟指明研究方向.

关键词:无线传感器执行器协作机制通信协议

无线传感器网络也称WSA，是一种在监测区域部署的，借助无线通信形成的自组织、多跳网络系统，其包含大量的微型传感器节点，能够在有效协作下感知、采集以及处理信息.由于传感器节点具有能量、通信能力以及计算资源有限的特点，所以为了更好地实施监测、控制以及执行，可设法在无线传感器网络系统中增加部分特殊节点，构建出无线传感器执行器网络体系，以便加强与环境交互的作用效果.

1　带执行器的无线传感器网络

近年来，电子器件与无线通信技术得到了快速发展，其逐渐从实验室研究走向了工业应用.虽然无线传感器网络的成本低廉，灵活构造已引起各界的广泛关注，但是，由于无线传感器具有节点较小的特点，其能量供给受到了极大的限制，这为能耗性以及硬件设计提出了新的挑战.目前，无线传感器在实际工程中的应用还存在一类特殊的网络系统，需要在传感器节点监测环境变化的基础上，利用执行器节点控制环境，但是由于执行器节点是一个具有较强计算能力以及充足能量供给的系统，而传感器节点却是受到计算能力以及能量供给限制的嵌入式系统，所以，应将带执行器节点的无线传感器网络从一般无线传感器网络中独立出来并运行.而在设计系统通信协议时，充分利用执行器节点的计算以及通信能力，最大限度地降低传感器节点的能量消耗部分，进而能够延长传感网络运行的时间.

在汇聚节点的协助下，一般无线传感器网络能够完成执行器动作以及传感器检测的功能.首先，传感器节点检测作用区域事件，利用无线传感器网络将事件的相关消息传递给汇聚节点，由汇聚节点对消息进行分析、判断以及决策；其次，按照执行器节点的拓扑分布，合理选择执行器节点，发出具体的动作指令；最后，借助无线网络的总体指导，使执行器完成对应的功能动作.带执行器节点的无线传感器网络对于相同功能的实现过程有所出入，其在传感器检测后，立即将消息输送给邻近执行器节点，由执行器节点自行分析、决策，最后在决定是否发起动作的同时，将事件发送到汇聚节点，进行整体分析与纪录.不难发现，带执行器节点的无线传感器网络在解决方案方面的优势更为突出，其不仅具有较好的系统实时性能以及传感器节点节能性，同时传感器网络具有较小的流量，减弱了网络通信冲突与汇聚节点负载.

2　无线传感器执行器网络体系结构

在无线传感器执行器网络体系结构中存在汇聚节点、传感器以及执行器三种类型的节点.汇聚节点部分主要负责网络整体的协调，通过汇总与采集信息数据，进而能够实现与执行器、传感器节点的远距离通信；传感器节点主要是依托于采集系统所在的环境中的有效数据；执行器节点不仅能够补充数据的采集内容，还能够在其判断的基础上去执行了相应的条件动作，去进而处理了监测相应的消息、问题.能够在需要判断的基础上执行相关动作，及时处理监测的事件消息.

一般地，依据不同的任务处理方式，无线传感器执行器网络具有两种基本的体系结构.一种为全自动结构，其利用传感节点进行数据采集，而后向临近的执行器节点输送信息内容，由其根据相关信息进行分析，并执行了相应的任务，所以其又可称为无控制中心结构.

另外一种则为半自动结构，其首先需要将事件消息路由至汇聚节点，然后由汇聚节点向执行器发布指令，指挥执行器执行相关任务，其也可称为有控制中心结构.

以上两种结构都能够呈现出属于自己的优势：首先，系统的半自动结构与一般无线传感器网络结构十分相似，所以其无需开发全新的通信协议以及算法，应用无线传感器网络中已经研发的算法与协议便可以解决运行问题.而全自动结构则具有延时低与更长网络寿命的优点.一方面，传感器的采集信息直接被传送给执行节点，而无需绕路向汇聚节点传送，大大缩短了传输途径，提高了传输效率.另一方面，全自动结构并没有像半自动结构一样，存在一定的汇聚节点能量空洞，所以其具有更长的网络寿命.在无线传感器执行器网络体系结构中，汇聚节点可以被我们当作一种特殊的执行器，能够依托于单跳或多跳路由与其他执行器建立有效连接，进而直接参与分配任务.研究无线传感器执行器网络体系结构能够更好理清各节点间的关联，在促进无线传感器技术成熟方面具有重要意义.

3　无线传感器执行器网络协作机制

在无线传感器执行器网络系统中，各个节点的通信半径、信息探测范围以及计算能力等均是有限的，再加上节点的分布式特性，使得无线传感器执行器节点的控制不能由人员直接负责，而必须协调各节点行为，在保持高度一致性下，能够实现网络系统的总体功能目标.对于无线传感器执行器网络协作机制的设计，一般需要注意以下三点：首先，均衡各节点负担，通过网络延长，实现资源利用的最大化.其次，注重实时性的塑造.执行器应能实现各类任务的快速响应，特别是实现机器人自主攻击以及目标追踪等具有很高实时性的任务.最后，事件消息必须要具备准确性.因为一旦单一传感器传送的信息存在感知盲区等问题，那么协作机制则需要及时借助信息融合、多维感知等技术实现事件的精确报告.

目前，学术界已进行了大量的无线传感器执行器网络协作机制的研究，我们能够知道无线传感器执行器网络节点间存在着传感器与传感器、传感器与执行器以及执行器与执行器三种类型的协作通信，由于这些传感器节点间的协作在无线传感器网络中已有大量研究，所以以下将就两种协作方式进行分析.

首先，传感器-执行器协作，其一般涉及单执行器与多执行器两种.单执行器，简言之就是只具备一个接收事件区信息执行器的机制；多执行器则具备多个接收事件区信息执行器.单执行器中并不存在相互协调的执行器节点，其一般根据事件区域与执行器节点的距离、作用范围与执行器能力等因素选择节点，所以其需要复杂地分布式协调事件区中的传感器节点，造成传感器节点耗能较大.而多执行器中由传感器节点决定数据目的执行器，虽然可以不必协调传感器节点，但是却也增加了不必要执行器的激活率，其有必要借助分簇方法使传感器将各自事件区的数据能够去将各个节点去传送到自己的执行器内，进而解决过多执行器被激活的问题.其次，执行器一执行器协作.在此操作中，依据任务分配形式也可以分为单一执行器任务与多执行器任务.一般情况下，执行器可根据任务的类型、复杂度以及发生地点等客观因素决定任务执行方式.单一执行器协作在任务执行时无需与其他执行器进行通信，所以其所用时间较短；而多执行器任务状态下，各执行器需要协调合作，依据事件动态变化及时调整执行器行为，但是与此同时也增加了通信与计算负载，导致网络延迟的出现.尽管协作机制的研究已有一定的历程，但是大多研究还处于理论阶段，为了更好地突出协作机制的效用，进一步研究无线传感器执行器网络系统多点协作问题具有重要的现实意义.

4　无线传感器执行器网络通信协议

无线传感器执行器网络通信协议共分为管理面、通信面与协作面三个层次.管理面主要进行功率、移动以及容错管理，其在负责监控执行器或者传感器节点的基础上向协作面输送必要的节点信息.通信面具体而言，即为通信协议栈，一般包括物理、MAC、路由、传输以及应用五个层次，其能够为无线传感器执行器网络提供必要的通信功能.协作面则主要处理由通讯面与管理面接收的信息，决定节点动作.在充分考虑网络异构特性的基础上，无线传感器执行器网络通信协议的设计将主要强调底层通信标准、路由层以及传输控制层三个方面.首先，底层通信标准.目前，在无线传感器执行器网络中底层通信大多使用IEEE 802.15.4标准，其主要描述了媒体接入控制以及低速率无线个人局域网物理层规范.尽管该标准在能量消耗上占有一定优势，但是其在数据输送速率方面还未能完全满足无线传感器执行器网络的要求，所以，已经开始有研究者向传输速率更高的IEEE 802.1l技术探索，以便更好地拓宽无线传感器执行器网络在实际中的应用范围.其次，路由层协议.作为通信协议研究的热点之一，路由协议主要解决无线传感器执行器网络两个节点间缺失直接通信的问题，其能够实现网络层信息的多跳中继.因为无线传感器执行器网络具有异构特性，所以路由协议应当发展为满足传感器与传感器、传感器与执行器、执行器与执行器三种形式的混合路由.最后，传输控制.经由传感器收集的事件信息需要有效按时地输送给执行器，而执行器也必须保证在协同工作时所交换信息的可靠准确性，所以在传输控制方面要求网络进行端到端的可靠服务十分重要.不过，传感器节点受到计算、能量、存储等资源的限制，使得研究的大多协议还不能完全满足无线传感器执行器网络的实时性以及安全性要求，对比实际应用的需求也还有一段距离.

5　结语

总之，当前无线传感器执行器网络的研究还有很多需要完善的地方.无论是完善任务协作机制以及支持动态拓扑与实时传输的通信协议标准，还是修复因拓扑结构变化、网络间歇连通造成的任务盲区，均是无线传感器执行器网络的研究重点，其进一步的探索任务仍然任重而道远.与此同时，由于无线传感器执行器网络的实际应用涉及多个行业，其需要根据不同的应用研究具体的硬件、软件系统以及网络协议，以便让系统更好地贴近实际，实现高效低能的目标系统.

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基金项目：宿州学院校级项目（2013yyb02）

收稿日期：2015年11月17日

中图分类号：TP393

文献标识码：A

文章编号：1673-260X（2016）01-0038-02