面向物联网的无线传感器网络关键技术研究

易月娥

（长沙民政职业技术学院，湖南长沙410004）

1、引言

无线传感器网络(Wireless Sensor Networks,WSNs)是由部署在监测区域内大量传感器节点相互通信形成的多跳自组织网络系统，是物联网底层网络的重要技术形式[1]。随着无线通信、传感器技术、嵌入式应用和微电子技术的日趋成熟，WSNs可以在任何时间、任何地点、任何环境条件下获取人们所需信息，为物联网(Internet ofThings,IoT)的发展奠定基础。由于WSNs具有自组织、部署迅捷、高容错性和强隐蔽性等技术优势，因此非常适用于战场目标定位、生理数据收集、智能交通系统和海洋探测等众多领域[2]。随着面向物联网的WSNs技术再一次拓展和创新，国内外学术及工业界人士对于WSNs的研究从局部WSNs感知逐步扩展到广域物物互联阶段。2006年10月，中国计算机学会传感器网络专委会宣布成立，该委员会是一个非商业性、产学研结合的学术机构，是全国范围内学术沟通、合作交流以及吸引企业参与并加速传感器网络产业化进程的良好平台。

2、WSNs与 IoT

物联网系统架构如图1所示，包括底层网络分布、汇聚网关接入、互联网络融合以及终端用户应用4个部分。在图1中，大量的底层网络系统选择性地分布于物理空间当中，根据各自特点通过相应方式构成网络分布。底层网络通过RFID(Radio Frequency IDentification)、WSNs、无线局域网等网络技术采集物物交换信息并传输到智能聚网关[3]，通过智汇聚网关接入到网络融合体系，最后利用包括广播电视网、互联网、电信网等网络途径使信息到达终端用户应用系统。与此同时，终端用户可以通过主观行为影响底层网络面向不同应用，从而实现人与物、物与物、物与人之间的物联信息交互 [4]。通过定义如下3个抽象概念，可以进一步说明包括WSNs在内的底层网络在物联网中的作用。

(1)对象：客观世界中任何一个事物都可以看成一个对象，数以万计的对象证明了客观世界的存在。每个对象都具有两个特点：属性和行为，属性描述了对象的静态特征，行为描述了对象的动态特征。任何一个对象往往是由一组属性和一组行为构成的。

(2)消息：客观世界向对象发出的一个信息。消息的存在说明对象可以对客观世界的外部刺激作出反应。各个对象间可以通过消息进行信息的传递和交流。

(3)封装：将有关的属性和行为集成在一个对象当中，形成一个基本单位。

物联网的重要特点之一就是使物体与物体之间实现信息交换，每个物体都是一个对象。因此负责感知和记录信息的物联网底层网络必须能够反映每个对象的特点。

图1 物联网系统架构图

3、WSNs关键技术

目前WSNs的关键技术主要体现在三个方面，即传感器系统设计、网络服务以及网络通信协议。

表1 WSNs关键技术

1.传感器系统设计。对于一个在WSNs中工作的传感器节点来说，有一些重要的系统设计需要利用有效的WSNs网络模型、系统平台和操作系统支持完成。目前的WSNs模型主要支持大范围的传感器节点布置，但是每个生产厂商的传感器节点产品在无线通信模块、微处理器和存储空间方面不尽相同，对于融合多类型传感器节点到一个统一系统平台是一个巨大的挑战，因为不同的节点硬件设计存在差异，原始数据处理对于资源受限的节点来说同样需要解决。与此同时，操作系统必须支持这样的传感器平台；WSNs需要利用低功耗短距离无线通信技术，而IEEE 802.15.4具有低功耗、低成本的特性，该标准的许多特征与WSNs

具有相似之处，因此，众多厂商将该技术作为WSNs的无线通信平台；由于传感器节点资源受限，所以一个有效的存储模型对于满足资源限制和查询需求是十分必要的。目前的WSNs数据的存储研究工作集中在网络外部存储、本地存储和以数据为中心的存储三个方面。相对于另外两种方式，以数据为中心的存储方式可以在通信效率和能量消耗等方面取得折中；最后，实验测试床的设计对于研究者在真实物理环境中进行WSNs实验起到至关重要的作用。它可以给研究者提供一个验证相关协议、算法和各种网络应用的有效平台。

目前的WSNs模型主要支持大范围的传感器节点布置，但是每个生产厂商的传感器节点产品在无线通信模块、微处理器和存储空间方面不尽相同，对于融合多类型传感器节点到统一的系统平台是一个巨大的挑战，因为不同的节点硬件设计存在差异，而原始数据处理对于资源受限的节点来说同样需要解决[5]。WSNs操作系统必须支持相应的传感器平台，这样能保证感知数据处理的高效性；WSNs需要利用低功耗短距离无线通信技术进行数据的发送和接收，而IEEE 802.15.4具有低功耗、低成本的特性，该标准的许多特征与WSNs无线传输要求具有相似之处，因此，众多厂商将该技术作为WSNs的无线通信平台；由于传感器节点资源受限，所以一个有效的存储模型对于满足资源限制和查询需求是十分必要的。目前的WSNs数据的存储研究工作集中在网络外部存储、本地存储和以数据为中心的存储3个方面。相对于另外两种方式，以数据为中心的存储方式可以在通信效率和能量消耗等方面取得折中；最后，实验测试床的设计对于研究者在真实物理环境中进行WSNs实验起到至关重要的作用，它可以给研究者提供一个验证相关协议、算法和各种网络应用的有效平台。

2.网络服务支持。在WSNs中，传感器节点配置、处理和控制服务用于协调和管理传感器节点，这些网络服务在能量、任务分布和资源利用方面加强了整个网络的性能[6]。节点配置可以适时地将诸如能量和带宽等资源进行最有效的分配。节点配置有两个方面的应用：网络覆盖度和定位。网络的覆盖度需要保证监测区域在高可靠度的前提下被完全覆盖。覆盖度对于WSNs来说非常重要，因为它影响了需要配置的传感器节点的数量、节点的位置、连通性和能量。位置信息是传感器节点感知数据过程中不可缺少的参量，缺少位置信息的感知信息一般来讲没有任何意义。确定感知数据节点的位置或者确定事件发生的方位是WSNs最基本的关键技术之一。数据管理和控制服务在WSNs中扮演了重要角色，因为它们提供了必要的中间件服务支持，如安全保障、时间同步、数据压缩和融合、跨层优化等。WSNs作为一种功能性很强的应用网络，不仅要完成数据传输，而且还有对数据进行一系列的融合、压缩和控制，如何保证任务执行的机密性、数据融合的可靠性以及传输的安全性是WSNs的一项关键技术服务。

(1)时间同步机制

由于WSNs节点受价格和体积的约束，所以时间同步算法必须考虑能量因素。目前的传统网络时间同步算法通常只专注于最小化同步误差，而并没有考虑到通信和计算方面的限制。因此，诸如GPS(Global Positioning System)、NTP(Network Time Protocol)等现有的时间同步机制并不适用于WSNs，需要重新设计新的时间同步机制来满足WSNs的网络需求。一般来讲，在WSNs中绝大多数节点都需要通过时间同步算法交换时间同步消息来保证网络时间的同步。在研究WSNs时间同步算法时，需要从扩展性、稳定性、能量有效和鲁棒性等几个方面来综合考虑设计因素，保证时间最大精度和最小能耗的折中。图2显示了WSNs中消息传输过程中影响同步精度的关键路径。因此，时间同步机制作为WSNs的一项核心支撑技术，在多传感器数据融合、节点数据处理、低能耗MAC协议的设计、测距定位安全性等方面起着关键作用。

图2 WSNs中影响同步精度的关键传输路径

目前绝大多数WSNs的相关应用的理论研究都假设系统时钟已经保持同步，然而在实际应用系统中，时钟总会存在一定的偏移，应用效果必然会受到影响。RBS算法利用数据链路层的广播信道特性，接收到同一参考广播的多个节点，通过比较各自接收到信息的本地时间来消除接收端的误差，然而接收节点间的时钟频率漂移、接收节点的数量以及传播过程的不确定性都将产生新的同步误差。而TPSN算法对所有节点进行分层处理，每个节点与它的上一级节点同步，使所有节点与根节点达到同步。它的一个明显缺点就是没有考虑根节点的失效问题，新节点加入网络时对整个网络的鲁棒性会造成很大影响。FTSP算法利用单个广播信息使得发送节点和它相邻的节点达到时间同步，采用同步时间数据线性回归方法估计时间频率漂移和相位偏差，然而FTSP采用的估计方法对偏离正常误差范围的数据极其敏感，即使只有一个错误的数据也可能造成估计结果的失真。文献[7]针对当前无线传感器网络时间同步协议普遍存在抗毁能力不足的缺陷，提出了一种基于扩散机制的无线传感器网络时间同步协议，全局时间通过邻居节点间定时随机交换时戳信息维护，取消同步发起节点在同步网络中可能带来的不安全隐患，实现同步网络拓扑最优。

(2)网络节点定位

定位技术就是帮助人们解决“找东西”的难题，利用信息网络的交互通信告诉用户或者控制中心某一目标的位置信息[8]。目前最专业的定位系统是GPS，其具有全天候、高精度、自动化等显著特点。GPS功能强大，但需要专门的客户端设备才能使用，不利于民用普及，并且卫星信号无法穿透建筑物，不能满足室内环境应用。所以大量应用场合迫切需要研究者攻克一种新型定位技术代替GPS。由于WSNs定位不同于传统的蜂窝定位和无线局域网定位，具有低功耗、低成本、分布式、自组织、能提供较高的定位精度等优点，成为当前无线定位技术的研究热点。

目前对于WSNs定位技术研究主要分为两大类：一种是基于测距(range-based)定位算法，另一种是非测距(range-free)定位算法。相比之下，基于测距定位算法定位精度高，但对网络的硬件设施要求很高，同时在定位过程中要产生大量计算和通信开销。非测距定位算法缺点是定位精度较差，优点是不需要附加硬件支持来实现节点间的距离测量，该定位算法凭借其在成本、功耗方面的优势，受到越来越多的关注。

3.网络通信协议设计。一个可靠并且能量有效协议栈的开发对于支持多类型无线传感器网络应用具有重要意义。面向不同的应用，网络内部可能由数百甚至上千的节点组成。每个传感器节点通过协议栈以多跳的形式将信息传递给Sink节点。因此，就通信而言，协议栈必须能量有效，并可以在多个节点之间有效工作。目前WSNs通信协议栈研究的重点集中在数据链路层、网络层和传输层，以及它们之间的跨层交互。数据链路层通过介质访问控制来构建底层基础结构，控制节点的工作模式。网络层的路由协议决定感知信息的传输路径。传输层确保了源节点和目的节点处数据的可靠性和高效性。

IEEE802.15.4/ZigBee协议 IEEE802.15.4致力于一种低速率网络标准的开发，ZigBee联盟是一个高速增长的非盈利业界组织，成员包括国际著名半导体生产商、技术提供者、代工生产商以及最终使用者，主要目的是通过加入无线网络功能，为消费者提供具有更加灵活、更易用的电子产品。自从2004年12月Zig-Bee联盟推出ZigBee 1.0版本规范以来，ZigBee协议的各种修订版本相继发布，它们始终致力于ZigBee网络更加安全可靠、灵活简单、可扩展性更强的规范的修改，使其特点充分发挥。IEEE802.15.4协议规定了网络的物理层和媒体接入控制层；ZigBee协议则规定了网络层和应用层。IEEE802.15.4/ZigBee网络协议具有组网灵活方便、成本低廉、能量消耗低等特点，所以WSNs通常采用该网络协议作为其无线通信标准。

四、面向IoT的WSNs发展新思路

WSNs作为物联网底层网络的重要组成部分，未来的发展潜力不断加大。本文通过研究提出面向IoT的WSNs发展新思路：

普适环境下非应用相关的研究趋势

目前不同的WSNs应用背景要求不同的网络服务支持策略以及网络通信协议，对于面向不同应用的WSNs开发，研究者更关心WSNs的差异性，这也是WSNs设计发展到现有阶段区别于传统网络的一个显著特征。然而伴随着无线通信技术、分布式计算、人工智能、嵌入式系统、感知网络以及信息融合等多方面技术的蓬勃发展，物联网技术应运而生。在物联网普适环境模式下，用户能够在任何时间、任何地点、以任何方式进行信息的获取与处理。WSNs作为感知信息的有效载体，可以充分利用物联网的技术优势，建立统一的满足多种需求的网络通信协议和网络服务支持策略，从而屏蔽应用相关带来的WSNs设计差异复杂性。

系统性低能耗设计研究趋势属于资源管理的一部分

WSNs的节点通常体积微小，电源携带的能量十分有限，所以如何最大限度地降低能量消耗提高网络生命周期，是WSNs面临的最重要的设计挑战。目前的WSNs低能耗设计处于一种各自为战的状态，没有在一个系统研究的基础上进行相关的低能耗设计。区别于传统网络，WSNs需要软硬件设计的协同合作，才能保证将整个网络能量消耗降低到最大限度。所以WSNs软硬件协同低能耗设计应从工作开始之前就考虑产生和控制的问题。主要环节为：(a)WSNs输入/输出的系统能量估计；(b)WSNs硬件模块及功能性软件模块的系统设计划分；(c)WSNs器件设计的系统选择。基于IP的上下文网络聚合发展趋势

WSNs所处的地理位置和网络环境不尽相同，其采集和处理的信息和数据存在较大差异。研究者可以利用IP技术，使基于IEEE 802.15.4通信协议的WSNs与基于IPv6协议的互联网的实现统一寻址。通过此技术革新，WSNs中海量信息和资源在跨层上下文的基础之上可以进行深度挖掘、智能分类及挑选，从而为终端用户提供更有价值、更有针对性的实用信息。这样的发展趋势保证了物联网时代网络层向传输层提供灵活简单、无连接、满足QoS需求的数据报服务。

四、结束语

本文通过分析面向物联网的WSNs，提出了未来WSNs发展的新思路。WSNs作为物联网底层网络的重要感知技术之一，在国家安全和国民经济等诸多方面具有广泛的应用前景和社会意义。WSNs未来的发展方向将实现地球和外太空综合一体化的信息感知网络，形成物理世界和虚拟世界的网络接口，并深入到人们生活领域的各个方面，从而改变人与自然的交互方式。研究人员应该通过掌握和拥有更多的自主知识产权，使WSNs逐步成为信息时代助推我国经济腾飞的新引擎。WSNs的快速发展对提高我国在高新技术领域的国际地位、带动相关产业的全面发展具有重要意义。

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