面向物联网的无线传感器网络设计研究

杨自强，吕 伟

（河南省信息咨询设计研究有限公司，郑州　450008）

1　引言

无线传感器网络（WirelessSensorNetworks，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。传感器网络实现了数据的采集、处理和传输的三种功能，而这正对应着现代信息技术的三大基础技术，即传感器技术、计算机技术和通信技术。

2　无线传感器网络关键技术

WSNs作为当今信息科学与计算机网络领域的研究热点，其关键技术具有跨学科交叉、多技术融合等特点，每项关键技术都需要亟待突破。WSNs的关键技术主要体现在3个方面，即信息采集系统设计、网络服务支持和网络通信协议设计。

2.1　信息采集系统设计

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等一系列关键技术完成。

（1）WSNs网络模型：根据不同的通信功能，数据传输模型和网络动态性将WSNs进行分类，宏观描述网络模型建立过程。一种基于元胞自动机的WSNs建模观点：元胞自动机（CellularAutomata，CA）是一个动态系统，根据一定的局部规则在离散时间域中演变，本质上可以定义为由元胞组成的元胞空间，元胞带有离散和有限的状态。该方法基本的目标和思想是确保WSNs的连续性和有效工作，这样的模型结构不仅仅保证了网内节点的公平性，实现能量的均衡分布，而且保证了动态网络拓扑条件下的强收敛性。

（2）传感器系统设计其他关键技术分析：不同的节点硬件设计存在差异，而原始数据数据处理对于资源受限的节点来说同样需要解决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IEEE802.15.4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。

2.2　网络服务支持

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，如时间同步、数据压缩和融合、安全保障、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的关键技术服务。

（1）时间同步机制：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。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。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。

（2）网络节点定位：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。

（3）网络拓扑覆盖：WSNs网络拓扑控制技术在达到网络连通性和覆盖度的要求下，通过网络内节点选择策略，避免节点间的冗余通信链路，从而形成数据转发优化的网络结构。现有的算法通常只是针对网络拓扑的某一方面进行了优化和设计，相关研究缺乏系统性。所以WSNs的拓扑控制研究还处于理论研究阶段，随着相关技术的迅速发展，拓扑研究的分类区分并不明显，多种方式的结合往往可以取得良好的效果，所以通过引入启发式或者计算几何算法等机制，可以达到降低网络能耗、加速拓扑形成以及提高网络鲁棒性等目的。

（4）数据融合与压缩：WSNs中的数据收集模式：基于查询的数据收集模式、基于周期汇报的数据收集模式和基于事件汇报的数据收集模式。其中基于查询的数据收集只有当网络接收到用户端发来的查询指令时才进行数据收集，并随之将收集结果上报给用户，通常适用于用户突然对某处监测数据感兴趣的情况或者用户需要了解一段时间内被监测对象的变化趋势等；基于周期汇报的数据收集是指用户不需要向网络发送查询指令，网络自动持续收集数据，并根据预先设定好的汇报周期向用户汇报监测结果的数据收集方式，通常适用于远距离大范围的监控；基于事件汇报的数据收集模式是指当被监测区域内有特殊情况发生（如某种数据的监测值超出了设定的阈值）时，网络主动收集并上报数据的情况，一般适用于灾难预警等突发状态的汇报。

（5）网络安全机制：WSNs的安全策略包括安全路由、访问控制、入侵检测、认证以及密钥管理等。由于WSNs的自身特性能够提供随时随地的连接，从而产生了许多新的服务项目和应用领域，同时它也面临着许多新的安全威胁。并且由于节点的能量有限，处理器的计算能力较低，无法实现庞大复杂的加密算法，增加了被窃密的可能性；当节点在野外时，由于缺乏足够的安全保护措施，节点很可能被恶意侵占。因此，恶意攻击除了来自网络自身之外，很有可能来自网络内部。为了获得更高的安全性，WSNs应该具备分布式安全结构；大型的WSNs中包含成百上千个节点，因此安全策略应该具有较好的可扩展性，以满足网络规模日益增大的需求。

2.3　网络通信协议设计

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。

（1）IEEE802.15.4/ZigBee协议：针对IEEE802.15.4标准中节点在信道接入时造成大量的冗余竞争信息，导致信道的利用率降低，因此提出一种自适应的竞争控制策略。该策略采用记忆性的退避方案来检测网络负载并且动态地调整退避窗的大小，以此可以用来解决IEEE802.15.4中的数据传输效率问题。为了解决网络中的能量消耗和冗余，为节点推导出能量消耗模型，以该模型为基础分析了如何通过调节异步唤醒间隔从而减少网络的耗能和延长节点的生存时间。IEEE802.15.4的研究虽然取得一些进展，但主要还停留在仿真论证阶段，如何在实际改动，并且对网络的性能如能耗，延迟，吞吐量等有较大提高是个需要解决的问题。

（2）6LoWPAN协议：IPv6是下一代互联网网络层的主导技术，在地址空间、报文格式、安全性方面具有较大的优势。所以在IP协议的基础上，实现物联网底层异构网络与互联网的相互融合是未来无线网络的主要发展方向。然而，在6LoWPAN技术出现以前，将基于IEEE802.15.4通信协议的WSNs与基于IPv6协议的互联网相互无缝链接几乎是不可能完成的任务。在网络层和数据链路层之间引入的适配层，主要完成接入过程中的以下功能：（a）为了高效传输对IPv6数据包进行分片与重组；（b）网络地址自动配置；（c）为了降低IPv6开销对IPv6分组进行报头压缩；（d）有效路由算法。

3　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：

（1）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。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。

（2）系统性低能耗设计研究趋势：WSNs的节点通常体积微小，电源携带的的能量十分有限，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。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：WSNs输入/输出的系统能量估计；WSNs硬件模块及功能性软件模块的系统设计划分；WSNs器件设计的系统选择。

（3）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IEEE802.15.4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。

（4）基于多宿主的网络传输发展趋势：WSNs作为物联网底层网络的重要组成部分，基于多宿主的WSNs可以使底层网络采集到的信息通过使用若干条有效链路接入到上层融合网络中，上层网络同样通过有效的多宿主选择机制可以将指令反馈给WSNs。多宿主网络传输模型的研究，具有增强基于WSNs的物联网络可靠性和鲁棒性、实现负载均衡、减少传输延迟、降低用户开销的实际意义。

4　结束语

本文通过系统分析面向物联网的WSNs，提出了未来WSNs发展的新思路。发展物联网产业不仅是提升信息产业核心竞争力、推动经济转型升级、增创发展新优势的战略选择，也是改造提升传统产业、促进两化融合的重要手段。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。

[1]钱志鸿，王义君；物联网技术与应用研究[J].电子学报，2012.