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无线传感器网络的结构特性剖析

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网络的影响力已愈来愈广,它的应用不只限于人为操作的信息、娱乐等范围,更进入到对各种设备的自动化控制领域,例如在家庭当中,通过网络来搜集、监视、管理烤箱、照明、入侵监控等系统。这类应用在结合了传感器与无线通讯功能后,又将应用性大幅地拓展开来,形成目前备受注目的无线传感器网络(Wireless Sensor NetworkWSN)。


所谓无线传感器网络是指由散布在空间中的多数自动化设备所组成的网络,此一空间可以是特定的区域,例如工厂或家庭,也可以是更宽广或活动的范围,例如都会的交通路线,或是战场上、森林中;传感器设备(节点/node)的数量也是可大可小,小则数十个,大则动辄上千、上万个。


不同无线传感器网络的应用定位,可以差异甚大,首先要看使用到的传感器类型,是用于监测温度、声音、振动、压力、动作或污染物;在运算处理能力上,也依功能的差异而有不同的需求,在中大型的无线传感器网络中,由于布建的数量大,因此往往会要求节点的成本要低、尺寸要小,这就连带限制了WSN节点在电力、处理效能、内存容量及传输频宽上的规格。本文将探讨WSN在布建上的一些设计议题。


无线传感器网络组成架构


首先来看看无线传感器网络的特性。采用无线传输作法,自然是因为它能打破有线传输在布建上的种种限制。WSN的基本功能为监控、追踪和控制,有这种需求的应用难以尽数,例如住宅监控、对象追踪、核反应堆控制、火警侦测、交通流量监控等等。不同的应用会需要搭配不同的传感器,而目前可用的传感器类型繁多,大致列举如下:


•照明传感器(Light Sensors


•温度传感器(Temperature Sensors


•湿度传感器(Humidity Sensors


•压力传感器(Pressure Sensors


•气体传感器(Gas Sensors


•被动式红外线传感器(Passive Infrared (PIR) Sensors


•磁性传感器(Magnetic Sensors


•加速器(Accelerometers


CMOS影像传感器(CMOS Image sensors


CCD视频摄像机(CCD video cameras


•指纹传感器(fingerprint sensors


除了上述较常见的传感器类型外,还有一些属于特殊功能的传感器,例如可进行距离或力量测量的传感器,以及能感知烟雾、化学品、色彩、流体流动、超音波等变化的传感器,我们常见的麦克风,也能做为音量感测的一项工具。这些分布于各地的传感器节点会定期对其监控的环境或物体进行感测,每次测量到的事件数据会储存下来,并持续向附近的基地台(base station)进行汇报,再由基地台向管理中心报告监控状况,或直接针对异常状况进行适当的处置。(图一为无线传感器网络运作架构示意图)


1无线传感器网络运作架构示意图。


基地台是WSN中的重要组成单元,它具有更强的运算能力、更充足的电力和通讯能力,它们的角色是充当传感器节点和管理中心/服务器之间的网关器。在特定无线传感器网络中的节点、基地台及管理中心架构中,必须建立起一套专属的沟通及管理机制,有的系统强调实时的反应,有的只将感测数据作为储存分析之用。然而,这类的节点有一些相近的特性,包括:


•传感器节点的尺寸要小;
•需要有长时间的操作寿命;
•应用环境可能极为严峻;
•在建置上需考虑节点及通讯网络在故障状况下的容错性;
•有些WSN网络中的节点需要具备移动能力;
•网络拓朴架构需要是动态、弹性的;
•可能是由非同构型的节点所构成;
•采用非直接的操控模式。


多项规格竞逐WSN市场


在无线传感器网络的底层技术上,IEEE已发表了IEEE802.15.4这项标准。这是一套针对低速率无线个人局域网络(LR-WPAN)而提出的规范,重点在于对MAC层和PHY层进行定义。其中MAC层规范了相邻设备间单跳数据通讯的规则,它负责设立与网络的同步,支持关联和去关联以及MAC层安全:它能提供二个设备之间的可靠链接。


在无线射频功能的PHY部分,802.15.4支持2.4GHz2450MHz)和868/915MHz两种频段,其中2.4GHz的频段中可提供250kbps的实体层数据传输率,以及16个不同的数据信道;868/915MHz频段中,868MHz支持1个速率为20kbps的数据信道,915MHz支持10个速率为40kbps的数据信道。


无线传感器网络属于新兴的技术领域,目前全球有许多研究单位及组织在进行技术与规格的开发。在通讯规格上,最受重视的无疑是ZigBeeZigBee 1.0版的标准在200412月制定完成,它的底层技术就是IEEE802.15.4ZigBee操作在IEEE802.15.4规范的ISM频段,在欧洲是868MHz,在美国是915MHz,在其它国家主要是使用2.4 GHz频段。此技术的目标是提供比蓝牙等WPAN网络技术更简单和便宜的解决方案,ZigBee节点所需的软件大小只有一般蓝牙或无线网络节点的十分之一。ZigBee虽然已经相当简单了,但有另一个Z-wave规格,则强调具有比ZigBee更精简的架构,成本也会更低,正准备挑战ZigBee在此市场的地位。


同样定义为短距离无线技术的蓝牙(Bluetooth),当然也希望被应用到更广的领域,因此有发展出精简版的Bluetooth Lite与互补性的WibreeWibree是由Nokia200610月发表的新技术标准,目前包括BroadcomCSREpson等公司都宣布参与此标准的制定。Nokia表示此技术能提供十倍于蓝牙的效率,其输出功率将只有-6dBm。它也同样操作在2.4GHzISM频段,其实体层的速率将可达1Mbps,应用上则锁定包括腕表、无线键盘、玩具和运动传感器等强调低功耗的设备。


另一个值得重视的规格则是6loWPAN6loWPAN是〝IPv6 over low power Wireless Personal Area Network〞的缩写,意指采用IPv6的低功率无线个人局域网络。6loWPAN的标准是由IETF组织中负责internet领域的一个工作组来进行制定的,其发展的基础也是IEEE802.15.46loWPAN的目标是整合IPv6IEEE802.15.4这两套极不相同的网络系统,以让网络上的设备能应用到更多Internet的增值功能。


WSN节点硬件系统


再来看看WSN软硬件系统平台的组成架构。一个无线传感器节点可视为是一台微型的计算机,具有基本的组件和接口。它们通常内建运算能力有限的处理单元、小容量的内存、传感器、无线通讯射频收发器;此外,为了提供延伸性的功能,WSN节点也可能会提供RS232USB等接口;在电力方面,通常是使用小型化的电池,但也可能采用太阳能电力做为互补性电源。


WSN节点可能被放在野地当中,一放数年间都要能持续正常的观察环境中的变化,而不需要频繁地更换电力或充电。因此,此类节点在硬件设计上的主要挑战,就在于如何生产出低成本和微小化的硬件系统。目前业界常见的硬件系统包括:BTnode rev2/rev3Imote/Imote2Mica/Mica2/Mica2Dot/MicaZWiseNet等;常被采用的处理器则包括:ARM7Atmel AVRXscaleIntel 8051PICTI MSP430等。



2 常见WSN硬件平台特性比较。


这些硬件平台各有其技术上的特性与适用的范围,请参考(图二)、(图三)、(图四)。以Mica2为例,它是伯克利大学的一项计划,强调适用于数量极大的无线网络环境,节点数甚至可以超过一千个。它是一个分布式的运算平台,支持无线化的远程程序修改。在使用睡眠模式下,其电力(使用AA电池)可用一年的时间;此外,采用延伸pin脚的连接器,它能支持模拟输入、数字I/OI2CSPI UART等接口,进而能和各种外部外围设备进行连接。



3 MICA2硬件平台组成架构[Crossbow公司MPR400CB为例]



4 BTnode rev3系统架构图。


WSN节点软件系统


在软件方面,由于WSN的定位是大量布建在各种各样的远程连结环境中,并采行类似ad hoc的特殊多跳移动无线网络,在其算法和协议的规划上必须满足一些议题,例如如何运作能将使用寿命延长;保障运作的稳固性并具有容错能力;让节点具有自我组态修正能力;节点及网络的安全性、行动性。


无线传感器网络节点基本上属于嵌入式系统的一种,也就是采用比一般目的操作系统(general-purpose OS)更为精简的嵌入式操作系统。传感器网络本身的硬件资源有限,在应用上也有其特殊性,因此需要量身订制的操作系统。例如它不需要如PC操作系统一般支持复杂的应用程序及使用者接口;由于在内存映像硬件支持上的限制,此类操作系统也不需或无法建立虚拟存储(virtual memory)的机制。


在嵌入式操作系统中又有多种不同定位的选择,例如eCosuC/OSOS适用于实时性的应用,然而这却不是WSN的必要特性。TinyOS算是最早为WSN而开发出来的操作系统。它是基于事件驱动(event-driven)的程序模式,而非多线程(multithreading)作法。TinyOS的程序语法由事件处理指令(event handler)和任务(task)所组成,当一个外部事件发生了,例如数据封包的输入或传感器读取,TinyOS会呼叫适当的事件处理指令来处理这个事件,事件处理指令可以执行任务的送达


TinyOS的系统和程序是由一种特殊的程序语言——nesC所撰写,它是C程序语言的延伸版本,专门设计用来感测任务和事件处理指令之间的运作情况。其它有些允许以C语言进行程序化的操作系统,例如ContikiMANTISSOS,它们各有其使用上的特色。WSN软件设计上的另一个重点,即在为特定应用开发出合适的分布式算法。在WSN中最珍贵的资源是电力,而最耗电的动作是数据的传送,因此,WSN算法的研究主要集中在如何开发出从传感器传送数据到基地台的低功耗传送技术。由于能源的消耗与数据传送的距离成正相关,因此WSN的数据传送往往是使用多点跳跃(multi-hop)的方式,也就是从一个节点传到另一个节点,一直往基地台的目的地传送。


由于降低能源消耗为传感器设计之首要考虑因素,因此除了设计低功率电波收发器外,研究学者亦建议感应器需具有睡眠装置以节省能源消耗。研究显示,唯有进入睡眠状态,收发器方能真正节省能源,但开关收发器(亦即进入睡眠状态或结束睡眠状态)所消耗的能源相对而言也是十分可观。因此如何安排传感器睡眠时程(scheduling)为一重要研究课题。



5 用于天气监测的WSN节点,只有底片罐一般的大小。(资料来源:IEEE Computer Society

结论:从外观上看起来,无线传感器网络节点只是个尺寸极小的不起眼设备,如(图五),但小兵能够立大功,当这样的节点被妥为建置起一套系统,就能发挥让人惊讶的便利用途。举例来说,在道路上大量布建CMOS影像传感器,进而建立起一套交通流量的监视系统,再与通报网络或广播系统结合,就能为驾驶人提供各地的道路拥堵状况;如果传感器能更大量的监控市场内或停车场中的车位,就能聪明的告诉驾驶人最近的停车位置,甚至能通过网络系统来进行预约动作。这并不是在空说,技术与应用正在一步步地实现当中。

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