孔庆云 董湘麟 文章链接:http://www.eefocus.com/dongxl/blog/10-05/190031_3e87e.html 第一章:绪论 §1.1 协议开发的背景及意义 本文要介绍的是无线传感器网络(WSN)里一种路由协议的设计与实现,该路由协议的开发属于苏州中科集成电路设计中心(苏州中科)在孵项目,苏州中科RF项目组的三个课题组之一——无线传感器网络组的一个研究方向。无线传感器网络小组主要研究无线传感器网络应用系统、路由协议开发、mac层协议开发、超宽带(UWB)以及数据融合等方向。 无线传感器网络作为一个新兴的领域,吸引了国内外众多科研单位和学者对其各方面进行深入的研究。无线传感器网络涉及到的学科很多,应用到的领域也很广,路由协议是其中非常重要的一个方向。无线传感器网络可以看作是一种ad hoc网络,它支持点对点通信和数据的多跳传播。但是,无线传感器网络与一般的ad hoc网络又有所不同,它所应用的环境更加复杂,传感器节点本身的功能简单,节点的部署更加密集,拓扑结构更容易变化,这就要求无线传感器网络不能使用传统的ad hoc 网络里的路由协议。 应用于无线传感器网络的路由协议是与应用紧密相关的,不同的应用对数据传输的要求不同,对能量的限制不同,对网络延迟的要求也不同。比如:应用于军方侦察敌方目标区域环境参数的无线传感器网络要求数据传输的可靠性高,要对大量数据进行融合计算提取有用信息。另外,由于不方便或不可能更换传感器节点的电池,要求无线传感器网络的生命周期尽可能的长,这就要平衡网络负载,在选路过程中均衡节点能量的使用,避免出现部分节点由于过度使用而出现节点失效,导致整个网络存在不能到达的网络空洞。 路由协议的好坏直接影响着无线传感器网络的整体性能,况且在无线传感器网络中,路由协议与应用类型关系密切。不同应用对传感器网络性能的侧重面不同,没有任何一种路由协议可以适用于所有环境。这种情况下针对不同类型的应用开发相应的路由就显的特别重要,国内外对于无线传感器网络路由协议的研究也是非常的热门。无线传感器网络可应用于军方、民用以及外太空探索等多种领域,应用前景非常广阔,它一出现就在科技界激起了很大反响。目前国际市场和国内市场正在逐渐产生无线传感器网络的产品和应用,比如传感器网络先锋公司——Crossbow公司生产的MPR系列的传感器节点以及提供的家庭解决方案等,我国深圳先进技术研究院正在进行解决煤矿安全的项目,宁波中科也已经自行研发出了无线传感器网络软硬件产品:gains系列节点以及配套的操作系统gainsOs。 优化配置无线传感器网络中的资源,适应网络拓扑的动态变化,没有相应的路由协议是不可能做到的。随着无线传感器网络应用的范围日益扩展,和具体应用紧密相关的路由协议的研发就显的越来越重要,对路由协议的研究对发挥无线传感器网络的整体性能,提高应用效率起着非常重要的作用。路由协议以及下层mac层和物理层协议的研发水平从一定程度上决定了无线传感器网络的研发水平,它们在一定程度上决定了无线传感器网络的整体性能。 §1.2无线传感器网络概述 微电子技术、计算机技术和无线通信技等技术的进步,推动了低功耗多功能传感器的快速发展,使其在微小体积内能够集成信息采集、数据处理和无线通信等多种功能。无线传感器网络(wireless sensor network, WSN)就是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成,通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统,其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息,并发送给观察者。人们可以通过传感器网络直接感知客观世界,从而极大地扩展现有网络的功能和人类认识世界的能力。美国商业周刊和MIT技术评论在预测未来技术发展的报告中,分别将无线传感器网络列为21世纪最有影响的21项技术和改变世界的10大技术之一。无线传感器网络、塑料电子学和仿生人体器官又被称为全球未来的三大高科技产业。 早在上世纪70年代,就出现了将传统传感器采用点对点传输、连接传感控制器而构成无线传感器网络雏形,我们把它归之为第一代无线传感器网络。随着相关学科的不断发展和进步,无线传感器网络同时还具有了获取多种信息信号的综合处理能力,并通过与传感控制器的相联,组成了有信息综合和处理能力的传感器网络,这是第二代传感器网络。而从上世纪末开始,现场总线技术开始应用于传感器网络,人们用其组建智能化传感器网络,大量多功能传感器被运用,并使用无线技术连接,无线传感器网络逐渐形成。 无线传感器网络起源于1994年加州伯克利分校的William Kaiser提交的“Lol Power Wireless Integrated Microsensors”研究计划书。该计划书提出了MEMS微小节点的概念模型,描述了极具想象力的应用背景。 在无线传感器网络的研究初期,人们一度认为成熟的Internet技术加上Ad-hoc路由机制对传感器网络的设计是足够充分的,但深入的研究表明:传感器网络有着与传统网络明显不同的技术要求。无线传感网络具有如下特点: (1)资源受限(Resource Constrain) 传感器节点是微型嵌入式设备,它的价格要求非常低廉,因而造成它的处理能力、存储能力、通信带宽和携带的能量都非常有限,特别是为每个传感器节点供电的电源能量有限,通常不易或无需更换,节省能量成了无线传感器网络系统设计中的重要目标。 (2)自组织(Self- Organized) 无线传感器网络系统更适合于人不能或不宜到达的地域,节点的部署采用非人工、随机方式实施。无线传感器网络系统可以通过一套合适的通信协议保证网络在无人干预的情况下自动组网,自动运行。在节点失效等问题出现的情况下,系统能自动调整,实现无人值守。 (3)以数据为中心(Data - Centric) 传统网络是以IP为中心的网络,每个节点拥有全网唯一的IP地址,数据转发以目的节点的IP为依赖。在无线传感器网络中,节点没有IP地址,是以数据为中心的网络,它关心的是数据本身,如事件、时间和地点,而并不关注数据是由哪个节点采集。 (4)与应用相关(Application一Related) 无线传感器网络系统与应用密切相关,不同的应用背景,无线传感器网络的设计具有差别,甚至完全不同。 §1.3 无线传感器网络体系结构 ⒈ 传感器网络结构 近几年,针对无线传感器网络路由协议的研究相对于传统的无线通讯路由协议吸引了更多人的研究视线,使路由协议的研究经历了从传统On-Demand路由机制到Data Driven 路由机制两个阶段,出现了洪泛、谣传、定向扩散等很多种不同类型的路由协议,最近几年又出现了把zigbee 协议应用于传感器网络的新热门。随着无线传感器网络各项技术的不断进步,路由协议的研究也将逐步走向成熟,好的路由算法将不断产生和更新。 传感器网络结构(如无特殊说明,“传感器网络”即指“无线传感器网络”)如图1-1所示,传感器网络系统通常包括传感器节点(sensor node)、汇聚节点(sink node)和与用户交互的管理节点。大量传感器节点采集到的信息通过其他节点逐跳发送给汇聚节点。在这个过程中,其他节点可能要运行路由算法寻找最近或耗能最少的路径;转发信息的同时,对要转发的数据进行必要的数据融合,进行信息的提取,以减少要发送的信息量,减少网络流量。汇聚节点收到发回的信息包后,提取出“感兴趣”的消息,提交给管理节点。用户通过管理节点与整个网络进行交互,比如:数据查询,远程控制节点的行为,对处于不同网格中的节点进行任务布置。下面是一个利用数据管理工具通过管理节点查询数据的例子: 图1-2所示是一种针对无线传感器网络的数据管理工具tinydb,集成在嵌入式操作系统tinyos中,对于tinyos第三章中会有介绍,暂且不做介绍。Tinydb 是一种数据库管理工具,用于实时查询传感器网络中的各种传感器信息,也可以以命令的模式与网络交互,通知传感器节点把信息放在本地存储设备,等需要时再统一传送。这个例子是查询采集到的光照信息,指定ID号为2的节点(在试验用的无线传感器网络中每个传感器节点有一个唯一的ID号,汇聚节点的ID号为0,其他节点从1开始)把采集的信息发送回汇聚节点。图1-3是节点ID号为2的节点发送回来的信息内容显示。由于传感器对光的敏感度较高,用手遮一下便有了中间那个凹槽。利用tinydb可以定时采集传感器数据,对采集到的数据进行求平均值,最大值等等运算,还可以设置节点的采集频率等功能。 |
国内的无线传感器网络技术起步稍晚,我国中科院上海微系统所从1998年开始对无线传感器网络进行跟踪和研究,用系统集成的方式完成了一些终端节点和基站节点的研发。中科院电子技术研究所和沈阳自动化所也分别从传感器技术和控制技术两种技术角度研究节点设计。浙江大学现代控制工程研究所成立了“无线传感器网络控制实验室”专门从事传感器网络的分布自治系统关键技术及协调控制理论方面的研究。此外,软件研究所、计算所、电子所、自动化所和合肥智能技术研究所等科研机构,哈尔滨工业大学、清华大学、北京邮电大学、西北工业大学、天津大学和国防科技大学等院校在国内较早开展了传感器网络的研究,在传感器网络方面进行了大量的工作。
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