朱紅松　孫利民

摘要:在對無線傳感器網(wǎng)路(WSN)產(chǎn)生和發(fā)展、技術(shù)成熟程度分析的基礎(chǔ)上,文章分析了WSN組網(wǎng)模式、拓?fù)淇刂啤⒚襟w訪問控制(MAC)和鏈路控制、路由與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)及跨層設(shè)計(jì)、時(shí)間同步技術(shù)、自定位和目標(biāo)定位技術(shù)等組網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)和應(yīng)用支撐技術(shù)方面的研究內(nèi)容?；趹?yīng)用中的典型實(shí)用和示范系統(tǒng),文章對WSN的應(yīng)用進(jìn)行了分類。

關(guān)鍵詞:無線傳感器網(wǎng)絡(luò);自組織網(wǎng)絡(luò);無線Mesh網(wǎng)絡(luò);分簇控制;能量效率;移動(dòng)控制

Abstract: The article introduces the startup, roadmap of Wireless Sensor Network (WSN), and its maturity in techniques and market, and surveys key research topics and techniques supporting applications in this area, including networking model, topology control, media access and link control, routing, data forwarding and cross-layer design technique, time synchronization, node positioning, object tracking, etc. Based on practical application and demonstration of the typical systems, the paper classifies applications of WSN.

Key words: wireless sensor network; Ad hoc network; wireless mesh networks; clustering control; energy efficiency; motion control

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)是信息科學(xué)領(lǐng)域中一個(gè)全新的發(fā)展方向,同時(shí)也是新興學(xué)科與傳統(tǒng)學(xué)科進(jìn)行領(lǐng)域間交叉的結(jié)果。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)經(jīng)歷了智能傳感器、無線智能傳感器、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)3個(gè)階段。智能傳感器將計(jì)算能力嵌入到傳感器中,使得傳感器節(jié)點(diǎn)不僅具有數(shù)據(jù)采集能力,而且具有濾波和信息處理能力;無線智能傳感器在智能傳感器的基礎(chǔ)上增加了無線通信能力,大大延長了傳感器的感知觸角,降低了傳感器的工程實(shí)施成本;無線傳感器網(wǎng)絡(luò)則將網(wǎng)絡(luò)技術(shù)引入到無線智能傳感器中,使得傳感器不再是單個(gè)的感知單元,而是能夠交換信息、協(xié)調(diào)控制的有機(jī)結(jié)合體,實(shí)現(xiàn)物與物的互聯(lián),把感知觸角深入世界各個(gè)角落,必將成為下一代互聯(lián)網(wǎng)的重要組成部分。

1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展背景

1996年,美國UCLA大學(xué)的William J Kaiser教授向DARPA提交的“低能耗無線集成微型傳感器”揭開了現(xiàn)代WSN網(wǎng)絡(luò)的序幕。1998年,同是UCLA大學(xué)的Gregory J Pottie教授從網(wǎng)絡(luò)研究的角度重新闡釋了WSN的科學(xué)意義。在其后的10余年里,WSN網(wǎng)絡(luò)技術(shù)得到學(xué)術(shù)界、工業(yè)界乃至政府的廣泛關(guān)注,成為在國防軍事、環(huán)境監(jiān)測和預(yù)報(bào)、健康護(hù)理、智能家居、建筑物結(jié)構(gòu)監(jiān)控、復(fù)雜機(jī)械監(jiān)控、城市交通、空間探索、大型車間和倉庫管理以及機(jī)場、大型工業(yè)園區(qū)的安全監(jiān)測等眾多領(lǐng)域中最有競爭力的應(yīng)用技術(shù)之一。美國商業(yè)周刊將WSN網(wǎng)絡(luò)列為21世紀(jì)最有影響的技術(shù)之一,麻省理工學(xué)院(MIT)技術(shù)評論則將其列為改變世界的10大技術(shù)之一。

1.1 WSN相關(guān)的會(huì)議和組織

WSN網(wǎng)絡(luò)技術(shù)一經(jīng)提出,就迅速在研究界和工業(yè)界得到廣泛的認(rèn)可。1998年到2003年,各種與無線通信、Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)、分布式系統(tǒng)的會(huì)議開始大量收錄與WSN網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相關(guān)的文章。2001年,美國計(jì)算機(jī)學(xué)會(huì)(ACM)和IEEE成立了第一個(gè)專門針對傳感網(wǎng)技術(shù)的會(huì)議International Conference on Information Processing in Sensor Network(IPSN),為WSN網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)發(fā)展開拓了一片新的技術(shù)園地。2003年到2004年,一批針對傳感網(wǎng)技術(shù)的會(huì)議相繼組建。ACM在2005年還專門創(chuàng)刊ACM Transaction on Sensor Network,用來出版最優(yōu)秀的傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)成果。2004年,Boston大學(xué)與BP、Honeywell、Inetco Systems、Invensys、Millennial Net、Radianse、Sensicast Systems等公司聯(lián)合創(chuàng)辦了傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)會(huì),旨在促進(jìn)WSN技術(shù)的開發(fā)。2006年10月,在中國北京,中國計(jì)算機(jī)學(xué)會(huì)傳感器網(wǎng)絡(luò)專委會(huì)正式成立,標(biāo)志著中國WSN技術(shù)研究開始進(jìn)入一個(gè)新的歷史階段。

1.2 相關(guān)科研和工程項(xiàng)目

美國從20世紀(jì)90年代開始,就陸續(xù)展開分布式傳感器網(wǎng)絡(luò)(DSN)、集成的無線網(wǎng)絡(luò)傳感器(WINS)、智能塵埃(Smart Dust)、?滋AMPS、無線嵌入式系統(tǒng)(WEBS)、分布式系統(tǒng)可升級(jí)協(xié)調(diào)體系結(jié)構(gòu)研究(SCADDS)、嵌入式網(wǎng)絡(luò)傳感(CENS)等一系列重要的WSN網(wǎng)絡(luò)研究項(xiàng)目。

自2001年起,美國國防部遠(yuǎn)景研究計(jì)劃局(DARPA)每年都投入千萬美元進(jìn)行WSN網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究,并在C4ISR基礎(chǔ)上提出了C4KISR計(jì)劃,強(qiáng)調(diào)戰(zhàn)場情報(bào)的感知能力、信息的綜合能力和利用能力,把WSN網(wǎng)絡(luò)作為一個(gè)重要研究領(lǐng)域,設(shè)立了Smart Sensor Web、靈巧傳感器網(wǎng)絡(luò)通信、無人值守地面?zhèn)鞲衅魅?、傳感器組網(wǎng)系統(tǒng)、網(wǎng)狀傳感器系統(tǒng)等一系列的軍事傳感器網(wǎng)絡(luò)研究項(xiàng)目。在美國自然科學(xué)基金委員會(huì)的推動(dòng)下,美國如麻省理工學(xué)院、加州大學(xué)伯克利分校、加州大學(xué)洛杉磯分校、南加州大學(xué)、康奈爾大學(xué)、伊利諾斯大學(xué)等許多著名高校也進(jìn)行了大量WSN網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)理論和關(guān)鍵技術(shù)的研究。美國的一些大型IT公司(如Intel、HP、Rockwell、Texas Instruments等)通過與高校合作的方式逐漸介入該領(lǐng)域的研究開發(fā)工作,并紛紛設(shè)立或啟動(dòng)相應(yīng)的研發(fā)計(jì)劃,在無線傳感器節(jié)點(diǎn)的微型化、低功耗設(shè)計(jì)、網(wǎng)絡(luò)組織、數(shù)據(jù)處理與管理以及WSN網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用等方面都取得了許多重要的研究成果。Dust Networks和Crossbow Technologies等公司的智能塵埃、Mote、Mica系列節(jié)點(diǎn)已走出實(shí)驗(yàn)室,進(jìn)入應(yīng)用測試階段。

除美國以外,日本、英國、意大利、巴西等國家也對傳感器網(wǎng)絡(luò)表現(xiàn)出了極大的興趣,并各自展開了該領(lǐng)域的研究工作。

中國現(xiàn)代意義的WSN網(wǎng)絡(luò)及其應(yīng)用研究幾乎與發(fā)達(dá)國家同步啟動(dòng),首先被記錄在1999年發(fā)表的中國科學(xué)院《知識(shí)創(chuàng)新工程試點(diǎn)領(lǐng)域方向研究》的信息與自動(dòng)化領(lǐng)域研究報(bào)告中。

2001年,中國科學(xué)院成立了微系統(tǒng)研究與發(fā)展中心,掛靠中科院上海微系統(tǒng)所,旨在整合中科院內(nèi)部的相關(guān)單位,共同推進(jìn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究。從2002年開始,中國國家自然科學(xué)基金委員會(huì)開始部署傳感器網(wǎng)絡(luò)相關(guān)的課題。截至2008年底,中國國家自然基金共支持面上項(xiàng)目111項(xiàng)、重點(diǎn)項(xiàng)目3項(xiàng);國家“863”重點(diǎn)項(xiàng)目發(fā)展計(jì)劃共支持面上項(xiàng)目30余項(xiàng),國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃“973”也設(shè)立2項(xiàng)與傳感器網(wǎng)絡(luò)直接相關(guān)的項(xiàng)目;國家發(fā)改委中國下一代互聯(lián)網(wǎng)工程項(xiàng)目(CNGI)也對傳感器網(wǎng)絡(luò)項(xiàng)目進(jìn)行了連續(xù)資助?！爸袊磥?0年技術(shù)預(yù)見研究”提出的157個(gè)技術(shù)課題中有7項(xiàng)直接涉及無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。2006年初發(fā)布的《國家中長期科學(xué)與技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要》為信息技術(shù)確定了3個(gè)前沿方向,其中2個(gè)與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究直接相關(guān)。最值得一提的是,中國工業(yè)與信息化部在2008年啟動(dòng)的“新一代寬帶移動(dòng)通信網(wǎng)”國家級(jí)重大專項(xiàng)中,有第6個(gè)子專題“短距離無線互聯(lián)與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化”是專門針對傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)而設(shè)立的。該專項(xiàng)的設(shè)立將大大推進(jìn)WSN網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在應(yīng)用領(lǐng)域的快速發(fā)展。

1.3 WSN技術(shù)的成熟度分析

Gartner信息技術(shù)研究與咨詢公司從2005年到2008年對WSN網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)追蹤和評估。2005年,Gartner認(rèn)為WSN技術(shù)的關(guān)注度已經(jīng)越過了膨脹高峰并回歸理性,表現(xiàn)為以美國為首的科研人員開始理性反思這種技術(shù)模式是不是有進(jìn)一步推廣和發(fā)展的機(jī)會(huì)。當(dāng)時(shí)的預(yù)期比較樂觀,認(rèn)為該技術(shù)將在2～5年內(nèi)走向成熟。2006年,Gartner的評估認(rèn)為該技術(shù)正按照預(yù)定曲線前行,但成熟時(shí)間要更長一些;而到了2007年,Gartner發(fā)現(xiàn)對該技術(shù)的關(guān)注度又有大幅度回升,但其市場并沒有走向高產(chǎn)能期,而是似乎又回到了技術(shù)膨脹期。同時(shí),距離成熟的時(shí)間仍然是10年以上。

超過5年的市場預(yù)測往往意味公司對該項(xiàng)技術(shù)缺乏準(zhǔn)確的判斷。從這一點(diǎn)上看,WSN技術(shù)從市場的角度上看還有些撲朔迷離。Gartner的2008年技術(shù)預(yù)測報(bào)告中沒有對該領(lǐng)域進(jìn)行預(yù)測也正是基于這一點(diǎn)。這種結(jié)果的可能原因是殺手級(jí)應(yīng)用所需的幾項(xiàng)關(guān)鍵性的支撐技術(shù)目前難于突破,微型化、可靠性、能量供給在目前看來是制約應(yīng)用的最大問題。另外,這些技術(shù)之間還彼此制約。首先,微型化使節(jié)點(diǎn)通信距離變短,路徑長度增加,數(shù)據(jù)延遲難于預(yù)期;其次,能量獲取和存儲(chǔ)容量與設(shè)備體積(表面積)呈正比,充足的能源和微型化設(shè)計(jì)之間的矛盾難于調(diào)和;再有,現(xiàn)有電子技術(shù)還很難做到可降解的綠色設(shè)計(jì),微型化給回收帶來困難,從而威脅到環(huán)境健康。

市場不會(huì)向技術(shù)妥協(xié),如果一項(xiàng)技術(shù)不能在方方面面做到完美就很難被市場所接受。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)要想在未來十幾年內(nèi)有所發(fā)展,一方面要在這些關(guān)鍵的支撐技術(shù)上有所突破;另一方面,就要在成熟的市場中尋找應(yīng)用,構(gòu)思更有趣、更高效的應(yīng)用模式。值得慶幸的是,WSN技術(shù)在中國找到了發(fā)展機(jī)會(huì)。政府引導(dǎo)、研究人員推動(dòng)和企業(yè)的積極參與大大加快了WSN技術(shù)的市場化進(jìn)程。中國必將在WSN技術(shù)和市場推進(jìn)中發(fā)揮重要作用。

2 WSN技術(shù)體系及其發(fā)展現(xiàn)狀

WSN技術(shù)是多學(xué)科交叉的研究領(lǐng)域,因而包含眾多研究方向,WSN技術(shù)具有天生的應(yīng)用相關(guān)性,利用通用平臺(tái)構(gòu)建的系統(tǒng)都無法達(dá)到最優(yōu)效果。WSN技術(shù)的應(yīng)用定義要求網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)設(shè)備能夠在有限能量(功率)供給下實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)的長時(shí)間監(jiān)控,因此網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的能量效率是一切技術(shù)元素的優(yōu)化目標(biāo)。下面從核心關(guān)鍵技術(shù)和關(guān)鍵支撐技術(shù)兩個(gè)層面分別介紹應(yīng)用系統(tǒng)所必須的設(shè)計(jì)和優(yōu)化的技術(shù)要點(diǎn)。

2.1 核心關(guān)鍵技術(shù)

2.1.1 組網(wǎng)模式

在確定采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)行應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)后,首先面臨的問題是采用何種組網(wǎng)模式。是否有基礎(chǔ)設(shè)施支持,是否有移動(dòng)終端參與,匯報(bào)頻度與延遲等應(yīng)用需求直接決定了組網(wǎng)模式。

(1)扁平組網(wǎng)模式

所有節(jié)點(diǎn)的角色相同,通過相互協(xié)作完成數(shù)據(jù)的交流和匯聚。最經(jīng)典的定向擴(kuò)散路由(Direct Diffusion)研究的就是這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

(2)基于分簇的層次型組網(wǎng)模式

節(jié)點(diǎn)分為普通傳感節(jié)點(diǎn)和用于數(shù)據(jù)匯聚的簇頭節(jié)點(diǎn),傳感節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)先發(fā)送到簇頭節(jié)點(diǎn),然后由簇頭節(jié)點(diǎn)匯聚到后臺(tái)。簇頭節(jié)點(diǎn)需要完成更多的工作、消耗更多的能量。如果使用相同的節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)分簇,則要按需更換簇頭,避免簇頭節(jié)點(diǎn)因?yàn)檫^渡消耗能量而死亡。

(3)網(wǎng)狀網(wǎng)(Mesh)模式

Mesh模式在傳感器節(jié)點(diǎn)形成的網(wǎng)絡(luò)上增加一層固定無線網(wǎng)絡(luò),用來收集傳感節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù),另一方面實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)之間的信息通信,以及網(wǎng)內(nèi)融合處理。Akyildiz L F等[1]總結(jié)了無線Mesh網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用模式。

(4)移動(dòng)匯聚模式

移動(dòng)匯聚模式是指使用移動(dòng)終端收集目標(biāo)區(qū)域的傳感數(shù)據(jù),并轉(zhuǎn)發(fā)到后端服務(wù)器。移動(dòng)匯聚可以提高網(wǎng)絡(luò)的容量,但數(shù)據(jù)的傳遞延遲與移動(dòng)匯聚節(jié)點(diǎn)的軌跡相關(guān)。如何控制移動(dòng)終端軌跡和速率是該模式研究的重要目標(biāo)。Kim等[2]提出的SEAD分發(fā)協(xié)議就是針對這種組網(wǎng)模式。Bi Y等[3-4]研究了多種Sink的移動(dòng)匯聚模式。

此外,還有其他類型的網(wǎng)絡(luò)。如當(dāng)傳感節(jié)點(diǎn)全部為移動(dòng)節(jié)點(diǎn),通過與固定的Mesh網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信(移動(dòng)產(chǎn)生的通信機(jī)會(huì)),可形成目前另一個(gè)研究熱點(diǎn),即機(jī)會(huì)通信模式。

2.1.2 拓?fù)淇刂?/p>

組網(wǎng)模式?jīng)Q定了網(wǎng)絡(luò)的總體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),但為了實(shí)現(xiàn)WSN網(wǎng)絡(luò)的低能耗運(yùn)行,還需要對節(jié)點(diǎn)連接關(guān)系的時(shí)變規(guī)律進(jìn)行細(xì)粒度控制。目前主要的拓?fù)淇刂萍夹g(shù)分為時(shí)間控制、空間控制和邏輯控制3種。時(shí)間控制通過控制每個(gè)節(jié)點(diǎn)睡眠、工作的占空比,節(jié)點(diǎn)間睡眠起始時(shí)間的調(diào)度,讓節(jié)點(diǎn)交替工作,網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓谟邢薜耐負(fù)浣Y(jié)構(gòu)間切換;空間控制通過控制節(jié)點(diǎn)發(fā)送功率改變節(jié)點(diǎn)的連通區(qū)域,使網(wǎng)絡(luò)呈現(xiàn)不同的連通形態(tài),從而獲得控制能耗、提高網(wǎng)絡(luò)容量的效果;邏輯控制則是通過鄰居表將不“理想的”節(jié)點(diǎn)排除在外,從而形成更穩(wěn)固、可靠和強(qiáng)健的拓?fù)?。WSN技術(shù)中,拓?fù)淇刂频哪康脑谟趯?shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的連通(實(shí)時(shí)連通或者機(jī)會(huì)連通)的同時(shí)保證信息的能量高效、可靠的傳輸。

Kumar S等[5]研究了在睡眠喚醒進(jìn)行能耗控制的網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)k 連通的條件。Chen Ai等[6]研究了柵欄(邊界)防護(hù)應(yīng)用中的拓?fù)涓采w問題。Li X[7]則通過圖理論研究無線網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)淇刂扑惴?。Wang X、Ye F、Schurgers C和Lu G等學(xué)者[8]研究了如何利用連通的骨干網(wǎng)絡(luò)減少網(wǎng)絡(luò)活動(dòng)開銷,延長網(wǎng)絡(luò)生命周期問題。

2.1.3 媒體訪問控制和鏈路控制

媒體訪問控制(MAC)和鏈路控制解決無線網(wǎng)絡(luò)中普遍存在的沖突和丟失問題,根據(jù)網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)流狀態(tài)控制臨近節(jié)點(diǎn),乃至網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)的信道訪問方式和順序,達(dá)到高效利用網(wǎng)絡(luò)容量,減低能耗的目的。要實(shí)現(xiàn)拓?fù)淇刂浦械臅r(shí)間和空間控制,WSN的MAC層需要配合完成睡眠機(jī)制、時(shí)分信道分配和空分復(fù)用等功能。Ye W等[9]提出了WSN最經(jīng)典的基于睡眠的MAC協(xié)議——S-MAC;Ahn G-S等[10]研究了在最后兩跳內(nèi)采用時(shí)分復(fù)用方式緩解由最后兩跳沖突引入的“漏斗”效應(yīng);Rajendran V等[11]研究了WSN中無競爭訪問的高能效方法;Zhai H[12]和Kim Y[13]等則研究了基于多射頻、多信道的MAC協(xié)議。MAC控制是WSN最為活躍的研究熱點(diǎn),因?yàn)镸AC層的運(yùn)行效率直接反應(yīng)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的能量效率。

復(fù)雜環(huán)境的短距離無線鏈路特性與長距離完全不同,短距離無線射頻在其覆蓋范圍內(nèi)的過渡臨界區(qū)寬度與通信距離的比例要大得多,因而更多鏈路呈現(xiàn)復(fù)雜的不穩(wěn)定特性。Ganeson D等[14],Zhao J等[15]通過大量的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了過渡區(qū)的存在;Zuniga M等[16]分析了過渡區(qū)的成因。復(fù)雜的鏈路特征需要在MAC控制中更充分地考慮鏈路特性,Zhu H等[17]研究了適應(yīng)鏈路特性的多鏈路MAC控制機(jī)制。鏈路特征同時(shí)也是在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)和匯聚中需要考慮的重要因素。

2.1.4 路由、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)及跨層設(shè)計(jì)

WSN網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)流向與Internet相反:在Internet網(wǎng)絡(luò)中,終端設(shè)備主要從網(wǎng)絡(luò)上獲取信息;而在WSN網(wǎng)絡(luò)中,終端設(shè)備是向網(wǎng)絡(luò)提供信息。因此,WSN網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議設(shè)計(jì)有自己的獨(dú)特要求。由于在WSN網(wǎng)絡(luò)中對能量效率的苛刻要求,研究人員通常利用MAC層的跨層服務(wù)信息來進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)、數(shù)據(jù)流向的選擇。另外,網(wǎng)絡(luò)在任務(wù)發(fā)布過程中一般要將任務(wù)信息傳送給所有的節(jié)點(diǎn),因此設(shè)計(jì)能量高效的數(shù)據(jù)分發(fā)協(xié)議也是在網(wǎng)絡(luò)層研究的重點(diǎn)。網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)也是提高網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)效率的一項(xiàng)技術(shù)。在分布式存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中,一份數(shù)據(jù)往往有不同的代理對其感興趣,網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)通過有效減少網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù),來提高網(wǎng)絡(luò)容量和效率。

2.1.5 QoS保障和可靠性設(shè)計(jì)

QoS保障和可靠性設(shè)計(jì)技術(shù)是傳感器網(wǎng)絡(luò)走向可用的關(guān)鍵技術(shù)之一。QoS保障技術(shù)包括通信層控制和服務(wù)層控制。傳感器網(wǎng)絡(luò)大量的節(jié)點(diǎn)如果沒有質(zhì)量控制,將很難完成實(shí)時(shí)監(jiān)測環(huán)境變化的任務(wù)?？煽啃栽O(shè)計(jì)技術(shù)目的則是保證節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò)在惡劣工作條件下長時(shí)間工作。節(jié)點(diǎn)計(jì)算和通信模塊的失效直接導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)脫離網(wǎng)絡(luò),而傳感模塊的失效則可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)出現(xiàn)岐變,造成網(wǎng)絡(luò)的誤警。如何通過數(shù)據(jù)檢測失效節(jié)點(diǎn)也是關(guān)鍵研究內(nèi)容之一。

2.1.6 移動(dòng)控制模型

隨著WSN組織結(jié)構(gòu)從固定模式向半移動(dòng)乃至全移動(dòng)轉(zhuǎn)換,節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)控制模型變得越來越重要。Luo J等[18]指出,當(dāng)匯聚節(jié)點(diǎn)沿著網(wǎng)絡(luò)邊緣移動(dòng)收集可以最大限度地提高網(wǎng)絡(luò)生命周期;Bi Y等提出了多種匯聚點(diǎn)移動(dòng)策略,根據(jù)每輪數(shù)據(jù)匯聚情況,估計(jì)下一輪能夠最大延長網(wǎng)絡(luò)生命期的匯聚點(diǎn)位置。Butler Z等針對事件發(fā)生頻度自適應(yīng)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的位置,使感知節(jié)點(diǎn)更多地聚集在使事件經(jīng)常發(fā)生的地方,從而分擔(dān)事件匯報(bào)任務(wù),延長網(wǎng)絡(luò)壽命。

2.2 關(guān)鍵支撐技術(shù)

2.2.1 WSN網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間同步技術(shù)

時(shí)間同步技術(shù)是完成實(shí)時(shí)信息采集的基本要求,也是提高定位精度的關(guān)鍵手段。常用方法是通過時(shí)間同步協(xié)議完成節(jié)點(diǎn)間的對時(shí),通過濾波技術(shù)抑制時(shí)鐘噪聲和漂移。最近,利用耦合振蕩器的同步技術(shù)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)無狀態(tài)自然同步方法也倍受關(guān)注,這是一種高效的、可無限擴(kuò)展的時(shí)間同步新技術(shù)。

2.2.2 基于WSN的自定位和目標(biāo)定位技術(shù)

定位跟蹤技術(shù)包括節(jié)點(diǎn)自定位和網(wǎng)絡(luò)區(qū)域內(nèi)的目標(biāo)定位跟蹤。節(jié)點(diǎn)自定位是指確定網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)自身位置,這是隨機(jī)部署組網(wǎng)的基本要求。GPS技術(shù)是室外慣常采用的自定位手段,但一方面成本較高,另一方面在有遮擋的地區(qū)會(huì)失效。傳感器網(wǎng)絡(luò)更多采用混合定位方法:手動(dòng)部署少量的錨節(jié)點(diǎn)(攜帶GPS模塊),其他節(jié)點(diǎn)根據(jù)拓?fù)浜途嚯x關(guān)系進(jìn)行間接位置估計(jì)。目標(biāo)定位跟蹤通過網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)之間的配合完成對網(wǎng)絡(luò)區(qū)域中特定目標(biāo)的定位和跟蹤,一般建立在節(jié)點(diǎn)自定位的基礎(chǔ)上。

2.2.3 分布式數(shù)據(jù)管理和信息融合

分布式動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)管理是以數(shù)據(jù)中心為特征的WSN網(wǎng)絡(luò)的重要技術(shù)之一。該技術(shù)通過部署或者指定一些節(jié)點(diǎn)為代理節(jié)點(diǎn),代理節(jié)點(diǎn)根據(jù)監(jiān)測任務(wù)收集興趣數(shù)據(jù)。監(jiān)測任務(wù)通過分布式數(shù)據(jù)庫的查詢語言下達(dá)給目標(biāo)區(qū)域的節(jié)點(diǎn)。在整個(gè)體系中,WSN網(wǎng)絡(luò)被當(dāng)作分布式數(shù)據(jù)庫獨(dú)立存在,實(shí)現(xiàn)對客觀物理世界的實(shí)時(shí)和動(dòng)態(tài)的監(jiān)測。

信息融合技術(shù)是指節(jié)點(diǎn)根據(jù)類型、采集時(shí)間、地點(diǎn)、重要程度等信息標(biāo)度,通過聚類技術(shù)將收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行本地的融合和壓縮,一方面排除信息冗余,減小網(wǎng)絡(luò)通信開銷,節(jié)省能量;另一方面可以通過貝葉斯推理技術(shù)實(shí)現(xiàn)本地的智能決策。

2.2.4 WSN的安全技術(shù)

安全通信和認(rèn)證技術(shù)在軍事和金融等敏感信息傳遞應(yīng)用中有直接需求。傳感器網(wǎng)絡(luò)由于部署環(huán)境和傳播介質(zhì)的開放性,很容易受到各種攻擊。但受無線傳感器網(wǎng)絡(luò)資源限制,直接應(yīng)用安全通信、完整性認(rèn)證、數(shù)據(jù)新鮮性、廣播認(rèn)證等現(xiàn)有算法存在實(shí)現(xiàn)的困難。鑒于此,研究人員一方面探討在不同組網(wǎng)形式、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議設(shè)計(jì)中可能遭到的各種攻擊形式;另一方面設(shè)計(jì)安全強(qiáng)度可控的簡化算法和精巧協(xié)議,滿足傳感器網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)實(shí)需求。

2.2.5精細(xì)控制、深度嵌入的操作系統(tǒng)技術(shù)

作為深度嵌入的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),WSN網(wǎng)絡(luò)對操作系統(tǒng)也有特別的要求,既要能夠完成基本體系結(jié)構(gòu)支持的各項(xiàng)功能,又不能過于復(fù)雜。從目前發(fā)展?fàn)顩r來看,TinyOS是最成功的WSN專用操作系統(tǒng)。但隨著芯片低功耗設(shè)計(jì)技術(shù)和能量工程技術(shù)水平的提高,更復(fù)雜的嵌入式操作系統(tǒng),如Vxworks、Uclinux和Ucos等,也可能被WSN網(wǎng)絡(luò)所采用。

2.2.6 能量工程

能量工程包括能量的獲取和存儲(chǔ)兩方面。能量獲取主要指將自然環(huán)境的能量轉(zhuǎn)換成節(jié)點(diǎn)可以利用的電能,如太陽能,振動(dòng)能量、地?zé)?、風(fēng)能等。2007年在無線能量傳遞方面有了新的研究成果:通過磁場的共振傳遞技術(shù)將使遠(yuǎn)程能量傳遞。這項(xiàng)技術(shù)將對WSN技術(shù)的成熟和發(fā)展帶來革命性的影響。在能量存儲(chǔ)技術(shù)方面,高容量電池技術(shù)是延長節(jié)點(diǎn)壽命,全面提高節(jié)點(diǎn)能力的關(guān)鍵性技術(shù)。納米電池技術(shù)是目前最有希望的技術(shù)之一。

3 基于WSN網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀

WSN網(wǎng)絡(luò)是面向應(yīng)用的,貼近客觀物理世界的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),其產(chǎn)生和發(fā)展一直都與應(yīng)用相聯(lián)系。多年來經(jīng)過不同領(lǐng)域研究人員的演繹,WSN技術(shù)在軍事領(lǐng)域、精細(xì)農(nóng)業(yè)、安全監(jiān)控、環(huán)保監(jiān)測、建筑領(lǐng)域、醫(yī)療監(jiān)護(hù)、工業(yè)監(jiān)控、智能交通、物流管理、自由空間探索、智能家居等領(lǐng)域的應(yīng)用得到了充分的肯定和展示。

2005年,美國軍方成功測試了由美國Crossbow產(chǎn)品組建的槍聲定位系統(tǒng),為救護(hù)、反恐提供有力手段。美國科學(xué)應(yīng)用國際公司采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò),構(gòu)筑了一個(gè)電子周邊防御系統(tǒng),為美國軍方提供軍事防御和情報(bào)信息。

中國,中科院微系統(tǒng)所主導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)積極開展基于WSN的電子圍欄技術(shù)的邊境防御系統(tǒng)的研發(fā)和試點(diǎn),已取得了階段性的成果。

在環(huán)境監(jiān)控和精細(xì)農(nóng)業(yè)方面,WSN系統(tǒng)最為廣泛。2002年,英特爾公司率先在俄勒岡建立了世界上第一個(gè)無線葡萄園,這是一個(gè)典型的精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)、智能耕種的實(shí)例。杭州齊格科技有限公司與浙江農(nóng)科院合作研發(fā)了遠(yuǎn)程農(nóng)作管理決策服務(wù)平臺(tái),該平臺(tái)利用了無線傳感器技術(shù)實(shí)現(xiàn)對農(nóng)田溫室大棚溫度、濕度、露點(diǎn)、光照等環(huán)境信息的監(jiān)測。

在民用安全監(jiān)控方面,英國的一家博物館利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)了一個(gè)報(bào)警系統(tǒng),他們將節(jié)點(diǎn)放在珍貴文物或藝術(shù)品的底部或背面,通過偵測燈光的亮度改變和振動(dòng)情況,來判斷展覽品的安全狀態(tài)。中科院計(jì)算所在故宮博物院實(shí)施的文物安全監(jiān)控系統(tǒng)也是WSN技術(shù)在民用安防領(lǐng)域中的典型應(yīng)用。

現(xiàn)代建筑的發(fā)展不僅要求為人們提供更加舒適、安全的房屋和橋梁,而且希望建筑本身能夠?qū)ψ陨淼慕】禒顩r進(jìn)行評估。WSN技術(shù)在建筑結(jié)構(gòu)健康監(jiān)控方面將發(fā)揮重要作用。2004年,哈工大在深圳地王大廈實(shí)施部署了監(jiān)測環(huán)境噪聲和震動(dòng)加速度響應(yīng)測試的WSN網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

在醫(yī)療監(jiān)控方面,美國英特爾公司目前正在研制家庭護(hù)理的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),作為美國“應(yīng)對老齡化社會(huì)技術(shù)項(xiàng)目”的一項(xiàng)重要內(nèi)容。另外,在對特殊醫(yī)院(精神類或殘障類)中病人的位置監(jiān)控方面,WSN也有巨大應(yīng)用潛力。

在工業(yè)監(jiān)控方面,美國英特爾公司為俄勒岡的一家芯片制造廠安裝了200臺(tái)無線傳感器,用來監(jiān)控部分工廠設(shè)備的振動(dòng)情況,并在測量結(jié)果超出規(guī)定時(shí)提供監(jiān)測報(bào)告。西安成峰公司與陜西天和集團(tuán)合作開發(fā)了礦井環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)和礦工井下區(qū)段定位系統(tǒng)。

在智能交通方面,美國交通部提出了“國家智能交通系統(tǒng)項(xiàng)目規(guī)劃”,預(yù)計(jì)到2025年全面投入使用。該系統(tǒng)綜合運(yùn)用大量傳感器網(wǎng)絡(luò),配合GPS系統(tǒng)、區(qū)域網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)等資源,實(shí)現(xiàn)對交通車輛的優(yōu)化調(diào)度,并為個(gè)體交通推薦實(shí)時(shí)的、最佳的行車路線服務(wù)。目前在美國的賓夕法尼亞州的匹茲堡市已經(jīng)建有這樣的智能交通信息系統(tǒng)。

中科院上海微系統(tǒng)所為首的研究團(tuán)隊(duì)正在積極開展WSN在城市交通的應(yīng)用。中科院軟件所在地下停車場基于WSN網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了細(xì)粒度的智能車位管理系統(tǒng),使得停車信息能夠迅速通過發(fā)布系統(tǒng)推送給附近的車輛,大大提高率了停車效率。

物流領(lǐng)域是WSN網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是發(fā)展最快最成熟的應(yīng)用領(lǐng)域。盡管在倉儲(chǔ)物流領(lǐng)域,RFID技術(shù)還沒有被普遍采納,但基于RFID和傳感器節(jié)點(diǎn)在大粒度商品物流管理中已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。寧波中科萬通公司與寧波港合作,實(shí)現(xiàn)基于RFID網(wǎng)絡(luò)的集裝箱和集卡車的智能化管理。另外,還使用WSN技術(shù)實(shí)現(xiàn)了封閉倉庫中托盤粒度的貨物定位。

WSN網(wǎng)絡(luò)自由部署、自組織工作模式使其在自然科學(xué)探索方面有巨大的應(yīng)用潛力。2002年,由英特爾的研究小組和加州大學(xué)伯克利分校以及巴港大西洋大學(xué)的科學(xué)家把WSN技術(shù)應(yīng)用于監(jiān)視大鴨島海鳥的棲息情況。2005年,澳洲的科學(xué)家利用WSN技術(shù)來探測北澳大利亞蟾蜍的分布情況。佛羅里達(dá)宇航中心計(jì)劃借助于航天器布撒的傳感器節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)對星球表面大范圍、長時(shí)期、近距離的監(jiān)測和探索。

智能家居領(lǐng)域是WSN技術(shù)能夠大展拳腳的地方。浙江大學(xué)計(jì)算機(jī)系的研究人員開發(fā)了一種基于WSN網(wǎng)絡(luò)的無線水表系統(tǒng),能夠?qū)崿F(xiàn)水表的自動(dòng)抄錄。復(fù)旦大學(xué)、電子科技大學(xué)等單位研制了基于WSN網(wǎng)絡(luò)的智能樓宇系統(tǒng),其典型結(jié)構(gòu)包括了照明控制、警報(bào)門禁,以及家電控制的PC系統(tǒng)。各部件自治組網(wǎng),最終由PC機(jī)將信息發(fā)布在互聯(lián)網(wǎng)上。人們可以通過互聯(lián)網(wǎng)終端對家庭狀況實(shí)施監(jiān)測。

WSN在應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展可謂方興未艾,要想進(jìn)一步推進(jìn)該技術(shù)的發(fā)展,讓其更好為社會(huì)和人們的生活服務(wù),不僅需要研究人員開展廣泛的應(yīng)用系統(tǒng)研究,更需要國家、地區(qū),以及優(yōu)質(zhì)企業(yè)在各個(gè)層面上的大力推動(dòng)和支持。

4 結(jié)束語

WSN網(wǎng)絡(luò)從機(jī)制研究、系統(tǒng)研發(fā),到應(yīng)用示范試點(diǎn),正在努力走向技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的成熟。在中國,政府的引導(dǎo)、研究人員的推動(dòng)和企業(yè)的積極參與使WSN網(wǎng)絡(luò)技術(shù)快速穩(wěn)步發(fā)展。為了讓W(xué)SN更快地進(jìn)入應(yīng)用產(chǎn)業(yè),為更多人服務(wù),必須在努力尋找獨(dú)特的殺手锏應(yīng)用的同時(shí),更多地將目光轉(zhuǎn)向改善成熟產(chǎn)業(yè)中對自動(dòng)化監(jiān)測、檢驗(yàn)和管理的應(yīng)用需求,為其量身訂做協(xié)議、軟件和產(chǎn)品,并努力做到與現(xiàn)有管理系統(tǒng)的無縫連接。只有在應(yīng)用和市場上站穩(wěn)腳跟,才能保持WSN在技術(shù)上的持續(xù)發(fā)展。

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收稿日期:2009-07-16

朱紅松,中國科學(xué)院軟件研究所高級(jí)工程師、博士,主要研究領(lǐng)域?yàn)闊o線自組織網(wǎng)絡(luò)、分布式系統(tǒng)控制等。曾主持和參加國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(“863”計(jì)劃)項(xiàng)目、CNGI基金項(xiàng)目、國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目8項(xiàng)。已發(fā)表SCI/EI檢索論文10余篇。

孫利民,中國科學(xué)院軟件研究所研究員、博士生導(dǎo)師。主持國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(“863”計(jì)劃)項(xiàng)目、國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃(“973”計(jì)劃)項(xiàng)目和CNGI等10余項(xiàng),申請國家專利20余項(xiàng),已發(fā)表SCI/EI檢索學(xué)術(shù)論文50余篇。