胡　波，張　麗，王雪麗（.宿州學(xué)院　機械與電子工程學(xué)院，安徽　宿州　4000；.臨沂市科技館，山東　臨沂　7607；.宿州學(xué)院　信息工程學(xué)院，安徽　宿州　4000）

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無線傳感器執(zhí)行器網(wǎng)絡(luò)研究

胡波1，張麗2，王雪麗3
（1.宿州學(xué)院機械與電子工程學(xué)院，安徽宿州234000；2.臨沂市科技館，山東臨沂276037；3.宿州學(xué)院信息工程學(xué)院，安徽宿州234000）

摘要：目前，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)成為信息領(lǐng)域的研究熱點，其不僅綜合了網(wǎng)絡(luò)、微電子以及傳感技術(shù)，同時涉及了嵌入式、無線通信、分布式計算處理等技術(shù).為了能夠更好地處理數(shù)據(jù)，感知環(huán)境信息，完善無線傳感器執(zhí)行器網(wǎng)絡(luò)已然成為一種必然趨勢，通過主動地與監(jiān)測環(huán)境進(jìn)行交互，以全面完成任務(wù).本文分別介紹了帶執(zhí)行器的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、無線傳感器執(zhí)行器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)、無線傳感器執(zhí)行器網(wǎng)絡(luò)協(xié)作機制、無線傳感器執(zhí)行器網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，本文的研究成果將為促進(jìn)無線傳感器技術(shù)的飛速發(fā)展與日益成熟指明研究方向.

關(guān)鍵詞:無線傳感器執(zhí)行器協(xié)作機制通信協(xié)議

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)也稱WSA，是一種在監(jiān)測區(qū)域部署的，借助無線通信形成的自組織、多跳網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其包含大量的微型傳感器節(jié)點，能夠在有效協(xié)作下感知、采集以及處理信息.由于傳感器節(jié)點具有能量、通信能力以及計算資源有限的特點，所以為了更好地實施監(jiān)測、控制以及執(zhí)行，可設(shè)法在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中增加部分特殊節(jié)點，構(gòu)建出無線傳感器執(zhí)行器網(wǎng)絡(luò)體系，以便加強與環(huán)境交互的作用效果.

1　帶執(zhí)行器的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

近年來，電子器件與無線通信技術(shù)得到了快速發(fā)展，其逐漸從實驗室研究走向了工業(yè)應(yīng)用.雖然無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的成本低廉，靈活構(gòu)造已引起各界的廣泛關(guān)注，但是，由于無線傳感器具有節(jié)點較小的特點，其能量供給受到了極大的限制，這為能耗性以及硬件設(shè)計提出了新的挑戰(zhàn).目前，無線傳感器在實際工程中的應(yīng)用還存在一類特殊的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，需要在傳感器節(jié)點監(jiān)測環(huán)境變化的基礎(chǔ)上，利用執(zhí)行器節(jié)點控制環(huán)境，但是由于執(zhí)行器節(jié)點是一個具有較強計算能力以及充足能量供給的系統(tǒng)，而傳感器節(jié)點卻是受到計算能力以及能量供給限制的嵌入式系統(tǒng)，所以，應(yīng)將帶執(zhí)行器節(jié)點的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)從一般無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中獨立出來并運行.而在設(shè)計系統(tǒng)通信協(xié)議時，充分利用執(zhí)行器節(jié)點的計算以及通信能力，最大限度地降低傳感器節(jié)點的能量消耗部分，進(jìn)而能夠延長傳感網(wǎng)絡(luò)運行的時間.

在匯聚節(jié)點的協(xié)助下，一般無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能夠完成執(zhí)行器動作以及傳感器檢測的功能.首先，傳感器節(jié)點檢測作用區(qū)域事件，利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)將事件的相關(guān)消息傳遞給匯聚節(jié)點，由匯聚節(jié)點對消息進(jìn)行分析、判斷以及決策；其次，按照執(zhí)行器節(jié)點的拓?fù)浞植?，合理選擇執(zhí)行器節(jié)點，發(fā)出具體的動作指令；最后，借助無線網(wǎng)絡(luò)的總體指導(dǎo)，使執(zhí)行器完成對應(yīng)的功能動作.帶執(zhí)行器節(jié)點的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)對于相同功能的實現(xiàn)過程有所出入，其在傳感器檢測后，立即將消息輸送給鄰近執(zhí)行器節(jié)點，由執(zhí)行器節(jié)點自行分析、決策，最后在決定是否發(fā)起動作的同時，將事件發(fā)送到匯聚節(jié)點，進(jìn)行整體分析與紀(jì)錄.不難發(fā)現(xiàn)，帶執(zhí)行器節(jié)點的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在解決方案方面的優(yōu)勢更為突出，其不僅具有較好的系統(tǒng)實時性能以及傳感器節(jié)點節(jié)能性，同時傳感器網(wǎng)絡(luò)具有較小的流量，減弱了網(wǎng)絡(luò)通信沖突與匯聚節(jié)點負(fù)載.

2　無線傳感器執(zhí)行器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)

在無線傳感器執(zhí)行器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)中存在匯聚節(jié)點、傳感器以及執(zhí)行器三種類型的節(jié)點.匯聚節(jié)點部分主要負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)整體的協(xié)調(diào)，通過匯總與采集信息數(shù)據(jù)，進(jìn)而能夠?qū)崿F(xiàn)與執(zhí)行器、傳感器節(jié)點的遠(yuǎn)距離通信；傳感器節(jié)點主要是依托于采集系統(tǒng)所在的環(huán)境中的有效數(shù)據(jù)；執(zhí)行器節(jié)點不僅能夠補充數(shù)據(jù)的采集內(nèi)容，還能夠在其判斷的基礎(chǔ)上去執(zhí)行了相應(yīng)的條件動作，去進(jìn)而處理了監(jiān)測相應(yīng)的消息、問題.能夠在需要判斷的基礎(chǔ)上執(zhí)行相關(guān)動作，及時處理監(jiān)測的事件消息.

一般地，依據(jù)不同的任務(wù)處理方式，無線傳感器執(zhí)行器網(wǎng)絡(luò)具有兩種基本的體系結(jié)構(gòu).一種為全自動結(jié)構(gòu)，其利用傳感節(jié)點進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，而后向臨近的執(zhí)行器節(jié)點輸送信息內(nèi)容，由其根據(jù)相關(guān)信息進(jìn)行分析，并執(zhí)行了相應(yīng)的任務(wù)，所以其又可稱為無控制中心結(jié)構(gòu).

另外一種則為半自動結(jié)構(gòu)，其首先需要將事件消息路由至匯聚節(jié)點，然后由匯聚節(jié)點向執(zhí)行器發(fā)布指令，指揮執(zhí)行器執(zhí)行相關(guān)任務(wù)，其也可稱為有控制中心結(jié)構(gòu).

以上兩種結(jié)構(gòu)都能夠呈現(xiàn)出屬于自己的優(yōu)勢：首先，系統(tǒng)的半自動結(jié)構(gòu)與一般無線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)十分相似，所以其無需開發(fā)全新的通信協(xié)議以及算法，應(yīng)用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中已經(jīng)研發(fā)的算法與協(xié)議便可以解決運行問題.而全自動結(jié)構(gòu)則具有延時低與更長網(wǎng)絡(luò)壽命的優(yōu)點.一方面，傳感器的采集信息直接被傳送給執(zhí)行節(jié)點，而無需繞路向匯聚節(jié)點傳送，大大縮短了傳輸途徑，提高了傳輸效率.另一方面，全自動結(jié)構(gòu)并沒有像半自動結(jié)構(gòu)一樣，存在一定的匯聚節(jié)點能量空洞，所以其具有更長的網(wǎng)絡(luò)壽命.在無線傳感器執(zhí)行器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)中，匯聚節(jié)點可以被我們當(dāng)作一種特殊的執(zhí)行器，能夠依托于單跳或多跳路由與其他執(zhí)行器建立有效連接，進(jìn)而直接參與分配任務(wù).研究無線傳感器執(zhí)行器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)能夠更好理清各節(jié)點間的關(guān)聯(lián)，在促進(jìn)無線傳感器技術(shù)成熟方面具有重要意義.

3　無線傳感器執(zhí)行器網(wǎng)絡(luò)協(xié)作機制

在無線傳感器執(zhí)行器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，各個節(jié)點的通信半徑、信息探測范圍以及計算能力等均是有限的，再加上節(jié)點的分布式特性，使得無線傳感器執(zhí)行器節(jié)點的控制不能由人員直接負(fù)責(zé)，而必須協(xié)調(diào)各節(jié)點行為，在保持高度一致性下，能夠?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的總體功能目標(biāo).對于無線傳感器執(zhí)行器網(wǎng)絡(luò)協(xié)作機制的設(shè)計，一般需要注意以下三點：首先，均衡各節(jié)點負(fù)擔(dān)，通過網(wǎng)絡(luò)延長，實現(xiàn)資源利用的最大化.其次，注重實時性的塑造.執(zhí)行器應(yīng)能實現(xiàn)各類任務(wù)的快速響應(yīng)，特別是實現(xiàn)機器人自主攻擊以及目標(biāo)追蹤等具有很高實時性的任務(wù).最后，事件消息必須要具備準(zhǔn)確性.因為一旦單一傳感器傳送的信息存在感知盲區(qū)等問題，那么協(xié)作機制則需要及時借助信息融合、多維感知等技術(shù)實現(xiàn)事件的精確報告.

目前，學(xué)術(shù)界已進(jìn)行了大量的無線傳感器執(zhí)行器網(wǎng)絡(luò)協(xié)作機制的研究，我們能夠知道無線傳感器執(zhí)行器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點間存在著傳感器與傳感器、傳感器與執(zhí)行器以及執(zhí)行器與執(zhí)行器三種類型的協(xié)作通信，由于這些傳感器節(jié)點間的協(xié)作在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中已有大量研究，所以以下將就兩種協(xié)作方式進(jìn)行分析.

首先，傳感器-執(zhí)行器協(xié)作，其一般涉及單執(zhí)行器與多執(zhí)行器兩種.單執(zhí)行器，簡言之就是只具備一個接收事件區(qū)信息執(zhí)行器的機制；多執(zhí)行器則具備多個接收事件區(qū)信息執(zhí)行器.單執(zhí)行器中并不存在相互協(xié)調(diào)的執(zhí)行器節(jié)點，其一般根據(jù)事件區(qū)域與執(zhí)行器節(jié)點的距離、作用范圍與執(zhí)行器能力等因素選擇節(jié)點，所以其需要復(fù)雜地分布式協(xié)調(diào)事件區(qū)中的傳感器節(jié)點，造成傳感器節(jié)點耗能較大.而多執(zhí)行器中由傳感器節(jié)點決定數(shù)據(jù)目的執(zhí)行器，雖然可以不必協(xié)調(diào)傳感器節(jié)點，但是卻也增加了不必要執(zhí)行器的激活率，其有必要借助分簇方法使傳感器將各自事件區(qū)的數(shù)據(jù)能夠去將各個節(jié)點去傳送到自己的執(zhí)行器內(nèi)，進(jìn)而解決過多執(zhí)行器被激活的問題.其次，執(zhí)行器一執(zhí)行器協(xié)作.在此操作中，依據(jù)任務(wù)分配形式也可以分為單一執(zhí)行器任務(wù)與多執(zhí)行器任務(wù).一般情況下，執(zhí)行器可根據(jù)任務(wù)的類型、復(fù)雜度以及發(fā)生地點等客觀因素決定任務(wù)執(zhí)行方式.單一執(zhí)行器協(xié)作在任務(wù)執(zhí)行時無需與其他執(zhí)行器進(jìn)行通信，所以其所用時間較短；而多執(zhí)行器任務(wù)狀態(tài)下，各執(zhí)行器需要協(xié)調(diào)合作，依據(jù)事件動態(tài)變化及時調(diào)整執(zhí)行器行為，但是與此同時也增加了通信與計算負(fù)載，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)延遲的出現(xiàn).盡管協(xié)作機制的研究已有一定的歷程，但是大多研究還處于理論階段，為了更好地突出協(xié)作機制的效用，進(jìn)一步研究無線傳感器執(zhí)行器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)多點協(xié)作問題具有重要的現(xiàn)實意義.

4　無線傳感器執(zhí)行器網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議

無線傳感器執(zhí)行器網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議共分為管理面、通信面與協(xié)作面三個層次.管理面主要進(jìn)行功率、移動以及容錯管理，其在負(fù)責(zé)監(jiān)控執(zhí)行器或者傳感器節(jié)點的基礎(chǔ)上向協(xié)作面輸送必要的節(jié)點信息.通信面具體而言，即為通信協(xié)議棧，一般包括物理、MAC、路由、傳輸以及應(yīng)用五個層次，其能夠為無線傳感器執(zhí)行器網(wǎng)絡(luò)提供必要的通信功能.協(xié)作面則主要處理由通訊面與管理面接收的信息，決定節(jié)點動作.在充分考慮網(wǎng)絡(luò)異構(gòu)特性的基礎(chǔ)上，無線傳感器執(zhí)行器網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議的設(shè)計將主要強調(diào)底層通信標(biāo)準(zhǔn)、路由層以及傳輸控制層三個方面.首先，底層通信標(biāo)準(zhǔn).目前，在無線傳感器執(zhí)行器網(wǎng)絡(luò)中底層通信大多使用IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，其主要描述了媒體接入控制以及低速率無線個人局域網(wǎng)物理層規(guī)范.盡管該標(biāo)準(zhǔn)在能量消耗上占有一定優(yōu)勢，但是其在數(shù)據(jù)輸送速率方面還未能完全滿足無線傳感器執(zhí)行器網(wǎng)絡(luò)的要求，所以，已經(jīng)開始有研究者向傳輸速率更高的IEEE 802.1l技術(shù)探索，以便更好地拓寬無線傳感器執(zhí)行器網(wǎng)絡(luò)在實際中的應(yīng)用范圍.其次，路由層協(xié)議.作為通信協(xié)議研究的熱點之一，路由協(xié)議主要解決無線傳感器執(zhí)行器網(wǎng)絡(luò)兩個節(jié)點間缺失直接通信的問題，其能夠?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)絡(luò)層信息的多跳中繼.因為無線傳感器執(zhí)行器網(wǎng)絡(luò)具有異構(gòu)特性，所以路由協(xié)議應(yīng)當(dāng)發(fā)展為滿足傳感器與傳感器、傳感器與執(zhí)行器、執(zhí)行器與執(zhí)行器三種形式的混合路由.最后，傳輸控制.經(jīng)由傳感器收集的事件信息需要有效按時地輸送給執(zhí)行器，而執(zhí)行器也必須保證在協(xié)同工作時所交換信息的可靠準(zhǔn)確性，所以在傳輸控制方面要求網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行端到端的可靠服務(wù)十分重要.不過，傳感器節(jié)點受到計算、能量、存儲等資源的限制，使得研究的大多協(xié)議還不能完全滿足無線傳感器執(zhí)行器網(wǎng)絡(luò)的實時性以及安全性要求，對比實際應(yīng)用的需求也還有一段距離.

5　結(jié)語

總之，當(dāng)前無線傳感器執(zhí)行器網(wǎng)絡(luò)的研究還有很多需要完善的地方.無論是完善任務(wù)協(xié)作機制以及支持動態(tài)拓?fù)渑c實時傳輸?shù)耐ㄐ艆f(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，還是修復(fù)因拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化、網(wǎng)絡(luò)間歇連通造成的任務(wù)盲區(qū)，均是無線傳感器執(zhí)行器網(wǎng)絡(luò)的研究重點，其進(jìn)一步的探索任務(wù)仍然任重而道遠(yuǎn).與此同時，由于無線傳感器執(zhí)行器網(wǎng)絡(luò)的實際應(yīng)用涉及多個行業(yè)，其需要根據(jù)不同的應(yīng)用研究具體的硬件、軟件系統(tǒng)以及網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，以便讓系統(tǒng)更好地貼近實際，實現(xiàn)高效低能的目標(biāo)系統(tǒng).

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基金項目：宿州學(xué)院校級項目（2013yyb02）

收稿日期：2015年11月17日

中圖分類號：TP393

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1673-260X（2016）01-0038-02