劉擁，江家寶

(巢湖學院 信息工程學院，安徽省 巢湖市 238000)

1 引言

無線傳感器網絡(Wireless Sensor Network，WSN)是指一組空間分散的專用傳感器，用于監(jiān)測和記錄環(huán)境的物理條件并將收集的數據組織在中央位置.無線傳感器網絡是空間分布式的自主傳感器，用于監(jiān)測物理或環(huán)境條件，如溫度、光照、濕度、輻射、生物有機體的存在、地質特征和地震等，并通過網絡將數據進行傳輸[1].無線傳感器網絡的發(fā)展受到戰(zhàn)場監(jiān)視等軍事應用的推動，今天，這樣的網絡被用在許多工業(yè)和消費者應用中，諸如工業(yè)過程監(jiān)控和控制、機器健康監(jiān)控等等.

WSN由從數個到成千上萬個數量不等的“節(jié)點”構成，而且每個節(jié)點連接到一個多個傳感器，傳感器可能節(jié)點非常小，能夠收集、處理和傳送數據給其他節(jié)點和外部世界.每個這樣的傳感器網絡節(jié)點通常具有幾個部分：具有內部天線或連接到外部天線的無線電收發(fā)器、微控制器，傳感器節(jié)點的成本根據各個傳感器節(jié)點的復雜度不同，價錢隨著復雜度的增加而逐漸增加.無線傳感器網絡的結構也是變化多端，它可以從簡單的網絡變換到先進的多跳無線網狀網絡[2].傳感器網絡受益于各種各樣的傳感器，在醫(yī)療、農業(yè)、地質、軍事、家庭和應急管理等諸多領域有著廣泛的應用，傳感器節(jié)點能量的提高成為無線傳感器網絡中的關鍵問題[3].因此，能量效率的提高是設計無線傳感器網絡的基本前提條件，這也和無線傳感器網絡的信號處理以及數據存儲技術的程度密切相關[4].

針對多維自重構無線傳感網絡信號處理及數據存儲技術的研究很有意義，而且國內外對此的研究也很多，本文將從一個新的角度，對此展開討論.在無線傳感器網絡中，無線傳感器網絡不僅要以數據為中心，而且路由協議還需要關心單個節(jié)點的數據管理，這在路由協議中設計和研究中比較重要.每個節(jié)點不需要采用整個網絡尋址，而選擇路徑可能不需要基于節(jié)點的尋址，而是要根據特定數據組成至相應節(jié)點的特定路徑[5].本文將從數據庫系統體系結構、數據存儲和索引、數據模式以及數據挖掘等方面闡述WSN的數據管理技術.

2 材料和方法

基于無線傳感器網絡的環(huán)境中的信息檢索遵循一系列不同的步驟，本節(jié)介紹了需要考慮的不同方面，以提供精確的傳感過程建模.圖1給出了傳感過程的總結在高層次上，可以識別兩個獨立的進程，前者是數據生成階段，由傳感器模塊集合捕獲，后者是數據處理階段，在網絡的不同組件之間共享.第一階段的建模涉及模擬環(huán)境中發(fā)生的物理變化.一旦進入傳感器級別，數據就會在發(fā)送給最終用戶之前通過網絡進行路由并進行處理[6]. 這個階段涉及到不同網絡組件之間的一系列復雜的交互，也受到網絡組件資源的限制，這些資源應該被確定用于精確建模.

圖1 數據檢索過程的不同階段

2.1 無線傳感器網絡數據平臺

傳感器模塊的構成如下：存儲器、電池、傳感器硬件、嵌入式處理器和收發(fā)器. 目前市場上主要的無線傳感器平臺的特性如表1所示.這些平臺的尺寸主要取決于它們的電池，通常是2節(jié)AA電池.在能源效率方面，基于TI MSP430微控制器的平臺處于目前技術水平最先進的水平，完全工作模式下的電流消耗約為30mA，閑置模式下的電流消耗低于1μA.為了測試數據處理算法，我們認為需要考慮的關鍵因素有兩種.首先，仿真框架應該能夠通過強加一個真實的實現來評估算法的可行性，這個實現可以在現有的傳感器模塊上編譯和運行. 我們在這里認為，這個方面是非常重要的，因為實際的實現可以揭示算法的重要缺陷，如內存需求或可計算性，因為傳感器模塊有非常稀缺的資源.傳感器平臺還沒有執(zhí)行浮點計算的能力的情況下，通過在算法的設計中找到解決實際使用問題的方法來實現這個開銷[7].

無線傳感器網絡由能夠監(jiān)測物理現象的空間分布式傳感器節(jié)點和通常稱為融合中心的基站組成.每個感測節(jié)點收集關于其周圍的信息，并將信息發(fā)送到其相鄰節(jié)點和基站，在那里執(zhí)行計算密集的數據處理任務[8].在這個框架中，傳感器節(jié)點可以用于數據采集，數據轉發(fā)和信息處理.傳感器、微控制器和收發(fā)器是此類傳感器網絡的主要部件.傳感器負責將物理數據轉換為電信號，然后它將采集的數據傳送給微控制器，微控制器負責處理所獲取的感測數據并控制無線通信系統.收發(fā)器允許與網絡中的其他節(jié)點或與基站的數據通信，網絡無線電傳輸是使用媒體訪問控制(MAC)協議來實現的[9].所有三個組件的共同之處在于決定三個組件的功率分配方案的功率分配單元.

2.2 模塊間通信

無線傳感器網絡信號處理及數據處理技術需要考慮的第二個關鍵因素是模塊間的通信.通信導致兩個關鍵的方面，可能會損害傳感器網絡中的數據處理算法的理論有效性.首先，我們不能假設網絡連通性是完美的，鏈路變化應該是仿真框架的一個特征[10].其次，從代碼執(zhí)行到網絡通信的同步方面也應該被考慮，因為它們在傳感器網絡的實際部署中起主要作用.目前存在從傳感器模塊微控制器到網絡通信的各種傳感器網絡仿真系統.例如，從網絡角度來看，NS2是突出的模擬器，可以對有線和無線網絡進行精確模擬，數千個節(jié)點.雖然有益于廣泛的標準和實驗通信協議和網絡體系結構，但是卻缺乏網絡節(jié)點上代碼執(zhí)行的模擬. ATEMU以及最近的AVRORA在基于AVR匯編語言的傳感器模塊平臺的機器碼級仿真中提供了周期精度，并提供了數百個節(jié)點的網絡仿真[11].然而，它僅限于AVR微控制器，不能模擬其他類型的微控制器的代碼執(zhí)行.其他項目如EmStar或SENS，通過關注更高層次的互操作性問題，可以模擬異構網絡中的交互，涉及低資源傳感器模塊和更高資源的微服務器平臺[12].

就我們所知，目前允許以合理的精度模擬微粒代碼執(zhí)行和網絡通信的最佳人選是TOSSIM，即TinyOS的模擬器. TinyOS是一款開源的事件驅動系統，用于對當前主要類型的傳感器模塊進行編程，具有大量的程序貢獻，以及大量用戶群的好處.程序語言是C語言中的變種NesC，可以編譯為TI MSP430和ATmega128L AVR微控制器，這些微控制器目前在傳感器模塊技術中應用最為廣泛. TOSSIM通過虛擬時鐘以4MHz的速率模擬傳感器模塊上運行的實際代碼[13].它還在比特級重現了TinyOS的完整網絡棧，從而通過簡單的機制來模擬網絡爭用或數據包損壞，最后它提供了簡化的連接網絡模型的簡單生成和能耗模型.無線傳感器網絡節(jié)點和數據處理圖如圖2所示.

圖2 WSN的數據處理架構

2.3 多路徑路由

能量多路徑路由協議的過程如下：(1)路徑建立；(2)數據分發(fā)；(3)路由維護.每個節(jié)點根據下一跳節(jié)點的情況到達目的節(jié)點的，并計算其發(fā)送數據的概率[14].Cos t(Ni)表示節(jié)點i到目的節(jié)點的通信成本.路徑的通信成本值是節(jié)點i的成本值加上兩個節(jié)點之間的通信能量消耗：

CNj ,Ni= Cost(Ni) +Metric(Nj,Ni)

(1)

CNj,Ni表示節(jié)點Nj通過節(jié)點路徑發(fā)送數據到達目的節(jié)點Ni的代價，Metric(Nj,Ni)代表從節(jié)點Nj到節(jié)點Ni的通信節(jié)點能量消耗：

(2)

節(jié)點放棄成本過高的路徑，將節(jié)點j加入本地路由表的條件是α>1：

(3)

節(jié)點Nj使用以下公式來計算選擇節(jié)點Ni的概率：

(4)

節(jié)點Nj將消息中的原始成本值替換為值Cost(Nj)，到達目的節(jié)點的開銷定義為通過路由表中的節(jié)點到達目的地的節(jié)點Cost(Nj)的成本的平均值：

(5)

3 數據泄露中能耗最少的路由仿真

3.1 仿真概念

這種方法是在每個節(jié)點上維護一個路由表，在每個目的地址上標記該鏈路應該被轉發(fā)的表.這些表示形式在整個系統配置中生成，并在此后相當長時間內保持靜態(tài).當網絡拓撲結構固定，流量比較穩(wěn)定時，該算法效果最好.系統構建網絡節(jié)點.基于TI-MAC底層通信協議，自主開發(fā)支持移動用戶的路由協議，構建雙層通信監(jiān)控網絡[15].任何一項研究成果都需要進行其性能分析和驗證評估，目前的驗證方法分為實驗驗證和模擬兩種.網絡實驗平臺可以分析小規(guī)模網絡中算法的性能，但是在大規(guī)模網絡環(huán)境下很難評估算法的性能.因此，研究人員設計和開發(fā)了許多仿真平臺(或基于現有平臺建立的無線傳感器網絡模型),典型的仿真平臺，如：NS-2，OPNET等.圖3是WSN自定位算法流程圖.

圖3 自定位算法的工作流程

3.2 實現上述過程的結果

在C語言環(huán)境下，我們運行該程序，結果如圖4所示. 首先，我們必須定義無線傳感器網絡中所有節(jié)點的數量. 然后，我們輸入源節(jié)點號碼. 最后，我們建立整個網絡，并在兩個節(jié)點之間的能量傳輸中輸入網絡數據. 最后，程序自動計算消耗最少能量的路徑.

圖4 自定位算法的工作流程

在移動過程中匯聚節(jié)點，通過定期發(fā)送信標來通知其當前位置周圍的相鄰節(jié)點. Sink節(jié)點的鄰居節(jié)點可以直接發(fā)現Sink節(jié)點并開始數據傳輸[16].外層節(jié)點間接發(fā)現節(jié)點，通過感知內層節(jié)點的數據傳輸行為來傳輸數據. 吞吐量達到13%，丟包率達到44%，時延達到68%，網絡預期壽命達到36%.這說明移動Sink動態(tài)負載均衡數據聚合算法在WSN數據處理和數據管理方面是最優(yōu)的[17]，見圖5.

圖5 傳輸數據情況

每個系統和算法都有自己的特點和適用范圍，沒有人是最好的.總的來說，一些循環(huán)細化算法(如合作測距，兩相定位，n跳多點測基元等)不僅提高了定位精度，而且給用戶提供了更大的自由度，逐漸建立起了新的類別.

4 結論

無線傳感器網絡是一種新的信息獲取和數據處理技術，在某些特殊領域，它具有傳統技術無法比擬的優(yōu)勢，也將開辟許多新的有價值的商業(yè)應用.由于無線傳感器網絡是一項新興技術，我國在這個專業(yè)領域所做的研究比較少.無線傳感器網絡由許多帶有低功耗無線收發(fā)器的傳感器節(jié)點組成，能夠有效地將不同環(huán)境中的有用信息收集到遠端基站進行處理.因為傳感器網絡節(jié)點間能量傳輸受到限制，所以系統節(jié)點之間的通信應最大效率地利用能量來延長網絡的生命周期.鑒于此，文章在消化吸收他人研究成果的基礎上，深入分析了無線傳感器網絡中的能量路由原理，并在此基礎上給出了明確的解釋，目前使用比較常見的路由協議做了一個總結和比較.本文對無線傳感器網絡能量路由進行了研究，使用一個簡短的程序模擬來說明在網絡中選擇最小能量路徑的過程.但是對于每個具體的路由過程，具體的應用環(huán)境起到了指導作用.將來要做模型和量化定位算法的性能評估，WSN需要建立標準的仿真技術和仿真系統.我們還可以實現超大規(guī)模網絡中的低成本，高精度定位系統和移動網絡環(huán)境中的自適應定位算法.