鄭改成

(太原理工大學(xué) 輕紡工程學(xué)院，山西 晉中 030600)

傳感器，即能夠感受物體屬性參數(shù)的元器件，這一概念對(duì)于普通人來(lái)說(shuō)并不陌生和新鮮，然而隨著IT 和無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的快速發(fā)展，其測(cè)量系統(tǒng)的組成已發(fā)展到智能化和網(wǎng)絡(luò)化。上世紀(jì)70 年代，是模擬控制和顯示器時(shí)代，傳感器測(cè)量參數(shù)只能實(shí)現(xiàn)所謂的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸，即多個(gè)參數(shù)的測(cè)控需要多個(gè)顯示/控制器，這樣的通信網(wǎng)只能說(shuō)是傳感器測(cè)量網(wǎng)絡(luò)的雛形;80 年代采用微處理器串/并接口(RS-232、RS-485 等)與傳感器連接，而構(gòu)成具有信息綜合處理能力的傳感器網(wǎng)絡(luò);90 年代至21 世紀(jì)初采用現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)連接傳感器構(gòu)成局域網(wǎng)，產(chǎn)生有線(xiàn)連接的智能傳感器網(wǎng)絡(luò);至目前為止無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Networks，WSN)已成為業(yè)界討論和研究的熱點(diǎn)［1］。它是隨著無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、嵌入式計(jì)算機(jī)技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)等發(fā)展［1］，應(yīng)運(yùn)而生的。

時(shí)下，物聯(lián)網(wǎng)(Internet of things，IOT)產(chǎn)業(yè)及技術(shù)如雨后春筍般蓬勃發(fā)展，作為其最底層的最基本的也是最重要的最關(guān)鍵的WSN 網(wǎng)絡(luò)的性能好壞和功能強(qiáng)弱顯得尤為突出。應(yīng)用中，WSN 是由眾多功能相同或者不同的傳感器節(jié)點(diǎn)組成，并把它們科學(xué)地分布于被監(jiān)測(cè)區(qū)域，各節(jié)點(diǎn)間自組織形成無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)(一般多采用Zigbee 協(xié)議)，采用多條鏈路進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，最終把各類(lèi)屬性測(cè)量數(shù)據(jù)(如溫/濕度、煙霧濃度、物體移動(dòng)等)匯聚和融合處理后經(jīng)網(wǎng)關(guān)與外網(wǎng)聯(lián)結(jié)［1］，到達(dá)用戶(hù)終端(電腦、手機(jī)等)，給用戶(hù)提供安全正常的信息，或者危險(xiǎn)的非正常的信息，以便進(jìn)行及時(shí)干預(yù)。

1 對(duì)WSN 的約束條件及性能要求

實(shí)際應(yīng)用中各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)多數(shù)是分布于無(wú)人區(qū)、野外、甚至是軍事區(qū)和劇毒、易腐蝕、爆炸等惡劣環(huán)境中，因此有以下約束限制:1)自帶電源提供能量，如鈕扣電池、蓄電池、太陽(yáng)能電池等［3］;2)安裝要隱蔽。要求節(jié)點(diǎn)的體積小、外殼設(shè)計(jì)要防水、防氧化，甚至有抗爆能力;3)無(wú)線(xiàn)通信距離不能太遠(yuǎn)，一般限制在幾米至幾十米，以節(jié)省能量［3］。同時(shí)在一定范圍內(nèi)能預(yù)防監(jiān)聽(tīng)、惡意路由、病毒攻擊等［1］;4)自身攜帶的嵌入式系統(tǒng)功耗要小、速度要快、數(shù)據(jù)處理能力要強(qiáng)等［1］。

基于以上約束條件，有以下關(guān)鍵性能指標(biāo)要求:1)網(wǎng)絡(luò)的工作壽命。在外殼設(shè)計(jì)滿(mǎn)足環(huán)境的要求下，影響壽命的主要因素就是電源供給和能耗。在自身攜帶電池的情況下，一個(gè)平均能耗足夠低的WSN 網(wǎng)絡(luò)，能源儲(chǔ)備要維持?jǐn)?shù)年才是。WSN 中能耗最大的器件是無(wú)線(xiàn)接收/發(fā)送器，設(shè)計(jì)時(shí)可以降低其工作頻率和輸出功率、采取間隙工作方式等;2)網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍。由節(jié)點(diǎn)的通信距離和節(jié)點(diǎn)數(shù)決定，但節(jié)點(diǎn)數(shù)過(guò)多時(shí)能耗加大，且數(shù)據(jù)的采樣速率會(huì)降低而受到牽制;3)網(wǎng)絡(luò)安全機(jī)制。在各個(gè)協(xié)議層要有保密、點(diǎn)到點(diǎn)消息認(rèn)證、完整性鑒別、時(shí)效性、認(rèn)證組播和廣播等要求;4)網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)時(shí)間。多數(shù)的WSN 對(duì)響應(yīng)時(shí)間無(wú)嚴(yán)格要求，但在安全監(jiān)測(cè)和工業(yè)控制中，該指標(biāo)顯得尤為重要［1］;5)測(cè)量精度。說(shuō)到底，WSN 其本質(zhì)仍是一個(gè)計(jì)算機(jī)測(cè)量與監(jiān)督控制系統(tǒng)，在哪些場(chǎng)所對(duì)所測(cè)的數(shù)據(jù)精度要求高或者低，是不言自明的。

2 WSN 中的路由技術(shù)

與傳統(tǒng)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)不同，WSN 的主要任務(wù)是傳送數(shù)據(jù)(以數(shù)據(jù)傳送為中心)。路由技術(shù)主要負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)從源節(jié)點(diǎn)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)至目標(biāo)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以充當(dāng)路由角色。并起著監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化、建立、維護(hù)和刪除節(jié)點(diǎn)路由的任務(wù)［1］。本小節(jié)主要闡述WSN 的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和路由技術(shù)。

2.1 傳感器節(jié)點(diǎn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

WSN 的組成包括分布式傳感器節(jié)點(diǎn)、無(wú)線(xiàn)接收/發(fā)送器、外部網(wǎng)絡(luò)和用戶(hù)終端/接口操作界面。應(yīng)用中，眾多的傳感器節(jié)點(diǎn)網(wǎng)常以平面和聚類(lèi)分層拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行路由驅(qū)動(dòng)和數(shù)據(jù)傳送。平面結(jié)構(gòu)的拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)適合規(guī)模較小的節(jié)點(diǎn)網(wǎng)，如家庭、辦公室、實(shí)驗(yàn)室等場(chǎng)所，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、容錯(cuò)性好，但是每個(gè)節(jié)點(diǎn)需要維護(hù)龐大的路由記錄，在此不再贅述。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)規(guī)模較大時(shí)，就需要采用聚類(lèi)分層結(jié)構(gòu)［1］，如圖1 所示。

圖1 傳感器節(jié)點(diǎn)聚類(lèi)分層拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖

聚類(lèi)分層是把同一類(lèi)型的傳感器節(jié)點(diǎn)劃分為一層，叫做簇。每個(gè)簇群中有一個(gè)節(jié)點(diǎn)稱(chēng)為簇群頭，其負(fù)責(zé)簇群內(nèi)所有成員所采集信息的收集、融合處理和簇頭間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，起著匯聚節(jié)點(diǎn)的作用;在網(wǎng)外，可作為中繼或網(wǎng)關(guān)與用戶(hù)終端相連。整個(gè)網(wǎng)絡(luò)由若干簇組成，而各個(gè)簇頭之間的通信又構(gòu)成高一級(jí)的簇群網(wǎng)絡(luò)。簇頭的產(chǎn)生可以預(yù)定，也可以由節(jié)點(diǎn)使用分簇算法自動(dòng)選舉產(chǎn)生，以增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)的容錯(cuò)性。當(dāng)簇頭確定好之后，簇成員的任務(wù)就簡(jiǎn)單了，不需要維護(hù)大量的復(fù)雜的路由信息，而使網(wǎng)絡(luò)具有很好的擴(kuò)展性［1］。

2.2 聚類(lèi)分層路由技術(shù)

在WSN 中，路由協(xié)議是基于無(wú)線(xiàn)鏈路連接的，路由的本質(zhì)是將數(shù)據(jù)幀由原節(jié)點(diǎn)傳輸至目標(biāo)節(jié)點(diǎn)。結(jié)合WSN 節(jié)點(diǎn)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，路由技術(shù)又分為平面和層次兩種，也是最常用的。在此主要闡述一下低功耗自適應(yīng)聚類(lèi)分級(jí)LEACH(low Energy Adaptive Clustering Hierarchy，IEACH)層次路由協(xié)議。其基本方法是采用循環(huán)機(jī)制，隨機(jī)選擇簇頭節(jié)點(diǎn)，并將耗能負(fù)載平均分配到各個(gè)簇群成員中。具體講，隨機(jī)選擇一個(gè)節(jié)點(diǎn)做簇頭，由該簇頭向各傳感器節(jié)點(diǎn)廣播消息，各節(jié)點(diǎn)根據(jù)其信號(hào)的強(qiáng)弱選擇是否加入該群(等能量加群，以節(jié)省工作能量)。簇群確定好之后，簇頭按照TDMA(時(shí)分復(fù)用)方式給節(jié)點(diǎn)成員分配一個(gè)時(shí)間間隙，此時(shí)簇頭開(kāi)始處于睡眠狀態(tài)，各節(jié)點(diǎn)成員在規(guī)定的時(shí)間間隙如有數(shù)據(jù)發(fā)送請(qǐng)求，可喚醒簇頭，以傳輸數(shù)據(jù)，當(dāng)將所有成員數(shù)據(jù)接收完畢后，再進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，剔除冗余數(shù)據(jù)，傳輸給外網(wǎng)。此過(guò)程輪流不斷，周而復(fù)始［1］。其每一輪都由初始化和穩(wěn)定工作兩個(gè)階段組成。

初始化是簇的形成過(guò)程，要依據(jù)簇頭所占的百分比和節(jié)點(diǎn)成員數(shù)選出簇頭。方法是:在同一時(shí)間段，抽查任一節(jié)點(diǎn)成員隨機(jī)產(chǎn)生的0～1 之間的數(shù)據(jù)，如果小于閾值T，則選為簇頭。閾值T 的計(jì)算方法為:

式中:p 為簇頭所占的百分?jǐn)?shù);r 為當(dāng)前輪數(shù);G 為在過(guò)去的一總輪中，未做過(guò)簇頭的節(jié)點(diǎn)的集合［1］，相應(yīng)地n 是沒(méi)有做過(guò)簇頭的某個(gè)節(jié)點(diǎn)。假設(shè)節(jié)點(diǎn)總數(shù)為15，簇頭數(shù)為3，則p=(3/15)×100%=20%總輪數(shù)為(1/p)=5;若當(dāng)前輪數(shù)r=4，則剩余輪數(shù)為(1/p)－4=1，由于取余運(yùn)算mod(1/p)=0，則T=［0.2/(1－0.2 ×0)］=0.2。

若r=0，每個(gè)節(jié)點(diǎn)做簇頭的概率為20%;

r=1，有3 個(gè)節(jié)點(diǎn)做過(guò)簇頭，在以后的輪循中不能再做簇頭;剩余節(jié)點(diǎn)做簇頭的概率為(3/12)×100%=25%;

r=5，則15 個(gè)節(jié)點(diǎn)全部做過(guò)一次簇頭。

可見(jiàn)，在聚類(lèi)分層路由協(xié)議中，所有節(jié)點(diǎn)均有機(jī)會(huì)做簇頭，大家輪流坐莊，能量始終是均衡消耗，以保證節(jié)能。

穩(wěn)定工作階段。即某一輪簇和簇頭一旦形成，節(jié)點(diǎn)便采集數(shù)據(jù)，并在相應(yīng)的間隙使用最小能量將數(shù)據(jù)傳給簇頭，然后睡眠節(jié)能。節(jié)點(diǎn)將所有成員數(shù)據(jù)接收完畢后，進(jìn)行必要的融合處理發(fā)送給基站，通過(guò)外網(wǎng)進(jìn)入用戶(hù)終端。持續(xù)一段時(shí)間后，進(jìn)入下一輪工作周期［1］。

LEACH 這樣的工作方式能夠充分節(jié)能，大大延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的工作時(shí)間，并且有很好的擴(kuò)展性和容錯(cuò)性，缺點(diǎn)是不能實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)同步［1］，易引起網(wǎng)絡(luò)癱瘓。因此應(yīng)用中要對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化，并加入時(shí)間同步機(jī)制。

3 傳感器節(jié)點(diǎn)硬件組成說(shuō)明

WSN 應(yīng)用可分為環(huán)境數(shù)據(jù)采集、安全監(jiān)測(cè)和目標(biāo)跟蹤定位三種類(lèi)型。無(wú)論哪一種應(yīng)用，其節(jié)點(diǎn)硬件均離不開(kāi)傳感器元器件及調(diào)理電路、微處理器單元、數(shù)據(jù)無(wú)線(xiàn)接收/發(fā)射單元和電源四部分組成［1］。其中，傳感器盡量選用集傳感、補(bǔ)償、信號(hào)調(diào)理及A/D 轉(zhuǎn)換等于一體的器件，如DS18B20 數(shù)字化一線(xiàn)式溫度傳感器、SHT11 數(shù)字式溫/濕度傳感器、ADXL202 數(shù)字式加速度傳感器、EL7900 數(shù)字式光照度傳感器、Ms5534 大氣壓力傳感器、BL1785 數(shù)字化聲音傳感器［3］、GS-1000 數(shù)字式位移傳感器、AP-C30C 數(shù)字式壓力傳感器、HBMC16i 數(shù)字式稱(chēng)重傳感器;微處理器的選擇主要考慮低功耗、運(yùn)行速度快、I/O 接口多可擴(kuò)展，成本低，安全性可靠性好等，另外結(jié)構(gòu)組成上含有多通道A/D 轉(zhuǎn)換及同步/異步無(wú)線(xiàn)接收發(fā)送器等。如ATMEL 公司的AVR 系列單片機(jī)、TI公司的MSP430F14 系列單片機(jī)等;無(wú)線(xiàn)通信也有專(zhuān)門(mén)的模塊芯片，如TR1000，CC1000、NRF401、CC2530 等，其中，CC2530 芯片本身還集成有8051 單片機(jī)和RF 射頻無(wú)線(xiàn)收/發(fā)器，是一個(gè)真正的片上系統(tǒng)(Soc)［2］。

由CC2530 和SHT11 匹配的溫/濕度測(cè)量傳感器節(jié)點(diǎn)硬件組成模塊如圖2 所示［2］。

圖2 cc2530 與SHT11 傳感器節(jié)點(diǎn)

電源模塊有室內(nèi)和室外之分，室內(nèi)可采用外部穩(wěn)壓電源供電，或者外部與自身攜帶能源相結(jié)合原則，而在偏遠(yuǎn)的野外一般只能采用自身供電方式，具體不再贅述。

4 結(jié)束語(yǔ)

WSN 其本質(zhì)上仍是計(jì)算機(jī)監(jiān)督測(cè)量與控制系統(tǒng)，只不過(guò)其應(yīng)用已從最初的工業(yè)控制延伸到其它行業(yè)和人們生活當(dāng)中。WSN 的網(wǎng)絡(luò)體系也是物聯(lián)網(wǎng)的底層體系組成部分，并且是其最基本的和最主要的組成部分。雖然WSN 的研究和發(fā)展已有若干年，但到目前，其技術(shù)還不很成熟，應(yīng)用也沒(méi)有大規(guī)模投入。原因無(wú)非是成本和技術(shù)兩方面，技術(shù)方面主要是傳感器元件種類(lèi)少、精確度、供電及能耗、節(jié)點(diǎn)路由、容錯(cuò)性、安全性、內(nèi)外網(wǎng)接口及系統(tǒng)維護(hù)等，從現(xiàn)階段來(lái)看，這些都不是難事，其應(yīng)用和普及是可以預(yù)見(jiàn)的。再過(guò)若干年，WSN 及物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用將是人類(lèi)生活的主要組成部分，就像當(dāng)今人們離不開(kāi)手機(jī)和電腦一樣，人類(lèi)生活將離不開(kāi)WSN和物聯(lián)網(wǎng)。

［1］唐宏，謝靜，李玉芳，等.無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)原理及應(yīng)用［M］.北京:人民郵電出版社，2010.

［2］李立煌，張志杰，張霞，等.基于Zigbee 的藥品倉(cāng)庫(kù)溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)［J］.工業(yè)通信，2015(5):63.

［3］何寧，王漫，方昀，等.面向無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的傳感器技術(shù)綜述［J］.計(jì)算機(jī)應(yīng)用與軟件，2007(9):91－92.