呂文博

摘 要 隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及相關(guān)感知技術(shù)的發(fā)展與成熟，物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)運而生，物聯(lián)網(wǎng)作為互聯(lián)網(wǎng)的延伸新技術(shù)，將在未來給人類生活帶來巨大的影響。而新興的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是物聯(lián)網(wǎng)感知層中獲取外部世界物理信息的重要手段。文章介紹了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和物聯(lián)網(wǎng)的基本概念及關(guān)鍵技術(shù)，并分析了面向物聯(lián)網(wǎng)的傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)及其對于物聯(lián)網(wǎng)的意義，最后針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在物聯(lián)網(wǎng)中應(yīng)用的特殊性，對面向物聯(lián)網(wǎng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進行了多方面的展望。

關(guān)鍵詞 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；物聯(lián)網(wǎng)；網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議

中圖分類號 TN92 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 1674-6708（2018）215-0120-02

當(dāng)今社會是快速發(fā)展的信息時代，物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用將給人們的生活帶來了前所未有的便捷，已經(jīng)成為一種備受矚目且潛能巨大的技術(shù)手段。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能在不同條件下，為人們提供氣象、環(huán)境和市場等各方面的信息，其應(yīng)用范圍十分廣泛，廣泛應(yīng)用于軍事、農(nóng)業(yè)、交通、居家和金融等領(lǐng)域。隨著物聯(lián)網(wǎng)等信息技術(shù)的發(fā)展，促進了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的完善，以無線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為感知外部信息重要手段的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將成為物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及其應(yīng)用的一種發(fā)展趨勢。所以對面向物聯(lián)網(wǎng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進行研究有著重要的意義。

1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和物聯(lián)網(wǎng)

1.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

1）無線傳感器網(wǎng)絡(luò)基本概念。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種分布式傳感通信網(wǎng)絡(luò)，它的終端由許多可以采集外部世界信息的傳感器組成，這些傳感器通過無線通信方式形成了多點傳輸?shù)淖灾螣o線網(wǎng)絡(luò)，它可以感知和檢查覆蓋區(qū)域內(nèi)所有的變化情況，并對被感知對象進行數(shù)據(jù)的感知、采集、存儲、傳輸、分析和處理，從而獲取相應(yīng)有價值的信息應(yīng)用與相關(guān)領(lǐng)域[1]。

2）無線傳感器網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)主要體現(xiàn)在信息采集系統(tǒng)設(shè)計、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)支持和網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議設(shè)計[2]。其中信息采集系統(tǒng)設(shè)計需要通過網(wǎng)絡(luò)模型設(shè)計、系統(tǒng)平臺和操作系統(tǒng)、節(jié)點設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)化和數(shù)據(jù)儲存標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計等實現(xiàn)。網(wǎng)絡(luò)服務(wù)支持包括網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的時間同步和空間定位機制，同時數(shù)據(jù)融合與壓縮和網(wǎng)絡(luò)安全機制也是網(wǎng)絡(luò)服務(wù)支持的關(guān)鍵。網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議的設(shè)計在對網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層、傳輸層及物理層的設(shè)計的同時還需考慮跨層優(yōu)化設(shè)計。

1.2 物聯(lián)網(wǎng)

1）物聯(lián)網(wǎng)基本概念。物聯(lián)網(wǎng)是指通過各類信息傳感設(shè)備，例如射頻識別、紅外線感應(yīng)器、GPS和傳感器等感知設(shè)備采集物理世界的信息傳入互聯(lián)網(wǎng)，從而形成一個以互聯(lián)網(wǎng)為核心的“物物相連”的網(wǎng)絡(luò)[3]。

物聯(lián)網(wǎng)為互聯(lián)網(wǎng)的拓展應(yīng)用，其依托于互聯(lián)網(wǎng)并以其作為核心進行向外延伸。其最重要的思想是形成一個物物相連的互聯(lián)網(wǎng)，將互聯(lián)網(wǎng)延伸至任何物體與物體之間，將物理世界中物體的各類信息傳遞到互聯(lián)網(wǎng)中形成一個新型的智能網(wǎng)絡(luò)。

2）物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)。物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)主要在于信息的采集、網(wǎng)絡(luò)與通信及智能化3個方面。信息采集的關(guān)鍵技術(shù)為傳感技術(shù)與射頻識別技術(shù)，通過傳感技術(shù)與射頻識別技術(shù)可以將物理世界中的信息映射至互聯(lián)網(wǎng)中，從而使得物聯(lián)網(wǎng)具備感知外部世界的能力。物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)與通信技術(shù)需要解決當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)中標(biāo)準(zhǔn)太多、傳輸協(xié)議不適合物聯(lián)網(wǎng)、難以實現(xiàn)授權(quán)及數(shù)據(jù)隱私與完整性的問題。智能化方面的關(guān)鍵技術(shù)有智能交互與協(xié)同感知、信息處理與信息融合，這兩項技術(shù)旨在使整個物聯(lián)網(wǎng)中各個分布的部分具備協(xié)同能力，運用云計算與模糊識別等智能計算技術(shù)，對跨地區(qū)和跨行業(yè)的信息進行信息相互融合分析，提高整個網(wǎng)絡(luò)對現(xiàn)實世界中一些活動過程的洞察與分析能力，從而實現(xiàn)整個物聯(lián)網(wǎng)智能化的控制和決策。

2 面向物聯(lián)網(wǎng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)

在物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用基礎(chǔ)上無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能得到更好的發(fā)展，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可實現(xiàn)邊緣地區(qū)及無線終端的無線入網(wǎng)，其覆蓋范圍廣及智能化的特點可很好的將其融入其他相關(guān)網(wǎng)絡(luò)中，可利用手機、電子手表和智能汽車等移動終端，對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進行物的連接入網(wǎng)，通過無線的手段實現(xiàn)移動端與固定節(jié)點的連接，最終實現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用。實現(xiàn)面向物聯(lián)網(wǎng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)有以下幾點關(guān)鍵技術(shù)。

2.1 網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議

在信息技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)運行中，網(wǎng)絡(luò)通信必須遵守一定的協(xié)議，如果沒有這種協(xié)議，那么網(wǎng)絡(luò)通信將會變得沒有規(guī)律可尋，難以完成信息的通信傳輸和轉(zhuǎn)換等，沒有通信協(xié)議就會極大的阻礙網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)的發(fā)展，可見網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議是必不可少的。物聯(lián)網(wǎng)是物物及物人之間信息傳遞的網(wǎng)絡(luò)，其通過Iternet為載體實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)中的信息傳遞，其中通過特定的傳輸協(xié)議實現(xiàn)各個節(jié)點之間的信息傳遞。對于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)而言，具體應(yīng)用場景的不同其內(nèi)部的節(jié)點個數(shù)及網(wǎng)路拓?fù)漕愋筒煌?，所以可靠的協(xié)議對于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用有重要意義。網(wǎng)絡(luò)層的路由協(xié)議將決定物聯(lián)網(wǎng)感知層的信息傳輸路徑，傳輸層確保了各個傳輸節(jié)點間數(shù)據(jù)的可靠且高效的傳輸。目前主流的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議為IEEE802.15.4/ZigBee協(xié)議，其為一種應(yīng)用于低速率可靠網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議[4]。由于IPv6將成為下一代互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)層的主導(dǎo)技術(shù)，以互聯(lián)網(wǎng)為核心的物聯(lián)網(wǎng)勢必將采用該技術(shù)，由于基于IEEE 802.15.4通信協(xié)議的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與IPv6協(xié)議的互聯(lián)網(wǎng)相互無縫連接是無可行性的，所以人們提出了6LoWPAN 協(xié)議。6LoWPAN 協(xié)議將成為未來面向物聯(lián)網(wǎng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)協(xié)議。

2.2 智能感知技術(shù)

普通的傳感器網(wǎng)絡(luò)只具備單一的感知輸出功能，實現(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的智能感知化是當(dāng)下傳感器網(wǎng)絡(luò)研究的趨勢。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)需要根據(jù)具體應(yīng)用需求實現(xiàn)相應(yīng)的智能性。作為物聯(lián)網(wǎng)感知層的重要基礎(chǔ)手段之一，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的傳感器應(yīng)具有自主標(biāo)定、自校正功能，使用過程中應(yīng)對各類環(huán)境干擾及變化的自動補償功能，工作狀態(tài)下的數(shù)據(jù)采集及自主分析、數(shù)據(jù)處理及執(zhí)行干預(yù)等本地邏輯功能，數(shù)據(jù)采集后的上傳及系統(tǒng)指令的決策處理功能等，特別是面向更多無人值守應(yīng)用環(huán)境，以及大數(shù)據(jù)分析數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品中的自學(xué)習(xí)功能等。同時一個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的各傳感器或各個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)之間具有一種智能協(xié)同及互補的功能。在物聯(lián)網(wǎng)概念下的智能感知技術(shù)將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為了感知層的一種智能感知終端。

2.3 定位技術(shù)

對于任何一個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)而言其中傳感器采集的信息只有具備時間及空間信息時才是有意義的數(shù)據(jù)[5]。一個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有成千上萬的密集型節(jié)點甚至具備移動節(jié)點，因此需要對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的信息節(jié)點進行精準(zhǔn)定位。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中由于節(jié)點能耗有限采用傳統(tǒng)的GPS接收器的定位手段將受到限制，所以在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點定位是采用通過傳感器網(wǎng)絡(luò)中少數(shù)節(jié)點的已知位置通過一定得定位技術(shù)確定網(wǎng)絡(luò)中的其他節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部定位技術(shù)。

3 面向物聯(lián)網(wǎng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)展新思路

3.1 系統(tǒng)低能耗設(shè)計

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中各個節(jié)點由于其無線的特性無法連接至能源網(wǎng)絡(luò)，其自身所攜帶的自容式電池能量有限，要衍生無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的生命周期就需要對系統(tǒng)低能耗進行設(shè)計。目前對于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能耗的研究都是基于單個傳感器的低能耗研究，沒有將整個網(wǎng)絡(luò)中的各個傳感器聯(lián)系起來考慮。和傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)不同，面向物聯(lián)網(wǎng)的傳感器網(wǎng)絡(luò)由于其上層物聯(lián)網(wǎng)強大的數(shù)據(jù)處理與分析能力，可以考慮將軟硬件及各個傳感器間協(xié)同合作從而使得整個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的能耗降低。

3.2 多宿主的網(wǎng)絡(luò)傳輸

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是物聯(lián)網(wǎng)感知層獲取信息的重要手段之一，其為物聯(lián)網(wǎng)的有效運行的基本。為了拓展整個物聯(lián)網(wǎng)的可靠性與魯棒性?？刹捎枚嗨拗鞯木W(wǎng)絡(luò)傳輸方式，基于多宿主的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以將其中各傳感器采集到的數(shù)據(jù)通過多條有效鏈路傳輸?shù)缴蠈泳W(wǎng)絡(luò)，同樣的從上而下的指令也可通過多條鏈路進行傳輸。該方式可增強整個網(wǎng)絡(luò)中信息傳輸?shù)目煽啃?，減小網(wǎng)絡(luò)傳輸延遲[3]。

4 結(jié)論

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的進一步發(fā)展及其應(yīng)用的普遍，作為物聯(lián)網(wǎng)感知層基礎(chǔ)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)將取得更大規(guī)模的多元化應(yīng)用。文章淺析了面向物聯(lián)網(wǎng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)并針對其應(yīng)用特點提出了發(fā)展新思路。當(dāng)前無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用有許多關(guān)鍵技術(shù)有待解決，需要科研人員對其進行深入細(xì)化的研究并對其進行工程化試驗。將來面向物聯(lián)網(wǎng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)將成為外部物理世界與互聯(lián)網(wǎng)虛擬世界之間的重要接口，并深入到人類生活的各個領(lǐng)域從而改變?nèi)祟惻c自然界的交互模式。

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