（电工理论与新技术专业论文）无线传感器节点技术与网络初步构建研究.pdf

a b s t r a c t w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ( w s n ) i san o v e lt e c h n o l o g yf o ra c q u i r i n ga n d p r o c e s s i n gi n f o r m a t i o n ，w h i c h i sm a d e b y t h e c o n v e r g e n c e o fw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n s ，s e n s o r s ，n e s t e dc o m p u t a t i o n ，a n dn e t w o r kt e c h n o l o g i e s i ti sa t y p i c a lw i r e l e s sn e t w o r kw i t h o u ti n f r a s t r u c t u r e w s n sc o n s i s to fal a r g en u m b e ro f e n e r g y c o n s t r a i n t ，s m a l la n du n c h a n g e a b l es e n s o r s s oe n e r g yi st h em o s ti m p o r t a n t r e s o u r c e si nw s n s ，w h i c hd i r e c t l ya f f e c t st h el i f e t i m eo f w s n s i nt h i sp a p e r , w ef o c u so nt h ee n e r g yc o n s u m p t i o n a f t e ri n t r o d u c i n gt h e c h a r a c t e r i s t i c sa n da p p l i c a t i o no fw s n s ，w ef i r s t l ym a k eas u r v e yo ne n e r g y c o n s u m p t i o n t h e nw ea n a l y z et h en o d ed e s i g na n dm a cp r o t o c o lo fw s n s s e n s o r sa r et y p i c a l l yc a p a b l eo fw i f e l e s sc o m m u n i c a t i o na n da r es i g n i f i c a n t l y c o n s t r a i n e di nt h ea m o u n to fa v a i l a b l er e s o u r c e ss u c ha se n e r g y , s t o r a g ea n d c o m p u t a t i o n s u c hc o n s t r a i n t sm a k et h ed e s i g na n do p e r a t i o no fs e n s o rn e t w o r k s c o n s i d e r a b l yd i f f e r e n tf r o mc o n t e m p o r a r yw i r e l e s sn e t w o r k s as c h e m eo fn o d e d e s i g nb a s e do nm s p 4 3 0a n da r m d u a l - c p uc o n f i g u r a t i o ni sp u tf o r w a r d t o w a r d s t h e s er e s t r a i n s t h ed e s i g n so fe a c hs e c t i o na n dk e yc o m p o n e n ti nt h es c h e m ea r e a i m e da tt h ec h a r a c t e r i s t i c so f w s n s ，w h i c hc a nm e e tt h ep r a c t i c a ln e e d m e d i u ma c c e s sp r o t o c o l sp r o v i d et h eg r e a t e s ti n f l u e n c eo v e rc o m m u n i c a t i o n m e c h a n i s m sa n dp r o v i d et h em o s td i r e c ti n f l u e n c eo v e rt h eu t i l i z a t i o no ft h e t r a n s c e i v e r , t h el a r g e s te n e r g yc o n s u m e ri nm o s ts e n s o rn o d e s t h em a cc o n c e p t si n r e l a t i o nt os e n s o rn e t w o r k sa n dc h a r a c t e r i s t i c so fs e n s o rn e t w o r k sa r ef i r s t l yd i s c u s s e d an o v e le n e r g ye f f i c i e n ts e l f o r g a n i z a t i o na n dm e d i u ma c c e s sc o n t r o lp r o t o c o l s 0 7 t - m a c ) w a st h e np r o p o s e df o rw s n s ，w h i c hi sb a s e do nt i m ed i v i s i o nm u l t i p l e a c c e s s ( t d m a ) a n df r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ( f d m a ) p r i n c i p l e t h i s p r o t o c o lp a r t i c i p a t ea l lt h en o d e si nt h ec l u s t e ra n dc a no f f e rm o r er e a s o n a b l em e a n s f o rn e t w o r k sm a n a g e m e n t s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ep r o t o c o lc a nr e d u c e e n e r g yc o n s u m eo fn e t w o r k s ，a n de x t e n dt h el i f eo ft h en e t w o r k s k e yw o r d s ：w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s ，e n e r g y - a w a r e ，n o d ed e s i g n ，m a c p r o t o c o l 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：蝴 签字日期： 。7 年 多月步日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤盗盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤注盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 雀旅辉 签字日期：0 口呷年多月占日 导师签名：厨雨剁 签字日期：唧年月j ，- 日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 无线传感器网络的特征与应用 1 1 1 无线传感器网络与传统无线网络的区别 无线自组网( m o b i l ea d h o cn e t w o r k ) 是一个由几十到上百个节点组成的、采 用无线通信方式的、动态组网的多跳的移动性对等网络【1 1 。目的是通过动态路由 和移动管理技术传输具有服务质量要求的多媒体信息流。通常节点具有持续的能 量供给。 无线传感器网络虽然与无线自组网具有许多相似之处，但也存在较大的差 别。传感器网络是集成了监测、控制以及无线通信的网络系统，节点数目更为庞 大，分布更为密集，由于环境影响和能量耗尽的因素，节点更容易出现故障，导 致网络拓扑结构的变化。此外，无线传感器节点具有的能量、处理能力、存储能 力和通信能力等都十分有限。传统无线网络的首要设计目标是提供高服务质量和 高效带宽利用，其次才考虑节约能源；而无线传感器网络的首要设计目标是能源 的高效使用，这也是传感器网络和传统网络最重要的区别之一。 1 1 2 无线传感器节点的限制 无线传感器节点在实现各种网络协议和应用系统时，存在以下约束。 1 电源能量有限 传感器节点体积微小，通常携带能量十分有限的电池。由于传感器节点个数 多、成本要求低廉、分布区域广，而且部署区域环境复杂，因此通过更换电池的 方式来补充能量是不现实的。如何高效使用能量来最大化网络生命周期是传感器 网络面临的首要挑战。 传感器节点消耗能量的模块主要包括传感器模块、处理器模块和无线通信模 块，而传感器节点的绝大部分能量都消耗在无线通信模块。一般的无线通信模块 存在发送、接收、空闲和休眠四种状态，模块在发送状态的能量消耗最大，空闲 状态和接收状态的能量消耗接近，略小于发送状态的能量消耗，在休眠状态的能 量消耗最小。如何提高网络通信效率，减少不必要的转发和接收，在不需要通信 时尽快进入休眠状态，是传感器网络协议设计需要重点考虑的问题。 第一章绪论 2 通信能力有限 传感器节点的无线通信带宽有限，通常仅有几百k b p s 的速率。由于节点能 量的变化，受高山、建筑物、障碍物等地势地貌以及风雨雷电等自然环境的影响， 无线通信性能可能经常变化，频繁出现通信中断。在这样的通信环境及有限节点 通信能力的条件下，如何设计网络通信机制以满足传感器网络的通信需求是传感 器网络面临的又一大难题。 3 计算和存储能力有限 传感器节点是一种微型嵌入式设备，要求价格低、功耗小，这些要求必然导 致其携带的处理器能力较弱，存储器容量较小。在执行任务时，传感器节点需要 完成监测数据的采集和转换、数据的管理和处理、应答汇聚节点的任务请求和节 点控制等多种工作。如何利用有限的计算和存储资源完成诸多协同任务成为传感 器网络设计的挑战。 1 1 3 无线传感器网络的特点 1 大规模自组织网络 为了获得精确信息，在监测区域通常部署大量传感器节点。传感器节点的大 规模性包括两方面含义：一方面是传感器节点分布在很大的地理区域内，需要部 署大量的传感器节点；另一方面，传感器节点部署很密集，即在一定面积内，密 集部署了大量的传感器节点。 在传感器网络应用中，通常情况下传感器节点被放置在没有基础架构的地 方。传感器节点的位置不能预先精确设定，节点之间的相互邻居关系预先也不知 道。这样就要求传感器节点具有自组织的能力，能够自动进行配置和管理，通过 拓扑控制机制和网络协议自动形成转发监测数据的多跳无线网络系统。 2 动态、可靠的网络 传感器网络的拓扑结构可能因为下列因素而改变：环境因素或电能耗尽造成 的传感器节点出现故障或失效；环境条件变化可能造成的无线通信链路带宽变 化，甚至时断时通；传感器网络的传感器、感知对象和观察者这三要素都可能具 有移动性；新节点的加入。这就要求传感器网络系统要能够适应这种变化，具有 动态的系统可重构性。 由于传感器节点的部署和工作环境往往非常恶劣，要求传感器节点非常坚 固，不易损坏，适应各种恶劣环境条件。同时，传感器网络的通信保密性和安全 性也十分重要，要防止监测数据被盗取和获取伪造的监测信息。因此，传感器网 络的软硬件必须具有鲁棒性和容错性。 2 第一章绪论 1 1 4 无线传感器网络的应用 无线传感器网络是新一代的传感器网络，由于具备不需要预先铺设网络设 施，能够快速自动组网，传感器节点体积小等特点，使得无线传感器网络在军事、 环境、工业、医疗等方面有着广阔的应用前景。 1 军事应用【6 ，7 】 传感器网络具有可快速部署、可自组织、隐蔽性强和高容错性等特点，因此 非常适合在军事上应用。利用传感器网络能够实现对敌军兵力和装备的监控、战 场的实时监视、目标的定位、战场评估、核攻击和生物化学攻击的监测和搜索等 功能。通过飞机或炮弹直接将传感器节点播撒到敌方阵地内部，或者在公共隔离 带部署传感器网络，就能够非常隐蔽而且近距离准确地收集战场信息，迅速获取 有利于作战的信息。 2 环境观测和预报系统【8 】 ， 随着人们对环境问题关注程度的提升，需要大量的采集环境数据，无线传感 器网络的出现不仅为随机性研究数据的获取提供了便利，还有效地避免传统数据 收集方式给环境带来的侵入式破坏。在环境研究领域传感器网络既可用于监视农 作物灌溉情况、土壤空气情况、牲畜和家禽的环境状况、大面积的地表、洪水监 测等方面，也可用于行星探测、气象和地理研究、监测等，还可通过跟踪鸟类、 小型动物和昆虫进行种群复杂度的研究等。 3 医疗护型9 ，l o 】 传感器网络在医疗系统和健康护理方面的应用包括监测人体的各种生理数 据，跟踪和监控医院内医生和患者的行动，医院的药物管理等。罗彻斯特大学的 科学家使用无线传感器创建了一个智能医疗房间，使用微尘来测量居住者的重要 征兆( 血压、脉搏和呼吸) 、睡觉姿势以及每天2 4 小时的活动状况。英特尔主管 预防性健康保险研究的董事e r i e - d i s h m a a 称，”在开发家庭用护理技术方面，无 线传感器网络是非常有前途的领域”。 4 其他方面的应用 无线传感器网络还被应用于其他一些领域。如在一些危险的工业环境下，工 作人员可以通过它来实施安全监测，在交通领域中作为车辆监控的有力工具。 无线传感器网络具有十分广泛的应用前景，它不仅在工业、农业、军事、环 境、医疗等传统领域具有巨大的应用价值，未来还将在许多新兴领域体现其优越 性。我们可以大胆的预见，未来的无线传感器网络将无处不在，将完全融入我们 的生活。比如微型传感器网络最终可能将家用电器、个人电脑以及其他日常用品 同互联网相连，实现远距离跟踪，家庭采用无线传感器网络负责安全调控、节电 3 第一章绪论 等。无线传感器网络将是未来的一个无孔不入的十分庞大的网络，其应用可以涉 及到人类日常生活和社会生产活动的所有领域。 1 2 无线传感器网络体系结构 1 2 1 无线传感器网络结构 传感器网络系统通常包括传感器节点( s e n s o rn o d e ) 、汇聚节点( s i n kn o d e ) 和管 理节点，结构如图1 - 1 所示。大量传感器节点随机部署在监测区域( s e n s o rf i e l d ) 内部或附近，能够通过自组织方式构成网络。传感器节点监测的数据通过其他传 感器节点进行传输，在传输过程中监测数据可能被多个节点处理，经过多跳路由 传送到汇聚节点，最后通过互联网或卫星到达管理节点。用户通过管理节点对传 感器网络进行配置和管理，发布监测任务以及收集监测数据【2 】。 传黯节点 图1 - 1 传感器网络体系结构 1 2 2 无线传感器节点结构 图1 2 无线传感器节点体系结构 4 第一章绪论 无线传感器节点由传感器模块、处理器模块、无线通信模块和能量供应模块 四部分组成( i 】，如图1 2 所示。传感器模块负责监测区域内信息的采集和数据转 换；处理器模块负责控制整个传感器节点的操作，存储和处理本身采集的数据以 及其他节点发来的数据；无线通信模块负责与其他传感器节点进行无线通信，交 换控制消息和收发采集数据；能量工艺模块为传感器节点提供运行所需的能量， 通常采用微型电池。 1 2 3 无线传感器网络协议栈 网络体系结构是网络的协议分层以及网络协议的集合，是对网络及其部件所 应完成功能的定义和描述。对无线传感器网络来说，其网络体系结构不同于传统 的计算机网络和通信网络，其网络体系结构由分层的网络通信协议、传感器网络 管理以及应用支撑技术3 部分组成。 图1 3 为无线传感器网络协议体系结构，在该体系中，分层的网络通信协议 结构类似于t c p i p 协议体系结构。传感器网络管理技术主要是对传感器节点自 身的管理以及用户对传感器网络的管理，在分层协议和网络管理技术的基础上， 支持了传感器网络的应用支撑技术。下面将分别对3 个部分加以介绍。 1 分层的网络通信协议【1 2 】 网络通信协议由物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层组成。物理 臣亟亟匦口 应脆圈回 传输层 至亟至口 网络层l 路由 i 厂1 i - _ j 敦鹏路层圈回 钫醒回回回 分层的罔络置信协议 传感罂网络警毫 图1 3 无线传感器网络协议体系结构 层提供信号调制和无线收发技术。数据链路层除了要完成数据成帧、帧检测、媒 体访问控制和差错控制外，最主要的是设计一个适合于传感器网络的介质访问控 制方法( m a c ) ，以减少传感器网络的能量损耗。网络层主要负责路由发现、路由 第一章绪论 维护和路由选择，使得传感器节点可以进行有效的相互通信。传输层负责数据流 的传输控制，保证通信服务质量。应用层包括一系列基于监测任务的应用层软件。 2 传感器网络管理技术 能量管理：传感器网络的能量管理部分控制节点对能量的使用。在无线传 感器网络中电源能量是传感节点最宝贵的资源。为了使传感器网络的生命周期 足够长，必须合理有效地利用能量，尽可能减少能量消耗。 拓扑管理：在传感器网络中，网络拓扑是不断变化的。为了使网络能够正常 运行，必须进行拓扑管理，控制各节点状态的转换，使网络保持畅通。 q o s 支持：是网络与用户之间以及网络上互相通信的用户之间关于信息传输 与共享的质量约定。为满足用户要求，传感器网络必须能够为用户提供足够的资 源，以用户可以接受的性能指标工作。 网络管理：网络管理是对网络上的设备及传输系统进行有效的监视、控制、 诊断和测试所采用的技术和方法。网络管理功能主要有故障诊断、计费管理、配 置管理、性能管理和安全管理。 网络安全【”】：传感器网络多用于军事、商业领域，安全性是其重要研究内容。 由于传感器网络的特性，传统安全机制无法适用，需要设计新型网络安全机制。 移动控制：移动控制负责检测、控制节点移动，维护到汇聚节点的路由，还 可使传感器节点能够跟踪它的邻居。 远程管理：对于某些应用环境，传感器网络处于人不容易到达的地点，为了 对传感器网络进行管理，采用远程管理是十分必要的。通过远程管理，可以修正 系统的问题( b u g ) ，进行系统升级，关闭子系统，监控环境的变化等，使传感器 网络工作更有效。 3 应用支撑技术 传感器网络的应用支撑技术为用户提供了各种具体的应用支持。如下： 时间同步【1 4 , 1 5 1 ：传感器网络的通信协议和应用要求各节点间的时钟必须 保持同步。多个传感器节点相互配合工作，确定节点休眠也要求时钟同步。只不 过不同协议要求的同步精度不样。 节点定位【1 6 ，17 】：节点定位在军事侦查、环境检测、紧急救援等应用中尤 其重要。节点定位是确定传感器每个节点的相对位置或绝对位置，分为集中定位 方式和分布定位方式。 分布式协同应用服务接口：传感器网络的应用是多样的，为了适应不同的 应用环境，人们提出了各种应用层的协议。 分布式网络管理接口：主要是把数据传输到应用层的传感器管理协议 s m p ( s e n s o rm a n a g e m e n tp r o t o c 0 1 ) 。 6 第一章绪论 1 3 无线传感器网络的关键技术与研究动态 1 3 1 关键技术 无线传感器网络是信息感知、采集和计算模式的一场革命。它作为一个全 新的研究领域，在基础理论和工程技术两个层面上对科技工作者提出了大量具有 挑战性的研究课题。网络协议、网络安全、时间同步、数据融合和嵌入式操作系 统等技术就是影响无线传感器网络性能的关键技术l 堙】。 网络协议：无线传感器网络协议负责使各个独立的节点形成一个多跳的 数据传输网络，目前研究的重点是网络层协议和数据链路层协议。网络层的路由 协议决定监测信息的传输路径。在路由协议的设计中不仅关心单个节点的能量消 耗，更关心整个网络能量的均衡消耗，这样才能延长整个网络的生存期。数据链 路层的媒体访问控制( m a c ) 用来共享底层的物理信道，控制节点的通信过程和工 作模式。 网络安全：为了保证任务的机密布置和任务执行结果的安全传递和融 合，无线传感器网络需要实现一些最基本的安全机制：机密性、点到点的消息认 证、数据完整性和新鲜性、认证广播和安全管理。无线传感器网络s p i n s 安全 框架在机密性、点到点的消息认证、完整性鉴别、新鲜性、认证广播方面定义了 完整有效的机制和算法。 时问同步：时间同步是需要协同工作的无线传感器网络系统的一个关键 机制。目前已提出了多个时间同步机制，其中r b s 、t i n y m i n i s y n c 和t p s n 被认为是三个基本的同步机制。 数据融合：传感器网络存在能量约束。减少传输的数据量能够有效地节 省能量，因此在从各个传感器节点收集数据的过程中，可利用节点本地的计算和 存储能力处理数据的融合，去除冗余信息，从而达到节省能量的目的。由于传感 器节点的易失效性，传感器网络也需要数据融合技术对多份数据进行综合，提高 信息的准确度。数据融合技术可以与传感器网络的多个协议层次进行结合。 嵌入式操作系统：传感器节点是一个微型的嵌入式系统，携带非常有限 的硬件资源，需要操作系统能够节能高效地使用其有限的内存、处理器和通信模 块，且能够对各种特定应用提供最大地支持。在面向无线传感器网络的操作系统 的支持下，多个应用可以并发地使系统的有限资源。 1 3 2 研究动态 对无线传感器网络的研究起步于2 0 世纪9 0 年代末期。由于无线传感器网络 第一章绪论 的巨大应用价值，它已经引起了世界许多国家的学术界、工业界和军事部门的极 大关注。从2 0 0 0 年起，国际上开始出现了一些关于传感器网络研究成果的报道， 美国自然科学基金委员会2 0 0 3 年制定了无线传感器网络研究计划，支持相关基 础理论的研究。美国英特尔公司在2 0 0 2 年l o 月2 4 日发布了“基于微型传感网 络的新型计算发展规划”，该计划将致力于微型传感器网络在预防医学、环境监 测、森林灭火乃至海底板块调查、行星探测等领域的应用。美国国防部和各军事 部门也对无线传感器网络给予了高度重视，把它列为一个重要的研究领域，设立 了一系列的军事传感器网络研究项卧1 8 j 。 我国的中科院上海微系统研究所、沈阳自动化所、软件研究所、计算所、电 子所和合肥智能技术研究所等科研机构，哈尔滨工业大学、清华大学、北京邮电 大学、西北工业大学、天津大学和国防科技大学等院校在国内较早开展了传感器 网络的研究，2 0 0 4 年起有更多的院校和科研机构加入到该领域的研究工作中来。 尽管无线传感器网络目前仍处于初步应用阶段，但在未来1 0 年内随着各个 关键问题的解决以及传感器节点价格的逐步下降，无线传感器网络将得到广泛的 应用。 1 4 本文的选题意义与创新点 1 4 1 选题意义 传感器网络是当前国际上备受关注的、由多个学科高度交叉的新兴前沿研究 热点领域，是信息感知和采集的一场革命，被认为是2 l 世纪最重要的技术之一， 它将会对人类未来的生活方式产生深远影响。美国技术周刊将无线传感器网 络列为影响今后人类社会生活的十大技术之一。但是在一些关键技术上，仍然有 很多的问题需要解决。在我国，这方面的研究还处于起步阶段，距离实际应用需 求还相差甚远，因此对无线传感网络的理论和应用研究有着十分重要的意义。 1 4 2 研究内容和创新点 本文的研究内容主要包括以下几个方面： 第二章主要是针对能量有效的概念对无线传感器网络技术进行理论分析与 介绍，从单个节点与整体框架这两个微观和宏观的角度论述了可行的节能措施。 主要针对节点硬件设计和m a c 协议设计两个方面进行了节能分析，为后面的具 体设计实现提供了理论基础。 第三章主要介绍了一种无线传感器节点的设计方案。首先根据无线传感器节 第一章绪论 点的特点对各个核心部件进行选型，包括中央处理器、前端处理器、无线收发模 块和能量供应模块。此外，还对各个部分的硬件电路实现进行了说明。 第四章在分析已有m a c 协议的基础上，结合t d m a 和f d m a 机制各自的 优点，提出了一种新型f t - m a c 协议。该协议针对分簇网络结构，在簇间采用 分频机制，簇内采用基于t d m a 的时隙分配机制，在有效地利用节点带宽基础 上最大限度地减小通信冲突，节省网络能量。 第五章主要是对全文内容的一个总结，并对下一步的工作提出了展望。 创新点： 1 本文提出了一种新型无线传感器节点系统构架，针对无线传感器节点硬 件设计要求，实现了一种基于m s p 4 3 0 和a r m 2 1 3 2 芯片的双处理器模式节点设 计方案，方案采用c c l0 0 0 射频芯片作为无线收发模块。经实验验证，该方案很 好的满足了应用需求，具有很强的实用价值。 2 本文首次提出了一种基于t d m a 和f d m a 的m a c 协议，采用既分频又 分时的策略，结合了两种算法的优点。在簇间进行分频，簇内进行分时，有效地 减少了网络通信时的信道冲突，节省了网络能量，延长了网络的生存周期。通过 仿真实验验证了该算法的有效性，具有很强的应用价值。 9 第二章基于能量有效的无线传感器网络技术 2 1 概述 第二章基于能量有效的无线传感器网络技术 无线传感器网络中的节能问题一直以来都是学术界和工业界关注的问题。目 前由于受电池制造技术的限制，在保持电池重量一定的条件下，电池容量很难有 突破性的提高。与此同时，随着终端性能的提高和功能的加强，其对电力的需求 表现得越来越强烈。因此，人们不得不求助于各种降低终端能耗的方法来延长终 端的连续工作时间。 在其它的无线网络( 如a dh o c ) 中，能量也是一个重要因素，但不是首要因 素，因为这些网络的终端节点能量可以再生( 如移动电话等) 。但在无线传感器 网络中，网络由大量微型传感器在一定区域内布设而构成，且这种微型传感器布 设后不再更换，这直接关系着网络的使用寿命，因此能量的有效性成了首要问题。 在终端上采用各种节能机制成为延长其工作时间的一种主要手段。 2 1 1 单个节点的节能优化 在节点设计中除了采用低功耗硬件之外，通过动态电源管( d y n a m i cp o w e r m a n a g e m e n t d p m ) 等技术使系统各个部分在节能模式下运行，可以节约大量的 能量。最常用的电源管理策略是关闭空闲模块，在这种状态下，无线传感器节点 或其一部分将被关闭或者处于低功耗状态，直到有感兴趣的事件发生。d p m 技 术的核心问题是状态调度策略，因为不同的状态有不同的功耗特征。 在操作系统中进行动态电源管理是最合适的，因为操作系统可以获取所有应 用程序的性能需求并能直接控制底层硬件资源，从而在性能和能耗控制之间进行 必要的折中。操作系统的核心是任务调度器，负责调度给定的任务集合使其满足 各自的时间和性能需求，通过在任务调度中考虑节能问题，系统生存时间可得到 明显的延长。 除了发送自身感知的数据之外，每个无线传感器节点又都是中继器，需要为 其他节点转发数据。在典型的无线传感网络环境下，无线传感器节点接收的大部 分数据需要转发给其它节点。通常情况下，无线传感器节点将协议处理功能交由 m c u 执行。这样，不管其最终目的地是哪里，每个接收到的数据都会经过相同 的处理步骤到达计算子系统并得到处理，导致不必要的能耗开销。利用智能无线 1 0 第二章基于能量有效的无线传感器网络技术 收发系统，需要转发的数据可以直接在通信子系统中标识和转发，甚至在计算子 系统处于休眠状态时也能正常工作。 2 1 2 通信协议层的节能机制 根据无线传感器网络不同于其他网络的特点，设计新的协议和算法来减少网 络的能耗便是当今无线传感器网络急需解决的问题。无线传感器网络中各种节能 机制涉及了无线传感器网络的各层，每一层都可以根据自身的特点和功能设计不 同的节能策略i z 。 节点尽可能的长时间进入休眠状态( 即将无线收发模块关闭) ，避免接 收到并不是指向它的传输和空闲侦听造成的能量浪费； 选择最小能量消耗的路由，可以通过多种方式来确定某路由的耗费， 并根据耗费最小的原则来选择路由； 数据融合，也就是在数据传输过程中将多份数据或信息进行处理，组合 出更有效、更符合用户需求数据的过程，从而减少数据传输量，达到节能的目的。 功率控制，它是通过调整发送节点的信号发射功率，在保证一定通信质 量的前提下尽量降低信号发射功率，可有效地节约宝贵的能量资源，同时也减少 节点间的相互干扰。 本章主要从传感器节点硬件设计和介质访问控制( m a c ) 协议两个方面来 讨论无线传感器网络中的能量有效问题。 2 2 无线传感器网络节点总体设计要求 2 2 1 设计原则与系统构架 1 节点设计原则 传感器网络具有很强的应用相关性，在不同应用要求下需要配套不同的网络 模型、软件系统和硬件平台。传感器网络就是在特定应用背景下，以一定的网络 模型规划的一组传感器节点的集合，而传感器节点是为传感器网络特别设计的微 型计算机系统瞄】。 由于具体的应用背景不同，目前国内外出现了多种无线传感器网络节点的硬 件平台。典型的节点包括m i e a 系列、s e n s o r i aw i n s 、t o l e s 、p a m p s 系列、 x y z n o d e 、z a b r a n e t 等。实际上各平台最主要的区别是采用了不同的处理器、 无线通信协议和与应用相关的不同传感器。常用的无线通信协议有8 0 2 1 1b 、 8 0 2 1 5 4 ( z i g b e e ) 、b l u e t o o t h ，u w b 和自定义协议；处理器从4 位微控制器到 第二章基于能量有效的无线传感器网络技术 3 2 位a r m 内核的高端处理器都有所应用。还有一类节点是用集成了无线模块的 单片机，典型的是w i s e n e t 。 在传感器节点设计中需要从以下几个方面考虑。 节能。节能是传感器网络节点设计最主要的问题。因为无线传感器网络大 部分是采用电池供电，工作环境通常比较恶劣，数量大，更换电池非常困难，所 以低功耗是无线传感器网络最重要的设计准则之一，从无线传感器网络节点的硬 件设计到整个网络各层的协议设计都把节能作为设计的目标之一，尽可能延长无 线传感器网络的寿命。在节点的硬件设计过程中，应采用合理的能量监测与控制 机制，功耗要限制在几十毫瓦甚至更低的数量级。 低成本。低成本是传感器节点设计好坏的重要指标。因为只有低成本，才 能大量地布置在目标区域中，表现出传感器网络的各种优点。低成本对传感器各 个部件都提出了苛刻的要求。首先，供电模块不可以使用复杂且昂贵的方案。其 次，要求所有器件不光要低功耗，而且要低成本。最后，传感器不能采用精度太 高、线性很好的部件，这样会造成传感器模块成本过高。 微型化。微型化是传感器网络追求的终极目标。只有节点本身足够小， 才能保证不影响目标系统环境；另外在战争侦查等特定用途的环境下，微型化更 是首先考虑的问题之一。在软件方面，要求所有模块的软件代码都应该尽量精简、 优化，没有冗余代码。对不同的应用系统需要配置不同的软件代码。从操作系统 到各种硬件设备的驱动模块，乃至到应用程序模块都需要仔细设计。这些限制都 是由有限的硬件资源决定的。 可扩展性和灵活性。传感器节点应当在具备通用处理器和通信模块的基 础上拥有完整、规范的外部接口，以适应不同的组件。在需要添加新的硬件部分 时可以在现有的基础上直接添加，而不需要开发新的节点。同时，节点可以按照 功能拆分成多个组件，组件之间通过标准接口自由组合。在不同的应用环境下， 选择不同的组件自由配置系统，这样就不必为每个应用都开发一套全新的硬件系 统。同时，部件的扩展性和灵活性必须以保证系统的稳定性为前提，必须考虑连 接器件的性能。 另外，在缺乏物理安全保证的条件下保证数据的准确和传输的安全，以及 节点电路在恶劣的条件下工作的稳定性等方面也是应当考虑的问题。 2 系统构架 典型的无线传感器网络节点由传感器模块、处理器模块、无线收发模块和能 量供应模块四部分组成。传感器模块由传感器进行监测区域内待测对象的信息采 集；处理器模块实现数据分析、处理和存储等功能；无线收发模块负责低功耗短 距离节点间通信；能量供应模块选取小型化、高容量的电池，以确保节点的持久 第二章基于能量有效的无线传感器网络技术 性和微型化。 本文基于实际应用需求，提出了一种新型实用的无线传感器系统架构，如图 2 1 所示。该系统中包括能量供应模块、标准核心模块、软件模块、通用接口、 传感器模块和扩展模块及接口六部分。 ：匝至困臣匦塑口： i 陌百司医蘅圃： 熙一掣：标准核心模块气产 通 用 接 口 传感器模块 ( 温度，光强等) 扩展模块及接口 ( 能量，网络接口) 能量供应模块 图2 - 1 无线传感器节点架构 采用这种新型架构的节点可具有以下优点：选用低功耗的微型处理器芯片和 射频通信芯片构成系统标准核心模块，实现系统作为传感器网络节点的基本功 能，在结构上减少系统的复杂性、降低系统功耗；通过通用接口实现附加功能模 块与系统核心模块相分离，在应用中可以根据实际需要添加不同的传感器功能模 块和系统扩展模块及接口，进行系统功能的扩充，从而使系统具有了很强的可扩 展性；可以利用通用接口添加能量监测模块以便进一步控制系统功耗；改变传统 的操作系统、协议栈、应用程序相结合的软件体系结构，设置标准底层软件完成 最基本的硬件功能，将操作系统等复杂软件结构纳入到上层软件中作为可选配 置，降低了系统复杂性，大大提高了系统灵活性。 2 2 2 核心模块设计要求 1 处理器模块 处理器模块是无线传感器节点的核，1 3 , ，所有的设备控制、任务调度、能量计 算和功能协调、通信协议、数据整合和数据转储程序都将在这个模块的支持下完 成。由于无线传感器网络的实际特点，作为硬件平台的中心模块，除了应具备一 般单片机基本性能外，还应满足如下要求【2 l ： 尽可能高的集成度。受外形尺寸限制，模块必须能够集成更多的节点关 键部件。 尽可能低的能源消耗。处理器的功耗一般很大，而在无线网络中，节能 是设计的一个重要考虑因素。 第二章基于能量有效的无线传感器网络技术 尽量快的运行速度。这样可以使系统能够在最短的时间内完成必需完成 的工作，满足实时性要求，同时还可快速进入休眠状态，节省系统能源。 尽可能多的i o 和扩展接口。多功能的传感器产品是发展趋势，而在前 期设计中，不可能把所有的功能包括进来，这就要求系统具有很强的可扩展性。 尽可能低的成本。传感器节点成本过高，必然会影响网络化的布局。 2 无线通信模块 无线通信模块用于传感器节点间的数据通信，解决无线通信中载波频段选 择、信号调制方式、数据传输速率、编码方式等问题，并通过天线进行节点间、 节点与基站间的数据收发。 传感器网络的数据通信协议包括物理层、链路层、网络层和应用层。与节点 硬件平台有关的主要是物理层和链路层。 物理层主要解决编码调制、通信速率、通信频段的选取等问题。物理层的编 码调制技术影响占用频率带宽、通信速率、收发功率等一系列技术参数，通常采 用不同的调制方式应用于不同的节点技术中；节点本身的通信速率受到网络结构 的限制，不可能很大，一般都是低功耗、低数据量的传输。不过，提高通信速率 可以减少数据收发的时间，对于系统最为关键的节能问题有一定的帮助。在频段 选择方面，无线传感器网络推荐使用免许可证频段一一l s m ( 工业、科学和医疗) 频段，其通信频率达2 4 g h z 。 另外，在传感器节点中通信模块消耗的能量占主要部分，所以考虑通信模块 的工作模式和收发能耗很关键。无线传感器节点的通信模块必须是能量可控的， 并且收发数据的功耗要非常低，对于支持低功耗待机监听模式的技术要优先考 虑。 链路层负责数据流的多路复用、数据帧检测、媒体接入和差错控制等，保证 了传感器网络内可靠的点到点通信服务。传感器网络本身对数据传输速率要求并 不高，而对能否长期稳定工作要求很高。在这种情况下，节点在大部分的时间里 是休眠的，所以要求链路层协议能够解决通信同步问题，即通信节点双方需要在 通信时同时唤醒。 2 3 无线传感器网络中节能m a c 层协议的研究 2 3 1 无线传感器网络中m a c 协议的设计 本节针对m a c 协议的主要性能指标进行介绍，并讨论如何权衡各种性能指 标来满足无线传感器网络的各种应用需求。由于无线传感器网络能量有限的特 第二章基于能量有效的无线传感器网络技术 点，所以能源有效性应被重点考虑。 1 无线传感器网络m a c 协议设计的主要性能指标1 2 习 能源有效性：能源有效性是无线传感器网络m a c 协议性能指标中最重要的 一项指标，如上文所述，网络中节点的能源资源非常有限，而且在实际设计一些 无线传感器网络时，会将减少节点的成本，以达到节点的一次性使用作为设计目 标。因此，尽量延长网络节点的生存时间是在设计无线传感器网络时需要考虑的 一个重要问题。在节点的硬件结构中，无线收发装置消耗的能源占节点消耗能源 的绝大部分，m a c 协议直接控制无线收发装置的行为，可直接控制其消耗能源 的大小，因此m a c 协议的能源有效性直接影响网络节点的生存时间。 可扩展性：可扩展性是指一个m a c 协议应该适应网络大小、拓扑结构、节 点密度的变化。无线传感器网络是一个动态的网络，节点可以随处移动；一个节 点可能因为电池耗尽或其他原因退出网络运行；一个节点也可能由于需要而加入 到网络中。一个好的m a c 协议应很好地适应这些变化。 冲突避免：冲突避免是m a c 协议的一项基本任务，它决定网络中的节点何 时、如何访问共享的传输媒体和发送数据。 信道利用率：信道利用率反映了网络通信中信道带宽如何被使用。在蜂窝移 动通信系统和无线局域网中信道利用率是一项非常重要的性能指标，因为在这样 的系统中带宽是非常重要的资源，系统需要尽可能多地容纳更多的用户通信。相 比之下，无线传感器网络中处于通信中的节点数量是由一定的应用任务所决定 的，信道利用率性能指标在无线传感器网络中是处于第二位的。 延迟：延迟是指发送端向接收端发送一个数据包，到接收端成功接收这一数 据包这一时间间隔。在传感器网络中，延迟的重要性取决于网络应用的类型。 吞吐量：吞吐量代表在给定的时间内，发送端成功发送给接收端的数据量， 许多因素影响网络吞吐量，比如冲突避免机制的有效性、信道利用率、延迟、控 制开销等。和延迟一样吞吐量的重要性也取决于网络的应用，无线传感器网络的 许多应用为了获得更长的节点生存时间，可以适当牺牲延迟和吞吐量性能指标。 公平性：公平性反映了网络中各节点平等共享信道的能力，是传统的语音、 数据通信网络中一项很重要的性能指标，因为网络中每个用户都希望拥有平等的 发送、接收数据的能力。但是在传感器网络中，所有节点为了一个共同的任务相 互协作。在某个特定的时刻，存在一个节点相比于其它节点拥有更多的数据需要 传送，因此，公平性往往用网络中某一应用是否成功实现来评价，而不是以每个 节点，用户平等发送、接收数据的能力来评价。 以上性能指标反映了m a c 协议的特性。对于无线传感器网络而言，能源有 效性、可扩展性是其m a c 协议中重要的指标，其中能源的有效性又是最重要的。 第二章基于能量有效的无线传感器网络技术 2 m a c 协议中的能源有效性分析i 2 6 ，2 7 l 能源有效性是无线传感器网络中的一个重要的问题，设计一个能源有效的 m a c 协议，我们必须分析造成能量损耗的主要因素。m a c 层上的能量损耗主要 来自以下几个方面。 空闲侦听：网络中的节点由于不能预知它的邻节点何时会向它发送数据，所 以将其无线收发装置始终保持在接收模式，这是节点能源损耗的主要来源，因为 典型的无线收发装置处于接收模式时消耗的能源比其处于待命模式多两个数量 级。 竞争冲突：当两个节点传送的数据包发生冲突时，两个数据包被损坏，这时 节点消耗在发送和接收数据上的能量被浪费掉了。r t s c t s 握手机制能够有效 解决单播消息的竞争冲突问题，但是以协议控制的能源损耗为代价。 窃听：无线信道是一个共享媒体，一个节点可能会接收到发送给其它节点的 消息，这时消耗在接纩效据上的能量就被浪费掉了，这时节点应将其无线装置关 闭。 协议控制损耗：m a c 层协议头和控制消息包( a c 刚r t s c t s ) 中没有包含 有效的数据，因此可认为是能量的一种损耗。 业务的波动性：突发的峰值业务量能大大增加网络中发生竞争和冲突的可能 性，这样许多时间和能源被损耗在随机退避过程中。 2 3 2 现有n a c 协议的分类 目前针对不同的传感器网络应用，研究人员已经提出了多个m a c 协议，但 对传感器网络m a c 协议还缺乏一个统一的分类方式。一般可以按照下面几种条 件对m a c 协议进行分类：第一，采用分布式控制还是集中控制；第二，使用单 一共享信道还是多个信道；第三，采用固定分配信道方式还是随机访问信道