（计算机应用技术专业论文）基于分簇的无线传感器网络中间件研究.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 无线传感器网络( w s n ) 已应用于多种领域，例如：环境检测、对象追踪、 精确农业、建筑物监测和军事系统等，已有大量的研究工作集中于开发适用w s n 的网络协议，尽管这些协议有效延长了两络的生存时间，但是对于应用开发者来 说，且前即使开发一个简单的w s n 应用系统，仍是一项困难且容易出错的工作， 主要原因在于应用和协议的开发紧密耦合在一起，甚至组合在一个集成的过程。 为了有效利用这些协议，隐藏通信协议的细节，为应用开发者提供可复用的组件， 开发一个具有适当抽象层次的中间件系统很有必要。 本文提出一种基于分簇的无线传感器网络中间件n y 、恤，n l y w m 基于 t h y o s 组件模型，采用发布 丁阅通信模型并与分簇机制相结合。能够适合w s n 信息传送的要求。凰晦w a m 包括信息提供者和订阅者，信息提供者向一或多个 订阅者以消息的形式发布信息，信息可以与数据主题相联系，再通过n n y w a r e 的发布，订阅服务进行路由选择。1 j l w w a 封装了网络层协议( 路由和拓扑控制 协议) ，支持多种系统标准服务的交互和重配置，并为应用层提供高层a p i 。 本文采用框图描述了t m y w a m 的体系结构细节，并以组件图描述了系统的 组件模型，用状态转换图描述了簇内节点的状态变化，以序列图的形式，通过设 计系统运行时运行时的四个阶段( 网络初始化，主题发布，用户订阅和数据传输) 详细描述了实现细节，为了验证这一中间件，本文实现了一个环境监测应用实例 本文主要的贡献是提出一种适用于w s n 的中间件系统1 r m y w a r e 。它采用发 布舸阅异步通信模型，比传统请求，响应更适应于ws _ n 应用事件驱动的本质， v w a r e 以分簇协议为基础，更便于管理网络资源，提高系统的自适应能力， 鲁棒性和可伸缩性。系统还提供了稳定的a p i 接口，大大方便了应用开发。 关键词无线传感器网络；发布订阅：中间件；分簇 山东大学硕士学何论文 w 朋l e 晤s e i 邵rt 】e t o r i 【s ( w s n ) 8 r eb e m gd e v e b p e d 白ra 谢d er a n g eo f c i 词 删m d i 诅r y 印p h c a t i o i 琏s 1 | c h 嚣。巧e c tt r 扯k i l l gi n 丹a s t r i n u 坤，脚n j 协r i n & h a b 胁 s e n 5 抽吕a n db a 灶l e 丘e l ds u r v e d l a r 啦，w k l et h e 他h a - v eb e e l ln u “譬r 0 琏e a b n s 如 d e 垤l o pr d 砷n ga n d c o m 珊m j c 鲥o n p r o 协c o b f o r w s n s ，t b ea p p l l c a t 】o n d e w l o p i l l g i sm nah a r d 协宴kt h a i p r o 鹏协e h o rb e 峭eo f 也ed 嚣i 弘o f t l l e 睢t 啪d ( p r o 协k a n d 印p h c a t i o 墙a ”堪m 姆c l o s e l yc o 叩l e d ，o r e v e n c o 曲i i i e d 篮a n 】o l i t l l i c p r o c e d 珊，i n o r d e r 协p r o v j d e b o t hs t a l l 出r ds e r v i c ea r l d e a 册a p p “c a t d 璐 d e v e l 叩p n t ，i t 西鹏c e 鹃a r yt 0d e v e l 叩a 删d d l e w a 坞t b a t 丘t s w s n sc l l a r a c t e r l 鲥c s 协e 瑚b l e t h ed e v e b p m e m o f c o n p l e x 甜l d k 咖l e v e is e 脏i i l g t 罄b t h 谤p a p e rd e s c r i b 嚣t 钿y w a r e a n l i d d i e w a r ea r c h i t e c t et h a t a b l e s 印p 1 1 c a t i o nr n o d u i a r i 魄a d a p 缸讥饥a n dr e p a 蚰b i l l t y 妯w 娩i 舒ss e i 踯rn e t 仉q 止s t m y w a r ea o 懈a p p i i c a t i o nc o i c 啦j l lap 西l i s 龇曲s c r 击ew a yb 船e do n c l 璐把血gi m c h a n i s ma c c o r d i l l gt 。t i l es l 蛔e c to f e v e n 乜t i l a t 印p i | c a t 岫nm t e 瞄t e 也 c l l 捌盯 埒a da r 证m e m b e r d e s l l e c to r 蚴s a c t 出t ai n 瞅啪r l cw 雄ha d d h b 珥 面n y w a r ea l 钟p i o v i d e sa nj 1 1 忙r 丘c e 如r 印p l i c 砒b na d a p t a t b nj 1 1o r d e r 协i n 驴1 0 v et l l e p e r 南r n 】a n o e ，e 岫r 鲥一e m c j e xa 1 1 dr e h a b l l 时o ft h e r 啪s y s t e mi no r d e r 幻 j l l l | s 订a 钯t i l ep 删e dn 】j d d l d w a f e ，啪i 卿l e 蛳ma i la g 窖r e 蓼t d ni d i d d l e 啪r eb a s e d l e a c hp r o t o c 0 1 如锄e n v i l o n 腿n t - n 幻r 啦a p p h 锄i 0 | lw ep r e s e m p e r 南r n n d a t a 白rm e a s e r n e n bo ft h e1 0 s s m is i m u l a t i o 僻o faf i l l l r 啪r s y s 佃m d e p b y m e 位 t 1 l e 衄j nc o n 仃如l l c i 。ni s 协p r o s ean 钾n d d l e w a r e1 埘w a r et h a ts i l i 钯b l e 断 w s n s ，i tl 辩sn 鸷p 曲s h s 西s c n b ea s y r i c h r o 惜眦眦i c 鲥o nm o d e lc o r n p a r e d 幻t l l et r a d “i o n 僧q u 嚣把d r e s p o n w h i c hi 地a d a p 恒协t i l ee v e m 出i w n 器i 啪j i l 1 1 1 ew s n 叩p l i c a b o n 啊n y 、旭i sb 撕e do nc l 璐t e r 吣m e c l l a n i s 皿w h i c hg r e a t l y 蚰p r o v es y s l e m 地l 诘b m t y ，p e f f o r m a 眦e ，a n de f g y - 娟c 诗i l c y ，t h es y s 把ml ma l ；o p r o v i d e d 世s t a b l ea p it l l a t 盘c i l i t a 忙st i l e 印p l i c a t i o nd e v e b p m e mg r e a t 虹 i i 山东大学硕+ 学位论文 k e y 们r d | ：ir i e os e n r t ”r k ：p i i b i s h s u b r m e ：- i d d i 眦r e c l u t e ri n g i 原刨性声明和关于论文使用授权的说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：董邀日期：兰盈! 芏：丝 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论 文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：超导师签名：论文作者签名：一 篡! 鳖导师签名： 山东大学硕士学位论文 1 1 课题背景 第1 章绪论 硬件微型化和无线通信技术的快速发展激发了无线传感器网络( 黔n ) 的研究 与应用开发。w s n 通常由成百上千感测节点组成，这些节点负责收集环境信息并 以无线通信的方式发送到s i n k 节点，再由s i n i c 把这些信息传送到最终用户。 w s n 的应用范围很广，例如。环境检测、对象追踪、精确农业、建筑物监测 和军事系统等。这些应用的共同点是都需要持续不断的从大量感测节点收集和整 和信息。因此，开发w s n 应用最基本的考虑就是在节点能量、通信带宽、计算能 力等极其有限的条件下如何满足应用的需求。 已有大量的研究工作集中于开发适用w s n 的网络协议，以求提高传感器网络 的资源利用率，其中大部分关于减少能量消耗“。尽管这些协议有效延长了网 络的生存时间，但是对于应用开发者来说，目前即便开发一个简单的w s n 应用系 统，仍是一项困难且容易出错的工作，主要原因在于应用和协议的开发紧密耦合 在一起，甚至组合在一个集成的过程。为了有效利用这些协议，隐藏通信协议的 细节，为应用开发者提供可复用的组件，开发一个具有适当抽象层次的中间件系 统很有必要。传统的分布式中间件( 例如：d c o m ，0 0 r b a ，p v l j a v a 跏i 等) 由于w s n 节点自身资源的限制而不适合，一个轻量型适用于无线传感器网络的中间件研究 现在已成为一个开放课题，基于w s n 自身特点约束和系统未来发展的要求，这一 中间件应该提供p 1 ： 支持多种应用的标准化系统服务 能够支持和协调多个应用的运行时环境 能够提高资源利用率和系统自适应能力的机制 适用于w s n 的中间件应该便于应用的开发，维护，改进和执行。为了达到这 个目标，很有必要研究高层感测任务的开发。这些任务能够与系统中其他任务通 信，协调传感节点之间的交互，能够把多个节点的数据融合为高层结果并传送到 相关用户。中间件系统提供的服务也必须考虑w s n 应用的限制，通常包括能量有 效，鲁棒性和可伸缩性。 山东大学硕士学位论文 无线传感器网络由大量具有计算能力、无线通信和感测功能的微小节点组 成。这些节点通常分散在监测区域，以a d h o c 方式组网。每一个节点负责从环境 中提取数据，计算处理后发送到单个或多个s i n k 节点，再由s i n k 把这些数据传送 到最终用户。 w s n 与传统网络不同，应用关心的不是单个节点的数据，这些节点不需要一 个系统统一的标志符( 比如地址) 。应用通常关心的问题是多个节点聚合后的数 据，通常不会问1 9 # 节点的当前值是多少。中间件的设计应该支持这种数据处理 和查询，以数据为中心的机制。基于簇的网络体系结构由于它的简单、可伸缩和 鲁棒性，已广泛应用于w s n 网络协议和信号协作处理应用。这种体系结构也是和 处理这种以数据为中心的处理机制。 应用特定的知识也会影响网络资源。例如，灾难救援比农场环境监测有更严 格的延时要求，传输的数据量可能更少，应为检测的区域和目标要少。可以用应 用知识裁减系统的设计和实现，应该把这一特点整合进系统提供的标准服务。然 而由于中间件需要支持各种类型的应用，必须在中间件的通用性和应用特定的程 度之间做一个权衡。一个现实的策略是把应用知识嵌入到应用层，这些应用策略 可以被中间件系统解释。 由于全局算法给w s n 带来扩展性的难题。还需要为维护全局状态不必要的消 耗能量，因而局部算法非常适用于传感器网络。基于簇的体系结构使传感器节点 之问的交互在临近节点之间进行，降低了网络协作和控制的成本。因此，可以把 每一簇看作中间件一个基本的函数单元，中间件系统内的消息在簇b 簇之间传 递，簇内簇头轮转选择不会影响到上层系统。 以上内容促使本文采用基于分簇的体系结构。这一体系结构早已广泛在 a d 0 c 网络中得到研究和验证，它确实提高了大规模充满动态变化网络中的资源 利用率。另外由于w s n 中节点通常是静态的或很少移动，维护簇结构的成本要比 传统a d - h o c 网络低。基于簇的体系结构也为局部算法和数据聚集提供支持。 另外，w s n 应用本质上基于事件驱动，传统的请求响应信息传送方式不适用 于这一模型，因为在大部分应用中，数据传输由监测事件触发或s i n k 节点查询网 络产生，这种数据分发可由发布订阅方式很好支持，其中发布者和订阅者异步 通信，即双方不用在信息传送过程中互相等待。考虑到w s n 中数据都有定义良好 山东大学硕士学位论文 的主题( 比如：温度、湿度、气压等) 。每个节点可以向用户宣布它所监测的主 题集，用户可以订阅一个或多个感兴趣的主题。订阅信息通过路由到达指定的节 点，这些节点此后开始监测，收集，处理和传输用户订阅的信息。 本文提出的t i n y w a r e 中间件基于分簇机制，采用发布订阅方式，封装了网 络层协议( 路由和拓扑控制协议) ，支持多种系统标准服务的交互和配置，并为 应用层提供高层a p i 。 1 2 主要研究内容和特色 ( i ) 论文研究的主要内容 无线传感器网络已经开发应用于多种领域，然而w s n 应用编程仍是一项困难 且容易出错的工作。为了便于应用开发和提供通用服务，本文提出一种适应w s n 特点的中间件t i n y w a r e ，它使用发布订阅的方式实现异步通信，根据用户订阅 的主题监测环境，并在事件产生后主动发布消息：采用基于分簇机制的消息通信 模型簇内节点根据不同角色和策略对数据进行网络内处理。t i n y w a r e 降低能 量消耗，提高系统的自适应能力，可扩展性和鲁棒性。本文采用框图描述了 t i n y w a r e 的体系结构细节，并以组件图描述了系统的组件模型，用状态转换图 描述了簇内节点的状态变化，以序列图的形式，描述了网络初始化，主题笈布， 用户订阅和数据传输等系统运行时的四个阶段，并阐述实现细节。为了验证这一 中间件，本文实现了一个环境监测应用实例。 + ( 2 ) 研究的主要特色 1 ) 它采用发布订阅异步通信模型，比传统请求响应更适应于孵n 应用事 件驱动的本质。 2 ) t i n y w a r e 以分簇协议为基础，更便于管理网络资源，提高系统的自适应 能力，鲁棒性和可伸缩性。 3 ) t i n y r e 基于t i n y o s 系统。采用主动消息通信模型，而t i n y o s 正是专 为传感器网络设计的事件驱动操作系统。 4 ) 系统各部分高度模块化，分簇机制和通用服务可以弹性更换。 5 ) 系统a p i 接口简单，便于应用开发。 3 山东大学硕士学位论文 第2 章无线传感器网络中间件研究 2 1 髂n 系统体系结构概念模型 尽管目前对无线传感器网络的研究已有很多但对它还没有一个公认的标准 定义。有的研究人员认为它是一组通过无线网络连接起来的用于监测某种现象的 传感器“。有的将它定义为具有计算、通讯和协同能力的传感器节点的集合。 有的将它定义成通过无线网络技术组织起来的一组传感器节点，这组传感器节点 能够相互协同完成某一具体任务。确的认为它是由一组以a dh o c 方式组织起 来的包括传感器的特殊无线网络【t 】，有的则从服务角度对它进行了讨论。这些 观点或定义主要是从网络基础设施和传感器连接方式的角度对无线传感器网络 的含义进行了阐述。但随着研究的进展和应用领域的拓展，人们越来越认识到仅 从上述角度定义无线传感器网络是不够的。在本文中，无线传感器网络除了包括 通讯基础设施和传感器之外，还包括构筑在两者之上的面向领域的应用，它是一 个包括传感器、无线通讯基础设施和相关应用的自组织协同系统。迄今，已经有 一些研究人员从不同角度对无线传感器网络进行了综述。例如：文献f 4 】对影响 无线传感器网络设计的因素、各层网络协议中存在的问题进行了分析：文献【5 ，6 】 对无线传感器网络的主要通讯协议进行了分类和分析比较；文献 9 】对无线传感 器网络的特征及与通讯基础设施相关的通讯模型、数据传递模型、网络动态模型 进行了分析。文献【7 ，1 0 】对无线传感嚣网络应用及各层网络协议等的研究进展进 行了介绍。因为无线传感器网络早期研究主要集中在以无线网为基础的网络协议 上，这些综述对与基础设施相关的网络协议及其中的问题介绍的较多，对该领域 的无线传感器网络操作系统、中间件及仿真工具等分析较少。 2 1 1 系统模型 面向应用领域是无线传感器网络的主要特点之一。这使它很难有一个通用的 具体参考结构可以遵循。然而，无论是从研究还是应用角度，无线传感器网络都 需要一个较高抽象层面的结构模型来指导它的设计。本文在对现有无线传感器网 山东大学硕士学位论文 络工作进行分析的基础上，从逻辑结构角度给出了它的概念体系结构模型。 尽管不同应用领域的无线传感器网络系统结构不尽相同，但逻辑上部大致包 含如图2 1 所示的几部分： 图2 一l 邪n 逻辑模型 物理硬件层包括了与无线传感器网络相关的网络基础设施、传感器等硬 件。 网络层处理传感器节点之间及传感器节点与观察者之间的路由、数据传递 等问题。包括了从物理连接到应用的各层无线传感器网络专用协议。 操作系统层实现物理硬件的抽象，负责管理网络系统资源、传感器节点的 内存，实现模块的动态调度、消息管理等。目前，在像t i 码o s 1 这样的一些无线 传感器网络操作系统中也包含了通讯协议的实现。 中间件层封装底层实现细节，提供用户易用的服务接口，包括对监测数 据的处理、分析、存储、查询和挖掘接口，并负责协同任务的调度、安全管理， 提供面向应用领域的通用服务。除此之外，中间件层还包括与其他类型网络及系 统的接口。 应用层包括了面向应用领域、满足用户需求的特定应用，如：地震预警系 统、环境污染监测系统、煤矿瓦斯监测系统、智能家庭系统等 2 1 2 设计特点与挑战 尽管无线传感器网络以无线网络技术为基础，但它们还是有很大的不同。无 线传感器精络的特点决定了它独特的设计原则。 面向应用领域无线传感器网络与应用领域密切相关，不同应用领域对数据 采集、处理、发布的要求有很大差异，应用领域的环境特点也对系统有很大影响。 山东大学硕士学位论文 例如：地震预警系统和环境污染监测系统在网络拓扑结构、通讯模型、数据传递 模型等方面都有很大差别。面向应用领域的特点使无线传感器网络的设计必须与 应用领域相结合。 能量、计算能力等资源有限无线传感器网络部署之后，为大量传感器补充 新能源比较困难。这一问题在工作人员很难到达的恶劣环境中更加突出。而数据 采集、处理、传输及路由计算等都会消耗大量能源。能源的衰减会直接影响整个 系统的寿命。此外，传感器节点在计算、存储能力等方面也有很大限制。 系统动态无线传感器网络的动态性主要体现在系统本身和被监测对象及 用户的变化几方面。首先，无线网络连接本身就有一定不稳地性，由于自然环境、 能源等的影响。传感器节点也会出现失效的情况，导致网络拓扑结构等的变化。 其次，动态传感器网络中被监测对象本身会发生变化，用户的位置也会发生移动。 这些都会给系统的构建、维护带来挑战。 大数据量无线传感器网络系统中，传感器的数量往往有很多，种类、功能 各不相同，采集到的数据数量巨大，并且大多数情况下存在数据冗余，如何高效、 低能耗地传输、处理这些数据，为用户提供有用的信息一直是一个很具挑战性的 问题。 乏1 3 设计原则 针对上述特点，综合考虑操作环境、能源消耗、硬件限制、网络拓扑结构等 影响因素及其他研究人员的观点，在此给出无线传感器网络设计应遵循的主要原 则。 低资源消耗在传感器选择、通讯协议设计、数据传递模式选择时应充分考 虑能源消耗的问题，在一些部署环境恶劣的无线传感器网络中这一点显得更为重 要。此外，对于网络带宽、传感器节点内存与计算能力也应予以考虑。 自适应性无线传感器网络系统通常在无人看管的情况下工作，在通讯协 议、网络拓扑结构、算法等方面应当具有一定的容纳环境及自身变化的能力。这 要求所设计的网络能够适应系统动态扩展及由电源枯竭、自然灾害、环境干扰等 引起的传感器节点失效等问题。 数据聚合无线传感器网络关心的往往不是某一个传感器监测到的数据，而 6 山东大学硕士学位论文 是有关某一现象的综合信息。由于通常情况下，传感器数量巨大，监测数据中会 包含大量重复、类似数据，采用去重复、求最小值最大值、求均值等手段或者 通过信号处理技术缩减无效数据，可以极大提高无线传感器网络的性能。 2 ，2 不周体系结构的中间件要求 图2 - 2 给出了一个典型的传感器网络的结构。这个网络由传感器节点、接收 发送器( 孕忙w a y ，也叫s j i l km d e ) 、i n t e n 口t 或通信卫星、任务管理节点等部分 构成1 1 ”。典型工作方式如下：使用飞行器特大量传感器节点( 数量从几百到几千 个) 抛撒到感兴趣区域，节点通过自组织快速形成一个无线网络。节点既是信息 的采集和发出者，也充当信息的路由者，采集的数据通过多跳路由到达s i 血。 白把w y 是一个特殊的节点，可以通过中间件、i n t e r i l e t 移动通信网络，卫星 等与监控中心通信n ”，实现网关与网关之间，任务管理节点( 即观察者) 与传感 器之间的通信。这种网络能够协作地实时监测、感知和采集网络分布区域的各种 环境或监测对象的信息，并对之进行处理，传送到目的用户1 1 ”。 图2 2 典型的传感网络体系结构图 传感网络处理联网的方法有很多，除了偏向于利用网关和网络代理9 ”4 1 之 外，还有则是直接的网络连接，涉及到如路由协议，资源分配能源损耗等问题 加4 ”。因此，传感网络的体系结构可以划分为带有网关的体系结构和不带阿关的 体系结构，分别基于各自的中间件系统进行连接。 对于有网关的体系结构来说，网关作为一种有线连接的硬件，将无线网络和 应用程序( 用户端) 连接在一起，由于它本身具有强大的处理和储存能力，可以 7 山东大学硕士学位论文 在其上执行资源有限的传感节点不可能执行的任务，并且，传感器的所有服务都 可由网关来代理提供，只需让有限的网关作为代理加入联网组织中。因此，这种 带网关的体系结构可以连接更广泛的网络以传输有用的数据。此时的网络中间件 就只需处理网关与网关之间，网关与应用程序之间的协作与控制，在给用户提供 方便的服务和接口时，这种网络作为一个服务架构能够动态的把传感器整台进复 杂的交互系统中。直接连接的传感网络体系特点是不经过网关，由传感器直接( 或 者经过多跳) 与应用程序端( 用户端) 联系。研究者关注的是如何处理直接网络 连接的各种问题，如对路由算法进行优化和解决传感节点的资源有限性问题。一 些架构致力于拓展传感模块的处理能力，而另一些架构则倾向于利用高性能的硬 件节点来收集和处理从传感器得到的数据，第二种类型的架构用到了辅助传感器 工作的专用节点。在这种体系结构中，中间件的应用和开发将更为艰巨，由于节 点的能力要求较高，中间件技术必须考虑上述问题以尽可能地减轻负荷。因此必 须( 1 ) 为不同的应用程序提供标准的系统服务；( 2 ) 可以支持和协调不同的应 用程序的运行环境；( 3 ) 达到适应性强和有效利用系统资源的机制。这样的中间 件才能有效地支持需要有大量的信息处理和严格的资源限制的无网关传感网络。 正如以上提到的，无论是何种传感网络体系，都涉及到了“软连接”的问题。 节点与网关之间，网关与客户端之间，或者是节点与客户端之间都必须使用中间 件来建立一个协商的机制，这是因为：其一，需要管理海量的中间节点，例如依 次激活各组传感器运行，轮流分担，平均耗能，维持一个固定的q o s ；其二，在 传感器与传感器，传感器与网关之间路由数据，以及对路由节点进行选择；其三， 中间件可以根据此前收到的数据，并按照应用程序要求来改变现有网络状态。例 如当侦测i 异常时，启动某一区域内的多个或者全部传感器，收集海量数据；其 四，当应用程序本身的主动状态变化时，使用中间件来实现传感器的响应，例如 白天与黑夜，对病人的健康监测系统的传感器的启动与关闭。以上功能只有利用 中间件来实现，才可以大大加快应用程序的开发周期，提高可移植性，避免应用 程序设计者陷入具体网络与传感器的实现特性中，而为了满足这些特定的功能， 在设计原则上必然与其它软件系统有所区别。 2 3 无线传感网络中间件设计原则 由于传感网络高度动态和复杂的环境，设计相应的中间件是非常困难的。传 山东大学硕士学位论文 统的分布式中间件( 如d c o m ，c o r b a ，p v m ，m p i ) 对存储和计算的要求都 很高，因此不适用于所需处理能力极强但是能源受限的传感网络。设计传感网络 的中间件，应按以下的基本原则来进行： ( 1 ) 中间件在对网络进行操作和查询时应提供一种以数据为中心的机制。 基于簇的网络结构由于其简易性，适应性、以及健牡性，已被广泛应用在传感网 络协议以及应用程序的设计与实现上。由簇头来综合管理它所辖的所有传感器的 数据，并作为传感节点的代理与其它模块通信。 ( 2 ) 必须在应用程序的特殊性与中间件的一般性之间做出一个权衡。一个 可行方法是把应用程序的特殊性嵌入程序代码中，并且这些代码是可以被中间件 解释的，由此来控制中间件的操作。 ( 3 ) 因为网络中基于簇的结构集中于相邻传感节点之同的交互，所以协作 和控制可以在这一小块受限的区域之上，每个簇都作为一个基本的中间件的功能 单元，中间件则是由多个簇组成的分布式软件。 ( 4 ) 因为传感节点的资源有限性，中间件在计算与通信等方面必须是轻量 级的。轻量级的要求必然使得简单与有效的启发式搜索被用于非最优的解决方案 中。 ( 5 ) 因为资源的有限性，并不是所有运行的应用程序的性能要求都能得到 满足。因此，中间件应该有一种权衡策略机制能智能地权衡各种各样的应用程 序的q o s s 。 2 4 现有无线传感网络中间件分析 由上节的设计原则，就可理解现实中传感网络中间件的设计初始时最主要的 困难在于如何在异构的组件中交换数据。这些问题解决后，研究也转向了更高层 次，如通过复制来提高容错性，通过分布式对象的合理放置，以及采用事件的分 发和远程调用，来优化数据存取。现行中间件研究的统一标准是给用户对复杂的 低层次的概念提供高层次的抽象，但是研究表明，没有一个现存的中间件能有效 地提供传感网络应用的全部管理工具口”。 下面将对现存的各种中间件的优劣进行比较，包括传统的中间件技术应用于 传感网络的可能性以及专用的传感网络中间件，部分中间件关系见图2 3 。 9 山东大学硕士学位论文 一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一- 一一一一一一- 一一一一一一一一一一- 图2 3 各种中间件关系 s 珊a “”系统为传感网络的信息提供了一个类分布式数据库接口，这样，信 息就可以通过数据库形式的请求而得到。s 矾a 之所以能够对传感网络发出请 求，接收应答收集数据，对整个网络情况进行监控，并对运行于每个传感节点 的s m a 模块提供适应性信息，辅助请求，事件监测等，主要是通过以下三个特 性的结合来实现： 层级聚类( h j e r a r c b i c a l c l u m f i n g )根据每个传感器的能源等级以及相距 距离，由多个传譬嚣形成一个簇，以其中一个节点作为簇头，这种聚合过程可以 递归进行，构成一个必簇为每层最小单位的层级聚类网络，由每层的簇头来完 成数据的过滤、融合、整理，在某一节点失效时可通过自组织重构网络。 基于属性的命名机制和以数据为中心的运行机制对于用户来说，单个传感 器并不能引起他们的兴趣，特别是在具有大量传感器的网络中，用户关心的仅仅 是某一区域或是某种数据，以单个传感器地址为基础的命名机制毫无意义，而采 用基于属性的命名机制如：【t y p e = t e “ p e r a t l 鹏，l o c a t d n = n e t c l 竹p e r a t 删= 1 0 3 】 就完整的描述了位置为东北，温度为1 0 3 。f 的温度传感器。 位置识别( l o c 砒i 。n a w a m ) 少数节点采用a ) s 定位，周围的传感器根 据已知节点的坐标计算而得到自己的坐标。在s 矾a 的中间层与应用程序之间扮 山东大学硕士学位论文 演编程接口角色的是它的s q t l 语言( s e i r q u e r y a i l dt b k i t l g h n g l n g e ) ，这 个语言继承自s q l ，可以直接操作底层传感硬件，进行位置识别，并操纵通信， 语法如下： s e c ta v 镬斟t e 呷m t l i e ( ) ) a sa v g t e 埘p 豇a n e f r o mc u j s t e r n 正m b 峪 语义为让簇头从自己的成员中收集平均温度并放 “g t e 呷e 嘣u m 变量中。 通过此语言的应用，即可方便的部署传感网络的应用程序。 m 儿a 删系统的开发是为了实现先应式而非反应式的动态网络配置，传统 的网络中间件只是对网络配置的变化被动地反应，例如根据网络可用带宽的变化 或是现有可用传感器的变化，改变应用程序的通信量或q 口s 请求，达到动态负 载均衡或网络可伸缩性，这属于网络的自适应特性。m i l a n 在此基础上发展了 具有先行主动控制网络的能力。首先，接收应用程序随时问变化的q o s 请求，从 网络中找出可以满足这些q b s 等级的传感器集合磁( 印p 血c 舳o n 勋s 曲l e9 酣) ，然 后，分析现有网络的可用资源，找出在此时的网络条件下可稳定提供服务的传感 器集合f n ( n 虬m r k t s 击1 es e t ) ，对两个集合进行交集求解： f = f anf n 此时，交集f 即为可向应用程序提供服务的目标集。m i l a n 的这种自组织 的机制不仅反应了网络的动态变化，同时也顾及到了应用程序的主动需求。它的 自组织性与传统的传感网络自组织性有所不同，传统的自组织性存在于节点层， 由传感器自发地相互通信、连接、聚合，最后形成一个传感网络。当其中某些传 感器失效时，仍然从单个传惑器底层开始重构网络。m i l a n 可归结为网络层的 自组织性，由他来控制节点的平均耗能，组织节点的响应模式，并为应用程序屏 蔽这些底层细节，让应用程序得以通过简单的q o s 请求来主动控制传感网络配 置。 u m e 中间件”1 技术研究集中于一个新的应用程序编程接口，也就是一个针 对移动a d h 。c 组件的共享内存框架，这个框架是通过h d 呔e ( 类l i f l d a 模 型) 元组空间来实现的。皿和i 皿伍都没有考虑到了传感网络的能源限制问 题，他们的支持协议与专门为传感网络设计的协议相比代价是非常沉重的。当一 山东大学硕士学位论文 些中间件感应到无线网络的属性改变时，它们会尝试修改自己的行为以适应于监 测到的网络环境。例如，m b 0 “8 1 和f a r g 0 m 1 可以重新安排数据的交换或重新 部署组件，以适应变化的网络环境，如可提供的带宽或连接可靠性。在更低的层 次上， m o b i w a r e 【2 “通过适应网络中的数据流来支持了不同层次的q o s 。其他的中 间件系统提供了1 1 0 0 k s ( 钩子机制) ，允许应用程序来适应网络的改变。例如， 基于o d y s s e y 平台的应用程序”可以通过注册而得到潜在的网络数据速率改变 的通知。同样地，a i n 的s p e c t m ”1 组件监视网络环境和可用的计算资源，从 而决定在哪里进行计算。以上的这些进展都能应用于无线传感网络，但是，他们 没有整合任何具体的传感网络数据集合协议，也没有考虑到低层次的无线协议细 节。在现存的分布式计算中间件中，q o s a w a r e m i d d l e 啊阱1 提供了能最好支持 传感网络应用的范例。这种中间件是基于应用程序的具体要求来负责管理本地的 操作系统资源。应用程序的q o s 信息被编辑成为q o s 文档，指导中间件对资源进 行有关决策。 a 血s e c “1 自动服务集成，通过提供应用程序的访问控制来管理传感网络的 资源，使得q o s 请求能够维持。由于资源的约束出现于每一个节点，所阻这种方 法与标准网络的中间件相类似，但是在搜集当前可利用资源的技术方面是为传感 网络定制的。 与a u t o s e c 一样，d s w a r e 口6 1 提供了相似的数据服务抽象，不同的是，它可 以由一组地点相近的传感器提供服务，而不是由单个节点提供。凼此，只要有足 够的传感器在一个领域中提供有效的监测，d s w a r e 可以方便地处理传感器的失 效。 以上这些传感网络中间件的研究集中于数据在网络中的传输，然而，h 印a i a 【2 7 1 却考虑到了代码本身，开发了移动代码技术从而改变了远程传感器上处理执行的 能力。工p a l a 能有效的处理能源的关键是传感节点的程序尽可能地模块化，使 得小的升级只需要很少韵传输能源。这种橥构致力于拓展传感模块的处理能力， 使其能够适用于无网关的传感网络。 山东大学硕士学位论文 2 5 小结 本章首先介绍了介绍了无线传感器网络体系结构的概念模型，并论述了不同 体系结构对中间件设计的不同要求。无线传感器网络中间件的设计除了需要满足 w s n 一般要求外，还要遵循不同于传统中间件设计的原则。通过对现有无线传感 器网络中同件的分析，进一步说明黔n 中间件的设计特点。 山东大学硕士学位论文 第3 章分簇算法 对于无线传感器网络，路由协议的设计是很具挑战性。无线传感器网络的移 动性弱，能量非常有限，因此路由协议设计的主要优化目标是减少能量消耗和促 进负载均衡，以提高网络生存时间。为此研究人员提出许多新的适用于无线传感 器网络的路由协议，这方面的研究己成为无线传感器两络研究中的热点。 其中分簇式路由协议由于以下特点与其他路由协议相比具有一定的优势： ( 1 ) 分簇路由协议消耗能量少且能量消耗分布均匀，能有效的延长网络寿命， 平衡网络负载。 ( 2 ) 分簇路由协议是基于某种簇形成策略，选举产生一个较为稳定的子网络， 从而减少了拓扑结构的变化对路由协议带来的影响。 ( 3 ) 簇头节点对所在簇内的节点进行管理，能方便地向基站传达节点的各种 信息，例如能量、安全性、故障等另外基站通过头节点可以有效地向网络中 其他节点发送命令，这是平面路由所不能有效实现的。 这类路由协议的典型代表包括l 队删，t e e n ，p e g a s i s ，a c b ，仰等，本论文选择 了一种典型的分簇路由协议一一l e a c i l ( l o w - e n e r g ya d a p t i v ec 1 u s t e r i n g h i e r a r c h y ) 协议作为对分簇算法的介绍。 3 1l e 伽算法 随着低功耗数模电子器件，低功耗射频设计和廉价徽型无线传感器件的进 步，基于m e m s 的传感器技术得以极大发展。虽然这种传感器的工作精度不高，但 是它们的小型化和廉价使成千上百的传感器节点可以用在一个区域内，通过节点 在数量上的优势来弥补精确度方面的劣势，获得较高的网络质量和容错能力。由 于传感器节点在量上的需求较大，因此传感器件做得越小型越廉价，功耗越低越 好。新的网络必须有新的协议来保证在某些节点失效的情况下网络仍然能够正常 运行。另外由于能量和带宽的限制，协议必须能够允许节点进行本地协作和数据 融合以满足低带宽低能耗的要求。传感器节点的数据最终要传送到者基站，终端 用户可以从控制中心或者基站获得需要的信息。l e a o i 协议的所采用的模型是这 l i | 东大学硕士学位论文 样的： ( 1 ) 基站是固定的，并且远离整个无线传感器网络。 ( 2 ) 网络中所有的传感器节点都是同种类型的并且能量非常有限。 因此，如果节点和基站直接通信，所需能量要求过高，代价过于昂贵，并且 网络中的传感器节点都是能量非常有限的。传感器节点收集的数据中有较大量的 冗余信息，因此需要通过本地合作来进行数据融合去掉冗余信息，只发送有用信 息，以节约开销。在分析了传统路由协议的优缺点后，m i t 的w rh e i n z e l m 等 人提出了l e a 叫协泌，这是一种基于簇类结构和分层技术的协议，与传统协议相 比，可以较大程度的节约能量。l e a c i 的典型特征为： ( 1 ) 通过本地协作和控制实现簇类的建立和操作。 ( z ) 簇类的动态改变和簇头节点的随机性。 ( 3 ) 采用本地数据聚合，减少整体通信量。 对于多数传感器节点来说，短距离通信比较节约能量，因此在l e a a i 中，更 多的通信都是局限在簇类的内部，只有少数簇头节点才和远处的基站进行远距离 通信。但是l 队田又比原有的簇类结构的网络更有效，因为l e a 0 l 中用到了簇类的 自适应技术和簇头节点的轮换技术，使得整个网络的载荷分布相对比较均衡，能 够大大的延长网络的寿命。另外，l e a c h 在每个簇类内部可以进行本地计算和处 理，去掉数据中的冗余成分，减轻簇头节点的通信负担。由于计算所需能耗要远 远小于通信能耗，因此这项技术可以大大节省能量。 3 2l 卧训算法具体过程 l e 删协议使用自适应成簇和簇头节点轮换技术。它将所有节点分为若干簇， 每个簇选举一个簇头，如图3 1 所示。图中的传感区域被分为5 个簇类，其中每个 簇有一个簇头节点，其余的一般节点为簇内成员。 山东大学硕士学位论文 - 封 量头帛点 图3 1l e a c h 分簇示意图 l e a c j 协议中给出了一个“轮” r o u n d ) 的概念，其操作是分成轮进行的，每 一轮包含簇建立和稳定运行两个阶段，首先是在簇建立( s e t u p ) 阶段，自适应分 簇结构形成，接下来在稳定运行( s t e a d y s t a t e ) 阶段进行数据传输，为了节约开 销，通常第二个阶段的时间要长于第一个阶段，如图3 2 所示。 图3 - 2 认c h 操作的时间图 现在结合图3 3 l e a 口算法流程图详细介绍算法细节。最初的簇建立阶段，每 个节点要决定是否充当本轮的簇头节点。这个决定全要取决于整个网络中簇头节 点占所有节点数目的百分比( 孝f 初始化时设置) 。并且取决于这个节点在过去的操 作中充当过簇头节点的次数。对于一个节点n 来说，为节点n 随机选取一个在o 到1 之问的数字，成为标志值或者节点的i d 号。如果n 的这个标志值小于一个门限值 t ( n ) 的话，节点n 就充当本轮的簇头节点。门限t ( n ) 定义如下： r f 二，。g r = 1 - p “( r “o d 言 l i o ，g 其中，p 是网络中簇头节点所占总节点数目的百分比( 例如p = 0 0 5 ) ，r 为当 前的轮数，比如当前是第2 0 轮，则r 1 2 0 。g 是一个集合，集合中的节点是前l p 山东大学硕士学位论文 轮中没有充当过簇头节点的节点。使用这个门限，每个节点会在l p 轮操作内充 当一次簇头节点。符号m o d 是求模运算符号。在第一轮的时候r = 0 ，每个节点充当 簇头节点的概率为p ，在第n 轮充当簇头节点的节点在后面的l p 1 1 轮中不能再次 充当簇头节点。这样，剩下的节点数目变少了，所以能够充当簇头节点的概率得 增加。等经过了1 p - l 轮以后t = 1 。此时对于任何在过去的i p 中还没有做过簇头 节点的节点，都可以成为簇头节点，因为所有的节点的标志值都是在o 和1 之间的。 等过了l p 轮以后，所有的节点就又可以重新充当簇头节点了。每个确定充当当 前轮簇头的节点，会向网络其它节点广播一个广告包。在整个广告的过程中，运 用了c s 姒的m a c 层协议，所有的簇头节点都用同样的发射功率发送广告包。在这 个过程中，其它节点的接收机一直处于工作状态，用于接收来自簇头节点的广告 消息。每个节点可能会收到几个来自不同簇头节点的广告包，节点就根据收到消 息的信号强弱，选取信号最强的广告包的发送源节点作为自己的簇头节点，加入 那个簇头节点的簇，并向簇头节点报告自己加入的消息。因为从理论上来讲，接 收到的信号强度最大，那么两者之间的通信功耗会最小。 等每一个节点都选定了自己的簇头节点，加入了相应的簇，节点就成为了这 个簇的成员节点。成员节点会用c s 姒机制通知簇头节点自己己经加入了这个簇。 在这个过程中，簇头节点一直处于开启状态，用来接收成员节点的“报到”消息。 一旦网络中的簇已经形成，并且t d m a 时隙表也己经定了下来，就开始了数据 发送。假设传感器节点总是有数据要发送( l e a 删协议采取的就是连续数据发送模 式) ，在属于自己的时隙里，成员节点会把数据发送给自己的簇头节点。在发送 阶段，在自己的时隙没有到来的时候，成员节点可以关闭自己的收发机以节约能 量。而簇头节点必须一直把自己的接收机处于开启状态，用于接收来自不同成员 节点的数据。当一轮的数据传输完毕后，簇头节点会对接收到的数据