APP下载

无线传感器网络简介

2019-09-10胡志鹏

大众科学·上旬 2019年8期
关键词:路由节点计算能力

胡志鹏

摘 要:无线传感器网络是一种新型网络,是物联网的前身,它是由大量传感器节点组成,这些结点具有计算通信等能力。传感器节点部署在某一监检区域内,节点间采用无线通信的方式组成自组织网络。该网络低能耗、低成本、分布式和自组织的特点无疑给信息感知领域带来了一场重大变革[1-3]。

1.传感器网络结构

通常情况下一个传感器网络中包含两类节点:1)传感器节点(sensor node),简称节点,2)汇聚节点(sink node)。这些节点以高密度形式随机分布在某一监测区域(sensor field)内,节点與节点之间采用无线通信的方式构成自组织网络[19][20]。

节点的存储能力、电池容量、通信能力和计算能力都比较有限。每一个节点都具有终端和路由器功能,节点可以收集本地信息并处理数据,同时节点还存储其它节点发送来的数据,并对这些数据进行管理和融合等操作。

汇聚节点的存储能力、计算能力和通信能力较强,并且能量不受限制,汇聚节点上配备有网络当前的拓扑信息,该节点主要负责网络与外部网络的连接,同时还要实现通信协议的转换。汇聚节点将网络中收集到的数据转发给外部网络,同时将用户的监测任务发布给网络内的其它节点。汇聚节点一般情况下可以认为是一个增强节点,该节点的能量充足和计算能力强大。

节点的主要任务是收集数据,并将数据能过其它节点进行传输,在数据的传输过程中,数据有可能通过多个节点才能到汇聚节点。汇聚节点将这些处理好的数据发送给用户。用户可以通过发布命令的方式对传感器网络内资源进行配置与管理,还可以发布所需的监测任务,达到最终收集信息的目的。

传感器网络结构如图1所示。

2 传感器节点结构

由大量的廉价微型传感器节点组成,首先将传感器节点部署在某一监检区域内,节点与节点之间通过无线通信方式组成的一个自组织网络。传感器节点是由四个模块组成的,传感器模块、无线通信模块、能量供应模块和处理器模块组成,如图2所示。传感器模块负责测量周边环境中的温度、红外、声纳、雷达、湿度、噪声、光强度、压力等用户所需的物理特征,并将这些特征转变为通信中用到的电信号;无线通信模块主要负责与节点进行无线通信,交换数据信息和收发控制消息;处理器模块主要任务是控制整节点内的操作及数据处理,存储和处理数据;能量供应模块将运行时所需的能量提供节点,通常使用体积较小的纽扣电池。

3  传感器网络协议栈

经过大量的研究,研究人员提出了无线传感器网络协议栈。该协议栈一共包括五层,分别为物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层,与互联网协议栈的五层相对应。协议栈配备了能量管理平台、移动管理平台和任务管理平台,这些管理平台能够高效的利用网络的能量,管理传感器节点间的协同工作,如图3所示。

各层协议介绍

物理层:提供简单、健壮的信号调制和无线收发技术,还要完成对数据的加密工作。

数据链路层:负责数据成帧、帧检测、媒体访问和差错控制等。

网络层:负责路由生成与路由选择,在无线传感器网络中,路由协议不仅关注单个节点的能量消耗,更关注整个网络能量的均衡消耗,使整个网络的生存期得以延长。

传输层:负责数据流的传输控制,是保证通信服务质量的重要部分。

应用层:包括一系列基于监测任务的应用层软件

能量管理平台管理传感器节点如何使用能源,在各个协议层都需要考虑节省能量,使节点有限的能量发挥最大的作用。

移动管理平台检测并注册传感器节点的移动,维护到汇聚节点的路由,使得传感器节点能够动态跟踪其邻居的位置。

任务管理平台在一个给定的区域内平衡和调度监测任务。

4 无线传感器网络特点

1)节点能量有限:无线传感器网一个极为重要的应用就是军事应用,那么就要求节点能很好的隐蔽自己,所以传感器节点通常体积微小,导致了节点所能携带的电池体积较小,能量较为有限。传感器网络中的节点个数非常多、节点成本低廉、部署区域环境复杂、分布区域广,致使传感器节点通过更换电池的方式来补充能源是不现实的,无线传感器网络中应用首要的要求就是高效的利用能量。

2)通信能力有限:经过大量的实验,研究者们发现在无线通信中发送信号所消耗的能量与距离有关,其关系为E=kdn(2

3)存储能力和计算能力有限:传感器节点是一种微型嵌入式设备,计算能力和存储能力极度低下,甚至无法存储较为复杂的算法的代码,而处理器模块需要进行控制整节点内的操作及数据处理,存储和处理数据等多种工作,为了解决这种能力低而工作任务重的不对等情况,成为了无线传感器网络设计的难以点。

4)以数据为中心:传感器网络是典型的任务型网络,单独的谈论节点没有意义的。网络中的节点采用独立的编号对某一节点标识,节点编号在某一区域内是唯一的,但是在全网内是否需要唯一编号,可根据网络通信协议设计自我规定。

5)自组织网络:传感器网络中的节点是一般是通过飞机播撒的,那么节点位置将没有固定结构,完全随机。由于每个节点的位置是随机的,不能预先设定,那么网络的拓扑结构也不可能预先知道,这就要求传感器网络是自组织的,网络中节点能自动进行配置,生成相应的拓扑结构,自行进行网络通信,完成用户交给的各项任务。

6)动态性网络:传感器网络的拓扑结构容易受到外界环境的影响而改变,出现这种改变的原因有三种:1. 节点中电能耗尽使得节点失效或传感器节点内部出现故障而失效;2. 外界环境条件变化(如刮风下雨等环境因素)造成通信链路带宽改变;3. 传感器、感知对象和观察者都可能具有移动性。传感器网络必须能够适应各种变化,使得网络具有可重构性。

参考文献

[1]宋立军, 李腊元, 王爱新. 无线传感器网络安全路由协议的改进[J]. 传感技术学报, 2009, 10: 1471-1475.

[2]R Lacoss, R walton, Strawman. Design for a DSN to detect and track low flying aircraft. Proceedings of the Distributed Sensor Nets Workshop Conferences[J]. Carnegie-Mellon University, Pittsburgh, PA, December, 1978: 41-52.

[3]M Hewishi, Little brother is watching you: Unattended ground sensors[J]. Jane’s Int. Defense Review, June 2001. 34 (6): 46-51.

猜你喜欢

路由节点计算能力
浅谈如何提高小学生的计算能力
厘清算理,提高学生计算能力
数据通信中路由策略的匹配模式
基于移动汇聚节点和分簇的改进节能路由算法
一种用于6LoWPAN的多路径路由协议
OSPF外部路由引起的环路问题
CAE软件操作小百科(48)
提升学生计算能力的研究
基于点权的混合K-shell关键节点识别方法
中学生化学计算能力的进阶式培养策略