摘 要：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是信息技術(shù)研究領(lǐng)域的一個重要方向，具有廣闊的應(yīng)用前景。給出了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)信息獲取的體系結(jié)構(gòu)，重點(diǎn)論述了信息獲取的關(guān)鍵問題，分析了其不足以及發(fā)展方向。特別總結(jié)出網(wǎng)絡(luò)通信的重要問題，并進(jìn)行了詳細(xì)的介紹。 　　關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；傳感器網(wǎng)絡(luò)信息處理；通信體系結(jié)構(gòu) 　　0 引 言 　　由于低能耗集成電路技術(shù)、無線通信技術(shù)以及MEMS（microelectromechanical systems）的發(fā)展，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)成為可能，并且，成為信息技術(shù)學(xué)科一個新的重要研究方向。美國《商業(yè)周刊》在其“未來技術(shù)專版”中發(fā)表文章指出，傳感器網(wǎng)絡(luò)是全球未來的四大高技術(shù)產(chǎn)業(yè)之一，并將掀起新的產(chǎn)業(yè)浪潮。 　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由于體積小、成本低以及強(qiáng)大的信息獲取功能使其在環(huán)境數(shù)據(jù)采集、安全監(jiān)控以及目標(biāo)跟蹤等方面有廣闊的應(yīng)用空間。 　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用系統(tǒng)的根本是獲取物理世界有價值的信息，包括數(shù)據(jù)的收集、數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)通信以及數(shù)據(jù)的處理，并最終得到用戶所需的信息。 　　1 信息獲取關(guān)鍵問題 　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)必須解決一系列關(guān)鍵問題才能充分發(fā)揮其信息獲取能力，包括數(shù)據(jù)通信、感知數(shù)據(jù)處理以及系統(tǒng)監(jiān)控等。 　　1．1 信息獲取體系結(jié)構(gòu) 　　信息獲取體系結(jié)構(gòu)分為物理層、功能層及應(yīng)用層，每個層次又分為不同的階段 　?。?）數(shù)據(jù)獲取 　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用系統(tǒng)不像傳統(tǒng)的信息應(yīng)用系統(tǒng)，它所需的數(shù)據(jù)需要從物理世界中獲取，而且，這些獲取的數(shù)據(jù)是海量的流數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)之間存在的時空關(guān)聯(lián)性，并且，伴有噪聲信號、偏離測量以及數(shù)據(jù)丟失和數(shù)據(jù)錯誤等。這就需要系統(tǒng)具備一定的功能來處理上述問題。 　　在整個體系結(jié)構(gòu)中，最初始的階段也是最重要的階段就是數(shù)據(jù)獲取階段，其主要任務(wù)就是來決定什么時間、什么地點(diǎn)、以什么頻率來進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣。 　?。?）數(shù)據(jù)通信 　　數(shù)據(jù)通信階段就是要采用簡單、高效的數(shù)據(jù)路由算法和相應(yīng)的協(xié)議來將獲取的物理環(huán)境的數(shù)據(jù)及時、準(zhǔn)確地傳送給用戶。 　?。?）數(shù)據(jù)處理 　　數(shù)據(jù)處理就是指如何簡單、有效地表達(dá)用戶的信息需求；如何根據(jù)這些需求來處理相關(guān)的數(shù)據(jù)獲得用戶所需的信息等。 　　1．2 信息獲取計算模式 　　計算模式基本上有2種：集中式和分布式。集中式是指將各個節(jié)點(diǎn)所獲取的數(shù)據(jù)傳送到一個集中的位置進(jìn)行相應(yīng)的處理；分布式包含分布式對象系統(tǒng)、分布式數(shù)據(jù)庫及移動代理等。 　　1．2．1 分布式對象系統(tǒng) 　　分布式對象系統(tǒng)就是將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)看作大規(guī)模的分布式對象。 　　SINA是一種較有影響的分布式對象信息處理方法。每個節(jié)點(diǎn)運(yùn)行SINA執(zhí)行環(huán)境（SEE），作為節(jié)點(diǎn)的抽象對象。它是SINA體系結(jié)構(gòu)的核心。SEE提供一系列配置和通信原語來加強(qiáng)節(jié)點(diǎn)對象之間的可擴(kuò)展性、魯棒性以及電源有效的組織和交互。系統(tǒng)采用統(tǒng)一語言來查詢和調(diào)度整個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，即傳感器查詢和調(diào)度語言。它是一種陳述性的過程腳本語言，具有靈活和緊湊的特點(diǎn)。這種方法雖然通過sampling operation原語集成了數(shù)據(jù)獲取階段，但是，沒有充分利用所獲取數(shù)據(jù)的時空關(guān)聯(lián)性，利用統(tǒng)計的方法來提高數(shù)據(jù)獲取的效率。 　　1．2．2分布式數(shù)據(jù)庫 　　由于節(jié)點(diǎn)的分布性，可以采用分布式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲以及查詢技術(shù)來進(jìn)行無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的存儲和信息處理。 　　基本思想是：用戶提交一個用戶查詢，查詢優(yōu)化器將這種查詢需求分解成適合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中各個節(jié)點(diǎn)進(jìn)行in network處理的有效的查詢計劃，從而節(jié)省電源，提高系統(tǒng)的生命周期。另外，這種查詢的提交是以一種陳述式查詢語言的形式提交的，從而可以實現(xiàn)用戶需求與實際物理網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的透明性。這里的核心是設(shè)計查詢優(yōu)化器。 　　目前，比較有影響力的研究成果有Cornell大學(xué)的COUGAR項目，另外，還有Intel公司的TinyDB項目。 　　COUGAR項目沒有集成數(shù)據(jù)獲取階段；而TinyDB項目雖然集成了數(shù)據(jù)獲取階段，但是，在先期的工作中沒有充分利用流數(shù)據(jù)的時空關(guān)聯(lián)性，利用統(tǒng)計方法提高數(shù)據(jù)獲取的效率，目前，Intel的研究人員正在致力于這方面的工作。 　　1．2．3 移動代理 　　在傳統(tǒng)的分布式無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，數(shù)據(jù)是由單個的節(jié)點(diǎn)搜集，然后，將其傳送給上一級的處理單元來進(jìn)行處理。這樣，在網(wǎng)絡(luò)中就會有大量的數(shù)據(jù)在移動，從而消耗了大量的電源。而移動代理的思想將數(shù)據(jù)駐留在獲取它的節(jié)點(diǎn)上，而讓代表用戶信息需求的一段代碼（代理、計算引擎）在網(wǎng)絡(luò)中傳播，來處理相應(yīng)的數(shù)據(jù)，并將最終的信息返回給用戶。這樣就可以減少網(wǎng)絡(luò)的帶寬使用。 　　該方法的不足之處在于：由于節(jié)點(diǎn)的存儲能力有限，每個節(jié)點(diǎn)在沒有了解用戶的信息需求之前必須保留一段時間的歷史數(shù)據(jù)，這樣將消耗大量的系統(tǒng)資源。 　　總之，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的信息獲取計算模式的發(fā)展趨勢是以分布式計算為主，利用系統(tǒng)中的局部信息來完成數(shù)據(jù)路由、聚合等工作，從而提高系統(tǒng)的可擴(kuò)展性。在分布式計算的基礎(chǔ)上，應(yīng)該集成數(shù)據(jù)獲取階段，并且，充分利用流數(shù)據(jù)的時空關(guān)聯(lián)性。 　　1．3 網(wǎng)絡(luò)通信的關(guān)鍵問題 　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)一個重要的方面就是電源和通信帶寬是非常有限的資源。網(wǎng)絡(luò)通信體系結(jié)構(gòu)設(shè)計必須充分考慮這個問題。 　　目前，已經(jīng)有大量的研究成果分別從不同的角度提出不同的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議。主要有如下幾類：扁平路由（flat networks routing）、層次路由（hierarchical networks routing）以及基于位置的路由（location-based routing）。扁平路由是指網(wǎng)絡(luò)中各個節(jié)點(diǎn)具有相同的作用；而層次路由是指網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)承擔(dān)不同的作用，呈現(xiàn)出一定的層次結(jié)構(gòu)。 　　通過對路由協(xié)議的研究，總結(jié)出網(wǎng)絡(luò)通信的一些重要問題。 　　1．3．1 面向應(yīng)用和以數(shù)據(jù)為中心 　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)通信是以數(shù)據(jù)為中心的（data centric），而且，是面向應(yīng)用的（application specific）。 　　由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)具有大量的節(jié)點(diǎn)，很難給這些節(jié)點(diǎn)分配全局的標(biāo)識符，一個可行的方案就是利用節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)來標(biāo)識節(jié)點(diǎn)。這就是以數(shù)據(jù)為中心的思想。所謂以數(shù)據(jù)為中心是相對于以地址為中心的方法來說的，它更多地關(guān)心通信的數(shù)據(jù)內(nèi)容，而不是數(shù)據(jù)的獲取來源；關(guān)心數(shù)據(jù)融合過濾后得到的信息，而不是高冗余的原始數(shù)據(jù)。 　　為了減少在網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)傳輸量、延長系統(tǒng)的生命周期，必須在數(shù)據(jù)通信的過程中進(jìn)行面向應(yīng)用的數(shù)據(jù)處理，即in network processing。這種數(shù)據(jù)處理必須根據(jù)系統(tǒng)用戶的應(yīng)用需求才能切實有效地進(jìn)行，因為必須根據(jù)用戶的信息需求才能決定哪些原始數(shù)據(jù)有用，哪些沒用。也就是說，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信方式是面向應(yīng)用的，必須在數(shù)據(jù)通信的同時考慮用戶的需求，在數(shù)據(jù)路由的同時進(jìn)行面向應(yīng)用的數(shù)據(jù)處理，這與傳統(tǒng)的通信方式是不同的。 　　這種in network processing的思想有2種實現(xiàn)方案：一種是在原始數(shù)據(jù)的傳輸過程中進(jìn)行面向應(yīng)用的數(shù)據(jù)聚合，這就是數(shù)據(jù)聚合的思想；二是將代表用戶需求的代碼傳播到網(wǎng)絡(luò)中，在各個節(jié)點(diǎn)處理數(shù)據(jù)，然后，再將用戶最終需要的信息返回給用戶，這就是移動agent的思想。 　　1．3．2 局部計算 　　由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)量的大量性以及電源能力、計算能力和存儲能力的有限性，不可能在通信機(jī)制中存在像Internet那樣的全局路由信息及全局的預(yù)發(fā)路由。這樣，在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，只能采用局部計算模式（localization schemes）來進(jìn)行數(shù)據(jù)的通信，即通信機(jī)制不需要知道整個網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)，只根據(jù)當(dāng)前節(jié)點(diǎn)周圍局部節(jié)點(diǎn)的屬性來決定數(shù)據(jù)的路由路徑。由于局部計算只關(guān)心某一范圍內(nèi)節(jié)點(diǎn)的信息，而不關(guān)心整個網(wǎng)絡(luò)的信息，所以，系統(tǒng)中節(jié)點(diǎn)的加入或離開不會對系統(tǒng)的性能造成很大的影響，從而提高系統(tǒng)的可擴(kuò)展性。 　　1．3．3 節(jié)點(diǎn)定位 　　在基于位置的路由算法中，需要知道節(jié)點(diǎn)的物理位置，這就需要節(jié)點(diǎn)定位技術(shù)。一般來說，節(jié)點(diǎn)的定位主要有2種方法：一種是絕對定位；另外一種是相對定位。 　　絕對定位，就是通過某種手段來確定節(jié)點(diǎn)的絕對物理位置，如使用GPS定位系統(tǒng)來確定每個節(jié)點(diǎn)的物理位置。 　　相對定位，就是通過節(jié)點(diǎn)之間的相對距離來確定節(jié)點(diǎn)的物理位置。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，一般來說，基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)施（基站或者聚簇的頭節(jié)點(diǎn)）中節(jié)點(diǎn)的位置是已知的，將系統(tǒng)中的所有其他節(jié)點(diǎn)與其相鄰的基礎(chǔ)設(shè)施節(jié)點(diǎn)比較來確定節(jié)點(diǎn)的絕對位置。 　　有了局部計算機(jī)制以及節(jié)點(diǎn)的物理位置，就可以利用節(jié)點(diǎn)的物理位置來進(jìn)行數(shù)據(jù)路由，即geographic routing。geographic routing是非常適合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由方法。因為這種方法中，節(jié)點(diǎn)只包含其地理上相鄰節(jié)點(diǎn)的位置，這樣，就具備很好的可擴(kuò)展性。 　　1．3．4 時間同步（時鐘同步） 　　時間同步（time synchronization）是任何分布式系統(tǒng)的重要基礎(chǔ)設(shè)施。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)集成、TDMA介質(zhì)訪問、調(diào)度等，都需要時間同步的支持。 　　一般來講，時間同步的精度要求越高，所消耗的資源（計算、通信以及電源等）就越多；而無線傳感器網(wǎng)絡(luò)受到嚴(yán)重的資源約束，因此，不可能提供很高精度的時間同步功能。實際上，現(xiàn)實中的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用系統(tǒng)對時間同步功能的要求并沒有那么高，而且，可以根據(jù)應(yīng)用系統(tǒng)的不同需求來提供不同精度要求的時間同步功能。 　　上述的各種路由算法沒有嚴(yán)格的好壞標(biāo)準(zhǔn)。每種算法在一定的條件下都是有效的。實際應(yīng)用中，應(yīng)該根據(jù)不同的應(yīng)用需求采用不同的路由方法。 　　網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議未來的發(fā)展方向有如下幾個方面： 　?。?）充分利用感知數(shù)據(jù)的時空關(guān)聯(lián)性，提高數(shù)據(jù)獲取的效率，減少網(wǎng)絡(luò)通信量； 　?。?）在路由協(xié)議的各個層次引入統(tǒng)計方法，特別是數(shù)據(jù)鏈路層，以減少網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信量； 　　（3）考慮QoS問題，包括安全性、延時性等； 　?。?）節(jié)點(diǎn)移動情況下的路由算法等。 1．4 感知數(shù)據(jù)存儲與處理 　　系統(tǒng)從物理環(huán)境中獲得數(shù)據(jù)后，可以對這些流數(shù)據(jù)進(jìn)行實時處理、數(shù)據(jù)聚合。但是，另外一些數(shù)據(jù)需要保存起來，以便以后進(jìn)行分析、預(yù)測趨勢以及數(shù)據(jù)挖掘。這就需要相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫技術(shù)來存儲這些海量的流數(shù)據(jù)。 　　有了這些數(shù)據(jù)，就需要有相應(yīng)的數(shù)據(jù)查詢技術(shù)來獲得用戶想要的信息。主要的研究成果就是陳述式查詢。 　　未來的研究方向： 　　（1）感知數(shù)據(jù)的可視化表示：以便用戶能夠更好地理解數(shù)據(jù)； 　　（2）流數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)：從海量的流數(shù)據(jù)中獲取用戶所需的信息甚至知識，也要考慮流數(shù)據(jù)的實時挖掘以及事后挖掘，這是一個非常有挑戰(zhàn)性的工作。 　　1．5 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)監(jiān)控 　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)監(jiān)控協(xié)議有2個方面的特殊要求：第一，對電源消耗有更高的要求，因為監(jiān)控協(xié)議要在系統(tǒng)的整個生命周期中都在運(yùn)行；第二，比其他協(xié)議具有更好的魯棒性，因為當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)大規(guī)模故障，監(jiān)控協(xié)議是最后的救命保障。 　　目前，已經(jīng)有一些研究成果來解決這個問題，但是，它們大多集中在節(jié)點(diǎn)剩余電源的監(jiān)控方面。文獻(xiàn)給出一個較完整的系統(tǒng)監(jiān)控體系結(jié)構(gòu)，但它僅僅對剩余電源的監(jiān)控給出了具體的實現(xiàn)算法，而對于其他方面僅僅停留在概念層面。 　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)監(jiān)控應(yīng)該具有如下功能：剩余電源、節(jié)點(diǎn)狀態(tài)、節(jié)點(diǎn)鏈路以及異常情況監(jiān)控。在具體實現(xiàn)方案上，應(yīng)該和系統(tǒng)的信息獲取緊密結(jié)合，在數(shù)據(jù)通信的同時搭載監(jiān)控信息。另外，應(yīng)該充分利用感知數(shù)據(jù)的時空關(guān)聯(lián)性，利用統(tǒng)計的方法來進(jìn)行系統(tǒng)的剩余電源監(jiān)控、節(jié)點(diǎn)狀態(tài)監(jiān)控、鏈路監(jiān)控以及系統(tǒng)異常監(jiān)控。 　　2 結(jié)束語 　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一個新興的研究領(lǐng)域，使物理世界和認(rèn)知世界緊密集成，將信息的獲取和處理帶入一個精準(zhǔn)的時代。它的研究得到了軍方、學(xué)術(shù)界以及企業(yè)界的廣泛認(rèn)可。目前，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)仍然處于研究的初始階段，尤其是在國內(nèi)這方面的研究則剛剛起步，還有很多需要解決的問題。可以確信，隨著本文提出的關(guān)鍵問題的解決，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)會得到前所未有的發(fā)展。 轉(zhuǎn)自：傳感器技術(shù)