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浅谈无线传感器网络

来源:半导体应用网/李晓延?? 2007年09月06日 ?? 收藏0

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  依据IEEE 802.15.4标准的协议被称为Zigbe e,其传输带宽虽然没有Wi-Fi和Blue Tooth大,但是能耗较低,非常适合无线传感器网络。

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  ● MAC层协议

  信号的传输要靠信道,因此信道也就成为了一种宝贵的资源。怎样合理有效的分配信道,就是数据链路层中的MAC子层要解决的问题了。

  无线传感器网络经常使用的有三种MAC协议:传感器协议(S-MAC),分布式能量意识协议(DE-MAC)和协调设备协议。S-MAC协议通过调 配节点的休眠方式来有效地分配信道;DE-MAC则采用周期性监听和休眠机制,避免空闲监听和串音,其目的是减少能耗和增加网络的生存周期;MD协议则能 为大规模、低占空比运行的节点提供了不需要高精度时钟的可靠通信。

  总体来说,无线传感器网络的MAC协议在分配信道的同时还要保证系统的能耗最低。

  ● 路由

  在具备底层传输协议的保障后,信息怎样快速地从源传输到目的地就是由路由协议来解决了。简单来说,路由要实现两个基本功能:确定最佳路径和通过网络传输信息。数据传输的途径存于路由表,由路由算法初始化并负责维护。

  无线传感器网络与普通的网络不同,它有自己的特点:比如能量受限,通信方式以数

据为中心,相邻节点的数据有着相似性,拓扑结构也在不断的变化等。与此对应,常规网络的路由并不一定能适应无线传感器网络。

  下面来介绍几种常见的路由协议:

  1 泛洪式路由。这是一种非常传统的路由协议。泛洪式路由不进行维护网络拓扑和相关路由计算,只负责以广播形式转发数据包,因此效率并不高。

  2 SPIN。SPIN是一组基于协商并且具有能量自适应功能的协议。节点之间通过协商来确定是否有发送信号的必要,并实时监控网络中的能量负载来改变工作模式。以上两种协议都是平面路由协议,依照这种协议,节点并不进行分区归类。

  3 LEACH。LEACH是一种分层网络协议,它以循环的方式随机选择簇首节点,将全网络的能量负载平均分配到每个传感器节点,从而达到降低网络能源消耗的 目的。这里要解释一下簇,簇是分层路由协议的概念,根据分层路由协议,网络被划分成不同簇,每一个簇由一个簇首和簇成员组成,多个簇首形成高级的网络,簇 首节点不仅负责其辖下簇内信息的收集和融合处理,还负责簇之间数据的转发。

  4 PEGASIS。PEGASIS可谓LEACH的升级版本。按照其规定,只有最为邻近的节点才相互通信,节点与汇聚点轮流通信,当所有的节点都与汇聚点通信后,节点再进行新一回合的轮流通信。

  ● 能量管理

  能耗是无线传感器网络所面临的最大问题,因为节点长期处于无人值守的状况下,有效的能耗策略必不可少。

  目前最常使用的策略是休眠机制,即在节点空闲时,使其处于休眠状态,此时其能耗降到最低。但是休眠的节点在转回正常状态的时候,往往会消耗大量的能量,因此寻找合理的状态转换策略是确保休眠机制成功的关键。

  数据融合是另一项节能技术。多个邻近节点经常会采集同样的信息,发送这些冗余信息就给系统增加了不必要的负担。因此,通过本地计算和筛选,确保发送出最有效的信息就是数据融合的任务。

  其他能量管理策略还有冲突避免和纠错以及多跳短距离通信,这里不再一一叙述。

  ● 软件的支持

  无线传感器网络也有一个属于自己的操作系统—TinyOS。这个系统不同于传统意义上的操作系统,它更像一个编程构架,在此构架下,搭配一组必要的组件,就能方便地编译出面向特定应用的操作系统。

  TinyOS由众多组件组成,包括了主组件、应用组件、执行组件、传感组件、通信组件和硬件抽象组件。每一个组件在其内部都封装了命令处理程序和事件处理程序,它们通过接口声明所调用的命令和将要触发的事件。调度器则负责根据任务的轻重缓急来安排系统的工作。

  Crossbow公司生产的MICA传感器平台上就使用了TinyOS系统。实践证明,其基本应用只占用很少的系统资源,能圆满的完成数据采集、处理和通信组网以及数据传输等任务。

  商业化的应用

  商业化的无线传感器产品中最常见的就是智能节点。前文也曾提到,UC Berkeley是无线传感器研究开展较早的美国高校。基于他们研发成果的无线传感器器件被称为Mote,这也是目前最为通用的一种无线传感器网络产品, 是由Crossbow公司生产的。最基本的Mote组件是MICA系列处理器/无线模块,完全符合IEEE 802.15.4标准。最新型的MICA2可以工作在868/916、433和315MHz三个频带,数据速率为40Kb/s,通信范围可达1000英 尺。其配备了128KB的编程用闪存和512KB的测量用闪存,4KB的EEPROM,串行通信接口为UART模式。


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无线? 传感器? 网络?

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