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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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  要做到目视千里,耳听八方是人类长久的梦想,现代卫星技术的出现虽然使人们离这目标又进了一步,但卫星高高在上,洞察全局在行,明察细微就不管用 了。这个时候,本文的主角—无线传感器网络就排上用场了。将大量的传感器节点遍撒指定区域,数据通过无线电波传回监控中心,监控区域内的所有信息就会尽收 观察者的眼中了。

  军用转民用的典范

  无线传感器网络的构想最初是由美国军方提出的,美国国防部高级研究所计划署(DARPA)于1978年开始资助卡耐基-梅隆大学进行分布式传感器网 络的研究,这被看成是无线传感器网络的雏形。从那以后,类似的项目在全美高校间广泛展开,著名的有UC Berkeley的Smart Dust项目,UCLA的WINS项目,以及多所机构联合攻关的SensIT计划,等等。在这些项目取得进展的同时,其应用也从军用转向民用。在森林火 灾、洪水监测之类的环境应用中,在人体生理数据监测、药品管理之类的医疗应用中,在家庭环境的智能化应用以及商务应用中都已出现了它的身影。目下,无线传 感器网络的商业化应用也已逐步兴起。美国Crossbow公司就利用Smart Dust项目的成果开发出了名

为Mote的智能传感器节点,还有用于研究机构二次开发的MoteWorkTM开发平台。这些产品都很受使用者的欢迎。

  组成和特点

  无线传感器网络可以看成是由数据获取网络、数据分布网络和控制管理中心三部分组成的。其主要组成部分是集成有传感器、数据处理单元和通信模块的节点,各节点通过协议自组成一个分布式网络,再将采集来的数据通过优化后经无线电波传输给信息处理中心。

  因为节点的数量巨大,而且还处在随时变化的环境中,这就使它有着不同于普通传感器网络的独特“个性”。首先是无中心和自组网特性。在无线传感器网络 中,所有节点的地位都是平等的,没有预先指定的中心,各节点通过分布式算法来相互协调,在无人值守的情况下,节点就能自动组织起一个测量网络。而正因为没 有中心,网络便不会因为单个节点的脱离而受到损害。

  其次是网络拓扑的动态变化性。网络中的节点是处于不断变化的环境中,它的状态也在相应地发生变化,加之无线通信信道的不稳定性,网络拓扑因此也在不断地调整变化,而这种变化方式是无人能准确预测出来的。

  第三是传输能力的有限性。无线传感器网络通过无线电波进行数据传输,虽然省去了布线的烦恼,但是相对于有线网络,低带宽则成为它的天生缺陷。同时,信号之间还存在相互干扰,信号自身也在不断地衰减,诸如此类。不过因为单个节点传输的数据量并不算大,这个缺点还是能忍受的。

  第四是能量的限制。为了测量真实世界的具体值,各个节点会密集地分布于待测区域内,人工补充能量的方法已经不再适用。每个节点都要储备可供长期使用的能量,或者自己从外汲取能量(太阳能)。

  第五是安全性的问题。无线信道、有限的能量,分布式控制都使得无线传感器网络更容易受到攻击。被动窃听、主动入侵、拒绝服务则是这些攻击的常见方式。因此,安全性在网络的设计中至关重要。

  下面,我们将会从几个方面来具体地介绍无线传感器网络。

  ● 物理层技术

  无线传感器网络是一个开放系统互联,按照国际标准化组织(ISO)的规定,为数据流传输所需的物理连接的建立、维护和释放提供的机械的、电气的、功 能和规程性的模块就叫做物理层。从这个定义可以看出,物理层需要承担为数据终端提供数据传输通路、传输数据和完成管理工作的职责。具体到无线传感器网络就 是介质的选择、频段的选择、调制技术以及扩频技术。因为是无线网络,传输介质自然要选电磁波了。不过,源信号要依靠电磁波传输必需要通过调制技术变成高频 信号,当抵达接受端时,又通过解调技术还原成原始信号。目前采用的调制方法分为模拟调制和数字调制两种。它们的区别就在于调制信号所用的基带信号的模式不 同而已(一为数字,一为模拟)。

  信号仅经过调制是不行的,还需要进行扩频。扩频,顾名思义,就是将待传输数据进行频谱扩展的技术。它的好处是:增强了抗干扰能力,可进行多地址通信,保密性提高。常见的扩频技术包括直接序列扩频、跳频、跳时以及线性调频。

  在物理层面上,无线传感器网络遵从的主要是IEEE 802.15.4标准。依照此标准,物理层主要进行如下工作:激活和去活无线收发器,检测当前信道的能量,发送指示,信道频率的选择,数据发送与接收。

  IEEE 802.15.4标准规划了几个工作频段。其中,2.4GHz频段的物理层可提供250Kb/s的数据传输率,适用于高吞吐量、低延时或低作业周期的场 合;工作在869/915MHz频段的物理层则能提供20Kb/s的数据传输率,适用于低速率、高灵敏度和大覆盖面积的场合。


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