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无线传感器网络：环境监测
摘要:传统的环境监测是通过少量昂贵且高精度的传感器实现的。采集的数据在实验结束和设备恢复后直接从设备中检索。无线传感器网络的实现通过部署更多的一次性传感器节点提供了另一种解决方案。节点配备的传感器精度较低,但网络整体上提供了更好的区域空间分辨率,用户可以立即访问数据。本文综述了支持无线传感器网络环境监测应用的现有解决方案。
引索术语：无线传感器网络；低功耗；个人区域网络；网状网络；内部IEEE80215.4；提供服务环境监测
一、介绍
环境监测有着悠久的历史。在早期,模拟机制被用来测量物理环境参数。其中一些具有在纸盘上记录数值的能力。旧的机制以特定的时间间隔记录数据,需要人工干预才能下载。
几年前,数字数据记录器已经取代了旧的机械设备。数字数据记录器的操作和维护更容易,比旧的机制更便宜。数字数据记录器还可以与远程通信网络(如 GSM )结合,从远程站点检索数据。然而,数字数据记录器也有一些缺点。数字数据记录器解决方案通常只在一个点上提供监视,在许多情况下需要监视多个点。由于没有存储数据和与数据记录器通信的标准,因此使用了几种不同的解决方案。
近年来,微电子机械系统和低功耗无线网络技术的发展,为研制多功能微型传感器装置创造技术条件，根据它们周围环境的物理现象可以被用来观察和反应[1]。无线传感器节点是一种低功耗设备,配有处理器、存储器、电源、收发器、个或多个传感器,在某些情况下还配有执行器。几种类型的传感器可以连接到无线传感器节点上。如化学、光学、热和生物学。这些无线传感器设备体积小,比普通传感器设备便宜。
无线传感器设备可以自动组织形成自组织的多跳网络。无线传感器网络( WSNs )可以由数百个或数千个特设传感器节点设备组成,一起完成一项共同的任务。自组织、自优化和容错是这类网络的主要特点[2]。与传统的传感方法[3]相比,廉价无线传感器设备的广泛应用为更准确地监测周围的物理现象提供了巨大的机会。无线传感器网络有其自身的设计和资源约束[4]。设计约束与安装环境的目的和特点有关。环境决定了网络的大小。部署方法和网络拓扑。资源限制是由有限的能源造成的。通信范围小,吞吐量低,存储和计算资源减少。通过引入电子化设计方法和创建或改进现有协议和应用程序,已经为解决上述限制做出了研究努力[1,2]。
本文综述了无线传感器网络在环境监测中的应用。本文的其余部分组织如下。第二部分对传感器网络平台进行了概述，第三部分分析了标准 IEEE 802.15.4[5],第四部分概述了最新的传感器架构，第五部分提出了 WSN 环境监测项目,第六部分研究了环境传感器网络面临的挑战。第六节对本文进行了总结,并提出了未来与 WSN 网络部署相关的研究挑战。
二、传感器网络平台
传感器节点是任何传感器网络的基本组成部分,具有以下基本功能[1-2，7]： 1）不同传感器的信号调理和数据获取；2)所获取数据的临时存储;3)数据处理; 4)对处理后的数据进行分析,以便诊断,并可能产生预警; 5)自监测(如供电电压);6 )测量任务的调度与执行;7)传感器节点配置管理；8)数据包的接收、传输和转发;9)沟通与网络的协调与管理。
为了提供上述功能,如图1所示,传感器节点由一个或多个传感器、信号调理单元、模数转换模块( ADC )、中央处理单元( CPU )、内存、无线电收发器和能源电源单元组成。根据部署环境的不同，可能需要使用适当的包装来保护传感器硬件免受机械和化学攻击。
Rx
图1 传感器节点硬件结构
传感器节点硬件设备可分为三大类[8]:
- 适用于一般用途的计算机。该传感器平台采用类似嵌入式个人电脑硬件、个人助理设备和低功耗个人电脑设备的硬件。主要使用的操作系统是 Windows 和 Linux 。可以使用高级编程语言开发软件组件。通常同时支持两层低功耗协议和两层局域网协议。处理能力、多层协议支持和通用性是该硬件平台的主要优点。然而,与其他硬件平台相比,它们消耗了大量的能源。通用计算机平台通常用作无线传感器网络与其他网络之间的网关。
- 嵌入式传感器模块。该传感器硬件平台使用商用现货（COST）芯片这些平台比以前的便宜,因为 COTS 芯片是大规模生产的。采用一个单片机（MCU）作为中央处理单元。 C 编程语言通常用于编写平台程序，从而开发适合其有限内存大小的源代码。
- 系统芯片。该平台采用应用专用集成电路( ASIC ),集成了所有传感器硬件组件。由于这种集成,芯片平台上的系统功耗极低,价格低廉,体积小。
硬件管理、调度策略、多线程和多任务处理是操作系统( OS )提供的一些低级服务。此外,操作系统还应该支持模块的动态加载和卸载、提供适当的并发机制、访问底层硬件的应用程序编程接口( API )以及执行适当的电源管理策略。这些服务在 WSN 中的实现是一个非常重要的问题,这是由于硬件限制l9]造成的。在[9]上提出了一种基于核心操作系统的 现有操作系统分类框架。构成分类框架的核心操作系统特性是体系结构、重编程、执行模型和调度。还考虑了电源管理、模拟支持和可移植性等其他特性。该框架用于比较和评估现有的操作系统。并根据 WSN 应用对操作系统进行了评估。 TinyOS [10]和 Contiki [11]是最常用的操作系统。
有几种储能装置可供选择。电池是最常用的储能设备。燃料电池和超电容器是一种很有前途的技术能量采集技术。可以提高传感器的能量自主性[12]。该实验室开发的能量收集方案已经从机械振动[13]中产生了10uw的能量。这种能量足以满足低频数字信号处理器在能量收集方面的进步和节点集成方面的改进,从而有可能生产一种电池寿命更短的传感器设备。无线数据传输比数据处理消耗更多的能量。因此,最好对传感器上的数据进行处理,尽量减少传输给其他节点的数据。当收音机处于接收模式时所消耗的功率几乎等于它在传输[7]时所消耗的功率。因此,在不需要的时候必须关闭无线电,传感器节点必须充分利用事件之间的长时间空闲来节省能源。在不活动期间,传感器可以优雅地缩减其能源消耗。因此,使用延迟、准确性和可靠性等指标来定义网络的性能需求是至关重要的。然后,网络执行刚好足够的数据计算,数据的接收和传输满足 WSN 应用的要求,关闭传感器带来了如何组织相邻节点同时唤醒进行通信的问题。针对这一问题,提出了[14]、[15]等多种解决方法。
三、IEEE802.15.4概述
2003年发布的标准IEEE802.15.4[5]是一个沉重的负担，因为他是第一个低功耗无线个人区域网络( LoWPAN )的第二层低功耗标准。一些技术已经被指定使用IEEE802.15.4作为链路层技术,其中一些是专有的,如 ZigBee [16]和瑚 WirelessHART [17]。 ZigBee 由 ZigBee 联盟创建,定义了网络、安全和应用层。 ZigBee 联盟还发布应用程序配置文件,允许多个供应商创建互操作产品。 WirelessHART 是 HART 通信基金会提出的一种开放标准的无线网络技术,也基于 IEEE 802154。它主要用于工业环境。像 ZigBee 一样, WirelessHART 是一个独立的标准。因此,在不使用特定网关设备的情况下,不支持与其他网络通信。
IEEE802154物理层提供了介质访问控制( MAC )子层和物理无线信道之间的接口。提供了两个服务,物理数据服务和物理管理服务。物理层负责以下任务: 1)的激活和解除激活的无线电收发器,2)能源检测( ED )感觉到在当前频道, 3) 整理对 CSMA / CA 的频道评估（CCA）,4)频道频率选择，5 )链路质量指示( LQI )收到的数据包， 6 )数据传输和接收。
物理层负责根据 MAC 子层返回的信息将无线电收发器转换为三种状态之一,即发射、接收或休眠(相当于关闭无线电收发器)。
电流通道上的能量检测( ED )感知由物理层执行,是对IEEE802.15.4通道接收信号功率的估计。在此过程中,不尝试识别或解码通道上的信号。能量检测的结果可以作为一个通道选择算法的一部分或清晰频道为目的的评估( CCA）。
物理层使用能量检测、载波感知或两者的组合执行清晰频道评估 。在能量检测模式下,如果检测到任何超过预定能量阈值的能量,则认为介质繁忙。在载波感知模式下,如果检测到与IEEE802.15.4兼容的信号,则认为介质繁忙。在组合模式中,必须同时出现上述两种情况,才能得出介质繁忙的结论。
IEEE80215.4下的无线链路可以在27个不同的信道上运行。因此,物理层应该能够根据从 MAC 子层接收到的信息将其收发机调整到某一信道。
链路质量指示( LQI )测量由物理层对接收到的每个数据包进行测量,物理层采用能量检测功能，一个信噪比或两者的组合,以衡量接收数据包的链路的强度和/或质量。
调制和传播技术被用来在无线电信道上传输数据。数据接收也是物理层功能,IEEE80215.4定义了以下三种物理操作模式:868 MHz 时的20kbps，915MHz时的40kbps,2.4GHz时的250kbps( DSSS )。
IEEE802154网络中的设备可以使用64位地址,也可以使用关联过程中分配的16位短 IEEE 地址。802.15.4网络可容纳64k(）台设备。
帧长度限制为127字节,因为通信中使用的是低功耗无线链路，而且传感器的缓冲能力有限。
IEEE802.154定义了以下两种类型的设备:全功能设备( FFD )和简化功能设备( RFD )。 FFD 中实现了所有网络功能,因此可以用于对等拓扑,支持多跳通信。简化功能设备只支持有限的功能集,用于测量物理参数和执行简单的任务 RDF 设备不支持多跳通信。
FFD 和 RFD 设备在个人区域网络( PAN )中自行组织。 PAN 由 PAN 协调器控制,具有建立和维护网络的功能。只有 FFD 设备才能担当 PAN 协调器的角色。
MAC 子层在特定于服务的收敛子层和物理层之间提供了一个接口。与物理层一样, MAC 子层也提供两个服务,即 MAC 数据服务和 MAC 管理服务。 MAC 子层负责以下任务: 1)支持 PAN 节点关联和分离; 2)如果设备是 PAN 协调器，则发送网络信标; 3)与信标同步，4)使用带冲突避免( CSMN/CA )机制的载波感知多路接入进行信道访问,5)支持时隙保证 GTS 机制， 6)提供两个对等 MAC 实体之间的可靠链接。
为了支持自配置,IEEE80215.4在其 MAC 子层中嵌入了关联和分离函数。这不仅允许自动设置星形,还允许创建自配置对等网络拓扑。
协调器必须确定是否需要信标启用模式,在此模式中使用超框架结构。在启用信标模式下,协调器定期发送信标以同步其他 PAN 节点。连接到以信标启用模式运行的协调器的设备必须跟踪要与其 PAN 协调器同步的信标。这种同步对于数据轮询和节能非常重要。
IEEE80215.4MAC提供了两种操作模式,异步无信标模式和同步信标启用模式。无信标模式要求节点一直监听其他节点的传输,因此会快速消耗电池电量。信标启用模式支持发送端和接收端之间的信标数据包传输,提供节点间的同步。在启用信标的模式下, PAN 协调器广播一个定期的信标,其中包含关于 PAN 的信息。信标提供的同步功能允许设备在传输之间休眠，从而提高能源效率,延长电池寿命。在对等拓扑中支持信标支持模式目前被认为是一个挑战。
两个连续信标之间的周期定义了一个被划分为16个插槽的超帧结构。信标总是占据第一个插槽,而其他插槽则用于数据通信。为了支持低延迟应用程序, PAN 协调器可以保留一个或多个由保证时隙指定的时隙，这些时隙分配给运行此类应用程序的设备。这些设备在传输之前不需要使用争用机制。无信标模式不允许超框架结构,因此不能保留保证的时隙。因此,只能使用非开槽 CSMA / CA 等随机访问方法进行介质访问。IEEE802.15.4 CSMA/ CA 不包括请求发送( reques-to-send , RTS )和清除发送( clea-to-send , CTS )机制,因为使用了较低的数据速率。
MAC 子层采用多种机制来提高两个对等点之间链路的可靠性,其中包括帧确认和重传,数据验证采用16位 CRC以及 CSMA / CA。
PAN 可以采用以下两种网络拓扑[18]之一:星型拓扑和对等拓扑。
在星型拓扑结构中,使用主从网络模型(图2）。 FFD 设备扮演 PAN 协调器角色并控制所有网络操作其他节点可以是RFD 或 FFD ,只与 PAN 协调器通信。这种拓扑结构更适合小型网络。
PAN协调器
图2 星拓扑网络
在这个配置中， PAN 协调器在对等拓扑中, FFD 设备可以在其无线电范围内与其他 FFD 通信,并可以使用多跳通信发送消息给无线电范围以外的其他FFD。 RFDs只能与FFDs 通信(图3）。
PAN协调器
图3 对等拓扑的说明
对等拓扑支持更复杂的拓扑，如网格或分层集群。网格网络拓扑使用两种连接配置之一的PAN：全网拓扑或部分网格拓扑。在全网格
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