說起傳感網(wǎng)，機智的你了解多少呢

來源：羅姆半導(dǎo)體社區(qū)

很多人在看到傳感網(wǎng)時腦子里不覺的就會聯(lián)想到物聯(lián)網(wǎng)，對于傳感網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)之間的關(guān)系也存在不同的聲音。有一種聲音是傳感網(wǎng)是包含于物聯(lián)網(wǎng)中的，而還有一種聲音是傳感網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)是同一種東西，就好比傳感網(wǎng)是大名，物聯(lián)網(wǎng)是小名那樣。不管是否是不是同一個東西，既然這么難以明確的區(qū)分開，想必兩者之間肯定有很多相似的地方，接下來就圍繞傳感網(wǎng)做一個詳細的分享。

一、什么是傳感網(wǎng)？
對于一個事物往往是從解讀它的概念以及理解它的定義開始的，那么什么是傳感網(wǎng)呢？

傳感網(wǎng)是指隨機分布的集成有傳感器、數(shù)據(jù)處理單元和通信單元的微小節(jié)點，通過自組織的方式構(gòu)成的無線網(wǎng)絡(luò)。換一種說法就是由部署在檢測區(qū)域內(nèi)大量的廉價微型傳感器節(jié)點組成，通過無線通信方式形成的一個多跳的自組織的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。其目的在于協(xié)作地感知、采集并處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域內(nèi)感知對象所產(chǎn)生的信息，并將信息發(fā)送給觀察者。

感知網(wǎng)由傳感器，感知對象和終端用戶三個基本要素構(gòu)成。檢測區(qū)域或者監(jiān)測對象周圍有大量的傳感器節(jié)點，這些節(jié)點通過自組織方式形成一個感知網(wǎng)絡(luò)，再將這些傳感器節(jié)點采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過多跳通信的方式進行傳輸和處理，然后傳遞到匯聚節(jié)點。當(dāng)匯聚節(jié)點離管理節(jié)點比較遠時，便可通過移動通訊網(wǎng)絡(luò)、互聯(lián)網(wǎng)或者是衛(wèi)星將信息匯集到網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，最終發(fā)送給終端用戶。

二、傳感網(wǎng)都有哪些技術(shù)呢？

傳感網(wǎng)的主要技術(shù)包括：拓撲控制、MAC協(xié)議、路由協(xié)議、定位技術(shù)、時間同步和數(shù)據(jù)管理技術(shù)等。

01、拓撲控制

拓撲控制是在保證網(wǎng)絡(luò)連通性和覆蓋性的前提下，充分考慮無線傳感器網(wǎng)絡(luò)各類特點，根據(jù)不同應(yīng)用場景，通過節(jié)點發(fā)射功率調(diào)節(jié)、鄰居節(jié)點選擇以及節(jié)點休眠調(diào)度，形成優(yōu)化的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，以保證完成預(yù)定任務(wù)。

02、MAC協(xié)議

MAC（medium accesscontrol），介質(zhì)訪問控制，MAC協(xié)議是無線傳感網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)之一，決定了無線信道的使用方式，其性能直接影響了整個網(wǎng)絡(luò)的性能。它是保障無線傳感網(wǎng)高效通信的關(guān)鍵技術(shù)之一。傳感器節(jié)點的能量、存儲、計算和通信帶寬等資源有限，單個節(jié)點的功能比較弱，而傳感網(wǎng)的強大功能是由眾多節(jié)點協(xié)作實現(xiàn)的。多點通信在局部范圍需要MAC協(xié)議協(xié)調(diào)無線信道分配，在整個網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)需要路由協(xié)議選擇通信路徑。在設(shè)計傳感網(wǎng)的MAC協(xié)議時，需要著重考慮以下幾個方面：

1）節(jié)省能量。傳感器節(jié)點一般是由電池提供能量，而且電池能量通常難以進行補充，為了長時間保證傳感器網(wǎng)絡(luò)的有效工作，MAC協(xié)議在滿足應(yīng)用要求的前提下，應(yīng)盡量節(jié)省節(jié)點的能量。

2）可擴展性。由于傳感器節(jié)點數(shù)目、節(jié)點分布密度等在傳感網(wǎng)生存過程中不斷發(fā)生變化，節(jié)點位置也可能移動，還有新節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)的問題，因此傳感網(wǎng)的拓撲結(jié)構(gòu)具有動態(tài)性。MAC協(xié)議也應(yīng)具有可擴展性，以適應(yīng)這種動態(tài)變化的拓撲結(jié)構(gòu)。

3）網(wǎng)絡(luò)效率。網(wǎng)絡(luò)效率包括網(wǎng)絡(luò)的公平性、實時性、網(wǎng)絡(luò)吞吐量以及帶寬利用率等。

03、路由協(xié)議

數(shù)據(jù)包的傳送需要通過多跳通信方式到達目的端，因此路由選擇算法是網(wǎng)絡(luò)層設(shè)計的一個主要任務(wù)。路由協(xié)議主要負責(zé)將數(shù)據(jù)分組從源節(jié)點通過網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)到目的節(jié)點，它主要包括兩個方面的功能：

1. 尋找源節(jié)點和目的節(jié)點間的優(yōu)化路徑。

2. 將數(shù)據(jù)分組沿著優(yōu)化路徑正確轉(zhuǎn)發(fā)。

無線傳感器與傳統(tǒng)的無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議不同之處，它受到能量消耗的制約，并且只能獲取到局部拓撲結(jié)構(gòu)的信息，由于這兩個原因，無線傳感器的路由協(xié)議要能夠在局部網(wǎng)絡(luò)信息的基礎(chǔ)上選擇合適路徑。傳感器由于它很強的應(yīng)用相關(guān)性，不同應(yīng)用中的路由協(xié)議差別很大，沒有通用的路由協(xié)議。無線路由器的路由協(xié)議應(yīng)具備以下特點：

（1）能量優(yōu)先。需要考慮到節(jié)點的能量消耗以及網(wǎng)絡(luò)能量均衡使用的問題。（2）基于局部拓撲信息。無線感知網(wǎng)絡(luò)（WSN）為了節(jié)省通信能量，通常采用多跳的通信模式，因此節(jié)點如何在只能獲取到局部拓撲信息和資源有限的情況下實現(xiàn)簡單高效的路由機制，這是WSN的一個基本問題。（3）以數(shù)據(jù)為中心。傳統(tǒng)路由協(xié)議通常以地址作為節(jié)點的標(biāo)識和路由的依據(jù)，而WSN由于節(jié)點的隨機分布，所關(guān)注的是監(jiān)測區(qū)域的感知數(shù)據(jù)，而不是具體哪個節(jié)點獲取的信息，要形成以數(shù)據(jù)為中心的消息轉(zhuǎn)發(fā)路徑。（4）應(yīng)用相關(guān)。設(shè)計者需要針對每一個具體應(yīng)用的需求，設(shè)計與之適應(yīng)的特定路由機制。

04、定位技術(shù)

定位技術(shù)相對而言應(yīng)該是最好理解的，在大部分傳感網(wǎng)應(yīng)用場合里必須要知道節(jié)點的具體位置才是有意義的。通過人工測量或配置來獲取節(jié)點的精確坐標(biāo)的方法往往是不可行的，這時傳感網(wǎng)能夠通過網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部節(jié)點之間的相互測距和信息交換，形成一套全網(wǎng)節(jié)點坐標(biāo)進行精確位置數(shù)據(jù)輸出。新型無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位方法， 主要包括基于移動錨節(jié)點的定位算法、三維定位算法和智能定位算法。

05、時間同步

在無線傳感網(wǎng)絡(luò)中，各節(jié)點相互獨立并且以無線的方式進行通信，由于各節(jié)點都采用各自的本地時鐘模塊進行計時，而這種計時模塊功能主要是由晶體振蕩器提供的，由于晶振頻率的誤差以及初始計時時刻的不同，則會導(dǎo)致節(jié)點時鐘時間和本地時鐘無法同步，這就會造成傳感網(wǎng)應(yīng)用無法正常運行也會大大降低其他的服務(wù)質(zhì)量。從此可以看出時間同步技術(shù)在無線傳感網(wǎng)絡(luò)中占有非常重要的地位。

現(xiàn)如今已有的時間同步技術(shù)有很多種。其中發(fā)明比較早的是RBS協(xié)議、HRTS、FTSP、GCS時間同步模型和LTS時間同步模型等。心比較新的時間同步技術(shù)有：TBEC、基于分簇的WSN時間同步解決方案、基于耦合振蕩器模型的WSN時間同步算法模型、螢火蟲同步算法和協(xié)作同步等。

06、數(shù)據(jù)管理技術(shù)

在整個傳感網(wǎng)工作流程中都會產(chǎn)生相應(yīng)的數(shù)據(jù)，而傳感網(wǎng)的意義也是能產(chǎn)生有效的數(shù)據(jù)，所以怎么樣對數(shù)據(jù)進行管理也顯得尤為重要?？梢赃@么說無線傳感網(wǎng)絡(luò)是以數(shù)據(jù)為中心的網(wǎng)絡(luò)，把傳感器視為感知數(shù)據(jù)流或感知數(shù)據(jù)源，把傳感網(wǎng)視為感知數(shù)據(jù)空間或感知數(shù)據(jù)庫，把數(shù)據(jù)管理和查詢處理作為網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用目標(biāo)。傳感網(wǎng)的任何應(yīng)用都離不開數(shù)據(jù)的收集、存儲、查詢和分析。

由于傳感網(wǎng)能量、通信和計算能力有限，所以產(chǎn)生的數(shù)據(jù)一般情況下不會都發(fā)送到匯聚節(jié)點進行處理，而是盡可能在數(shù)據(jù)匯入?yún)R聚節(jié)點之前就進行處理。目前傳感網(wǎng)數(shù)據(jù)管理模式主要是3鐘：集中式、半分布式以及分布式。

三、是特點更是挑戰(zhàn)

傳感網(wǎng)是具有很鮮明特性的，主要可以總結(jié)為無中心和自組網(wǎng)特性、網(wǎng)絡(luò)拓撲的動態(tài)變化性、傳輸能力的有限性、能量的限制以及安全性的問題等。這些特性即使傳感網(wǎng)的特點也是它要面臨的挑戰(zhàn)。

這些特點向傳感網(wǎng)的未來提出了一系列具有挑戰(zhàn)性的問題，也可以總結(jié)為這幾點：

一是通信能力有限，如何在有限通信能力的條件下高質(zhì)量地完成感知信息的處理與傳輸，是我們面臨的挑戰(zhàn)之一;

二是計算能力有限，如何在網(wǎng)絡(luò)工作過程中節(jié)省能源，最大化網(wǎng)絡(luò)的生命周期，是我們面臨的第二個挑戰(zhàn);

三是電源能量有限，如何使用大量具有有限計算能力的傳感器進行協(xié)作分布式信息處理？

四是傳感器數(shù)量大、分布范圍廣導(dǎo)致傳感網(wǎng)維護十分困難甚至不可維護，傳感網(wǎng)絡(luò)的軟、硬件如何具有高魯棒性和容錯性？

五是感知數(shù)據(jù)流巨大，研究出強有力的分布式數(shù)據(jù)流管理、查詢、分析和挖掘方法也是一個大的挑戰(zhàn)。

挑戰(zhàn)和機遇也是并存的，挑戰(zhàn)有多大機遇也就有多大，不畏懼挑戰(zhàn)而是牢牢地抓住時代賦予的機遇。

審核編輯黃宇