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[经验] 传感网中知识那么多,这些你都知道吗?

2019-9-28 07:00:00  300 传感器 物联网
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很多人在看到传感网时脑子里不觉的就会联想到物联网,对于传感网和物联网之间的关系也存在不同的声音。有一种声音是传感网是包含于物联网中的,而还有一种声音是传感网和物联网是同一种东西,就好比传感网是大名,物联网是小名那样。不管是否是不是同一个东西,既然这么难以明确的区分开,想必两者之间肯定有很多相似的地方,接下来就围绕传感网做一个详细的分享。

一、什么是传感网?
对于一个事物往往是从解读它的概念以及理解它的定义开始的,那么什么是传感网呢?

传感网是指随机分布的集成有传感器、数据处理单元和通信单元的微小节点,通过自组织的方式构成的无线网络。换一种说法就是由部署在检测区域内大量的廉价微型传感器节点组成,通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统。其目的在于协作地感知、采集并处理网络覆盖区域内感知对象所产生的信息,并将信息发送给观察者。

那么其内部具体怎么样一个工作流程呢?首先通过一张图片来进行一个抽象的理解。



从上面的传感网结构图可以看出,感知网由传感器,感知对象和终端用户三个基本要素构成。检测区域或者监测对象周围有大量的传感器节点,这些节点通过自组织方式形成一个感知网络,再将这些传感器节点采集到的数据经过多跳通信的方式进行传输和处理,然后传递到汇聚节点。当汇聚节点离管理节点比较远时,便可通过移动通讯网络、互联网或者是卫星将信息汇集到网络服务器,最终发送给终端用户。

二、传感网都有哪些技术呢?
传感网的主要技术包括:拓扑控制、MAC协议、路由协议、定位技术、时间同步和数据管理技术等。

01、拓扑控制
拓扑控制是在保证网络连通性和覆盖性的前提下,充分考虑无线传感器网络各类特点,根据不同应用场景,通过节点发射功率调节、邻居节点选择以及节点休眠调度,形成优化的网络结构,以保证完成预定任务。



02、MAC协议
MAC(medium accesscontrol),介质访问控制,MAC协议是无线传感网的关键技术之一,决定了无线信道的使用方式,其性能直接影响了整个网络的性能。它是保障无线传感网高效通信的关键技术之一。传感器节点的能量、存储、计算和通信带宽等资源有限,单个节点的功能比较弱,而传感网的强大功能是由众多节点协作实现的。多点通信在局部范围需要MAC协议协调无线信道分配,在整个网络范围内需要路由协议选择通信路径。在设计传感网的MAC协议时,需要着重考虑以下几个方面:

1)节省能量。传感器节点一般是由电池提供能量,而且电池能量通常难以进行补充,为了长时间保证传感器网络的有效工作,MAC协议在满足应用要求的前提下,应尽量节省节点的能量。

2)可扩展性。由于传感器节点数目、节点分布密度等在传感网生存过程中不断发生变化,节点位置也可能移动,还有新节点加入网络的问题,因此传感网的拓扑结构具有动态性。MAC协议也应具有可扩展性,以适应这种动态变化的拓扑结构。

3)网络效率。网络效率包括网络的公平性、实时性、网络吞吐量以及带宽利用率等。



03、路由协议
数据包的传送需要通过多跳通信方式到达目的端,因此路由选择算法是网络层设计的一个主要任务。路由协议主要负责将数据分组从源节点通过网络转发到目的节点,它主要包括两个方面的功能:

1. 寻找源节点和目的节点间的优化路径。

2. 将数据分组沿着优化路径正确转发。

无线传感器与传统的无线网络协议不同之处,它受到能量消耗的制约,并且只能获取到局部拓扑结构的信息,由于这两个原因,无线传感器的路由协议要能够在局部网络信息的基础上选择合适路径。传感器由于它很强的应用相关性,不同应用中的路由协议差别很大,没有通用的路由协议。无线路由器的路由协议应具备以下特点:

(1)能量优先。需要考虑到节点的能量消耗以及网络能量均衡使用的问题。(2)基于局部拓扑信息。无线感知网络(WSN)为了节省通信能量,通常采用多跳的通信模式,因此节点如何在只能获取到局部拓扑信息和资源有限的情况下实现简单高效的路由机制,这是WSN的一个基本问题。(3)以数据为中心。传统路由协议通常以地址作为节点的标识和路由的依据,而WSN由于节点的随机分布,所关注的是监测区域的感知数据,而不是具体哪个节点获取的信息,要形成以数据为中心的消息转发路径。(4)应用相关。设计者需要针对每一个具体应用的需求,设计与之适应的特定路由机制。



04、定位技术
定位技术相对而言应该是最好理解的,在大部分传感网应用场合里必须要知道节点的具体位置才是有意义的。通过人工测量或配置来获取节点的精确坐标的方法往往是不可行的,这时传感网能够通过网络内部节点之间的相互测距和信息交换,形成一套全网节点坐标进行精确位置数据输出。新型无线传感器网络定位方法, 主要包括基于移动锚节点的定位算法、三维定位算法和智能定位算法。

05、时间同步
在无线传感网络中,各节点相互独立并且以无线的方式进行通信,由于各节点都采用各自的本地时钟模块进行计时,而这种计时模块功能主要是由晶体振荡器提供的,由于晶振频率的误差以及初始计时时刻的不同,则会导致节点时钟时间和本地时钟无法同步,这就会造成传感网应用无法正常运行也会大大降低其他的服务质量。从此可以看出时间同步技术在无线传感网络中占有非常重要的地位。

现如今已有的时间同步技术有很多种。其中发明比较早的是RBS协议、HRTS、FTSP、GCS时间同步模型和LTS时间同步模型等。心比较新的时间同步技术有:TBEC、基于分簇的WSN时间同步解决方案、基于合振荡器模型的WSN时间同步算法模型、萤火虫同步算法和协作同步等。

06、数据管理技术
在整个传感网工作流程中都会产生相应的数据,而传感网的意义也是能产生有效的数据,所以怎么样对数据进行管理也显得尤为重要。可以这么说无线传感网络是以数据为中心的网络,把传感器视为感知数据流或感知数据源,把传感网视为感知数据空间或感知数据库,把数据管理和查询处理作为网络的应用目标。传感网的任何应用都离不开数据的收集、存储、查询和分析。

由于传感网能量、通信和计算能力有限,所以产生的数据一般情况下不会都发送到汇聚节点进行处理,而是尽可能在数据汇入汇聚节点之前就进行处理。目前传感网数据管理模式主要是3钟:集中式、半分布式以及分布式。



三、是特点更是挑战
传感网是具有很鲜明特性的,主要可以总结为无中心和自组网特性、网络拓扑的动态变化性、传输能力的有限性、能量的限制以及安全性的问题等。这些特性即使传感网的特点也是它要面临的挑战。

这些特点向传感网的未来提出了一系列具有挑战性的问题,也可以总结为这几点:

一是通信能力有限,如何在有限通信能力的条件下高质量地完成感知信息的处理与传输,是我们面临的挑战之一;

二是计算能力有限,如何在网络工作过程中节省能源,最大化网络的生命周期,是我们面临的第二个挑战;

三是电源能量有限,如何使用大量具有有限计算能力的传感器进行协作分布式信息处理?

四是传感器数量大、分布范围广导致传感网维护十分困难甚至不可维护,传感网络的软、硬件如何具有高鲁棒性和容错性?

五是感知数据流巨大,研究出强有力的分布式数据流管理、查询、分析和挖掘方法也是一个大的挑战。

挑战和机遇也是并存的,挑战有多大机遇也就有多大,不畏惧挑战而是牢牢地抓住时代赋予的机遇。

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alonggege 2019-9-29 08:03:57
不错,很好的经验分享,辛苦麻烦了,欠缺这方面的资料,非常感谢。
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