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浅谈面向物联网的无线传感器网络

发布人: 浏览 704 次【字号 】 发布时间:2019年9月2日 打印本页

    
吕文博
摘要:随着互联网技术及相关感知技术的发展与成熟物联网应运而生,物联网作为互联网的延伸新技术,将在未来给人类生活带来巨大的影响。而新兴的无线传感器网络是物联网感知层中获取外部世界物理信息的重要手段。本文介绍了无线传感器网络和物联网的基本概念及关键技术,并分析了面向物联网的传感器网络的关键技术及其对于物联网的意义,最后针对无线传感器网络在物联网中应用的特殊性对面向物联网的无线传感器网络进行了多方面的展望。

关键词:无线传感器网络;物联网;网络通信协议

    当今社会是快速发展的信息时代,物联网的应用将给人们的生活带来了前所未有的便捷,已经成为一种备受瞩目且潜能巨大的技术手段。无线传感器网络能在不同条件下,为人们提供气象、环境和市场等各方面的信息,其应用范围十分广泛,广泛应用于军事、农业、交通、居家和金融等领域。随着物联网等信息技术的发展,促进了无线传感器网络技术的完善,以无线传感器网络作为感知外部信息重要手段的物联网技术将成为物联网技术及其应用的一种发展趋势。所以对面向物联网的无线传感器网络进行研究有着重要的意义。

2.   无线传感器网络和物联网

2.1 无线传感器网络

2.1.1 无线传感器网络基本概念
无线传感器网络是一种分布式传感通信网络,它的终端由许多可以采集外部世界信息的传感器组成,这些传感器通过无线通信方式形成了多点传输的自治无线网络,它可以感知和检查覆盖区域内所有的变化情况,并对被感知对象进行数据的感知、采集、存储、传输、分析和处理,从而获取相应有价值的信息应用与相关领域[1]
2.1.2 无线传感器网络关键技术
无线传感器网络关键技术主要体现在信息采集系统设计、网络服务支持和网络通信协议设计[2]。其中信息采集系统设计需要通过网络模型设计、系统平台和操作系统、节点设计标准化和数据储存标准化设计等实现。网络服务支持包括网络节点的时间同步和空间定位机制,同时数据融合与压缩和网络安全机制也是网络服务支持的关键。网络通信协议的设计在对网络层、数据链路层、传输层及物理层的设计的同时还需考虑跨层优化设计。

2.2 物联网

2.2.1物联网基本概念
物联网是指通过各类信息传感设备,例如射频识别、红外线感应器、GPS和传感器等感知设备采集物理世界的信息传入互联网,从而形成一个以互联网为核心的“物物相连”的网络[3]
物联网为互联网的拓展应用,其依托于互联网并以其作为核心进行向外延伸。其最重要的思想是形成一个物物相连的互联网,将互联网延伸至任何物体与物体之间,将物理世界中物体的各类信息传递到互联网中形成一个新型的智能网络。
2.2.2物联网关键技术
物联网的关键技术主要在于信息的采集、网络与通信及智能化三个方面。信息采集的关键技术为传感技术与射频识别技术,通过传感技术与射频识别技术可以将物理世界中的信息映射至互联网中,从而使得物联网具备感知外部世界的能力。物联网网络与通信技术需要解决当前网络中标准太多、传输协议不适合物联网、难以实现授权及数据隐私与完整性的问题。智能化方面的关键技术有智能交互与协同感知、信息处理与信息融合,这两项技术旨在使整个物联网中各个分布的部分具备协同能力,运用云计算与模糊识别等智能计算技术,对跨地区和跨行业的信息进行信息相互融合分析,提高整个网络对现实世界中一些活动过程的洞察与分析能力,从而实现整个物联网智能化的控制和决策。

3.  面向物联网的无线传感器网络关键技术

在物联网的应用基础上无线传感器网络能得到更好的发展,无线传感器网络可实现边缘地区及无线终端的无线入网,其覆盖范围广及智能化的特点可很好的将其融入其他相关网络中,可利用手机、电子手表和智能汽车等移动终端,对无线传感器网络进行物的连接入网,通过无线的手段实现移动端与固定节点的连接,最终实现无线传感器网络在物联网中的应用。实现面向物联网的无线传感器网络有以下几点关键技术。

3.1 网络通信协议

在信息技术的网络运行中,网络通信必须遵守一定的协议,如果没有这种协议,那么网络通信将会变得没有规律可寻,难以完成信息的通信传输和转换等,没有通信协议就会极大的阻碍网络信息技术的发展,可见网络通信协议是必不可少的。物联网是物物及物人之间信息传递的网络,其通过Iternet为载体实现物联网中的信息传递,其中通过特定的传输协议实现各个节点之间的信息传递。对于无线传感器网络而言,具体应用场景的不同其内部的节点个数及网路拓扑类型不同,所以可靠的协议对于无线传感器网络在物联网中的应用有重要意义。网络层的路由协议将决定物联网感知层的信息传输路径,传输层确保了各个传输节点间数据的可靠且高效的传输。目前主流的无线传感器网络协议为IEEE802.15.4/ZigBee协议,其为一种应用于低速率可靠网络的标准协议[4]。由于IPv6将成为下一代互联网网络层的主导技术,以互联网为核心的物联网势必将采用该技术,由于基于IEEE 802.15.4通信协议的无线传感器网络与IPv6协议的互联网相互无缝连接是无可行性的,所以人们提出了6LoWPAN 协议。6LoWPAN 协议将成为未来面向物联网的无线传感器网络的基础协议。

3.2智能感知技术

普通的传感器网络只具备单一的感知输出功能,实现传感器网络的智能感知化是当下传感器网络研究的趋势。无线传感器网络需要根据具体应用需求实现相应的智能性。作为物联网感知层的重要基础手段之一,无线传感器网络中的传感器应具有自主标定、自校正功能,使用过程中应对各类环境干扰及变化的自动补偿功能,工作状态下的数据采集及自主分析、数据处理及执行干预等本地逻辑功能,数据采集后的上传及系统指令的决策处理功能等,特别是面向更多无人值守应用环境,以及大数据分析数据采集产品中的自学习功能等。同时一个无线传感器网络中的各传感器或各个无线传感器网络之间具有一种智能协同及互补的功能。在物联网概念下的智能感知技术将无线传感器网络作为了感知层的一种智能感知终端。

3.3定位技术

对于任何一个无线传感器网络而言其中传感器采集的信息只有具备时间及空间信息时才是有意义的数据[5]。一个无线传感器网络具有成千上万的密集型节点甚至具备移动节点,因此需要对无线传感器网络中的信息节点进行精准定位。在无线传感器网络中由于节点能耗有限采用传统的GPS接收器的定位手段将受到限制,所以在无线传感器网络中的节点定位是采用通过传感器网络中少数节点的已知位置通过一定得定位技术确定网络中的其他节点的网络内部定位技术。

4.  面向物联网的无线传感器网络发展新思路

4.1 系统低能耗设计

无线传感器网络中各个节点由于其无线的特性无法连接至能源网络,其自身所携带的自容式电池能量有限,要衍生无线传感器网络的生命周期就需要对系统低能耗进行设计。目前对于无线传感器网络能耗的研究都是基于单个传感器的低能耗研究,没有将整个网络中的各个传感器联系起来考虑。和传统网络不同,面向物联网的传感器网络由于其上层物联网强大的数据处理与分析能力,可以考虑将软硬件及各个传感器间协同合作从而使得整个无线传感器网络的能耗降低。

4.2 多宿主的网络传输

无线传感器网络是物联网感知层获取信息的重要手段之一,其为物联网的有效运行的基本。为了拓展整个物联网的可靠性与鲁棒性。可采用多宿主的网络传输方式,基于多宿主的无线传感器网络可以将其中各传感器采集到的数据通过多条有效链路传输到上层网络,同样的从上而下的指令也可通过多条链路进行传输。该方式可增强整个网络中信息传输的可靠性,减小网络传输延迟[3]
 
  随着物联网技术的进一步发展及其应用的普遍,作为物联网感知层基础的无线传感器网络将取得更大规模的多元化应用。本文浅析了面向物联网的无线传感器网络的关键技术并针对其应用特点提出了发展新思路。当前无线传感器网络在物联网中的应用有许多关键技术有待解决,需要科研人员对其进行深入细化的研究并对其进行工程化试验。将来面向物联网的无线传感器网络将成为外部物理世界与互联网虚拟世界之间的重要接口,并深入到人类生活的各个领域从而改变人类与自然界的交互模式。
 
参考文献:
[1] 黄锋, 刘士兴, 顾勤东. 无线传感器网络节点概述[J]. 合肥工业大学学报(自然科学版), 2008, 31(8):1208-1212.
[2] 郭雨齐. 面向物联网的短距离传输频率及数据碰撞的检测与修复方法[D]. 吉林大学, 2014.
[3] 孙其博,刘杰,黎羴,范春晓,孙娟娟. 物联网:概念、架构与关键技术研究综述[J]. 北京邮电大学学报,2010,33(03):1-9.
[4] 钱志鸿, 王义君. 面向物联网的无线传感器网络综述[J]. 电子与信息学报, 2013, 35(1):215-227.
[5] 马祖长, 孙怡宁. 无线传感器网络节点的定位算法[J]. 计算机工程, 2004, 30(7):13-14.
 
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