无线传感器与执行器的网络结构设计

虽然WSN已经在许多应用领域（如环境监测、卫生保健）进行了部署，但是越来越多的应用要求执行器与传感器结合使用。这种情况通常发生在当网络系统需要通过执行器（也称为反应器）与物理系统或环境进行交互时。从工程的角度来看，执行器是一种转换器，它能够接受信号，并将其转化为一种物理行为。执行器将输入信号转化成一种作用于环境的行为。执行器的典型实例是机器人、电机和人类。传统的传感器和执行器网络在其内部使用有线通信，针对这些网络的研究已经比较成熟。小型、智能、低能量、低成本无线感知和执行设备的出现，有望大大扩展有线传感器及执行器网络的当前应用范围。无线传感器及执行器网络（Wireless Sensor Actuator Network，WSAN）正在成长为下一代WSN。WSAN和WSN之间的主要不同之处在于WSAN能够改变环境和物理世界，而WSN不能。无线传感器及执行器网络有望应用于救灾工作、智能建筑、家庭自动化、智能空间、普适计算系统、信息物理融合系统（Cyber-Physical System，CPS）和核、生物、化学攻击检测等领域（Xia et al.，2007）。

WSAN通常是由一组传感器节点和执行器节点构成。传感器节点用于从环境中收集信息，而执行器节点用于改变环境行为。传感器和执行器节点之间存在着无线链路。传感器节点感知并报告环境状态信息，而执行器节点从传感器处收集数据，并作用于环境。无线传感器执行器网络有望是自组织的，可能具备在无人值守环境中自治工作的能力，且用户（可能是远程连接入网）只需发送基本的、最少的指令。在WSAN的典型应用中，传感器是静态的，而执行器节点（如机器人和机动车辆上的人）是移动的。但是，一些执行器（如火灾探测系统中的喷洒装备）可能是静止的。同时，在某些应用场景中，传感器节点也可能是移动的（移动传感器）。例如，在传感器重定位问题中，要求传感器节点能够移动到失效传感器节点所在的位置，以确保连续区域覆盖。传感器和执行器可以集成到一个机器人中，该机器人能够执行感知和移动功能。与传感器节点相比，执行器节点通常在数据处理、无线通信和电源方面具有较强的能力（Melodia et al.，2007）。因此，部署在监测区域的传感器节点数量级可以达到几百或几千，而执行器节点部署则不需要这样的规模，因为它们具有较高的能力，能够作用于更大的区域。

协同是WSAN的另一个重要特征（Akyildiz and Kasimoglu，2004）。与汇聚节点执行数据采集和协调功能的WSN不同，WSAN要求传感器与传感器之间、传感器与执行器之间以及执行器与执行器之间能够进行协同通信，以实现整体应用目标。传感器与执行器之间的协同能够提供路径建立功能，以支持事件数据从传感器传输到执行器。一些控制流量也需要用到这种协同通信，如反应器相对于传感器的通信定位，或者协助传感器精确地获知其地理位置。接收到事件数据后，执行器之间需要相互协同，采用最准确的方法进行决策，并完成相关行动。我们将此过程称为执行器与执行器之间的协同。协同还会涉及其他问题，如容错、活动规划、网络设计准则。

在参考文献（Akyildiz and Kasimoglu，2004）中，针对WSAN数据处理问题，提出了两种基本结构。一种称为自主结构，在这种结构中，传感器节点感知环境，并将数据报告给执行器节点，然后基于接收到的数据，采取适当行动。体系结构如图1-7a所示。第二种结构称为半自主结构，在这种结构中，传感器节点将感知数据路由到汇聚节点，然后该节点向执行器节点发送动作指令。该结构如图1-7b所示。半自主结构与传统的WSN结构比较相似。因此，传统WSN目前提出的协议和算法可以轻松地应用于该结构。自主结构的优点如下：首先，由于感知数据发送给执行器，而执行器与传感器之间的距离要比汇聚节点近，因而实现了通信延迟最小化。其次，在半自主结构中，向汇聚节点发送感知数据通常会导致汇聚节点附近传感器节点能量的快速耗尽。在自主结构中，感知数据报告给执行器，并基于不同事件触发不同的执行器。这样，通信负荷均匀分布于所有节点上，从而可以延长网络的生命周期。因此，自主结构能够降低通信延迟，延长网络的生命周期，这在WSAN的大多数应用中是必要的。

图1-7 WSAN结构

a）自主结构 b）半自主结构

第三种结构是在参考文献（Stojmenovic et al.，2007）中提出的，我们称之为协同结构。在这种结构中，传感器节点通过单跳或多跳向执行器节点传输感知数据。执行器对数据进行分析，并在采取行动之前，与汇聚节点进行协商。也就是说，执行器可能使用其对等网络来进行决策，然后采取行动，可能还会告知汇聚节点将要采取的行动，或者告知汇聚节点后，等待汇聚节点回传相关指令。用户（任务管理器）通过汇聚节点控制网络。一个或多个执行器也可以充当汇聚节点的角色。事实上，汇聚节点可以看做是特殊类型的执行器，虽然更科学的方法是使汇聚节点与直接与用户通信的BS联合起来。该结构如图1-8所示，其中每个汇聚节点与一个执行器建立连接，而其他执行器可以采用多跳执行器-执行器结构到达汇聚节点。通常情况下，与传感器相比，执行器功能更为强大，且具有更大的传输半径。在极限情况下，执行器能够直接到达网络中所有传感器节点。传感器将其数据路由到任意一个执行器。如果传感器知道所有执行器及其自身的地理位置，则这种任务称为任意播问题。传感器可能向某个已选执行器开始报告数据，但当消息目标发生某些动态变化后，可能另一个执行器是消息的最终接收方。同时，也可以采用来自于所有执行器的洪泛生成路由，并由传感器进行存储，用于向最近汇聚节点回传报告消息。(www.xing528.com)

图1-8 传感器及执行器网络的协同结构

汇聚节点对整个网络进行监测，并与任务管理器节点、传感器或执行器节点进行通信。必要时，汇聚节点向执行器发送指令，执行器将这些指令转发给位于监测区域内的所有传感器（在图1-8中用圆圈表示）。当传感器检测到环境中事件发生后，事件数据将在本地进行处理，并传输到执行器，执行器负责收集、处理，最后重构事件数据。协同是WSN的一个主要特征。

针对无线传感器与执行器网络中的协同机制，参考文献（Ruiz-Ibarra and Vil-lasenor，2008）提出了一种分类方法。无线传感器执行器网络框架包括网络结构（自主或半自主）、协同级别（传感器-传感器、传感器-反应器、反应器-反应器）、节点移动性（固定或移动）以及网络密度（密集或稀疏）。协同流程包括路由协议、同步、定位、融合、分簇、加密、功率控制（针对事件报告和任务执行）和QoS。性能标准包括：优化标准（实现规定目标的度量方法）、可扩展性、复杂度、可靠性（安全性、鲁棒性）。应用需求包括实时限制、事件频率和并发事件。

其他一些结构主要着眼于WSAN的未来应用。例如，图1-9给出了军事应用领域Ad Hoc传感器和执行器网络合并后的视图。在战场上部署传感器，可以用来检测雷区和射击位置，对目标进行跟踪，检测化学和生物攻击，也可以安装在士兵或机动车辆上。机动车辆、士兵、飞机也可以充当网络中的执行器。

图1-9 军事应用实例