物联网传感器技术及功能概述

传感网应能实现数据收集、数据处理、数据分析和网络管理等方面的工作。以应用为导向的观点，在这种网络中，内部组成可按照功能配置，如故障诊断与管理、性能监控与管理、安全和计费管理等。如果从网络管理的逻辑上分，则可以把网络管理系统的内容分为网元层、网元管理层、网络管理层、业务管理层和事务管理层。

1.传感网分类与监测

从网络管理角度出发，希望管理系统的设计是应更多地考虑系统的框架、协议和算法等细节问题，更多地采用相同的理论和工具，这样不仅可简化很多工作，而且可大大提高工作效率。无线传感网管理可分为集中式和分布式，在集中式架构中，汇聚节点作为管理者，收集所有节点信息，并控制整个网络。在分布式结构中，可有多个管理者，每个管理者可以控制一个子网。此外，也可在顶层或协同工作以实现对网络的管理功能。层次式架构是集中式和分布式架构的混合型，是采用中间管理者来分担管理功能。站点之间不直接通信，每个中间管理者负责管理它所在的子网，并把相关信息从子网发给上层管理者，同时把上层管理者的要求传达给它的子网。传感网的管理系统中常用的检测方式有3种：

1）被动式监测：这种管理系统工作模式是被动或者在管理人员发出查询命令时才收集，记录网中的状态信息，记录的数据是供网络管理人员分析使用。

2）反应式监测：这种管理系统工作模式是收集网络状态信息，侦测预先设定的相关事件是否发生，采用自适应方式根据侦测结果对网络进行调整和重配置。

3）先应式监测：这种管理系统工作模式是主动地查询并分析网络状态，预测和侦测相关事件的发生，并采取相应动作，以维护网络性能。

2.传感网的管理

（1）集中式传感网管理

对于集中式无线传感器网络的管理，主要是对网中的各种无线传感器和网络设备进行配置和控制。对于通用即插即用（UPnP）协议的无线传感器网络管理系统，采用的协议架构是一种分布、开放的体系架构。支持零配置，设备自动发现，并利用传输控制协议/网际协议（TCP/IP）和Web技术，实现家庭、办公室等场所不同设备间的无缝连网。后经不断完善又提出通过在UPnP控制点和传感网之间建立桥接架构，使资源有限的传感网能接入UPnP网络。这种架构中用户可以通过多种UPnP控制点对无线传感器网络进行管理，这使无线传感器网络更便于使用。

BOSS（业务运营支撑系统）功能架构主要由UPnP控制点、BOSS和无线传感器网络设备组成。控制点通过BOSS提供的服务对无线传感器网络进行控制和管理，BOSS也是一个UPnP设备，并且有充足的资源运行UPnP协议。控制点和BOSS之间使用UPnP协议进行通信，而无线传感器网络和BOSS之间使用私有协议通信。一方面控制点通过BOSS从无线传感器网络中收集基本的网络管理信息，如节点设备描述、节点数量和网络拓扑等，对这些信息进行分析处理之后，控制点再通过BOSS进行诸如同步、定位和能量管理等基本管理服务。

（2）子网级管理系统

SNMS（子网级管理系统）的两个子系统是，基于查询的网络健康状况监测系统和事件驱动的日志系统。用户通过SNMS的查询系统可以收集并监测诸如节点电量、节点附近的温湿度等信息，这些信息有助于预测可能出现的故障。日志系统则可以让用户设置感兴趣的事件，当事件发生时相应的节点将报告相关数据。SNMS支持两种流量模式：收集和分发。收集模式用来获取网络健康状况数据；分发模式用来发布管理消息、命令和查询。SNMS使用Drip协议实现消息、命令和查询的传输，这些消息被发送到网络中需要管理的节点。当一个管理者要进行一次查询操作时，SNMS就使用Drip协议通过选择一个特定的标识符来申请一个可靠的信道。之后，Drip协议就通过这个信道来传输消息，并且将在该信道上面收集到的数据传送给管理者。由此可见，SNMS是一种被动式管理系统，它仅在管理者进行查询时，才会给传感网带来额外的负载，因此它对节点内存和网络流量的影响较小，这是它的主要优点。

（3）基于查询的传感网数据管理系统

基于查询的传感网数据管理系统是由Tiny数据库从无线传感器网络的各个节点收集相关数据，调度各个节点对查询进行分布式处理，将查询结果通过基站返回给用户。其特点如下：

1）通过元数据目录描述无线传感器网络的属性，包括传感器读数类型、内容的软硬件参数等。

2）与SQL的说明性查询语言相似，可使用该语言描述查询请求，不需要指明获取数据的具体方法。

3）可对网络拓扑有效管理，通过跟踪节点的变化来管理底层无线网络，维护路由表，并保证网络中的每一个节点高效、可靠地将数据传递给用户。

4）支持相同节点集上同时进行多项查询，每项查询都可以有不同采样率和目标属性。

5）可扩展性强，用户只要将Tiny数据库代码安装到新的节点上，节点就可自动加入TinyDB系统。与SNMS相同，Tiny数据库依赖于管理者的查询和管理，以此该系统也是一种被动式管理系统。

（4）网络文摘与扫描

网络文摘与扫描是不同层次的软件工具，可组成网络性能监测体系架构。网络文摘是通过各网络节点不断地进行聚集计算，从而达到对网络健康状况进行早期报警的网络管理系统。为了降低连续聚集计算消耗的能量，网络文摘只针对数据量很小的网络属性进行聚集计算，也是发现网络变化的一种最常用的方法，用户使用网络扫描工具对整个网络进行扫描，经网络的数据融合后，用户可获得反映网络整体性能的指标，定位出故障区域。eScan是网络扫描中用来提取网络剩余能量信息的工具，基本方法是不抽取节点准确的剩余能量指标，而是将相邻且能量指标相近的节点能量信息进行合并与压缩。通过数据融合的方法，eScan可以给出网络整体能量水平的整体的基本视图。用户可以通过它发现网络中能量低于警戒水平的区域，这相对于直接提取节点能量指标，eScan的能耗小得多。

在使用网络扫描确定故障区域后，用户可以使用网络陷阱工具获取小范围内节点详细性能参数。例如，在调试数据融合算法时，可以利用网络陷阱工具从故障区域提取节点的原始传感器读数进行分析。这3种工具考虑了不同层次的故障管理需求，综合进行使用，可以较好地监测网络性能，并且额外开销相对较小。

（5）扇面扫描

扇面扫描（SS）是将装有定向天线的管理站点置于网络的合适位置，以扇面方式不断扫过网络区域，扫描功率足以覆盖扫过区域中的所有节点，工作模式类似极坐标系的扫描，在扫描工程中向无线传感器网络中节点下达任务，并对节点状态进行管理。任务设定是用户可由自身任务需要设定出的任务区域，每个任务包含其相应区域的描述，因此，可执行多个任务。扇面扫描则扫描网络，激活相关区域的节点，则在扇面扫描架构下无线传感器网络可以同时执行多个任务。

节点位置是根据它从扇面扫描接收到的任务和接收信号强度来判断它的位置，或是否在任务区域中。节点初始为Sleeping（休眠）状态，它们定期检查自己是否收到了任务，当确认收到了任务，再判别任务类型，如果是ENGAGE任务，那么节点切换到ENGAGE状态，如果是ROUTE任务，则节点切换到ROUTE状态，为其他节点转发信息，任务区域之外的节点则继续休眠，以节约能量。

扇面扫描的优点主要有4个方面：①扇面扫描的工作模式降低了管理站点的要求，附近节点得以轮流担当转发工作，从而降低了它们的负载；②通过限制参与任务的节点数，来减少冗余数据流量；③避免以多跳的方式来传递任务和结果数据来降低响应时间的要求；④允许无任务节点休眠，延长了网络生命。扇面扫描的主要缺点是它需要手工配置扇面扫描的位置，扇面扫描以扇形的方式来管理网络，因此在使用中扇面扫描的位置时需要针对具体对象进行确定。

3.层次式传感网

（1）层次式结构

在连续数据采集的场合（如战场和生态监测）和物联网中，供应链是由供应商、制造厂商、仓库、配送中心和零售商等构成的物流网络多采用层次式结构。供应链管理是指在满足一定的客户服务水平的条件下，为使供应链成本达到最小而把供应商、制造厂商、仓库、配送中心和零售商等有效地组织在一起，进行产品制造、转运、分销及销售的管理方法。按照供应链策略，供应链管理可将无线传感器网络分为几个功能区。针对各自功能区的特点采用不同的路由模式，各个功能区之间相互协作，以达到最佳的网络性能，并尽量降低能量消耗。

在生产区、运输区以及仓储和服务区，各个区的节点的角色和任务各不相同。生产区有两种节点，产生原始传感数据的源节点和负责对数据进行融合过滤的汇聚节点，汇聚节点同时也负责把数据传递给运输区。运输区的节点则相互协作，将生产区生成的数据“运输”到仓储和服务区。运输区采用一种将几何路由与洪泛相结合的方法降低网络拓扑维护和路由发现的代价。SPIN协议允许临近的节点相互通信，并且使用元数据进行通信协商，以减少冗余数据的传输。RRP执行ADV-REQ-DATA三次握手协议来实现仓储区节点和汇聚节点的多跳信息交换，数据传输模式采用单播。通过这种方法，可大大减少冗余数据包，从而降低能量消耗。在保证传输可靠性，并达到期望的能耗水平，尽量降低端到端延迟和路由。

（2）无线传感器网络

无线传感器网络架构分为两个部分：一是定义描述网络当前状态的网络模型和一系列的网络管理功能；二是设计提取网络状态和维护网络性能的一系列算法和工具。

无线传感器网络模型包括网络拓扑、网络能量图和网络使用模式。网络拓扑表达了网络节点之间的连通性和可达性；能量图则反映了网络各个不同部分的能量水平，综合考虑网络拓扑和能量图，就可以确定网络中的薄弱区域；网络使用模式则用以刻画网络的种种活动，如节点的占空比和网络带宽利用率等。

（3）TopDisc算法

TopDisc算法的基本思想是，将网络进行分簇管理，用数学语言来描述的话，即在网络中找到一个能覆盖整个网络的最小节点集，作为各个簇的簇首节点。同时，在该簇首节点集合上，生成通信代价最小的树状结构。

由于无线传感器网络中的节点通常只能获得部分信息，因此采用了基于贪婪策略的着色算法来获取次优解。当需要查询网络拓扑时，由网络的管理站点发出拓扑查询消息，随着查询消息在网络中的传播，TopDisc算法按照一定的着色策略依次为每个节点“标记颜色”，最后按照节点颜色区分出簇头节点，并通过反向寻找查询消息的传播路径，在簇头节点集之上建立TreC树。TopDisc算法的优点是它有效地减少了拓扑发现的能量消耗，管理站点还可以通过TreC树收集网络的其他状态信息，发布相关的管理命令。当网络规模增大时，TopDisc算法带来的能耗和延时就必须考虑。用户就可以按照需求及网络状况，以合适的代价获取网络的相关信息。

4.分布式传感网

（1）抽取

用少量的多信道节点作为“虚”汇聚节点（作为普通节点和汇聚节点之间的中继节点），其作用是在发生拥塞时，采用流量负载管理系统模式，将拥塞区域的数据通过第二信道传送到虚汇聚节点，用以防止虚汇聚节点及其附近节点的数据拥塞。在网络流量管理中常用的方法是，对虚汇聚节点的发现和选取，拥塞检测和数据流重定向以及防止虚汇聚节点的第二信道拥塞等。

在抽取时，虚汇聚节点周期性地发送控制包，并在控制包中有一个特别字段，用来表示接收节点距离发送该控制包的虚汇聚节点的跳数。使用该跳数信息，每个节点可以比较方便地找到它周围可见的虚汇聚节点并抽取。采用两种技术来进行拥塞控制：一种是节点发起的拥塞检测；另一种是物理汇聚节点发起的拥塞控制。物理汇聚节点会对收集到的事件数据进行分析，如果它发现网络的可靠性下降到某一阈值以下，那么它就激活虚汇聚节点的带内信令机制，通过虚汇聚节点的带内信令和第二信道建立数据到物理汇聚节点的新的通道。这种方法对物理汇聚节点附近的数据拥塞是很有效的。此外，由于无线传感器网络节点一般是随机部署的，因此很难保证设置的虚汇聚节点能够有效地覆盖整个网络。

（2）数据管理

无线传感器网络中的数据可以分成两类：一是传感器本身的特征数据，如传感器的位置、类型、剩余能量等，这类数据的结构性强，但是相对变化较慢或者不变，因此也可以称为静态数据；另一类数据是传感器所感知的数据，该类数据随着传感器类型的不同，数据的复杂程度也不同，它们可以是简单的感知点温度数据，也可以是感知区域的图像数据，感知数据的特点是数据量大、时效性强、变化较快，因此也可称为动态数据。

在无线传感器网络的数据管理中，集中式数据管理方式并不适用于无线传感器网络，其主要原因是无线传感器网络的数据种类差异大，且随时随地都可能产生无限连续的数据流，因此让大量的传感器节点持续地向基站传送原始数据再进行处理，即采用“数据移动到计算”的方式，不仅消耗了大量节点的传输能量，增加了无线传输的碰撞延迟，而且将使基站成为数据处理的瓶颈。在这种背景下，一种基于移动代理技术的无线传感器网络数据管理模型便产生了。

如采用数据本地存储的方式，让每个传感器节点把自身的特征数据和感知数据存储在自身节点上，使数据传输的开销降低到最小，再使用移动数据查询代理在合理的节点上采集数据，便可以灵活有效地满足查询的需要。基于智能代理技术设计的一种移动数据查询代理来处理用户的数据查询请求，该查询代理的结构如图5-3所示。

图5-3 基于移动代理技术的数据管理模型(www.xing528.com)

（3）智能代理与电源管理

在无线传感器网络中，一般很难获得整个网络的状态信息，采用这种BDI（即Belief（信念）、Desire（愿望）和Intention（意图），分别反映了代理在认知、情感和意动方面的思维状态）模式的管理机制，则可以利用局部的信息来使得管理本地化，从而降低能量的消耗。代理收集本地信息，根据信息做出管理决策，从而减少代理相邻节点间信息交互的能量。在基于智能代理的无线传感器网络能量管理架构中，BDI目前已演化为信念、义务规则和承诺义务。BDI间的约束与激发关系能够使代理达到理性平衡，体现整体的智能性。

能源管理与覆盖性、准确性、电池寿命和网络延迟等网络属性密切相关。为了节能，可以通过改变采样率、传输距离和移动节点等方法来减少能耗。也可以通过对网络流量进行重定向或者调整节点间的连接来保持网络能耗和覆盖之间的平衡。当某个节点的能量水平很低时，选择一个合适的相邻节点承担该节点的转发任务。代理也可以命令节点在特定事件发生时再发送报告，以节约能量。但是，调整这些网络属性必然要对网络产生影响，比如降低采样率可能会漏报一些紧急事件，降低发射功率会影响网络的连接性。

查询包括查询数据类型的定义、查询区域信息、查询始末时间和数据返回周期等。将基于模型的结构测试（MDQA）移动到某传感器节点后，如果决定采集本地数据，就把数据放入数据栈中。数据处理模块根据数据栈中数据进行必要的数据分析和处理。代理决策模块将根据数据处理结果、时间触发或条件触发来决定下一步的行为，移动模块和控制模块提供了执行方式。在架构中，基站和传感器节点都加载MDQA的运行环境。

数据管理中心模块驻留在基站上，通过解析用户提交的逻辑请求，生成相应的MDQA，并将其发送到传感器网络中。MDQA在网络中使用前述的方法采集和处理存储在传感器节点的数据，并根据查询请求和状态决定迁移路线。当数据满足请求条件，MDQA返回到基站，再由中心模块将数据提供给用户，并记录到数据库中。数据管理中心模块提供了用户交互接口，并根据不同请求类型生成适合该服务的MDQA。该管理模式针对不同应用，提供了3种不同的数据查询方式：事件驱动型、查询驱动型和连续查询型。传感网系统的数据管理的系统架构如图5-4所示。

图5-4 传感网系统的数据管理的系统架构

（4）代理

在无线传感器网络的管理架构Agilla模型中，建立了一种多智能代理运行环境，每个节点上可以运行多个代理，并且这些代理可以在网络条件发生变化时，智能地移动到其他节点上。Agilla模型为无线传感器网络的配置管理提供了一种弹性架构。无线传感器网络与部署环境密切相关，为了降低代价，应用需求也常随着环境而变，因此它的配置一般也具有一定的弹性。每个节点维护它的邻居表和一个元组空间。

Agilla模型将无线传感器网络转换成一个可提供公共服务的通用计算平台，Agilla的多代理架构使得程序开发从分布式算法中解脱出来，更多地关注单个代理的行为。

（5）TinyCubus

在无线传感器网络管理和配置中，有3个要素：

1）无线传感器网络越来越异构化，随之而来的是，网络拓扑结构也越来越复杂，因此，节点角色的分配和管理就显得很重要[所谓角色，即根据节点特性（如硬件能力、网络邻居、位置等）赋予它的相应职责]；

2）无线传感器网络中的节点程序需要根据应用场景不断更新，由于它的能量和其他资源极度受限，有效的代码分发算法也非常重要（在代码分发时，充分考虑网络拓扑和节点角色将大大减少节点间的通信开销）；

3）节点程序升级的过程中，往往并不需要更新整个程序，而只需要更新其中确实需要改变的地方。如果能实现这一点，节点间因程序升级而需传送的数据量就更少，通信代价也更低。还可通过动态更新节点程序中某些功能的具体实现来让节点动态地适应环境的变化。因此，有效的动态代码升级算法同样重要。

无线传感器网络来源于自组网技术，其特点是动态的网络拓扑、有限的电池能源、受限的无线带宽和大量的异构节点等。

5.传感网中要注意的问题

物联网与传感网关注的重点有所不同，传感网通信主要是MAC协议、路由协议、时间同步和定位等网络问题上，而管理常被忽视。无线传感器网络包含的节点数量多，应用环境复杂，网络资源有限，为了保证较高的效率和最可靠的工作性能，网络管理是非常重要的。

1）传感网的资源极其有限，节点的能量、处理能力、内存大小、通信带宽等都比一般网络要低，特别是能量，是最宝贵资源，也是最重要的限制，这就要求无线传感器网络管理尽量做到高效率、低能耗。

2）传感网系统架构与应用环境密切相关，有限资源又使得不可能的像传统网络那样制造出适应多种应用的系统，但为每一个应用设计专用的系统，则代价太大，因此如果无线传感器网络管理系统能根据应用环境，合理地分配资源和优化系统，那将大大降低无线传感器网络应用的门槛。

3）无线传感器网络的复杂性还在于它是动态网，但因资源限制以及与应用环境的相关性，加之网络拓扑变化频繁，能量耗尽或者人为因素可以导致节点停止工作，同时无线信道受环境影响很大，这些都让网络拓扑不断发生变化。这些变化使得网络故障在无线传感器网络中是一种常态，这在传统网络中是不可想象的，因此无线传感器网络管理系统应能及时收集并分析网络状态，并根据分析结果对网络资源进行相应协调与整合，从而保证网络的性能。

4）异构化无线传感器网络，是指网络中的节点在硬件资源和能量储备上不是完全平等，而是存在能力较强和较弱的节点，这就要求管理系统充分考虑这些节点的特点，合理分配任务，从而达到系统效率的最大化。

无线传感器网络常包含振动、（地）磁、热量、视觉、红外、声音和雷达等多种传感器构成的节点，可用于监控温度、湿度、气体、压力、土壤构成、噪声、机械应力等多种环境条件。节点可以完成连续的监测、目标发现、位置识别和执行器的本地控制等任务。

6.无线传感器网络的应用

无线传感器网络的典型应用模式可分为两类：一类是节点监测环境状态的变化或事件的发生，将发生的事件或变化的状态报告给管理中心；另一类是由管理中心发布命令给某一区域的节点，节点执行命令，并返回相应的监测数据。与之对应，无线传感器网络中的通信模式也主要有两种：一种将采集到的数据传输到管理中心，称为多到一通信模式；另一种是管理中心向区域内的节点发布命令，称为一到多通信模式。前一种通信模式的数据量大，后一种则相对较小。

IEEE 802.15.4的制定，对无线传感器网络的发展起到了巨大的推动作用。ZigBee标准极大地减小了功耗问题对无线传感器网络发展的制约。目前，很多公司已经研制出基于这种标准的用于无线传感器网络的无线收发模块。它的体积之小，功耗之低，功能之强，都达到了前所未有的程度。该标准的无线传感器网络节点的典型配置包括两个主要组成部分：RF收发器（模拟器件，工作频率为300～2.4GHzISM高频频段）和MCU（数字器件，通常工作在千赫至兆赫的低频频段）。这种结构是随着微机电系统（MEMS）传感器和超精密技术的发展而出现的，更代表着未来无线传感器网络的发展方向。

美国伯克利实验室最先开发的无线传感器网络产品称为Mote，这也是目前最为通用的一种无线传感器网络产品。最基本的Mote组件是MICA系列处理器/无线模块，完全符合IEEE 802.15.4标准。最新型的MICA2可以工作在868MHz/916MHz、433MHz和315MHz三个频带。现有的多种类型节点都适合用于无线传感器网络。表5-1列出了用于无线传感器网络节点的特性、被测量和敏感转换原理。

表5-1 无线传感器网络节点的特性、被测量和敏感转换原理

目前，无线传感器网络的应用已由军事领域扩展到许多民用领域，因为它能够完成传统网络系统无法完成的任务。在民用领域中，无线传感器网络的主要用途可以归纳如下。

（1）空间探索

探索外部星球一直是人类梦寐以求的理想，借助于航天器布置的网络节点实现对星球表面长时间的监测，应该是一种经济可行的方案。NASA（美国国家航空航天局）的喷气推进实验室研制的SensorWebs就是为将来的火星探测进行技术准备的，已在佛罗里达宇航中心周围的环境监测项目中进行测试和进一步完善。

（2）工业应用

无线传感器网络的一些商务应用包括监测物质疲劳程度、构建虚拟键盘、清单管理、产品质量检测、构建智能办公室、自动化制造环境中的机器人控制与引导、互动玩具、互动博物馆、工厂的过程控制与自动化、灾区监测、智能楼宇、设备诊断、执行器的本地控制以及车辆防盗系统、车辆的追踪与监控。

（3）环境监测

无线传感器网络的环境应用包括：对鸟类、昆虫等小动物运动的追踪，对影响农作物、牲畜的环境条件的监测，为大范围的地球探测提供微小工具，进行生化监测，精细农业、海洋、陆地、大气环境中的生物探测，森林火灾监测，环境的生物复杂性勘测，洪水监测等。

（4）医疗护理

无线传感器网络为未来的远程医疗提供了更加方便、快捷的技术实现手段。无线传感器网络的医疗应用包括：患者的综合监测、诊断，医院的药品管理，对人类生理数据的无线监测，在医院中对医护人员和患者进行追踪和监控。

（5）军事应用

无线传感器网络可以协助实现有效的战场态势感知，满足作战力量“知己知彼”的要求。典型设想是用飞行器将大量微节点散布在战场的广阔地域，这些节点自组成网，将战场信息边收集、边传输、边融合，为各参战单位提供“各取所需”的情报服务。

由于无线传感器网络具有快速布设、自组织和容错等特性，无线传感器网络将会成为指挥、控制、通信、计算机、情报、监视、侦察和定位（C4ISRT）系统不可或缺的一部分。C4ISRT系统的目标是利用先进的高科技，为未来的现代化战争设计一个集指挥、控制、通信、计算、情报、监视、侦察和定位于一体的战场指挥系统。因为无线传感器网络是由密集型、低成本、随机分布的节点组成的，自组织性和容错能力使其不会因为某些节点在恶意攻击中的损坏而导致整个系统的崩溃。在军事应用中，与独立的卫星和地面雷达相比，无线传感器网络的潜在优势表现在以下几个方面。

1）分布节点中多角度和多方位信息的综合，有效地提高了信噪比，这是卫星和雷达这类独立系统难以克服的技术问题之一。多种技术的混合应用有利于提高探测的性能指标。多节点联合，形成覆盖面积较大的实时探测区域。借助于个别具有移动能力的节点实现对网络拓扑结构的调整，可以有效地消除探测区域内的阴影和盲点。

2）网络低成本、高冗余的设计原则为整个系统提供了较强的容错能力。

3）当节点与目标的距离减小，降低了环境噪声对系统性能的影响。

无线传感器网络还被应用于其他一些领域，对于一些危险的工业环境，如矿井、核电厂等，工作人员可以通过它来实施安全监测，也可以用在交通领域作为车辆监控的有力工具。尽管无线传感器网络技术目前仍处于初步应用阶段，但已经展示出了非凡的应用价值，相信随着相关技术的发展和推进，一定会得到更多的应用。