无线传感器网络接入技术简介

在实际应用中，很多监测环境无法在现场收集数据，只有采用无线传感器与现有的网络进行连接，实现环境与控制系统的互连，实现物与物，物与人的互连。

1.接入技术

无线传感器网络是通过基站与外部信息网络相连的，通过一个中心服务器负责控制和协调无线传感器网络的工作，并保存无线传感器网络发送的数据。由于基站通常处于无人值守的状态，需要基站以及基站到中心服务器的连接具有高可靠性。基站需要对可能的系统异常及时进行处理。如果系统崩溃，基站需要及时地重新启动系统，并主动连接中心服务器，以使远程控制人员能够恢复对传感器的远程控制。

远程任务控制最主要的方面是重新安排无线传感器网络的监控任务。较为复杂的情况是需要更新节点上运行的程序。基站节点将新程序的二进制映像发送到每个节点上，节点启动自我更新程序，将新程序写入。但更新程序消耗能量很多，不能频繁地进行。

目前主要通过节点的工作电压判断节点的剩余能量信息。节点周期性地采样自己的工作电压，依据3.3V的标准电压归一化处理，并将结果通知网关节点。如果节点的电压值过低，该节点读取的传感器数据的可靠性也大大降低，因此需要延长电压过低节点的休眠时间，并减少采样频率。

为实现无线传感器网络接入外部信息网，保证接入安全性、系统可用性和可扩展性，目前国内外研究内容包括以下几方面：

1）复合型无线传感器网络接入互联网模型。分析基于代理、DTN和网状网结构的接入方式优缺点，研究一种复合型接入模型。

2）网关数目和无线传感器网络规模关系模型。建立数学模型，研究在具体性能要求下，网关节点数目和无线传感器网络规模之间的关系。

3）多网关动态部署、移动策略、负载均衡、容错机制。研究网关位置的动态部署理论；研究移动网关的移动策略，提高接入性能。研究数据请求的分发策略和迁移策略，实现网关负载均衡；研究多网关容错机制，保证部分网关失效时接入的可用性。

4）轻量级网关访问控制、数据验证和高效抗DoS攻击机制。研究网关的访问控制机制，保证数据机密性；研究网关的数据验证机制，保证数据真实性。研究检测和抵抗DoS攻击的机制，应对来自互联网和无线传感器网络内部的双重DoS攻击。特别地，由于网关资源仍然受限，所以需要研究轻量级的安全机制。

5）适用于无线网状传感器网络的通信协议。研究节点到无线路由器间的短距离数据传输；研究节点和路由器之间的信道分配问题；研究节点到路由器的路由建立机制；研究路由层和数据链路层的跨层优化问题。

6）基于无线网状网的传感器节点的移动性支持。研究维护动态的节点拓扑及路由器切换问题；研究轻量级的分布式节点移动性管理机制；研究无线传感器网络多网关和无线网状网理论和方法，根据实际应用解决大规模传感器网络接入互联网的关键理论问题，提出面向新一代网络技术的无线传感器网络接入互联网的解决方法。

2.接入方式

无线传感器网络的接入方式是指，采用何种结构设计汇聚节点，利用何种通信技术与终端用户进行信息交互，以及采用何种形式提交监测信息，以实现无线物理世界和虚拟的世界的无缝互连。根据此定义，汇聚节点接入方式是指其采用何种手段接入外部总线或网络，将信息传送至终端用户。

（1）代理接入方式

代理接入方式是指汇聚节点通过某种通信方式接入基站，以基站作为代理而接入到终端用户所在的互联网。传感器节点将采集到的数据传送给汇聚节点，然后经由某种总线方式或专用网络传送给基站，基站是一台可以与互联网相连的计算机，它将数据通过互联网发送到数据处理中心，同时它还具有一个本地数据库以缓存数据。终端用户可以通过授权接口连入网络而访问数据中心，或者向基站发出命令。

至于汇聚节点采用何种方式接入到基站，以实现传感器数据流的传送，国内外研究者面向各种具体应用，采用了不同的方式。如著名的大鸭岛生态环境监测系统采用Star-gate信号接收机及卫星通信传输系统接入基站，Intel公司为美国俄勒冈州设计的葡萄园环境监测系统，通过CAN总线实现接入；我国宁波中科集成电路设计中心设计的无线传感器网络实验平台采用的是串行口和USB口接入方式；为了适应工程需求，招宝山大桥斜拉索振动监控系统使用GPRS通信方式实现汇聚节点接入基站。

这种接入方式适用于无线传感器网络工作在安全且距离用户较近的区域。其优点在于利用功能强大的PC作为网关执行网络接入任务，减少汇聚节点的软硬件复杂度，进而减小汇聚节点的能耗；此外，这种结构还可将汇聚节点收集的数据实时传输到网关，并在网关存储、处理和决策。代理方式的缺点也很明显，利用PC作为网关的代价和体积均较大，不便于布置，在恶劣的环境中无法正常工作，尤其在军事应用中不利于网络节点隐蔽，容易被敌方发现。

（2）直接接入方式

直接接入方式是指汇聚节点直接接入终端用户所在网络，这种方式是当前研究的重点和发展趋势。在接入方式中，汇聚节点既可通过无线通信模块与监测区域内的节点无线通信，又可利用低功耗、小体积的嵌入式Web服务器接入以太网，实现天线传感器网络内部和以太网的隔离。这样，在无线传感器网络内部可以采用更加适合无线传感器网络特点的MAC协议、路由协议和拓扑控制等协议，实现网络的能量有效性、扩展性和简单性等目标。另外，在嵌入式Web服务器上可运行轻量级TCP/IP，并通过加入安全认证机制，能提高无线传感器网络与以太网互连的可靠性。

3.互联网接入

归纳已有的研究成果，无线传感器网络与互联网互连的主要内容是如何利用网关或IP节点，屏蔽下层无线传感器网络，向远端的互联网提供实时服务，并且实现互操作。将无线传感器网络接入互联网将面临一些问题，其原因在于无线传感器网络与互联网相比有显著的区别。

数据流模式：无线传感器网络的基本用途是将每个传感器节点视为一个单独的数据采集装置，进而可以将无线传感器网络视为分布式数据库，而用户节点相当于数据库前台。因此，一对多和多对一的数据流是无线传感器网络通信的主要模式，而传统IP网络以一对一的数据流为主。

能源限制：通常情况下，传感器节点以电池供电，并且基本不具备再次充电的能力。在这种情况下，网络的主要性能指标是网络运行的能源消耗。由于通信的能耗高于计算的能耗，这样就使得无线传感器网络的协议设计必须遵循最小通信量原则，有时甚至需要牺牲其他网络性能，如延迟和误码率等。这一点与传统IP网络截然不同。同时，互联网是围绕着以地址为中心的思想设计的，网上流动的数据通常对应着特定源和目的地址，而以地址为中心的思想并不适合于无线传感器网络。

4.互连结构

无论网络结构是采用同构还是异构，无线传感器网络接入互联网主要问题有两个：一个是接入节点的问题；另一个就是流量问题。在无线传感器网络中，由于接入点位置、状态随时都可能产生变化，因此当接入节点中的汇聚节点移动或失效时，还需要提前保护和保持与主干网和互联网的通信。为实现这一目标，无线传感器网络与互联网的接口必须稳定地工作。因此互连结构应该具有以下特点：

1）移动的接入节点在改变了位置或者失效之后，无线传感器网络还能够保持与互联网的正常通信，或者保持实时数据的完整性。

2）与移动节点通信的互联网上的主机不需要改变其协议。

3）移动节点接入的互联网链路可能是无线链路，因此带宽较窄、误码率较高，移动节点发送的管理报文应该尽可能少，以减少开销。

通常简单易行的解决办法是：

1）赋予无线传感器网络多个连接互联网的接口，这种方法使得网络管理成本提高，并且加大了通信能耗，会产生大量的冗余信息。

2）使用能力更高的节点、更先进的设备，以确保链路畅通，这样会导致无线传感器网络优势的丧失。

3）将待传输的数据信息存储在本地节点上，事后手工恢复通信。

移动代理技术是较为理想的解决技术之一。移动代理是一个代替人或其他程序执行某种任务的程序，可以使复杂的网络工作能自主地从一台主机移动到另一台主机。其自主性使得移动代理能在没有人或其他代理直接干预和指导的情况下持续运行，并能控制其内部状态和动作。该程序在移动时还可根据要求转移到网络，或其他节点重新开始或继续其执行等操作。在硬件上，最常用的是通信移动代理中封装与互联网通信功能模块，当代理所在节点将要移出通信范围或者耗尽能量，导致与互联网断开链接，移动代理可以携带有用信息，选择转移到附近的合适节点，使之成为接入节点。(www.xing528.com)

远端用户可以在所发出的数据移动代理中事先封装所需的长期交互过程中的所有信息，由该代理程序携带用户的查询请求，发送至无线传感器网络，并在其上运行，与网关或接入节点进行所需的交互。这期间，无线传感器网络与互联网的连接甚至可以中断，而不会影响移动代理程序的工作。当代理程序工作结束后，如果连接恢复，代理即可将交互结果返还给远端用户。

5.基于嵌入式Web服务器的互连结构

在嵌入式Web服务器体系结构中，外部设备接口用于数据采集和控制输出。数据处理单元的一个任务是，对采集到的信号进行处理和相应地补偿。数据传输单元的基本功能是实时操作系统在统一协调和管理下，通过TCP/IP通信协议栈和网络接口实现数据的双向传输，利用嵌入式Web服务器内的芯片Web服务器功能，使用户能够实现通过客户端标准的浏览器和无线传感器网络系统进行交互的网络会话，为用户提供一种方便的数据采集和控制手段，通过设定相关系统参数，实现数据采集/控制，并可以即插即用。

图5-16所示为基于分层的无线传感器网络与互联网的互连。这种无线传感器网络结构克服了分级结构扩展性差的缺点，可实现智能路由，降低延时，并增强网络连接性。虽然射频通信的时变特性会引起节点间通信的时断时续，但无线传感器网络的整体拓扑结构是相对稳定的，因此降低了接入互联网的难度。

图5-16 基于分层的无线传感器网络与互联网的互连

——有线、无线链路；☆嵌入式Web网关；△、○簇头节点、传感器节点

6.汇聚节点的多接入模式

为了使用户利用现有网络设备接入原型系统，尽可能方便地使用监测系统的相关信息，汇聚节点可利用多种模式接入原型系统，包括RS-232C直接接入、互联网接入、有线远程拨号接入和无线远程拨号接入。

1）本地直接接入：对于短距离应用，可通过汇聚节点的RS-232C接口直接与PC或使用数据的现场设备互连。

2）互联网接入：通过汇聚节点的RJ45接口与交换机连接，本地或异地用户通过IP地址访问汇聚节点获取数据。

3）有线远程拨号接入：有线远程拨号是PC接入互联网的一种方式。汇聚节点通过RS-232C接口与标准56kbit/s调制解调器连接，将数字信号变换为模拟信号向公共交换电话网（PSTN）上发送；接收方通过56kbit/s调制解调器将模拟信号变换为数字信号提交给远程用户通信终端。

这种方式同一时间只允许一个用户访问汇聚节点，开发工作主要完成RS-232C串行口初始化和56kbit/s调制解调器的初始化设置。实验证明，在汇聚节点传送数据量不大的情况下，这样做不会造成通信质量的下降，且只要在有电话线的地方，用户就可以远程访问汇聚节点。

4）无线远程拨号接入：GSM模块是传统调制解调器与GSM相结合的一种数据终端设备，亦称无线调制解调器，凡使用调制解调器的地方大多可用GSM模块代替。TC35IT是基于TC35GSM模块的数据终端设备，支持语音、数据、短消息和传真服务，向用户提供标准的AT命令接口。

基于TC35 IT可开发短消息和IE浏览器页面两种测控方式。

短消息测控方式：在GSM中，唯一不需建立端到端通道的业务就是短消息业务。也就是说，它不用拨号建立连接，直接把要发的信息加上目的地址发送到短消息服务中心，由短消息服务中心发送到最终的信宿。因此，短消息监控的优点在于无需建立连接，服务费用低，可以实现用户随时从汇聚节点获取数据。尤其在无法建立无线通信网络条件下，可以利用GSM短消息接口进行数据和控制指令传输，这样可以大大节约成本。

IE浏览器页面测控方式：这种方式使用无线调制解调器，客户端需要有拨号网络，通过拨叫服务器端SMS卡数据号和服务器建立连接，连接后使用IE浏览器访问汇聚节点获取数据。

理论上说，汇聚节点可以采用任意网络技术接入外部网络。但在实际应用中，选择汇聚节点的接入方式时，首先应该考虑的是无线传感器网络的应用环境所能提供的、可能的网络接入方式；其次，与现有网络相比，无线传感器网络是一种以数据为中心的网络，汇聚节点的上行数据量大而下行数据量小。在考虑汇聚节点与外部网络连接方式时，上行数据率是关键指标。对于汇聚节点，要综合考虑以上因素。国内CDMA1X网络在网络覆盖、数据传输速率、网络的稳定性和节成本及集成难度也是一些关键因素。

采用CDMA1X网络作为汇聚节点与监控中心的接入网络，则汇聚节点作为两个异构网络的接口，应该包含这两种网络的协议栈，并完成协议之间的转换。实际上，汇聚节点的作用就在于通过协议的转换来连接两个异构的网络。网络节点获得传感器数据后，应用其操作系统上的应用软件对数据进行简单的处理，然后以一定的格式存储到其存储器上。在需要将数据传输到汇聚节点时，网络节点按照无线传感器网络的协议规范将数据进行封装，然后通过空中接口，经过路由协议，将数据传送到汇聚节点。传感器数据在通过物理介质进入汇聚节点后，先用无线传感器网络的协议栈解封装，得到原始数据之后，汇聚节点可应用其操作系统上的应用软件，根据具体需求，对原始数据进行处理，如进行数据聚集、去除冗余数据、减轻汇聚节点对外传送的负担。处理后的数据经由TCP/IP模块打包后，通过串行口与CDMA通信模块相连，再由汇聚节点中的CDMA模块将数据通过空中接口Um传送到CDMA骨干网上。

汇聚节点包括无线传感器网络和CDMA的协议栈，其中，无线传感器网络协议栈采用了IEEE802.15.4定义的物理层和MAC层。RN是指CDMA无线网络，包括基站控制器、基站收发信系统和分组控制功能。PDSN是指分组数据服务节点，从互联网的角度来看，它是一个路由器，并根据移动网的特性进行了增强。Um为汇聚节点与RN的空中接口，由物理链路、MAC、链路访问控制（Link Access Control，LAC）组成。RN和PSDN间的接口，即R-P接口，在cdma2000系统中被看作A接口的一部分，叫做A10和A11。PPP是IP协议集中的一个重要组成部分，它完成拨号功能，建立汇聚节点与CDMA核心网的点对点链路。利用汇聚节点实现无线传感器网络与CDMA网路的互连时，汇聚节点主要由控制模块、无线传感器网络（WSN）协议处理模块、TCP/IP处理模块、PPP处理模块、无线传感器网络（WSN）无线模块和CDMA通信模块组成，如图5-17所示。

控制模块的主要功能是通过无线传感器网络通信模块接收传感器节点的数据，对无线传感器网络通信模块进行配置管理；通过AT指令初始化CDMA通信模块，利用PPP将汇聚节点连接到CDMA网络上，获得网络运营商动态分配给CDMA模块的IP地址，并与监控中心终端或服务器之间建立连接。如Atmel公司的AT91RM9200微处理器，是基于ARM920T指令集的ARM处理器。该处理器具有丰富的外部设备以及接口，这使得它在低成本、低功耗的条件下能完成一些功能丰富的应用。AT91RM9200微处理器集成了许多外部设备接口，包括USB2.0接口和以太网接口。此外，该处理器还提供了多个符合工业标准的通信接口，包括音频、电信、闪存卡、红外、智能卡接口等。

图5-17 与CDMA互连的汇聚节点结构

CDMA通信模块包括CDMA的MAC层协议栈软件、CDMA基带、CDMA800/1900的RF器件，其主要功能是把经过TCP/IP协议栈处理过的数据包和从基站接收的CDMA分组数据进行相应的协议处理后再转发。模块可采用Wavecom公司的Q2338/Q2358产品。该模块使用高通MSM6050芯片组，利用了高通GPS One技术实现定位功能，体积小巧，能轻松兼容各种手机和个人数字助理设备。

WSN无线模块包括无线传感器网络基带和无线传感器网络868MHz/915MHz/2400MHz RF部件，该模块的主要功能是收发并处理无线传感器网络射频信号，并按照IEEE802.15.4协议要求，完成无线传感器网络基带处理。IEEE 802.15.4协议在3个频段上共定义了27个物理信道，868MHz频带上一个速率为20kbit/s的信道、902～928MHz频带上10个速率为40kbit/s的信道以及2.4GHz上16个速率为250kbit/s的信道。由于2.4GHz频带有16个物理信道，且数据速率可以达到250kbit/s，应用前景更为广阔，因此，大多数芯片厂商都针对此频段开发了符合IEEE 802.15.4协议的低功耗射频芯片。

7.汇聚节点接入以太网的协议

对于智能监测的应用而言，将无线传感器网络以某种方式集成到现有的IP网络是非常必要的。这使得远程用户能够获取实时环境下的数据。一种方法是采用同构网络的结构，使无线传感器网络接入以太网。同构网络是利用应用层汇聚节点作为接口，屏蔽下层无线传感器网络，向远端的互联网用户提供实时的信息服务，并实现互操作。对于中小型结构的无线传感器网络，汇聚节点可作为嵌入式Web服务器，传感器节点的数据经过传输被存储到汇聚节点上，并以Web页的形式提供给用户。

TCP/IP协议栈本身是一种层式结构，所以在协议栈的设计上采用模块化思想，逐层实现，然后通过对各层接口函数的调用实现完整的协议栈。嵌入式系统发展的方向是“软硬件相结合”，即针对特定的应用，软硬件是唇齿相依。任何软件的冗余都会对系统的资源及性能造成不必要的浪费和损害。TCP/IP协议栈功能强大，包括众多协议，是一个通用型的通信传输协议套件，其功能覆盖了几乎全部互联网所提供的服务。而嵌入式系统往往只针对某个特定应用，使用完整的TCP/IP套件和机制，既浪费资源，又降低性能和效率、增加了功耗。根据无线传感器网络特点和智能监测的特定功能需求对TCP/IP协议栈体系进行合理的精简和优化，实现适合于汇聚节点嵌入式TCP/IP协议栈“μLwIP”。

嵌入式以太网技术作为TCP/IP的一种嵌入式应用，其功能是特定的。嵌入式TCP/IP协议栈μLwIP不要求实现所有的协议，其组成应该是TCP/IP的一个子集。在μLwIP中，传输层协议优化精简TCP；网络层协议优化精简IP和互联网控制消息协议（ICMP）；数据链路层协议优化精简ARP；IP是网络层的核心协议，而ICMP诊断网络连通情况。在μLwIP之上，应用层协议优化精简HTTP。

8.协议设计

ARP的精简与优化设计：嵌入式汇聚节点要想接入以太网，就必须实现ARP。实现该协议可采用通用的NIC芯片，但以太网主机通信使用的是48位以太网地址，而TCP/IP使用的是32位IP地址。要想TCP/IP协议栈运行在以太网之上，必须进行地址解析。对应的协议是ARP和RARP。ARP负责将IP地址解析为以太网地址，对于汇聚节点而言，一种方法是将其设计成为嵌入式Web服务器，IP地址存储在汇聚节点内，不需要从其他服务器得到本机IP地址，因此不需要RARP。

ARP包括ARP请求帧和ARP响应帧。ARP请求帧用于系统主动向其他主机发送请求，目的是获得该主机的物理地址；ARP应答帧是在收到其他主机发来的ARP请求帧后，应答本机物理地址。ARP帧被封装在以太网帧的数据域中传输。TCP/IP将它设计成一种能适应各种物理网络地址和协议地址的格式。在以太网接入方式中，无论是ARP请求还是应答，以下域值都是固定不变的：“类型”—0806（ARP帧），“硬件类型”—0001（“1”代表以太网），“协议类型”—0800（“0×0800”代表IP协议），“硬件地址长度”—06（以太网物理地址长度），“协议地址长度”—04（IP地址长度），这些域值可以提前存储在一个固定的结构体里。

ARP针对以太网广播特性，ARP实现地址映射时采用动态联编方法进行地址解析。当Web服务器发送数据到客户端时，如果客户端在本地局域网内，则目的IP即为客户端IP地址，如果不在局域网内，则交给默认网关转发，在ARP地址映射表中查找与目的IP地址对应的物理地址，封装以太网帧并发送。若在ARP地址映射表中找不到客户端IP地址的记录，就发送一个ARP请求。ARP请求协议的实现很简单，只是按数据帧格式封装请求帧即可。建立一个大的ARP地址映射表可以减少ARP请求的次数，但是同时增大了汇聚节点系统的开销。因此，可根据LPC2210的资源建立相应大小的地址映射表，同时每隔一定时间要更新映射表。在有新的连接时，给地址映射数组赋新数值，即可更新ARP地址映射表。对于嵌入式以太网而言，客户端是随机的，而且Web服务器很少主动请求客户端的物理地址，所以可以建立一个容量为1的ARP地址映射表，即只保存当前连接地址映射，可大大减小内存的开销，降低节点系统功耗。