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感知层-物联网体系架构

        感知层是物联网的基础,由具有感知、识别、控制和执行等功能的多种设备组成,通过采集各类环境数据信息,将物理世界和信息世界联系在一起。主要实现方式是通过不同类型的传感器感知物品及其周围各类环境信息。感知层应用的技术有传感器技术.RFID技术、定位技术、图像采集技术等。
感知层是物联网的基础
        在对物理世界感知的过程中,不仅要完成数据采集、传输、转发、存储等功能,还需要完成数据分析处理的功能。数据处理将采集数据经过数据分析处理提取出有用的数据。数据处理功能包含协同处理、特征提取、数据融合、数据汇聚等。还需要完成设备之间的通信和控制管理,实现将传感器和RFID等获取的数据传输至数据处理设备。
传感器
        传感网络是由传感器、执行器、通信单元、存储单元、处理单元和能量供给单元等模块组成的以实现信息的采集、传输、处理和控制为目的的信息收集网络。传感网络结构示意图如图2-1所示。
传感网络结构
传感网络结构示意图
  •         传感器是通过监测物理、化学、空间、时间和生物等非电量参数信息,并将监测结果按照一定规律转化为电信号或其他所需信号的单元。它主要负责对物理世界参数信息进行采集和数据转换。
  •         执行器主要用于实现决策信息对环境的反馈控制,执行器并非是传感网络的必需模块, 对无须实现反馈控制只监测的传感网络无须执行器模块。
  •         处理单元是传感器的核心单元,它通过运行各种程序处理感知数据,利用指令设定发送数据给通信单元,并依据收到的数据传递给执行器来执行指令的动作。
  •         存储单元主要实现对数据以及代码的存储功能。存储器主要分为随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM).闪存(FlashMemory)四类。随机存取存储器用来存储临时数据,并接收其他节点发送的分组数据等,电源关闭时.数据不保存。只读存储器、电可擦除可编程只读存储器、闪存用来存储非临时数据.如程序源代码等。
  •         通信单元主要实现各节点数据的交换,通信模块可分为有线通信和无线通信两类。有线通信包括现场总线Profibus.LONWorks.CAN等;无线通信主要有射频、大气光通信和超声波等。
电源模块主要为传感网络各模块可靠运行提供电能。
模块共同作用可实现物理世界的信息采集、传输和处理
        上述模块共同作用可实现物理世界的信息采集、传输和处理,为实现万物互联奠定了基础。传感器将软件与硬件相结合,利用嵌入式微处理器以及嵌入式软件,传感器一般具有功耗低、体积小、集成度高、效率高、可靠性高等优点,这些推动了物联网的实现。传感器节点还具有以下特点。
1. 电源能量有限
        传感器的体积小,携带的电量有限。然而传感器的数目庞大、成本要求低廉、分布区域广,而且部署环境复杂,有些区域甚至于人员不能到达。因此大量应用环境情况下,通过更换电池的方式来补充传感节点的电能代价太高,几乎是不现实。传感器节点的能量主要消耗在无线通信模块上。无线通信模块在发送信号时的能量消耗最大,在空闲状态和接收状态能量消耗小,还可以让传感器处于睡眠状态,这时电能消耗最少。
2. 通信能力有限
        无线通信的能量消耗与通信距离的关系为E=kdn式中,E是消耗的能量;k是常数;d是通信距离;参数〃满足关系2<n<4,n的取值与天线质量、传感节点的部署环境等因素有关。
由上式可知,随着通信距离d的增加,无线VoIP通信的能量消耗将急剧增加。因此.在满足通信的前提下应该尽量减少单跳的通信距离。由于传感器节点的能量限制和网络覆盖区域大,很多无线传感器网络采用多跳路由的传输机制。
3.计算和存储能力有限
        传感器通常是微型兼顾网络节点终端和路由双重功能的嵌入式系统,它的处理能力、存储能力和通信能力相对较弱,汇聚节点可供电的可能性大,其处理能力、存储能力和通信能力相对较强。它连接传感器网络和外部网络,实现两种协议栈之间的通信协议转换,发布管理节点的监测任务,把收集到的数据转发到外部网络。用户可以通过管理节点对传感器网络进行配置和管理,发布监测任务以及收集监测数据。
        单一的传感器在通信、电能、处理和储存等多个方面受到限制,通过组网连接后,具备应对复杂计算和协同信息处理的能力,它能够更加灵活、以更强的鲁棒性来完成感知的任务。无线传感器网络是集成了检测、控制以及无线通信的网络系统,其基本组成实体是具有感知、计算和通信能力的智能微型传感器。无线传感器网络通常由大量无线传感器节点对监测区域进行信息采集,以多跳中继方式将数据发送到汇聚节点,经汇聚节点的数据融合和简单处理后,通过互联网或者其他网络将监测到的信息传递给后台用户。无线传感器网络的体系架构如图所示。
无线传感器网络的体系架构
无线传感器网络的体系架构
无线传感器网络特点
        无线传感器网络的部署一般通过飞行器播撒、火箭弹射和人工埋置等方式,当部署完成后,监测区域内的节点可以以自组织的形式构成网络。无线传感器网络与无线自组网、Bluetooth网络、蜂窝网及无线局域网相比,它具有以下特点。
1. 分布式、自组织性
        无线传感网是由对等节点构成的网络,不存在中心控制。管理和组网都非常简单灵活,不依赖固定的基础设施,每个节点都具有路由功能,可以通过自我协调、自动组织而形成网络,不需要其他辅助设施和人为手段。
2. 网络规模大、分布密度高
        为了获取监测环境中完整精确的信息,并且保证网络较长的生存寿命和可用性,可能需 要在一个无线传感器网络中部署的节点达到成千上万,甚至更多,特别是在人类难以接近或无人值守的危险地区。大规模的无线传感器网络通过分布式采集大量信息以便提高监测区域的监测精确度,同时有大量冗余节点协同工作,提高系统容错性和覆盖率,减少监测盲区。
3. 可扩展性
        当网络中增加新的无线传感器节点时,不需要其他外界条件,原有的无线传感器网络可以有效地容纳新增节点,使新增节点快速融入网络,参与全局工作。
4. 网络节点的计算能力、储存能力和电源能量有限
        传感器节点作为一种微型嵌入式设备应用于无线传感器网络中,成本低、功耗小是对传感器节点的基本要求,要求节点的处理器容量较小且处理能力弱。传感器节点通常采用能量有限的纽扣式电池供电,随着节点电池能量的耗尽,节点寿命终止,达一定比例时,整个网络将不能工作。在执行任务时,传感器节点以较少的能量消耗且利用有限的计算和存储资源完成监测数据的采集、传递和处理,这是无线传感器网络设计中必须考虑的因素之一。
5. 相关应用性
        无线传感器网络不像互联网有统一的通信平台,而是根据不同的应用背景,其软件系统、硬件平台和网络协议都有着很大的差别。相对于不同无线传感器网络应用中的共性问题,在实际应用中更多关注的是其差异性。因此,考虑如何设计系统使其贴近应用,才能做出更加高效的目标系统。针对应用研究无线传感器网络方法设计及策略,这是无线传感器网络优于传统网络的显著特征。
6. 以数据为中心
数据为中心的作用
        在对某一区域进行目标监测时,传感器节点随机部署,监测网络的无线通信是完全动态变化的,需要监测到动态的观测数据,而不是单个节点所观测到的数据,无线传感器网络以数据为中心,需要快速有效地接收并融合各个节点的信息,提取出有效信息传递给用户。利用调度系统调度。
无线传感器网络研究范畴
        无线传感器网络的研究与应用涉及多个学科的交叉,无线传感器网络的研究主要涉及如下几种关键技术。
1. 网络拓扑控制
        拓扑控制是传感器节点实现无线自组的基础,良好的拓扑结构能够提高数据链路层和网络层传输协议的效率,合理的拓扑结构能够维持网络的链接,节省电能,延长网络生命周期。同时拓扑结构能够为节点定位、时间同步和数据融合等研究奠定基础。
2. 网络协议
        无线传感器网络是以数据为中心的网络,如何把数据从传感器节点传送到终端节点,依赖于良好的网络传输协议,目前网络传输协议主要有MAC协议、路由协议。其中,路由协议属于网络层协议,MAC协议属于数据链路层协议。
3. 网络安全
        无线传感器网首先将数据传送到汇聚节点,高质量安全地将数据传输到汇聚节点是无线传感器网络必须要重视的问题,安全问题主要涉及数据的可靠性传输、完整性、保密性传输,保证数据不在传输的过程中丢失或者被篡改等。
4. 时间同步
        无线传感器网络是由很多节点共同组成的,要使各个节点能够协调工作前提是每个节点都要通过与邻居节点的同步协调,才能完成复杂任务。
5. 定位技术
        无线传感器网络的一个重要作用是能够查知数据的传输来源和位置,查知传感器的位置信息以及传感器周围发生的事件的位置信息尤为重要,如森林火灾预测系统、煤矿井下安全事件、野生生物生活习性统计系统都需要这样的位置信息。
6. 数据融合
        相邻的传感器可能采集到相同的数据,重复传输这些数据会浪费大量的网络资源,为了节省网络资源,延长网络的生命周期,无线传感器网络应能够检测出冗余的数据,并对相异的数据进行组合,然后传送给目标节点。所以,数据融合技术是改善无线传感器网络性能的重要技术。
7. 数据管理
        无线传感器网络从本质上看也是由多个分布式的数据库组成,与传统数据库相比,这些分布式数据库的载体容量小,能量有限,因此,传统的数据库的管理方式不能应用在无线传感器网络中。研究如何高效、安全、实时地管理这些数据具有重要的意义。
8. 无线通信技术
无线通信技术应用
        无线传感器网络通过无线通信技术互联进行信息交互与转达,目前常见的无线通信技术有IEEE802.11g协议、ZigBee协议等。这些协议都有各自的优缺点,如何设计出低功耗、高效率的无线通信协议是无线传感器网络研究领域的关键技术。其中SIP为基础的网络电话融合技术也是不可缺的。
9. 嵌入式操作系统
        无线传感器网络的操作系统根据检测的环境的不同有所区别,对无线传感器网络操作系统的研究也是当前无线传感器网络的关键技术之一。传感器技术可以感知外界,它是一种检测装置,可以感受到被测的信息,并将检测到的信息,按一定规律转化成为电信号输出,以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。执行反馈决策也是物联网感知层重要功能之一,它是实现自动检测和自动控制的首要环节。
        根据执行层执行器节点的位置信息和接收数据包速率信息反馈至感知层,感知层传感器节点采用效能协作和组织协作的方法,在提高信息传递可靠性的同时减少参与数据传输的传感器节点数目,降低网络能量消耗。在传感器节点采集数据传递至执行器节点过程中,网络层根据执行层的执行决策和感知层的信道信息动态调整网络层信息传输路径,进而提高信息传递的速率,优化网络性能。执行层根据网络层数据包传输速率,动态调整参与执行决策的执行器节点数目,提高执行层的执行效率。