“智能塵埃”的體系結(jié)構(gòu)與關(guān)鍵技術(shù)

摘要：主要分析了美軍“智能塵埃”的硬件體系結(jié)構(gòu)與網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，介紹了它的自組織的工作方式，對“智能塵埃”所使用的信道接入技術(shù)、節(jié)能技術(shù)、微型化技術(shù)與微型操作系統(tǒng)進行了簡介，并指出了其網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)、信道接入技術(shù)與路由技術(shù)所存在的不足，提出了相應(yīng)的改進方法。

一、前言

　在微機電加工技術(shù)（使芯片微型化）、自組織的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、集成的低功耗的通訊技術(shù)和低功耗傳感器集成技術(shù)這四種技術(shù)的共同作用下，傳感器也在朝著微型化與網(wǎng)絡(luò)化方面發(fā)展。

　美國五角大樓提出了“智能塵埃”的設(shè)計思想，目的是在戰(zhàn)場上拋撒數(shù)千個微小的無線傳感器，用于監(jiān)控敵人的活動情況，而不讓敵方察覺。通過自組織一個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，“智能塵埃”將對相關(guān)原始數(shù)據(jù)進行過濾，把重要的信息發(fā)送給中央司令部。“智能塵埃”的特點就是體積小、功耗低、自組織、無線通訊，這也是網(wǎng)絡(luò)化的微型傳感器的特征。

　 美國陸軍已計劃開發(fā)的多層次集成式傳感器系統(tǒng)—靈巧傳感器網(wǎng)絡(luò)通信(SSNC)，是美國2001財年的一項科學(xué)技術(shù)目標(biāo)（STO）計劃,這是網(wǎng)絡(luò)化微型傳感器在軍事領(lǐng)域的一個非常好的應(yīng)用。 另外，在民用領(lǐng)域，這種傳感器可以廣泛地應(yīng)用于各種環(huán)境的監(jiān)測，尤其是在惡劣的環(huán)境和無人環(huán)境下的環(huán)境監(jiān)測。

二、“智能塵埃”的硬件體系結(jié)構(gòu)

　在戰(zhàn)場上，傳感器的體積越小越好，功能越強大越好，然而這兩者是互相制約的。很明顯，為了實現(xiàn)一定的功能而縮小體積是硬件設(shè)計的最大挑戰(zhàn)。“智能塵埃”的最終目標(biāo)是將傳感器集成到與塵埃大小相同的體積上，甚至可以利用傳感器所處環(huán)境提供能量。然而在目前階段，處于原型開發(fā)與試驗階段的傳感器體積都還有火柴盒的大小，圖1就是加州大學(xué)伯克利分校開發(fā)的“智能塵埃”。

　它集成了處理器(AT 90LS8535)、EPROM、串口、無線發(fā)射模塊（TR1000）、溫度傳感器（AD7418）、光強傳感器（CL9P4L）。因為系統(tǒng)是由電池供電，所以能耗受限。為了減少功耗，各個硬件均采用小體積，低功耗的器件。

　為了實現(xiàn)系統(tǒng)的微型化，硬件電路[1]采用模塊化設(shè)計，由主機模塊、傳感器模塊、通訊模塊、電源模塊四部分組成。

　主機模塊：微處理器采用ATMEL公司的AT90LS8535。AT90LS8535是8位AVR單片機，內(nèi)嵌8K內(nèi)存用于存儲程序代碼，還有512字節(jié)的RAM用于存儲數(shù)據(jù)；外接4MHz晶振，保證較低功耗。副處理器的主要功能是存儲臨時數(shù)據(jù)。

　傳感器模塊：光強傳感器采用Clairex公司的CL9P4L，它實際上就是一個光電二極管，能將光強的變化轉(zhuǎn)化為電阻的變化；溫度傳感器采用AD公司的AD7418。

　通訊模塊：無線收發(fā)器件采用RFM公司的TR1000。TR1000外圍電路簡單，具有睡眠模式以降低功耗，可達到115.2 kbps的數(shù)據(jù)傳輸速率，理想傳輸環(huán)境下有效通訊距離為1000m 。

　 電源模塊：電池采用Panasonic公司的CR2054。CR2054儲存了560mAh的電能，并且體積較小。傳感器系統(tǒng)處于收發(fā)數(shù)據(jù)的工作模式下可以連續(xù)供電35個小時，而處于休眠狀態(tài)等節(jié)能模式下能夠供電至少一年。

三、自組織的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)：

　當(dāng)傳感器系統(tǒng)部署好了以后，所有的傳感器系統(tǒng)就自動組成了一個網(wǎng)絡(luò)，每個傳感器系統(tǒng)統(tǒng)稱為一個節(jié)點(node)如圖3。這些節(jié)點之間能夠互相通訊，同時也能夠與基站（Base Station）進行通訊。基站是一個中轉(zhuǎn)站，它將傳感器的數(shù)據(jù)發(fā)送到計算機終端上，同時將計算機終端的命令通過無線通訊模塊發(fā)送到相關(guān)節(jié)點。現(xiàn)階段，基站與主機均處在傳感器網(wǎng)絡(luò)的工作范圍之內(nèi)，但在將來的實際使用中，基站與主機是空間獨立的，基站在傳感器網(wǎng)絡(luò)的工作范圍之內(nèi)，而主機則在軍隊的指揮中心，它們將通過衛(wèi)星進行通訊。

　根據(jù)節(jié)點規(guī)模的大小，傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可分成兩種：平面結(jié)構(gòu)和分級結(jié)構(gòu)。

　平面結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)比較簡單，所有結(jié)點的地位平等，所以又可以稱為對等式結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)中所有結(jié)點是完全對等的，原則上不存在瓶頸，所以比較健壯。它的缺點是可擴充性差，每一個結(jié)點都需要知道到達其他所有結(jié)點的路由，而維護這些動態(tài)變化的路由信息需要大量的控制消息。

　分級結(jié)構(gòu)中，網(wǎng)絡(luò)被劃分為簇（Cluster），每個簇由一個簇頭(Cluster Head)和多個簇成員(Cluster Member)組成，這些簇頭形成了高一級的網(wǎng)絡(luò)，如圖4。簇頭結(jié)點負責(zé)簇間數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)，它可以預(yù)先指定，也可以由結(jié)點使用分簇算法自動選舉產(chǎn)生。在分級結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)中，簇成員的功能比較簡單，不需要維護復(fù)雜的路由信息，這大大減少了網(wǎng)絡(luò)中路由控制信息的數(shù)量，因此具有很好的可擴充性。由于簇頭結(jié)點可以隨時選舉產(chǎn)生，分級結(jié)構(gòu)也具有很強的抗毀性。分級結(jié)構(gòu)的缺點是：維護分級結(jié)構(gòu)需要結(jié)點執(zhí)行分簇算法，簇頭結(jié)點可能會成為網(wǎng)絡(luò)的瓶頸。具體的分簇算法[2]有最小節(jié)點ID分簇算法、考慮能量耗費和穩(wěn)定度的分簇算法、自適應(yīng)按需加權(quán)的分簇算法（AOW）、限制簇尺寸的分簇算法等等，必須按照系統(tǒng)本身具體的需要進行選取與設(shè)計。

　 當(dāng)網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模較小時，可以采用簡單的平面式結(jié)構(gòu)，“智能塵埃”目前就是使用的平面式結(jié)構(gòu)；而當(dāng)網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模增大時，就必須使用分級結(jié)構(gòu)。

四、自組織的路由算法

由于無線通訊存在有效通訊距離的限制，節(jié)點并不能直接將數(shù)據(jù)發(fā)送到基站，而是采用多跳路由（Multi-Hop）[3]的傳輸方式往基站發(fā)送數(shù)據(jù)。因此，每個節(jié)點必須具有報文（數(shù)據(jù)包）轉(zhuǎn)發(fā)能力，也就是說，一個節(jié)點不僅要完成數(shù)據(jù)采集與傳輸?shù)墓ぷ鳎€要具備路由器的功能—路由器部分主要負責(zé)維護網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)和路由信息，完成報文的轉(zhuǎn)發(fā)。由于節(jié)點部署好了以后，某些節(jié)點可能會不斷的改變自身的位置，任意節(jié)點都有可能隨時開機與關(guān)機，因此，網(wǎng)絡(luò)的拓撲信息是動態(tài)更新的。在戰(zhàn)場環(huán)境下，最終目標(biāo)是要保證整個傳感器網(wǎng)絡(luò)在節(jié)點位置的改變、工作方式的改變與節(jié)點加入或退出等各種條件下都能夠正常工作，除非能正常工作的節(jié)點數(shù)目少到不能組成網(wǎng)絡(luò)。

目前，“智能塵埃”使用的是先驗性（proactive）路由算法，它的主要思想是：每個節(jié)點需要維護一張包含到達其它節(jié)點的路由信息的路由表，當(dāng)檢測到網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)發(fā)生變化時，節(jié)點發(fā)送更新消息，收到更新消息的節(jié)點將更新自己的路由表，以維護一致的、及時的、準(zhǔn)確的路由信息，所以路由表可以準(zhǔn)確地反映網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)。源節(jié)點一旦要發(fā)送報文，可以立即獲得到達目的節(jié)點的路由。這種算法的優(yōu)點是時延小，缺點是開銷大。當(dāng)傳感器的規(guī)模增大時，用來維護路由所消耗的能量將按幾何級數(shù)增加，所以對一個以電池供電的系統(tǒng)來說就不適宜了。這時就必須采用新的路由算法，即反應(yīng)式(reactive)算法，這種算法的基本思想是：不要求節(jié)點維護及時準(zhǔn)確的路由信息，當(dāng)向目的節(jié)點發(fā)送報文時，源節(jié)點才在網(wǎng)絡(luò)中發(fā)起路由查找過程，找到相應(yīng)的路由。反應(yīng)式路由算法開銷小，但延時比先驗式算法大。最理想的算法是采用先驗式與反應(yīng)式結(jié)合的混合算法，在局部范圍內(nèi)使用先驗式算法，維護準(zhǔn)確的路由信息，并可縮小路由控制消息傳播的范圍，當(dāng)目的節(jié)點較遠時，通過按需查找發(fā)現(xiàn)路由，這樣既可減少算法的開銷，時延也得到了改善。“智能塵埃”的開發(fā)人員一直在進行算法方面的開發(fā)與完善工作，他們的目標(biāo)是設(shè)計一種既簡單、穩(wěn)定，又時延小、開銷小的算法。

五、其它關(guān)鍵技術(shù)

1、信道接入技術(shù)

“智能塵埃”使用的是共享的單信道通訊方式，所有的節(jié)點都是使用這個共享的信道進行通訊，因此，每個節(jié)點如何有效的接入與使用該信道是該傳感器網(wǎng)絡(luò)能否高效工作的核心技術(shù)。其具體使用的是CSMA[4]（Carrier Sense Multiple Access）協(xié)議，基本思想如下：當(dāng)一個節(jié)點在信道上發(fā)送報文時，其它所有的節(jié)點都能“聽到”它的發(fā)送，并采用退避算法延遲自己的發(fā)送，當(dāng)監(jiān)測到信道空閑時，再接入信道進行發(fā)送，這種方式也稱為一跳共享廣播信道方式。這種接入方式比較簡單，但會引出“隱終端”與“暴露終端”等問題，所以需要采用更加有效的接入控制技術(shù)，如采用控制信道與數(shù)據(jù)信道分離的雙信道接入技術(shù)。

2、節(jié)能技術(shù)

能源是“智能塵埃”最重要的資源，如何有效的節(jié)約能源是網(wǎng)絡(luò)化微型傳感器必須考慮的關(guān)鍵技術(shù)。“智能塵埃”工作時按功率消耗由小到大的順序有四種模式：睡眠模式（sleep）、空閑模式（idle）、接收模式（receive）以及發(fā)送模式（transmit），有效地進入睡眠模式與空閑模式將大大的節(jié)約能源。圖5詳細描敘了各種工作模式之間有效的轉(zhuǎn)化關(guān)系，采用合理的路由算法與信道接入方式將減少活躍模式的能耗，而如何有效的接入節(jié)能模式也是節(jié)能技術(shù)的關(guān)鍵。

3、微型化技術(shù)

“智能塵埃”微型化技術(shù)在現(xiàn)階段還集中在硬件電路的設(shè)計上，通過采用體積小、功耗低的芯片與器件和采用模塊化的設(shè)計與分層布板的方法會使體積盡量減小，然而隨著微機電加工（MEMS）技術(shù)的日趨成熟，在不久的將來，“智能塵埃”體積將會越來越小。

“智能塵埃”的硬件開發(fā)小組下一步的目標(biāo)是采用MEMS技術(shù)對整個系統(tǒng)重新設(shè)計，包括傳感器與處理器的設(shè)計，系統(tǒng)重新布板與封裝等，將整個系統(tǒng)的體積控制到1mm3。

4、嵌入式微型操作系統(tǒng)：

“智能塵埃”的所有功能的實現(xiàn)都依賴于嵌入式微型操作系統(tǒng)的設(shè)計。加州大學(xué)伯克力分校計算機科學(xué)系“智能塵埃”課題組基于多線程技術(shù)，開發(fā)了一種微型操作系統(tǒng)—TinyOS，其主要任務(wù)就是利用有限的資源（CPU,內(nèi)存均受限）來進行高效率的并行操作。它的基本方法是定義一系列非常簡單的組件（Component）模型，因此具有高度的模塊化特征。每個組件都完成一個特定的任務(wù)，整個操作系統(tǒng)基本上就是由一系列的組件模型組成。當(dāng)系統(tǒng)要完成某個任務(wù)時，就會調(diào)用事件調(diào)度器，事件調(diào)度器再有順序地調(diào)用各種組件，從而高效、有序地完成各種功能。

六、結(jié)束語

“智能塵埃”是美軍將來網(wǎng)絡(luò)化戰(zhàn)場中最重要的傳感器系統(tǒng)，目前仍處于開發(fā)測試階段。該工程涉及微型操作系統(tǒng)技術(shù)、微機電加工技術(shù)、自組織路由技術(shù)、信道接入控制技術(shù)、集成的低功耗通訊技術(shù)等等最新的多領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)，實現(xiàn)的難度很大，預(yù)計在2010年以前將會投入到戰(zhàn)場使用。而在民用領(lǐng)域則可廣泛應(yīng)用于各種需要監(jiān)控的環(huán)境中，因此，開發(fā)類似于“智能塵埃”這種網(wǎng)絡(luò)化的微型傳感器系統(tǒng)將具有非常廣泛的應(yīng)用前景。