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技術(shù)頻道

“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(jìn)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(jìn)方法。
一、前言
 在微機(jī)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(jì)思想,目的是在戰(zhàn)場上拋撒數(shù)千個(gè)微小的無線傳感器,用于監(jiān)控?cái)橙说幕顒忧闆r,而不讓敵方察覺。通過自組織一個(gè)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(jìn)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(diǎn)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(jì)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(cái)年的一項(xiàng)科學(xué)技術(shù)目標(biāo)(STO)計(jì)劃,這是網(wǎng)絡(luò)化微型傳感器在軍事領(lǐng)域的一個(gè)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(qiáng)大越好,然而這兩者是互相制約的。很明顯,為了實(shí)現(xiàn)一定的功能而縮小體積是硬件設(shè)計(jì)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(yàn)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(qiáng)傳感器(CL9P4L)。因?yàn)橄到y(tǒng)是由電池供電,所以能耗受限。為了減少功耗,各個(gè)硬件均采用小體積,低功耗的器件。
 為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的微型化,硬件電路[1]采用模塊化設(shè)計(jì),由主機(jī)模塊、傳感器模塊、通訊模塊、電源模塊四部分組成。
 主機(jī)模塊:微處理器采用ATMEL公司的AT90LS8535。AT90LS8535是8位AVR單片機(jī),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(shí)數(shù)據(jù)。
 傳感器模塊:光強(qiáng)傳感器采用Clairex公司的CL9P4L,它實(shí)際上就是一個(gè)光電二極管,能將光強(qiáng)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(dá)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(gè)小時(shí),而處于休眠狀態(tài)等節(jié)能模式下能夠供電至少一年。
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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(gè)網(wǎng)絡(luò),每個(gè)傳感器系統(tǒng)統(tǒng)稱為一個(gè)節(jié)點(diǎn)(node)如圖3。這些節(jié)點(diǎn)之間能夠互相通訊,同時(shí)也能夠與基站(Base Station)進(jìn)行通訊。基站是一個(gè)中轉(zhuǎn)站,它將傳感器的數(shù)據(jù)發(fā)送到計(jì)算機(jī)終端上,同時(shí)將計(jì)算機(jī)終端的命令通過無線通訊模塊發(fā)送到相關(guān)節(jié)點(diǎn)。現(xiàn)階段,基站與主機(jī)均處在傳感器網(wǎng)絡(luò)的工作范圍之內(nèi),但在將來的實(shí)際使用中,基站與主機(jī)是空間獨(dú)立的,基站在傳感器網(wǎng)絡(luò)的工作范圍之內(nèi),而主機(jī)則在軍隊(duì)的指揮中心,它們將通過衛(wèi)星進(jìn)行通訊。
 根據(jù)節(jié)點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)是完全對等的,原則上不存在瓶頸,所以比較健壯。它的缺點(diǎn)是可擴(kuò)充性差,每一個(gè)結(jié)點(diǎn)都需要知道到達(dá)其他所有結(jié)點(diǎn)的路由,而維護(hù)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(gè)簇由一個(gè)簇頭(Cluster Head)和多個(gè)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(diǎn)負(fù)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(diǎn)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(hù)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(kuò)充性。由于簇頭結(jié)點(diǎn)可以隨時(shí)選舉產(chǎn)生,分級結(jié)構(gòu)也具有很強(qiáng)的抗毀性。分級結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)是:維護(hù)分級結(jié)構(gòu)需要結(jié)點(diǎn)執(zhí)行分簇算法,簇頭結(jié)點(diǎn)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(diǎn)ID分簇算法、考慮能量耗費(fèi)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(jìn)行選取與設(shè)計(jì)。
  當(dāng)網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模較小時(shí),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(shí),就必須使用分級結(jié)構(gòu)。
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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(diǎn)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(gè)節(jié)點(diǎn)必須具有報(bào)文(數(shù)據(jù)包)轉(zhuǎn)發(fā)能力,也就是說,一個(gè)節(jié)點(diǎn)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(fù)責(zé)維護(hù)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和路由信息,完成報(bào)文的轉(zhuǎn)發(fā)。由于節(jié)點(diǎn)部署好了以后,某些節(jié)點(diǎn)可能會不斷的改變自身的位置,任意節(jié)點(diǎn)都有可能隨時(shí)開機(jī)與關(guān)機(jī),因此,網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)湫畔⑹莿討B(tài)更新的。在戰(zhàn)場環(huán)境下,最終目標(biāo)是要保證整個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)在節(jié)點(diǎn)位置的改變、工作方式的改變與節(jié)點(diǎn)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(diǎn)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(yàn)性(proactive)路由算法,它的主要思想是:每個(gè)節(jié)點(diǎn)需要維護(hù)一張包含到達(dá)其它節(jié)點(diǎn)的路由信息的路由表,當(dāng)檢測到網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)生變化時(shí),節(jié)點(diǎn)發(fā)送更新消息,收到更新消息的節(jié)點(diǎn)將更新自己的路由表,以維護(hù)一致的、及時(shí)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)。源節(jié)點(diǎn)一旦要發(fā)送報(bào)文,可以立即獲得到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)的路由。這種算法的優(yōu)點(diǎn)是時(shí)延小,缺點(diǎn)是開銷大。當(dāng)傳感器的規(guī)模增大時(shí),用來維護(hù)路由所消耗的能量將按幾何級數(shù)增加,所以對一個(gè)以電池供電的系統(tǒng)來說就不適宜了。這時(shí)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(diǎn)維護(hù)及時(shí)準(zhǔn)確的路由信息,當(dāng)向目的節(jié)點(diǎn)發(fā)送報(bào)文時(shí),源節(jié)點(diǎn)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(shí)比先驗(yàn)式算法大。最理想的算法是采用先驗(yàn)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(yàn)式算法,維護(hù)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(diǎn)較遠(yuǎn)時(shí),通過按需查找發(fā)現(xiàn)路由,這樣既可減少算法的開銷,時(shí)延也得到了改善。“智能塵埃”的開發(fā)人員一直在進(jìn)行算法方面的開發(fā)與完善工作,他們的目標(biāo)是設(shè)計(jì)一種既簡單、穩(wěn)定,又時(shí)延小、開銷小的算法。
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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(diǎn)都是使用這個(gè)共享的信道進(jìn)行通訊,因此,每個(gè)節(jié)點(diǎn)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(gè)節(jié)點(diǎn)在信道上發(fā)送報(bào)文時(shí),其它所有的節(jié)點(diǎn)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(shí),再接入信道進(jìn)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(shí)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(jìn)入睡眠模式與空閑模式將大大的節(jié)約能源。圖5詳細(xì)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(jì)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(jì)與分層布板的方法會使體積盡量減小,然而隨著微機(jī)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(gè)系統(tǒng)重新設(shè)計(jì),包括傳感器與處理器的設(shè)計(jì),系統(tǒng)重新布板與封裝等,將整個(gè)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(shí)現(xiàn)都依賴于嵌入式微型操作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。加州大學(xué)伯克力分校計(jì)算機(jī)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(jìn)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(gè)組件都完成一個(gè)特定的任務(wù),整個(gè)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(gè)任務(wù)時(shí),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(jī)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(shí)現(xiàn)的難度很大,預(yù)計(jì)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。




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