面向物联网的无线传感器网络关键技术研究论文

SCI论文（www.lunwensci.com）：

　　摘   要 ：随着我国网络时代的到来,关于物联网技术的研究日益增多,在物联网(IoT)中的无线传感器网络(WSN)技 术的发展愈发成熟,但由于 WSN 包含多种不同种类的技术的特点,导致我国学者们在进行 WSN 的相关研究时,更加关注于 该技术的实际应用价值,关于面向物联网的无线传感器网络关键技术的总体研究相对空白,使得人们缺乏对 WSN 技术的整体 认识,对学术研究的深度化发展有着不利的影响。因此,本研究对面向 IoT 的 WSN 所涵盖的关键技术进行了分类,并分别进 行了介绍,以期为后续 WSN 的相关研究提供参考。

　　关键词：物联网 ；无线传感器网络 ；关键技术


　　【Abstract】：With the advent of the network era in China, the research on the Internet of things technology, in the Internet of Thing (IoT) wireless sensor network (WSN) technology development more and more mature, but because WSN contains a variety of different kinds of technology, Chinese scholars in the WSN related research, pay more attention to the practical application value, on the Internet of Thing key technology overall research is relatively blank, makes people lack of overall understanding of WSN technology, on the depth of the development of academic research has a negative impact. Therefore, this study classified the key technologies covered by the WSN for IoT, and introduced them separately, in order to provide a reference for subsequent related studies on the WSN.

　　【Key words】：Internet of Things;wireless sensor network;key technology

　　0 　引言

　　物联网(IoT)是我国目前新兴的一种现代网络技 术,其定义为 ：一种利用全球定位系统、信息传感器等 各种网络互联,将物体与物体、物体与人类相互连接, 形成一个独立的网络体系的技术 [1]。这种技术在现代网 络大数据环境中有着极为广泛的应用。无线传感器网络 (WSN)是 IoT 中的一种重要的网络系统,也是物联网 技术的重要组成部分。WSN 具有安装速度快、适应环 境能力强、数据实时传输等优点,在我国的军事、医 疗、生活等多个领域被广泛利用。据调查显示,我国目 前关于 WSN 的关键技术大多集中于具体技术的应用, 对于技术的总结与归纳的研究相对较少 [2]。因此,本研 究在我国学术界目前已有的研究成果上,对 WSN 关键 技术进行了分类,并对各种技术进行了阐述,如下所示。

　　1 　面向物联网的无线传感器网络关键技术

　　分析 WSN 所涵盖的关键技术种类和技术特点,本 研究对 WSN 关键技术进行了分类。其框架如图 1 所示。


　　1.1 架构技术

　　在 WSN 的所有关键技术中心,架构技术是作为其 他技术的底层支撑的基础性技术,在 WSN 关键技术中 占据着独一无二的地位。架构技术主要包括网络模型技 术、网络节点技术、操作系统技术、网络拓扑技术、节 点定位技术等 [3]。

　　1.1.1 网络模型

　　在使用 WSN 时, 为保证对其技术的各种特点有一 定的掌握,进行网络模型建设是不可避免的,一方面网 络模型对使用 WSN 时调整各个不同网络之间的结构有 着重要意义 ；另一方面在后期进行 WSN 的更新改进时种 类繁多的网络模型也能够让 WSN 快速得适应不同的应 用环境 [4]。网络模型是 WSN 的特性展示重点之一,其 建设的成功与 WSN 本身的运行效果有着不可分割的关系。

　　1.1.2 网络节点

　　在我国面向物联网的 WSN 中,其网络节点主要被 分为三类,分别为汇聚节点、管理节点、传感器节点。 在 WSN 的运行过程中,这些节点以动态拓扑的形式进 行自发的连接,并以此辅助 WSN 信息的传输。在我国 较为常见的 WSN 中,其网络节点的组成主要包括提供 运行能源的电源部分、负责信息收集的传感机构、负责 信息筛选等操作的处理机构以及负责信息传输的通信机 构,持此之外,网络节点大多还包含了具有定位、运动、 发电等功能的辅助结构。目前我国学术界对于网络节点 的研究重点主要为节省运行耗费能量等, 这是因为 WSN 中的网络节点是无法补充能量的,故如果在想要保证其 数量有限的情况下,最大可能的发挥节点的功能优势, 减小网络节点的使用损耗以减少网络节点的更换,相关 学者们进行网络节点的节能研究是十分必要的 [5]。

　　1.1.3 操作系统

　　如上文所述, WSN 的网络节点是有限的,并且在 我国使用 WSN 的行业种类多样, WSN 需要适应的应 用环境也是多种多样的,则对于各大企业而言,为适应 企业本身运营特点及产品特性等,设计一个具有企业特 色的专用 WSN 操作系统是十分重要的。目前,在我国 出现的 WSN 操作系统中,较为常见的包括 ：TinyOS、 Contiki、SOS、mantisOS、openWSN 等。

　　(1) TinyOS 这种操作系统其结构较为特殊,主要 以组件结构为主,这使得这种操作系统下的 WSN 所消 耗的内存较少,与智能家居、智能测量等领域的匹配度 较高,是我国常见 WSN 操作系统中比较标准的一种。 (2)操作系统 Contiki 是一种比较小型的多任务操作系 统,其所需要消耗的内存同样较小,且还具有易移植的 特点,这使得这种操作系统较适宜用于内存受限的网络系统,如电脑系统或游戏机系统等。(3) SOS 操作系统 的各个服务模块都能够根据需求随时更新,并且该系统 能够提供共同服务,这使得 SOS 操作系统在意外发生 故障时能够较为轻松的进行修复,能够适应大多数较为 恶劣的环境, SOS 操作系统与恶劣环境下的测量工作等 较为匹配。(4) mantisOS 操作系统是一种以多线程调 度作为运行机制的操作系统,利用该系统可以在极短的 时间内完成对 WSN 网络原型的搭建,并且由于其可以 在同一时间执行多个任务,使得这种系统常被用于仪器 设备的自动化控制系统等。

　　1.1.4 网络拓扑

　　WNS 想要正常运行,除了网络节点和操作系统外, 具有一个高校的网络拓扑结构也是十分重要的。一方面高 效的网络拓扑结构能够在极大程度提升 WSN 利用网络通 信协议的总体效率,以缓解网络使用造成的损耗,延长网 络使用寿命 ；另一方面,高效的网络拓扑结构在特殊条件 下,还可以在运行中对于节点的选择进行优化策略,减少 运行过程中节点选择不当造成的冗余线路情况, 最终以网 络拓扑结构提高 WSN 的信息传输效率与质量。

　　我国当下较为常见的 WSN 网络拓扑结构的控制方 法主要包括两种 ：

　　(1)网络拓扑结构层次型控制 ：这种控制方法主要 参考分簇思想,将 WSN 系统内部的一部分网络节点设 置为簇头节点,并以簇头节点作为连接点将 WSN 内的 所有节点相互连接,构成信息处理的基础与信息传输的 铜套,其结构如图 2 所示。


　　(2)网络拓扑结构功率型控制 ：这种控制方法主要 是以改变 WSN 网络内各个不同节点的实际功率,在不 影响网络信息传输的效率的情况下,让路由器的运行效 率与节点数量及网络总能量的消耗自动形成一个具有动 态特定的平衡状态。

　　1.1.5 节点定位技术

　　在我国多个领域使用的 WSN 中,节点定位技术都 是其最为关键的技术之一,这种技术能够让 WSN 在运 行过程中感知各个节点数据或事件发生的位置。节点定 位技术在定位时需要进行定位计算,一个准确的位置计 算包括两个步骤 ：距离测定、位置计算。

　　(1)距离测定,这一个步骤具体指的是测量节点 之间的距离,按照 WSN 所使用的节点是否有自行测 量距离的功能为标准,可以将距离测定的算法分为两 种,如下所示 ：1)基于测距法 ：基于测距法较为常见 的有到达时间(TOA)、到达时间差(TDOA)、角度到 达(AOA)、接收信号强度(RSSI)等 ；2)无需测距算 法 ：无需测距算法较为常见的有质心算法 Amorphous 算法、APIT 算法、DV-Hop 算法。

　　(2) 在完成了距离测定后,就需要进行位置计算。 位置计算具体指的是在得到了节点间距离的数据后,以 一些算法得出所求节点的坐标,目前位置计算常用的算 法包括三编辑宣发、三角计算法、极大似然估计法等。

　　1.2 时间同步与数据处理

　　目前我国的 WSN 关键技术的研究中, 关于信息采 集的相关技术以趋向成熟,而关于数据处理的研究相对 较少,同时时间同步机制也越来越受到广泛学者的关注。

　　1.2.1 时间同步机制

　　在 WSN 中,时间同步机制是确保信息传输准确性 的重要技术,该技术能够为 WSN 的网络节点在收集信 息时同步提供准确的时间。目前我国较为常见的时间同 步机制包括 RBS、DMTS、TPSN、FTSP 等, 但由于 WSN 应用环境的广泛化,这些机制并无法完全适应各 种特殊环境,时间同步机制的研究还需进一步加深。

　　1.2.2 数据处理

　　数据处理技术主要包括数据的融合与数据的压缩, 该技术能够减少数据在传输过程中的总量,让 WSN 的 数据传输功能效率更高,存储数据与处理数据的速度 更　快。在 WSN 实际应用时,用户对系统的最基础的要 求就是能够获得需求的信息量,并且获得的信息具有一 定的精度,同时在进行不同用户间的数据传输时,系统 能够对数据的冗余部分进行一定的处理,使得数据的传 输更加快捷便利。目前数据处理技术被大量应用于智能 识别、图像处理、人工智能等多个领域,正逐步成为 WSN 领域研究的下一个热点。

　　目前国内较常使用的数据处理方法包括 ：(1) 图像 回归法 ：图像回归法即在受到网络节点收集的数据后, 系统通过构建线性函数,以最小二乘法的形式来进行采集数据的线性回归,并通过大量算法的计算,获得数据 所记录的事物影像的回归残差图像。(2)主成分分析 法 ：主成分分析法即 PCA 法,系统首先会将手中数据 的冗余部分除去,将剩余的有效数据信息转换为事物的 主成分呈现,简单来说就是对事物被采集的大量未筛选 的数据信息根据特征原则进行适当的筛选与概括,并在 系统中消除其他具有相关性的非关键信息。(3)小波变 换法 ：小波变换法以多个角度对接收到的信号或函数进 行细化,细化方法大多采用伸缩、交换、平移等多种算 法,最终使得收到信号的高频的地方以时间为准则被细 分,信号低频的地方以频率为准则被细分,对时频信号 能够自行进行适应并迅速进行信号分析,让用户可以通 过系统定位到数据采集对象,并能够获得采集对象的大 量细节信息。(4)代数法 ：代数法的技术核心为系统对 采集的数据进行较为直接的代数计算,其算法包括单变 量图像插值法、加权融合等。(5)其他方法 ：除以上四 种数据处理法外,在数据的融合及数据的压缩中,常见 的方法还包括 K-T 变换法、IHS 变换法、贝叶斯估计法、 D-S 推理法、人工神经网络等。

　　1.2.3 数据存储方式

　　WNS 系统在进行数据的收集、处理、传输等环节 后,数据的存储成为了接下来极其重要的一部分,有关 数据存储的相关研究一直都是 WSN 学术研究的重点之 一。目前我国 WSN 中,进行数据存储的主要方法可以 分为四类,分别为集中式存储、本地存储、分布式存储 及 WSN 数据库。

　　(1)集中式存储 ：集中式存储是将 WSN 所收集到 的所有信息与数据全部传动到 WSN 的基站中进行统一 存储,后续在需要信息时在基站中直接进行数据的查 询与提取。这种数据存储方式使得基站所拥有的数据 资源受到的限制变小,采集到的数据即使在近段时间 内不需要利用也可以长期存储, WSN 内的数据处理环 节速度加快,但与此同时,集中式存储法最初数据也 会让 WSN 网络的整体生命周期变短,多频次的数据访 问导致 WSN 在处理数据中会投入大量的资源,降低了 WSN 网络的整体性能。

　　(2) 本地存储 ：本地存储的数据存储方式是将 WSN 收集到的各种不同种类的数据信息统一存储在 WSN 网 络节点所自带的存储器中,在需要进行数据查询时,由 WSN 的基站将查询数据的指令传输到相应节点,网络 节点收到指令后进行相应数据处理,再将处理完成后的 数据整理传输回 WSN 基站,供用户查阅。

　　(3)分布式存储 ：分布式存储即将数据存放在分布于不同地点的部分网络节点中。在后续需要数据时,以 效率较高的信息处理机制来满足用户的需求。这种数据 存储的方式同时具有以上两种存储方式的优势,也缓解 了集中式存储与本地存储的缺点,但在后续用户查询数 据时耗能较多。

　　(4) WSN 数据库 ：这种数据存储方式是以上三种存 储方式的有机融合,是我国最常使用的数据存储方式,使 用最多的几种模式为 StonesDB、PRESTO、TinyDB 等。

　　1.3 通信传输方式

　　随着我国正式进入互联网时代, 各领域的 WSN 能 够收集到的信息数据种类越来越多,信息总量也越来越 大, WSN 的应用范围得到了快速的扩大,但由于应用环 境的不同, WSN 的通信传输方式也随着硬件设备条件等 的变化而出现了差异。常见的 WSN 数据传输方式包括 ：

　　(1) 近距离无线传输方式 ：这种传输方式具体包括 RF433/315M、Z-Wave、ZigBee、WiFi、IPv6/6Lowpan 和 LoRa 等。

　　(2)远距离无线传输方式 ：远距离无线传输方式主 要包括移动空中网、卫星通信、短波通信等,目前在我 国较常出现的为移动空中网。

　　1.4 网络性能评估

　　在 WSN 的实际应用中,由于其应用环境的复杂多 样性,在应用前进行网络性能评估是保证 WSN 顺利运 行的关键点。进行 WSN 网络性能评估时,其重点为 ： (1)评估各个 WSN 网络节点及其他结构的状态方法,即 如何选择进行 WSN 的网络测试的方法 ；(2)怎样保证获 得的网络节点及其他结构的转台的实时性,在出现问题时 如何对网络节点和其他结构进行调整, 即如何保证 WSN 的网络监控实时性 ；(3)以什么形式来让 WSN 的系统 平台反映出 WSN 的运行情况,即如何搭建便于使用的 测试平台。根据以上三个 WSN 性能评估重点,在实际 进行性能评估时所涉及的技术如图 3 所示。

　　(1)网络测试技术,包括无线链路测试和能量消耗 测试。无线链路的测试结果可以用于评估 WSN 整体的 无线链路是否能够正常运行,了解通信的具体情况与通 信质量。能量消耗的测试结果可以用于评估各个网络节 点的能量损耗情况,从而推算出 WSN 整体损耗情况, 进而估算出 WSN 剩余的使用年限。

　　(2) 网络监控技术, 包括网络监视和网络控制。网 路监视技术大多被使用在一些需要长期监控的特殊应用 环境,技术的使用范围相对较狭窄。网络控制技术是通 过编程技术更改网络节点的部分参数或管理系统内存储的数据信息。

　　2　 结语

　　综上所述,本研究总结了目前我国面向物联网的 WSN 中所包含的关键技术,并进行了基础的分类。目 前我国对于 WSN 的研究在相关学者们的努力下,已经 获得了大量有效研究成果,但 WSN 本身具有的差异性 特点要求其在不同应用环境中表现出不同特性。如何建 设出更加具有普适性的 WSN 网络数据传输模型,从而 提升 WSN 网络的环境普适性,进而提高物联网的使用 频率与范围,扔然是 WSN 相关研究急需解决的问题。

　　随着我国物联网技术的不断发展, WSN 渐渐成为 了我国多个领域的核心技术之一。WSN 作为物联网的 基础技术之一,在多个行业被广泛应用,关系着每一 个国民的冗长生活,具有即为远大的发展前景。在未 来 WSN 将进一步向着更全面的一体化的感知型信息网 络发展,进一步改变物体与物体、物体与人类之间的关 系,并随着互联网技术的进一步深化发展, WSN 的应 用范围将更加广泛。

　　参考文献

　　[1] 夏承龙.无线传感器网络的关键技术及其在物联网中的应用 [J].通讯世界,2017(21):66-67.

　　[2] 郭志鹏,李娟,赵友刚,等.物联网中的无线传感器网络技术综 述[J].计算机与应用化学,2019,36(1):72-83.

　　[3] 易月娥.面向物联网的无线传感器网络关键技术研究[J].长 沙民政职业技术学院学报,2017,24(4):118-121.

　　[4] 段永霞.浅析无线传感器网络技术在物联网中的应用[J].百 科论坛电子杂志,2018(5):529.

　　[5] 王美蕴.物联网技术下无线传感器网络在环境监测系统中的 运用分析[J].通信电源技术,2021,38(02):83-85+88.

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