“智能塵埃”的體系結構與關鍵技術

摘要：主要分析了美軍“智能塵埃”的硬件體系結構與網絡體系結構，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、節能技術、微型化技術與微型操作系統進行了簡介，并指出了其網絡體系結構、信道接入技術與路由技術所存在的不足，提出了相應的改進方法。

一、前言

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

　美國五角大樓提出了“智能塵埃”的設計思想，目的是在戰場上拋撒數千個微小的無線傳感器，用于監控敵人的活動情況，而不讓敵方察覺。通過自組織一個無線傳感器網絡，“智能塵埃”將對相關原始數據進行過濾，把重要的信息發送給中央司令部。“智能塵埃”的特點就是體積小、功耗低、自組織、無線通訊，這也是網絡化的微型傳感器的特征。

　 美國陸軍已計劃開發的多層次集成式傳感器系統—靈巧傳感器網絡通信(SSNC)，是美國2001財年的一項科學技術目標（STO）計劃,這是網絡化微型傳感器在軍事領域的一個非常好的應用。 另外，在民用領域，這種傳感器可以廣泛地應用于各種環境的監測，尤其是在惡劣的環境和無人環境下的環境監測。

二、“智能塵埃”的硬件體系結構

　在戰場上，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，為了實現一定的功能而縮小體積是硬件設計的最大挑戰。“智能塵埃”的最終目標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境提供能量。然而在目前階段，處于原型開發與試驗階段的傳感器體積都還有火柴盒的大小，圖1就是加州大學伯克利分校開發的“智能塵埃”。

　它集成了處理器(AT 90LS8535)、EPROM、串口、無線發射模塊（TR1000）、溫度傳感器（AD7418）、光強傳感器（CL9P4L）。因為系統是由電池供電，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。

　為了實現系統的微型化，硬件電路[1]采用模塊化設計，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，內嵌8K內存用于存儲程序代碼，還有512字節的RAM用于存儲數據；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據。

　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的數據傳輸速率，理想傳輸環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。傳感器系統處于收發數據的工作模式下可以連續供電35個小時，而處于休眠狀態等節能模式下能夠供電至少一年。

三、自組織的網絡體系結構：

　當傳感器系統部署好了以后，所有的傳感器系統就自動組成了一個網絡，每個傳感器系統統稱為一個節點(node)如圖3。這些節點之間能夠互相通訊，同時也能夠與基站（Base Station）進行通訊。基站是一個中轉站，它將傳感器的數據發送到計算機終端上，同時將計算機終端的命令通過無線通訊模塊發送到相關節點。現階段，基站與主機均處在傳感器網絡的工作范圍之內，但在將來的實際使用中，基站與主機是空間獨立的，基站在傳感器網絡的工作范圍之內，而主機則在軍隊的指揮中心，它們將通過衛星進行通訊。

　根據節點規模的大小，傳感器網絡結構可分成兩種：平面結構和分級結構。

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

　分級結構中，網絡被劃分為簇（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絡，如圖4。簇頭結點負責簇間數據的轉發，它可以預先指定，也可以由結點使用分簇算法自動選舉產生。在分級結構的網絡中，簇成員的功能比較簡單，不需要維護復雜的路由信息，這大大減少了網絡中路由控制信息的數量，因此具有很好的可擴充性。由于簇頭結點可以隨時選舉產生，分級結構也具有很強的抗毀性。分級結構的缺點是：維護分級結構需要結點執行分簇算法，簇頭結點可能會成為網絡的瓶頸。具體的分簇算法[2]有最小節點ID分簇算法、考慮能量耗費和穩定度的分簇算法、自適應按需加權的分簇算法（AOW）、限制簇尺寸的分簇算法等等，必須按照系統本身具體的需要進行選取與設計。

　 當網絡的規模較小時，可以采用簡單的平面式結構，“智能塵埃”目前就是使用的平面式結構；而當網絡的規模增大時，就必須使用分級結構。

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，節點并不能直接將數據發送到基站，而是采用多跳路由（Multi-Hop）[3]的傳輸方式往基站發送數據。因此，每個節點必須具有報文（數據包）轉發能力，也就是說，一個節點不僅要完成數據采集與傳輸的工作，還要具備路由器的功能—路由器部分主要負責維護網絡的拓撲結構和路由信息，完成報文的轉發。由于節點部署好了以后，某些節點可能會不斷的改變自身的位置，任意節點都有可能隨時開機與關機，因此，網絡的拓撲信息是動態更新的。在戰場環境下，最終目標是要保證整個傳感器網絡在節點位置的改變、工作方式的改變與節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點數目少到不能組成網絡。

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：每個節點需要維護一張包含到達其它節點的路由信息的路由表，當檢測到網絡拓撲結構發生變化時，節點發送更新消息，收到更新消息的節點將更新自己的路由表，以維護一致的、及時的、準確的路由信息，所以路由表可以準確地反映網絡的拓撲結構。源節點一旦要發送報文，可以立即獲得到達目的節點的路由。這種算法的優點是時延小，缺點是開銷大。當傳感器的規模增大時，用來維護路由所消耗的能量將按幾何級數增加，所以對一個以電池供電的系統來說就不適宜了。這時就必須采用新的路由算法，即反應式(reactive)算法，這種算法的基本思想是：不要求節點維護及時準確的路由信息，當向目的節點發送報文時，源節點才在網絡中發起路由查找過程，找到相應的路由。反應式路由算法開銷小，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式結合的混合算法，在局部范圍內使用先驗式算法，維護準確的路由信息，并可縮小路由控制消息傳播的范圍，當目的節點較遠時，通過按需查找發現路由，這樣既可減少算法的開銷，時延也得到了改善。“智能塵埃”的開發人員一直在進行算法方面的開發與完善工作，他們的目標是設計一種既簡單、穩定，又時延小、開銷小的算法。

五、其它關鍵技術

1、信道接入技術

“智能塵埃”使用的是共享的單信道通訊方式，所有的節點都是使用這個共享的信道進行通訊，因此，每個節點如何有效的接入與使用該信道是該傳感器網絡能否高效工作的核心技術。其具體使用的是CSMA[4]（Carrier Sense Multiple Access）協議，基本思想如下：當一個節點在信道上發送報文時，其它所有的節點都能“聽到”它的發送，并采用退避算法延遲自己的發送，當監測到信道空閑時，再接入信道進行發送，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，如采用控制信道與數據信道分離的雙信道接入技術。

2、節能技術

能源是“智能塵埃”最重要的資源，如何有效的節約能源是網絡化微型傳感器必須考慮的關鍵技術。“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）以及發送模式（transmit），有效地進入睡眠模式與空閑模式將大大的節約能源。圖5詳細描敘了各種工作模式之間有效的轉化關系，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能模式也是節能技術的關鍵。

3、微型化技術

“智能塵埃”微型化技術在現階段還集中在硬件電路的設計上，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”的硬件開發小組下一步的目標是采用MEMS技術對整個系統重新設計，包括傳感器與處理器的設計，系統重新布板與封裝等，將整個系統的體積控制到1mm3。

4、嵌入式微型操作系統：

“智能塵埃”的所有功能的實現都依賴于嵌入式微型操作系統的設計。加州大學伯克力分校計算機科學系“智能塵埃”課題組基于多線程技術，開發了一種微型操作系統—TinyOS，其主要任務就是利用有限的資源（CPU,內存均受限）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，整個操作系統基本上就是由一系列的組件模型組成。當系統要完成某個任務時，就會調用事件調度器，事件調度器再有順序地調用各種組件，從而高效、有序地完成各種功能。

六、結束語

“智能塵埃”是美軍將來網絡化戰場中最重要的傳感器系統，目前仍處于開發測試階段。該工程涉及微型操作系統技術、微機電加工技術、自組織路由技術、信道接入控制技術、集成的低功耗通訊技術等等最新的多領域內的技術，實現的難度很大，預計在2010年以前將會投入到戰場使用。而在民用領域則可廣泛應用于各種需要監控的環境中，因此，開發類似于“智能塵埃”這種網絡化的微型傳感器系統將具有非常廣泛的應用前景。