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適於採用無線感測器網路解決方案

發布時間:2022-08-15 02:18:31

① 無線感測器應用,科技讓生活五彩斑斕

現代科技飛速發展,科技更新換代帶來的信息更是強大的,而無線感測器能夠採集設備的數字信號通過無線感測器網路傳輸到監控中心的無線網關,然後直接送入計算機,最後進行分析處理。無線感測器網路是現在常見的,能夠收集到具有感測器節點組成的無線感測器網路的各類信息。無線感測器的應用廣泛且應用實例頗多,下面介紹一下無線網路感測器的應用實例。

橋梁健康檢測及監測

橋梁結構健康監測(SHM)是一種基於感測器的主動防禦型方法,可以彌補目前安全性能十分重要的結構中,把感測器網路安置到橋梁、建築和飛機中,利用感測器進行SHM是一種可靠且不昂貴的做法,可以在第一時間檢測到缺陷的形成。這種網路可以提早向維修人員報告在關鍵結構中出現的缺陷,從而避免災難性事故。

糧倉溫濕度監測

無線感測器網路技術在糧庫糧倉溫度濕度監測領域應用最為普遍,這是由於糧庫糧倉溫度濕度的測點多,分布廣,使用縱橫交錯的信號線會降低防火安全系數,應用無線感測器網路技術具有低功耗,低成本,布線簡單,安裝方便,易於組網,便於管理維護等特點。

混凝土澆灌溫度監測

在混凝土施工過程中,將數字溫度感測器裝入導熱良好的金屬套管內,可保證感測器對混凝土溫度變化作出迅速的反應。每個溫度監測金屬管接入一個無線溫度節點,整個現場的無線溫度節點通過無線網路傳輸到施工監控中心,不需要在施工現場布放長電纜,安裝布放方便,能夠有效解決溫度測量點因為施工人員損壞電纜造成的成活率較低的問題.

地震監測

通過使用由大量互連的微型感測器節點組成的感測器網路,可以對不同環境進行不間斷的高精度數據搜集。採用低功耗的無線通信模塊和無線通信協議可以使感測器網路的生命期延續很長時間。保證了感測器網路的實用性。

無線感測器網路相對於傳統的網路,其最明顯的特色可以用六個字來概括即:「自組織,自癒合」。這些特點使得無線感測器網路能夠適應復雜多變的環境,去監測人力難以到達的惡劣環境地區。BEETECH無線感測器網路節點體積小巧,不需現場拉線供電,非常方便在應急情況下進行靈活部署監測並預測地質災害的發生情況。

建築物振動檢測

建築物懸臂部分不會因為旁邊公路及地鐵交通所引發的振動而超過舒適度的要求;通過現場測量,收集數據以驗證由公路及地鐵交通所引發的振動與主樓懸臂振動之相互關系;同時,通過模態分析得到主樓結構在小振幅脈動振動工況下前幾階振動模態的阻尼比,為將來進行結構的小振幅動力分析提供關鍵數據

無線感測器的應用實例頗多,而且無線感測器的應用范圍廣泛,在現代的城市建設等重要領域都發揮著至關重要的作用。無線感測器的應用,我們也能看出來現在科技的進步對人們現代化的生活是有深刻的影響的,科技能夠讓人們的生活更加便利,更加能夠了解信息的更新。以上就是小兔介紹的無線網路的應用,希望能夠對您有所幫助。

② 無線感測器的應用實例

橋梁健康檢測及監測橋梁結構健康監測(SHM)是一種基於感測器的主動防禦型方法,可以彌補目前安全性能十分重要的結構中,把感測器網路安置到橋梁、建築和飛機中,利用感測器進行SHM是一種可靠且不昂貴的做法,可以在第一時間檢測到缺陷的形成。這種網路可以提早向維修人員報告在關鍵結構中出現的缺陷,從而避免災難性事故。糧倉溫濕度監測無線感測器網路技術在糧庫糧倉溫度濕度監測領域應用最為普遍,這是由於糧庫糧倉溫度濕度的測點多,分布廣,使用縱橫交錯的信號線會降低防火安全系數,應用無線感測器網路技術具有低功耗,低成本,布線簡單,安裝方便,易於組網,便於管理維護等特點。混凝土澆灌溫度監測在混凝土施工過程中,將數字溫度感測器裝入導熱良好的金屬套管內,可保證感測器對混凝土溫度變化作出迅速的反應。每個溫度監測金屬管接入一個無線溫度節點,整個現場的無線溫度節點通過無線網路傳輸到施工監控中心,不需要在施工現場布放長電纜,安裝布放方便,能夠有效解決溫度測量點因為施工人員損壞電纜造成的成活率較低的問題.地震監測通過使用由大量互連的微型感測器節點組成的感測器網路,可以對不同環境進行不間斷的高精度數據搜集。採用低功耗的無線通信模塊和無線通信協議可以使感測器網路的生命期延續很長時間。保證了感測器網路的實用性。無線感測器網路相對於傳統的網路,其最明顯的特色可以用六個字來概括即:「自組織,自癒合」。這些特點使得無線感測器網路能夠適應復雜多變的環境,去監測人力難以到達的惡劣環境地區。BEETECH無線感測器網路節點體積小巧,不需現場拉線供電,非常方便在應急情況下進行靈活部署監測並預測地質災害的發生情況。建築物振動檢測建築物懸臂部分不會因為旁邊公路及地鐵交通所引發的振動而超過舒適度的要求;通過現場測量,收集數據以驗證由公路及地鐵交通所引發的振動與主樓懸臂振動之相互關系; 同時,通過模態分析得到主樓結構在小振幅脈動振動工況下前幾階振動模態的阻尼比,為將來進行結構的小振幅動力分析提供關鍵數據。本次應用採用高精度加速度感測器,捕捉大型結構微弱振動,同樣適用於風載,車輛等引起的脈動測量。

③ 無線感測器網路

無線感測器網路(wirelesssensornetwork,WSN)是綜合了感測器技術、嵌入式計算機技術、分布式信息處理技術和無線通信技術,能夠協作地實時監測、感知和採集網路分布區域內的各種環境或監測對象的信息,並對這些數據進行處理,獲得詳盡而准確的信息。傳送到需要這些信息的用戶。它是由部署在監測區域內大量的廉價微型感測器節點組成,通過無線通信方式形成一個多跳的自組織的網路系統。感測器、感知對象和觀察者構成了感測器網路的三要素。
無線感測器網路作為當今信息領域新的研究熱點,涉及到許多學科交叉的研究領域,要解決的關鍵技術很多,比如:網路拓撲控制、網路協議、網路安全、時間同步、定位技術、數據融合、數據管理、無線通信技術等方面,同時還要考慮感測器的電源和節能等問題。
所謂部署問題,就是在一定的區域內,通過適當的策略布置感測器節點以滿足某種特定的需求。優化節點數目和節點分布形式,高效利用有限的感測器網路資源,最大程度地降低網路能耗,均是節點部署時應注意的問題。
目前的研究主要集中在網路的覆蓋問題、連通問題和能耗問題3個方面。
基於節點部署方式的覆蓋:1)確定性覆蓋2)自組織覆蓋
基於網格的覆蓋:1)方形網格2)菱形網格
被監測目標狀態的覆蓋:1)靜態目標覆蓋2)動態目標覆蓋
連通問題可描述為在感測器節點能量有限,感知、通信和計算能力受限的情況下,採用一定的策略(通常設計有效的演算法)在目標區域中部署感測器節點,使得網路中的各個活躍節點之間能夠通過一跳或多跳方式進行通信。連通問題涉及到節點通信距離和通信范圍的概念。連通問題分為兩類:純連通與路由連通。
覆蓋中的節能對於覆蓋問題,通常採用節點集輪換機制來調度節點的活躍/休眠時間。連通中的節能針對連通問題,也可採用節點集輪換機制與調整節點通信距離的方法。而文獻中涉及最多的主要是從節約網路能量和平衡節點剩餘能量的角度進行路由協議的研究。

④ 無線感測器網路安全目標是要解決網路的哪些問題

無線通信和低功耗嵌入式技術的飛速發展,孕育出無線感測器網路(Wireless Sensor Networks, WSN),並以其低功耗、低成本、分布式和自組織的特點帶來了信息感知的一場變革,無線感測器網路是由部署在監測區域內大量的廉價微型感測器節點,通過無線通信方式形成的一個多跳自組織網路。

信息安全
很顯然,現有的感測節點具有很大的安全漏洞,攻擊者通過此漏洞,可方便地獲取感測節點中的機密信息、修改感測節點中的程序代碼,如使得感測節點具有多個身份ID,從而以多個身份在感測器網路中進行通信,另外,攻擊還可以通過獲取存儲在感測節點中的密鑰、代碼等信息進行,從而偽造或偽裝成合法節點加入到感測網路中。一旦控制了感測器網路中的一部分節點後,攻擊者就可以發動很多種攻擊,如監聽感測器網路中傳輸的信息,向感測器網路中發布假的路由信息或傳送假的感測信息、進行拒絕服務攻擊等。
對策:由於感測節點容易被物理操縱是感測器網路不可迴避的安全問題,必須通過其它的技術方案來提高感測器網路的安全性能。如在通信前進行節點與節點的身份認證;設計新的密鑰協商方案,使得即使有一小部分節點被操縱後,攻擊者也不能或很難從獲取的節點信息推導出其它節點的密鑰信息等。另外,還可以通過對感測節點的合法性進行認證等措施來提高節點本身的安全性能。
根據無線傳播和網路部署特點,攻擊者很容易通過節點間的傳輸而獲得敏感或者私有的信息,如:在使用WSN監控室內溫度和燈光的場景中,部署在室外的無線接收器可以獲取室內感測器發送過來的溫度和燈光信息;同樣攻擊者通過監聽室內和室外節點間信息的傳輸,也可以獲知室內信息,從而非法獲取出房屋主人的生活習慣等私密信息。[6]
對策:對傳輸信息加密可以解決竊聽問題,但需要一個靈活、強健的密鑰交換和管理方案,密鑰管理方案必須容易部署而且適合感測節點資源有限的特點,另外,密鑰管理方案還必須保證當部分節點被操縱後(這樣,攻擊者就可以獲取存儲在這個節點中的生成會話密鑰的信息),不會破壞整個網路的安全性。由於感測節點的內存資源有限,使得在感測器網路中實現大多數節點間端到端安全不切實際。然而在感測器網路中可以實現跳-跳之間的信息的加密,這樣感測節點只要與鄰居節點共享密鑰就可以了。在這種情況下,即使攻擊者捕獲了一個通信節點,也只是影響相鄰節點間的安全。但當攻擊者通過操縱節點發送虛假路由消息,就會影響整個網路的路由拓撲。解決這種問題的辦法是具有魯棒性的路由協議,另外一種方法是多路徑路由,通過多個路徑傳輸部分信息,並在目的地進行重組。
感測器網路是用於收集信息作為主要目的的,攻擊者可以通過竊聽、加入偽造的非法節點等方式獲取這些敏感信息,如果攻擊者知道怎樣從多路信息中獲取有限信息的相關演算法,那麼攻擊者就可以通過大量獲取的信息導出有效信息。一般感測器中的私有性問題,並不是通過感測器網路去獲取不大可能收集到的信息,而是攻擊者通過遠程監聽WSN,從而獲得大量的信息,並根據特定演算法分析出其中的私有性問題。因此攻擊者並不需要物理接觸感測節點,是一種低風險、的獲得私有信息方式。遠程監聽還可以使單個攻擊者同時獲取多個節點的傳輸的信息。
對策:保證網路中的感測信息只有可信實體才可以訪問是保證私有性問題的最好方法,這可通過數據加密和訪問控制來實現;另外一種方法是限制網路所發送信息的粒度,因為信息越詳細,越有可能泄露私有性,比如,一個簇節點可以通過對從相鄰節點接收到的大量信息進行匯集處理,並只傳送處理結果,從而達到數據化。
拒絕服務攻擊(DoS)
專門的拓撲維護技術研究還比較少,但相關研究結果表明優化的拓撲維護能有效地節省能量並延長網路生命周期,同時保持網路的基本屬性覆蓋或連通。本節中,根據拓撲維護決策器所選維護策略

在無線感測器網路的研究中,能效問題一直是熱點問題。當前的處理器以及無線傳輸裝置依然存在向微型化發展的空間,但在無線網路中需要數量更多的感測器,種類也要求多樣化,將它們進行鏈接,這樣會導致耗電量的加大。如何提高網路性能,延長其使用壽命,將不準確性誤差控制在最小將是下一步研究的問題。
採集與管理數據

在今後,無線感測器網路接收的數據量將會越來越大,但是當前的使用模式對於數量龐大的數據的管理和使用能力有限。如何進一步加快其時空數據處理和管理的能力,開發出新的模式將是非常有必要的。
無線通訊的標准問題

標準的不統一會給無線感測器網路的發展帶來障礙,在接下來的發展中,要開發出無線通訊標准。

⑤ 物聯網無線感測器網路的應用領域有哪些

主要特點

大規模

為了獲取精確信息,在監測區域通常部署大量感測器節點,可能達到成千上萬,甚至更多。感測器網路的大規模性包括兩方面的含義:一方面是感測器節點分布在很大的地理區域內,如在原始大森林採用感測器網路進行森林防火和環境監測,需要部署大量的感測器節點;另一方面,感測器節點部署很密集,在面積較小的空間內,密集部署了大量的感測器節點。

感測器網路的大規模性具有如下優點:通過不同空間視角獲得的信息具有更大的信噪比;通過分布式處理大量的採集信息能夠提高監測的精確度,降低對單個節點感測器的精度要求;大量冗餘節點的存在,使得系統具有很強的容錯性能;大量節點能夠增大覆蓋的監測區域,減少洞穴或者盲區。

自組織

在感測器網路應用中,通常情況下感測器節點被放置在沒有基礎結構的地方,感測器節點的位置不能預先精確設定,節點之間的相互鄰居關系預先也不知道,如通過飛機播撒大量感測器節點到面積廣闊的原始森林中,或隨意放置到人不可到達或危險的區域。這樣就要求感測器節點具有自組織的能力,能夠自動進行配置和管理,通過拓撲控制機制和網路協議自動形成轉發監測數據的多跳無線網路系統。

在感測器網路使用過程中,部分感測器節點由於能量耗盡或環境因素造成失效,也有一些節點為了彌補失效節點、增加監測精度而補充到網路中,這樣在感測器網路中的節點個數就動態地增加或減少,從而使網路的拓撲結構隨之動態地變化。感測器網路的自組織性要能夠適應這種網路拓撲結構的動態變化。

動態性

感測器網路的拓撲結構可能因為下列因素而改變:①環境因素或電能耗盡造成的感測器節點故障或失效;②環境條件變化可能造成無線通信鏈路帶寬變化,甚至時斷時通;③感測器網路的感測器、感知對象和觀察者這三要素都可能具有移動性;④新節點的加入。這就要求感測器網路系統要能夠適應這種變化,具有動態的系統可重構性。

可靠性

WSN特別適合部署在惡劣環境或人類不宜到達的區域,節點可能工作在露天環境中,遭受日曬、風吹、雨淋,甚至遭到人或動物的破壞。感測器節點往往採用隨機部署,如通過飛機撒播或發射炮彈到指定區域進行部署。這些都要求感測器節點非常堅固,不易損壞,適應各種惡劣環境條件。

⑥ 無線智能感測器有哪些類型組網方案是什麼一般適用在什麼地方

Z-Wave是由丹麥公司Zensys所一手主導的無線組網規格,是一種新興的基於射頻的、低成本、低功耗、高可靠、適於網路的短距離無線通信技術。工作頻帶為908.42MHz(美國)~868.42MHz(歐洲),採用FSK(BFSK/GFSK)調制方式,數據傳輸速率為9.6kbps,信號的有效覆蓋范圍在室內是30m,室外可超過100m,適合於窄帶寬應用場合。隨著通信距離的增大,設備的復雜度、功耗以及系統成本都在增加,相對於現有的各種無線通信技術,Z-Wave技術將是最低功耗和最低成本的技術,有力地推動著低速率無線個人區域網。每一個Z-Wave網路都擁有自己獨立的網路地址(HomeID);網路內每個節點的地址(NodeID),由控制節點(Controller)分配。每個網路最多容納232個節點(Slave),包括控制節點在內,這造就了其在智能家居無線控制領域,經常應用在智能家居的:燈光控制系統,窗簾窗戶控制系統,家電基本控制,安防監控報警等。設計用於住宅、照明商業控制以及狀態讀取應用,例如抄表、照明及家電控制、HVAC、接入控制、防盜及火災檢測等。Z-Wave可將任何獨立的設備轉換為智能網路設備,從而可以實現控制和無線監測。

⑦ 試著設計一個用於煤礦工人井下定位的礦井地下無線感測器網路系統結構方案,並闡述設計的基本思路。

礦井環境監測中通常需要對礦井風速、礦塵、一氧化碳、溫度、濕度、氧氣、硫化氫和二氧化碳等參數進行檢測。現有的監控檢測系統需要在礦井內設通信線路,傳遞監測信息。生產過程中礦井結構在不停變化,加之有些坑道空間狹小,對通信線路的延伸和維護提出了很高的要求。一旦通信鏈路發生故障,整個監測系統就可能癱瘓。為解決上述問題,本文提出使用無線感測器網路來進行礦井環境的監測監控。使用無線感測器網路進行環境監控有三個顯著的優勢:(1)感測器節點體積小且整個網路只需要部署一次,因此部署感測器網路對監控環境的人為影響很小;(2)感測器網路節點數量大,分布密度高,每個節點可以檢測到局部環境詳細信息並匯總到基站,因此感測器網路具有採集數據全面,精度高的特點;(3)無線感測器節點本身具有一定的計算能力和存儲能力,可以根據物理環境的變化進行較為復雜的監控。感測器節點還具有無線通信的能力,可以在節點間進行協同監控[1]。節點的計算能力和無線通信能力使得感測器網路能夠重新編程和重新部署,對環境變化、感測器網路自身變化以及網路控制指令做出及時反應。即使礦井結構遭到破壞,仍能自動恢復組網,傳遞信息,為礦難救助等提供重要信息。無線感測器網路自身的這些特點特別適用於礦井環境監測。

⑧ 無線感測器網路可能採用哪些無線通信方式

基於XL.SN智能感測網路的無線感測器數據採集傳輸系統,可以實現對溫度,壓力,氣體,溫濕度,液位,流量,光照,降雨量,振動,轉速等數據參數的實時採集,無線傳輸,無線監控與預警。在實際應用中,無線感測器數據採集傳輸系統常見的包括深圳信立科技農業物聯網智能大棚環境監控系統,智慧養殖環境監控系統,智慧管網管溝監控系統,倉儲館藏環境監控系統,機房實驗室環境監控系統,危險品倉庫環境監控系統,大氣環境監控系統,智能製造運行過程監控系統,能源管理系統,電力監控系統等。
無線感測器數據採集傳輸系統,比較常用的的無線數據傳輸組網技術包括433MHZ,Zigbee(2.4G),運營商網路(GPRS)等三種方式,其中433MHZ,Zigbee(2.4G)屬於近距離無線通訊技術,並且都使用ISM免執照頻段。運營商網路(GPRS)屬於遠距離無線通訊技術,按數據流量收費。
1、基於Zigbee(2.4G)的智能感測網路
ZigBee的特點是低功耗、高可靠性、強抗干擾性,布網容易,通過無線中繼器可以非常方便地將網路覆蓋范圍擴展至數十倍,因此從小空間到大空間、從簡單空間環境到復雜空間環境的場合都可以使用。但相比於WiFi技術,Zigbee是定位於低傳輸速率的應用,因此Zigbee顯然不適合於高速上網、大文件下載等場合。對於餐飲行業的無線點餐應用,由於其數據傳輸量一般來說都不是很大,因此Zigbee技術是非常適合該應用的。

2、基於433MHz的智能感測網路
433MHz技術使用433MHz無線頻段,因此相比於WiFi和Zigbee,433MHz的顯著優勢是無線信號的穿透性強、能夠傳播得更遠。但其缺點也是很明顯的,就是其數據傳輸速率只有9600bps,遠遠小於WiFi和Zigbee的數據速率,因此433Mhz技術一般只適用於數據傳輸量較少的應用場合。從通訊可靠性的角度來講,433Mhz技術和WiFi一樣,只支持星型網路的拓撲結構,通過多基站的方式實現網路覆蓋空間的擴展,因此其無線通訊的可靠性和穩定性也遜於Zigbee技術。另外,不同於Zigbee和WiFi技術中所採用的加密功能,433Mhz網路中一般採用數據透明傳輸協議,因此其網路安全可靠性也是較差的。

3、基於運營商的智能感測網路
GPRS無線傳輸設備主要針對工業級應用,是一款內嵌GSM/GPRS核心單元的無線Modem,採用GSM/GPRS網路為傳輸媒介,是一款基於移動GSM短消息平台和GPRS數據業務的工業級通訊終端。它利用GSM 移動通信網路的簡訊息和GPRS業務為用戶搭建了一個超遠距離的數據傳輸平台。
標准工業規格設計,提供RS232標准介面,直接與用戶設備連接,實現中英文簡訊功能,彩信功能,GPRS數據傳輸功能。具有完備的電源管理系統,標準的串列數據介面。外觀小巧,軟體介面簡單易用。可廣泛應用於工業簡訊收發、GPRS實時數據傳輸等諸多工業與民用領域。

⑨ 有關無線感測器網路中時間同步機制有哪些方法和策略

1  時間同步技術的重要性 
感測器節點的時鍾並不完美,會在時間上發生漂移,所以觀察到的時間對於網路中的節點來說是不同的。但很多網路協議的應用,都需要一個共同的時間以使得網路中的節點全部或部分在瞬間是同步的。 
第一,感測器節點需要彼此之間並行操作和協作去完成復雜的感測任務。如果在收集信息過程中,感測器節點缺乏統一的時間戳(即沒有同步),估計將是不準確的。 
第二,許多節能方案是利用時間同步來實現的。例如,感測器可以在適當的時候休眠(通過關閉感測器和收發器進入節能模式),在需要的時候再喚醒。在應用這種節能模式的時候,節點應該在同等的時間休眠和喚醒,也就是說當數據到來時,節點的接收器可以接收,這個需要感測器節點間精確的定時。 
2  時間同步技術所關注的主要性能參數 
時間同步技術的根本目的是為網路中節點的本地時鍾提供共同的時間戳。對無線感測器
網路WSN(Wireless Sensor Networks)[1]
的時間同步應主要應考慮以下幾個方面的問題: 
(1)能量效率。同步的時間越長,消耗的能量越多,效率就越低。設計WSN的時間同步演算法需以考慮感測器節點有效的能量資源為前提。 
(2) 可擴展性和健壯性。時間同步機制應該支持網路中節點的數目或者密度的有效擴展,並保障一旦有節點失效時,餘下網路有效且功能健全。 
(3)精確度。針對不同的應用和目的,精確度的需求有所不用。 
(4)同步期限。節點需要保持時間同步的時間長度可以是瞬時的,也可以和網路的壽命一樣長。 
(5)有效同步范圍。可以給網路內所有節點提供時間,也可以給局部區域的節點提供時間。 
(6)成本和尺寸。同步可能需要特定的硬體,另外,體積的大小也影響同步機制的實現。 (7)最大誤差。一組感測器節點之間的最大時間差,或相對外部標准時間的最大差。 3  現有主要時間同步方法研究 
時間同步技術是研究WSN的重要問題,許多具體應用都需要感測器節點本地時鍾的同步,要求各種程度的同步精度。WSN具有自組織性、多跳性、動態拓撲性和資源受限性,尤其是節點的能量資源、計算能力、通信帶寬、存儲容量有限等特點,使時間同步方案有其特
殊的需求,也使得傳統的時間同步演算法不適合於這些網路[2]
。因此越來越多的研究集中在設
計適合WSN的時間同步演算法[3]
。針對WSN,目前已經從不同角度提出了許多新的時間同步演算法[4]
。 
3.1  成對(pair-wise)同步的雙向同步模式 
代表演算法是感測器網路時間同步協議TPSN(Timing-Sync Protocol for Sensor 
Networks)[5~6]
。目的是提供WSN整個網路范圍內節點間的時間同步。 
該演算法分兩步:分級和同步。第一步的目的是建立分級的拓撲網路,每個節點有個級別。只有一個節點與外界通信獲取外界時間,將其定為零級,叫做根節點,作為整個網路系統的時間源。在第二步,每個i級節點與i-1(上一級)級節點同步,最終所有的節點都與根節點同步,從而達到整個網路的時間同步。詳細的時間同步過程如圖 1 所示。 
 

圖1  TPSN 同步過程 
 
設R為上層節點,S為下層節點,傳播時間為d,兩節點的時間偏差為θ。同步過程由節點R廣播開始同步信息,節點S接收到信息以後,就開始准備時間同步過程。在T1時刻,節點S發送同步信息包,包含信息(T1),節點R在T2接收到同步信息,並記錄下接收時間T2,這里滿足關系:21TTd 
節點R在T3時刻發送回復信息包,包含信息(T1,T2,T3)。在T4時刻S接收到同步信息包,滿足關系:43TTd 
最後,節點S利用上述2個時間表達式可計算出的值:(21)(43)2
TTTT 
TPSN由於採用了在MAC層給同步包標記時間戳的方式,降低了發送端的不確定性,消除了訪問時間帶來的時間同步誤差,使得同步效果更加有效。並且,TPSN演算法對任意節點的同步誤差取決於它距離根節點的跳數,而與網路中節點總數無關,使TPSN同步精度不會隨節點數目增加而降級,從而使TPSN具有較好的擴展性。TPSN演算法的缺點是一旦根節點失效,就要重新選擇根節點,並重新進行分級和同步階段的處理,增加了計算和能量開銷,並隨著跳數的增加,同步誤差呈線性增長,准確性較低。另外,TPSN演算法沒有對時鍾的頻差進行估計,這使得它需要頻繁同步,完成一次同步能量消耗較大。 
3.2  接收方-接收方(Receiver-Receiver)模式 
代表演算法是參考廣播時間同步協議RBS(Reference Broadcast Synchronization)[7]
。RBS是典型的基於接收方-接收方的同步演算法,是Elson等人以「第三節點」實現同步的思想而提出的。該演算法中,利用無線數據鏈路層的廣播信道特性,基本思想為:節點(作為發
送者)通過物理層廣播周期性地向其鄰居節點(作為接收者)發送信標消息[10]
,鄰居節點記錄下廣播信標達到的時間,並把這個時間作為參考點與時鍾的讀數相比較。為了計算時鍾偏移,要交換對等鄰居節點間的時間戳,確定它們之間的時間偏移量,然後其中一個根據接收
到的時間差值來修改其本地的時間,從而實現時間同步[11]
。 
假如該演算法在網路中有n個接收節點m個參考廣播包,則任意一個節點接收到m個參考包後,會拿這些參考包到達的時間與其它n-1個接收節點接收到的參考包到達的時間進行比較,然後進行信息交換。圖2為RBS演算法的關鍵路徑示意圖。 
網路介面卡
關鍵路徑
接收者1
發送者
接收者2
 
圖2  RBS演算法的關鍵路徑示意圖 
 
其計算公式如下: 
,,1
1,:[,]()m
jkikkinjnoffsetijTTm
 其中n表示接收者的數量,m表示參考包的數量,,rbT表示接收節點r接收到參考包b時的時鍾。 

此演算法並不是同步發送者和接收者,而是使接收者彼此同步,有效避免了發送訪問時間對同步的影響,將發送方延遲的不確定性從關鍵路徑中排除,誤差的來源主要是傳輸時間和接收時間的不確定性,從而獲得了比利用節點間雙向信息交換實現同步的方法更高的精確度。這種方法的最大弊端是信息的交換次數太多,發送節點和接收節點之間、接收節點彼此之間,都要經過消息交換後才能達到同步。計算復雜度較高,網路流量開銷和能耗太大,不適合能量供應有限的場合。 
3.3  發送方-接收方(Sender-Receiver)模式 
基於發送方-接收方機制的時間同步演算法的基本原理是:發送節點發送包含本地時間戳的時間同步消息,接收節點記錄本地接收時間,並將其與同步消息中的時間戳進行比較,調整本地時鍾。基於這種方法提出的時間同步演算法有以下兩種。 
3.3.1  FTSP 演算法[8]
 
泛洪時間同步協議FTSP(Flooding Time Synchronization Protocol)由Vanderbilt大學Branislav Kusy等提出,目標是實現整個網路的時間同步且誤差控制在微秒級。該演算法用單個廣播消息實現發送節點與接收節點之間的時間同步。 
其特點為:(1)通過對收發過程的分析,把時延細分為發送中斷處理時延、編碼時延、傳播時延、解碼時延、位元組對齊時延、接收中斷處理時延,進一步降低時延的不確定度;(2)通過發射多個信令包,使得接收節點可以利用最小方差線性擬合技術估算自己和發送節點的頻率差和初相位差;(3)設計一套根節點選舉機制,針對節點失效、新節點加入、拓撲變化
等情況進行優化,適合於惡劣環境[12]
。 
FTSP演算法對時鍾漂移進行了線性回歸分析。此演算法考慮到在特定時間范圍內節點時鍾晶振頻率是穩定的,因此節點間時鍾偏移量與時間成線性關系,通過發送節點周期性廣播時間同步消息,接收節點取得多個數據對,構造最佳擬合直線,通過回歸直線,在誤差允許的時間間隔內,節點可直接通過它來計算某一時間節點間的時鍾偏移量而不必發送時間同步消息進行計算,從而減少了消息的發送次數並降低了系統能量開銷。 
FTSP結合TPSN和RBS的優點,不僅排除了發送方延遲的影響,而且對報文傳輸中接收方的不確定延遲(如中斷處理時間、位元組對齊時間、硬體編解碼時間等)做了有效的估計。多跳的FTSP協議採用層次結構,根節點為同步源,可以適應大量感測器節點,對網路拓撲結構的變化和根節點的失效有健壯性,精確度較好。該演算法通過採用MAC層時間戳和線性回歸偏差補償彌補相關的錯誤源,通過對一個數據包打多個時戳,進而取平均和濾除抖動較大的時戳,大大降低了中斷和解碼時間的影響。FTSP 採用洪泛的方式向遠方節點傳遞時間基準節點的時間信息,洪泛的時間信息可由中轉節點生成,因此誤差累積不可避免。另外,FTSP的功耗和帶寬的開銷巨大。 
3.3.2  DMTS 演算法[9]
 
延遲測量時間同步DMTS (delay measurement time synchronization) 演算法的同步機制是基於發送方-接收方的同步機制。DMTS 演算法的實現策略是犧牲部分時間同步精度換取較低的計算復雜度和能耗,是一種能量消耗輕的時間同步演算法。 
DMTS演算法的基本原理為:選擇一個節點作為時間主節點廣播同步時間,所有接收節點通過精確地測量從發送節點到接收節點的單向時間廣播消息的延遲並結合發送節點時間戳,計算出時間調整值,接收節點設置它的時間為接收到消息攜帶的時間加上廣播消息的傳輸延遲,調整自己的邏輯時鍾值以和基準點達成同步,這樣所有得到廣播消息的節點都與主節點進行時間同步。發送節點和接收節點的時間延遲dt可由21()dtnttt得出。其中,nt為發送前導碼和起始字元所需的時間,n為發送的信息位個數,t為發送一位所需時間;1t為接收節點在消息到達時的本地時間;2t為接收節點在調整自己的時鍾之前的那一時刻記錄的本地時間,21()tt是接收處理延遲。 

DMTS 演算法的優點是結合鏈路層打時間戳和時延估計等技術,消除了發送時延和訪問時延的影響,演算法簡單,通信開銷小。但DMTS演算法沒有估計時鍾的頻率偏差,時鍾保持同步的時間較短,沒有對位偏移產生的時間延遲進行估計,也沒有消除時鍾計時精度對同步精度的影響,因此其同步精度比FTSP略有下降,不適用於定位等要求高精度同步的應用。 
基於發送方-接收方單向同步機制的演算法在上述三類方法中需要發送的時間同步消息數目最少。發送節點只要發送一次同步消息,因而具有較低的網路流量開銷和復雜度,減少了系統能耗。 
4  結論 
文章介紹了WSN時間同步演算法的類型以及各自具有代表性的演算法,分析了各演算法的設計原理和優缺點。這些協議解決了WSN中時間同步所遇到的主要問題,但對於大型網路,已有的方法或多或少存在著一些問題:擴展性差、穩定性不高、收斂速度變慢、網路通信沖突、能耗增大。今後的研究熱點將集中在節能和時間同步的安全性方面。這將對演算法的容錯性、有效范圍和可擴展性提出更高的要求。 

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