智能尘埃的体系结构与关键技术.docx

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智能尘埃的体系结构与关键技术

“智能尘埃”的体系结构与关键技术

摘要：

主要分析了美军“智能尘埃”的硬件体系结构与网络体系结构，介绍了它的自组织的工作方式，对“智能尘埃”所使用的信道接入技术、节能技术、微型化技术与微型操作系统进行了简介，并指出了其网络体系结构、信道接入技术与路由技术所存在的不足，提出了相应的改进方法。

关键词：

网络化传感器；智能尘埃；节点；TinyOS

中图分类号：

TP212.6 文献标识码：

A  

一、前言

   在微机电加工技术（使芯片微型化）、自组织的网络技术、集成的低功耗的通讯技术和低功耗传感器集成技术这四种技术的共同作用下，传感器也在朝着微型化与网络化方面发展。

   美国五角大楼提出了“智能尘埃”的设计思想，目的是在战场上抛撒数千个微小的无线传感器，用于监控敌人的活动情况，而不让敌方察觉。

通过自组织一个无线传感器网络，“智能尘埃”将对相关原始数据进行过滤，把重要的信息发送给中央司令部。

“智能尘埃”的特点就是体积小、功耗低、自组织、无线通讯，这也是网络化的微型传感器的特征。

   美国陆军已计划开发的多层次集成式传感器系统—灵巧传感器网络通信（SSNC），是美国2001财年的一项科学技术目标（STO）计划,这是网络化微型传感器在军事领域的一个非常好的应用。

另外，在民用领域，这种传感器可以广泛地应用于各种环境的监测，尤其是在恶劣的环境和无人环境下的环境监测。

二、“智能尘埃”的硬件体系结构

   在战场上，传感器的体积越小越好，功能越强大越好，然而这两者是互相制约的。

很明显，为了实现一定的功能而缩小体积是硬件设计的最大挑战。

“智能尘埃”的最终目标是将传感器集成到与尘埃大小相同的体积上，甚至可以利用传感器所处环境提供能量。

然而在目前阶段，处于原型开发与试验阶段的传感器体积都还有火柴盒的大小，图1就是加州大学伯克利分校开发的“智能尘埃”。

   它集成了处理器（AT90LS8535）、EPROM、串口、无线发射模块（TR1000）、温度传感器（AD7418）、光强传感器（CL9P4L）。

因为系统是由电池供电，所以能耗受限。

为了减少功耗，各个硬件均采用小体积，低功耗的器件。

   为了实现系统的微型化，硬件电路[1]采用模块化设计，由主机模块、传感器模块、通讯模块、电源模块四部分组成。

   主机模块：

微处理器采用ATMEL公司的AT90LS8535。

AT90LS8535是8位AVR单片机，内嵌8K内存用于存储程序代码，还有512字节的RAM用于存储数据；外接4MHz晶振，保证较低功耗。

副处理器的主要功能是存储临时数据。

   传感器模块：

光强传感器采用Clairex公司的CL9P4L，它实际上就是一个光电二极管，能将光强的变化转化为电阻的变化；温度传感器采用AD公司的AD7418。

   通讯模块：

无线收发器件采用RFM公司的TR1000。

TR1000外围电路简单，具有睡眠模式以降低功耗，可达到115.2kbps的数据传输速率，理想传输环境下有效通讯距离为1000m。

   电源模块：

电池采用Panasonic公司的CR2054。

CR2054储存了560mAh的电能，并且体积较小。

传感器系统处于收发数据的工作模式下可以连续供电35个小时，而处于休眠状态等节能模式下能够供电至少一年。

三、自组织的网络体系结构：

   当传感器系统部署好了以后，所有的传感器系统就自动组成了一个网络，每个传感器系统统称为一个节点（node）如图3。

这些节点之间能够互相通讯，同时也能够与基站（BaseStation）进行通讯。

基站是一个中转站，它将传感器的数据发送到计算机终端上，同时将计算机终端的命令通过无线通讯模块发送到相关节点。

现阶段，基站与主机均处在传感器网络的工作范围之内，但在将来的实际使用中，基站与主机是空间独立的，基站在传感器网络的工作范围之内，而主机则在军队的指挥中心，它们将通过卫星进行通讯。

   根据节点规模的大小，传感器网络结构可分成两种：

平面结构和分级结构。

   平面结构的网络比较简单，所有结点的地位平等，所以又可以称为对等式结构。

这种结构的网络中所有结点是完全对等的，原则上不存在瓶颈，所以比较健壮。

它的缺点是可扩充性差，每一个结点都需要知道到达其他所有结点的路由，而维护这些动态变化的路由信息需要大量的控制消息。

   分级结构中，网络被划分为簇（Cluster），每个簇由一个簇头（ClusterHead）和多个簇成员（ClusterMember）组成，这些簇头形成了高一级的网络，如图4。

簇头结点负责簇间数据的转发，它可以预先指定，也可以由结点使用分簇算法自动选举产生。

在分级结构的网络中，簇成员的功能比较简单，不需要维护复杂的路由信息，这大大减少了网络中路由控制信息的数量，因此具有很好的可扩充性。

由于簇头结点可以随时选举产生，分级结构也具有很强的抗毁性。

分级结构的缺点是：

维护分级结构需要结点执行分簇算法，簇头结点可能会成为网络的瓶颈。

具体的分簇算法[2]有最小节点ID分簇算法、考虑能量耗费和稳定度的分簇算法、自适应按需加权的分簇算法（AOW）、限制簇尺寸的分簇算法等等，必须按照系统本身具体的需要进行选取与设计。

   当网络的规模较小时，可以采用简单的平面式结构，“智能尘埃”目前就是使用的平面式结构；而当网络的规模增大时，就必须使用分级结构。

四、自组织的路由算法

   由于无线通讯存在有效通讯距离的限制，节点并不能直接将数据发送到基站，而是采用多跳路由（Multi-Hop）[3]的传输方式往基站发送数据。

因此，每个节点必须具有报文（数据包）转发能力，也就是说，一个节点不仅要完成数据采集与传输的工作，还要具备路由器的功能—路由器部分主要负责维护网络的拓扑结构和路由信息，完成报文的转发。

由于节点部署好了以后，某些节点可能会不断的改变自身的位置，任意节点都有可能随时开机与关机，因此，网络的拓扑信息是动态更新的。

在战场环境下，最终目标是要保证整个传感器网络在节点位置的改变、工作方式的改变与节点加入或退出等各种条件下都能够正常工作，除非能正常工作的节点数目少到不能组成网络。

   目前，“智能尘埃”使用的是先验性（proactive）路由算法，它的主要思想是：

每个节点需要维护一张包含到达其它节点的路由信息的路由表，当检测到网络拓扑结构发生变化时，节点发送更新消息，收到更新消息的节点将更新自己的路由表，以维护一致的、及时的、准确的路由信息，所以路由表可以准确地反映网络的拓扑结构。

源节点一旦要发送报文，可以立即获得到达目的节点的路由。

这种算法的优点是时延小，缺点是开销大。

当传感器的规模增大时，用来维护路由所消耗的能量将按几何级数增加，所以对一个以电池供电的系统来说就不适宜了。

这时就必须采用新的路由算法，即反应式（reactive）算法，这种算法的基本思想是：

不要求节点维护及时准确的路由信息，当向目的节点发送报文时，源节点才在网络中发起路由查找过程，找到相应的路由。

反应式路由算法开销小，但延时比先验式算法大。

最理想的算法是采用先验式与反应式结合的混合算法，在局部范围内使用先验式算法，维护准确的路由信息，并可缩小路由控制消息传播的范围，当目的节点较远时，通过按需查找发现路由，这样既可减少算法的开销，时延也得到了改善。

“智能尘埃”的开发人员一直在进行算法方面的开发与完善工作，他们的目标是设计一种既简单、稳定，又时延小、开销小的算法。

五、其它关键技术

1、信道接入技术

   “智能尘埃”使用的是共享的单信道通讯方式，所有的节点都是使用这个共享的信道进行通讯，因此，每个节点如何有效的接入与使用该信道是该传感器网络能否高效工作的核心技术。

其具体使用的是CSMA[4]（CarrierSenseMultipleAccess）协议，基本思想如下：

当一个节点在信道上发送报文时，其它所有的节点都能“听到”它的发送，并采用退避算法延迟自己的发送，当监测到信道空闲时，再接入信道进行发送，这种方式也称为一跳共享广播信道方式。

这种接入方式比较简单，但会引出“隐终端”与“暴露终端”等问题，所以需要采用更加有效的接入控制技术，如采用控制信道与数据信道分离的双信道接入技术。

2、节能技术

   能源是“智能尘埃”最重要的资源，如何有效的节约能源是网络化微型传感器必须考虑的关键技术。

“智能尘埃”工作时按功率消耗由小到大的顺序有四种模式：

睡眠模式（sleep）、空闲模式（idle）、接收模式（receive）以及发送模式（transmit），有效地进入睡眠模式与空闲模式将大大的节约能源。

图5详细描叙了各种工作模式之间有效的转化关系，采用合理的路由算法与信道接入方式将减少活跃模式的能耗，而如何有效的接入节能模式也是节能技术的关键。

3、微型化技术

 “智能尘埃”微型化技术在现阶段还集中在硬件电路的设计上，通过采用体积小、功耗低的芯片与器件和采用模块化的设计与分层布板的方法会使体积尽量减小，然而随着微机电加工（MEMS）技术的日趋成熟，在不久的将来，“智能尘埃”体积将会越来越小。

“智能尘埃”的硬件开发小组下一步的目标是采用MEMS技术对整个系统重新设计，包括传感器与处理器的设计，系统重新布板与封装等，将整个系统的体积控制到1mm3。

4、嵌入式微型操作系统：

“智能尘埃”的所有功能的实现都依赖于嵌入式微型操作系统的设计。

加州大学伯克力分校计算机科学系“智能尘埃”课题组基于多线程技术，开发了一种微型操作系统—TinyOS，其主要任务就是利用有限的资源（CPU,内存均受限）来进行高效率的并行操作。

它的基本方法是定义一系列非常简单的组件（Component）模型，因此具有高度的模块化特征。

每个组件都完成一个特定的任务，整个操作系统基本上就是由一系列的组件模型组成。

当系统要完成某个任务时，就会调用事件调度器，事件调度器再有顺序地调用各种组件，从而高效、有序地完成各种功能。

六、结束语

“智能尘埃”是美军将来网络化战场中最重要的传感器系统，目前仍处于开发测试阶段。

该工程涉及微型操作系统技术、微机电加工技术、自组织路由技术、信道接入控制技术、集成的低功耗通讯技术等等最新的多领域内的技术，实现的难度很大，预计在2010年以前将会投入到战场使用。

而在民用领域则可广泛应用于各种需要监控的环境中，因此，开发类似于“智能尘埃”这种网络化的微型传感器系统将具有非常广泛的应用前景。

智能尘埃：

无线传感网的微缩景观

　　为调查Condor号宇宙飞船的失踪，强大的“所向披靡”号宇宙飞船降落在名为RegisIII的星球。

船员们在调查过程中发现，在这个貌似没有生命的荒凉星球上，存在着多种具有自治、自修复能力的微小机器人。

与达尔文“物竞天择”的进化论相似，机器人的进化是靠战争完成的。

战争中幸存者往往是群居的昆虫状纳米机器人。

它们平时对人无害而且行为简单。

而一旦被激怒，它们会迅速聚集成一个庞大的“昆虫”云，通过个体间的自组织，表现出十分复杂的行为能力，并发射强大的电磁辐射浪涌来击溃入侵者……

　　这个与电影《阿凡达》类似的星球之战的场景，源自波兰科幻小说大师史坦尼斯劳·莱姆1964年出版的科幻小说《所向披靡》（《TheInvincible》）。

《所向披靡》中有关纳米机器人的感知、自治、自修复和群体内部通信与自组织的描述，被视为对智能尘埃最早的畅想。

　　在本世纪最初的几年中，智能尘埃曾经是科技界时髦的话题，然而到了近几年，智能尘埃变得销声匿迹。

究其原因，倒不是因为研究方向出现问题，而是即便以今天的技术工艺水平而论，要将传感器、模拟/数字电路、通信乃至电源全部封装在1mm3的空间中，仍然是个艰巨的挑战。

　　如今，智能尘埃早已淹没在无线传感网如雷贯耳的声浪中，然而不可否认的是，智能尘埃不仅是无线传感网的源头，而且，还将成为无线传感网的归宿。

　　Pister：

智能尘埃的发明人

　　将莱姆的文字付诸行动的是美国加州大学伯克利分校教授KristoferPister。

Pister本科毕业于加州大学圣地亚哥分校应用物理学专业后，又在伯克利分校获得计算机、电子学两个硕士学位和电子学专业的博士学位。

　　跨学科而又相互关联的知识结构为Pister率先将MEMS（微电子机械系统）技术应用于智能尘埃并最终成为智能尘埃的发明人奠定了坚实的知识基础。

　　1992年前后掀起了一阵智能热：

智能居室、智能建筑、智能炸弹等等，于是Pister想起了“智能尘埃”这个词。

而Pister有关智能尘埃的实质性研究则始于1994年，与此同时，他还开展了相关硬件平台的研发。

　　这项得到美国国防部先进研究计划局（DARPA）微系统技术办公室MEMS计划资助的研究，目的是通过演示来证明一个完整的传感器和通信系统可以被集成到立方毫米量级的空间中。

由于DARPA的资助范围并不包括传感器，Pister与其同事从一开始就没有把目标放在特殊的传感器上，而是将研究的重点放在了系统的微型化、集成技术和能源管理等方面。

　　为了配合Pister的智能尘埃项目，DARPA网络嵌入式系统技术办公室（NEST）还资助伯克利分校JasonHill和DavidCuller开发超小型操作系统TinyOS。

　　TinyOS是一种开源的、基于构件技术的操作系统平台，该研究小组于1999年推出TinyOS的首个版本。

时至今日，TinyOS依旧是无线传感网在嵌入式市场中的首选。

　　近观智能尘埃

　　Pister研究项目的最终目标是到2010年7月，在立方毫米量级上实现具有自治能力的传感器系统。

具体而言，传感器采用温度传感器或者加速度传感器；计算单元由可定制化的混合信号CMOSASIC（专用集成电路）实现，这一专用电路包括模拟I/O、DSP（数字信号处理器）、控制器等功能单元；通信部分由激光二极管构成的激光通信发射系统和激光通信接收系统构成；电源部分则由硅光电池、电容器和薄膜电池组成。

　　1999年7月，Pister演示了一个体积大约为100立方毫米的硬件系统平台，这个系统有两个芯片，其中一个是基于MEMS技术的光学发射阵列，另一片CMOS专用集成电路（ASIC）则含有光学接受器、充电泵浦和简单的数字控制器。

　　到了2010年7月，该项目圆满完成。

Pister利用市场上可以买到的现货商品，将温度、湿度、气压、光强、倾角与振动、磁等传感器封存在立方毫米量级的空间内，其中还包括双向无线通信单元、微控制器和电池。

该智能尘埃的通信距离达到20米，连续工作时间为1周，如果以1%的工作休眠比计，工作时间可长达2年之久。

　　在该项目完成前夕，项目组还做了一些相关的基础实验，只是来不及放到正式的演示中。

根据Pister当时邮件，项目组在7月1日做了一个实验，将1Mbps的光学接收机、8位模/数转化器、光传感器和数字控制器放置在0.15mm3空间里。

项目组还计划在半导体生产线上将含有数个多功能太阳能电池、一个加速度计和一个模块化光学角反射器的MEMS芯片集成到专用芯片中，从而使得整个系统的体积恰好在1mm3之内。

Pister希望在当年8月1日之前实现实验室的功能演示。

　　2002年，Pister创建了DustNetworks公司并任CTO，该公司对外提供智能尘埃的技术产品。

　　来自长“腿”智能尘埃的挑战

　　如果说Pister只研究智能尘埃的话，那还不能说实现了《所向披靡》所描绘的场景。

事实上，Pister另一个研究重点是合成昆虫项目，除了不能发射电磁辐射浪涌外，与《所向披靡》所述就比较吻合了。

　　Piser在伯克利分校网站其个人主页上透露：

合成昆虫项目就是让智能尘埃长上“腿”，从而可以四处走动，甚至飞向天空。

为此，他们还与那些研究昆虫行走、奔跑和飞行的生物学家进行合作。

　　他乐观地写道：

用不了多少年，人们就有能力利用Web上的“切割—粘贴”工具，根据自己的需要选择“腿”、电机、传感器和电子线路来设计机器昆虫，并把互联网上下载的控制算法加载到机器昆虫上，然后将昆虫放到一个3D交互的仿真环境中，看其如何与其他虚拟的虫子进行社交或者战斗。

一旦对设计感到满意，只须按下按键，设计就会被提交到工厂去生产，两个月后就可以得到这些小家伙，或许会有几百个小家伙在你办公桌周围四处乱窜。

　　此刻的Pister更像是一位科幻作家。

不过，这么多小东西如影随形地跟着你，隐私确实很成问题。

　　“任何技术都有黑暗的一面，比如说伴随着智能尘埃的是个人隐私的保护将变得越来越困难。

”Pister表示，“不论是工程师还是科学家，或者是发型师，任何人在做事情时都要考虑正负两方面的影响。

只要我意识到智能尘埃的负面影响能与正面影响相提并论的话，我就不会继续做下去。

实际上，我认为智能尘埃带来的好处要远远超过其对个人隐私带来的风险。

”

　　然而，来自瑞士Futurizon咨询公司的未来学家IanPearson则要悲观得多。

　　今年7月16日，Register网站刊登了《未来学家警告恶意尘埃威胁》文章，该文谈到在由富士通公司委托的题为《生活，如何更好地享有》的咨询报告中，Pearson表示，一些智能尘埃会从办公设备的通风栅栏滑进去，在数据达到加密设备之前截获这些数据，还有一些更聪明的智能尘埃甚至可以在打印时巧妙地替换文件。

　　有人会说，怎么未来学家比科幻作家还科幻。

不过，Futurizon公司在网站首页上把Pearson说得很神，说他过去对未来十年的预测中，85%的预测都应验了。

　　信Pister还是信Pearson，这是个问题。