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基于ZigBee的无线传感器网络管理及对建

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来源: 作者: 2019-02-09 12:54:35

基于ZigBee的无线传感器络管理及对IPv6的支持

络是由一些体积小,造价低,能量和处理能力受限,能够感知和采集数据并相互协作的传感器节点组成的密集型无线络。它能够实时地感知、采集和处理络覆盖范围内的对象信息并发送给管理站,具有覆盖区域大、可远程监控、监测精度高、部署速度快等优点。与传统络相比,它具有能量受限、自组织性、络动态性和移动性、与特定应用相关等特点。

无线传感器络的发展最初起源于战场监测等军事应用,现已广泛应用于环境与生态监测、健康监护、家居自动化、视频监控、以及交通控制等领域。

自第一个无线传感器络管理架构MANNA被完整提出以来,目前对于传感器络管理的研究,尚无一个统一的管理标准。由于传感器络自身的特点,给络管理带来许多挑战。

本文的主要内容包括:介绍了络管理的发展及传感器络的管理;总结了一些无线传感器络管理系统及结构;阐述了对IPv6 的支持及基于ZigBee的无线传感器络管理。最后,对无线传感器络管理的发展提出了一点看法。

纵观计算机络管理,其发展过程大致如下。络诞生之初,许多管理操作是现场的物理操作;到国际标准化组织提出的基于远程监控的管理框架,即早期的基于公共管理信息协议(CMIP)的OSI 系统管理框架;再到如今工业界事实上的络管理标准,即基于简单络管理协议(SNMP)的SNMP络管理架构;以及随着络技术的发展产生的一些新的络管理技术,如基于策略的络管理(PBNM)、基于智能Agent技术的络管理等[2],面向服务的管理,下一代互联络管理中对IPv6的支持等。

如今工业界事实上的络管理标准--简单络管理协议(SNMP)[3],其基本思想是:SNMP 基于消息的请求/应答(Request/Response)和陷阱(Trap),通过访问被管元素的管理信息来监控被管元素。管理站给络设备发送各种查询报文,代理负责接收、处理来自管理站的请求报文,然后从设备上其他协议模块中取得管理变量的值,形成响应报文发送给管理站。

无线传感器络为我们提供了一种新的监测和控制模型。络中包括大量的传感器节点,它们密集分布于特定区域,用于采集信息或监测跟踪特定的物理现象等。传感器节点是电池供电的,由微处理器、传感器、收发器及部件构成。节点通常只提供有限的资源(包括能量、通信和处理能力)。节点长时间是自治的,同时它们之间需要协作来完成复杂的任务。

可以看出,传感器络是资源受限,以数据为中心,络中节点采取协作方式执行一影响个共同的应用,络部署后无人看管,故障经常发生。为此,传感器络管理系统应该1)让络自形成,自组织,自配置;2)能基于传感器节点采集到的相关信息进行一系列管理控制任务,如控制采样频率,控制节点工作状态,控制无线带宽使用率,重新配置络等;3)通过确保特定的络覆盖区域来控制整个络。

利用无线Mesh (WMN)作为骨干来构建异构WSN,Gerald,Markus 等人提出了MARWIS[4]--异构无线传感器络管理体系结构,支持异构WSN环境。MARWIS 支持普通的管理任务,包括监测,配置和程序代码更新等。

为处理大型的异构WSN,同一种类型的传感器节点建立一个传感器子,不同的传感器子间不能直接通信,提出采用无线Mesh 络作为骨干,并将Mesh 节点(MN)作为传感器子之间的关。有如下优点:1)Mesh 节点除了具备关功能,还执行管理任务;2)不同传感器子中不同类型的传感器节点可以相互通信;3)利用无线Mesh可以将大型WSN划分成小的传感器子,而且通过将传感器节点关插入到Mesh 节点就可以很方便的将新类型的传感器节点平台加入到异构WSN中。

MARWIS 包括如下一些结构化元素:1)带有用户接口和无线Mesh络管理系统的管理站;2)带WSN管理程序的Mesh 节点。Mesh 节点建立多跳无线Mesh,并提供管理功能。WSN管理程序位于每一个Mesh节点中,为不同的传感器子提供管理功能。

它包含三个数据库(WSN 信息数据库,程序版本数据库,传感器值数据库)、含有三个程序模块(WSN 监测模块,WSN配置模块,代码更新管理模块)的MARWIS服务器、和CFEngine(负责在无线Mesh 络内分发管理数据);3)被插入至Mesh节点的传感器节点关,允许无线Mesh 与无线)带传感器节点代理的传感器节点,它包含一个传感器节点监测器,一个传感器节点配置器,和一个代码更新器。

MARWIS 管理功能主要包括:1)监测,可以采取管理站探测无线Mesh 和传感器子,及用户直接查询所选择的传感器这两种方式对WSN 监测;2)配置,对传感器节点的配置与节点类型无关;3)代码更新。

MARWIS 的优点有:由于Mesh 节点提供异构WSN的管理功能,因此传感器节点只需执行少量的管理功能,减少了内存和计算开销。同时,使用无线Mesh作为骨干,络中数据包的跳数减少,对节点的直接请求的通信开销主要发生在无线Mesh ,减少了WSN 中的负载和拥塞。其缺点包括:在MARWIS中,无线Mesh 是进行异构无线传感器络有效管理的前提,对许多应用环境,这是一种局限。

当前可用的WSN 管理工具是与特定应用相关或者平台相关的,因此异构WSN的管理中,基本管理命令服务的可重用性差。针对这一问题,Wei Zhao,YaoLiang等提出了H-WSNMS[5]--基于Web的异构无线传感器络管理系统框架。其基本思想是将无线传感器络管理的功能与具体应用相分离,因此已有的无线传感器络管理系统能够被利用和扩展以适应不同的应用需求。同时为用户提供一个统一的管理系统,便于异构无线传感器络管理。

H-WSNMS 能够直接地支持异构无线传感器络的管理。并提供丰富的管理功能,从传感器络监测和重配置,到数据查询,每一功能以独立的组件形式工作。H-WSNMS 中的一个核心概念是虚拟命令集VCS(Virtual Commands Set)。通过VCS,每一个管理功能被看作是由虚拟命令集中的一个或一组虚拟命令来实现的。另一方面,每一个虚拟命令被部分或全部地映射到一些已有的命令服务的组合。

H-WSNMS 采用基于client-server 的三层体系结构:1)顶层的客户层,包括不同的无线传感器络管理组件,

基于ZigBee的无线传感器网络管理及对建

每一个组件都是与应用需求相关的,并独立执行一些客户定义的特定功能;2)底层的关层,包括多个异构无线传感器络关,及与此关联的基本管理命令服务;3)中层的代理层,负责将每一个虚拟命令解释并映射到一个具体的无线传感器络关命令服务。代理层作为管理组件和具体WSN关之间的扩展接口,将客户层中与特定应用相关的络管理功能与关层中具体的WSN关分离开。通过代理层和它的虚拟命令集,H-WSNMS 使得异构WSN 平台下,管理组件变得更加可重用并容易开发。因为开发者可以基于预定义的虚拟命令集来构造管理组件。

H-WSNMS的优点主要有:1)H-WSNMS 中针对数据处理,有专门的数据查询组件。它采用了一种称为TSA-DataNodes树的异构数据源数据集成模型,提高了数据查询和检索的性能;2)当异构WSN的数目增多时,H-WSNMS具备伸缩性;3)通过虚拟命令集,增强了对每个WSN的基本管理命令服务的可重用性。

同时为用户提供统一的管理接口。其缺点包括:如果需要扩展命令以支持更多的功能,需要针对不同的异构节点进行编程。

随着传感器络及其应用的扩展,传感器络系统变得越来越复杂。同时,传感器络越来越异构化,WSN中的节点程序会根据应 用场景不断更新。这些因素造成开发、部署和优化传感器络应用变得困难。

--一种自适应的传感器络跨层管理框架,TinyCubus包含三个部分:跨层结构,配置引擎,数据管理结构。

跨层结构为要进行跨层交互(如优化时需要模块的信息,通过对高层组件的回调执行特定应用的代码等)的模块提供了一个通用的参数化接口。

<花香芬芳漫山遍野p>TinyCubus的跨层结构中设置了一个状态容器来存储所有组件的跨层数据,这样组件之间不用直接进行交互。跨层结构充当各组件之间的中介,支持组件之间的数据共享。

配置引擎基于传感器节点的角色进行代码分发,并支持动态安装程序代码。其目的是支持系统和应用组件的配置。它包括拓扑管理器和代码分发程序。拓扑管理器基于每个节点的功能为其分配相应的角色(角色是根据节点特性(如硬件能力,络邻居,位置等)赋予它的相应职责),以便进行络的自配置。基于角色的代码分发算只对那些特定角色的节点或者需要代码更新的节点进行代码更新。

数据管理结构提供了一组标准数据管理组件(如数据的复制,缓存,预取,囤积,聚合等)和系统组件(如时间同步和广播策略等),并根据当前系统中的信息选择最恰当的一些组件用于管理。数据管理结构用一个立方体定义,它包含三个维度:1)优化参数,如能量,通信延迟和带宽;2)应用需求,如可靠性;3)系统参数,如节点移动性和络密度。

TinyCubus具备传感器应用的常见功能,具有自适应、重配置、灵活性、扩展性等特性。提供通用组件的参数化机制以满足特定应用的需求。包含基于角色的有效的程序代码更新策略,能够适应应用场景变化并支持优化。但是,TinyCubus也面临一些难题,如对各种不同的跨层优化支持,状态容器中数据的访问模式,节点角色分配的有效性,代码更新的有效策略,传感器节点上组件的动态安装等问题。配置引擎利用节点的角色信息进行代码更新时,只适合于特定的传感器络(如节点不可移动等)。

Louis Lee等人提出了WinMS[7]--一种自适应的基于策略的无线传感器络管理系统。WinMS体系结构包含底层的MAC 和路由协议,局部络管理,和中央络管理。同时,WinMS还提出了一个新的称为系统资源转移的管理功能。WinMS中,终端用户预先定义传感器节点中用于触发事件的管理参数阈值,并指定该事件发生时执行的管理任务。WinMS 根据当前事件和预测事件对络进行自配置,来适应络状态变化。

系统资源转移允许络中的资源从络的一部分转移到另一部分,以达到局部和全局的自动自配置和自稳定。WinMS 采用了基于TDMA的MAC 协议FlexiMAC 以支持资源转移。FlexiMAC 作为底层的MAC和路由协议,用于节点之间的同步通信并连续有效地收集和分发数据。

局部络管理功能主要包括络状态更新和事件检测,包含数据分发和数据收集这两个核心组件。局部系统资源转移找出并选择资源提供节点。节点根据其邻居络状态(如拓扑变化和事件检测)执行管理功能。

中央络管理利用拥有络全局信息的中央管理站(基站)来可靠的执行更改和故障预防等操作。中央管理器维护MIB,并通过分析WSN模型来检测相关事件(如络效率低的区域,数据变化快的区域等)。中央系统资源转移为需要资源的子分配资源。

WinMS络管理功能包括配置管理、故障管理、性能管理、计费管理等。WinMS MIB维护着如下一些传感器络模型:感知数据映像、拓扑映像、链路质量映像、络利用率映像、能量映像。

WinMS采取先应式监测方式,不需要特别的代理来实行管理任务,并为传感器节点提供自治能力,并利用中央管理器分析络状态并执行更正和预防管理。轻量级TDMA协议提供了有效的能量管理,数据传输和本地修复。资源转移功能允许络中的不同部分非均匀的和反应式感知,提供了局部和全局的自动自配置和自稳定。但是,初始化时,WinMS构建数据采集树与节点表的开销与络密度成正比,不过这只是一次性开销,因为节点在整个生命期内都将维持所采集的信息。

Song,Kim等人提出了BOSS[8]--基于UPnP(络管理的标准服务发现协议)的传感器络管理协议。

其基本思想是通过实现BOSS,使资源有限的非UPnP传感器设备能够接入UPnP 络,同时让用户可以通过多种UPnP控制点对WSN进行管理。

BOSS系统主要由UPnP控制点,BOSS和非UPnP的传感器节点组成。控制点(如PC,PDA等)有充足的资源运行UPnP 协议,并通过BOSS 提供的服务控制和管理传感器络。如控制点可以通过BOSS 从传感器络检索基本的络状态信息(如节点设备描述,络中节点数目,络拓扑等),并对这些信息进行分析处理,再通过BOSS 进行诸如同步、节点定位和能量管理等基本管理服务。

传感器络和BOSS 之间使用私有协议通信,BOSS 能够发现传感器络所提供的服务列表。控制点使用UPnP 协议与BOSS 通信,发现UPnP 设备并得到其设备描述和设备提供的服务之后,便可以使用UPnP事件来接受有关设备状态变化的信息。

BOSS 包含5 个组件:服务管理,控制管理,事件管理,服务表,传感器络管理服务。BOSS 的三个主要功能包括:1)在传感器络和控制点之间传输UPnP消息;2)理解并翻译传输的UPnP消息;3)从传感器节点采集络管理信息,并提供全面的络管理服务。

使用BOSS,不同的传感器络应用(如结构监测,火灾检测,自动光控制)可以通过多个UPnP控制点(如PC,PDA 等)来管理。同时,使得络能适应拓扑变化,支持先应式络管理。通过UPnP,基于BOSS的传感器络能够容易地与的络互操作(如WLAN,IEEE1394,PLC等),因此能最大化地利用传感器。但是,BOSS 需要终端用户观察络状态并做出相应的管理操作。另外,对于大规模的传感器络,由于设备和服务的多样性,对于采用集中式控制结构的BOSS来说同样是一个考验。

Ruiz 等人综合考虑了WSN 络管理的各个方面(管理功能,逻辑管理层,WSN 特性),提出了一个集成络管理系统--MANNA[1].MANNA 的设计思想是将络管理与络应用分离,其设计目标是建立自管理、自组织、自治愈、自由化、自保护、自维护和自诊断的无线传感器络。

MANNA 是一个基于策略的管理结构,收集动态管理信息,将其映射到WSN模型,并基于WSN模型执行相应的管理功能和服务。MANNA 的管理策略指定了特定络条件下将被执行的管理功能。这样,就不必为每一种应用定义新的管理方案,而可以在络部署虑好应用可能会涉及到的所有情况,统一制定相应的络模型和管理功能,当络发生变化时,对相应的络模型和管理功能进行修改和增删就可以继续提供管理服务了。

MANNA 体系结构包括功能架构,信息架构和物理架构。功能架构定义了络管理中各角色(Manager,Agent 和MIB)的功能和位置。信息架构定义了WSN 的信息模型。物理架构描述了管理实体(簇头,普通节点和管理站)间信息交互的方式。

MANNA 的组成要素包括管理服务、管理功能和络模型。管理服务定义了应该在什么时候使用那些数据来执行那些管理动作,而管理功能是用户所能看到的管理动作的最小粒度(如拓扑发现、数据融合、时间同步、节点定位和能量图生成等),络模型则维护络状态信息。

MANNA 吸收了传统络管理的思想,又充分考虑了无线传感器络的特点。但是它仅仅是设计一个络管理体系结构,并未完成所有的细节如提出具体的MAC 或路由协议。它是第一个被完整提出并论述的无线传感器络管理框架,对无线传感器络管理的研究产生了很大的影响。

Hamid Mukhtar 等人提出了LNMP[9]--基于IPv6 的低功耗无线个域络管理结构。相比于MANNA,LNMP是基于WSN的IP管理结构,它实际上是与应用无关的。LNMP 由业务结构和信息结构组成。业务结构用于减少通信开销。信息结构通过定义6LoWPAN(基于IPv6 的低功耗无线个域)适配层管理信息库(MIB),规定了设备上需要被管理的信息。

6LoWPAN络模型中,6LoWPAN设备包括PAN协调器、协调器或终端设备,关用于连接IPv6 络和6LoWPAN 络。终端设备周期性的向协调器报告其状态,同时要对协调器的查询请求做出响应。协调器负责维持其下层络中设备的状态信息,并向其父节点报告设备的状态更新。IPv6络端支持SNMP,6LoWPAN 络支持特定格式的数据包,关解析收到的数据包并将其在SNMP格式与6LoWPAN络端支持的数据包格式之间转换。但是,LNMP 没有考虑SNMP数据包的压缩与聚合等。

为减少6LoWPAN 络中的SNMP 通信总量,6LoWPAN-SNMP 采取如下一些措施:1)不修改SNMP 的任何协议操作,压缩SNMPv1,SNMPv2消息,减小SNMP消息的大小;2)提出新的协议操作,并在SNMP引擎中支持广播和多播,减小络中传输的消息数量;3)采用代理转发器,与当前SNMP 版本兼容,并增强6LoWPAN-SNMP的效率。

具体地,报头压缩技术通过压缩SNMP报头,压缩SNMP PDU变量绑定部分内容,能有效地减小消息的大小。对协议操作的扩展, 新增PeriodicGetRequest/StopPeriodicGet 等消息,并结合广播和多播技术,能有效地降低络中传输的消息数量( 例如络管理系统广播一条PeriodicGetRequest消息,则络中的所有节点会周期性的发送各自的Response 消息,直到节点收到络管理系统发送的StopPeriodicGet 消息)。

6LoWPAN 关中的代理转发器:可以将各个版本的SNMP消息相互转换,并可以同时应用报头压缩技术。

另外,6LoWPAN-SNMP 还能够自动的将旧协议操作转化成新的协议操作,以支持新的协议操作。

ZigBee标准是一组近距离、低复杂度、低功耗、低数据率、低成本的双向无线通信标准。基于ZigBee的无线传感器络,国内己有较多的研究与开发。

基于 ZigBee 的无线传感器络管理是基于协调器的集中管理。ZigBee 协议定义了三种拓扑结构(星型结构、簇状结构和状结构)和两种物理设备(全功能设备FFD 和精简功能设备RFD)。全功能设备的协调器承担了整个络的管理工作,包括驱动整个络的通信、存储络拓扑、识别络设备及其功能和角色、与新节点动态建立链接等。

可见,当络容量很大时,协调器很容易成为整个络的瓶颈。因此,为防止络负载过重造成络瘫痪,有必要对基于冗余关的集中管理等技术进行相关研究。

随着传感器络应用的扩展,络越来越趋于异构化,文中总结了两种异构无线传感器络管理结构(MARWIS,H-WSNMS),阐述了络管理中对异构WSN 环境的支持。同样,考虑到对IPv6 的支持,简单探讨了两种6LoWPAN 络管理协议和结构(LNMP,6LoWPAN-SNMP)。随着WSN 络与IPv6络互联技术的逐渐成熟,IPv6的优越性将在无线传感器络的管理中得以体现。文中还提到了基于ZigBee的无线传感器络及其管理。

另外,文中还提到了自适应的跨层管理结构TinyCubus,它提供了通用组件的参数化机制来满足应用的特定需求。自适应的基于策略的管理系统WinMS,它提供了系统资源转移功能使得络局部和全局的自配置和自稳定。基于UPnP 的管理协议BOSS,使得资源有限的非UPnP传感器设备能够接入UPnP络,用户通过多种UPnP控制点对WSN进行管理。文中还总结了第一个被完整提出并论述的无线传感器络管理框架MANNA.

传感器络管理的发展可能包含以下几点:1)基于Web的络管理将成为一种趋势,通过传感器络与Internet互联,真正实现无处不在的管理;2)面向服务的异构络管理,利用络管理业务流程来有效的管理异构WSN,并利用SOA和Web服务技术的松耦合和相互协作等优势,定义通用的管理服务,解决因WSN 资源有限和对应用的依赖所产生的问题;3)针对络管理中的管理信息,需要结合无线传感器络特性,将全局络及节点间的协作作为测量对象,开发相应的测量技术;4)基于中间件技术的智能管理,随着分布式管理框架成为主流,分布式智能管理也将得到重视;5)开发统一的络编程模型。随着应用环境的不断变化,程序模块的升级、程序代码更新等对传感器络的重配置对传感器络管理是一种挑战。

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