（计算机应用技术专业论文）无线传感器网络数据存储策略研究.pdf

中文摘要f l f f f f | l f 删y 17 8 9 4 5 7 无线传感器网络是以数据为中心的自组织网络，用户感兴趣的是无线传感器网络感知的数据信息，而很少关心单个传感器或者传感器网络本身，因此，对无线传感器网络数据库的研究具有重要的理论和现实意义。本文主要是对t i n y d b 系统数据存储策略的研究。t i n y d b 系统是无线传感器网络的典型数据库，语义路由树作为t i n y d b 系统的存储组织策略需要维护特定的路由结构，必然会增加一些多余的数据操作。本文提出一种基于红黑树的存储策略，红黑树作为t i n y d b 系统的存储结构，不需要维护特定的路由结构，只要求节点部分地达到平衡，减少了对节点操作的要求。对于一棵红黑树来说，无论是对红黑树进行增加、删除，还是查询、修改操作，所需时间皆为o ( 1 0 9 n ) ，随着节点数目的增加，会获得高性能的数据操作速率，提高了t i n y d b 系统的数据操作性能。本文最后建立了基于红黑树的t i n y d b 系统模型，并通过建立的系统模型对基于红黑树的t i n y d b 系统在数据插入、删除、查询等操作上进行了测试。测试结果表明，基于红黑树的t i n y d b 系统，在数据操作性能上好于语义路由树的存储策略。关键词：无线传感器网络；红黑树；存储策略；t i n y d ba b s t r a c tw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r ki sad a t a c e n t r i cs e l f - o r g a n i z i n gn e t w o r k ，u s e r sa r ei n t e r e s t e di nt h ed a t at h a tg e n e r a t e db ys e n s o rn e t w o r k s ，r a t h e rt h a nas i n g l es e n s o ro rs e n s o rn e t w o r ki t s e l f t h e r e f o r et h er e s e a r c ho fw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r kd a t a b a s eh a si m p o r t a n tt h e o r e t i c a la n dp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e i nt h i sp a p e r , t h er e s e a r c hi sm a i n l yf o rt i n y d b sd a t as t o r a g es t r a t e g y t i n y d bs y s t e mi sat y p i c a ld a t a b a s eo fw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r kd a t a b a s e ，s e m a n t i cr o u t i n gt r e ea st h et i n y d bs y s t e ms t o r a g es t r a t e g i e sn e e dt om a i n t a i nas p e c i f i cr o u t es t r u c t u r e ，w h i c hw i l lc e r t a i n l ya d ds o m ee x t r ad a t am a n i p u l a t i o n t h i sp a p e rp r e s e n t sar e d b l a c kt r e eb a s e ds t o r a g es t r a t e g y , a sa no r g a n i z a t i o n a ls t r u c t u r eo ft i n y d bs y s t e m ，t h i sr e d b l a c kt r e en e e dn o tt om a i n t a i nas p e c i f i cr o u t es t r u c t u r e ，b u to n l yr e q u i r e sn o d e st oa c h i e v es o m eb a l a n c e ，s oi tr e d u c e st h er e q u i r e m e n t so nt h en o d eo p e r a t i o n f o rar e d b l a c kt r e e ，a l lo p e r a t i o n si n c l u d i n ga d d i n g ，d e l e t i n g ，q u e r y i n g ，a n dm o d i f y i n g ，w h i c hn e e d0 ( 1 0 9 n ) st i m e w i t ht h ei n c r e a s i n go ft h en u m b e ro fn o d e s ，t h et r e ec a no f f e rh i g h s p e e dd a t am a n i p u l a t i o n ，w h i c hi m p r o v e st h eo p e r a t i o n a lp e r f o r m a n c eo ft h et i n y d b f i n a l l y , t h i sp a p e re s t a b l i s h e st i n y d bs y s t e mm o d e lw h i c hi sb a s e do nr e d b l a c kt r e e a n dt e s tt h eo p e r a t i o np e r f o r m a n c eo fd a t ai n s e r t i o n ，d e l e t i o n ，q u e r y i n gt h r o u g ht h i sm o d e l 1 1 1 ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h eo p e r a t i o n a lp e r f o r m a n c eo ft i n y d bs y s t e mb a s e do nr e d b l a c kt r e ei sb e t t e rt h a nt h es e m a n t i cr o u t i n gt r e es t o r a g es t r a t e g y k e yw o r d s ：w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s ；r e d b l a c kt r e e ；s t o r a g es t r a t e g y ；t i n y d b目录第一章引言11 1 研究背景及意义一11 2 研究现状31 3 论文的主要内容及组织结构一5第二章无线传感器网络及其数据管理72 1w s n 概j 苤72 1 1w s n 的概念72 1 2w s n 的体系结构82 1 3w s n 的特征1 02 2 传感器节点1 12 2 1 传感器节点结构112 2 2 传感器节点特点1 22 3 无线传感器网络的数据管理1 42 3 1 数据管理概述1 42 3 2 数据管理模型1 42 4 小结15第三章t i n y d b 及其存储结构17：；1t i n y d b 17：；1 1t i n y o s 1 83 1 2t i n y o s 的特点和系统结构1 83 1 3t i n y o s 的调度机制1 93 2t i n y d b 的分析1 93 2 1t i n y d b 前端分析2 03 2 2t i n y d b 节点端分析2 l3 3t i n y d b 的数据存储策略2 43 4 小结2 5第四章基于红黑树的t i n y d b 系统模型设计2 74 1 基于红黑树改进思想2 74 2 红黑树2 7v4 2 1 红黑树定义2 74 2 2 红黑树的操作算法2 84 2 3 红黑树性能分析3 24 3 系统的具体实现3 24 4 小结3 7第五章基于红黑树的t i n y d b 系统模型测试3 95 1 试验测试的验证3 95 2 性能分析4 45 3 小结4 5第六章总结与展望4 7参考文献4 9致谢5 3攻读学位期间发表的学术论文目录5 5v l第一章引言第一章引言无线传感器网络【l l ( w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s ，w s n ) 是近几年来计算机网络技术、无线通信技术、传感器技术以及微机电技术发展的一门新的以数据为中心计算机技术领域。现在无线传感器网络在工农业、军事、环境、医疗等方面都有非常广泛的应用，未来还将会在许多新的领域应用。在无线传感器网络中，散列在各处的传感器节点监测周围的环境连续地产生大量的感知数据【2 】，但是传感器节点都比较简单，通信能力低、计算能力低、存储能力低、电源能量有限，使得无线传感器网络不能像传统的分布式的数据库一样的管理数据1 3 】。但是无线传感器网络的应用还离不开数据的操作，而在无线传感器网络中如何操作数据对一般用户而言存在很大的困难。首先，无线传感器网络的节点处理数据的能力弱，节点的能量有限并且节点很容易失效，所以数据的操作需要使用能量有效地数据处理算法；其次，无线传感器网络的数据操作是一种分布式的形式，网络拓扑和周围的环境都是时刻变化的，节点分散到周围的各处，因此数据源很分散，显然这不是一般用户能解决的问题。因而，研究人员提出将无线传感器网络构建为一个虚拟的数据库，在数据库系统层面上使用数据服务层对数据操作实现各种优化，使一般用户对数据的操作是透明的，使用户和应用程序通过特定的接口在数据库中查询需要的数据，而不用去关注数据源的变化。1 1 研究背景及意义当今社会是一个信息化的社会，数据库理论与技术的发展极其迅速，应用领域也日益广泛。数据库技术作为当今网络信息时代的热门技术在数据操作中地位越来越重要。数据库系统经过几十年的研究和发展，从文件型系统、层次型数据库系统、网状型数据库系统、关系型数据库系统、面向对象型数据库系统到对象关系型数据库系统的技术已相当成熟，各大数据库公司如i b m 、o r a c l e 、s y b a s e 和i n f o r m i x 等已能提供全系列的数据库产品，从数据库管理系统、工具平台到应用软件系统，它们能很好地满足不同客户的应用需求，提供全套的应用解决方案和周到的服到引。无线传感器网络数据库系统【5 】不能被想象成一个简单的有限条件下工作的传统的数据库系统，两者在很多方面存在差异。传统的数据库系统是在完善的关系模型的基础上，对于长时间存储的数据提供有效的操作途径，并保证数据的一致性、安全性、并发性和灾难破坏的恢复能力。现在，无线传感器网络数据库系统研究的重点一方面是在无线传感器网络之上，为了适应无线传感器网络的的各种应用领域构建了一个统一的虚拟视无线传感器网络数据存储策略研究实际的应用和数据的管理分丌来，通过类8 q l 语言提供数据操作的接口。如图1 1另一方面，研究的重点放在无线传感器网络数据库对查询管理的优化上，通过减的消耗来增加无线传感器网络的生命周期田1 。图1 1 无线传感器网络数据库示意图1 1f i g1 1s c h e m a t i cd i g r a mo fw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s 1 j线传感器网络数据库管理的数据分布在散列在各处的传感器节点上，大部分的数点感知产生的连续不断地流数据( s t r e a m i n gd a t a ) 。流数据与传统的我们所认识的很多的不同特征，对于它的操作，我们必须要引入时间段的概念。在无线传感器网络数据库中，对流数据的操作都一定要制定操作运行的周期，查询操作的结果是一个二元组的集合，这个二元组的域分布是传感器上传送来的数据和对应的操作时间段。无线传感器网络数据库不能单纯的看成是一个能量有限的普通的数据库系统，它不但要采用能量高效的数据管理，包括减少通信量、在网络上实现数据的过滤、融合、分组等操作，还要对查询操作执行的全过程实行调度，考虑到数据采样的代价和执行的次序、频率等问题。无线传感器网络应用领域十分广泛，在无线传感器网络中数据的操作就会产生数据，由于无线传感器网络节点的特点，无法像传统的分布式数据库那样组织各个分布式节点通过检测周围坏境产生的大量的、持续的感知数据。在应用的无线传感器网络的众多数据库中，最有代表的是美国加州大学伯克利分校开发的数据库系统t i n y d b 。t i n y d b 系统对网络安全可靠性有很高的要求，然而传感器网络数据传输能力有限，通信带宽窄而且变化莫测，数据通信覆盖范围只有几十到数百米，传感器节点之间的通信经常的断断续续，经常导致通信失败1 4 】。因此对无线传感器网络数据库t i n y d b 的优化，2第一章引言提高数据存储的性能和易用性，使无线传感器网络更加适应在监控和事件探测方面的应用，成为目前研究的热点【3 j 。本文的研究目的在于优化无线传感器网络的数据库t i n y d b 的数据存储结构，并提出一种改进t i n y d b 系统的存储结构的策略，使改进后t i n y d b 系统在数据操作上效率更好。1 2 研究现状2 0 0 3 年，美国把无线传感器网络技术评为了全世界未来的十大技术之一，无线传感器网络就丌始被人们所关注，它是多学科交叉技术，综合了包括传感器技术、无线通信技术、嵌入式计算技术、分布式信息处理技术、微电子制造技术和软件编程技术等技术。这些的传感器网络技术可以使得使用者很容易地获得想知道的可靠信息，无线传感器网络广泛应用于工商农业、军事、环境、医疗等领域方面。无线传感器网络的许多新的应用促使数据库技术也面临许多新的挑战，将无线传感器网络构建为虚拟的数据库，实现有效的数据管理和获取，是一个新的研究热点。在对数掘库的研究中，数据存储策略的研究对无线传感器网络的是非常重要的。在无线传感器网络中，传感器节点在连续不断地收集数据信息，根据网络的特点( 节点有限的存储空间和能量) ，对其存储策略的研究可以在最大程度上利用它的存储空间。下面介绍几种现阶段比较典型的适用于w s n 的存储技术。1 d c s 技术【2 1 ，用散列函数把需要存储的数据信息散列到w s n 中的某个随机的位置。d c s 的基本的是采用的数据信息属性命名思想，将同种属性名字相同的数据信息存储到相同的节点上，可以在很大程度上减少查询的能耗度。2 a r i 技术【3 】，利用散列函数把感知数据信息的周围节点散列到w s n 的某个位置，把这些周围的节点称之为索引节点，这些索引节点和一些非索引节点可以相互之间组成一个环状结构，在这个结构中非索引节点就用索引节点来传递数据。3 d i m e n s i o n s 技术【3 0 1 ，它是采用以数据为中心的存储策略，构造数据存储的层次结构，在这个层次结构上有系统的存储不同分辨率的数据信息。4 d i f s 技术【6 】，提出了一种高效的范围查询数据信息的思想，首先构造索引层次结构，按照层次结构的有低到高，节点存储的索引的覆盖范围不断减少而节点的覆盖范围不断增大。5 s c o o p 技术【8 1 ，一种支持多属性区域查询的分布式的存储技术。它的主要思想是，基站节点按照一定的时问间隔采集网络情况的的状态信息，再利用这些信息做出任务的分派单，基站节点就会把此任务分派单发送到w s n 的每个节点，节点就会按照任务分派单将产生的数据信息传送到指定的节点。3无线传感器网络数据存储策略研究6 d c a r r 技术【3 0 】，一种以数据为中心的分稚式存储技术。它的主要的思想是，将w s n 分成大小相同的网格区域，数据的每个属性对应一个网格区域，每个新感知的数据就会根据其属性被相应的分配到指定的网格区域。现今，世界上许多研究机构已经开始对无线传感器网络的数据存储进行研究并取得了一定程度的成果。哈尔滨工业大学和黑龙江大学在传感器数据管理系统方面开展了研究工作；康奈尔大学的c o u g a r 系统；南加州大学提出了在无线传感器网络上聚集函数的方法，是一种节省能量的计算聚集的树构造算法；美国的加州大学伯克利分校提出了并研制了一个感知数据库系统t i n y d b 阳3 。现在最具有代表性的无线传感器网络数据库是t i n y d b 数据库系统。对于t i n y d b 数据库系统的优化田1 ，提出很多的改进方法，如：基于数据中心存储管理的地理散列表 9 1方法，它是根据数据的属性名字把感知数据信息存储在网络中的相应位置；协作存储机制【jo 】的方法，它要求巨大的数据信息量保存在传感器节点上，利用邻居节点的存储地址的联系能够明显的降低要存储的数据信息；支持多分辨率数据信息的层次索引结构【l ，利用小波分析技术对感知的数据信息实行分辨率的多层次分层，传感器节点的层次低就存储的数据的分辨率高，这种方法会使巨大数据量的层次高的节点很明显的成为了通信的瓶颈；基于t i n y d b 支持以事件为基础的数据处理方法，利用t a g ( t i n ya g g r e g a t i o ns e r v i c e ) b 2 j 方法实现数据信息操作的聚合。t i n y d b 数据库系统现在的优化技术只是关注到单个节点的优化处理问题，没有注意到全部节点的优化问题。现在的t i n y d b 数据库有一些简单的自适应数据处理机制，但是未来的自适应性是指能够最大程度上使整个网络寿命增加和最大程度上发挥网络的效用。将来的无线传感器网络可能存在着多个用户，因此以后的研究要考虑数据处理结果的共享机制。无线传感器网络对于国家和社会发展意义深远，国内外对于无线传感器网络的研究非常热门。在国外，美国自然科学基金委员会在2 0 0 3 年制定了无线传感器网络研究规划，并在特定的大学及其研究机构中成立无线传感器网络研究中心( c e n t e rf o re m b e d d e dn e t w o r k e ds e n s i n g ，c e n s ) 。无线传感器网络领域是多门学科交叉的研究领域，它综合了传感器技术、无线通信技术、嵌入式计算技术、分布式信息处理技术、微电子制造技术和软件编程技术，这么多技术的组合使得它的应用领域极为的广泛，因此美国的大约全部的有名的高等学校都在从事相关技术的研究，最有代表的是加州大学伯克利分校、麻省理工学院、南加州大学。除了美国以外的其他的国家，包含欧洲的很多国家和日本、加拿大都有很多的机构在研究这方面的技术n3 1 。4第一章引言在国内，无线传感器网络的研究也逐渐的引起了有关人员的重视，在这方面研究成果比较突出的研究机构有清华大学、哈尔滨工业大学、西h l i , a k 大学、中科院软件所和计算所等n 3 1 。1 3 论文的主要内容及组织结构本文首先介绍和分析了无线传感器网络典型的数据库t i n y d b 及其数据存储策略，为t i n y d b 系统的存储策略的研究打下基础，t i n y d b 系统采用的是以数据为中心的语义路由树的存储方法，它要求维护特定的路由结构。当收集的外界的数据到很大的程度的时候，就会降低数据库的数据操作效率，此时采用一种优化的手段就非常的重要。然后参照t i n y d b 系统的数据存储策略，提出一种基于红黑树的存储策略。建立基于红黑树组织结构的t i n y d b 系统模型并对它的性能进行分析和验证。本文的章节安排如下：第一章引言。第二章无线传感器网络及其数据管理。介绍了无线传感器网络的体系结构以及传感器节点的结构，最后分析了无线传感器网络上的数据管理体系，以及在无线传感器网络中今后数据管理新模型的研究问题，为数据库系统t i n y d b 的数据组织结构的分析打下了基础。：第三章t i n y d b 及其存储结构。首先分析了数据库系统t i n y d b 运行环境t i n y o s 系统以及t i n y d b 系统的前端和节点端的结构和主要任务，最后重点介绍t t i n y d b 系统的数据存储组织方法，为该系统的改进打下基础。第四章基于红黑树的t i n y d b 系统模型设计。首先介绍了我们所用的红黑树结构的一些知识，包括定义、数据操作、操作性能等。然后提出一种基于红黑树的数据组织方法的模型。第五章基于红黑树的t i n y d b 系统模型测试。根据上一章节提出的模型我们通过程序模型和平台模拟测试验证基于红黑树的改进在很大程度上提高了数据操作的性能。第六章总结与展望。5第二章无线传感器网络及其数据管理2 1w s n 概述近年来，随着微机电系统、无线通信、信息网络与集成电路等技术的迅速发展，新兴的无线传感器网络应运而生i 1 1 【2 1 。集成了网络技术、嵌入式技术及传感器技术的无线传感器网络将逻辑上的信息世界与现实的物理世界组织在一起，同时彻底改变了人与自然的交互方式，特别是传感器技术和节点间的无线通信能力为无线传感器网络赋予了广阔的应用前景，主要表现在军事、环境、健康、家庭和其他商业领域。本章总结了两种典型的无线传感器网络的体系结构，分析了节点的结构和主要特征，最后讨论了无线传感器网络上数据管理的主要问题和解决办法。2 1 1w s n 的概念无线传感器网络“h m l 是由散列分布在监测范围内的大量的简单的，便宜的小型的传感器节点组成的，散列在各处的传感器节点是通过无线通信形式自组织形成网络系统，相互之间进行感知和处理周围环境或者监测对象的数据信息，最后并负责把信息传送给观察者。可感知的信息主要有温度、湿度、噪声、光、电磁、物体的大小和形状、土壤的成分等，通过感知这些数据，无线传感器网络扩展了人类可探知的领域，建立信息世界和物理世界的联系，实现了一种“无处不在”的计算。无线传感器网络【1 7 】是当前在世界上备受瞩目的、涉及多学科高度交叉、知识高度集成的前沿热点研究领域。无线传感器网络的出现使人们更容易的获得想知道的信息，将现实世界的物理信息同传感器网络连接在一个平台，在传感器网络中为人们提供最直接、最有效、最真实的数据信息。无线传感器网络可以获取现实世界的物理信息，具有非常广泛的应用前景，在军事国防、工业农业、城市管理、生物医疗、环境监测、危险地方的远程控制等方面有很大的应用前景，已经引起世界许多国家的学术界和工业界的高度重视，被称为是对未来社会产生很大影响的技术之一。无线传感器网络是由散列分布在作用区域的大量的小型传感器节点组成，通过传感器的感应能力形成一个多跳的白组织的网络系统，其作用是合作的感应、采集和管理网络系统范围区域内感知对象的信息，并发送给需要这类信息的观察者。传感器节点、感知对象和观察者构成了无线传感器网络的三个基本要素1 1 3 】。一般来说，无线传感器网络包括传感器节点、汇聚节点( s i n k ) 币l 管理节点( b a s es t a t i o n ) 。传感器审点散列地分布在某一监测区域的网络内，这个网络系统是由传感器节点以自组织的形式构成的【l 川，如图2 1 所示。在无线传感器网络中，传感器节点通过单跳或多跳方式将感应的数据发送到7，无线传感器网络数据存储策略研究汇聚节点，最后通过i n t e m e t 或者某些网络的通讯方式将感应信息发送到管理节点。某些用户也可以通过管理节点发布要求，告知传感器节点采集或管理感知的信息。图2 1 无线传感器网络节点分布结构图n 1f i g2 1d i s t r i b u t i o nc h a to fw i r e l e s ss e n s o r sn e t w o r kn o d e l 7 12 1 2w s n 的体系结构无线传感器网络的应用非常的广泛这就要求了它的结构不能是一成不变的，下面介绍两种具有代表性的无线传感器网络的结构。一种典型的传感器网络的结构【5 】【13 1 ，如图2 2 所示，它的节点分为基站节点( b a s es t a t i o n ) 、网络节点( n e t w o r kn o d e ) 、应用节点( a p p l i c a t i o n ) 三种节点。其中，基站节点在数据的管理方面的能力最强；网络节点是固定在网络中的，主要承担网络中数据的通信，数据传输的能力很强；而应用节点则相对比较自由，有各种小型的传感器，可根据需要移动位置。o图2 2 一种典型无线传感器网络的体系结构 1f i g2 2at y p i c a ls y s t e ms t r u c t u r eo f w i r e l e s ss c d s o rn e t w o r k s l 7 18第二章无线传感器网络及其数据管理这些节点以基站节点为中心，按照某种方式形成多个组来工作。根据三种节点各自的特点可得知，应用节点感知的数据需要传送要通过网络节点，在传送的过程中感知数据会被作为传送媒介的多个节点处理，这些处理会减少网络的通信负载，最后把感知数据发送到基站节点，基站节点会在此基础上对所发送到的数据进行更复杂的处理。基站节点是无线传感器网络和外界网络的接口，它收到所传送过来的数据并存储在数据库系统中或者再次发送给应用程序处理。另一种典型的无线传感器网络的体系结构嵋儿“，如图2 3 所示。在图中我们可以发现任务管理节点离网络覆盖区域有很大的距离，传感器节点感知数据并相互传送把所采集的数据传送到基站；基站首先将收到的感知数据存储，等待i n t e m e t 和卫星通信正常，将感知数据传送到远方的任务管理节点进行处理；在任务管理节点上，用户和应用程序就可以按照自己的要求去访问这些感知数据。这种无线传感器网络的系统结构是无法维护的，因为任务管理节点离网络监测区域距离很远，所以它和无线传感器网络的相互通信状态很差。无线传感器网络的主要任务是节点采集数据并对数据进行处理，并对网络覆盖区域的情况做详细的记录。传感器节点的处理数据能力、存储数据能力和传送数据能力相对比较弱，它的能量来源于能量有限的电池；基站节点处理数据能力、存储数据能力和传送数据能力相对比较强，它负责无线传感器网络和i n t e m e t 等其他网络的通信，同时还要负责无线传感器网络的数据处理，接受任务管理节点发送来的要求。图2 3 3 一种无线传感器网络的体系结构”朝f i g2 3a n o t h e rs y s t e ms t r u c t u r eo fw i r e l e s ss c i i s o rn e t w o r k s i l 3 】美国加州大学伯克利分校i n t e l 实验室和大西洋学院联合在大鸭岛( g r e a td u c ki s l a n d ) n 卵上采用的就是这种体系结构。在这个系统中，基站节点暂时存储着从无线传感器网络中采集的数据，每隔一段时间，就将暂时存储的数据通过卫星网络传送到伯克利0无线传感器网络数据存储策略研究分校的一个专门的数据库中。用户就可以通过i n t e m e t 访问数据库服务器中的数据，或者通过p d a 设备在户外和这个传感器网络进行交流，调节传感器节点的采集的频率、能耗参数等。在无线传感器网络中，采用的是无线通信的数据传输方式，无线通信的特点及其固有功能的限制通常情况下不能采用简单的直接通信方式。在无线传感器网络中，由于网络覆盖的有效范围很大，并且传感器节点所工作的环境对信号有很强的衰落，因此需要采取措施连接数据的通信，因此引入多跳概念，多跳网络尤其适用于w s n 。2 1 3w s n 的特征无线传感器网络与一般传统意义上的网络有很大的不同，它有一般传统网络不具有的特点。无线传感器网络是集成了监测、控制和无线通信的网络系统，传感器节点数目庞大，为了到达应用要求的需要，传感器节点可能要上万个，并且散列在应用区域也十分紧凑，周围环境的干扰和传感器节点损坏使得网络的布局结构经常的发生变化，无线传感器网络以数据为中心，离开了数据的网络是没有任何价值的。w s n 特点1 1 7 1 1 3 1 如下：1 大规模的网络为了获得准确的信息，在探测范围内一般要散列大量的传感器节点，传感器节点的数目可能会到达上万个，甚至更多。无线传感器网络的大规模性有两个方面的意思，一方面，传感器节点散列在范围很广的物理区域内；另一方面，传感器节点散列地分布都很紧密，在一个小范围的物理区域内，紧密地散列分布了大量的传感器节点。传感器网络的大规模性具有如下的优点：通过多层空间视角获取的信息有更大的信噪比；通过分布式管理收集到的数据能提高探测的正确度，降低了对单个传感器节点的精度要求；许多冗余节点的存在，使得w s n 有很好的容错性；因为节点的数目众多所以减少了探测区域内的盲点。2 自组织网络传感器节点的分布位置不是事先设定的，节点之间的相互关系也不知道，都是随意的放到探测范围内的。这就要求传感器节点具有自组织的能力，能够自动进行组织，形成探测数据的多跳无线网络系统。在无线传感器网络中，部分传感器节点由于电池耗尽或周围环境的影响而失效，也有一些传感器节点被加入到网络中弥补失效的传感器节点，这样就会引起无线传感器网络节点的个数发生变化，从而使得网络中的拓扑结构发生变化，无线传感器网络的自组织性要能适应这种网络拓扑结构的改变形式。1 0第二章无线传感器网络及其数据管理3 动态性网络无线传感器网络的拓扑结构会因为环境和电池能耗、无线通信链路变化、新的节点的加入和无线传感器网络的三要素的移动而变化。这就要求了无线传感器网络系统要能适应这种变化，因此它应是一个具有动态性的网络。4 可靠的网络无线传感器网络非常适合在环境恶劣或人类不宜到达的地方工作，传感器节点必须禁起太阳的暴晒或风吹雨淋，也有可能遭到无关人员或动物的毁坏，这些节点都是随机分布的。这就要求传感器节点十分坚固，不容易破坏并且能适应各种恶劣的环境条件。还有就是由于探测的范围的限制以及节点数目，不可能维护每个节点，网络的维护更是非常难甚至是不可维护，无线传感器网络的数据保密性和安全性也非常重要。因此，无线传感器网络必须是一个可靠的网络。5 应用相关的网络不一样的应用情况的无线传感器网络的要求也不一样，其硬件平台、软件系统等都会不一样，这是无线传感器网络区别于一般网络的最显著地特点。6 以数据为中心的网络无线传感器网络是以数据采集为目的的网络，所以数据的采集，传送，处理是网络核心，离开了数据的无线传感器网络是没有任何的价值的。2 2 传感器节点无线传感器网络的节点具有一定的计算、存储、无线通信能力，可以加载多种类型的微传感器部件，是很有代表性的嵌入式设备，美国军方的很多研究项目把传感器节点叫做“智能微尘 。传感器节点就像种子一样通过人工或交通工具撒播到探测区域，无论采用那种撒播方式，节点之间都可以用a d h o c 的方式自组织成网络，因为传感器节点的通信能力有限，所以节点在传送数据时都要采用多跳的形式n8 1 。2 2 1 传感器节点结构在无线传感器网络中，节点是组成无线传感器网络的最基本要素。传感器节点大体上是由传感器模块、处理器模块、无线通信模块及能源供应模块组成n 7 l ，如图2 4 。除此以外，在无线传感器网络的应用中町能会包含一些其他的应用模块。传感器节点的一般都会有数据收集、数据管理和无线通信等多种能力，并通过无线数据传送方式组成一个单跳或多跳的自组织。”的网络系统结构，从而收集到的信号转换成为数据传送到下一个基站。无线传感器网络数据存储策略研究图2 4 传感器网络节点的组成f i 鲒4s e n s o rn e t w o r kc o m p o s e do fn o d e在传感器节点的组成模块中，传感器模块的任务是探测网络范围内数据的采集和数据的转换，数据的转换是通过a d 转换器将其转换为数字信号的；处理器模块的任务是管理所有传感器节点，储存和处理自身采集的数据和其他的传感器节点发送来的数据，协调节点各部分的工作；无线通信模块的任务是与其余的传感器节点进行交互，交换信息，接受和发送采集的数据；能量供应模块的任务是为传感器节点的工作提供能量的供应，这个所谓的能量模块一般是采用微型的电池，是传感器节点的一个非常重要的组成元件。传感器节点在无线传感器网络中可以作数据采集者、数据中转站和簇头节点( c l u s t e r - h e a d n o d e ) 的角色。当作为数据采集者时，传感器模块收集周围区域的数据，通过无线通信方式直接或者间接地将采集的信息传送给远程的基站节点( b a s es t a t i o nn o d e ) 或者s i n k 节点；当作为数据中转站时，传感器节点要收集周围区域的信息，同时还要接受其他节点传送来的数据并将其再传送给其他的节点或者直接传送给基站节点或者s i n k 节点；当作为簇头节点时，传感器节点的任务是收集该簇头内的所有传感器节点采集的信息，并进行数据的合并，传送给基站节点或者s i n k 节点。2 2 2 传感器节点特点传感器节点是无线传感器网络的基本组成要素，它具有以下特点口1 3 1 ：1 电源能量有限传感器节点都很小，一般附带的电源的能量都非常有限。在无线传感器网络区域内，传感器节点个数众多，放置节点的有些区域甚至人员都不能到达，因此，传感器节点不能通过更换电源的方式来补充能源。如何最好的使用有限的电源能量，来延长无线传感1 2第二章无线传感器网络及其数据管理器网络的使用周期是首要的挑战。图2 5 传感器节点能量消耗情况f i 9 2 5e n e r g yc o n s u m p t i o no fs e n s o rn e t w o r kn o d e传感器节点各部分能量消耗的情况如图2 5 ，如图可知无线通信模块消耗了绝大部分的能量，在发送时消耗的能量最大；在空间和接收时消耗的能量接近，略微少于发送时的能量消耗；在睡眠的时候能量消耗最少。怎样使网络通信更有效率，减少没必要的数据的转发和接收，不需要通信时尽快的进入到睡眠状态，是研究节约能量问题的重要的挑战。2 通信能力有限传感器节点的通信速度和通信距离是评价节点通信能力的重要参数。无线通信的能耗通常认为是与通信距离的三次方成正比的，随着数据传输距离的增加，能耗将会急剧的增加，因此，在保证通信正常的情况下将尽量的减少单跳的通信距离，通常情况下，单跳的传输距离半径控制在1 0 0 m 以内。传感器节点的无线通信的带宽有限，通常认为有几百k b p s 得速率。另外，传感器节点能量的变化周围的地势地貌以及自然环境的影响，传输数据经常的出现中断。在这样的通信环境和节点的有限的传输数据能力下，怎样设计通信的机制是传感器网络面临的挑战之一。3 计算和存储能力有限传感器节点是一种小型的嵌入式的设备，它的价格低廉，功耗很小，这些的要求就会限制它所附带的处理数据的能力很弱，存储数据的空间很小。为了完成无线传感器网络中的数据的采集和传递、数据的管理和传感器节点控制等工作，必须有效地利用有限的能力。怎样利用有限的计算和存储能力完成诸多的工作成为另一个重要的挑战。13无线传感器网络数据存储策略研究2 3 无线传感器网络的数据管理2 3 1 数据管理概述无线传感器网络数据管理是以把无线传感器网络中的数据的逻辑操作和物理操作分开为目的的，这样就可以使得无线传感器网络的细节部分对于网络的用户和应用程序时透明的。但从数据管理来看，无线传感器网络的数据管理系统就像是分布式数据库系统，但是和传统的分布式数据库很大的区别。无线传感器网络的数据管理就是管理网络中探测的感知信息，交互来自用户和应用程序的消息。2 3 2 数据管理模型无线传感器网络的数据管理【3 1 与传统的数据管理不同，通常情况下，它不会把每个传感器节点的感知数据都传送到基站处理节点管理，而是尽量地在网络内部处理，这在很大程度上减少了能耗，增大了无线传感器网络的生命周期。无线传感器网络中的操作的是一种连续的无限流数据，它与传统的数据库中存储的静态数据不同，这些流数据从传感器节点产生，m d 转化后变成应用程序和用户可以访问的数据，它们附带上时间戳就形成了连续的元组数列，因此对元组数列的查询的实时性很重要，并且是连续的查询。由于无线传感器网络的不稳定和节点的易失性导致的数据丢失，以及数据采样的时间差都会带来一定的误差，所以对流数据的查询也是一种不明确的查询。无线传感器网络数据库必须考虑极大数目的节点以及它们的散列性和移动性，所以新的数据模型必须能满足下列条件f 7 1 【1 3 】：1 流数据的表示和查询。无线传感器网络数据库管理的数据是分布式的流数据，按照传统的s q l 语言查询，会使得连续的流数据发生阻塞，不会产生查询结果。因此必须引入时间段的理念，流数据与产生的时间段组成一个二元组 ，按照流数据所属的时间段，就能在一个时间段内，对流数据统一管理。2 传感器节点上的查询。每个传感器节点都能产生数据，产生数据的节点必须参与查询的操作，节点之间要交互协作，尽量的获得准确的数据。3 网内聚合、分组。无线传感器网络中的数据表是一个虚拟表( v i r t u a lt a b l e ) ，它是网络产生的一个连续的无限增长的数据关系视图表，数据库的基本操作都是在这个表中。4 网络拓扑的变化。网络拓扑的变化会带给查询操作很大的影响，会产生数据丢失和重复等。无线传感器网络的任何的应用系统都不能离开数据的管理技术，可见无线传感器网络的数据管理技术是决定无线传感器网络是否可用的关键性技术。直到现在为止，无线传感器网络的数掘管理技术的研究还是不很多，还有很多的问题需要解决，无线传感器1 4第二章无线传感器网络及其数据管理网络上的数据管理技术对于无线传感器网络的应用和普及有很重要的作用。2 4 小结本章主要研究无线传感器网络及其体系结构，还初步介绍了传感器节点和设计无线传感器网络数据库所依赖的数据模型。无线传感器网络的设计都要保证节点透明性，用户和应用程序就能直接通过数据库查询来访问数据，不用去理会它的具体结构，这样设计不但会使得应用很方便，而且也会使得应用程序在网络的拓扑结构改变时还能正常工作。1 5翌三至! 坐羔里璺墼基查缝笙丝第三章t i n y d b 及其存储结构3 1t i n y d b现在最有代表性的无线传感器网络数据库美国加州大学伯克利分校的数据库t i n y d b 系统，它为用户和应用程序创建一个简单的类s q l 的接1 2 1 。这样用户和应用程序就能像传统的关系数据库系统那样的使用t i n y d b 系统访问无线传感器网络中的信息，不用再去了解网络的具体结构。t i n y d b 系统7 】【1 3 】【1 9 】的主要的特点如下：1 提出元数据管理的概念。t i n y d b 系统包含很多的元数据和元数据的管理技术以及一些管理元数据的命令函数。2 支持注释性查询语言【2 0 】。t i n y d b 系统包含了类似于s q l 的注释性查询语言。用户和应用程序就能使用这个类s q l 语言进行查询的要求，不用再去说明访问数据的具体细节。这种注释性的查询语言使用户写的程序会更简单，并且能在无线传感器网络发送变化时能j 下常的工作。3 有效地网络拓扑管理。t i n y d b 系统通过追踪传感器节点的改变路径来管理网络，并且能给数据的传送可靠性提供了保障。4 支持多查询2 1 1 。t i n y d b 系统可以在同一个簇头节点上同时执行多个查询。执行的多个查询的属性都是不同的，t i n y d b 系统这种查询提高了性能。5 可扩展性强。鉴于无线传感器网络的应用要求以及节点的特点，必须对无线传感器网络扩展。t i n y d b 系统的扩展只是简单地将标准的t i n y d b 程序写入到新的节点上，就会使得该节点加入到t i n y d b 系统中。t i n y d b 系统主要是t i n y d b 客户端、t i n y d b j 艮务器和传感器网络三部分组成，如图3 1 所示。1 7无线传感器网络数据存储策略研究图3 1t i n y d b 系统的体系结构f i 9 3 1t h ea r c h i t e c t u r eo f t i n y d bs y s t e m3 1 1t i n y o st i n y d b 系统的运行必须需要一个平台，t i n y o s 操作系统【1 5 1 2 0 1 正是基于这一系统正常运行的平台。t i n y o s ( t i n y m i c r ot h r e a d i n go p e r a t i n gs y s t e m ) 是一个开放源代码的嵌入式的操作系统，它是由美国加州大学伯克利分校研究出来的，主要就是为了无线传感器网络的使用。t i n y o s 系统有效地管理传感器节点的硬件部件，增加传感器节点的并发性和鲁棒性，以及整个系统的模块化和健壮性，并减少能量的消耗，使传感器节点在运行和睡眠期间都能适度消耗能量。这种嵌入式的操作系统是特别为无线传感器网络研制的，在t i n y o s 操作系统的开发组件内，设计了自用的仿真实验系统，模拟在无线传感器网络节点的运行情况。与u n i x 操作系统离不开c 语言一样，t i n y o s 操作系统进行的操作也不能离开n e s c语言【1 4 j 。n e s c 语言是在c 语言基础上进行的一种扩展，支持组件化编程，有利于研究人员在无线传感器网络上开发研究。3 1 2t i n y o s 的特点和系统结构美国伯克利大学研究的t i n y o s 操作系统采用的是以事件为基础的组件结构系统。它的设计上的主要特点是程序代码少、能量消耗少、并发性高、鲁棒性好，可以在不同的无线传感器网络的应用中使用，一整套的t i n y o s 系统是由一个调度器和多个组件构成18蔓三至! 虫z 堡垒墼基壹缝笙丝的。调度器是由两层结构构成的，第一层主要是硬件的维护，它主要是在硬件中断产生时对组件的状态实施管理；第二层相对的来说就是软件的管理即任务的维护，仅当组件的状态维护的状态结束后，任务才能被启动。组件从上到下可以分成硬件抽象组件、综合硬件组件和高层组件报告事件。t i n y o s 系统的组件层次结构就像一个网络协议栈，第一层组件任务是接受和传送最初的数据；第二层组件的任务是对这些接收到得最初数据实施操作；第三层组件的任务是对操作完成的数据融合、传输2 2 1 。t i n y o s 体系结构【1 9 1如图3 2 所示。