一文了解無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

隨著傳感器技術(shù)、嵌入式技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)和無線通信技術(shù)的發(fā)展，以大量的具有微處理能力的微型傳感器節(jié)點(diǎn)組成的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）逐漸成為研究熱點(diǎn)問題。

與傳統(tǒng)無線通信網(wǎng)絡(luò)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)相比，WSN的自組織性、動態(tài)性、可靠性和以數(shù)據(jù)為中心等特點(diǎn)，使其可以應(yīng)用到人員無法到達(dá)的地方，比如戰(zhàn)場、沙漠等。因此，可以斷定未來無線傳感器網(wǎng)絡(luò)將有更為廣泛的前景。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Networks， WSN）是一種分布式傳感網(wǎng)絡(luò)，由大量的靜止或移動的傳感器以自組織和多跳的方式構(gòu)成的無線網(wǎng)絡(luò)，以協(xié)作地感知、采集、處理和傳輸網(wǎng)絡(luò)覆蓋地理區(qū)域內(nèi)被感知對象的信息，并最終把這些信息發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)的所有者。傳感器、感知對象和觀察者構(gòu)成了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的三個要素。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)所具有的眾多類型的傳感器，可探測包括地震、電磁、溫度、濕度、噪聲、光強(qiáng)度、壓力、土壤成分、移動物體的大小、速度和方向等周邊環(huán)境中多種多樣的現(xiàn)象。潛在的應(yīng)用領(lǐng)域可以歸納為： 軍事、航空、防爆、救災(zāi)、環(huán)境、醫(yī)療、保健、家居、工業(yè)、商業(yè)等領(lǐng)域。

與傳統(tǒng)有線網(wǎng)絡(luò)相比，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)具有很明顯的優(yōu)勢特點(diǎn)，主要的要求有：低能耗、低成本、通用性、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹踩?、?shí)時性、以數(shù)據(jù)為中心等。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)

采用同構(gòu)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu)，由傳感器節(jié)點(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)、服務(wù)器端的PC和客戶端的PC四大硬件環(huán)節(jié)組成，各組成環(huán)節(jié)功能如下。

傳感器節(jié)點(diǎn)

部署在監(jiān)測區(qū)域（A區(qū)），通過自組織方式構(gòu)成無線網(wǎng)絡(luò)。傳感器節(jié)點(diǎn)監(jiān)測的數(shù)據(jù)沿著其它節(jié)點(diǎn)逐跳進(jìn)行無線傳輸，經(jīng)過多跳后達(dá)到匯聚節(jié)點(diǎn)（B區(qū)）。

匯聚節(jié)點(diǎn)

是一個網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，負(fù)責(zé)無線網(wǎng)絡(luò)的組建，再將傳感器節(jié)點(diǎn)無線傳輸進(jìn)來的信息與數(shù)據(jù)通過SCI（ 串行通信接口）傳送至服務(wù)器端PC。

服務(wù)器端PC

是一個位于B區(qū)的管理節(jié)點(diǎn)，也是獨(dú)立的Internet網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)。在LabVIEW軟件平臺上面有兩個軟件：一是對傳感器無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行監(jiān)測管理的軟件平臺VI，即一個監(jiān)測傳感器無線網(wǎng)絡(luò)的虛擬儀器VI；二是Web Server軟件模塊和遠(yuǎn)程面板技術(shù)（Remote Panel）， 可實(shí)現(xiàn)傳感器無線網(wǎng)絡(luò)與Internet的連接。

客戶端PC

客戶端PC上無需進(jìn)行任何軟件設(shè)計，在瀏覽器中就可調(diào)用服務(wù)器PC中無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測虛擬儀器的前面板，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程異地（C區(qū)）對傳感器無線網(wǎng)絡(luò)（A區(qū)）的監(jiān)測與管理。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的傳感器節(jié)點(diǎn)

1．傳感器及其調(diào)理電路

應(yīng)根據(jù)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)所在的地區(qū)環(huán)境特點(diǎn)來選擇傳感器，以適應(yīng)環(huán)境溫度變化范圍、尺寸體積等特殊要求。傳感器所配接的調(diào)理電路將傳感器輸出的變化量轉(zhuǎn)換成能與A/D轉(zhuǎn)換器相適配的0~2.5V或0~5V的電壓信號。當(dāng)處于無電網(wǎng)供電地區(qū)時，傳感器及其調(diào)理電路都應(yīng)是低功耗的。

2．?dāng)?shù)據(jù)采集及A/D轉(zhuǎn)換器與微處理器系統(tǒng)

傳感器節(jié)點(diǎn)中的計算機(jī)系統(tǒng)是低功耗的單片微處理器系統(tǒng)，可以適應(yīng)遠(yuǎn)離測試中心、偏遠(yuǎn)地區(qū)惡劣環(huán)境的工作條件。如美國德克薩斯州儀器（TI）公司生產(chǎn)的MSP430－F149A超低功耗混合信號處理器（Mixed Signal Processor），它內(nèi)部自帶采樣/保持器和12位A/D轉(zhuǎn)換器，可對信號進(jìn)行采集、轉(zhuǎn)換以及對全節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)進(jìn)行指令控制和數(shù)據(jù)處理。

3．射頻模塊

射頻模塊接收外部無線指令并將傳感器檢測到的被測參量數(shù)據(jù)信息無線發(fā)送出去，如TI公司的CC2420無線收發(fā)芯片。

4．電源

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中對傳感器節(jié)點(diǎn)的供電是一個極具特殊性的正處于研究熱點(diǎn)的技術(shù)問題。若節(jié)點(diǎn)處于遠(yuǎn)離電網(wǎng)的偏遠(yuǎn)地區(qū)，一般采用電池供電或無線射頻供電方式。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的匯聚節(jié)點(diǎn)

圖1中的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)匯聚節(jié)點(diǎn)是一個網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，操作PC中監(jiān)測管理軟件平臺的面板控件，在其指令下負(fù)責(zé)執(zhí)行無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的配置與組建，并將接收到的傳感器節(jié)點(diǎn)無線傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息再傳至PC機(jī)。通常協(xié)調(diào)器主要由微處理器系統(tǒng)、射頻模塊、通信接口以及電源四個部分組成，其硬件組成框圖如圖所示。

1．通信接口

協(xié)調(diào)器中的通信接口負(fù)責(zé)與PC機(jī)進(jìn)行通信。一方面，當(dāng)操作PC機(jī)中無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測平臺VI前面板上的相應(yīng)控件時，通信接口負(fù)責(zé)傳遞下達(dá)的相應(yīng)指令，如檢索網(wǎng)絡(luò)、發(fā)送數(shù)據(jù)等；另一方面，協(xié)調(diào)器接收到傳感器節(jié)點(diǎn)無線發(fā)送的數(shù)據(jù)信息時，也將其通過通信接口上傳到PC中。

2．微處理器系統(tǒng)

協(xié)調(diào)器中的微處理器是整個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的主控制器，是協(xié)調(diào)器的核心。

3．射頻模塊

該射頻模塊將接收傳感器節(jié)點(diǎn)無線發(fā)送的數(shù)據(jù)信息，經(jīng)通信接口上傳至PC；另一方面，以無線傳輸方式下達(dá)PC對傳感器節(jié)點(diǎn)的操作指令。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議

目前無線個域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)化組織IEEE802.15工作組已完成了以下標(biāo)準(zhǔn)的制定：

中速無線個域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)IEEE802.15.1——藍(lán)牙；

高速無線個域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)IEEE802.15.3——超寬帶（UWB）；低速無線個域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)IEEE802.15.4。低速無線個域網(wǎng)主要為電源能力受限的、吞吐量要求較低的無線應(yīng)用提供簡單的低成本網(wǎng)絡(luò)連接，主要目標(biāo)是以簡單靈活的協(xié)議構(gòu)建一種安裝布置合理、數(shù)據(jù)傳輸可靠、設(shè)備成本極低、能量消耗較小的短距離無線通信網(wǎng)絡(luò)。

低速無線個域網(wǎng)符合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)關(guān)于低能耗、低成本、通用性、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹踩?、?shí)時性、以數(shù)據(jù)為中心等要求，因此目前研究、應(yīng)用的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的物理層及MAC層協(xié)議多采用IEEE 802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)。

基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議主要有2001年9月成立的ZigBee聯(lián)盟提出的ZigBee協(xié)議棧及適用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的嵌入式微型IPv6協(xié)議棧。其中，ZigBee協(xié)議以其低成本、不同廠商生產(chǎn)的產(chǎn)品可兼容等特點(diǎn)得到廣泛的研究與應(yīng)用。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與Internet的互聯(lián)

同構(gòu)網(wǎng)絡(luò)引入一個或幾個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳感器節(jié)點(diǎn)作為獨(dú)立的網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)并以此為接口接入互聯(lián)網(wǎng)， 即把與互聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)IP協(xié)議的接口置于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)外部的網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)。 這樣做比較符合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)流模式， 易于管理，無需對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)本身進(jìn)行大的調(diào)整；缺點(diǎn)是會使得網(wǎng)關(guān)附近的節(jié)點(diǎn)能量消耗過快并可能會造成一定程度的信息冗余。

異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)是：部分能量高的節(jié)點(diǎn)被賦予IP地址，作為與互聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)IP協(xié)議的接口。這些高能力節(jié)點(diǎn)可以完成復(fù)雜的任務(wù)，承擔(dān)更多的負(fù)荷，難點(diǎn)在于無法對節(jié)點(diǎn)的所謂“高能力”有一個明確的定義。同時，如何使得IP節(jié)點(diǎn)之間通過其它普通節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信也是一個技術(shù)難題。

WSN無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)及優(yōu)勢

WSN并不非常簡單的理解為利用無線通信方式多個傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行組網(wǎng)，它具有本身的特性及優(yōu)勢。

1、網(wǎng)絡(luò)規(guī)模大（節(jié)點(diǎn)數(shù)量多）

例如：對森林、草原進(jìn)行防火監(jiān)控、野生動物活動情況監(jiān)測、壞境監(jiān)測往往要布置大量的無線傳感器節(jié)點(diǎn)，布設(shè)范圍也遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過一般的局域網(wǎng)范圍。

布置大量的無線傳感器節(jié)點(diǎn)的優(yōu)點(diǎn)：

提高整體監(jiān)測的精確度

降低對單個節(jié)點(diǎn)的精確要求

大量冗余節(jié)點(diǎn)的存在使得系統(tǒng)有較強(qiáng)的容錯性。

2、自組織網(wǎng)絡(luò)

與局部網(wǎng)的布設(shè)不同，無線傳感器節(jié)點(diǎn)額位置布設(shè)前不能事先確定（飛機(jī)撒布、人員隨機(jī)布設(shè)），節(jié)點(diǎn)之間的互相鄰居關(guān)系也不能事先確定。

要求無線傳感器節(jié)點(diǎn)具有自組織能力，能夠自動進(jìn)行配置管理。實(shí)現(xiàn)的方法是通過拓?fù)淇刂茩C(jī)制和網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議自動形成能夠轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的多跳無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

3、動態(tài)性網(wǎng)絡(luò)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)經(jīng)常改變。原因：

被動改變：傳感器節(jié)點(diǎn)電能耗盡；環(huán)境變化造成通信故障；傳感器節(jié)點(diǎn)本身出現(xiàn)故障。

主動改變：增加新節(jié)點(diǎn)；根據(jù)路由算法的優(yōu)化做出的改變。

4、可靠性強(qiáng)

傳感器節(jié)點(diǎn)本身硬件結(jié)構(gòu)可靠

布設(shè)時：可能通過飛機(jī)撒布，人員隨機(jī)撒布

工作時：風(fēng)吹、日曬、雨林、嚴(yán)寒、酷暑。

維護(hù)性 ：維護(hù)十分困難（幾乎不可能）。

網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可靠

自組織網(wǎng)、動態(tài)性保證基本的信息傳輸正常。

軟件可靠

信息保密性強(qiáng)

5、以數(shù)據(jù)為中心

在互聯(lián)網(wǎng)中終端、主機(jī)、路由器、服務(wù)器等設(shè)備都有自己的IP地址。想訪問互聯(lián)網(wǎng)中資源，必須先知道存放資源的服務(wù)器的IP地址。所以互聯(lián)網(wǎng)是一個以地址為中心的網(wǎng)絡(luò)。而無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是任務(wù)型網(wǎng)絡(luò)。

在WSN中，節(jié)點(diǎn)雖然也有編號。但是編號是否在整個WSN中統(tǒng)一取決于具體需要。另外節(jié)點(diǎn)編號與節(jié)點(diǎn)位置之間也沒有必然聯(lián)系。用戶使用WSN查詢事件時，將關(guān)心的事件報告給整個網(wǎng)絡(luò)而不是某個節(jié)點(diǎn)。許多時候只關(guān)心結(jié)果數(shù)據(jù)如何，而不關(guān)心是哪個節(jié)點(diǎn)發(fā)出的數(shù)據(jù)。

WSN采用微型傳感器節(jié)點(diǎn)采集信息，各節(jié)點(diǎn)間具有自組織和協(xié)同工作的能力，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部采用無線多跳通信方式，與傳統(tǒng)的SN相比具有以下優(yōu)勢：

精確高：實(shí)現(xiàn)單一的傳感器無法實(shí)現(xiàn)的密集空間采樣及近距離監(jiān)測。

靈活性強(qiáng)：一經(jīng)部署無需人為干預(yù)。

可靠性高：可以避免單點(diǎn)失效問題

性價比高：降低有線傳輸成本，隨著技術(shù)的發(fā)展，傳感器成本低。

WSN應(yīng)用領(lǐng)域

由于WSN的特殊性，其應(yīng)用領(lǐng)域與普通網(wǎng)絡(luò)有著顯著地區(qū)別，主要包括以下幾類：

軍事應(yīng)用利用WSN可以快速部署、自行組織網(wǎng)絡(luò)、隱蔽性強(qiáng)、高容錯性的特點(diǎn)?？梢栽趹?zhàn)場上廣泛應(yīng)用。

包括：對敵軍兵力、武器的監(jiān)測、戰(zhàn)場實(shí)時監(jiān)視、目標(biāo)定位與鎖定、戰(zhàn)果評估等等。

緊急和臨時場合當(dāng)遭受自然災(zāi)難打擊后、固定的通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)施可能被全部摧毀或無法正常工作，邊遠(yuǎn)或偏僻野外地區(qū)、植被不能破壞的自然保護(hù)區(qū)，無法采用固定或預(yù)設(shè)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備通信。這些情況，都可以利用WSN的快速展開和自組織特點(diǎn)來解決

環(huán)境監(jiān)測比如：農(nóng)田灌溉情況監(jiān)控、土壤成分監(jiān)測、環(huán)境污染情況監(jiān)測、森林火災(zāi)報警、水情監(jiān)測、氣溫監(jiān)測、關(guān)照時間數(shù)據(jù)的采集等許多場合。

醫(yī)療護(hù)理包括：患者生理數(shù)據(jù)采集、醫(yī)療器材的管理、****品的發(fā)放以及關(guān)鍵人員的跟蹤、定位等等。

智能家居在家電和家居中嵌入WSN的傳感器節(jié)點(diǎn)，并與互聯(lián)網(wǎng)連接在一起。可以提供更舒適、方便、更具人性化的家居環(huán)境。

工廠監(jiān)控比如：化工、石油、電力、機(jī)械加工、紡織印染等等行業(yè)采用WSN技術(shù)可以很方便的進(jìn)行監(jiān)測。

WSN應(yīng)用存在的問題及研究熱點(diǎn)

在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計應(yīng)用過程中，有多種基礎(chǔ)性技術(shù)是支撐傳感器網(wǎng)絡(luò)完成任務(wù)的關(guān)鍵，這些關(guān)鍵技術(shù)解決是保證網(wǎng)絡(luò)用戶功能正常運(yùn)行的前提。

網(wǎng)絡(luò)協(xié)議在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議研究中，MAC協(xié)議和路由協(xié)議是研究的重點(diǎn)。

常用的MAC協(xié)議有：IEEE802.15.4、S-MAC、及T-MAC協(xié)議等；路由協(xié)議有：SPIN、DO、GEM、LEACH等協(xié)議。

時間同步在WSN，傳感器節(jié)點(diǎn)通常需要相互合作，完成復(fù)雜的檢測和感知任務(wù)，這需要各節(jié)點(diǎn)保持時間上的一致性，方便處理與時間有關(guān)的操作；WSN的一些節(jié)能方案也通過時間同步來實(shí)現(xiàn)的。

目前，在WSN中應(yīng)用比較成熟的時間同步協(xié)議有RBS（參考廣播同步）、Tiny/mini-Sync（微小/迷你同步）以及TPSN（Timing-sync協(xié)議的傳感器網(wǎng)絡(luò)）等三種。

定位技術(shù)在WSN中，傳感器節(jié)點(diǎn)獲得的檢測數(shù)據(jù)一般是與位置相關(guān)聯(lián)的，用戶感興趣的是收到的數(shù)據(jù)是從哪個位置送來的，在一些應(yīng)用中，需要通過空間不同位置的傳感器協(xié)調(diào)實(shí)現(xiàn)測量功能。因此，WSN中的定位技術(shù)包括節(jié)點(diǎn)自身定位和目標(biāo)定位兩種。

定位技術(shù)可以利用現(xiàn)有的GPS等定位技術(shù)，也可以根據(jù)WSN自身特點(diǎn)采用一些適用有效的定位算法，目前主要有DV2hop算法、位置分發(fā)算法、DV2distance算法等。

數(shù)據(jù)融合由于WSN的各種局限，在滿足用戶需求下，需求對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理，以節(jié)省通信帶寬和能量，提高信息收集效率，從耗能角度看，各節(jié)點(diǎn)間的通信耗能遠(yuǎn)高于計算處理耗能。

目前數(shù)據(jù)融合的方法很多，常用的有綜合平均法，卡爾曼濾波法、貝葉斯方法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、統(tǒng)計決策理論、模糊邏輯法、產(chǎn)生式規(guī)則和D-S證據(jù)理論等。

能量管理WSN的節(jié)點(diǎn)的電池充電和更換困難。因此，在設(shè)計時，要致力于高效實(shí)用節(jié)點(diǎn)的能量，所以能量管理也是WSN研究的重要課題。

目前主要采用的能量管理策略有休眠機(jī)制、數(shù)據(jù)融合等，它們主要應(yīng)用在計算機(jī)、存儲單元及通信單元部分。休眠機(jī)制可以通過相應(yīng)的硬件芯片、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議協(xié)調(diào)、動態(tài)電源管理及動態(tài)電壓調(diào)度等多種措施實(shí)現(xiàn)。

安全管理WSN中，安全管理主要體現(xiàn)在通信安全和信息安全兩個方面。通信安全主要考慮節(jié)點(diǎn)的安全、被動抵御入侵、主動反擊入侵，三方面問題，信息安全主要考慮數(shù)據(jù)的機(jī)密性、數(shù)據(jù)鑒別、數(shù)據(jù)的完整性和實(shí)效性等方面。

目前，WSN的安全研究內(nèi)容主要包括：a）物理層的高效加密算法、擴(kuò)頻抗干擾等。b）數(shù)據(jù)鏈路層的安全MAC協(xié)議。c）網(wǎng)絡(luò)層的安全路由協(xié)議。d）應(yīng)用層的密鑰管理和安全組播等，目前WSN中專用安全協(xié)議有：SNEP（網(wǎng)絡(luò)安全加密）和uTESLA（微型定時有效流容忍丟失認(rèn)證協(xié)議）。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是當(dāng)前信息領(lǐng)域中研究的熱點(diǎn)之一，可用于特殊環(huán)境實(shí)現(xiàn)信號的采集、處理和發(fā)送。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種全新的信息獲取和處理技術(shù)，在現(xiàn)實(shí)生活中得到了越來越廣泛的應(yīng)用。目前，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為一種獲得和處理信息的新技術(shù)，正在被廣泛的研究。隨著通信技術(shù)、嵌入式技術(shù)、傳感器技術(shù)的發(fā)展，傳感器正逐漸向智能化、微型化、無線網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展。

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