..無線傳感器網絡〔WSN摘要：無限傳感器是一種以通信為中心無線網絡。通過使用無線傳感器網絡人們可以實現信息的快遞、大范圍、自動化的采集和傳輸。它可以廣泛的應用于國防軍事、環(huán)境監(jiān)測、物流領域、高效農業(yè)、智能交通、醫(yī)療保健、制造業(yè)等領域。關鍵詞：無線傳感器網絡的簡介隨著傳感器技術、嵌入式計算技術、通信技術和半導體與微機電系統(tǒng)制造技術的飛速發(fā)展,具有感知、計算存儲和通信能力的微型傳感器應用于軍事、工業(yè)、農業(yè)和宇航各領域。無線網絡傳感器是集傳感器執(zhí)行器、控制器和通信裝置于一體,集傳感與驅動控制能力、計算能力、通信能力于一身的資源〔計算、存儲和能源受限的嵌入式設備。由這些微型傳感器構成的無線傳感器網絡能夠實時監(jiān)測、感知和采集網絡分布區(qū)域內的各種監(jiān)測對象信息,并對這些信息進行處理,傳送給需要這些信息的用戶。無線傳感器網絡〔WSN是由大量的具有通信和計算能力的微笑傳感器節(jié)點,以無線的方式連接構成的自治測控網絡。一種普遍被接受的無線傳感器網絡的定義為：大規(guī)模、無線、自組織、多跳、無分區(qū)、無基礎設施支持的網絡,其中節(jié)點是同構的,成本較低、體積較小,大部分節(jié)點不移動,被隨意散布在工作區(qū)域,要求網絡系統(tǒng)有盡可能長的工作時間。一個典型的無線傳感器網絡的系統(tǒng)架構包括分布式無線傳感器節(jié)點〔群、接受發(fā)送器匯聚節(jié)點、互聯網或通信衛(wèi)星和任務管理節(jié)點等。無線傳感器具有價格低廉、體積小、組網方便、靈活等特點。從21世紀開始,無線傳感器網絡成為多學科交叉前沿研究熱點,引起了世界各國的極大關注。WSN由具有傳感器模塊、數據處理模塊、交換路由模塊和無線通信模塊等大量傳感器節(jié)點,通過交換傳輸組成多跳的自組織、自學習無線通信網絡系統(tǒng),把感知對象的信息發(fā)送給控制著。WSN已成為一種全新的信息獲取、處理、傳輸和控制系統(tǒng),并在軍事、工業(yè)、商業(yè)、醫(yī)療、災害預報等領域有著廣闊應用前景。WSN經歷了從智能傳感器、無線智能傳感器到無線傳感器網絡的3個發(fā)展階段。智能傳感器將計算能力嵌入到傳感器中,是傳感器節(jié)點不僅具有采集能力,而且具有信息處理能力。無線智能傳感器在智能傳感器的基礎上,增加了無線通信能力。無線傳感器網絡將交換網絡技術引入到無線智能傳感器中,是傳感器在感知功能基礎上還具備交換信息、協調控制功能。WSN已成為下一代互聯網和通信網的重要組成部分,具有巨大的發(fā)展?jié)摿?。無線傳感器網絡的國內外研究現狀2.1無線傳感器網絡的國外研究現狀WSN的基本思想起源于20世紀70年代。1978年,DARPA在卡耐基梅隆大學城里了分布式傳感器網絡工作組；1980年,DARPA的分布式傳感器網絡項目〔DNS開啟了傳感器網絡研究的先河。近幾年來,美國國防部遠景設計研究局已投資幾千萬美元,幫助大學進行無線傳感器網絡技術的開發(fā)。美國國家自然基金委員會〔NSF也開設了大量與其相關的項目。NSF于20XX制定了WSN研究計劃,每年撥款3400萬美元支持相關研究項目,并在加州大學洛杉磯分校成立了傳感器網絡研究中心。20XX對網絡技術和系統(tǒng)的研究計劃中,主要研究下一代高可靠、安全的可擴展的網絡、可編程的無線網絡及傳感器系統(tǒng)的網絡特征,資助金額達4000萬美元。此外,美國交通部、能源部、美國國家航空航天局也相繼啟動了相關的研究項目。美國所有著名院校幾乎都有研究小組在從事WSN相關技術的研究。加州大學洛杉磯分校、加州大學伯克利分校、麻省理工學院、康奈爾大學、哈佛大學、卡耐基梅隆大學等在WSN研究領域層級較為突出。國際相關學術會議中對WSN的研討增多,檢索論文數目逐年以較大幅度增加。美國的Intel、Freescale等公司也開展了WSN的研究工作。此外,加拿大、英國、德國、芬蘭、日本和意大利等國家的研究機構也加入了WSN的研究。2.2無線傳感器網絡的國內研究現狀無線傳感器網絡的國內研究首次正式啟動出現于1999年中國科學院《知識創(chuàng)新工程點領域方向的研究》的"信息與自動化領域研究報告"中。20XX中國科學院依托上海微系統(tǒng)所成立微系統(tǒng)研究與發(fā)展中心,旨在引領中科院WSN的相關工作。國家自然科學基金已經審批了與WSN相關的一個重點課題和多項課題。20XX,將一項無線傳感器網絡項目〔面向傳感器網絡的分布自治系統(tǒng)關鍵技術及協調控制理論列為重點研究項目。20XX,將網絡傳感器中的基礎理論和關鍵技術列入計劃。20XX將水下移動傳感器網絡的關鍵技術列為重點研究項目。國家發(fā)改委下一代互聯網〔CNGI示范工程中,也部署了WSN相關的課題。在一份我國未來20年預見技術的調查報告中,信息領域157項技術課題中有7項與傳感器網絡直接相關。20XX初發(fā)布的《國家中長期科學與技術發(fā)展規(guī)劃綱要》為信息技術定義了3個前沿方向,其中2個與WSN的研究直接相關,即智能感知技術和自組織網絡技術。我國20XX遠景計劃和"十五"計劃中,將WSN列為重點發(fā)展的產業(yè)之一。此外,我國無線傳感器網絡研究也已經在很多研究所和高校展開。中科院上海微系統(tǒng)所憑借其在微系統(tǒng)和微電系統(tǒng)技術方面良好的基礎,從1998年開始就對無線傳感器網絡進行了跟蹤和研究,已經通過系統(tǒng)集成的方式完成了一些終端節(jié)點和基站的研發(fā)。中科院電子所和XX自動化所也分別從傳感器技術和控制技術角度入手開展工作,他們專注于傳感或控制執(zhí)行部分,對上層的通信技術和核心微處理器部分涉及較少。XX大學現代控制工程研究所成立了"無線傳感器網絡控制實驗室",聯合相關單位專門從事面向無線傳感器網絡的分布自制系統(tǒng)關鍵技術及協調控制理論方面的研究。XX省科學院于20XX10月正式啟動了關于無線傳感器網絡節(jié)點操作系統(tǒng)的研究。另外,中科院軟件所、中科院自動化所、國防科技大學、清華大學、中國科學技術大學、XX工業(yè)大學、北京郵電大學、XX大學、東南大學等單位在無線傳感器網絡方面也都開展了一定的研究工作。3.無線傳感器網絡的特點無線傳感器網絡具有以下特點：1、硬件資源有限。WSN節(jié)點采用嵌入式處理器和存儲器,計算能力和存儲能力十分有限。所以,需要解決如何在有限計算能力的條件下進行協作分布式信息處理的難題。2、電源容量有限。為了測量真實世界的具體值,各個節(jié)點會密集地分布于待測區(qū)域內,人工補充能量的方法已經不再適用。每個節(jié)點都要儲備可供長期使用的能量,或者自己從外汲取能量〔太陽能。當自身攜帶的電池的能量耗盡,往往被廢棄,甚至造成網絡的中斷。所以,任何WSN技術和協議的研究都要以節(jié)能為前提。3、無中心。在無線傳感器網絡中,所有節(jié)點的地位都是平等的,沒有預先指定的中心,是一個對等式網絡。各節(jié)點通過分布式算法來相互協調,在無人值守的情況下,節(jié)點就能自動組織起一個測量網絡。而正因為沒有中心,網絡便不會因為單個節(jié)點的脫離而受到損害。節(jié)點可以隨時加入或離開網絡,任何節(jié)點的故障不會影響整個網絡的運行,具有很強的抗毀性。4、自組織。網絡的布設和展開無需依賴于任何預設的網絡設施,節(jié)點通過分層協議和分布式算法協調各自的行為,節(jié)點開機后就可以快速、自動地組成一個獨立的網絡。5、多跳〔Multi-hop路由。WSN節(jié)點通信能力有限,覆蓋范圍只有幾十到幾百米,節(jié)點只能與它的鄰居直接通信。如果希望與其射頻覆蓋范圍之外的節(jié)點進行通信,則需要通過中間節(jié)點進行路由。WSN中的多跳路由是由普通網絡節(jié)點完成的。6、動態(tài)拓撲。WSN是一個動態(tài)的網絡,節(jié)點可以隨處移動；一個節(jié)點可能會因為電池能量耗盡或其他故障,退出網絡運行；也可能由于工作的需要而被添加到網絡中。這些都會使網絡的拓撲結構隨時發(fā)生變化,因此網絡應該具有動態(tài)拓撲組織功能。7、節(jié)點數量眾多,分布密集。WSN節(jié)點數量大、分布范圍廣,難于維護甚至不可維護。所以,需要解決如何提高傳感器網絡的軟、硬件健壯性和容錯性。8、傳輸能力的有限性。無線傳感器網絡通過無線電波進行數據傳輸,雖然省去了布線的煩惱,但是相對于有線網絡,低帶寬則成為它的天生缺陷。同時,信號之間還存在相互干擾,信號自身也在不斷地衰減,諸如此類。不過因為單個節(jié)點傳輸的數據量并不算大,這個缺點還是能忍受的。9、安全性的問題。無線信道、有限的能量,分布式控制都使得無線傳感器網絡更容易受到攻擊。被動竊聽、主動入侵、拒絕服務則是這些攻擊的常見方式。因此,安全性在網絡的設計中至關重要。4.無線傳感器網絡體系架構無線傳感器網絡結構如圖1-1所示,傳感器網絡系統(tǒng)通常包括傳感器節(jié)點〔sensornode、匯聚節(jié)點〔sinknode和管理節(jié)點。大量傳感器節(jié)點隨機部署在檢測區(qū)域〔sensingregion內,以自組織方式構成網絡,通過多跳中繼方式將檢測到的數據傳送給匯聚節(jié)點,最后通過互聯網或衛(wèi)星到達管理節(jié)點。用戶通過管理節(jié)點對傳感器網絡進行配置和管理,發(fā)布檢測任務及收集檢測數據。圖1-1無線傳感器網絡體系結構傳感器節(jié)點是一個微型的嵌入式系統(tǒng),計算能力、存儲能力和通信能力非常有限,能量也很有限。傳感器節(jié)點除了進行本地信息的收集之外,還要對其他節(jié)點轉發(fā)來的數據進行融合。相比較而言,匯聚節(jié)點各方面的能力要強得多,并且具有足夠的能力供給。匯聚節(jié)點通常與外部網絡直接相連,負責發(fā)布管理節(jié)點的檢測任務,并把收集的數據轉發(fā)給外部網絡。傳感器節(jié)點一般由數據采集模塊、處理器模塊、無線通信模塊和能量供應模塊這四部分組成。數據采集模塊負責數據的采集和轉換,處理器模塊負責數據處理,無線通信模塊負責與其他節(jié)點進行數據傳輸,能量供應模塊負責運行所需的能量,通常采用微型電池。傳感器節(jié)點的處理器通常使用嵌入式CPU,如Intel的8086.另外系統(tǒng)還需要一個微型化的操作系統(tǒng)以進行任務調度與管理,如UCBerkeley的TinyOS,嵌入式Linyx等。圖1-2描述了節(jié)點的組成,數據感知單元通過對傳感器所在區(qū)域進行數據采集和感知,進行模數轉換；經由數據處理單元對數據信號進行簡單處理后由數據傳送單元調制后發(fā)射出去。圖1-2傳感器節(jié)點體系結構1.數據采集模塊：由一組傳感器和數模轉換裝置構成的數據采集模塊負責將周圍環(huán)境的物理現象轉換成數字信號,例如測量所在周邊環(huán)境中的熱、紅外、聲納、雷達和地震波信號,從而探測包括溫度、濕度、噪聲、光強度、壓力、土壤成分、移動物體的大小、速度和方向等眾多用戶感興趣的物理現象。數據采集模塊提供了采集信息的能力,將數字世界與物理世界聯系起來。2.處理器模塊：由處理器和存儲器構成的處理器模塊,負責協調無線傳感器各個模塊的工作,如對數據采集模塊獲取信息進行必要的處理和存儲,控制無線通信模塊和能量供應模塊的工作模式等。處理器模塊提供了處理信息的能量,將無線傳感器節(jié)點智能化。3.無線通信模塊：由短距離無線收發(fā)電路構成的無線通信模塊,負責與其他無線傳感器鄰居節(jié)點或基站進行無線通信。無線通信模塊提供了傳輸信息的能力,將單獨的無線傳感器節(jié)點聯接成為協作網絡。4.能量供應模塊：由電池構成的能量供應模塊,為無線傳感器的其他模塊提供電源。5.無線傳感器網絡的關鍵技術無線傳感器網絡作為當今信息領域新的研究熱點,有非常多的關鍵技術有待發(fā)現和研究。而功耗和安全問題對于無線傳感器網絡來說,是兩個最重要的性能指標,所以WSN的關鍵技術必然以降低網絡功耗和確保網絡安全為主線。下面介紹網絡拓撲控制、數據同和等部分關鍵技術。5.1網絡圖譜控制對于自組織的傳感器網絡而言,網絡拓撲控制具有特別重要的意義。通過拓撲控制自動生成的良好的網絡拓撲結構,能夠提高路由協議和MAC協議的效率,可為數據融合、目標定位等很多方面奠定基礎,有利于節(jié)省節(jié)點的能量來延長網絡的生存期。所以,拓撲控制是WSN研究的核心技術之一。WSN拓撲控制目前主要研究的問題是在滿足網絡覆蓋度和連通度的前提下,通過功率控制和骨干網節(jié)點選擇,剔除節(jié)點之間不必要的無線通信鏈路,生成一個高效的數據轉發(fā)的網絡拓撲結構。拓撲控制分為節(jié)點功率控制和層次型拓撲結構控制兩個方面。功率控制機制調節(jié)網絡中每個節(jié)點的發(fā)射功率,在滿足網絡連通度的前提下,減少節(jié)點的發(fā)送功率,均衡節(jié)點單跳可達的鄰居數目；目前已經提出了以鄰居節(jié)點度為參考依據的算法,以及利用鄰近圖思想生成拓撲結構的DRNG和DLSS算法。層次型的拓撲控制利用分簇機制,讓一些節(jié)點作為簇頭,由簇頭形成一個處理并轉發(fā)數據的骨干網,其他骨干網節(jié)點可以暫時關閉通信模塊,進入休眠狀態(tài)以節(jié)省能量。5.2數據融合在無線傳感器網絡中,節(jié)點傳感器采集數據并將它發(fā)送到網絡終端。但是在數據的采集和傳輸過程中,總要對采集的數據進行處理,因此存在如何對采集的數據進行處理、融合的問題。如果完全在本地節(jié)點上處理采集的數據而只發(fā)送處理后的結果,可以降低傳輸數據的功耗,但增加了本地節(jié)點處理器的功耗；如果傳輸原始采集的數據,可以降低節(jié)點處理器的功耗,但增加了節(jié)點傳輸數據的功耗。因此,如何對采集的數據進行處理與融合對降低節(jié)點能耗起到相當大的作用。通常網絡中的傳感器數量很多,傳感器采集的數據具有一定的冗余度,因此將多個節(jié)點采集的數據相互結合起來進行處理可以降低整個網絡數據的傳輸量,有效降低系統(tǒng)功耗,問題是如何尋找本地節(jié)點處理與節(jié)點聯合處理的平衡點。5.3定位技術位置信息是傳感器節(jié)點采集數據中不可缺少的部分,沒有位置信息的監(jiān)測消息通常毫無意義。為了提供有效位置信息,隨機部署的傳感器節(jié)點必須能夠在布置后確定自身位置。由于傳感器節(jié)點存在資源有限、隨機部署、通信易受環(huán)境干擾甚至節(jié)點失效等特點,定位機制必須滿足自組織性、健壯性、能量高效、分布式計算等要求?，F有的WSN定位算法根據定位機制的不同,可以分為基于測距的方法與不基于測距的方法兩類。基于測距的定位機制利用到達的時間延遲、信號到達時差和接受信號強度來估計距離或來波方向,然后使用三邊測量法或最大似然估計等計算未知節(jié)點的位置。而不基于測距的定位機制無需距離或角度信息,或則不用直接測量這惡習信息,僅根據網絡的連通性等信息實現節(jié)點的定位。距離無關的定位機制的定位性受環(huán)境因素影響小,雖然定位誤差相應有所增加,但定位精度能夠滿足多數傳感器網絡用用的需求,是目前大家重點關注的定位機制。5.4無線通信技術傳感器網絡需要低功耗短距離的無線通信技術。IEEE802.15.4標準是針對低速無線個人域網絡的無線通信標準,把低功耗、低成本作為設計的主要目標、由于EEE802.15.4標準的網絡特征與無線傳感器網絡存在很多相似之處,故很多研究機構把它作為無線傳感器網絡的無線通信平臺。另外,超寬帶無線通信以其高速率、低功耗、抗多徑、低成本等諸多優(yōu)勢,已成為室內短距離無線網絡的首選方案,這為WSN的數據傳輸開辟了一種嶄新的方案。5.5時間同步傳感器網絡中由于節(jié)能策略,節(jié)點在大部分時間是休眠的,所以要求解決通信同步問題,即通信節(jié)點雙方需要在通信時同時喚醒。另外,傳感器網絡是一個分布式網絡,所有節(jié)點在通信商地位對等,沒有優(yōu)先級可言。所以要讓整個網絡能夠工作在有效狀態(tài),往往需要做到全網或者一定范圍內所有節(jié)點的同步,而不是通信雙方的簡單同步。6.無線傳感器網絡的應用現狀雖然無線傳感器網絡的大規(guī)模商業(yè)應用,由于技術等方面的制約還有待時日,但是最近幾年,隨著計算成本的下降以及微處理器體積越來越小,已經為數不少的無線傳感器網絡開始投入使用。目前無線傳感器網絡的應用主要集中在以下領域：6.1環(huán)境的監(jiān)測和保護隨著人們對于環(huán)境問題的關注程度越來越高,需要采集的環(huán)境數據也越來越多,傳統(tǒng)的數據采集方式難以適應復雜多變的環(huán)境。無線傳感器網絡的出現為隨機性的研究數據獲取提供了便利,并且還可以避免傳統(tǒng)數據收集方式給環(huán)境帶來的侵入式破壞。環(huán)境監(jiān)控的典型案例有：夏威夷大學在夏威夷火山國家公園內鋪設WSN以監(jiān)測瀕臨滅種的植物所在地的微小氣候變化。科學家們在加州北部Sonoma的小樹林里組建了一個系統(tǒng),該系統(tǒng)由捆綁在紅杉樹樹枝和主干上的120個塑料封裝的無線傳感器組成。根據該系統(tǒng)所采集的數據,可繪制出詳細的圖標,從而說明這些樹木周圍的微氣候如何變化,以及它們怎樣通過樹陰、呼吸作用、水分輸送等方式來影響當地環(huán)境6.2醫(yī)療護理無線傳感器網絡在醫(yī)療研究、護理領域也可以大展身手。羅徹斯特大學的科學家使用無線傳感器創(chuàng)建了一個智能醫(yī)療房間,使用微塵來測量居住者的重要征兆〔血壓、脈搏和呼吸、睡覺姿勢以及每天24小時的活動狀況。英特爾公司也推出了無線傳感器網絡的家庭護理技術。該技術是做為探討應對老齡化社會的技術項目CenterforAgingServicesTechnologies〔CAST的一個環(huán)節(jié)開發(fā)的。該系統(tǒng)通過在鞋、家具以家用電器等家中道具和設備中嵌入半導體傳感器,幫助老齡人士、阿爾茨海默氏病患者以及殘障人士的家庭生活。利用無線通信將各傳感器聯網可高效傳遞必要的信息從而方便接受護理。而且還可以減輕護理人員的負擔。英特爾主管預防性健康保險研究的董事EricDishman稱,"在開發(fā)家庭用護理技術方面,無線傳感器網絡是非常有前途的領域"。6.3軍事領域由于無線傳感器網絡具有密集型、隨機分布的特點,使其非常適合應用于惡劣的戰(zhàn)場環(huán)境中,使其非常適合應用于惡劣的戰(zhàn)場環(huán)境中,包括偵察敵情、監(jiān)控兵力、裝備和物資,判斷生物化學攻擊等多方面用途。戰(zhàn)場偵察與監(jiān)控戰(zhàn)場偵察與監(jiān)控的基本思想,是在戰(zhàn)場上布設大量的WSN,以收集和中繼信息,并對大量的原始數據進行過濾；然后把重要信息傳送到數據融合中心,將大量信息集成為一幅戰(zhàn)場全景圖,以滿足作戰(zhàn)力量"知己知彼"的要求,大大提升指揮員對戰(zhàn)場態(tài)勢的感知水平。目標定位WSN中感知目標信息的節(jié)點將感知信息廣播〔無線傳送到管理節(jié)點,再由管理節(jié)點融合感知信息,對目標位置進行判斷的過程稱為目標定位。目標定位是WSN的重要應用之一,為火力控制和制導系統(tǒng)提供精確的目標定位信息,從而實現對預定目標的精確打擊。毀傷效果評估戰(zhàn)場目標毀傷效果評估是對火力打擊后目標毀傷情況的科學評價,是后續(xù)作戰(zhàn)行動決策的重要依據。當前應用較多的目標毀傷效果評估系統(tǒng)主要依托于無人機、偵察衛(wèi)星等手段,但這些手段均受到飛行距離近、過頂時間段、敵方打擊威脅或天氣等因素的制約,無法全天時對打擊目標進行抵近偵察并對毀傷效果做出正確評估。6.4建筑結構監(jiān)測無線傳感器網絡用于監(jiān)測建筑物的健康狀況,不僅成本低廉,而且能夠解決傳統(tǒng)監(jiān)測布線復雜化、線路老化、易受損壞等問題。斯坦福大學提出了基于無線傳感器網絡的建筑物監(jiān)測系統(tǒng),采用基于分簇結構的兩層網絡系統(tǒng),傳感器節(jié)點由EVK915模塊和ADXL210加速度傳感器構成,分簇首節(jié)點由ProximRangelLAN2無限調制器和EVK915連接而成。南加州大學的一種監(jiān)測建筑物的無線傳感器網絡系統(tǒng)NETSHM,該系統(tǒng)出了監(jiān)測建筑物的健康狀況外,并且能夠定位出建筑物受損傷的位置。6.5自然災害的預防在一些容易發(fā)生泥石流、滑坡等自然災害的地方,使用無線傳感器網絡及時、長期地對這些地方的地形變化、各種環(huán)境因素的監(jiān)測,采集相關數據并進行適當的分析,當災難將要發(fā)生時,我們就可以提前發(fā)出預警報告以做好準備或采取相應措施防止它們進一步的發(fā)生。6.6企業(yè)、家庭監(jiān)控在企業(yè)、家庭布設無線傳感器網絡,可以實時的監(jiān)