無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）綜述

2010/5/6主要內(nèi)容：WSN概述歷史以及發(fā)展現(xiàn)狀WSN的體系結(jié)構(gòu)WSN的特征WSN的應(yīng)用WSN的協(xié)議關(guān)鍵技術(shù)未來發(fā)展機遇展望WSN概述無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（wirelesssensornetwork,WSN）系統(tǒng)是當前在國際上備受關(guān)注的、涉及多學(xué)科高度交叉、知識高度集成的前沿熱點研究領(lǐng)域。它綜合了傳感器技術(shù)、嵌入式計算技術(shù)、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)及無線通信技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)等。

WSN概述（續(xù)）影響力:☆美國商業(yè)周刊和MIT技術(shù)評論(技術(shù)編輯部門)在預(yù)測未來技術(shù)發(fā)展報告中將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)列為21世紀最有影響的21項技術(shù)和改變世界的10大技術(shù)之一?！顐鞲衅骶W(wǎng)絡(luò)被列為未來3大高科技產(chǎn)業(yè)一?！蠲绹摹都夹g(shù)評論》將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)列為第一項未來新興技術(shù)。

☆《商業(yè)周刊》預(yù)測的未來4大新技術(shù)中，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)也列入其中等。歷史以及發(fā)展現(xiàn)狀國外：起源于美國，根源可追溯到1978年由國防部高級研究計劃署（DARPA）在卡內(nèi)基-梅隆大學(xué)發(fā)起的分布式傳感器研討會。具有代表性的項目包括：1993-1999年間由美國國防高級研究計劃署(DARPA)資助，加州大學(xué)洛杉磯分校(UCLA)承擔的WINS項目；1999-2001年間由DAPRA資助UC

Berkeley承擔的Smart

Dust項目。歷史以及發(fā)展現(xiàn)狀（續(xù)）1998-2002年DARPA資助，加州大學(xué)伯克利分校等25個機構(gòu)聯(lián)合承擔的SensIT計劃；1999-2004年間海軍研究辦公室的SeaWeb計劃等。國內(nèi)：中國的一些研究機構(gòu)近年開始研究：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)、清華大學(xué)、中科院計算所、上海微系統(tǒng)所、沈陽自動化所以及合肥智能所等研究單位。WSN的體系結(jié)構(gòu)傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)采集、處理、通信能力WSN的體系結(jié)構(gòu)（續(xù)）傳感器節(jié)點結(jié)構(gòu)MAC主要負責控制與連接物理層的物理介質(zhì)WSN的體系結(jié)構(gòu)（續(xù)）傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧傳感器網(wǎng)絡(luò)由物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層、應(yīng)用層、能量管理平面、移動性管理平面和任務(wù)管理平面八個部分組成。WSN的特征（續(xù)）☆節(jié)點的限制※電池能量有限※通信能力有限能量消耗和通信距離關(guān)系E正比于d(n).{2<n<4}※計算和存儲能力有限WSN的特征（續(xù)）☆傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點：大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)自組織網(wǎng)絡(luò)動態(tài)性網(wǎng)絡(luò)可靠性網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用性相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)以數(shù)據(jù)為中心的網(wǎng)絡(luò)特點之一——大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)傳感器網(wǎng)絡(luò)的大規(guī)模性包括兩方面的含義：一方面是傳感器節(jié)點分布在很大的地理區(qū)域內(nèi)（原始大森林防火和環(huán)境監(jiān)測），需要部署大量的傳感器節(jié)點；另一方面，傳感器節(jié)點部署很密集，在一個面積不是很大的空間內(nèi)，密集部署了大量的傳感器節(jié)點。特點之三——動態(tài)性網(wǎng)絡(luò)傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)可能因為下列因素而改變：①環(huán)境因素或電能耗盡造成的傳感器節(jié)點出現(xiàn)故障或失效；②環(huán)境條件變化可能造成無線通信鏈路帶寬變化，甚至?xí)r斷時通；③傳感器網(wǎng)絡(luò)的傳感器、感知對象和觀察者這三要素都可能具有移動性；④新節(jié)點的加入。這就要求傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)要能夠適應(yīng)這種變化，具有動態(tài)的系統(tǒng)可重構(gòu)性。特點之四——可靠的網(wǎng)絡(luò)

由于監(jiān)測區(qū)域環(huán)境的限制以及傳感器節(jié)點數(shù)目巨大，不可能人工“照顧”每個傳感器節(jié)點，網(wǎng)絡(luò)的維護十分困難甚至不可維護。傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信保密性和安全性也十分重要，要防止監(jiān)測數(shù)據(jù)被盜取和獲取偽造的監(jiān)測信息。因此，傳感器網(wǎng)絡(luò)的軟硬件必須具有魯棒性和容錯性。特點之五——應(yīng)用相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)傳感器網(wǎng)絡(luò)用來感知客觀世界多種多樣的物理量，不同的應(yīng)用背景對傳感器網(wǎng)絡(luò)的要求不同，其硬件平臺、軟件系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議必然會有很大差別。所以傳感器網(wǎng)絡(luò)不能像Internet-樣，有統(tǒng)一的通信協(xié)議平臺。對于不同的傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用雖然存在一些共性問題，但針對每一個具體應(yīng)用來研究傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，這是傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計不同于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的顯著特征。WSN的應(yīng)用☆軍事上的應(yīng)用傳感器網(wǎng)絡(luò)具有可快速部署、可自組織、隱蔽性強和高容錯性的特點，因此非常適合軍事上的應(yīng)用。通過飛機或炮彈直接將傳感器節(jié)點散播到敵方陣地內(nèi)部，或者在公共隔離帶部署傳感網(wǎng)絡(luò)，就能隱蔽而且近距離的準確收集戰(zhàn)場信息。例:傳感器網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)成為美軍事C4ISRT系統(tǒng)必不可少的一部分。WSN的應(yīng)用（續(xù)）☆環(huán)境觀測和保護英特爾研究實驗室研究人員曾經(jīng)將32個小型傳感器連進互聯(lián)網(wǎng)，以讀出緬因州"大鴨島"上的氣候，用來評價一種海燕巢的條件。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)還可以跟蹤候鳥和昆蟲的遷移，研究環(huán)境變化對農(nóng)作物的影響，監(jiān)測海洋、大氣和土壤的成分等。此外，它也可以應(yīng)用在精細農(nóng)業(yè)中，來監(jiān)測農(nóng)作物中的害蟲、土壤的酸堿度和施肥狀況等。WSN的應(yīng)用（續(xù)）☆醫(yī)療護理用于人體的各種生理數(shù)據(jù)，跟蹤和監(jiān)控醫(yī)院內(nèi)醫(yī)生和患者的行動，醫(yī)院的藥物管理等。例：一個可以成像的特殊發(fā)送器芯片與精巧設(shè)計的超低功率無線技術(shù)結(jié)合，就可以實現(xiàn)可用于一個胃腸道診斷的微型吞服攝像膠囊?；颊咄滔戮SC片大小的成像膠囊后，膠囊經(jīng)過食道、胃和小腸時就可將圖象廣播出來。膠囊由一個攝象機、LED、電池、特制芯片和天線組成。（如圖）WSN的應(yīng)用（續(xù)）☆智能家居家電和家具中嵌入傳感器節(jié)點，通過無線網(wǎng)絡(luò)與Internet連在一起。為人提供人性化的家居環(huán)境。例：Avaak提供一個只有1立方英寸大小的自治產(chǎn)品。這個微型的無線視頻平臺包含有一節(jié)電池、無線電、攝像相機、(彩色成像器加鏡頭)、控制器、天線和溫度傳感器。（如圖）WSN的應(yīng)用（續(xù)）WSN的應(yīng)用（續(xù)）☆建筑物狀態(tài)監(jiān)控利用傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控建筑物的安全狀態(tài)。例：Microstrain在佛蒙特州的一座重載橋梁上安裝了一套該公司研制的系統(tǒng)，將位移傳感器安裝在鋼梁上用來測量靜態(tài)和動態(tài)應(yīng)力，并通過無線網(wǎng)絡(luò)來采集數(shù)據(jù)。該無線系統(tǒng)可以保留在橋梁上用于長期監(jiān)測橋梁是否處于正常受控狀態(tài)。（如圖）WSN的應(yīng)用（續(xù)）☆完成空間探索借助于航天器在外星體撒播一些傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，可以對星球表面進行長時間監(jiān)測。成本低、節(jié)點體積小，相互之間可以進行通信，也可以和地面站進行通信。例：NASA的JPL（JetPropulsionLaboratory）實驗室研制的SensorWebs(感應(yīng)網(wǎng))就是為將來的火星探測進行技術(shù)準備。該系統(tǒng)已經(jīng)在實施測試和完善。MAC協(xié)議在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，介質(zhì)訪問控制協(xié)議決定無線信道的使用方式，在傳感器節(jié)點之間分配有限的無線通信資源，用來構(gòu)建傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的底層基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)?！钤O(shè)計MAC協(xié)議時考慮：※節(jié)省能量※可擴展性※網(wǎng)絡(luò)效率MAC主要負責控制與連接物理層的物理介質(zhì)MAC協(xié)議_MAC網(wǎng)絡(luò)能量浪費主要原因：※數(shù)據(jù)重傳，耗費節(jié)點更多能量?！?jié)點接受不必要的數(shù)據(jù)?！?jié)點不需要發(fā)送數(shù)據(jù)時，過度偵聽。※信道分配時，控制消息過多。MAC協(xié)議節(jié)點無線通信模塊的狀態(tài)包括：發(fā)送狀態(tài)、接受狀態(tài)、偵聽狀態(tài)、睡眠狀態(tài)。各狀態(tài)耗能按上述順序依次減少，因此通常采用”偵聽/睡眠”交替使用的無線信道使用策略。MAC協(xié)議針對不同的傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，提出不同的MAC協(xié)議，主要分3類：※時分復(fù)用（TDMA）的MAC協(xié)議?！S機競爭的MAC協(xié)議?！渌鸐AC協(xié)議。如：頻分復(fù)用或碼分復(fù)用等協(xié)議。WSN的協(xié)議_MD協(xié)議節(jié)點平均耗能表示為：P=a*P0+（1-a）*PsP：平均功耗。a：節(jié)點工作占空比。P0：活動狀態(tài)下的功耗。Ps：待機狀態(tài)下的功耗。WSN的協(xié)議（續(xù)）MD(MediationDevice)協(xié)議對于大多數(shù)應(yīng)用P0>>Ps.所以可以通過降低占空比來延長壽命。但是對于極低的占空比來說，節(jié)點間同步非常困難，網(wǎng)絡(luò)工作時，所有節(jié)點99.9%處于待機狀態(tài)，引入仲裁設(shè)備(MD協(xié)議)就是保持功耗最小化的同時實現(xiàn)穩(wěn)定的時間同步。工作過程如下：一個完整的喚醒周期包括休眠時段和監(jiān)聽時段。監(jiān)聽時段與喚醒時段的時間長度之比就是占空比。WSN的協(xié)議_MD(MediationDevice)協(xié)議①節(jié)點A連續(xù)發(fā)送RTS(請求和發(fā)送)信標并等待RTS應(yīng)答。②節(jié)點B醒來發(fā)送一個查詢信標，MD記錄A、B之間的時間偏移。收到節(jié)點B的查詢信標后，MD發(fā)送一個響應(yīng)消息給節(jié)點B，告訴B節(jié)點A要發(fā)消息給它。并告訴它與A之間的時間差。③B收到MD的查詢響應(yīng)消息后，調(diào)節(jié)與A同步，傳消息。④得到消息被收到的確認后，A和B均返回原來狀態(tài)。

清除發(fā)送階段WSN的協(xié)議（續(xù)）路由協(xié)議和傳統(tǒng)的路由協(xié)議相比，無線傳感器的路由協(xié)議有以下特點：☆能量優(yōu)先☆基于局部拓撲信息☆以數(shù)據(jù)為中心☆應(yīng)用相關(guān)WSN的協(xié)議（續(xù)）路由協(xié)議分類☆能量感知路由協(xié)議?！罨诓樵兊穆酚蓞f(xié)議?！畹乩砦恢玫穆酚蓞f(xié)議?！羁煽康穆酚蓞f(xié)議。關(guān)鍵技術(shù)網(wǎng)絡(luò)拓撲控制網(wǎng)絡(luò)協(xié)議網(wǎng)絡(luò)安全時間同步定位