無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)

WirelessSensorNetworks引言

近年來(lái)，隨著傳感器、計(jì)算機(jī)、無(wú)線通信及微機(jī)等技術(shù)的發(fā)展和相互融合，產(chǎn)生了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN，wirelesssensornetworks）。WSN技術(shù)與當(dāng)今主流無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)使用同一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)——802.15.14，它是指由大量的廉價(jià)微型傳感節(jié)點(diǎn)組成，通過(guò)無(wú)線通信方式形成的一個(gè)自組織的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)?？蓱?yīng)用于布線和電源供給困難的區(qū)域、人員不能到達(dá)的區(qū)域和一些臨時(shí)場(chǎng)合等。不需要固定網(wǎng)絡(luò)支持，具有快速展開(kāi)、抗損壞性強(qiáng)等特點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于軍事、工業(yè)、交通、環(huán)保等領(lǐng)域，引起人們廣泛關(guān)注無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是基于微電子技術(shù)、嵌入式計(jì)算技術(shù)、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)及無(wú)線通信技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)的。WSN典型工作如下：使用飛行器將大量節(jié)點(diǎn)拋撒到感興趣的區(qū)域，節(jié)點(diǎn)通過(guò)自組織快速形成一個(gè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。節(jié)點(diǎn)既是信息的采集者和發(fā)出者，也充當(dāng)著信息的路由著，采集的數(shù)據(jù)通過(guò)多跳路由到達(dá)網(wǎng)關(guān)。網(wǎng)關(guān)也是一類特殊的節(jié)點(diǎn)，可以通過(guò)lnternet、移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)、衛(wèi)星等與監(jiān)控中心通信。目前WSN尚處于研究階段，為了加快其實(shí)用化進(jìn)程，國(guó)外建設(shè)了許多演示系統(tǒng)，相關(guān)的理論研究成果也很多。近年來(lái)國(guó)，內(nèi)一些科研院所和高校也開(kāi)展WSN理論和應(yīng)用的研究。傳統(tǒng)的感知方法WSN體系結(jié)構(gòu)WSN是一種分布式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，采用多跳的通信方式，其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)變化，具有自組織、自控制以及自適應(yīng)等智能屬性，有傳感器節(jié)點(diǎn)、感知對(duì)象和觀察者三者基本組成?；跓o(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的多網(wǎng)融合體系結(jié)構(gòu)：傳感器節(jié)點(diǎn)：它具有信息采集、處理、控制和通信等功能，對(duì)于網(wǎng)絡(luò)而言它有兼顧其他節(jié)點(diǎn)和路由器的功能。在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)關(guān)擔(dān)當(dāng)網(wǎng)絡(luò)間的協(xié)議轉(zhuǎn)換器，不同網(wǎng)絡(luò)類型的網(wǎng)絡(luò)路由器，全網(wǎng)數(shù)據(jù)聚集、存儲(chǔ)等重要角色，成為網(wǎng)絡(luò)間連接不可缺少的紐帶。傳統(tǒng)的WSN網(wǎng)關(guān)是利用匯聚節(jié)點(diǎn)與PC機(jī)相結(jié)合來(lái)實(shí)現(xiàn)的，利用PC機(jī)與外部網(wǎng)絡(luò)連接將無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸。傳感器網(wǎng)絡(luò)覆蓋感知對(duì)象區(qū)域，每個(gè)傳感器完成其臨近感知對(duì)象的觀測(cè)，多傳感器協(xié)同完成感知區(qū)域的大觀測(cè)任務(wù)，使用多跳路由算法向用戶報(bào)告觀測(cè)結(jié)果。傳感器節(jié)點(diǎn)的一般結(jié)構(gòu)傳感器節(jié)點(diǎn)的具體產(chǎn)品根據(jù)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)示意圖可以看出：無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)實(shí)際是一個(gè)微型嵌入式系統(tǒng)。特點(diǎn)：1、電源能量有限：電池供電、難于更換。2、通信能力有限：距離小于100M；速率小。3、計(jì)算處理能力有限：處理器能力弱、存儲(chǔ)容量小。觀測(cè)對(duì)象是觀察者感興趣的區(qū)域，諸如坦克、飛機(jī)、動(dòng)物有害物質(zhì)等物體。一般通過(guò)物理現(xiàn)象、化學(xué)現(xiàn)象或其他現(xiàn)象的數(shù)字量進(jìn)行表征。觀察者是WSN的終端用戶，是感測(cè)信息的接收者和使用者，可以使人、計(jì)算機(jī)或其他外部設(shè)備。WSN的特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)WSN并不非常簡(jiǎn)單的理解為利用無(wú)線通信方式多個(gè)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(shì)。1、網(wǎng)絡(luò)規(guī)模大（節(jié)點(diǎn)數(shù)量多）例如：對(duì)森林、草原進(jìn)行防火監(jiān)控、野生動(dòng)物活動(dòng)情況監(jiān)測(cè)、壞境監(jiān)測(cè)往往要布置大量的無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)，布設(shè)范圍也遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)一般的局域網(wǎng)范圍。布置大量的無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)的優(yōu)點(diǎn)：(1)提高整體監(jiān)測(cè)的精確度(2)降低對(duì)單個(gè)節(jié)點(diǎn)的精確要求(3)大量冗余節(jié)點(diǎn)的存在使得系統(tǒng)有較強(qiáng)的容錯(cuò)性。2、自組織網(wǎng)絡(luò)與局部網(wǎng)的布設(shè)不同，無(wú)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(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)具有自組織能力，能夠自動(dòng)進(jìn)行配置管理。實(shí)現(xiàn)的方法是通過(guò)拓?fù)淇刂茩C(jī)制和網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議自動(dòng)形成能夠轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的多跳無(wú)線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。3、動(dòng)態(tài)性網(wǎng)絡(luò)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)經(jīng)常改變。原因：(1)被動(dòng)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。(2)主動(dòng)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)(1)傳感器節(jié)點(diǎn)本身硬件結(jié)構(gòu)可靠布設(shè)時(shí)：可能通過(guò)飛機(jī)撒布，人員隨機(jī)撒布工作時(shí)：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)。(2)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可靠自組織網(wǎng)、動(dòng)態(tài)性保證基本的信息傳輸正常。(3)軟件可靠(4)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(wèn)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(gè)以地址為中心的網(wǎng)絡(luò)。而無(wú)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(hào)。但是編號(hào)是否在整個(gè)WSN中統(tǒng)一取決于具體需要。另外節(jié)點(diǎn)編號(hào)與節(jié)點(diǎn)位置之間也沒(méi)有必然聯(lián)系。用戶使用WSN查詢事件時(shí)，將關(guān)心的事件報(bào)告給整個(gè)網(wǎng)絡(luò)而不是某個(gè)節(jié)點(diǎn)。許多時(shí)候只關(guān)心結(jié)果數(shù)據(jù)如何，而不關(guān)心是哪個(gè)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(wú)線多跳通信方式，與傳統(tǒng)的SN相比具有以下優(yōu)勢(shì)：1、精確高：實(shí)現(xiàn)單一的傳感器無(wú)法實(shí)現(xiàn)的密集空間采樣及近距離監(jiān)測(cè)。2、靈活性強(qiáng)：一經(jīng)部署無(wú)需人為干預(yù)。3、可靠性高：可以避免單點(diǎn)失效問(wèn)題4、性價(jià)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的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議層次WSN協(xié)議棧示意圖物理層提供簡(jiǎn)單健壯的信號(hào)調(diào)制和無(wú)線收發(fā)技術(shù)。數(shù)據(jù)鏈路層負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)幀、幀檢測(cè)、媒體訪問(wèn)和差錯(cuò)控制。網(wǎng)絡(luò)層主要負(fù)責(zé)路由生成與路由選擇。傳輸層主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)流的傳輸控制，是保證通信服務(wù)質(zhì)量的重要部分。應(yīng)用層包括一系列基于監(jiān)測(cè)任務(wù)的應(yīng)用層軟件。能量管理平臺(tái)管理傳感器節(jié)點(diǎn)如何使用能量，在各個(gè)協(xié)議層都需要考慮節(jié)省能量。移動(dòng)管理平臺(tái)檢測(cè)并注冊(cè)傳感器節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)，維護(hù)到匯聚節(jié)點(diǎn)的路由，使得傳感器節(jié)點(diǎn)能夠動(dòng)態(tài)跟蹤其鄰居的位置。任務(wù)管理平臺(tái)在一個(gè)給定的區(qū)域平衡和調(diào)度監(jiān)測(cè)任務(wù)。

WSN網(wǎng)絡(luò)協(xié)議拓?fù)鋱D(1)時(shí)間同步和定位子協(xié)議依賴于數(shù)據(jù)傳輸控制層進(jìn)行定位和時(shí)間同步，同時(shí)又為路由等幾層協(xié)議提供支持。(2)能量管理在各個(gè)層次之中都要增加能量控制代碼。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：（1）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(cuò)性的特點(diǎn)?？梢栽趹?zhàn)場(chǎng)上廣泛應(yīng)用。包括：對(duì)敵軍兵力、武器的監(jiān)測(cè)、戰(zhàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)視、目標(biāo)定位與鎖定、戰(zhàn)果評(píng)估等等。（2）緊急和臨時(shí)場(chǎng)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(wú)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(wú)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(kāi)和自組織特點(diǎn)來(lái)解決（3）環(huán)境監(jiān)測(cè)比如：農(nóng)田灌溉情況監(jiān)控、土壤成分監(jiān)測(cè)、環(huán)境污染情況監(jiān)測(cè)、森林火災(zāi)報(bào)警、水情監(jiān)測(cè)、氣溫監(jiān)測(cè)、關(guān)照時(shí)間數(shù)據(jù)的采集等許多場(chǎng)合。

（4）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、藥品的發(fā)放以及關(guān)鍵人員的跟蹤、定位等等。（5）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?？梢蕴峁└孢m、方便、更具人性化的家居環(huán)境。（6）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(cè)。WSN應(yīng)用存在的問(wèn)題及研究熱點(diǎn)在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)應(yīng)用過(guò)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。（１）網(wǎng)絡(luò)協(xié)議在無(wú)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。

（２）時(shí)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(cè)和感知任務(wù)，這需要各節(jié)點(diǎn)保持時(shí)間上的一致性，方便處理與時(shí)間有關(guān)的操作；WSN的一些節(jié)能方案也通過(guò)時(shí)間同步來(lái)實(shí)現(xiàn)的。目前，在WSN中應(yīng)用比較成熟的時(shí)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。（3）定位技術(shù)在WSN中，傳感器節(jié)點(diǎn)獲得的檢測(cè)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(gè)位置送來(lái)的，在一些應(yīng)用中，需要通過(guò)空間不同位置的傳感器協(xié)調(diào)實(shí)現(xiàn)測(cè)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。（4）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(duì)監(jiān)測(cè)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(jì)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(jì)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。（5）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(jì)時(shí)，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(jì)算機(jī)、存儲(chǔ)單元及通信單元部分。休眠機(jī)制可以通過(guò)相應(yīng)的硬件芯片、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議協(xié)調(diào)、動(dòng)態(tài)電源管理及動(dòng)態(tài)電壓調(diào)度等多種措施實(shí)現(xiàn)。（6）安全管理WSN中，安全管理主要體現(xiàn)