wireless

sensor

network無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）綜述主要內(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(jī)遇展望WSN概述無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（wireless

sensornetwork,WSN）系統(tǒng)是當(dāng)前在國際上備受關(guān)

注的、涉及多學(xué)科高度交叉、知識(shí)高度集成的前沿?zé)狳c(diǎn)研究領(lǐng)域。它綜合了傳感器技術(shù)、嵌入式計(jì)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)）無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（wireless

sensor

network,WSN）就是由部署在檢測(cè)區(qū)域內(nèi)大量的廉價(jià)

衛(wèi)星傳感器節(jié)點(diǎn)組成，通過無線通信方式形成的一個(gè)多跳的自組織的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中感知的對(duì)象信息，并發(fā)送給觀察者。構(gòu)成WSN的三要素：傳感器、感知對(duì)象、觀察者?！禡IT技術(shù)評(píng)論》：麻省理工學(xué)院學(xué)刊傳感器網(wǎng)絡(luò)、塑料電子學(xué)和仿生人體器官被列為未來3大高科技產(chǎn)業(yè)效用計(jì)算、傳感器網(wǎng)絡(luò)、塑料電子學(xué)和仿生人體器官是全球未來的四大高技術(shù)產(chǎn)業(yè)WSN概述（續(xù)）影響力☆美國商業(yè)周刊和MIT技術(shù)評(píng)論在預(yù)測(cè)未來技術(shù)發(fā)展報(bào)告中將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)列為21世紀(jì)最有影響的21項(xiàng)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(píng)論》將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)列為第一項(xiàng)未來新興技術(shù)?！睢渡虡I(yè)周刊》預(yù)測(cè)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。DARPA：（Defence

Advanced

Research

Projects

Agency）洛杉磯加利福尼亞大學(xué)（University

of

California,Los

Angeles，通?？s寫為UCLA，也常譯稱為加州大學(xué)洛杉磯分校）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(jí)研究計(jì)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(huì)。具有代表性的項(xiàng)目包括：1993-1999年間由美國國防高級(jí)研究計(jì)劃署(DARPA)資助，加州大學(xué)洛杉磯分校(UCLA)承擔(dān)的WINS項(xiàng)目；1999-2001年間由DAPRA資助UC

Berkeley承擔(dān)的Smart

Dust項(xiàng)目。在美國軍方、美國國家自然科學(xué)基金和一些跨國企業(yè)的支持下，美國在90年代初便開展了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究和開發(fā)。其中，具有代表性的項(xiàng)目包括：1993?D1999年間由美國國防高級(jí)研究計(jì)劃署(DARPA)資助，加州大學(xué)洛杉磯分校(UCLA)承擔(dān)的WINS項(xiàng)目；1999?D2001年間由DAPRA資助，UC

Berkeley承擔(dān)的Smart

Dust項(xiàng)目；1998?D2002年DARPA資助，加州大學(xué)伯克利分校等25個(gè)機(jī)構(gòu)聯(lián)合承擔(dān)的SensIT計(jì)劃；1999?D2004年間海軍研究辦公室的SeaWeb計(jì)劃等。目前為止，已開發(fā)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)有：Berkeley

Motes、Berkeley

Piconodes、Sensoria

WINS、MITuAMPs、Smart

Mesh

Dust

Mote、Intel

iMote以及Intel

Xscale

Nodes等。不同的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)針對(duì)不同的應(yīng)用場(chǎng)合，硬件大小、功耗、設(shè)計(jì)代價(jià)也不盡相同，但大部分的節(jié)點(diǎn)都支持TinyOS操作系統(tǒng)。近年來，在中國國家自然科學(xué)基金、國家“863”計(jì)劃基金的支持下，中國的一些研究機(jī)構(gòu)也開始開展無線傳感器網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的研究，包括中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)、清華大學(xué)、中科院計(jì)算所、上海微系統(tǒng)所、沈陽自動(dòng)化所以及合肥智能所等研究單位。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(gè)機(jī)構(gòu)聯(lián)合承擔(dān)的SensIT計(jì)劃；1999-2004年間海軍研究辦公室的

SeaWeb計(jì)劃等。國內(nèi)：中國的一些研究機(jī)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(jì)算所、上海微系統(tǒng)所、沈陽自動(dòng)化所以及合肥智能所等研究單位。歷史以及發(fā)展現(xiàn)狀（續(xù)）之所以國內(nèi)外都投入巨資研究機(jī)構(gòu)紛紛開展無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究，很大程度歸功于其廣闊的應(yīng)用前景和對(duì)社會(huì)生活的巨大影響。Sink是一個(gè)匯聚節(jié)點(diǎn)。WSN的體系結(jié)構(gòu)傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)WSN的體系結(jié)構(gòu)（續(xù)）傳感器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)WSN的體系結(jié)構(gòu)（續(xù)）傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧現(xiàn)代無線標(biāo)準(zhǔn)(1)3G－第三代移動(dòng)通信協(xié)議：W-CDMA、CDMA2000、TD-SCDMA頻段：2GHz附近速率：最高達(dá)2Mbps特點(diǎn)：支持多媒體播放， 收看電視現(xiàn)代無線標(biāo)準(zhǔn)(2)Wi-Fi遵循IEEE802.11a/b/g協(xié)議應(yīng)用：上網(wǎng)、視頻、電腦 聯(lián)網(wǎng)頻段：2.4/5.0

GHz速率：11~54

Mbps通信模式：擴(kuò)頻距離：<100m現(xiàn)代無線標(biāo)準(zhǔn)(3)Bluetooth－藍(lán)牙遵循IEEE802.15.1協(xié)議應(yīng)用：取代有線頻段：2.4GHz通信模式：跳頻速率：<1Mbps距離：<10m現(xiàn)代無線標(biāo)準(zhǔn)(4)ZigBee網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)遵循IEEE802.15.4協(xié)議。ZigBee技術(shù)特點(diǎn)：功耗低：發(fā)射功率僅1mW，還可采用休眠模式；兩節(jié)5號(hào)電池可工作1~2年。成本低：由于傳輸速率低，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議簡單，成本較低，而且ZigBee協(xié)議免專利費(fèi)。時(shí)延短：典型搜索設(shè)備時(shí)延為30ms，休眠激活時(shí)延為15ms，活動(dòng)設(shè)備信道接入時(shí)延為15ms。網(wǎng)絡(luò)容量大：網(wǎng)絡(luò)可容納65,000個(gè)設(shè)備。傳輸可靠：采用碰撞避免策略，同時(shí)為需要固定帶寬的業(yè)務(wù)預(yù)留專用時(shí)隙。安全：采用AES-128加密算法，各個(gè)應(yīng)用可靈活確定其安全屬性。信號(hào)傳輸距離：~50m（室內(nèi)），~150m（室外）。工作頻率頻率頻帶覆篕范圍數(shù)據(jù)傳輸速度信道數(shù)量2.4GHzISM全球250

kbps16915MHzISM美洲40

kbps10868MHzISM歐洲20

kbps1ZigBee開發(fā)平臺(tái)(1)Chipcon

CC2420開發(fā)平臺(tái)全球首個(gè)ZigBee收發(fā)器

CC2420僅支持2.4GHz支持RS232/USB接口開發(fā)WSN的特征☆與無線網(wǎng)絡(luò)的區(qū)別傳感器網(wǎng)絡(luò)集成了監(jiān)測(cè)、控制以及無線通信的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，節(jié)點(diǎn)數(shù)目龐大（上千甚至上

萬），分布密集，因環(huán)境和能量的耗盡，容易出現(xiàn)故障，節(jié)點(diǎn)通常固定不動(dòng)。能量、處理能力、存儲(chǔ)能力、通信能力有限。不同于傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)的高服務(wù)質(zhì)量和高效的帶寬的利用，節(jié)能是其設(shè)計(jì)的首要考慮因素。WSN的特征（續(xù)）☆節(jié)點(diǎn)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(jì)算和存儲(chǔ)能力有限魯棒是Robust的音譯，也就是健壯和強(qiáng)壯的意思。魯棒性（robustness）就是系統(tǒng)的健壯性。它是在異常和危險(xiǎn)情況下系統(tǒng)生存的關(guān)鍵。比如說，計(jì)算機(jī)軟件在輸入錯(cuò)誤、磁盤故障、網(wǎng)絡(luò)過載或有意攻擊情況下，能否不死機(jī)、不崩潰，就是該軟件的魯棒性。所謂“魯棒性”，是指控制系統(tǒng)在一定（結(jié)構(gòu)，大小）的參數(shù)攝動(dòng)下，維持某些性能的特性。根據(jù)對(duì)性能的不同定

義，可分為穩(wěn)定魯棒性和性能魯棒性。以閉環(huán)系統(tǒng)的魯棒性作為目標(biāo)設(shè)計(jì)得到的固定控制器稱為魯棒控制器。WSN的特征（續(xù)）☆傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)：大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)自組織網(wǎng)絡(luò)動(dòng)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)C4ISRT（command,control,communication,computing,intelligence,surveillance,reconnaissance

and

targeting）（指揮、控制、通信、計(jì)算機(jī)、情報(bào)、監(jiān)視、偵察、目標(biāo)捕獲）美海軍21世紀(jì)C4ISRT（指揮、控制、通信、計(jì)算機(jī)、情報(bào)、監(jiān)視、偵察、目標(biāo)捕獲）系統(tǒng)包括以下幾個(gè)領(lǐng)域：第一，建立信息網(wǎng)絡(luò)，這牽涉到海軍和陸戰(zhàn)隊(duì)內(nèi)部網(wǎng)、"21世紀(jì)信息技術(shù)"、安全和保障、數(shù)據(jù)鏈路、帶寬。第二，提高情報(bào)、監(jiān)視、偵察和捕獲目標(biāo)能力，包括空間/衛(wèi)星通信、無人機(jī)/TCS、作戰(zhàn)識(shí)別（ID）、一體化廣播服務(wù)、TENCAP計(jì)劃等領(lǐng)域。第三，建立和共享畫面，包括通用作戰(zhàn)畫面、海軍全球指揮控制系統(tǒng)（GCCS－M）。1997

年美海軍作戰(zhàn)部長提出"網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)"概念，認(rèn)為"這是從平臺(tái)中心戰(zhàn)向網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)的根本性轉(zhuǎn)變"。網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)的一體化信息網(wǎng)絡(luò)由信息網(wǎng)、探測(cè)裝置網(wǎng)、射手（交戰(zhàn)）網(wǎng)組成。目的是將各總司令、軍種、局的操作者、探測(cè)裝置、武器系統(tǒng)、信息和知識(shí)網(wǎng)絡(luò)到一起，形成不同于原來煙筒式信息系統(tǒng)的新信息系統(tǒng)，提高掌握態(tài)勢(shì)的能力，縮短決策時(shí)間，提高指揮速度，使"觀察－判斷－決定－行動(dòng)"所用的時(shí)間（∑△T＋決策時(shí)間）小于敵人行動(dòng)的時(shí)間，密切各單位的協(xié)調(diào)和合作。美海軍通過建設(shè)海軍基地地區(qū)網(wǎng)絡(luò)、首都地區(qū)網(wǎng)絡(luò)（NMCT）、廣域網(wǎng)、網(wǎng)絡(luò)操作中心、部署單位或機(jī)動(dòng)單位實(shí)施"21世紀(jì)信息技術(shù)"計(jì)劃（自99財(cái)年到02財(cái)年裝備幾十艘艦艇），將擁有全球保密端對(duì)端的通信能力。提高情報(bào)、監(jiān)視、偵察和目標(biāo)捕獲（ISRT）能力。目的是更好地執(zhí)行監(jiān)視和偵察、目標(biāo)捕獲和定位、瞄準(zhǔn)、武器發(fā)射和制

導(dǎo)、武器尋的、戰(zhàn)損評(píng)估等任務(wù)，還包括作戰(zhàn)識(shí)別，以保證投送支援力量、避免互相誤傷、識(shí)別未知的事物、交戰(zhàn)需要的積極識(shí)別、遠(yuǎn)距離（視線外）精確武器制導(dǎo)，以及非合作、間接/電子戰(zhàn)。提高情報(bào)、監(jiān)視、偵察和目標(biāo)捕獲（ISRT）能力包括空間/衛(wèi)星通信、無人機(jī)/TCS、作戰(zhàn)識(shí)別（ID）、一體化廣播服務(wù)、TENCAP等計(jì)劃。改進(jìn)數(shù)據(jù)鏈?，F(xiàn)在使用的視線和視線外（高頻和衛(wèi)星通信）的11號(hào)鏈路、"聯(lián)合戰(zhàn)術(shù)信息分發(fā)系統(tǒng)"的4號(hào)鏈路（E－2、F－14）、"多功能信息分發(fā)系統(tǒng)"（F/A－18、EA－6B、"拉法爾"、歐洲戰(zhàn)斗機(jī)EF2000）16號(hào)鏈路、北約的22號(hào)鏈路、海軍陸戰(zhàn)隊(duì)?wèi)?zhàn)斗機(jī)中隊(duì)（VMF）F/A－18使用的鏈路最終統(tǒng)一為J系列鏈路和CDL寬帶鏈路。同時(shí)努力提高近實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸能力，包括通過戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈A、B、J獲得近實(shí)時(shí)航空數(shù)據(jù)；近實(shí)時(shí)威脅和報(bào)警數(shù)據(jù)（TRAP/時(shí)分?jǐn)?shù)據(jù)系統(tǒng)、TIBS、TBMD、NRTI/NRTD）；近實(shí)時(shí)地面與海事數(shù)據(jù)；支援?dāng)?shù)據(jù)庫；支援工具；形成通用大屏幕圖像顯示。解決帶寬問題。1991年沙漠風(fēng)暴時(shí)，美軍使用的特高系統(tǒng)每秒48千比特，國際海事衛(wèi)星每秒傳輸2.4-9.6千比特，便攜式通信系統(tǒng)和移動(dòng)通信系統(tǒng)每秒1.2-9.6千比特?，F(xiàn)在，美軍使用的極高頻系統(tǒng)（24個(gè)低速率信道）每秒21.6千比特，超高頻每秒128千比特－1.544兆比特。將來，"全球廣播系統(tǒng)"（GBS）每秒1.544-24兆比特，"挑戰(zhàn)雅典娜"每秒1.544兆比特，對(duì)戰(zhàn)士電視直播每秒3.6兆比特，未來極高頻MDR每秒4.8千比特－1.544兆比特。重視空間系統(tǒng)的導(dǎo)航、偵察監(jiān)視、通信、氣象和海洋學(xué)作用。導(dǎo)航系統(tǒng)包括全球定位系統(tǒng)、導(dǎo)航戰(zhàn)、導(dǎo)航探測(cè)裝置系統(tǒng)接口等領(lǐng)域?？臻g情報(bào)、監(jiān)視、偵察和目標(biāo)捕獲系統(tǒng)包括海軍空間監(jiān)視、戰(zhàn)區(qū)彈道導(dǎo)彈防御、目標(biāo)捕獲、交戰(zhàn)和戰(zhàn)斗管理、國家探測(cè)裝置系統(tǒng)。氣象和海洋學(xué)衛(wèi)星，用于提供戰(zhàn)斗空間自然環(huán)境特點(diǎn)，包括氣象和海洋學(xué)（METOC）、艦載終端（SMQ－11）、印度洋（IO）成像衛(wèi)星等領(lǐng)域。通信領(lǐng)域包括軍用和民用衛(wèi)星通信、艦載衛(wèi)星通信終端、后繼特高頻（UFO）、機(jī)動(dòng)用戶目標(biāo)系統(tǒng)（MUOS）、PMW－146改變?yōu)镻D－14/SSA?，F(xiàn)在的特高頻衛(wèi)星星座由艦隊(duì)衛(wèi)星和后繼特高頻（UFO）組成，計(jì)劃于2003年發(fā)射第11顆衛(wèi)星艦隊(duì)衛(wèi)星，以保持特高頻衛(wèi)星利用率高于70％。2007年機(jī)動(dòng)用戶目標(biāo)系統(tǒng)達(dá)到初始作戰(zhàn)能力。"多功能信息分發(fā)系統(tǒng)"計(jì)劃大量生產(chǎn)。美海軍C4系統(tǒng)包括：指揮信息系統(tǒng)。指揮信息系統(tǒng)是海軍實(shí)現(xiàn)"哥白尼"戰(zhàn)略的指揮、控制和情報(bào)系統(tǒng)，目的是建成一個(gè)通用的C4I結(jié)構(gòu)，為艦隊(duì)提供通用的戰(zhàn)術(shù)畫面。指揮信息系統(tǒng)使用通用操作環(huán)境（COE）、通用編程接口、發(fā)展者用的通用綜合標(biāo)準(zhǔn)和通用人機(jī)接口，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(qiáng)和高容錯(cuò)性的特點(diǎn)，因此非常適合軍事上的應(yīng)用。通過飛機(jī)或炮彈直接將傳感器節(jié)點(diǎn)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(zhǔn)確收集戰(zhàn)場(chǎng)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(cè)和預(yù)報(bào)系統(tǒng)可以用于檢視農(nóng)作物灌溉情況、土壤空氣情況、牲畜和家禽的環(huán)境狀況和大面積的地表監(jiān)測(cè)、氣象和地理研究、洪水監(jiān)測(cè)等。例：alert系統(tǒng)中就有用于監(jiān)測(cè)降雨量、河水水位和土壤水分，并依此預(yù)測(cè)爆發(fā)山洪的可能性。WSN的應(yīng)用（續(xù)）☆醫(yī)療護(hù)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(dòng)，醫(yī)院的藥物管理等。例：一個(gè)可以成像的特殊發(fā)送器芯片與精巧設(shè)計(jì)的超低功率無線技術(shù)結(jié)合，就可以實(shí)現(xiàn)可用于一個(gè)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(shí)就可將圖象廣播出來。膠囊由一個(gè)攝象機(jī)、LED、電池、特制芯片和天線組成。（如圖）WSN的應(yīng)用（續(xù)）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(diǎn)，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(gè)只有1立方英寸大小的自治產(chǎn)品。這個(gè)微型的無線視頻平臺(tái)包含有一節(jié)電池、無線電、攝像相機(jī)、(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(cè)量靜態(tài)和動(dòng)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(cè)橋梁是否處于正常受控狀態(tài)。（如圖）WSN的應(yīng)用（續(xù)）美國國家航空航天局（National

Aeronautics

and

Space

Administration，NASA）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(diǎn)，可以對(duì)星球表面進(jìn)行長時(shí)間監(jiān)測(cè)。成本低、節(jié)點(diǎn)體積小，相互之間可以進(jìn)行通信，也可以和地面站進(jìn)行通信。例：NASA的JPL（Jet

Propulsion

Laboratory）實(shí)驗(yàn)室研制的Sensor

Webs就是為將來的火星

探測(cè)進(jìn)行技術(shù)準(zhǔn)備。該系統(tǒng)已經(jīng)在實(shí)施測(cè)試和完善。WSN的協(xié)議路由協(xié)議：

負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)分組從源節(jié)點(diǎn)通過網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)到目的節(jié)點(diǎn)，主要包括兩個(gè)方面的功能：尋找源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)

間的優(yōu)化路徑，將數(shù)據(jù)分組沿著優(yōu)化路徑正確轉(zhuǎn)發(fā)。介質(zhì)訪問控制協(xié)議（MAC協(xié)議）：

決定無線信道的使用方式，在傳感器節(jié)點(diǎn)間分配有限的無線通信資源。主要考慮：節(jié)省能量、可擴(kuò)展性、網(wǎng)絡(luò)效率。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(diǎn)：☆能量優(yōu)先☆基于局部拓?fù)湫畔ⅰ钜詳?shù)據(jù)為中心☆應(yīng)用相關(guān)GEAR（geograph