中心論題：

• 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )為軍用轉民用的的典范。
• 無(wú)限傳感器網(wǎng)絡(luò )的組成和特點(diǎn)。
• 無(wú)線(xiàn)傳感器的關(guān)鍵技術(shù)介紹。
• 商業(yè)化應用。

• 網(wǎng)絡(luò )各節點(diǎn)通過(guò)分布式算法來(lái)相互協(xié)調。
• 通過(guò)休眠機制和數據融合解決能耗問(wèn)題。
• TinyOS系統出色完成數據采集和數據傳輸等任務(wù)。

要做到目視千里，耳聽(tīng)八方是人類(lèi)長(cháng)久的夢(mèng)想，現代衛星技術(shù)的出現雖然使人們離這目標又進(jìn)了一步，但衛星高高在上，洞察全局在行，明察細微就不管用 了。這個(gè)時(shí)候，本文的主角—無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )就排上用場(chǎng)了。將大量的傳感器節點(diǎn)遍撒指定區域，數據通過(guò)無(wú)線(xiàn)電波傳回監控中心，監控區域內的所有信息就會(huì )盡收 觀(guān)察者的眼中了。

軍用轉民用的典范
無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的構想最初是由美國軍方提出的，美國國防部高級研究所計劃署（DARPA）于1978年開(kāi)始資助卡耐基－梅隆大學(xué)進(jìn)行分布式傳感器網(wǎng) 絡(luò )的研究，這被看成是無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的雛形。從那以后，類(lèi)似的項目在全美高校間廣泛展開(kāi)，著(zhù)名的有UC Berkeley的Smart Dust項目，UCLA的WINS項目，以及多所機構聯(lián)合攻關(guān)的SensIT計劃，等等。在這些項目取得進(jìn)展的同時(shí)，其應用也從軍用轉向民用。在森林火 災、洪水監測之類(lèi)的環(huán)境應用中，在人體生理數據監測、藥品管理之類(lèi)的醫療應用中，在家庭環(huán)境的智能化應用以及商務(wù)應用中都已出現了它的身影。目下，無(wú)線(xiàn)傳 感器網(wǎng)絡(luò )的商業(yè)化應用也已逐步興起。美國Crossbow公司就利用Smart Dust項目的成果開(kāi)發(fā)出了名為Mote的智能傳感器節點(diǎn)，還有用于研究機構二次開(kāi)發(fā)的MoteWorkTM開(kāi)發(fā)平臺。這些產(chǎn)品都很受使用者的歡迎。

組成和特點(diǎn)
無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )可以看成是由數據獲取網(wǎng)絡(luò )、數據分布網(wǎng)絡(luò )和控制管理中心三部分組成的。其主要組成部分是集成有傳感器、數據處理單元和通信模塊的節點(diǎn)，各節點(diǎn)通過(guò)協(xié)議自組成一個(gè)分布式網(wǎng)絡(luò )，再將采集來(lái)的數據通過(guò)優(yōu)化后經(jīng)無(wú)線(xiàn)電波傳輸給信息處理中心。因為節點(diǎn)的數量巨大，而且還處在隨時(shí)變化的環(huán)境中，這就使它有著(zhù)不同于普通傳感器網(wǎng)絡(luò )的獨特“個(gè)性”。首先是無(wú)中心和自組網(wǎng)特性。在無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò ) 中，所有節點(diǎn)的地位都是平等的，沒(méi)有預先指定的中心，各節點(diǎn)通過(guò)分布式算法來(lái)相互協(xié)調jun，在無(wú)人值守的情況下，節點(diǎn)就能自動(dòng)組織起一個(gè)測量網(wǎng)絡(luò )。而正因為沒(méi) 有中心，網(wǎng)絡(luò )便不會(huì )因為單個(gè)節點(diǎn)的脫離而受到損害。

其次是網(wǎng)絡(luò )拓撲的動(dòng)態(tài)變化性。網(wǎng)絡(luò )中的節點(diǎn)是處于不斷變化的環(huán)境中，它的狀態(tài)也在相應地發(fā)生變化，加之無(wú)線(xiàn)通信信道的不穩定性，網(wǎng)絡(luò )拓撲因此也在不斷地調整變化，而這種變化方式是無(wú)人能準確預測出來(lái)的。
第三是傳輸能力的有限性。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )通過(guò)無(wú)線(xiàn)電波進(jìn)行數據傳輸，雖然省去了布線(xiàn)的煩惱，但是相對于有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )，低帶寬則成為它的天生缺陷。同時(shí)，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(lèi)。不過(guò)因為單個(gè)節點(diǎn)傳輸的數據量并不算大，這個(gè)缺點(diǎn)還是能忍受的。

第四是能量的限制。為了測量真實(shí)世界的具體值，各個(gè)節點(diǎn)會(huì )密集地分布于待測區域內，人工補充能量的方法已經(jīng)不再適用。每個(gè)節點(diǎn)都要儲備可供長(cháng)期使用的能量，或者自己從外汲取能量（太陽(yáng)能）。
第五是安全性的問(wèn)題。無(wú)線(xiàn)信道、有限的能量，分布式控制都使得無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )更容易受到攻擊。被動(dòng)竊聽(tīng)、主動(dòng)入侵、拒絕服務(wù)則是這些攻擊的常見(jiàn)方式。因此，安全性在網(wǎng)絡(luò )的設計中至關(guān)重要。
下面，我們將會(huì )從幾個(gè)方面來(lái)具體地介紹無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )。

物理層技術(shù)
無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )是一個(gè)開(kāi)放系統互聯(lián)，按照國際標準化組織（ISO）的規定，為數據流傳輸所需的物理連接的建立、維護和釋放提供的機械的、電氣的、功 能和規程性的模塊就叫做物理層。從這個(gè)定義可以看出，物理層需要承擔為數據終端提供數據傳輸通路、傳輸數據和完成管理工作的職責。具體到無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )就 是介質(zhì)的選擇、頻段的選擇、調制技術(shù)以及擴頻技術(shù)。因為是無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )，傳輸介質(zhì)自然要選電磁波了。不過(guò)，源信號要依靠電磁波傳輸必需要通過(guò)調制技術(shù)變成高頻 信號，當抵達接受端時(shí)，又通過(guò)解調技術(shù)還原成原始信號。目前采用的調制方法分為模擬調制和數字調制兩種。它們的區別就在于調制信號所用的基帶信號的模式不 同而已（一為數字，一為模擬）。

信號僅經(jīng)過(guò)調制是不行的，還需要進(jìn)行擴頻。擴頻，顧名思義，就是將待傳輸數據進(jìn)行頻譜擴展的技術(shù)。它的好處是：增強了抗干擾能力，可進(jìn)行多地址通信，保密性提高。常見(jiàn)的擴頻技術(shù)包括直接序列擴頻、跳頻、跳時(shí)以及線(xiàn)性調頻。
在物理層面上，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )遵從的主要是IEEE 802.15.4標準。依照此標準，物理層主要進(jìn)行如下工作：激活和去活無(wú)線(xiàn)收發(fā)器，檢測當前信道的能量，發(fā)送指示，信道頻率的選擇，數據發(fā)送與接收。

IEEE 802.15.4標準規劃了幾個(gè)工作頻段。其中，2.4GHz頻段的物理層可提供250Kb/s的數據傳輸率，適用于高吞吐量、低延時(shí)或低作業(yè)周期的場(chǎng) 合；工作在869/915MHz頻段的物理層則能提供20Kb/s的數據傳輸率，適用于低速率、高靈敏度和大覆蓋面積的場(chǎng)合。依據IEEE 802.15.4標準的協(xié)議被稱(chēng)為Zigbe e，其傳輸帶寬雖然沒(méi)有Wi-Fi和Blue Tooth大，但是能耗較低，非常適合無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )。 
 
MAC層協(xié)議
信號的傳輸要靠信道，因此信道也就成為了一種寶貴的資源。怎樣合理有效的分配信道，就是數據鏈路層中的MAC子層要解決的問(wèn)題了。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )經(jīng)常使用的有三種MAC協(xié)議：傳感器協(xié)議（S-MAC），分布式能量意識協(xié)議（DE-MAC）和協(xié)調設備協(xié)議。S-MAC協(xié)議通過(guò)調 配節點(diǎn)的休眠方式來(lái)有效地分配信道；DE-MAC則采用周期性監聽(tīng)和休眠機制，避免空閑監聽(tīng)和串音，其目的是減少能耗和增加網(wǎng)絡(luò )的生存周期；MD協(xié)議則能 為大規模、低占空比運行的節點(diǎn)提供了不需要高精度時(shí)鐘的可靠通信?？傮w來(lái)說(shuō)，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的MAC協(xié)議在分配信道的同時(shí)還要保證系統的能耗最低。

路由
在具備底層傳輸協(xié)議的保障后，信息怎樣快速地從源傳輸到目的地就是由路由協(xié)議來(lái)解決了。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，路由要實(shí)現兩個(gè)基本功能：確定最佳路徑和通過(guò)網(wǎng)絡(luò )傳輸信息。數據傳輸的途徑存于路由表，由路由算法初始化并負責維護。
無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )與普通的網(wǎng)絡(luò )不同，它有自己的特點(diǎn)：比如能量受限，通信方式以數據為中心，相鄰節點(diǎn)的數據有著(zhù)相似性，拓撲結構也在不斷的變化等。與此對應，常規網(wǎng)絡(luò )的路由并不一定能適應無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )。

下面來(lái)介紹幾種常見(jiàn)的路由協(xié)議：
1 泛洪式路由。這是一種非常傳統的路由協(xié)議。泛洪式路由不進(jìn)行維護網(wǎng)絡(luò )拓撲和相關(guān)路由計算，只負責以廣播形式轉發(fā)數據包，因此效率并不高。
2SPIN。SPIN是一組基于協(xié)商并且具有能量自適應功能的協(xié)議。節點(diǎn)之間通過(guò)協(xié)商來(lái)確定是否有發(fā)送信號的必要，并實(shí)時(shí)監控網(wǎng)絡(luò )中的能量負載來(lái)改變工作模式。以上兩種協(xié)議都是平面路由協(xié)議，依照這種協(xié)議，節點(diǎn)并不進(jìn)行分區歸類(lèi)。
3 LEACH。LEACH是一種分層網(wǎng)絡(luò )協(xié)議，它以循環(huán)的方式隨機選擇簇首節點(diǎn)，將全網(wǎng)絡(luò )的能量負載平均分配到每個(gè)傳感器節點(diǎn)，從而達到降低網(wǎng)絡(luò )能源消耗的 目的。這里要解釋一下簇，簇是分層路由協(xié)議的概念，根據分層路由協(xié)議，網(wǎng)絡(luò )被劃分成不同簇，每一個(gè)簇由一個(gè)簇首和簇成員組成，多個(gè)簇首形成高級的網(wǎng)絡(luò )，簇 首節點(diǎn)不僅負責其轄下簇內信息的收集和融合處理，還負責簇之間數據的轉發(fā)。
4 PEGASIS。PEGASIS可謂LEACH的升級版本。按照其規定，只有最為鄰近的節點(diǎn)才相互通信，節點(diǎn)與匯聚點(diǎn)輪流通信，當所有的節點(diǎn)都與匯聚點(diǎn)通信后，節點(diǎn)再進(jìn)行新一回合的輪流通信。

能量管理
能耗是無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )所面臨的最大問(wèn)題，因為節點(diǎn)長(cháng)期處于無(wú)人值守的狀況下，有效的能耗策略必不可少。
目前最常使用的策略是休眠機制，即在節點(diǎn)空閑時(shí)，使其處于休眠狀態(tài)，此時(shí)其能耗降到最低。但是休眠的節點(diǎn)在轉回正常狀態(tài)的時(shí)候，往往會(huì )消耗大量的能量，因此尋找合理的狀態(tài)轉換策略是確保休眠機制成功的關(guān)鍵。
數據融合是另一項節能技術(shù)。多個(gè)鄰近節點(diǎn)經(jīng)常會(huì )采集同樣的信息，發(fā)送這些冗余信息就給系統增加了不必要的負擔。因此，通過(guò)本地計算和篩選，確保發(fā)送出最有效的信息就是數據融合的任務(wù)。
其他能量管理策略還有沖突避免和糾錯以及多跳短距離通信，這里不再一一敘述。

軟件的支持
無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )也有一個(gè)屬于自己的操作系統—TinyOS。這個(gè)系統不同于傳統意義上的操作系統，它更像一個(gè)編程構架，在此構架下，搭配一組必要的組件，就能方便地編譯出面向特定應用的操作系統。
TinyOS由眾多組件組成，包括了主組件、應用組件、執行組件、傳感組件、通信組件和硬件抽象組件。每一個(gè)組件在其內部都封裝了命令處理程序和事件處理程序，它們通過(guò)接口聲明所調用的命令和將要觸發(fā)的事件。調度器則負責根據任務(wù)的輕重緩急來(lái)安排系統的工作。

Crossbow公司生產(chǎn)的MICA傳感器平臺上就使用了TinyOS系統。實(shí)踐證明，其基本應用只占用很少的系統資源，能圓滿(mǎn)的完成數據采集、處理和通信組網(wǎng)以及數據傳輸等任務(wù)。

商業(yè)化的應用
　　商業(yè)化的無(wú)線(xiàn)傳感器產(chǎn)品中最常見(jiàn)的就是智能節點(diǎn)。前文也曾提到，UC Berkeley是無(wú)線(xiàn)傳感器研究開(kāi)展較早的美國高校?；谒麄冄邪l(fā)成果的無(wú)線(xiàn)傳感器器件被稱(chēng)為Mote，這也是目前最為通用的一種無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )產(chǎn)品， 是由Crossbow公司生產(chǎn)的。最基本的Mote組件是MICA系列處理器/無(wú)線(xiàn)模塊，完全符合IEEE 802.15.4標準。最新型的MICA2可以工作在868/916、433和315MHz三個(gè)頻帶，數據速率為40Kb/s，通信范圍可達1000英 尺。其配備了128KB的編程用閃存和512KB的測量用閃存，4KB的EEPROM，串行通信接口為UART模式。
 
相對于終端節點(diǎn)，商用無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )系統并不算多。Crossbow的MEP系列就是其 中之一。這是一種小型的終端用戶(hù)網(wǎng)絡(luò )，主要用來(lái)進(jìn)行環(huán)境參數 的檢測。該系統包括了2個(gè)MEP410環(huán)境傳感器節點(diǎn)，4個(gè)MEP510濕度/溫度傳感器節點(diǎn)，1個(gè)MBR410串行網(wǎng)關(guān)和MoteView 顯示和分析軟件。整個(gè)系統采用了TrueMeshTM拓撲結構，非常便于用戶(hù)安裝和使用。類(lèi)似的產(chǎn)品還有Microstrain公司的X-Link 測量系統等。 
 
從應用的情況來(lái)看，北美的狀況最好，在樓宇自動(dòng)化、環(huán)境監控等方面，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )已經(jīng)開(kāi)始大展拳腳。但對于中國來(lái)說(shuō)，市場(chǎng)還處于起步階段，產(chǎn)品應 用最多的場(chǎng)合一般是科研機關(guān)和大學(xué)，多為研究之用。不過(guò)，根據相關(guān)公司的預測，離無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )市場(chǎng)起飛的時(shí)間也不會(huì )太遠了。只要這個(gè)新技術(shù)被社會(huì )普遍接 受，市場(chǎng)就會(huì )以驚人的速度來(lái)擴張。

后記
　　本文介紹的都是一些常見(jiàn)的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的概念。實(shí)際上，要想論述這個(gè)新興技術(shù)的全貌，不用一本專(zhuān)著(zhù)的篇幅是不夠的。這個(gè)融合了通信、網(wǎng)絡(luò )、微電子等眾多學(xué)科精華的新技術(shù)有著(zhù)無(wú)限的潛能，要想真正開(kāi)發(fā)它，恐怕就要依靠廣大的應用開(kāi)發(fā)人員充分發(fā)揮自己的想象力了。