隨著(zhù)傳感器技術(shù)、 嵌入式技術(shù)、 分布式信息處理技術(shù)和無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的發(fā)展， 以大量的具有微處理能力的微型傳感器節點(diǎn)組成的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )(WSN)逐漸成為研究熱點(diǎn)問(wèn)題。

 

 

無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )

 

無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )(Wireless Sensor Networks, WSN)是一種分布式傳感網(wǎng)絡(luò )，由大量的靜止或移動(dòng)的傳感器以自組織和多跳的方式構成的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )，以協(xié)作地感知、采集、處理和傳輸網(wǎng)絡(luò )覆蓋地理區域內被感知對象的信息，并最終把這些信息發(fā)送給網(wǎng)絡(luò )的所有者。傳感器、感知對象和觀(guān)察者構成了無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的三個(gè)要素。
 

無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )所具有的眾多類(lèi)型的傳感器，可探測包括地震、電磁、溫度、濕度、噪聲、光強度、壓力、土壤成分、移動(dòng)物體的大小、速度和方向等周邊環(huán)境中多種多樣的現象。潛在的應用領(lǐng)域可以歸納為: 軍事、航空、防爆、救災、環(huán)境、醫療、保健、家居、工業(yè)、商業(yè)等領(lǐng)域。

 

與傳統有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )相比，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )技術(shù)具有很明顯的優(yōu)勢特點(diǎn)，主要的要求有： 低能耗、 低成本、 通用性、 網(wǎng)絡(luò )拓撲、 安全、 實(shí)時(shí)性、 以數據為中心等。

 

 

 

采用同構網(wǎng)絡(luò )實(shí)現遠程監測的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )系統典型結構， 由傳感器節點(diǎn)、 匯聚節點(diǎn)、 服務(wù)器端的PC和客戶(hù)端的PC四大硬件環(huán)節組成， 各組成環(huán)節功能如下。

 

圖1 遠程監測無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )系統結構框圖

 

傳感器節點(diǎn)

 

部署在監測區域（A區）， 通過(guò)自組織方式構成無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )。 傳感器節點(diǎn)監測的數據沿著(zhù)其它節點(diǎn)逐跳進(jìn)行無(wú)線(xiàn)傳輸， 經(jīng)過(guò)多跳后達到匯聚節點(diǎn)（B區）。

 

匯聚節點(diǎn)

 

是一個(gè)網(wǎng)絡(luò )協(xié)調器， 負責無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的組建， 再將傳感器節點(diǎn)無(wú)線(xiàn)傳輸進(jìn)來(lái)的信息與數據通過(guò)SCI（ 串行通信接口）傳送至服務(wù)器端PC。

 

服務(wù)器端PC

 

是一個(gè)位于B區的管理節點(diǎn)， 也是獨立的Internet網(wǎng)關(guān)節點(diǎn)。 在LabVIEW軟件平臺上面有兩個(gè)軟件： 一是對傳感器無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行監測管理的軟件平臺VI， 即一個(gè)監測傳感器無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的虛擬儀器VI； 二是Web Server軟件模塊和遠程面板技術(shù)(Remote Panel)， 可實(shí)現傳感器無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )與Internet的連接。

 

客戶(hù)端PC

 

客戶(hù)端PC上無(wú)需進(jìn)行任何軟件設計， 在瀏覽器中就可調用服務(wù)器PC中無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )監測虛擬儀器的前面板， 實(shí)現遠程異地（C區）對傳感器無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )（A區）的監測與管理。

 

 

1． 傳感器及其調理電路

 

應根據無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )所在的地區環(huán)境特點(diǎn)來(lái)選擇傳感器， 以適應環(huán)境溫度變化范圍、 尺寸體積等特殊要求。 傳感器所配接的調理電路將傳感器輸出的變化量轉換成能與A/D轉換器相適配的0~2.5 V或0~5 V的電壓信號。 當處于無(wú)電網(wǎng)供電地區時(shí)， 傳感器及其調理電路都應是低功耗的。

 

2． 數據采集及A/D轉換器與微處理器系統

 

傳感器節點(diǎn)中的計算機系統是低功耗的單片微處理器系統， 可以適應遠離測試中心、 偏遠地區惡劣環(huán)境的工作條件。 如美國德克薩斯州儀器（TI）公司生產(chǎn)的MSP430－F149A超低功耗混合信號處理器(Mixed Signal Processor)， 它內部自帶采樣/保持器和12位A/D轉換器， 可對信號進(jìn)行采集、 轉換以及對全節點(diǎn)系統進(jìn)行指令控制和數據處理。

 

3． 射頻模塊

 

射頻模塊接收外部無(wú)線(xiàn)指令并將傳感器檢測到的被測參量數據信息無(wú)線(xiàn)發(fā)送出去， 如TI公司的CC2420無(wú)線(xiàn)收發(fā)芯片。

 

4． 電源

 

無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )中對傳感器節點(diǎn)的供電是一個(gè)極具特殊性的正處于研究熱點(diǎn)的技術(shù)問(wèn)題。 若節點(diǎn)處于遠離電網(wǎng)的偏遠地區， 一般采用電池供電或無(wú)線(xiàn)射頻供電方式。

 

 

圖1中的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )匯聚節點(diǎn)是一個(gè)網(wǎng)絡(luò )協(xié)調器， 操作PC中監測管理軟件平臺的面板控件， 在其指令下負責執行無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的配置與組建， 并將接收到的傳感器節點(diǎn)無(wú)線(xiàn)傳輸的數據信息再傳至PC機。 通常協(xié)調器主要由微處理器系統、 射頻模塊、 通信接口以及電源四個(gè)部分組成， 其硬件組成框圖如圖所示。

 

無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )協(xié)調器硬件組成框圖

 

1． 通信接口

 

協(xié)調器中的通信接口負責與PC機進(jìn)行通信。 一方面， 當操作PC機中無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )監測平臺VI前面板上的相應控件時(shí)， 通信接口負責傳遞下達的相應指令， 如檢索網(wǎng)絡(luò )、 發(fā)送數據等； 另一方面， 協(xié)調器接收到傳感器節點(diǎn)無(wú)線(xiàn)發(fā)送的數據信息時(shí)， 也將其通過(guò)通信接口上傳到PC中。

 

2． 微處理器系統

 

協(xié)調器中的微處理器是整個(gè)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的主控制器， 是協(xié)調器的核心。

 

3． 射頻模塊

 

該射頻模塊將接收傳感器節點(diǎn)無(wú)線(xiàn)發(fā)送的數據信息， 經(jīng)通信接口上傳至PC； 另一方面， 以無(wú)線(xiàn)傳輸方式下達PC對傳感器節點(diǎn)的操作指令。

 

 

目前無(wú)線(xiàn)個(gè)域網(wǎng)標準化組織IEEE 802.15 工作組已完成了以下標準的制定：

 

 

低速無(wú)線(xiàn)個(gè)域網(wǎng)符合無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )關(guān)于低能耗、 低成本、 通用性、 網(wǎng)絡(luò )拓撲、 安全、實(shí)時(shí)性、 以數據為中心等要求， 因此目前研究、 應用的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的物理層及MAC層協(xié)議多采用IEEE 802.15.4 標準。

 

基于IEEE 802.15.4 標準的網(wǎng)絡(luò )層協(xié)議主要有2001年9月成立的ZigBee聯(lián)盟提出的ZigBee協(xié)議棧及適用于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)的嵌入式微型IPv6協(xié)議棧。 其中， ZigBee協(xié)議以其低成本、 不同廠(chǎng)商生產(chǎn)的產(chǎn)品可兼容等特點(diǎn)得到廣泛的研究與應用。

 

 

同構網(wǎng)絡(luò )引入一個(gè)或幾個(gè)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )傳感器節點(diǎn)作為獨立的網(wǎng)關(guān)節點(diǎn)并以此為接口接入互聯(lián)網(wǎng)， 即把與互聯(lián)網(wǎng)標準IP協(xié)議的接口置于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )外部的網(wǎng)關(guān)節點(diǎn)。 這樣做比較符合無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的數據流模式， 易于管理， 無(wú)需對無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )本身進(jìn)行大的調整； 缺點(diǎn)是會(huì )使得網(wǎng)關(guān)附近的節點(diǎn)能量消耗過(guò)快并可能會(huì )造成一定程度的信息冗余。

 

異構網(wǎng)絡(luò )的特點(diǎn)是： 部分能量高的節點(diǎn)被賦予IP地址，作為與互聯(lián)網(wǎng)標準IP協(xié)議的接口。 這些高能力節點(diǎn)可以完成復雜的任務(wù)， 承擔更多的負荷， 難點(diǎn)在于無(wú)法對節點(diǎn)的所謂“高能力”有一個(gè)明確的定義。 同時(shí)， 如何使得IP節點(diǎn)之間通過(guò)其它普通節點(diǎn)進(jìn)行通信也是一個(gè)技術(shù)難題。

 

 

WSN并不非常簡(jiǎn)單的理解為利用無(wú)線(xiàn)通信方式多個(gè)傳感器節點(diǎn)進(jìn)行組網(wǎng)，它具有本身的特性及優(yōu)勢。

 

1、網(wǎng)絡(luò )規模大（節點(diǎn)數量多）

 

例如：對森林、草原進(jìn)行防火監控、野生動(dòng)物活動(dòng)情況監測、壞境監測往往要布置大量的無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)，布設范圍也遠遠超過(guò)一般的局域網(wǎng)范圍。

 

布置大量的無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)的優(yōu)點(diǎn)：

 

(1)提高整體監測的精確度

 

(2)降低對單個(gè)節點(diǎn)的精確要求

 

(3)大量冗余節點(diǎn)的存在使得系統有較強的容錯性。

 

2、 自組織網(wǎng)絡(luò )

 

與局部網(wǎng)的布設不同，無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)額位置布設前不能事先確定(飛機撒布、人員隨機布設)，節點(diǎn)之間的互相鄰居關(guān)系也不能事先確定。

 

要求無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)具有自組織能力，能夠自動(dòng)進(jìn)行配置管理。實(shí)現的方法是通過(guò)拓撲控制機制和網(wǎng)絡(luò )路由協(xié)議自動(dòng)形成能夠轉發(fā)數據的多跳無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )系統。

 

3、動(dòng)態(tài)性網(wǎng)絡(luò )

 

無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的拓撲結構經(jīng)常改變。原因：

 

(1)被動(dòng)改變：傳感器節點(diǎn)電能耗盡；環(huán)境變化造成通信故障；傳感器節點(diǎn)本身出現故障。

 

(2)主動(dòng)改變：增加新節點(diǎn)；根據路由算法的優(yōu)化做出的改變。

 

4、可靠性強

 

(1)傳感器節點(diǎn)本身硬件結構可靠

 

布設時(shí)：可能通過(guò)飛機撒布，人員隨機撒布

 

工作時(shí)：風(fēng)吹、日曬、雨林、嚴寒、酷暑。

 

維護性 ：維護十分困難(幾乎不可能)。

 

(2)網(wǎng)絡(luò )結構可靠

 

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

 

5、以數據為中心

 

在互聯(lián)網(wǎng)中終端、主機、路由器、服務(wù)器等設備都有自己的IP地址。想訪(fǎng)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(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )是任務(wù)型網(wǎng)絡(luò )。

 

在WSN中，節點(diǎn)雖然也有編號。但是編號是否在整個(gè)WSN中統一取決于具體需要。另外節點(diǎn)編號與節點(diǎn)位置之間也沒(méi)有必然聯(lián)系。用戶(hù)使用WSN查詢(xún)事件時(shí)，將關(guān)心的事件報告給整個(gè)網(wǎng)絡(luò )而不是某個(gè)節點(diǎn)。許多時(shí)候只關(guān)心結果數據如何，而不關(guān)心是哪個(gè)節點(diǎn)發(fā)出的數據。

 

WSN采用微型傳感器節點(diǎn)采集信息，各節點(diǎn)間具有自組織和協(xié)同工作的能力，網(wǎng)絡(luò )內部采用無(wú)線(xiàn)多跳通信方式，與傳統的SN相比具有以下優(yōu)勢：

 

1、精確高：實(shí)現單一的傳感器無(wú)法實(shí)現的密集空間采樣及近距離監測。

 

2、靈活性強：一經(jīng)部署無(wú)需人為干預。

 

3、可靠性高：可以避免單點(diǎn)失效問(wèn)題。

 

4、性?xún)r(jià)比高：降低有線(xiàn)傳輸成本，隨著(zhù)技術(shù)的發(fā)展，傳感器成本低。

 

 

由于WSN的特殊性，其應用領(lǐng)域與普通網(wǎng)絡(luò )有著(zhù)顯著(zhù)地區別，主要包括以下幾類(lèi)：

 

（1）軍事應用

 

利用WSN可以快速部署、自行組織網(wǎng)絡(luò )、隱蔽性強、高容錯性的特點(diǎn)?？梢栽趹饒?chǎng)上廣泛應用。

 

包括：對敵軍兵力、武器的監測、戰場(chǎng)實(shí)時(shí)監視、目標定位與鎖定、戰果評估等等。

 

（2）緊急和臨時(shí)場(chǎng)合

 

當遭受自然災難打擊后、固定的通信網(wǎng)絡(luò )設施可能被全部摧毀或無(wú)法正常工作，邊遠或偏僻野外地區、植被不能破壞的自然保護區，無(wú)法采用固定或預設的網(wǎng)絡(luò )設備通信。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)境監測

 

比如：農田灌溉情況監控、土壤成分監測、環(huán)境污染情況監測、森林火災報警、水情監測、氣溫監測、關(guān)照時(shí)間數據的采集等許多場(chǎng)合。

 

（4）醫療護理

 

包括：患者生理數據采集、醫療器材的管理、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(chǎng)監控

 

比如：化工、石油、電力、機械加工、紡織印染等等行業(yè)采用WSN技術(shù)可以很方便的進(jìn)行監測。

 

 

在無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的設計應用過(guò)程中，有多種基礎性技術(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(hù)功能正常運行的前提。

 

（１）網(wǎng)絡(luò )協(xié)議

 

在無(wú)線(xiàn)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，傳感器節點(diǎn)通常需要相互合作，完成復雜的檢測和感知任務(wù)，這需要各節點(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的一些節能方案也通過(guò)時(shí)間同步來(lái)實(shí)現的。

 

目前，在WSN中應用比較成熟的時(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，傳感器節點(diǎn)獲得的檢測數據一般是與位置相關(guān)聯(lián)的，用戶(hù)感興趣的是收到的數據是從哪個(gè)位置送來(lái)的，在一些應用中，需要通過(guò)空間不同位置的傳感器協(xié)調實(shí)現測量功能。因此，WSN中的定位技術(shù)包括節點(diǎn)自身定位和目標定位兩種。

 

定位技術(shù)可以利用現有的GPS等定位技術(shù)，也可以根據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）數據融合

 

由于WSN的各種局限，在滿(mǎn)足用戶(hù)需求下，需求對監測數據進(jìn)行融合處理，以節省通信帶寬和能量，提高信息收集效率，從耗能角度看，各節點(diǎn)間的通信耗能遠高于計算處理耗能。

 

目前數據融合的方法很多，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、統計決策理論、模糊邏輯法、產(chǎn)生式規則和D-S證據理論等。

 

（5）能量管理

 

WSN的節點(diǎn)的電池充電和更換困難。因此，在設計時(shí)，要致力于高效實(shí)用節點(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制、數據融合等，它們主要應用在計算機、存儲單元及通信單元部分。休眠機制可以通過(guò)相應的硬件芯片、網(wǎng)絡(luò )協(xié)議協(xié)調、動(dòng)態(tài)電源管理及動(dòng)態(tài)電壓調度等多種措施實(shí)現。

 

（6）安全管理

 

WSN中，安全管理主要體現在通信安全和信息安全兩個(gè)方面。通信安全主要考慮節點(diǎn)的安全、被動(dòng)抵御入侵、主動(dòng)反擊入侵，三方面問(wèn)題，信息安全主要考慮數據的機密性、數據鑒別、數據的完整性和實(shí)效性等方面。

 

目前，WSN的安全研究?jì)热葜饕ǎ篴）物理層的高效加密算法、擴頻抗干擾等。b）數據鏈路層的安全MAC協(xié)議。c）網(wǎng)絡(luò )層的安全路由協(xié)議。d）應用層的密鑰管理和安全組播等，目前WSN中專(zhuān)用安全協(xié)議有：SNEP（網(wǎng)絡(luò )安全加密）和uTESLA（微型定時(shí)有效流容忍丟失認證協(xié)議）。

 

無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )是當前信息領(lǐng)域中研究的熱點(diǎn)之一，可用于特殊環(huán)境實(shí)現信號的采集、處理和發(fā)送。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )是一種全新的信息獲取和處理技術(shù)，在現實(shí)生活中得到了越來(lái)越廣泛的應用。目前，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )作為一種獲得和處理信息的新技術(shù)，正在被廣泛的研究。隨著(zhù)通信技術(shù)、嵌入式技術(shù)、傳感器技術(shù)的發(fā)展，傳感器正逐漸向智能化、微型化、無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )化發(fā)展。