无线传感器网络详解

随着传感器技术、 嵌入式技术、 分布式信息处理技术和无线通信技术的发展， 以大量的具有微处理能力的微型传感器节点组成的无线传感器网络(WSN)逐渐成为研究热点问题。 

与传统无线通信网络Ad Hoc网络相比， WSN的自组织性、 动态性、 可靠性和以数据为中心等特点， 使其可以应用到人员无法到达的地方， 比如战场、 沙漠等。因此， 可以断定未来无线传感器网络将有更为广泛的前景。  

无线传感器网络(Wireless Sensor Networks, WSN)是一种分布式传感网络，由大量的静止或移动的传感器以自组织和多跳的方式构成的无线网络，以协作地感知、采集、处理和传输网络覆盖地理区域内被感知对象的信息，并最终把这些信息发送给网络的所有者。传感器、感知对象和观察者构成了无线传感器网络的三个要素。

无线传感器网络所具有的众多类型的传感器，可探测包括地震、电磁、温度、湿度、噪声、光强度、压力、土壤成分、移动物体的大小、速度和方向等周边环境中多种多样的现象。潜在的应用领域可以归纳为: 军事、航空、防爆、救灾、环境、医疗、保健、家居、工业、商业等领域。

与传统有线网络相比，无线传感器网络技术具有很明显的优势特点，主要的要求有：低能耗、 低成本、 通用性、 网络拓扑、 安全、 实时性、 以数据为中心等。

无线传感器网络系统的典型结构

采用同构网络实现远程监测的无线传感器网络系统典型结构， 由传感器节点、 汇聚节点、 服务器端的PC和客户端的PC四大硬件环节组成， 各组成环节功能如下。

图1  远程监测无线传感器网络系统结构框图

传感器节点

部署在监测区域（A区）， 通过自组织方式构成无线网络。传感器节点监测的数据沿着其它节点逐跳进行无线传输， 经过多跳后达到汇聚节点（B区）。 

汇聚节点

是一个网络协调器， 负责无线网络的组建， 再将传感器节点无线传输进来的信息与数据通过SCI（ 串行通信接口）传送至服务器端PC。

服务器端PC

是一个位于B区的管理节点， 也是独立的Internet网关节点。在LabVIEW软件平台上面有两个软件：一是对传感器无线网络进行监测管理的软件平台VI， 即一个监测传感器无线网络的虚拟仪器VI；  二是Web Server软件模块和远程面板技术(Remote Panel)， 可实现传感器无线网络与Internet的连接。

客户端PC

客户端PC上无需进行任何软件设计， 在浏览器中就可调用服务器PC中无线传感器网络监测虚拟仪器的前面板， 实现远程异地（C区）对传感器无线网络（A区）的监测与管理。 

1． 传感器及其调理电路

应根据无线传感器网络所在的地区环境特点来选择传感器， 以适应环境温度变化范围、 尺寸体积等特殊要求。传感器所配接的调理电路将传感器输出的变化量转换成能与A/D转换器相适配的0~2.5 V或0~5 V的电压信号。当处于无电网供电地区时， 传感器及其调理电路都应是低功耗的。 

2． 数据采集及A/D转换器与微处理器系统
传感器节点中的计算机系统是低功耗的单片微处理器系统， 可以适应远离测试中心、 偏远地区恶劣环境的工作条件。如美国德克萨斯州仪器（TI）公司生产的MSP430－F149A超低功耗混合信号处理器(Mixed Signal Processor)， 它内部自带采样/保持器和12位A/D转换器， 可对信号进行采集、 转换以及对全节点系统进行指令控制和数据处理。 

3． 射频模块
射频模块接收外部无线指令并将传感器检测到的被测参量数据信息无线发送出去， 如TI公司的CC2420无线收发芯片。

4． 电源
无线传感器网络中对传感器节点的供电是一个极具特殊性的正处于研究热点的技术问题。若节点处于远离电网的偏远地区， 一般采用电池供电或无线射频供电方式。

图1中的无线传感器网络汇聚节点是一个网络协调器， 操作PC中监测管理软件平台的面板控件， 在其指令下负责执行无线传感器网络的配置与组建， 并将接收到的传感器节点无线传输的数据信息再传至PC机。通常协调器主要由微处理器系统、 射频模块、 通信接口以及电源四个部分组成， 其硬件组成框图如图所示。 

无线网络协调器硬件组成框图

1． 通信接口
协调器中的通信接口负责与PC机进行通信。一方面， 当操作PC机中无线传感器网络监测平台VI前面板上的相应控件时， 通信接口负责传递下达的相应指令， 如检索网络、 发送数据等；另一方面， 协调器接收到传感器节点无线发送的数据信息时， 也将其通过通信接口上传到PC中。 

2． 微处理器系统
协调器中的微处理器是整个无线传感器网络的主控制器， 是协调器的核心。 

3． 射频模块
该射频模块将接收传感器节点无线发送的数据信息， 经通信接口上传至PC；另一方面， 以无线传输方式下达PC对传感器节点的操作指令。

无线传感器网络通信协议

目前无线个域网标准化组织IEEE 802.15 工作组已完成了以下标准的制定：
　　

中速无线个域网标准IEEE 802.15.1——蓝牙；
　　

高速无线个域网标准IEEE 802.15.3——超宽带(UWB)；

低速无线个域网标准IEEE 802.15.4。 低速无线个域网主要为电源能力受限的、 吞吐量要求较低的无线应用提供简单的低成本网络连接， 主要目标是以简单灵活的协议构建一种安装布置合理、 数据传输可靠、 设备成本极低、 能量消耗较小的短距离无线通信网络。 

低速无线个域网符合无线传感器网络关于低能耗、 低成本、 通用性、 网络拓扑、 安全、实时性、 以数据为中心等要求， 因此目前研究、 应用的无线传感器网络的物理层及MAC层协议多采用IEEE 802.15.4 标准。 

基于IEEE 802.15.4 标准的网络层协议主要有2001年9月成立的ZigBee联盟提出的ZigBee协议栈及适用于无线传感器网络节点的嵌入式微型IPv6协议栈。其中， ZigBee协议以其低成本、 不同厂商生产的产品可兼容等特点得到广泛的研究与应用。 

无线传感器网络与Internet的互联

同构网络引入一个或几个无线传感器网络传感器节点作为独立的网关节点并以此为接口接入互联网， 即把与互联网标准IP协议的接口置于无线传感器网络外部的网关节点。这样做比较符合无线传感器网络的数据流模式， 易于管理， 无需对无线传感器网络本身进行大的调整；缺点是会使得网关附近的节点能量消耗过快并可能会造成一定程度的信息冗余。 

异构网络的特点是：部分能量高的节点被赋予IP地址，作为与互联网标准IP协议的接口。这些高能力节点可以完成复杂的任务， 承担更多的负荷， 难点在于无法对节点的所谓“高能力”有一个明确的定义。同时， 如何使得IP节点之间通过其它普通节点进行通信也是一个技术难题。 

WSN无线传感器网络的特点及优势

WSN并不非常简单的理解为利用无线通信方式多个传感器节点进行组网，它具有本身的特性及优势。

1、网络规模大（节点数量多）

例如：对森林、草原进行防火监控、野生动物活动情况监测、坏境监测往往要布置大量的无线传感器节点，布设范围也远远超过一般的局域网范围。

布置大量的无线传感器节点的优点：

(1)提高整体监测的精确度

(2)降低对单个节点的精确要求

(3)大量冗余节点的存在使得系统有较强的容错性。

2、 自组织网络

与局部网的布设不同，无线传感器节点额位置布设前不能事先确定(飞机撒布、人员随机布设)，节点之间的互相邻居关系也不能事先确定。

要求无线传感器节点具有自组织能力，能够自动进行配置管理。实现的方法是通过拓扑控制机制和网络路由协议自动形成能够转发数据的多跳无线网络系统。

3、动态性网络

无线传感器网络的拓扑结构经常改变。原因：

(1)被动改变：传感器节点电能耗尽；环境变化造成通信故障；传感器节点本身出现故障。

(2)主动改变：增加新节点；根据路由算法的优化做出的改变。

4、可靠性强

(1)传感器节点本身硬件结构可靠

布设时：可能通过飞机撒布，人员随机撒布

工作时：风吹、日晒、雨林、严寒、酷暑。

维护性 ：维护十分困难(几乎不可能)。

(2)网络结构可靠

自组织网、动态性保证基本的信息传输正常。

(3)软件可靠

(4)信息保密性强

 5、以数据为中心

在互联网中终端、主机、路由器、服务器等设备都有自己的IP地址。想访问互联网中资源，必须先知道存放资源的服务器的IP地址。所以互联网是一个以地址为中心的网络。而无线传感器网络是任务型网络。

在WSN中，节点虽然也有编号。但是编号是否在整个WSN中统一取决于具体需要。另外节点编号与节点位置之间也没有必然联系。用户使用WSN查询事件时，将关心的事件报告给整个网络而不是某个节点。许多时候只关心结果数据如何，而不关心是哪个节点发出的数据。

WSN采用微型传感器节点采集信息，各节点间具有自组织和协同工作的能力，网络内部采用无线多跳通信方式，与传统的SN相比具有以下优势：

1、精确高：实现单一的传感器无法实现的密集空间采样及近距离监测。

2、灵活性强：一经部署无需人为干预。

3、可靠性高：可以避免单点失效问题

4、性价比高：降低有线传输成本，随着技术的发展，传感器成本低。

WSN应用领域

由于WSN的特殊性，其应用领域与普通网络有着显著地区别，主要包括以下几类：

（1）军事应用

利用WSN可以快速部署、自行组织网络、隐蔽性强、高容错性的特点。可以在战场上广泛应用。

包括：对敌军兵力、武器的监测、战场实时监视、目标定位与锁定、战果评估等等。

（2）紧急和临时场合

当遭受自然灾难打击后、固定的通信网络设施可能被全部摧毁或无法正常工作，边远或偏僻野外地区、植被不能破坏的自然保护区，无法采用固定或预设的网络设备通信。这些情况，都可以利用WSN的快速展开和自组织特点来解决

（3）环境监测

比如：农田灌溉情况监控、土壤成分监测、环境污染情况监测、森林火灾报警、水情监测、气温监测、关照时间数据的采集等许多场合。

（4）医疗护理

包括：患者生理数据采集、医疗器材的管理、药品的发放以及关键人员的跟踪、定位等等。

（5）智能家居

在家电和家居中嵌入WSN的传感器节点，并与互联网连接在一起。可以提供更舒适、方便、更具人性化的家居环境。

（6）工厂监控

比如：化工、石油、电力、机械加工、纺织印染等等行业采用WSN技术可以很方便的进行监测。

WSN应用存在的问题及研究热点

在无线传感器网络的设计应用过程中，有多种基础性技术是支撑传感器网络完成任务的关键，这些关键技术解决是保证网络用户功能正常运行的前提。

（１）网络协议

在无线传感器网络的网络协议研究中，MAC协议和路由协议是研究的重点。

常用的MAC协议有：IEEE802.15.4、S-MAC、及T-MAC协议等；路由协议有：SPIN、DO、GEM、LEACH等协议。

（２）时间同步

在WSN，传感器节点通常需要相互合作，完成复杂的检测和感知任务，这需要各节点保持时间上的一致性，方便处理与时间有关的操作；WSN的一些节能方案也通过时间同步来实现的。

目前，在WSN中应用比较成熟的时间同步协议有RBS（参考广播同步）、Tiny/mini-Sync（微小/迷你同步）以及TPSN（Timing-sync协议的传感器网络）等三种。

（3）定位技术

在WSN中，传感器节点获得的检测数据一般是与位置相关联的，用户感兴趣的是收到的数据是从哪个位置送来的，在一些应用中，需要通过空间不同位置的传感器协调实现测量功能。因此，WSN中的定位技术包括节点自身定位和目标定位两种。

定位技术可以利用现有的GPS等定位技术，也可以根据WSN自身特点采用一些适用有效的定位算法，目前主要有DV2hop算法、位置分发算法、DV2distance算法等。

（4）数据融合

由于WSN的各种局限，在满足用户需求下，需求对监测数据进行融合处理，以节省通信带宽和能量，提高信息收集效率，从耗能角度看，各节点间的通信耗能远高于计算处理耗能。

目前数据融合的方法很多，常用的有综合平均法，卡尔曼滤波法、贝叶斯方法、神经网络法、统计决策理论、模糊逻辑法、产生式规则和D-S证据理论等。

（5）能量管理

WSN的节点的电池充电和更换困难。因此，在设计时，要致力于高效实用节点的能量，所以能量管理也是WSN研究的重要课题。

目前主要采用的能量管理策略有休眠机制、数据融合等，它们主要应用在计算机、存储单元及通信单元部分。休眠机制可以通过相应的硬件芯片、网络协议协调、动态电源管理及动态电压调度等多种措施实现。

（6）安全管理

WSN中，安全管理主要体现在通信安全和信息安全两个方面。通信安全主要考虑节点的安全、被动抵御入侵、主动反击入侵，三方面问题，信息安全主要考虑数据的机密性、数据鉴别、数据的完整性和实效性等方面。

目前，WSN的安全研究内容主要包括：a）物理层的高效加密算法、扩频抗干扰等。b）数据链路层的安全MAC协议。c）网络层的安全路由协议。d）应用层的密钥管理和安全组播等，目前WSN中专用安全协议有：SNEP（网络安全加密）和uTESLA（微型定时有效流容忍丢失认证协议）。

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