隨著傳感器技術(shù)、 嵌入式技術(shù)、 分布式信息處理技術(shù)和無線通信技術(shù)的發(fā)展， 以大量的具有微處理能力的微型傳感器節(jié)點組成的無線傳感器網(wǎng)絡(WSN)逐漸成為研究熱點問題。

 

 

無線傳感器網(wǎng)絡

 

無線傳感器網(wǎng)絡(Wireless Sensor Networks, WSN)是一種分布式傳感網(wǎng)絡，由大量的靜止或移動的傳感器以自組織和多跳的方式構(gòu)成的無線網(wǎng)絡，以協(xié)作地感知、采集、處理和傳輸網(wǎng)絡覆蓋地理區(qū)域內(nèi)被感知對象的信息，并最終把這些信息發(fā)送給網(wǎng)絡的所有者。傳感器、感知對象和觀察者構(gòu)成了無線傳感器網(wǎng)絡的三個要素。
 

無線傳感器網(wǎng)絡所具有的眾多類型的傳感器，可探測包括地震、電磁、溫度、濕度、噪聲、光強度、壓力、土壤成分、移動物體的大小、速度和方向等周邊環(huán)境中多種多樣的現(xiàn)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(yī)療、保健、家居、工業(yè)、商業(yè)等領(lǐng)域。

 

與傳統(tǒng)有線網(wǎng)絡相比，無線傳感器網(wǎng)絡技術(shù)具有很明顯的優(yōu)勢特點，主要的要求有： 低能耗、 低成本、 通用性、 網(wǎng)絡拓撲、 安全、 實時性、 以數(shù)據(jù)為中心等。

 

 

 

采用同構(gòu)網(wǎng)絡實現(xiàn)遠程監(jiān)測的無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu)， 由傳感器節(jié)點、 匯聚節(jié)點、 服務器端的PC和客戶端的PC四大硬件環(huán)節(jié)組成， 各組成環(huán)節(jié)功能如下。

 

圖1 遠程監(jiān)測無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

 

傳感器節(jié)點

 

部署在監(jiān)測區(qū)域（A區(qū)）， 通過自組織方式構(gòu)成無線網(wǎng)絡。 傳感器節(jié)點監(jiān)測的數(shù)據(jù)沿著其它節(jié)點逐跳進行無線傳輸， 經(jīng)過多跳后達到匯聚節(jié)點（B區(qū)）。

 

匯聚節(jié)點

 

是一個網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器， 負責無線網(wǎng)絡的組建， 再將傳感器節(jié)點無線傳輸進來的信息與數(shù)據(jù)通過SCI（ 串行通信接口）傳送至服務器端PC。

 

服務器端PC

 

是一個位于B區(qū)的管理節(jié)點， 也是獨立的Internet網(wǎng)關(guān)節(jié)點。 在LabVIEW軟件平臺上面有兩個軟件： 一是對傳感器無線網(wǎng)絡進行監(jiān)測管理的軟件平臺VI， 即一個監(jiān)測傳感器無線網(wǎng)絡的虛擬儀器VI； 二是Web Server軟件模塊和遠程面板技術(shù)(Remote Panel)， 可實現(xiàn)傳感器無線網(wǎng)絡與Internet的連接。

 

客戶端PC

 

客戶端PC上無需進行任何軟件設計， 在瀏覽器中就可調(diào)用服務器PC中無線傳感器網(wǎng)絡監(jiān)測虛擬儀器的前面板， 實現(xiàn)遠程異地（C區(qū)）對傳感器無線網(wǎng)絡（A區(qū)）的監(jiān)測與管理。

 

 

1． 傳感器及其調(diào)理電路

 

應根據(jù)無線傳感器網(wǎng)絡所在的地區(qū)環(huán)境特點來選擇傳感器， 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(diào)理電路將傳感器輸出的變化量轉(zhuǎn)換成能與A/D轉(zhuǎn)換器相適配的0~2.5 V或0~5 V的電壓信號。 當處于無電網(wǎng)供電地區(qū)時， 傳感器及其調(diào)理電路都應是低功耗的。

 

2． 數(shù)據(jù)采集及A/D轉(zhuǎn)換器與微處理器系統(tǒng)

 

傳感器節(jié)點中的計算機系統(tǒng)是低功耗的單片微處理器系統(tǒng)， 可以適應遠離測試中心、 偏遠地區(qū)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(nèi)部自帶采樣/保持器和12位A/D轉(zhuǎn)換器， 可對信號進行采集、 轉(zhuǎn)換以及對全節(jié)點系統(tǒng)進行指令控制和數(shù)據(jù)處理。

 

3． 射頻模塊

 

射頻模塊接收外部無線指令并將傳感器檢測到的被測參量數(shù)據(jù)信息無線發(fā)送出去， 如TI公司的CC2420無線收發(fā)芯片。

 

4． 電源

 

無線傳感器網(wǎng)絡中對傳感器節(jié)點的供電是一個極具特殊性的正處于研究熱點的技術(shù)問題。 若節(jié)點處于遠離電網(wǎng)的偏遠地區(qū)， 一般采用電池供電或無線射頻供電方式。

 

 

圖1中的無線傳感器網(wǎng)絡匯聚節(jié)點是一個網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器， 操作PC中監(jiān)測管理軟件平臺的面板控件， 在其指令下負責執(zhí)行無線傳感器網(wǎng)絡的配置與組建， 并將接收到的傳感器節(jié)點無線傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息再傳至PC機。 通常協(xié)調(diào)器主要由微處理器系統(tǒng)、 射頻模塊、 通信接口以及電源四個部分組成， 其硬件組成框圖如圖所示。

 

無線網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器硬件組成框圖

 

1． 通信接口

 

協(xié)調(diào)器中的通信接口負責與PC機進行通信。 一方面， 當操作PC機中無線傳感器網(wǎng)絡監(jiān)測平臺VI前面板上的相應控件時， 通信接口負責傳遞下達的相應指令， 如檢索網(wǎng)絡、 發(fā)送數(shù)據(jù)等； 另一方面， 協(xié)調(diào)器接收到傳感器節(jié)點無線發(fā)送的數(shù)據(jù)信息時， 也將其通過通信接口上傳到PC中。

 

2． 微處理器系統(tǒng)

 

協(xié)調(diào)器中的微處理器是整個無線傳感器網(wǎng)絡的主控制器， 是協(xié)調(diào)器的核心。

 

3． 射頻模塊

 

該射頻模塊將接收傳感器節(jié)點無線發(fā)送的數(shù)據(jù)信息， 經(jīng)通信接口上傳至PC； 另一方面， 以無線傳輸方式下達PC對傳感器節(jié)點的操作指令。

 

 

目前無線個域網(wǎng)標準化組織IEEE 802.15 工作組已完成了以下標準的制定：

 

 

低速無線個域網(wǎng)符合無線傳感器網(wǎng)絡關(guān)于低能耗、 低成本、 通用性、 網(wǎng)絡拓撲、 安全、實時性、 以數(shù)據(jù)為中心等要求， 因此目前研究、 應用的無線傳感器網(wǎng)絡的物理層及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)議棧及適用于無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的嵌入式微型IPv6協(xié)議棧。 其中， ZigBee協(xié)議以其低成本、 不同廠商生產(chǎn)的產(chǎn)品可兼容等特點得到廣泛的研究與應用。

 

 

同構(gòu)網(wǎng)絡引入一個或幾個無線傳感器網(wǎng)絡傳感器節(jié)點作為獨立的網(wǎng)關(guān)節(jié)點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)議的接口置于無線傳感器網(wǎng)絡外部的網(wǎng)關(guān)節(jié)點。 這樣做比較符合無線傳感器網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)流模式， 易于管理， 無需對無線傳感器網(wǎng)絡本身進行大的調(diào)整； 缺點是會使得網(wǎng)關(guān)附近的節(jié)點能量消耗過快并可能會造成一定程度的信息冗余。

 

異構(gòu)網(wǎng)絡的特點是： 部分能量高的節(jié)點被賦予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(jié)點可以完成復雜的任務， 承擔更多的負荷， 難點在于無法對節(jié)點的所謂“高能力”有一個明確的定義。 同時， 如何使得IP節(jié)點之間通過其它普通節(jié)點進行通信也是一個技術(shù)難題。

 

 

WSN并不非常簡單的理解為利用無線通信方式多個傳感器節(jié)點進行組網(wǎng)，它具有本身的特性及優(yōu)勢。

 

1、網(wǎng)絡規(guī)模大（節(jié)點數(shù)量多）

 

例如：對森林、草原進行防火監(jiān)控、野生動物活動情況監(jiān)測、壞境監(jiān)測往往要布置大量的無線傳感器節(jié)點，布設范圍也遠遠超過一般的局域網(wǎng)范圍。

 

布置大量的無線傳感器節(jié)點的優(yōu)點：

 

(1)提高整體監(jiān)測的精確度

 

(2)降低對單個節(jié)點的精確要求

 

(3)大量冗余節(jié)點的存在使得系統(tǒng)有較強的容錯性。

 

2、 自組織網(wǎng)絡

 

與局部網(wǎng)的布設不同，無線傳感器節(jié)點額位置布設前不能事先確定(飛機撒布、人員隨機布設)，節(jié)點之間的互相鄰居關(guān)系也不能事先確定。

 

要求無線傳感器節(jié)點具有自組織能力，能夠自動進行配置管理。實現(xiàn)的方法是通過拓撲控制機制和網(wǎng)絡路由協(xié)議自動形成能夠轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的多跳無線網(wǎng)絡系統(tǒng)。

 

3、動態(tài)性網(wǎng)絡

 

無線傳感器網(wǎng)絡的拓撲結(jié)構(gòu)經(jīng)常改變。原因：

 

(1)被動改變：傳感器節(jié)點電能耗盡；環(huán)境變化造成通信故障；傳感器節(jié)點本身出現(xiàn)故障。

 

(2)主動改變：增加新節(jié)點；根據(jù)路由算法的優(yōu)化做出的改變。

 

4、可靠性強

 

(1)傳感器節(jié)點本身硬件結(jié)構(gòu)可靠

 

布設時：可能通過飛機撒布，人員隨機撒布

 

工作時：風吹、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)絡結(jié)構(gòu)可靠

 

自組織網(wǎng)、動態(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(shù)據(jù)為中心

 

在互聯(lián)網(wǎng)中終端、主機、路由器、服務器等設備都有自己的IP地址。想訪問互聯(lián)網(wǎng)中資源，必須先知道存放資源的服務器的IP地址。所以互聯(lián)網(wǎng)是一個以地址為中心的網(wǎng)絡。而無線傳感器網(wǎng)絡是任務型網(wǎng)絡。

 

在WSN中，節(jié)點雖然也有編號。但是編號是否在整個WSN中統(tǒng)一取決于具體需要。另外節(jié)點編號與節(jié)點位置之間也沒有必然聯(lián)系。用戶使用WSN查詢事件時，將關(guān)心的事件報告給整個網(wǎng)絡而不是某個節(jié)點。許多時候只關(guān)心結(jié)果數(shù)據(jù)如何，而不關(guān)心是哪個節(jié)點發(fā)出的數(shù)據(jù)。

 

WSN采用微型傳感器節(jié)點采集信息，各節(jié)點間具有自組織和協(xié)同工作的能力，網(wǎng)絡內(nèi)部采用無線多跳通信方式，與傳統(tǒng)的SN相比具有以下優(yōu)勢：

 

1、精確高：實現(xiàn)單一的傳感器無法實現(xiàn)的密集空間采樣及近距離監(jiān)測。

 

2、靈活性強：一經(jīng)部署無需人為干預。

 

3、可靠性高：可以避免單點失效問題。

 

4、性價比高：降低有線傳輸成本，隨著技術(shù)的發(fā)展，傳感器成本低。

 

 

由于WSN的特殊性，其應用領(lǐng)域與普通網(wǎng)絡有著顯著地區(qū)別，主要包括以下幾類：

 

（1）軍事應用

 

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

 

包括：對敵軍兵力、武器的監(jiān)測、戰(zhàn)場實時監(jiān)視、目標定位與鎖定、戰(zhàn)果評估等等。

 

（2）緊急和臨時場合

 

當遭受自然災難打擊后、固定的通信網(wǎng)絡設施可能被全部摧毀或無法正常工作，邊遠或偏僻野外地區(qū)、植被不能破壞的自然保護區(qū)，無法采用固定或預設的網(wǎng)絡設備通信。這些情況，都可以利用WSN的快速展開和自組織特點來解決

 

（3）環(huán)境監(jiān)測

 

比如：農(nóng)田灌溉情況監(jiān)控、土壤成分監(jiān)測、環(huán)境污染情況監(jiān)測、森林火災報警、水情監(jiān)測、氣溫監(jiān)測、關(guān)照時間數(shù)據(jù)的采集等許多場合。

 

（4）醫(yī)療護理

 

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，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)可以很方便的進行監(jiān)測。

 

 

在無線傳感器網(wǎng)絡的設計應用過程中，有多種基礎(chǔ)性技術(shù)是支撐傳感器網(wǎng)絡完成任務的關(guān)鍵，這些關(guān)鍵技術(shù)解決是保證網(wǎng)絡用戶功能正常運行的前提。

 

（１）網(wǎng)絡協(xié)議

 

在無線傳感器網(wǎng)絡的網(wǎng)絡協(xié)議研究中，MAC協(xié)議和路由協(xié)議是研究的重點。

 

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）時間同步

 

在WSN，傳感器節(jié)點通常需要相互合作，完成復雜的檢測和感知任務，這需要各節(jié)點保持時間上的一致性，方便處理與時間有關(guān)的操作；WSN的一些節(jié)能方案也通過時間同步來實現(xiàn)的。

 

目前，在WSN中應用比較成熟的時間同步協(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）等三種。

 

（3）定位技術(shù)

 

在WSN中，傳感器節(jié)點獲得的檢測數(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)是從哪個位置送來的，在一些應用中，需要通過空間不同位置的傳感器協(xié)調(diào)實現(xiàn)測量功能。因此，WSN中的定位技術(shù)包括節(jié)點自身定位和目標定位兩種。

 

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，需求對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行融合處理，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)點間的通信耗能遠高于計算處理耗能。

 

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)絡法、統(tǒng)計決策理論、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)點的電池充電和更換困難。因此，在設計時，要致力于高效實用節(jié)點的能量，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(shù)據(jù)融合等，它們主要應用在計算機、存儲單元及通信單元部分。休眠機制可以通過相應的硬件芯片、網(wǎng)絡協(xié)議協(xié)調(diào)、動態(tài)電源管理及動態(tài)電壓調(diào)度等多種措施實現(xiàn)。

 

（6）安全管理

 

WSN中，安全管理主要體現(xiàn)在通信安全和信息安全兩個方面。通信安全主要考慮節(jié)點的安全、被動抵御入侵、主動反擊入侵，三方面問題，信息安全主要考慮數(shù)據(jù)的機密性、數(shù)據(jù)鑒別、數(shù)據(jù)的完整性和實效性等方面。

 

目前，WSN的安全研究內(nèi)容主要包括：a）物理層的高效加密算法、擴頻抗干擾等。b）數(shù)據(jù)鏈路層的安全MAC協(xié)議。c）網(wǎng)絡層的安全路由協(xié)議。d）應用層的密鑰管理和安全組播等，目前WSN中專用安全協(xié)議有：SNEP（網(wǎng)絡安全加密）和uTESLA（微型定時有效流容忍丟失認證協(xié)議）。

 

無線傳感器網(wǎng)絡是當前信息領(lǐng)域中研究的熱點之一，可用于特殊環(huán)境實現(xiàn)信號的采集、處理和發(fā)送。無線傳感器網(wǎng)絡是一種全新的信息獲取和處理技術(shù)，在現(xiàn)實生活中得到了越來越廣泛的應用。目前，無線傳感器網(wǎng)絡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、無線網(wǎng)絡化發(fā)展。