无线传感器网络.docx

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无线传感器网络

微电子技术、计算技术和无线通信等技术的进步，推动了低功耗多功能传感器的快速发展，使其在微小体积内能够集成信息采集、数据处理和无线通信等多种功能。

无线传感器网络（wirelesssensornetwork，WSN）就是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成。

通过无线通信方式形成的一个多跳的白组织的网络系统，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息，并发送给观察者。

传感器、感知对象和观察者构成了传感器网络的三个要素。

如果说Internet构成了逻辑上的信息世界，改变了人与人之间的沟通方式，那么，无线传感器网络就是将逻辑上的信息世界与客观上的物理世界融合在一起，改变人类与自然界的交互方式。

人们可以通过传感网络直接感知客观世界，从而极大地扩展现有网络的功能和人类认识世界的能力。

美国商业周刊和MIT技术评沦在预测未来技术发展的报告中，分别将无线传感器网络列为2l世纪最有影响的2l项技术和改变世界的lo大技术之一。

传感器网络l、塑料电子学和仿生人体器官又被称为全球未来的三大高科技产业。

传感器网络系统通常包括传感器节点（sensornode）、汇聚节点（sinknode）和管理节点。

大量传感器节点随机部署在监测区域（sensorfield）内部或附近，能够通过自组织方式构成网络。

传感器节点监测的数据沿着其他传感器节点逐跳地进行传输，在传输过程中监测数据可能被多个节点处理，经过多跳后路由到汇聚节点，最后通过互联网或卫星到达管理节点。

用户通过管理节点对传感器网络进行配置和管理，发布监测任务以及收集监测数据。

传感器节点通常是一个微型的嵌入式系统，它的处理能力、存储能力和通信能力相对较弱，通过携带能量有限的电池供电。

从网络功能上看，每个传感器节点兼顾传统网络节点的终端和路由器双重功能，除了进行本地信息收集和数据处理外，还要对其他节点转发来的数据进行存储、管理和融合等处理，同时与其他节点协作完成一些特定任务。

目前传感器节点的软硬件技术是传感器网络研究的重点。

汇聚节点的处理能力、存储能力和通信能力相对比较强，它连接传感器网络与Internet等外部网络，实现两种协议栈之间的通信协议转换，同时发布管理节点的监测任务，并把收集的数据转发到外部网络上。

汇聚节点既可以是一个具有增强功能的传感器节点，有足够的能量供给和更多的内存与汁算资源，也可以是没有监测功能仅带有无线通信接口的特殊网关设备。

传感器节点的限制传感器

节点在实现各种网络协议和应用系统时，存在以下一些现实约束。

电源能量有限传感器节点体积微小，通常携带能量十分有限的电池。

由于传感器节点个数多、成本要求低廉、分布区域广，而且部署区域环境复杂，有些区域甚至人员不能到达，所以传感器节点通过更换电池的方式宋补充能源是不现实的。

如何高效使用能量来最人化网络生命周期是传感器网络面临的首要挑战。

传感器节点消耗能量的模块包括传感器模块，处理器模块和无线通信模块。

随着集成电路工艺的进步，处理器和传感器模块的功耗变得很低，绝大部分能量消耗在无线通信模块上。

2．3传感器网络的特点

1。

大规模网络为了获取精确信息，在监测区域通常部署大量传感器节点，传感器节点数量可能达到成千上万，甚至更多。

传感器网络的大规模性包括两方面的含义：

一方面是传感器节点分布在很大的地理区域内，如在原始大森林采用传感器网络进行森林防火和环境监测，需要部署大量的传感器节点；另一方面，传感器节点部署很密集，在一个面积不是很大的空间内，密集部署了大量的传感器节点。

传感器网络的大规模性具有如下优点：

通过不同空间视角获得的信息具有更大的信噪比；通过分布式处理大量的采集信息能够提高监测的精确度，降低对单个节点传感器的精度要求；大量冗余节点的存在，使得系统具有很强的容错性能；大量节点能够增大覆盖的监测区域，减少洞穴或者盲区。

2．自组织网络在传感器网络应用中，通常情况下传感器节点被放置在没有基础结构的地方。

传感器节点的位置不能预先精确设定，节点之间的相互邻居关系预先也不知道，如通过飞机播撤大量传感器节点到面积广阔的原始森林中，或随意放置到人不可到达或危险的区域。

这样就要求传感器节点具有自组织的能力，能够自动进行配置和管理，通过拓扑控制机制和网络协议自动形成转发监测数据的多跳无线网络系统。

在传感器网络使用过程中，部分传感器节点由于能量耗尽或环境因素造成失效，也有一些节点为了弥补失效节点、增加监测精度而补充到网络中，这样在传感器网络中的节点个数就动态地增加或减少，从而使网络的拓扑结构随之动态地变化。

传感器网络的自组织性要能够适应这种网络拓扑结构的动态变化。

3．动态性网络传感器网络的拓扑结构可能因为下列因素而改变：

①环境因素或电能耗尽造成的传感器节点出现故障或失效；②环境条件变化可能造成无线通信链路带宽变化，甚至时断时通；③传感器网络的传感器、感知对象和观察者这三要素都可能具有移动性；④新节点的加入。

这就要求传感器网络系统要能够适应这种变化，具有动态的系统可重构性。

4．可靠的网络传感器网络特别适合部署在恶劣环境或人类不宜到达的区域，传感器节点可能工作在露天环境中，遭受太阳的暴晒或风吹雨淋，甚至遭到无关人员或动物的破坏。

传感器节点往往采用随机部署，如通过飞机撒播或发射炮弹到指定区域进行部署。

这些都要求传感器节点非常坚固，不易损坏，适应各种恶劣环境条件。

由于监测区域环境的限制以及传感器节点数目巨大，不可能人工“照顾”每个传感器节点，网络的维护十分困难甚至不可维护。

传感器网络的通信保密性和安全性也十分重要，要防止监测数据被盗取和获取伪造的监测信息。

因此，传感器网络的软硬件必须具有鲁棒性和容错性。

5．应用相关的网络传感器网络用来感知客观物理世界，获取物理世界的信息量。

客观世界的物理量多种多样，不可穷尽。

不同的传感器网络应用关心不同的物理量，因此对传感器的应用系统也有多种多样的要求。

不同的应用背景对传感器网络的要求不同，其硬件平台、软件系统和网络协议必然会有很大差别。

所以传感器网络不能像Internet一样，有统一的通信协议平台。

对于不同的传感器网络应用虽然存在一些共性问题，但在开发传感器网络应用中，更关心传感器网络的差异。

只有让系统更贴近应用，才能做出最高效的目标系统。

针对每一个具体应用来研究传感器网络技术，这是传感器网络设计不同于传统网络的显著特征。

6．以数据为中心的网络目前的互联网是先有计算机终端系统，然后再互联成为网络，终端系统可以脱离网络独立存在。

在互联网中，网络设备用网络中惟一的IP地址标识，资源定位和信息传输依赖于终端、路由器、服务器等网络设备的IP地址。

如果想访问互联网中的资源，首先要知道存放资源的服务器IP地址。

可以说目前的互联网是一个以地址为中心的网络。

传感器网络是任务型的网络，脱离传感器网络谈论传感器节点没有任何意义。

传感器网络巾的节点采用节点编号标识，节点编号是否需要全网惟一取决于网络通信协议的设计。

由于传感器节点随机部署，构成的传感器网络与节点编号之间的关系是完全动态的，表现为节点编号与节点位置没有必然联系。

用户使用传感器网络查询事件时，直接将所关心的事件通告给网络，而不是通告给某个确定编号的节点。

网络在获得指定事件的信息后汇报给用户。

这种以数据本身作为查询或传输线索的思想更接近于自然语言交流的习惯。

所以通常说传感器网络是一个以数据为中心的网络。

例如，在应用于目标跟踪的传感器网络中，跟踪目标可能出现在任何地方，对目标感兴趣的用户只关心目标出现的位置和时间，并不关心哪个节点监测到目标。

事实上，在目标移动的过程中，必然是由不同的节点提供目标的位置消息。

1．3传感器网络的应用

传感器网络的应用前景非常广阔，能够广泛应用于军事、环境监测和预报、健康护理、智能家居、建筑物状态监控、复杂机械监控、城市交通、空间探索、人型车间和仓库管理，以及机场、大型工业园区的安全监测等领域。

随着传感器网络的深入研究和广泛应用，传感器网络将逐渐深入到人类生活的各个领域。

]．军事应用传感器网络具有可快速部署、可自组织、隐蔽性强和高容错性的特点，因此非常适合在军事上应用。

利用传感器网络能够实现对敌军兵力和装备的监控、战场的实时监视、目标的定位、战场评估、核攻击和生物化学攻击的监测和搜索等功能。

通过飞机或炮弹直接将传感器节点播撤到敌方阵地内部，或者在公共隔离带部署传感器网络，就能够非常隐蔽而且近距离准确地收集战场信息，迅速获取有利于作战的信息。

传感器网络是由大量的随机分布的节点组成的，即使一部分传感器节点被敌方破坏，剩下的节点依然能够自组织地形成网络。

传感器网络可以通过分析采集到的数据，得到十分准确的目标定位，从而为火控和制导系统提供精确的制导。

利用生物和化学传感器，可以准确地探测到生化武器的成分，及时提供情报信息，有利于正确防范和实施有效的反击。

·传感器网络已经成为军事C41SRT（command，control，communication，computmg，intelligence，surveillance。

reconnaissanceandtargeting）系统必不可少的一部分，受到军事发达国家的普遍重视，各国均投入了大量的人力和财力进行研究。

美国DARPA（DefenseAdvancedResearchProjectsAgency）很早就启动了SenslT（Sensorlnformation’Fechnology）计划。

该计划的目的就是将多种类型的传感器、可重编程的通用处理器和无线通信技术组合起来，建立一个廉价的无处不在的网络系统，用以监测光学、声学、震动、磁场、湿度、污染、毒物、压力、温度、加速度等物理量。

2．环境观测和预报系统随着人们对于环境的日益关注，环境科学所涉及的范围越来越广泛。

传感器网络在环境研究方面可用于监视农作物灌溉情况、土壤空气情况、牲畜和家禽的环境状况和大面积的地表监测等，可用于行星探测、气象和地理研究、洪水监测等，还可以通过跟踪鸟类、小型动物和昆虫进行种群复杂度的研究等。

基于传感器网络的ALERT系统中就有数种传感器用宋监测降雨量、河水水位和土壤水分，并依此预测爆发山洪的可能性。

类似地，传感器网络可实现对森林环境监测和火灾报告，传感器节点被随机密布在森林之中，平常状态下定期报告森林环境数据，当发生火灾时，这些传感器节点通过协同合作会在很短的时间内将火源的具体地点、火势的大小等信息传送给相关部门。

传感器网络还有一个重要应用就是生态多样性的描述，能够进行动物栖息地生态监测。

美国加州大学伯克利分校Intel实验室和大西洋学院联合在大鸭岛（GreatDucklsland）上部署了一个多层次的传感器网络系统，用来监测岛上海燕的生活习性。

3．医疗护理传感器网络在医疗系统和健康护理方面的应用包括监测人体的各种生理数据，跟踪和监控医院内医生和患者的行动，医院的药物管理等。

如果在住院病人身上安装特殊用途的传感器节点，如心率和血压监测设备，医生利用传感器网络就可以随时了解被监护病人的病情，发现异常能够迅速抢救。

将传感器节点按药品种类分别放置，计算机系统即可帮助辨认所开的药品，从而减少病人用错药的可能性。

还可以利用传感器网络长时间地收集人体的生理数据，这些数据对了解人体活动机理和研制新药品都是非常有用的。

人工视网膜是一项生物医学的应用项目。

在SSIM（SmartSensorsandIntegratedMicrosytems）计划中，替代视网膜的；芯片由100个微型的传感器组成，并置人人眼，目的是使得失明者或者视力极差者能够恢复到一个可以接受的视力水平。

传感器的无线通信满足反馈控制的需要，有利于图像的识别和确认。

4．智能家居传感器网络能够应用在家居中。

在家电和家具中嵌入传感器节点，通过无线网络与Internet连接在一起，将会为人们提供更加舒适、方便和更具人性化的智能家居环境。

利用远程监控系统，町完成对家电的远程遥控，例如可以在回家之前半小时打开空凋，这样回家的时候就可以直接享受适合的室温，也可以遥控电饭锅、微波炉、电冰箱、电话机、电视机、录像机、电脑等家电，按照自己的意愿完成相应的煮饭、烧菜、查收电话留言、选择录制电视和电台节目以及下载网上资料到电脑中等工作，也可以通过图像传感设备随时监控家庭安全情况。

利用传感器网络可以建立智能幼儿园，监测孩童的早期教育环境，跟踪孩童的活动轨迹，可以让父母和老师全面地研究学生的学习过程，回答一些诸如：

“学生A是否总是呆在某个学习区域内?

”“学生B是否常常独处?

”等问题。

5．建筑物状态监控建筑物状态监控（structurehealthmonitoring，SHM）是利用传感器网络来监控建筑物的安全状态。

由于建筑物不断修补，可能会存在一些安全隐患。

虽然地壳偶尔的小震动可能不会带来看得见的损坏，但是也许会在支柱上产生潜在的裂缝，这个裂缝可能会在下一次地震中导致建筑物倒塌。

用传统方法检查，往往要将大楼关闭数月。

作为CITRIS（CenterOflnformationTechnologyResearchintheInterestOfSociety）计划的一部分，美国加州大学伯克利分校的环境工程和计算机科学家们采用传感器网络，让大楼、桥梁和其他建筑物能够自身感觉并意识到它们本身的状况，使得安装了传感器网络的智能建筑自动告诉管理部门它们的状态信息，并且能够自动按照优先级来进行一系列自我修复工作。

未来的各种摩天大楼可能就会装备这种类似红绿灯的装置，从而建筑物可自动告诉人们当前是否安全、稳固程度如何等信息。

6．其他方面的应用复杂机械的维护经历了“无维护”、“定时维护”以及“基于情况的维护”二个阶段。

采用“基于情况的维护”方式能够优化机械的使用，保持过程更加有效，并且保证制造成本仍然低廉。

其维护开销分为几个部分：

设备开销、安装开销和人工收集分析机械状态数据的开销。

采用无线传感网络能够降低这些开销，特别是能够去掉人工开销。

尤其是目前数据处理硬件技术的飞速发展和无线收发硬件的发展，新的技术已经成熟，可以使用无线技术避免昂贵的线缆连接，采用专家系统自动实现数据的采集和分析。

传感器网络可以应用于空间探索。

借助于航天器在外星体撒播一些传感器网络节点，可以对星球表面进行长时间的监测。

这种方式成本很低，节点体积小，相互之间可以通信，也可以和地面站进行通信。

NASA的JPL（JetPropulsionLaboratory）实验室研制的SensorWebs就是为将来的火星探测进行技术准备。

该系统已在佛罗里达宇航中心周围的环境监测项目中实施测试和完善。

无线传感器网络的研究进展

传感器网络的研究起步于20世纪90年代末期。

从2l世纪开始，传感器网络引起了学术界、军界和工业界的极大关注，美国和欧洲相继启动了许多关于无线传感器网络的研究计划。

特别是美国通过国家自然基金委、国防部等多种渠道投入巨资支持传感器网络技术的研究。

1．在军事领域

美国国防部和各军事部门都较早的开始启动了传感器网络的研究，在C41SR的基础上提出了C4KISR计划，强调战场情报的获取能力、信息的综合能力和信息的利用能力，把传感器网络作为一个重要研究领域，设立了一系列军事传感器网络研究项目。

美国陆军2001年就提出了“灵巧传感器网络通信”计划，在2001—2005财政年度期间批准实施。

其基本思想是：

在战场上布设大量的传感器以收集和传输信息，并对相关原始数据进行过滤，然后再把那些重要的信息传送到各数据融合中心，将大量的信息集成为一幅战场全景图。

当参战人员需要时可分发给他们，使其对战场态势的感知能力大大提高。

美国陆军近期又确立了“无人值守地面传感器群”项目，其主要目标是使基层部队指挥员探据需要能够将传感器灵活部署到任何区域。

该项目是支持陆军“更广阔视野”的三个项目之一。

美国陆军还确立了“战场环境侦察与监视系统”项目。

该系统是一个智能化传感器网络，可以更为详尽准确地探测到精确信息。

例如登陆作战中敌方岸滩的真实地理特征信息，丛林地带的地面坚硬度和干湿度等信息，为更准确地制定战斗行动方案提供情报依据。

它通过“数字化路标”作为传输工具，为各作战平台与单位提供各自所需的情报服务，使情报侦察与获取能力产生质的飞跃。

美国海军最近确立了“传感器组网系统”研究项目。

传感器组网系统的核心是一套实时数据库管理系统，利用现有的通信机制对从战术级到战略级的传感器信息进行管理，管理工作只需一台专用的商用便携机，无需其他专用设备。

该系统以现有的带宽进行通信，并可协凋来自地面和空中监视传感器以及太空监视设备的信息。

该系统能够部署到各级指挥单位。

美国海军最近开展的协同交战能力（cooperativeengagementcapability，CEC）是一项革命性的技术。

CEC的实质就是把高性能传感器网络与高性能交战网络有机地结合起来。

高效的传感器网络能快速生成交战质量的态势信息，交战网络则可把这一态势信息转化成更高的作战能力。

CEC传感器网络的感知数据来源于雷达，通过舰船或飞机战斗群携带的处理器进行感知数据的处理。

每艘战船不但通过自己的雷达，而且还从其他战船或者装载CEC的战机来获取数据。

例如，一艘战船除了从自己的雷达获取数据以外，还从舰船战斗群的20个以上的雷达中获取数据，也可以从鸟瞰战场的战机上获取数据。

空中传感器负责侦察更大范围的低空目标，这些传感器也是网络中重要的一部分。

CEC可以从多方面探测目标，极大地提高测量精度和击中目标的概率。

CEC还可以快速而准确地跟踪混乱战争环境中的敌机和导弹，使战船可以击中多个地平线或地平线以上近海面飞行的趋声波目标。

2002年5月，美国Sandia国家实验室与美国能源部合作，共同研究能够尽早发现以地铁、车站等场所为目标的生化武器袭击，并及时采取防范对策的系统。

它属于美国能源部恐怖对策项日的重要一环。

该系统集检测有毒气体的化学传感器和网络技术于一体。

安装在车站的传感器一旦检测到某种有害物质，就会自动向管理中心通报，自动进行引导旅客避难的广播，并封锁有关人口等。

该系统除了能够在专用管理中心进行监视之外，还可以通过Internet进行远程监视。

2．民用领域

美国交通部1995年提出了“国家智能交通系统项目规划”，预计到2025年全面投入使用。

该计划试图有效集成先进的信息技术、数据通信技术、传感器技术、控制技术及计算机处理技术并运用于整个地面交通管理，建立一个大范围全方位的实时高效的综合交通运输管理系统。

这种新型系统将有效地使用传感器网络进行交通管理，不仅：

可以使汽车按照一定的速度行驶，前后车辆自动保持一定的距离，而且还可以提供有关道路堵塞的最新消息，推荐最佳行车路线以及提醒驾驶员避免交通事故等。

由于该系统将应用大量传感器与各种车辆保持联系，人们可以利用计算机来监视每一辆汽车的运行状况，如制动质量、发动机调速时间等。

根据具体情况自动进行调整，使车辆保持在高效低耗的最佳运行状态，并就潜在的故障发出警告，或直接与事故抢救中心取得联系。

英特尔公司在2002年10月24日发布了“基于微型传感器网络的新型计算发展规划”。

计划宣称，英特尔将致力于微型传感器网络在预防医学、环境监测、森林灭火乃至海底板块调查、行星探查等领域的应用。

实现该计划需要三个阶段，包括物理阶段、实现阶段和应用阶段。

物理阶段主要开发集成感知、计算和通信功能的超微型传感器，该传感器也称作尘粒（Mote）或智能微尘（Smartdust）。

实现阶段将在实际商务中使用来自传感器网络的感知数据。

应用阶段将传感器网络应用于预防医学、环境监测及灾害对策等领域。

3．学术界美国自然科学基金委员会2003年制定了无线传感器网络研究汁划，在加州大学洛杉矶分校成立了传感器网络研究中心，联合周边的加州大学伯克利分校、南加州大学等，展开“嵌入式智能传感器”的研究项目，以求利用传感器网络对我们生活的物理世界实现全方位的测试与控制，支持相关基础理论的研究，这也是美国国情咨文中有关Internet2最主要的远景规划之一。

传感器网络涉及传感器技术、网络通信技术、无线传输技术、嵌人式计算技术、分布式信息处理技术、微电子制造技术、软件编程技术等多学科交叉的研究领域，具有鲜明的跨学科研究特点。

美国所有著名院校几乎都有研究小组在从事传感器网络相关技术的研究，加拿大、英国、德国、芬兰、日本和意大利等国家的研究机构也加入了传感器网络的研究。

后面的章节将详细介绍相关的研究成果。

我国的中科院上海微系统研究所、沈阳自动化所、软件研究所、计算所、电子所、自动化所和合肥智能技术研究所等科研机构，哈尔滨工业大学、清华大学、北京邮电大学、西北工业大学、天津大学和国防科技大学等院校在国内较早开展了传感器网络的研究，2004年起有更多的院校和科研机构加入到该领域的研究工作中来。