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感器网络被列为首位131。

目前，传感器网络在军事、民用和学术届等许多领域的研究都取得了重大的1

进展。

国外一些主要的研究项目及研究内容如表1．1所示。

国内，包括国家自然

基金及各大高校、研究所也都对无线传感器网络投入了研究。

表1-1无线传感器网络的研究进展

计划名称研究内容与进展资助部承担单位起止年代

1．1研究背景和意义

无线传感器网络（WSN，WirelessSensorNetworks），作为一项新型的信息采集技术日益受到国内外科研工作者的高度重视。

无线传感器网络，指在环境中布置的传感器节点以无线通信方式组织成网络，传感器节点完成一些数据采集工作，节点通过无线传感网络将数据发送到网络中，并最终由特定的应用接收。

传感器节点集成传感器件、数据处理和通信模块，并通过自组织的方式构成网络。

借助于传感器节点中内置的形式多样的传感器，可以测量所在周边环境中的热、红外、声、雷达和地震波等信号，从而探测包括温度、湿度、噪声、

光强度、压力、速度和方向等物质现象。

无线传感器网络是一种全新的信息获取和信息处理模式。

无线传感器网络的节点通过飞行器撒播、人工埋置等方式任意散落在被监测区域内，以自组织方式构成网络。

根据节点数目的多少，传感器网络可按平面结构和分簇结构⋯来构建。

平面结构比较健壮，但是控制开销大，可扩展性不佳，主要适用于中小型网络。

在分簇结构中，网络被划分成簇，每个簇包含一个簇头和多个簇成员，簇头和网关构成虚拟骨干网。

分簇结构的优点是网络

可扩充性好，容易实现网络的管理和同步，主要用于大规模的无线传感器网络。

无线传感器网络的平面结构如图1-1所示。

在传感器网络中，大量传感器节点被随机部署在监测区域内，节点以自组织方式构成网络，节点监测到的数据通过其他传感器节点逐跳地进行传输，在传输的过程中数据可能被多个中间节点处理。

经过多跳路由后，监测数据传输到汇聚（Sink）节点，最后由Internet

或者卫星进行收集并传送给用户。

用户传感器节点

图1-1无线传感器网络的平面结构

无线传感器网络中的节点分为两种：

普通的传感器节点和汇聚节点。

普通节点，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的任务。

汇聚节点（Sink节点），节点处理能力、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普通节点，有足够的能量供给和更多的内存与计算资源，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。

在平面结构的无线传感器网络中，所有节点具有相同的地位，所以又被称为对等式结构。

平面结构的网络比较简单，源节点和目的节点间一般存在多条路径，网络负荷由这些路径共同承担，一般情况下不存在瓶颈，网络比较健壮。

但是在无线传感器网络中，由于节点数量较大，密度较高，平面结构在节点的组织、定位、节点与基站之间的路由建立、控制与维持的报文开销上都存在着很大的问题，这些开销会占用很大的带宽，影响网络数据的传输速率，严重情况下甚至会造成整个网络的崩溃。

另外，节点在进行报文传输时，由于所有节点都起着路由的作用，因此，某个节点在产生并发送报文之后，在这个节点和基站节点之间会使得大量的节点参与存储转发工作，很难进入休眠状态，从而使整个系统在宏观上将损耗很多能量。

平面结构的可扩充性差，每个节点都需要知道到达其它所有节点的路由，维护这些动态变化的路由信息则需要大量的控制信息。

在分簇结构中，网络被划分为多个簇。

每个簇由一个簇头和多个簇成员组成，这些簇头形成了高一级的网络。

分簇后的网络体系结构如图卜2所示。

簇成员负责数据的采集，而簇头节点负责簇间数据的转发，这大大减少了网络中路由控制信息的数量，因此具有很好的可扩充性。

簇头可以预先指定，也可以通过分簇算法选举产生。

由于簇头可以通过选举随时产生，所以分簇结构具有很强的抗毁性，维护分簇结构需要节点执行分簇算法。

分簇结构存在的一个明显问题就是簇头的能量消耗问题，簇头的发送和接收报文的频率要高出普通节点几倍甚至十几倍，这样簇头在发送、接收报文时会消耗很多能量，而且很难进入休眠状态，从而相对普通节点，其寿命要短的多。

这就需要在簇内执行合适的算法以更新簇头。

分簇结构比平面结构复杂的

多，由此也产生了很多相应的算法和协议。

分簇结构解决了平面结构中的网络堵塞问题，整体能量消耗较少，实用性也较高。

无线传感网络节点研究的发展

在无线传感器网络节点的研究开发方面，国外的许多大学和研究机构纷纷投入了大量的研发力量从事研究工作，根据时间先后和技术特点，传感器网络节点的研究大致可以划分四个时代阻1。

第一代（1996—1999年）：

具有代表性的节点平台有UCLA的WINSu01，UCBerkeley的SmartDust⋯1、WeC和Renen纠。

WINS是较早的节点，是DARPAl995年资助项目“LowPowerWirelessIntegratedMicrosensors”n列的研究成果，主要是展示CIMS（CMOSIntegratedMicrosensors）技术在设计微型化低功耗无线传感器构成组件的优势，并没有特别强调无线通信及网络技术，因此最终没有形成影响力。

SmartDust即“智能尘埃”，是MEMS技术在微型化WSN节点方面的一次尝试，节点最终的物理尺寸只有近8mm，节点间利用光进行通信，具有一定的处理能力。

SmartDust节点证明了MEMS技术在微型化设备方4

面的潜力，是WSN研究非常重要的一个领域。

WeC和Rene节点是由D．Culler领导的研究小组设计，它是UCBMote的雏形，主要的差别在于后者有较灵活的扩展性，用户可以通过较丰富的数／模通道和总线支持不同种类的传感器。

而前

者是一个相对独立的系统，仅集成了温度、光强度的传感器电路，扩展能力有限，且不支持通用标准接口。

第二代（2000—2001年）：

随着WSN的研究受到广泛的关注，相继出现了多种节点平台，典型的有UCB的MiCa和Dotn鲥，MIT的uAMPS-I和uAMPS-II，，以及Rockwell公司的HYDRA。

Mica和Dot分别是WeE和Rene的升级，与后者相比，Mica和Dot提供了更丰富的传感器接口和内存资源，Mica被成功用在SensorWebs项目中原理性地演示了无人机器撒播WSN节点进行目标跟踪的新军事侦察模式的可行性。

如果说UCB的Mote系列是利用成熟的商用器件COST（CommercialOfftheShell）构建的节点，那么MIT的uAMPS-I也是COST设计，特点是采用支持分级电压的处理器和自适应调节发送功率的技术来节省能耗。

uAMPS-II则提高了集成度，在FPGA验证设计的基础上，定制了两片ASIC来处理射频通信。

uAMPS曾被用在DARPA支持的PASTA（PowerAwareSensingandTrackingandAnalysiS）项目n63中。

Rockwell公司的HYDRA是一个商用节点平台，体积稍大，著名的SensorIT项目就用它概念性地实现并演示了美国五角大楼所期望的“超视距"

战场监测应用。

第三代（2002-2003年）：

随着研究的深入，人们开始关注到特殊环境中自组织WSN的应用，降低能耗，尽可能延长网络生命周期等关键性问题的研究。

具有代表性的节点有：

Mica2和MicaDot2，以及NASAJPL实验室的SensorWebn7|。

SensorWeb最初被定位于进行火星的长时间观测，在可再生能源不成熟的条件下，面对这样的应用设计者们只能尽力寻找低功耗的节点设计方案。

目前，SensorWeb已被应用在多个项目中进行实际测试。

Mica2和MicaDot2属于UCB的Mote系列，修正了Mica通信距离短、易受干扰和不可靠等一些技术缺陷，采用了新的微处理器Atmegal128和射频芯片CCl000来降低节点的功耗。

尽管Mica2还存在一些缺陷，但是它基本上已经成为目前WSN研究主流的试验平台。

此外，国内外多个研究机构根据各自的研究需要陆续研究出了功能类似的各具特点的试验节点，如

Wisenet，PicoNode，HelioMote，iBadge，Eyes

和U3。

国内中科院、清华大学和哈尔滨工业大学等院校的研究小组也先后研制出了类似Mica2的节点。

第四代（2004年至今）：

2004年底，Chipcon率先发布了支持Zigbe．e的射频芯片，这成为WSN节点研发的又一个分水岭。

随后的研究开始重点关注新无线通信技术与标准在WSN节点设计中的应用。

到目前为止，已经相继研发出了一系列的第四代节点，典型的有MicaZ，Telos，EmberNode，Imote，Imote2，BTNode3和DSYS25。

MicaZ是Crossbow公司用支持Zigbee的CC2420直接代替Mica2的ccl000研制的。

Telos是UCBMote系列的第四代节点，设计上的改进很大，除了支持Zigbee，Telos还支持USB接口，省去了对开发板的依赖，方便开发和使用。

通过采用新型的微处理器TI公司的MSP430，减小了休眠工作电流和系统唤醒时间，能耗显著降低了，Telos的功耗大约是Mica2的十分之一。

研究数据表明”“．节点组网进行同步试验，用两节5号电池供电，每3min进行一次同步，Mica2，MicaZ和Telos的工作时间分别是543days，328days和945days。

EmberNode””是在Ember公司推出的支持zigbee的商用硬件和软件平台开发的WSN节点。

Imote和Imote2节点是Intel公司研制的WSN试验节点。

在Imote中仅支持蓝牙．到了Imote2．蓝牙、Zigbee和wiFi同时支持。

Imote完全聚用Intel的微处理器，如AⅫ和XScMe．并配备了一定的协处理器来管理系统能耗。

BTNode3“”是瑞士联邦研究院（ETHZurich）研发的第三个版本的WSN节点，采用的是蓝牙技术。

DSY$25““是爱尔兰国家微电子研究中心为分布式自治传感器项目研发的试验节点，再一次尝试了纯粹的射频通信技术在WSN中应用的可行性，它选用了Nordic公司的nRF2401．支持多通道，传输率可选1～Ib／s，高于ccl000的76．8kb／s。

虽然结合ActiveMessage机制设计

了占空比控制机制来节省能耗．但整个系统的功耗依然很大。

国内在传感器节点的研究方面，中科院计算所研制出了兼容国外同类产品的软件平台的高可靠性、使用便捷的无线传感器网络节点