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最新无线传感网络的学习报告wujiansheng
无线传感网络的学习报告
khywjs2009
摘要：
介绍无线传感器网络（WireleSssensorNetwork，WSN），WSN背景和发展历程，WSN的网络体系结构，WSN的关键技术数据采集，路由协议、时间同步、定位技术和数据融合以及涉及相关研究情况，WSN的应用现状和WSN大量投入使用所面临面临的问题，最后总结WSN未来的发展趋势。
关键词：
无线传感器网络，网络协议，数据采集，路由协议、时间同步、定位技术
当前，无线传感器网络（WSN，wirelesssensorNetwork）作为一种全新的信息获取和处理技术，已经成为了计算机科学技术研究领域中一个新的研究热点。
具有通信、计算能力的微型传感器通过无线方式连接，相互协作，构成的无线传感器网络正在随着通信技术、嵌入式计算技术和传感器技术的飞速发展和日益成熟，越来越多的影响着人们的生产、生活，越来越多的引起了人们的关注。
由于无线传感器网络具有可快速部署、可自组织和高容错性等特点，因此最早在军事上得以应用，并发扬光大，成为C4ISRT系统（conunand、control、communication、computing，intelligenee，surveillanee，reconnaissanceandtargeting）重要的组成部分。
例如，在战场上，通过飞机将传感器节点撒播在需要监控的区域，就可以随时的对敌人化学武器的使用，人员车辆的调动进行监测和报告。
另外传感器网络也可以用于对比较劣的环境和人不宜到达的场所的监控，比如，荒岛上的环境和生态监控、原始森林的火和动物活动情况监测、污染区域以及地震和火灾等突发灾难现场的监控等。
另外，无线传感器网络在城市的交通、大型车间原材料和仓库货物进出情况的监测，机场、大型产和生活区域的安全监测等领域都得到了广泛的应用。
由于无线传感器网络可以使人们在任何时间、地点和任何环境条件下获取大量详实而可靠的信息。
因此，这种网络系统的应用遍布各个领域，如国防军事、国家安全、环境监测、交通管理、医疗卫生、制造业、反恐、抗灾等。
可以说无线传感器网络是信息感知和采集领域的一场革命，是21世纪最重要的技术之一，也是当前研究的热点之一。
一、无线传感器网络简介
无线传感器网络是集传感器技术、嵌入式技术、无线通信技术和分布式信息处理技术于一体的无线自组织网络。
它是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，其目的是协作地感知、采集、处理和传输网络覆盖地理区域内感知对象的监测信息，并报告给用户。
它的英文是WirelessSensorNetwork,简称WSN。
它是通过飞机布撒，人工布置等方式大量布设传感器节点在监控区域，对需要监测和采集的各种数据，如声音，温度等实施实施的监测，并通过自组织方式组成的网络将信息传送回控制中心。
大量的传感器节点将探测数据，通过汇聚节点经其它网络发送给了用户。
每一个传感器节点由数据采集模块（传感器、A/D转换器）、数据处理和控制模块（微处理器、存储器）、通信模块（无线收发器）和供电模块（电池、DC/DC能量转换器）等组成。
节点在网络中可以充当数据采集者，数据中转站或类头节点（cluster-headnode）的角色。
做为一种新兴的信息获取和管理技术，无线传感器网络和传统的无线网络相比有着不同的特点，也正是由于它具有的强大的信息收集能力、低廉的成本、组网的灵活性等优势，使得无线传感器网络得到了迅猛的发展和广泛的应用。
1.无线传感器网络体系简介
一个典型的传感器网络的体系结构包括分布式传感器节点（簇）、sink节点、互联网和用户界面等，如图1所示。
在传感器网络中，节点能量小，发射范围有限，而sink节点能量高，且发射能力较强，可以把数据发回远程控制中心。
图1无线传感器网络的体系结构
2.传感器节点结构
传感器节点由传感器模块、处理器模块、无线通信模块、能量模块四个部分构成，如图2所示。
其中传感器模块由传感器和模数转换功能模块组成，主要负责对监控域的信息采集和数据的模数转换;处理器模块由嵌入式系统构成，包括CPU、存储器、嵌入式操作系统等，主要负责控制传感器节点的工作，存储和处理传感器节点收集到的数据，以及处理和存储其他传感器节点传来的数据：
无线通信模块主要负责和其他的传感器节点进行通信，发送和接收传输的数据；能量模块主要负责为传感器节点提供能量支持，通常采用微型电池。
另外，在有些传感器节点中，根据任务的需要可以安装一些其他的模块，比如定位系统、移动系统和供电系统等。
图2传感器模块
3.Sink节点结构
Sink节点主要由中央处理模块、存储模块、射频收发模块以及GPRS通信模块构成，如图3所示。
其中中央处理模块主要负责将传感器发送来的信息进行处理，并控制Sink节点的一些功能的调用；存储模块负责数据的存储;射频发射模块负责用来接收传感器节点发送来的数据，并将处理好的数据发送给信息处理中心；GPRS通信模块主要负责和用户通过计算机和配有GPRS功能的手机进行数据通信，以方便用户及时的掌握和获取传感器采集到的信息。
图3传感器节点
4.传感器网络协议栈
这个协议栈包括五层协议和三层平台，如图4所示，各层协议功能如下：
1.物理层提供简单但健壮的信号调制和无线收发技术；
2.数据链路层负责数据成帧，帧检测和媒体访问以及差错控制；
3.网络层主要负责路由生成与路由选择；
4.传输层负责数据流的传输控制，是保证通信服务质量的重要部分；
5.应用层包括一系列基于检测任务的应用层软件。
能量管理平台管理传感器节点如何使用能量，在各个协议层都需要考虑节省能量。
移动管理平台检测并注册传感其节点的移动，维护到汇集节点的路由，使得传感器节点能够动态跟踪其邻居的位置。
任务管理平台在一个给定的区域内平衡和调度检测任务。
图4.协议栈包括五层协议和三层平台
二、无线传感器发展历程
第一阶段：
最早可以追溯二十世纪70年代越战时期使用的传统的传感器系统——“热带树”传感器系统。
实际上是由震动和声响传感器组成的系统，它由飞机投放，落地后插入泥土中，只露出伪装成树枝的无线电天线，因而被称为“热带树”。
只要对方车队经过，传感器探测出目标产生的震动和声响信息，自动发送到指挥中心，美机立即展开追杀，总共炸毁或炸坏4.6万辆卡车。
第二阶段：
二十世纪80年代至90年代之间。
主要是美军研制的分布式传感器网络系统、海军协同交战能力系统、远程战场传感器系统等。
这种现代微型化的传感器具备感知能力、计算能力和通信能力。
第三阶段：
21世纪开始至今。
也就是911事件发生之后。
这个阶段的传感器网络技术特点在于网络传输自组织、节点设计低功耗。
除了应用于情报部门反恐活动以外，在其它领域更是获得了很好的应用，所以2002年美国国家重点实验室橡树岭实验室提出了“网络就是传感器”的论断。
无线传感器网络在我国的发展，在现代意义上的无线传感网研究及其应用方面，我国与发达国家几乎同步启动，它已经成为我国信息领域位居世界前列的少数方向之一。
在2006年我国发布的《国家中长期科学与技术发展规划纲要》中，为信息技术确定了三个前沿方向，其中有两项就与传感器网络直接相关，是智能感知和自组网技术。
三、无线传感的关键技术：
数据采集
3.1网外离线的数据采集方式
无线传感器网络最简单的数据采集方法就是将每个传感器的数据采集的数据定期发送到基站（BaseStation），由基站进行离线（Off-line）分析处理，传感器节点本身对采集的数据不做任何处理，只是简单地发送或转发感知数据。
这是传统网络（包括Internet）普遍采用的方式。
缺点是通信开效果大，能耗高，所以采用多跳式方法解决。
3.2聚集函数操作
采用简单的数据聚集函数，传感器节点先将收集到的数据进行某种数据聚集运算后，再将数据聚集结果发送到Sink节点。
这也是目前广泛采用的一种数据采集操作。
相对于发送大量原始数据到基站，传感器节点对采集的数据进行聚集处理后，要发送的数据已经大大减少，因此，节点用于通信所需的能耗大大降低。
缺点就是会造成数据结构和形态的丢失，因此难以支持复杂的数据查询处理。
此外，函数聚集操作也会增加网络的平均延迟，并会降低网络的鲁棒性。
3.3基于模型的分布式数据采集方式
针对前两种数据采集的问题，从无线传感器网络的数据采集要求出发，人们提出了基于模型的数据采集机制。
基于模型的数据采集机制最终只将最有效的传感器信息发送到基站，发送的信息往往不再是传感器节点的实际测量值，而是一组系数或权值，与实际数据相比，这组需要发送系数或权值的数量是很少的，所需的通信量大大减少，这组系数或权值最终在基站重构出感知区域的测量值。
为解决能耗问题，采用了分布式感知数据建模的方法。
四、无线传感的关键技术：
路由协议
4.1扩散法（Flooding）
扩散法是一种传统的网络通信路由协议。
一节点S希望发送一块数据给节点D，使用扩散法，节点S首先通过网络将数据副本传送给它的每一个邻居节点，每一个邻居节点又将其传输给各自的每一个邻居节点，除了刚刚给它们发送数据副本的节点S外。
如此继续下去,直到将数据传输到目标节点D为止或者为该数据所设定的生命期限变为零为止或者所有节点拥有此数据副本为止。
如图5所示。
图5.扩撒法示意图
4.2闲聊法（Gossiping）
闲聊法是扩散法的改进版本。
为节约能量,闲聊法使用随机性原则。
一节点发送数据,不再象扩散法那样,给它的每一个邻居节点发送数据副本,而是随机选择某一个邻居节点,向它发送一份数据副本。
4.3SPIN（SensorProtocolforInformationviaNegotiation）法
为了避免出现扩散法的信息爆炸问题和部分重叠现象，传感器节点在传送数据之前彼此进行协商，协商制度可确保传输有用数据。
节点间通过发送元数据（即描述传感器节点采集的数据属性的数据）而不是采集的整个数据进行协商。
由于元数据尺寸要小于采集的数据，所以，传输元数据消耗的能量相对较少。
为避免盲目使用资源，所有传感器节点必须监控各自的能量变化情况，在传输或接收数据之前，每个节点都必须检查各自可用的能量状况如果处于低能量水平，必须中止一些操作，比如充当数据中转站（路由器）角色的一些数据转发操作。
4.4Directeddiffusion法
Directeddiffusion也是一种以数据为中心的路由协议。
汇节点或基站向所有传感器节点发送其嗜好（即通过分配不同属性值来表示不同任务的描述符），每个传感器节点在收到嗜好后保存在各自的内存中。
每个嗜好项包含一个时间标签域和若干个梯度域（按成本最小化和能量自适应原则引导数据扩散的方向）。
当一个嗜好传遍整个网络后，从源节点（即嗜好所在区域的传感器节点）到汇节点或基站之间的梯度就建立起来了。
一旦源节点采集到嗜好所需的数据，那么源节点沿着该嗜好的梯度路径传输数据到汇节点或基站。
五、无线传感的关键技术：
时间同步
时间同步是无线传感器网络应用的重要组成部分，传感器数据融合、传感器节点自身定位等都要求节点问的时钟保持同步。
在WSN应用中，传感器节点通常需要协调操作共同完成一项复杂的传感任务。
时间同步是需要协同工作的传感器网络系统的一个关键机制，如测量移动车辆的速度需要计算不同传感器检测事件的时间差。
Jeremy和KayRomer在2002.8月的HotNets-I国际会议上首次提出并阐述了wsn中的时间同步机制的研究课题，引起了广泛的关注，目前以提出多个多个时间同步机制（RBS,TINY/MINI-SYNC和TPSN和）RBS机制是基于接收者-接收者的时钟同步；TINY/MINI-SYNC是简单的轻量级同步机制；TPSN采用层次结构实现整个网络节点的时间同步。
六、无线传感的关键技术：
定位技术
确定事件发生的位置或采集数据节点的位置是传感器网络的基本功能之一，如：
可以利用定位技术来确定火灾发生的准确位置。
根据定位过程中是否实际测量节点间的距离或角度，把传感器网络中的定位分类为基于距离的定位和距离无关的定位。
基于距离的定位分为基于TOA的定位，基于TDOA的定位，基于AOA的定位，基于RSSI的定位。
距离无关的定位机制主要有质心算法，DV－Hop算法，Amorphous算法，APIT算法等。
而其中距离的定位机制是目前大家重点关注的，它受环境因素影响小，其精度又基本符合大多数wsn的应用需求。
七、无线传感的关键技术：
数据融合
传感器网络存在能量的约束，减少传输的数据量能够有效的节省能量，因此在从各个传感器节点收集数据的过程中，可以利用节点的本地计算和存储能力处理数据的融合，去除冗余信息，从而达到节省能量的目的，由于传感器节点的失效性传感器网络也需要数据融合技术对多份数据进行综合，提高信息的准确度。
八、无线传感的应用现状
虽然无线传感器网络的大规模商业应用，由于技术等方面的制约还有待时日，但是最近几年，随着计算成本的下降以及微处理器体积越来越小，已经为数不少的无线传感器网络开始投入使用。
目前无线传感器网络的应用主要集中在以下领域：
1. 环境的监测和保护
随着人们对于环境问题的关注程度越来越高，需要采集的环境数据也越来越多，无线传感器网络的出现为随机性的研究数据获取提供了便利，并且还可以避免传统数据收集方式给环境带来的侵入式破坏。
无线传感器网络还可以跟踪候鸟和昆虫的迁移，研究环境变化对农作物的影响，监测海洋、大气和土壤的成分等。
此外，它也可以应用在精细农业中，来监测农作物中的害虫、土壤的酸碱度和施肥状况等。
图6.农业生产监控示意图
2.医疗护理
无线传感器网络在医疗研究、护理领域也可以大展身手。
罗彻斯特大学的科学家使用无线传感器创建了一个智能医疗房间，使用微尘来测量居住者的重要征兆（血压、脉搏和呼吸）、睡觉姿势以及每天24小时的活动状况。
英特尔公司也推出了无线传感器网络的家庭护理技术。
该技术是做为探讨应对老龄化社会的技术项目Center for Aging Services Technologies（CAST）的一个环节开发的。
该系统通过在鞋、家具以家用电器等家中道具和设备中嵌入半导体传感器，帮助老龄人士、阿尔茨海默氏病患者以及残障人士的家庭生活。
利用无线通信将各传感器联网可高效传递必要的信息从而方便接受护理。
而且还可以减轻护理人员的负担。
英特尔主管预防性健康保险研究的董事Eric Dishman称，"在开发家庭用护理技术方面，无线传感器网络是非常有前途的领域"。
图7.健康监控示意图
3.军事领域
由于无线传感器网络具有密集型、随机分布的特点，使其非常适合应用于恶劣的战场环境中，使其非常适合应用于恶劣的战场环境中，包括侦察敌情、监控兵力、装备和物资，判断生物化学攻击等多方面用途。
美国国防部远景计划研究局已投资几千万美元，帮助大学进行"智能尘埃"传感器技术的研发。
哈伯研究公司总裁阿尔门丁格预测：
智能尘埃式传感器及有关的技术销售将从2004年的1000万美元增加到2010年的几十亿美元。
4．其他用途
无线传感器网络还被应用于其他一些领域。
比如一些危险的工业环境如井矿、核电厂等，工作人员可以通过它来实施安全监测。
也可以用在交通领域作为车辆监控的有力工具。
此外和还可以在工业自动化生产线等诸多领域，英特尔正在对工厂中的一个无线网络进行测试，该网络由40台机器上的210个传感器组成，这样组成的监控系统将可以大大改善工厂的运作条件。
它可以大幅降低检查设备的成本，同时由于可以提前发现问题，因此将能够缩短停机时间，提高效率，并延长设备的使用时间。
尽管无线传感器技术目前仍处于初步应用阶段，但已经展示出了非凡的应用价值，相信随着相关技术的发展和推进，一定会得到更大的
应用。
图8.电网监控示意图
九、未来的发展趋势
1．网络内通信问题。
无线传感器网络内正常通信联系中，信号可能被一些障碍物或其他电子信号干扰而受到影响，怎么安全有效的进行通信是个有待研究的问题。
2．成本问题。
在一个无线传感器网络里面，需要使用数量庞大的微型传感器，这样的话成本会制约其发展。
3．系统能量供应问题。
目前主要的解决方案有：
使用高能电池；降低传感功率；此外还有传感器网络的自我能量收集技术和电池无线充电技术。
其中后两者备受关注。
4．高效的无线传感器网络结构。
无线传感器网络的网络结构是组织无线传感器的成网技术，有多种形态和方式，合理的无线传感器网络可以最大限度的利用资源。
在这里面，还包括网络安全协议问题和大规模传感器网络中的节点移动性管理等诸多问题有待解决。
5．节点微型化，自动配置，利用现在的微机电、微无线通信技术，设计，微体积、长寿命的传感器节点是一个重要研究方向。
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