无线传感器.docx
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无线传感器
“后PC时代”，更小、更廉价的低功耗计算设备冲破了传统台式计算机和高性能服务器的设计模式；网络化的普及带来的计算处理能力是难以估量的；微机电系统（micro-electro-mechanismsystem，简称MEMS）的迅速发展奠定了设计和实现片上系统（systemonchip，简称SOC）的基础。
以上3方面的高度集成又孕育出了许多新的信息获取和处理模式，传感器网络就是其中一例。
随机分布的集成有传感器、数据处理单元和通信模块的微小节点通过自组织的方式构成网络，借助于节点中内置的形式多样的传感器测量所在周边环境中的热、红外、声纳、雷达和地震波信号，从而探测包括温度、湿度、噪声、光强度、压力、土壤成分、移动物体的大小、速度和方向等众多我们感兴趣的物质现象。
在通信方式上，虽然可以采用有线、无线、红外和光等多种形式，但一般认为短距离的无线低功率通信技术最适合传感器网络使用，为明确起见，一般称作无线传感器网络。
但也不绝对，Berkeley的SmartDust因为可以像尘埃一样悬浮在空中，有效地避免了障碍物的遮挡，因此采用光作为通信介质。
无线传感器网络与传统的无线网络（如WLAN和蜂窝移动电话网络）有着不同的设计目标，后者在高度移动的环境中通过优化路由和资源管理策略最大化带宽的利用率，同时为用户提供一定的服务质量保证。
在无线传感器网络中，除了少数节点需要移动以外，大部分节点都是静止的。
因为它们通常运行在人无法接近的恶劣甚至危险的远程环境中，能源无法替代，设计有效的策略延长网络的生命周期成为无线传感器网络的核心问题。
从理论上讲，太阳能电池能持久地补给能源，但工程实践中生产这种微型化的电池还有相当的难度。
在无线传感器网络的研究初期，人们一度认为成熟的Internet技术加上Ad-hoc路由机制对传感器网络的设计是足够充分的，但深入的研究表明：
传感器网络有着与传统网络明显不同的技术要求。
前者以数据为中心，后者以传输数据为目的。
为了适应广泛的应用程序，传统网络的设计遵循着“端到端”的边缘论思想，强调将一切与功能相关的处理都放在网络的端系统上，中间节点仅仅负责数据分组的转发，对于传感器网络，这未必是一种合理的选择。
一些为自组织的Ad-hoc网络设计的协议和算法未必适合传感器网络的特点和应用的要求。
节点标识（如地址等）的作用在传感器网络中就显得不是十分重要，因为应用程序不怎么关心单节点上的信息；中间节点上与具体应用相关的数据处理、融合和缓存也显得很有必要。
在密集性的传感器网络中，相邻节点间的距离非常短，低功耗的多跳通信模式节省功耗，同时增加了通信的隐蔽性，也避免了长距离的无线通信易受外界噪声干扰的影响。
这些独特的要求和制约因素为传感器网络的研究提出了新的技术问题。
2无线传感器网络的概念及发展
2.1无线传感器的概念
无线传感网络（WSN，wirelesssensornetworks）综合了传感器技术、嵌入式计算技术、现代网络及无线通信技术、分布式信息处理技术等，能够通过各类集成化的微型传感器协作地实时监测、感知和采集各种环境或监测对象的信息，这些信息通过无线方式被发送，并以自组多跳的网络方式传送到用户终端，从而实现物理世界、计算世界以及人类社会三元世界的连通。
WSN以最少的成本和最大的灵活性，连接任何有通信需求的终端设备，采集数据，发送指令。
无线传感器网络是把一定数量的传感器或执行单元设备任意分布，在有限时间内，从某一个传感器获知其他传感器的信息。
作为无线自组双向通信网络，传感网络能以最大的灵活性自动完成不规则分布的各种传感器与控制节点的组网，同时具有一定的移动能力和动态调整能力。
无线传感器网络是信息科学领域中一个全新的发展方向，同时也是新兴学科与传统学科进行领域间交叉的结果。
无线传感器网络经历了智能传感器、无线智能传感器、无线传感器网络3个阶段。
智能传感器将计算能力嵌入到传感器中，使得传感器节点不仅具有数据采集能力，而且具有滤波和信息处理能力；无线智能传感器在智能传感器的基础上增加了无线通信能力，大大延长了传感器的感知触角，降低了传感器的工程实施成本；无线传感器网络则将网络技术引入到无线智能传感器中，使得传感器不再是单个的感知单元，而是能够交换信息、协调控制的有机结合体，实现物与物的互联，把感知触角深入世界各个角落，必将成为下一代互联网的重要组成部分。
2.2无线传感器网络技术的发展历程
1996年，美国UCLA大学的WilliamJKaiser教授向美国国防部远景研究计划局（DARPA）提交的“低能耗无线集成微型传感器”揭开了现代WSN网络的序幕。
1998年，同是UCLA大学的GregoryJPottie教授从网络研究的角度重新阐释了WSN的科学意义。
在其后的10余年里，WSN网络技术得到学术界、工业界乃至政府的广泛关注，成为在国防军事、环境监测和预报、健康护理、智能家居、建筑物结构监控、复杂机械监控、城市交通、空间探索、大型车间和仓库管理以及机场、大型工业园区的安全监测等众多领域中最有竞争力的应用技术之一。
美国商业周刊将WSN网络列为21世纪最有影响的技术之一，麻省理工学院（MIT）技术评论则将其列为改变世界的10大技术之一。
第一代传感器网络出现在20世纪70年代，使用具有简单信息信号获取能力的传统传感器，采用点对点传输、连接传感控制器构成传感器网络；第二代传感器网络，具有获取多种信息信号的综合能力，采用串，并接口（如RS-232、RS-485）与传感控制器相联，构成有综合多种信息的传感器网络；第三代传感器网络出现在20世纪90年代后期和本世纪初，用具有智能获取多种信息信号的传感器，采用现场总线连接传感控制器，构成局域网络，成为智能化传感器网络；第四代传感器网络正在研究开发，目前成形并大量投入使用的产品还没有出现，用大量的具有多功能多信息信号获取能力的传感器，采用自组织无线接入网络，与传感器网络控制器连接，构成无线传感器网络。
2.3我国无线传感器网络的发展现状
中国现代意义的WSN网络及其应用研究几乎与发达国家同步启动，首先被记录在1999年发表的中国科学院《知识创新工程试点领域方向研究》的信息与自动化领域研究报告中。
2001年，中国科学院成立了微系统研究与发展中心，挂靠在中科院上海微系统所，旨在整合中科院内部的相关单位，共同推进传感器网络的研究。
从2002年开始，中国国家自然科学基金委员会开始部署传感器网络相关的课题。
截至2008年底，中国国家自然基金共支持面上项目111项、重点项目3项；国家“863”重点项目发展计划共支持面上项目30余项，国家重点基础研究发展计划“973”也设立2项与传感器网络直接相关的项目；国家发改委“中国下一代互联网工程项目（CNGI）”也对传感器网络项目进行了连续资助。
“中国未来20年技术预见研究”提出的157个技术课题中有7项直接涉及无线传感器网络。
2006年初发布的《国家中长期科学与技术发展规划纲要》为信息技术确定了3个前沿方向，其中2个与无线传感器网络研究直接相关。
最值得一提的是，中国工业与信息化部在2008年启动的“新一代宽带移动通信网”国家级重大专项中，有第6个子专题“短距离无线互联与无线传感器网络研发和产业化”是专门针对传感器网络技术而设立的。
该专项的设立将大大推进WSN网络技术在应用领域的快速发展。
3无线传感器网络的结构
3.1通信结构
在传感器网络中，节点任意散落在被监测区域内，除了感测特定的对象，还进行简单的计算并维持互相之间的网络连接。
传感器网络具有自组织的功能，单个节点经过初始的通信和协商，形成一个传输信息的多跳网络。
每个传感网络装备有一个连接到传输网络的网关，传输网络是由一个单跳链接或一系列的无线网络节点组成的。
网关通过这个传输网络把感测数据从传感区域发送到提供远程连接和数据处理的基站，基站再通过Internet联系到远程数据库。
最后采集到的数据经过分析、挖掘后通过一个界面提供给终端用户。
3.2节点结构
传感器网络节点的基本组成包括4个基本单元：
传感单元（由传感器和模数转换功能模块组成）、处理单元（包括CPU、存储器、嵌入式操作系统等）、通信单元（由无线通信模块组成）以及电源。
此外，可以选择的其他功能单元包括：
定位系统、移动系统以及电源自供电系统等。
节点结构如图1。
图1无线传感器节点
电源为传感器提供正常工作所必需的能源。
感知单元用于感知、获取外界的信息，并将其转换为数字信号。
处理单元负责协调节点各部分的工作，如对感知单元获取的信息进行必要的处理、保存，控制感知单元和电源的工作模式等。
通信模块负责与其他传感器或收发者的通信。
软件则为传感器提供必要的软件支持，如嵌入式操作系统、嵌入式数据库系统等。
3.3拓扑结构
无线传感器网络的拓扑结构有3种：
星状网、网状网及混合网。
每种拓扑结构都有自身的优点和缺点，开发人员必须充分了解这些网络特点以满足不同无线传感器网络的应用要求。
基本的星状网拓扑结构是一个单跳（single-hop）系统，网络中所有无线传感器节点都与基站和网关进行双向通信（图2（a））。
基站可以是一台PC、PDA、嵌入式网络服务器，或其它与高数据率设备通信的网关，除了向各节点传输数据和命令外，基站还与因特网等更高层系统之间传输数据。
各节点将基站作为一个中间点，相互之间并不传输数据或命令。
在各种无线传感器网络中，星状网整体功耗最低，但节点与基站间的传输距离有限，一般只有几十米。
网状拓扑结构是多跳（multi2hop）系统，其中所有无线传感器节点都相同，而且直接互相通信（图2（b））。
网状网的每个传感器节点都有多条路径到达网关或其它节点，因此它的容故障能力较强。
这种多跳系统比星状网的传输距离远得多，但功耗也更大，因为节点必须一直“监听”网络中某些路径上的信息和变化。
混合网力求兼具星状网的简洁和低功耗以及网状网的长传输距离和自愈性等优点（图2（c））。
在混合网中，路由器和中继器组成网状结构，而传感器节点则在它们周围呈星状分布。
中继器扩展了网络传输距离，同时提供了容故障能力。
当某个中继器发生故障或某条无线链路出现干扰时，网络可在其它路由器周围进行自组。
图2无线传感器网络拓扑结构
3.4通信协议栈
随着应用和体系结构的不同，无线传感网络的通信协议栈也不尽相同，图4是传感节点使用的最典型的协议模型。
该模型既参考了现有通用网络的TCP/IP和OSI模型的架构，同时又包含了传感网络特有的电源管理、移动管理及任务管理。
应用层为不同的应用提供了一个相对统一的高层接口；如果需要，传输层可为传感网络保持数据流或保证与Internet连接；网络层主要关心数据的路由；数据链路层协调无线媒质的访问，尽量减少相邻节点广播时的冲突；物理层为系统提供一个简单、稳定的调制、传输和接收系统。
除此而外，电源、移动和任务管理负责传感节点能量、移动和任务分配的监测，帮助传感节点协调感测任务，尽量减少整个系统的功耗。
图4无线传感器网络通信协议栈
4无线传感器网络中的关键技术
WSN技术是多学科交叉的研究领域，因而包含众多研究方向，WSN技术具有天生的应用相关性，利用通用平台构建的系统都无法达到最优效果。
WSN技术的应用定义要求网络中节点设备能够在有限能量（功率）供给下实现对目标的长时间监控，因此网络运行的能量效率是一切技术元素的优化目标。
下面从核心关键技术和关键支撑技术两个层面分别介绍应用系统所必须的设计和优化的技术要点。
4.1网络拓扑控制
组网模式决定了网络的拓扑结构，但还需要对节点连接关系的时变规律进行细微的控制，以达到无线传感器网络的低功耗性能，即所谓的拓扑控制。
对于无线的自组织的传感器网络而言，网络拓扑控制具有特别重要的意义。
通过拓扑控制自动生成良好的网络拓扑结构，能够提高路由协议和MAC协议的效率，可为数据融合、时间同步和目标定位等很多方面奠定基础，有利于节省节点的能量来延长网络的生存期。
所以，拓扑控制是WSN研究的核心技术之一。
最主要的拓扑控制技术有时间控制、空间控制和逻辑控制。
时间控制是控制节点的睡眠、工作时间比，以及调节节点间睡眠起始时间，让节点交替工作，完成有限的拓扑结构之间的切换；空间控制是控制节点的发送功率，改变节点的连通区域，使网络呈现不同的连通形态，达到低功耗、网络容量提高的目的；逻辑控制是通过邻居表将不理想的节点排除在外，以达到拓扑的稳固、可靠和强健。
4.2路由协议
传感器网络拓扑结构动态变化，网络资源也在不断变化，这些都对网络协议设计提出了更高的要求。
传感器网络协议负责使各个独立的节点形成一个多跳的数据传输网络，目前研究的重点是网络层协议和数据链路层协议。
网络层的路由协议负责将数据分组从源节点通过网络发送到目的节点，路由协议不仅关心单个节点的能量损耗，更需要将整个网络的能耗均匀的分布到各个节点，只有这样才能延长整个网络的生命周期。
同时，传感器网络的路由以数据为中心，网络关心的不是和某个特定节点通信，而是将所有节点采集的数据传输到汇聚节点进行处理。
传统无线通讯网络研究的重点放在无线通讯的服务质量（QoS）上，而无线传感器节点是随机分布，电池供电，因此目前无线传感器网络路由协议的研究重点是放在如何提高能量效率上，当前流行的几个无线传感器网络的路由协议如下：
（1）泛洪协议
泛洪（Flooding）协议是一种传统的无线通讯路由协议。
该协议规定，每个节点接受来自其他节点的信息，并以广播的形式发送给其他邻居节点。
如此继续下去，最后将信息数据发送给目的节点。
但这个协议容易引起信息的“内爆”（Implosion）和“重叠”（Overlap），造成资源的浪费。
因此在泛洪协议的基础上，提出了闲聊（Gossiping）协议。
（2）Gossiping协议
Gossiping协议是在泛洪协议的基础上进行改进而提出的。
它传播信息的途径是通过随机的选择一个邻居节点，获得信息的邻居节点以同样的方式随机的选择下一个节点进行信息的传递。
这种方式避免了以广播形式进行信息传播的能量消耗，但其代价是延长了信息的传递时间。
虽然Gossiping协议在一定程度上解决了信息的内爆，但是仍然存在信息的重叠现象。
（3）SPIN协议
SPIN（SensorProtocolforInformationviaNegotiation）协议是一种以数据为中心的自适应路由协议。
SPIN协议的目的是：
通过节点之间的协商，解决Flooding协议和Gossiping协议的内爆和重叠现象。
SPIN协议有3种类型的消息，即ADC、REQ和DATA。
ADC用于数据的广播，当某一个节点有数据可以共享时，可以用其进行数据信息广播。
REQ用于请求发送数据，当某一个节点希望接受DATA数据包时，发送REQ数据包。
DATA为传感器采集的数据包。
在发送一个DATA数据包之前，一个传感器节点首先对外广播ADV数据包，如果某一个节点希望接受要传来的数据信息，则向发送ADV数据包的节点回复REQ数据包，因此，便建立起发送节点和接受节点的联系，发送节点便向接受节点发送DATA数据包。
（4）定向扩散（DirectedDiffusion）协议
定向扩散协议[4]是一种基于查询的路由机制。
整个过程可以分为兴趣扩散、梯度建立以及路径加强三个阶段。
在兴趣扩散阶段，汇聚节点向传感器节点发送其想要获取的信息种类或内容。
兴趣消息中含有任务类型、目标区域、数据发送速率、时间戳等参数。
每个传感器节点在收到该信息后，将其保存在CACHE中。
当整个信息要求传遍整个传感器网络后，便在传感器节点和汇聚节点之间建立起一个梯度场，梯度场的建立是根据成本最小化和能量自适应原则。
一旦传感器节点收集到汇聚节点感兴趣的数据，就会根据建立的梯度场寻求最快路径进行数据传递。
（5）LEACH协议
LEACH[3][5]（LOW-EnergyAdaptiveClusteringHierarchy）是一种以最小化传感器网络能量损耗为目标的分层式协议。
该协议的主要思想是通过随机选择类头节点，平均分担无线传感器网络的中继通讯业务来达到平均消耗传感器网络中节点能量的目的，进而可以延长网络的生命周期。
LEACH协议可以将网络生命周期延长15%。
LEACH协议分为两个阶段：
类准备阶段和数据传输阶段。
类准备阶段和就绪阶段所持续的时间总和称为一个轮回。
在类准备阶段，LEACH协议随机选择一个传感器节点作为类头节点，随机性确保类头与基站之间数据传输的高能耗成本均匀的分摊到所有传感器节点上。
4.3数据融合
传感器网络存在能量约束。
减少传输的数据量能够有效地节省能量，因此在从各个传感器节点收集数据的过程中，可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。
由于传感器节点的易失效性，传感器网络业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。
数据融合技术可以与传感器网络的多个协议层次进行结合。
在应用层设计中，可以利用分布式数据库技术，对采集到的数据进行逐步筛选，达到融合的效果；在网络层中，很多路由协议均结合了数据融合机制，以期减少数据传输量。
数据融合技术已经在目标跟踪、目标自动识别等领域得到了广泛的应用。
数据融合技术在节省能量、提高信息准确度地同时，要以牺牲其它方面的性能为代价。
首先是延时的代价，在数据传送过程中寻找易于进行数据融合的路由、进行数据融合操作、为融合而等待其它数据的到来，这三个方面都可能增加网络的平均延时。
其次是鲁棒性的代价，传感器网络相对于传统网络有更高的节点失效率以及数据丢失率，数据融合可以大幅度降低数据的冗余性，但丢失相同的数据量可能损失更多的信息，因此相对而言也降低了网络的鲁棒性。
4.4嵌入式操作系统
传感器节点是一个微型的嵌入式系统，携带非常有限的硬件资源，需要操作系统能够节能高效地使用有限的内存、处理器和通信模块，且能够对各种特定对应环境提供最大的支持。
在面向WSN的操作系统的支持下，多个应用可以并发地使用系统的有限资源。
传感器节点有两个突出的特点。
一个特点是并发性密集，即可能存在多个需要同时执行的逻辑控制，这需要操作系统能够有效地满足这种发生频繁、并发程度高、执行过程比较短的逻辑控制流程；另一个特点是传感器节点模块化程度很高，要求操作系统能够让应用程序方便地对硬件进行控制，且保证在不影响整体开销的情况下，应用程序中的各个部分能够比较方便地进行重新组合。
上述这些特点对设计面向WSN的操作系统提出了新的挑战。
4.5应用层技术
传感器网络应用层由各种面向应用的软件系统构成，部署的传感器网络往往执行多种任务。
应用层的研究主要是各种传感器网络应用系统的开发和多任务之间的协调，如作战环境侦察与监控系统、军事侦查系统、情报获取系统、战场监测与指挥系统等。
传感器网络应用开发环境的研究旨在为应用系统的开发提供有效的软件开发环境和软件工具，需要解决的问题包括传感器网络程序设计语言，传感器网络程序设计方法学，传感器网络软件开发环境和工具，传感器网络软件测试工具的研究，面向应用的系统服务，基于感知数据的理解、决策和举动的理论与技术（如感知数据的决策理论、反馈理论、新的统计算法、模式识别和状态估计技术等）。
5无线传感器网络的应用
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、大型车间和仓库管理、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。
（1）军事应用：
无线传感器网络技术将会给战场带来革命性变化，并将改变战争样式。
传感器网络也可以为火控和制导系统提供准确的目标定位信息。
（2）基础设施安全监控：
传感器网络可用于基础设施安全监控和反恐应用。
关键性的建筑物或设施是重点保护的对象，比如电厂、通信中心等。
具有声音、图像和其他传感器的网络配置在建筑物的周围，可以及早地探测可能存在的危险。
（3）医疗应用：
在病人家中建置无线传感器网络。
这些传感器能追踪病人的行为模式，一旦侦测到病人日常行动遭遇困难，便会提供必要的视觉与声响提示。
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，利用传感器网络，医生就可以随时了解被监护病人的病情，进行及时处理。
还可以利用传感器网络长时间地收集人的生理数据，这些数据在研制新药品的过程中是非常有用的，而安装在被监测对象身上的微型传感器也不会给人的正常生活带来太多的不便。
（4）环境监控：
环境传感器网络可监测环境变化，如大气、沙漠、平原、海洋表面和山脉等，研究环境变化对农作物的影响，检测农作物中害虫情况等。
A2LERT系统中就有数种传感器来监测降雨量、河水水位和土壤水分，并依此预测爆发山洪的可能性。
（5）自动交通流量监控：
无线交通传感器网络可监测高速公路或城市里的汽车交通情况，建立实时、准确、全面、高效的综合交通运输管理系统。
（6）动物跟踪监控：
使用无线传感器网络可以在不干涉动物正常生活习惯的情况下监视其行踪及生存环境。
（7）居住环境监控：
通过无线传感器网络可以监控我们的生活环境，为我们提供更加舒适、健康、方便和人性化的智能的居家环境。
（8）其他方面的应用：
无线传感器网络的自组织、微型化和对外部世界的感知能力决定了它在许多领域会有不少的机会。
比如，空间探索方面，NASA的JPL实验室研制的SensorWebs就是为火星探测而准备的；德国某研究机构正在利用传感器网络技术为足球裁判研制一套系统，以减小足球比赛中越位和进球的误判率。
此外，在基础设施安全、灾难拯救、先进制造、物流管理、交互式博物馆等众多领域，无线传感器网络都会孕育出全新的设计和应用模式。
无线传感器网络由大量高密度分布的处于被观测对象内部或周围的传感器节点组成、其节点不需要预先安装或预先决定位置，这样提高了动态随机部署于不可达或危险地域的可行性、传感器网络具有广泛的应用前景，范围涵盖医疗、军事和家庭等很多领域。
例如，传感器网络快速部署、自组织和容错特性使其可以在军事指挥、控制、通信、计算、智能、监测、勘测方面起到不可替代的作用、在医疗领域，传感器网络可以部署用来监测病人并辅助残障病人、其他商业应用还包括跟踪产品质量、监测危险地域等。
本文对无线传感器网络体系结构进行了较为深入的研究，从物理体系结构、软件体系结构和通信体系结构三个层面进行了分析。
1体系结构概述
无线传感器网络包括4类基本实体对象：
目标、观测节点传感节点和感知视场，另外，还需定义外部网络、远程任务管理单元和用户来完成对整个系统的应用刻画，如图1所示。
大量传感节点随机部署，通过自组织方式构成网络，协同形成对目标的感知视场。
传感节点检测的目标信号经本地简单处理后通过邻近传感节点多跳传输到观测节点。
用户和远程任务管理单元通过外部网络，比如卫星通信网络或Internet，与观测节点进行交互。
观测节点向网络发布查询请求和控制指令，接收传感节点返回的目标信息。
传感节点具有原始数据采集、本地信息处理、无线数据传输及与其它节点协同工作的能力，依据应用需求，还可能携带定位，能源补给或移动等模块。
节点可采用飞行器撒播、火箭弹射或人工埋置等方式部署。
目标是网络感兴趣的对象及其属性，有时特指某类信号源。
传感节点通过目标的热、红外、声纳、雷达或震动等信号，获取目标温度、光强度、噪声、压力、运动方向或速度等属性。
传感节点对感兴趣目标的信息获取范围称为该节点的感知视场，网络中所有节点视场的集合称为该网络的感知视场。
当传感节点检测到的目标信息超过设定阀值，需提交给观测节点时，被称为有效节点。
观测节点具有双重身份。
一方面，在网内作为接收者和控制者，被授权监听和处理网络的事件消息和数据，可向传感器网络发布查询请求或派发任务；另一方面，面向网外作为中继和网关完成传感器网络与外部网络间信令和数据的转换，是连接传感器网络与其它网
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