無線傳感器網(wǎng)絡(luò)淺談

1、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)淺談?wù)弘S著人們對物理世界的建設(shè)與完善，對未知領(lǐng)域與空間的拓展，人們需要的信息來源、種類、數(shù)量不斷增加，這對信息的獲取方式提出了更好的要求。在人類歷史發(fā)展的很長一段時(shí)間內(nèi)，人是通過視覺、聽覺、嗅覺等方式對物理世界的本能感知已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足信息時(shí)代的發(fā)展要求。傳感器作為連接物理世界與電子世界的重要媒介，在信息化的過程中發(fā)揮了關(guān)鍵的作用，大大的提高了人類認(rèn)識世界和改造世界的能力。如果說互聯(lián)網(wǎng)構(gòu)成了邏輯上的信息世界，改變了人與人之間的溝通方式，那么，無線傳感網(wǎng)絡(luò)就是將邏輯上的信息世界與客觀上的物理世界融合在一起，改變?nèi)伺c自然界的交互方式。人們可以通過傳感網(wǎng)絡(luò)直接感知客觀世界，從而極大地

2、擴(kuò)展現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的功能和人類認(rèn)識世界的能力。關(guān)鍵詞：傳感器 無線傳感網(wǎng)絡(luò) 基本概念 體系結(jié)構(gòu) 協(xié)議測評 應(yīng)用一、無線傳感網(wǎng)絡(luò)的概念無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Networks, WSN)是一種分布式傳感網(wǎng)絡(luò)，它的末梢是可以感知和檢查外部世界的傳感器。WSN中的傳感器通過無線方式通信，因此網(wǎng)絡(luò)設(shè)置靈活，設(shè)備位置可以隨時(shí)更改，還可以跟互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行有線或無線方式的連接。通過無線通信方式形成的一個(gè)多跳自組織網(wǎng)絡(luò)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)就是由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量的廉價(jià)微型傳感器節(jié)點(diǎn)組成，通過無線通信方式形成的一個(gè)多跳的自組織的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中被感知對象的信息，

3、并發(fā)送給觀察者。傳感器、感知對象和觀察者構(gòu)成了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的三個(gè)要素。二、無線傳感網(wǎng)絡(luò)的基本特點(diǎn)（1）節(jié)點(diǎn)的可移動(dòng)性、通信的斷接性。由于傳感網(wǎng)絡(luò)具有自組網(wǎng)和自動(dòng)路由的特性 ，故其常常用于一些可以移動(dòng)的領(lǐng)域，比如位于地面以下的礦井人員定位系統(tǒng)等。另一方面，可移動(dòng)的特性、采集數(shù)據(jù)的間隔性等使得網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)再通信時(shí)并不需要進(jìn)行連續(xù)的數(shù)據(jù)傳輸（2）通信能力有限。傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的通信帶寬窄而且經(jīng)常變化，通信覆蓋范圍只有幾十到幾百米。傳感器之間的通信斷接頻繁，經(jīng)常導(dǎo)致通信失敗。此外傳感器網(wǎng)絡(luò)更多地受到高山、建筑物、障礙物等地勢地貌以及風(fēng)雨雷電等自然環(huán)境的影響，傳感器可能會長時(shí)間脫離網(wǎng)絡(luò)，離線工作。如何在有限

4、通信能力的條件下高質(zhì)量地完成感知信息的處理與傳輸，是設(shè)計(jì)傳感器節(jié)點(diǎn)的重要問題。（3）電源能量有限。傳感器的電源能量極其有限，網(wǎng)絡(luò)中的傳感器節(jié)點(diǎn)由于電源能量的原因經(jīng)常失效或廢棄。由于傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)數(shù)量大、分布范圍廣，采用電池供電的節(jié)點(diǎn)受到電源能量約束的問題比較嚴(yán)重。（4）計(jì)算能力有限。傳感器網(wǎng)絡(luò)中的智能傳感器內(nèi)部都具有嵌入式處理器和存儲器，因此都具有計(jì)算能力，可以完成一些信息處理工作。由于嵌入式處理器和存儲器的能力和容量有限，智能傳感器本身的計(jì)算能力也是有限的。（5）傳感器數(shù)量大、分布范圍廣。傳感器網(wǎng)絡(luò)中傳感器節(jié)點(diǎn)密集、數(shù)量巨大，可能達(dá)到幾百、幾千萬甚至更多。此外傳感器網(wǎng)絡(luò)可以分布在很廣泛的

5、地理區(qū)域，冗余性強(qiáng)但維護(hù)起來很困難。（6）網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)性強(qiáng)。傳感器網(wǎng)絡(luò)具有很強(qiáng)的動(dòng)態(tài)性，網(wǎng)絡(luò)中的傳感器、感知對象和觀察者這三個(gè)要素都可能具有移動(dòng)性，并且經(jīng)常有新節(jié)點(diǎn)加入或已有節(jié)點(diǎn)失效。因此，網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)鋭?dòng)態(tài)變化，傳感器、感知對象和觀察者三者之間的路徑也隨之變化。（7）感知數(shù)據(jù)流巨大。傳感器網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)傳感器通常都產(chǎn)生一定數(shù)量流式數(shù)據(jù)，并具有實(shí)時(shí)性，由于節(jié)點(diǎn)數(shù)量巨大，在匯聚時(shí)會成倍的增加數(shù)據(jù)量。因此在后期處理時(shí)需要投入大量的技術(shù)和人力。三、無線傳感網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)無線傳感網(wǎng)絡(luò)（WSN）是由大量的密集部署在監(jiān)控區(qū)域的智能傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的一種網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用系統(tǒng)。由于傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)量眾多，部署時(shí)只能采用隨機(jī)投放的方式

6、，傳感器節(jié)點(diǎn)的位置不能預(yù)先確定；在任意時(shí)刻，節(jié)點(diǎn)間通過無線信道連接，采用多跳、對等的通信方式，自組織網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；傳感器節(jié)點(diǎn)間具有很強(qiáng)的協(xié)同能力，通過局部的數(shù)據(jù)采集、預(yù)處理以及節(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)交換來完成全局任務(wù)。無線傳感網(wǎng)的系統(tǒng)是由大量功能相同或不同的無線傳感器節(jié)點(diǎn)、接收發(fā)送器(Sink)、Internet或通信衛(wèi)星、任務(wù)管理節(jié)點(diǎn)等部分組成的一個(gè)多跳的無線網(wǎng)絡(luò)。傳感器節(jié)點(diǎn)散布在指定的感知區(qū)域內(nèi)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以收集數(shù)據(jù)，并通過多跳路由方式把數(shù)據(jù)傳送到Sink。Sink也可以用同樣的方式將信息發(fā)送給各節(jié)點(diǎn)。Sink直接與Internet或通信衛(wèi)星相連，通過Internet或通信衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)任務(wù)管理節(jié)點(diǎn)（即

7、觀察者）與傳感器之間的通信。無線傳感網(wǎng)的體系節(jié)后由通信協(xié)議、WNS管理以及應(yīng)用支撐技術(shù)3部分組成。四、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的能耗問題無線傳感器網(wǎng)絡(luò)不同于其他傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，屬于一種資源受限網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的計(jì)算能力、存儲量和能量都非常有限，尤其是能量的受限，數(shù)目巨大、分布范圍廣的傳感器節(jié)點(diǎn)補(bǔ)充能量非常困難，一旦節(jié)點(diǎn)的電源耗盡會直接影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)功能的實(shí)現(xiàn)，因此可以說能量問題是決定傳感器網(wǎng)絡(luò)是否實(shí)用的生命線問題。延長網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的生存期，高效使用節(jié)點(diǎn)的能量成為傳感器網(wǎng)絡(luò)的首要設(shè)計(jì)目標(biāo)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)包括應(yīng)用層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層。應(yīng)用層包括一系列基于監(jiān)測任務(wù)的應(yīng)用層軟件；網(wǎng)絡(luò)層負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議生成、路由

8、選擇；數(shù)據(jù)鏈路層負(fù)責(zé)差錯(cuò)控制、數(shù)據(jù)成幀和媒體訪問控制；物理層主要包括無線收發(fā)和信號調(diào)制調(diào)解。數(shù)據(jù)鏈路層的媒體訪問控制和物理層基本決定了硬件模塊的具體架構(gòu)。低功耗設(shè)計(jì)是一個(gè)跨層的設(shè)計(jì)技術(shù)，合理的低功耗設(shè)計(jì)不僅能提高各層的能量效率，還能提高網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層的性能。在設(shè)計(jì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的MAC協(xié)議時(shí)，需要同時(shí)考慮網(wǎng)絡(luò)效率、拓展性和能量節(jié)?。辉诓粻奚到y(tǒng)性能的前提下，設(shè)計(jì)物理層時(shí)要降低節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率，從而降低節(jié)點(diǎn)的能耗。五、無線傳感網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議測評隨著無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究的不斷深入，應(yīng)用化已經(jīng)逐漸成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。各種在特定應(yīng)用背景下的研究層出不窮，如環(huán)境監(jiān)測、目標(biāo)跟蹤、安全監(jiān)控等。與傳統(tǒng)的網(wǎng)

9、絡(luò)相比，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)所包含的節(jié)點(diǎn)數(shù)量巨大，應(yīng)用環(huán)境復(fù)雜多變，如何對這些應(yīng)用研究進(jìn)行驗(yàn)證和測試，以保證其在實(shí)際工作中穩(wěn)定高效，已經(jīng)成為亟待解決的問題。 目前大多數(shù)研究都通過理論分析和計(jì)算機(jī)模擬的方法進(jìn)行驗(yàn)證和測試。理論分析的方法雖然可以進(jìn)行多個(gè)同類協(xié)議的比較，但數(shù)學(xué)模型的構(gòu)建由于計(jì)算機(jī)復(fù)雜度過高，在應(yīng)用這些模型解決實(shí)際問題時(shí)需要做大量簡化，從而降低了理論性能分析的可信度?，F(xiàn)有的模擬工具則由于難以真實(shí)體現(xiàn)無線通信的不穩(wěn)定性，其驗(yàn)證的結(jié)果也無法令人滿意。而通過傳感器結(jié)點(diǎn)建立網(wǎng)絡(luò)測試平臺，可以在實(shí)際應(yīng)用過程中驗(yàn)證測試網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議和算法，不僅比較全面地包含了影響網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的各個(gè)因素，而且也避免了因模型簡化

10、導(dǎo)致的理論誤差。因此無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的平臺測試技術(shù)越來越被人們所關(guān)注。六、無線傳感網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用無線傳感網(wǎng)絡(luò)具有無需固定設(shè)備支撐的特點(diǎn)，可以快速部署，同時(shí)具有易于組網(wǎng)、不受有線網(wǎng)絡(luò)的約束，使其適合應(yīng)用于難以使用傳統(tǒng)有線通信機(jī)制的惡劣環(huán)境，比如一些危險(xiǎn)的工業(yè)環(huán)境如煤礦、核電廠等，工作人員可以通過它來實(shí)施實(shí)時(shí)、高效地安全監(jiān)測；同時(shí)無線傳感器可以避免傳統(tǒng)數(shù)據(jù)收集方式給環(huán)境帶來的侵入式破壞，因此可以被應(yīng)用無水資源、大氣等環(huán)境監(jiān)測；隨著無線終端設(shè)備的廣泛使用，無線傳感網(wǎng)絡(luò)利用通信技術(shù)高效地進(jìn)行異構(gòu)傳感網(wǎng)絡(luò)互連，數(shù)據(jù)處理和融合，可被廣泛地應(yīng)用于軍事、環(huán)境監(jiān)測和預(yù)報(bào)、健康護(hù)理、智能家居、建筑物狀態(tài)監(jiān)控、復(fù)雜機(jī)械監(jiān)控、城市交通、空間探索、大型車間和倉庫管理，以