無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

WirelessSensorNetworks引言

近年來，隨著傳感器、計算機、無線通信及微機等技術(shù)的發(fā)展和相互融合，產(chǎn)生了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN，wirelesssensornetworks）。WSN技術(shù)與當(dāng)今主流無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)使用同一個標(biāo)準(zhǔn)——802.15.14，它是指由大量的廉價微型傳感節(jié)點組成，通過無線通信方式形成的一個自組織的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)?？蓱?yīng)用于布線和電源供給困難的區(qū)域、人員不能到達的區(qū)域和一些臨時場合等。不需要固定網(wǎng)絡(luò)支持，具有快速展開、抗損壞性強等特點，可廣泛應(yīng)用于軍事、工業(yè)、交通、環(huán)保等領(lǐng)域，引起人們廣泛關(guān)注無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是基于微電子技術(shù)、嵌入式計算技術(shù)、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)及無線通信技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)實現(xiàn)的。WSN典型工作如下：使用飛行器將大量節(jié)點拋撒到感興趣的區(qū)域，節(jié)點通過自組織快速形成一個無線網(wǎng)絡(luò)。節(jié)點既是信息的采集者和發(fā)出者，也充當(dāng)著信息的路由著，采集的數(shù)據(jù)通過多跳路由到達網(wǎng)關(guān)。網(wǎng)關(guān)也是一類特殊的節(jié)點，可以通過lnternet、移動通信網(wǎng)絡(luò)、衛(wèi)星等與監(jiān)控中心通信。目前WSN尚處于研究階段，為了加快其實用化進程，國外建設(shè)了許多演示系統(tǒng)，相關(guān)的理論研究成果也很多。近年來國，內(nèi)一些科研院所和高校也開展WSN理論和應(yīng)用的研究。傳統(tǒng)的感知方法WSN體系結(jié)構(gòu)WSN是一種分布式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，采用多跳的通信方式，其網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)動態(tài)變化，具有自組織、自控制以及自適應(yīng)等智能屬性，有傳感器節(jié)點、感知對象和觀察者三者基本組成?；跓o線傳感器網(wǎng)絡(luò)的多網(wǎng)融合體系結(jié)構(gòu)：傳感器節(jié)點：它具有信息采集、處理、控制和通信等功能，對于網(wǎng)絡(luò)而言它有兼顧其他節(jié)點和路由器的功能。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)關(guān)擔(dān)當(dāng)網(wǎng)絡(luò)間的協(xié)議轉(zhuǎn)換器，不同網(wǎng)絡(luò)類型的網(wǎng)絡(luò)路由器，全網(wǎng)數(shù)據(jù)聚集、存儲等重要角色，成為網(wǎng)絡(luò)間連接不可缺少的紐帶。傳統(tǒng)的WSN網(wǎng)關(guān)是利用匯聚節(jié)點與PC機相結(jié)合來實現(xiàn)的，利用PC機與外部網(wǎng)絡(luò)連接將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)進行遠距離傳輸。傳感器網(wǎng)絡(luò)覆蓋感知對象區(qū)域，每個傳感器完成其臨近感知對象的觀測，多傳感器協(xié)同完成感知區(qū)域的大觀測任務(wù)，使用多跳路由算法向用戶報告觀測結(jié)果。傳感器節(jié)點的一般結(jié)構(gòu)傳感器節(jié)點的具體產(chǎn)品根據(jù)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點示意圖可以看出：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點實際是一個微型嵌入式系統(tǒng)。特點：1、電源能量有限：電池供電、難于更換。2、通信能力有限：距離小于100M；速率小。3、計算處理能力有限：處理器能力弱、存儲容量小。觀測對象是觀察者感興趣的區(qū)域，諸如坦克、飛機、動物有害物質(zhì)等物體。一般通過物理現(xiàn)象、化學(xué)現(xiàn)象或其他現(xiàn)象的數(shù)字量進行表征。觀察者是WSN的終端用戶，是感測信息的接收者和使用者，可以使人、計算機或其他外部設(shè)備。WSN的特點及優(yōu)勢WSN并不非常簡單的理解為利用無線通信方式多個傳感器節(jié)點進行組網(wǎng)，它具有本身的特性及優(yōu)勢。1、網(wǎng)絡(luò)規(guī)模大（節(jié)點數(shù)量多）例如：對森林、草原進行防火監(jiān)控、野生動物活動情況監(jiān)測、壞境監(jiān)測往往要布置大量的無線傳感器節(jié)點，布設(shè)范圍也遠遠超過一般的局域網(wǎng)范圍。布置大量的無線傳感器節(jié)點的優(yōu)點：(1)提高整體監(jiān)測的精確度(2)降低對單個節(jié)點的精確要求(3)大量冗余節(jié)點的存在使得系統(tǒng)有較強的容錯性。2、自組織網(wǎng)絡(luò)與局部網(wǎng)的布設(shè)不同，無線傳感器節(jié)點額位置布設(shè)前不能事先確定(飛機撒布、人員隨機布設(shè))，節(jié)點之間的互相鄰居關(guān)系也不能事先確定。要求無線傳感器節(jié)點具有自組織能力，能夠自動進行配置管理。實現(xiàn)的方法是通過拓撲控制機制和網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議自動形成能夠轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的多跳無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。3、動態(tài)性網(wǎng)絡(luò)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)經(jīng)常改變。原因：(1)被動改變：傳感器節(jié)點電能耗盡；環(huán)境變化造成通信故障；傳感器節(jié)點本身出現(xiàn)故障。(2)主動改變：增加新節(jié)點；根據(jù)路由算法的優(yōu)化做出的改變。4、可靠性強(1)傳感器節(jié)點本身硬件結(jié)構(gòu)可靠布設(shè)時：可能通過飛機撒布，人員隨機撒布工作時：風(fēng)吹、日曬、雨林、嚴(yán)寒、酷暑。維護性：維護十分困難(幾乎不可能)。(2)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可靠自組織網(wǎng)、動態(tài)性保證基本的信息傳輸正常。(3)軟件可靠(4)信息保密性強5、以數(shù)據(jù)為中心在互聯(lián)網(wǎng)中終端、主機、路由器、服務(wù)器等設(shè)備都有自己的IP地址。想訪問互聯(lián)網(wǎng)中資源，必須先知道存放資源的服務(wù)器的IP地址。所以互聯(lián)網(wǎng)是一個以地址為中心的網(wǎng)絡(luò)。而無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是任務(wù)型網(wǎng)絡(luò)。在WSN中，節(jié)點雖然也有編號。但是編號是否在整個WSN中統(tǒng)一取決于具體需要。另外節(jié)點編號與節(jié)點位置之間也沒有必然聯(lián)系。用戶使用WSN查詢事件時，將關(guān)心的事件報告給整個網(wǎng)絡(luò)而不是某個節(jié)點。許多時候只關(guān)心結(jié)果數(shù)據(jù)如何，而不關(guān)心是哪個節(jié)點發(fā)出的數(shù)據(jù)。

WSN采用微型傳感器節(jié)點采集信息，各節(jié)點間具有自組織和協(xié)同工作的能力，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部采用無線多跳通信方式，與傳統(tǒng)的SN相比具有以下優(yōu)勢：1、精確高：實現(xiàn)單一的傳感器無法實現(xiàn)的密集空間采樣及近距離監(jiān)測。2、靈活性強：一經(jīng)部署無需人為干預(yù)。3、可靠性高：可以避免單點失效問題4、性價比高：降低有線傳輸成本，隨著技術(shù)的發(fā)展，傳感器成本低。WSN的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議層次WSN協(xié)議棧示意圖物理層提供簡單健壯的信號調(diào)制和無線收發(fā)技術(shù)。數(shù)據(jù)鏈路層負責(zé)數(shù)據(jù)幀、幀檢測、媒體訪問和差錯控制。網(wǎng)絡(luò)層主要負責(zé)路由生成與路由選擇。傳輸層主要負責(zé)數(shù)據(jù)流的傳輸控制，是保證通信服務(wù)質(zhì)量的重要部分。應(yīng)用層包括一系列基于監(jiān)測任務(wù)的應(yīng)用層軟件。能量管理平臺管理傳感器節(jié)點如何使用能量，在各個協(xié)議層都需要考慮節(jié)省能量。移動管理平臺檢測并注冊傳感器節(jié)點的移動，維護到匯聚節(jié)點的路由，使得傳感器節(jié)點能夠動態(tài)跟蹤其鄰居的位置。任務(wù)管理平臺在一個給定的區(qū)域平衡和調(diào)度監(jiān)測任務(wù)。

WSN網(wǎng)絡(luò)協(xié)議拓撲圖(1)時間同步和定位子協(xié)議依賴于數(shù)據(jù)傳輸控制層進行定位和時間同步，同時又為路由等幾層協(xié)議提供支持。(2)能量管理在各個層次之中都要增加能量控制代碼。WSN應(yīng)用領(lǐng)域由于WSN的特殊性，其應(yīng)用領(lǐng)域與普通網(wǎng)絡(luò)有著顯著地區(qū)別，主要包括以下幾類：（1）軍事應(yīng)用利用WSN可以快速部署、自行組織網(wǎng)絡(luò)、隱蔽性強、高容錯性的特點?？梢栽趹?zhàn)場上廣泛應(yīng)用。包括：對敵軍兵力、武器的監(jiān)測、戰(zhàn)場實時監(jiān)視、目標(biāo)定位與鎖定、戰(zhàn)果評估等等。（2）緊急和臨時場合當(dāng)遭受自然災(zāi)難打擊后、固定的通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)施可能被全部摧毀或無法正常工作，邊遠或偏僻野外地區(qū)、植被不能破壞的自然保護區(qū)，無法采用固定或預(yù)設(shè)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備通信。這些情況，都可以利用WSN的快速展開和自組織特點來解決（3）環(huán)境監(jiān)測比如：農(nóng)田灌溉情況監(jiān)控、土壤成分監(jiān)測、環(huán)境污染情況監(jiān)測、森林火災(zāi)報警、水情監(jiān)測、氣溫監(jiān)測、關(guān)照時間數(shù)據(jù)的采集等許多場合。

（4）醫(yī)療護理包括：患者生理數(shù)據(jù)采集、醫(yī)療器材的管理、藥品的發(fā)放以及關(guān)鍵人員的跟蹤、定位等等。（5）智能家居在家電和家居中嵌入WSN的傳感器節(jié)點，并與互聯(lián)網(wǎng)連接在一起?？梢蕴峁└孢m、方便、更具人性化的家居環(huán)境。（6）工廠監(jiān)控比如：化工、石油、電力、機械加工、紡織印染等等行業(yè)采用WSN技術(shù)可以很方便的進行監(jiān)測。WSN應(yīng)用存在的問題及研究熱點在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計應(yīng)用過程中，有多種基礎(chǔ)性技術(shù)是支撐傳感器網(wǎng)絡(luò)完成任務(wù)的關(guān)鍵，這些關(guān)鍵技術(shù)解決是保證網(wǎng)絡(luò)用戶功能正常運行的前提。（１）網(wǎng)絡(luò)協(xié)議在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議研究中，MAC協(xié)議和路由協(xié)議是研究的重點。常用的MAC協(xié)議有：IEEE802.15.4、S-MAC、及T-MAC協(xié)議等；路由協(xié)議有：SPIN、DO、GEM、LEACH等協(xié)議。

（２）時間同步在WSN，傳感器節(jié)點通常需要相互合作，完成復(fù)雜的檢測和感知任務(wù)，這需要各節(jié)點保持時間上的一致性，方便處理與時間有關(guān)的操作；WSN的一些節(jié)能方案也通過時間同步來實現(xiàn)的。目前，在WSN中應(yīng)用比較成熟的時間同步協(xié)議有RBS（參考廣播同步）、Tiny/mini-Sync（微小/迷你同步）以及TPSN（Timing-sync協(xié)議的傳感器網(wǎng)絡(luò)）等三種。（3）定位技術(shù)在WSN中，傳感器節(jié)點獲得的檢測數(shù)據(jù)一般是與位置相關(guān)聯(lián)的，用戶感興趣的是收到的數(shù)據(jù)是從哪個位置送來的，在一些應(yīng)用中，需要通過空間不同位置的傳感器協(xié)調(diào)實現(xiàn)測量功能。因此，WSN中的定位技術(shù)包括節(jié)點自身定位和目標(biāo)定位兩種。定位技術(shù)可以利用現(xiàn)有的GPS等定位技術(shù)，也可以根據(jù)WSN自身特點采用一些適用有效的定位算法，目前主要有DV2hop算法、位置分發(fā)算法、DV2distance算法等。（4）數(shù)據(jù)融合由于WSN的各種局限，在滿足用戶需求下，需求對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行融合處理，以節(jié)省通信帶寬和能量，提高信息收集效率，從耗能角度看，各節(jié)點間的通信耗能遠高于計算處理耗能。目前數(shù)據(jù)融合的方法很多，常用的有綜合平均法，卡爾曼濾波法、貝葉斯方法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、統(tǒng)計決策理論、模糊邏輯法、產(chǎn)生式規(guī)則和D-S證據(jù)理論等。（5）能量管理WSN的節(jié)點的電池充電和更換困難。因此，在設(shè)計時，要致力于高效實用節(jié)點的能量，所以能量管理也是WSN研究的重要課題。目前主要采用的能量管理策略有休眠機制、數(shù)據(jù)融合等，它們主要應(yīng)用在計算機、存儲單元及通信單元部分。休眠機制可以通過相應(yīng)的硬件芯片、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議協(xié)調(diào)、動態(tài)電源管理及動態(tài)電壓調(diào)度等多種措施實現(xiàn)。（6）安全管理WSN中，安全管理主要體現(xiàn)