【導讀】與傳統無線通信網絡Ad Hoc網絡相比， WSN的自組織性、 動態性、 可靠性和以數據為中心等特點， 使其可以應用到人員無法到達的地方， 比如戰場、 沙漠等。 因此， 可以斷定未來無線傳感器網絡將有更為廣泛的前景。
隨著傳感器技術、 嵌入式技術、 分布式信息處理技術和無線通信技術的發展， 以大量的具有微處理能力的微型傳感器節點組成的無線傳感器網絡(WSN)逐漸成為研究熱點問題。
無線傳感器網絡
無線傳感器網絡(Wireless Sensor Networks, WSN)是一種分布式傳感網絡，由大量的靜止或移動的傳感器以自組織和多跳的方式構成的無線網絡，以協作地感知、采集、處理和傳輸網絡覆蓋地理區域內被感知對象的信息，并最終把這些信息發送給網絡的所有者。傳感器、感知對象和觀察者構成了無線傳感器網絡的三個要素。
無線傳感器網絡所具有的眾多類型的傳感器，可探測包括地震、電磁、溫度、濕度、噪聲、光強度、壓力、土壤成分、移動物體的大小、速度和方向等周邊環境中多種多樣的現象。潛在的應用領域可以歸納為: 軍事、航空、防爆、救災、環境、醫療、保健、家居、工業、商業等領域。
與傳統有線網絡相比，無線傳感器網絡技術具有很明顯的優勢特點，主要的要求有： 低能耗、 低成本、 通用性、 網絡拓撲、 安全、 實時性、 以數據為中心等。
無線傳感器網絡系統的典型結構
采用同構網絡實現遠程監測的無線傳感器網絡系統典型結構， 由傳感器節點、 匯聚節點、 服務器端的PC和客戶端的PC四大硬件環節組成， 各組成環節功能如下。
圖1 遠程監測無線傳感器網絡系統結構框圖
傳感器節點
部署在監測區域（A區）， 通過自組織方式構成無線網絡。 傳感器節點監測的數據沿著其它節點逐跳進行無線傳輸， 經過多跳后達到匯聚節點（B區）。
匯聚節點
是一個網絡協調器， 負責無線網絡的組建， 再將傳感器節點無線傳輸進來的信息與數據通過SCI（ 串行通信接口）傳送至服務器端PC。
服務器端PC
是一個位于B區的管理節點， 也是獨立的Internet網關節點。 在LabVIEW軟件平臺上面有兩個軟件： 一是對傳感器無線網絡進行監測管理的軟件平臺VI， 即一個監測傳感器無線網絡的虛擬儀器VI； 二是Web Server軟件模塊和遠程面板技術(Remote Panel)， 可實現傳感器無線網絡與Internet的連接。
客戶端PC
客戶端PC上無需進行任何軟件設計， 在瀏覽器中就可調用服務器PC中無線傳感器網絡監測虛擬儀器的前面板， 實現遠程異地（C區）對傳感器無線網絡（A區）的監測與管理。
無線傳感器網絡中的傳感器節點
1． 傳感器及其調理電路
應根據無線傳感器網絡所在的地區環境特點來選擇傳感器， 以適應環境溫度變化范圍、 尺寸體積等特殊要求。 傳感器所配接的調理電路將傳感器輸出的變化量轉換成能與A/D轉換器相適配的0~2.5 V或0~5 V的電壓信號。 當處于無電網供電地區時， 傳感器及其調理電路都應是低功耗的。
2． 數據采集及A/D轉換器與微處理器系統
傳感器節點中的計算機系統是低功耗的單片微處理器系統， 可以適應遠離測試中心、 偏遠地區惡劣環境的工作條件。 如美國德克薩斯州儀器（TI）公司生產的MSP430－F149A超低功耗混合信號處理器(Mixed Signal Processor)， 它內部自帶采樣/保持器和12位A/D轉換器， 可對信號進行采集、 轉換以及對全節點系統進行指令控制和數據處理。
3． 射頻模塊
射頻模塊接收外部無線指令并將傳感器檢測到的被測參量數據信息無線發送出去， 如TI公司的CC2420無線收發芯片。
4． 電源
無線傳感器網絡中對傳感器節點的供電是一個極具特殊性的正處于研究熱點的技術問題。 若節點處于遠離電網的偏遠地區， 一般采用電池供電或無線射頻供電方式。
無線傳感器網絡中的匯聚節點
圖1中的無線傳感器網絡匯聚節點是一個網絡協調器， 操作PC中監測管理軟件平臺的面板控件， 在其指令下負責執行無線傳感器網絡的配置與組建， 并將接收到的傳感器節點無線傳輸的數據信息再傳至PC機。 通常協調器主要由微處理器系統、 射頻模塊、 通信接口以及電源四個部分組成， 其硬件組成框圖如圖所示。
無線網絡協調器硬件組成框圖
1． 通信接口
協調器中的通信接口負責與PC機進行通信。 一方面， 當操作PC機中無線傳感器網絡監測平臺VI前面板上的相應控件時， 通信接口負責傳遞下達的相應指令， 如檢索網絡、 發送數據等； 另一方面， 協調器接收到傳感器節點無線發送的數據信息時， 也將其通過通信接口上傳到PC中。
2． 微處理器系統
協調器中的微處理器是整個無線傳感器網絡的主控制器， 是協調器的核心。
3． 射頻模塊
該射頻模塊將接收傳感器節點無線發送的數據信息， 經通信接口上傳至PC； 另一方面， 以無線傳輸方式下達PC對傳感器節點的操作指令。
無線傳感器網絡通信協議
目前無線個域網標準化組織IEEE 802.15 工作組已完成了以下標準的制定：
- 中速無線個域網標準IEEE 802.15.1——藍牙；
- 高速無線個域網標準IEEE 802.15.3——超寬帶(UWB)；
- 低速無線個域網標準IEEE 802.15.4。 低速無線個域網主要為電源能力受限的、 吞吐量要求較低的無線應用提供簡單的低成本網絡連接， 主要目標是以簡單靈活的協議構建一種安裝布置合理、 數據傳輸可靠、 設備成本極低、 能量消耗較小的短距離無線通信網絡。
低速無線個域網符合無線傳感器網絡關于低能耗、 低成本、 通用性、 網絡拓撲、 安全、實時性、 以數據為中心等要求， 因此目前研究、 應用的無線傳感器網絡的物理層及MAC層協議多采用IEEE 802.15.4 標準。
基于IEEE 802.15.4 標準的網絡層協議主要有2001年9月成立的ZigBee聯盟提出的ZigBee協議棧及適用于無線傳感器網絡節點的嵌入式微型IPv6協議棧。 其中， ZigBee協議以其低成本、 不同廠商生產的產品可兼容等特點得到廣泛的研究與應用。
無線傳感器網絡與Internet的互聯
同構網絡引入一個或幾個無線傳感器網絡傳感器節點作為獨立的網關節點并以此為接口接入互聯網， 即把與互聯網標準IP協議的接口置于無線傳感器網絡外部的網關節點。 這樣做比較符合無線傳感器網絡的數據流模式， 易于管理， 無需對無線傳感器網絡本身進行大的調整； 缺點是會使得網關附近的節點能量消耗過快并可能會造成一定程度的信息冗余。
異構網絡的特點是： 部分能量高的節點被賦予IP地址，作為與互聯網標準IP協議的接口。 這些高能力節點可以完成復雜的任務， 承擔更多的負荷， 難點在于無法對節點的所謂“高能力”有一個明確的定義。 同時， 如何使得IP節點之間通過其它普通節點進行通信也是一個技術難題。
WSN無線傳感器網絡的特點及優勢
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點進行組網，它具有本身的特性及優勢。
1、網絡規模大（節點數量多）
例如：對森林、草原進行防火監控、野生動物活動情況監測、壞境監測往往要布置大量的無線傳感器節點，布設范圍也遠遠超過一般的局域網范圍。
布置大量的無線傳感器節點的優點：
(1)提高整體監測的精確度
(2)降低對單個節點的精確要求
(3)大量冗余節點的存在使得系統有較強的容錯性。
2、 自組織網絡
與局部網的布設不同，無線傳感器節點額位置布設前不能事先確定(飛機撒布、人員隨機布設)，節點之間的互相鄰居關系也不能事先確定。
要求無線傳感器節點具有自組織能力，能夠自動進行配置管理。實現的方法是通過拓撲控制機制和網絡路由協議自動形成能夠轉發數據的多跳無線網絡系統。
3、動態性網絡
無線傳感器網絡的拓撲結構經常改變。原因：
(1)被動改變：傳感器節點電能耗盡；環境變化造成通信故障；傳感器節點本身出現故障。
(2)主動改變：增加新節點；根據路由算法的優化做出的改變。
4、可靠性強
(1)傳感器節點本身硬件結構可靠
布設時：可能通過飛機撒布，人員隨機撒布
工作時：風吹、日曬、雨林、嚴寒、酷暑。
維護性 ：維護十分困難(幾乎不可能)。
(2)網絡結構可靠
自組織網、動態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、以數據為中心
在互聯網中終端、主機、路由器、服務器等設備都有自己的IP地址。想訪問互聯網中資源，必須先知道存放資源的服務器的IP地址。所以互聯網是一個以地址為中心的網絡。而無線傳感器網絡是任務型網絡。
在WSN中，節點雖然也有編號。但是編號是否在整個WSN中統一取決于具體需要。另外節點編號與節點位置之間也沒有必然聯系。用戶使用WSN查詢事件時，將關心的事件報告給整個網絡而不是某個節點。許多時候只關心結果數據如何，而不關心是哪個節點發出的數據。
WSN采用微型傳感器節點采集信息，各節點間具有自組織和協同工作的能力，網絡內部采用無線多跳通信方式，與傳統的SN相比具有以下優勢：
1、精確高：實現單一的傳感器無法實現的密集空間采樣及近距離監測。
2、靈活性強：一經部署無需人為干預。
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，隨著技術的發展，傳感器成本低。
WSN應用領域
由于WSN的特殊性，其應用領域與普通網絡有著顯著地區別，主要包括以下幾類：
（1）軍事應用
利用WSN可以快速部署、自行組織網絡、隱蔽性強、高容錯性的特點。可以在戰場上廣泛應用。
包括：對敵軍兵力、武器的監測、戰場實時監視、目標定位與鎖定、戰果評估等等。
（2）緊急和臨時場合
當遭受自然災難打擊后、固定的通信網絡設施可能被全部摧毀或無法正常工作，邊遠或偏僻野外地區、植被不能破壞的自然保護區，無法采用固定或預設的網絡設備通信。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）環境監測
比如：農田灌溉情況監控、土壤成分監測、環境污染情況監測、森林火災報警、水情監測、氣溫監測、關照時間數據的采集等許多場合。
（4）醫療護理
包括：患者生理數據采集、醫療器材的管理、藥品的發放以及關鍵人員的跟蹤、定位等等。
（5）智能家居
在家電和家居中嵌入WSN的傳感器節點，并與互聯網連接在一起。可以提供更舒適、方便、更具人性化的家居環境。
（6）工廠監控
比如：化工、石油、電力、機械加工、紡織印染等等行業采用WSN技術可以很方便的進行監測。
WSN應用存在的問題及研究熱點
在無線傳感器網絡的設計應用過程中，有多種基礎性技術是支撐傳感器網絡完成任務的關鍵，這些關鍵技術解決是保證網絡用戶功能正常運行的前提。
（１）網絡協議
在無線傳感器網絡的網絡協議研究中，MAC協議和路由協議是研究的重點。
常用的MAC協議有：IEEE802.15.4、S-MAC、及T-MAC協議等；路由協議有：SPIN、DO、GEM、LEACH等協議。
（２）時間同步
在WSN，傳感器節點通常需要相互合作，完成復雜的檢測和感知任務，這需要各節點保持時間上的一致性，方便處理與時間有關的操作；WSN的一些節能方案也通過時間同步來實現的。
目前，在WSN中應用比較成熟的時間同步協議有RBS（參考廣播同步）、Tiny/mini-Sync（微小/迷你同步）以及TPSN（Timing-sync協議的傳感器網絡）等三種。
（3）定位技術
在WSN中，傳感器節點獲得的檢測數據一般是與位置相關聯的，用戶感興趣的是收到的數據是從哪個位置送來的，在一些應用中，需要通過空間不同位置的傳感器協調實現測量功能。因此，WSN中的定位技術包括節點自身定位和目標定位兩種。
定位技術可以利用現有的GPS等定位技術，也可以根據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、位置分發算法、DV2distance算法等。
（4）數據融合
由于WSN的各種局限，在滿足用戶需求下，需求對監測數據進行融合處理，以節省通信帶寬和能量，提高信息收集效率，從耗能角度看，各節點間的通信耗能遠高于計算處理耗能。
目前數據融合的方法很多，常用的有綜合平均法，卡爾曼濾波法、貝葉斯方法、神經網絡法、統計決策理論、模糊邏輯法、產生式規則和D-S證據理論等。
（5）能量管理
WSN的節點的電池充電和更換困難。因此，在設計時，要致力于高效實用節點的能量，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、數據融合等，它們主要應用在計算機、存儲單元及通信單元部分。休眠機制可以通過相應的硬件芯片、網絡協議協調、動態電源管理及動態電壓調度等多種措施實現。
（6）安全管理
WSN中，安全管理主要體現在通信安全和信息安全兩個方面。通信安全主要考慮節點的安全、被動抵御入侵、主動反擊入侵，三方面問題，信息安全主要考慮數據的機密性、數據鑒別、數據的完整性和實效性等方面。
目前，WSN的安全研究內容主要包括：a）物理層的高效加密算法、擴頻抗干擾等。b）數據鏈路層的安全MAC協議。c）網絡層的安全路由協議。d）應用層的密鑰管理和安全組播等，目前WSN中專用安全協議有：SNEP（網絡安全加密）和uTESLA（微型定時有效流容忍丟失認證協議）。
無線傳感器網絡是當前信息領域中研究的熱點之一，可用于特殊環境實現信號的采集、處理和發送。無線傳感器網絡是一種全新的信息獲取和處理技術，在現實生活中得到了越來越廣泛的應用。目前，無線傳感器網絡作為一種獲得和處理信息的新技術，正在被廣泛的研究。隨著通信技術、嵌入式技術、傳感器技術的發展，傳感器正逐漸向智能化、微型化、無線網絡化發展。
推薦閱讀：
