1、簡介編輯介紹

　　傳感器網(wǎng)絡實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的采集、處理和傳輸三種功能。它與通信技術和計算機技術共同構成信息技術的三大支柱。

　　無線傳感器網(wǎng)絡（Wireless Sensor Network, WSN）是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(wǎng)絡，以協(xié)作地感知、采集、處理和傳輸網(wǎng)絡覆蓋地理區(qū)域內(nèi)被感知對象的信息，

　　并最終把這些信息發(fā)送給網(wǎng)絡的所有者。

　　無線傳感器網(wǎng)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(huán)境中多種多樣的現(xiàn)象。潛在的應用領域可以歸納為: 軍事、航空、防爆、救災、環(huán)境、醫(yī)療、保健、家居、工業(yè)、商業(yè)等領域。[1]定義

　　WSN是wireless sensor network的簡稱，即無線傳感器網(wǎng)絡。

　　無線傳感器網(wǎng)絡就是由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量的廉價微型傳感器節(jié)點組成，通過無線通信方式形成的一個多跳的自組織的網(wǎng)絡系統(tǒng)，其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡覆蓋區(qū)域中被感知對象的信息，并發(fā)送給觀察者。傳感器、感知對象和觀察者構成了無線傳感器網(wǎng)絡的三個要素[2]。

　　著微機電系統(tǒng)（Micro-Electro-Mechanism System，MEMS）、片上系統(tǒng)（SOC，System on Chip）、無線通信和低功耗嵌入式技術的飛速發(fā)展，孕育出無線傳感器網(wǎng)絡（Wireless Sensor Networks，WSN），并以其低功耗、低成本、分布式和自組織的特點帶來了信息感知的一場變革。無線傳感器網(wǎng)絡就是由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量的廉價微型傳感器節(jié)點組成，通過無線通信方式形成的一個多跳自組織網(wǎng)絡。

　　很多人都認為，這項技術的重要性可與因特網(wǎng)相媲美：正如因特網(wǎng)使得計算機能夠訪問各種數(shù)字信息而可以不管其保存在什么地方，傳感器網(wǎng)絡將能擴展人們與現(xiàn)實世界進行遠程交互的能力。它甚至被人稱為一種全新類型的計算機系統(tǒng)，這就是因為它區(qū)別于過去硬件的可到處散布的特點以及集體分析能力。然而從很多方面來說，現(xiàn)在的無線傳感器網(wǎng)絡就如同遠在1970年的因特網(wǎng)，那時因特網(wǎng)僅僅連接了不到200所大學和軍事實驗室，并且研究者還在試驗各種通訊協(xié)議和尋址方案。而現(xiàn)在，大多數(shù)傳感器網(wǎng)絡只連接了不到100個節(jié)點，更多的節(jié)點以及通訊線路會使其變得十分復雜難纏而無法正常工作。另外一個原因是單個傳感器節(jié)點的價格目前還并不低廉，而且電池壽命在最好的情況下也只能維持幾個月。不過這些問題并不是不可逾越的，一些無線傳感器網(wǎng)絡的產(chǎn)品已經(jīng)上市，并且具備引人入勝的功能的新產(chǎn)品也會在幾年之內(nèi)出現(xiàn)。

　　無線傳感器網(wǎng)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(huán)境中多種多樣的現(xiàn)象?；贛EMS的微傳感技術和無線聯(lián)網(wǎng)技術為無線傳感器網(wǎng)絡賦予了廣闊的應用前景。這些潛在的應用領域可以歸納為:軍事、航空、反恐、防爆、救災、環(huán)境、醫(yī)療、保健、家居、工業(yè)、商業(yè)等領域。

2、發(fā)展歷史

　　中國物聯(lián)網(wǎng)校企聯(lián)盟認為，傳感器網(wǎng)絡的發(fā)展歷程分為以下三個階段：傳感器→無線傳感器→無線傳感器網(wǎng)絡（大量微型、低成本、低功耗的傳感器節(jié)點組成的多跳無線網(wǎng)絡）

　　第一階段:最早可以追溯至越戰(zhàn)時期使用的傳統(tǒng)的傳感器系統(tǒng)。當年美越雙方在密林覆蓋的“胡志明小道”進行了一場血腥較量，“胡志明小道”是胡志明部隊向南方游擊隊輸送物資的秘密通道，美軍對其進行了狂轟濫炸，但效果不大。后來，美軍投放了2萬多個“熱帶樹”傳感器。“熱帶樹”實際上是由震動和聲響傳感器組成的系統(tǒng)，它由飛機投放，落地后插入泥土中，只露出偽裝成樹枝的無線電天線，因而被稱為“熱帶樹”。只要對方車隊經(jīng)過，傳感器探測出目標產(chǎn)生的震動和聲響信息，自動發(fā)送到指揮中心，美機立即展開追殺，總共炸毀或炸壞4.6萬輛卡車。

　　第二階段:二十世紀80年代至90年代之間。主要是美軍研制的分布式傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)、海軍協(xié)同交戰(zhàn)能力系統(tǒng)、遠程戰(zhàn)場傳感器系統(tǒng)等。這種現(xiàn)代微型化的傳感器具備感知能力、計算能力和通信能力。 因此在1999年，商業(yè)周刊將傳感器網(wǎng)絡列為21世紀最具影響的21項技術之一 。

　　第三階段:21世紀開始至今，也就是9·11事件之后。這個階段的傳感器網(wǎng)絡技術特點在于網(wǎng)絡傳輸自組織、節(jié)點設計低功耗。除了應用于反恐活動以外，在其它領域更是獲得了很好的應用，所以2002年美國國家重點實驗室－－橡樹嶺實驗室提出了“網(wǎng)絡就是傳感器”的論斷。

　　由于無線傳感網(wǎng)在國際上被認為是繼互聯(lián)網(wǎng)之后的第二大網(wǎng)絡，2003年美國《技術評論》雜志評出對人類未來生活產(chǎn)生深遠影響的十大新興技術，傳感器網(wǎng)絡被列為第一 。

　　在現(xiàn)代意義上的無線傳感網(wǎng)研究及其應用方面，我國與發(fā)達國家?guī)缀跬絾樱呀?jīng)成為我國信息領域位居世界前列的少數(shù)方向之一。在2006年我國發(fā)布的《國家中長期科學與技術發(fā)展規(guī)劃綱要》中，為信息技術確定了三個前沿方向，其中有兩項就與傳感器網(wǎng)絡直接相關，這就是智能感知和自組網(wǎng)技術。當然，傳感器網(wǎng)絡的發(fā)展也是符合計算設備的演化規(guī)律。

3、特點

　　大規(guī)模

　　為了獲取精確信息，在監(jiān)測區(qū)域通常部署大量傳感器節(jié)點，可能達到成千上萬，甚至更多。傳感器網(wǎng)絡的大規(guī)模性包括兩方面的含義：一方面是傳感器節(jié)點分布在很大的地理區(qū)域內(nèi)，如在原始大森林采用傳感器網(wǎng)絡進行森林防火和環(huán)境監(jiān)測，需要部署大量的傳感器節(jié)點；另一方面，傳感器節(jié)點部署很密集，在面積較小的空間內(nèi)，密集部署了大量的傳感器節(jié)點。

　　傳感器網(wǎng)絡的大規(guī)模性具有如下優(yōu)點：通過不同空間視角獲得的信息具有更大的信噪比；通過分布式處理大量的采集信息能夠提高監(jiān)測的精確度，降低對單個節(jié)點傳感器的精度要求；大量冗余節(jié)點的存在，使得系統(tǒng)具有很強的容錯性能；大量節(jié)點能夠增大覆蓋的監(jiān)測區(qū)域，減少洞穴或者盲區(qū)。

　　自組織

　　在傳感器網(wǎng)絡應用中，通常情況下傳感器節(jié)點被放置在沒有基礎結構的地方，傳感器節(jié)點的位置不能預先精確設定，節(jié)點之間的相互鄰居關系預先也不知道，如通過飛機播撒大量傳感器節(jié)點到面積廣闊的原始森林中，或隨意放置到人不可到達或危險的區(qū)域。這樣就要求傳感器節(jié)點具有自組織的能力，能夠自動進行配置和管理，通過拓撲控制機制和網(wǎng)絡協(xié)議自動形成轉發(fā)監(jiān)測數(shù)據(jù)的多跳無線網(wǎng)絡系統(tǒng)。

　　在傳感器網(wǎng)絡使用過程中，部分傳感器節(jié)點由于能量耗盡或環(huán)境因素造成失效，也有一些節(jié)點為了彌補失效節(jié)點、增加監(jiān)測精度而補充到網(wǎng)絡中，這樣在傳感器網(wǎng)絡中的節(jié)點個數(shù)就動態(tài)地增加或減少，從而使網(wǎng)絡的拓撲結構隨之動態(tài)地變化。傳感器網(wǎng)絡的自組織性要能夠適應這種網(wǎng)絡拓撲結構的動態(tài)變化。

　　動態(tài)性

　　傳感器網(wǎng)絡的拓撲結構可能因為下列因素而改變：①環(huán)境因素或電能耗盡造成的傳感器節(jié)點故障或失效；②環(huán)境條件變化可能造成無線通信鏈路帶寬變化，甚至時斷時通；③傳感器網(wǎng)絡的傳感器、感知對象和觀察者這三要素都可能具有移動性；④新節(jié)點的加入。這就要求傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)要能夠適應這種變化，具有動態(tài)的系統(tǒng)可重構性。

　　可靠性

　　WSN特別適合部署在惡劣環(huán)境或人類不宜到達的區(qū)域，節(jié)點可能工作在露天環(huán)境中，遭受日曬、風吹、雨淋，甚至遭到人或動物的破壞。傳感器節(jié)點往往采用隨機部署，如通過飛機撒播或發(fā)射炮彈到指定區(qū)域進行部署。這些都要求傳感器節(jié)點非常堅固，不易損壞，適應各種惡劣環(huán)境條件。

　　由于監(jiān)測區(qū)域環(huán)境的限制以及傳感器節(jié)點數(shù)目巨大，不可能人工“照顧”每個傳感器節(jié)點，網(wǎng)絡的維護十分困難甚至不可維護。傳感器網(wǎng)絡的通信保密性和安全性也十分重要，要防止監(jiān)測數(shù)據(jù)被盜取和獲取偽造的監(jiān)測信息。因此，傳感器網(wǎng)絡的軟硬件必須具有魯棒性和容錯性。

　　以數(shù)據(jù)為中心

　　互聯(lián)網(wǎng)是先有計算機終端系統(tǒng)，然后再互聯(lián)成為網(wǎng)絡，終端系統(tǒng)可以脫離網(wǎng)絡獨立存在。在互聯(lián)網(wǎng)中，網(wǎng)絡設備用網(wǎng)絡中惟一的IP地址標識，資源定位和信息傳輸依賴于終端、路由器、服務器等網(wǎng)絡設備的IP地址。如果想訪問互聯(lián)網(wǎng)中的資源，首先要知道存放資源的服務器IP地址?？梢哉f現(xiàn)有的互聯(lián)網(wǎng)是一個以地址為中心的網(wǎng)絡。

　　傳感器網(wǎng)絡是任務型的網(wǎng)絡，脫離傳感器網(wǎng)絡談論傳感器節(jié)點沒有任何意義。傳感器網(wǎng)絡中的節(jié)點采用節(jié)點編號標識，節(jié)點編號是否需要全網(wǎng)惟一取決于網(wǎng)絡通信協(xié)議的設計。由于傳感器節(jié)點隨機部署，構成的傳感器網(wǎng)絡與節(jié)點編號之間的關系是完全動態(tài)的，表現(xiàn)為節(jié)點編號與節(jié)點位置沒有必然聯(lián)系。用戶使用傳感器網(wǎng)絡查詢事件時，直接將所關心的事件通告給網(wǎng)絡，而不是通告給某個確定編號的節(jié)點。網(wǎng)絡在獲得指定事件的信息后匯報給用戶。這種以數(shù)據(jù)本身作為查詢或傳輸線索的思想更接近于自然語言交流的習慣。所以通常說傳感器網(wǎng)絡是一個以數(shù)據(jù)為中心的網(wǎng)絡。

　　例如，在應用于目標跟蹤的傳感器網(wǎng)絡中，跟蹤目標可能出現(xiàn)在任何地方，對目標感興趣的用戶只關心目標出現(xiàn)的位置和時間，并不關心哪個節(jié)點監(jiān)測到目標。事實上，在目標移動的過程中，必然是由不同的節(jié)點提供目標的位置消息。

　　集成化

　　傳感器節(jié)點的功耗低，體積小，價格便宜，實現(xiàn)了集成化。其中，微機電系統(tǒng)技術的快速發(fā)展為無線傳感器網(wǎng)絡接點實現(xiàn)上述功能提供了相應的技術條件，在未來，類似“灰塵”的傳感器節(jié)點也將會被研發(fā)出來。

　　具有密集的節(jié)點布置

　　在安置傳感器節(jié)點的監(jiān)測區(qū)域內(nèi)，布置有數(shù)量龐大的傳感器節(jié)點。通過這種布置方式可以對空間抽樣信息或者多維信息進行捕獲，通過相應的分布式處理，即可實現(xiàn)高精度的目標檢測和識別。另外，也可以降低單個傳感器的精度要求。密集布設節(jié)點之后，將會存在大多的冗余節(jié)點，這一特性能夠提高系統(tǒng)的容錯性能，對單個傳感器的要求得到了大大降低。最后，適當將其中的某些節(jié)點進行休眠調(diào)整，還可以延長網(wǎng)絡的使用壽命。

　　協(xié)作方式執(zhí)行任務

　　這種方式通常包括協(xié)作式采集、處理、存儲以及傳輸信息。通過協(xié)作的方式，傳感器的節(jié)點可以共同實現(xiàn)對對象的感知，得到完整的信息。這種方式可以有效克服處理和存儲能力不足的缺點，共同完成復雜任務的執(zhí)行。在協(xié)作方式下，傳感器之間的節(jié)點實現(xiàn)遠距離通信，可以通過多跳中繼轉發(fā)，也可以通過多節(jié)點協(xié)作發(fā)射的方式進行.

　　自組織方式

　　之所以采用這種工作方式，是由無線傳感器自身的特點決定的。由于事先無法確定無線傳感器節(jié)點的位置，也不能明確它與周圍節(jié)點的位置關系，同時，有的節(jié)點在工作中有可能會因為能量不足而失去效用，則另外的節(jié)點將會補充進來彌補這些失效的節(jié)點，還有一些節(jié)點被調(diào)整為休眠狀態(tài)，這些因素共同決定了網(wǎng)絡拓撲的動態(tài)性。這種自組織工作方式主要包括：自組織通信，自調(diào)度網(wǎng)絡功能以及自管理網(wǎng)絡等。

　　無線傳感器

　　無線傳感器網(wǎng)絡中，節(jié)點的喚醒方式有以下幾種：

　?。?）全喚醒模式：這種模式下，無線傳感器網(wǎng)絡中的所有節(jié)點同時喚醒，探測并跟蹤網(wǎng)絡中出現(xiàn)的目標，雖然這種模式下可以得到較高的跟蹤精度，然而是以網(wǎng)絡能量的消耗巨大為代價的。

　?。?）隨機喚醒模式：這種模式下，無線傳感器網(wǎng)絡中的節(jié)點由給定的喚醒概率p隨機喚醒。

　?。?）由預測機制選擇喚醒模式：這種模式下，無線傳感器網(wǎng)絡中的節(jié)點根據(jù)跟蹤任務的需要，選擇性的喚醒對跟蹤精度收益較大的節(jié)點，通過本拍的信息預測目標下一時刻的狀態(tài)，并喚醒節(jié)點。

　?。?）任務循環(huán)喚醒模式：這種模式下，無線傳感器網(wǎng)絡中的節(jié)點周期性的出于喚醒狀態(tài)，這種工作模式的節(jié)點可以與其他工作模式的節(jié)點共存，并協(xié)助其他工作模式的節(jié)點工作。

　　其中由預測機制選擇喚醒模式可以獲得較低的能耗損耗和較高的信息收益。

　　功能

　　WSN并不界定網(wǎng)路型態(tài)，也就是可以是star、mesh、P2P或綜合以上型態(tài)的網(wǎng)路，但都一定具備下列的功能：

　　1. Sensors/microcontroller：偵測、搜集以及處理環(huán)境中的資料，例如偵測溫度、濕度等等。

　　2. Radio frequency：節(jié)點或gateway用以收發(fā)資料。

　　3. Software：包含在節(jié)點端的嵌入式系統(tǒng)以及使用者端的管理程式，軟體確保資料感測的功能進行順利以及提供容易閱讀的介面。

　　應用相關

　　傳感器網(wǎng)絡用來感知客觀物理世界，獲取物理世界的信息量。客觀世界的物理量多種多樣，不可窮盡。不同的傳感器網(wǎng)絡應用關心不同的物理量，因此對傳感器的應用系統(tǒng)也有多種多樣的要求。

　　無線傳感器網(wǎng)絡

　　不同的應用對傳感器網(wǎng)絡的要求不同，其硬件平臺、軟件系統(tǒng)和網(wǎng)絡協(xié)議必然會有很大差別。所以傳感器網(wǎng)絡不能像因特網(wǎng)一樣，有統(tǒng)一的通信協(xié)議平臺。對于不同的傳感器網(wǎng)絡應用雖然存在一些共性問題，但在開發(fā)傳感器網(wǎng)絡應用中，更關心傳感器網(wǎng)絡的差異。只有讓系統(tǒng)更貼近應用，才能做出最高效的目標系統(tǒng)。針對每一個具體應用來研究傳感器網(wǎng)絡技術，這是傳感器網(wǎng)絡設計不同于傳統(tǒng)網(wǎng)絡的顯著特征。

　　無線傳感網(wǎng)絡有著許多不同的應用。在工業(yè)界和商業(yè)界中，它用于監(jiān)測數(shù)據(jù)，而如果使用有線傳感器，則成本較高且實現(xiàn)起來困難。無線傳感器可以長期放置在荒蕪的地區(qū)，用于監(jiān)測環(huán)境變量，而不需要將他們重新充電再放回去。

　　無線傳感網(wǎng)絡的應用包括視頻監(jiān)視，交通監(jiān)視，航空交通控制，機器人學,汽車，家居健康監(jiān)測和工業(yè)自動化。在環(huán)境監(jiān)控中一個典型的應用就是傳感網(wǎng)（Sensor Web，或SW）。傳感器網(wǎng)絡可以用來監(jiān)視有效利用電力，如日本的例子。

4、結構

　　傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)通常包括傳感器節(jié)點EndDevice、匯聚節(jié)點Router和管理節(jié)點Coordinator。

　　大量傳感器節(jié)點隨機部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)部或附近，能夠通過自組織方式構成網(wǎng)絡。傳感器節(jié)點監(jiān)測的數(shù)據(jù)沿著其他傳感器節(jié)點逐跳地進行傳輸，在傳輸過程中監(jiān)測數(shù)據(jù)可能被多個節(jié)點處理，經(jīng)過多跳后路由到匯聚節(jié)點，最后通過互聯(lián)網(wǎng)或衛(wèi)星到達管理節(jié)點。用戶通過管理節(jié)點對傳感器網(wǎng)絡進行配置和管理，發(fā)布監(jiān)測任務以及收集監(jiān)測數(shù)據(jù)。

　　傳感器節(jié)點

　　處理能力、存儲能力和通信能力相對較弱，通過小容量電池供電。從網(wǎng)絡功能上看，每個傳感器節(jié)點除了進行本地信息收集和數(shù)據(jù)處理外，還要對其他節(jié)點轉發(fā)來的數(shù)據(jù)進行存儲、管理和融合，并與其他節(jié)點協(xié)作完成一些特定任務。

　　匯聚節(jié)點

　　匯聚節(jié)點的處理能力、存儲能力和通信能力相對較強，它是連接傳感器網(wǎng)絡與Internet 等外部網(wǎng)絡的網(wǎng)關，實現(xiàn)兩種協(xié)議間的轉換，同時向傳感器節(jié)點發(fā)布來自管理節(jié)點的監(jiān)測任務，并把WSN收集到的數(shù)據(jù)轉發(fā)到外部網(wǎng)絡上。匯聚節(jié)點既可以是一個具有增強功能的傳感器節(jié)點，有足夠的能量供給和更多的、Flash和SRAM中的所有信息傳輸?shù)接嬎銠C中，通過匯編軟件，可很方便地把獲取的信息轉換成匯編文件格式，從而分析出傳感節(jié)點所存儲的程序代碼、路由協(xié)議及密鑰等機密信息，同時還可以修改程序代碼，并加載到傳感節(jié)點中。

　　管理節(jié)點

　　管理節(jié)點用于動態(tài)地管理整個無線傳感器網(wǎng)絡。傳感器網(wǎng)絡的所有者通過管理節(jié)點訪問無線傳感器網(wǎng)絡的資源。

　　無線傳感器測距

　　在無線傳感器網(wǎng)絡中，常用的測量節(jié)點間距離的方法主要有TOA（Time of Arrival），TDOA（Time Difference of Arrival）、超聲波、RSSI（Received Sig nalStrength Indicator）和TOF（Time of Light）等。