1、簡介編輯介紹

　　傳感器網(wǎng)絡(luò)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(shù)和計算機技術(shù)共同構(gòu)成信息技術(shù)的三大支柱。

　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（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(gòu)成的無線網(wǎng)絡(luò)，以協(xié)作地感知、采集、處理和傳輸網(wǎng)絡(luò)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(luò)的所有者。

　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)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(yīng)用領(lǐng)域可以歸納為: 軍事、航空、防爆、救災(zāi)、環(huán)境、醫(yī)療、保健、家居、工業(yè)、商業(yè)等領(lǐng)域。[1]定義

　　WSN是wireless sensor network的簡稱，即無線傳感器網(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(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，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(shù)的飛速發(fā)展，孕育出無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（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(luò)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(luò)。

　　很多人都認為，這項技術(shù)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(luò)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(luò)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(xué)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(luò)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(fù)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(luò)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(luò)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(shù)和無線聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)賦予了廣闊的應(yīng)用前景。這些潛在的應(yīng)用領(lǐng)域可以歸納為:軍事、航空、反恐、防爆、救災(zāi)、環(huán)境、醫(yī)療、保健、家居、工業(yè)、商業(yè)等領(lǐng)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(luò)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(luò)（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(luò)）

　　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(dāng)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(luò)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(luò)列為21世紀最具影響的21項技術(shù)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(luò)技術(shù)特點在于網(wǎng)絡(luò)傳輸自組織、節(jié)點設(shè)計低功耗。除了應(yīng)用于反恐活動以外，在其它領(lǐng)域更是獲得了很好的應(yīng)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(luò)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(luò)，2003年美國《技術(shù)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(shù)，傳感器網(wǎng)絡(luò)被列為第一 。

　　在現(xiàn)代意義上的無線傳感網(wǎng)研究及其應(yīng)用方面，我國與發(fā)達國家?guī)缀跬絾?，它已?jīng)成為我國信息領(lǐng)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(xué)與技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要》中，為信息技術(shù)確定了三個前沿方向，其中有兩項就與傳感器網(wǎng)絡(luò)直接相關(guān)，這就是智能感知和自組網(wǎng)技術(shù)。當(dāng)然，傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展也是符合計算設(shè)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(luò)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(luò)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(luò)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(luò)應(yīng)用中，通常情況下傳感器節(jié)點被放置在沒有基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的地方，傳感器節(jié)點的位置不能預(yù)先精確設(shè)定，節(jié)點之間的相互鄰居關(guān)系預(yù)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(luò)協(xié)議自動形成轉(zhuǎn)發(fā)監(jiān)測數(shù)據(jù)的多跳無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

　　在傳感器網(wǎng)絡(luò)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(luò)中，這樣在傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點個數(shù)就動態(tài)地增加或減少，從而使網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)隨之動態(tài)地變化。傳感器網(wǎng)絡(luò)的自組織性要能夠適應(yīng)這種網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)的動態(tài)變化。

　　動態(tài)性

　　傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)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?xí)r斷時通；③傳感器網(wǎng)絡(luò)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(luò)系統(tǒng)要能夠適應(yīng)這種變化，具有動態(tài)的系統(tǒng)可重構(gòu)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(fēng)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(yīng)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(luò)的維護十分困難甚至不可維護。傳感器網(wǎng)絡(luò)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(luò)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(luò)，終端系統(tǒng)可以脫離網(wǎng)絡(luò)獨立存在。在互聯(lián)網(wǎng)中，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備用網(wǎng)絡(luò)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(wù)器等網(wǎng)絡(luò)設(shè)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(wù)器IP地址。可以說現(xiàn)有的互聯(lián)網(wǎng)是一個以地址為中心的網(wǎng)絡(luò)。

　　傳感器網(wǎng)絡(luò)是任務(wù)型的網(wǎng)絡(luò)，脫離傳感器網(wǎng)絡(luò)談?wù)搨鞲衅鞴?jié)點沒有任何意義。傳感器網(wǎng)絡(luò)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(luò)通信協(xié)議的設(shè)計。由于傳感器節(jié)點隨機部署，構(gòu)成的傳感器網(wǎng)絡(luò)與節(jié)點編號之間的關(guān)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(luò)查詢事件時，直接將所關(guān)心的事件通告給網(wǎng)絡(luò)，而不是通告給某個確定編號的節(jié)點。網(wǎng)絡(luò)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(xí)慣。所以通常說傳感器網(wǎng)絡(luò)是一個以數(shù)據(jù)為中心的網(wǎng)絡(luò)。

　　例如，在應(yīng)用于目標跟蹤的傳感器網(wǎng)絡(luò)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(guān)心目標出現(xiàn)的位置和時間，并不關(guān)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(shù)的快速發(fā)展為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)接點實現(xiàn)上述功能提供了相應(yīng)的技術(shù)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(yīng)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(shè)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(dāng)將其中的某些節(jié)點進行休眠調(diào)整，還可以延長網(wǎng)絡(luò)的使用壽命。

　　協(xié)作方式執(zhí)行任務(wù)

　　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(fù)雜任務(wù)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(zhuǎn)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(guān)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(luò)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(luò)功能以及自管理網(wǎng)絡(luò)等。

　　無線傳感器

　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)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(luò)中的所有節(jié)點同時喚醒，探測并跟蹤網(wǎng)絡(luò)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(luò)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(luò)中的節(jié)點由給定的喚醒概率p隨機喚醒。

　?。?）由預(yù)測機制選擇喚醒模式：這種模式下，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點根據(jù)跟蹤任務(wù)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(yù)測目標下一時刻的狀態(tài)，并喚醒節(jié)點。

　?。?）任務(wù)循環(huán)喚醒模式：這種模式下，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)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(yù)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(yīng)用相關(guān)

　　傳感器網(wǎng)絡(luò)用來感知客觀物理世界，獲取物理世界的信息量?？陀^世界的物理量多種多樣，不可窮盡。不同的傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用關(guān)心不同的物理量，因此對傳感器的應(yīng)用系統(tǒng)也有多種多樣的要求。

　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

　　不同的應(yīng)用對傳感器網(wǎng)絡(luò)的要求不同，其硬件平臺、軟件系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議必然會有很大差別。所以傳感器網(wǎng)絡(luò)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(luò)應(yīng)用雖然存在一些共性問題，但在開發(fā)傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中，更關(guān)心傳感器網(wǎng)絡(luò)的差異。只有讓系統(tǒng)更貼近應(yīng)用，才能做出最高效的目標系統(tǒng)。針對每一個具體應(yīng)用來研究傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，這是傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計不同于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的顯著特征。

　　無線傳感網(wǎng)絡(luò)有著許多不同的應(yīng)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(luò)的應(yīng)用包括視頻監(jiān)視，交通監(jiān)視，航空交通控制，機器人學(xué),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(yīng)用就是傳感網(wǎng)（Sensor Web，或SW）。傳感器網(wǎng)絡(luò)可以用來監(jiān)視有效利用電力，如日本的例子。

4、結(jié)構(gòu)

　　傳感器網(wǎng)絡(luò)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(gòu)成網(wǎng)絡(luò)。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(luò)進行配置和管理，發(fā)布監(jiān)測任務(wù)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(luò)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(zhuǎn)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(wù)。

　　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(luò)與Internet 等外部網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)關(guān)，實現(xiàn)兩種協(xié)議間的轉(zhuǎn)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(wù)，并把WSN收集到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到外部網(wǎng)絡(luò)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(zhuǎn)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(luò)。傳感器網(wǎng)絡(luò)的所有者通過管理節(jié)點訪問無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的資源。

　　無線傳感器測距

　　在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)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。