時(shí)間：2023-03-14 15:18:50
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[關(guān)鍵詞]無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議能量管理
中圖分類(lèi)號(hào):TP3文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1671-7597(2009)11100067-01
一、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的定義
無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由大量的具有特定功能的傳感器節(jié)點(diǎn)通過(guò)自組織的無(wú)線通訊方式,相互傳遞信息,協(xié)同的完成特定功能的智能專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò)[1]。它可以實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè),感知和采集網(wǎng)絡(luò)所監(jiān)控區(qū)域內(nèi)的各種環(huán)境或監(jiān)測(cè)對(duì)象的信息,并對(duì)收集到的信息進(jìn)行處理后傳送給終端用戶(hù)。
二、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)
無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)基本包括傳感器節(jié)點(diǎn)(sensor node),匯聚節(jié)點(diǎn)(sink node)和管理節(jié)點(diǎn),其結(jié)構(gòu)如圖1所示。大量的傳感器節(jié)點(diǎn)隨機(jī)的布置在檢測(cè)區(qū)域,節(jié)點(diǎn)以自組織的形式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò),通過(guò)多條中繼方式將檢測(cè)到的數(shù)據(jù)傳送到匯聚節(jié)點(diǎn),最后通過(guò)Internet或其他網(wǎng)絡(luò)通訊方式將檢測(cè)信息傳送到管理節(jié)點(diǎn)。同樣的,用戶(hù)可以通過(guò)管理節(jié)點(diǎn)進(jìn)行命令的,告知傳感器節(jié)點(diǎn)收集檢測(cè)信息[2]。
傳感器節(jié)點(diǎn)是一個(gè)具有信息采集,處理和通信能力的微型嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng),但是受限于攜帶電池能量有限的原因,其處理能力相對(duì)較弱。結(jié)構(gòu)如圖2所示。從網(wǎng)絡(luò)功能上看,每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)除了要處理本地的信息,還需要協(xié)助其他節(jié)點(diǎn)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)和處理信息。
三、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的幾個(gè)具體關(guān)鍵問(wèn)題
(一)物理層協(xié)議。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)開(kāi)放系統(tǒng)互聯(lián),按照國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)的規(guī)定,為數(shù)據(jù)流傳輸所需的物理連接的建立、維護(hù)和釋放提供的機(jī)械的、電氣的、功能和規(guī)程性的模塊就叫做物理層。從這個(gè)定義可以看出,物理層需要承擔(dān)為數(shù)據(jù)終端提供數(shù)據(jù)傳輸通路、傳輸數(shù)據(jù)和完成管理工作的職責(zé)。具體到無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)就是介質(zhì)的選擇、頻段的選擇、調(diào)制技術(shù)以及擴(kuò)頻技術(shù)。因?yàn)槭菬o(wú)線網(wǎng)絡(luò),傳輸介質(zhì)自然要選電磁波了。不過(guò),源信號(hào)要依靠電磁波傳輸必需要通過(guò)調(diào)制技術(shù)變成高頻信號(hào),當(dāng)?shù)诌_(dá)接受端時(shí),又通過(guò)解調(diào)技術(shù)還原成原始信號(hào)。目前采用的調(diào)制方法分為模擬調(diào)制和數(shù)字調(diào)制兩種。它們的區(qū)別就在于調(diào)制信號(hào)所用的基帶信號(hào)的模式不同而已(一為數(shù)字,一為模擬)。
(二)MAC層協(xié)議[3]。信號(hào)的傳輸要靠信道,因此信道也就成為了一種寶貴的資源。怎樣合理有效的分配信道,就是數(shù)據(jù)鏈路層中的MAC子層要解決的問(wèn)題了。
無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)經(jīng)常使用的有三種MAC協(xié)議:傳感器協(xié)議(S-MAC),分布式能量意識(shí)協(xié)議(DE-MAC)和協(xié)調(diào)設(shè)備協(xié)議。S-MAC協(xié)議通過(guò)調(diào)配節(jié)點(diǎn)的休眠方式來(lái)有效地分配信道;DE-MAC則采用周期性監(jiān)聽(tīng)和休眠機(jī)制,避免空閑監(jiān)聽(tīng)和串音,其目的是減少能耗和增加網(wǎng)絡(luò)的生存周期;MD協(xié)議則能為大規(guī)模、低占空比運(yùn)行的節(jié)點(diǎn)提供了不需要高精度時(shí)鐘的可靠通信。
總體來(lái)說(shuō),無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的MAC協(xié)議在分配信道的同時(shí)還要保證系統(tǒng)的能耗最低。
(三)路由。在具備底層傳輸協(xié)議的保障后,信息怎樣快速地從源傳輸?shù)侥康牡鼐褪怯陕酚蓞f(xié)議來(lái)解決了。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō),路由要實(shí)現(xiàn)兩個(gè)基本功能:確定最佳路徑和通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸信息。數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐緩酱嬗诼酚杀?由路由算法初始化并負(fù)責(zé)維護(hù)。
無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)與普通的網(wǎng)絡(luò)不同,它有自己的特點(diǎn):比如能量受限,通信方式以數(shù)據(jù)為中心,相鄰節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)有著相似性,拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也在不斷的變化等。與此對(duì)應(yīng),常規(guī)網(wǎng)絡(luò)的路由并不一定能適應(yīng)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。
下面來(lái)介紹幾種常見(jiàn)的路由協(xié)議:
1.泛洪式路由。這是一種非常傳統(tǒng)的路由協(xié)議。泛洪式路由不進(jìn)行維護(hù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜拖嚓P(guān)路由計(jì)算,只負(fù)責(zé)以廣播形式轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包,因此效率并不高。
2.SPIN。SPIN是一組基于協(xié)商并且具有能量自適應(yīng)功能的協(xié)議。節(jié)點(diǎn)之間通過(guò)協(xié)商來(lái)確定是否有發(fā)送信號(hào)的必要,并實(shí)時(shí)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)中的能量負(fù)載來(lái)改變工作模式。以上兩種協(xié)議都是平面路由協(xié)議,依照這種協(xié)議,節(jié)點(diǎn)并不進(jìn)行分區(qū)歸類(lèi)。
3.LEACH。LEACH是一種分層網(wǎng)絡(luò)協(xié)議,它以循環(huán)的方式隨機(jī)選擇簇首節(jié)點(diǎn),將全網(wǎng)絡(luò)的能量負(fù)載平均分配到每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn),從而達(dá)到降低網(wǎng)絡(luò)能源消耗的目的。這里要解釋一下簇,簇是分層路由協(xié)議的概念,根據(jù)分層路由協(xié)議,網(wǎng)絡(luò)被劃分成不同簇,每一個(gè)簇由一個(gè)簇首和簇成員組成,多個(gè)簇首形成高級(jí)的網(wǎng)絡(luò),簇首節(jié)點(diǎn)不僅負(fù)責(zé)其轄下簇內(nèi)信息的收集和融合處理,還負(fù)責(zé)簇之間數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)。
4.PEGASIS。PEGASIS可謂LEACH的升級(jí)版本。按照其規(guī)定,只有最為鄰近的節(jié)點(diǎn)才相互通信,節(jié)點(diǎn)與匯聚點(diǎn)輪流通信,當(dāng)所有的節(jié)點(diǎn)都與匯聚點(diǎn)通信后,節(jié)點(diǎn)再進(jìn)行新一回合的輪流通信。
(四)軟件的支持[4]。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)也有一個(gè)屬于自己的操作系統(tǒng)TinyOS。這個(gè)系統(tǒng)不同于傳統(tǒng)意義上的操作系統(tǒng),它更像一個(gè)編程構(gòu)架,在此構(gòu)架下,搭配一組必要的組件,就能方便地編譯出面向特定應(yīng)用的操作系統(tǒng)。
TinyOS由眾多組件組成,包括了主組件、應(yīng)用組件、執(zhí)行組件、傳感組件、通信組件和硬件抽象組件。每一個(gè)組件在其內(nèi)部都封裝了命令處理程序和事件處理程序,它們通過(guò)接口聲明所調(diào)用的命令和將要觸發(fā)的事件。調(diào)度器則負(fù)責(zé)根據(jù)任務(wù)的輕重緩急來(lái)安排系統(tǒng)的工作。
四、結(jié)束語(yǔ)
無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)這種新興的技術(shù)發(fā)展迅猛,已經(jīng)成為無(wú)線網(wǎng)絡(luò)研究的熱點(diǎn)。在全球范圍內(nèi)此技術(shù)目前基本處于理論研究和實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)階段,國(guó)內(nèi)的研究起步也開(kāi)始不久,從理論上和實(shí)際應(yīng)用都有待于深入研究。
參考文獻(xiàn):
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作者簡(jiǎn)介:
關(guān)鍵詞： 無(wú)線傳感器；網(wǎng)絡(luò)；節(jié)點(diǎn)
中圖分類(lèi)號(hào)：TN915 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671－7597（2012）0220062－01
無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)使人們實(shí)現(xiàn)了耳聽(tīng)八方、眼看千里的夢(mèng)想，在現(xiàn)代衛(wèi)星技術(shù)出現(xiàn)以后，人們實(shí)現(xiàn)了洞察全局、明察細(xì)微設(shè)備的使用，也就職把許許多多的傳感器節(jié)點(diǎn)等待在指定的區(qū)域，將數(shù)據(jù)借助無(wú)線電波進(jìn)行傳播，然后回到監(jiān)控中心，在監(jiān)控區(qū)域內(nèi)就會(huì)收到所有的信息。
1 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的組成和特點(diǎn)
1.1 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)組成
可以將無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)分為控制管理中心、數(shù)據(jù)分布網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)獲取三部分。它主要有傳感器、通信模塊以及數(shù)據(jù)處理單元的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行集成，各個(gè)節(jié)點(diǎn)遵循自己的協(xié)議，構(gòu)成了一個(gè)分布式的網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)一步對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化，再通過(guò)無(wú)線電波傳到信息處理的中心。
1.2 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)
無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中具有較多的節(jié)點(diǎn)，并且它們是不斷地變化的，這使它具有了和其它普通傳感器網(wǎng)絡(luò)不同的獨(dú)特“個(gè)性”。
1）自行組網(wǎng)及沒(méi)有中心的特性。在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，所有節(jié)點(diǎn)具有平等的地位，這一網(wǎng)絡(luò)沒(méi)有預(yù)設(shè)的中心，更不會(huì)指定任何中心，各個(gè)節(jié)點(diǎn)借助分布式算法完成他們之間的協(xié)調(diào)，在沒(méi)有人看守時(shí)，各個(gè)節(jié)點(diǎn)就會(huì)對(duì)網(wǎng)絡(luò)自發(fā)組織起來(lái)，進(jìn)行具體測(cè)量。2）動(dòng)態(tài)變化呈網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)的變化是無(wú)時(shí)不有，無(wú)處不在的，在這種變化的環(huán)境中，它的狀態(tài)也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，再加上無(wú)線通信信道具有不穩(wěn)定的特性，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也會(huì)因此自行調(diào)整，發(fā)生一定的變化。3）有限的傳輸能力。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)借助無(wú)線電波對(duì)數(shù)據(jù)完成傳輸，這樣可以省去布線的麻煩，但是與有線網(wǎng)絡(luò)相比較，它的不足是帶寬低，這一點(diǎn)還需要在技術(shù)方面進(jìn)行克服。然而，由于單個(gè)的節(jié)點(diǎn)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸?shù)牧枯^小，這個(gè)缺點(diǎn)產(chǎn)生的不足還很小，人們可以接受。4）受限的能量。為了測(cè)量出比較真實(shí)的具體值，各個(gè)節(jié)點(diǎn)在需要測(cè)量區(qū)域呈密集性地分布，一般不采取人工補(bǔ)充能量的方法。每個(gè)節(jié)點(diǎn)自身儲(chǔ)備了可以長(zhǎng)期使用的能量，有的可以在外界獲取相應(yīng)的能量，比如太陽(yáng)能的汲取。5）存在安全隱患。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)最容易受到外界的攻擊，這主要是因?yàn)榉植际娇刂?、有限的能量、無(wú)線信道的干擾。所以出現(xiàn)了主動(dòng)入侵、被動(dòng)竊聽(tīng)、拒絕服務(wù)等常見(jiàn)的攻擊方式。
2 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用
2.1 軍事方面的應(yīng)用。對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行研究，較早應(yīng)用是在軍事領(lǐng)域。因?yàn)樗哂锌奢^快地部署、自行組織、較強(qiáng)的隱蔽性及容錯(cuò)性較高的特性，所以它可以完成對(duì)敵軍地形的偵察，也可以完成對(duì)兵力的布防以及對(duì)裝備的偵察，還可以完成對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)監(jiān)視、定位，還可以完成戰(zhàn)場(chǎng)評(píng)估、核攻擊以及生物化學(xué)攻擊的監(jiān)測(cè)與搜索的功能。
2.2 環(huán)境方面的應(yīng)用。對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用，可以涉及到氣象及地理方面，人們對(duì)自然與人為災(zāi)害進(jìn)行監(jiān)測(cè)，人們要對(duì)農(nóng)作物的澆和土壤、空氣的變化、家禽及牲畜所在的環(huán)境情況進(jìn)行監(jiān)視，并通過(guò)它做大面積的地表檢測(cè)，還要通過(guò)它對(duì)自然界中的各種鳥(niǎo)類(lèi)、動(dòng)物以及昆蟲(chóng)進(jìn)行無(wú)線跟蹤，對(duì)瀕危種群做進(jìn)一步的研究等。
美國(guó)在ALERT的計(jì)劃中，研究人員對(duì)多種傳感器進(jìn)行了開(kāi)發(fā)，并用它來(lái)對(duì)降雨量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，對(duì)河水水位及土壤水分做出監(jiān)測(cè)，并依據(jù)所得出的數(shù)據(jù)對(duì)一些自然災(zāi)害進(jìn)行預(yù)防。
2.3 醫(yī)療方面的應(yīng)用。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)還可以對(duì)人體的各項(xiàng)生理數(shù)據(jù)及健康情況做出檢沒(méi)，借助它對(duì)醫(yī)院的藥品做好管理工作，并將它應(yīng)用到遠(yuǎn)程醫(yī)療等相關(guān)的醫(yī)療領(lǐng)域。在SSIM這個(gè)項(xiàng)目中，醫(yī)生將100個(gè)微型傳感器放入病人的眼里，使盲人能夠有一定程度的視覺(jué)提高?？茖W(xué)家還大膽地借助它對(duì)“智能醫(yī)療之家”進(jìn)行了創(chuàng)建，也就是在一個(gè)5間房的小區(qū)住宅內(nèi)，利用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)對(duì)生命體征進(jìn)行測(cè)量，住戶(hù)的主要生命體征，比如血壓、脈搏、呼吸、睡覺(jué)姿勢(shì)以及每天的活動(dòng)情況都被測(cè)量并進(jìn)行了數(shù)據(jù)保存，利用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)對(duì)搜集到的數(shù)據(jù)被整理，送到相應(yīng)的醫(yī)療機(jī)構(gòu)，進(jìn)行相應(yīng)的研究。比如哈佛大學(xué)的一個(gè)研究小組就是利用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)絡(luò)構(gòu)，建立了一個(gè)醫(yī)療監(jiān)測(cè)平臺(tái)。
2.4 家庭中的應(yīng)用。技術(shù)人員可以將無(wú)線傳感器嵌入到家具及家電中，將傳感器與執(zhí)行單元組成的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)還有Internet相連接，可以為人們提供比較舒服、便得以及人性化的智能家居環(huán)境。用戶(hù)還可以更方便簡(jiǎn)潔地對(duì)家電做到遠(yuǎn)程監(jiān)控，比如在下班前對(duì)家里的電飯鍋、電話(huà)機(jī)、微波爐、錄像機(jī)、電腦等家電進(jìn)行搖控，按照容量的大小和時(shí)間的安排，設(shè)置煮飯、燒菜的時(shí)間，并安排好對(duì)電話(huà)留言的查收，對(duì)電視節(jié)目的選擇，和網(wǎng)絡(luò)資料的下載等工作。在對(duì)家居環(huán)境進(jìn)行控制時(shí)，把傳感器的節(jié)點(diǎn)安放在各自不同的房間，讓他產(chǎn)生不同的感應(yīng)。另外，我們可以對(duì)各個(gè)房間的環(huán)境溫度做到局部的控制，甚至利用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)還能夠?qū)τ變旱脑缙诮逃h(huán)境做出監(jiān)測(cè)，對(duì)兒童的活動(dòng)范圍進(jìn)行跟蹤，使這里的研究人員、兒童的父母或者是他們的老師對(duì)他們進(jìn)行全面地了解，并對(duì)兒童的學(xué)習(xí)過(guò)程地行行之有效的指導(dǎo)。
2.5 工業(yè)方面的應(yīng)用。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以對(duì)車(chē)輛進(jìn)行跟蹤、對(duì)機(jī)械故障做出正確的診斷、對(duì)工業(yè)生產(chǎn)進(jìn)行計(jì)劃地監(jiān)控、對(duì)建筑物的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)等。將無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)與RFID技術(shù)相融合，可以實(shí)現(xiàn)智能交通?？梢园阉陀迷谳^危險(xiǎn)的工作環(huán)境，比如在石油鉆井、煤礦、核電廠等的運(yùn)用，利用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)以后，可以對(duì)工作現(xiàn)場(chǎng)的比較重要信息進(jìn)行探測(cè)。
2.6 機(jī)械故障診斷方面的應(yīng)用。Intel公司做過(guò)一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，就是對(duì)芯片制造設(shè)備做節(jié)點(diǎn)的安裝，借助所安裝的200個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)，對(duì)設(shè)備的振動(dòng)情況進(jìn)行監(jiān)控，當(dāng)測(cè)量結(jié)果超過(guò)了相關(guān)數(shù)值時(shí)，無(wú)線傳感器會(huì)提供一份監(jiān)測(cè)報(bào)告。在美國(guó)的貝克特營(yíng)建集團(tuán)公司早已經(jīng)在倫敦的地鐵系統(tǒng)中大膽地對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)做了檢測(cè)。對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用，可以使大樓、橋梁以及其他建筑物進(jìn)行感知，并對(duì)自身的狀態(tài)信息做出匯報(bào)。
3 結(jié)束語(yǔ)
總而言之，傳感器網(wǎng)絡(luò)在當(dāng)前是國(guó)內(nèi)外的熱點(diǎn)項(xiàng)目，它具有廣闊的發(fā)展空間，它的未來(lái)應(yīng)用更廣泛，對(duì)技術(shù)要求較高。在近幾年的研究中，人們對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)自身的特點(diǎn)得到了更深刻的認(rèn)識(shí)，在技術(shù)上積累了經(jīng)驗(yàn)，有所進(jìn)步。它是一門(mén)先進(jìn)的技術(shù)，對(duì)它的研究還需要科技工作者不斷的努力。在國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家的努力下，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)一定會(huì)以全新的局面展現(xiàn)在大家面前，必將更好、更廣地應(yīng)用于各行各業(yè)，并造福于人類(lèi)、造福于社會(huì)。
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[關(guān)鍵詞]無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)
中圖分類(lèi)號(hào)：TP39 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-0278（2013）03-171-01
一、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的定義
無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN，Wireless Sensor Networks）是由大量具有通信和計(jì)算能力的微型傳感器節(jié)點(diǎn)密集分布在監(jiān)控區(qū)域內(nèi)部或附近，協(xié)作地監(jiān)控不同位置的物理或環(huán)境狀況，且能夠根據(jù)周?chē)h(huán)境自主完成指定任務(wù)的智能測(cè)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。它綜合了傳感器、網(wǎng)絡(luò)通信、嵌入式計(jì)算、無(wú)線傳輸、分布式信息處理等領(lǐng)域技術(shù)，能夠通過(guò)大量微型傳感器協(xié)作地監(jiān)測(cè)、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋的地理區(qū)域中感知對(duì)象的信息，并把信息給用戶(hù)。
二、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本特征
與數(shù)字蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)（GSM）、藍(lán)牙（Bluetooth）、無(wú)線局域網(wǎng)（WLAN）等無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)不同，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是類(lèi)似于傳統(tǒng)Ad-hoe網(wǎng)絡(luò)，沒(méi)有基站設(shè)備支持，自組織、自管理的多跳網(wǎng)絡(luò)。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是Ad-Hoe網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用在傳感器技術(shù)中的一種具有動(dòng)態(tài)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的組織網(wǎng)絡(luò)。
1.自組織的網(wǎng)絡(luò)：無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)通常具備自組織能力；
2.自管理的網(wǎng)絡(luò)：無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)通常具備自管理能力；
3.網(wǎng)絡(luò)規(guī)模大，分布密集：無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)數(shù)量多于傳統(tǒng)Ad-hoc網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)數(shù)量，并且分布密度大；
4.網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)易出錯(cuò)：無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)較之傳統(tǒng)Ad-hoe網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)更容易出錯(cuò)；
5.單個(gè)節(jié)點(diǎn)能力較弱：無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)的計(jì)算能力、存儲(chǔ)能力十分有限，無(wú)法進(jìn)行復(fù)雜的計(jì)算和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)；
6.節(jié)點(diǎn)間廣播式通信：無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)主要采用廣播方式通信，而傳統(tǒng)Ad-hoe網(wǎng)絡(luò)大都采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信；
7.以數(shù)據(jù)為中心的網(wǎng)絡(luò)：與數(shù)據(jù)為中心的含義指無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行時(shí)，通常只關(guān)心整個(gè)任務(wù)的執(zhí)行情況，用戶(hù)在使用網(wǎng)絡(luò)查詢(xún)事件時(shí)，只關(guān)心是否獲得了所需的數(shù)據(jù)，不關(guān)心數(shù)據(jù)是由哪個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)來(lái)。
三、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展
1998年，美國(guó)在先進(jìn)國(guó)防研究項(xiàng)目局（DARPA）的一個(gè)研究項(xiàng)目中第一次提出無(wú)線自組織傳感器網(wǎng)絡(luò)的概念。
2000年IEEE協(xié)會(huì)成立了IEEE802.15.4工作組，其目標(biāo)是開(kāi)發(fā)一種供廉價(jià)的固定、便攜式或者移動(dòng)設(shè)備使用的低復(fù)雜度，低成本，低速率與功耗的無(wú)線傳輸技術(shù)。2003年IEEE推出了IEEE802.15.4的PHY物理層與MAC媒體接入控制層，其主要的特點(diǎn)就是低成本，易實(shí)現(xiàn)，可靠的近距離傳輸操作，而且可以在一個(gè)PAN（Personal area network，其范圍為5-10米）里使用同一信道卻有效避免沖突。在IEEE802.15.4里定義了兩種網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)：全功能節(jié)點(diǎn)與半功能節(jié)點(diǎn)。全功能節(jié)點(diǎn)可以與任何一個(gè)其它的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通訊而半功能節(jié)點(diǎn)只能與全功能節(jié)點(diǎn)通訊。另外，超寬帶無(wú)線通信（UWB[16]）以其高速率、低功耗、抗多徑、低成本等諸多優(yōu)勢(shì)，已成為室內(nèi)短距離無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的首選方案，這為WSN網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸開(kāi)辟了一種嶄新的方案。
關(guān)鍵詞：無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)；體系結(jié)構(gòu)；關(guān)鍵技術(shù)；應(yīng)用
中圖分類(lèi)號(hào)：TP393文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A
1概述
無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是新一代的網(wǎng)絡(luò)，有著非常廣泛的應(yīng)用前景，將來(lái)會(huì)給人類(lèi)的生活和生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域帶來(lái)深遠(yuǎn)影響。近十年來(lái)，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)掀起了新的產(chǎn)業(yè)浪潮。我國(guó)未來(lái)20年預(yù)見(jiàn)技術(shù)的調(diào)查報(bào)告中，信息領(lǐng)域157項(xiàng)技術(shù)課題有7項(xiàng)與傳感器網(wǎng)絡(luò)直接相關(guān)。2006年初的《國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)與技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要》為信息技術(shù)確定了三個(gè)前沿方向，其中兩個(gè)與無(wú)線傳感器的研究直接相關(guān)，即智能感知技術(shù)和自組織網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。可以預(yù)計(jì)，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究與應(yīng)用是一種必然趨勢(shì)，它的出現(xiàn)將會(huì)給人類(lèi)社會(huì)帶來(lái)極大的變革。
2無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的定義及體系結(jié)構(gòu)
無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的定義：無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)就是由安裝在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)大量的微型傳感器組成，通過(guò)無(wú)線通信方式形成的一個(gè)多跳自組織的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其目的是感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中感知對(duì)象的信息，并發(fā)送給觀察者。
傳感器，感知對(duì)象和觀察者是傳感器網(wǎng)絡(luò)的三個(gè)基本要素。
無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)和傳統(tǒng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)有著不同的體系結(jié)構(gòu)。無(wú)線傳感器是由節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)以及網(wǎng)絡(luò)協(xié)議體系結(jié)構(gòu)來(lái)描述的。
傳感器節(jié)點(diǎn)由四部分組成：傳感器模塊、處理器模塊、無(wú)線通信模塊和電源模塊，
傳感器模塊負(fù)責(zé)采集監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的信息，并進(jìn)行數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換，將原始的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，將交流信號(hào)轉(zhuǎn)換成直流信號(hào)，以供后續(xù)模塊使用；處理器模塊又分成兩部分，分別是處理器和存儲(chǔ)器，它們分別負(fù)責(zé)處理節(jié)點(diǎn)的控制和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的工作；無(wú)線通信模塊專(zhuān)門(mén)負(fù)責(zé)節(jié)點(diǎn)之間的相互通信；電源模塊為傳感器節(jié)點(diǎn)提供能量，一般都是采用微型電池供電。
無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是由傳感器節(jié)點(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)和管理節(jié)點(diǎn)組成。大量傳感器節(jié)點(diǎn)隨機(jī)部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域，通過(guò)自組織的方式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)。傳感器節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)通過(guò)其它傳感器節(jié)點(diǎn)逐跳地在網(wǎng)絡(luò)中傳輸，傳輸過(guò)程中數(shù)據(jù)可能被多個(gè)節(jié)點(diǎn)處理，經(jīng)過(guò)多跳后路由到匯聚節(jié)點(diǎn)，最后通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)或者衛(wèi)星到達(dá)數(shù)據(jù)處理中心。也可以沿著相反的方向，通過(guò)管理節(jié)點(diǎn)對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行管理，監(jiān)測(cè)任務(wù)以及收集監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。
網(wǎng)絡(luò)協(xié)議體系結(jié)構(gòu)是網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議分層以及網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的集合，是對(duì)網(wǎng)絡(luò)及其部件應(yīng)完成功能的定義與描述。由網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議、傳感器網(wǎng)絡(luò)管理以及應(yīng)用支撐技術(shù)組成。
分層的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議結(jié)構(gòu)類(lèi)似于傳統(tǒng)的TCP/IP協(xié)議體系結(jié)構(gòu)，由物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層和應(yīng)用層組成。
網(wǎng)絡(luò)管理技術(shù)主要是對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)自身的管理以及用戶(hù)對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)的管理。網(wǎng)絡(luò)管理模塊是網(wǎng)絡(luò)故障管理、計(jì)費(fèi)管理、配置管理、性能管理的總和。其他還包括網(wǎng)絡(luò)安全模塊、移動(dòng)控制模塊、遠(yuǎn)程管理模塊。傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用支撐技術(shù)為用戶(hù)提供各種應(yīng)用支撐，包括時(shí)間同步、節(jié)點(diǎn)定位，以及向用戶(hù)提供應(yīng)用服務(wù)接口。
3無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)
目前常見(jiàn)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)包括移動(dòng)通信網(wǎng)、無(wú)線局域網(wǎng)、藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)、Adhoc網(wǎng)絡(luò)等，與無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在通信方式、動(dòng)態(tài)組網(wǎng)以及多跳通信等方面有許多相似之處，但同時(shí)也存在很大的差別。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有許多鮮明的特點(diǎn)：
3.1 電源能量有限
傳感器節(jié)點(diǎn)體積微小，電池的能量有限，且傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)量多，分布區(qū)域廣，部署區(qū)域環(huán)境復(fù)雜，有些區(qū)域甚至人員不能到達(dá)，所以傳感器節(jié)點(diǎn)通過(guò)更換電池的方式來(lái)補(bǔ)充能源是不現(xiàn)實(shí)的。如何產(chǎn)生新的能源，最大化網(wǎng)絡(luò)的生命周期，是傳感器網(wǎng)絡(luò)面臨的首要挑戰(zhàn)。
3.2 通信能力有限
傳感器網(wǎng)絡(luò)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。傳感器節(jié)點(diǎn)之間的通信斷接頻繁，經(jīng)常容易導(dǎo)致通信失敗。由于傳感器網(wǎng)絡(luò)更多地受到高山、建筑物、障礙物等地勢(shì)地貌以及風(fēng)雨雷電等自然環(huán)境的影響，傳感器可能會(huì)長(zhǎng)時(shí)間脫離網(wǎng)絡(luò)，離線工作。如何在有限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，也是傳感器網(wǎng)絡(luò)面臨的挑戰(zhàn)。
3.3 網(wǎng)絡(luò)規(guī)模大，分布廣且計(jì)算能力有限
傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)分布廣泛且密集，數(shù)量巨大，可能達(dá)到幾百、幾千萬(wàn)，甚至更多。這一特點(diǎn)使得網(wǎng)絡(luò)的維護(hù)十分困難甚至不可維護(hù)，因此傳感器網(wǎng)絡(luò)的軟、硬件必須具有高強(qiáng)壯性和容錯(cuò)性。然而傳感器節(jié)點(diǎn)是一種微型嵌入式設(shè)備，要求價(jià)格低功耗小，這些限制必然導(dǎo)致其攜帶的處理器能力比較弱，存儲(chǔ)器容量比較小。為了完成各種任務(wù)，傳感器節(jié)點(diǎn)需要完成監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的采集和轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)的管理和處理、應(yīng)答匯聚節(jié)點(diǎn)的任務(wù)請(qǐng)求和節(jié)點(diǎn)控制等多種工作。如何利用有限的計(jì)算和存儲(chǔ)資源完成諸多協(xié)同任務(wù)成為傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的挑戰(zhàn)。
3.4 以數(shù)據(jù)為中心的網(wǎng)絡(luò)和自組織、動(dòng)態(tài)性網(wǎng)絡(luò)
傳感器網(wǎng)絡(luò)的核心是感知數(shù)據(jù)，而不是網(wǎng)絡(luò)硬件。在傳感器網(wǎng)絡(luò)中，傳感器節(jié)點(diǎn)不需要地址之類(lèi)的標(biāo)識(shí)。所以傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種以數(shù)據(jù)為中心的網(wǎng)絡(luò)。
在傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中，傳感器節(jié)點(diǎn)的位置不能預(yù)先精確設(shè)定，節(jié)點(diǎn)之間的相互鄰居關(guān)系預(yù)先也不知道，而是通過(guò)隨機(jī)布撒的方式。這就要求傳感器節(jié)點(diǎn)具有自組織能力，能夠自動(dòng)進(jìn)行配置和管理，通過(guò)拓?fù)淇刂茩C(jī)制和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議自動(dòng)形成轉(zhuǎn)發(fā)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的多跳無(wú)線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。同時(shí)，由于部分傳感器節(jié)點(diǎn)能量耗盡或環(huán)境因素造成失效，以及經(jīng)常有新的節(jié)點(diǎn)加入，這就要求傳感器網(wǎng)絡(luò)必須具有很強(qiáng)的適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)變化。
傳感器網(wǎng)絡(luò)用來(lái)感知客觀物理世界，獲取物理世界的信息量。不同的傳感器關(guān)心不同的物理量，因此對(duì)傳感器的應(yīng)用系統(tǒng)也有多種多樣的要求。不同的應(yīng)用背景對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)的要求不同，其硬件平臺(tái)、軟件系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議必然有很大差別，在開(kāi)發(fā)傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用時(shí)，更關(guān)心傳感器網(wǎng)絡(luò)差異。針對(duì)每個(gè)具體應(yīng)用來(lái)研究傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，這是傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)不同于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的顯著特征。
4無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用
4.1 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)
無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)目前研究的難點(diǎn)涉及通信、組網(wǎng)、管理、分布式信息處理等多個(gè)方面。主要關(guān)鍵技術(shù)如下：
4.1.1 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涔芾?/p>
無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是自組織的。目前的研究方向是在滿(mǎn)足網(wǎng)絡(luò)覆蓋度和連通度的情況下，通過(guò)選擇路由路徑，生成一個(gè)能高效的轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。拓?fù)涔芾碛泄?jié)點(diǎn)功率控制和層次型拓?fù)淇刂苾煞N。前一種方法是控制每個(gè)節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率，均衡節(jié)點(diǎn)單跳可達(dá)的鄰居數(shù)目。而層次型拓?fù)淇刂撇捎梅执貦C(jī)制，有一些節(jié)點(diǎn)作為簇頭，它將作為一個(gè)簇的中心，簇內(nèi)每個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)都要通過(guò)它來(lái)轉(zhuǎn)發(fā)。
4.1.2 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議
因?yàn)閭鞲衅鞴?jié)點(diǎn)具有計(jì)算能力、存儲(chǔ)能力、通信能力且攜帶的能量有限，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都只能獲得局部網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔ⅲ诠?jié)點(diǎn)上運(yùn)行的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議也要盡可能的簡(jiǎn)單。目前研究的重點(diǎn)主要集中在網(wǎng)絡(luò)層和MAC層上。網(wǎng)絡(luò)層的路由協(xié)議主要控制信息的傳輸路徑。好的路由協(xié)議不但能考慮到每個(gè)節(jié)點(diǎn)的能耗，還要能夠關(guān)心整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的能耗均衡，使得網(wǎng)絡(luò)的壽命盡可能的保持的長(zhǎng)一些。MAC層協(xié)議主要控制介質(zhì)訪問(wèn)，控制節(jié)點(diǎn)通信過(guò)程和工作模式。設(shè)計(jì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的MAC協(xié)議首先要考慮的是節(jié)省能量和可擴(kuò)展性。由于能量消耗主要發(fā)生在載波偵聽(tīng)，碰撞重傳和接收到不需要的數(shù)據(jù)處理等方面，MAC層協(xié)議的研究也主要在如何減少上述3種情況從而降低能量消耗以延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)和節(jié)點(diǎn)壽命。
4.1.3 網(wǎng)絡(luò)安全
數(shù)據(jù)的安全性，這主要從兩個(gè)方面考慮：一方面是從維護(hù)路由安全的角度出發(fā)以保證網(wǎng)絡(luò)的安全?，F(xiàn)已提出了一種叫“有安全意識(shí)的路由”的方法，其思想是找出真實(shí)值和節(jié)點(diǎn)之間的關(guān)系，然后利用這些真實(shí)值來(lái)生成安全的路由。另一方面是把重點(diǎn)放在安全協(xié)議方面。在具體的技術(shù)實(shí)現(xiàn)上，先假定基站總是正常工作的，并且總是安全的，滿(mǎn)足必要的計(jì)算速度、存儲(chǔ)器容量，基站功率滿(mǎn)足加密和路由的要求；通信模式是點(diǎn)到點(diǎn)，通過(guò)端到端的加密保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩浴；谝陨锨疤幔湫偷陌踩珕?wèn)題可以總結(jié)為：信息被非法用戶(hù)截獲；一個(gè)節(jié)點(diǎn)遭破壞；識(shí)別偽節(jié)點(diǎn)；如何向已有傳感器網(wǎng)絡(luò)添加合法的節(jié)點(diǎn)等四個(gè)方面。
4.1.4 定位技術(shù)
位置信息是傳感器節(jié)點(diǎn)采集數(shù)據(jù)中重要的一部分，沒(méi)有位置信息的監(jiān)測(cè)消息可能毫無(wú)意義。節(jié)點(diǎn)定位是確定傳感器的每個(gè)節(jié)點(diǎn)的相對(duì)位置或絕對(duì)位置。節(jié)點(diǎn)定位在軍事偵察、環(huán)境檢測(cè)、緊急救援等應(yīng)用中尤其重要。節(jié)點(diǎn)定位分為集中定位方式和分布定位方式。定位機(jī)制也必須要滿(mǎn)足自組織性，魯棒性，能量高效和分布式計(jì)算等要求。定位技術(shù)也主要有兩種方式：基于距離的定位和距離無(wú)關(guān)的定位。其中基于距離的定位對(duì)硬件要求比較高，通常精度也比較高。距離無(wú)關(guān)的定位對(duì)硬件要求較小，受環(huán)境因素的影響也較小，雖然誤差較大，但是其精度已經(jīng)足夠滿(mǎn)足大多數(shù)傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的要求，所以這種定位技術(shù)是研究的重點(diǎn)。
4.1.5 時(shí)間同步技術(shù)
傳感器網(wǎng)絡(luò)中的通信協(xié)議和應(yīng)用，比如基于TDMA的MAC協(xié)議和敏感時(shí)間的監(jiān)測(cè)任務(wù)等，要求節(jié)點(diǎn)間的時(shí)鐘必須保持同步。有人曾提出了一種簡(jiǎn)單實(shí)用的同步策略。其基本思想是，節(jié)點(diǎn)以自己的時(shí)鐘記錄事件，隨后用第三方廣播的基準(zhǔn)時(shí)間加以校正，精度依賴(lài)于對(duì)這段間隔時(shí)間的測(cè)量。這種同步機(jī)制應(yīng)用在確定來(lái)自不同節(jié)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)事件的先后關(guān)系時(shí)有足夠的精度，設(shè)計(jì)高精度的時(shí)鐘同步機(jī)制是傳感網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)和應(yīng)用中的一個(gè)技術(shù)難點(diǎn)。
4.1.6 數(shù)據(jù)融合
傳感器網(wǎng)絡(luò)為了有效的節(jié)省能量，可以在傳感器節(jié)點(diǎn)收集數(shù)據(jù)的過(guò)程中，利用本地計(jì)算和存儲(chǔ)能力將數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，取出冗余信息，從而達(dá)到節(jié)省能量的目的。數(shù)據(jù)融合可以在多個(gè)層次中進(jìn)行。在應(yīng)用層中，可以應(yīng)用分布式數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，達(dá)到融合效果。在網(wǎng)絡(luò)層中，很多路由協(xié)議結(jié)合了數(shù)據(jù)融合技術(shù)來(lái)減少數(shù)據(jù)傳輸量。MAC層也能減少發(fā)送沖突和頭部開(kāi)銷(xiāo)來(lái)達(dá)到節(jié)省能量的目的。當(dāng)然，數(shù)據(jù)融合是以犧牲延時(shí)等代價(jià)來(lái)?yè)Q取能量的節(jié)約。
4.2 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用
無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用前景非常廣闊，隨著無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的深入研究和廣泛應(yīng)用，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)將逐漸深入到人類(lèi)生活的各個(gè)領(lǐng)域。
4.2.1 軍事方面
傳感器網(wǎng)絡(luò)具有可快速部署，可自組織，隱蔽性強(qiáng)和高容錯(cuò)等特點(diǎn)，因此非常適合在軍事上應(yīng)用。傳感器網(wǎng)絡(luò)是由大量隨機(jī)分布的節(jié)點(diǎn)組成，即使一部分傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)被敵方破壞，剩下的節(jié)點(diǎn)依然能夠自組織地形成網(wǎng)絡(luò)。利用傳感器網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)敵軍兵力和裝備的監(jiān)控，戰(zhàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)監(jiān)視，目標(biāo)的定位，戰(zhàn)場(chǎng)評(píng)估，核攻擊和生物化學(xué)攻擊的監(jiān)測(cè)和搜索等功能。例如，傳感器網(wǎng)絡(luò)可以通過(guò)分析采集到的數(shù)據(jù)，得到十分準(zhǔn)確的目標(biāo)定位，從而為火控和制導(dǎo)系統(tǒng)提供準(zhǔn)確的制導(dǎo)。利用生物和化學(xué)傳感器，可以準(zhǔn)確地探測(cè)到生化武器的成分，及時(shí)提供情報(bào)信息，有助于正確防范和實(shí)施有效的反擊。
4.2.2 環(huán)境科學(xué)
隨著人們對(duì)于環(huán)境的日益關(guān)注，環(huán)境科學(xué)所涉及的范圍越來(lái)越廣泛。通過(guò)傳統(tǒng)方式采集原始數(shù)據(jù)是一件困難的工作。傳感器網(wǎng)絡(luò)為野外隨機(jī)性的研究數(shù)據(jù)獲取提供了方便，比如，跟蹤候鳥(niǎo)和昆蟲(chóng)的遷移，研究環(huán)境變化對(duì)農(nóng)作物的影響，監(jiān)測(cè)海洋、大氣和土壤的成分等。此外，傳感器網(wǎng)絡(luò)也可以應(yīng)用在精細(xì)農(nóng)業(yè)中，以監(jiān)測(cè)農(nóng)作物中的害蟲(chóng)、土壤的酸堿度和施肥狀況等。傳感器網(wǎng)絡(luò)還有一個(gè)重要應(yīng)用就是生態(tài)多樣性的描述，能夠進(jìn)行動(dòng)物棲息的生態(tài)監(jiān)控。
4.2.3 智能家居
無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)還能夠應(yīng)用在家居系統(tǒng)中。例如，2004年3月英特爾公司演示了家庭護(hù)理的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過(guò)在鞋、家具以家用電器等設(shè)備中嵌入半導(dǎo)體傳感器，幫助老齡人士、以及殘障人士的家庭生活，利用無(wú)線通信將各傳感器聯(lián)網(wǎng)可高效傳遞必要的信息從而方便接受護(hù)理。智能家居網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是將家庭中各種與信息有關(guān)的通訊設(shè)備、家用電器和家庭保安裝置通過(guò)家庭總線技術(shù)連接到一個(gè)家庭智能化系統(tǒng)上進(jìn)行集中的或者異地的監(jiān)視、控制和家庭事務(wù)性管理，并保持家庭設(shè)施與住宅環(huán)境的和諧與協(xié)調(diào)的系統(tǒng)。
4.2.4 醫(yī)療健康
如果在住院病人身上安裝特殊用途的傳感器節(jié)點(diǎn)，如心率和血壓監(jiān)測(cè)設(shè)備，利用傳感器網(wǎng)絡(luò)，醫(yī)生就可以隨時(shí)了解被監(jiān)護(hù)病人的病情，進(jìn)行及時(shí)處理。還可以利用傳感器網(wǎng)絡(luò)長(zhǎng)時(shí)間地收集人的生理數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)在研制新藥品的過(guò)程中是非常有用的，而安裝在被監(jiān)測(cè)對(duì)象身上的微型傳感器也不會(huì)給人的正常生活帶來(lái)不便。此外，在藥物管理等諸多方面，它也有新穎而獨(dú)特的應(yīng)用。總之，傳感器網(wǎng)絡(luò)為未來(lái)的遠(yuǎn)程醫(yī)療提供了更加方便、快捷的技術(shù)實(shí)現(xiàn)手段。
4.2.5 空間探索
探索外部星球一直是人類(lèi)夢(mèng)寐以求的理想，借助于航天器布撒的傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)對(duì)星球表面長(zhǎng)時(shí)間的監(jiān)測(cè)，應(yīng)該是一種經(jīng)濟(jì)可行的方案。NASA的JPL實(shí)驗(yàn)室研制的Sensor Webs就是為將來(lái)的火星探測(cè)進(jìn)行技術(shù)準(zhǔn)備的，已在佛羅里達(dá)宇航中心周?chē)沫h(huán)境監(jiān)測(cè)項(xiàng)目中進(jìn)行測(cè)試和完善。
4.2.6 其他商業(yè)應(yīng)用
自組織、微型化和對(duì)外部世界的感知能力是傳感器網(wǎng)絡(luò)的三大特點(diǎn)，這些特點(diǎn)決定了傳感器網(wǎng)絡(luò)在商業(yè)領(lǐng)域應(yīng)該也會(huì)有不少的機(jī)會(huì)。比如，嵌入家具和家電中的傳感器與執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)與Internet連接在一起將會(huì)為我們提供更加舒適、方便和具有人性化的智能家居環(huán)境；城市車(chē)輛監(jiān)測(cè)和跟蹤系統(tǒng)中成功地應(yīng)用了傳感器網(wǎng)絡(luò)；美國(guó)某研究機(jī)構(gòu)正在利用傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為足球裁判研制一套輔助系統(tǒng)，以減小足球比賽中越位和進(jìn)球的誤判率，這套設(shè)備現(xiàn)在已經(jīng)研制成功。此外，在災(zāi)難拯救、倉(cāng)庫(kù)管理、交互式博物館、交互式玩具、工廠自動(dòng)化生產(chǎn)線等眾多領(lǐng)域，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)都將會(huì)孕育出全新的設(shè)計(jì)和應(yīng)用模式。
5結(jié)束語(yǔ)
由于具有覆蓋區(qū)域廣闊、監(jiān)測(cè)高精度、可遠(yuǎn)程監(jiān)控、可快速部署、可自組織和高容錯(cuò)性等特點(diǎn)，盡管目前無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)仍處于初步應(yīng)用階段，網(wǎng)絡(luò)安全研究等方面還面臨著許多不確定的因素和有待解決的問(wèn)題，但已經(jīng)展示出了非凡的應(yīng)用價(jià)值。相信在不久的將來(lái)，會(huì)對(duì)人們的生產(chǎn)生活起到不可估量的作用。
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關(guān)鍵詞：無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)；網(wǎng)絡(luò)管理；拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；節(jié)能
中圖分類(lèi)號(hào)：TP393文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1009-3044(2007)18-31534-02
Network Management of Wireless Sensor Networks
DU Jing-lin1,SHI Lan2
(1.Nanjing University of Information Science and Technology Department of Electronic and information Engineering,Nanjing 21004,China;2. Department of Remote sensing,Nanjing 21004,China)
Abstract:Wireless sensor networks are networks consisting of small sensors that are limited in both power and processing. These sensor networks are often used in monitoring applications, such as the environment, structures and animal habitats. Network management is key function in all of networks, including sensor networks. The nature of wireless sensor networks makes networks management a more difficult than that of traditional networks. One main property of network management of sensor networks is topology management. This paper gives a brief background on network management and how it is used into sensor networks. It provides a more detailed look at topology management and some existing topology management algorithms.
Key words:Wireless sensor networks;network management;topology management;Energy conserving
1 概述
無(wú)線傳感器網(wǎng)路是由許多能量和處理能力有限的傳感器節(jié)點(diǎn)組成。這種網(wǎng)絡(luò)能夠用在許多不同的應(yīng)用，包括環(huán)境監(jiān)測(cè)、軍事應(yīng)用、結(jié)構(gòu)控制與監(jiān)測(cè)、野生動(dòng)物習(xí)性的監(jiān)測(cè)等。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在這些應(yīng)用面臨著許多挑戰(zhàn)，其中最主要的問(wèn)題是能力消耗問(wèn)題。傳感器網(wǎng)絡(luò)是典型的無(wú)人看護(hù)網(wǎng)絡(luò)，并且緊靠有限電池供電，因此節(jié)省能量是部署傳感器網(wǎng)絡(luò)非常關(guān)鍵的問(wèn)題。
所有類(lèi)型的網(wǎng)絡(luò)都需要管理和維護(hù)。所有的網(wǎng)絡(luò)管理都需要一些網(wǎng)絡(luò)的管理形式，不同類(lèi)型網(wǎng)絡(luò)可能強(qiáng)調(diào)網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)管理的不同方面。在網(wǎng)絡(luò)的管理上通常有以下幾種的不同的管理結(jié)構(gòu)：集中式的管理、層次式的管理結(jié)構(gòu)，分布式的管理結(jié)構(gòu)。在集中式管理中，一個(gè)中心服務(wù)器用來(lái)執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)管理應(yīng)用角色；在層次式管理中，包括多個(gè)管理平臺(tái)，通常有一個(gè)服務(wù)器和多個(gè)客戶(hù)端組成網(wǎng)絡(luò)管理應(yīng)用；為了實(shí)現(xiàn)分布式網(wǎng)絡(luò)管理功能需要分布式管理體系結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)也適合無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)管理，在這種結(jié)構(gòu)中，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)利用多個(gè)對(duì)等平臺(tái)來(lái)共同管理任務(wù)。這種結(jié)構(gòu)可以提供更好的擴(kuò)展性、可用性和可靠性。
2 網(wǎng)絡(luò)管理
無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)管理與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)管理相似，有著相同的管理任務(wù)不同的管理方式。例如，性能管理也包括監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)保證網(wǎng)絡(luò)的覆蓋與連接。傳感器網(wǎng)絡(luò)中的安全管理非常困難，因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)的自組織特點(diǎn)，采用無(wú)線通信以及資源有限。傳感器網(wǎng)絡(luò)中的管理一個(gè)主要目標(biāo)是自主性，特別是在故障管理和自動(dòng)配置中十分重要。由于傳感器網(wǎng)絡(luò)是無(wú)人看護(hù)網(wǎng)絡(luò)，自主發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤，自主修復(fù)的能力就非常重要；另一個(gè)主要問(wèn)題是，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中一個(gè)節(jié)點(diǎn)實(shí)效后，不能影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的操作，不像傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備出現(xiàn)故障后會(huì)影響一些用戶(hù)甚至整個(gè)網(wǎng)絡(luò)。
在傳感器網(wǎng)絡(luò)中的網(wǎng)絡(luò)管理有一些新的功能，其中包括拓?fù)涔芾?、能量管理以及編程管理。?jié)省能量是傳感器網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)重要方面。節(jié)能可以在網(wǎng)絡(luò)管理的不同層面和不同方式下進(jìn)行。其中最通用的辦法是當(dāng)節(jié)點(diǎn)空閑關(guān)閉電源，現(xiàn)在又許多協(xié)議和算法建立都是為了節(jié)省能力。例如，為傳感器網(wǎng)絡(luò)開(kāi)發(fā)的特別的MAC協(xié)議和路由協(xié)議，當(dāng)傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，高效的節(jié)省電池的能量。編程和代碼管理是傳感器網(wǎng)絡(luò)中的另一個(gè)主要功能。傳統(tǒng)的程序升級(jí)等功能是通過(guò)把節(jié)點(diǎn)連接到手提電腦或者PDA等設(shè)備上來(lái)實(shí)現(xiàn)，但是在大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)管理中，這種方式很不顯示現(xiàn)實(shí)，這就需要當(dāng)某些節(jié)點(diǎn)需要更新程序時(shí)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)把有限的數(shù)據(jù)報(bào)通過(guò)自組織網(wǎng)絡(luò)傳送過(guò)去。目前在程序升級(jí)領(lǐng)域也是一個(gè)非?；钴S的研究方向。在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)管理中還有一些主要的思想與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)不同。節(jié)省能量是傳感器網(wǎng)絡(luò)的主要問(wèn)題，次之就是如何高效利用帶寬。一種方法就是通過(guò)提取網(wǎng)絡(luò)一部分節(jié)點(diǎn)的管理信息來(lái)實(shí)現(xiàn)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的管理。節(jié)省能力和有效利用帶寬的一個(gè)主要辦法就是數(shù)據(jù)聚集。在傳感器網(wǎng)絡(luò)中一個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)和其鄰居節(jié)點(diǎn)都采集數(shù)據(jù)，通過(guò)比較和數(shù)據(jù)聚集的辦法，只傳送一個(gè)數(shù)據(jù)信息，消除冗余節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，采用一定的數(shù)據(jù)收集策略，就可以大大減少數(shù)據(jù)信息的傳送量，起到節(jié)省能量和帶寬的目的。傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)管理是集中式的應(yīng)用，而無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是分布式的架構(gòu)。網(wǎng)絡(luò)管理不應(yīng)該就是收集所有節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，然后無(wú)線的傳送到中心管理節(jié)點(diǎn)上，在中更應(yīng)該采用網(wǎng)內(nèi)處理辦法，采用合適的數(shù)據(jù)聚集算法，來(lái)減少數(shù)據(jù)傳輸，減少能量消耗和帶寬的開(kāi)銷(xiāo)。
3 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)管理
無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的主要問(wèn)題是節(jié)能，而這也正是拓?fù)涔芾淼闹饕哪繕?biāo)。拓?fù)涔芾淼牧硪粋€(gè)主要目標(biāo)是拓?fù)淇刂?，也就是保證網(wǎng)絡(luò)的連通性。在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中拓?fù)涔芾碇饕腥齻€(gè)方面的想法：拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)、睡眠周期管理和成簇管理方法。根據(jù)文獻(xiàn)[3]，可知在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的拓?fù)涔芾碇饕幸韵铝鶄€(gè)特點(diǎn)：1）對(duì)稱(chēng)性2）連通性3）生成性4）分散性5）低度性6）低干擾性。
3.1拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)
拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)包括一個(gè)基站和整個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和組織。網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)之間的物理連接情況或者節(jié)點(diǎn)之間的邏輯關(guān)系信息傳輸?shù)焦芾砉?jié)點(diǎn)上，用來(lái)維護(hù)整個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖?；净蛘吖芾碚军c(diǎn)向整個(gè)網(wǎng)絡(luò)發(fā)出拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)請(qǐng)求，網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點(diǎn)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)將相關(guān)信息傳送回來(lái)。在拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)中主要兩種方法，一種方法是采用直接的辦法，節(jié)點(diǎn)一旦接受請(qǐng)求信息就立即傳送包含特定節(jié)點(diǎn)信息的響；另一種方法是采用聚集的辦法，這種辦法中，節(jié)點(diǎn)不是立即響應(yīng)，而是等待其子孫節(jié)點(diǎn)將信息傳回來(lái)后，通過(guò)聚集然后將信息會(huì)傳給初始化節(jié)點(diǎn)。
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現(xiàn)有一些對(duì)拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)問(wèn)題的解決方法。例如TopDisc[1]算法使用樹(shù)結(jié)構(gòu)，樹(shù)的根節(jié)點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)，用來(lái)發(fā)現(xiàn)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)?。?dāng)一個(gè)拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)的請(qǐng)求被傳送出去，節(jié)點(diǎn)的鄰居集就創(chuàng)建了。TopDisc算法在節(jié)點(diǎn)中創(chuàng)建了簇，并且標(biāo)識(shí)簇頭節(jié)點(diǎn)用來(lái)報(bào)告整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。這是一個(gè)近似于貪心的算法來(lái)發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的覆蓋集，算法的開(kāi)始是通過(guò)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)廣播一個(gè)拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)請(qǐng)求包，然后在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中傳播來(lái)實(shí)現(xiàn)的。TopDisc算法是近似于集中式的工作方式。該算法有一些可能的應(yīng)用，如其可以用來(lái)報(bào)告幾個(gè)網(wǎng)絡(luò)圖，包括網(wǎng)絡(luò)連通圖、網(wǎng)絡(luò)可達(dá)圖等，還可以用來(lái)產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的能量分布圖以及節(jié)點(diǎn)使用分布圖。
3.2睡眠周期管理
在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)有些協(xié)議和算法通過(guò)讓一些冗余節(jié)點(diǎn)周期性的休眠來(lái)達(dá)到網(wǎng)絡(luò)節(jié)能的目的。這些算法主要是在一定周期內(nèi)來(lái)決定選取哪些節(jié)點(diǎn)集進(jìn)入休眠狀態(tài)，而當(dāng)休眠期結(jié)束，必須通過(guò)一定的機(jī)制來(lái)喚醒，以使其在下一輪進(jìn)入工作狀態(tài)。因此維護(hù)傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的睡眠周期是這類(lèi)算法協(xié)議的主要職責(zé)。
這種拓?fù)涔芾碇械囊粋€(gè)算法是STEM算法[4，5]，該算法中，節(jié)點(diǎn)在大部分時(shí)間里用來(lái)感知數(shù)據(jù)，一旦把數(shù)據(jù)發(fā)送出去，就把節(jié)點(diǎn)無(wú)線發(fā)射裝置關(guān)閉，因?yàn)闊o(wú)線通信是最主要的耗能源，等需要有數(shù)據(jù)時(shí)在開(kāi)始通性設(shè)備。通常在這種算法要在傳感器節(jié)點(diǎn)上裝有兩個(gè)無(wú)線通信設(shè)備，其中第二個(gè)無(wú)線設(shè)備為低負(fù)載裝置，主要用來(lái)發(fā)送喚醒消息。在STEM算法中最主要的問(wèn)題是延時(shí)，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中一個(gè)節(jié)點(diǎn)要通過(guò)一個(gè)休眠節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)發(fā)送出去，必須等待其被喚醒才可以實(shí)現(xiàn)，帶來(lái)網(wǎng)絡(luò)的延遲，而在一些應(yīng)用中，實(shí)時(shí)性是非常關(guān)鍵的。
3.3基于簇的管理
在現(xiàn)在有許多基于簇管理的算法用來(lái)拓?fù)涔芾?。這些算法可以根據(jù)許多方式進(jìn)行分類(lèi)，如：基于位置信息和不基于位置信息的；分布式和集中的；基于節(jié)點(diǎn)ID和節(jié)點(diǎn)度的。我們通過(guò)對(duì)于基于簇的拓?fù)涔芾硭惴ǚ治隹偨Y(jié)，按照一定特點(diǎn)歸結(jié)為表1。
3.4拓?fù)涔芾砻媾R的挑戰(zhàn)
傳感器網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)議和算法的主要設(shè)計(jì)目標(biāo)都是節(jié)能，這也是拓?fù)涔芾硭惴ǖ哪繕?biāo)。通過(guò)減少能量的消耗來(lái)最大化網(wǎng)絡(luò)的生命周期。算法的維護(hù)開(kāi)銷(xiāo)應(yīng)該最小化，如果算法中不要求位置信息和時(shí)間同步，這將是對(duì)能量節(jié)省是非常有利的。在實(shí)際的應(yīng)用場(chǎng)景中，移動(dòng)性是需要的，因此在未來(lái)的研究中，能夠支持移動(dòng)性以及由于某些節(jié)點(diǎn)實(shí)效而要求算法的魯棒性都是十分必要的。
4 總結(jié)與展望
網(wǎng)絡(luò)管理是所有類(lèi)型網(wǎng)絡(luò)中都非常關(guān)鍵的功能。在傳統(tǒng)的有線網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)管理是由服務(wù)器控制的典型集中式結(jié)構(gòu)，主要包括了網(wǎng)絡(luò)故障管理、配置管理、安全管理、性能管理以及賬戶(hù)的管理。
無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中包括有許多傳感器節(jié)點(diǎn)，并且受到了電源和能量的制約。網(wǎng)絡(luò)管理在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是非常關(guān)鍵的，采用分布式的運(yùn)行方式更為實(shí)際。傳感器網(wǎng)絡(luò)中網(wǎng)絡(luò)管理主要包括了能量管理、編程管理以及拓?fù)涔芾?。而在拓?fù)涔芾碇兄饕梢酝ㄟ^(guò)定時(shí)讓一些節(jié)點(diǎn)進(jìn)入休眠周期來(lái)達(dá)到節(jié)能的目的，通過(guò)簇管理算法來(lái)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性與節(jié)點(diǎn)。目前已經(jīng)有了許多相關(guān)的算法，未來(lái)需要更加魯棒、更加節(jié)能的算法，在該領(lǐng)域還有許多工作亟待解決。
表1 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)簇結(jié)構(gòu)算法
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【關(guān)鍵詞】無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò);特點(diǎn);應(yīng)用
0.引言
隨著傳感器技術(shù)、微電子技術(shù)、嵌入式計(jì)算技術(shù)和通信技術(shù)等幾種技術(shù)的融合和匯聚，具有感知信息、數(shù)據(jù)處理、存儲(chǔ)和通信能力的微型傳感器被應(yīng)用于國(guó)防軍事、工業(yè)生產(chǎn)、環(huán)境監(jiān)測(cè)等多個(gè)領(lǐng)域。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Networks ,WSN)是由一組稠密布置的微型傳感器組成的無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)，其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋的地理區(qū)域內(nèi)感知對(duì)象的信息，并給觀察者。相對(duì)于有線傳感器網(wǎng)絡(luò)而言，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有成本低、應(yīng)用靈活、部署快速等優(yōu)點(diǎn)，具有很大的應(yīng)用空間。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)已在軍事、安全、環(huán)境、工業(yè)、交通、健康和家居等領(lǐng)域，有著廣泛的應(yīng)用。
1.無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)
1.1無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)
無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)由大量集傳感與驅(qū)動(dòng)控制、計(jì)算存儲(chǔ)、通信于一體的的嵌入式傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成。這些傳感器節(jié)點(diǎn)通常包括傳感器節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和應(yīng)用管理器節(jié)點(diǎn)。應(yīng)用時(shí)，傳感器節(jié)點(diǎn)分布在不同的角落，采集節(jié)點(diǎn)周邊的溫度、濕度、光強(qiáng)度、噪聲、壓力、速度等物理信息，各傳感器節(jié)點(diǎn)將采集到的信息發(fā)送給特定的對(duì)象。圖1為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)。
圖1 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
傳感器節(jié)點(diǎn)具有信息采集和處理的能力，是由傳感器模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和無(wú)線通信模塊組成的微系統(tǒng)。傳感器模塊負(fù)責(zé)采集外界環(huán)境的物理信息并將物理信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)；數(shù)據(jù)處理模塊對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行編碼等處理；無(wú)線通信模塊負(fù)責(zé)將信息傳送到網(wǎng)絡(luò)中。傳感器節(jié)點(diǎn)實(shí)質(zhì)是以自組織的形式構(gòu)成無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)具有信息處理能力和網(wǎng)絡(luò)管理能力，實(shí)現(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)與應(yīng)用管理器節(jié)點(diǎn)之間信息的交換。應(yīng)用管理器節(jié)點(diǎn)是用戶(hù)于傳感器網(wǎng)絡(luò)的接口。用戶(hù)通過(guò)應(yīng)用管理器節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)處理無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)采集到的信息和向無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用指令的交互。
1.2無(wú)線傳感器的特點(diǎn)
無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)能夠得到廣泛的應(yīng)用，因其具有以下特點(diǎn)：
1.2.1節(jié)點(diǎn)規(guī)模大、節(jié)點(diǎn)體積小
無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中傳感器節(jié)點(diǎn)密度高，數(shù)量巨大，可能達(dá)到幾百、幾千萬(wàn)，甚至更多。體積小是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)一個(gè)重要特點(diǎn)，也是實(shí)現(xiàn)大量部署的內(nèi)在要求。
1.2.2自組織
無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)根據(jù)組網(wǎng)機(jī)制和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議自動(dòng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行配置和管理，傳感器節(jié)點(diǎn)有自組織能力，能夠自動(dòng)形成無(wú)線通信系統(tǒng)不需要固定的基礎(chǔ)設(shè)施作為網(wǎng)絡(luò)樞紐。
1.2.3能適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境
傳感器網(wǎng)絡(luò)主要分布在各種條件惡劣的環(huán)境，如軍事邊界或者一些人員難以進(jìn)入地區(qū)。同時(shí)，節(jié)點(diǎn)容易受高山、建筑物、障礙物等地勢(shì)地貌以及風(fēng)雨雷電等自然環(huán)境的影響。
1.2.4部署容易且成本低
只需要在目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行隨機(jī)部署，不需要指定特定的位置。相對(duì)于有線網(wǎng)絡(luò)傳輸，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸降低了各種成本。
1.2.5可靠性高
無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)資源有限，其生命周期主要取決于電池。對(duì)無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行維護(hù)、回收和替換的可能性很小。因此，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)要具有信息傳輸?shù)母叨瓤煽啃院蛯?duì)節(jié)點(diǎn)失效的高度容錯(cuò)性。
2.無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用
2.1軍事建設(shè)
無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)以其快速布署、自組織和容錯(cuò)等特點(diǎn)，成為軍事通信控制系統(tǒng)的重要組成部分，可用于兵力、裝備彈藥和物資的監(jiān)控，陣地和敵情的偵查，戰(zhàn)場(chǎng)的監(jiān)視，生物化學(xué)攻擊的判斷、目標(biāo)的指示，戰(zhàn)損的評(píng)估等。
2.2工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)
通過(guò)傳感器監(jiān)測(cè)設(shè)備的震動(dòng)、和磨損情況，可以迅速得到設(shè)備的健康狀態(tài);通過(guò)在生產(chǎn)線上布署傳感器網(wǎng)絡(luò)，可以方便的實(shí)現(xiàn)在線質(zhì)量控制。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)為提高設(shè)備性能、提升產(chǎn)品質(zhì)量、降低成本，提供了一種很好的技術(shù)方案。
我國(guó)是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó)，深化現(xiàn)代技術(shù)在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用，對(duì)推進(jìn)我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)業(yè)化和現(xiàn)代化進(jìn)程具有重要作用。將無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用于現(xiàn)代農(nóng)業(yè)，可實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)信息采集以及遠(yuǎn)程傳輸，為科學(xué)決策提供可靠依據(jù)。
2.3環(huán)境監(jiān)測(cè)
在環(huán)境科學(xué)研究中，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)為大規(guī)模野外數(shù)據(jù)采集和氣候氣象監(jiān)測(cè)提供了便利，可用于跟蹤候鳥(niǎo)、小型動(dòng)物和昆蟲(chóng)的遷徙地球探測(cè)，林火和洪水監(jiān)測(cè)等。如美國(guó)Berkley等單位在美國(guó)緬因州的GreatDuck島對(duì)海燕棲息地的生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)；肯尼亞MPala研究中心對(duì)大規(guī)模野生動(dòng)物(野馬，斑馬等)的棲息地進(jìn)行考察研究；挪威對(duì)冰河觀測(cè)以了解地球氣候的變化。
2.4安全監(jiān)控
通過(guò)在監(jiān)控藏所部署無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，利用場(chǎng)所附近的聲音、震動(dòng)、光、溫度等物理信息的變化，了解被監(jiān)控對(duì)象的狀態(tài)，來(lái)防止非法入侵、安全事故等。目前應(yīng)用較多的是煤礦、電站、通信樞紐、行政中心等。如實(shí)時(shí)監(jiān)控煤礦井下環(huán)境來(lái)進(jìn)行災(zāi)害預(yù)警，實(shí)時(shí)監(jiān)控井下人員和設(shè)備的位置來(lái)對(duì)其進(jìn)行資源調(diào)度，并為災(zāi)后的輔助救援提供支持。
2.5智能交通
將無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用到智能交通系統(tǒng)，作為它的一個(gè)信息采集和通信子系統(tǒng)。這個(gè)子系統(tǒng)充分利用了無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍廣、靈活性好和易于大規(guī)模部署等特點(diǎn)，來(lái)采集全路段的車(chē)輛和路面信息。相對(duì)于有線交通信息采集通信系統(tǒng)而言，大幅度地降低現(xiàn)有交通監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的成本。通過(guò)車(chē)載和道路傳感器的配合，駕駛者和交通控制人員可以實(shí)時(shí)地了解路況和交通信息。布置于道路上的速度識(shí)別傳感器，可以監(jiān)測(cè)交通流量等信息，為出行者提供信息服務(wù)，并且在發(fā)現(xiàn)違章時(shí)能及時(shí)報(bào)警和記錄。 （下轉(zhuǎn)第143頁(yè)）
（上接第131頁(yè)）2.6醫(yī)療健康
利用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)體積小、易于植入和便于攜帶等特點(diǎn)，其可以用于醫(yī)院藥品控制、病人生命體征不間斷采集和監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域。
2.7教育教學(xué)
無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為計(jì)算機(jī)最前沿技術(shù)之一，是泛在學(xué)習(xí)的技術(shù)支撐。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)性、網(wǎng)絡(luò)自組性等為我們未來(lái)的學(xué)習(xí)方式以及教學(xué)開(kāi)辟了新的思路。如乒乓球訓(xùn)練田、足球裁判輔助系統(tǒng)等可以提高教學(xué)效果。
2.8家居生活
通過(guò)布置于房間內(nèi)、家電中的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)自組織無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，感知居室不同部分的溫度、濕度、光照、空氣成分等信息，從而對(duì)空調(diào)、門(mén)窗以及其他家電進(jìn)行自動(dòng)控制，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)家電之間的交互和遠(yuǎn)程控制，提供給人們舒適的居住環(huán)境。
3.結(jié)語(yǔ)
無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)融合了微機(jī)電、傳感器、嵌入式計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、無(wú)線通信和信息處理等技術(shù)，知識(shí)高度集成，創(chuàng)新度高，是在國(guó)際上前沿?zé)狳c(diǎn)研究領(lǐng)域之一，應(yīng)用前景廣闊，對(duì)國(guó)家安全、社會(huì)進(jìn)步、經(jīng)濟(jì)發(fā)展意義重大。這種多學(xué)科交叉融合的研究給人們提出了不少新的挑戰(zhàn)，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展還有許多要攻克的難題。
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關(guān)鍵詞：傳感器；物聯(lián)網(wǎng)；無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)
中圖分類(lèi)號(hào)：TP393
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A
1．引言
無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)和物聯(lián)網(wǎng)是比較新的技術(shù)領(lǐng)域，而且受到全社會(huì)的普遍關(guān)注。近年來(lái)，世界上某些發(fā)達(dá)國(guó)家加大投入，研究開(kāi)發(fā)這方面的應(yīng)用，積極攻克在標(biāo)準(zhǔn)上、技術(shù)和應(yīng)用上的尖端技術(shù)。我國(guó)也把這項(xiàng)技術(shù)發(fā)展列入國(guó)家中長(zhǎng)期科技發(fā)展規(guī)劃，以致當(dāng)前的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)得以飛速發(fā)展。在實(shí)現(xiàn)無(wú)線傳感器網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展過(guò)程中，應(yīng)該認(rèn)清形勢(shì)，積極創(chuàng)造條件，加快發(fā)展和應(yīng)用該項(xiàng)技術(shù)。
2．無(wú)線傳感網(wǎng)與物聯(lián)網(wǎng)的構(gòu)成
2.1 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)成
無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Network）是由大量傳感器節(jié)點(diǎn)通過(guò)無(wú)線通信方式形成的一個(gè)多跳的自組織網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。它能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、量化、處理、融合和傳輸。它綜合了微電子技術(shù)、嵌入式計(jì)算技術(shù)、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)和無(wú)線通信技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)，能夠協(xié)同的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、感知和采集網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中的各種環(huán)境或監(jiān)測(cè)對(duì)象的信息，并對(duì)其進(jìn)行處理。
無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的。應(yīng)用和監(jiān)測(cè)物理信號(hào)的不同決定了傳感器的類(lèi)型，另外節(jié)點(diǎn)的功能和組成也不盡相同。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的基本組成和功能包括如下幾個(gè)單元：傳感單元(由各種不同類(lèi)型的傳感器和模數(shù)轉(zhuǎn)換功能模塊組成)、處理單元(由嵌入式系統(tǒng)構(gòu)成，包括CPU、存儲(chǔ)器、嵌入式操作系統(tǒng)等)、通信單元(由無(wú)線通信模塊組成)、以及電源部分。也可以選擇其它功能單元如定位系統(tǒng)、移動(dòng)系統(tǒng)等。
2.2 物聯(lián)網(wǎng)的構(gòu)成
物聯(lián)網(wǎng)（Internet of things），是指通過(guò)各種手段，將現(xiàn)實(shí)世界的物理信息進(jìn)行自動(dòng)化、實(shí)時(shí)性、大范圍、全天候的標(biāo)記、采集、匯總和分析，并在必要時(shí)進(jìn)行反饋控制的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。它是通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)議，依靠自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，通過(guò)計(jì)算機(jī)互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)物品的自動(dòng)識(shí)別和信息的共享。或者簡(jiǎn)單的說(shuō)，即是通過(guò)裝置在各類(lèi)物體上的電子標(biāo)簽或稱(chēng)射頻識(shí)別(RFID)，傳感器、二維碼等，經(jīng)過(guò)接口與無(wú)線網(wǎng)絡(luò)相連，從而給物體賦予智能和通訊能力，這種將物體聯(lián)接起來(lái)的網(wǎng)絡(luò)被稱(chēng)為“物聯(lián)網(wǎng)”。
物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是多種技術(shù)的綜合應(yīng)用。在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中應(yīng)用到的技術(shù)主要包括：傳感器技術(shù)、射頻識(shí)別技術(shù)、二維碼技術(shù)、微機(jī)電系統(tǒng)等。物聯(lián)網(wǎng)主要由六方面組成:EPC編碼、EPC標(biāo)簽、射頻識(shí)讀器、Savant(神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)軟件)、對(duì)象名解析服務(wù)(Object Naming Ser-vice，ONS)和實(shí)體標(biāo)記語(yǔ)言(Physical Markup Language， PML)。
2.2.1 EPC編碼
EPC編碼是物聯(lián)網(wǎng)的重要組成部分。它是對(duì)實(shí)體及實(shí)體的相關(guān)信息進(jìn)行代碼化.通過(guò)統(tǒng)一并規(guī)范化的編碼建立全球通用的信息交換語(yǔ)言。
2.2.2 射頻識(shí)讀器
在射頻識(shí)別系統(tǒng)中，射頻讀寫(xiě)器是將標(biāo)簽中的信息讀出，或?qū)?biāo)簽所需要存儲(chǔ)的信息寫(xiě)入標(biāo)簽的裝置。讀寫(xiě)器讀出的標(biāo)簽的信息通過(guò)計(jì)算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進(jìn)行管理和信息傳輸。
2.2.3 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)軟件(Savant)
每件產(chǎn)品都加上射頻識(shí)別（RFID）標(biāo)簽之后，在產(chǎn)品的生產(chǎn)、運(yùn)輸和銷(xiāo)售過(guò)程中，識(shí)讀器將不斷收到一連串的產(chǎn)品電子編碼。整個(gè)過(guò)程中最為重要、同時(shí)也是最困難的環(huán)節(jié)就是傳送和管理這些數(shù)據(jù)。Auto-ID中心提出一種名叫Savant的軟件中間件技術(shù)，相當(dāng)于該新式網(wǎng)絡(luò)的神經(jīng)系統(tǒng)，負(fù)責(zé)處理各種不同應(yīng)用的數(shù)據(jù)讀取和傳輸。
2.2.4 對(duì)象名解析服務(wù)(Object Name Service，ONS)
EPC標(biāo)簽對(duì)于一個(gè)開(kāi)放式的、全球性的追蹤物品的網(wǎng)絡(luò)需要一些特殊的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。因?yàn)闃?biāo)簽中只存儲(chǔ)了產(chǎn)品電子代碼，計(jì)算機(jī)還需要一些將產(chǎn)品電子代碼匹配到相應(yīng)商品信息的方法。這個(gè)角色就由對(duì)象名稱(chēng)解析服務(wù)擔(dān)當(dāng)，它是一個(gè)自動(dòng)的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)系統(tǒng)。
2.2.5 實(shí)體標(biāo)記語(yǔ)言(Physical Mark up Language，PML)
EPC產(chǎn)品電子代碼識(shí)別單品，但是所有關(guān)于產(chǎn)品有用的信息都用一種新型的標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算機(jī)語(yǔ)言— 實(shí)體標(biāo)記語(yǔ)言(PML)所書(shū)寫(xiě)，PML是基于為人們廣為接受的可擴(kuò)展標(biāo)識(shí)語(yǔ)言(XML)發(fā)展而來(lái)的。PML提供了一個(gè)描述自然物體，過(guò)程和環(huán)境的標(biāo)準(zhǔn)，并可供工業(yè)和商業(yè)中的軟件開(kāi)發(fā)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和分析工具之用。它將提供一種動(dòng)態(tài)的環(huán)境，使與物體相關(guān)的靜態(tài)的、暫時(shí)的、動(dòng)態(tài)的和統(tǒng)計(jì)加工過(guò)的數(shù)據(jù)可以互相交換。它將會(huì)成為描述所有自然物體、過(guò)程和環(huán)境的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，PML的應(yīng)用將會(huì)非常廣泛，并且進(jìn)入到所有行業(yè)。
3．無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)和物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展現(xiàn)狀
雖然物聯(lián)網(wǎng)的概念在我國(guó)最近才得到廣泛關(guān)注，但物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用很早就在我國(guó)開(kāi)展。在RFID方面，2009年中國(guó)RFID產(chǎn)業(yè)市場(chǎng)規(guī)模達(dá)110億元，相比2008年增長(zhǎng)36.8%，已用于物流、城市交通、工業(yè)生產(chǎn)、食品追溯、移動(dòng)支付等方面。
隨著3G網(wǎng)絡(luò)的使用，各運(yùn)營(yíng)商推出了移動(dòng)支付方式。如中國(guó)電信目前采用RFID技術(shù)的UIM卡開(kāi)通移動(dòng)支付永久免費(fèi)優(yōu)惠活動(dòng)。該項(xiàng)技術(shù)預(yù)計(jì)未來(lái)年增長(zhǎng)率將超過(guò)60%，在智能樓宇、路燈監(jiān)控等方面得到廣泛應(yīng)用。
