无线传感器网络WSN.docx
《无线传感器网络WSN.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《无线传感器网络WSN.docx（12页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
无线传感器网络WSN
无线传感器网络（WSN）
摘要：
无限传感器是一种以通信为中心无线网络。
通过使用无线传感器网络人们可以实现信息的快递、大范围、自动化的采集和传输。
它可以广泛的应用于国防军事、环境监测、物流领域、高效农业、智能交通、医疗保健、制造业等领域。
关键词：
1.无线传感器网络的简介
随着传感器技术、嵌入式计算技术、通信技术和半导体与微机电系统制造技术的飞速发展，具有感知、计算存储和通信能力的微型传感器应用于军事、工业、农业和宇航各领域。
无线网络传感器是集传感器执行器、控制器和通信装置于一体，集传感与驱动控制能力、计算能力、通信能力于一身的资源（计算、存储和能源）受限的嵌入式设备。
由这些微型传感器构成的无线传感器网络能够实时监测、感知和采集网络分布区域内的各种监测对象信息，并对这些信息进行处理，传送给需要这些信息的用户。
无线传感器网络（WSN）是由大量的具有通信和计算能力的微笑传感器节点，以无线的方式连接构成的自治测控网络。
一种普遍被接受的无线传感器网络的定义为：
大规模、无线、自组织、多跳、无分区、无基础设施支持的网络，其中节点是同构的，成本较低、体积较小，大部分节点不移动，被随意散布在工作区域，要求网络系统有尽可能长的工作时间。
一个典型的无线传感器网络的系统架构包括分布式无线传感器节点（群）、接受发送器汇聚节点、互联网或通信卫星和任务管理节点等。
无线传感器具有价格低廉、体积小、组网方便、灵活等特点。
从21世纪开始，无线传感器网络成为多学科交叉前沿研究热点，引起了世界各国的极大关注。
WSN由具有传感器模块、数据处理模块、交换路由模块和无线通信模块等大量传感器节点，通过交换传输组成多跳的自组织、自学习无线通信网络系统，把感知对象的信息发送给控制着。
WSN已成为一种全新的信息获取、处理、传输和控制系统，并在军事、工业、商业、医疗、灾害预报等领域有着广阔应用前景。
WSN经历了从智能传感器、无线智能传感器到无线传感器网络的3个发展阶段。
智能传感器将计算能力嵌入到传感器中，是传感器节点不仅具有采集能力，而且具有信息处理能力。
无线智能传感器在智能传感器的基础上，增加了无线通信能力。
无线传感器网络将交换网络技术引入到无线智能传感器中，是传感器在感知功能基础上还具备交换信息、协调控制功能。
WSN已成为下一代互联网和通信网的重要组成部分，具有巨大的发展潜力。
2.无线传感器网络的国内外研究现状
2.1无线传感器网络的国外研究现状
WSN的基本思想起源于20世纪70年代。
1978年，DARPA在卡耐基梅隆大学城里了分布式传感器网络工作组；1980年，DARPA的分布式传感器网络项目（DNS）开启了传感器网络研究的先河。
近几年来，美国国防部远景设计研究局已投资几千万美元，帮助大学进行无线传感器网络技术的开发。
美国国家自然基金委员会（NSF）也开设了大量与其相关的项目。
NSF于2003年制定了WSN研究计划，每年拨款3400万美元支持相关研究项目，并在加州大学洛杉矶分校成立了传感器网络研究中心。
2005年对网络技术和系统的研究计划中，主要研究下一代高可靠、安全的可扩展的网络、可编程的无线网络及传感器系统的网络特征，资助金额达4000万美元。
此外，美国交通部、能源部、美国国家航空航天局也相继启动了相关的研究项目。
美国所有著名院校几乎都有研究小组在从事WSN相关技术的研究。
加州大学洛杉矶分校、加州大学伯克利分校、麻省理工学院、康奈尔大学、哈佛大学、卡耐基梅隆大学等在WSN研究领域层级较为突出。
国际相关学术会议中对WSN的研讨增多，检索论文数目逐年以较大幅度增加。
美国的Intel、Freescale等公司也开展了WSN的研究工作。
此外，加拿大、英国、德国、芬兰、日本和意大利等国家的研究机构也加入了WSN的研究。
2.2无线传感器网络的国内研究现状
无线传感器网络的国内研究首次正式启动出现于1999年中国科学院《知识创新工程点领域方向的研究》的“信息与自动化领域研究报告”中。
2001年中国科学院依托上海微系统所成立微系统研究与发展中心，旨在引领中科院WSN的相关工作。
国家自然科学基金已经审批了与WSN相关的一个重点课题和多项课题。
2004年，将一项无线传感器网络项目（面向传感器网络的分布自治系统关键技术及协调控制理论）列为重点研究项目。
2005年，将网络传感器中的基础理论和关键技术列入计划。
2006年将水下移动传感器网络的关键技术列为重点研究项目。
国家发改委下一代互联网（CNGI）示范工程中，也部署了WSN相关的课题。
在一份我国未来20年预见技术的调查报告中，信息领域157项技术课题中有7项与传感器网络直接相关。
2006年初发布的《国家中长期科学与技术发展规划纲要》为信息技术定义了3个前沿方向，其中2个与WSN的研究直接相关，即智能感知技术和自组织网络技术。
我国2010年远景计划和“十五”计划中，将WSN列为重点发展的产业之一。
此外，我国无线传感器网络研究也已经在很多研究所和高校展开。
中科院上海微系统所凭借其在微系统和微电系统技术方面良好的基础，从1998年开始就对无线传感器网络进行了跟踪和研究，已经通过系统集成的方式完成了一些终端节点和基站的研发。
中科院电子所和沈阳自动化所也分别从传感器技术和控制技术角度入手开展工作，他们专注于传感或控制执行部分，对上层的通信技术和核心微处理器部分涉及较少。
浙江大学现代控制工程研究所成立了“无线传感器网络控制实验室”，联合相关单位专门从事面向无线传感器网络的分布自制系统关键技术及协调控制理论方面的研究。
山东省科学院于2004年10月正式启动了关于无线传感器网络节点操作系统的研究。
另外，中科院软件所、中科院自动化所、国防科技大学、清华大学、中国科学技术大学、哈尔滨工业大学、北京邮电大学、山东大学、东南大学等单位在无线传感器网络方面也都开展了一定的研究工作。
3.无线传感器网络的特点
无线传感器网络具有以下特点：
1、硬件资源有限。
WSN节点采用嵌入式处理器和存储器，计算能力和存储能力十分有限。
所以，需要解决如何在有限计算能力的条件下进行协作分布式信息处理的难题。
2、电源容量有限。
为了测量真实世界的具体值，各个节点会密集地分布于待测区域内，人工补充能量的方法已经不再适用。
每个节点都要储备可供长期使用的能量，或者自己从外汲取能量（太阳能）。
当自身携带的电池的能量耗尽，往往被废弃，甚至造成网络的中断。
所以，任何WSN技术和协议的研究都要以节能为前提。
3、无中心。
在无线传感器网络中，所有节点的地位都是平等的，没有预先指定的中心，是一个对等式网络。
各节点通过分布式算法来相互协调，在无人值守的情况下，节点就能自动组织起一个测量网络。
而正因为没有中心，网络便不会因为单个节点的脱离而受到损害。
节点可以随时加入或离开网络，任何节点的故障不会影响整个网络的运行，具有很强的抗毁性。
4、自组织。
网络的布设和展开无需依赖于任何预设的网络设施，节点通过分层协议和分布式算法协调各自的行为，节点开机后就可以快速、自动地组成一个独立的网络。
5、多跳（Multi-hop）路由。
WSN节点通信能力有限，覆盖范围只有几十到几百米，节点只能与它的邻居直接通信。
如果希望与其射频覆盖范围之外的节点进行通信，则需要通过中间节点进行路由。
WSN中的多跳路由是由普通网络节点完成的。
6、动态拓扑。
WSN是一个动态的网络，节点可以随处移动；一个节点可能会因为电池能量耗尽或其他故障，退出网络运行；也可能由于工作的需要而被添加到网络中。
这些都会使网络的拓扑结构随时发生变化，因此网络应该具有动态拓扑组织功能。
7、节点数量众多，分布密集。
WSN节点数量大、分布范围广，难于维护甚至不可维护。
所以，需要解决如何提高传感器网络的软、硬件健壮性和容错性。
8、传输能力的有限性。
无线传感器网络通过无线电波进行数据传输，虽然省去了布线的烦恼，但是相对于有线网络，低带宽则成为它的天生缺陷。
同时，信号之间还存在相互干扰，信号自身也在不断地衰减，诸如此类。
不过因为单个节点传输的数据量并不算大，这个缺点还是能忍受的。
9、安全性的问题。
无线信道、有限的能量，分布式控制都使得无线传感器网络更容易受到攻击。
被动窃听、主动入侵、拒绝服务则是这些攻击的常见方式。
因此，安全性在网络的设计中至关重要。
4.无线传感器网络体系架构
无线传感器网络结构如图1-1所示，传感器网络系统通常包括传感器节点（sensor node）、汇聚节点（sink node）和管理节点。
大量传感器节点随机部署在检测区域（sensing region）内，以自组织方式构成网络，通过多跳中继方式将检测到的数据传送给汇聚节点，最后通过互联网或卫星到达管理节点。
用户通过管理节点对传感器网络进行配置和管理，发布检测任务及收集检测数据。
图1-1 无线传感器网络体系结构
传感器节点是一个微型的嵌入式系统，计算能力、存储能力和通信能力非常有限，能量也很有限。
传感器节点除了进行本地信息的收集之外，还要对其他节点转发来的数据进行融合。
相比较而言，汇聚节点各方面的能力要强得多，并且具有足够的能力供给。
汇聚节点通常与外部网络直接相连，负责发布管理节点的检测任务，并把收集的数据转发给外部网络。
传感器节点一般由数据采集模块、处理器模块、无线通信模块和能量供应模块这四部分组成。
数据采集模块负责数据的采集和转换，处理器模块负责数据处理，无线通信模块负责与其他节点进行数据传输，能量供应模块负责运行所需的能量，通常采用微型电池。
传感器节点的处理器通常使用嵌入式CPU，如Intel的8086.另外系统还需要一个微型化的操作系统以进行任务调度与管理，如UC Berkeley的TinyOS，嵌入式Linyx等。
图1-2描述了节点的组成，数据感知单元通过对传感器所在区域进行数据采集和感知，进行模数转换；经由数据处理单元对数据信号进行简单处理后由数据传送单元调制后发射出去。
图1-2 传感器节点体系结构
1. 数据采集模块：
由一组传感器和数模转换装置构成的数据采集模块负责将周围环境的物理现象转换成数字信号，例如测量所在周边环境中的热、红外、声纳、雷达和地震波信号，从而探测包括温度、湿度、噪声、光强度、压力、土壤成分、移动物体的大小、速度和方向等众多用户感兴趣的物理现象。
数据采集模块提供了采集信息的能力，将数字世界与物理世界联系起来。
2. 处理器模块：
由处理器和存储器构成的处理器模块，负责协调无线传感器各个模块的工作，如对数据采集模块获取信息进行必要的处理和存储，控制无线通信模块和能量供应模块的工作模式等。
处理器模块提供了处理信息的能量，将无线传感器节点智能化。
3. 无线通信模块：
由短距离无线收发电路构成的无线通信模块，负责与其他无线传感器邻居节点或基站进行无线通信。
无线通信模块提供了传输信息的能力，将单独的无线传感器节点联接成为协作网络。
4. 能量供应模块：
由电池构成的能量供应模块，为无线传感器的其他模块提供电源。
5.无线传感器网络的关键技术
无线传感器网络作为当今信息领域新的研究热点，有非常多的关键技术有待发现和研究。
而功耗和安全问题对于无线传感器网络来说，是两个最重要的性能指标，所以WSN的关键技术必然以降低网络功耗和确保网络安全为主线。
下面介绍网络拓扑控制、数据同和等部分关键技术。
5.1网络图谱控制
对于自组织的传感器网络而言，网络拓扑控制具有特别重要的意义。
通过拓扑控制自动生成的良好的网络拓扑结构，能够提高路由协议和MAC协议的效率，可为数据融合、目标定位等很多方面奠定基础，有利于节省节点的能量来延长网络的生存期。
所以，拓扑控制是WSN研究的核心技术之一。
WSN拓扑控制目前主要研究的问题是在满足网络覆盖度和连通度的前提下，通过功率控制和骨干网节点选择，剔除节点之间不必要的无线通信链路，生成一个高效的数据转发的网络拓扑结构。
拓扑控制分为节点功率控制和层次型拓扑结构控制两个方面。
功率控制机制调节网络中每个节点的发射功率，在满足网络连通度的前提下，减少节点的发送功率，均衡节点单跳可达的邻居数目；目前已经提出了以邻居节点度为参考依据的算法，以及利用邻近图思想生成拓扑结构的DRNG和DLSS算法。
层次型的拓扑控制利用分簇机制，让一些节点作为簇头，由簇头形成一个处理并转发数据的骨干网，其他骨干网节点可以暂时关闭通信模块，进入休眠状态以节省能量。
5.2数据融合
在无线传感器网络中，节点传感器采集数据并将它发送到网络终端。
但是在数据的采集和传输过程中，总要对采集的数据进行处理，因此存在如何对采集的数据进行处理、融合的问题。
如果完全在本地节点上处理采集的数据而只发送处理后的结果，可以降低传输数据的功耗，但增加了本地节点处理器的功耗；如果传输原始采集的数据，可以降低节点处理器的功耗，但增加了节点传输数据的功耗。
因此，如何对采集的数据进行处理与融合对降低节点能耗起到相当大的作用。
通常网络中的传感器数量很多，传感器采集的数据具有一定的冗余度，因此将多个节点采集的数据相互结合起来进行处理可以降低整个网络数据的传输量，有效降低系统功耗，问题是如何寻找本地节点处理与节点联合处理的平衡点。
5.3定位技术
位置信息是传感器节点采集数据中不可缺少的部分，没有位置信息的监测消息通常毫无意义。
为了提供有效位置信息，随机部署的传感器节点必须能够在布置后确定自身位置。
由于传感器节点存在资源有限、随机部署、通信易受环境干扰甚至节点失效等特点，定位机制必须满足自组织性、健壮性、能量高效、分布式计算等要求。
现有的WSN定位算法根据定位机制的不同，可以分为基于测距的方法与不基于测距的方法两类。
基于测距的定位机制利用到达的时间延迟、信号到达时差和接受信号强度来估计距离或来波方向，然后使用三边测量法或最大似然估计等计算未知节点的位置。
而不基于测距的定位机制无需距离或角度信息，或则不用直接测量这恶习信息，仅根据网络的连通性等信息实现节点的定位。
距离无关的定位机制的定位性受环境因素影响小，虽然定位误差相应有所增加，但定位精度能够满足多数传感器网络用用的需求，是目前大家重点关注的定位机制。
5.4无线通信技术
传感器网络需要低功耗短距离的无线通信技术。
IEEE802.15.4标准是针对低速无线个人域网络的无线通信标准，把低功耗、低成本作为设计的主要目标、由于EEE802.15.4标准的网络特征与无线传感器网络存在很多相似之处，故很多研究机构把它作为无线传感器网络的无线通信平台。
另外，超宽带无线通信以其高速率、低功耗、抗多径、低成本等诸多优势，已成为室内短距离无线网络的首选方案，这为WSN的数据传输开辟了一种崭新的方案。
5.5时间同步
传感器网络中由于节能策略，节点在大部分时间是休眠的，所以要求解决通信同步问题，即通信节点双方需要在通信时同时唤醒。
另外，传感器网络是一个分布式网络，所有节点在通信商地位对等，没有优先级可言。
所以要让整个网络能够工作在有效状态，往往需要做到全网或者一定范围内所有节点的同步，而不是通信双方的简单同步。
6.无线传感器网络的应用现状
虽然无线传感器网络的大规模商业应用，由于技术等方面的制约还有待时日，但是最近几年，随着计算成本的下降以及微处理器体积越来越小，已经为数不少的无线传感器网络开始投入使用。
目前无线传感器网络的应用主要集中在以下领域：
6.1环境的监测和保护
随着人们对于环境问题的关注程度越来越高，需要采集的环境数据也越来越多，传统的数据采集方式难以适应复杂多变的环境。
无线传感器网络的出现为随机性的研究数据获取提供了便利，并且还可以避免传统数据收集方式给环境带来的侵入式破坏。
环境监控的典型案例有：
（1）夏威夷大学在夏威夷火山国家公园内铺设WSN以监测濒临灭种的植物所在地的微小气候变化。
（2）科学家们在加州北部Sonoma的小树林里组建了一个系统，该系统由捆绑在红杉树树枝和主干上的120个塑料封装的无线传感器组成。
根据该系统所采集的数据，可绘制出详细的图标，从而说明这些树木周围的微气候如何变化，以及它们怎样通过树阴、呼吸作用、水分输送等方式来影响当地环境
6.2医疗护理
无线传感器网络在医疗研究、护理领域也可以大展身手。
罗彻斯特大学的科学家使用无线传感器创建了一个智能医疗房间，使用微尘来测量居住者的重要征兆（血压、脉搏和呼吸）、睡觉姿势以及每天24小时的活动状况。
英特尔公司也推出了无线传感器网络的家庭护理技术。
该技术是做为探讨应对老龄化社会的技术项目CenterforAgingServicesTechnologies（CAST）的一个环节开发的。
该系统通过在鞋、家具以家用电器等家中道具和设备中嵌入半导体传感器，帮助老龄人士、阿尔茨海默氏病患者以及残障人士的家庭生活。
利用无线通信将各传感器联网可高效传递必要的信息从而方便接受护理。
而且还可以减轻护理人员的负担。
英特尔主管预防性健康保险研究的董事EricDishman称，“在开发家庭用护理技术方面，无线传感器网络是非常有前途的领域”。
6.3军事领域
由于无线传感器网络具有密集型、随机分布的特点，使其非常适合应用于恶劣的战场环境中，使其非常适合应用于恶劣的战场环境中，包括侦察敌情、监控兵力、装备和物资，判断生物化学攻击等多方面用途。
（1）战场侦察与监控
战场侦察与监控的基本思想，是在战场上布设大量的WSN，以收集和中继信息，并对大量的原始数据进行过滤；然后把重要信息传送到数据融合中心，将大量信息集成为一幅战场全景图，以满足作战力量“知己知彼”的要求，大大提升指挥员对战场态势的感知水平。
（2）目标定位
WSN中感知目标信息的节点将感知信息广播（无线传送）到管理节点，再由管理节点融合感知信息，对目标位置进行判断的过程称为目标定位。
目标定位是WSN的重要应用之一，为火力控制和制导系统提供精确的目标定位信息，从而实现对预定目标的精确打击。
（3）毁伤效果评估
战场目标毁伤效果评估是对火力打击后目标毁伤情况的科学评价，是后续作战行动决策的重要依据。
当前应用较多的目标毁伤效果评估系统主要依托于无人机、侦察卫星等手段，但这些手段均受到飞行距离近、过顶时间段、敌方打击威胁或天气等因素的制约，无法全天时对打击目标进行抵近侦察并对毁伤效果做出正确评估。
6.4建筑结构监测
无线传感器网络用于监测建筑物的健康状况，不仅成本低廉，而且能够解决传统监测布线复杂化、线路老化、易受损坏等问题。
斯坦福大学提出了基于无线传感器网络的建筑物监测系统，采用基于分簇结构的两层网络系统，传感器节点由EVK915模块和ADXL210加速度传感器构成，分簇首节点由ProximRangelLAN2无限调制器和EVK915连接而成。
南加州大学的一种监测建筑物的无线传感器网络系统NETSHM，该系统出了监测建筑物的健康状况外，并且能够定位出建筑物受损伤的位置。
6.5自然灾害的预防
在一些容易发生泥石流、滑坡等自然灾害的地方，使用无线传感器网络及时、长期地对这些地方的地形变化、各种环境因素的监测，采集相关数据并进行适当的分析，当灾难将要发生时，我们就可以提前发出预警报告以做好准备或采取相应措施防止它们进一步的发生。
6.6企业、家庭监控
在企业、家庭布设无线传感器网络，可以实时的监测人员的流动和环境的变化，有利于企业、家庭采取有效的安全防护措施和灾难应变措施。
此外，国内还出现了大量的其他领域的应用，比如无线传感器网络在地下无人采煤安全监测系统的应用，无限传感网络在温室网络信息采集分析系统中的应用。
6.7商业化用途
无线传感器网络还被应用于其他一些领域。
比如一些危险的工业环境如井矿、核电厂等，工作人员可以通过它来实施安全监测。
也可以用在交通领域作为车辆监控的有力工具。
尽管无线传感器技术目前仍处于初步应用阶段，但已经展示出了非凡的应用价值，相信随着相关技术的发展和推进，一定会得到更大的应用。
从应用的情况来看，北美的状况最好，在楼宇自动化、环境监控等方面，无线传感器网络已经开始大展拳脚。
7.需要解决的问题
就目前的技术水平来说，让无线传感器网正常运行并大量投入使用还面临着许多问题：
1．网络内通信问题。
无线传感器网络内正常通信联系中，信号可能被一些障碍物或其他电子信号干扰而受到影响，怎么安全有效的进行通信是个有待研究的问题。
2．成本问题。
在一个无线传感器网络里面，需要使用数量庞大的微型传感器，这样的话成本会制约其发展。
3．系统能量供应问题。
目前主要的解决方案有：
使用高能电池；降低传感功率；此外还有传感器网络的自我能量收集技术和电池无线充电技术。
其中后两者备受关注。
4．高效的无线传感器网络结构。
无线传感器网络的网络结构是组织无线传感器的成网技术，有多种形态和方式，合理的无线传感器网络可以最大限度的利用资源。
在这里面，还包括网络安全协议问题和大规模传感器网络中的节点移动性管理等诸多问题有待解决。
总之，无线传感器网络应用前景非常诱人。
无线传感器网络（WSN）被认为是影响人类未来生活的重要技术之一，这一新兴技术为人们提供了一种全新的获取信息、处理信息的途径。
由于WSN本身的特点，使得它与现有的传统网络技术之间存在较大的区别，给人们提出了很多新的挑战。
由于WSN对国家和社会意义重大，国内外对于WSN的研究正热烈开展，希望能够引起测控领域对这一新兴技术的重视，推动对这一具有国家战略意义的新技术的研究、应用和发展。
升级会员 