無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)綜述

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)綜述摘要:無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種全新的信息獲取和處理技術(shù)。因其巨大的應(yīng)用前景而受到科學(xué)界越來越廣泛的重視。本文介紹了無線傳感器的定義、體系結(jié)構(gòu)以及特點(diǎn)，并著重分析了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究的一些關(guān)鍵問題，最后探討了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用前景以及開展方向。關(guān)鍵字:無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；體系結(jié)構(gòu)；關(guān)鍵技術(shù)；應(yīng)用一、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的定義無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量的廉價(jià)微型傳感器節(jié)點(diǎn)，通過無線通信方式形成的一個(gè)多跳自組織網(wǎng)絡(luò)。二、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的原理利用各種類型的敏感元件構(gòu)成的傳感器，分布于需要覆蓋的領(lǐng)域內(nèi)，組成傳感器節(jié)點(diǎn)，用于收集數(shù)據(jù)，并且將數(shù)據(jù)路由送至信息收集節(jié)點(diǎn)“Sink”，信息收集節(jié)點(diǎn)與信息處理節(jié)點(diǎn)通過廣域網(wǎng)將數(shù)據(jù)送至地面監(jiān)控中心進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和處理，并對(duì)監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行綜合評(píng)估。三、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)3.1無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)構(gòu)架無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)構(gòu)架如下列圖1-1所示，通常包括傳感器節(jié)點(diǎn)(sensornode)、會(huì)聚節(jié)點(diǎn)(sinknode)和管理節(jié)點(diǎn)，即無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的三個(gè)要素是傳感器、感知對(duì)象和觀察者。3.2傳感器節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)傳感器節(jié)點(diǎn)由傳感器模塊、處理器模塊、無線通信模塊和能量供給模塊四局部組成，如圖1-2所示。在軟件設(shè)計(jì)方面，各通信協(xié)議都應(yīng)該以節(jié)能為中心，必要時(shí)可以犧牲一些其他的一些網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)，以獲得更高的電源效率。圖1-2無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)3.3無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)由分層的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)管理平臺(tái)以及應(yīng)用支撐這三個(gè)局部組成，如下列圖1-3所示。分層的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議結(jié)構(gòu)類似于傳統(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。物理層的功能包括信道選擇、無線信號(hào)的監(jiān)測、信號(hào)的發(fā)送與接收等。數(shù)據(jù)鏈路層的主要任務(wù)是加權(quán)物理層傳輸原始比特的功能，使之對(duì)上層顯現(xiàn)一條無過失的鏈路。網(wǎng)絡(luò)層的主要功能包括分組路由、網(wǎng)絡(luò)互連等。傳輸層負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)流的傳輸控制，提供可靠高效的數(shù)據(jù)傳輸效勞。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對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)的管理。四無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的定位方法無線傳感器網(wǎng)絡(luò)一般采用5種測距方法：1)測時(shí)測距法(TOA)，包括雙向測距和單向測距；2)差分測時(shí)測距法(TDOA)；3)信號(hào)強(qiáng)度測距法(SSR)；4)近場區(qū)電磁測距法(NFER)；5)角度測量法(AOA)。為了獲得較高的公交車定位精度，公交信息采集系統(tǒng)中擬采用一種基于TOA的雙向測距技術(shù)ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>陳丹</Author><Year>2004</Year><RecNum>9</RecNum><record><rec-number>9</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="sdpa5d5s2fdz9lez223pr9xqas9v5fsvers0">9</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>陳丹</author><author>鄭增威</author><author>李際軍</author></authors></contributors><titles><title>無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究綜述</title><secondary-title>計(jì)算機(jī)測量與控制</secondary-title></titles><periodical><full-title>計(jì)算機(jī)測量與控制</full-title></periodical><pages>701-704</pages><volume>12</volume><number>008</number><dates><year>2004</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[1]。五、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)5.1集感知、處理、傳輸為一體。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)是集傳感器〔感知部件〕、處理器單元〔例如AMR7、8680等〕、短距離無線通信模塊〔例如RFM公司的TR1000、Zigbee傳輸單元等〕于一體的綜合系統(tǒng)。5.2硬件資源有限。節(jié)點(diǎn)由于受價(jià)格、體積和功耗的限制，其計(jì)算能力、程序空間和內(nèi)存空間比普通的計(jì)算機(jī)功能要弱很多。5.3電源容量有限。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)由電池供電，電池的容量一般不是很大。其特殊的應(yīng)用領(lǐng)域決定了使用過程中，不能給電池充電或是換電池，一旦電池能量用完，這個(gè)節(jié)點(diǎn)也就失去了作用〔死亡〕。5.4無中心。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中沒有嚴(yán)格的控制中心，所以節(jié)點(diǎn)地位平等，是一個(gè)對(duì)等式網(wǎng)絡(luò)。節(jié)點(diǎn)可以隨時(shí)參加或離開網(wǎng)絡(luò)，任何節(jié)點(diǎn)的故障不會(huì)影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行，具有很強(qiáng)的抗毀性。5.5自組織。網(wǎng)絡(luò)的布設(shè)和展開無需依賴于任何預(yù)設(shè)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)施，節(jié)點(diǎn)通過分層協(xié)議和分布式算法協(xié)調(diào)各自的行為，節(jié)點(diǎn)開機(jī)后就可以快速、自動(dòng)地組成一個(gè)獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)。5.6多跳路由。網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)通信距離有限，一般在幾百米范圍內(nèi)，節(jié)點(diǎn)只能與它鄰居直接通信。如果希望與其射頻覆蓋范圍之外的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，那么需要通過中間節(jié)點(diǎn)進(jìn)行路由選擇。5.7動(dòng)態(tài)拓?fù)洹o線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)動(dòng)態(tài)的網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點(diǎn)可以隨處移動(dòng)：一個(gè)節(jié)點(diǎn)可能會(huì)因?yàn)殡姵啬芰亢谋M或其他故障，退出網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行：一個(gè)節(jié)點(diǎn)也能由于工作的需要而被添加到網(wǎng)絡(luò)中。5.8節(jié)點(diǎn)數(shù)量眾多，分布密集。為了對(duì)一個(gè)區(qū)域執(zhí)行檢測任務(wù)，往往有成千上萬傳感器節(jié)點(diǎn)空投到該區(qū)域。傳感器節(jié)點(diǎn)分布非常密集，利用節(jié)點(diǎn)之間高度連接性來保證系統(tǒng)的容錯(cuò)性和抗毀性。六、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究熱點(diǎn)6.1能量問題。在多數(shù)情況下，傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)都是由電池供電，電池容量有限，使得節(jié)點(diǎn)的生存時(shí)間也受到限制。如果網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)因?yàn)槟芰亢谋M不能工作，那么會(huì)帶來網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞母淖円约奥酚傻闹匦陆⒌葐栴}。6.2跨層設(shè)計(jì)問題。設(shè)計(jì)一個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)，使其在不同應(yīng)用下都能保持最優(yōu)的性能是非常困難的。目前，研究者忽略了各層之間的相互聯(lián)系。帶來了靈活性差、效率不高等缺點(diǎn)。因此，在傳感器網(wǎng)絡(luò)中，需要采用自適應(yīng)的跨層優(yōu)化協(xié)議，從而可以在能量受限的情況下，滿足應(yīng)用的高吞吐量、低延遲等要求。6.3平安問題。由于采用的是無線傳輸信道，傳感器網(wǎng)絡(luò)存在竊聽、惡意路由、消息篡改等平安問題。因傳感器節(jié)點(diǎn)通信距離有限，往往通過多跳路由的方式傳送數(shù)據(jù)，節(jié)點(diǎn)本身僅與其鄰接節(jié)點(diǎn)交換信息，DV-Hop算法正是充分利用了傳感器網(wǎng)絡(luò)的這一特性ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>陳丹</Author><Year>2004</Year><RecNum>9</RecNum><record><rec-number>9</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="sdpa5d5s2fdz9lez223pr9xqas9v5fsvers0">9</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>陳丹</author><author>鄭增威</author><author>李際軍</author></authors></contributors><titles><title>無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究綜述</title><secondary-title>計(jì)算機(jī)測量與控制</secondary-title></titles><periodical><full-title>計(jì)算機(jī)測量與控制</full-title></periodical><pages>701-704</pages><volume>12</volume><number>008</number><dates><year>2004</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[4]。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的平安設(shè)計(jì)中，可以通過算法選擇，將大局部的實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)平安的計(jì)算量放在信息收集節(jié)點(diǎn)或簇頭節(jié)點(diǎn)處，而減輕一般傳感器節(jié)點(diǎn)的計(jì)算和存儲(chǔ)壓力，這也可以作為一種可選的解決方案。七、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用7.1無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在軍事方面的應(yīng)用7.1.1智能微塵〔smartdust把大量智能微塵裝在宣傳品、子彈或炮彈中，在目標(biāo)地點(diǎn)撒落下去，形成嚴(yán)密的監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)，敵國的軍事力量和人員、物資的流動(dòng)自然一清二楚。7.1.22003年目標(biāo)定位網(wǎng)絡(luò)嵌入式系統(tǒng)技術(shù)〔NetworkEmbedSystemTechnology〕三維空間的定位精度可到達(dá)1.5米，定位延遲到達(dá)27.1.3戰(zhàn)場環(huán)境偵察與監(jiān)視系統(tǒng)美國陸軍最近確立了“戰(zhàn)場環(huán)境偵察與監(jiān)視系統(tǒng)”工程。該系統(tǒng)是一個(gè)智能化傳感器網(wǎng)絡(luò)，可以更為詳盡、準(zhǔn)確地探測到精確信息，使情報(bào)偵察與獲取能力產(chǎn)生質(zhì)的飛躍。7.2無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在工業(yè)方面的應(yīng)用7.2.1以煤炭工業(yè)為例，例如北京郵電大學(xué)的研究人員開展了煤礦瓦斯報(bào)警和礦工定位無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的研究，一個(gè)節(jié)點(diǎn)上包括了溫濕度傳感器、瓦斯傳感器、粉塵傳感器等。在煤礦工作的員工及其周圍環(huán)境將可以得到隨時(shí)監(jiān)控。7.2.2隨著制造業(yè)技術(shù)的開展，各類生產(chǎn)設(shè)備越來越復(fù)雜精密?，F(xiàn)在工作人員從生產(chǎn)流水線到復(fù)雜機(jī)器設(shè)備，都嘗試著安裝相應(yīng)的傳感器節(jié)點(diǎn)，以便時(shí)刻掌握設(shè)備的工作健康狀況，及早發(fā)現(xiàn)問題及早處理，從而有效地減少損失，降低事故發(fā)生率。7.2.31995年美國交通部提出了“國家職能交通系統(tǒng)工程規(guī)劃”。該系統(tǒng)綜合運(yùn)用大量傳感器網(wǎng)絡(luò)，配合GPS系統(tǒng)、區(qū)域網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)等資源，目的是使所有車輛都能保持在高效、低耗的最正確運(yùn)行狀態(tài)，前后自動(dòng)保持車距，推薦最正確路線，并在潛在的故障發(fā)出警告。7.3無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在生活方面的應(yīng)用—智能家居系統(tǒng)7.3.1基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的景觀灌溉系統(tǒng)的控制子系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)監(jiān)測信號(hào)獲取和控制命令的發(fā)布，根據(jù)用戶設(shè)定或者參數(shù)反應(yīng)對(duì)灌溉系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)控制無線傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)，防止了有線網(wǎng)絡(luò)的搭建。從一定意義上節(jié)約了系統(tǒng)本錢，方便了系統(tǒng)維護(hù)，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>陳丹</Author><Year>2004</Year><RecNum>9</RecNum><record><rec-number>9</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="sdpa5d5s2fdz9lez223pr9xqas9v5fsvers0">9</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>陳丹</author><author>鄭增威</author><author>李際軍</author></authors></contributors><titles><title>無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究綜述</title><secondary-title>計(jì)算機(jī)測量與控制</secondary-title></titles><periodical><full-title>計(jì)算機(jī)測量與控制</full-title></periodical><pages>701-704</pages><volume>12</volume><number>008</number><dates><year>2004</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[2]。7.3.傳統(tǒng)的消防器材還是主要依賴人的操作，在實(shí)時(shí)性方面不能滿足要求，而傳感器網(wǎng)絡(luò)就是恰恰彌補(bǔ)了這方面的缺陷，在出現(xiàn)火情時(shí)，特殊傳感器能迅速探測環(huán)境種的煙霧濃度和溫度等參數(shù)，當(dāng)?shù)竭_(dá)所設(shè)定的閾值時(shí)，就會(huì)控制相應(yīng)的消防設(shè)施進(jìn)行滅火，并通知所在區(qū)域的人員，讓其有充足的時(shí)間撤離現(xiàn)場。7.3.車輛定位主要的方法有很多種，基于電波入射角(AOA)的定位方法是通過基站接收機(jī)天線陣列測出移動(dòng)臺(tái)發(fā)射電波的入射角,采用一定的定位算法確定角度確定的方位線的交點(diǎn),即為待定位移動(dòng)臺(tái)的估計(jì)位置ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>陳丹</Author><Year>2004</Year><RecNum>9</RecNum><record><rec-number>9</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="sdpa5d5s2fdz9lez223pr9xqas9v5fsvers0">9</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>陳丹</author><author>鄭增威</author><author>李際軍</author></authors></contributors><titles><title>無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究綜述</title><secondary-title>計(jì)算機(jī)測量與控制</secondary-title></titles><periodical><full-title>計(jì)算機(jī)測量與控制</full-title></periodical><pages>701-704</pages><volume>12</volume><number>008</number><dates><year>2004</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[3]。八、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)所面臨的開展趨勢8.1靈活、自適應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議體系無線傳感器網(wǎng)絡(luò)廣泛地應(yīng)用于軍事、環(huán)境、醫(yī)療、家庭、工業(yè)等領(lǐng)域。其網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、算法的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)與具體的應(yīng)用場景有著緊密的關(guān)聯(lián)。如何設(shè)計(jì)功能可裁減、自主靈活、可重構(gòu)和適應(yīng)于不同應(yīng)用需求的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議體系結(jié)構(gòu)，將是未來無線傳感器網(wǎng)絡(luò)開展的一個(gè)重要方向。8.2跨層設(shè)計(jì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)有著分層的體系結(jié)構(gòu)，因此在沒計(jì)時(shí)也大都是分層進(jìn)行的。各層的設(shè)計(jì)相互獨(dú)立且具有一定局限性，因而各層的優(yōu)化設(shè)計(jì)并不能保證整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)最優(yōu)。將MAC與路由相結(jié)合進(jìn)行跨層設(shè)計(jì)可以有效節(jié)省能量，延長網(wǎng)絡(luò)的壽命。同樣，傳感器網(wǎng)絡(luò)的能量管理和低功耗設(shè)計(jì)也必須結(jié)合實(shí)際跨層進(jìn)行。此外，在時(shí)間同步和節(jié)點(diǎn)定位方面，采用跨層優(yōu)化設(shè)計(jì)的方式，使節(jié)點(diǎn)直接獲取物理層的信息，有效防止本地處理帶來的誤差，獲得較為準(zhǔn)確的相關(guān)信息。8.3ZigBee標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)ZigBee的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)由IEEE802.15委員會(huì)負(fù)責(zé)制訂,也稱作IEEE802.15.4技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。IEEE802.15工作組主要制定了三種不同的WPAN標(biāo)準(zhǔn),區(qū)別在于通信的速率和QoS能力等:802.15.3標(biāo)準(zhǔn)是高速率的WPAN標(biāo)準(zhǔn),適合于多媒體應(yīng)用,有較高的QoS保證;802.15.1標(biāo)準(zhǔn)即Bluetooth技術(shù)ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>陳丹</Author><Year>2004</Year><RecNum>9</RecNum><record><rec-number>9</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="sdpa5d5s2fdz9lez223pr9xqas9v5fsvers0">9</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>陳丹</author><author>鄭增威</author><author>李際軍</author></authors>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