無線傳感網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展現(xiàn)狀及研究中的關(guān)鍵技術(shù)

1、無線傳感網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展現(xiàn)狀及研究中的關(guān)鍵技術(shù)隨著無線通信、集成電路、傳感器、微機(jī)電系統(tǒng)等技術(shù)的飛速發(fā)展，低成本、低功耗、小體積、多功能的微型傳感器的大量生產(chǎn)成為可能。之所以稱為微型傳感器，是因?yàn)閭鞲衅餍〉娇梢韵窕覊m一樣在空氣中浮動，所以又可稱之為“智能塵埃（SmartDust）”[1]。傳感器節(jié)點(diǎn)借助于內(nèi)置的微型傳感器，可以測量周圍環(huán)境中的熱、紅外、聲納、雷達(dá)和地震波信號、溫度、濕度、光強(qiáng)度、壓力、土壤成分、移動物理大小、速度和方向等人們感

2、興趣的物理現(xiàn)象。無線傳感網(wǎng)絡(luò)(WirelessSenswkWSN)是集分布式信息采集、信息傳輸和信息處理技術(shù)于一體的網(wǎng)絡(luò)信息系統(tǒng)，IEEE1451.5無線標(biāo)準(zhǔn)為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)提供了各種基于協(xié)議和需求的無線應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)。在WSN中，無線傳感器節(jié)點(diǎn)常常被隨機(jī)地布置在許多人類無法接近的場合，通過自組織的方式來構(gòu)成一個快速、有效可靠的無線網(wǎng)絡(luò)。傳感器節(jié)點(diǎn)往往是同構(gòu)的，并且由于其低能耗（甚至不需要換電池）的特點(diǎn)，它適用于無人看守的各種應(yīng)用場景等特點(diǎn)，

3、從而被公認(rèn)為是未來改變?nèi)藗兩畹氖蠹夹g(shù)之一。本文針對無線傳感網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)、應(yīng)用、關(guān)鍵技術(shù)及各種研究進(jìn)行了論述和分析，在研究人員進(jìn)行應(yīng)用場景的選擇、課題申報，特別是對做WSN的MAC層研究的人員有一定的參考價值。1無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)目前常見的無線通信網(wǎng)絡(luò)包括移動通信網(wǎng)、無線局域網(wǎng)、藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)、AdHoc網(wǎng)絡(luò)等無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與無線通信網(wǎng)絡(luò)有著本質(zhì)的區(qū)別:無線通信網(wǎng)絡(luò)的主要功能是提供網(wǎng)絡(luò)上點(diǎn)對點(diǎn)的建立連接、互相通信和操作為數(shù)據(jù)共享提供正確、可

4、靠的傳輸而由微型傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)則一般是為了某個特定的需要設(shè)計的自組織網(wǎng)絡(luò)能夠協(xié)作地實(shí)時監(jiān)測、感知和采集網(wǎng)絡(luò)分布區(qū)域內(nèi)的各種環(huán)境或監(jiān)測對象的信息并對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理從而獲得詳盡而準(zhǔn)確的信息將其傳送到匯聚節(jié)點(diǎn)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)相對于Adhoc網(wǎng)絡(luò)具有以下特點(diǎn)[2]:(1)節(jié)點(diǎn)更多分布更密集網(wǎng)絡(luò)規(guī)模更大。為了在某個地理區(qū)域上進(jìn)行監(jiān)測通常有成百上千甚至上萬的節(jié)點(diǎn)被布置在該區(qū)域如果單個節(jié)點(diǎn)或者局部幾個節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障是不會導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)癱瘓的

5、所以利用節(jié)點(diǎn)之間的高度連接性可以保證系統(tǒng)的容錯性和抗毀性。(2)節(jié)點(diǎn)處理信息能力受限。由于受價格、體積和功耗的限制傳感器網(wǎng)中的傳感器節(jié)點(diǎn)一般采用嵌入式處理器和存儲器。這些傳感器都具有計算能力可以完成一些信息處理工作。但是由于嵌入式處理器的能力和存儲器的容量有限因此傳感器的處理能力也相對受限，所以在設(shè)計WSN的各種協(xié)議時要力求簡單有效。(3)能量節(jié)省更為重要。由于受到硬件條件的影響無線傳感器節(jié)點(diǎn)通常采用電池供電而無線傳感網(wǎng)絡(luò)通常是不需更換

6、電池的，相對于Adhoc網(wǎng)絡(luò)電池的更換更為不便，而多數(shù)傳感器網(wǎng)又往往要求長時間工作所以能量節(jié)省更為重要。受到發(fā)射能量的限制，無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的通信距離可能會短些一般只有幾十米甚至更短。(4)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)相對而言處于靜止?fàn)顟B(tài)，移動的節(jié)點(diǎn)有限，所以在考慮MAC層協(xié)議時，往往不需考慮節(jié)點(diǎn)移動的特性。而Adhoc網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)必須考慮移動特性。(5)以數(shù)據(jù)為中心。在無線傳感網(wǎng)絡(luò)中，人們常常只關(guān)心某個區(qū)域內(nèi)某個觀測指標(biāo)的數(shù)值，而不會去關(guān)心

7、單個節(jié)點(diǎn)的觀測數(shù)據(jù)。它不同于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的尋址過程，能夠快速有效地組織起各個節(jié)點(diǎn)的信息并融合提取出有用的信息來傳送到用戶。2無線傳感網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵技術(shù)無線傳感網(wǎng)絡(luò)作為當(dāng)今信息領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，涉及多個學(xué)科的交叉，所需要研究的內(nèi)容可以分為四個部分，網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議、核心支撐技術(shù)、自組織管理、開發(fā)與應(yīng)用。每個部分都有一些關(guān)鍵技術(shù)需要解決。（1）網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議產(chǎn)業(yè)。已有和潛在的傳感器應(yīng)用領(lǐng)域包括：軍事偵察、環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療、建筑物監(jiān)測等等。隨著傳感器技術(shù)、無

8、線通信技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，各種傳感器網(wǎng)絡(luò)將遍布我們生活環(huán)境，從而真正實(shí)現(xiàn)“無處不在的計算”。（1）軍事應(yīng)用在軍事領(lǐng)域，傳感器網(wǎng)絡(luò)將會成為C4ISRT（comm，control，communication，computing，intelligence，surveillance，reconnaissancetargeting）系統(tǒng)[3]不可或缺的一部分。C4ISRT系統(tǒng)的目標(biāo)是利用先進(jìn)的高科技技術(shù)，為未來的現(xiàn)代化戰(zhàn)爭設(shè)計一個集

9、命令、控制、通信、計算、智能、監(jiān)視、偵察和定位于一體的戰(zhàn)場指揮系統(tǒng)，受到了軍事發(fā)達(dá)國家的普遍重視。因?yàn)閭鞲衅骶W(wǎng)絡(luò)是由密集型、低成本、隨機(jī)分布的節(jié)點(diǎn)組成的，自組織性和容錯能力使其不會因?yàn)槟承┕?jié)點(diǎn)在惡意攻擊中的損壞而導(dǎo)致整個系統(tǒng)的崩潰，這一點(diǎn)是傳統(tǒng)的傳感器技術(shù)所無法比擬的。在戰(zhàn)場，指揮員往往需要及時準(zhǔn)確地了解部隊、武器裝備和軍用物資供給的情況，鋪設(shè)的傳感器將采集相應(yīng)的信息，并通過匯聚節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)送至指揮所，再轉(zhuǎn)發(fā)到指揮部，最后融合來自各戰(zhàn)場的

10、數(shù)據(jù)形成我軍完備的戰(zhàn)區(qū)態(tài)勢圖。當(dāng)然，也可以直接將傳感器節(jié)點(diǎn)撒向敵方陣地，在敵方還未來得及反應(yīng)時迅速收集利于作戰(zhàn)的信息。在軍事應(yīng)用中，與獨(dú)立的衛(wèi)星和地面雷達(dá)系統(tǒng)相比，傳感器網(wǎng)絡(luò)也有潛在無可比擬的優(yōu)勢。(2)環(huán)境科學(xué)應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測的傳感器網(wǎng)絡(luò)，一般具有部署簡單、便宜、長期不需更換電池、無需派人現(xiàn)場維護(hù)的優(yōu)點(diǎn)。通過密集的節(jié)點(diǎn)布置，可以觀察到微觀的環(huán)境因素，為環(huán)境研究和環(huán)境監(jiān)測提供了嶄新的途徑。傳感器網(wǎng)絡(luò)研究在環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域已經(jīng)有很多的實(shí)例。這些

11、應(yīng)用實(shí)例包括：對海島鳥類生活規(guī)律的觀測，氣象現(xiàn)象的觀測和天氣預(yù)報，生物群落的微觀觀測，森林火警和洪災(zāi)預(yù)警，農(nóng)田管理等。（3）醫(yī)療健康傳感器網(wǎng)絡(luò)在醫(yī)療領(lǐng)域也有一些成功實(shí)例。SSIM（SmartSenssIntegratedMicrosystems）項目中，100個微型傳感器被植入病人眼中，從而幫助盲人獲得了一定程度的視覺。借助于各種醫(yī)療傳感器網(wǎng)絡(luò)，人們可以享受到更方便更舒適的醫(yī)療服務(wù)，比如：遠(yuǎn)程健康監(jiān)測和病變器官觀察等。（4）家庭、建筑及

12、城市管理各種無線傳感器可以靈活方便地布置于建筑物內(nèi)，監(jiān)測建筑安全；也可布置于房間內(nèi)獲取室內(nèi)環(huán)境參數(shù)，從而為居室環(huán)境控制和危險報警提供依據(jù)；還可布置于道路上，為出行者提供信息服務(wù)，或發(fā)現(xiàn)違章及時報警和記錄。（5）工業(yè)應(yīng)用在一些危險的工作環(huán)境，如煤礦、石油鉆井、核電廠等，利用WSN可以探測工作現(xiàn)場有哪些員工，他們在做什么以及他們的安全保障。而在機(jī)械制造和工業(yè)近控制過程中，也可以利用WSN來測量各種參數(shù)，形成一個統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)，及時利用各種參數(shù)達(dá)