無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)分析和應(yīng)用展望

1、無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)分析和應(yīng)用展望摘 要：無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)融合了傳感技術(shù)、信息技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，是信息技術(shù)領(lǐng)域一種全新的發(fā)展方向。介紹了無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)體系，重點(diǎn)研究分析了無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)中的各項(xiàng)關(guān)鍵熱點(diǎn)技術(shù)；介紹了無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在實(shí)際生活中的廣泛應(yīng)用；對(duì)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的未來(lái)發(fā)展進(jìn)行了展望。關(guān)鍵詞：無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)；網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)；支撐技術(shù)；網(wǎng)絡(luò)協(xié)議；網(wǎng)絡(luò)管理中圖分類號(hào)： TP393.17 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)：1672-7800（ 2011） 09-0115-030 引言 ?隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人類已經(jīng)置身于信息時(shí)代。而對(duì)于信息獲取最重要的技術(shù)之一傳感器技術(shù)，也得到了飛速的發(fā)展。同時(shí)，

2、低功耗無(wú)線通信技術(shù)、嵌入式計(jì)算技術(shù)和集成電路技術(shù)的發(fā)展日益成熟。一種融合了傳感器技術(shù)、信息處理技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless SensorNetworks (WSN)應(yīng)運(yùn)而生。這是信息科學(xué)領(lǐng)域中一個(gè)全新的研究方向，引起了世界上許多國(guó)家軍事界和工業(yè)界的高度重視。美國(guó)商業(yè)周刊和麻省理工學(xué)院的技術(shù)評(píng)論雜志評(píng)出了對(duì)人類生活產(chǎn)生深淵影響的10 大新興技術(shù)，無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)被列為第一。?1 無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)?1.1 傳感器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)?傳感器節(jié)點(diǎn)是無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)體系中底層的硬件基礎(chǔ)設(shè)備，它是由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)處理和電源4 個(gè)部分組成（見圖 1）。數(shù)據(jù)采集單元負(fù)責(zé)收集監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)終端用

3、戶需要的信息；通過(guò)數(shù)據(jù)處理單元對(duì)采集的信息進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并進(jìn)行存儲(chǔ)；然后通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸單元將信息傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)中其他節(jié)點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)采用了嵌入式CPU，如：Intel 的 8086，RFM 公司的 TR1000 等。為了處理數(shù)據(jù)，對(duì)任務(wù)進(jìn)行調(diào)度及管理，節(jié)點(diǎn)還需要采用一種嵌入式操作系統(tǒng)，目前最為流行的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)嵌入式操作系統(tǒng)是由加州大學(xué)伯克利分校開發(fā)的TinyOS。 ?1.2 網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu) ?傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)是由傳感器節(jié)點(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)、傳播介質(zhì)、終端管理4 個(gè)部分組成。節(jié)點(diǎn)通過(guò)飛機(jī)撒播、人工安置等方式任意的設(shè)置在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)，能夠通過(guò)許多高度集成化的傳感器設(shè)備共同協(xié)作的實(shí)時(shí)檢測(cè)、感知和采集各種環(huán)境或檢測(cè)對(duì)象

4、的信息，然后通過(guò)傳感器設(shè)備上嵌入式系統(tǒng)對(duì)信息進(jìn)行處理，并通過(guò)自組織無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)以多跳中繼的方式將所感知的信息數(shù)據(jù)傳送到用戶終端（見圖 2），從而真正實(shí)現(xiàn)“無(wú)處不在的計(jì)算”理念。與傳統(tǒng)的信息獲取方式相比，無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)具有自組織、功耗小、廉價(jià)和快速布置、可擴(kuò)展性強(qiáng)、能在惡劣和特殊的環(huán)境下進(jìn)行工作等特點(diǎn)。?2 無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)?隨著對(duì)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的深入研究，我們可以將無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)分為兩個(gè)階段：第一階段主要偏重利用微電子技術(shù)設(shè)計(jì)小型化的節(jié)點(diǎn)設(shè)備；第二階段就是對(duì)傳感網(wǎng)絡(luò)本身問(wèn)題的關(guān)注與研究。網(wǎng)絡(luò)本身研究主要集中在3 個(gè)方面的關(guān)鍵技術(shù)：無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)支撐技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)管理技術(shù)。?2.1 無(wú)線傳

5、感網(wǎng)絡(luò)協(xié)議分析?無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)協(xié)議主要是由物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層組成。?物理層：主要功能是信道頻率選擇，無(wú)線信號(hào)的監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)的發(fā)送與接受等。物理層的設(shè)計(jì)目標(biāo)是以盡可能少的減少能量消耗獲得較大的鏈路容量。目前使用的頻段有3 個(gè)：2.4GHz 頻段、 915MHz 頻段、 868MHz 頻段。其中目前廣泛應(yīng)用的頻段是915MHz 頻段。 ?數(shù)據(jù)鏈路層：分為媒體訪問(wèn)控制層（MAC 層）和邏輯鏈路層（ LLC層）兩部分。這一層的主要功能是負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)流的多路復(fù)用，數(shù)據(jù)幀的監(jiān)測(cè)，媒介訪問(wèn)和差錯(cuò)控制，確保通信的可靠連接。其中 MAC 協(xié)議決定了無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)中無(wú)線信道的使用方式，在各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間分配有限

6、的無(wú)線通信資源，用來(lái)構(gòu)造傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的底層基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。在MAC 協(xié)議的研究中重要考慮節(jié)省能量、可擴(kuò)展性、公平性、利用率和實(shí)時(shí)性等方面。射頻模塊是節(jié)點(diǎn)中最大的耗能部件，是優(yōu)化的主要目標(biāo)， MAC 協(xié)議直接控制射頻模塊，對(duì)節(jié)點(diǎn)功耗有重要影響。因此MAC 協(xié)議一般采用了“偵聽休眠”交替的信道偵聽機(jī)制，節(jié)點(diǎn)空閑時(shí)自動(dòng)轉(zhuǎn)換為休眠狀態(tài)，以減少空閑偵聽消耗能量。所以我們可以根據(jù)協(xié)議中減少數(shù)據(jù)碰撞和串音現(xiàn)象采用不同的方法，將 MAC 協(xié)議分為 3 類：第一類利用時(shí)分復(fù)用（ TDMA）機(jī)制的 MAC 協(xié)議，比較典型的協(xié)議有DEANA協(xié)議、 TRAMA 協(xié)議、 DMAC 協(xié)議等；第二類利用頻分復(fù)用（FDMA）機(jī)制

7、和碼分復(fù)用 （ CDMA）機(jī)制的 MAC 協(xié)議，典型的協(xié)議有 SMACS/EAR協(xié)議；第三類通過(guò)無(wú)線信道的隨機(jī)競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制的 MAC 協(xié)議 ,典型的協(xié)議有 S-MAC協(xié)議、 T-MAC 協(xié)議等。 ?網(wǎng)絡(luò)層：主要負(fù)責(zé)路由發(fā)現(xiàn)、路由轉(zhuǎn)發(fā)和維護(hù)。在無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)中，路由協(xié)議對(duì)于能量消耗、魯棒性和擴(kuò)展性等都起著非常重要的作用。由于無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)資源的局限性，路由協(xié)議在設(shè)計(jì)上不能執(zhí)行非常復(fù)雜的計(jì)算，不能在節(jié)點(diǎn)設(shè)備上保存太多的狀態(tài)信息。當(dāng)前，路由協(xié)議根據(jù)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以劃分為平面路由協(xié)議和分級(jí)路由協(xié)議。而在分級(jí)路由協(xié)議中最典型的是針對(duì)傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的低能耗所設(shè)計(jì)的低能量自適應(yīng)分群協(xié)議（LEACH協(xié)議）和門限敏感的傳感網(wǎng)

8、絡(luò)節(jié)能協(xié)議（ TEEN）等。 ?傳輸層：主要負(fù)責(zé)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)所采集的數(shù)據(jù)信息提供給外部網(wǎng)絡(luò)。由于節(jié)點(diǎn)能量和存儲(chǔ)能量的局限性，傳輸層協(xié)議的設(shè)計(jì)存在一定的難度，當(dāng)前的這個(gè)方面的研究仍然處于探索階段。許多研究機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的模型一般是由網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)（ SINK）來(lái)收集無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)采集的數(shù)據(jù)信息，然后通過(guò)衛(wèi)星、移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)、 Internet 和外部網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信。 ?2.2 網(wǎng)絡(luò)支撐技術(shù)分析 ?目前，在無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的中針對(duì)網(wǎng)絡(luò)支撐技術(shù)的研究主要集中在定位技術(shù)和時(shí)間同步技術(shù)上。?網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位技術(shù)：和傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)相比，無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)與實(shí)際物理世界建立了緊密的聯(lián)系，在進(jìn)行采集信息數(shù)據(jù)時(shí)必須確定位置，這樣數(shù)據(jù)才有實(shí)際

9、意義。所以，定位技術(shù)在無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)中占有非常重要的地位。定位信息除了報(bào)告事件發(fā)生的地點(diǎn)外，還具有很多用途，如：目標(biāo)跟蹤、路由協(xié)助和網(wǎng)絡(luò)管理等等。定位技術(shù)中根據(jù)是否測(cè)量實(shí)際節(jié)點(diǎn)間的距離將傳感網(wǎng)絡(luò)的定位算法分為基于距離的定位算法和距離無(wú)關(guān)的定位算法?；诰嚯x的定位算法需要測(cè)量相鄰節(jié)點(diǎn)間的絕對(duì)距離，并利用節(jié)點(diǎn)間的實(shí)際距離來(lái)計(jì)算未知節(jié)點(diǎn)的位置。 采用這種機(jī)制的典型定位算法有基于TOA的定位協(xié)議，基于 TDOA 的定位協(xié)議以及基于AOA 的定位協(xié)議等。距離無(wú)關(guān)的定位算法利用節(jié)點(diǎn)間的估計(jì)距離來(lái)計(jì)算節(jié)點(diǎn)位置。采取這種機(jī)制的典型算法有質(zhì)心算法、DV-Hop 算法、APIT 算法和 Amorphous 算法等。

10、 ?時(shí)間同步技術(shù)：傳感網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有自己的本地時(shí)鐘，由于各節(jié)點(diǎn)的晶體振蕩器頻率存在偏差，所以傳感網(wǎng)絡(luò)在實(shí)際應(yīng)用中就必須采用時(shí)間同步機(jī)制將網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點(diǎn)的本地時(shí)鐘調(diào)整為統(tǒng)一的時(shí)間。時(shí)間同步機(jī)制是無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的一項(xiàng)關(guān)鍵支撐技術(shù)。對(duì)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步的研究主要集中在兩個(gè)方面：一是盡量減少同步算法對(duì)時(shí)間服務(wù)器及信道質(zhì)量的依賴，縮短可能引起同步誤差的關(guān)鍵路徑，從而提高同步精度；二是從能耗角度，研究節(jié)能，高效的同步算法。目前時(shí)間同步算法中最典型的有RBS協(xié)議、 TPSN協(xié)議和 FTSP協(xié)議等。 ?2.3 網(wǎng)絡(luò)管理技術(shù)分析?在無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際應(yīng)用中必不可少的就是對(duì)采集的信息數(shù)據(jù)進(jìn)行管理和處理。對(duì)于

11、數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)而言，無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)可以視為是一種分布式數(shù)據(jù)庫(kù)，以數(shù)據(jù)庫(kù)的方法來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)管理，可以將存儲(chǔ)在網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)的邏輯視圖和網(wǎng)絡(luò)中的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行分離。目前，在許多研究機(jī)構(gòu)中主要集中在半分布式結(jié)構(gòu)方面。 美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校的TinyDB 系統(tǒng)和Cornell 大學(xué)的 Cougar 系統(tǒng)是目前最具有代表性的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)。?3 無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用領(lǐng)域?無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)是通過(guò)不同類型的傳感器節(jié)點(diǎn)（例如：溫濕度感應(yīng)器，光度感應(yīng)器，圖像獲取感應(yīng)器，聲波感應(yīng)器等等）對(duì)特定環(huán)境進(jìn)行監(jiān)控，采集和獲取監(jiān)控環(huán)境的信息，以便我們采取有效的控制措施。目前，傳感器網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于軍事、商業(yè)、環(huán)境、醫(yī)療等各領(lǐng)域。隨著技

12、術(shù)不斷的成熟，將深入到我們?nèi)粘Ｉ畹母鱾€(gè)領(lǐng)域。?3.1 軍事領(lǐng)域 ?最早提出的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用就是在軍事領(lǐng)域方面。應(yīng)用無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)好處在于它能代替防御邊界上的警衛(wèi)和崗哨，通過(guò)在邊界設(shè)置大量的無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)，士兵可以通過(guò)節(jié)點(diǎn)上特定的傳感器設(shè)備實(shí)時(shí)采集獲取邊界的各種信息。在地雷中采用無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)后，這些地雷將和一般殺傷性地雷一樣具有殺傷力，但是可以通過(guò)節(jié)點(diǎn)獲取當(dāng)前的信息，戰(zhàn)后也可以通過(guò)實(shí)時(shí)的信息數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的處理。無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)還可以用于目標(biāo)定位和識(shí)別目標(biāo)以防范可能的襲擊，還可通過(guò)定位友軍部隊(duì)和無(wú)人駕駛車輛來(lái)協(xié)助進(jìn)攻。戰(zhàn)后我們也可以通過(guò)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)對(duì)整個(gè)戰(zhàn)場(chǎng)中的核污染、環(huán)境破壞進(jìn)行評(píng)估。 ?3

13、.2 環(huán)境檢測(cè) ?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)是一件非常困難的工作。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)為野外環(huán)境隨機(jī)性的研究提供了方便。WSN 在環(huán)境方面的應(yīng)用包括：跟蹤鳥類運(yùn)動(dòng)； 監(jiān)測(cè)影響莊稼和牲畜的環(huán)境條件；在海洋、陸地、大氣里進(jìn)行生物、地球和環(huán)境監(jiān)視；森林火災(zāi)監(jiān)測(cè)；氣象和地球物理的研究；洪災(zāi)監(jiān)測(cè)；污染研究等。加州大學(xué)伯克利分校利用傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控大鴨島（ Great Duck Island）的生態(tài)環(huán)境，在島上部署了一個(gè)多層次的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，用來(lái)監(jiān)測(cè)島上海燕的生活習(xí)性。?3.3 醫(yī)療衛(wèi)生應(yīng)用 ?無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)在醫(yī)療和健康護(hù)理方面的應(yīng)用包括監(jiān)控患者和醫(yī)生的行為，監(jiān)

14、測(cè)病人身體里的各種生理數(shù)據(jù)等。如果在住院病人身上安裝特殊用途的傳感器節(jié)點(diǎn)，如血壓和心率監(jiān)測(cè)設(shè)備，利用無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)醫(yī)生就可以隨時(shí)了解被監(jiān)護(hù)病人的病情，發(fā)現(xiàn)異常能夠迅速搶救。還可以利用無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)地收集人體的生理數(shù)據(jù)，分析這些數(shù)據(jù)信息不僅可以了解人體活動(dòng)機(jī)理，而且可以用在新藥品的研制中。隨著無(wú)線傳感技術(shù)發(fā)展的日益成熟，無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)將成為遠(yuǎn)程醫(yī)療提供更加快捷、便利的技術(shù)基礎(chǔ)。?3.4 家庭應(yīng)用 ?隨著無(wú)線傳感技術(shù)的進(jìn)步，智能傳感器節(jié)點(diǎn)安裝在一些家電和家居里，將為人們提供更加舒適、方便和更具人性化的智能家居環(huán)境。比如：真空吸塵器、微波爐、冰箱和錄像機(jī)內(nèi)安裝特定的傳感器設(shè)備，這些傳感器之間相互協(xié)作并

15、通過(guò)因特網(wǎng)或通信衛(wèi)星與外部網(wǎng)絡(luò)交互。這樣就允許終端用戶更加容易地遙控家用產(chǎn)品，通過(guò)圖像傳感器設(shè)備隨時(shí)監(jiān)控家里的安全。 ?3.5 其他方面的應(yīng)用?在工業(yè)上，無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)主要用于對(duì)大型設(shè)備的監(jiān)控，以掌握設(shè)備的運(yùn)行情況或者設(shè)備所處環(huán)境的情況，從而實(shí)時(shí)掌握當(dāng)前設(shè)備的工作狀態(tài)，避免一些重大的安全隱患。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在智能交通領(lǐng)域也有著很大的應(yīng)用前景，通過(guò)在道路兩側(cè)安放傳感器節(jié)點(diǎn)，構(gòu)造無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)來(lái)獲取交通信息，從而實(shí)現(xiàn)交通控制、交通誘導(dǎo)、緊急車輛優(yōu)先、停車場(chǎng)信息提供、不停車收費(fèi)、事故避免等智能交通的特色功能。 ?4 結(jié)束語(yǔ) ?無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)將在未來(lái)有著十分廣泛的應(yīng)用，可以涉及到人類生活的方方面面，所以目

16、前很多國(guó)家的高校和研究機(jī)構(gòu)都開展了大量的研究工作。由于傳感網(wǎng)絡(luò)是一門新興技術(shù)，我國(guó)與國(guó)際水平差距不大，所以及時(shí)開展這項(xiàng)技術(shù)的深入研究對(duì)整個(gè)國(guó)家都有重大的戰(zhàn)略意義，隨著今后信息技術(shù)的發(fā)展，關(guān)于無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的若干關(guān)鍵問(wèn)題都將被解決，其必將對(duì) 21 世紀(jì)人類的生活產(chǎn)生重大的影響。?參考文獻(xiàn)： 1 TinyOS EB/OL 2 李建中，李金寶，石勝飛 .傳感器網(wǎng)絡(luò)及其數(shù)據(jù)管理的概念、問(wèn)題與進(jìn)展 J .軟件學(xué)報(bào)， 2003(10). 3 柯欣，孫利民 .無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的 MAC 協(xié)議研究J.計(jì)算機(jī)科學(xué)， 2004(5). 4 T HE,C HUANG,B M BLUM,Range-Free Locatio

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