無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)概論課件：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)基本概況

1.1無線傳感器網(wǎng)絡(luò)概述

微機(jī)電系統(tǒng)(Micro-Electro-MechanismSystem，MEMS)

片上系統(tǒng)(SystemonChip，SOC)

無線通信技術(shù)和低功耗嵌入式技術(shù)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WirelessSensorNetwork，WSN)

WSN特點(diǎn)：低功耗、低成本、分布式和自組織等。

1.1.1無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的產(chǎn)生與發(fā)展

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(簡稱無線傳感網(wǎng))的研究起源：20世紀(jì)70年代，只能捕獲單一信號，簡單的點(diǎn)對點(diǎn)通信。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)最早應(yīng)用于軍事領(lǐng)域，比如戰(zhàn)場監(jiān)測。案例：“胡志明小道”血腥較量。

20世紀(jì)80年代至90年代期間，美國國防部啟動(dòng)了分布式傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、海軍協(xié)同交戰(zhàn)能力系統(tǒng)、遠(yuǎn)程戰(zhàn)場傳感器系統(tǒng)等，這些系統(tǒng)主要由卡內(nèi)基梅隆大學(xué)、匹茲堡大學(xué)和麻省理工學(xué)院等承擔(dān)，從而建立一個(gè)由空間分布的低功耗傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點(diǎn)之間能相互協(xié)助并自主運(yùn)行，傳遞待處理的信息。這種現(xiàn)代微型化的傳感器具備感知能力、計(jì)算能力和通信能力。因此，1999年，《商業(yè)周刊》將傳感器網(wǎng)絡(luò)列為21世紀(jì)最具影響的21項(xiàng)技術(shù)之一和改變世界的十大技術(shù)之一。

進(jìn)入21世紀(jì)，尤其是“9·11事件”之后，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)特點(diǎn):網(wǎng)絡(luò)傳輸自組織、節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)低功耗。

2001—2005年期間，美軍執(zhí)行了“靈巧傳感器網(wǎng)絡(luò)通信計(jì)劃”，其設(shè)計(jì)思想是：在戰(zhàn)場上布設(shè)大量的無線傳感器節(jié)點(diǎn)以收集和傳輸信息，并對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，再將關(guān)鍵的信息傳送至各個(gè)信息融合中心，從而將大量的信息集成為一幅戰(zhàn)場信息圖，使參戰(zhàn)人員能夠?qū)崟r(shí)了解戰(zhàn)場態(tài)勢。2002年，英特爾公司制定了“基于微型傳感器網(wǎng)絡(luò)的新型計(jì)算的發(fā)展規(guī)劃”，致力于微型傳感器網(wǎng)絡(luò)在醫(yī)學(xué)、環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域的應(yīng)用。2003年，美國國家自然科學(xué)基金委員會(huì)制定設(shè)立無線傳感器網(wǎng)絡(luò)專項(xiàng)研究計(jì)劃，并在加州大學(xué)洛杉磯分校設(shè)立“無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研發(fā)中心”，與康奈爾大學(xué)伯克利分校、南加州大學(xué)等聯(lián)合開展了“嵌入式智能傳感器”的研究項(xiàng)目。由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在國際上被認(rèn)為是繼互聯(lián)網(wǎng)之后的第二大網(wǎng)絡(luò)，2003年美國《技術(shù)評論》雜志評出對人類未來生活產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響的十大新興技術(shù)，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)被列為第一。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)除了應(yīng)用于軍事領(lǐng)域、反恐活動(dòng)以外，在航空、防爆、救災(zāi)、環(huán)境、醫(yī)療、保健、家居、工業(yè)、商業(yè)等領(lǐng)域也應(yīng)用廣泛。

我國的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)及其應(yīng)用研究幾乎與發(fā)達(dá)國家同步啟動(dòng)，1999年首次正式出現(xiàn)于中國科學(xué)院《知識創(chuàng)新工程試點(diǎn)領(lǐng)域方向研究專題報(bào)告》之一的《信息與自動(dòng)化領(lǐng)域研究報(bào)告》中，是該領(lǐng)域提出的五個(gè)重大項(xiàng)目之一。隨著知識創(chuàng)新工程試點(diǎn)工作的深入，2001年中科院依托上海微系統(tǒng)所成立微系統(tǒng)研究與發(fā)展中心，并通過該中心在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的方向上陸續(xù)部署了若干重大研究項(xiàng)目和方向性項(xiàng)目，初步建立無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)研究平臺，在無線智能傳感器網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、微型傳感器、傳感器節(jié)點(diǎn)、簇點(diǎn)和應(yīng)用系統(tǒng)等方面取得很大的進(jìn)展。相關(guān)成果于2004年進(jìn)行了大規(guī)模外場演示，部分成果已在實(shí)際工程系統(tǒng)中得到應(yīng)用。

2006年我國發(fā)布的《國家中長期科學(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)就與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究直接相關(guān)，即智能感知技術(shù)和自組網(wǎng)技術(shù)。國內(nèi)的許多高校也掀起了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究熱潮，如清華大學(xué)、中國科技大學(xué)、浙江大學(xué)、華中科技大學(xué)、天津大學(xué)、南開大學(xué)、北京郵電大學(xué)、東北大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)、西南交通大學(xué)、沈陽理工大學(xué)和哈爾濱理工大學(xué)等單位紛紛開展了有關(guān)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)方面的基礎(chǔ)研究工作；一些企業(yè)如中國移動(dòng)公司、中國聯(lián)通公司、中興通訊公司、華為技術(shù)有限公司等也加入無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究的行列，并已在許多領(lǐng)域開展了示范和實(shí)際應(yīng)用。

1.1.2無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的含義與作用

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)綜合了無線傳感器技術(shù)、嵌入式計(jì)算技術(shù)、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)及無線通信技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)等，能夠通過各類集成化的微型傳感器協(xié)作地實(shí)時(shí)監(jiān)測、感知和采集各種環(huán)境或監(jiān)測對象的信息，然后通過嵌入式系統(tǒng)對信息進(jìn)行處理，最后通過隨機(jī)自組織無線通信網(wǎng)絡(luò)以多跳中繼方式將所感知信息傳送到用戶終端，從而真正實(shí)現(xiàn)“無處不在的計(jì)算”理念。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由大量部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的、具有無線通信與計(jì)算能力的微小、廉價(jià)傳感器節(jié)點(diǎn)，通過自組織方式構(gòu)成的，能根據(jù)環(huán)境自主完成指定任務(wù)的分布式智能化網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間距離很短，一般采用多跳(Multi-hop)的無線通信方式進(jìn)行通信。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以在獨(dú)立的環(huán)境下運(yùn)行，也可以通過網(wǎng)關(guān)連接到互聯(lián)網(wǎng)，使用戶可以遠(yuǎn)程訪問。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的作用是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中被感知對象的信息并發(fā)送給監(jiān)測者。無線傳感器、感知對象和監(jiān)測者構(gòu)成了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的三個(gè)要素。無線傳感器能夠獲取監(jiān)控不同位置的物理或環(huán)境狀況(比如溫度、聲音、振動(dòng)、壓力、運(yùn)動(dòng)或污染物)；感知對象是指在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的需要感知的具體信息載體；監(jiān)測者不僅包括觀測者，還包括監(jiān)測信息處理中心的軟硬件等系統(tǒng)。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的作用主要包括三個(gè)方面：信息感應(yīng)、信息通信和信息計(jì)算(包括硬件、軟件、算法)。信息感應(yīng)是通過傳感器將感知對象的非電量信息轉(zhuǎn)化為可以無線發(fā)送的電量信息；信息通信是通過無線通信協(xié)議將感應(yīng)的信息發(fā)送至目的地；信息計(jì)算是依據(jù)系統(tǒng)的硬件、軟件和算法對傳送來的信息進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、整理和應(yīng)用。1.2物聯(lián)網(wǎng)與WSN的關(guān)系

近幾年出現(xiàn)了與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)密切相關(guān)的新概念——物聯(lián)網(wǎng)(InternetofThings,IoT)，它已成為各國構(gòu)建經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展新模式和重塑國家綜合競爭力的新興信息產(chǎn)業(yè)。

1.2.1物聯(lián)網(wǎng)的產(chǎn)生與發(fā)展

物聯(lián)網(wǎng)的實(shí)踐最早可以追溯到1990年施樂公司研制的網(wǎng)絡(luò)可樂販?zhǔn)蹤C(jī)(NetworkedCokeMachine)。1991年美國麻省理工學(xué)院(MIT)的KevinAshton教授首次提出物聯(lián)網(wǎng)的概念，1995年比爾·蓋茨在《未來之路》一書中也曾提及物聯(lián)網(wǎng)，但未引起廣泛重視。1999年美國麻省理工學(xué)院建立了“自動(dòng)識別中心(Auto-ID)”，提出“萬物皆可通過網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)”，闡明了物聯(lián)網(wǎng)的基本含義。早期的物聯(lián)網(wǎng)是依托射頻識別(RFID)技術(shù)的物流網(wǎng)絡(luò)，隨著技術(shù)和應(yīng)用的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)的內(nèi)涵已經(jīng)發(fā)生了較大變化。

2004年，日本總務(wù)省(MIC)提出“u-Japan”戰(zhàn)略，該戰(zhàn)略的理念是以人為本，實(shí)現(xiàn)人與人、物與物、人與物之間的連接，希望將日本建設(shè)成一個(gè)“隨時(shí)、隨地、任何物體、任何人均可連接的泛在網(wǎng)絡(luò)社會(huì)”。

2005年，在突尼斯舉行的信息社會(huì)世界峰會(huì)(WSIS)上，國際電信聯(lián)盟(ITU)發(fā)布《ITU互聯(lián)網(wǎng)報(bào)告2005：物聯(lián)網(wǎng)》，引用了“物聯(lián)網(wǎng)”的概念。物聯(lián)網(wǎng)的定義和范圍已經(jīng)發(fā)生了變化，覆蓋范圍有了較大的拓展，不再局限于RFID技術(shù)。

2006年，韓國確立了“u-Korea”計(jì)劃，該計(jì)劃旨在建立無所不在的社會(huì)(UbiquitousSociety)，在民眾的生活環(huán)境里建設(shè)智能型網(wǎng)絡(luò)(如IPv6、BcN、USN)和各種新型應(yīng)用(如DMB、Telematics、RFID)，讓民眾可以隨時(shí)隨地享有科技智慧服務(wù)。2009年，韓國通信委員會(huì)出臺了《物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施構(gòu)建基本規(guī)劃》，將物聯(lián)網(wǎng)市場確定為新增長動(dòng)力，提出到2012年實(shí)現(xiàn)“通過構(gòu)建世界最先進(jìn)的物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)實(shí)施，打造未來廣播通信融合領(lǐng)域超一流信息通信技術(shù)強(qiáng)國”的目標(biāo)。

2008年，為了促進(jìn)科技發(fā)展，尋找經(jīng)濟(jì)新的增長點(diǎn)，各國政府開始重視下一代的技術(shù)規(guī)劃，將目光放在了物聯(lián)網(wǎng)上。在中國，同年11月在北京大學(xué)舉行的第二屆中國移動(dòng)政務(wù)研討會(huì)“知識社會(huì)與創(chuàng)新2.0”上提出了移動(dòng)技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展代表著新一代信息技術(shù)的形成，并帶動(dòng)了經(jīng)濟(jì)社會(huì)形態(tài)、創(chuàng)新形態(tài)的變革，推動(dòng)了面向知識社會(huì)的以用戶體驗(yàn)為核心的下一代創(chuàng)新(創(chuàng)新2.0)形態(tài)的形成，創(chuàng)新與發(fā)展更加關(guān)注用戶、注重以人為本。而“創(chuàng)新2.0”形態(tài)的形成又進(jìn)一步推動(dòng)了新一代信息技術(shù)的健康發(fā)展。

2009年，歐盟委員會(huì)發(fā)布了《歐盟物聯(lián)網(wǎng)行動(dòng)計(jì)劃》，描繪了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用前景，提出歐盟政府要加強(qiáng)對物聯(lián)網(wǎng)的管理，促進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展。

2009年，奧巴馬就任美國總統(tǒng)后，與美國工商業(yè)領(lǐng)袖舉行了一次“圓桌會(huì)議”。作為僅有的兩名代表之一，IBM首席執(zhí)行官彭明盛首次提出“智慧地球”這一概念，建議新政府投資新一代的智慧型基礎(chǔ)設(shè)施。當(dāng)年，美國將新能源和物聯(lián)網(wǎng)列為振興經(jīng)濟(jì)的兩大重點(diǎn)。

2009年，IBM大中華區(qū)首席執(zhí)行官錢大群在IBM論壇上公布了名為“智慧地球”的最新策略。此概念一經(jīng)提出，即得到美國各界的高度關(guān)注，甚至有分析認(rèn)為IBM公司的這一構(gòu)想極有可能上升至美國的國家戰(zhàn)略，并在世界范圍內(nèi)引起轟動(dòng)?！爸腔鄣厍颉睉?zhàn)略被不少美國人認(rèn)為與當(dāng)年的“信息高速公路”有許多相似之處，同樣被他們認(rèn)為是振興經(jīng)濟(jì)、確立競爭優(yōu)勢的關(guān)鍵戰(zhàn)略。該戰(zhàn)略能否掀起如當(dāng)年互聯(lián)網(wǎng)革命一樣的科技和經(jīng)濟(jì)浪潮，不僅為美國關(guān)注，更為其他國家所關(guān)注。

2009年8月，溫家寶總理“感知中國”的講話把我國物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的研究和應(yīng)用開發(fā)推向了高潮。無錫市率先建立了“感知中國”研究中心，中國科學(xué)院、部分運(yùn)營商、多所大學(xué)在無錫建立了物聯(lián)網(wǎng)研究院，無錫市江南大學(xué)還建立了全國首家實(shí)體物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院。自溫總理提出“感知中國”以來，物聯(lián)網(wǎng)被正式列為國家五大新興戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)之一，并寫入“政府工作報(bào)告”，物聯(lián)網(wǎng)在中國受到了極大的關(guān)注，其受關(guān)注程度是美國、歐盟以及其他各國無可比擬的。物聯(lián)網(wǎng)的概念已經(jīng)是一個(gè)“中國制造”的概念，它的覆蓋范圍與時(shí)俱進(jìn)，已經(jīng)超越了1999年Ashton教授和2005年ITU報(bào)告所指的范圍，物聯(lián)網(wǎng)已被貼上“中國式”標(biāo)簽。

我國對新一代信息技術(shù)十分重視，已形成支持新一代信息技術(shù)的一些新政策措施，從而推動(dòng)我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。物聯(lián)網(wǎng)作為一個(gè)新經(jīng)濟(jì)增長點(diǎn)的戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)，具有良好的市場效益。《2014—2018年中國物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域市場需求與投資預(yù)測分析報(bào)告》數(shù)據(jù)表明，2010年物聯(lián)網(wǎng)在安防、交通、電力和物流領(lǐng)域的市場規(guī)模分別為600億元、300億元、280億元和150億元，2011年中國物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)市場規(guī)模達(dá)到2600多億元。

1.2.2物聯(lián)網(wǎng)的含義

物聯(lián)網(wǎng)概念最早于1999年由美國麻省理工學(xué)院提出，國際電信聯(lián)盟(ITU)發(fā)布的《ITU互聯(lián)網(wǎng)報(bào)告2005：物聯(lián)網(wǎng)》對物聯(lián)網(wǎng)做了如下定義：物聯(lián)網(wǎng)即通過射頻識別(RFID或RFID+互聯(lián)網(wǎng))、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器、智能感應(yīng)器等信息傳感設(shè)備，按約定的協(xié)議，把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，進(jìn)行信息交換和通信，以實(shí)現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)。隨著科技的不斷發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)的內(nèi)涵不斷擴(kuò)展，現(xiàn)代意義的物聯(lián)網(wǎng)可以實(shí)現(xiàn)對物的感知識別控制、網(wǎng)絡(luò)化互聯(lián)和智能信息處理的有機(jī)統(tǒng)一，從而形成高智能決策。

根據(jù)國際電信聯(lián)盟(ITU)的定義，物聯(lián)網(wǎng)主要解決物品與物品(ThingtoThing,T2T)、人與物品(HumantoThing,H2T)、人與人(HumantoHuman,H2H)之間的互聯(lián)。但是，與傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)不同的是，H2T是指人利用通用裝置與物品之間的連接，從而使得物品連接更加簡化；而H2H是指人與人之間不依賴于PC而進(jìn)行的互聯(lián)。因?yàn)榛ヂ?lián)網(wǎng)并沒有考慮到對于任何物品連接的問題，故我們使用物聯(lián)網(wǎng)來解決這個(gè)傳統(tǒng)意義上的問題。物聯(lián)網(wǎng)，顧名思義就是連接物品的網(wǎng)絡(luò)，許多學(xué)者在討論物聯(lián)網(wǎng)時(shí)，經(jīng)常會(huì)引入一個(gè)M2M的概念，它可以解釋為人到人(MantoMan)、人到機(jī)器(MantoMachine)、機(jī)器到機(jī)器(MachinetoMachine)。從本質(zhì)上而言，人與機(jī)器、機(jī)器與機(jī)器的交互，大部分是為了實(shí)現(xiàn)人與人之間的信息交互。

2011年，我國工信部發(fā)表的《物聯(lián)網(wǎng)白皮書》中將物聯(lián)網(wǎng)定義為：物聯(lián)網(wǎng)是通信網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)的拓展應(yīng)用及網(wǎng)絡(luò)延伸，它利用感知技術(shù)與智能裝置對物理世界進(jìn)行感知識別，通過網(wǎng)絡(luò)傳輸互聯(lián)，進(jìn)行計(jì)算、處理和知識挖掘，實(shí)現(xiàn)人與物、物與物的信息交互和無縫連接，達(dá)到對物理世界實(shí)時(shí)控制、精確管理和科學(xué)決策的目的。

從其定義可知，物聯(lián)網(wǎng)涵蓋了當(dāng)今所有的信息技術(shù)，它與計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)物體與物體之間的環(huán)境、狀態(tài)信息實(shí)時(shí)地共享，以及智能化地收集、傳遞、處理、執(zhí)行。廣義上說，當(dāng)下涉及信息技術(shù)的應(yīng)用都可以納入物聯(lián)網(wǎng)的范疇。而在其著名的科技融合體模型中，提出了物聯(lián)網(wǎng)是當(dāng)下最接近該模型頂端的科技概念和應(yīng)用。物聯(lián)網(wǎng)是一個(gè)基于互聯(lián)網(wǎng)、傳統(tǒng)電信網(wǎng)等信息承載體，讓所有能夠被獨(dú)立尋址的普通物理對象實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通的網(wǎng)絡(luò)，它具有智能、先進(jìn)、互聯(lián)三個(gè)重要特征。

1.2.3物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)

物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)由感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層組成，如圖1-1所示。

圖1-1物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

感知層實(shí)現(xiàn)對物理世界的智能感知識別、信息采集處理和自動(dòng)控制，并通過通信模塊將物理實(shí)體連接到網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。網(wǎng)絡(luò)層主要實(shí)現(xiàn)信息傳遞、路由和控制，包括延伸網(wǎng)、接入網(wǎng)和核心網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)層可依托公眾電信網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)，也可以依托行業(yè)專用通信網(wǎng)絡(luò)。應(yīng)用層包括應(yīng)用基礎(chǔ)設(shè)施/中間件和各種物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。應(yīng)用基礎(chǔ)設(shè)施/中間件為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用提供信息處理、計(jì)算等通用基礎(chǔ)服務(wù)設(shè)施、能力及資源調(diào)用接口，以此為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)在眾多領(lǐng)域的各種應(yīng)用。

物聯(lián)網(wǎng)涉及感知、測控、網(wǎng)絡(luò)通信、微電子、計(jì)算機(jī)、軟件、嵌入式系統(tǒng)、微機(jī)電系統(tǒng)等許多技術(shù)領(lǐng)域，因此物聯(lián)網(wǎng)體系的關(guān)鍵技術(shù)可劃分為感知關(guān)鍵技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信關(guān)鍵技術(shù)、應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)、共性技術(shù)和支撐技術(shù)。1.2.4WSN與物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)系

目前，有人把無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和物聯(lián)網(wǎng)的概念混為一談，認(rèn)為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)就是物聯(lián)網(wǎng)，也有人認(rèn)為二者有一點(diǎn)區(qū)別，那么，應(yīng)如何理解二者的關(guān)系呢？

從1.2.2節(jié)可知，物聯(lián)網(wǎng)是通信網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)的拓展應(yīng)用及網(wǎng)絡(luò)延伸，它利用感知技術(shù)與智能裝置對物理世界進(jìn)行感知識別，通過網(wǎng)絡(luò)傳輸互聯(lián)，進(jìn)行計(jì)算、處理和知識挖掘，實(shí)現(xiàn)人與物、物與物的信息交互和無縫連接。簡而言之，物聯(lián)網(wǎng)就是“物物相連的互聯(lián)網(wǎng)”。

而無線傳感器網(wǎng)絡(luò)所使用的硬件首先是傳感器，用于感知震動(dòng)、溫度、壓力、聲音等，然后結(jié)合無線通信技術(shù)與通信或組網(wǎng)模塊構(gòu)成獨(dú)立網(wǎng)絡(luò)。WSN不可能做得太大，只能在局部的地方使用，例如戰(zhàn)場、地震監(jiān)測、建筑工程、保安、智能家居等。但是，物聯(lián)網(wǎng)就大得多，它可以把世界上任何物品通過電子標(biāo)簽和網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系起來，是一種“無處不在”的概念，與當(dāng)前蓬勃發(fā)展的電子商務(wù)、網(wǎng)絡(luò)交易有關(guān)，將貢獻(xiàn)于全球經(jīng)濟(jì)并造福于全人類。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與物聯(lián)網(wǎng)的對比如表1-1所示，表中所說的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)是指已經(jīng)鋪設(shè)的、廣泛應(yīng)用的移動(dòng)網(wǎng)、電信網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)等。

由表1-1可知，物聯(lián)網(wǎng)的概念內(nèi)涵比無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的要大一些，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是構(gòu)成物聯(lián)網(wǎng)感知層和網(wǎng)絡(luò)層的內(nèi)容之一，是物聯(lián)網(wǎng)的重要組成部分。

表1-1無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與物聯(lián)網(wǎng)的對比1.3WSN與互聯(lián)網(wǎng)的關(guān)系

WSN與互聯(lián)網(wǎng)也有著密切的關(guān)系，如果把互聯(lián)網(wǎng)(物聯(lián)網(wǎng)完全依托在互聯(lián)網(wǎng)上)比作人體，那么RFID可以視為“眼睛”，WSN可以視為“皮膚”。RFID解決“WHO”，利用應(yīng)答器實(shí)現(xiàn)對物品的標(biāo)志與識別；而WSN解決“HOW”，利用傳感器實(shí)現(xiàn)對物體狀態(tài)的把握；眼睛可以識別，皮膚可以感覺，眼睛的功能不在于感覺溫度的變化，而皮膚的功能也不是用來辨別哪個(gè)人或哪件東西。WSN利用無線技術(shù)可以自成體系地單獨(dú)使用，也可以作為互聯(lián)網(wǎng)的“神經(jīng)末梢”。

1.3.1互聯(lián)網(wǎng)內(nèi)涵的理解

互聯(lián)網(wǎng)(Internet)始于1969年美國的阿帕網(wǎng)，又稱網(wǎng)際網(wǎng)路，或音譯因特網(wǎng)、英特網(wǎng)，是網(wǎng)絡(luò)與網(wǎng)絡(luò)之間所串連成的龐大網(wǎng)絡(luò)，這些網(wǎng)絡(luò)以一組通用的協(xié)議相連，形成邏輯上的單一巨大國際網(wǎng)絡(luò)。這種將計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)互相連接在一起的方法稱作“網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)”，在這基礎(chǔ)上發(fā)展出覆蓋全世界的全球性互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)稱為互聯(lián)網(wǎng)，即互相連接在一起的網(wǎng)絡(luò)?；ヂ?lián)網(wǎng)并不等同萬維網(wǎng)，萬維網(wǎng)只是一個(gè)基于超文本相互連接而成的全球性系統(tǒng)，是互聯(lián)網(wǎng)所能提供的服務(wù)之一。

互聯(lián)網(wǎng)是美軍在ARPA(美國國防部高級研究計(jì)劃署)制定的協(xié)定下將美國西南部的大學(xué)UCLA(加利福尼亞大學(xué)洛杉磯分校)、StanfordResearchInstitute(斯坦福大學(xué)研究學(xué)院)、UCSB(加利福尼亞大學(xué))和UniversityofUtah(猶他州大學(xué))的四臺主要的計(jì)算機(jī)連接起來。這個(gè)協(xié)定由劍橋大學(xué)的BBN和MA執(zhí)行，在1969年12月開始聯(lián)機(jī)?；ヂ?lián)網(wǎng)是全球性的，這就意味著這個(gè)網(wǎng)絡(luò)不管是誰發(fā)明了它，都是屬于全人類的。這種“全球性”并不是一個(gè)空洞的政治口號，而是有其技術(shù)保證的?；ヂ?lián)網(wǎng)的結(jié)構(gòu)是按照“包交換”的方式連接的分布式網(wǎng)絡(luò)。因此，在技術(shù)的層面上，互聯(lián)網(wǎng)絕對不存在中央控制的問題。也就是說，不可能存在某一個(gè)國家或者某一個(gè)利益集團(tuán)通過某種技術(shù)手段來控制互聯(lián)網(wǎng)的問題。反過來，也無法把互聯(lián)網(wǎng)封閉在一個(gè)國家之內(nèi)，除非建立的不是互聯(lián)網(wǎng)。

然而，與此同時(shí)，這樣一個(gè)全球性的網(wǎng)絡(luò)必須要有某種方式來確定連入其中的每一臺主機(jī)，在互聯(lián)網(wǎng)上絕對不能出現(xiàn)類似兩個(gè)人同名的現(xiàn)象。這樣就需要有一個(gè)固定的機(jī)構(gòu)來為每一臺主機(jī)確定名字，由此確定這臺主機(jī)在互聯(lián)網(wǎng)上的“地址”。然而，這僅僅是“命名權(quán)”，這種確定地址的權(quán)力并不意味著控制的權(quán)力。負(fù)責(zé)命名的機(jī)構(gòu)除了命名之外，并不能做更多的事情。同樣，這個(gè)全球性的網(wǎng)絡(luò)也需要有一個(gè)機(jī)構(gòu)來制定所有主機(jī)都必須遵守的交往規(guī)則(即協(xié)議)，否則就不可能建立起全球所有不同的電腦、不同的操作系統(tǒng)都能夠通用的互聯(lián)網(wǎng)。下一代TCP/IP協(xié)議將對網(wǎng)絡(luò)上的信息等級進(jìn)行分類，以加快傳輸速度(比如，優(yōu)先傳送瀏覽信息，而不是電子郵件信息)，就是這種機(jī)構(gòu)提供的服務(wù)的例證。同樣，這種制定共同遵守的“協(xié)議”的權(quán)力，也不意味著控制的權(quán)力。毫無疑問，互聯(lián)網(wǎng)的所有這些技術(shù)特征都說明對于互聯(lián)網(wǎng)的管理完全與“服務(wù)”有關(guān)，而與“控制”無關(guān)。

事實(shí)上，互聯(lián)網(wǎng)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不是我們經(jīng)常說到的“信息高速公路”。這不僅因互聯(lián)網(wǎng)的傳輸速度不夠，更重要的是互聯(lián)網(wǎng)還沒有定型，還一直在發(fā)展、變化。因此，任何對互聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)定義也只能是當(dāng)下的、現(xiàn)時(shí)的。與此同時(shí)，在越來越多的人加入到互聯(lián)網(wǎng)中，越來越多地使用互聯(lián)網(wǎng)的過程中，也會(huì)不斷地從社會(huì)、文化的角度對互聯(lián)網(wǎng)的意義、價(jià)值和本質(zhì)提出新的理解。

互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展早已超越了當(dāng)初ARPANET的軍事和技術(shù)目的，幾乎從一開始就是為人類的交流服務(wù)的。1.3.2互聯(lián)網(wǎng)的特點(diǎn)

互聯(lián)網(wǎng)受歡迎的根本原因在于它的使用成本低，使用的信息價(jià)值超高?；ヂ?lián)網(wǎng)的優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：互聯(lián)網(wǎng)能夠不受空間限制來進(jìn)行信息交換，信息交換具有時(shí)域性(更新速度快)，交換信息具有互動(dòng)性(人與人、人與信息之間可以互動(dòng)交流)，信息交換的使用成本低(通過信息交換代替實(shí)物交換)，信息交換趨向于個(gè)性化發(fā)展(容易滿足每個(gè)人的個(gè)性化需求)，使用者眾多，有價(jià)值的信息被資源整合，信息儲(chǔ)存量大、高效、快，信息交換能以多種形式存在(視頻、圖片、文章等)。

但在實(shí)際應(yīng)用中，互聯(lián)網(wǎng)也存在著以下兩個(gè)問題：①網(wǎng)絡(luò)差異性：各種不同的接入技術(shù)和接入網(wǎng)絡(luò)使得互聯(lián)網(wǎng)呈現(xiàn)出異構(gòu)性；②設(shè)備差異性：不同的終端接入設(shè)備，如PAD、PC等，在視頻解碼的處理性能以及顯示設(shè)備能夠支持的圖像分辨率上都有較大的差異。

1.3.3WSN與互聯(lián)網(wǎng)的關(guān)系

在許多應(yīng)用中，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)不以孤立網(wǎng)絡(luò)的形式存在，而是通過一定的方式與其他外部網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，使其他外部網(wǎng)絡(luò)能夠訪問和控制無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，這樣才有實(shí)際價(jià)值。互聯(lián)網(wǎng)是目前世界上最大的一種網(wǎng)絡(luò)，因此實(shí)現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與Internet的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)具有重大意義。在Internet以及其他一些網(wǎng)絡(luò)中，TCP/IP已經(jīng)成為事實(shí)上的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)終端數(shù)量龐大，IPv4遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的地址需求，因此許多研究把重點(diǎn)放在了IPv6上，旨在將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)IPv6化。

互聯(lián)網(wǎng)工程任務(wù)組(InternetEngineeringTaskForce，IETF)正在進(jìn)行針對基于IPv6的低功率無線個(gè)域網(wǎng)(IPv6overLow-PowerWirelessPersonalAreaNetwork，6LoWPAN)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)化活動(dòng)，包括將IPv6協(xié)議適配到IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的6LoWPAN、低功耗網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議(RoutingProtocolforLow-PowerandLossyNetwork，RPL)、受限應(yīng)用層協(xié)議(ConstrainedApplicationProtocol，CoAP)等。IP智能物體產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟(IPSmartObjectAlliance，IPSO)也開始了嵌入式設(shè)備IPv6產(chǎn)品化的推廣。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)IP化的優(yōu)點(diǎn)之一是可以采用REST(RepresentationalStateTransfer)風(fēng)格架構(gòu)構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。REST是表述性狀態(tài)轉(zhuǎn)換架構(gòu)，是一種輕量級的Web服務(wù)實(shí)現(xiàn)，是互聯(lián)網(wǎng)資源訪問協(xié)議的一般性設(shè)計(jì)風(fēng)格。

REST有3個(gè)基本概念：表示(Representation)、狀態(tài)(State)和轉(zhuǎn)換(Transfer)。表示是指數(shù)據(jù)和資源都以一定的形式表示；狀態(tài)是指一次資源請求中需要使用的狀態(tài)都隨請求提供，服務(wù)端和客戶端都是無狀態(tài)的；轉(zhuǎn)換是指資源的表示和狀態(tài)可以在服務(wù)端和客戶端之間轉(zhuǎn)移。REST提出了一些設(shè)計(jì)概念和準(zhǔn)則：網(wǎng)絡(luò)上的所有資源都被抽象為資源；每個(gè)資源對應(yīng)唯一的資源標(biāo)識；通過通用的連接器接口對資源進(jìn)行操作；對資源的各種操作不會(huì)改變資源標(biāo)識；對資源的所有操作都是無狀態(tài)的。

REST風(fēng)格使應(yīng)用程序可以依賴于一些可共享和重用的并松散耦合的服務(wù)。HTTP(HypertextTransferProtocol)就是一個(gè)典型的符合REST風(fēng)格的協(xié)議。但是，HTTP協(xié)議較為復(fù)雜，開銷較大，不適用于資源受限的傳感器網(wǎng)絡(luò)。IETFCoRE(ConstrainedRestfulEnvironment)工作組正在制定CoAP協(xié)議，將REST風(fēng)格引入智能傳感器網(wǎng)絡(luò)。

1．受限應(yīng)用層協(xié)議CoAP

2010年，IETFCoRE工作組開始標(biāo)準(zhǔn)化受限應(yīng)用層協(xié)議(ConstrainedApplicationProtocol，CoAP)。

CoAP是一種網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議，專門為資源受限設(shè)備(如傳感器節(jié)點(diǎn))和網(wǎng)絡(luò)(如6LoWPAN網(wǎng)絡(luò))優(yōu)化設(shè)計(jì)。CoAP采用REST風(fēng)格架構(gòu)，將網(wǎng)絡(luò)上的所有對象抽象為資源，每個(gè)資源對應(yīng)一個(gè)唯一的統(tǒng)一資源標(biāo)識符(UniversalResourceIdentifier，URI)，通過URI可以對資源進(jìn)行無狀態(tài)操作，包括GET、PUT、POST和DELETE等。

CoAP并不是HTTP的壓縮協(xié)議，一方面它實(shí)現(xiàn)了HTTP的一部分功能子集，并為資源受限環(huán)境進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)；另一方面它提供了內(nèi)置資源發(fā)現(xiàn)、多播支持、異步消息交換等功能。圖1-2所示為CoAP協(xié)議棧。與HTTP不同，CoAP使用的是面向數(shù)據(jù)包的傳輸層協(xié)議，如用戶數(shù)據(jù)包協(xié)議(UserDatagramProtocol，UDP)，因此可以支持多播。

CoAP分為兩層：消息層(Message)負(fù)責(zé)使用UDP進(jìn)行異步交互，請求/回復(fù)層(Request/Response)負(fù)責(zé)傳輸資源操作請求和回復(fù)數(shù)據(jù)。CoAP消息包含的類型有Confirmable(CON)表示需要收到確認(rèn)的消息；圖1-2CoAP協(xié)議棧Non-confirmable(NON)，表示不需要收到確認(rèn)的消息；Acknowledgment(ACK)，表示確認(rèn)一個(gè)Confirmable類型的消息已收到；Reset(RST)，表示一個(gè)Confirmable類型的消息已收到，但是不能處理。

通過這種雙層結(jié)構(gòu)，CoAP能夠在UDP上實(shí)現(xiàn)可靠傳輸機(jī)制。進(jìn)行可靠傳輸時(shí)使用CON消息，如果在規(guī)定時(shí)間內(nèi)未收到ACK消息，則重新傳輸該消息(超時(shí)重傳)，直到收到ACK/RST消息或者超過最大重試次數(shù)。接收方收到CON消息時(shí)，返回ACK消息，如果接收方不能處理該消息，則返回RST消息。此外，CoAP還支持異步通信，當(dāng)CoAP服務(wù)端收到不能立即處理的請求時(shí)，首先返回ACK消息，處理請求之后再發(fā)送返回消息。CoAP主要具有以下特點(diǎn)：滿足資源受限的網(wǎng)絡(luò)需求；無狀態(tài)HTTP映射，可以通過HTTP代理實(shí)現(xiàn)訪問CoAP資源，或者在CoAP之上構(gòu)建HTTP接口；使用UDP實(shí)現(xiàn)可靠單播和最大努力多播；異步消息交換；很小的消息頭載荷及解析復(fù)雜度；支持URI和內(nèi)容類型(Content-type)；支持代理和緩存；內(nèi)建資源發(fā)現(xiàn)。雖然CoAP還在制定中，但是已經(jīng)出現(xiàn)了許多開源的CoAP實(shí)現(xiàn)，包括C語言實(shí)現(xiàn)的Libcoap、Python語言實(shí)現(xiàn)的CoAPy、C#語言實(shí)現(xiàn)的CoAP.NET等。Contiki和TinyOS兩大無線傳感器網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)也提供了CoAP支持。

2．互聯(lián)方式

在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中采用基于IP的REST風(fēng)格網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)能夠促進(jìn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)之間的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)。應(yīng)用CoAP之后，互聯(lián)網(wǎng)中的服務(wù)能夠直接通過CoAP或者通過HTTP與CoAP之間的映射轉(zhuǎn)換來訪問無線傳感器網(wǎng)絡(luò)資源。因此，基于CoAP的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)的互聯(lián)方式有直接接入和網(wǎng)關(guān)代理兩種。

1)直接接入

直接接入方式是指無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通過網(wǎng)關(guān)接入互聯(lián)網(wǎng)，網(wǎng)關(guān)只對IPv6和6LoWPAN網(wǎng)絡(luò)層進(jìn)行轉(zhuǎn)換，而對上層協(xié)議不做處理。圖1-3所示為直接接入方式原理框圖。直接接入時(shí)，傳感器節(jié)點(diǎn)直接與支持CoAP的互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用程序進(jìn)行數(shù)據(jù)通信,實(shí)現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)的完全互聯(lián)，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)都可以通過IPv6地址直接訪問，同時(shí)網(wǎng)關(guān)只需要對IPv6與6LoWPAN進(jìn)行轉(zhuǎn)換，減少了不必要的開銷。

但是，一方面，由于目前IPv6在互聯(lián)網(wǎng)中還沒有完全普及，這種方式的應(yīng)用范圍受到了一定的限制。在小型自控網(wǎng)絡(luò)中可以采用這種方式，但是在公用網(wǎng)絡(luò)中目前還無法實(shí)現(xiàn)。另一方面，已有的互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用程序(如瀏覽器)等大多使用HTTP，不能直接訪問無線傳感器網(wǎng)絡(luò)資源，需要應(yīng)用CoAP重新實(shí)現(xiàn)。圖1-3直接接入方式原理框圖2)網(wǎng)關(guān)代理

網(wǎng)關(guān)代理方式是指無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通過網(wǎng)關(guān)接入互聯(lián)網(wǎng)，網(wǎng)關(guān)對全部協(xié)議進(jìn)行相應(yīng)轉(zhuǎn)換，將HTTP或其他協(xié)議請求轉(zhuǎn)換為CoAP請求，并將CoAP返回的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為HTTP或其他協(xié)議形式傳遞給互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用程序。網(wǎng)關(guān)代理時(shí)，互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用程序不是直接訪問無線傳感器網(wǎng)絡(luò)資源，而是通過網(wǎng)關(guān)對CoAP和HTTP或其他協(xié)議進(jìn)行了轉(zhuǎn)換。

這種方式的優(yōu)勢在于，由于使用網(wǎng)關(guān)作為代理，互聯(lián)網(wǎng)端可以使用IPv4或IPv6，使得這種方式的應(yīng)用范圍更廣。同時(shí)，因?yàn)榭梢允褂肏TTP或其他協(xié)議，上層應(yīng)用程序可以不需要改動(dòng)。但是，CoAP和HTTP或其他協(xié)議的轉(zhuǎn)換增加了網(wǎng)關(guān)的復(fù)雜度，也會(huì)對通信效率產(chǎn)生一定影響。

網(wǎng)關(guān)代理的實(shí)現(xiàn)方式有以下三種：委托調(diào)用、HTTP代理、透明代理。委托調(diào)用是指在網(wǎng)關(guān)上實(shí)現(xiàn)一個(gè)HTTP接口，通過傳入?yún)?shù)對CoAP資源進(jìn)行調(diào)用。傳入?yún)?shù)可以包括CoAP資源URI、訪問方法、負(fù)載參數(shù)等。這種方式不對CoAP和HTTP進(jìn)行直接轉(zhuǎn)換。

圖1-4網(wǎng)關(guān)代理方式原理框圖網(wǎng)關(guān)代理是一種間接接入方式，可以通過軟件將傳感器節(jié)點(diǎn)與因特網(wǎng)連接起來，圖1-5所示為基于Libcoap實(shí)現(xiàn)的委托調(diào)用網(wǎng)關(guān)框圖。Libcoap是一個(gè)用C語言實(shí)現(xiàn)的CoAP庫，當(dāng)前版本支持draft-ietf-core-coap-03。Libcoap封裝了Message層，并提供了Request/Response層示例?？梢酝ㄟ^如下格式訪問CoAP資源：“http://網(wǎng)關(guān)IP地址/coap-proxy?uri=coap://[節(jié)點(diǎn)IPv6地址]:<節(jié)點(diǎn)端口>/[資源名稱]”。圖1-5基于Libcoap實(shí)現(xiàn)的委托調(diào)用網(wǎng)關(guān)框圖HTTP代理和透明代理都是指網(wǎng)關(guān)對HTTP和CoAP進(jìn)行映射轉(zhuǎn)換。HTTP代理是采用HTTP正向代理的方式訪問CoAP資源，代理服務(wù)器進(jìn)行協(xié)議代理，將請求轉(zhuǎn)發(fā)至無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，底層同樣使用Libcoap實(shí)現(xiàn)。

透明代理是直接以HTTP訪問CoAP資源，例如“http://[節(jié)點(diǎn)IPv6地址]/[資源名稱]”。網(wǎng)關(guān)需要監(jiān)聽網(wǎng)卡，截獲所有對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的訪問請求，將請求映射轉(zhuǎn)換為CoAP格式：“coap://[節(jié)點(diǎn)IPv6地址]:<節(jié)點(diǎn)端口>/[資源名稱]”，發(fā)送至無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；再將收到的CoAP回復(fù)翻譯為HTTP格式返回。在整個(gè)過程中，網(wǎng)關(guān)對上層應(yīng)用程序是透明的。IETFCoRE工作組正在討論HTTP-CoAP映射的相關(guān)問題。3．應(yīng)用情況

2013年開始出現(xiàn)了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)品。比如，Nike+FuelBand和Jawbone等傳感器式腕帶走進(jìn)人們的生活，用來衡量人們每天走了多少路、睡眠質(zhì)量如何等；配備了傳感器的手表Basis可以測量心率。所有這些設(shè)備都與移動(dòng)應(yīng)用或Web應(yīng)用相整合，從而跟蹤用戶狀況并提供建議。

隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，互聯(lián)網(wǎng)將發(fā)揮更加重要的作用——既保持自身的相對獨(dú)立性，又將成為物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的重要組成部分——網(wǎng)絡(luò)層的主體技術(shù)。1.4WSN的技術(shù)特點(diǎn)

隨著科技的進(jìn)步，無線技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的結(jié)合越來越密切，出現(xiàn)了許多無線網(wǎng)絡(luò)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)具備自身的技術(shù)特點(diǎn)。

1.4.1WSN與現(xiàn)有無線網(wǎng)絡(luò)的區(qū)別

目前，無線網(wǎng)絡(luò)主要分成兩類：一類是具有基礎(chǔ)設(shè)施的無線蜂窩網(wǎng)，此類網(wǎng)絡(luò)需要有固定的基站；另一類是沒用基礎(chǔ)設(shè)施的無線網(wǎng)絡(luò)，又稱無線自組織網(wǎng)絡(luò)(AdHocNetwork)。

前一類網(wǎng)絡(luò)比較常見，如移動(dòng)網(wǎng)、通信網(wǎng)和電信網(wǎng)。這類網(wǎng)絡(luò)需要高大天線和大功率基站的支持，常見的有基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)，稱之為無線寬帶網(wǎng)，包括GSM、CDMA、3G、BeyondG、4G、WLAN(WiFi)、WMAN(WiMax)等，都有固定的基站。

而后一類的無線自組織網(wǎng)絡(luò)又分成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和移動(dòng)AdHoc網(wǎng)絡(luò)兩類，它們都具備分布式特點(diǎn)，沒有專門的固定基站，但能夠快速、靈活和便利地組網(wǎng)，基本不用人為干預(yù)，就以自組織方式完成組網(wǎng)。這類網(wǎng)絡(luò)可以借助成熟的無線蜂窩網(wǎng)或有線網(wǎng)，將信息傳遞到更遠(yuǎn)的地方。

雖然無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和移動(dòng)AdHoc網(wǎng)絡(luò)有許多相似之處，但也存在很大的差異，主要集中在以下三個(gè)方面：節(jié)點(diǎn)規(guī)模、節(jié)點(diǎn)部署和工作模式。

1．節(jié)點(diǎn)規(guī)模

移動(dòng)AdHoc網(wǎng)絡(luò)一般由幾十個(gè)到上百個(gè)節(jié)點(diǎn)組成，節(jié)點(diǎn)數(shù)量比較少，采用的通信方式是無線的、動(dòng)態(tài)組網(wǎng)的、多跳的移動(dòng)性對等網(wǎng)絡(luò)，大多數(shù)節(jié)點(diǎn)是移動(dòng)的。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是集成了監(jiān)測、控制和無線通信的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，節(jié)點(diǎn)數(shù)目更為龐大，可以達(dá)到成千上萬，而且節(jié)點(diǎn)分布更為密集。但是由于環(huán)境影響和能量耗盡，節(jié)點(diǎn)更容易出現(xiàn)故障，而環(huán)境干擾和節(jié)點(diǎn)故障易造成網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化。通常情況下，大多數(shù)傳感器的節(jié)點(diǎn)是固定不動(dòng)的。另外，傳感器節(jié)點(diǎn)具有的能量、處理能力、存儲(chǔ)能力和通信能力等都十分有限。傳統(tǒng)的無線網(wǎng)絡(luò)的首要設(shè)計(jì)目標(biāo)是提供高質(zhì)量服務(wù)和高效帶寬利用，其次才考慮節(jié)約能源；而無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的首要設(shè)計(jì)目標(biāo)是能源的高效使用。

2．節(jié)點(diǎn)部署

移動(dòng)AdHoc網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)部署采用較成熟的自組織路由協(xié)議，早期的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)就是借用這種路由協(xié)議發(fā)展但隨著無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)深度發(fā)展，二者的節(jié)點(diǎn)部署又有不同。這主要體現(xiàn)為：移動(dòng)AdHoc網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)具有強(qiáng)烈的移動(dòng)性，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是動(dòng)態(tài)變化的，給路由協(xié)議的設(shè)計(jì)帶來了很大的局限性；而無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)在部署完成后，大部分的節(jié)點(diǎn)不會(huì)再移動(dòng)，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涫遣蛔兊?，雖然部分節(jié)點(diǎn)會(huì)因?yàn)橥負(fù)淇刂频日{(diào)度機(jī)制，或者能量消耗等原因造成節(jié)點(diǎn)失效而改變網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，但總的來說，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涫遣蛔兊摹?/p>

3．工作模式

從工作模式比較，移動(dòng)AdHoc網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議比無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議要復(fù)雜得多，二者的差異主要體現(xiàn)為：移動(dòng)AdHoc網(wǎng)絡(luò)中任意兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間都是可以相互通信的，即一對一的通信模式，網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議是以信息傳輸為主要目的的；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的終端節(jié)點(diǎn)是將數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴弦粚勇酚晒?jié)點(diǎn)或者匯聚節(jié)點(diǎn)，即多對一的通信模式，而終端節(jié)點(diǎn)之間是不通信的，路由協(xié)議是以數(shù)據(jù)為中心設(shè)計(jì)的。

1.4.2WSN與現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)的區(qū)別

近幾年出現(xiàn)的并被企業(yè)廣泛采用的現(xiàn)場總線開始與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)結(jié)合起來，在企業(yè)提高信息化水平方面發(fā)揮著重要作用?，F(xiàn)場總線是應(yīng)用在生產(chǎn)現(xiàn)場和微機(jī)化測量控制設(shè)備之間，實(shí)現(xiàn)雙向單行多節(jié)點(diǎn)數(shù)字通信的系統(tǒng)，也被稱為開放化、數(shù)字化、多點(diǎn)通信的底層控制網(wǎng)絡(luò)。

現(xiàn)場總線是通過報(bào)告?zhèn)鞲衅鲾?shù)據(jù)從而控制物理環(huán)境的，所以從某種程度上來看它與傳感器網(wǎng)絡(luò)非常相似?？梢詫o線傳感器網(wǎng)絡(luò)看做是無線現(xiàn)場總線的實(shí)例。但是兩者的區(qū)別是明顯的，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)關(guān)注的焦點(diǎn)不是數(shù)十毫秒范圍內(nèi)的實(shí)時(shí)性，而是具體的業(yè)務(wù)應(yīng)用，這些應(yīng)用能夠容許較長時(shí)間的延遲和抖動(dòng)。另外，基于傳感器網(wǎng)絡(luò)的一些自適應(yīng)協(xié)議在現(xiàn)場總線中并不需要，如多跳、自組織的特點(diǎn)，而且現(xiàn)場總線及其協(xié)議也不考慮節(jié)約能源問題。

1.4.3WSN的特點(diǎn)

1．大規(guī)模

為了獲取精確的信息，在監(jiān)測區(qū)域通常部署大量傳感器節(jié)點(diǎn)，傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)量可能達(dá)到成千上萬，甚至更多。傳感器網(wǎng)絡(luò)的大規(guī)模性包括兩方面的含義：一方面，傳感器節(jié)點(diǎn)分布在很大的地理區(qū)域內(nèi)，也可以將多個(gè)獨(dú)立無線傳感器網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系在一起，構(gòu)成更大的無線網(wǎng)絡(luò)，如在原始大森林中采用傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行森林防火和環(huán)境監(jiān)測；另一方面，傳感器節(jié)點(diǎn)部署密集，在面積不大的區(qū)域空間內(nèi)，密集部署了大量的傳感器節(jié)點(diǎn)。

傳感器網(wǎng)絡(luò)的大規(guī)模性具有如下優(yōu)點(diǎn)：通過不同空間視角獲得的信息具有更大的信噪比；通過分布式處理大量的采集信息能夠提高監(jiān)測的精確度，從而降低對單個(gè)節(jié)點(diǎn)傳感器的精度要求；大量冗余節(jié)點(diǎn)的存在，使得系統(tǒng)具有很強(qiáng)的容錯(cuò)性能；大量節(jié)點(diǎn)能夠增大覆蓋的監(jiān)測區(qū)域，減少洞穴或者盲區(qū)。2．自組織

在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中，通常情況下傳感器節(jié)點(diǎn)被放置在沒有基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的地方，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。這樣就要求傳感器節(jié)點(diǎn)具有自組織的能力，能夠自動(dòng)進(jìn)行配置和管理，通過拓?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)測數(shù)據(jù)的多跳無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。在傳感器網(wǎng)絡(luò)使用過程中，部分傳感器節(jié)點(diǎn)由于能量耗盡或環(huán)境因素造成失效，也有一些節(jié)點(diǎn)為了彌補(bǔ)失效節(jié)點(diǎn)、增加監(jiān)測精度而補(bǔ)充到網(wǎng)絡(luò)中，這樣在傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)就會(huì)動(dòng)態(tài)地增加或減少，從而使網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)變化，這要求傳感器網(wǎng)絡(luò)的自組織性要能夠適應(yīng)這種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)變化。3．動(dòng)態(tài)性

傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具備動(dòng)態(tài)性，可能會(huì)因下列因素而進(jìn)行適應(yīng)性改變：

①環(huán)境因素或電能耗盡造成的傳感器節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障或失效。

②環(huán)境條件變化可能造成無線通信鏈路帶寬變化，甚至?xí)r斷時(shí)通。

③傳感器網(wǎng)絡(luò)的傳感器、感知對象和觀察者這三要素都可能具有移動(dòng)性。

④新節(jié)點(diǎn)的加入。

因此，這要求傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)要能夠適應(yīng)這種變化，具有動(dòng)態(tài)的系統(tǒng)可重構(gòu)性。

4．可靠性

傳感器網(wǎng)絡(luò)特別適合部署在惡劣環(huán)境或人類不宜到達(dá)的區(qū)域，傳感器節(jié)點(diǎn)可能工作在露天環(huán)境中，遭受太陽的暴曬或風(fēng)吹雨淋，甚至遭到無關(guān)人員或動(dòng)物的破壞。傳感器節(jié)點(diǎn)往往采用隨機(jī)部署，如通過飛機(jī)撒播或發(fā)射炮彈到指定區(qū)域進(jìn)行部署。這些都要求傳感器節(jié)點(diǎn)非常堅(jiān)固、不易損壞、能適應(yīng)各種惡劣環(huán)境條件。

由于監(jiān)測區(qū)域環(huán)境的限制以及傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)目巨大，不可能人工照顧每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)的維護(hù)十分困難甚至不可維護(hù)。傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信保密性和安全性也十分重要，要防止監(jiān)測數(shù)據(jù)被盜取和獲取偽造的監(jiān)測信息。因此，傳感器網(wǎng)絡(luò)的軟硬件必須具有魯棒性和容錯(cuò)性。5．應(yīng)用性

傳感器網(wǎng)絡(luò)是用來感知客觀物理世界，獲取物理世界的信息量的?？陀^世界的物理量多種多樣，不可窮盡。不同的傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用關(guān)心不同的物理量，因此對傳感器的應(yīng)用系統(tǒng)也有多種多樣的要求。不同的應(yīng)用背景對傳感器網(wǎng)絡(luò)的要求不同，其硬件平臺、軟件系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議必然會(huì)有很大差別。所以，傳感器網(wǎng)絡(luò)不能像Internet一樣，有統(tǒng)一的通信協(xié)議平臺。對于不同的傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用雖然存在一些共性問題，但在開發(fā)傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中，更關(guān)心傳感器網(wǎng)絡(luò)的差異。只有讓系統(tǒng)更貼近應(yīng)用，才能做出最高效的目標(biāo)系統(tǒng)。針對每一個(gè)具體應(yīng)用來研究傳感器網(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。6．以數(shù)據(jù)為中心

目前的互聯(lián)網(wǎng)是先有計(jì)算機(jī)終端系統(tǒng)，然后再互聯(lián)成為網(wǎng)絡(luò)，終端系統(tǒng)可以脫離網(wǎng)絡(luò)獨(dú)立存在。在互聯(lián)網(wǎng)中，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備用網(wǎng)絡(luò)中唯一的IP地址標(biāo)識，資源定位和信息傳輸依賴于終端、路由器、服務(wù)器等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的IP地址。如果想訪問互聯(lián)網(wǎng)中的資源，那么首先要知道存放資源的服務(wù)器IP地址。因此，可以說目前的互聯(lián)網(wǎng)是一個(gè)以地址為中心的網(wǎng)絡(luò)。

而無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是任務(wù)型的網(wǎng)絡(luò)，脫離傳感器網(wǎng)絡(luò)談?wù)搨鞲衅鞴?jié)點(diǎn)沒有任何意義。傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)采用節(jié)點(diǎn)編號標(biāo)識，節(jié)點(diǎn)編號是否需要全網(wǎng)唯一取決于網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議的設(shè)計(jì)。由于傳感器節(jié)點(diǎn)隨機(jī)部署，構(gòu)成的傳感器網(wǎng)絡(luò)與節(jié)點(diǎn)編號之間的關(guān)系是完全動(dòng)態(tài)的，表現(xiàn)為節(jié)點(diǎn)編號與節(jié)點(diǎn)位置沒有必然聯(lián)系。用戶使用傳感器網(wǎng)絡(luò)查詢事件時(shí)，直接將所關(guān)心的事件通告給網(wǎng)絡(luò)，而不是通告給某個(gè)確定編號的節(jié)點(diǎn)。網(wǎng)絡(luò)在獲得指定事件的信息后匯報(bào)給用戶。這種以數(shù)據(jù)本身作為查詢或傳輸線索的思想更接近于自然語言交流的習(xí)慣。

所以，通常說無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)以數(shù)據(jù)為中心的網(wǎng)絡(luò)。例如，在應(yīng)用于目標(biāo)跟蹤的傳感器網(wǎng)絡(luò)中，跟蹤目標(biāo)可能出現(xiàn)在任何地方，對目標(biāo)感興趣的用戶只關(guān)心目標(biāo)出現(xiàn)的位置和時(shí)間，并不關(guān)心哪個(gè)節(jié)點(diǎn)監(jiān)測到目標(biāo)。事實(shí)上，在目標(biāo)移動(dòng)的過程中，必然是由不同的節(jié)點(diǎn)提供目標(biāo)的位置消息。

1.5WSN的相關(guān)技術(shù)基礎(chǔ)

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)，涉及傳感器技術(shù)、無線電技術(shù)、無線通信技術(shù)及軟件等知識，這些技術(shù)構(gòu)建了WSN網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)基礎(chǔ)和支撐。

1.5.1傳感器技術(shù)

傳感器(Transducer/Sensor)是一種檢測裝置，能感受到被測量的信息，并能將感受到的信息按一定規(guī)律變換成為電信號或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲(chǔ)、顯示、記錄和控制等要求。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，通過傳感器來感知識別、采集數(shù)據(jù)，它是實(shí)現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的自動(dòng)檢測和控制的首要環(huán)節(jié)。國家標(biāo)準(zhǔn)GB7665—87對傳感器下的定義是：“傳感器是能感受規(guī)定的被測量并按照一定的規(guī)律(數(shù)學(xué)函數(shù)法則)轉(zhuǎn)換成可用信號的器件或裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成”。中國物聯(lián)網(wǎng)校企聯(lián)盟認(rèn)為，傳感器的存在和發(fā)展，讓物體有了觸覺、味覺和嗅覺等感官，讓被感知的物體慢慢變得活了起來。

傳感器的作用主要是將來自外界物理世界的各種信息按照一定的函數(shù)關(guān)系轉(zhuǎn)換成電信號，即非電量轉(zhuǎn)化為電量，從而將攜帶外界的信息輸出。傳感器的組成原理框圖如圖1-6所示。

圖1-6傳感器的組成原理框圖敏感元件的作用是能敏銳地感受某種物理、化學(xué)、生物的信息并將其轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦畔⒌奶胤N電子元件，通常是利用材料的某種敏感效應(yīng)制成的。敏感元件可以按輸入的物理量來命名，如熱敏、光敏、(電)壓敏、(壓)力敏、磁敏、氣敏、濕敏等元件。敏感元件感知外界的信息可以達(dá)到或超過人類感覺器官的功能。敏感元件是傳感器的核心元件，隨著電子計(jì)算機(jī)和信息技術(shù)的迅速發(fā)展，敏感元件的重要性日益提高。

轉(zhuǎn)換元件的作用是將感受到的非電量變換為電量，是傳感器的關(guān)鍵元件。在實(shí)際情況下，由于一些敏感元件可以直接輸出變換后的電信號，很多時(shí)候無法嚴(yán)格地區(qū)分敏感元件和轉(zhuǎn)換元件。傳感器在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中至關(guān)重要，負(fù)責(zé)采集和感知監(jiān)測區(qū)域的各種信息，處于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的感知層，與處理電路、無線通信模塊結(jié)合在一起構(gòu)成傳感器節(jié)點(diǎn)，是獲知物體和采集信息的感知設(shè)備。二者的關(guān)系可以理解如下：

①傳感器是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中必備的感知部件。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)工作的監(jiān)測區(qū)域內(nèi)，部署了各種類型的傳感器(傳感器節(jié)點(diǎn))，每個(gè)傳感器都是一個(gè)信息源，不同類別的傳感器感知的信息內(nèi)容和格式不同。傳感器輸出的信息具有實(shí)時(shí)性，并按照一定的采集時(shí)間、頻率周期性地更新數(shù)據(jù)。

②無線傳感器網(wǎng)絡(luò)為傳感器的信息傳遞提供網(wǎng)絡(luò)連接通道，使傳感器具備了智能處理能力，并能夠接收控制指令實(shí)現(xiàn)智能控制。

③在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中，傳感器是聯(lián)系人、物和系統(tǒng)的接口，通過與具體應(yīng)用領(lǐng)域或行業(yè)的有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的智能應(yīng)用。

1.5.2無線電技術(shù)

無線電技術(shù)是實(shí)現(xiàn)無線通信技術(shù)的技術(shù)基礎(chǔ)，無線通信技術(shù)是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的支撐技術(shù)之一，主要涉及電磁波、信道、調(diào)制和解調(diào)。

1．電磁波

電磁波(ElectromagneticWave，又稱電磁輻射、電子煙霧)是由同相振蕩且互相垂直的電場與磁場在空間中以波的形式移動(dòng)，其傳播方向垂直于電場與磁場構(gòu)成的平面，可有效地傳遞能量和動(dòng)量。

電磁波是電磁場的一種運(yùn)動(dòng)形態(tài)。電與磁可說是一體兩面，變化的電場會(huì)產(chǎn)生磁場(即電流會(huì)產(chǎn)生磁場)，變化的磁場則會(huì)產(chǎn)生電場。變化的電場和變化的磁場構(gòu)成了一個(gè)不可分離的統(tǒng)一的場，這就是電磁場。而變化的電磁場在空間的傳播形成了電磁波，電磁的變動(dòng)就如同微風(fēng)輕拂水面產(chǎn)生水波一般，因此被稱為電磁波，也常稱為電波。

電磁輻射可以按照頻率分類，從低頻率到高頻率，包括無線電波、微波、紅外線、可見光、紫外線、X射線和伽馬射線等。人眼可接收到的電磁輻射，其波長大約在400～780nm之間，稱為可見光。只要是本身溫度大于絕對零度的物體，都可以發(fā)射電磁輻射，且溫度越高，放出的電磁波波長就越短。而世界上目前并未發(fā)現(xiàn)低于或等于絕對零度的物體。

圖1-7為電磁波譜圖

因此，人們周邊所有的物體時(shí)刻都在進(jìn)行電磁輻射。盡管如此，只有處于可見光頻域以內(nèi)的電磁波，才是可以被人們看到的。電磁波不需要依靠介質(zhì)傳播，各種電磁波在真空中速率恒定，速度為光速。

無線電波的傳播方式因波長不同而具有不同的傳播特性。無線電波按照波段分類，可以分成以下三種形式：

①地波。地波是沿著地球表面?zhèn)鞑サ臒o線電波，適用于中波、長波。

②天波。天波是利用大氣層中電離層的反射作用傳播的無線電波，適用于短波。

③空間波。空間波是沿著直線傳播的無線電波，包括由發(fā)射點(diǎn)直接到達(dá)接收點(diǎn)的直射波、經(jīng)地面反射到達(dá)接收點(diǎn)的反射波，適用于微波。

如表1-2無線電波按照波段分類

電磁波的波長越長，衰減越少，也越容易繞過障礙物繼續(xù)傳播。電磁波與其他波一樣都具有衍射、折射、反射、干涉等波動(dòng)性。電磁波傳遞的是能量，能量大小由坡印廷矢量決定，即2．信道

在無線電波傳輸和接收的過程中，信息是沿著一條路徑移動(dòng)的，這條路徑是指通信的通道，是信號傳輸?shù)拿浇?，稱為信道。一般地，信息是抽象的，但傳送信息必須通過具體的媒介。例如二人對話，靠聲波通過二人間的空氣來傳送，因而二人間的空氣部分就是信道。郵政通信的信道是指運(yùn)載工具及其經(jīng)過的設(shè)施。無線電話的信道就是電波傳播所通過的空間，有線電話的信道是電纜。每條信道都有特定的信源和信宿。在多路通信，例如載波電話中，一個(gè)電話機(jī)作為發(fā)出信息的信源，另一個(gè)是接收信息的信宿，它們之間的設(shè)施就是一條信道，這時(shí)傳輸用的電纜可以為許多條信道所共用。一條信道往往被分成信道編碼器、信道本身和信道譯碼器。調(diào)制解調(diào)器和糾錯(cuò)編譯碼設(shè)備一般被認(rèn)為是屬于信道編碼器、信道譯碼器的，有時(shí)把含有調(diào)制解調(diào)器的信道稱為調(diào)制信道(模擬信道)；含有糾錯(cuò)編碼器、譯碼器的信道稱為編碼信道(數(shù)據(jù)信道)。圖1-8為信道的功能模型。圖1-8信道的功能模型調(diào)制信道(模擬信道)傳輸?shù)男盘柺悄M信號，信號電平隨時(shí)間連續(xù)變化，語音信號就是典型的模擬信號。編碼信道(數(shù)據(jù)信道)傳輸?shù)男盘柺请x散信號，只能傳送數(shù)字信息。但當(dāng)通過調(diào)制信道傳送數(shù)字信號時(shí)，必須通過調(diào)制器與解調(diào)器實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號和模擬信號之間的D/A或A/D轉(zhuǎn)換。

3．調(diào)制和解調(diào)

調(diào)制和解調(diào)是通過調(diào)制器和解調(diào)器實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號和模擬信號相互轉(zhuǎn)換的過程。調(diào)制將各種數(shù)字基帶信號轉(zhuǎn)換成適于信道傳輸?shù)臄?shù)字調(diào)制信號(已調(diào)信號或頻帶信號)，解調(diào)則在接收端將收到的數(shù)字頻帶信號還原成數(shù)字基帶信號。但調(diào)制解調(diào)在時(shí)域和頻域中又有著不同的內(nèi)涵。時(shí)域中，調(diào)制就是用基帶信號去控制載波信號的某個(gè)或幾個(gè)參量的變化，將信息荷載在其上形成已調(diào)信號傳輸；而解調(diào)是調(diào)制的反過程，通過具體的方法從已調(diào)信號的參量變化中恢復(fù)原始的基帶信號。頻域中，調(diào)制就是將基帶信號的頻譜搬移到信道通帶中或者其中的某個(gè)頻段上的過程，而解調(diào)是將頻帶信號恢復(fù)為基帶信號的反過程。

調(diào)制解調(diào)的分類方法很多，在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中，主要涉及調(diào)制方式和解調(diào)方式。

按照調(diào)制方式，調(diào)制解調(diào)可分為以下兩類：

(1)模擬調(diào)制。如果m(t)是連續(xù)信號，經(jīng)過調(diào)制器使某個(gè)參數(shù)值連續(xù)地與m(t)相對應(yīng)，則稱為模擬調(diào)制。模擬調(diào)制存在傳統(tǒng)模擬調(diào)制、脈沖調(diào)制和復(fù)合調(diào)制等三種方式。傳統(tǒng)模擬調(diào)制有調(diào)幅(AM)、調(diào)頻(FM)和調(diào)相(PM)等內(nèi)容；脈沖調(diào)制有脈沖幅度調(diào)制(PAM)、脈沖相位調(diào)制(PWM)、脈沖編碼調(diào)制(PCM)等內(nèi)容；復(fù)合調(diào)制有正交幅度調(diào)制(QAM)等

內(nèi)容。

(2)數(shù)字調(diào)制。數(shù)字調(diào)制包含通斷鍵控(ASK)、頻移鍵控(FSK)、相移鍵控(PSK)等內(nèi)容。

按照解調(diào)方式，調(diào)制解調(diào)可分為適用于調(diào)幅的檢波法和適用于大部分調(diào)制的同步解調(diào)法兩類。1.5.3短距離無線通信技術(shù)

作為有線通信的補(bǔ)充，無線通信系統(tǒng)自20世紀(jì)，特別是21世紀(jì)初以來得到了迅猛發(fā)展。其中，蜂窩移動(dòng)通信從模擬無線通信到數(shù)字無線通信，從早期的大區(qū)制蜂窩系統(tǒng)，支持很少的用戶、很低的數(shù)據(jù)速率，但是有較遠(yuǎn)的傳輸距離，到目前的宏蜂窩、微蜂窩，通信半徑越來越小，支持用戶越來越多，數(shù)據(jù)傳輸速率越來越高。從2G、2.5G、3G到目前在國內(nèi)廣泛應(yīng)用的4G，毫無疑問，通信對于國民經(jīng)濟(jì)和國家安全具有越來越重要的意義。

一般來講，短距離無線通信覆蓋距離一般在10～200m，目前已經(jīng)達(dá)到千米數(shù)量級；另外，無線發(fā)射器的發(fā)射功率低，一般小于100mW。

低成本、低功耗和對等通信是短距離無線通信技術(shù)的三個(gè)重要特征和優(yōu)勢。按數(shù)據(jù)傳輸速率，短距離無線通信技術(shù)可分為高速短距離無線通信和低速短距離無線通信兩類。高速短距離無線通信的最高數(shù)據(jù)速率高于100Mb/s，通信距離小于10m，典型技術(shù)有高速超寬帶技術(shù)UWB；低速短距離無線通信的最低數(shù)據(jù)速率低于1Mb/s，通信距離一般小于100m，典型技術(shù)有ZigBee、低速超寬帶技術(shù)UWB、藍(lán)牙等。

1．藍(lán)牙技術(shù)

“藍(lán)牙”這個(gè)名稱來自于10世紀(jì)的一位丹麥國王哈拉爾。因?yàn)楣瓲枃跸矚g吃藍(lán)莓，牙齦每天都是藍(lán)色的，所以叫藍(lán)牙(Bluetooth)。藍(lán)牙的工作頻率為2.4GHz，有效范圍大約在10m半徑內(nèi)，在此范圍內(nèi)，采用藍(lán)牙技術(shù)的多臺設(shè)備，如手機(jī)、電腦、打印機(jī)等能夠?qū)崿F(xiàn)無線互聯(lián)，并以約1Mb/s的速率相互傳遞數(shù)據(jù)，還能方便地接入互聯(lián)網(wǎng)。

藍(lán)牙技術(shù)的應(yīng)用主要有以下三個(gè)方面：

①語音/數(shù)據(jù)接入，即將一臺計(jì)算機(jī)通過安全的無線鏈路連接到通信設(shè)備上，與廣域網(wǎng)連接；

②外圍設(shè)備互聯(lián)，即將各種設(shè)備通過藍(lán)牙鏈路連接到主機(jī)上；

③個(gè)人局域網(wǎng)(PAN)，主要用于個(gè)人網(wǎng)絡(luò)與信息的共享與交換。

藍(lán)牙技術(shù)的特點(diǎn)主要包括以下八個(gè)方面：

①藍(lán)牙工作在全球開放的2.4～2.485GHz的ISM頻段；

②使用跳頻頻譜擴(kuò)展技術(shù)，把頻帶分成若干個(gè)跳頻信道(HopChannel)，在一次連接中，無線電收發(fā)器按一定的碼序列不斷地從一個(gè)信道“跳”到另一個(gè)信道；

③一臺藍(lán)牙設(shè)備可同時(shí)與其他7臺藍(lán)牙設(shè)備建立連接；

④數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)24Mb/s；

⑤低功耗、通信安全性好；

⑥在有效范圍內(nèi)可越過障礙物進(jìn)行連接，沒有特別的通信視角和方向要求；

⑦組網(wǎng)簡單方便，采用“即插即用”的概念；

⑧支持語音傳輸。2．WiFi技術(shù)

WiFi(WirelessFidelity，無線高保真)是一個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的品牌，由WiFi聯(lián)盟所持有，是一種能夠?qū)€(gè)人電腦、手持設(shè)備(如?PDA、手機(jī))等終端以無線方式互相連接的技術(shù)。其目的是改善基于IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)的無線網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品之間的互通性。

無線網(wǎng)絡(luò)是IEEE定義的無線網(wǎng)技術(shù)，在1999年IEEE官方定義802.11標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)候，IEEE官方選擇并認(rèn)定了CSIRO發(fā)明的無線網(wǎng)技術(shù)是世界上最好的無線網(wǎng)技術(shù)，因此CSIRO的無線網(wǎng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)就成為了2010年無線保真的核心技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

IEEE曾請求澳洲政府放棄其無線網(wǎng)絡(luò)專利，讓世界免費(fèi)使用無線保真技術(shù)，但遭到拒絕。無線網(wǎng)絡(luò)被澳洲媒體譽(yù)為澳洲有史以來最重要的科技發(fā)明，其發(fā)明人JohnO'Sullivan被澳洲媒體稱為“WiFi之父”并獲得了澳洲的國家最高科學(xué)獎(jiǎng)和全世界的眾多贊譽(yù)，其中包括2012年歐洲發(fā)明者大獎(jiǎng)。WiFi已成為符合IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品，工作在2.4GHz頻段，帶寬比較大，傳輸速率最大達(dá)到11Mb/s，IEEE802.n標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)將傳輸速率提高到300Mb/s。

其主要特點(diǎn)是傳輸速率高、可靠性高、建網(wǎng)快速便捷、可移動(dòng)性好、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)彈性化、組網(wǎng)靈活、組網(wǎng)價(jià)格較低等。雖然在數(shù)據(jù)安全性方面WiFi技術(shù)比藍(lán)牙技術(shù)要差一些，但在電波的覆蓋范圍方面卻略勝一籌，可達(dá)100m左右，家庭、辦公室或整棟大樓都可使用。3．IrDA紅外技術(shù)

1800年英國人F·W·赫謝爾使用水銀溫度計(jì)發(fā)現(xiàn)了紅外輻射，這是最原始的熱敏型紅外探測儀，從此掀起了紅外熱潮。1993年國際成立了紅外數(shù)據(jù)協(xié)會(huì)(IrDA)，是致力于建立紅外無線連接的非營利組織。起初，采用IrDA標(biāo)準(zhǔn)的無線設(shè)備僅能在1m范圍內(nèi)以115.2kb/s的速率傳輸數(shù)據(jù)，很快發(fā)展到4Mb/s的速率，后來又達(dá)到16Mb/s。

IrDA紅外技術(shù)是一種利用紅外線進(jìn)行點(diǎn)對點(diǎn)通信的技術(shù)，目前它的軟硬件技術(shù)都很成熟，在小型移動(dòng)設(shè)備上廣泛使用。IrDA的主要優(yōu)點(diǎn)是無需申請頻率的使用權(quán)，因而紅外通信成本低。它還具有移動(dòng)通信所需的體積小、功耗低、連接方便、簡單易用的特點(diǎn)。4．UWB超寬帶技術(shù)

超寬帶技術(shù)(UltraWideBand，UWB)是一種不用載波，而采用時(shí)間間隔極短(小于1ns)的脈沖進(jìn)行通信的無線通信技術(shù)，也稱為脈沖無線電、時(shí)域或無載波通信。UWB通過基帶脈沖作用于天線的方式發(fā)送數(shù)據(jù)。窄脈沖(小于1ns)產(chǎn)生極大帶寬的信號。脈沖采用脈位調(diào)制或二進(jìn)制移相鍵控調(diào)制。UWB被允許在3.1～10.6GHz的波段內(nèi)工作，信號相對帶寬(即信號帶寬與中心頻率之比)大于0.2或絕對帶寬大于500MHz，并在這一頻率范圍內(nèi)，帶寬為1MHz的輻射體在三米距離處產(chǎn)生的場強(qiáng)不得超過500?V/m，相當(dāng)于功率譜密度為75nW/MHz，即41.3dBm/MHz。UWB主要應(yīng)用在小范圍、高分辨率，能夠穿透墻壁、地面和身體的雷達(dá)和圖像系統(tǒng)中。比如穿墻雷達(dá)就是使用UWB技術(shù)研究制造的，可用于檢查道路、橋梁及其他混凝土和瀝青結(jié)構(gòu)建筑中的缺陷，也可用于地下管線、電纜和建筑結(jié)構(gòu)的定位。另外，它在消防、救援、治安防范及醫(yī)療、醫(yī)學(xué)圖像處理中都大有用武之地。UWB的一個(gè)非常有前途的應(yīng)用是汽車防撞系統(tǒng)，用于自動(dòng)剎車系統(tǒng)的雷達(dá)制造。UWB最具特色的應(yīng)用將是視頻消費(fèi)娛樂方面的無線個(gè)人局域網(wǎng)(PAN)。

現(xiàn)有的無線通信方式中，只有UWB有可能在10?m范圍內(nèi)，支持高達(dá)110Mb/s的數(shù)據(jù)傳輸率，不需要壓縮數(shù)據(jù)，可以快速、簡單、經(jīng)濟(jì)地完成視頻數(shù)據(jù)處理。

從信號形式來看，UWB大體可分為兩大類：一類是基帶窄脈沖形式，窄脈沖序列攜帶信息，直接通過天線傳輸，不需要對正弦載波進(jìn)行調(diào)制，采用時(shí)域信號處理方式，是超寬帶技術(shù)早期發(fā)展首先采用的方式，在很多領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景；另一類是帶通載波調(diào)制方式，可以采用不同的無線傳輸技術(shù)，如OFDM、DS-CDMA等，有利于實(shí)現(xiàn)高數(shù)據(jù)速率低功率傳輸，適用于短距離室內(nèi)高速率傳輸?shù)膽?yīng)用，是目前高速多媒體智能家庭/辦公室網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中的優(yōu)選技術(shù)。

超寬帶技術(shù)(UWB)的概念是在1960年提出的，到90年代中期才出現(xiàn)產(chǎn)品。

與傳統(tǒng)通信系統(tǒng)相比，UWB的主要特點(diǎn)表現(xiàn)在以下八個(gè)方面：

(1)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)比較容易。

(2)高速的數(shù)據(jù)傳輸。

(3)帶寬極寬。

(4)極低的功耗。

(5)安全性高。

(6)多路徑分辨能力強(qiáng)。