無線傳感器網絡原理及應用第1章 無線傳感器網絡概述

第1章無線傳感器網絡概述1.1無線傳感器網絡的體系結構

無線傳感器網絡是由部署在監(jiān)測區(qū)域內的大量的廉價微型傳感器節(jié)點組成，通過無線通信的方式形成一個多跳的自組織的網絡系統(tǒng)，其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網絡覆蓋的地理區(qū)域中感知對象的信息，并發(fā)布給觀察者。無線傳感器網絡由無線傳感器、感知對象和觀察者三個根本要素構成。無線是指傳感器與觀察者之間、傳感器之間的通信方式，能夠在傳感器與觀察者之間建立通信路徑。無線傳感器的根本組成包括如下幾個單元：電源、傳感部件、處理部件、通信部件和軟件等。此外，還可以選擇其他的功能單元，如定位系統(tǒng)、移動系統(tǒng)以及電源自供電系統(tǒng)等。圖1-1所示為傳感節(jié)點的物理結構。傳感節(jié)點一般由傳感單元、數(shù)據處理單元、定位裝置(GPS)、移動裝置、能源(電池)及網絡通信單元(收發(fā)裝置)等六大部件組成，其中傳感單元負責被監(jiān)測對象原始數(shù)據的采集，采集到的原始數(shù)據經過數(shù)據處理單元的處理之后，通過無線網絡傳輸?shù)揭粋€數(shù)據會聚中心節(jié)點(Sink)，由Sink再通過因特網或衛(wèi)星傳輸?shù)接脩魯?shù)據處理中心。圖1-1傳感節(jié)點的物理結構理論的提出，傳統(tǒng)的電池被參加了許多新的元素，太陽能電池、微光電池、生物能電池、地熱能電池等一系列可以從自然界中汲取能量轉換為電能的電池的出現(xiàn)，使得能量的自補充成為可能。從理論上來講，新型電池能持久供給能量，但由于工程實踐中生產這種微型化的電池還有相當?shù)碾y度以及受到節(jié)點部署區(qū)域特定地理環(huán)境等限制，其效果并不理想，如何進一步縮小其體積是目前研究的重點。為了盡可能地延長整個傳感器網絡的生命周期，在設計傳感器節(jié)點時，保證能量供給的持續(xù)性是一個重要的設計原那么。傳感器節(jié)點能量消耗的模塊主要包括傳感器模塊、信息處理模塊和無線通信模塊，而絕大局部的能量消耗集中在無線通信模塊上，圖1-2節(jié)點部署圖借助于節(jié)點內置的、形式多樣的感知模塊，可測量所在環(huán)境中的熱、紅外、聲納、雷達和地震波信號，從而探測包括溫度、濕度、噪聲、光強度、壓力、土壤成分以及移動物體的大小、速度和方向等眾多我們感興趣的物質現(xiàn)象。節(jié)點的計算模塊先對數(shù)據進行簡單處理，再采用微波、無線、紅外和光等多種通信形式，通過多跳中繼方式將監(jiān)測數(shù)據傳送到會聚節(jié)點。會聚節(jié)點將接收到的數(shù)據進行融合及壓縮后，最后通過因特網或其他網絡通信方式將監(jiān)測信息傳送到管理節(jié)點。同樣的，用戶也可以通過管理節(jié)點進行命令的發(fā)布，通知傳感器節(jié)點收集指定區(qū)域的監(jiān)測信息。圖1-3給出了一個無線傳感器網絡的體系結構，圖中，網絡的局部節(jié)點組成了一個與Sink進行通信的數(shù)據鏈路，再由Sink把數(shù)據傳送到衛(wèi)星或者因特網，最后通過該鏈路和Sink進行數(shù)據交換并借此使數(shù)據到達最終用戶手中。圖1-3無線傳感器網絡的體系結構依據傳感器網絡節(jié)點的連接特點，在研究中，一般利用圖論的概念將傳感器網絡抽象成一種單位圓平面圖(Unit-DiskGraph)，即假設傳感節(jié)點具有相同的有效傳輸半徑R，那么認為彼此處于傳輸半徑范圍內(半徑為R的平面圓內)的節(jié)點之間存在一條單位長度的無向邊。按照源節(jié)點的分布情況，傳感器網絡模型可分為事件半徑模型和隨機源節(jié)點模型兩種。圖1-4與圖1-5分別給出了傳感器網絡的事件半徑模型和隨機源節(jié)點模型。

在圖1-4所示的事件半徑模型中，星形符號表示要監(jiān)測的事件，在以該事件為圓心、半徑為R的圓內的所有非Sink節(jié)點的傳感節(jié)點被選擇為數(shù)據源。而在圖1-5所示的隨機源節(jié)點模型中，隨機選擇K個非Sink節(jié)點的傳感節(jié)點作為數(shù)據源。圖1-4傳感器網絡的事件半徑模型圖1-5傳感器網絡的隨機源節(jié)點模型傳感器網絡雖然與無線自組網有相似之處，但同時也存在很大的差異。傳感器網絡是集成了檢測、控制以及無線通信的網絡系統(tǒng)，節(jié)點數(shù)目更為龐大(上千甚至上萬個)，節(jié)點分布更為密集；由于環(huán)境影響和能量耗盡，節(jié)點更容易出現(xiàn)故障；環(huán)境干擾和節(jié)點故障易造成網絡拓撲結構的變化；通常情況下，大多數(shù)傳感器節(jié)點是固定不動的。另外，傳感器節(jié)點具有的能量、處理能力、存儲能力和通信能力等都十分有限。傳統(tǒng)無線網絡的首要設計目標是提高效勞質量和高效地使用帶寬，其次才考慮節(jié)約能源，而傳感器網絡的首要設計目標是能源的高效使用，這也是傳感器網絡與傳統(tǒng)網絡最重要的區(qū)別之一。1.2.2傳感器節(jié)點的限制

傳感器節(jié)點在實現(xiàn)各種網絡協(xié)議和應用系統(tǒng)時，存在以下一些實現(xiàn)的約束。

1．電源能量有限

傳感器節(jié)點體積微小，通常只能攜帶能量十分有限的電池。由于傳感器節(jié)點個數(shù)多、本錢要求低廉、分布區(qū)域廣，而且部署區(qū)域環(huán)境復雜，有些區(qū)域甚至人員不能到達，所以傳感器節(jié)點通過更換電池的方式來補充能源是不現(xiàn)實的。如何高效地使用能量來最大化網絡生命周期是傳感器網絡面臨的首要挑戰(zhàn)。傳感器節(jié)點消耗能量的模塊包括傳感器模塊、處理器模塊和無線通信模塊。隨著集成電路工藝的進步，處理器和傳感器模塊的功耗變得很低，絕大局部能量消耗在無線通信模塊上。

傳感器節(jié)點傳輸信息時要比執(zhí)行計算時更消耗電能。無線通信模塊存在發(fā)送、接收、空閑和休眠4種狀態(tài)。無線通信模塊在空閑狀態(tài)時，一直監(jiān)測無線信道的使用情況，檢查是否有數(shù)據發(fā)送給自己；而在休眠狀態(tài)時，關閉通信模塊。無線通信模塊在發(fā)送狀態(tài)時的能量消耗最大；在空閑狀態(tài)和接收狀態(tài)時的能量消耗接近，略少于發(fā)送狀態(tài)時的能量消耗；在休眠狀態(tài)時的能量消耗最少。如何讓網絡通信更有效率，減少不必要的轉發(fā)和接收，以及在不需要通信時如何使網絡盡快地進入休眠狀態(tài)，是傳感器網絡協(xié)議設計時需要重點考慮的問題。2．通信能力有限

無線通信的能量消耗與通信距離的關系為

E?=?k·dn

其中，參數(shù)n滿足關系2?<?n?<?4。n的取值與很多因素有關，例如傳感器節(jié)點部署貼近地面時，障礙物多、干擾大，n的取值就大；天線質量對信號發(fā)射的影響也很大?？紤]諸多因素，通常n取3，即通信消耗與距離的三次方成正比。隨著通信距離的增加，能耗將急劇增加，因此，在滿足通信連通度的前提下應盡量減少通信距離。一般而言，傳感器節(jié)點的無線通信半徑在100m以內比較適宜?？紤]到傳感器節(jié)點的能量限制和網絡覆蓋區(qū)域范圍大的特點，傳感器網絡通常采用多跳路由的傳輸機制。傳感器節(jié)點的無線通信帶寬有限，通常僅有每秒幾百千位的傳輸速率。由于節(jié)點能量的變化受建筑物、障礙物等地勢地貌以及風雨雷電等自然環(huán)境的影響，無線通信性能可能經常變化，頻繁出現(xiàn)通信中斷的現(xiàn)象。在這樣的通信環(huán)境和節(jié)點有限通信能力的情況下，如何使網絡通信機制滿足傳感器網絡的通信需求是傳感器網絡設計時面臨的挑戰(zhàn)之一。3．計算和存儲能量有限

傳感器節(jié)點是一種微型嵌入式設備，要求它的價格低、功耗小，這些限制必然導致其攜帶的處理器能力比較弱、存儲器容量比較小。為了完成各種任務，傳感器節(jié)點需要完成監(jiān)測數(shù)據的采集和轉換、數(shù)據的管理和處理、應答會聚節(jié)點的任務請求和節(jié)點控制等多種工作。如何利用有限的計算和存儲資源完成諸多協(xié)同任務成為傳感器網絡設計的挑戰(zhàn)之一。1.2.3無線傳感器網絡的特點

1．計算和存儲能力有限

傳感器節(jié)點是一種微型嵌入式設備，要求它的價格低、功耗小，這些限制必然導致其攜帶的處理器能力比較弱，存儲器容量比較小。為了完成各種任務，傳感器節(jié)點需要利用有限的計算和存儲資源完成監(jiān)測數(shù)據的采集和轉換、數(shù)據的管理和處理、應答會聚節(jié)點的任務請求和節(jié)點控制等多種工作。2．動態(tài)性強

傳感器網絡的拓撲結構可能因為以下因素而改變：環(huán)境因素或電能耗盡造成的傳感器節(jié)點出現(xiàn)故障或失效；環(huán)境條件變化可能造成無線通信鏈路帶寬變化，甚至時斷時通；傳感器網絡的傳感器、感知對象和觀察者這三個要素都可能具有移動性；新節(jié)點的參加。這就要求傳感器網絡系統(tǒng)要能夠適應這種變化，具有動態(tài)的系統(tǒng)可重構性。3．網絡規(guī)模大、密度高

為了獲取盡可能精確、完整的信息，無線傳感器網絡通常密集部署在大片的監(jiān)測區(qū)域內，傳感器節(jié)點數(shù)量可能到達成千上萬個，甚至更多。大規(guī)模網絡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，降低對單個節(jié)點傳感器的精度要求；通過大量冗余節(jié)點的協(xié)同工作，使得系統(tǒng)具有很強的容錯性并且增大了覆蓋的監(jiān)測區(qū)域，減少了盲區(qū)。4．可靠性高

傳感器網絡特別適合部署在惡劣環(huán)境或人類不宜到達的區(qū)域，傳感器節(jié)點可能工作在露天環(huán)境中，遭受太陽的暴曬或風吹雨淋，甚至遭到無關人員或動物的破壞。傳感器節(jié)點往往采取隨機部署，如通過飛機撒播或發(fā)射炮彈到指定區(qū)域進行部署。這些都要求傳感器節(jié)點非常穩(wěn)固，不易損壞，能適應各種惡劣環(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)點數(shù)目巨大，不可能人工“照顧〞到每一個傳感器節(jié)點，因此網絡的維護十分困難，甚至不可能。傳感器網絡的通信保密性和平安性也十分重要，要防止監(jiān)測數(shù)據被盜取和獲取偽造的監(jiān)測信息。因此，傳感器網絡的軟硬件必須具有魯棒性和容錯性。6．以數(shù)據為中心

在傳感器網絡中，人們只關心某個區(qū)域的某個觀測指標的值，而不會去關心具體某個節(jié)點的觀測數(shù)據，以數(shù)據為中心的特點要求傳感器網絡能夠脫離傳統(tǒng)網絡的尋址過程，快速有效地組織起各個節(jié)點的信息并融合提取出有用信息，直接傳送給用戶。

例如，在應用于目標跟蹤的傳感器網絡中，跟蹤目標可能出現(xiàn)在任何地方，對目標感興趣的用戶只關心目標出現(xiàn)的位置和時間，并不關心是哪個節(jié)點檢測到目標的。事實上，在目標移動的過程中，必然是由不同的節(jié)點提供目標的位置信息的。3．醫(yī)療護理方面的應用

傳感器網絡在醫(yī)療系統(tǒng)和健康護理方面的應用包括監(jiān)測人體的各種生理數(shù)據，跟蹤和監(jiān)控醫(yī)院內醫(yī)生和患者的行動，監(jiān)視醫(yī)院的藥物管理等。如果在住院病人身上安裝特殊用途的傳感器節(jié)點，如心率和血壓監(jiān)測設備，醫(yī)生利用傳感器網絡就可以隨時了解被監(jiān)護病人的病情，發(fā)現(xiàn)異常時能夠迅速搶救。將傳感器節(jié)點按藥品種類分別放置，計算機系統(tǒng)即可幫助識別所開的藥品，從而減少病人用錯藥的可能性。人工視網膜是一個生物醫(yī)學的應用工程，在SSIM(SmartSensorsandIntegratedMicrosystems)方案中，替代視網膜的芯片由100個微型的傳感器組成，并置入人眼，目的是使失明者或者視力極差者能夠恢復到一個可以接受的視力水平。傳感器的無線通信滿足反響控制的需要，有利于圖像的識別和確認。4．智能家居方面的應用

傳感器網絡能夠應用在家居中。在家電和家具中嵌入傳感器節(jié)點，通過無線網絡與因特網連接在一起，將會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。利用遠程監(jiān)控系統(tǒng)可完成對家電的遠程遙控，例如可以在回家之前半小時翻開空調，也可以遙控電飯鍋、微波爐、電冰箱、機、電視機、電腦等家電，使它們按照自己的意愿完成相應的煮飯、炒菜、查收留言、選擇錄制電視和電臺節(jié)目以及下載網上資料到電腦中等工作，也可以通過圖像傳感設備隨時監(jiān)控家庭平安情況。利用傳感器網絡可以建立智能幼兒園，監(jiān)測孩童的早期教育環(huán)境，跟蹤孩童的活動軌跡，可以讓父母和老師全面地了解學生的學習過程。5．建筑物狀態(tài)監(jiān)控方面的應用

建筑物狀態(tài)監(jiān)控(StructureHealthMonitoring，SHM)是利用傳感器網絡來監(jiān)控建筑物的平安狀態(tài)的。作為CITRIS(CenterofInformationTechnologyResearchintheInterestofSociety)方案的一局部，美國加州大學伯克利分校的環(huán)境工程和計算機科學家們采用傳感器網絡，讓大樓、橋梁和其他建筑物能夠自身感覺并識別它們本身的狀況。使得安裝了傳感器網絡的智能建筑自動告訴管理部門它們的狀態(tài)信息，并且能夠自動按照優(yōu)先級來進行一系列自我修復工作。未來的各種摩天大樓可能就會安裝這種類似紅綠燈的裝置，從而建筑物可自動告訴人們當前是否平安、穩(wěn)固程度如何等信息。英特爾、微軟公司等信息工業(yè)界巨頭也開始了傳感器網絡方面的工作。日本、德國、英國、意大利等科技興旺國家也對無線傳感器網絡表現(xiàn)出了極大的興趣，紛紛展開了該領域的研究工作。我國對無線傳感器網絡的研究才剛剛起步，在傳感器網絡方面的研究工作還不多。目前，國內一些高等院校與研究機構已積極開展無線傳感器網絡的相關研究工作，這些高等院校與研究機構主要有清華大學、中科院軟件所、浙江大學、哈爾濱工業(yè)大學、中科院自動化所等。此外，為了在降低網絡能耗的同時，保證網絡數(shù)據采集與監(jiān)測質量不變。要求能量管理還必須注意到：①網絡的能量管理不是一個獨立的研究內容，必須與網絡的其他性能結合起來考慮；②在降低網絡能耗的同時，要求網絡有較強的魯棒性；③采用跨層設計的理念。

2．網絡的自組織與自我管理

一般情形下，無線傳感器網絡是自動部署的，傳感器節(jié)點被拋撒入監(jiān)控區(qū)域后，進入自啟動階段，并與鄰居節(jié)點互相交換狀態(tài)信息，同時將此信息傳送給基站，基站根據這些信息形成網絡的拓撲。無線傳感器網絡的拓撲結構主要有三種形式：基于簇的分層結構；基于網的平面結構；基于鏈的線結構。網絡自組織與自管理的目標是依據節(jié)點的能量水平合理地分配任務，有效地延長網絡壽命；當節(jié)點失效時，重新生成拓撲結構。在層次結構中，網絡自組織與自管理還需解決簇頭的選擇與簇的生成等問題。

3．拓撲控制

良好的拓撲控制策略，能提高路由協(xié)議和MAC協(xié)議的效率，給數(shù)據融合、時間同步和目標定位等奠定根底，有利于節(jié)省能量、延長網絡壽命。6．時間同步

無線傳感器網絡通過大量節(jié)點的協(xié)同工作，共同完成區(qū)域監(jiān)測任務，此時實現(xiàn)節(jié)點時間同步對于分布式的無線傳感器網絡意義重大。

傳統(tǒng)網絡中采用的時間同步方法是以效勞器端時鐘為基準調整客戶端時鐘的。無線傳感器網絡與傳統(tǒng)網絡不同，傳統(tǒng)的網絡時間協(xié)議已不適用于無線傳感器網絡，需要根據無線傳感器網絡的特征設計新的時間同步機制。7．跨層設計

已有的大局部無線傳感器網絡協(xié)議都是基于分層結構設計的，此時，設計者通常考慮的都是局部優(yōu)化問題。而跨層設計能通過層與層之間交流信息實現(xiàn)網絡的全局最優(yōu)。同時這種設計思想與資源受限的無線傳感器網絡相符，它能提升整個網絡的性能。但是通常采用跨層思想設計的系統(tǒng)對節(jié)點的性能要求較高。8．網絡平安

目前無線傳感器網絡的應用領域主要在軍事方面，通常網絡部署在敵方陣營，難以實現(xiàn)人工的保護與維護。同時，由于無線傳感器網絡本身的性質，容易形成人為的干擾，如信息竊聽、修改等可能的平安問題。因此平安問題成為無線傳感器網絡的主要問題。

目前，針對無線傳感器網絡的平安問題主要有如下一些解決方法：①物理層主要通過采用高效的加密算法和擴頻通信減少電磁干擾；②數(shù)據鏈路層與網絡層采用平安的協(xié)議；③應用層采用密鑰管理與平安組播。當前無線傳感器網絡的平安方案主要是基于節(jié)點資源受限的自適應平安機制。在無線傳感器網絡的平安性方面，仍然還有許多工作要做。9．嵌入式操作系統(tǒng)

傳感器節(jié)點是一個微型的嵌入式系統(tǒng)，攜帶非常有限的硬件資源，需要操作系統(tǒng)能夠節(jié)能、高效地使用其有限的內存、處理器和通信模塊，且能夠對各種特定應用提供最大的支持。在面向無線傳感器網絡的操作系統(tǒng)的支持下，多個應用可以并發(fā)地使用系統(tǒng)的有限資源。傳感器節(jié)點有兩個突出的特點：一個特點是并發(fā)性密集，即可能存在多個需要同時執(zhí)行的邏輯控制，這需要操作系統(tǒng)能夠有效地滿足這種發(fā)生頻繁、并發(fā)程度高、執(zhí)行過程比較短的邏輯控制流程；另一個特點是傳感器節(jié)點模塊化程度很高，要求操作系統(tǒng)能夠讓應用程序方便地對硬件進行控制，且保證在不影響整體開銷的情況下，應用程序中的各個局部能夠比較方便地進行重新組合。上述這兩個特點對設計面向無線傳感器網絡的操作系統(tǒng)提出了新的挑戰(zhàn)。美國加州大學伯克利分校針對無線傳感器網絡研發(fā)了TinyOS操作系統(tǒng)，在科研機構的研究中得到了比較廣泛的使用，但仍然存在缺乏之處。1.3.4面臨的挑戰(zhàn)

無線傳感器網絡不同于傳統(tǒng)的數(shù)據網絡，對于無線傳感器網絡的設計與實現(xiàn)提出了新的要求，主要表達在以下幾個方面：

(1)低功耗。傳感器節(jié)點的能量十分有限，一旦投放完畢就很難再補充能量。節(jié)點能量耗盡就“死亡〞，當網絡中節(jié)點的死亡率到達一定的比例時網絡就結束了。為了盡可能地延長網絡壽命，需要在設計網絡時充分地考慮節(jié)能因素。(2)實時性。無線傳感器網絡在實際應用中，通常有實時性要求。例如：在車載監(jiān)控系統(tǒng)中，系統(tǒng)每10ms讀取一次加速度的值，否那么無法判斷車輛的即時速度，這將可能引起交通事故。

(3)低本錢。無線傳感器網絡規(guī)模大，節(jié)點分布密集。要降低網絡運行本錢，關鍵要降低單個傳感器節(jié)點的本錢，此時傳感器節(jié)點的計算、通信與存儲能力都較低，那么設計的網絡系統(tǒng)與通信協(xié)議必須要有很強的針對性。此外還要求系統(tǒng)有自配置與自修復功能，從而減少系統(tǒng)的管理與維護開銷。(4)平安。無線傳感器網絡系統(tǒng)受資源限制，設計的通信協(xié)議通常開銷較低，但這引起新的網絡問題，即平安問題。如何減少數(shù)據加密、身份認證、入侵檢測等的開銷是無線傳感器網絡設計面臨的新問題。

(5)協(xié)作。無線傳感器網絡通常是在多個傳感器節(jié)點的協(xié)同工作下共同完成既定的任務。通過逐跳中繼方式傳遞數(shù)據時涉及到網絡協(xié)議的設計與能量消耗問題，這也是目前無線傳感器網絡研究的熱點。1.4.1基于通用網絡的仿真平臺

1．NS2

NS2是由伯克利大學1989年開始開發(fā)的一種源代碼開放的共享軟件，是一種可擴展、可重用、基于離散事件驅動、面向對象的仿真軟件。NS2可以用于仿真各種不同的IP網，實現(xiàn)了多播、一些MAC子層協(xié)議、網絡傳輸協(xié)議(如：TCP/UDP協(xié)議)、業(yè)務源流量產生器、路由隊列管理機制以及路由算法等。其拓撲結構有星型拓撲(單跳)和對等式拓撲(AdHoc網絡多跳形式)兩種，通過編程語言OTCL(具有面向對象特性的TCL腳本程序設計語言)和C++?實現(xiàn)。2．OPNET

OPNET是一個強大的、面向對象的、離散事件驅動的通用網絡仿真環(huán)境。作為一個全面的集成開發(fā)環(huán)境，在無線傳輸方面的建模能力涉及仿真研究的各階段，包括模型設計、仿真、數(shù)據搜集和數(shù)據分析，所有的無線特性與高層協(xié)議模型無縫連接。

當然，還有其他通用網絡環(huán)境下的仿真環(huán)境，如GloMoSim、SENSE、Shawn等。2．OMNET++

OMNET++是一種開源的、基于組件的、模塊化的開放網絡仿真平臺，近年來在科學和工業(yè)領域逐漸流行。作為離散事件仿真器，其具備強大完善的圖