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隨著微電子機械系統( Micro Electro-MechanicalSystem, MEMS) 、低功耗無線電通信技術、嵌入式計算技術、微型傳感器技術及集成電路技術的飛速發展和日益成熟， 使得由大量低成本、低功耗、小體積、短距離通信多功能的微型傳感器通過無線鏈路自組織為無線傳感器網絡( wireless sensor network, WSN) 成為現實。WSN 已經廣泛應用于軍事、交通、環境監測和預報、衛生保健、空間探索等各個領域， 在當前國際上備受關注， 涌現了許多研究熱點領域。 1 無線傳感器網絡的節點結構 傳感器節點的基本組成和功能包括如下幾個單元： 傳感單元、處理單元、無線通信單元和供電單元等，如圖1 所示。此外， 其他可以選擇的功能部分有定位系統、移動系統以及電源供電系統等。 傳感器單元由傳感器和數/ 模轉換模塊組成， 用于感知、獲取監測區域內的信息， 并將其轉換為數字信號; 處理單元由嵌入式系統構成， 包括處理器、存儲器等， 負責控制和協調節點各部分的工作， 存儲和處理自身采集的數據以及其他節點發來的數據; 無線通信單元由無線通信模塊組成， 負責與其他傳感器節點進行通信， 交換控制信息和收發采集數據; 供電單元通常采用微型電池， 為傳感器節點提供正常工作所必需的能源。 2 無線傳感器網絡的特點 人們一度認為成熟的Ad-hoc網絡機制和技術可以應用到無線傳感器網絡。但隨著深入的研究發現， 無線傳感器網絡有的技術要求和應用目標明顯不同于Ad-hoc 網絡。Ad-ho c 網絡致力于為用戶提供高質量的數據傳輸服務， 是以傳輸數據為目的; 無線傳感器網絡將能源的高效使用作為首要設計目標， 是以數據為中心。無線傳感器網絡具有許多區別于Ad-hoc 網絡的獨有特征。 ①規模大、密度高。無線傳感器網絡與Ad-ho c 網絡不同， 通常密集部署在大片的監測區域， 為了獲取更精確、完整的信息， 需要部署規模很大、密度很高的傳感器節點， 以便通過大量冗余節點的協同工作來提高系統的工作質量。 ②以數據為中心。在無線傳感器網絡中， 終端用戶不會具體關心單個節點的監測數據， 通常只關心某個區域內某個監測指標的數值。 ③可靠性差。與Ad-hoc 網絡相比， 無線傳感器網絡節點出現故障的可能性要大得多。傳感器節點是通過隨機撒播的方式部署在指定的惡劣環境或無人區域， 在無人值守狀態下工作， 網絡維護變得十分困難。 ④傳感器節點的能力有限。傳感器節點具有的能量、處理能力、存儲能力和通信能力都是十分有限的。 ⑤與應用相關。無線傳感器網絡是通過感知客觀世界來獲取外界的信息。由于不同的應用關心的信息不同， 使得無線傳感器網絡只能針對每一個具體的應用來開展設計工作， 不能像Internet 那樣有統一的通信協議平臺。由于應用的不同， 無線傳感器網絡對網絡系統的要求也不同， 硬件平臺、軟件系統和通信協議都會有很大的差異。 ⑥動態變化快。無線傳感器網絡一般都在比較惡劣的環境下工作， 不斷變化的外界環境， 如突發事件、節點能量耗盡、無線通信鏈路斷續等， 都會嚴重影響系統功能， 這就要求傳感器節點調整自身的工作狀態及網絡的拓撲結構， 以適應環境的變化。 3 無線傳感器網絡的研究熱點 無線傳感器網絡作為當今信息領域新的研究熱點， 綜合了傳感技術、微電子技術、網絡技術、無線通信技術、嵌入式技術、分布式計算處理技術等多種技術的交叉學科， 涉及的范圍十分廣泛， 因而相關的研究內容也十分豐富， 目前世界各國均對其各方面開展了研究。 同時， 無線傳感器網絡又有著工作環境較差、節點數目眾多、節點能量不易補充等特點， 對它的研究又有著與一般網絡不同的要求。從體系結構上分， 可分為基礎層研究問題、網絡層研究問題、數據管理與處理層研究問題、應用開發環境層研究問題、應用層研究問題。從功能上分， 可分為能量節省問題、傳感器節點的定位問題、網絡組織管理問題、網絡傳輸問題、軟硬件設計與制造問題、信號的協作處理問題、網絡安全性問題等。 下面從功能的角度對各個熱點分別給予介紹。 3.1 無線傳感器網絡的節點定位 無線傳感器網絡的節點通常是采用大炮發射、飛機撒播等隨機布置的方法部署到監測區域中的， 因為無法預先確定節點部署后的位置， 只能在部署完成后采用一定的方法定位。目前使用最廣泛的定位方法是采用全球定位系統GPS( Global Posit ioning System) . 由于數目眾多， 在價格、功耗、適用范圍及體積等方面的制約， 考慮到費用問題， 每個節點都帶有定位系統是不現實的。一般采用的方法是使5%~10% 的節點帶有GPS, 這種節點稱為導標節點( beaco n nodes) 或錨節點( anchor nodes) , 它們可以通過衛星來確定自身的位置。目前主要的研究方向是如何利用這些錨節點提供的位置信息和其他節點通信之間的約束， 估算出普通節點的位置。定位問題除了定位本身的意義外， 在路由選擇上也有很大的幫助。此外在移動機器人研制中也具有很重要的意義。 3.2 無線傳感器網絡的拓撲管理 無線傳感器網絡拓撲管理主要研究的內容是： 在保證網絡的覆蓋度和連通性的前提下， 設置或調整節點的發射功率， 并按照一定原則選擇合適節點成為骨干節點參與網絡中數據的處理和傳輸， 達到優化網絡拓撲結構的目的。無線傳感器網絡中拓撲管理可以分為兩個研究方向： 功率管理和層次拓撲結構管理。功率管理機制均衡節點的直接鄰居數目， 調整網絡中每個節點的發射功率， 保證網絡連通， 同時降低節點之間的通信干擾。層次拓撲管理是利用分簇思想， 依據一定的算法使網絡中的部分節點處于激活狀態并且成為簇首節點， 然后由這些簇首節點構建一個連通的網絡來處理和傳輸網絡中的數據; 其他節點則處于非激活狀態，關閉其通信模塊以降低能量消耗， 并定期或不定期地重新選擇簇首節點， 以均衡網絡中節點的能量消耗。 在有些應用中， 無線傳感器網絡的各個節點可能分布在廣大的地理區域， 如果把整個應用組成一個網絡， 即不現實也難于管理。網絡的組織管理的關鍵是如何把網絡有效地劃分為許多小局域網， 保證每一個小的局域網中都有一個節點代理負責管理每一個小的局域網， 該節點可稱之為簇首。解決該問題可用以下兩種方法： 一是放置代理， 每個代理節點負責管理一定數目的普通節點， 如何使每個代理管理節點的數目基本相同并使管理網絡有著基本相同的網絡半徑是研究的重點問題; 二是產生簇首， 所有的節點都是對等的節點，這時根據每個節點能量情況、連接情況選擇合適簇首，負責數據的匯總及初步處理， 為了節省能量， 需要定期或不定期選舉產生新的簇首。此外， 網絡的管理形式、拓撲結構等都是需要研究的重要問題。 3.3 數據在網絡中的傳輸 無線傳感器網絡的網內數據傳輸是一個熱點問題， 由于數據傳輸將消耗掉節點大量的能量， 傳統網絡的很多方案不能直接使用， 它的設計需要針對具體應用來進行。目前， 很多無線傳感器網絡中路由算法基本上都是以Flooding 算法為基礎， 通過增加一定的約束條件而形成的。然而每個傳感器節點所帶的電量有限，無線通信、數據處理、數據采集等過程都要消耗能量，其中網內數據傳輸( 即無線通信模塊) 消耗節點的大部分能量， 需要通過采用適當的路由算法， 減少網絡中的通信量和計算量， 有效延長網絡的壽命。 3.4 信號的協作處理 為了完成對目標的測量、跟蹤和識別， 需要具有一定屬性的多個傳感器節點協同工作。這些節點采用一定的算法交換信息， 對所獲得的數據進行加工、匯總和過濾。僅靠單個的傳感器節點無法完成這些工作。因此， 節點間數據的傳遞和信息協作都影響到網絡算法的設計和能量的消耗。 3.5 硬件、軟件的設計和制造 無線傳感器網絡另一個研究重要課題是： 如何利用已經發展起來的電源、微電子、微電機、微無線通信等技術， 合理地構成微體積、長壽命的節點。國外有些研究所已經開始進入了裝置設計階段， 它的研究設計需要考慮依距離遠近發送一個比特位及每條指令所需的能量大小， 甚至不同地址編碼所需能量的差異等。要有效地增加網絡節點的壽命需要合理優化設計硬件和軟件資源。厘米級和毫米級的傳感器節點成為當今的主要研究目標。 3.6 無線傳感器網絡安全性問題 與普通的網絡一樣， 傳感器接收命令和傳送信息也面臨著安全性的考驗。無線傳感器網絡是通過無線方式進行通信的， 信道更容易被竊聽， 辨別非法消息及非法節點更加不易。而傳感器節點本身運算能力有限，如何利用較少的能量和較小的計算量來完成數據加密、身份認證等， 在破壞或受干擾的情況下可靠地完成任務也是一個重要的研究課題。 另外， 無線傳感器網絡還涉及到能量控制、容錯機制、路由選擇等方面的研究。 4 結束語 無線傳感器網絡的應用前景十分廣闊。除了在軍事、監控、應急、環境、防空等方面， 還將涉及家用、企業管理、保健、交通等新興領域。本文對無線傳感器網絡的研究熱點進行分析和總結， 無線傳感器網絡的發展還面臨許多的問題， 比如能量節省問題、傳感器節點的定位問題、網絡組織管理問題、網絡傳輸問題、軟硬件設計與制造問題、信號的協作處理問題、網絡安全性問題等。隨著各項技術的成熟和發展， 無線傳感器網絡的研究也將取得突破性的進展， 其業務和應用將更加廣泛和成熟。 |
