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隨著傳感器技術、嵌入式技術、分布式信息處理技術和無線通信技術的發(fā)展，以大量的具有微處理能力的微型傳感器節(jié)點組成的無線傳感器網(wǎng)絡(WSN)逐漸成為研究熱點問題。 與傳統(tǒng)無線通信網(wǎng)絡Ad Hoc網(wǎng)絡相比，WSN的自組織性、動態(tài)性、可靠性和以數(shù)據(jù)為中心等特點，使其可以應用到人員無法到達的地方，比如戰(zhàn)場、沙漠等。因此，可以斷定未來無線傳感器網(wǎng)絡將有更為廣泛的前景。 無線傳感器網(wǎng)絡(Wireless Sensor Networks, WSN)是一種分布式傳感網(wǎng)絡，由大量的靜止或移動的傳感器以自組織和多跳的方式構成的無線網(wǎng)絡，以協(xié)作地感知、采集、處理和傳輸網(wǎng)絡覆蓋地理區(qū)域內(nèi)被感知對象的信息，并最終把這些信息發(fā)送給網(wǎng)絡的所有者。傳感器、感知對象和觀察者構成了無線傳感器網(wǎng)絡的三個要素。 無線傳感器網(wǎng)絡所具有的眾多類型的傳感器，可探測包括地震、電磁、溫度、濕度、噪聲、光強度、壓力、土壤成分、移動物體的大小、速度和方向等周邊環(huán)境中多種多樣的現(xiàn)象。潛在的應用領域可以歸納為: 軍事、航空、防爆、救災、環(huán)境、醫(yī)療、保健、家居、工業(yè)、商業(yè)等領域。 與傳統(tǒng)有線網(wǎng)絡相比，無線傳感器網(wǎng)絡技術具有很明顯的優(yōu)勢特點，主要的要求有：低能耗、低成本、通用性、網(wǎng)絡拓撲、安全、實時性、以數(shù)據(jù)為中心等。 無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)的典型結(jié)構 采用同構網(wǎng)絡實現(xiàn)遠程監(jiān)測的無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)典型結(jié)構，由傳感器節(jié)點、匯聚節(jié)點、服務器端的PC和客戶端的PC四大硬件環(huán)節(jié)組成，各組成環(huán)節(jié)功能如下。 傳感器節(jié)點 部署在監(jiān)測區(qū)域（A區(qū)），通過自組織方式構成無線網(wǎng)絡。傳感器節(jié)點監(jiān)測的數(shù)據(jù)沿著其它節(jié)點逐跳進行無線傳輸，經(jīng)過多跳后達到匯聚節(jié)點（B區(qū)）。 匯聚節(jié)點 是一個網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器，負責無線網(wǎng)絡的組建，再將傳感器節(jié)點無線傳輸進來的信息與數(shù)據(jù)通過SCI（ 串行通信接口）傳送至服務器端PC。 服務器端PC 是一個位于B區(qū)的管理節(jié)點，也是獨立的Internet網(wǎng)關節(jié)點。在LabVIEW軟件平臺上面有兩個軟件：一是對傳感器無線網(wǎng)絡進行監(jiān)測管理的軟件平臺VI，即一個監(jiān)測傳感器無線網(wǎng)絡的虛擬儀器VI；二是Web Server軟件模塊和遠程面板技術(Remote Panel)， 可實現(xiàn)傳感器無線網(wǎng)絡與Internet的連接。 客戶端PC 客戶端PC上無需進行任何軟件設計，在瀏覽器中就可調(diào)用服務器PC中無線傳感器網(wǎng)絡監(jiān)測虛擬儀器的前面板，實現(xiàn)遠程異地（C區(qū)）對傳感器無線網(wǎng)絡（A區(qū)）的監(jiān)測與管理。 無線傳感器網(wǎng)絡中的傳感器節(jié)點 應根據(jù)無線傳感器網(wǎng)絡所在的地區(qū)環(huán)境特點來選擇傳感器，以適應環(huán)境溫度變化范圍、尺寸體積等特殊要求。傳感器所配接的調(diào)理電路將傳感器輸出的變化量轉(zhuǎn)換成能與A/D轉(zhuǎn)換器相適配的0~2.5V或0~5V的電壓信號。當處于無電網(wǎng)供電地區(qū)時，傳感器及其調(diào)理電路都應是低功耗的。 2．數(shù)據(jù)采集及A/D轉(zhuǎn)換器與微處理器系統(tǒng) 傳感器節(jié)點中的計算機系統(tǒng)是低功耗的單片微處理器系統(tǒng)，可以適應遠離測試中心、偏遠地區(qū)惡劣環(huán)境的工作條件。如美國德克薩斯州儀器（TI）公司生產(chǎn)的MSP430－F149A超低功耗混合信號處理器(Mixed Signal Processor)，它內(nèi)部自帶采樣/保持器和12位A/D轉(zhuǎn)換器，可對信號進行采集、轉(zhuǎn)換以及對全節(jié)點系統(tǒng)進行指令控制和數(shù)據(jù)處理。 3．射頻模塊 射頻模塊接收外部無線指令并將傳感器檢測到的被測參量數(shù)據(jù)信息無線發(fā)送出去，如TI公司的CC2420無線收發(fā)芯片。 4．電源 無線傳感器網(wǎng)絡中對傳感器節(jié)點的供電是一個極具特殊性的正處于研究熱點的技術問題。若節(jié)點處于遠離電網(wǎng)的偏遠地區(qū)，一般采用電池供電或無線射頻供電方式。 無線傳感器網(wǎng)絡中的匯聚節(jié)點 圖1中的無線傳感器網(wǎng)絡匯聚節(jié)點是一個網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器，操作PC中監(jiān)測管理軟件平臺的面板控件，在其指令下負責執(zhí)行無線傳感器網(wǎng)絡的配置與組建，并將接收到的傳感器節(jié)點無線傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息再傳至PC機。通常協(xié)調(diào)器主要由微處理器系統(tǒng)、射頻模塊、通信接口以及電源四個部分組成，其硬件組成框圖如圖所示。 1．通信接口 協(xié)調(diào)器中的通信接口負責與PC機進行通信。一方面，當操作PC機中無線傳感器網(wǎng)絡監(jiān)測平臺VI前面板上的相應控件時，通信接口負責傳遞下達的相應指令，如檢索網(wǎng)絡、發(fā)送數(shù)據(jù)等；另一方面，協(xié)調(diào)器接收到傳感器節(jié)點無線發(fā)送的數(shù)據(jù)信息時，也將其通過通信接口上傳到PC中。2．微處理器系統(tǒng) 協(xié)調(diào)器中的微處理器是整個無線傳感器網(wǎng)絡的主控制器，是協(xié)調(diào)器的核心。 3．射頻模塊 該射頻模塊將接收傳感器節(jié)點無線發(fā)送的數(shù)據(jù)信息，經(jīng)通信接口上傳至PC；另一方面，以無線傳輸方式下達PC對傳感器節(jié)點的操作指令。 無線傳感器網(wǎng)絡通信協(xié)議
基于IEEE802.15.4標準的網(wǎng)絡層協(xié)議主要有2001年9月成立的ZigBee聯(lián)盟提出的ZigBee協(xié)議棧及適用于無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的嵌入式微型IPv6協(xié)議棧。其中，ZigBee協(xié)議以其低成本、不同廠商生產(chǎn)的產(chǎn)品可兼容等特點得到廣泛的研究與應用。 無線傳感器網(wǎng)絡與Internet的互聯(lián) 同構網(wǎng)絡引入一個或幾個無線傳感器網(wǎng)絡傳感器節(jié)點作為獨立的網(wǎng)關節(jié)點并以此為接口接入互聯(lián)網(wǎng)， 即把與互聯(lián)網(wǎng)標準IP協(xié)議的接口置于無線傳感器網(wǎng)絡外部的網(wǎng)關節(jié)點。 這樣做比較符合無線傳感器網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)流模式， 易于管理，無需對無線傳感器網(wǎng)絡本身進行大的調(diào)整；缺點是會使得網(wǎng)關附近的節(jié)點能量消耗過快并可能會造成一定程度的信息冗余。 異構網(wǎng)絡的特點是：部分能量高的節(jié)點被賦予IP地址，作為與互聯(lián)網(wǎng)標準IP協(xié)議的接口。這些高能力節(jié)點可以完成復雜的任務，承擔更多的負荷，難點在于無法對節(jié)點的所謂“高能力”有一個明確的定義。同時，如何使得IP節(jié)點之間通過其它普通節(jié)點進行通信也是一個技術難題。 WSN無線傳感器網(wǎng)絡的特點及優(yōu)勢 1、網(wǎng)絡規(guī)模大（節(jié)點數(shù)量多） 例如：對森林、草原進行防火監(jiān)控、野生動物活動情況監(jiān)測、壞境監(jiān)測往往要布置大量的無線傳感器節(jié)點，布設范圍也遠遠超過一般的局域網(wǎng)范圍。 布置大量的無線傳感器節(jié)點的優(yōu)點：
2、自組織網(wǎng)絡 與局部網(wǎng)的布設不同，無線傳感器節(jié)點額位置布設前不能事先確定(飛機撒布、人員隨機布設)，節(jié)點之間的互相鄰居關系也不能事先確定。 要求無線傳感器節(jié)點具有自組織能力，能夠自動進行配置管理。實現(xiàn)的方法是通過拓撲控制機制和網(wǎng)絡路由協(xié)議自動形成能夠轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的多跳無線網(wǎng)絡系統(tǒng)。 3、動態(tài)性網(wǎng)絡 無線傳感器網(wǎng)絡的拓撲結(jié)構經(jīng)常改變。原因：
4、可靠性強 傳感器節(jié)點本身硬件結(jié)構可靠
網(wǎng)絡結(jié)構可靠
軟件可靠
5、以數(shù)據(jù)為中心 在互聯(lián)網(wǎng)中終端、主機、路由器、服務器等設備都有自己的IP地址。想訪問互聯(lián)網(wǎng)中資源，必須先知道存放資源的服務器的IP地址。所以互聯(lián)網(wǎng)是一個以地址為中心的網(wǎng)絡。而無線傳感器網(wǎng)絡是任務型網(wǎng)絡。 在WSN中，節(jié)點雖然也有編號。但是編號是否在整個WSN中統(tǒng)一取決于具體需要。另外節(jié)點編號與節(jié)點位置之間也沒有必然聯(lián)系。用戶使用WSN查詢事件時，將關心的事件報告給整個網(wǎng)絡而不是某個節(jié)點。許多時候只關心結(jié)果數(shù)據(jù)如何，而不關心是哪個節(jié)點發(fā)出的數(shù)據(jù)。 WSN采用微型傳感器節(jié)點采集信息，各節(jié)點間具有自組織和協(xié)同工作的能力，網(wǎng)絡內(nèi)部采用無線多跳通信方式，與傳統(tǒng)的SN相比具有以下優(yōu)勢：
WSN應用領域 由于WSN的特殊性，其應用領域與普通網(wǎng)絡有著顯著地區(qū)別，主要包括以下幾類：
包括：對敵軍兵力、武器的監(jiān)測、戰(zhàn)場實時監(jiān)視、目標定位與鎖定、戰(zhàn)果評估等等。
WSN應用存在的問題及研究熱點 在無線傳感器網(wǎng)絡的設計應用過程中，有多種基礎性技術是支撐傳感器網(wǎng)絡完成任務的關鍵，這些關鍵技術解決是保證網(wǎng)絡用戶功能正常運行的前提。
常用的MAC協(xié)議有：IEEE802.15.4、S-MAC、及T-MAC協(xié)議等；路由協(xié)議有：SPIN、DO、GEM、LEACH等協(xié)議。
目前，在WSN中應用比較成熟的時間同步協(xié)議有RBS（參考廣播同步）、Tiny/mini-Sync（微小/迷你同步）以及TPSN（Timing-sync協(xié)議的傳感器網(wǎng)絡）等三種。
定位技術可以利用現(xiàn)有的GPS等定位技術，也可以根據(jù)WSN自身特點采用一些適用有效的定位算法，目前主要有DV2hop算法、位置分發(fā)算法、DV2distance算法等。
目前數(shù)據(jù)融合的方法很多，常用的有綜合平均法，卡爾曼濾波法、貝葉斯方法、神經(jīng)網(wǎng)絡法、統(tǒng)計決策理論、模糊邏輯法、產(chǎn)生式規(guī)則和D-S證據(jù)理論等。
目前主要采用的能量管理策略有休眠機制、數(shù)據(jù)融合等，它們主要應用在計算機、存儲單元及通信單元部分。休眠機制可以通過相應的硬件芯片、網(wǎng)絡協(xié)議協(xié)調(diào)、動態(tài)電源管理及動態(tài)電壓調(diào)度等多種措施實現(xiàn)。
目前，WSN的安全研究內(nèi)容主要包括：a）物理層的高效加密算法、擴頻抗干擾等。b）數(shù)據(jù)鏈路層的安全MAC協(xié)議。c）網(wǎng)絡層的安全路由協(xié)議。d）應用層的密鑰管理和安全組播等，目前WSN中專用安全協(xié)議有：SNEP（網(wǎng)絡安全加密）和uTESLA（微型定時有效流容忍丟失認證協(xié)議）。 無線傳感器網(wǎng)絡是當前信息領域中研究的熱點之一，可用于特殊環(huán)境實現(xiàn)信號的采集、處理和發(fā)送。無線傳感器網(wǎng)絡是一種全新的信息獲取和處理技術，在現(xiàn)實生活中得到了越來越廣泛的應用。目前，無線傳感器網(wǎng)絡作為一種獲得和處理信息的新技術，正在被廣泛的研究。隨著通信技術、嵌入式技術、傳感器技術的發(fā)展，傳感器正逐漸向智能化、微型化、無線網(wǎng)絡化發(fā)展。 |
