无线传感器网络246110950.docx

无线传感器网络研究进展摘要：无线传感器网络是一种全新的信息获取和处理技术。由于其巨大的应用前景而受到科学界和工业界越来越广泛的重视。本文将着重介绍无线传感器的基本概念、体系结构以及特点，深刻剖析无线传感器网络的应用前景。关键字：无线传感器网络 体系结构 应用Overview of Wireless Sensor NetworksAbstract: Wireless sensor networks are a kind of brand-new information acquisition and processing technology. More and more academic researchers and people from industry are engaged in developing wireless sensor networks due to the great promise and potential with various applications. This paper will focus on the basic concept of wireless sensor, deeply analyze the application prospect of wireless sensor network.Key words: wireless sensor networks; architecture application.1 引言无线传感器网络是当前在国际上备受关注的、涉及多学科高度交叉、知识高度集成的前沿热点研究领域，它综合了传感器技术、嵌入式计算机技术、现代网络及无线通信技术、分布式信息处理技术等，能够通过各类集成化的微型传感器协作地实时监测、感知和采集各种环境或监测对象的信息，这些信息通过无线方式被发送，并以自组多跳的网络方式传送到用户终端，从而实现物理世界、计算世界以及人类社会三元世界的连通，传感器网络具有十分广阔的应用前景，在军事国防、工农业、城市管理、生物医疗、环境监测、抢险救灾、防恐反恐、危险区域远程控制等许多国家学术界和工业界的高度重视，被认为是对21世纪产生巨大影响力的技术之一。2 无线传感器的基本概念无线局域网(Wireless localal-ea network，WLAN)是90年代计算机网络与无线通信技术相结合的产物，它提供了使用无线多址信道的一种有效方法来支持计算机之间的通信，并为通信的移动化、个人化和多媒体应用提供了潜在的手段。通俗的说，无线局域网就是在不采用传统电缆线的同时，提供传统有线局域网的所有功能，网络所需的基础设施不需要再埋在地下或隐藏在墙里，网络却能够随着你的需要移动或变化。无线传感器网络就是部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳自组织网络的网络系统，其目的是协作感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息，并发送给观察者。无线传感器网络就是部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳自组织网络的网络系统，其目的是协作感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息，并发送给观察者。3 无线传感器的网络体系结构3.1无线传感器的网络体系架构网络体系结构是网络的协议分层以及网络协议的集合，是对网络及其部件所应完成功能的定义和描述。对无线传感器网络来说，其网络体系结构不同于传统的计算机网络和通信网络1,2,15-17，通过总结大量文献的研究工作，并结合我们自己的体会，本文分析了一个典型的无线传感器网络的系统架构，包括分布式无线传感器节点（群）、接收发送器汇聚节点、互联网或通信卫星和任务管理节点等，如下图所示：互联网和卫星 汇聚节点E 汇聚节点ABCD 任务管理节点D 无线传感器网络系统架构其中AE则为分布式无线传感器节点群，这些节点群随机部署在监测区域内部或附近，能够通过自组织方式构成网络。这些节点通常是一个微型的嵌入式系统，它们的处理能力、存储能力和通信能力相对较弱，通过携带有限能量的电池供电。从功能上看这些节点，它们不仅要对本地收集的信息进行收集及处理，而且要对其他节点转发来的数据进行存储、管理和融合等处理，同时与其他节点协作完成一些特定的任务。汇聚节点的各方面能力相对于上述节点群而言相对比较强，它连接传感器网络、Internet等外部网络，实现两种协议栈之间的通信协议转换，同时发布管理节点的监测任务，并把收集的数据转发到外部网络上。3.2 无线传感器网络的体系结构无线传感器网络拥有和传统无线网络不同的体系结构如无线传感器节点结构，网络结构以及网络协议体系结构。一般而言，传感器节点由四部分组成：传感器模块、处理器模块、无线通信模块和电源模块。它们各自负责自己的工作：传感器模块负责采集监测区域内的信息采集，并进行数据格式的转换，将原始的模拟信号转换成数字信号，将交流信号转换成直流信号，以供后续模块使用；处理器模块又分成两部分，分别是处理器和存储器，它们分别负责处理节点的控制和数据存储的工作；无线通信模块专门负责节点之间的相互通信；电源模块就用来为传感器节点提供能量，一般都是采用微型电池供电。现有的无线传感器网络体系由分层的网络通信协议、网络管理平台以及应用支撑平台这3部分组成，如下图所示：应用服务接口网络管理接口时间同步定位 传输控制 路由应用层传输层网路层拓扑控制服务质量安全移动/能量 网络管理 MAC 声、光、电、磁数据链路层物理层如图：数据链路层物理层 声、光、电、磁 （1）物理层：负责信号的调制和数据的收发，所采用的传输介质主要由无线电、红外线、光波等。WSN推荐使用免许可证频段。物理层的设计既有不利因素，例如传播损耗因子较大，也有不利的方面，例如高密度部署的无线传感器网络具有分集特性，可以用来克服阴影效应和路径损耗。（2）数据链路层：负责数据成帧、帧监测、媒体接入和差错控制。其中，媒体接入协议保证可靠的点对点和点对多点通信；差错控制则保证源节点发出的信息可以完整无误地到达目标节点。（3）数据链路层：负责数据成帧、帧监测、媒体接入和差错控制。其中，媒体接入协议保证可靠的点对点和点对多点通信；差错控制则保证源节点发出的信息可以完整无误地到达目标节点。（4）传输层：负责数据流的传输控制，主要通过汇聚节点采集传感器网络内的数据，并使用卫星、移动通信网络、Internet或者其他的链路与外部网络通信，是保证通信服务质量的重要部分。（5）应用层：由各种面向应用的软件系统构成。主要研究的是各种传感器网络应用的具体系统的开发，例如：作战环境侦查与监控系统，情报获取系统，灾难预防系统等等。4 无线传感器网络的特点目前常见的无线网络包括移动通信网、无线局域网、蓝牙网络、Ado网络等，无线传感器网络在通信方式、动态组网以及多跳通信等方面有许多相似之处，但同时也存在很大的差别。无线传感器网络具有许多其鲜明的特点：(1)电源能量有限传感器节点体积微小，通常携带能量十分有限的电池。由于传感器节点数目庞大，成本要求低廉，分布区域广，而且部署区域环境复杂，有些区域甚至人员不能到达，所以传感器节点通过更换电池的方式来补充能源是不现实的。如何在使用过程中节省能源，最大化网络的生命周期，是传感器网络面临的首要挑战。 (2)通信能量有限传感器网络的通信带宽窄而且经常变化，通信覆盖范围只有几十到几百米。传感器节点之间的通信断接频繁，经常容易导致通信失败。由于传感器网络更多地受到高山、建筑物、障碍物等地势地貌以及风雨雷电等自然环境的影响，传感器可能会长时间脱离网络，离线工作。如何在有限通信能力的条件下高质量地完成感知信息的处理与传输，是传感器网络面临的挑战之一。(3)计算能力有限传感器节点是一种微型嵌入式设备，要求它价格低功耗小，这些限制必然导致其携带的处理器能力比较弱，存储器容量比较小。为了完成各种任务，传感器节点需要完成监测数据的采集和转换、数据的管理和处理、应答汇聚节点的任务请求和节点控制等多种工作。如何利用有限的计算和存储资源完成诸多协同任务成为传感器网络设计的挑战。(4)网络规模大，分布广传感器网络中的节点分布密集，数量巨大，可能达到几百、几千万，甚至更多。此外，传感器网络可以分布在很广泛的地理区域。传感器网络的这一特点使得网络的维护十分困难甚至不可维护，因此传感器网络的软、硬件必须具有高强壮性和容错性，以满足传感器网络的功能要求。(5)自组织、动态性网络 在传感器网络应用中，节点通常被放置在没有基础结构的地方。传感器节点的位置不能预先精确设定，节点之间的相互邻居关系预先也不知道，而是通过随机布撒的方式。这就要求传感器节点具有自组织能力，能够自动进行配置和管理，通过拓扑控制机制和网络协议自动形成转发监控数据的多跳无线网络系统。同时，由于部分传感器节点能量耗尽或环境因素造成失效，以及经常有新的节点加入，或是网络中的传感器、感知对象和观察者这三要素都可能具有移动性，这就要求传感器网络必须具有很强的动态性，以适应网络拓扑结构的动态变化。 (6)以数据为中心的网络传感器网络的核心是感知数据，而不是网络硬件。观察者感兴趣的是传感器产生的数据，而不是传感器本身。观察者不会提出这样的查询：“从A节点到B节点的连接是如何实现的?”，他们经常会提出如下的查询：“网络覆盖区域中哪些地区出现毒气?”。在传感器网络中，传感器节点不需要地址之类的标识。因此，传感器网络是一种以数据为中心的网络。5 无线传感器网络的应用无线传感器网络在工业、农业、交通、安全、医疗空间探测以及家庭和办公环境等众多领域都有着广泛的应用。国际上比较有代表性和影响力的无线传感器网络的实用和研发项目有遥控战场传感器系统、网络中心站及灵巧传感器网络、智能尘埃（smart dust）、行为性监控项目、英国国家网络、smart-Its项目等。5.1智能家居无线传感器网络还能够应用在家居系统中。例如，2004年3月英特尔公司演示了家庭护理的无线传感器网络系统。该系统通过在鞋、家具以家用电器等家中道具和设备中嵌入半导体传感器，帮助老龄人士、以及残障人士的家庭生活，利用无线通信将各传感器联网可高效传递必要的信息从而方便接受护理。智能家居网络系统是将家庭中各种与信息有关的通讯设备、家用电器和家庭保安装置通过家庭总线技术连接到一个家庭智能化系统上进行集中的或者异地的监视、控制和家庭事务性管理，并保持家庭设施与住宅环境的和谐与协调的系统。5.2 医疗健康如果在住院病人身上安装特殊用途的传感器节点，如心率和血压监测设备，利用传感器网络，医生就可以随时了解被监护病人的病情，进行及时处理。还可以利用传感器网络长时间地收集人的生理数据，这些数据在研制新药品的过程中是非常有用的，而安装在被监测对象身上的微型传感器也不会给人的正常生活带来太多的不便。此外，在药物管理等诸多方面，它也有新颖而独特的应用。总之，传感器网络为未来的远程医疗提供了更加方便、快捷的技术实现手段。6 结束语由于具有覆盖区域广阔、监测高精度、可