无线传感器网络的发展.doc

无线传感器网络的发展 绪论1.1 引言 无线传感器网络(WSN Wireless Sensor Network)是由多个节点组成的面向任务的无线网络，它综合了传感器技术、嵌入式计算技术、现代网络及无线通信技术、分布式信息处理技术等多种领域技术，通过各类微型传感器对目标信息进行实时监测，由嵌入式计算资源对信息进行处理，并通过无线通信网络将信息传送至远程用户。这一技术具有十分广阔的应用前景，在军事国防、工农业控制、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领域都有重要的科研价值和实用价值。 无线传感器网络是新兴的下一代传感器网络，最早的代表性论述出现在1999年，题为传感器走向无线时代。随后在美国的移动计算和网络国际会议上，提出了无线传感器网络是下一个世纪面临的发展机遇的观点(原文:The wireless sensor network is a rising next generation network. The emergence and development of wireless sensor network technologies are overviewedo)。2003年，美国技术评论杂志论述“十种新兴技术将改变世界”时，无线传感器网络被列为第一项新兴技术。同年，美国商业周刊未来技术专版，论述四大新技术时，无线传感器网络也列入其中。美国今日防务杂志更认为无线传感器网络的应用和发展，将引起一场划时代的军事技术革命和未来战争的变革。1.2背景及主要内容 无线传感器网络具有广阔的应用前景，已经引起了许多国家军事界、学术界和工业界的高度重视，并成为进入2000年以来公认的新兴前沿热点研究领域。传感器网络在基础理论和工程技术两个层面都提出了大量的挑战性研究课题。1.2.1背景 本文结合合肥市科研计划项目“矿井机车运输安全保障与监控系统”和合肥工业大学2005 - 2006学年学生创新基金资助项目(项目编号:XS05006 )进行选题。 介绍了无线传感器网络在国内外的研究现状，从体系结构的角度阐述了无线传感器网络的关键技术，给出了无线传感器网络的设计步骤，结合具体课题的研究提出了一个无线传感器网络及其网络节点的设计方案，并通过应用实例进行了验证。1.2.2主要内容 (1)嵌入式实时监控系统的原理和架构研究 由于WSN的节点是典型的嵌入式实时监控系统，通过对无线通信节点的研发，深入地研究嵌入式实时测控系统的原理和实现架构研究并进行了测控系统的误差分析，可靠性方面的研究。 (2)无线通信技术的研究与应用 由于无线自组织网络的性能要求，各个节点之间必需采用可靠性高，组网能力强的无线通信方式。在比较了多种无线通信技术之后，项目组认为IEEE802.15.4/ZigBee协议充分考虑了WSN应用的需求，是一种适合的无线通信协议;主要适合于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备中，同时支持地理定位功能。 (3)嵌入式系统的自组网协议的研究WSN的网络结构是组织无线传感器的成网技术，有多种形态和方式。WSN的集中式结构类似移动通信的蜂窝结构，集中管理;WSN的分布式结构，类似Ad Hoc网络结构，可自组织网络接入连接，分布管理;WSN的网状式结构，类似Mesh网络结构，网状分布连接和管理。典型的WSN中无线传感器节点经过多跳转发，通过网关接入网络，在网络的任务管理节点对传感信息进行管理、分类、处理，再把传感信息送给应用用户使用。研究和开发有效的实用的WSN结构，为构建W SN奠定技术基础，是十分重要的。1.3报告结构 本文在分析嵌入式系统以及WSN的基础上，详细阐述了WSN实验网络设计和实现，并对系统设计中的关键问题进行了深入的分析与研究。论文的章节内容安排如下:第一章为绪论，主要介绍了WSN的定义和应用以及论文背景与文章的组织结构。第二章介绍了无线传感器网络在国内外的研究现状及其关键技术，主要包括:起源、发展、原理和特点，比较说明了WSN与AdHoc网络的区别，还着重针对WSN的体系结构进行了论证。第二章 无线传感器网络在内国内外的发展及其关键技术简单地说，无线传感器网络就是由许多集传感与驱动控制能力、计算能力、通信能力于一身的资源受限(指计算、存储和能源方面的限制)的嵌入式节点l通过无线方式互连起来的网络。无线传感器网络涉及传感器技术、嵌入式计算技术、通信技术和半导体与微机电系统制造技术，并且强调资源受限制;因此，相对其它的集成系统有更多的难题。本章介绍了无线传感器网络的起源、发展，分析了其结构和特征，将无线传感器网络与Ad Hoc网络进行了比较，从研究无线传感器网络的体系机构入手分析了无线传感器网络的关键技术。2.1无线传感器网络概述无线传感器网络是指在特定应用环境中布置的传感器节点以无线通信方式组织成网络，传感器节点完成指定的数据采集工作，节点通过无线传感器网络将数据发送到网络中，并最终由特定的应用接收。传感器节点集成传感器件、数据处理单元和通信模块，并通过自组织的方式构成网络。借助于传感器节点中内置的形式多样的传感器件，可以测量所在周边环境的热、红外、声纳、雷达和地震波等信号，从而探测包括温度、湿度、噪声、光强度、压力、土壤成份、移动物体的大小、速度和方向等等众多我们感兴趣的物质现象。无线传感器网络是一种全新的信息获取和信息处理模式2。图2.1一个典型的无线传感器网络的结构 图2.1给出了一个典型的无线传感器网络的结构。这个网络由传感器节点、sink(接收发送器)节点、Internet、任务管理节点等部分构成3。传感器节点散布在指定的感知区域内，每个节点都可以收集数据，并通过多跳”路由方式把数据传送到Sinko Sink也可以用同样的方式将信息发送给各节点。Sink直接与Internet相连，通过Internet实现任务管理节点(即观察者)与传感器之间的通信。2.1.1无线传感器网络的产生及其发展 随着传感器技术、嵌入式计算技术、通信技术和半导体与微机电系统(MEMS Micro-Electro-Mechanical Systems)制造技术的飞速发展，具有感知、计算、存储和通信能力的微型传感器开始出现在军事、工业、农业和宇航各个领域。 虽然有线传输数据有它的优点，但在有些场合，使用电缆传输传感器信息是不方便的。近年来，随着无线网络技术的发展，人们开始将无线网络技术与传感器技术结合起来，提出了无线网络传感器的概念。无线网络传感器不仅仅可以应用于Internet接入、Internet互连等，还可以适用于有线接入方式所不能胜任的场合，以提供优质的数据传输服务。随着无线网络传感器的发展，又诞生了无线传感器网络这一具有广泛应用前景的前沿研究方向。 无线传感器网络通过无线通讯的方式，将各个传感器连接成网络，并且与计算机相连。将传感器采集的数据无线传送到计算机中，甚至通过计算机传送到Internet上去，实现数据共享和远程监控。 例如，在工厂巨大的设备间、低速长距离的通信要求和危险的工业环境，无线传感器网络技术为它们提供了最好的方案;军事上，对敌方阵地的监视，无线传感器网络将最大限度的降低成本，减少伤亡;地质水文勘测上，无线传感器网络更是可以代替人，对危险或陌生的环境进行勘探。 无线网络除能传输语音信息外，还能顺利地进行图像和视频等多种媒体的传输。由这些微型传感器构成的无线传感器网络能够实时监测、感知和采集网络分布区域内的各种监测对象信息，并对这些信息进行处理，传送给需要这些信息的用户。无线传感器网络在军事侦察、环境信息检测、农业生产、医疗健康监护、建筑与家居、工业生产控制以及商业等领域有着广阔的应用前景。 由于无线传感器网络的巨大应用价值，它已经引起了世界许多国家的极大关注。自2000年起，国际上陆续出现了一些有关无线传感器网络研究结果的报道，美国自然科学基金委员会2003年制定了传感器网络研究计划，支持相关基础理论的研究。美国国防部和各军事部门都对无线传感器网络给予了高度重视，把传感器网络作为一个重要研究领域，设立了一系列的军事传感器网络研究项目。 美国英特尔公司、微软公司等信息业巨头也开始了无线传感器网络方面的研究工作。日本、德国、英国、意大利等科技发达国家也对无线传感器网络表现出了极大的兴趣，纷纷展开了该领域的研究工作。国外的许多大学和研究机构纷纷投入了大量研发力量从事无线传感器网络软硬件系统的研究工作，最具代表性的是美国加州大学伯克利分校 ( UC/Berkeley)和英特尔公司(Intel)联合成立的“智能尘埃(Smart Dust)”实验室“，它的目标是为美国军方提供能够在一立方毫米的体积内自治地完成感知和通信功能的设备原型系统(Autonomous sensing and communication in a cubicmillimeter )，也就是无线传感器网络节点的研制。这项工作从1998年开始到2001年结束，受到T美国国防预先研究计划局(DARPA: The Defense AdvancedResearch Projects Agency)的支持。在随后的几年里，加州大学伯克利分校有多个实验室开始了关于无线传感器网络及其相关工作，如:NEST(NetworkEmbedded Systems Technology)b, WEBS(Wireless Embedded system)0, BARWAN(Bay Area Research Wireless Access Network) d、BWRC(Berkeley WirelessResearch Center)e等实验室，从不同的角度对无线传感器网络进行了大量具有开创性的研究。 在美国，还有很多大学在无线传感器网络方面开展了大量工作。如加州大学洛杉矶分校(UCLA)的CENS ( Center for Embedded Networked Sensing)实验室f, WINS(Wireless Integrated Network Sensors)实验室g, NESL C Networked andEmbedded Systems Laboratory)实验室, LECS ( Laboratory for EmbeddedCollaborative Systems)实验室、IRL ( Internet Research Lab )等。 还有，麻省理工学院(MIT)获得了ARPA的支持，从事着极低功耗的无线传感器网络方面的研究，被业界广泛关注的SPIN ( Sensor Protocols forInformation via Negotiation)协议也是出自MITk;奥本大学(Auburn University )也获得DARPA支持，从事了大量关于自组织无线传感器网络方面的研究，并完成了一些实验系统的研制，宾汉顿大学(Binghamton University)计算机系统研究实验室在移动自组织网络协议、无线传感器网络系统的应用层设计等方面做了很多研究工作m;州立克利夫兰大学(俄亥俄州)(Cleveland StateUniversity, Ohio-CSU Ohio)的移动计算实验室在基于IP的移动网络和自组织网络方面结合无线传感器网络技术进行了研究”。 另外，北亚利桑那大学(Northern Arizona University)的无线网络研究实验室(Wireless Network Research Lab, WNRL )“、莱斯大学(Rice University )多媒体通信实验室的无线个人局域网工作组P、斯坦福(Stanford)大学的无线传感器网络实验室“、新泽西(New Jersey)州立大学的无线传感器网络实验室r伊利诺伊大学厄本那一香槟分校(UIUC)的TIMELY实验室、南加州大学的RESL ( The Robotic Embedded Systems Laboratory)实验室、佛蒙特大学(University of Vermont)的无线自组织网络实验室“、西密西根大学(WesternMichigan University)的无线传感器网络实验室v也都开展了大量的相关研究工作。 此外新加坡国立大学(NUS)的无线传感器网络实验室w等也有关于无线传感器网络方面的研究。 国内在无线传感器网络领域的研究也已经在很多研究所和高校展开。 中科院上海微系统所x凭借其在微系统和微机电系统技术方面良好的基础，从1998年开始就对无线传感器网络进行了跟踪和研究，已经通过系统集成的方式完成了一些终端节点和基站的研发。他们的很多工作都是与CDMA和GPS技术相关，从某种程度上说已经超越了无线传感器网络技术。 中科院电子所和沈阳自动化所也分别从传感器技术和控制技术角度入手开展工作，他们专注于传感或控制执行部分，对上层的通信技术和核心微处理器部分涉及较少。 浙江大学现代控制工程研究所成立了“无线传感器网络控制实验室”Y，联合相关单位专门从事面向无线传感器网络的分布自治系统关键技术及协调控制理论方面的研究。 山东省科学院z于2004年10月正式启动了关于无线传感器网络节点操作系统的研究。另外中科院软件所、中科院自动化所、国防科技大学、清华大学、中国科学技术大学、哈尔滨工业大学、北京邮电大学、山东大学、东南大学等单位在无线传感器网络方面也都开展了一定的研究工作。从研究问题的深度和投入的科研力量来说，国内的水平相对国外还有差距，在点上的研究较多，缺少对整个系统的创新性研究。2.1.2无线传感器网络的概念及其结构现代信息技术的三大基础是传感器技术、通信技术和计算机技术，它们分别完成信息的采集、传输和处理，构成了信息系统的“感官”、“神经”和“大脑”。这三大技术的结合极大地促进了信息化的进程。如图2.2所示，无线传感器网络正是这三大技术结合的产物。图2.2 WSN是传感、通信和计算技术相结合的产物 无线传感器网络就是由大量的能与物理环境进行交互，同时具有数据处理功能和无线通信功能的新型传感器构成的互连的系统4，该系统可以完成复杂的监控任务。这里说的传感器，并不是传统意义上的单纯的对物理信号进行感知并转化为数字信号的传感器，它将传感器模块、数据处理模块和无线通信模块集成在一块很小的物理单元上，功能比传统的传感器增强了许多，不仅能够对环境信息进行感知，而且具有数据处理及无线通信的功能。将这类传感器节点分散在某个环境里，通过无线通信方式进行连接，它们从整体上构成一种特殊的网络。每个节点都有自己控制的一个区域，通过感知设备，如声学光学设备、化学分析装置、电磁感应装置等，来对它周围的物理环境进行监控，当然也可以通过配置一些功能单元来实现特定的与环境交互的功能。图2.3典型的WSN结构图 图2.3是无线传感器网络在大鸭岛上进行无线网络实验的实例图。 美国缅因州大鸭岛(Great Duck island)是世界上最大的海燕繁殖地，2002年夏季，研究人员在岛上的许多海燕巢穴内安置了一种被称作“微粒”的小型监控器，观察海燕的活动，这是世界上最先进的无线网络实验基地之一。监控器能监控光、湿度、压力和温度等参数，包括微处理器、存贮器、传感器和无线收发模块，功率大小刚好能够接收到相邻“微粒”的信息，并可将信息发送给相邻的另一个“微粒”。 这不只是鸟类信息智能收集器中的最新装置。这些“尘埃”还预展着一个到处是以电池为电源的无线传感器网络的未来，这些传感器监控我们的环境、机器甚至我们自己。2.1.3无线传感器网络的特征分析 无线传感器网络是随机分布的集成有传感器、数据处理单元和通信单元的微小节点，通过自组织的方式构成的无线网络5。无线传感器网络的特点如下: (1)网络规模大: 传感器节点分布在很大的地理区域内，这里是指网络的覆盖范围很大;并且，部署密集，在单位面积内部署了大量的传感器节点。 (2)动态性网络: 网络的拓扑结构可能因为很多因素的改变而变化。比如，环境因素，新节点的加入或已有节点失效等。 (3)自组织网络: 无线传感器网络的动态性，要求传感器节点需要具有自组织的能力，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能够转发数据的多跳无线网络系统。 (4)以数据为中心的网络: 在目前的互联网中，网络设备用网络中唯一的IP地址来标识，资源定位和信息传输依赖于终端，路由器，服务器等网络设备的IP地址。如果想访问互联网中的资源，首先要知道存放资源的服务器IP地址。可以说目前的互联网是一个以地址为中心的网络。但是，在无线传感器网络中，节点采用编号标识，节点编号是否需要全网唯一取决于网络通信协议的设计。用户使用无线传感器网络查询事件时，直接将所关心的事件通告给网络，而不是通告给某个确定编号的节点。网络在获得指定事件的信息后汇报给用户。因此说无线传感器网络是一个以数据为中心的网络。2.2无线传感器网络与Ad Hoc网络的比较 Ad Hoc网络是由一组带有无线收发装置的移动终端组成的一个多跳的临时性自治系统6。这种网络中的移动终端具有路由和报文转发功能，可以通过无线连接构成任意的网络拓扑结构。在Ad Hoc网络中，由于终端的无线传输范围有限，两个无法直接通信的终端节点往往会通过多个中间节点的转发来实现通信，所以节点间的路由通常由多跳组成。Ad Hoc网络作为一种特殊的多跳移动网络，有着广泛的应用。它特别适合于战场通信，抢险救灾和公共集会等突发性，临时性场合。只有在当需要它的时候，它才被临时搭建，所以说它具有临时性。Ad Hoc网络的特点如下: (1)网络的独立性: Ad Hoc网络相对常规通信网络而言，最大的区别就是可以在任何时刻、任何地点不需要硬件基础网络设施(如交换机、路由器、卫星等)的支持，快速构建起一个移动通信网络。 (2)动态变化的网络拓扑结构: 在Ad Hoc网络中，主机可以在网中随意移动。主机的移动会导致主机之间的链路增加或消失，主机之间的关系不断发生变化。在自组网中，主机可能同时还是路由器，因此，移动会使网络拓扑结构不断发生变化，而且变化的方式和速度都是不可预测的7。 (3)有限的无线通信带宽: 这种网络没有有线基础设施的支持，因此，主机之间的通信均通过无线传输来完成8。由于无线信道本身的物理特性，它提供的网络带宽相对有线信道要低得多。 (4)有限的主机能源: Ad Ho。网络中主机可能处在不停的移动状态下，主机的能源主要由电池提供，因此Ad Ho。网络有能源有限的特点。 (5)网络的分布式特性: 在Ad Hoc网络中没有中心控制节点，主机通过分布式协议互联9。 从上面的分析我们可以看出Ad Hoc网络和无线传感器网络有很多方面的相似。例如，它们都需要无线通信技术的支撑，都是由节点组成，都具有动态的网络拓扑结构，都具有自组织的特性等。但是两者也有差别，对比如下: (1)网络规模: 无线传感器网络是集成了监测，控制以及无线通信的网络系统，这种网络中的节点数量和分布密度远远超过以往Ad Hoc网络;无线传感器网络的大规模性具有如下的优点:大量节点能够增大覆盖的区域范围;可以提高监测的精确度，降低对单个传感器节点的精度要求;大量冗余节点的存在，使得系统具有很强的容错性能。同时，传感器数量大、分布广的特点使得这种网络的维护十分困难甚至不可维护5,10。 (2)节点可靠性 无线传感器网络中的传感器节点经常会由于周围环境影响或电源耗尽等原因而失效，由于环境或其它原因，人为地维护或替换失效传感器常常是十分困难或不可能的。因此无线传感器网络中的节点更容易发生故障。 (3)节点的移动性 通常情况下，大部分无线传感器网络中节点是固定不动的。而在Ad Hoc网络中，节点均是一些移动设备，如PDA、便携计算机或掌上电脑，这些主机可以在网中随意移动。所以说，无线传感器网络中的节点不像Ad Ho。中的节点一样快速移动。 (4)节点的能力不同传感器的节点在能量，运算能力，存储等方面受到极大的限制。传感器节点的体积微小，通常只能携带能量十分有限的电池。另外，传感器节点都具有嵌入式处理器和存储器.使得这些节点都具有一定的计算能力，可以完成一些信息处理工作。但是，由于嵌入式处理器和存储器的能力和容量有限，以至于传感器的能力十分有限，远不如Ad Hoc网络中的节点功能强大5,11。 (5)节点间的通信方式传感器节点主要采用广播方式通信，而Ad Hoc网络大都采用点对点方式通信。Ad Hoc网络中所有节点的地位平等，组成了一个对等式网络，其中的节点可以随时加入和离开网络，任意节点的故障不会影响整个网络的运行2.6。 (6)节点的标识 当用户使用无线传感器网络时，所关心的是最后网络返回的相关事件的数据信息。而不是具体的哪个节点。而且节点的数目极大，因此无线传感器节点不一定具有全球唯一的标识。 (7)网络的功能不同 无线传感器网络的目的就是有效地获取信息，因此从网络的设计上就要求它以数据为中心，以信息的获取为目的。而Ad Hoc网络的目的是通过动态路由和移动管理技术传输具有服务质量要求的多媒体信息流122.3国内外研究现状目前国内外已经出现了许多种网络节点的设计，它们在实现原理上是相似的，只是分别采用了不同的微处理器或者不同的通信或协议方式，比如采用自定义协议、802.11协议、ZigBee协议、蓝牙协议以及UWB通信方式等。典型的节点包括Berkeley Motes, Sensoria WINS, Berkeley Piconodes,MIT uAMPs,SmartMesh Dust mote, Intel iMote以及Intel XScale nodes, ICTCAS/HKUST的BUDS等。如图2.4所示传感器节点产品15。图2.4传感器节点产品2.3.1 uAMPS项目 uAMPS(/researchlicsystems/uamps/它是MIT(麻省理工学院)的关于无线传感器网络的一个研究项目。在过去的几年里，低功耗的无线传感器系统取得了在商业和军事领域非常重要的应用，从安全设备、医疗监控到机器诊断和生化检测。无线传感器网络极大地改进了对环境的监控。 该项目的目标:实现自适应的能量感知的分布式微传感器而开发的一种框架。研究的重点在信号和能量调节，通信以及协作等。它并不关注某个具体的应用，而是希望提供一个能量高效和可扩展的无线传感器网络应用的解决方案。 研究者们的重点是在网络系统的各个层提供新的基于能量优化的解决方法，包括:物理层(如收发器设计)，数据链路层(打包和封装)，媒体访问层(多用户通信)，网络/传输层(路由和聚合方法)，会话/表示层(实时的分布式os),以及应用层(新的应用)。2.3.2 LEACH项目 由MIT人工智能实验室发起的LEACH(Low Energy Adaptive ClusteringHierarchy, /projectslleach)项目，是关于无线传感器网络的路由协议研究的项目。 LEACH是为无线传感器网络所设计的，在其中终端用户可以远程地监控环境。在这种情况下，来自单个节点的数据必须被发送到中心基站，通常是与无线传感器网络隔得较远，通过基站终端用户可以访问到数据。LEACH的网络协议研究希望可以满足下列的要求: 使用100-1000节点; 最大化系统使用寿命(lifetime); 最大化网络的覆盖范围; 使用统一的电池供电的节点。 传统的网络协议都各自有缺点，而不能满足以上的所有要求。为此研究者们提出LEACH协议，它包括了分布式的簇形成，减少全局通信的局部化处理，对簇头的随机旋转等。研究者们的模拟表明LEACH是一种能量高效的协议，可以延长系统的使用寿命。2.3.3 SensoNet项目 由BWN(Borland&Wireless Network lab)实验室开展的SensoNet Project(/hweiliau/Sensorl )，也是针对无线传感器网络协议的研究项目。随着可以集成到单个芯片的通信组件数目的增多，低功耗但数量多的传感器将成为可能。这些微型的传感器可以被布置到很多行业中，例如运输、卫生保健、灾难救助、战场、安全，甚至是空间探索等。通过利用无线链路将这些微型传感器节点互联起来，他们可以执行传统的单个传感器节点所完成的任务，例如在灾区检测危险点。 开发将这些传感器节点的集合连接到固定网的联网能力，以提供可靠的服务，以及相互协作的环境在很多应用中都非常重要。无线传感器网络具有下列独特的性质: 无线传感器网络的拓扑结构变动频繁; 传感器节点使用广播的通信模式，而很多其它网络使用点到点的通信; 传感器节点在能量、计算性能和存储上都非常有限; 传感器节点非常容易失效; 传感器节点可能不含有一个全局的标识号(ID); 传感器节点通常是以很多数量密集地布置的。 针对这些无线传感器网络的特有性质，BWN实验室在无传感器网络的通信协议、可靠的传输协议、路由协议、数据链路层的协议(MAC及错误控制)、电源管理、时钟同步、定位以及物理层设计等方面开展了深入的研究。2.3.4 SmartDust项目由加州大学伯克利分校 (hpister/SmartDust/)开展的Smart Dust项目，其研究目标是为展示能够将一个完整的传感/通信系统集成到一个立方体状的毫米级的包中。这包括了在小型化、集成和能量管理方面的改进式和革命式的提高。研究者并不专注于某种特定的传感器。由于受DARPA的赞助，研究者演示了Smart Dust在军事相关方面的应用，另外研究者也在商业领域开展了一些示范应用。除此之外，Smart Dust节点还可以在以下很多领域中获得应用: 国防相关的无线传感器网络:战场监视、谈判监控、运输监控等; 产品质量监控:对肉类食品、商品和日用商品的温度、湿度等的监控，以及对消费类电子产品的碰撞、振动的监控和临时监控; 智能办公空间:也许我们可以穿着缝制有温度、湿度和环境舒适度传感器的衣服，这些传感器会持续地跟我们的工作空间交互，以使工作空间释放按我们的需求裁剪的条件。2.3.5 WINS项目 WINS(Wireless Integrated Network Sensors，/WINS/)项目由UCLA电子工程系展开，WINS提供了分布式的网络，以及到传感器节点的Internet连接，控制和处理器嵌入在装置、设备和环境中。WINS网络将是一种新的监控和控制方式，在运输业、制造业、卫生保健、环境监控和安全保险等领域都有广泛的应用前景。WINS在一个紧凑的系统中组合了微传感器技术、低功耗信号处理、低功耗计算、低功耗的无线网络通信计算等。WINS网络将在建筑、原料和环境方面提供集传感和局部控制的嵌入式智能系统320 WINS信息技术依赖于MEMS、传感器系统、低功耗的集成电子器件、信号处理、计算、无线通信、网络和软件工程等。在WINS网络中，分布式的MEMS提供在物理世界和以指数增长的信息设备之间的一个桥梁。该技术将传感和智能体嵌入到己有和新的产品中。该研究的信息系统将会使user-to-user(用户到用户)的网络服务转换成user-to-physical world(用户到物理世界)的网络。从而可以使用户有能力进行全局范围的远程观察和控制。2.3.6 sensor web。项目 有NASA(美国国家航空和宇宙航行局)发起的sensor webs项目( / )，也是关于无线传感器网络的一个重要的研究项目。sensor webs将是一种新型的监控和探测环境的手段。sensor webs是一种独立的网络，有无线的内部通信的传感器节点组成，这些传感器节点被布置以监控和探测无限范围的环境。这些传感器设备可以被裁剪以符合所要探测的环境条件约束。 研究者对sensor webs的设计，使之可以应用在任何环境之下，例如行星的寒冷干燥表层，或潮湿的热带雨林等。例如，sensor webs可以用以为农业需求监控局部区域的气候和农作物养料的浓度等，跟踪地下水中的有毒物质的流动情况，监控高速公路的堵车情况，或者一个办公楼的环境状况等。 除此之外，RICE大学研制的Gnomes无线传感器网络由低成本的定制节点组成。每个节点包括一个德州仪器(TI)的微控制器、传感器和一个蓝牙通信模块。Gnomes节点既可以通过普通电池供电，又可以通过太阳能电池供电，并且可以配备GPS接收器来进行定位。可以预见，无线传感器网络存在着巨大的商业前景，因此也逐渐成为商家争相投资的对象，并且涌现出很多专门从事无线传感器网络极其相关产业的公司。在这些公司中应该首推Crossbow公司和DUST公司，它们都是由UC/Berkeley技术发展而来，也是国内无线传感器网络研究的灵感源泉。图2.5 Crossbow公司销售的Mica套件 其中Crossbow公司己经推出了Mica系列无线传感器网络产品，到现在己经有了Mica, Mica2, Mica2Dot三种产品，如图2.5所示，Crossbow公司销售的Mica套件。他们还为Mica开发了一套微型的操作系统TinyOS。Mica2Dot的大小和一枚壹圆硬币差不多，每个Mica2可以分为两个模块，一个是基本的射频和处理模块MPR(Mote Processor Radio Board)，另一个是可选的传感模块MDA( Mote Data Acquisition Board)。Mica2工作在915MHz的ISM频段上，有两个可调的工作频率:914.007MHz和915.998MHz。以AA电池或钮扣电池作为能源，使用Atmel公司AV R系列单片机(Atmega128)，微控制器的工作频率为4MHz，无线通信的最大速率为40Kbps，单个节点之间最大的通信距离为200英尺(约60米)。现在关于无线传感器网络的大多数科研和演示系统都是以Mica为平台的(例如:科大华为研究院、中科院计算所网络室和浙大电气学院WSN实验室)。 Ember公司提供了与IEEE802.15.4/ZigBee兼容的射频芯片及相关的软件和开发工具的服务。国内有赫立讯，巨钟兴业和宁波中科集成电路公司也十分看好无线传感器网络这一新兴领域，并有小批量的出货。2.4无线传感器网络的体系结构及其关键技术 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3,7无论网络组织结构如何，无线传感器网络的体系结构都是由分层的网络通信协议、无线传感器网络管理以及应用支撑技术3部分组成。分层的网络通信协议结构类似于TCP/IP协议体系结构;无线传感器网络管理技术主要是对传感器节点自身的管理以及用户对无线传感器网络的管理;在分层协议和网络管理技术的基础上，还需要无线传感器网络的应用支撑技术，文献15中阐述的无线传感器网络的体系结构如图2.6所示。图2.6无线传感器网络体系结构2.4.1无线传感器网络的组织结构 到目前为止，无线传感器网络组织结构的研究主要集中在两个方面，即平面组织结构和分层组织结构13,14。如图2.7无线传感器网络组织结构(文献2中把组织结构称为无线传感器网络的体系结构)所示。(1)在平面组织结构中，所有节点的地位平等、作用相同，既采集数据又进行数据通信的中转，网络中不存在集中式控制中心。平面结构网络比较简单，无需任何的结构维护过程，节点根据预定的路由协议自组织成无线网络。平面结构网络中所有的传感器节点理论上是对等的，不存在瓶颈和单点故障，所以比较健壮，但是网络规模受限，动态扩展性差，难以维护。在平面结构中，源节点为了获得目的节点信息通常需要传输大量的查询消息，而且由于网络的动态性，如节点失效、增加等，维护这些动态变化的路由信息需要发送大量的控制消息。网络规模越大路由维护的开销就越大，当网络的规模增加到某个程度时，网络的所有带宽可能被路由协议消耗掉，所以平面式结构可扩充性较差。图2.7无线传感器网络组织结构 (2)分层组织结构中，网络根据具体应用需求，如地理区域、能源、应用类型等，划分为簇( cluster)或组(group )，每个簇由一个簇头和多个簇成员构成，多个簇头节点抽象成高一级网络，在高一级网络中可以继续分簇，形成更高一级网络，最终形成多层次组织结构的无线传感器网络。如图2.7 ( b)所示。不同层次以自己的局部概念进行交互，聚集起来实现期望的全局任务。分层组织结构中，簇内成员节点负责感知任务，以多跳(Multi-Hop)形式将采集的信息发送到簇头节点，簇头节点作为基于具体应用聚类的中心节点，担负着与远程终端通讯、发布簇管理信息、执行更高层次的数据融合和数据分析等使命。但缺点是，为了维护层次化结构需要仔细设计簇头选择算法。而且簇间节点为了完成数据通信需要经过簇头转发，因此不一定能使用最佳路由，例如图2.7(b)中的A, B节点，物理距离很接近，在平面结构中可以直接通信，但分簇后需要通过两个簇的簇头转交。2.4.2分层的网络通信协议 分层的网络通信协议由物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层组成。物理层的功能包括信道的选择、无线信号的监测、信号的发送与接收等。数据链路层的主要任务是加强物理层传输原始比特的功能，使之对网络显现为一条无错链路。该层又可细分为媒体访问控制(MAC)子层和逻辑链路控制子层。其中媒体访问控制MAC层规定了不同的用户如何共享可用的信道资源。逻辑链路控制子层负责向网络提供统一的服务接口。网络层的主要功能包括分组路由、网络互联、拥塞控制等。传输层负责数据流的传输控制，提供可靠的、开销合理的数据传输服务。2.4.3无线传感器网络管理技术 (1)能量管理l8: 在无线传感器网络中，电源能量是各个节点最宝贵的资源。为了使无线传感器网络的使用时间尽可能的长，必须合理有效地利用能量。无线传感器网络的能量管理部分控制节点对能量的使用。 (2)拓扑管理19: 在无线传感器网络中，为了节约能量，某些节点在某些时刻会进入休眠状态，导致网络的拓扑结构不断变化。为了使网络能够正常运行，必须进行拓扑管理，控制各节点状态的转换，使网络保持畅通，数据能够有效传输。 (3)QoS支持: 是指网络与用户之间以及网络上互相通信的用户之间关于信息传输与共享的质量的约定。为满足用户要求，无线传感器网络必须能够为用户提供足够的资源，以用户可以接受的性能指标工作。 (4)网络管理: 网络管理是对网络上的设备及传输系统进行有效的监视、控制、诊断和测试所采用的技术和方法。网络管理功能主要有故障管理、计费管理、配置管理、性能管理和安全管理。 (5)网络安全: 无线传感器网络多用于军事、商业领域，安全性是其重要的研究内容。由于无线传感器网络中节点随机部署、网络拓扑的动态性以及信道的不稳定性，使传统的安全机制无法适用。因此需要设计新型的网络安全机制。可借鉴扩频通信、接入认证/鉴权、数据水印、数据加密等技术。 (6)移动控制: 某些应用环境中，有一部分节点可以移动。移动控制负责检测和控制节点的移动，维护到汇聚点的路由，还可使传感器节点能够跟踪它的邻居。 (7)远程管理: 对于某些应用环境，无线传感器网络处于人不容易访问的地点，为了对无线传感器网络进行管理，采用远程管理是十分必要的”通过远程管理，可以修正系统的bug，系统升级，关闭子系统，监控环境的变化等，使无线传感器网络工作更有效。2.4.4应用支撑技术 无线传感器网络的应用支撑技术为用户提供了各种具体的应用支持。包括时间同步、节点定位，以及向用户提供协同应用服务接口。 (1)时间同步20 . 无线传感器网络的通信协议和应用要求各节点间的时钟必须保持同步。多个传感器节点相互配合工作，确定节点休眠也要求时钟同步。 (2)节点定位21. 节点定位是确定传感器的每个节点的相对位置或绝对位置。节点定位在军事侦察、环境检测、紧急救援等应用中尤其重要。节点定位分为集中定位方式和分布定位方式。 (3)分布式协同应用服务接口: 无线传感器网络的应用是多种多样的，为了适应不同的应用环境，人们提出了各种应用层的协议，该研究领域目前比较活跃，己提出的协议有:任务安排和数据分发协议TADAP(Task Assignment and Data Advertisement Protocol),传感器查询和数据分发协议SQDDP(Sensor Query and Data DisseminationProtocol)等。 (4)分布式网络管理接口:主要是传感器管理协议SMP (Sensor Management Protocol )，把数据传输到应用层。图2.8 DSN体系结构 文献16中提到分布式传感器网络(Dynamic sensor network (DSN)./projects/DSN/)，是从分布式计算的角度对无线传感器网络的另一种阐述。DSN体系结构如图2.8所示。 从分布式计算的角度来看，整个无线传感器网络是由有限个分布式传感器节点组成。文献【2可以说是国内无线传感器网络领域的权威性综述文章，对于无线传感器网络研究的关键问题，分为两个层面:节点设备研究和网络本身的探讨。显而易见，单个节点的性能对网络性能有着至关重要的影响。2.4.5其它研究热点 无线传感器网络的关键问题集中在网络层和链路层:网络层又分平面型(Flooding(泛洪)，SPIN(sensor protocol for information vianegotiation22)，SAR(sequential assignment routing23)，定向扩散(directed diffusion24)和层次型(LEACH(low energy adaptive clustering hierarchy25)，TEEN(thresholdsensitive energy efficient sensor network protoco126)，PEGAGIS(power-efficientgathering in sensor information system27)，多层聚类算法):典型的链路层协议有:SMACS，基于CSMA的介质访问控制，TDMA/FDMA组合方案。 其它研究热点和关键问题包括:动态功率管理(dynamic powermanagement，简称DPM)动态电压调度(dynamic voltage scheduling，简称DVS ).时钟同步，定位机制与算法，等等。2.5本章小节无线传感器网络是一种全新的获取信息的方式。本章介绍了其产生，发展，现状、概念、特征和结构，分析了其与Ad Hoc网络的区别，总结了几种典型的无线传感器网络项目，最后针对无线传感器网络设计的关键问题一一网络体系结构及其关键技术进行了分析。参考文献1邵鹏.无线传感器网络的研究与以数据为中心的应用系统的实现:复旦大学硕士学位论文 . 20032任丰原，黄海宁，林闯，无线传感器网络，北京:软件学报，2003.13Akyildiz LF, Su W, Sankarasubramaniam Y, Cayirci E. Wireless sensor network: Asurvey. Computer Networks, 2002,38(4): 393M422.4库勇.嵌入式处理技术在无线远程监控系统中的研究与应用:北京邮电大学硕士学位论文.20045无线传感器网络孙利民，李建中等编著。清华大学出版社，2005年5月第一版6C(Ad Hoc网络技术郑少仁，王海涛著。人民邮电出版社2005年1月第一版7Ian F.Akyildiz, Weilian Su, Yogesh Sankarasubramaniam, and Erdal Cayirci, A Survey on Sensor Netweorks, IEEE Communications Magazine, August 20028Heinzelman W, Chandrakasan A, Balakrishnan H. Energy efficient communication protocol for wireless microsensor networks. In: Proceedings of the 33rd Hawaii International Conference on System Sciences. Maui: IEEE Computer Society, 2000.30053014.9Woo A, Culler D. A transmission control scheme for media access in sensor networks. In: Proceedings of the ACM MobiCom 2001.Rome: ACM Press, 2001.22123510Sourabi K, Gao J, Ailawadni V, Pottie GJ. Protoc