无线传感器网络

1、无线传感器网络无线传感器网络曾颖雯，方文阳曾颖雯，方文阳一、引言 现代信息技术的三大基础是，它们分别完成对信息的采集、 传输和处理。传感器网络将三种技术结合在一起， 从而实现信息的采集、传输和处理的真正统一。一、无线传感器简单介绍 WSN基本定义 WSN发展及现状 WSN与其他网络 WSN主要特点 WSN体系结构 WSN应用简介 WSN面临问题 我们的研究方向1.WSN.WSN基本定义 无线传感器网络（WSN，Wireless Sensor Network）综合了微电子技术、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先进技术，能够协同地实时监测、感知和采集网络覆盖区域中各种环

2、境或监测对象的信息，并对其进行处理，处理后的信息通过无线方式发送，并以自组多跳的网络方式传送给观察者。 另一种叙述： 大规模、无线、自组织、多跳、无分区、无基础设施支持的网络，其中的节点是同构的、成本低、体积小、大部分节点不移动，被随意撒布在工作区域，要求网络有尽可能长的工作时间。返回注：什么是传感器节点？2 2. .WSNWSN发展及现状 无线传感器网络的出现引起了全世界范围的广泛关注。无线传感器网络技术的研究起源于20世纪70年代，最早应用于军事领域，在卡耐基一梅隆大学成立了新一代分布式传感器网络工作组。此后，DA联合美国自然科学基金委员会设立了多项有关无线传感器网络的研究项目。我国近两年

3、也以多种形式支持无线传感器网络的研究。这些研究推动了以网络技术为核心的新军事革命，诞生了网络中心战的思想和体系。 我国对无线传感器网络的研究起步较晚，首次正式启动出现于1999年中国科学院知识创新工程点领域方向研究的“信息与自动化领域研究报告”中，是该领域的五大重点项目之一。在一份我国未来20年预见技术的调查报告中，信息领域157项技术课题中有7项与传感器网络直接相关。 无线传感器网络有着十分广泛的应用前景，我们可以大胆的预见，将来无线传感器网络将无处不在，完全融入我们的生活。我们将在后面的应用部分做详细介绍。返回3 3、WSNWSN与其他网络、WSN，Ad hoc网络和无线宽带网络 我们目前

4、将无线网络分为三类：WSN，Ad hoc网络和无线宽带网络，其中无线宽带网络包括GSM、CDMA、3G、Beyond3G、4G，WLAN(Wifi)和WMAN（WiMax）等分别从传统电信网络和计算网络衍生发展出来的网络技术，这些网络的规划、部署、配置、管理、维护和运营一般需要管理员来干预完成；而WSN和Ad hoc做为快捷灵活的组网方式，基本不需要人的干预，大部分工作是以自组织的方式完成的，因此可将它们统称为自组织网络（Self-Organization Network）。 无线宽带网络优化设计的首要技术指标是带宽，尽管能耗也相当重要，但只能是次要目标。在WSN和Ad hoc中，因为需要网络

5、长时间工作在特殊环境下，替换电池不可能，可再生能源技术目前又不成熟，通过优化系统能耗来延长网络生命周期是唯一可行的技术途径。 、WSN与Ad hoc区别 追求低功耗的自组织网络设计，而非单纯地提高网络带宽是WSN 和Ad hoc研究的共同点。WSN和Ad hoc虽同属自组织网络，但网络拓扑结构和工作模式却各不相同。一般而言，Ad hoc网络中的节点具有强烈的移动性，相应的网络拓扑结构自然是动态变化，这无疑给路由技术带来了不少障碍。而WSN 中的节点在部署完成后大部分不再移动，因此拓扑网络结构是静态的，虽然部分节点会因调度机制（如拓扑控制）或失效等原因改变网络的拓扑结构，但我们依旧可以认为WSN

6、的拓扑结构是准静态的，因为上述原因导致的变化具有明显的周期性和间歇性。此外，WSN的一般工作模式是网络中的所有节点将数据汇聚到Sink节点，即多对一通信，节点之间几乎不会发生消息交换。对于Ad hoc网络而言，网络中的任意两节点之间都有通信的可能，因此相应的路由技术要复杂得多。返回4 4、WSNWSN主要特点 超大规模 无人值守 易受物理环境影响 动态性强 无中心和自组织性 动态变化的网络拓扑返回 、超大规模 通常有成千上万个微小传感器构成，主要不是依单个设备能力的提升，而是通过大规模、冗余的嵌入式设备的协同工作来提高系统的可靠性和稳定性。、无人值守 微传感器节点往往密集地分布于需监控的物理环

7、境中，由于规模巨大，不可能人工“照顾”每个节点，网络系统往往在无人值守的状态下工作。每个节点只能依靠自带或自主获取的能源（电池、太阳能） 供电。由此导致的能源受限是阻碍无线传感器网络发展及应用最重要的“ 瓶颈”之一。返回、易受物理环境影响 动态性强 无线传感器网络与其所在的物理环境密切相关， 并随着环境的变化而不断变化。这些时变因素严重地影响了系统的性能。如低能耗的无线通信易受环境因素的影响；外界激励变化导致网络负载和运行规模的动态变化；随着能量的消耗，系统工作状态的变化等都要求传感器网络系统要具有对动态环境变化的适应性。、无中心和自组织性 所有节点地位平等，网络中的节点通过分布式算法来协调彼

8、此行为，无需人工干预和任何其他预置的网络设施，可以在任何时刻、任何地点快速展开并自动组网。返回、动态变化的网络拓扑 移动终端能够以任何速度和任意方式在网中移动，可随时关闭电台；无线收发装置的天线类型多种多样、发送功率随着携带能量的变化而变化；加之无线信道间的互相干扰、地形和天气等综合因素的影响，移动终端通过无线信道形成的网络拓扑随时可能发生变化，而且变化的方式和速度都难以预测。返回5 5、WSNWSN体系结构综合已有研究成果，结合GENI的初步构想，以及我们的一些研究体会与认识，将WSN体系结构设计中需要考虑的要素归纳如下。因为WSN由大量低成本的微型节点组成，能量、带宽、计算、存储等资源非常

9、有限。有效管理和使用这些资源，最大限度地延长网络寿命是WSN研究所面临的一个关键技术挑战，需要在体系结构的层面上给予系统性的考虑。能耗管理涉及WSN研究的方方面面，选择低功耗的硬件设备，设计低功耗的MAC协议和路由协议等一直都是研究的热点。在无线传感器网络的研究初期，人们曾经一度认为成熟的Internet技术加上ad-hoc路由机制对传感器网络的设计是充分的，但深入研究表明：传感器网络有着与传统网络明显不同的技术要求。前者以数据为中心，后者以传输数据为目的。对于WSN 而言，在多数应用中，网络仅仅实现分组传输功能是不够的，有时特别需要“网络数据处理”的支持。在WSN系统的开发过程中，各个层次的

10、研究人员为了同一性能优化目标而进行的协作将非常普遍。这种优化工作使网络体系结构中各个层次之间的耦合变得更加紧密，上层协议需要了解下层协议所提供的服务质量，下层协议的运行需要上层协议的建议和指导。实践证明他是提高系统整体性能的有效方法，对于无线网络如此，WSN网络体系结构有必要提供一定的支持。传统互联网体系结构在设计时没有考虑到安全方面的问题，这使得安全成为目前互联网所面临的最棘手的难题之一。 由于WSN将采用无线通信方式，信道缺少必要的屏蔽和保护，更容易受到攻击和窃听。互联网依赖统一的IP协议实现端到端的通信。对于WSN而言，它的形式和应用需求具有多样性，网络节点除了负责转发分组外，更重要的是

11、负责“以任务为中心”的数据处理，简单的端到端的通信方式较难应对，需要多协议来支持。借助类似于Google这样的搜索引擎互联网中能够快速地定位各种网络资源，为用户提供可访问的链接。返回应用 WSN技术已经被广泛应用在工业控制、智能家居与消费类电子、安保、军事安全、物流、智能精细农业、环境感知和健康监测等诸多领域。l 工业控制 工业现场是一个相当复杂的环境，工人、设备、环境组成一个整体。为了提高生产效率和保证生产安全，我们需要采集采集诸多信息信息，比如炼钢需要采集环境温度、设备运行状态等信息，煤矿需要采集瓦斯浓度、通风状态等信息。若采用布线方式分布传感器，势必造成设备复杂度增加，维护成本增加，而W

12、SN可以很好地解决这些问题。下图就是一个工控领域的WSN模型。工业控制 智能家居 说起智能家居这个概念，最早提出应该追溯到上世纪八十年代，到现在整整三十年了，但是仍然停留在概念阶段，几乎没有大规模应用到家庭中来。 近几年移动互联网的兴起，越来越多的巨头们开始着眼于智能家居这块尚未被发掘的金矿。苹果推出Homekit智能家居平台，HomeKit实际上就是开放的API，它可以整合Siri的功能，来自动控制门窗的锁、调整光线，可以实现对门窗、灯光等设备的控制。Google方面，先是收购Nest，在2014I/O大会上发布了Google TV开始在智能家居方面布局。国内的小米也看好智能家居，推出小米路

13、由器作为智能家居的中央控制器，以便向更多家居领域延伸。小米自家已经推出小米电视，今后的发展应该还会与更多的合作伙伴开发智能家居电器。 智能家居环境监测 环境监测应该是现在WSN实际应用最多的一个领域。目前我经历过的大多数WSN项目都是面向环境监测的，比如森林防火，水体监测，气象监测等等。举个例子，前几年有个太湖蓝藻项目，太湖蓝藻爆发一直以来都是环境治理的重要问题，该项目利用WSN技术，向太湖中分布一定数量的蓝藻监测传感器，各个传感器节点以自组网的方式汇集到一个路由节点中，在通过移动3G网络将数据上传到公网。实现了多太湖水体的远程整体监测，大大减少了人工监测成本，并且监测及时，可对蓝藻灾害作出提

14、前预防。精细农业 本质上WSN在精细农业的应用类似于环境监测，只不过把野外环境换成了农田。但是农田环境跟也换环境又有很大区别。监测数据多样，包括湿度、光照、土壤温度、土壤含水量、CO2浓度等环境参数。针对不同的耕种作物有不同的监测方案。军事应用 要说WSN的发展起源，当然还是从军事说起，目前我们使用的绝大多数技术都是来源于军事，从这一方说，战争推动文明。WSN最初可用于敌我战场环境侦查，比如，用飞机在敌占区分布大量节点，来侦听敌方信息。 空间探测说到这就离我们比较远了，美国的NASA曾有一个叫”火星风滚草“（Mars Tumbleweed）的计划，就是在火星表面分布大量传感节点来实现对火星的探

15、测。 其他领域包括智能交通、物流管理、管道监测、航空监测、健康监护和行为监测等等不不再一一赘述，总之其原理都是一样的，万变不离其宗，万物联网。返回附录一传感器技术：能感受被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号 的器件或装置微电子技术：微电子技术是建立在以集成电路为核心的各种半导体 器件基础上的高新电子技术，特点是体积小、重量轻、 可靠性高、工作速度快，微电子技术对信息时代具有 巨大的影响。嵌入式计算：嵌入式技术就是专用计算机技术，这个专用，是指针 对某个特定的应用，如针对网络、针对通信、针对音 频、针对视频，针对工业控制等，从学术的角度，嵌 入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，并且软

16、硬件 可裁剪，适用于应用系统对功能、可 靠性、成本、体积、功耗 有严格要求的专用计算机系统，它一般由嵌入式微处理器、外 围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户的应用程序等四个部分组成返回返回附录二分布式处理：distributed processing（分布式处理）分布式处理系统 与并行处理系统都是计算机体系结构中的两类。并行 处理系统是利用多个功能部件或多个处理机同时工作 来提高系统性能或可靠性的计算机系统，这种系统至 少包含指令级或指令级以上的并行。自组织：如果一个系统靠外部指令而形成组织，就是他组织；如果不 存在外部指令，系统按照相互默契的某种规则，各尽其责而 又协调地自动地形成有序结构，就是自组织。多跳 ：每个节点都可以与一个或者多个对等节点进行直接通信。同构 ：同构(isomorphism)指的是一个保持结构的双射(bijection)。返回传感器节点 一、简介一、简介 传感器节点是采用自组织方式进行组网以及利用无线通信技术进行数据转发的，节点都具有数据采集与数据融合转发双重功能。节点对本身采集到的信息和其它节点转发给它的信息进行初步的数据处理和信息融合之后以相邻节点接力传送的方式传送到基站，然后通过基站以互联网、卫星等