无线传感器网络技术综述

无线传感器网络综述摘要:无线传感器网络是一种全新的信息获取和处理技术。因其巨大的应用前景而受到科学界越来越广泛的重视。本文介绍了无线传感器的定义、体系结构以及特点，并着重分析了无线传感器网络研究的一些关键问题，最后探讨了无线传感器网络的应用前景以及开展方向。关键字:无线传感器网络；体系结构；关键技术；应用一、无线传感器网络的定义无线传感器网络是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点，通过无线通信方式形成的一个多跳自组织网络。二、无线传感器网络的原理利用各种类型的敏感元件构成的传感器，分布于需要覆盖的领域内，组成传感器节点，用于收集数据，并且将数据路由送至信息收集节点“Sink”，信息收集节点与信息处理节点通过广域网将数据送至地面监控中心进行统计分析和处理，并对监测结果进行综合评估。三、无线传感器网络的体系结构3.1无线传感器网络的系统构架无线传感器网络的系统构架如下列图1-1所示，通常包括传感器节点(sensornode)、会聚节点(sinknode)和管理节点，即无线传感器网络的三个要素是传感器、感知对象和观察者。3.2传感器节点的结构传感器节点由传感器模块、处理器模块、无线通信模块和能量供给模块四局部组成，如图1-2所示。在软件设计方面，各通信协议都应该以节能为中心，必要时可以牺牲一些其他的一些网络性能指标，以获得更高的电源效率。图1-2无线传感器网络节点结构3.3无线传感器网络的体系结构无线传感器网络的体系结构由分层的网络通信协议、网络管理平台以及应用支撑这三个局部组成，如下列图1-3所示。分层的网络通信协议结构类似于传统的TCP/IP协议体系结构，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权物理层传输原始比特的功能，使之对上层显现一条无过失的链路。网络层的主要功能包括分组路由、网络互连等。传输层负责数据流的传输控制，提供可靠高效的数据传输效劳。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传感器网络的管理。四无线传感器网络的定位方法无线传感器网络一般采用5种测距方法：1)测时测距法(TOA)，包括双向测距和单向测距；2)差分测时测距法(TDOA)；3)信号强度测距法(SSR)；4)近场区电磁测距法(NFER)；5)角度测量法(AOA)。为了获得较高的公交车定位精度，公交信息采集系统中拟采用一种基于TOA的双向测距技术ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>陈丹</Author><Year>2004</Year><RecNum>9</RecNum><record><rec-number>9</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="sdpa5d5s2fdz9lez223pr9xqas9v5fsvers0">9</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>陈丹</author><author>郑增威</author><author>李际军</author></authors></contributors><titles><title>无线传感器网络研究综述</title><secondary-title>计算机测量与控制</secondary-title></titles><periodical><full-title>计算机测量与控制</full-title></periodical><pages>701-704</pages><volume>12</volume><number>008</number><dates><year>2004</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[1]。五、无线传感器网络的特点5.1集感知、处理、传输为一体。无线传感器网络节点是集传感器〔感知部件〕、处理器单元〔例如AMR7、8680等〕、短距离无线通信模块〔例如RFM公司的TR1000、Zigbee传输单元等〕于一体的综合系统。5.2硬件资源有限。节点由于受价格、体积和功耗的限制，其计算能力、程序空间和内存空间比普通的计算机功能要弱很多。5.3电源容量有限。网络节点由电池供电，电池的容量一般不是很大。其特殊的应用领域决定了使用过程中，不能给电池充电或是换电池，一旦电池能量用完，这个节点也就失去了作用〔死亡〕。5.4无中心。无线传感器网络中没有严格的控制中心，所以节点地位平等，是一个对等式网络。节点可以随时参加或离开网络，任何节点的故障不会影响整个网络的运行，具有很强的抗毁性。5.5自组织。网络的布设和展开无需依赖于任何预设的网络设施，节点通过分层协议和分布式算法协调各自的行为，节点开机后就可以快速、自动地组成一个独立的网络。5.6多跳路由。网络中节点通信距离有限，一般在几百米范围内，节点只能与它邻居直接通信。如果希望与其射频覆盖范围之外的节点进行通信，那么需要通过中间节点进行路由选择。5.7动态拓扑。无线传感器网络是一个动态的网络，节点可以随处移动：一个节点可能会因为电池能量耗尽或其他故障，退出网络运行：一个节点也能由于工作的需要而被添加到网络中。5.8节点数量众多，分布密集。为了对一个区域执行检测任务，往往有成千上万传感器节点空投到该区域。传感器节点分布非常密集，利用节点之间高度连接性来保证系统的容错性和抗毁性。六、无线传感器网络研究热点6.1能量问题。在多数情况下，传感器网络中的节点都是由电池供电，电池容量有限，使得节点的生存时间也受到限制。如果网络中节点因为能量耗尽不能工作，那么会带来网络拓扑的改变以及路由的重新建立等问题。6.2跨层设计问题。设计一个传感器网络，使其在不同应用下都能保持最优的性能是非常困难的。目前，研究者忽略了各层之间的相互联系。带来了灵活性差、效率不高等缺点。因此，在传感器网络中，需要采用自适应的跨层优化协议，从而可以在能量受限的情况下，满足应用的高吞吐量、低延迟等要求。6.3平安问题。由于采用的是无线传输信道，传感器网络存在窃听、恶意路由、消息篡改等平安问题。因传感器节点通信距离有限，往往通过多跳路由的方式传送数据，节点本身仅与其邻接节点交换信息，DV-Hop算法正是充分利用了传感器网络的这一特性ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>陈丹</Author><Year>2004</Year><RecNum>9</RecNum><record><rec-number>9</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="sdpa5d5s2fdz9lez223pr9xqas9v5fsvers0">9</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>陈丹</author><author>郑增威</author><author>李际军</author></authors></contributors><titles><title>无线传感器网络研究综述</title><secondary-title>计算机测量与控制</secondary-title></titles><periodical><full-title>计算机测量与控制</full-title></periodical><pages>701-704</pages><volume>12</volume><number>008</number><dates><year>2004</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[4]。在无线传感器网络的平安设计中，可以通过算法选择，将大局部的实现网络平安的计算量放在信息收集节点或簇头节点处，而减轻一般传感器节点的计算和存储压力，这也可以作为一种可选的解决方案。七、无线传感器网络的应用7.1无线传感器网络在军事方面的应用7.1.1智能微尘〔smartdust把大量智能微尘装在宣传品、子弹或炮弹中，在目标地点撒落下去，形成严密的监视网络，敌国的军事力量和人员、物资的流动自然一清二楚。7.1.22003年目标定位网络嵌入式系统技术〔NetworkEmbedSystemTechnology〕三维空间的定位精度可到达1.5米，定位延迟到达27.1.3战场环境侦察与监视系统美国陆军最近确立了“战场环境侦察与监视系统”工程。该系统是一个智能化传感器网络，可以更为详尽、准确地探测到精确信息，使情报侦察与获取能力产生质的飞跃。7.2无线传感器网络在工业方面的应用7.2.1以煤炭工业为例，例如北京邮电大学的研究人员开展了煤矿瓦斯报警和矿工定位无线传感器网络系统的研究，一个节点上包括了温湿度传感器、瓦斯传感器、粉尘传感器等。在煤矿工作的员工及其周围环境将可以得到随时监控。7.2.2随着制造业技术的开展，各类生产设备越来越复杂精密。现在工作人员从生产流水线到复杂机器设备，都尝试着安装相应的传感器节点，以便时刻掌握设备的工作健康状况，及早发现问题及早处理，从而有效地减少损失，降低事故发生率。7.2.31995年美国交通部提出了“国家职能交通系统工程规划”。该系统综合运用大量传感器网络，配合GPS系统、区域网络系统等资源，目的是使所有车辆都能保持在高效、低耗的最正确运行状态，前后自动保持车距，推荐最正确路线，并在潜在的故障发出警告。7.3无线传感器网络在生活方面的应用—智能家居系统7.3.1基于无线传感器网络技术的景观灌溉系统的控制子系统可以实现监测信号获取和控制命令的发布，根据用户设定或者参数反应对灌溉系统进行自动控制无线传输的实现，防止了有线网络的搭建。从一定意义上节约了系统本钱，方便了系统维护，提高了系统的稳定性ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>陈丹</Author><Year>2004</Year><RecNum>9</RecNum><record><rec-number>9</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="sdpa5d5s2fdz9lez223pr9xqas9v5fsvers0">9</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>陈丹</author><author>郑增威</author><author>李际军</author></authors></contributors><titles><title>无线传感器网络研究综述</title><secondary-title>计算机测量与控制</secondary-title></titles><periodical><full-title>计算机测量与控制</full-title></periodical><pages>701-704</pages><volume>12</volume><number>008</number><dates><year>2004</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[2]。7.3.传统的消防器材还是主要依赖人的操作，在实时性方面不能满足要求，而传感器网络就是恰恰弥补了这方面的缺陷，在出现火情时，特殊传感器能迅速探测环境种的烟雾浓度和温度等参数，当到达所设定的阈值时，就会控制相应的消防设施进行灭火，并通知所在区域的人员，让其有充足的时间撤离现场。7.3.车辆定位主要的方法有很多种，基于电波入射角(AOA)的定位方法是通过基站接收机天线阵列测出移动台发射电波的入射角,采用一定的定位算法确定角度确定的方位线的交点,即为待定位移动台的估计位置ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>陈丹</Author><Year>2004</Year><RecNum>9</RecNum><record><rec-number>9</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="sdpa5d5s2fdz9lez223pr9xqas9v5fsvers0">9</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>陈丹</author><author>郑增威</author><author>李际军</author></authors></contributors><titles><title>无线传感器网络研究综述</title><secondary-title>计算机测量与控制</secondary-title></titles><periodical><full-title>计算机测量与控制</full-title></periodical><pages>701-704</pages><volume>12</volume><number>008</number><dates><year>2004</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[3]。八、无线传感器网络所面临的开展趋势8.1灵活、自适应的网络协议体系无线传感器网络广泛地应用于军事、环境、医疗、家庭、工业等领域。其网络协议、算法的设计和实现与具体的应用场景有着紧密的关联。如何设计功能可裁减、自主灵活、可重构和适应于不同应用需求的无线传感器网络协议体系结构，将是未来无线传感器网络开展的一个重要方向。8.2跨层设计无线传感器网络有着分层的体系结构，因此在没计时也大都是分层进行的。各层的设计相互独立且具有一定局限性，因而各层的优化设计并不能保证整个网络的设计最优。将MAC与路由相结合进行跨层设计可以有效节省能量，延长网络的寿命。同样，传感器网络的能量管理和低功耗设计也必须结合实际跨层进行。此外，在时间同步和节点定位方面，采用跨层优化设计的方式，使节点直接获取物理层的信息，有效防止本地处理带来的误差，获得较为准确的相关信息。8.3ZigBee标准标准ZigBee的网络标准由IEEE802.15委员会负责制订,也称作IEEE802.15.4技术标准。IEEE802.15工作组主要制定了三种不同的WPAN标准,区别在于通信的速率和QoS能力等:802.15.3标准是高速率的WPAN标准,适合于多媒体应用,有较高的QoS保证;802.15.1标准即Bluetooth技术ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>陈丹</Author><Year>2004</Year><RecNum>9</RecNum><record><rec-number>9</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="sdpa5d5s2fdz9lez223pr9xqas9v5fsvers0">9</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>陈丹</author><author>郑增威</author><author>李际军</author></authors></contributors><titles><title>无线传感器网络研究综述</title><secondary-title>计算机测量与控制</secondary-title><