摘　要：

摘　要：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)是信息科學(xué)領(lǐng)域中一個全新的發(fā)展方向，同時也是新興學(xué)科與傳統(tǒng)學(xué)科進(jìn)行領(lǐng)域間交叉的產(chǎn)物。文章主要分析了WSN的特點(diǎn)、組網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)、應(yīng)用支撐技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)。

關(guān)鍵詞：

關(guān)鍵詞：無線傳感網(wǎng)絡(luò)(WSN);組網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù);應(yīng)用支撐技術(shù)

　　一、引言

　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)是信息科學(xué)領(lǐng)域中一個全新的發(fā)展方向，同時也是新興學(xué)科與傳統(tǒng)學(xué)科進(jìn)行領(lǐng)域間交叉的結(jié)果。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)經(jīng)歷了智能傳感器、無線智能傳感器、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)三個階段。智能傳感器將計算能力嵌入到傳感器中，使得傳感器節(jié)點(diǎn)不僅具有數(shù)據(jù)采集能力，而且具有濾波和信息處理能力;無線智能傳感器在智能傳感器的基礎(chǔ)上增加了無線通信能力，大大延長了傳感器的感知觸角，降低了傳感器的工程實(shí)施成本;無線傳感器網(wǎng)絡(luò)則將網(wǎng)絡(luò)技術(shù)引入到無線智能傳感器中，使得傳感器不再是單個的感知單元，而是能夠交換信息、協(xié)調(diào)控制的有機(jī)結(jié)合體，實(shí)現(xiàn)物與物的互聯(lián)，把感知觸角深入世界各個角落，必將成為下一代互聯(lián)網(wǎng)的重要組成部分。

　　二、無線傳感網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)

　　無線傳感網(wǎng)絡(luò)(WSN)是信息采集，信息傳輸，信息處理于一體的綜合智能信息系統(tǒng)。它綜合了微電子技術(shù)，嵌入式計算技術(shù)，現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)及無線通信技術(shù)，分布式信息處理技術(shù)等先進(jìn)的技術(shù)，能夠協(xié)同的實(shí)時監(jiān)測，感知和采集網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中各種環(huán)境或檢測對象的信息，并對其進(jìn)行處理，處理后的信息經(jīng)過無線方式發(fā)送出去，并以自組多跳的網(wǎng)絡(luò)方式傳送給觀察者。無線傳感網(wǎng)絡(luò)(WSN)是無線網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合，與傳統(tǒng)的計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)相比，它更多的是以通信為中心。

　　(一)基于應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)

　　與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)“以一適全”模式不同的是，針對不同的應(yīng)用，無線傳感網(wǎng)絡(luò)需要調(diào)整自身的配置。例如根據(jù)不同的應(yīng)用使用不用的數(shù)據(jù)融合，節(jié)點(diǎn)密度，自適應(yīng)協(xié)議等具體配置。

　　(二)硬件資源的有限性

　　由于節(jié)點(diǎn)往往受到價格，體積，功能的限制，其計算能力不可能很強(qiáng)、很全面，能運(yùn)行的程序的大小以及內(nèi)存空間都不可能與普通計算機(jī)相提并論，所以這就決定了無線傳感網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)設(shè)計不能太復(fù)雜，必須綜合各個方面的考慮，用最節(jié)省的方式實(shí)現(xiàn)自己需要的功能，還有就是協(xié)議的層次不能像普通網(wǎng)絡(luò)一樣那么細(xì)致，需以滿足功能要求為前提。

　　(三)網(wǎng)絡(luò)的自組織，自維護(hù)

　　傳感器節(jié)點(diǎn)可以通過隨機(jī)撒播自組織成網(wǎng)絡(luò)，從而形成大面積的監(jiān)控區(qū)域，，且用adhoc方式進(jìn)行自我配置，必須能夠自己組網(wǎng)。任一時刻，每個傳感器的節(jié)點(diǎn)中運(yùn)行的算法都能計算出該節(jié)點(diǎn)和服務(wù)器之間的跳數(shù)，并判斷出哪一個相鄰節(jié)點(diǎn)能提供出最有效率的路由。由于傳感器節(jié)點(diǎn)自身的特點(diǎn)，傳感器節(jié)點(diǎn)失效、損壞的情況不可避免，加上檢測對象自身可能發(fā)生的變化，都會影響到即成網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，所以要求網(wǎng)絡(luò)需要有維護(hù)動態(tài)路由的功能，從而保證網(wǎng)絡(luò)部分特征發(fā)生變化，計算和傳輸仍能進(jìn)行。

　　(四)電池能量的有限

　　網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)由電池供電，但電池的容量一般都不是很大。而且由于無線傳感節(jié)點(diǎn)往往撒播在山林，湖泊等人不易進(jìn)出的惡劣環(huán)境中，所以更換電池就不可能，一旦電池用完，這個節(jié)點(diǎn)也就隨之失去作用，因此在無線傳感網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計中，任何技術(shù)和協(xié)議必須要以節(jié)能為前提。

　　(五)以數(shù)據(jù)為中心

　　在無線傳感網(wǎng)絡(luò)中，能源消耗最大的過程是通信過程，因?yàn)樵谟邢薜哪茉磧?nèi)，不可能傳輸大量的信息，所以要求在保證通信質(zhì)量的前提下，盡可能的減少信息傳輸量，再者，用戶關(guān)心的是目標(biāo)的信息，而不在意具體是哪個節(jié)點(diǎn)傳來的，所以無線傳感網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計需集中在對數(shù)據(jù)的管理和處理上來。

　　三、關(guān)鍵技術(shù)

　　(一)核心關(guān)鍵技術(shù)

　　(1)組網(wǎng)模式

　　在確定采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)行應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計后，首先面臨的問題是采用何種組網(wǎng)模式。是否有基礎(chǔ)設(shè)施支持，是否有移動終端參與，匯報頻度與延遲等應(yīng)用需求直接決定了組網(wǎng)模式。

　�、俦馄浇M網(wǎng)模式

　　所有節(jié)點(diǎn)的角色相同，通過相互協(xié)作完成數(shù)據(jù)的交流和匯聚。最經(jīng)典的定向擴(kuò)散路由(Direct Diffusion)研究的就是這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

　�、诨诜执氐膶哟涡徒M網(wǎng)模式

　　節(jié)點(diǎn)分為普通傳感節(jié)點(diǎn)和用于數(shù)據(jù)匯聚的簇頭節(jié)點(diǎn)，傳感節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)先發(fā)送到簇頭節(jié)點(diǎn)，然后由簇頭節(jié)點(diǎn)匯聚到后臺。簇頭節(jié)點(diǎn)需要完成更多的工作、消耗更多的能量。如果使用相同的節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)分簇，則要按需更換簇頭，避免簇頭節(jié)點(diǎn)因?yàn)檫^渡消耗能量而死亡。

　�、劬W(wǎng)狀網(wǎng)(Mesh)模式

　　Mesh模式在傳感器節(jié)點(diǎn)形成的網(wǎng)絡(luò)上增加一層固定無線網(wǎng)絡(luò)，用來收集傳感節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，另一方面實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)之間的信息通信，以及網(wǎng)內(nèi)融合處理。

　�、芤苿訁R聚模式

　　移動匯聚模式是指使用移動終端收集目標(biāo)區(qū)域的傳感數(shù)據(jù)，并轉(zhuǎn)發(fā)到后端服務(wù)器。移動匯聚可以提高網(wǎng)絡(luò)的容量，但數(shù)據(jù)的傳遞延遲與移動匯聚節(jié)點(diǎn)的軌跡相關(guān)。如何控制移動終端軌跡和速率是該模式研究的重要目標(biāo)。

　　此外，還有其他類型的網(wǎng)絡(luò)。如當(dāng)傳感節(jié)點(diǎn)全部為移動節(jié)點(diǎn)，通過與固定的Mesh網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信(移動產(chǎn)生的通信機(jī)會)，可形成目前另一個研究熱點(diǎn)，即機(jī)會通信模式。

　　(2)拓?fù)淇刂?/p>

　　組網(wǎng)模式?jīng)Q定了網(wǎng)絡(luò)的總體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，但為了實(shí)現(xiàn)WSN網(wǎng)絡(luò)的低能耗運(yùn)行，還需要對節(jié)點(diǎn)連接關(guān)系的時變規(guī)律進(jìn)行細(xì)粒度控制目前主要的拓?fù)淇刂萍夹g(shù)分為時間控制、空間控制和邏輯控制3種。時間控制通過控制每個節(jié)點(diǎn)睡眠、工作的占空比，節(jié)點(diǎn)間睡眠起始時間的調(diào)度，讓節(jié)點(diǎn)交替工作，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓谟邢薜耐負(fù)浣Y(jié)構(gòu)間切換;空間控制通過控制節(jié)點(diǎn)發(fā)送功率改變節(jié)點(diǎn)的連通區(qū)域，使網(wǎng)絡(luò)呈現(xiàn)不同的連通形態(tài)，從而獲得控制能耗、提高網(wǎng)絡(luò)容量的效果;邏輯控制則是通過鄰居表將不“理想的”節(jié)點(diǎn)排除在外，從而形成更穩(wěn)固、可靠和強(qiáng)健的拓?fù)�。WSN技術(shù)中，拓?fù)淇刂频哪康脑谟趯?shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的連通(實(shí)時連通或者機(jī)會連通)的同時保證信息的能量高效、可靠的傳輸。

　　(3)媒體訪問控制和鏈路控制

　　媒體訪問控制(MAC)和鏈路控制解決無線網(wǎng)絡(luò)中普遍存在的沖突和丟失問題，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)流狀態(tài)控制臨近節(jié)點(diǎn)，乃至網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)的信道訪問方式和順序，達(dá)到高效利用網(wǎng)絡(luò)容量，減低能耗的目的。要實(shí)現(xiàn)拓?fù)淇刂浦械臅r間和空間控制，WSN的MAC層需要配合完成睡眠機(jī)制、時分信道分配和空分復(fù)用等功能。

　　復(fù)雜環(huán)境的短距離無線鏈路特性與長距離完全不同，短距離無線射頻在其覆蓋范圍內(nèi)的過渡臨界區(qū)寬度與通信距離的比例要大得多，因而更多鏈路呈現(xiàn)復(fù)雜的不穩(wěn)定特性。鏈路特征同時也是在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)和匯聚中需要考慮的重要因素。

　　(4)路由、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)及跨層設(shè)計

　　WSN網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)流向與Internet相反：在Internet網(wǎng)絡(luò)中，終端設(shè)備主要從網(wǎng)絡(luò)上獲取信息;而在WSN網(wǎng)絡(luò)中，終端設(shè)備是向網(wǎng)絡(luò)提供信息。因此，WSN網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議設(shè)計有自己的獨(dú)特要求。由于在WSN網(wǎng)絡(luò)中對能量效率的苛刻要求，研究人員通常利用MAC層的跨層服務(wù)信息來進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)、數(shù)據(jù)流向的選擇。另外，網(wǎng)絡(luò)在任務(wù)發(fā)布過程中一般要將任務(wù)信息傳送給所有的節(jié)點(diǎn)，因此設(shè)計能量高效的數(shù)據(jù)分發(fā)協(xié)議也是在網(wǎng)絡(luò)層研究的重點(diǎn)。

　　(5)QoS保障和可靠性設(shè)計

　　QoS保障和可靠性設(shè)計技術(shù)是傳感器網(wǎng)絡(luò)走向可用的關(guān)鍵技術(shù)之一。QoS保障技術(shù)包括通信層控制和服務(wù)層控制。傳感器網(wǎng)絡(luò)大量的節(jié)點(diǎn)如果沒有質(zhì)量控制，將很難完成實(shí)時監(jiān)測環(huán)境變化的任務(wù)。可靠性設(shè)計技術(shù)目的則是保證節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò)在惡劣工作條件下長時間工作。節(jié)點(diǎn)計算和通信模塊的失效直接導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)脫離網(wǎng)絡(luò)，而傳感模塊的失效則可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)出現(xiàn)岐變，造成網(wǎng)絡(luò)的誤警。如何通過數(shù)據(jù)檢測失效節(jié)點(diǎn)也是關(guān)鍵研究內(nèi)容之一。

　　(二)關(guān)鍵支撐技術(shù)

　　(1)WSN網(wǎng)絡(luò)的時間同步技術(shù)

　　時間同步技術(shù)是完成實(shí)時信息采集的基本要求，也是提高定位精度的關(guān)鍵手段。常用方法是通過時間同步協(xié)議完成節(jié)點(diǎn)間的對時，通過濾波技術(shù)抑制時鐘噪聲和漂移。最近，利用耦合振蕩器的同步技術(shù)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)無狀態(tài)自然同步方法也倍受關(guān)注，這是一種高效的、可無限擴(kuò)展的時間同步新技術(shù)。

　　(2)基于WSN的自定位和目標(biāo)定位技術(shù)

　　定位跟蹤技術(shù)包括節(jié)點(diǎn)自定位和網(wǎng)絡(luò)區(qū)域內(nèi)的目標(biāo)定位跟蹤。節(jié)點(diǎn)自定位是指確定網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)自身位置，這是隨機(jī)部署組網(wǎng)的基本要求。GPS技術(shù)是室外慣常采用的自定位手段，但一方面成本較高，另一方面在有遮擋的地區(qū)會失效。傳感器網(wǎng)絡(luò)更多采用混合定位方法：手動部署少量的錨節(jié)點(diǎn)(攜帶GPS模塊)，其他節(jié)點(diǎn)根據(jù)拓?fù)浜途嚯x關(guān)系進(jìn)行間接位置估計。目標(biāo)定位跟蹤通過網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)之間的配合完成對網(wǎng)絡(luò)區(qū)域中特定目標(biāo)的定位和跟蹤，一般建立在節(jié)點(diǎn)自定位的基礎(chǔ)上。

　　(3)分布式數(shù)據(jù)管理和信息融合

　　分布式動態(tài)實(shí)時數(shù)據(jù)管理是以數(shù)據(jù)中心為特征的WSN網(wǎng)絡(luò)的重要技術(shù)之一。該技術(shù)通過部署或者指定一些節(jié)點(diǎn)為代理節(jié)點(diǎn)，代理節(jié)點(diǎn)根據(jù)監(jiān)測任務(wù)收集興趣數(shù)據(jù)。監(jiān)測任務(wù)通過分布式數(shù)據(jù)庫的查詢語言下達(dá)給目標(biāo)區(qū)域的節(jié)點(diǎn)。在整個體系中，WSN網(wǎng)絡(luò)被當(dāng)作分布式數(shù)據(jù)庫獨(dú)立存在，實(shí)現(xiàn)對客觀物理世界的實(shí)時和動態(tài)的監(jiān)測。信息融合技術(shù)是指節(jié)點(diǎn)根據(jù)類型、采集時間、地點(diǎn)、重要程度等信息標(biāo)度，通過聚類技術(shù)將收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行本地的融合和壓縮，一方面排除信息冗余，減小網(wǎng)絡(luò)通信開銷，節(jié)省能量;另一方面可以通過貝葉斯推理技術(shù)實(shí)現(xiàn)本地的智能決策。

　　(4)WSN的安全技術(shù)

　　安全通信和認(rèn)證技術(shù)在軍事和金融等敏感信息傳遞應(yīng)用中有直接需求。傳感器網(wǎng)絡(luò)由于部署環(huán)境和傳播介質(zhì)的開放性，很容易受到各種攻擊。但受無線傳感器網(wǎng)絡(luò)資源限制，直接應(yīng)用安全通信、完整性認(rèn)證、數(shù)據(jù)新鮮性、廣播認(rèn)證等現(xiàn)有算法存在實(shí)現(xiàn)的困難。鑒于此，研究人員一方面探討在不同組網(wǎng)形式、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議設(shè)計中可能遭到的各種攻擊形式;另一方面設(shè)計安全強(qiáng)度可控的簡化算法和精巧協(xié)議，滿足傳感器網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)實(shí)需求。

　　(5)精細(xì)控制、深度嵌入的操作系統(tǒng)技術(shù)

　　作為深度嵌入的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，WSN網(wǎng)絡(luò)對操作系統(tǒng)也有特別的要求，既要能夠完成基本體系結(jié)構(gòu)支持的各項(xiàng)功能，又不能過于復(fù)雜。從目前發(fā)展?fàn)顩r來看，TinyOS是最成功的WSN專用操作系統(tǒng)。但隨著芯片低功耗設(shè)計技術(shù)和能量工程技術(shù)水平的提高，更復(fù)雜的嵌入式操作系統(tǒng)，如Vxworks、Uclinux和Ucos等，也可能被WSN網(wǎng)絡(luò)所采用。

　　(6)能量工程

　　能量工程包括能量的獲取和存儲兩方面。能量獲取主要指將自然環(huán)境的能量轉(zhuǎn)換成節(jié)點(diǎn)可以利用的電能，如太陽能，振動能量、地?zé)�、風(fēng)能等。2007年以來，在無線能量傳遞方面有了新的研究成果，通過磁場的共振傳遞技術(shù)將使遠(yuǎn)程能量傳遞，這項(xiàng)技術(shù)將對WSN技術(shù)的成熟和發(fā)展帶來革命性的影響。在能量存儲技術(shù)方面，高容量電池技術(shù)是延長節(jié)點(diǎn)壽命，全面提高節(jié)點(diǎn)能力的關(guān)鍵性技術(shù)。納米電池技術(shù)是目前最有希望的技術(shù)之一。

　　四、結(jié)束語

　　WSN網(wǎng)絡(luò)從機(jī)制研究、系統(tǒng)研發(fā)，到應(yīng)用示范試點(diǎn)，正在努力走向技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的成熟。在中國，政府的引導(dǎo)、研究人員的推動和企業(yè)的積極參與使WSN網(wǎng)絡(luò)技術(shù)快速穩(wěn)步發(fā)展。為了讓W(xué)SN更快地進(jìn)入應(yīng)用產(chǎn)業(yè)，為更多人服務(wù)，必須在努力尋找獨(dú)特的殺手锏應(yīng)用的同時，更多地將目光轉(zhuǎn)向改善成熟產(chǎn)業(yè)中對自動化監(jiān)測、檢驗(yàn)和管理的應(yīng)用需求，為其量身訂做協(xié)議、軟件和產(chǎn)品，并努力做到與現(xiàn)有管理系統(tǒng)的無縫連接。只有在應(yīng)用和市場上站穩(wěn)腳跟，才能保持WSN在技術(shù)上的持續(xù)發(fā)展。

　　參考文獻(xiàn)：

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　　[2]王汝傳.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及其應(yīng)用.北京:清華大學(xué)出版社,2011.