無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)綜述

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1、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)綜述摘要:無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種全新的信息獲取和處理技術(shù)。因其巨大的應(yīng)用前景而受到科學(xué)界越來越廣泛的重視。本文介紹了無線傳感器的定義、體系結(jié)構(gòu)以及特點(diǎn)，并著重分析了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究的一些關(guān)鍵問題，最后探討了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用前景以及發(fā)展方向。關(guān)鍵字:無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；體系結(jié)構(gòu)；關(guān)鍵技術(shù)；應(yīng)用一、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的定義無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量的廉價(jià)微型傳感器節(jié)點(diǎn)，通過無線通信方式形成的一個(gè)多跳自組織網(wǎng)絡(luò)。二、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的原理利用各種類型的敏感元件構(gòu)成的傳感器，分布于需要覆蓋的領(lǐng)域內(nèi)，組成傳感器節(jié)點(diǎn)

2、，用于收集數(shù)據(jù)，并且將數(shù)據(jù)路由送至信息收集節(jié)點(diǎn)“Sink”，信息收集節(jié)點(diǎn)與信息處理節(jié)點(diǎn)通過廣域網(wǎng)將數(shù)據(jù)送至地面監(jiān)控中心進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和處理，并對監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行綜合評估。三、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)3.1無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)構(gòu)架無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)構(gòu)架如下圖1-1所示，通常包括傳感器節(jié)點(diǎn)(sensornode)、匯聚節(jié)點(diǎn)(sinknode)和管理節(jié)點(diǎn)，即無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的三個(gè)要素是傳感器、感知對象和觀察者。3.2傳感器節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)傳感器節(jié)點(diǎn)由傳感器模塊、處理器模塊、無線通信模塊和能量供應(yīng)模塊四部分組成，如圖1-2所示。在軟件設(shè)計(jì)方面，

3、各通信協(xié)議都應(yīng)該以節(jié)能為中心，必要時(shí)可以犧牲一些其他的一些網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)，以獲得更高的電源效率。圖1-2無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)3.3無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)由分層的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)管理平臺(tái)以及應(yīng)用支撐這三個(gè)部分組成，如下圖1-3所示。分層的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議結(jié)構(gòu)類似于傳統(tǒng)的TCP/IP協(xié)議體系結(jié)構(gòu)，由物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層和應(yīng)用層組成。物理層的功能包括信道選擇、無線信號的監(jiān)測、信號的發(fā)送與接收等。數(shù)據(jù)鏈路層的主要任務(wù)是加權(quán)物理層傳輸原始比特的功能，使之對上層顯現(xiàn)一條無差錯(cuò)的鏈路。網(wǎng)絡(luò)層的主要功能

4、包括分組路由、網(wǎng)絡(luò)互連等。傳輸層負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)流的傳輸控制，提供可靠高效的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)。網(wǎng)絡(luò)管理技術(shù)主要是對傳感器節(jié)點(diǎn)自身的管理以及用戶對傳感器網(wǎng)絡(luò)的管理。四無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的定位方法無線傳感器網(wǎng)絡(luò)一般采用5種測距方法：1)測時(shí)測距法(TOA)，包括雙向測距和單向測距；2)差分測時(shí)測距法(TDOA)；3)信號強(qiáng)度測距法(SSR)；4)近場區(qū)電磁測距法(NFER)；5)角度測量法(AOA)。為了獲得較高的公交車定位精度，公交信息采集系統(tǒng)中擬采用一種基于TOA的雙向測距技術(shù)[1]。五、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)5.1集感知、處理、傳輸為一體。

5、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)是集傳感器（感知部件）、處理器單元（例如AMR7、8680等）、短距離無線通信模塊（例如RFM公司的TR1000、Zigbee傳輸單元等）于一體的綜合系統(tǒng)。5.2硬件資源有限。節(jié)點(diǎn)由于受價(jià)格、體積和功耗的限制，其計(jì)算能力、程序空間和內(nèi)存空間比普通的計(jì)算機(jī)功能要弱很多。5.3電源容量有限。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)由電池供電，電池的容量一般不是很大。其特殊的應(yīng)用領(lǐng)域決定了使用過程中，不能給電池充電或是換電池，一旦電池能量用完，這個(gè)節(jié)點(diǎn)也就失去了作用（死亡）。5.4無中心。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中沒有嚴(yán)格的控制中心，所以節(jié)點(diǎn)地位平等，是

6、一個(gè)對等式網(wǎng)絡(luò)。節(jié)點(diǎn)可以隨時(shí)加入或離開網(wǎng)絡(luò)，任何節(jié)點(diǎn)的故障不會(huì)影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行，具有很強(qiáng)的抗毀性。5.5自組織。網(wǎng)絡(luò)的布設(shè)和展開無需依賴于任何預(yù)設(shè)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)施，節(jié)點(diǎn)通過分層協(xié)議和分布式算法協(xié)調(diào)各自的行為，節(jié)點(diǎn)開機(jī)后就可以快速、自動(dòng)地組成一個(gè)獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)。5.6多跳路由。網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)通信距離有限，一般在幾百米范圍內(nèi)，節(jié)點(diǎn)只能與它鄰居直接通信。如果希望與其射頻覆蓋范圍之外的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，則需要通過中間節(jié)點(diǎn)進(jìn)行路由選擇。5.7動(dòng)態(tài)拓?fù)?。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)動(dòng)態(tài)的網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點(diǎn)可以隨處移動(dòng)：一個(gè)節(jié)點(diǎn)可能會(huì)因?yàn)殡姵啬芰亢谋M或其他故障，退出網(wǎng)絡(luò)

7、運(yùn)行：一個(gè)節(jié)點(diǎn)也能由于工作的需要而被添加到網(wǎng)絡(luò)中。5.8節(jié)點(diǎn)數(shù)量眾多，分布密集。為了對一個(gè)區(qū)域執(zhí)行檢測任務(wù)，往往有成千上萬傳感器節(jié)點(diǎn)空投到該區(qū)域。傳感器節(jié)點(diǎn)分布非常密集，利用節(jié)點(diǎn)之間高度連接性來保證系統(tǒng)的容錯(cuò)性和抗毀性。六、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究熱點(diǎn)6.1能量問題。在多數(shù)情況下，傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)都是由電池供電，電池容量有限，使得節(jié)點(diǎn)的生存時(shí)間也受到限制。如果網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)因?yàn)槟芰亢谋M不能工作，則會(huì)帶來網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞母淖円约奥酚傻闹匦陆⒌葐栴}。6.2跨層設(shè)計(jì)問題。設(shè)計(jì)一個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)，使其在不同應(yīng)用下都能保持最優(yōu)的性能是非常困難的。目前

8、，研究者忽略了各層之間的相互聯(lián)系。帶來了靈活性差、效率不高等缺點(diǎn)。因此，在傳感器網(wǎng)絡(luò)中，需要采用自適應(yīng)的跨層優(yōu)化協(xié)議，從而可以在能量受限的情況下，滿足應(yīng)用的高吞吐量、低延遲等要求。6.3安全問題。由于采用的是無線傳輸信道，傳感器網(wǎng)絡(luò)存在竊聽、惡意路由、消息篡改等安全問題。因傳感器節(jié)點(diǎn)通信距