無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展現(xiàn)狀及研究中的關(guān)鍵技術(shù)

1、無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展現(xiàn)狀及研究中的關(guān)鍵技術(shù)隨著無(wú)線通信、集成電路、傳感器、微機(jī)電系統(tǒng)等技術(shù)的飛速發(fā)展，低成本、低功耗、小體積、多功能的微型傳感器的大量生產(chǎn)成為可能。之所以稱為微型傳感器，是因?yàn)閭鞲衅餍〉娇梢韵窕覊m一樣在空氣中浮動(dòng)，所以又可稱之為“智能塵埃（SmartDust）”[1]。傳感器節(jié)點(diǎn)借助于內(nèi)置的微型傳感器，可以測(cè)量周圍環(huán)境中的熱、紅外、聲納、雷達(dá)和地震波信號(hào)、溫度、濕度、光強(qiáng)度、壓力、土壤成分、移動(dòng)物理大小、速度和方向等人們感

2、興趣的物理現(xiàn)象。無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)(WirelessSenswkWSN)是集分布式信息采集、信息傳輸和信息處理技術(shù)于一體的網(wǎng)絡(luò)信息系統(tǒng)，IEEE1451.5無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)提供了各種基于協(xié)議和需求的無(wú)線應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)。在WSN中，無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)常常被隨機(jī)地布置在許多人類無(wú)法接近的場(chǎng)合，通過(guò)自組織的方式來(lái)構(gòu)成一個(gè)快速、有效可靠的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。傳感器節(jié)點(diǎn)往往是同構(gòu)的，并且由于其低能耗（甚至不需要換電池）的特點(diǎn)，它適用于無(wú)人看守的各種應(yīng)用場(chǎng)景等特點(diǎn)，

3、從而被公認(rèn)為是未來(lái)改變?nèi)藗兩畹氖蠹夹g(shù)之一。本文針對(duì)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)、應(yīng)用、關(guān)鍵技術(shù)及各種研究進(jìn)行了論述和分析，在研究人員進(jìn)行應(yīng)用場(chǎng)景的選擇、課題申報(bào)，特別是對(duì)做WSN的MAC層研究的人員有一定的參考價(jià)值。1無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)目前常見(jiàn)的無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)包括移動(dòng)通信網(wǎng)、無(wú)線局域網(wǎng)、藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)、AdHoc網(wǎng)絡(luò)等無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)與無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)有著本質(zhì)的區(qū)別:無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的主要功能是提供網(wǎng)絡(luò)上點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的建立連接、互相通信和操作為數(shù)據(jù)共享提供正確、可

4、靠的傳輸而由微型傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)則一般是為了某個(gè)特定的需要設(shè)計(jì)的自組織網(wǎng)絡(luò)能夠協(xié)作地實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、感知和采集網(wǎng)絡(luò)分布區(qū)域內(nèi)的各種環(huán)境或監(jiān)測(cè)對(duì)象的信息并對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理從而獲得詳盡而準(zhǔn)確的信息將其傳送到匯聚節(jié)點(diǎn)。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)相對(duì)于Adhoc網(wǎng)絡(luò)具有以下特點(diǎn)[2]:(1)節(jié)點(diǎn)更多分布更密集網(wǎng)絡(luò)規(guī)模更大。為了在某個(gè)地理區(qū)域上進(jìn)行監(jiān)測(cè)通常有成百上千甚至上萬(wàn)的節(jié)點(diǎn)被布置在該區(qū)域如果單個(gè)節(jié)點(diǎn)或者局部幾個(gè)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障是不會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)癱瘓的

5、所以利用節(jié)點(diǎn)之間的高度連接性可以保證系統(tǒng)的容錯(cuò)性和抗毀性。(2)節(jié)點(diǎn)處理信息能力受限。由于受價(jià)格、體積和功耗的限制傳感器網(wǎng)中的傳感器節(jié)點(diǎn)一般采用嵌入式處理器和存儲(chǔ)器。這些傳感器都具有計(jì)算能力可以完成一些信息處理工作。但是由于嵌入式處理器的能力和存儲(chǔ)器的容量有限因此傳感器的處理能力也相對(duì)受限，所以在設(shè)計(jì)WSN的各種協(xié)議時(shí)要力求簡(jiǎn)單有效。(3)能量節(jié)省更為重要。由于受到硬件條件的影響無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)通常采用電池供電而無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)通常是不需更換

6、電池的，相對(duì)于Adhoc網(wǎng)絡(luò)電池的更換更為不便，而多數(shù)傳感器網(wǎng)又往往要求長(zhǎng)時(shí)間工作所以能量節(jié)省更為重要。受到發(fā)射能量的限制，無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的通信距離可能會(huì)短些一般只有幾十米甚至更短。(4)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)相對(duì)而言處于靜止?fàn)顟B(tài)，移動(dòng)的節(jié)點(diǎn)有限，所以在考慮MAC層協(xié)議時(shí)，往往不需考慮節(jié)點(diǎn)移動(dòng)的特性。而Adhoc網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)必須考慮移動(dòng)特性。(5)以數(shù)據(jù)為中心。在無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)中，人們常常只關(guān)心某個(gè)區(qū)域內(nèi)某個(gè)觀測(cè)指標(biāo)的數(shù)值，而不會(huì)去關(guān)心

7、單個(gè)節(jié)點(diǎn)的觀測(cè)數(shù)據(jù)。它不同于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的尋址過(guò)程，能夠快速有效地組織起各個(gè)節(jié)點(diǎn)的信息并融合提取出有用的信息來(lái)傳送到用戶。2無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵技術(shù)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)作為當(dāng)今信息領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，涉及多個(gè)學(xué)科的交叉，所需要研究的內(nèi)容可以分為四個(gè)部分，網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議、核心支撐技術(shù)、自組織管理、開(kāi)發(fā)與應(yīng)用。每個(gè)部分都有一些關(guān)鍵技術(shù)需要解決。（1）網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議產(chǎn)業(yè)。已有和潛在的傳感器應(yīng)用領(lǐng)域包括：軍事偵察、環(huán)境監(jiān)測(cè)、醫(yī)療、建筑物監(jiān)測(cè)等等。隨著傳感器技術(shù)、無(wú)

8、線通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，各種傳感器網(wǎng)絡(luò)將遍布我們生活環(huán)境，從而真正實(shí)現(xiàn)“無(wú)處不在的計(jì)算”。（1）軍事應(yīng)用在軍事領(lǐng)域，傳感器網(wǎng)絡(luò)將會(huì)成為C4ISRT（comm，control，communication，computing，intelligence，surveillance，reconnaissancetargeting）系統(tǒng)[3]不可或缺的一部分。C4ISRT系統(tǒng)的目標(biāo)是利用先進(jìn)的高科技技術(shù)，為未來(lái)的現(xiàn)代化戰(zhàn)爭(zhēng)設(shè)計(jì)一個(gè)集

9、命令、控制、通信、計(jì)算、智能、監(jiān)視、偵察和定位于一體的戰(zhàn)場(chǎng)指揮系統(tǒng)，受到了軍事發(fā)達(dá)國(guó)家的普遍重視。因?yàn)閭鞲衅骶W(wǎng)絡(luò)是由密集型、低成本、隨機(jī)分布的節(jié)點(diǎn)組成的，自組織性和容錯(cuò)能力使其不會(huì)因?yàn)槟承┕?jié)點(diǎn)在惡意攻擊中的損壞而導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的崩潰，這一點(diǎn)是傳統(tǒng)的傳感器技術(shù)所無(wú)法比擬的。在戰(zhàn)場(chǎng)，指揮員往往需要及時(shí)準(zhǔn)確地了解部隊(duì)、武器裝備和軍用物資供給的情況，鋪設(shè)的傳感器將采集相應(yīng)的信息，并通過(guò)匯聚節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)送至指揮所，再轉(zhuǎn)發(fā)到指揮部，最后融合來(lái)自各戰(zhàn)場(chǎng)的

10、數(shù)據(jù)形成我軍完備的戰(zhàn)區(qū)態(tài)勢(shì)圖。當(dāng)然，也可以直接將傳感器節(jié)點(diǎn)撒向敵方陣地，在敵方還未來(lái)得及反應(yīng)時(shí)迅速收集利于作戰(zhàn)的信息。在軍事應(yīng)用中，與獨(dú)立的衛(wèi)星和地面雷達(dá)系統(tǒng)相比，傳感器網(wǎng)絡(luò)也有潛在無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)。(2)環(huán)境科學(xué)應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測(cè)的傳感器網(wǎng)絡(luò)，一般具有部署簡(jiǎn)單、便宜、長(zhǎng)期不需更換電池、無(wú)需派人現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)的優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)密集的節(jié)點(diǎn)布置，可以觀察到微觀的環(huán)境因素，為環(huán)境研究和環(huán)境監(jiān)測(cè)提供了嶄新的途徑。傳感器網(wǎng)絡(luò)研究在環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域已經(jīng)有很多的實(shí)例。這些

11、應(yīng)用實(shí)例包括：對(duì)海島鳥(niǎo)類生活規(guī)律的觀測(cè)，氣象現(xiàn)象的觀測(cè)和天氣預(yù)報(bào)，生物群落的微觀觀測(cè)，森林火警和洪災(zāi)預(yù)警，農(nóng)田管理等。（3）醫(yī)療健康傳感器網(wǎng)絡(luò)在醫(yī)療領(lǐng)域也有一些成功實(shí)例。SSIM（SmartSenssIntegratedMicrosystems）項(xiàng)目中，100個(gè)微型傳感器被植入病人眼中，從而幫助盲人獲得了一定程度的視覺(jué)。借助于各種醫(yī)療傳感器網(wǎng)絡(luò)，人們可以享受到更方便更舒適的醫(yī)療服務(wù)，比如：遠(yuǎn)程健康監(jiān)測(cè)和病變器官觀察等。（4）家庭、建筑及

12、城市管理各種無(wú)線傳感器可以靈活方便地布置于建筑物內(nèi)，監(jiān)測(cè)建筑安全；也可布置于房間內(nèi)獲取室內(nèi)環(huán)境參數(shù)，從而為居室環(huán)境控制和危險(xiǎn)報(bào)警提供依據(jù)；還可布置于道路上，為出行者提供信息服務(wù)，或發(fā)現(xiàn)違章及時(shí)報(bào)警和記錄。（5）工業(yè)應(yīng)用在一些危險(xiǎn)的工作環(huán)境，如煤礦、石油鉆井、核電廠等，利用WSN可以探測(cè)工作現(xiàn)場(chǎng)有哪些員工，他們?cè)谧鍪裁匆约八麄兊陌踩Ｕ?。而在機(jī)械制造和工業(yè)近控制過(guò)程中，也可以利用WSN來(lái)測(cè)量各種參數(shù)，形成一個(gè)統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)，及時(shí)利用各種參數(shù)達(dá)