無線傳感器網絡研究綜述

陳劍

（湖北水利水電職業技術學院，湖北 武漢 430070）

現在廣泛應用的傳感器是由許多體積小、價格低廉、用電池供電的具有無線通信功能和檢測能力的傳感器節點組合而成的。無線傳感器網絡涉及了傳感技術、嵌入式計算技術以及無線通信技術等多個領域的內容，成為了當前國際上關注度較高的、多學科交叉的研究熱點。無線傳感器網絡可以通過各個微型傳感器之間的相互協作，完成實時的監測和采集信息的任務，然后將匯總的信息以無線的方式發送出去，通過網絡到達系統的終端用戶處，從而在物理領域、計算機領域和人類社會三者之間建立聯系。

無線傳感器網絡目前已經得到了廣泛的應用。無論是在軍事國防、工農業領域，還是在生物醫療、環境監測、搶險救災領域，無線傳感器網絡都收到了良好的效果。現在國內外的學術界和工業界的很多人都把目光聚集在了無線傳感器網絡技術的進一步開發和利用上，無線傳感器網絡已經產生了巨大的使用價值，它被認為是將對21世紀產生重大影響的科技之一。

1 無線傳感器網絡的技術特點

1.1 無線傳感器網絡所使用的傳感器耗能少、體積小、價格低、集成度高。無線傳感器網絡技術并不是簡單的將原有的傳感器通過無線網絡連接在一起。微機電系統技術和低耗能電子技術的不斷發展，成就了新型的傳感器節點。這些新型節點耗能少、體積小、價格低，并且具有微型的傳感器、執行器和處理器等多種功能部件。和以前的傳統傳感器相比，無線傳感器網絡節點的優勢更加明顯，具有能少、體積小、價格低、集成度高等傳統傳感器無法比擬的特點。

1.2 無線傳感器網絡的節點分布更為密集。無線傳感器網絡的一個重要特點就是在需要進行監測的范圍內密集的放置數量較多的相同或是不同類型的傳感器節點。通過這種密集的節點布置，可以將獲取區域更詳細的信息或是對統一對象獲取多個角度的信息，然后將獲取的大量信息進行處理，從而提高監測的精準程度，降低對單一傳感器節點的精度要求。通過在監測區域設置了密集的節點，其中一部分節點并不必要，這些冗余的節點會產生一定的容錯能力，從而降低了對某一個單一節點穩定性的要求。除此之外，密布的節點還可以讓各個節點得到合理的休息和調整，從而延長整個無線傳感器網絡的使用壽命。

1.3 無線傳感器網絡采用的是自組織網絡環境。無線傳感器網絡的自組織性質是由自身的特點所決定的。第一，無線傳感器網絡使用過程中往往沒有固定的網絡提供支持；第二，無線傳感器網絡的傳感器較多，布置地點隨機進行選擇，其具體的相對位置關系無法提前確定；第三，傳感器受外界環境或是自身因素影響，可能會出現失效情況，亦或是出于增加精度和彌補失效節點的目的，在監測中途增加補充一些新的節點，無線傳感器網絡處于一個動態的變化之中。由于以上所述的三點原因，無線傳感器網絡需要節點之間自動進行管理和調節，從而適應不斷變化的各種環境，保證無線傳感器網絡整體工作的連續性與高效性。

2 無線傳感器網絡的發展歷史

傳感器網絡已經經歷了四代的發展。第一代的傳感器網絡誕生在上世紀70年代，使用的傳感器具有簡單的信號獲取能力，通過點到點的傳輸方式，與控制器連接在一起，形成傳感器網絡；第二代的傳感器網絡功能得到了較大提升，可以獲取多種不同的信息信號，通過串聯或是并聯接口與相應的控制器連接，從而構成一個能夠接受多種綜合信息的傳感器網絡系統；當傳感器網絡發展到第三代時，傳感器不但可以收集各種不同的信息信號，還采用了現場總線連接的方式與控制器連接，形成了具有一定智能化的傳感器網絡。無線傳感器網絡目前還處于研發、探索階段，它將是傳感器網絡的第四代產品。無線傳感器網絡應用的傳感器數量大、功能多，并且能夠獲取多種信號，采用無線自組織接入網絡，與傳感器網絡控制器連接。

無線傳感器網絡是一個整個興起的傳感器網絡，正逐步受到各方面的關注。目前，美國的許多規模較大的IT公司開始通過與高等學校合作的方式，加大對無線傳感器網絡技術的研究工作。美國的許多著名高校也啟動了相應的計劃，在無線傳感器網絡方面開展深入的研究。我國對無線傳感器網絡的研究工作也在發展之中，從本世紀初，國家自然科學基金委員會就已經批準了大量有無線傳感器網絡有關的課題，國家發改委也出臺了計劃，對無線傳感器網絡的相關課題進行了專門部署。

3 無線傳感器網絡的研究與應用現狀

目前無線傳感器網絡的研究主要是在通信、節能和網絡控制三個領域，且都取得了一定的進展，為無線傳感器網投入實際生產奠定了良好的理論基礎。無線傳感器網絡具有成本低、耗能少的有點，這樣就可以在一個很大的范圍能進行分散布置，即便不利于是在不利于人類活動的地方，利用無線傳感器網絡技術都可以取得良好的工作效果，應用領域十分廣泛。就目前我國的研究應用情況來看，無線傳感器網絡可以應用于軍事、環境監測、醫療健康、空間探測、工業生產等領域。

4 無線傳感器網絡研究的熱點和方向

4.1 通信協議。通信協議可分為三個研究方向：物理層通信協議、數據鏈路層協議、網絡層協議和信息層協議。其中物理層主要研究傳感器網絡的傳輸媒體、頻段選擇、調制方式等，數據鏈主要研究網絡拓撲、信道接入方式、混合結構和Mesb等多種結構。網絡層協議主演研究路由協議，傳輸層協議的研究視為網絡提供可靠的數據和恢復功能。

4.2 網絡管理。網路管理主要分為兩種：能量管理和安全管理。能量管理是為了減少節點的耗能，在不降低工作性能的基礎上，對網絡進行優化，平衡網絡的能量消耗；安全管理主要關注的是無線傳感器網絡的安全問題，包括認證、防干擾信息等。

4.3 硬件資源。無線傳感器網絡的硬件發展方式向市微型化、低成本和新型能源。無線傳感器網絡微型化主要是要將使用節點的體積減小；降低成本則需要在不影響性能的基礎上減少硬件花費；通過太陽能等新能源的開發利用，可以解決無線傳感器網絡發展中遇到的能源問題。

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