無線傳感器網絡研究現狀及應用

趙娜

（青海省建筑職業技術學院，青海 西寧 810012）

無線傳感器網絡研究現狀及應用

趙娜

（青海省建筑職業技術學院，青海 西寧 810012）

作為物聯網的重要組成部分，無線傳感器網絡具有非常廣泛的應用領域，因而越來越多的工業界和學術界從事其開發。本文首先介紹了無線傳感器網絡的概念和特點，然后分析了無線傳感器網絡的研究現狀和關鍵技術，最后闡述了無線傳感器網絡的應用領域，為相關研究人員提供參考。

無線器傳感網絡；傳感器節點；能量；研究現狀

1 引言

1.1 定義

無線傳感器網絡（Wireless Sensor Networks,WSN）由部署在監控區域、隨機分布的大量傳感器節點，以自組織和多跳的方式構成無線網絡來實現數據的采集量化、處理融合和傳輸應用，它綜合了計算機技術、通信技術和傳感器技術三大技術[1]。由于無線傳感網絡技術近年來的廣泛應用，成為目前倍受關注的熱點研究領域。1999年，出現了關于無線傳感器網絡的代表性論述，題為“傳感器走向無線時代”[2]。2001年，美國《技術評論》雜志將無線傳感器網絡列于十大改變未來世界的新興技術之首[3]。2003年，《商業周刊》預測：無線傳感器網絡將會在不久的將來掀起新的產業浪潮[4]。一個典型的無線傳感網絡結構如圖1所示。

圖1 一個典型的無線傳感器網絡結構圖

無線傳感器網絡系統由匯聚節點（即Sink）、傳感器節點和管理節點構成,它的工作原理是:隨機地把數量龐大的傳感器節點部署在監測區域內，通過無線方式將采集到的信息以多跳的方式傳輸給遠程任務管理平臺，以實現用戶對目標的遠程監測和處理。

傳感器節點結構簡單，如圖2所示，通常由感知、數據處理、通信和能量供應四個模塊構成[5]。感知模塊是由傳感器和A/D轉換功能模塊來構成，主要任務是采集被監測區域的數據信息并進行模數轉換；處理模塊主要包括中央處理器、存儲器以及嵌入式系統等基本模塊，主要控制節點的具體操作并對傳來的數據進行存儲和處理；通信模塊的核心組成部分是無線通信模塊，主要負責與其它節點無線通訊、收發數據以及控制信息的交換；能量供應模塊常由電池供電，負責提供足夠的能量以保證傳感器節點能正常工作。

圖2 傳感器節點結構圖

1.2 特點

無線傳感器網絡不僅具有獨立、分布、多跳等普通無線Ad Hoc網絡的特性，同時還存在自組織、動態的網絡拓撲、以數據為中心等特點，應用前景越來越廣泛[6]。

首先是分布式的自組織特性。在傳感器網絡應用中，由于傳感器節點的位置無法預先精確設定，節點之間的相互鄰居關系預先也不知道，通常采用飛機播撒的方式將傳感器節點部署到廣闊的或人不可到達的區域。這就要求傳感器節點具有自組織的能力，能夠自動進行配置和管理，自動轉發監測數據。

其次是網絡拓撲的動態特性。網絡中的節點狀態隨著環境條件的變化而相應地發生變化，加之無線通信信道的不穩定性，網絡拓撲因此也在不斷地調整變化，而這種變化方式是無人能準確預測出來的。

第三是節點資源受限特性。傳感器節點具有的能量、通信能力、計算與存儲能力都非常有限。如何高效使用能量是傳感器網絡的首要設計目標。此外，節點的通信范圍也很有限，隨著通信范圍的增大，通信功耗急劇增加。由于傳感器節點使用的處理器是嵌入式處理器，體積小，計算能力相對薄弱，存儲容量也比較小。此外，傳感器網絡還具有可靠性低、以數據為中心等特點。

2 無線傳感器網絡國內外研究現狀

無線傳感器網絡具備較高的科研價值和廣泛的應用前景，它的出現引發了國內外的廣泛關注，雖然其研究歷史不長，但發展非常迅速。

2.1 國外研究現狀

1999年美國國防部提出了“智能塵埃”的概念，最早開始無線傳感器網絡技術的研究，目的是監控敵方的活動狀況而不被察覺。“靈巧傳感器網絡通信”計劃是2001年被美國陸軍提出的，就是將無人值守式彈藥、傳感器以及未來戰斗系統所用的機器人系統連成網絡，從而提高未來戰斗系統的生存能力。2002年，英特爾專門向外界發布了發展規劃，稱其會把傳感器網絡的研究重點放在森林火災監測和醫學預防等方面。同年歐盟提出為期3年的EYES計劃，著重對無線傳感器網絡的構架、節點的協作、網絡協議和安全等進行研究。

在學術界，2003年美國科學基金委員會斥巨資制定了無線傳感網研究計劃來支持微型傳感器網絡的發展，研究領域涉及能夠感知生物攻擊、有毒化學物等的傳感器節點、分布環境下傳感網的特性等問題。2005年，在網絡技術和系統的研究計劃中，資助4000萬美元來探究下一代可靠性高、安全可擴展的網絡、可編程的無線網及傳感器系統的網絡特性。哈佛大學、康奈爾大學和麻省理工學院等美國名校也成立了研究小組在無線傳感器網絡方面開展了大量的工作。除了高校和科研機構外，國外的知名企業也都先后參與開展了該領域的研究。克爾斯博公司率先進行無線傳感器網絡研究，Crossbow公司也與微軟、英特爾、加州大學伯克利分校都建立了合作關系。

2.2 國內研究現狀

我國的無線傳感器網絡研究相對國外而言起步較晚，直到2002年以后才開始初步探索。在國內，較早進行傳感器網絡相關研究的高校和科研機構有清華大學、浙江大學、北京大學以及中科院計算和軟件所等，他們主要在時間同步與定位、傳感器數據管理等領域展開研究。與此同時，重慶大學也開始研究嵌入式無線傳感器網絡節點、無線傳感器中的定位、可重構技術等。2004年，一項無線傳感器網絡項目被中國國家自然科學基金委員會列為重點研究項目；2005年，無線傳感器網絡基礎理論和關鍵技術被列入計劃；2006年，水下移動傳感器網絡的關鍵技術被列為重點研究項目。國家發改委下一代互聯網示范工程中，也部署了無線傳感網相關課題。2006年初發布的《國家中長期科學與技術發展規劃綱要》為信息技術確定了三個前沿方向，有兩個（即自組織網絡技術和智能感知技術）屬于無線傳感器方面的研究。國內也有越來越多的企事業單位（如北京鑫諾金、成都無線龍科技、寧波中科等公司）開始積極投身于傳感器網絡技術的研究。

3 無線傳感器網絡關鍵技術

作為當今信息科學與計算機網絡領域的研究熱點，無線傳感器網絡的關鍵技術具有多技術融合、跨學科交叉等特征，每項關鍵技術都亟待突破[7]。目前無線傳感器網絡的關鍵技術有節能技術、網絡拓撲控制、網絡協議、網絡安全、時間同步、定位技術、數據融合、數據管理、應用層技術等，可歸結為網絡通信協議、網絡管理技術和網絡支撐技術三個方面。具體如表1所示。

表1 無線傳感器網絡關鍵技術

3.1 網絡通信協議

由于無線傳感器網絡節點通信距離比較短（覆蓋半徑約為幾十米到兩百米），在節點能量嚴重受限的情況下，整個網絡的使用壽命將會被網絡通信協議的優劣所影響。目前網絡通信協議框架包括五層：物理層、數據鏈路層、網絡層、傳輸層和應用層，重點研究數據鏈路層和網絡層協議，其中數據鏈路層協議完成底層基礎結構的構建，主要功能是成幀、分幀、介質訪問控制（MAC）與差錯控制，為網絡層提供可靠的數據傳輸鏈路。網絡層的路由協議主要負責路由的建立和維護，決定著監測信息的傳輸路徑。

3.2 數據融合

無線傳感器網絡不同于一般數據傳輸網絡的顯著特點就是可以通過網內處理對數據進行融合。由于無線傳感器網絡由大量密集的傳感器節點構成，數據冗余度高，通過數據融合不僅能減少帶寬占用和數據傳輸總量，而且還能有效降低能耗，大大延長網絡生命周期。傳統的數據融合模型雖然考慮降低數據冗余，但存在融合耗能不均勻的問題，因此，如何有效分配數據融合任務，設計延長網絡生命周期的融合路徑機制成為研究的重要方向。

3.3 節點定位

節點定位作為無線傳感網絡的關鍵技術之一，就是為了確定事件發生的位置或數據采集節點的位置信息。在智能交通、環境監測、緊急救援等傳感器網絡的應用場景中，都需要網絡節點能夠準確地提供自身的位置坐標。常用的定位方法分為基于測距的定位和非測距定位方法。現有的算法多是基于靜止節點的，文獻[8]將關注點轉向移動節點的定位算法研究。

3.4 時間同步

時間同步技術也是保證傳感器節點間能夠協調操作、共同完成一項復雜任務的關鍵，傳感器數據融合及節點自身定位等具體應用均要求節點間的時鐘保持同步。目前廣泛用于網絡時間同步的方法GPS和NTP沒有考慮傳感器網絡的特點,且需要較大的資源開銷，因此并不適合直接用于無線傳感器網絡中。根據一對節點間同步的不同實現機制，典型的時間同步算法可分為三類：基于receiver-receiver的同步算法、基于pair-wise的同步算法和基于sender-receiver的單向（one-way）同步算法。雖然現有的同步算法已取得了一些進展，未來還需要在網絡的規模、可變拓撲及性能評價等方面進行更深入的研究。

4 無線傳感器網絡應用領域

無線傳感器網絡自組織、自愈合、部署簡單等特性，使它能夠適應復雜多變的環境，在軍事、工業、農業、生活等領域得到了廣泛的應用。

4.1 軍事領域

無線傳感器網絡最初起源于軍事領域，具有快速部署、定位精度高、抗毀性強、實時性等優勢，非常適合復雜多變的戰場環境，進行目標定位、地形勘察、實時監控、戰場評估等任務。大量的傳感器節點可以通過飛機布撒在需要監測的區域中去，將大量的數據收集、融合之后，把最終的結果傳送給指揮中心，為指揮員進行決策提供真實可靠的依據。無線傳感器網絡已經成了國防等軍事領域至關重要的一部分，受到軍隊的廣泛關注。相關的應用有：美軍開展的C4KISR計劃、網狀傳感器系統CEC、Smart Sensor Web和無人值守地面傳感器群等。

4.2 環境監測

環境問題與大家的健康息息相關，已引起人們的廣泛關注，因此通過技術手段對環境指標進行監控，意義重大。但是在傳統方式下采集環境數據是很困難的，尤其是在深海、地形復雜的情況下。通過無線傳感器網絡能夠避免人為的干擾給原始的環境系統造成的侵害，實現對環境的精確監控，包括農作物的灌溉、動物的迀移、土壤分析、海洋監測、地表監測等。2002年，英特爾公司在俄勒岡州創建了世界上第一個無線葡萄園，通過對分布在園中各角落的傳感器節點數據的不斷監測，確保葡萄的健康生長。

4.3 智能家居

在智能家居方面，無線傳感器網絡同樣扮演了十分重要的角色。傳感器網絡節點可以方便地安裝在建筑物內，可以通過對家庭電子設備的遠程控制，及時了解室內環境參數，為家居環境控制和危險報警提供依據。無線傳感器網絡還能用來構建智能家居，對房間內的溫濕度、壓力、光照強度和空氣質量等做詳細監測，同時配合智能微波爐、洗衣機、空調等家電的控制，為人們提供一個舒適的居住環境，提高家庭生活質量。此外，在文物保護方面，確保展品的安全成為無線傳感器網絡的首要任務。

4.4 健康監護

通過無線傳感器網絡可以遠程及時跟蹤患者的健康狀況，對病人的血壓、呼吸、體溫、脈搏等健康指標進行實時監控，讓醫生掌握患者的病情以便及時處理。此外，如果長期對患者的各項生理指標進行監測，也可以及時收集第一手資料，為新藥研制提供重要參考依據。

5 結束語

無線傳感器網絡是21世紀產生巨大影響的技術之一，集信息獲取、處理和傳輸為一體，由于其成本低、自組織、隱蔽性強等優勢，被廣泛地應用于醫療保健、抗險救災、環境監測和預報、智能家居等其它諸多方面，隨著相關研究的日趨成熟，未來的發展潛力和應用前景會更加廣闊。

[1]洪鋒，褚紅偉，金宗科等．無線傳感器網絡應用系統最新進展綜述[J]．計算機研究與發展，2010，47．

[2]李釗，韋瑋．無線傳感器網絡及關鍵技術綜述[J]．空間電子技術，2006，1．

[3]司海飛，楊忠，王珺．無線傳感器網絡研究現狀與應用[J]．機電工程，2011，1．

[4]段中興．物聯網傳感技術[M]．中國鐵道出版社，2014．

[5]尚鳳軍．無線傳感器網絡通信協議[M]．電子工業出版社，2011．

[6]Robert Faludi．Arduino無線傳感器網絡實踐指南[M]．機械工業出版社，2013．

[7]錢志鴻，王義君．面向物聯網的無線傳感器網絡綜述[J]．電子與信息學報，2013，1．

[8]王成成．基于蒙特卡洛方法的移動無線傳感器網絡節點定位技術研究[D]．山東大學，2014．

Review on Research Status andApplication of Wireless Sensor Networks

Zhao Na
(Qinghai College ofArchitectural Technology，Xining 810012，Qinghai)

As an important part of Internet of Things,wireless sensor networks has a very wide range of applications,so more and more industry and academia are engaged in the development.Firstly the basic concepts and characteristic of wireless sensor networks are introduced,then the research status and the key technology of wireless sensor networks are analyzed.Finally,the application fields of wireless sensor networks are described so as to provide reference for the research personnel.

wireless sensor networks；sensor node；energy；research status

TP393

：A

1008-66609(2015)04-0047-03

趙娜，女，河南鎮平人，碩士，副教授，研究方向：數據挖掘、大數據、無線傳感器網絡。