1、簡介編輯介紹

　　傳感器網絡實現了數據的采集、處理和傳輸三種功能。它與通信技術和計算機技術共同構成信息技術的三大支柱。

　　無線傳感器網絡（Wireless Sensor Network, WSN）是由大量的靜止或移動的傳感器以自組織和多跳的方式構成的無線網絡，以協作地感知、采集、處理和傳輸網絡覆蓋地理區域內被感知對象的信息，

　　并最終把這些信息發送給網絡的所有者。

　　無線傳感器網絡所具有的眾多類型的傳感器，可探測包括地震、電磁、溫度、濕度、噪聲、光強度、壓力、土壤成分、移動物體的大小、速度和方向等周邊環境中多種多樣的現象。潛在的應用領域可以歸納為: 軍事、航空、防爆、救災、環境、醫療、保健、家居、工業、商業等領域。[1]定義

　　WSN是wireless sensor network的簡稱，即無線傳感器網絡。

　　無線傳感器網絡就是由部署在監測區域內大量的廉價微型傳感器節點組成，通過無線通信方式形成的一個多跳的自組織的網絡系統，其目的是協作地感知、采集和處理網絡覆蓋區域中被感知對象的信息，并發送給觀察者。傳感器、感知對象和觀察者構成了無線傳感器網絡的三個要素[2]。

　　著微機電系統（Micro-Electro-Mechanism System，MEMS）、片上系統（SOC，System on Chip）、無線通信和低功耗嵌入式技術的飛速發展，孕育出無線傳感器網絡（Wireless Sensor Networks，WSN），并以其低功耗、低成本、分布式和自組織的特點帶來了信息感知的一場變革。無線傳感器網絡就是由部署在監測區域內大量的廉價微型傳感器節點組成，通過無線通信方式形成的一個多跳自組織網絡。

　　很多人都認為，這項技術的重要性可與因特網相媲美：正如因特網使得計算機能夠訪問各種數字信息而可以不管其保存在什么地方，傳感器網絡將能擴展人們與現實世界進行遠程交互的能力。它甚至被人稱為一種全新類型的計算機系統，這就是因為它區別于過去硬件的可到處散布的特點以及集體分析能力。然而從很多方面來說，現在的無線傳感器網絡就如同遠在1970年的因特網，那時因特網僅僅連接了不到200所大學和軍事實驗室，并且研究者還在試驗各種通訊協議和尋址方案。而現在，大多數傳感器網絡只連接了不到100個節點，更多的節點以及通訊線路會使其變得十分復雜難纏而無法正常工作。另外一個原因是單個傳感器節點的價格目前還并不低廉，而且電池壽命在最好的情況下也只能維持幾個月。不過這些問題并不是不可逾越的，一些無線傳感器網絡的產品已經上市，并且具備引人入勝的功能的新產品也會在幾年之內出現。

　　無線傳感器網絡所具有的眾多類型的傳感器，可探測包括地震、電磁、溫度、濕度、噪聲、光強度、壓力、土壤成分、移動物體的大小、速度和方向等周邊環境中多種多樣的現象?；贛EMS的微傳感技術和無線聯網技術為無線傳感器網絡賦予了廣闊的應用前景。這些潛在的應用領域可以歸納為:軍事、航空、反恐、防爆、救災、環境、醫療、保健、家居、工業、商業等領域。

2、發展歷史

　　中國物聯網校企聯盟認為，傳感器網絡的發展歷程分為以下三個階段：傳感器→無線傳感器→無線傳感器網絡（大量微型、低成本、低功耗的傳感器節點組成的多跳無線網絡）

　　第一階段:最早可以追溯至越戰時期使用的傳統的傳感器系統。當年美越雙方在密林覆蓋的“胡志明小道”進行了一場血腥較量，“胡志明小道”是胡志明部隊向南方游擊隊輸送物資的秘密通道，美軍對其進行了狂轟濫炸，但效果不大。后來，美軍投放了2萬多個“熱帶樹”傳感器。“熱帶樹”實際上是由震動和聲響傳感器組成的系統，它由飛機投放，落地后插入泥土中，只露出偽裝成樹枝的無線電天線，因而被稱為“熱帶樹”。只要對方車隊經過，傳感器探測出目標產生的震動和聲響信息，自動發送到指揮中心，美機立即展開追殺，總共炸毀或炸壞4.6萬輛卡車。

　　第二階段:二十世紀80年代至90年代之間。主要是美軍研制的分布式傳感器網絡系統、海軍協同交戰能力系統、遠程戰場傳感器系統等。這種現代微型化的傳感器具備感知能力、計算能力和通信能力。 因此在1999年，商業周刊將傳感器網絡列為21世紀最具影響的21項技術之一 。

　　第三階段:21世紀開始至今，也就是9·11事件之后。這個階段的傳感器網絡技術特點在于網絡傳輸自組織、節點設計低功耗。除了應用于反恐活動以外，在其它領域更是獲得了很好的應用，所以2002年美國國家重點實驗室－－橡樹嶺實驗室提出了“網絡就是傳感器”的論斷。

　　由于無線傳感網在國際上被認為是繼互聯網之后的第二大網絡，2003年美國《技術評論》雜志評出對人類未來生活產生深遠影響的十大新興技術，傳感器網絡被列為第一 。

　　在現代意義上的無線傳感網研究及其應用方面，我國與發達國家幾乎同步啟動，它已經成為我國信息領域位居世界前列的少數方向之一。在2006年我國發布的《國家中長期科學與技術發展規劃綱要》中，為信息技術確定了三個前沿方向，其中有兩項就與傳感器網絡直接相關，這就是智能感知和自組網技術。當然，傳感器網絡的發展也是符合計算設備的演化規律。

3、特點

　　大規模

　　為了獲取精確信息，在監測區域通常部署大量傳感器節點，可能達到成千上萬，甚至更多。傳感器網絡的大規模性包括兩方面的含義：一方面是傳感器節點分布在很大的地理區域內，如在原始大森林采用傳感器網絡進行森林防火和環境監測，需要部署大量的傳感器節點；另一方面，傳感器節點部署很密集，在面積較小的空間內，密集部署了大量的傳感器節點。

　　傳感器網絡的大規模性具有如下優點：通過不同空間視角獲得的信息具有更大的信噪比；通過分布式處理大量的采集信息能夠提高監測的精確度，降低對單個節點傳感器的精度要求；大量冗余節點的存在，使得系統具有很強的容錯性能；大量節點能夠增大覆蓋的監測區域，減少洞穴或者盲區。

　　自組織

　　在傳感器網絡應用中，通常情況下傳感器節點被放置在沒有基礎結構的地方，傳感器節點的位置不能預先精確設定，節點之間的相互鄰居關系預先也不知道，如通過飛機播撒大量傳感器節點到面積廣闊的原始森林中，或隨意放置到人不可到達或危險的區域。這樣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，通過拓撲控制機制和網絡協議自動形成轉發監測數據的多跳無線網絡系統。

　　在傳感器網絡使用過程中，部分傳感器節點由于能量耗盡或環境因素造成失效，也有一些節點為了彌補失效節點、增加監測精度而補充到網絡中，這樣在傳感器網絡中的節點個數就動態地增加或減少，從而使網絡的拓撲結構隨之動態地變化。傳感器網絡的自組織性要能夠適應這種網絡拓撲結構的動態變化。

　　動態性

　　傳感器網絡的拓撲結構可能因為下列因素而改變：①環境因素或電能耗盡造成的傳感器節點故障或失效；②環境條件變化可能造成無線通信鏈路帶寬變化，甚至時斷時通；③傳感器網絡的傳感器、感知對象和觀察者這三要素都可能具有移動性；④新節點的加入。這就要求傳感器網絡系統要能夠適應這種變化，具有動態的系統可重構性。

　　可靠性

　　WSN特別適合部署在惡劣環境或人類不宜到達的區域，節點可能工作在露天環境中，遭受日曬、風吹、雨淋，甚至遭到人或動物的破壞。傳感器節點往往采用隨機部署，如通過飛機撒播或發射炮彈到指定區域進行部署。這些都要求傳感器節點非常堅固，不易損壞，適應各種惡劣環境條件。

　　由于監測區域環境的限制以及傳感器節點數目巨大，不可能人工“照顧”每個傳感器節點，網絡的維護十分困難甚至不可維護。傳感器網絡的通信保密性和安全性也十分重要，要防止監測數據被盜取和獲取偽造的監測信息。因此，傳感器網絡的軟硬件必須具有魯棒性和容錯性。

　　以數據為中心

　　互聯網是先有計算機終端系統，然后再互聯成為網絡，終端系統可以脫離網絡獨立存在。在互聯網中，網絡設備用網絡中惟一的IP地址標識，資源定位和信息傳輸依賴于終端、路由器、服務器等網絡設備的IP地址。如果想訪問互聯網中的資源，首先要知道存放資源的服務器IP地址?？梢哉f現有的互聯網是一個以地址為中心的網絡。

　　傳感器網絡是任務型的網絡，脫離傳感器網絡談論傳感器節點沒有任何意義。傳感器網絡中的節點采用節點編號標識，節點編號是否需要全網惟一取決于網絡通信協議的設計。由于傳感器節點隨機部署，構成的傳感器網絡與節點編號之間的關系是完全動態的，表現為節點編號與節點位置沒有必然聯系。用戶使用傳感器網絡查詢事件時，直接將所關心的事件通告給網絡，而不是通告給某個確定編號的節點。網絡在獲得指定事件的信息后匯報給用戶。這種以數據本身作為查詢或傳輸線索的思想更接近于自然語言交流的習慣。所以通常說傳感器網絡是一個以數據為中心的網絡。

　　例如，在應用于目標跟蹤的傳感器網絡中，跟蹤目標可能出現在任何地方，對目標感興趣的用戶只關心目標出現的位置和時間，并不關心哪個節點監測到目標。事實上，在目標移動的過程中，必然是由不同的節點提供目標的位置消息。

　　集成化

　　傳感器節點的功耗低，體積小，價格便宜，實現了集成化。其中，微機電系統技術的快速發展為無線傳感器網絡接點實現上述功能提供了相應的技術條件，在未來，類似“灰塵”的傳感器節點也將會被研發出來。

　　具有密集的節點布置

　　在安置傳感器節點的監測區域內，布置有數量龐大的傳感器節點。通過這種布置方式可以對空間抽樣信息或者多維信息進行捕獲，通過相應的分布式處理，即可實現高精度的目標檢測和識別。另外，也可以降低單個傳感器的精度要求。密集布設節點之后，將會存在大多的冗余節點，這一特性能夠提高系統的容錯性能，對單個傳感器的要求得到了大大降低。最后，適當將其中的某些節點進行休眠調整，還可以延長網絡的使用壽命。

　　協作方式執行任務

　　這種方式通常包括協作式采集、處理、存儲以及傳輸信息。通過協作的方式，傳感器的節點可以共同實現對對象的感知，得到完整的信息。這種方式可以有效克服處理和存儲能力不足的缺點，共同完成復雜任務的執行。在協作方式下，傳感器之間的節點實現遠距離通信，可以通過多跳中繼轉發，也可以通過多節點協作發射的方式進行.

　　自組織方式

　　之所以采用這種工作方式，是由無線傳感器自身的特點決定的。由于事先無法確定無線傳感器節點的位置，也不能明確它與周圍節點的位置關系，同時，有的節點在工作中有可能會因為能量不足而失去效用，則另外的節點將會補充進來彌補這些失效的節點，還有一些節點被調整為休眠狀態，這些因素共同決定了網絡拓撲的動態性。這種自組織工作方式主要包括：自組織通信，自調度網絡功能以及自管理網絡等。

　　無線傳感器

　　無線傳感器網絡中，節點的喚醒方式有以下幾種：

　?。?）全喚醒模式：這種模式下，無線傳感器網絡中的所有節點同時喚醒，探測并跟蹤網絡中出現的目標，雖然這種模式下可以得到較高的跟蹤精度，然而是以網絡能量的消耗巨大為代價的。

　?。?）隨機喚醒模式：這種模式下，無線傳感器網絡中的節點由給定的喚醒概率p隨機喚醒。

　?。?）由預測機制選擇喚醒模式：這種模式下，無線傳感器網絡中的節點根據跟蹤任務的需要，選擇性的喚醒對跟蹤精度收益較大的節點，通過本拍的信息預測目標下一時刻的狀態，并喚醒節點。

　?。?）任務循環喚醒模式：這種模式下，無線傳感器網絡中的節點周期性的出于喚醒狀態，這種工作模式的節點可以與其他工作模式的節點共存，并協助其他工作模式的節點工作。

　　其中由預測機制選擇喚醒模式可以獲得較低的能耗損耗和較高的信息收益。

　　功能

　　WSN并不界定網路型態，也就是可以是star、mesh、P2P或綜合以上型態的網路，但都一定具備下列的功能：

　　1. Sensors/microcontroller：偵測、搜集以及處理環境中的資料，例如偵測溫度、濕度等等。

　　2. Radio frequency：節點或gateway用以收發資料。

　　3. Software：包含在節點端的嵌入式系統以及使用者端的管理程式，軟體確保資料感測的功能進行順利以及提供容易閱讀的介面。

　　應用相關

　　傳感器網絡用來感知客觀物理世界，獲取物理世界的信息量?？陀^世界的物理量多種多樣，不可窮盡。不同的傳感器網絡應用關心不同的物理量，因此對傳感器的應用系統也有多種多樣的要求。

　　無線傳感器網絡

　　不同的應用對傳感器網絡的要求不同，其硬件平臺、軟件系統和網絡協議必然會有很大差別。所以傳感器網絡不能像因特網一樣，有統一的通信協議平臺。對于不同的傳感器網絡應用雖然存在一些共性問題，但在開發傳感器網絡應用中，更關心傳感器網絡的差異。只有讓系統更貼近應用，才能做出最高效的目標系統。針對每一個具體應用來研究傳感器網絡技術，這是傳感器網絡設計不同于傳統網絡的顯著特征。

　　無線傳感網絡有著許多不同的應用。在工業界和商業界中，它用于監測數據，而如果使用有線傳感器，則成本較高且實現起來困難。無線傳感器可以長期放置在荒蕪的地區，用于監測環境變量，而不需要將他們重新充電再放回去。

　　無線傳感網絡的應用包括視頻監視，交通監視，航空交通控制，機器人學,汽車，家居健康監測和工業自動化。在環境監控中一個典型的應用就是傳感網（Sensor Web，或SW）。傳感器網絡可以用來監視有效利用電力，如日本的例子。

4、結構

　　傳感器網絡系統通常包括傳感器節點EndDevice、匯聚節點Router和管理節點Coordinator。

　　大量傳感器節點隨機部署在監測區域內部或附近，能夠通過自組織方式構成網絡。傳感器節點監測的數據沿著其他傳感器節點逐跳地進行傳輸，在傳輸過程中監測數據可能被多個節點處理，經過多跳后路由到匯聚節點，最后通過互聯網或衛星到達管理節點。用戶通過管理節點對傳感器網絡進行配置和管理，發布監測任務以及收集監測數據。

　　傳感器節點

　　處理能力、存儲能力和通信能力相對較弱，通過小容量電池供電。從網絡功能上看，每個傳感器節點除了進行本地信息收集和數據處理外，還要對其他節點轉發來的數據進行存儲、管理和融合，并與其他節點協作完成一些特定任務。

　　匯聚節點

　　匯聚節點的處理能力、存儲能力和通信能力相對較強，它是連接傳感器網絡與Internet 等外部網絡的網關，實現兩種協議間的轉換，同時向傳感器節點發布來自管理節點的監測任務，并把WSN收集到的數據轉發到外部網絡上。匯聚節點既可以是一個具有增強功能的傳感器節點，有足夠的能量供給和更多的、Flash和SRAM中的所有信息傳輸到計算機中，通過匯編軟件，可很方便地把獲取的信息轉換成匯編文件格式，從而分析出傳感節點所存儲的程序代碼、路由協議及密鑰等機密信息，同時還可以修改程序代碼，并加載到傳感節點中。

　　管理節點

　　管理節點用于動態地管理整個無線傳感器網絡。傳感器網絡的所有者通過管理節點訪問無線傳感器網絡的資源。

　　無線傳感器測距

　　在無線傳感器網絡中，常用的測量節點間距離的方法主要有TOA（Time of Arrival），TDOA（Time Difference of Arrival）、超聲波、RSSI（Received Sig nalStrength Indicator）和TOF（Time of Light）等。