[关键词]无线传感器网络网络协议能量管理
中图分类号:TP3文献标识码:A文章编号:1671-7597(2009)11100067-01
一、无线传感器网络的定义
无线传感器网络是由大量的具有特定功能的传感器节点通过自组织的无线通讯方式,相互传递信息,协同的完成特定功能的智能专用网络[1]。它可以实时的监测,感知和采集网络所监控区域内的各种环境或监测对象的信息,并对收集到的信息进行处理后传送给终端用户。
二、无线传感器网络的结构
无线传感器网络系统基本包括传感器节点(sensor node),汇聚节点(sink node)和管理节点,其结构如图1所示。大量的传感器节点随机的布置在检测区域,节点以自组织的形式构成网络,通过多条中继方式将检测到的数据传送到汇聚节点,最后通过Internet或其他网络通讯方式将检测信息传送到管理节点。同样的,用户可以通过管理节点进行命令的,告知传感器节点收集检测信息[2]。
传感器节点是一个具有信息采集,处理和通信能力的微型嵌入式计算机系统,但是受限于携带电池能量有限的原因,其处理能力相对较弱。结构如图2所示。从网络功能上看,每个传感器节点除了要处理本地的信息,还需要协助其他节点进行转发和处理信息。
三、无线传感器网络的几个具体关键问题
(一)物理层协议。无线传感器网络是一个开放系统互联,按照国际标准化组织(ISO)的规定,为数据流传输所需的物理连接的建立、维护和释放提供的机械的、电气的、功能和规程性的模块就叫做物理层。从这个定义可以看出,物理层需要承担为数据终端提供数据传输通路、传输数据和完成管理工作的职责。具体到无线传感器网络就是介质的选择、频段的选择、调制技术以及扩频技术。因为是无线网络,传输介质自然要选电磁波了。不过,源信号要依靠电磁波传输必需要通过调制技术变成高频信号,当抵达接受端时,又通过解调技术还原成原始信号。目前采用的调制方法分为模拟调制和数字调制两种。它们的区别就在于调制信号所用的基带信号的模式不同而已(一为数字,一为模拟)。
(二)MAC层协议[3]。信号的传输要靠信道,因此信道也就成为了一种宝贵的资源。怎样合理有效的分配信道,就是数据链路层中的MAC子层要解决的问题了。
无线传感器网络经常使用的有三种MAC协议:传感器协议(S-MAC),分布式能量意识协议(DE-MAC)和协调设备协议。S-MAC协议通过调配节点的休眠方式来有效地分配信道;DE-MAC则采用周期性监听和休眠机制,避免空闲监听和串音,其目的是减少能耗和增加网络的生存周期;MD协议则能为大规模、低占空比运行的节点提供了不需要高精度时钟的可靠通信。
总体来说,无线传感器网络的MAC协议在分配信道的同时还要保证系统的能耗最低。
(三)路由。在具备底层传输协议的保障后,信息怎样快速地从源传输到目的地就是由路由协议来解决了。简单来说,路由要实现两个基本功能:确定最佳路径和通过网络传输信息。数据传输的途径存于路由表,由路由算法初始化并负责维护。
无线传感器网络与普通的网络不同,它有自己的特点:比如能量受限,通信方式以数据为中心,相邻节点的数据有着相似性,拓扑结构也在不断的变化等。与此对应,常规网络的路由并不一定能适应无线传感器网络。
下面来介绍几种常见的路由协议:
1.泛洪式路由。这是一种非常传统的路由协议。泛洪式路由不进行维护网络拓扑和相关路由计算,只负责以广播形式转发数据包,因此效率并不高。
2.SPIN。SPIN是一组基于协商并且具有能量自适应功能的协议。节点之间通过协商来确定是否有发送信号的必要,并实时监控网络中的能量负载来改变工作模式。以上两种协议都是平面路由协议,依照这种协议,节点并不进行分区归类。
3.LEACH。LEACH是一种分层网络协议,它以循环的方式随机选择簇首节点,将全网络的能量负载平均分配到每个传感器节点,从而达到降低网络能源消耗的目的。这里要解释一下簇,簇是分层路由协议的概念,根据分层路由协议,网络被划分成不同簇,每一个簇由一个簇首和簇成员组成,多个簇首形成高级的网络,簇首节点不仅负责其辖下簇内信息的收集和融合处理,还负责簇之间数据的转发。
4.PEGASIS。PEGASIS可谓LEACH的升级版本。按照其规定,只有最为邻近的节点才相互通信,节点与汇聚点轮流通信,当所有的节点都与汇聚点通信后,节点再进行新一回合的轮流通信。
(四)软件的支持[4]。无线传感器网络也有一个属于自己的操作系统TinyOS。这个系统不同于传统意义上的操作系统,它更像一个编程构架,在此构架下,搭配一组必要的组件,就能方便地编译出面向特定应用的操作系统。
TinyOS由众多组件组成,包括了主组件、应用组件、执行组件、传感组件、通信组件和硬件抽象组件。每一个组件在其内部都封装了命令处理程序和事件处理程序,它们通过接口声明所调用的命令和将要触发的事件。调度器则负责根据任务的轻重缓急来安排系统的工作。
四、结束语
无线传感器网络这种新兴的技术发展迅猛,已经成为无线网络研究的热点。在全球范围内此技术目前基本处于理论研究和实验室试验阶段,国内的研究起步也开始不久,从理论上和实际应用都有待于深入研究。
参考文献:
[1]孙利民,无线传感器网络[M].北京:清华大学出版社,2005.
[2]赵志强,无线传感器网络结构及关键技术介绍[J].苏州职业大学学报,2007.
[3]林小兰、肖明波,无线传感器网络MAC层协议的分析比较[J].现代电子技术,2007.
[4]李世晗、白跃宾、钱德沛,无线传感器网络软件技术研究[J].计算机应用研究,2007.
作者简介:
【关键词】无线传感器网络;特点;应用
0.引言
随着传感器技术、微电子技术、嵌入式计算技术和通信技术等几种技术的融合和汇聚，具有感知信息、数据处理、存储和通信能力的微型传感器被应用于国防军事、工业生产、环境监测等多个领域。无线传感器网络(Wireless Sensor Networks ,WSN)是由一组稠密布置的微型传感器组成的无线自组织网络，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖的地理区域内感知对象的信息，并给观察者。相对于有线传感器网络而言，无线传感器网络具有成本低、应用灵活、部署快速等优点，具有很大的应用空间。无线传感器网络已在军事、安全、环境、工业、交通、健康和家居等领域，有着广泛的应用。
1.无线传感器网络的体系结构及特点
1.1无线传感器网络的结构
无线传感器网络由大量集传感与驱动控制、计算存储、通信于一体的的嵌入式传感器节点构成。这些传感器节点通常包括传感器节点、网络协调器节点和应用管理器节点。应用时，传感器节点分布在不同的角落，采集节点周边的温度、湿度、光强度、噪声、压力、速度等物理信息，各传感器节点将采集到的信息发送给特定的对象。图1为无线传感器网络的结构。
图1 无线传感器网络结构
传感器节点具有信息采集和处理的能力，是由传感器模块、数据处理模块和无线通信模块组成的微系统。传感器模块负责采集外界环境的物理信息并将物理信号转换为数字信号；数据处理模块对数字信号进行编码等处理；无线通信模块负责将信息传送到网络中。传感器节点实质是以自组织的形式构成无线网络。网络协调器节点具有信息处理能力和网络管理能力，实现传感器节点与应用管理器节点之间信息的交换。应用管理器节点是用户于传感器网络的接口。用户通过应用管理器节点实现处理无线传感器网络采集到的信息和向无线传感器网络应用指令的交互。
1.2无线传感器的特点
无线传感器网络能够得到广泛的应用，因其具有以下特点：
1.2.1节点规模大、节点体积小
无线传感器网络中传感器节点密度高，数量巨大，可能达到几百、几千万，甚至更多。体积小是无线传感器网络节点一个重要特点，也是实现大量部署的内在要求。
1.2.2自组织
无线传感器网络根据组网机制和网络协议自动对网络进行配置和管理，传感器节点有自组织能力，能够自动形成无线通信系统不需要固定的基础设施作为网络枢纽。
1.2.3能适应复杂环境
传感器网络主要分布在各种条件恶劣的环境，如军事边界或者一些人员难以进入地区。同时，节点容易受高山、建筑物、障碍物等地势地貌以及风雨雷电等自然环境的影响。
1.2.4部署容易且成本低
只需要在目标区域进行随机部署，不需要指定特定的位置。相对于有线网络传输，无线网络传输降低了各种成本。
1.2.5可靠性高
无线传感器节点资源有限，其生命周期主要取决于电池。对无线传感器节点进行维护、回收和替换的可能性很小。因此，无线传感器网络要具有信息传输的高度可靠性和对节点失效的高度容错性。
2.无线传感器网络的应用
2.1军事建设
无线传感器网络以其快速布署、自组织和容错等特点，成为军事通信控制系统的重要组成部分，可用于兵力、装备弹药和物资的监控，阵地和敌情的侦查，战场的监视，生物化学攻击的判断、目标的指示，战损的评估等。
2.2工农业生产
通过传感器监测设备的震动、和磨损情况，可以迅速得到设备的健康状态;通过在生产线上布署传感器网络，可以方便的实现在线质量控制。无线传感器网络为提高设备性能、提升产品质量、降低成本，提供了一种很好的技术方案。
我国是一个农业大国，深化现代技术在农业中的应用，对推进我国农业生产产业化和现代化进程具有重要作用。将无线传感器网络技术应用于现代农业，可实现农业信息采集以及远程传输，为科学决策提供可靠依据。
2.3环境监测
在环境科学研究中，无线传感器网络为大规模野外数据采集和气候气象监测提供了便利，可用于跟踪候鸟、小型动物和昆虫的迁徙地球探测，林火和洪水监测等。如美国Berkley等单位在美国缅因州的GreatDuck岛对海燕栖息地的生态环境监测；肯尼亚MPala研究中心对大规模野生动物(野马，斑马等)的栖息地进行考察研究；挪威对冰河观测以了解地球气候的变化。
2.4安全监控
通过在监控藏所部署无线传感器网络，利用场所附近的声音、震动、光、温度等物理信息的变化，了解被监控对象的状态，来防止非法入侵、安全事故等。目前应用较多的是煤矿、电站、通信枢纽、行政中心等。如实时监控煤矿井下环境来进行灾害预警，实时监控井下人员和设备的位置来对其进行资源调度，并为灾后的辅助救援提供支持。
2.5智能交通
将无线传感器网络应用到智能交通系统，作为它的一个信息采集和通信子系统。这个子系统充分利用了无线传感网络覆盖范围广、灵活性好和易于大规模部署等特点，来采集全路段的车辆和路面信息。相对于有线交通信息采集通信系统而言，大幅度地降低现有交通监控网络的成本。通过车载和道路传感器的配合，驾驶者和交通控制人员可以实时地了解路况和交通信息。布置于道路上的速度识别传感器，可以监测交通流量等信息，为出行者提供信息服务，并且在发现违章时能及时报警和记录。 （下转第143页）
（上接第131页）2.6医疗健康
利用无线传感器网络节点体积小、易于植入和便于携带等特点，其可以用于医院药品控制、病人生命体征不间断采集和监测等领域。
2.7教育教学
无线传感器网络作为计算机最前沿技术之一，是泛在学习的技术支撑。无线传感器网络的网络实时性、网络自组性等为我们未来的学习方式以及教学开辟了新的思路。如乒乓球训练田、足球裁判辅助系统等可以提高教学效果。
2.8家居生活
通过布置于房间内、家电中的无线传感器网络节点，实现自组织无线传感器网络系统，感知居室不同部分的温度、湿度、光照、空气成分等信息，从而对空调、门窗以及其他家电进行自动控制，同时可实现家电之间的交互和远程控制，提供给人们舒适的居住环境。
3.结语
无线传感器网络融合了微机电、传感器、嵌入式计算、网络技术、无线通信和信息处理等技术，知识高度集成，创新度高，是在国际上前沿热点研究领域之一，应用前景广阔，对国家安全、社会进步、经济发展意义重大。这种多学科交叉融合的研究给人们提出了不少新的挑战，无线传感器网络技术的发展还有许多要攻克的难题。
【参考文献】
［1］孟庆斌. 无线传感器网络应用研究[C]. 天津大学,2009.
［2］陈闻杰.无线传感器网络及其应用研究[C].复旦大学,2006.
［3］滑楠.无线传感器网络相关理论与应用研究[C].西北工业大学,2007.
关键词：无线传感器网络；体系结构；关键技术；应用
中图分类号：TP393文献标识码：A
1概述
无线传感器网络是新一代的网络，有着非常广泛的应用前景，将来会给人类的生活和生产的各个领域带来深远影响。近十年来，无线传感器网络已经掀起了新的产业浪潮。我国未来20年预见技术的调查报告中，信息领域157项技术课题有7项与传感器网络直接相关。2006年初的《国家中长期科学与技术发展规划纲要》为信息技术确定了三个前沿方向，其中两个与无线传感器的研究直接相关，即智能感知技术和自组织网络技术。可以预计，无线传感器网络的研究与应用是一种必然趋势，它的出现将会给人类社会带来极大的变革。
2无线传感器网络的定义及体系结构
无线传感器网络的定义：无线传感器网络就是由安装在监测区域内大量的微型传感器组成，通过无线通信方式形成的一个多跳自组织的网络系统，其目的是感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息，并发送给观察者。
传感器，感知对象和观察者是传感器网络的三个基本要素。
无线传感器网络和传统无线网络有着不同的体系结构。无线传感器是由节点结构，网络结构以及网络协议体系结构来描述的。
传感器节点由四部分组成：传感器模块、处理器模块、无线通信模块和电源模块，
传感器模块负责采集监测区域内的信息，并进行数据格式的转换，将原始的模拟信号转换成数字信号，将交流信号转换成直流信号，以供后续模块使用；处理器模块又分成两部分，分别是处理器和存储器，它们分别负责处理节点的控制和数据存储的工作；无线通信模块专门负责节点之间的相互通信；电源模块为传感器节点提供能量，一般都是采用微型电池供电。
无线传感器网络系统是由传感器节点、汇聚节点和管理节点组成。大量传感器节点随机部署在监测区域，通过自组织的方式构成网络。传感器节点采集的数据通过其它传感器节点逐跳地在网络中传输，传输过程中数据可能被多个节点处理，经过多跳后路由到汇聚节点，最后通过互联网或者卫星到达数据处理中心。也可以沿着相反的方向，通过管理节点对传感器网络进行管理，监测任务以及收集监测数据。
网络协议体系结构是网络的协议分层以及网络协议的集合，是对网络及其部件应完成功能的定义与描述。由网络通信协议、传感器网络管理以及应用支撑技术组成。
分层的网络通信协议结构类似于传统的TCP/IP协议体系结构，由物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层组成。
网络管理技术主要是对传感器节点自身的管理以及用户对传感器网络的管理。网络管理模块是网络故障管理、计费管理、配置管理、性能管理的总和。其他还包括网络安全模块、移动控制模块、远程管理模块。传感器网络的应用支撑技术为用户提供各种应用支撑，包括时间同步、节点定位，以及向用户提供应用服务接口。
3无线传感器网络的特点
目前常见的无线网络包括移动通信网、无线局域网、蓝牙网络、Adhoc网络等，与无线传感器网络在通信方式、动态组网以及多跳通信等方面有许多相似之处，但同时也存在很大的差别。无线传感器网络具有许多鲜明的特点：
3.1 电源能量有限
传感器节点体积微小，电池的能量有限，且传感器节点数量多，分布区域广，部署区域环境复杂，有些区域甚至人员不能到达，所以传感器节点通过更换电池的方式来补充能源是不现实的。如何产生新的能源，最大化网络的生命周期，是传感器网络面临的首要挑战。
3.2 通信能力有限
传感器网络的通信带宽窄而且经常变化，通信覆盖范围只有几十到几百米。传感器节点之间的通信断接频繁，经常容易导致通信失败。由于传感器网络更多地受到高山、建筑物、障碍物等地势地貌以及风雨雷电等自然环境的影响，传感器可能会长时间脱离网络，离线工作。如何在有限通信能力的条件下高质量地完成感知信息的处理与传输，也是传感器网络面临的挑战。
3.3 网络规模大，分布广且计算能力有限
传感器网络中的节点分布广泛且密集，数量巨大，可能达到几百、几千万，甚至更多。这一特点使得网络的维护十分困难甚至不可维护，因此传感器网络的软、硬件必须具有高强壮性和容错性。然而传感器节点是一种微型嵌入式设备，要求价格低功耗小，这些限制必然导致其携带的处理器能力比较弱，存储器容量比较小。为了完成各种任务，传感器节点需要完成监测数据的采集和转换、数据的管理和处理、应答汇聚节点的任务请求和节点控制等多种工作。如何利用有限的计算和存储资源完成诸多协同任务成为传感器网络设计的挑战。
3.4 以数据为中心的网络和自组织、动态性网络
传感器网络的核心是感知数据，而不是网络硬件。在传感器网络中，传感器节点不需要地址之类的标识。所以传感器网络是一种以数据为中心的网络。
在传感器网络应用中，传感器节点的位置不能预先精确设定，节点之间的相互邻居关系预先也不知道，而是通过随机布撒的方式。这就要求传感器节点具有自组织能力，能够自动进行配置和管理，通过拓扑控制机制和网络协议自动形成转发监控数据的多跳无线网络系统。同时，由于部分传感器节点能量耗尽或环境因素造成失效，以及经常有新的节点加入，这就要求传感器网络必须具有很强的适应网络拓扑结构的动态变化。
传感器网络用来感知客观物理世界，获取物理世界的信息量。不同的传感器关心不同的物理量，因此对传感器的应用系统也有多种多样的要求。不同的应用背景对传感器网络的要求不同，其硬件平台、软件系统和网络协议必然有很大差别，在开发传感器网络应用时，更关心传感器网络差异。针对每个具体应用来研究传感器网络技术，这是传感器网络设计不同于传统网络的显著特征。
4无线传感器网络的关键技术及应用
4.1 无线传感器网络的关键技术
无线传感器网络目前研究的难点涉及通信、组网、管理、分布式信息处理等多个方面。主要关键技术如下：
4.1.1 网络拓扑管理
无线传感器网络是自组织的。目前的研究方向是在满足网络覆盖度和连通度的情况下，通过选择路由路径，生成一个能高效的转发数据的网络拓扑结构。拓扑管理有节点功率控制和层次型拓扑控制两种。前一种方法是控制每个节点的发射功率，均衡节点单跳可达的邻居数目。而层次型拓扑控制采用分簇机制，有一些节点作为簇头，它将作为一个簇的中心，簇内每个节点的数据都要通过它来转发。
4.1.2 网络协议
因为传感器节点具有计算能力、存储能力、通信能力且携带的能量有限，每个节点都只能获得局部网络拓扑信息，在节点上运行的网络协议也要尽可能的简单。目前研究的重点主要集中在网络层和MAC层上。网络层的路由协议主要控制信息的传输路径。好的路由协议不但能考虑到每个节点的能耗，还要能够关心整个网络的能耗均衡，使得网络的寿命尽可能的保持的长一些。MAC层协议主要控制介质访问，控制节点通信过程和工作模式。设计无线传感器网络的MAC协议首先要考虑的是节省能量和可扩展性。由于能量消耗主要发生在载波侦听，碰撞重传和接收到不需要的数据处理等方面，MAC层协议的研究也主要在如何减少上述3种情况从而降低能量消耗以延长网络和节点寿命。
4.1.3 网络安全
数据的安全性，这主要从两个方面考虑：一方面是从维护路由安全的角度出发以保证网络的安全。现已提出了一种叫“有安全意识的路由”的方法，其思想是找出真实值和节点之间的关系，然后利用这些真实值来生成安全的路由。另一方面是把重点放在安全协议方面。在具体的技术实现上，先假定基站总是正常工作的，并且总是安全的，满足必要的计算速度、存储器容量，基站功率满足加密和路由的要求；通信模式是点到点，通过端到端的加密保证了数据传输的安全性。基于以上前提，典型的安全问题可以总结为：信息被非法用户截获；一个节点遭破坏；识别伪节点；如何向已有传感器网络添加合法的节点等四个方面。
4.1.4 定位技术
位置信息是传感器节点采集数据中重要的一部分，没有位置信息的监测消息可能毫无意义。节点定位是确定传感器的每个节点的相对位置或绝对位置。节点定位在军事侦察、环境检测、紧急救援等应用中尤其重要。节点定位分为集中定位方式和分布定位方式。定位机制也必须要满足自组织性，鲁棒性，能量高效和分布式计算等要求。定位技术也主要有两种方式：基于距离的定位和距离无关的定位。其中基于距离的定位对硬件要求比较高，通常精度也比较高。距离无关的定位对硬件要求较小，受环境因素的影响也较小，虽然误差较大，但是其精度已经足够满足大多数传感器网络应用的要求，所以这种定位技术是研究的重点。
4.1.5 时间同步技术
传感器网络中的通信协议和应用，比如基于TDMA的MAC协议和敏感时间的监测任务等，要求节点间的时钟必须保持同步。有人曾提出了一种简单实用的同步策略。其基本思想是，节点以自己的时钟记录事件，随后用第三方广播的基准时间加以校正，精度依赖于对这段间隔时间的测量。这种同步机制应用在确定来自不同节点的监测事件的先后关系时有足够的精度，设计高精度的时钟同步机制是传感网络设计和应用中的一个技术难点。
4.1.6 数据融合
传感器网络为了有效的节省能量，可以在传感器节点收集数据的过程中，利用本地计算和存储能力将数据进行融合，取出冗余信息，从而达到节省能量的目的。数据融合可以在多个层次中进行。在应用层中，可以应用分布式数据库技术，对数据进行筛选，达到融合效果。在网络层中，很多路由协议结合了数据融合技术来减少数据传输量。MAC层也能减少发送冲突和头部开销来达到节省能量的目的。当然，数据融合是以牺牲延时等代价来换取能量的节约。
4.2 无线传感器网络的应用
无线传感器网络的应用前景非常广阔，随着无线传感器网络的深入研究和广泛应用，无线传感器网络将逐渐深入到人类生活的各个领域。
4.2.1 军事方面
传感器网络具有可快速部署，可自组织，隐蔽性强和高容错等特点，因此非常适合在军事上应用。传感器网络是由大量随机分布的节点组成，即使一部分传感器网络节点被敌方破坏，剩下的节点依然能够自组织地形成网络。利用传感器网络能够实现对敌军兵力和装备的监控，战场的实时监视，目标的定位，战场评估，核攻击和生物化学攻击的监测和搜索等功能。例如，传感器网络可以通过分析采集到的数据，得到十分准确的目标定位，从而为火控和制导系统提供准确的制导。利用生物和化学传感器，可以准确地探测到生化武器的成分，及时提供情报信息，有助于正确防范和实施有效的反击。
4.2.2 环境科学
随着人们对于环境的日益关注，环境科学所涉及的范围越来越广泛。通过传统方式采集原始数据是一件困难的工作。传感器网络为野外随机性的研究数据获取提供了方便，比如，跟踪候鸟和昆虫的迁移，研究环境变化对农作物的影响，监测海洋、大气和土壤的成分等。此外，传感器网络也可以应用在精细农业中，以监测农作物中的害虫、土壤的酸碱度和施肥状况等。传感器网络还有一个重要应用就是生态多样性的描述，能够进行动物栖息的生态监控。
4.2.3 智能家居
无线传感器网络还能够应用在家居系统中。例如，2004年3月英特尔公司演示了家庭护理的无线传感器网络系统。该系统通过在鞋、家具以家用电器等设备中嵌入半导体传感器，帮助老龄人士、以及残障人士的家庭生活，利用无线通信将各传感器联网可高效传递必要的信息从而方便接受护理。智能家居网络系统是将家庭中各种与信息有关的通讯设备、家用电器和家庭保安装置通过家庭总线技术连接到一个家庭智能化系统上进行集中的或者异地的监视、控制和家庭事务性管理，并保持家庭设施与住宅环境的和谐与协调的系统。
4.2.4 医疗健康
如果在住院病人身上安装特殊用途的传感器节点，如心率和血压监测设备，利用传感器网络，医生就可以随时了解被监护病人的病情，进行及时处理。还可以利用传感器网络长时间地收集人的生理数据，这些数据在研制新药品的过程中是非常有用的，而安装在被监测对象身上的微型传感器也不会给人的正常生活带来不便。此外，在药物管理等诸多方面，它也有新颖而独特的应用。总之，传感器网络为未来的远程医疗提供了更加方便、快捷的技术实现手段。
4.2.5 空间探索
探索外部星球一直是人类梦寐以求的理想，借助于航天器布撒的传感器网络节点实现对星球表面长时间的监测，应该是一种经济可行的方案。NASA的JPL实验室研制的Sensor Webs就是为将来的火星探测进行技术准备的，已在佛罗里达宇航中心周围的环境监测项目中进行测试和完善。
4.2.6 其他商业应用
自组织、微型化和对外部世界的感知能力是传感器网络的三大特点，这些特点决定了传感器网络在商业领域应该也会有不少的机会。比如，嵌入家具和家电中的传感器与执行机构组成的无线网络与Internet连接在一起将会为我们提供更加舒适、方便和具有人性化的智能家居环境；城市车辆监测和跟踪系统中成功地应用了传感器网络；美国某研究机构正在利用传感器网络技术为足球裁判研制一套辅助系统，以减小足球比赛中越位和进球的误判率，这套设备现在已经研制成功。此外，在灾难拯救、仓库管理、交互式博物馆、交互式玩具、工厂自动化生产线等众多领域，无线传感器网络都将会孕育出全新的设计和应用模式。
5结束语
由于具有覆盖区域广阔、监测高精度、可远程监控、可快速部署、可自组织和高容错性等特点，尽管目前无线传感器网络仍处于初步应用阶段，网络安全研究等方面还面临着许多不确定的因素和有待解决的问题，但已经展示出了非凡的应用价值。相信在不久的将来，会对人们的生产生活起到不可估量的作用。
参考文献：
[1] 肖俊芳. 无线传感器网络的若干关键技术研究[D]. 上海交通大学工学博士学位论文,2009.
[2] 李建中,高宏. 无线传感器网络的研究进展[J]. 计算机研究与发展, 2008(1).
[3] 王艳琴, 彭刚, 刘宇. 浅析无线传感器网络及其路由技术[J]. 电脑知识与技术, 2010(1).
[4] 杨卓静, 孙宏志, 任晨虹. 无线传感器网络应用技术综述[J]. 中国科技信息, 2010(13).
[5] 陈海光. 无线传感器网络中若干安全问题研究[D]. 复旦大学博士学位论文, 2008.
[关键词]无线传感器网络
中图分类号：TP39 文献标识码：A 文章编号：1006-0278（2013）03-171-01
一、无线传感器网络的定义
无线传感器网络（WSN，Wireless Sensor Networks）是由大量具有通信和计算能力的微型传感器节点密集分布在监控区域内部或附近，协作地监控不同位置的物理或环境状况，且能够根据周围环境自主完成指定任务的智能测控网络系统。它综合了传感器、网络通信、嵌入式计算、无线传输、分布式信息处理等领域技术，能够通过大量微型传感器协作地监测、采集和处理网络覆盖的地理区域中感知对象的信息，并把信息给用户。
二、无线传感器网络的基本特征
与数字蜂窝移动通信系统（GSM）、蓝牙（Bluetooth）、无线局域网（WLAN）等无线通信网络不同，无线传感器网络是类似于传统Ad-hoe网络，没有基站设备支持，自组织、自管理的多跳网络。无线传感器网络是Ad-Hoe网络应用在传感器技术中的一种具有动态拓扑结构的组织网络。
1.自组织的网络：无线传感器网络通常具备自组织能力；
2.自管理的网络：无线传感器网络通常具备自管理能力；
3.网络规模大，分布密集：无线传感器网络中的节点数量多于传统Ad-hoc网络中的节点数量，并且分布密度大；
4.网络节点易出错：无线传感器网络中的节点较之传统Ad-hoe网络中的节点更容易出错；
5.单个节点能力较弱：无线传感器网络的节点的计算能力、存储能力十分有限，无法进行复杂的计算和数据存储；
6.节点间广播式通信：无线传感器网络节点主要采用广播方式通信，而传统Ad-hoe网络大都采用点对点通信；
7.以数据为中心的网络：与数据为中心的含义指无线传感器网络运行时，通常只关心整个任务的执行情况，用户在使用网络查询事件时，只关心是否获得了所需的数据，不关心数据是由哪个节点发来。
三、无线传感器网络的发展
1998年，美国在先进国防研究项目局（DARPA）的一个研究项目中第一次提出无线自组织传感器网络的概念。
2000年IEEE协会成立了IEEE802.15.4工作组，其目标是开发一种供廉价的固定、便携式或者移动设备使用的低复杂度，低成本，低速率与功耗的无线传输技术。2003年IEEE推出了IEEE802.15.4的PHY物理层与MAC媒体接入控制层，其主要的特点就是低成本，易实现，可靠的近距离传输操作，而且可以在一个PAN（Personal area network，其范围为5-10米）里使用同一信道却有效避免冲突。在IEEE802.15.4里定义了两种网络节点：全功能节点与半功能节点。全功能节点可以与任何一个其它的节点进行通讯而半功能节点只能与全功能节点通讯。另外，超宽带无线通信（UWB[16]）以其高速率、低功耗、抗多径、低成本等诸多优势，已成为室内短距离无线网络的首选方案，这为WSN网络的数据传输开辟了一种崭新的方案。
关键词： 无线传感器；网络；节点
中图分类号：TN915 文献标识码：A 文章编号：1671－7597（2012）0220062－01
无线传感器网络使人们实现了耳听八方、眼看千里的梦想，在现代卫星技术出现以后，人们实现了洞察全局、明察细微设备的使用，也就职把许许多多的传感器节点等待在指定的区域，将数据借助无线电波进行传播，然后回到监控中心，在监控区域内就会收到所有的信息。
1 无线传感器网络的组成和特点
1.1 无线传感器网络组成
可以将无线传感器网络分为控制管理中心、数据分布网络和数据获取三部分。它主要有传感器、通信模块以及数据处理单元的节点进行集成，各个节点遵循自己的协议，构成了一个分布式的网络，进一步对采集到的数据进行优化，再通过无线电波传到信息处理的中心。
1.2 无线传感器网络的特点
无线传感器网络中具有较多的节点，并且它们是不断地变化的，这使它具有了和其它普通传感器网络不同的独特“个性”。
1）自行组网及没有中心的特性。在无线传感器网络中，所有节点具有平等的地位，这一网络没有预设的中心，更不会指定任何中心，各个节点借助分布式算法完成他们之间的协调，在没有人看守时，各个节点就会对网络自发组织起来，进行具体测量。2）动态变化呈网络拓扑结构。网络中的节点的变化是无时不有，无处不在的，在这种变化的环境中，它的状态也会发生相应的变化，再加上无线通信信道具有不稳定的特性，网络拓扑结构也会因此自行调整，发生一定的变化。3）有限的传输能力。无线传感器网络借助无线电波对数据完成传输，这样可以省去布线的麻烦，但是与有线网络相比较，它的不足是带宽低，这一点还需要在技术方面进行克服。然而，由于单个的节点对数据进行传输的量较小，这个缺点产生的不足还很小，人们可以接受。4）受限的能量。为了测量出比较真实的具体值，各个节点在需要测量区域呈密集性地分布，一般不采取人工补充能量的方法。每个节点自身储备了可以长期使用的能量，有的可以在外界获取相应的能量，比如太阳能的汲取。5）存在安全隐患。无线传感器网络最容易受到外界的攻击，这主要是因为分布式控制、有限的能量、无线信道的干扰。所以出现了主动入侵、被动窃听、拒绝服务等常见的攻击方式。
2 无线传感器网络的应用
2.1 军事方面的应用。对无线传感器网络进行研究，较早应用是在军事领域。因为他具有可较快地部署、自行组织、较强的隐蔽性及容错性较高的特性，所以它可以完成对敌军地形的侦察，也可以完成对兵力的布防以及对装备的侦察，还可以完成对战场的实时监视、定位，还可以完成战场评估、核攻击以及生物化学攻击的监测与搜索的功能。
2.2 环境方面的应用。对无线传感器网络的应用，可以涉及到气象及地理方面，人们对自然与人为灾害进行监测，人们要对农作物的浇和土壤、空气的变化、家禽及牲畜所在的环境情况进行监视，并通过它做大面积的地表检测，还要通过它对自然界中的各种鸟类、动物以及昆虫进行无线跟踪，对濒危种群做进一步的研究等。
美国在ALERT的计划中，研究人员对多种传感器进行了开发，并用它来对降雨量进行监测，对河水水位及土壤水分做出监测，并依据所得出的数据对一些自然灾害进行预防。
2.3 医疗方面的应用。无线传感器网络还可以对人体的各项生理数据及健康情况做出检没，借助它对医院的药品做好管理工作，并将它应用到远程医疗等相关的医疗领域。在SSIM这个项目中，医生将100个微型传感器放入病人的眼里，使盲人能够有一定程度的视觉提高。科学家还大胆地借助它对“智能医疗之家”进行了创建，也就是在一个5间房的小区住宅内，利用无线传感器网络对生命体征进行测量，住户的主要生命体征，比如血压、脉搏、呼吸、睡觉姿势以及每天的活动情况都被测量并进行了数据保存，利用无线传感器网络对搜集到的数据被整理，送到相应的医疗机构，进行相应的研究。比如哈佛大学的一个研究小组就是利用无线传感器网络络构，建立了一个医疗监测平台。
2.4 家庭中的应用。技术人员可以将无线传感器嵌入到家具及家电中，将传感器与执行单元组成的无线网络还有Internet相连接，可以为人们提供比较舒服、便得以及人性化的智能家居环境。用户还可以更方便简洁地对家电做到远程监控，比如在下班前对家里的电饭锅、电话机、微波炉、录像机、电脑等家电进行摇控，按照容量的大小和时间的安排，设置煮饭、烧菜的时间，并安排好对电话留言的查收，对电视节目的选择，和网络资料的下载等工作。在对家居环境进行控制时，把传感器的节点安放在各自不同的房间，让他产生不同的感应。另外，我们可以对各个房间的环境温度做到局部的控制，甚至利用无线传感器网络还能够对幼儿的早期教育环境做出监测，对儿童的活动范围进行跟踪，使这里的研究人员、儿童的父母或者是他们的老师对他们进行全面地了解，并对儿童的学习过程地行行之有效的指导。
2.5 工业方面的应用。无线传感器网络可以对车辆进行跟踪、对机械故障做出正确的诊断、对工业生产进行计划地监控、对建筑物的状态进行监测等。将无线传感器网络与RFID技术相融合，可以实现智能交通。可以把它就用在较危险的工作环境，比如在石油钻井、煤矿、核电厂等的运用，利用无线传感器网络以后，可以对工作现场的比较重要信息进行探测。
2.6 机械故障诊断方面的应用。Intel公司做过一项实验，就是对芯片制造设备做节点的安装，借助所安装的200个传感器节点，对设备的振动情况进行监控，当测量结果超过了相关数值时，无线传感器会提供一份监测报告。在美国的贝克特营建集团公司早已经在伦敦的地铁系统中大胆地对无线传感器网络做了检测。对无线传感器网络的应用，可以使大楼、桥梁以及其他建筑物进行感知，并对自身的状态信息做出汇报。
3 结束语
总而言之，传感器网络在当前是国内外的热点项目，它具有广阔的发展空间，它的未来应用更广泛，对技术要求较高。在近几年的研究中，人们对传感器网络自身的特点得到了更深刻的认识，在技术上积累了经验，有所进步。它是一门先进的技术，对它的研究还需要科技工作者不断的努力。在国内外专家的努力下，无线传感器网络一定会以全新的局面展现在大家面前，必将更好、更广地应用于各行各业，并造福于人类、造福于社会。
参考文献：
[1]唐启涛、陶滔，无线传感器网络综述[J].网络安全技术与应用，2008（02）：80-82.
【关键词】 无线传感器 网络应用
随着近距离、低功耗无线通信技术的发展，无线传感器网络（WirelessSensorNetwork，WSN）应运而生。WSN是由具有感知、计算和通信能力的微型传感器以Adhoc方式构成的无线网络，通过大量节点间的分工协作，实时监测、感知和采集网络分布区域内的各种环境或监测对象的数据，并对这些数据进行处理，获得详尽而准确的信息，最终传送到需要这些信息的用户。WSN可广泛应用于国防军事、国家安全、环境监测、交通管理、医疗卫生、制造业、反恐抗灾乃至商业和家庭等诸多领域，正受到政府、军队、研究机构、商业界的广泛关注和高度重视，具有十分广阔的应用前景，是目前非常活跃的一个领域。WSN是在移动AdHoc网络的基础上发展起来的，在自组织的组网方式和多跳通信等方面与移动Adhoc网络具有相似性，但WSN在组网方式和具体应用上存在一些新的特点，主要表现为：与Adhoc网络中节点的动态移动相比，WSN的节点位置相对固定，网络拓扑会因节点能量耗尽而发生变化；由于节点体积较小，传感器网络具有许多资源上的限制，比如有限的电池功率和有限的网络通信带宽等；传感器节点间更多的是一种协作而非竞争的关系，为了完成共同目标而相互协作；不同节点采集的数据间具有一定相关性，需要进行数据会聚以减小冗余信息的转发，降低通信负荷；WSN中的应用多为多对一的情形，即存在一个Sink节点来收集数据并与外界通信等等。无线传感器网络是新一代的传感器网络，具有非常广泛的应用前景，其发展和应用，将会给人类的生活和生产的各个领域带来深远影响。发达国家，非常重视无线传感器网络的研究和发展，如美国国防部和各军事部门都对WSN给予了高度重视，在C4ISR的基础上提出了C4KISR计划，强调战场情报的感知能力、信息的综合能力和信息的利用能力，把WSN作为一个重要研究领域，设立了一系列的军事传感器网络研究项目。美国自然科学基金委员会（NSF）2003年制定了WSN的研究计划，投资3400万美元，支持相关基础理论的研究。在NSF的推动下，美国的加州大学伯克利分校、麻省理工学院、洛克维尔研究中心、加州大学洛杉矶分校等机构开始了WSN的基础理论和关键技术的研究。英国、日本、意大利等国家的一些大学和研究机构也纷纷开展了该领域的研究工作。学术界的研究主要集中在传感器网络技术和通信协议的研究上，也开展了一些感知数据查询处理技术的研究，取得了一些初步研究结果。
IEEE正在努力推进无线传感器网络的应用和发展，美国的《技术评论》杂志在论述未来新兴十大技术时，更是将无线传感器网络列为第一项未来新兴技术，《商业周刊》预测的未来四大新技术中，无线传感器网络也列入其中。可以预计，无线传感器网络的广泛是一种必然趋势，它的出现将会给人类社会带来极大的变革。
一、无线传感器网络的组成
一个完整的无线传感器网络的体系结构主要由传感器节点、汇聚节点、用户节点三部
分组成。大量传感器节点被放置在监测区域（云图包围部分），假定传感器节点A有监测数据要上报到用户节点，则通过自组织路由协议建立A，B，C，D之间的无线链路，D再通过与之连接的汇聚节点将数据经由卫星、互联网或移动通信网等传输网络送达用户节点。由于被监测区域往往不方便建立固定设施及有线链路，因此传感器节点之间的数据传输通常采取无线方式，而汇聚节点与用户节点之间的传输既可采用有线方式，也可采用无线方式。
在无线传感器网络中，传感器节点是整个网络的基础，它们担负着感知数据、处理数据、存储数据及传输数据的功能。
传感器节点主要由传感器、模数转换模块、计算模块、存储模块、通信模块、电源模块几部分组成，并在嵌人式软件系统的支持下完成传感器节点的各项功能。传感器负责各种监测数据的获取，将感知对象转变成电信号。模数转换模块将非数字监测信号转变成数字信号，方便后期处理。计算模块和存储模块主要处理传感器和模数转换送来的监测数据。通信模块将计算模块的处理结果通过无线方式传输到下一个节点。
二、无线传感网的热点研究问题
2.1 安全问题
2.1.1 安全路由
通常，在无线传感器网络中，大量的传感器节点密集分布在一个区域里，消息可能需要经过若干节点才能到达目的地，而且传感器网络具有动态性和多跳结构，要求每个节点都应具有路由功能。由于每个节点都是潜在的路由节点，因此更易受到攻击，使网络不安全。网络层路由协议为整个无线传感器网络提供了关键的路由服务，安全的路由算法会直接影响无线传感器网络的安全性和可用性。安全路由协议一般采用链路层加密和认证、多路径路由、身份认证、双向连接认证和认证广播等机制，有效提高网络抵御外部攻击的能力，增强路由的安全性。
2.1.2 安全协议
在安全保障方面主要有密钥管理和安全组播两种方式。1）密钥管理：无线传感器网络有诸多限制，例如节点能力限制，使其只能使用对称密钥和Hash技术；电源能力限制，应使其在无限传感器网络中尽量减少通信，因为通信的耗电将大于计算的耗电；传感器网络还应考虑汇聚等减少数据冗余的问题。在部署节点前，将密钥预先配置在节点中，通常，预配置的密钥方案通过预存的秘密信息计算会话密钥，由于节点存储和能量的限制，预配置密钥管理方案必须考虑节省存储空间和减少通信开销。2）安全组播：无线传感器网络可能设置在敌对环境中，为了防止供给者向网络注入伪造信息，需要在无线传感器网络中实现基于源端认证的安全组播。
2.2 能量问题
传感器的节点分布众多，并且需要进行监测、数据处理等活动，而无线传感器网络中的节点一般用电池供电，可使用的电量非常有限，并且对于有成千上万节点的无线传感器网络来说，更换电池非常困难，甚至是不可能的，但是却要求无线传感器网络的生存时间长达数月甚至数年，因此，如何在不影响功能的前提下，尽可能节约无线传感器网络的电池能量成为无线传感器网络软硬件设计中的核心问题。现在已有一些解决方法，在大多数网络应用中，由于传感器节点监测事件的偶发性，没有必要让所有单元均工作在正常状态下，可采用休眠模式，能自适应的休眠和唤醒，进行突发工作，节省能量。还可将所有功耗单元有机组合，形成不同状态，让传感器节点能根据需要在不同状态间切换，这样既可以满足系统需要，又节省了能源。还可以动态调节电压以节省能量，根据负载状态动态调节供电电压，形成一个闭环控制系统，节省能量。总之，在满足系统要求的情况下，采用各种方法降低耗电量非常必要。
三、总结
本文总结了当前制约无线传感器网络实际应用的因素及目前的研究热点。无线传感网络最终将成为联系信息世界和客观物理实际的接口，从而人类可以通过传感器网络获得客观物理世界的信息并采取相应措施。
参考文献
无线传感器网络WSN（Wireless Sensor Network）是一种由传感器节点构成的网络，能够实时监测、感知和采集节点部署区观察者感兴趣的感知对象的各种信息（如光强、温度、湿度等物理现象），并对这些信息进行处理后以无线的方式 发送。无线传感器网络在军事侦察、环境监测、医疗护理、智能家居、工业生产控制等领域有着广阔的应用前景。在低功耗的无线传感器网络中，传感器节点一般采用电池供电，而有限的电池能量限制了传感器节点的工作寿命，从而影响整个传感器网络的生存周期。为了摆脱传感器节点对电池的依赖，作者做了大量工作。本书介绍了无线能量传输技术在传统电池供电的传感器网络应用的简明指南。
全书共6章：1. 引言：包括相关背景和基本概念的介绍，如无线充电技术、电磁辐射、磁耦合共振等内容；2.网络结构和原理：包括网络组件、无线充电传感器网络设计原则，有能源设计、节点寿命估计、自适应充电阈值，最后进行了总结；3.分布式节点状态报告：主要介绍其协议的设计，包括状态请求、状态报告和补给、应急报告和补给、层次维护等；4.充电调度：包括紧急补给调度问题、正常补给调度、自适应充电调度算法和加权算法等相关内容；5.绩效评估：包括参数设置、充电调度算法的比较、能量演化、充电车辆的运动能量消耗、与静态优化方法的比较等；6.结论：对全书内容进行总结，对工作成果及局限性进行了分析，并提出了未来研究的目标。
作者杨元元现任纽约州立大学石溪分校终身教授。长期担任纽约州立大学石溪分校电子与计算机工程系研究生部主任、纽约州无线与信息技术中心通信与设备部主任等职务。在网络交换技术，无线网络和光网络等领域进行了深入研究并做出了突破贡献，在此领域已发表230多篇学术论文，其中在IEEE Transactions on Computer、IEEE/ACM Transactions on Networking，IEEE Transactions on Communications等顶级国际期刊上60多篇。担任许多重大国际会议如IEEE INFOCOM，GLOBECOM，ICC等的主席，程序委员会主席、分会主席。2009 年当选为IEEE Fellow。
本书讨论了如何利用新的无线可充电技术为传统的无线传感器网络提供持久的能量来源。书中提供了无线充电技术及其影响的最新文献综述；通过描述网络组件和它们的特征，介绍了无线充电传感器网络架构的两个调度算法，进行了模拟，并从性能方面对模拟结果进行了比较。本书适用于网络、无线通信、能源技术和信息技术的专业人员及工作人员，电气工程和计算机科学高水平的学生。
