一文帶你粗略了解無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

引言

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Network，WSN）是由大量傳感器節(jié)點組成的一種自組織網(wǎng)絡(luò)，這些傳感器節(jié)點不僅能感知網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的環(huán)境信息，還具有簡單的計算能力，同時可以將感知和計算后的相關(guān)信息在網(wǎng)絡(luò)中進行傳輸，具有一定的通信能力。傳感器節(jié)點是WSN中最重要的節(jié)點，它是整個WSN的基礎(chǔ)，具有感知數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)、存儲數(shù)據(jù)和傳輸數(shù)據(jù)的功能。傳感器節(jié)點負責(zé)感知網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的環(huán)境信息，收集監(jiān)測數(shù)據(jù)并通過匯聚節(jié)點上報給用戶節(jié)點。

與其它無線通信網(wǎng)絡(luò)相比，WSN有其自身顯著的特點。

大規(guī)模性：傳感器網(wǎng)絡(luò)的大規(guī)模性分為兩種含義，一種是在某些很大面積的監(jiān)測區(qū)域內(nèi)部署傳感器節(jié)點，如森林、山地等區(qū)域為了監(jiān)控火災(zāi)或進行其他環(huán)境監(jiān)測活動；另一種是在面積有限的區(qū)域內(nèi)部署大密度的傳感器節(jié)點。

自組織性：WSN是一種分布式自組織的無線網(wǎng)絡(luò)，它沒有中心控制管理，是由對等節(jié)點構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)。這種分布式結(jié)構(gòu)可以更好的適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的變化，在網(wǎng)絡(luò)發(fā)生變化時可以自動進行配置和管理，靈活性和實用性較強。

路由多跳性：由于WSN的監(jiān)測范圍很大，傳感器節(jié)點間數(shù)據(jù)傳輸距離會很遠，所以WSN中多采用多跳路由轉(zhuǎn)發(fā)的方式，使每個節(jié)點都具有路由轉(zhuǎn)發(fā)功能，這樣可以減少節(jié)點發(fā)送功率，降低網(wǎng)絡(luò)能耗。

健壯性：WSN經(jīng)常應(yīng)用于山地、森林等環(huán)境惡劣的野外區(qū)域，在這種環(huán)境中，傳感器節(jié)點的維護工作較難實現(xiàn)，所以需要網(wǎng)絡(luò)具有一定的健壯性，當(dāng)某些節(jié)點因為環(huán)境干擾或電池耗完不能正常工作時，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)其他節(jié)點間可以自動調(diào)節(jié)以保證WSN的正常工作。

1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用

作為信息技術(shù)三大支柱之一，WSN以其低成本、低功耗、高適用性等特點在工業(yè)市場上已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用。其主要應(yīng)用領(lǐng)域集中在以下幾個方面。

1.1 軍事偵察

WSN能滿足多種軍事場景下信息獲取的實時性和準確性，它可以感知戰(zhàn)場態(tài)勢。在軍事應(yīng)用中，大量傳感器節(jié)點通過飛行器被拋灑在戰(zhàn)場區(qū)域并形成自組網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)各個節(jié)點感知戰(zhàn)場信息并收集、傳輸這些數(shù)據(jù)信息為作戰(zhàn)部隊提供情報。由于WSN具有密集型、隨機分布的特點，使其在監(jiān)控友軍兵力、裝備物資、彈藥調(diào)配和戰(zhàn)爭損傷評估；監(jiān)視戰(zhàn)區(qū)情況、偵查敵方軍力和目標跟蹤；探測和偵查生物化學(xué)攻擊等方面起到很大作用。

美國是第一個進行WSN研究的，從越南戰(zhàn)爭中開始研究用于發(fā)現(xiàn)越南物資運輸車隊的“熱帶樹”傳感器開始，美國在WSN研究方面投入了大量的人力、物力和資金，并成功將其應(yīng)用到了軍事領(lǐng)域。此外，WSN還可以應(yīng)用于國土安全和國土邊境監(jiān)視等方面。

1.2 環(huán)境監(jiān)測

隨著人們對環(huán)境問題的關(guān)注，環(huán)境監(jiān)測成為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的重要應(yīng)用領(lǐng)域之一。目前社會的發(fā)展和大自然的變化，傳統(tǒng)的環(huán)境監(jiān)測手段已經(jīng)不能滿足人類的需求，使用傳感器節(jié)點對室內(nèi)外環(huán)境的采集、分析和監(jiān)控顯得尤為重要。

由于傳感器網(wǎng)絡(luò)自身的特點，其為野外環(huán)境的監(jiān)控工作提供了便捷。通過WSN收集震動和次聲波信息可以對火山爆發(fā)進行監(jiān)測，提前發(fā)出預(yù)警；WSN還可以應(yīng)用于動物跟蹤、候鳥遷徙，通過觀察動物的行為習(xí)慣進行種群研究；在植物上部署無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能監(jiān)控樹木生成情況，收集光合作用等信息，給植物研究提供相關(guān)依據(jù)；在無人值守地區(qū)拋灑傳感器節(jié)點可以進行無間斷監(jiān)測，彌補監(jiān)測盲區(qū)獲取更全面的環(huán)境數(shù)據(jù)。

隨著科學(xué)技術(shù)的大力發(fā)展，對室內(nèi)環(huán)境的監(jiān)控也是很有必要的。無線傳感器系統(tǒng)的部署，不僅可以監(jiān)測室內(nèi)實時的溫度、濕度和空氣質(zhì)量以改善室內(nèi)環(huán)境。

1.3 智能家居

智能家居是將居住環(huán)境中的安防系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)和其他家用電器等設(shè)備通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)連接起來實現(xiàn)自動化和智能化管理。在家用電器中嵌入傳感器節(jié)點，通過無線網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合的方式可以實現(xiàn)對家電的遠程控制，同時也可以實時監(jiān)控家庭安全情況，使人們的生活更舒適、更便捷。

微軟的“未來之家”是最先進的智能家居的代表，它融合了門禁系統(tǒng)不僅能對家庭環(huán)境進行監(jiān)測還能通過觸摸檢測主人的身體狀況并進行相應(yīng)健康提示等。復(fù)旦大學(xué)、電子科技大學(xué)等單位也研制出一項基于WSN的智能樓宇系統(tǒng)，此系統(tǒng)可以通過互聯(lián)網(wǎng)終端對家庭狀況進行實施監(jiān)測。

1.4 醫(yī)療健康

目前，WSN在醫(yī)療系統(tǒng)和健康護理方面有很多應(yīng)用。在住院的患者身上安裝可以監(jiān)測心率或血壓的傳感器節(jié)點，可以使醫(yī)生及時了解被監(jiān)控病人的身體狀況和活動情況，當(dāng)發(fā)現(xiàn)異常狀態(tài)時以最快速度對其進行搶救；基于傳感器網(wǎng)絡(luò)的看護系統(tǒng)可以實時檢測老人的健康問題，感知老人的各項活動，記錄老人的狀態(tài)，為老人的安全健康提供保障，同時也可以減輕看護人員的負擔(dān)，提高護理質(zhì)量。

2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 拓撲控制

拓撲控制技術(shù)的主要功能是數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，同時通過控制功率或鄰居節(jié)點來實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的覆蓋度和連通度。良好的網(wǎng)絡(luò)拓撲能夠提高路由效率、降低網(wǎng)絡(luò)能耗，以延長網(wǎng)絡(luò)生存周期。拓撲控制作為WSN中的核心問題，能夠為數(shù)據(jù)融合、路由協(xié)議以及目標定位等提供技術(shù)支撐。

目前已有的拓撲控制算法分為節(jié)點功率控制和層次型拓撲控制兩類。功率控制是通過調(diào)整傳感器節(jié)點的發(fā)送功率，在滿足網(wǎng)絡(luò)覆蓋率和連通性的前提下，盡可能減少節(jié)點發(fā)送功率。當(dāng)每個節(jié)點的功率發(fā)生變化時，網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)也會發(fā)生變化，同時降低節(jié)點間的干擾，最終使網(wǎng)絡(luò)達到最佳連通性。層次型拓撲控制利用分簇機制，讓形成簇頭節(jié)點，每個簇頭節(jié)點成為一個骨干網(wǎng)將網(wǎng)絡(luò)劃分成多個簇，其他非骨干網(wǎng)節(jié)點可以暫時停止通信以降低網(wǎng)絡(luò)能耗，只允許骨干網(wǎng)進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。

2.2 路由協(xié)議

在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)連接需要根據(jù)實際情況，需聯(lián)合合適且特定的算法還有系統(tǒng)軟件建立的實時動態(tài)的連接，并不是采用一種事先安排好的連接方式。網(wǎng)絡(luò)帶寬、處理功耗等一些網(wǎng)路實時方面的影響因素是網(wǎng)絡(luò)運行時必然要考慮的因素，因此，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)意外時，網(wǎng)絡(luò)根據(jù)實際情況能夠?qū)崟r地進行重構(gòu)或是更新網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)等操作。節(jié)點之間通信連接的可靠性是有限的，有時陰影衰落也是影響網(wǎng)絡(luò)連接的因素之一，所以在設(shè)計滿足網(wǎng)絡(luò)需求的路由軟件時要仔細考慮通信的可靠性問題。

2.3 數(shù)據(jù)融合

在WSN中，通過數(shù)據(jù)融合技術(shù)可以對傳感器節(jié)點收集到的數(shù)據(jù)進行融合處理，去除冗余信息，節(jié)省網(wǎng)絡(luò)能量，延長網(wǎng)絡(luò)生命周期。此外，利用數(shù)據(jù)融合技術(shù)可以對網(wǎng)絡(luò)內(nèi)感知到的多份數(shù)據(jù)進行分析和綜合處理以提高信息的準確度。然而，數(shù)據(jù)融合技術(shù)在進行數(shù)據(jù)處理時，會增加網(wǎng)絡(luò)運行時間，造成網(wǎng)絡(luò)的時間延遲。

2.4 時間同步

時間同步是需要協(xié)同工作的傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的一個關(guān)鍵機制。在WSN中，節(jié)點間通常需要相互協(xié)作才能完成感知和監(jiān)測功能，此時要求各個節(jié)點之間保持同樣的時鐘。目前已有的時間同步協(xié)議有RBS（參考廣播同步）、Tiny/miniSync（微小/迷你同步）以及TPSN（Timing-sync協(xié)議的傳感器網(wǎng)絡(luò)）。

2.5 定位技術(shù)

在WSN的實際應(yīng)用中，用戶不僅關(guān)注傳感器節(jié)點在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的感知數(shù)據(jù)，也希望獲取這些節(jié)點的位置信息。因此，定位技術(shù)作為WSN中的關(guān)鍵技術(shù)具有十分重要的地位。

在WSN中傳感器節(jié)點的定位方式分為兩種：基于測距的定位和基于非測距的定位技術(shù)。基于測距的定位是通過測量節(jié)點間的距離和方向角度來確定待定位節(jié)點的坐標，此方法對節(jié)點硬件要求較高，能達到精確定位；基于非測距的定位是通過網(wǎng)絡(luò)內(nèi)節(jié)點間的連通性來獲取待定位節(jié)點的最終坐標的，由于無需測量節(jié)點間的距離使得對節(jié)點的硬件要求較低，降低了網(wǎng)絡(luò)的成本，但是定位精度不高。

3 結(jié)束語

通過對WSN的深入研究，人們對其的認識越來越深刻，與此同時在相關(guān)技術(shù)方面也取得了很大的進展，使WSN得到廣泛應(yīng)用。WSN是目前國內(nèi)外各個領(lǐng)域?qū)I(yè)的研究熱點，它將成為未來社會應(yīng)用廣泛的網(wǎng)絡(luò)，具有很好的研究價值和發(fā)展前景。