无线传感器网络详解

国内外无线传感器的研究现状

    无线传感器网络的发展最早可以追溯到20世纪70年代的传统无线传感器系统。美国军方当时所研制的“热带树”传感器，这种早期的无线传感器系统，其特点是传感器节点只能收集数据，没有计算能力，也无法进行相互之间的通信。线传感器网络的现代研究起源于1987年美国国防部高级研究计划管理局（DARPA）为美国军方开展了名为分布式传感器网络（Distributed Sensor Networks，DSNs）的研究项目，在此之前，由美国高级研究计划署（ARPA）领导的名为 ARPANET（Advanced Research Projects Agency Network）的分布式网络已经运行了多年，它由分布在全美各高校与研究机构的大约 200 个节点组成。1998 年，加利福尼亚大学洛杉矶分校的 Gregory J.Pottie 教授从网络研究这一角度出发，重新定义与阐述了无线传感器网络的科学意义，掀起了一波新的无线传感器网络研究热潮，研究热点主要分布在组网技术、动态网络中的信息处理技术与新型传感器节点研发等三个方面。如今无线传感器网络已经是公认的二十一世纪最重要的技术之一，进入21世纪以来，无线传感器网络在国际上得到了更多的关注。2002年美国sandia国家实验室与美国能源部合作，共同开发了基于无线传感器网络的地铁与车站环境监测系统，以预防生化武器的袭击；美国自然科学基金委员会于2003年制定了无线传感器网络研究计划，在加州大学洛杉矶分校成立了传感器网络研究中心；美国康奈尔大学、南加州大学等多所高校重点开展了无线传感器网络通信协议的研究，提出了多种链路层、网络层和传输层通信协议。此外，欧洲和日本等国的一些高校及研究机构也纷纷展开了对无线传感器网络的研究工作，并取得了相应的研究成果

     在我国也将无线传感器网络列为国家战略研究项目之一，无线传感器网络技术在我国得到了广泛使用，例如，中石油公司利用物联网技术大规模打造智能油田，其中重要一环就是使用无线传感器网络监控油井的产量与生产安全。在国内除了国际自然基金、973 国家重点基础研究机构外如中科院研究所、清华大学、浙江大学、东南大学、南京邮电大学、北京邮电大学等多所高等学府，也开始展开对无线传感器网络的研究，并产生了众多高标准、高质量、多研究点的课题项目以及期刊论文。

无线传感器网络定位技术应用研究

目前无线传感器技术主要应用与如下几个主要领域：

(1)军事领域

无线传感器网络本身就起源与军事需求，当代信息化战争中，利用其传感器体积小隐蔽性好与部署监控区域大等优势，可通过空投的方式隐蔽且安全的部署在敌后区域执行大范围、长时间的战略、战术侦察任务，可监测敌方武器装备部署、跟踪与识别特定目标。如此一来，指挥员将获取更多更丰富的情报信息并最大程度上地减少人员伤亡。

(2)医疗健康方面

得益于无线传感器网络的实时性与丰富性，越来越多的医疗机构都投入到WSN 的应用中，得益于传感器小型化技术的发展研究人员设计了多种基于 WSN的可穿戴医疗系统，在患者放置多个微型医疗传感器，用以实时监控患者的生理指标如血压、心率、心电、体温、脉搏等，在不影响患者日常生活的同时，医疗工作者便轻易地收集到了患者大量生理信息，可以做出更全面的判断，制定更好的治疗方案。

(3)环境监测方面

随着经济的不断发展与人口的扩张，我国近年来爆发的雾霾污染严重的影响了居民的日常出行与身心健康，每当雾霾爆发时医院的呼吸道患者人满为患，因此，部署用以监控 PM2.5 的无线传感器网络势在必行。同时，在一些如沙漠、原始雨林等人迹罕至的地域，使用无线传感器网络进行动植物、水土以及气候勘测可以大大降低人力消耗。

(4)工业方面

无线传感器网络在工业领域同样有着广泛的应用前景，无需人工干预所带来的出色的安全性优势，使其在人类无法生存的环境下依旧能可靠的工作。例如，在富含有毒气体的地下开采作业时，部署传感器节点实时监控有毒气体含量与其他空气指标，在充满放射性元素的核反应堆中，部署传感器网络以监测各区域的放射性物质含量，这都是保障作业人员人身安全的有效措施。由于，始终存在多样且恶劣的工业生产环境，在人员无法安全生存的环境下部署传感器网络可以大大降低生产过程中的人员伤亡，降低生产成本有利于工业的快速发展。

(5)其他方面的应用

无线传感器技术同样适用于农业、智慧交通、城市管理、智慧家居等生活领域。依靠无线传感器网络构建的智慧交通系统有望实现自动驾驶、自动规划路径以及灵活调控车流量等，让人们的出行更加快速便捷；城市管理系统可以利用传感器网络收集海量信息为资源调配提供依据；智慧家居系统同样也需要对房屋的各项指标实时监控，如温度、湿度等。因此，无线传感器网络拥有广阔且光明的应用前景。

无线传感器网络系统的典型结构

    采用同构网络实现远程监测的无线传感器网络系统典型结构，由传感器节点、汇聚节点、服务器端的PC和客户端的PC四大硬件环节组成，各组成环节功能如下。

传感器节点

    部署在监测区域（A区），通过自组织方式构成无线网络。传感器节点监测的数据沿着其它节点逐跳进行无线传输，经过多跳后达到汇聚节点（B区）。

汇聚节点

    是一个网络协调器，负责无线网络的组建，再将传感器节点无线传输进来的信息与数据通过SCI（ 串行通信接口）传送至服务器端PC。

服务器端PC

    是一个位于B区的管理节点，也是独立的Internet网关节点。在LabVIEW软件平台上面有两个软件：一是对传感器无线网络进行监测管理的软件平台VI，即一个监测传感器无线网络的虚拟仪器VI；二是Web Server软件模块和远程面板技术(Remote Panel)， 可实现传感器无线网络与Internet的连接。

客户端PC

    客户端PC上无需进行任何软件设计，在浏览器中就可调用服务器PC中无线传感器网络监测虚拟仪器的前面板，实现远程异地（C区）对传感器无线网络（A区）的监测与管理。

无线传感器网络中的传感器节点

1．传感器及其调理电路

    应根据无线传感器网络所在的地区环境特点来选择传感器，以适应环境温度变化范围、尺寸体积等特殊要求。传感器所配接的调理电路将传感器输出的变化量转换成能与A/D转换器相适配的0~2.5V或0~5V的电压信号。当处于无电网供电地区时，传感器及其调理电路都应是低功耗的。

2．数据采集及A/D转换器与微处理器系统

    传感器节点中的计算机系统是低功耗的单片微处理器系统，可以适应远离测试中心、偏远地区恶劣环境的工作条件。如美国德克萨斯州仪器（TI）公司生产的MSP430－F149A超低功耗混合信号处理器(Mixed Signal Processor)，它内部自带采样/保持器和12位A/D转换器，可对信号进行采集、转换以及对全节点系统进行指令控制和数据处理。

3．射频模块

    射频模块接收外部无线指令并将传感器检测到的被测参量数据信息无线发送出去，如TI公司的CC2420无线收发芯片。

4．电源

    无线传感器网络中对传感器节点的供电是一个极具特殊性的正处于研究热点的技术问题。若节点处于远离电网的偏远地区，一般采用电池供电或无线射频供电方式。

无线传感器网络中的汇聚节点

图1中的无线传感器网络汇聚节点是一个网络协调器，操作PC中监测管理软件平台的面板控件，在其指令下负责执行无线传感器网络的配置与组建，并将接收到的传感器节点无线传输的数据信息再传至PC机。通常协调器主要由微处理器系统、射频模块、通信接口以及电源四个部分组成，其硬件组成框图如图所示。

1．通信接口

协调器中的通信接口负责与PC机进行通信。一方面，当操作PC机中无线传感器网络监测平台VI前面板上的相应控件时，通信接口负责传递下达的相应指令，如检索网络、发送数据等；另一方面，协调器接收到传感器节点无线发送的数据信息时，也将其通过通信接口上传到PC中。

2．微处理器系统

协调器中的微处理器是整个无线传感器网络的主控制器，是协调器的核心。

3．射频模块

该射频模块将接收传感器节点无线发送的数据信息，经通信接口上传至PC；另一方面，以无线传输方式下达PC对传感器节点的操作指令。

无线传感器网络通信协议

目前无线个域网标准化组织IEEE802.15工作组已完成了以下标准的制定：

• 中速无线个域网标准IEEE802.15.1——蓝牙；

• 高速无线个域网标准IEEE802.15.3——超宽带(UWB)；低速无线个域网标准IEEE802.15.4。低速无线个域网主要为电源能力受限的、吞吐量要求较低的无线应用提供简单的低成本网络连接，主要目标是以简单灵活的协议构建一种安装布置合理、数据传输可靠、设备成本极低、能量消耗较小的短距离无线通信网络。

• 低速无线个域网符合无线传感器网络关于低能耗、低成本、通用性、网络拓扑、安全、实时性、以数据为中心等要求，因此目前研究、应用的无线传感器网络的物理层及MAC层协议多采用IEEE 802.15.4 标准。

基于IEEE802.15.4标准的网络层协议主要有2001年9月成立的ZigBee联盟提出的ZigBee协议栈及适用于无线传感器网络节点的嵌入式微型IPv6协议栈。其中，ZigBee协议以其低成本、不同厂商生产的产品可兼容等特点得到广泛的研究与应用。

无线传感器网络与Internet的互联

同构网络引入一个或几个无线传感器网络传感器节点作为独立的网关节点并以此为接口接入互联网， 即把与互联网标准IP协议的接口置于无线传感器网络外部的网关节点。这样做比较符合无线传感器网络的数据流模式， 易于管理，无需对无线传感器网络本身进行大的调整；缺点是会使得网关附近的节点能量消耗过快并可能会造成一定程度的信息冗余。

异构网络的特点是：部分能量高的节点被赋予IP地址，作为与互联网标准IP协议的接口。这些高能力节点可以完成复杂的任务，承担更多的负荷，难点在于无法对节点的所谓“高能力”有一个明确的定义。同时，如何使得IP节点之间通过其它普通节点进行通信也是一个技术难题。

WSN无线传感器网络的特点及优势

WSN并不非常简单的理解为利用无线通信方式多个传感器节点进行组网，它具有本身的特性及优势。

1、网络规模大（节点数量多）

例如：对森林、草原进行防火监控、野生动物活动情况监测、坏境监测往往要布置大量的无线传感器节点，布设范围也远远超过一般的局域网范围。

布置大量的无线传感器节点的优点：

• 提高整体监测的精确度

• 降低对单个节点的精确要求

• 大量冗余节点的存在使得系统有较强的容错性。

2、自组织网络

与局部网的布设不同，无线传感器节点额位置布设前不能事先确定(飞机撒布、人员随机布设)，节点之间的互相邻居关系也不能事先确定。

要求无线传感器节点具有自组织能力，能够自动进行配置管理。实现的方法是通过拓扑控制机制和网络路由协议自动形成能够转发数据的多跳无线网络系统。

3、动态性网络

无线传感器网络的拓扑结构经常改变。原因：

• 被动改变：传感器节点电能耗尽；环境变化造成通信故障；传感器节点本身出现故障。

• 主动改变：增加新节点；根据路由算法的优化做出的改变。

4、可靠性强

传感器节点本身硬件结构可靠

• 布设时：可能通过飞机撒布，人员随机撒布

• 工作时：风吹、日晒、雨林、严寒、酷暑。

• 维护性 ：维护十分困难(几乎不可能)。

网络结构可靠：自组织网、动态性保证基本的信息传输正常。

软件可靠：信息保密性强

5、以数据为中心

在互联网中终端、主机、路由器、服务器等设备都有自己的IP地址。想访问互联网中资源，必须先知道存放资源的服务器的IP地址。所以互联网是一个以地址为中心的网络。而无线传感器网络是任务型网络。

在WSN中，节点虽然也有编号。但是编号是否在整个WSN中统一取决于具体需要。另外节点编号与节点位置之间也没有必然联系。用户使用WSN查询事件时，将关心的事件报告给整个网络而不是某个节点。许多时候只关心结果数据如何，而不关心是哪个节点发出的数据。

WSN采用微型传感器节点采集信息，各节点间具有自组织和协同工作的能力，网络内部采用无线多跳通信方式，与传统的SN相比具有以下优势：

• 精确高：实现单一的传感器无法实现的密集空间采样及近距离监测。

• 灵活性强：一经部署无需人为干预。

• 可靠性高：可以避免单点失效问题

• 性价比高：降低有线传输成本，随着技术的发展，传感器成本低。

WSN应用领域

由于WSN的特殊性，其应用领域与普通网络有着显著地区别，主要包括以下几类：

• 军事应用

利用WSN可以快速部署、自行组织网络、隐蔽性强、高容错性的特点。可以在战场上广泛应用。

包括：对敌军兵力、武器的监测、战场实时监视、目标定位与锁定、战果评估等等。

• 紧急和临时场合

当遭受自然灾难打击后、固定的通信网络设施可能被全部摧毁或无法正常工作，边远或偏僻野外地区、植被不能破坏的自然保护区，无法采用固定或预设的网络设备通信。这些情况，都可以利用WSN的快速展开和自组织特点来解决

• 环境监测

比如：农田灌溉情况监控、土壤成分监测、环境污染情况监测、森林火灾报警、水情监测、气温监测、关照时间数据的采集等许多场合。

• 医疗护理

包括：患者生理数据采集、医疗器材的管理、药品的发放以及关键人员的跟踪、定位等等。

• 智能家居

在家电和家居中嵌入WSN的传感器节点，并与互联网连接在一起。可以提供更舒适、方便、更具人性化的家居环境。

• 工厂监控

比如：化工、石油、电力、机械加工、纺织印染等等行业采用WSN技术可以很方便的进行监测。

无线传感器网络定位技术存在的问题与不足

定位技术是无线传感器网络的基础技术，也是该领域备受关注的难题。节点必需知道自己的位置然后感知数据、传回数据并在中央处理器进行分析处理。没有位置信息的测量数据毫无意义，节点位置的确定还有利于安全路由、拓扑控制等其它工作的展开。WSN中节点的定位问题是其运行的前提和基础，目前，WSN的定位研究已取得较多成果，但在应用中仍面临许多问题与挑战有待进一步深入分析解决。

（1）定位精度：受硬件条件影响，不同的测距或测角技术具有不同的误差特征，由此带来的测距误差会影响定位精度。同时，在进行定位计算过程中造成的误差也会影响定位精度。

（2）受能量限制：传感器节点依靠电池供电，但由于节点的电池能量有限，且网络要求自适应、自组织地运行，这使得节点的计算能力、内存、通信能力等都受到限制，要求节点间的通信和感知次数要尽可能的少，定位算法对节点的功耗要很小。因此，能量限制也是定位技术需要解决的问题。

（3）锚节点数目：锚节点的位置通常是人工布置或由其他定位系统确定。但是对于大规模网络或某些人员不易接近的区域，人工布置不现实，所有节点通过定位系统确定也不实际，

通常只有小部分节点为锚节点，稀疏的锚节点使得普通节点位置的确定面临困难。

（4）实用性差：基于无需测距的定位算法大多数集中在理论研究，且基本都是在仿真环境中实现，会假设许多不确定因素，但无线传感器节点通常会部署在战场、无人区等复杂地理环境中，这些不确定因素在实际中难以满足，导致算法失去了实用

    分布式传感器网络是由大量相互连接和协作的传感器节点组成的网络，这些节点通过自组织方式协调工作，完成对环境的监测和数据采集。由于传感器节点数量众多、分布广泛、功耗低、资源有限等特点，因此其数据安全性问题非常重要。

在分布式传感器网络数据安全方面，需要考虑以下几个关键技术：

1. 密钥管理技术：由于传感器节点数量众多，密钥管理成为数据安全的关键。需要设计一种高效而安全的密钥管理方案来保障传感器节点之间的通信安全。常用的密钥管理技术包括基于对称加密的密钥协商、基于非对称加密的公开密钥体系以及基于信任的密钥管理技术等。

2. 数据加密技术：为了防止数据在传输过程中被攻击者截获或篡改，需要使用数据加密技术。目前，对称加密技术广泛应用于分布式传感器网络中，如AES、RC5等加密算法。此外，基于非对称加密的公开密钥体系也可以用于数据加密，但由于其计算复杂度高，不适合应用于大规模的传感器网络。

3. 认证技术：在传输数据之前，需要对发送方和接收方的身份进行认证，以保障数据传输的可信性和完整性。为此，需要设计一种安全且高效的节点认证技术，包括基于密码学的认证技术和基于生物特征的认证技术等。

4. 安全路由技术：传感器网络中的节点数量众多，因此需要设计一种安全路由方案来防止攻击者刻意干扰网络的正常通信。安全路由技术可以通过节点信任度的建立、节点间的相互认证以及节点间的安全合作等手段来保障传输的安全性。

   基于以上技术，密钥管理算法的设计与实现、数据加密与解密算法的设计与实现、节点认证技术的设计与实现以及安全路由技术的设计与实现。同时，还将进行一系列实验来评估所设计的技术的可靠性和性能表现。

WSN应用存在的问题及研究热点

在无线传感器网络的设计应用过程中，有多种基础性技术是支撑传感器网络完成任务的关键，这些关键技术解决是保证网络用户功能正常运行的前提。

• 网络协议

在无线传感器网络的网络协议研究中，MAC协议和路由协议是研究的重点。

常用的MAC协议有：IEEE802.15.4、S-MAC、及T-MAC协议等；路由协议有：SPIN、DO、GEM、LEACH等协议。

• 时间同步

在WSN，传感器节点通常需要相互合作，完成复杂的检测和感知任务，这需要各节点保持时间上的一致性，方便处理与时间有关的操作；WSN的一些节能方案也通过时间同步来实现的。

目前，在WSN中应用比较成熟的时间同步协议有RBS（参考广播同步）、Tiny/mini-Sync（微小/迷你同步）以及TPSN（Timing-sync协议的传感器网络）等三种。

• 定位技术

在WSN中，传感器节点获得的检测数据一般是与位置相关联的，用户感兴趣的是收到的数据是从哪个位置送来的，在一些应用中，需要通过空间不同位置的传感器协调实现测量功能。因此，WSN中的定位技术包括节点自身定位和目标定位两种。

定位技术可以利用现有的GPS等定位技术，也可以根据WSN自身特点采用一些适用有效的定位算法，目前主要有DV2hop算法、位置分发算法、DV2distance算法等。

• 数据融合

由于WSN的各种局限，在满足用户需求下，需求对监测数据进行融合处理，以节省通信带宽和能量，提高信息收集效率，从耗能角度看，各节点间的通信耗能远高于计算处理耗能。

目前数据融合的方法很多，常用的有综合平均法，卡尔曼滤波法、贝叶斯方法、神经网络法、统计决策理论、模糊逻辑法、产生式规则和D-S证据理论等。

• 能量管理

WSN的节点的电池充电和更换困难。因此，在设计时，要致力于高效实用节点的能量，所以能量管理也是WSN研究的重要课题。

目前主要采用的能量管理策略有休眠机制、数据融合等，它们主要应用在计算机、存储单元及通信单元部分。休眠机制可以通过相应的硬件芯片、网络协议协调、动态电源管理及动态电压调度等多种措施实现。

• 安全管理

WSN中，安全管理主要体现在通信安全和信息安全两个方面。通信安全主要考虑节点的安全、被动抵御入侵、主动反击入侵，三方面问题，信息安全主要考虑数据的机密性、数据鉴别、数据的完整性和实效性等方面。

目前，WSN的安全研究内容主要包括：a）物理层的高效加密算法、扩频抗干扰等。b）数据链路层的安全MAC协议。c）网络层的安全路由协议。d）应用层的密钥管理和安全组播等，目前WSN中专用安全协议有：SNEP（网络安全加密）和uTESLA（微型定时有效流容忍丢失认证协议）。