无线传感器网络的关键技术_现代通信课程论文

无线传感器网络的关键技术

摘要：无线传感器网络是当前物联网领域的一个研究热点。本文对无线传感器网络进行了简要介绍，分析了无线传感器网络及无线传感器网络节点的软硬件组成架构、技术特点，列出了当前无线传感器网络研究的关键技术，并分析了设计组建一个无线传感器网络所要考虑的技术因素。最后指出无线传感器网络技术发展所面对的挑战以及无线传感器网络的发展趋势。

关键字：无线传感器网络WSN 传感器节点WSN关键技术

Key T echnology of Wireless Sensor Network

Abstract：Wireless sensor network is the current content networking field a hot topic in the research area. In this paper, the wireless sensor network are introduced in this paper, the analysis to the wireless sensor network and wireless sensor network node the software and hardware of the structure, technical characteristics, are currently wireless sensor network research of key technologies, and analyzes the design form a wireless sensor network technology factors which should be considered. At last, it points out that the wireless sensor network technology development challenges and the trend of the development of wireless sensor network.

Key words：WSN WSN sensor Key technology of WSN

1.引言

在传感器出现之前，人们只能借助自身感觉器官直接从外界感知信息，有很大的局限性。传感器技术的出现及应用，恰恰解决了这个问题，扩展了人们感知外围环境的途径。随着传感器技术的发展，人们已不满足于原有单个独立的传感器；很多时候，我们需要通过传感器网络采集来自不同区域、不同类型的信息并进行整合汇总，实现对获取信息的全方位掌握与综合判断。

现实中，传感器被应用在越来越多的数据信息采集场合，比如采集大气中的粉尘含量、煤矿内的瓦斯浓度、超高层建筑的楼顶风速等。在这些应用中，用来采集数据的传感器被放置在复杂的环境条件下，需要在长达几个月甚至几年的时间内进行连续数据采集工作，工作人员无法经常进行维护。这时，远距离布线、数据的传输汇总、传感器的远程控制、系统电源供给以及信号的安全性等都成为工程师需要考虑的问题。

随着无线传感器网络(Wireless Sensor Network，WSN)技术的发展及成熟应

用，这些瓶颈被一一化解。在WSN中，每一个节点都能够独立的工作，并将数据汇总；并且根据应用场合的不同，构建相应的WSN，可以很容易的大规模扩充节点数目。

2.WSN概述、简介

WSN是一种由大量小型无线传感器所组成的网络，这种小型无线传感器一般被称作WSN节点（sensor node）。WSN节点之间通过无线方式通信，协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中被感知对象的信息，并发送给信息处理中心，反馈给观察者。WSN节点、感知对象和观察者构成了WSN的三个要素。

在一定区域范围内，若干具有无线通信、数据传感、数据处理功能的WSN 节点组成了WSN。根据功能的不同，WSN节点又可分为信息采集节点、数据汇聚节点、网络管理节点。WSN节点负责数据采集、转换处理数据、以及中转其他节点的数据包并将数据包发送给汇聚节点，最后通过无线通信方式将处理后数据传送到管理节点。相应的，观察者可以通过管理节点对无线传感器节点进行管理，监控传感器的工作状态。

在不同的应用场合，WSN节点的组成结构不尽相同，一个典型的WSN节点主要由传感器模块、处理器模块、无线通信模块和电源模块四部分组成。如图1示。WSN的各节点通过一定的协议类型组成一个WSN，实现对数据的采集、处理，还能接收来自其他节点的数据，并最终将数据发送到信息处理中心。传感器模块负责监测区域内信息的采集和数据A/D转换；处理器模块负责控制整个传感器节点的操作及信息数据的进一步处理，存储和处理本身采集的数据以及其他节点发来的数据；无线通信模块负责与其他传感器节点进行无线通信，交换控制信息和收发采集数据；电源模块为传感器节点提供运行所需的电源，通常采用微型电池。

图1 WSN节点组成图

从WSN节点的组成可以看出，WSN与传感器技术、微电子技术、无线通信组网技术、电源技术等密切相关。推动相关技术的发展进步，直接带动了现代WSN的发展。

3.WSN的特点

与传统的无线网络相比，WSN有着明显不同的设计目标、技术要求和应用要求。传统无线网络的首要设计目标是提供高质量服务和高效带宽利用，节约能源是次要考虑；而WSN是以数据采集为中心，获取信息为目的的，同时进行与具体应用相关的数据处理。由于WSN节点通常运行在各种复杂的远程环境中，WSN节点的能源供给受到很大限制。所以，WSN的首要设计目标是在有限的能源条件下，高效的进行数据信息的采集、处理与传送，这也是WSN和传统无线网络最重要的区别之一。

相对于传统无线网络，WSN具有特有的技术特点：

1)软硬件资源有限。

由于WSN节点自身条件与应用环境的限制，无论是硬件、还是节点电源容量等资源都很有限。受WSN节点体积限制，节点通常携带体积较小的电池电源，节点电源容量十分有限。然而，为了采集不同数据信息的需要，各个节点会分布于各种待测区域环境条件下，人工更换电源或有线供给电源的方法有很大限制，每个节点都要储备可供长期使用的能量，或者自己从外部自取能量（太阳能、风能等）。如果WSN节点的电源能量耗尽，节点将不能工作，意味着工作失控，通常会造成网络的中断故障。所以，如何解决电源供给问题，是任何WSN技术和协议的研究都必须要考虑的。

WSN节点一般采用嵌入式系统处理器和存储器，节点的计算能力和存储能力受到软硬件条件的限制。如何在有限的资源条件下，高效的完成相关数据的采集、处理工作；在设计WSN时，就需要综合考量如何解决在有限计算能力的条件下进行协作分布式信息处理的难题。

2)网络能力有限。

受到节点软硬件资源的限制，WSN节点网络通信传输能力有限。WSN通过无线方式进行数据传输，相对于有线网络，虽然不用考虑有线网络如何布线的问题，无线网络有限的带宽成为瓶颈。同时，还存在无线信号之间的相互干扰问题，信号自身的不断衰减问题等。

与其他无线网络一样，安全问题也是WSN的一个重要问题；无线网络存在窃听、恶意路由、消息篡改等安全问题。由于采用的是无线传输信道，有限的能源供给、有限数据处理存储能力、节点的分布式控制都使得WSN更容易受到攻击。被动窃听、主动入侵、拒绝服务则是这些攻击的常见方式。因此，安全性在WSN的设计中至关重要，特别在一些涉及军事、安保方面的应用中，安全问题显得尤为重要。

由于WSN节点的电源供给限制，进而影响传感器节点的通信传输能力。为节省能量，相邻WSN节点间一般采用低功耗短距无线电通信，通信距离一般在几十米到几百米之间，非邻居节点间采用多跳方式通信。选择合适的无线通信及组网方式，可以使节点在有限的条件下，发挥出高效率，网络带宽、传输距离、抗干扰性以及功耗等指标，都是要考虑的主要因素。克服有限的网络能力，提高