无线传感器网络概述

无线传感器网络概述

1科技发展的脚步越来越快，人类已经置身于信息时代，作为信息获取最重要和最基本的技术——传感器技术，得到了极大的发展。

2目前无线网络可分为两种:一种是有基础设施的网络,需要固定基站,例如我们使用的手机，属于无线蜂窝网，它就需要高大的天线和大功率基站来支持，基站就是最重要的基础设施；另外，使用无线网卡上网的无线局域网，由于采用了接入点这种固定设备，也属于有基础设施网。

另一类是无基础设施网，又称为无线Ad hoc网络,节点是分布式的，没有专门的固定基站。

无线Ad hoc网络又可分为两类: 一类是移动Ad hoc网络(Mobile Ad hoc Network,简称MANET)，它的终端是快速移动的。一个典型的例子是美军101空降师装备的Ad hoc网络通信设备，保证在远程空投到一个陌生地点之后，在高度机动的装备车辆上仍然能够实现各种通信业务，而无需借助外部设施的支援。另一类就是我们讲的无线传感器网络,它的节点是静止的或者移动很慢。

3传感器网络的标准定义是这样的：

传感器网络是大量的静止或移动的传感器以自组织和多跳的方式构成的无线网络，其目的是协作地感知、采集、处理和传输网络覆盖地理区域内感知对象的监测信息，并报告给用户。它的英文是Wireless Sensor Network, 简称WSN。

如图所示，大量的传感器节点将探测数据，通过汇聚节点经其它网络发送给了用户。

在这个定义中，传感器网络实现了数据采集、处理和传输的三种功能，而这正对应着现代信息技术的三大基础技术，即传感器技术、计算机技术和通信技术。

4它们分别构成了信息系统的“感官”、“大脑”和“神经”三个部分。因此说，无线传感器网络正是这三种技术的结合，可以构成一个独立的现代信息系统。

5第一阶段：最早可以追溯二十世纪70年代越战时期使用的传统的传感器系统。当年美越双方在密林覆盖的“胡志明小道”进行了一场血腥较量，这条道路是胡志明部队向南方游击队源源不断输送物资的秘密通道，美军曾经绞尽脑汁动用航空兵狂轰滥炸,但效果不大。后来，美军投放了2万多个“热带树”传感器。所谓“热带树”实际上是由震动和声响传感器组成的系统，它由飞机投放，落地后插入泥土中，只露出伪装成树枝的无线电天线，因而被称为“热带树”。只要对方车队经过，传感器探测出目标产生的震动和声响信息，自动发送到指挥中心，美机立即展开追杀，总共炸毁或炸坏4.6万辆卡车。

这种早期使用的传感器系统的特征在于传感器节点只产生探测数据流，没有计算能力，并且相互之间不能通信。

6第二阶段是二十世纪80年代至90年代之间。

主要是美军研制的分布式传感器网络系统、海军协同交战能力系统、远程战场传感器系统等。这种现代微型化的传感器具备感知能力、计算能力和通信能力。因此在1999年，商业周刊将传感器网络列为21世纪最具影响的21项技术之一。

7第三阶段：21世纪开始至今。也就是本课开始介绍的911事件发生之后。这个阶段的传感器网络技术特点在于网络传输自组织、节点设计低功耗。

除了应用于情报部门反恐活动以外，在其它领域更是获得了很好的应用，所以2002年美国国家重点实验室－－橡树岭实验室提出了“网络就是传感器”的论断。

由于无线传感网在国际上被认为是继互联网之后的第二大网络，2003年美国《技术评论》杂志评出对人类未来生活产生深远影响的十大新兴技术，传感器网络被列为第一。

在现代意义上的无线传感网研究及其应用方面，我国与发达国家几乎同步启动，它已经成为我国信息领域位居世界前列的少数方向之一。在2006年我国发布的《国家中长期科学

与技术发展规划纲要》中，为信息技术确定了三个前沿方向，其中有两项就与传感器网络直接相关，这就是智能感知和自组网技术。

当然，传感器网络的发展也是符合计算设备的演化规律。

8它们通过无线链路和无线接口模块，向监控主机发送传感器数据，实现传感器网络的逻辑功能。

9电源为传感器提供正常工作所必需的能源。感知部件用于感只和获取外界的信息，并将其转化成数字信号。处理部件负责协调节点各部分的工作，如：对感知部件获取的信息进行必要的处理，保存，控制感知部件和电源的工作模式等。无线通信部件负责与其他传感器或观察这的通信。软件则为传感器提供必要的软件支持，如：嵌入式操作系统，嵌入式数据库管理系统等。通过和五角钱的硬币比较，可知传感器节点还是比较小的，这些传感器节点群组成了无线传感器网络的探测端。

10各节点之间以自组织形式构成网络，通过多跳中继方式将监测数据传送到Sink节点，Sink节点也可以用同样的方式将信息发送给各节点。最终借助长距离或临时建立的Sink链路将整个区域内的数据传送到远程中心进行集中处理。因此sink节点相当于传感器网络语Internet等外部网络的信息中转站作用。

11【1】. 物理层：负责信号的调制和数据的收发，所采用的传输介质主要有无线电、红外线、光波等。WSN推荐使用免许可证频段（ISM）。物理层的设计既有不利因素，例如传播损耗因子较大，也有有利的方面，例如高密度部署的无线传感器网络具有分集特性，可以用来克服阴影效应和路径损耗。

【2】. 数据链路层：负责数据成帧、帧监测、媒体接入和差错控制。其中，媒体接入协议保证可靠的点对点和点对多点通信；差错控制则保证源节点发出的信息可以完整无误地到达目标节点。

【3】. 网络层：负责路由的发现和维护，由于大多数节点无法直接与网关通信，因此需要通过中间节点以多跳路由的方式将数据传送至汇聚节点。而这就需要在WSN节点与接收器节点之间多跳的无线路由协议。

【4】. 传输层：负责数据流的传输控制，主要通过汇聚节点采集传感器网络内的数据，并使用卫星、移动通信网络、Internet或者其他的链路与外部网络通信，是保证通信服务质量的重要部分。

【5】. 应用层：由各种面向应用的软件系统构成。主要研究的是各种传感器网络应用的具体系统的开发，例如：作战环境侦查与监控系统，情报获取系统，灾难预防系统等等。

12这张图直观描述了计算设备的演化历史。

贝尔定律指出：每10年会有一类新的计算设备诞生。计算设备整体上是朝着体积越来越小的方向发展，从最初的巨型机演变发展到小型机、工作站、PC和PDA之后，新一代的计算设备正是传感器网络节点这类微型化设备，将来还会发展到生物芯片。

13一个典型的早期应用例子是大鸭岛海燕监测。

作家高尔基笔下赞扬的海燕，现在已经成为了一种濒临灭绝的鸟类。它们特别惧怕人类的打扰，美国缅因州大鸭岛属于自然保护区，上面居住栖息着很多海燕。

2002年英特尔研究人员传感器放置在海燕鸟巢附近，获取海燕生活环境的数据。他们使用的传感器包括光、湿度、气压、红外、图像等，通过无线自组网，将数据经卫星传输到加州的服务器，实现了对敏感野生动物的无人干扰监测。

实时监控电力高压线的应力、温度和震动，在大雪覆盖时可以快速诊断出故障发生的地点。

监测高尔夫球场草皮植被的湿度，以便适时地喷洒浇水。

监测葡萄园的温室气候，因为葡萄园温湿度的细微变化对葡萄酒的质量影响很大。