无线传感网络及其在工业领域应用研究
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无线传感网络集成了传感器技术、 计算技术和通信技术， 相互交叉渗透而成为现实， 能够协作地实时监测、 感知和采集 各种环境或监测对象的信息， 并对其进行处理， 具有十分广阔的应用前景， 尤其是在工业领域。阐述了一些影响无线传感网 络设计的要素； 分析了无线传感网络的分层体系结构； 结合已有研究， 总结并详细论述了一些热点研究问题。 关键词 ： 无线传感网络， 协议层， 低功耗， 传感器 无线传感网络是计算技术、通信技术和传感器技术相结合 的产物， 是一种全新的信息获取和处理技术。 它是计算机科学技 术的一个新的研究分支， 得到学术界和工业界的高度重视。 硬件结构与限制因素： 一个传感器节点主要由四部分组 $） 成： 数据采集模块 （传 感 器 和 模 数 转 换 器 ） 、 数据处理模块 （微 处 理器、 存储器） 、 通信模块 （无线收发器） 和供电模块。 还可以根据 应用增加一些部件， 如位置查询部件、 发电部件和移动装置等。 除要求节点的体积很小 （可 小 于 火 柴 盒 ） 外， 传感节点还有 许多其它的限制： 功耗极低； 在高组装密度下运行； 制造成本要 低； 能自动运行， 无人操作； 要适应恶劣环境。 因为无线传感网络传送的数据包小， 数据传输速率低 （通常 小于 $HD ） ， 并且由于通信距离短， 频率复用高， 传感网络的这些 特点使其能够使用低工作循环的无线电设备。 然而， 设计能量充 足且低循环的无线电路仍是一项技术性的挑战。目前用于蓝牙 的技术仍是不能满足无线传感网络的需要， 主要是耗能太多。 传感网络拓扑结构的维护： 维护拓扑结构是一项很重要 !） 的工作。我们从三个方面来讨论与拓扑结构变化和维护相关的 在传感现场可以将传感节点随意放 问题： ! 调度前与调度阶段： 置亦可逐个排列。尽管传感器的绝对数量及对它们无人操纵的 特点经常妨碍其设置按事先设计的计划进行，但最初的设计方 案必须遵循以下原则： 安装成本要低； 减少预先组织及预先计划 的必要性；增加安排的灵活性；增强自组织及容错的能力。 传感节点可以是静态调度。然而， 由于能量减少 " 调度后阶段： 或破坏而使节点经常出现故障，或可能为传感网络提供可移动 节点， 从而要能实现动态调度。 # 对附加节点的重调度： 随时可 对附加的传感节点重调度以取代故障节点或适应动态工作的变 化。新节点的附加提出对网络重组的需求。 可伸缩性： 无线传感网络中传感节点的数量可以从几百 I） 到几万个，伸缩范围很大，这正是利用了传感网络高密度的特 性。实际上， 节点密度取决于应用类型和实际需要。例如在机器 诊断应用中， 节点密度在 #J#;! 的区域内可用 I"" 个节点。而 通常情况下， 密度可高达每平方米 !" 个节点。 容错性：容错就是在传感节点出现故障时， 能够不因此 K） 中断而使整个传感网络继续工作的能力。值得一提的是在协议 和算法规则中应该规定传感网络所要求的容错级别。如果传感 节点的分布环境中干扰很小， 那么协议可以宽松一些。 如果传感 节点用于精确监测， 并且读取的数据很紧迫， 那末容错性则要求 较高， 即容错级别应根据传感网络的应用而定。
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无线传感网络是工业领域最佳选择之一 无线传感网络是传感网络和无线 A6 =.2 网络的有机组合，
在这种网络中，节点不仅能够借助于中间节点的转发来实现通 信， 还可以监测本地环境的变化， 收集和处理相关的传感信息。 尽 管 无 线 传 感 网 络 的 实 现 采 用 了 无 线 A6 =.2 网 络 技 术 ， 但它通常具有以下不同于传统 A6 =.2 网络的特征：网络中 存 在大量 （成 千 上 万 ） 的传感节点， 需要着重考虑网络的可扩展性 问题。传感节点可能配置在偏远或危险的地区并且需要持续工 作，容易被破坏和干扰。而传感节点的寿命是由电池的能量决 定， 因此需要尽量节省能耗。 对于由大量节点构成的传感网络而 言， 手工配置是不可行的， 因此网络需要具有自组织和自动重新 配置能力。传感网络主要采用广播通信模式， 而一般 A6 =.2 网 络是基于点对点通信模式。传感网络区别于 A6 =.2 网络的 一 个重要特征是， 它的目标是检测相关事件的发生， 而不仅是实现 节点间的通信。 因此， 节点通常需要协作来进行信息的汇聚和处 理， 但是这在一定程度上增加了通信开销。 然而，无线传感网络仍具有无线 A6 =.2 网络的一些 突 出 特点： 部分网络节点在网络中可以任意移动， 自由加入和退出网 络， 无线传播条件可随时间和空间不断改变， 使网络拓扑结构频 繁变化； 带宽有限、 容量可变的链路， 多接入、 多径衰减、 噪声和 信号干扰等因素将显著降低无线通信的吞吐量；节点常常依靠 电池来提供能量， 使能量非常有限； 多跳通信， 无线节点的发射 功率有限， 常常需要其它的中间节点来中继信息； 有限的网络安 全， 存在严重的安全性问题， 在设计网络时， 需要仔细考虑拒绝 服务、 攻击、 窃听等； 传感节点在功率、 计算能力及存储方面都很 有限； 由于节点和系统开销的数量非常大， 使传感节点不可能具 有全局标识符。 上述特点决定了无线传感网络在某些工业环境中应用非常 简单方便， 与其它应用领域 （军 事 、 商业、 医疗等） 相比非常适合 于工业领域应用。微传感概念及节点的无线连接使其在工业测 控领域的应用前景十分广阔。
《工业控制计算机》 !""# 年 $% 卷第 $ 期
I
无线传感网络及其在工业领域应用研究
（$$&&!!） 牟连佳 大连大学信息工程学院 （$$&&""） 牟连泳 大连民族学院
!"#$%&’$ ’()*+*,, ,*-,.) -*/0.)1, 23- 4* 5,*6 7.) /*,/(-89,*-,(-892.++*2/(-8 3-6 :).2*,,(-8 (-7.);3/(.- .7 ;.-(/.)*6 .4<*2/, 3-6 =3>* 3 0(6* 3::+(23/(.- 75/5)*9*,:*2(3++? (- (-65,/)(3+ 3)*3@A )*>(*0 .7 732/.), (-7+5*-2(-8 /=* 6*,(8- .7 0()*+*,, ,*-,.) -*)B 0.)1 (, :).>(6*6@C=* +3?*) 3)2=(/*2/5)* .7 0()*+*,, ,*-,.) -*/0.)1 (, 3-3+?D*6@E.;4(-(-8 0(/= /=* *F(,/(-8 0.)19/=* =./ ,:./, 3)* 6(,25,,*6 3-6 :)*,*-/*6 (- 6*/3(+@ ()*+,%-#G0()*+*,, ,*-,.) -*/0.)1,9:)./.2.+ +3?*)9+.0 :.0*)9,*-,.) 摘 要
无线传感网络及其在工业领域应用研究 接收技术的需求。此外，三个管理平台监测传感节点之间的电 源、 移动和任务分配， 这些平台有助于传感节点调整传感任务并 降低总的功耗。这三个管理平台都很重要， 缺一不可， 使每个传 感节点以有力的方式更有效的协同工作。没有这些平台每个节 点只能单独工作。
12. 应用层
/
决定无线传感网络设计的要素
C
系统成本： 如果无线传感网络的成本比传统配置的传感 !） 系统成本高， 那末该传感网络的成本是不合理的。 由于无线传感 网络主要由传感节点组成，因此每一个节点对于调整整个系统 的成本而言至关重要。 对于无线传感网络来说， 传感节点成本应 远远低于目前以低成本著称的蓝牙传感网络节点。 但是， 传感节 点有若干附属单元。若要考虑节点的多项功能而使费用大大降 低， 的确是一个极具挑战性的问题。 传输媒介： 通信节点由一种无线媒介连接在一起。 这些连 "） 接可以由无线电、 红外线或光媒体实现。 为使网络具有全局操作 能力， 被选择的传输媒介须适合于广域连接。 功耗： 传感节点的寿命主要依赖于电池寿命。 在多跳 $% #） 每个节点都起到双重作用： 数据产生器和数 据 &’( 传感网络中， 路由器。 少数节点的功能失效带来很大的拓扑结构变化， 甚至要 求数据包改道和网络重组。 因此能量保持和能源管理极为重要。 在一般移动及 $% &’( 网络中， 功耗不是基本的要求， 而把 )’* 放在第一位。 然而在无线传感网络中， 功率是第一重要的性能指 标， 直接影响到网络寿命。 在感知现场中， 传感节点的主要任务是监测事件的发生， 完 成局域数据快速处理， 然后传输数据。因此， 节点能量主要消耗 在三个方面， 即数据采集、 数据处理及数据通信。数据通信的功 耗在这三方面中是消耗节点能量的主要方面。因为在每次收发 器打开时耗电很多。 所以， 有必要设计一种小型低成本超低功率 的收发器。 而数据传输涉及网络通信路由协议。 一般的无线网络 路由协议设计将 )’* 高放在第一位，能效高放在次位考虑， 所 以，无线传感网络讲究高能量效率的通信路由协议无法采用传 统的路由算法。因此研究人员正致力于开发新的能量效率高的 通信路由协议。 对于数据处理时的能耗远低于数据通信。 所采取 的节能措施主要是： 在多跳式传感网络中， 对节点采集的数据进 行局域处理、 数据融合， 减少了网络总计算量， 这对限制功耗起 到了重要作用。值得一提的是整个传感网络系统规则及协议的 设计都受到相应的功率耗量的制约。
12.2@ 任务分配与数据广告协议
无线传感网络的另一个重要操作是 “兴趣” 传播。用户将自 己的兴趣发送给一个传感节点、 子设备或整个网络， 这一兴趣可 能是有关现象的属性或触发事件，而用户可以查询自己感兴趣 的广告数据。为 “兴趣” 传播而向用户软件提供有效界面的应用 层协议对低层操作很有用。
12.21 传感器查询和数据传播协议 回复查询及收集 *)553 为用户提供界面以进行问题查询、
应用层须具备三个协议： 传感器管理协议 （*/3 ） 、 任务分配 与数据广告协议 （4$5$3 ） 、 传感器查询与数据传播协议 （*)56 ， 这些应用层协议都是有待研究的课题。 53 ） 12.2. 传感器管理协议 为传 */3 所提供的软件操作主要用于 完 成 以 下 管 理 任 务 ： 感节点引入与数据聚合、 基于属性的命令和分类有关的规则； 交 换与位置查找规则有关的数据； 使传感节点时间同步； 移动传感 节点； 开 7 关传感节点； 查询网络结构及节点状态， 以重组传感网 络； 数据通信中的验证、 密钥分配与安全性。 系统管理员通过使用 */3 与传感网络协作。 与其它网络不 同， 无线传感网络的节点无全局标识符， 通常无基础设施 （+,89:;6 。因此， <9=(<=9>?>;; ） */3 必须通过基于属性命名法及基于位置 的寻址方法来访问节点。
输入的答复。 这些查询通常不是质询某一节点， 而是基于属性或 基于位置的命名法查询。比如 “测量温度高于 .AAA0 的节点” 是 一种属性查询， 而 “* 区节点测到的温度” 则是基于位置的查询。
12@ 传输层
当设计系统通过因特网或其它外部网络被访问时，传输层 的作用是非常重要的。用户与 ;+,- 节 点 间 的 通 信 可 由 B53 或 另一方面， 因为每个传感节 403 经过其它网络如因特网来实现； 点都有有限的存储单元， 所以 ;+,- 节 点 与 传 感 节 点 之 间 的 通 信 可以单纯由 B53 协议实现。 传感网络中的端—— —端 通 信 方 案 并 不 以 与 403 协议不同， 全局寻址为基础。这些方案必须考虑基于属性命名法来确定数 据包的去向。一些因素 （如功耗、 伸缩性） 一些特征 （如以数据为 中心的路由选择） 使传感网络需要在传输层有不同的处理。 因此 这些要求表明需要新型的传输层协议。开发传输层协议是一个 极具挑战性的任务， 因为传感节点受各种因素的影响， 尤其是硬 件限制、 有限的能源和存储， 这些决定了每个传感节点都不能象 因特网服务器那样保存大量数据， 而且收到的信息都过于昂贵。 因此， 在 ;+,- 节点中需要将端—— —端通信分类的新方案。
无线传感网络集成了传感器技术、 计算技术和通信技术， 相互交叉渗透而成为现实， 能够协作地实时监测、 感知和采集 各种环境或监测对象的信息， 并对其进行处理， 具有十分广阔的应用前景， 尤其是在工业领域。阐述了一些影响无线传感网 络设计的要素； 分析了无线传感网络的分层体系结构； 结合已有研究， 总结并详细论述了一些热点研究问题。 关键词 ： 无线传感网络， 协议层， 低功耗， 传感器 无线传感网络是计算技术、通信技术和传感器技术相结合 的产物， 是一种全新的信息获取和处理技术。 它是计算机科学技 术的一个新的研究分支， 得到学术界和工业界的高度重视。 硬件结构与限制因素： 一个传感器节点主要由四部分组 $） 成： 数据采集模块 （传 感 器 和 模 数 转 换 器 ） 、 数据处理模块 （微 处 理器、 存储器） 、 通信模块 （无线收发器） 和供电模块。 还可以根据 应用增加一些部件， 如位置查询部件、 发电部件和移动装置等。 除要求节点的体积很小 （可 小 于 火 柴 盒 ） 外， 传感节点还有 许多其它的限制： 功耗极低； 在高组装密度下运行； 制造成本要 低； 能自动运行， 无人操作； 要适应恶劣环境。 因为无线传感网络传送的数据包小， 数据传输速率低 （通常 小于 $HD ） ， 并且由于通信距离短， 频率复用高， 传感网络的这些 特点使其能够使用低工作循环的无线电设备。 然而， 设计能量充 足且低循环的无线电路仍是一项技术性的挑战。目前用于蓝牙 的技术仍是不能满足无线传感网络的需要， 主要是耗能太多。 传感网络拓扑结构的维护： 维护拓扑结构是一项很重要 !） 的工作。我们从三个方面来讨论与拓扑结构变化和维护相关的 在传感现场可以将传感节点随意放 问题： ! 调度前与调度阶段： 置亦可逐个排列。尽管传感器的绝对数量及对它们无人操纵的 特点经常妨碍其设置按事先设计的计划进行，但最初的设计方 案必须遵循以下原则： 安装成本要低； 减少预先组织及预先计划 的必要性；增加安排的灵活性；增强自组织及容错的能力。 传感节点可以是静态调度。然而， 由于能量减少 " 调度后阶段： 或破坏而使节点经常出现故障，或可能为传感网络提供可移动 节点， 从而要能实现动态调度。 # 对附加节点的重调度： 随时可 对附加的传感节点重调度以取代故障节点或适应动态工作的变 化。新节点的附加提出对网络重组的需求。 可伸缩性： 无线传感网络中传感节点的数量可以从几百 I） 到几万个，伸缩范围很大，这正是利用了传感网络高密度的特 性。实际上， 节点密度取决于应用类型和实际需要。例如在机器 诊断应用中， 节点密度在 #J#;! 的区域内可用 I"" 个节点。而 通常情况下， 密度可高达每平方米 !" 个节点。 容错性：容错就是在传感节点出现故障时， 能够不因此 K） 中断而使整个传感网络继续工作的能力。值得一提的是在协议 和算法规则中应该规定传感网络所要求的容错级别。如果传感 节点的分布环境中干扰很小， 那么协议可以宽松一些。 如果传感 节点用于精确监测， 并且读取的数据很紧迫， 那末容错性则要求 较高， 即容错级别应根据传感网络的应用而定。
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无线传感网络是工业领域最佳选择之一 无线传感网络是传感网络和无线 A6 =.2 网络的有机组合，
在这种网络中，节点不仅能够借助于中间节点的转发来实现通 信， 还可以监测本地环境的变化， 收集和处理相关的传感信息。 尽 管 无 线 传 感 网 络 的 实 现 采 用 了 无 线 A6 =.2 网 络 技 术 ， 但它通常具有以下不同于传统 A6 =.2 网络的特征：网络中 存 在大量 （成 千 上 万 ） 的传感节点， 需要着重考虑网络的可扩展性 问题。传感节点可能配置在偏远或危险的地区并且需要持续工 作，容易被破坏和干扰。而传感节点的寿命是由电池的能量决 定， 因此需要尽量节省能耗。 对于由大量节点构成的传感网络而 言， 手工配置是不可行的， 因此网络需要具有自组织和自动重新 配置能力。传感网络主要采用广播通信模式， 而一般 A6 =.2 网 络是基于点对点通信模式。传感网络区别于 A6 =.2 网络的 一 个重要特征是， 它的目标是检测相关事件的发生， 而不仅是实现 节点间的通信。 因此， 节点通常需要协作来进行信息的汇聚和处 理， 但是这在一定程度上增加了通信开销。 然而，无线传感网络仍具有无线 A6 =.2 网络的一些 突 出 特点： 部分网络节点在网络中可以任意移动， 自由加入和退出网 络， 无线传播条件可随时间和空间不断改变， 使网络拓扑结构频 繁变化； 带宽有限、 容量可变的链路， 多接入、 多径衰减、 噪声和 信号干扰等因素将显著降低无线通信的吞吐量；节点常常依靠 电池来提供能量， 使能量非常有限； 多跳通信， 无线节点的发射 功率有限， 常常需要其它的中间节点来中继信息； 有限的网络安 全， 存在严重的安全性问题， 在设计网络时， 需要仔细考虑拒绝 服务、 攻击、 窃听等； 传感节点在功率、 计算能力及存储方面都很 有限； 由于节点和系统开销的数量非常大， 使传感节点不可能具 有全局标识符。 上述特点决定了无线传感网络在某些工业环境中应用非常 简单方便， 与其它应用领域 （军 事 、 商业、 医疗等） 相比非常适合 于工业领域应用。微传感概念及节点的无线连接使其在工业测 控领域的应用前景十分广阔。
《工业控制计算机》 !""# 年 $% 卷第 $ 期
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无线传感网络及其在工业领域应用研究
（$$&&!!） 牟连佳 大连大学信息工程学院 （$$&&""） 牟连泳 大连民族学院
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无线传感网络及其在工业领域应用研究 接收技术的需求。此外，三个管理平台监测传感节点之间的电 源、 移动和任务分配， 这些平台有助于传感节点调整传感任务并 降低总的功耗。这三个管理平台都很重要， 缺一不可， 使每个传 感节点以有力的方式更有效的协同工作。没有这些平台每个节 点只能单独工作。
12. 应用层
/
决定无线传感网络设计的要素
C
系统成本： 如果无线传感网络的成本比传统配置的传感 !） 系统成本高， 那末该传感网络的成本是不合理的。 由于无线传感 网络主要由传感节点组成，因此每一个节点对于调整整个系统 的成本而言至关重要。 对于无线传感网络来说， 传感节点成本应 远远低于目前以低成本著称的蓝牙传感网络节点。 但是， 传感节 点有若干附属单元。若要考虑节点的多项功能而使费用大大降 低， 的确是一个极具挑战性的问题。 传输媒介： 通信节点由一种无线媒介连接在一起。 这些连 "） 接可以由无线电、 红外线或光媒体实现。 为使网络具有全局操作 能力， 被选择的传输媒介须适合于广域连接。 功耗： 传感节点的寿命主要依赖于电池寿命。 在多跳 $% #） 每个节点都起到双重作用： 数据产生器和数 据 &’( 传感网络中， 路由器。 少数节点的功能失效带来很大的拓扑结构变化， 甚至要 求数据包改道和网络重组。 因此能量保持和能源管理极为重要。 在一般移动及 $% &’( 网络中， 功耗不是基本的要求， 而把 )’* 放在第一位。 然而在无线传感网络中， 功率是第一重要的性能指 标， 直接影响到网络寿命。 在感知现场中， 传感节点的主要任务是监测事件的发生， 完 成局域数据快速处理， 然后传输数据。因此， 节点能量主要消耗 在三个方面， 即数据采集、 数据处理及数据通信。数据通信的功 耗在这三方面中是消耗节点能量的主要方面。因为在每次收发 器打开时耗电很多。 所以， 有必要设计一种小型低成本超低功率 的收发器。 而数据传输涉及网络通信路由协议。 一般的无线网络 路由协议设计将 )’* 高放在第一位，能效高放在次位考虑， 所 以，无线传感网络讲究高能量效率的通信路由协议无法采用传 统的路由算法。因此研究人员正致力于开发新的能量效率高的 通信路由协议。 对于数据处理时的能耗远低于数据通信。 所采取 的节能措施主要是： 在多跳式传感网络中， 对节点采集的数据进 行局域处理、 数据融合， 减少了网络总计算量， 这对限制功耗起 到了重要作用。值得一提的是整个传感网络系统规则及协议的 设计都受到相应的功率耗量的制约。
12.2@ 任务分配与数据广告协议
无线传感网络的另一个重要操作是 “兴趣” 传播。用户将自 己的兴趣发送给一个传感节点、 子设备或整个网络， 这一兴趣可 能是有关现象的属性或触发事件，而用户可以查询自己感兴趣 的广告数据。为 “兴趣” 传播而向用户软件提供有效界面的应用 层协议对低层操作很有用。
12.21 传感器查询和数据传播协议 回复查询及收集 *)553 为用户提供界面以进行问题查询、
应用层须具备三个协议： 传感器管理协议 （*/3 ） 、 任务分配 与数据广告协议 （4$5$3 ） 、 传感器查询与数据传播协议 （*)56 ， 这些应用层协议都是有待研究的课题。 53 ） 12.2. 传感器管理协议 为传 */3 所提供的软件操作主要用于 完 成 以 下 管 理 任 务 ： 感节点引入与数据聚合、 基于属性的命令和分类有关的规则； 交 换与位置查找规则有关的数据； 使传感节点时间同步； 移动传感 节点； 开 7 关传感节点； 查询网络结构及节点状态， 以重组传感网 络； 数据通信中的验证、 密钥分配与安全性。 系统管理员通过使用 */3 与传感网络协作。 与其它网络不 同， 无线传感网络的节点无全局标识符， 通常无基础设施 （+,89:;6 。因此， <9=(<=9>?>;; ） */3 必须通过基于属性命名法及基于位置 的寻址方法来访问节点。
输入的答复。 这些查询通常不是质询某一节点， 而是基于属性或 基于位置的命名法查询。比如 “测量温度高于 .AAA0 的节点” 是 一种属性查询， 而 “* 区节点测到的温度” 则是基于位置的查询。
12@ 传输层
当设计系统通过因特网或其它外部网络被访问时，传输层 的作用是非常重要的。用户与 ;+,- 节 点 间 的 通 信 可 由 B53 或 另一方面， 因为每个传感节 403 经过其它网络如因特网来实现； 点都有有限的存储单元， 所以 ;+,- 节 点 与 传 感 节 点 之 间 的 通 信 可以单纯由 B53 协议实现。 传感网络中的端—— —端 通 信 方 案 并 不 以 与 403 协议不同， 全局寻址为基础。这些方案必须考虑基于属性命名法来确定数 据包的去向。一些因素 （如功耗、 伸缩性） 一些特征 （如以数据为 中心的路由选择） 使传感网络需要在传输层有不同的处理。 因此 这些要求表明需要新型的传输层协议。开发传输层协议是一个 极具挑战性的任务， 因为传感节点受各种因素的影响， 尤其是硬 件限制、 有限的能源和存储， 这些决定了每个传感节点都不能象 因特网服务器那样保存大量数据， 而且收到的信息都过于昂贵。 因此， 在 ;+,- 节点中需要将端—— —端通信分类的新方案。