无线传感器网络
无线传感器网络实验报告
一、实验背景随着物联网技术的飞速发展，无线传感器网络（Wireless Sensor Networks，WSN）作为一种重要的信息获取和传输手段，在军事、环境监测、智能交通、智能家居等领域得到了广泛应用。
为了深入了解无线传感器网络的工作原理和关键技术，我们进行了本次实验。
二、实验目的1. 熟悉无线传感器网络的基本概念和组成；2. 掌握无线传感器网络的通信协议和拓扑结构；3. 熟悉无线传感器网络的编程与调试方法；4. 通过实验，提高动手能力和实践能力。
三、实验内容1. 无线传感器网络概述无线传感器网络由传感器节点、汇聚节点和终端节点组成。
传感器节点负责感知环境信息，汇聚节点负责收集和转发数据，终端节点负责处理和显示数据。
传感器节点通常由微控制器、传感器、无线通信模块和电源模块组成。
2. 无线传感器网络通信协议无线传感器网络的通信协议主要包括物理层、数据链路层和网络层。
物理层负责无线信号的传输，数据链路层负责数据的可靠传输，网络层负责数据路由和传输。
3. 无线传感器网络拓扑结构无线传感器网络的拓扑结构主要有星形、树形、网状和混合形等。
星形拓扑结构简单，但易受中心节点故障影响；树形拓扑结构具有较高的路由效率，但节点间距离较长；网状拓扑结构具有较高的可靠性和路由效率，但节点间距离较远。
4. 无线传感器网络编程与调试本实验采用ZigBee模块作为无线通信模块，利用IAR Embedded WorkBench开发环境进行编程。
实验内容如下：（1）编写传感器节点程序，实现数据的采集和发送；（2）编写汇聚节点程序，实现数据的收集、处理和转发；（3）编写终端节点程序，实现数据的接收和显示。
5. 实验步骤（1）搭建实验平台，包括传感器节点、汇聚节点和终端节点；（2）编写传感器节点程序，实现数据的采集和发送；（3）编写汇聚节点程序，实现数据的收集、处理和转发；（4）编写终端节点程序，实现数据的接收和显示；（5）调试程序，确保各节点间通信正常；（6）观察实验结果，分析实验现象。
无线传感器网络与物联网
无线传感器网络与物联网随着科技的不断进步和互联网的普及，无线传感器网络（Wireless Sensor Network，简称WSN）和物联网（Internet of Things，简称IoT）已经成为现代社会中不可或缺的一部分。
它们的出现不仅带来了便利和创新，同时也为我们的生活和工作带来了巨大的改变。
一、无线传感器网络（WSN）无线传感器网络是由分布在广域范围内的无线传感器节点组成的一种网络系统。
传感器节点可以感知和采集周围环境的物理量或状态，并通过内部通信方式将采集到的信息传输到指定位置。
这些节点可以以无线方式相互连接，形成一个自组织的网络结构。
WSN的基本组成部分包括传感器节点、数据处理器、无线通信模块和电源。
WSN在工业、农业、环境监测等领域具有广泛的应用。
例如，在工业领域，WSN可以用于实时监测设备的状态，预测故障，并及时采取相应的措施，提高生产效率和设备可靠性。
在农业领域，WSN可以监测土壤湿度、气温等参数，帮助农民科学地管理农作物，提高农业生产效益。
在环境监测领域，WSN可以用于监测大气污染、水质污染等环境参数，及时预警环境问题，保护生态环境。
二、物联网（IoT）物联网是由各种物理设备、传感器、软件和网络连接而成的智能化系统。
物联网通过各种感应器和控制器，将物理世界与数字世界相互连接，实现设备之间的互联互通。
物联网技术可以为人们的生活提供智能化、便捷化的服务，例如智能家居、智能交通、智能医疗等。
在智能家居领域，物联网技术可以让家中的各种设备（如电视、冰箱、空调等）通过互联网相互连接，实现远程控制和智能管理。
通过智能家居系统，我们可以远程监控家中的安全状况，自动管理家电设备的能耗，提高生活的便利性和舒适度。
在智能交通领域，物联网技术可以实现交通信号灯的智能控制，车辆之间的实时通信，增强交通的安全性和效率。
在智能医疗领域，物联网技术可以用于远程医疗、健康监测等，提高医疗资源的利用效率和健康管理的水平。
无线传感器网络名词解释
无线传感器网络名词解释1、无线自组织网络：是一种不同于传统无线通信网络的技术传统的无线蜂窝通信网络，需要固定的网络设备如基地站的支持，进行数据的转发和用户服务控制。
而无线自组织网络不需要固定设备支持，各节点即用户终端自行组网，通信时由其他用户节点进行数据的转发。
这种网络形式突破了传统无线蜂窝网络的地理局限性，能够更加快速、便捷、高效地部署，适合于一些紧急场合的通信需要，如战场的单兵通信系统。
2、无线传感器网络WSN无线传感器网络就是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中被感知对象的信息，并发送给观察者。
传感器、感知对象和观察者构成了无线传感器网络的三个要素3、基带信号：信源（信息源，也称发送端）发出的没有经过调制（进行频谱搬移和变换）的原始电信号，其特点是频率较低，信号频谱从零频附近开始，具有低通形式。
根据原始电信号的特征，基带信号可分为数字基带信号和模拟基带信号（相应地，信源也分为数字信源和模拟信源。
）其由信源决定。
4、模拟调制：调制在通信系统中的作用至关重要。
广义的调制分为基带调制和带通调制（也称载波调制）。
在无线通信中和其他大多数场合，调制一般均指载波调制。
调制信号是指来自信源的消息信号（基带信号），这些信号可以是模拟的，也可以是数字的。
调制方式有很多。
根据调制信号是模拟信号还是数字信号，载波是连续波（通常是正弦波）还是脉冲序列，相应的调制方式有模拟连续波调制（简称模拟调制）、数字连续波调制（简称数字调制）、模拟脉冲调制和数字脉冲调制等。
5、数字调制：数字调制是现代通信的重要方法，它与模拟调制相比有许多优点。
数字调制具有更好的抗干扰性能，更强的抗信道损耗，以及更好的安全性；数字传输系统中可以使用差错控制技术，支持复杂信号条件和处理技术，如信源编码、加密技术以及均衡等。
在数字调制中，调制信号可以表示为符号或脉冲的时间序列，其中每个符号可以有m种有限状态，而每个符号又可采用n比特来表示。
无线传感器网络的基本原理与应用介绍
无线传感器网络的基本原理与应用介绍无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）是一种由大量分布式无线传感器节点组成的网络系统，用于收集、处理和传输环境中的信息。
它是物联网的关键组成部分，具有广泛的应用前景。
本文将介绍无线传感器网络的基本原理和一些典型的应用场景。
一、无线传感器网络的基本原理无线传感器网络由大量的无线传感器节点组成，每个节点都具有感知、通信和计算能力。
这些节点可以感知环境中的各种参数，如温度、湿度、光照强度等，并将这些信息通过无线通信传输给其他节点或基站。
无线传感器网络的基本原理包括以下几个方面：1. 节点通信：无线传感器节点之间通过无线信号进行通信，可以采用无线电波、红外线等不同的通信方式。
节点之间可以进行直接通信，也可以通过中继节点进行中转。
2. 路由协议：无线传感器网络中的节点通常是分布在广阔的区域内，节点之间的通信需要经过多跳传输。
为了有效地传输数据，需要设计合适的路由协议，使数据能够通过最优的路径传输到目的节点。
3. 能量管理：无线传感器节点通常由电池供电，能源是限制无线传感器网络寿命的重要因素。
因此，节点需要采取一系列的能量管理策略，如休眠、功率控制等，以延长网络的寿命。
二、无线传感器网络的应用场景无线传感器网络具有广泛的应用场景，下面介绍几个典型的应用场景。
1. 环境监测：无线传感器网络可以用于环境监测，如空气质量监测、水质监测等。
通过部署大量的传感器节点，可以实时监测环境中的各种参数，并及时采取相应的措施。
2. 物流管理：无线传感器网络可以用于物流管理，如货物追踪、温湿度监测等。
通过在货物上部署传感器节点，可以实时监测货物的位置和状态，提高物流的效率和安全性。
3. 农业监测：无线传感器网络可以用于农业监测，如土壤湿度监测、气象监测等。
通过在农田中部署传感器节点，可以实时监测农作物的生长环境，为农民提供科学的种植指导。
4. 健康监护：无线传感器网络可以用于健康监护，如老人健康监测、病人生命体征监测等。
无线传感网络
无线传感网络无线传感器网络(Wireless Sensor Networks, WSN)是一种分布式传感网络。
是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统。
WSN中的传感器节点通过无线方式通信，网络设置灵活，设备位置可以随时更改，还可以跟互联网进行有线或无线方式的连接。
且在科技水平大幅度提高的基础上传感器节点的成本和能耗也逐渐降低，使得WSN在很多领域得到应用。
最早现代意义上的传感器是1879年德国科学家霍尔在研究金属的导电机制时制作的磁场传感器。
经过100多年的发展，传感器的功能不再单一，可以采集温度、湿度、位置、光强、压力、生化等标量数据。
1996年，美国军方资助加州大学洛杉矶分校（UCLA）等单位开展低功耗无线传感器网络（Low-power Wireless Integrated Microsensors，LWIM）的研究。
LWIM III型无线传感器节点将传感器、控制电路与电源电路集成为一体。
两年之后，UCLA与Rockwell合作，开发了Rockwell WINS（Wireless Integrated Network Sensor）无线传感器节点。
该节点使用32位微处理器Strong ARM、1MB的内存与4MB的闪存，数据传输速率是100kbps，工作时的功耗为200mw，睡眠时的功耗是0.8mw。
与此同时，加州大学伯克利分校（UCB）也开展了“Smart Dust”（智能尘埃）项目的研究。
“智能尘埃”意指传感器节点的体积非常小，如尘埃一般。
该项目研究的目标是通过MEMS技术，实现传感、计算与通信能力的集成，用智能传感器技术增强微型机器人的环境感知与智慧处理能力。
其研究任务是开发一系列低功耗、自组织、可重构的无线传感器节点。
1998年研制的WeC智能传感器节点使用的是8位、主频为4MHz的AT90LS8535微处理器芯片，内存是512B，闪存为8kB，数据传输速率为10kbps，工作时的功耗为15mw，睡眠时的功耗是45μw。
无线传感网络综述
1、无线传感网络简介无线传感器网络WSN（Wireless Sensor Network）是一种由传感器节点构成的网络，能够实时地监测、感知和采集节点部署区中观察者感兴趣的感知对象的各种信息（如光强、温度、湿度、噪音和有害气体浓度等物理现象），并对这些信息进行处理后以无线的方式发送出去，通过无线网络最终发送给观察者。
2、无线传感网络的特点1）硬件资源有限：节点由于受价格、体积和功耗的限制，其计算能力、程序空间和内存空间比普通的计算机功能要弱很多。
这一点决定了在节点操作系统设计中，协议层次不能太复杂。
2）传感节点数目多、易失效：根据应用的不同，传感器节点的数量可能达到几百万个，甚至更多。
此外，传感器网络工作在比较恶劣的环境中，经常有新节点加入或已有节点失效，网络的拓扑结构变化很快，而且网络一旦形成，人很少干预其运行。
因此，传感器网络的硬件必须具有高强壮性和容错性，相应的通信协议必须具有可重构和自适应性。
3）通信能力有限：考虑到传感器节点的能量限制和网络覆盖区域大，传感器网络采用多跳路由的传输机制。
传感器节点的无线通信带宽有限，通常仅有几百kbps 的速率。
由于节点能量的变化，受高山、建筑物、障碍物等地势地貌以及风雨雷电等自然环境的影响，无线通信性能可能经常变化，频繁出现通信中断。
4）电源能量有限：网络节点由电池供电，电池的容量一般不是很大。
其特殊的应用领域决定了在使用过程中，不能给电池充电或更换电池，一旦电池能量用完，这个节点也就失去了作用。
因此在无线传感器网络设计过程中，任何技术和协议的使用都要以节能为前提。
5）以数据为中心是网络的核心技术：对于观察者来说，传感器网络的核心是感知数据，而不是网络硬件。
例如，在应用于目标跟踪的传感器网络中，跟踪目标可能出现在任何地方，对目标感兴趣的用户只关心目标出现的位置和时间，并不关心哪个节点监测到目标。
以数据为中心的特点要求传感器网络的设计必须以感知数据管理和处理为中心，把数据库技术和网络技术紧密结合，从逻辑概念和软、硬件技术两个方面实现一个高性能的以数据为中心的网络系统，使用户如同使用通常的数据库管理系统和数据处理系统一样自如地在传感器网络上进行感知数据的管理和处理。
无线传感器网络技术的应用
无线传感器网络技术的应用一、无线传感器网络概述无线传感器网络（Wireless Sensor Network, WSN）是由无线传感器节点组成的自组织且具有大规模分布性的网络系统。
其节点可以用于感知环境或者采集数据，通过网络将数据传回中心节点，实现环境监测、数据采集、控制等功能。
二、无线传感器网络技术的应用1. 环境监测随着城市化进程的加快以及空气、水质污染的严重性日益加剧，无线传感器网络技术可以用于环境监测。
比如，在城市的公园、广场等场所布置一些传感器节点，实时监测空气中的PM2.5、CO2等污染物，通过网络将数据传回中心节点，及时预警、保护市民健康。
2. 智能家居无线传感器网络技术可以应用于智能家居领域。
我们可以通过人体传感器节点将家中人员的行动轨迹、起居习惯等数据采集下来，作为智能设备的参考，从而实现智能应用的更加个性化和高效化。
3. 工业自动化无线传感器网络技术可以用于工业自动化控制中，通过感知原材料供应、生产设备状态等信息，及时处理数据，调整生产流程，提高生产效能，降低生产成本。
4. 农业领域无线传感器网络技术可以应用于农业领域，实现精准农业。
如在田地中布置传感器节点，感知土地植被的生长情况、温湿度等信息，通过数据分析，实现精准灌溉、肥料施用，提高农业生产效益。
5. 物联网无线传感器网络技术是物联网的核心技术之一，可以用于个人消费设备、智能家居、工业控制、领域监测等。
各种设备通过传感器节点实现信息的采集与传输，实现设备之间的互联互通，提高人们的生活品质和工业生产效能。
三、无线传感器网络技术的优势1. 低成本无线传感器节点的成本较低，可以降低网络整体成本，提高应用范围和普及度。
2. 系统灵活由于无线传感器节点的低成本和小规模，可以很容易地增加或减少节点的数量，实现对系统的灵活控制与管理。
3. 能源自主由于传感器节点体积小，通常适用的电池也比较小，可以通过能量自主技术和能源高效利用技术，实现长时间运行，避免了频繁更换电池的繁琐操作。
《无线传感器网络》课件
能耗问题
总结词
无线传感器网络的能耗问题是制约其发展的 关键因素之一。
详细描述
由于无线传感器网络中的节点通常由电池供 电，而电池寿命有限，因此如何降低能耗， 延长节点寿命是亟待解决的问题。此外，在 某些应用场景中，频繁更换电池或充电会给
维护带来困难和成本增加。
标准化问题
总结词
无线传感器网络的标准化问题涉及到不同厂商和应用 的互操作性问题。
开发工具包括硬件开发工具和软件 开发工具，硬件开发工具用于开发 传感器节点硬件电路板，软件开发 工具用于编写、调试和测试应用程 序代码。
03
无线传感器网络的通信协议
MAC协议
信道分配
MAC协议负责无线信道的分配，确保节点 间的通信不会发生冲突。
能量效率
MAC协议应考虑能量效率，避免过多的空 闲监听和数据重传。
动态环境适应性
路由协议应能适应网络拓扑的变化和 节点的动态加入/离开。
能量感知协议
能量管理
能量感知协议旨在有效地管理节点的能量，延长网络的生命周期。
节能技术
采用诸如功率控制、休眠机制等节能技术来降低能耗。
负载均衡
通过均衡节点的负载来降低能耗，避免某些节点过早耗尽能量。
能量预测
利用历史数据预测节点的剩余能量，优化路由和任务分配。
06
无线传感器网络的挑战与展望
安全性问题
总结词
无线传感器网络面临多种安全威胁，如数据 窃取、恶意攻击、篡改等。
详细描述
由于无线传感器网络中的节点通常部署在无 人值守的环境中，因此容易受到攻击者的窃 听、干扰和恶意篡改。攻击者可能通过截获 节点间的通信数据，获取敏感信息，或者对 网络进行破坏，导致网络瘫痪或数据传输错 误。
无线传感器网络(WSN)的特点与应用
无线传感器网络（WSN）的特点与应用无线传感器网络（Wireless Sensor Network，简称WSN）是一种由大量的分布式无线传感器节点组成的网络系统。
每个节点都具备感知、处理、存储和通信等能力，用于采集、传输和处理环境中的各种信息。
WSN的特点及其广泛应用使其成为了当代信息技术领域的研究热点。
一、特点1. 分布式自组织：WSN中的节点可以自组织地构建网络，无需人工干预。
节点通过相互通信和协调来共同完成任务，具备较强的自适应性和冗余容错能力。
2. 节点资源受限：WSN中的节点通常具备较小的计算、存储和能量资源。
为了降低成本和延长网络寿命，节点的硬件资源通常被设计为低功耗、低成本的微型设备。
3. 多传感器融合：WSN中的节点通常配备多种类型的传感器，如温度、湿度、光线、声音等。
通过对不同传感器数据的融合分析，可以提供更全面和准确的环境监测和信息获取。
4. 无线通信：WSN中的节点通过无线通信方式进行数据传输和网络连接。
无线通信不受地理位置限制，节点之间可以自由通信，提供了较大范围的网络覆盖。
二、应用1. 环境监测与物联网：WSN可以应用于环境监测领域，如气象、水质、土壤等。
通过部署大量节点，能够实时、精确地获取环境参数，为环境保护和资源管理提供科学依据。
2. 智能交通系统：WSN可用于智能交通系统中，通过节点部署在道路、交叉口等位置，实现车流量、车速等交通信息的实时监测和分析，并通过数据传输实现交通信号的智能控制。
3. 农业生产与精准农业：WSN可以用于农业领域，通过节点在田地中的布置，实时监测农田土壤湿度、温度以及农作物的生长情况，提供数据支持，实现农业生产的科学化和精细化管理。
4. 工业自动化与智能制造：WSN在工业自动化中的应用十分广泛，例如在工厂生产线上布置节点进行生产过程监控、设备状态检测和故障预警等，提高生产效率和质量。
5. 灾害监测与救援：WSN可以用于灾害监测和救援领域，如地震、火灾、洪水等。
无线传感器网络
• 根据定位过程中实际测量节点间的距离和角度与否
通过测量节点间点到点的距离 或角度等信息进行位置估计； 基于测距的定位
无须测距技术的定位
无须距离和角度信息，仅根据 网络连通性等信息即可实现。
测距方法
• 基于距离的节点定位算法定位精度相对较高，但由于要实 际测量节点间的距离或角度，所以通常硬件要求也较高。 典型的距离测量技术包含利用 RSSI 测距、利用 TOA 或 TDOA 测距和利用 AOA 测距
• 第五，无线传感器网络具备有很强容错能力 • 第六，由于无线传感器网络节点的体积和所携带 能量有限的限制，这些限制决定了传感器节点只 能具备有限的计算和存储能力还有相对距离较短 的通信能力 • 第七，无线传感器网络节点无中心，无线传感器 网络中的传感器节点无严格的控制中心所有的节 点都是地位平等，加入和离开节点都是随意的没 有严格的限制条件
拓扑控制的研究方向
• WSN中拓扑控制可以分为两个研究方向：功率控制和层次 拓扑结构控制。 • 功率控制机制调整网络中每个节点的发射功率，保证网络 连通，在均衡节点中直接邻居数目(单跳可达邻居数目)的 同时，降低节点之间的通信干扰。 • 层次拓扑控制是利用分簇思想，使网络中的部分节点处于 激活状态，成为簇头节点。由这些簇头节点构建一个连通 的网络来处理和传输网络中的数据，并定期或不定期地重 新选择簇头节点，以均衡网络中节点的能量消耗。
传感器节点的限制
• 感知数据流无限
– 传感器网络每个传感器都产生无限 的流式数据，并具有实时性 – 每个传感器仅具有有限的存储器和 计算资源，难以处理巨大的实时数 据流
传感器节点的限制 • 以数据为中心
– 传感器网络不是通常的网络
• 用户感兴趣的是数据而不是网络和传感器硬件
无线传感器网络技术
无线传感器网络技术无线传感器网络技术是一种集成了无线通信、传感器技术和数据处理技术的新兴技术。
它通过无线传感器节点的部署和组网，使得传感器节点可以感知和采集所需的数据，并通过无线通信协议进行数据传输和处理。
无线传感器网络技术在农业、环境监测、智能城市、工业控制等领域有着广泛的应用。
本文将介绍无线传感器网络技术的原理、特点、应用及发展趋势。
一、无线传感器网络技术的原理无线传感器网络技术的核心原理是将多个分布式的传感器节点通过无线通信进行连接，形成一个自组织的网络。
每个传感器节点都具备感知环境的能力，可以采集和处理各种类型的数据，如温度、湿度、光照强度等。
传感器节点通过无线通信协议将采集到的数据传输到基站或其他节点进行存储和处理。
无线传感器网络技术通过布置在目标区域的传感器节点，可以实时地监测和收集环境信息，为决策提供重要的数据支持。
二、无线传感器网络技术的特点1. 自组织和自适应：传感器节点能够自主组网，自身能力会自动适应网络的变化和环境的改变。
2. 分布式处理和协同工作：传感器节点之间可以通过无线通信进行协同工作，共同完成任务。
3. 资源受限：传感器节点的能量、存储和计算能力有限，需要进行能量管理和优化设计。
4. 高度部署和灵活性：传感器节点可以大规模部署，根据需求进行灵活的布局。
5. 系统可靠性和安全性：无线传感器网络技术需要具备对数据的可靠传输和隐私的保护能力。
三、无线传感器网络技术的应用1. 农业领域：在农业生产中，无线传感器网络技术可以用于土壤湿度的监测、作物生长的监控、气象数据的采集等。
2. 环境监测：无线传感器网络技术可以用于城市环境的污染监测、水质监测、大气污染的监测等，为环境保护提供数据支持。
3. 智能交通：在交通管理中，无线传感器网络技术可以用于交通流量的监测、交通信号的优化调度等，提高交通效率和安全性。
4. 工业控制：无线传感器网络技术可以应用于工业自动化生产中，实时监测工艺参数、设备状态，提高生产效率和安全性。
无线传感器网络的发展与应用前景
无线传感器网络的发展与应用前景无线传感器网络（Wireless Sensor Networks，WSN）是一种由大量分布式无线传感器节点组成的网络系统，能够通过无线通信实现信息采集、处理和传输。
这种先进的技术被广泛应用于环境监测、智能交通、农业、医疗等领域，取得了显著的成就。
本文将探讨无线传感器网络的发展历程以及未来应用前景。
一、无线传感器网络的发展历程无线传感器网络的起源可以追溯到上世纪80年代，当时研究人员开始使用传感器来收集环境数据。
然而，由于技术限制和高成本，这些传感器只能使用有线网络连接。
随着科技的进步，无线传感器网络的发展迎来了突破性的进展。
在20世纪90年代，研究人员开始开发可用于无线通信的低功耗芯片，这使得传感器节点的成本大幅下降，并能够长时间运行。
与此同时，无线通信技术也得到了改善，传感器节点之间可以通过无线信号进行通信，无需额外的有线连接。
这一系列的进步为无线传感器网络的广泛应用奠定了基础。
二、无线传感器网络的应用前景1. 环境监测无线传感器网络在环境监测方面具有巨大的潜力。
通过在大范围地域内部署传感器节点，我们可以实时监测空气质量、水质、土壤湿度等指标，以及检测环境中的异常情况。
这些数据对于环境保护和灾害预警具有重要意义。
未来，无线传感器网络将在各类环境监测领域发挥更大作用。
2. 智能交通随着城市化进程的加速，传统交通系统面临的挑战日益增多。
无线传感器网络可以提供实时交通信息，如道路拥堵状况、停车位的可用性等。
通过收集这些数据，并进行智能分析和管理，我们可以实现交通流优化，缓解拥堵问题，提高交通效率。
因此，无线传感器网络在智能交通领域的应用前景非常广阔。
3. 农业在农业方面，无线传感器网络的应用也非常有前景。
传感器节点可以监测和收集农田的温湿度、土壤状态以及作物生长情况等数据。
这些数据对于农民进行精确的农药和水肥投放、实现智能灌溉等都具有重要价值。
通过无线传感器网络技术的应用，我们可以提高农业生产效率，减少资源浪费。
无线传感器网络安全
无线传感器网络安全无线传感器网络（Wireless Sensor Network, WSN）是由大量分布在特定区域内的无线传感器节点构成的网络系统。
这些传感器节点能够感知环境信息并将数据传输给基站节点，基站节点负责从传感器节点收集数据、处理数据并将结果传送给用户或其他网络系统。
然而，由于无线传感器网络的特殊性，安全问题成为无线传感器网络面临的重要挑战。
本文将从身份验证、数据机密性和安全协议等方面论述无线传感器网络的安全问题，以及采取的相应措施。
一、身份验证身份验证是指确认网络中各个节点的身份合法性，防止未授权的节点接入网络，避免恶意节点对网络造成破坏。
常用的身份验证方法包括密码验证、数字证书和生物特征验证等。
1. 密码验证密码验证是最常见的身份验证方法之一，通过用户输入的密码与预先存储在节点中的密码进行比对，确认身份的合法性。
在无线传感器网络中，节点间的通信是无线的，因此需要采取一定的安全措施来确保密码的传输和存储安全，比如采用加密算法和密钥管理机制等。
2. 数字证书数字证书是另一种常用的身份验证方法，通过第三方机构颁发的数字证书对节点的身份进行验证。
每个节点都拥有自己的数字证书，通过验证数字证书的有效性来确认节点的身份合法性。
数字证书具有不可篡改性和唯一性的特点，能够有效防止身份伪造等安全威胁。
3. 生物特征验证生物特征验证是一种更为高级的身份验证方法，通过采集节点的生物特征信息，比如指纹、虹膜等，进行身份识别。
这种方法的优势在于不容易被伪造，提高了节点身份验证的可靠性。
二、数据机密性数据机密性是指对数据进行加密保护，防止未经授权的节点对数据进行窃取或篡改。
无线传感器网络中，节点之间通过无线信道进行通信，信号容易受到窃听和干扰。
因此，保护数据的机密性对于无线传感器网络的安全至关重要。
1. 加密算法采用加密算法可以有效地保护数据的机密性。
常见的加密算法包括对称加密算法和非对称加密算法。
对称加密算法使用相同的密钥进行加密和解密，速度较快但密钥管理较为困难；非对称加密算法使用公钥和私钥进行加密和解密，安全性较高但速度较慢。
无线传感器网络技术的原理与应用场景
无线传感器网络技术的原理与应用场景无线传感器网络（Wireless Sensor Networks，WSN）是一种由大量分布在空间中的无线传感器节点组成的网络。
它的主要特点是无线传感器节点具备感知环境信息并实时传输数据的能力。
本文将介绍无线传感器网络技术的原理和一些常见的应用场景。
一、无线传感器网络技术的原理无线传感器网络技术主要依靠传感器节点感知环境信息，并通过无线通信传输数据。
其原理主要包括以下几个方面：1. 传感器节点：无线传感器网络由大量的传感器节点组成，这些节点通常包括处理器、传感器、电池和无线收发器等组件。
传感器节点通过感知器件感知并采集环境信息，然后将采集到的数据通过无线通信模块发送到基站或其他节点。
2. 网络拓扑结构：传感器节点之间的通信通常采用无线自组织的结构，构成了一个自组织、去中心化的网络。
常见的网络拓扑结构包括星型结构、树型结构和网状结构等。
3. 无线通信技术：无线传感器网络的通信主要依靠无线技术实现。
传感器节点之间可以通过无线信道进行通信，常用的通信技术包括无线局域网（WiFi）、低功耗蓝牙（Bluetooth Low Energy）和Zigbee等。
4. 数据处理与传输：传感器节点采集到的数据通常需要进行处理和压缩后再传输，以减少能耗和网络传输开销。
一般会采用数据融合和数据压缩等技术来实现对数据的处理和传输。
二、无线传感器网络的应用场景无线传感器网络技术具有广泛的应用前景，以下是一些常见的应用场景：1. 环境监测：无线传感器网络可以被广泛应用于环境监测领域，如气象监测、水质监测、土壤监测等。
通过布置在不同位置的传感器节点，可以实时监测和采集环境参数，如温度、湿度、气压等，为环境监测提供数据支持。
2. 智能交通：无线传感器网络可以应用于智能交通系统中，实现交通流量监测、车辆跟踪和道路安全等功能。
通过在道路上部署传感器节点，可以收集车辆的信息，实时监测道路的交通状况，并进行交通调度和预警。
无线传感器网络技术
无线传感器网络技术无线传感器网络技术（Wireless Sensor Network, WSN）是一种具有众多传感器节点的分布式网络系统，通过无线通信实现节点之间的信息传递和数据共享。
该技术在物联网、环境监测、农业、智能交通等领域具有广泛的应用前景。
本文将介绍无线传感器网络技术的基本原理、应用场景以及发展趋势。
一、无线传感器网络技术的基本原理无线传感器网络技术是将传感器节点分布在一定的区域内，通过无线通信实现节点之间的数据传输和协同工作。
该技术包括传感器节点和基站两个主要组成部分。
1. 传感器节点传感器节点是无线传感器网络的基本单位，它包括多个传感器、处理器、存储器和通信设备等组件。
传感器负责采集环境参数，如温度、湿度、光照等，并将采集到的数据进行处理和存储。
传感器节点之间通过无线通信实现数据的传递和共享。
2. 基站基站是无线传感器网络中的中心节点，负责与传感器节点进行通信，并接收、处理和存储传感器节点采集到的数据。
基站通常由一台计算机或单片机实现，通过无线通信进行数据传输。
基站可配备有相应的软件和硬件设备，用于数据处理、存储和分析。
二、无线传感器网络技术的应用场景无线传感器网络技术具有广泛的应用场景，以下列举了几个典型的应用领域。
1. 环境监测无线传感器网络技术在环境监测领域得到广泛应用。
通过部署大量的传感器节点，可以实时监测空气质量、水质、土壤湿度等环境参数，帮助环境监测部门及时掌握环境状况，采取相应措施。
2. 农业在农业领域，无线传感器网络技术可用于智能农业监测。
通过监测土壤湿度、温度、光照以及农作物生长情况等参数，农民可以根据数据分析调整灌溉、施肥等措施，提高农作物产量和质量。
3. 智能交通无线传感器网络技术在智能交通领域也有重要应用。
通过在道路上部署传感器节点，可以实时监测交通流量、道路状况和车辆速度等信息，并将这些数据传输到交通管理中心，帮助决策者制定合理的交通管理策略。
4. 物联网无线传感器网络是物联网的重要组成部分。
无线网络技术_第8章 无线传感器网络
❖ 工作频段灵活：使用频段为2.4GHz、868MHz（欧 洲）和915MHz（美国），均为免执照（免费）的 频段
8.4 无线传感器网络的应用
❖ 最初源于军事上的需求 ❖ 后逐渐被被用于农业，医学等领域
安全/监控
闲侦听，以便接收可能传输给自己的数据。过度的 空闲侦听或者没必要的空闲侦听同样会造成节点能 量的浪费。 (4)在控制节点之间的信道分配时，如果控制消息过多， 也会消耗较多的网络能量。
MAC协议分类标准
❖ 采用分布式控制还是集中控制 ❖ 使用单一共享信道还是多个信道 ❖ 采用固定分配信道方式还是随机访问信道方式
❖ 网络层(Network Layer)
网络层协议主要负责路由发现和维护
路由协议可以划分为平面路由协议和分级路由协 议
WSN 路由协议设计要遵从如下原则
❖ 能量利用率优先考虑 ❖ 数据为中心 ❖ 不影响传感器节点探测精度条件下的数据聚合 ❖ 理想的节点定位和目标追踪
❖ 传输层(Transport Layer)
❖链路层（Data Link Layer）
链路层协议用于建立可靠的点到点或点到多点通信链路, 主要由介质访问控制(Medium Access Control ,简称MAC) 组成,MAC协议的基本作用是避免点到点通讯时冲突的发 生。
传感器网络的MAC协议必须满足两项基本要求:首先是组 建网络底层基础设施,实现多跳并具备自组织特性的节点 无线通讯;其次是在节点通讯过程中实现平等高效的资源 共享
❖ 确定事件发生的位置或获取消息的节点位置是传感 器网络最基本的功能之一，对无线传感器网络应用 的有效性起着关键的作用。
无线传感器网络与物联网
无线传感器网络与物联网现今，随着科技的不断进步，无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）和物联网（Internet of Things，IoT）成为了研究和应用领域的热门话题。
WSN是一种由大量分布式传感器节点组成的网络，可以感知和获取环境中各种数据，并将这些数据通过网络传输给用户；而IoT是将各种物理设备通过互联网连接起来，实现互联互通和远程控制。
本文将从WSN和IoT的定义、特点以及应用领域等方面进行探讨，来对这两个技术进行较为全面的了解。
一、无线传感器网络（WSN）的定义与特点无线传感器网络是一种由大量分布式传感器节点组成的网络。
节点通常由传感器、处理器、通信接口和能源供应组成，这些节点通过无线通信协议互连，并通过协同工作来实现对环境的监测和数据采集。
WSN具有以下几个特点：1. 自组织性：WSN中的节点可以根据环境的变化和网络的需求，自主地组成网络形态，实现自组织和自适应。
2. 分布性：WSN中的传感器节点可以分布在广泛的区域内，实现对整个区域内环境信息的实时获取。
3. 低功耗：由于传感器节点资源有限，WSN中的节点通常采用低功耗的设计，以延长节点的生命周期。
4. 多样性：WSN中的传感器节点可以搭载各种类型的传感器，用于感知温度、湿度、压力、光照等不同的环境参数。
5. 可靠性：WSN具备自动容错和自修复的能力，当网络中某个节点发生故障时，可以通过其他节点进行数据转发，保证数据的可靠性。
二、物联网（IoT）的定义与特点物联网是将各种物理设备通过互联网连接起来，实现互联互通和远程控制的技术。
通过物联网，各种智能设备、感应器和传感器可以实现互相通信和数据交换，从而实现人机互动、设备管理和数据分析等应用。
物联网具有以下几个特点：1. 互联性：物联网通过各种通信技术将物理设备连接在一起，实现设备之间的互联互通，提供全球性的连接服务。
2. 智能化：物联网中的设备具备智能化的能力，可以根据环境和用户的需求，自主地进行数据采集、处理和决策。
无线传感器网络
无线传感器网络无线传感器网络（Wireless Sensor Networks，简称WSN）指采用无线通信技术将大量分布式的无线传感器节点进行网络互联，并通过节点之间的协同工作实现对环境信息的采集、处理、传输和应用的一种网络系统。
它具有低成本、低功耗、分布式、自组织等特点，在环境监测、智能交通、物流管理等领域有着广泛的应用前景。
一、无线传感器网络的概念与组成无线传感器网络是由大量的无线传感器节点组成的分布式网络系统。
每个节点都具有感知环境、处理数据和进行通信的能力，可以通过无线通信方式与其他节点进行数据交换和协同工作。
节点之间通过无线信道进行数据传输，形成了一个覆盖范围广、布局灵活的网络。
无线传感器网络的组成主要包括以下几个要素：1. 无线传感器节点：每个节点包含感知器、处理器、无线通信模块和电源等组件。
它们能够感知环境中的各种物理量，如温度、湿度、压力等，并将采集到的数据进行处理和传输。
2. 网络拓扑结构：是指无线传感器节点之间的连接方式。
常见的拓扑结构有星型、多跳、分簇等，不同的拓扑结构适用于不同的应用场景和需求。
3. 路由协议：用于节点之间的数据传输和通信，实现节点之间的协作和信息交换。
常见的路由协议有LEACH、TBRPF等，选择合适的路由协议对于网络性能和能耗有着重要的影响。
4. 数据处理与存储：无线传感器网络中的节点通常会对采集到的数据进行处理和存储，以便后续分析和应用。
节点可以通过数据压缩、聚合等方式减少数据的传输量，并采用存储技术将数据保存在本地或云端。
二、无线传感器网络的应用领域无线传感器网络在许多领域都有着广泛的应用，下面列举了一些典型的应用领域：1. 环境监测：无线传感器网络可以用于实时监测环境中的温度、湿度、气体浓度等参数，对环境变化进行监测和预警。
这在农业、气象、能源等领域都有着重要的应用价值。
2. 智能交通：无线传感器网络可以用于交通状况的实时监测和智能调度，提高交通效率和安全性。
无线传感器网络的设计与实现
无线传感器网络的设计与实现无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）是一种由大量分布在空间中的传感器节点组成的网络系统，通过无线通信进行数据传输和信息处理。
它具有广泛的应用领域，如环境监测、物流追踪、智能交通等。
本文将介绍无线传感器网络的设计与实现过程。
一、无线传感器网络的架构无线传感器网络由三个组成部分构成：传感器节点、基站和网络拓扑。
1. 传感器节点传感器节点是无线传感器网络的核心组成部分，每个节点包含传感器、处理器、存储器以及无线通信设备。
传感器负责采集环境信息，将其转化为数字信号并进行初步处理。
处理器和存储器用于数据处理和存储。
无线通信设备则负责与其他节点进行数据传输。
2. 基站基站是无线传感器网络的中央控制节点，负责与传感器节点进行通信。
它接收传感器节点采集的数据，并进行进一步的分析和处理。
基站通常具有更强大的计算和存储能力，能够支持复杂的算法和应用。
3. 网络拓扑无线传感器网络的网络拓扑决定了节点之间的连接方式。
常见的网络拓扑包括星型、树状和网状等。
选择适合应用场景的网络拓扑能够优化网络性能和能耗。
二、无线传感器网络的设计与实现流程无线传感器网络的设计与实现包括以下几个关键步骤：需求分析、节点设计、通信协议选择、网络拓扑设计和系统实现。
1. 需求分析在设计无线传感器网络之前，首先需要进行详细的需求分析，明确网络的应用场景和功能要求。
例如，对于环境监测系统，需要确定监测范围、采样频率、数据传输需求等。
2. 节点设计传感器节点的设计是无线传感器网络设计的核心环节。
节点设计需要考虑功耗、传感器选择、处理器性能、通信模块等因素。
合理选择节点硬件和软件平台，设计出满足需求的传感器节点。
3. 通信协议选择通信协议是无线传感器网络中节点之间进行数据传输的关键。
常用的通信协议有IEEE 802.15.4、ZigBee等。
根据应用需求，选择适合的通信协议，保证数据传输的可靠性和效率。
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V ol.14, No.7 ©2003 Journal of Software 软 件 学 报 1000-9825/2003/14(07)1282 无线传感器网络∗ 任丰原1+, 黄海宁2, 林 闯1 1(清华大学 计算机科学与技术系,北京 100084) 2(中国科学院 声学研究所,北京 100080)Wireless Sensor NetworksREN Feng-Yuan 1+, HUANG Hai-Ning 2, LIN Chuang 11(Department of Computer Science and Technology, Tsinghua University, Beijing 100084, China) 2(Institute of Acoustics, The Chinese Academy of Sciences, Beijing 100080, China)+ Corresponding author: Phn: 86-10-62783596, Fax: 86-10-62771138, E-mail: renfy@/Received 2002-10-21; Accepted 2003-03-11Ren FY, Huang HN, Lin C. Wireless sensor networks. Journal of Software , 2003,14(7):1282~1291. /1000-9825/14/1282.htmAbstract : Sensor network, which is made by the convergence of sensor, micro-electro-mechanism system and networks technologies, is a novel technology about acquiring and processing information. In this paper, the architecture of wireless sensor network is briefly introduced. Next, some valuable applications are explained and forecasted. Combining with the existing work, the hot spots including power-aware routing and media access control schemes are discussed and presented in detail. Finally, taking account of application requirements, several future research directions are put forward.Key words : sensor network; low power; routing technology摘 要: 集成了传感器、微机电系统和网络三大技术而形成的传感器网络是一种全新的信息获取和处理技术.在简要介绍传感器网络体系结构的基础上,分析和展望了一些有价值的应用领域.结合已有研究,总结并详细阐述了包括低功耗路由技术和介质访问控制方法等在内的热点研究问题.最后,针对应用需求,提出了几点研究设想.关键词: 传感器网络;低功耗;路由技术中图法分类号: TP393 文献标识码: A更小、更廉价的低功耗计算设备代表的“后PC 时代”冲破了传统台式计算机和高性能服务器的设计模式;普遍的网络化带来的计算处理能力是难以估量的;微机电系统(micro-electro-mechanism system,简称MEMS)的∗ Supported by the National Natural Science Foundation of China under Grant No.60273009 (国家自然科学基金); the National High-Tech Research and Development Plan of China under Grant No.2001AA112080 (国家高技术研究发展计划(863)); the National Grand Fundamental Research 973 Program of China under Grant No.G1999032707 (国家重点基础研究发展规划(973))第一作者简介: 任丰原(1970－),男,甘肃临洮人,博士,讲师,主要研究领域为网络流量管理与控制,传感器网络,系统性能评价.任丰原等:无线传感器网络1283迅速发展奠定了设计和实现片上系统(system on chip,简称SOC)的基础.以上3方面的高度集成又孕育出了许多新的信息获取和处理模式,传感器网络就是其中一例.随机分布的集成有传感器、数据处理单元和通信模块的微小节点通过自组织的方式构成网络,借助于节点中内置的形式多样的传感器测量所在周边环境中的热、红外、声纳、雷达和地震波信号,从而探测包括温度、湿度、噪声、光强度、压力、土壤成分、移动物体的大小、速度和方向等众多我们感兴趣的物质现象.在通信方式上,虽然可以采用有线、无线、红外和光等多种形式,但一般认为短距离的无线低功率通信技术最适合传感器网络使用,为明确起见,一般称作无线传感器网络.但也不绝对,Berkeley的Smart Dust[1]因为可以像尘埃一样悬浮在空中,有效地避免了障碍物的遮挡,因此采用光作为通信介质.无线传感器网络与传统的无线网络(如WLAN和蜂窝移动电话网络)有着不同的设计目标,后者在高度移动的环境中通过优化路由和资源管理策略最大化带宽的利用率,同时为用户提供一定的服务质量保证.在无线传感器网络中,除了少数节点需要移动以外,大部分节点都是静止的.因为它们通常运行在人无法接近的恶劣甚至危险的远程环境中,能源无法替代,设计有效的策略延长网络的生命周期成为无线传感器网络的核心问题.当然,从理论上讲,太阳能电池能持久地补给能源,但工程实践中生产这种微型化的电池还有相当的难度.在无线传感器网络的研究初期,人们一度认为成熟的Internet技术加上Ad-hoc路由机制对传感器网络的设计是足够充分的,但深入的研究表明[2]:传感器网络有着与传统网络明显不同的技术要求.前者以数据为中心,后者以传输数据为目的.为了适应广泛的应用程序,传统网络的设计遵循着“端到端”的边缘论思想[3],强调将一切与功能相关的处理都放在网络的端系统上,中间节点仅仅负责数据分组的转发,对于传感器网络,这未必是一种合理的选择.一些为自组织的Ad-hoc网络设计的协议和算法未必适合传感器网络的特点和应用的要求.节点标识(如地址等)的作用在传感器网络中就显得不是十分重要,因为应用程序不怎么关心单节点上的信息;中间节点上与具体应用相关的数据处理、融合和缓存也显得很有必要.在密集性的传感器网络中,相邻节点间的距离非常短,低功耗的多跳通信模式节省功耗,同时增加了通信的隐蔽性,也避免了长距离的无线通信易受外界噪声干扰的影响.这些独特的要求和制约因素为传感器网络的研究提出了新的技术问题.1 传感器网络的体系结构1.1 节点组成在不同应用中,传感器网络节点的组成不尽相同,但一般都由数据采集、数据处理、数据传输和电源这4部分组成.被监测物理信号的形式决定了传感器的类型.处理器通常选用嵌入式CPU,如Motorola的68HC16,ARM公司的ARM7和Intel的8086等.数据传输单元主要由低功耗、短距离的无线通信模块组成,比如RFM公司的TR1000等.因为需要进行较复杂的任务调度与管理,系统需要一个微型化的操作系统,UC Berkeley为此专门开发了TinyOS[4],当然,uCOS-II和嵌入式Linux等也是不错的选择.图1描述了节点的组成,其中实心箭头的方向表示数据在节点中的流动方向.Fig.1 Components in node of sensor network图1 传感器网络节点的组成1284 Journal of Software软件学报2003,14(7)Fig.2 Architecture of sensor network图2 传感器网络的体系结构1.2 网络体系结构在传感器网络中,节点任意散落在被监测区域内,这一过程是通过飞行器撒播、人工埋置和火箭弹射等方式完成的.节点以自组织形式构成网络,通过多跳中继方式将监测数据传到sink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.卫星链路可用作sink链路,借助游弋在监测区上空的无人飞机回收sink节点上的数据也是一种方式,UC Berkeley在进行UAV(unmanned aerial vehicle)项目[5]的外场测试时便采用了这种方式.如果网络规模太大,可以采用聚类分层的管理模式,图2给出了传感器网络体系结构一般形式的描述.2 传感器网络的应用MEMS支持下的微小传感器技术和节点间的无线通信能力为传感器网络赋予了广阔的应用前景,主要表现在军事、环境、健康、家庭和其他商业领域.当然,在空间探索和灾难拯救等特殊的领域,传感器网络也有其得天独厚的技术优势.2.1 军事应用在军事领域,传感器网络将会成为C4ISRT(command,control,communication,computing,intelligence, surveillance,reconnaissance and targeting)系统不可或缺的一部分.C4ISRT系统的目标是利用先进的高科技技术,为未来的现代化战争设计一个集命令、控制、通信、计算、智能、监视、侦察和定位于一体的战场指挥系统,受到了军事发达国家的普遍重视.因为传感器网络是由密集型、低成本、随机分布的节点组成的,自组织性和容错能力使其不会因为某些节点在恶意攻击中的损坏而导致整个系统的崩溃,这一点是传统的传感器技术所无法比拟的,也正是这一点,使传感器网络非常适合应用于恶劣的战场环境中,包括监控我军兵力、装备和物资,监视冲突区,侦察敌方地形和布防,定位攻击目标,评估损失,侦察和探测核、生物和化学攻击.在战场,指挥员往往需要及时准确地了解部队、武器装备和军用物资供给的情况,铺设的传感器将采集相应的信息,并通过汇聚节点将数据送至指挥所,再转发到指挥部,最后融合来自各战场的数据形成我军完备的战区态势图.在战争中,对冲突区和军事要地的监视也是至关重要的,通过铺设传感器网络,以更隐蔽的方式近距离地观察敌方的布防;当然,也可以直接将传感器节点撒向敌方阵地,在敌方还未来得及反应时迅速收集利于作战的信息.传感器网络也可以为火控和制导系统提供准确的目标定位信息.在生物和化学战中,利用传感器网络及时、准确地探测爆炸中心将会为我军提供宝贵的反应时间,从而最大可能地减小伤亡.传感器网络也可避免核反应部队直接暴露在核辐射的环境中.在军事应用中,与独立的卫星和地面雷达系统相比,传感器网络的潜在优势表现在以下几个方面:(1) 分布节点中多角度和多方位信息的综合有效地提高了信噪比,这一直是卫星和雷达这类独立系统难以克服的技术问题之一.任丰原等:无线传感器网络1285(2) 传感器网络低成本、高冗余的设计原则为整个系统提供了较强的容错能力.(3) 传感器节点与探测目标的近距离接触大大消除了环境噪声对系统性能的影响.(4) 节点中多种传感器的混合应用有利于提高探测的性能指标.(5) 多节点联合,形成覆盖面积较大的实时探测区域.(6) 借助于个别具有移动能力的节点对网络拓扑结构的调整能力,可以有效地消除探测区域内的阴影和盲点.2.2 环境科学随着人们对于环境的日益关注,环境科学所涉及的范围越来越广泛.通过传统方式采集原始数据是一件困难的工作.传感器网络为野外随机性的研究数据获取提供了方便,比如,跟踪候鸟和昆虫的迁移,研究环境变化对农作物的影响,监测海洋、大气和土壤的成分等.ALERT[6]系统中就有数种传感器来监测降雨量、河水水位和土壤水分,并依此预测爆发山洪的可能性[7].类似地,传感器网络对森林火灾准确、及时地预报也应该是有帮助的.此外,传感器网络也可以应用在精细农业中,以监测农作物中的害虫、土壤的酸碱度和施肥状况等.2.3 医疗健康如果在住院病人身上安装特殊用途的传感器节点,如心率和血压监测设备,利用传感器网络,医生就可以随时了解被监护病人的病情,进行及时处理[8].还可以利用传感器网络长时间地收集人的生理数据,这些数据在研制新药品的过程中是非常有用的,而安装在被监测对象身上的微型传感器也不会给人的正常生活带来太多的不便.此外,在药物管理等诸多方面,它也有新颖而独特的应用.总之,传感器网络为未来的远程医疗提供了更加方便、快捷的技术实现手段.2.4 空间探索探索外部星球一直是人类梦寐以求的理想,借助于航天器布撒的传感器网络节点实现对星球表面长时间的监测,应该是一种经济可行的方案.NASA的JPL(Jet Propulsion Laboratory)实验室研制的Sensor Webs[9]就是为将来的火星探测进行技术准备的,已在佛罗里达宇航中心周围的环境监测项目中进行测试和完善.2.5 其他商业应用自组织、微型化和对外部世界的感知能力是传感器网络的三大特点,这些特点决定了传感器网络在商业领域应该也会有不少的机会.比如,嵌入家具和家电中的传感器与执行机构组成的无线网络与Internet连接在一起将会为我们提供更加舒适、方便和具有人性化的智能家居环境;文献[10]中描述的城市车辆监测和跟踪系统中成功地应用了传感器网络;德国某研究机构正在利用传感器网络技术为足球裁判研制一套辅助系统,以减小足球比赛中越位和进球的误判率.此外,在灾难拯救、仓库管理、交互式博物馆、交互式玩具、工厂自动化生产线等众多领域,无线传感器网络都将会孕育出全新的设计和应用模式[11].3 传感器网络研究中的热点问题到现在为止,传感器网络的研究大致经过了两个阶段.第1阶段主要偏重利用MEMS技术设计小型化的节点设备,代表性的研究项目有WINS[12]和Smart Dust.对于网络本身问题的关注和研究可以认为是传感器网络研究的第2个阶段,目前正在成为无线网络研究领域的一个不小的热点.从网络分层模型的角度分析,每一层都有需要结合传感器网络的特点进行细致研究的问题,就已有的研究而言,主要集中在网络层和链路层.下面我们就其中需要解决的问题和已有的方案进行归纳总结.3.1 网络层传感器网络中的路由协议分为平面型和层次型两种,但大都采用多跳形式在节点和易移动的sink节点之间建立连接.Ad-hoc网络中已有的多跳路由协议,如AODV(Ad-hoc demand distance vector)和TORA(temporally ordered routing algorithm)等,一般都不适合传感器网络的特点和要求.传感器中的大部分节点不像Ad-hoc网络1286 Journal of Software软件学报2003,14(7)中的节点一样快速移动,因此没有必要花费很大的代价频繁地更新路由表信息.3.1.1 平面路由协议(1) Flooding泛洪是一种传统的路由技术,不要求维护网络的拓扑结构,并进行路由计算,接收到消息的节点以广播形式转发分组.对于自组织的传感器网络,泛洪路由是一种较直接的实现方法,但消息的“内爆”(implosion)和“重叠”(overlap)是其固有的缺陷[13].为了克服这些缺陷,S.hedetniemi等人提出了Gossiping策略[13],节点随机选取一个相邻节点转发它接收到的分组,而不是采用广播形式.这种方法避免了消息的“内爆”现象,但有可能增加端到端的传输延时.(2) SPIN (sensor protocol for information via negotiation)[14]SPIN是以数据为中心的自适应路由协议,通过协商机制来解决泛洪算法中的“内爆”和“重叠”问题.传感器节点仅广播采集数据的描述信息,当有相应的请求时,才有目的地发送数据信息.SPIN协议中有3种类型的消息,即ADV,REQ和DATA.节点用ADV宣布有数据发送,用REQ请求希望接收数据,用DATA封装数据.SPIN协议有4种不同的形式:• SPIN-PP.采用点到点的通信模式,并假定两节点间的通信不受其他节点的干扰,分组不会丢失,功率没有任何限制.要发送数据的节点通过ADV向它的相邻节点广播消息,感兴趣的节点通过REQ发送请求,数据源向请求者发送数据.接收到数据的节点再向它的相邻节点广播ADV消息,如此重复,使所有节点都有机会接收到任何数据.• SPIN-EC.在SPIN-PP的基础上考虑了节点的功耗,只有能够顺利完成所有任务且能量不低于设定阈值的节点才可参与数据交换.• SPIN-BC.设计了广播信道,使所有在有效半径内的节点可以同时完成数据交换.为了防止产生重复的REQ请求,节点在听到ADV消息以后,设定一个随机定时器来控制REQ请求的发送,其他节点听到该请求,主动放弃请求权利.• SPIN-RL.它是对SPIN-BC的完善,主要考虑如何恢复无线链路引入的分组差错与丢失.记录ADV消息的相关状态,如果在确定时间间隔内接收不到请求数据,则发送重传请求,重传请求的次数有一定的限制.(3) SAR (sequential assignment routing)[15]在选择路径时,有序分配路由(SAR)策略充分考虑了功耗、QoS和分组优先权等特殊要求,采用局部路径恢复和多路经备份策略,避免节点或链路失败时进行路由重计算需要的过量计算开销.为了在每个节点与sink节点间生成多条路经,需要维护多个树结构,每个树以落在sink节点有效传输半径内的节点为根向外生长,枝干的选择需满足一定QoS要求并要有一定的能量储备.这一处理使大多数传感器节点可能同时属于多个树,可任选其一将采集数据回传到sink节点.(4) 定向扩散(directed diffusion)[2]定向扩散模型是Estrin等人专门为传感器网络设计的路由策略,与已有的路由算法有着截然不同的实现机制.节点用一组属性值来命名它所生成的数据,比如将地震波传感器生成的数据命名为Type=seismic,id=12, timestamp=02.01.22/21:10:23,location=75−80S/100−120E.Sink节点发出的查询业务也用属性的组合表示,逐级扩散,最终遍历全网,找到所有匹配的原始数据.有一个称为“梯度”的变量与整个业务请求的扩散过程相联系,反映了网络中间节点对匹配请求条件的数据源的近似判断.更直接的方法是节点用一组标量值表示它的选择,值越大意味着向该方向继续搜索获得匹配数据的可能性越大,这样的处理最终将会在整个网络中为sink节点的请求建立一个临时的“梯度”场,匹配数据可以沿“梯度”最大的方向中继回sink节点.图3描述了定向扩散模型的工作原理.任丰原 等:无线传感器网络1287(a) Request diffusion (a) 请求扩散(b) Set up gradients(b) 梯度场建立Source (c) Data transfer (c) 数据传输 SourceFig.3 Principle of directed diffusion routing图3 定向扩散路由原理 3.1.2 层次路由协议(1) LEACH (low energy adaptive clustering hierarchy)[16] LEACH 是MIT 的Chandrakasan 等人为无线传感器网络设计的低功耗自适应聚类路由算法.与一般的平面多跳路由协议和静态聚类算法相比,LEACH 可以将网络生命周期延长15%,主要通过随机选择聚类首领,平均分担中继通信业务来实现.LEACH 定义了“轮”(round)的概念,一轮由初始化和稳定工作两个阶段组成.为了避免额外的处理开销,稳定态一般持续相对较长的时间.在初始化阶段,聚类首领是通过下面的机制产生的.传感器节点生成0,1之间的随机数,如果大于阈值T ,则选该节点为聚类首领.T 的计算方法如下:,)]/1( mod [1p r p p T −= 其中p 为节点中成为聚类首领的百分数,r 是当前的轮数.一旦聚类首领被选定,它们便主动向所有节点广播这一消息.依据接收信号的强度,节点选择它所要加入的组,并告知相应的聚类首领.基于时分复用的方式,聚类首领为其中的每个成员分配通信时隙.在稳定工作阶段,节点持续采集监测数据,传与聚类首领,进行必要的融合处理之后,发送到sink 节点,这是一种减小通信业务量的合理工作模式.持续一段时间以后,整个网络进入下一轮工作周期,重新选择聚类首领.(2) TEEN (threshold sensitive energy efficient sensor network protocol)[17]依照应用模式的不同,通常可以简单地将无线自组织网络(包括传感器网络和Ad-hoc 网络)分为主动(proactive)和响应(reactive)两种类型.主动型传感器网络持续监测周围的物质现象,并以恒定速率发送监测数据;而响应型传感器网络只是在被观测变量发生突变时才传送数据.相比之下,响应型传感器网络更适合应用在敏感时间的应用中.TEEN 和LEACH 的实现机制非常相似,只是前者是响应型的,而后者属于主动型传感器网络.在TEEN 中定义了硬、软两个门限值,以确定是否需要发送监测数据.当监测数据第一次超过设定的硬门限时,节点用它作为新的硬门限,并在接着到来的时隙内发送它.在接下来的过程中,如果监测数据的变化幅度大于软门限界定的范围,则节点传送最新采集的数据,并将它设定为新的硬门限.通过调节软门限值的大小,可以在监测精度和系统能耗之间取得合理的平衡.NS2平台上的仿真研究结果表明[18]:TEEN 比LEACH 更有效.(3) PEGAGIS (power-efficient gathering in sensor information system)[19]PEGASIS 由LEACH 发展而来.它假定组成网络的传感器节点是同构且静止的.节点发送能量递减的测试信号,通过检测应答来确定离自己最近的相邻节点.通过这种方式,网络中的所有节点能够了解彼此的位置关系,进而每个节点依据自己的位置选择所属的聚类,聚类的首领参照位置关系优化出到sink 节点的最佳链路.因为PEGASIS 中每个节点都以最小功率发送数据分组,并有条件完成必要的数据融合,减小业务流量.因此,整个网络的功耗较小.研究结果表明,PEGASIS 支持的传感器网络的生命周期是LEACH 的近两倍.PEGASIS 协议的不足之处在于节点维护位置信息(相当于传统网络中的拓扑信息)需要额外的资源.(4) 多层聚类算法[2]1288 Journal of Software软件学报2003,14(7)多层聚类算法是Estrin为传感器网络设计的一种新的聚类实现机制.工作在网络中的传感器节点处于不同的层,所处层次越高,所覆盖面积越大.起初,所有节点均在最低层,通过竞争获得提升高层的机会.新的工作周期开始时,每一个节点都广播自己的状态信息,包括储备能量、所在层次和首领的ID(如果有)等,然后进入等待状态以便相互了解信息,等待时间与所在层次成正比.处在最低层的节点如果没有首领,等待状态结束后,立刻启动一个“晋升定时器”,定时时间与自身能量以及接收到同层其他节点广播消息的数目成反比,目的是为能量较高且在密集区的节点获得较多的提升机会.一旦定时时间到,节点升入高层,将有发给自己广播消息的节点视为潜在的子节点,并广播自己新的状态信息,低层节点选择响应这些准首领的广播消息,最终确定惟一的通信关系.选择了首领的节点,自己的“晋升定时器”将停止工作,也就意味着本轮放弃了晋升机会.在每一个工作周期结束以后,高层节点将视自己的状态信息(如有无子节点,功率是否充足)决定是否让出首领位置.上述的多层聚类算法具有递归性,Estrin等人用两层模型验证了它在传感器网络中的有效性.3.2 链路层链路层协议用于建立可靠的点到点或点到多点通信链路,主要由介质访问控制(MAC)组成.就实现机制而言,MAC协议分3类:确定性分配、竞争占用和随机访问[20].前两者不是传感器网络的理想选择.因为TDMA固定时隙的发送模式功耗过大,为了节省功耗,空闲状态应关闭发射机;竞争占用方案需要实时监测信道状态,也不是一种合理的选择;随机介质访问模式比较适合于无线传感网络的节能要求.蜂窝电话网络、Ad-hoc和蓝牙技术是当前主流的无线网络技术,但它们各自的MAC协议不适合无线传感器网络.GSM和CDMA中的介质访问控制主要关心如何满足用户的QoS要求和节省带宽资源,功耗是第二位的;Ad-hoc网络则考虑如何在节点具有高度移动性的环境中建立彼此间的链接,同时兼顾一定的QoS要求,功耗也不是其首要关心的;而蓝牙采用了主从式的星型拓扑结构,这本身就不适合传感器网络自组织的特点.基于以上两个方面的原因,需要为传感器网络设计新的低功耗MAC协议.下面我们简单介绍几种已有的典型方案.3.2.1 SMACS[21]SMACS是分布式的MAC协议,无须任何局部或全局主节点的调度便能让传感器节点发现相邻节点,并安排合理信道占用时间.在具体实现中,相邻节点的发现和信道的分配是一起完成的,因此,当节点听到它所有的相邻节点时,也就意味着已经建立相应的通信子网,链路由固定频率、随机选择的时隙组成.SMACS无须全网的时间同步机制,但在各子网内部保持同步是必要的.在竞争信道资源时,带延时的随机唤醒机制有效地减小了能量的损耗.SMACS的缺点是时隙分配方案不够严密,属于不同子网的节点之间有可能永远得不到通信机会.3.2.2 基于CSMA的介质访问控制[22]传统的载波侦听/多路访问(CSMA)机制不适合传感器网络的原因有二:其一,持续侦听信道的过量功耗;其二,倾向支持独立的点到点通信业务,这样容易导致临近网关的节点获得更多的通信机会,而抑制多跳业务流量,造成不公平.为了弥补这些缺陷,Woo和Culler从两个方面对传统的CSMA进行了改进,以适应传感器网络的技术要求:(1) 采用固定时间间隔的周期性侦听方案节省功耗;(2) 设计自适应传输速率控制(adaptive transmission rate control,简称ARC)策略,有针对性地抑制单跳通信业务量,为中继业务提供更多的服务机会,提高公平性.相似的工作还有Wei Ye等人设计的SMAC(sensor media access control)协议[23].它也是利用周期性侦听机制节省功耗,但没有考虑公平性问题,而是在PAMAS(power aware multi-access protocol with signalling)[24]的启发下,精简了用于同步和避免冲突的信令机制.以上两种基于CSMA改进的传感器网络MAC协议都在TinyOS微操作系统上进行了实现,并分别在SmartDust[5]硬件平台上进行了测试,比802.11标准定义的MAC协议节省了1~5倍的功耗,基本上可为传感器网络所用.3.2.3 TDMA/FDMA组合方案[25]Sohrabi和Pottie设计的传感器网络自组织MAC协议是一种时分复用和频分复用的混合方案,具有一定的代表性.节点上维护着一个特殊的结构帧,类似于TDMA中的时隙分配表,节点据此调度它与相邻节点间的通信.FDMA技术提供的多信道,使多个节点之间可以同时通信,有效地避免了冲突.只是在业务量较小的传感器。