无线传感器网络研究

无线传感器网络研究

近年来, 随着微机电子系统(MEMS) 技术、无线通信技术及数字电子技术的迅速发展, 出现了低成本、低功耗、多功能、体积微小的传感器节点。这种微传感节点由传感单元、数据处理单元、通信单元和便携式电源组成, 能完成数据采集、信号监测和传送信息的任务。随着传感器技术和通信技术的发展, 提出了无线传感器网络技术, 因为其应用的广泛性而得到高度重视。无线传感器网络是由一组传感器节点通过无线介质连接构成的无线网络, 它采用Ad hoc方式部署大量微型的智能传感节点, 通过节点的协同工作采集和处理网络覆盖区域中的目标信息。微传感和无线的概念使得无线传感器网络中的传感器节点能运用于更多的领域, 包括军事、医疗保健、家居以及其他的商业领域, 并且有可能会应用于太空探索、化学处理和灾难救助。可以说无线传感器网络是信息感知和采集的一场革命, 是21世纪最重要的技术之一。

1.1 无线传感器网络及其应用现状

本节对无线传感器网络(Wireless Sensor Networks, WSN)的体系结构、特点、国内外研究现状及应用等进行简单介绍。

1.1.1 无线传感器网络的体系结构

无线传感器网络系统通常包括传感器节点(sensor node)、汇聚节点(sink node)和管理节点。大量传感器节点部署在监测区域内，通过自组织方式构成网络。传感器网络的节点可以随机或者特定地布置在目标环境中，它们之间通过特定的协议自组织起来，能够获取周围环境的信息并且相互协同工作完成特定任务。

这一技术已经应用到国防军事、动物的习性观测、材料结构健康监测、交通管理、医疗卫生、灾害监测等领域[6]。

传感器节点通常是一个微型的嵌入式系统，它是由传感器模块、处理器模块、无线通信模块和能量供应模块四部分组成，如图1-2所示。传感器模块负责监测区域内信息的采集和数据转换；处理器模块负责控制整个传感器节点的操作，存储和处理本身采集的数据以及其它节点发来的数据；无线通信模块负责与其他传感器节

点进行无线通信，交换控制消息和收发采集数据；能量供应模块为传感器节点提供运行所需的能量，通常采用电池[7]。

图1-1 传感器节点结构图

1.1.2 无线传感器网络的特点

无线传感器网络是集成了监测、控制以及无线通信的网络系统，节点数目更为庞大(上千甚至上万)，节点分布更为密集；由于环境影响和能量耗尽，节点更容易出现故障；环境干扰和节点故障易造成网络拓扑结构的变化；通常情况下，大多数传感器节点是固定不动的。另外，传感器节点具有的能量、处理能力、存储能力和通信能力等都十分有限。传统无线网络的首要设计目标是提供高服务质量和高效带宽利用，其次才考虑节约能源；而无线传感器网络的首要设计是能源的高效使用，这也是无线传感器网络和传统网络最重要的区别之一。与传统的数据采集技术相比，无线传感器网络系统的优势主要体现[8]在：

(1)感知范围大。单个大型传感设备虽然能力较强，但感知范围有限。而无线传感器网络通过将大量能力较弱的传感器散布于整个区域可以获得较大的感知空间；

(2)自组织网络。无线传感器网络的建立和节点间通信不依赖于固定的通信基础设施，传感器节点通过分布式网络拓扑协议实现组网，网络能够自动调整以适应节点的移动、加入和退出、剩余电量和无线传输范围的变化等。

(3)容错性能高。无线传感器网络中的节点密集分布，单位区域内的多个传感器在功能上是冗余的。这使无线传感器网络比单个大型传感设备具有更强的容错能力。网络中部分节点的损坏不会影响系统的正常运行，大量的冗余节点可以接替这些损

坏节点的工作，为用户提供可靠的数据；

(4)应用相关的网络，不同的应用背景对传感器网络的要求不同，其硬件平台、软件系统和网络协议必然会有很大差别；

(5)成本低。虽然用大量的传感器替代了一个大型传感设备，但由于大型传感设备在体积、可靠性、测量精度方面有严格的限制。无线传感器网络的设备成本仍然远远低于传统的大型传感设备。此外，由于无线传感器网络具有很高的智能性，部署方便，可以长期在无人干预的环境中自主工作，大大降低了使用和维护的成本。

1.1.3 无线传感器网络的应用现状

无线传感器网络是由多个节点组成的面向任务的无线网络，它综合了传感器技术、嵌入式计算技术、现代网络及无线通信技术、分布式信息处理技术等多种领域技术，通过各类微型传感器对目标信息进行实时监测，由嵌入式计算资源对信息进行处理，并通过无线通信网络将信息传送至远程用户。

这一技术具有十分广阔的应用前景，在军事国防、工农业控制、城市管理、生物医疗、环境监测、抢险救灾、防恐反恐、危险区域远程控制等许多领域都有重要的科研价值和实用价值。目前无线传感器网络的应用主要集中在以下领域：

1.环境的监测和保护

随着人们对于环境问题的关注程度越来越高，需要采集的环境数据也越来越多，无线传感器网络的出现为随机性的研究数据获取提供了便利，并且还可以避免传统数据收集方式给环境带来的侵入式破坏。比如，英特尔研究实验室研究人员曾经将32个小型传感器连进互联网，以读出缅因州大鸭岛上的气候，用来评价一种海燕巢的条件。无线传感器网络还可以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。此外，它也可以应用在精细农业中，来监测农作物中的害虫、土壤的酸碱度和施肥状况等。

2.医疗护理

无线传感器网络在医疗研究、护理领域也可以大展身手。罗彻斯特大学的科学家使用无线传感器创建了一个智能医疗房间，使用微尘来测量居住者的重要征兆（血压、脉搏和呼吸）、睡觉姿势以及每天24小时的活动状况。英特尔公司也推出了无线传感器网络的家庭护理技术。该技术是做为探讨应对老龄化社会的技术项目center for aging services technologies（cast）的一个环节开发的。该系统通过在鞋、家具以家用电器等家中道具和设备中嵌入半导体传感器，帮助老龄人士、阿尔茨海默氏病患者以及残障人士的家庭生活。利用无线通信将各传感器联网可高效传递必