摘 要： 從理論上描述了無線傳感器網(wǎng)絡的特性及關鍵技術，闡述了其廣闊的發(fā)展前景。無線傳感器網(wǎng)絡可以感知周圍環(huán)境，把采集的信息發(fā)送給數(shù)據(jù)使用者。由于無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點具有成本低、功耗低的優(yōu)點，使其可以大范圍地應用在一定區(qū)域。
關鍵詞： 無線傳感器網(wǎng)絡；數(shù)據(jù)采集
隨著傳感器、集成電路和低功耗射頻技術的飛速發(fā)展，傳感器節(jié)點的成本和功耗得到了有效控制，進而使得傳感器節(jié)點的大規(guī)模應用成為可能。在這種技術背景下，無線傳感器網(wǎng)絡逐漸完善并發(fā)展成熟。
1 無線傳感器網(wǎng)絡的簡介[1]
1.1 無線傳感器網(wǎng)絡的節(jié)點組成結(jié)構(gòu)
傳感器節(jié)點到目前經(jīng)過了四代的發(fā)展，在不同的應用背景下，傳感器節(jié)點的具體設計有不同，但基本結(jié)構(gòu)是類似的。與此同時，傳感器節(jié)點在無線傳感器網(wǎng)絡中充當數(shù)據(jù)采集者、數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)站或類頭節(jié)點的角色始終沒有發(fā)生變化。一個典型的節(jié)點結(jié)構(gòu)由傳感器節(jié)點、信號處理電路、模/數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換器、微處理器、電池及電源管理電路、存儲器和射頻模塊等構(gòu)成，如圖1所示。
傳感器模塊用于監(jiān)測目標的信息采集和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。一個節(jié)點可以監(jiān)測多個監(jiān)測目標，同時，一個監(jiān)測目標也可以被多個節(jié)點感知。A/D轉(zhuǎn)換器將物理信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并傳送到數(shù)據(jù)處理模塊。微處理器負責協(xié)調(diào)節(jié)點各部分的工作，通常選用嵌入式處理器。電池及電源管理為節(jié)點提供正常工作所需要的能量，通常選用干電池。存儲單元為數(shù)據(jù)提供暫時存儲服務。射頻模塊由低功耗、短距離的無線通信模塊組成，主要負責與其他節(jié)點進行通信。
1.2 無線傳感器網(wǎng)絡的體系結(jié)構(gòu)
一個典型的無線傳感器網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)包括傳感器節(jié)點、任務管理節(jié)點和匯聚節(jié)點[2]，如圖2所示。傳感器節(jié)點的射頻覆蓋范圍比較小，可以實現(xiàn)對感知區(qū)域內(nèi)信息的采集、分析和處理任務，然后經(jīng)過多跳路由的方式將數(shù)據(jù)發(fā)送到匯聚節(jié)點。匯聚節(jié)點具有較強的數(shù)據(jù)發(fā)射能力，數(shù)據(jù)信息會通過匯聚鏈路發(fā)送到任務管理節(jié)點進行進一步的處理，匯聚鏈路可以是互聯(lián)網(wǎng)、衛(wèi)星通信等。任務管理節(jié)點是數(shù)據(jù)的使用者，主要負責對采集的信息進行分析處理。
2 無線傳感器網(wǎng)絡的特性[3]
2.1 電源能量有限
無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的供電方式（干電池）決定了其容量十分有限，同時，無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點分布廣闊等特點也決定了使用過程中補充能量的不現(xiàn)實性。當電量使用完畢時，網(wǎng)絡節(jié)點也就失去了作用，稱之為節(jié)點死亡。當網(wǎng)絡節(jié)點的死亡數(shù)達到限制數(shù)時，無線傳感器網(wǎng)絡就不能組網(wǎng)傳遞數(shù)據(jù)，這個無線傳感器網(wǎng)絡就失去了價值。網(wǎng)絡節(jié)點的耗能單元模塊包括傳感單元、處理單元和通信單元，其中通信單元消耗了絕大多數(shù)的能量，如圖3所示。
因此，無線傳感器網(wǎng)絡技術發(fā)展到現(xiàn)在，任何設計模式都必須以節(jié)能、延長網(wǎng)絡使用時間為前提。
2.2 通信能力有限
無線傳感器網(wǎng)絡能量消耗和通信距離的關系為：
E=kDn （2<n<4） （1）
其中，k表示常量系數(shù)，D表示通信距離，節(jié)點的通信半徑一般取值為30 m~150 m。n的值與網(wǎng)絡中障礙物和電磁干擾等成正比。
2.3 以數(shù)據(jù)為中心
以數(shù)據(jù)為中心指的是在無線傳感器網(wǎng)絡中數(shù)據(jù)使用者只關注某個網(wǎng)絡區(qū)域內(nèi)的某個觀測指標的數(shù)值，而不是關注具體節(jié)點的數(shù)據(jù)信息。這就要求無線傳感器網(wǎng)絡能夠快速有效地組織各個網(wǎng)絡節(jié)點的信息并進行融合處理，將有用的信息數(shù)據(jù)發(fā)送給數(shù)據(jù)使用者，節(jié)點的融合處理能力可以減少在傳送過程中的能量消耗，延長網(wǎng)絡的生存時間。
2.4 無中心
在無線傳感器網(wǎng)絡中每個節(jié)點的地位都是平等的，節(jié)點啟動后能夠自動進行參數(shù)配置，并通過分布式的算法來協(xié)調(diào)彼此的行為，任何節(jié)點都可以隨時加入或退出網(wǎng)絡，也可以通過拓撲結(jié)構(gòu)控制和網(wǎng)絡協(xié)議隨時隨地快速展開并自動構(gòu)成一個獨立的多跳網(wǎng)絡，無需任何人工干預和預置的網(wǎng)絡設施。這也就是無線傳感器網(wǎng)絡被稱為“智能塵埃”的奧妙之處。
2.5 路由方式
在無線傳感器網(wǎng)絡中，由于節(jié)點資源有限等特點，導致了節(jié)點無法與接收器節(jié)點直接進行數(shù)據(jù)通信，因此在實際應用中大多都是采用多跳的路由方式。
2.6 可移動性
無線傳感器網(wǎng)絡中的網(wǎng)絡節(jié)點是在特定區(qū)域中隨機播撒的，因此具有可移動性。當節(jié)點位置布置好后，相對就比較固定，而且網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)也不會發(fā)生變化，只有當某些節(jié)點死亡或者是有新的節(jié)點加入時才發(fā)生變化。
無線傳感器網(wǎng)絡中的網(wǎng)絡節(jié)點由于受限于價格、體積和能耗等資源因素，導致了計算能力、存儲能力以及通信方式都比較有限，因此設計有效的協(xié)議算法、提高節(jié)點的數(shù)據(jù)融合能力是無線傳感器網(wǎng)絡發(fā)展的主要挑戰(zhàn)。
3 無線傳感器網(wǎng)絡關鍵技術
3.1 操作系統(tǒng)
無線傳感器網(wǎng)絡的節(jié)點是一個微型的嵌入式系統(tǒng)，Windows和Unix等傳統(tǒng)的操作系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足無線傳感器網(wǎng)絡對于節(jié)點高效利用的新需求。因此，需要一種新的操作系統(tǒng)來滿足節(jié)點資源有效利用的需求。目前，研發(fā)人員已經(jīng)開發(fā)了幾種適用于無線傳感器網(wǎng)絡的操作系統(tǒng)，其中占據(jù)主導地位的是由美國加州大學伯克利分校開發(fā)的TinyOS，其他比較普遍的系統(tǒng)還有美國科羅拉多大學MANTIS項目組開發(fā)的開源多線程操作系統(tǒng)MantisOS、加州大學洛杉磯分校網(wǎng)絡和嵌入式實驗室開發(fā)的操作系統(tǒng)SOS、瑞典計算機研究所開發(fā)的多任務開源操作系統(tǒng)Contiki以及康奈爾大學開發(fā)的分布式操作系統(tǒng)MagneOS等。
3.2 路由協(xié)議
路由協(xié)議在無線傳感器網(wǎng)絡中起著非常重要的作用，不僅關系到單個節(jié)點的耗能，同時也關系到整個網(wǎng)絡的能量均衡消耗。因此，高效的路由協(xié)議不僅可以維持數(shù)據(jù)傳輸通路，而且還應該具有一定的魯棒性。
3.3 數(shù)據(jù)融合
無線傳感器網(wǎng)絡的節(jié)點數(shù)目多、分布廣，獲取的數(shù)據(jù)信息具有很大的冗余度，如果將冗余數(shù)據(jù)傳輸給用戶管理節(jié)點進行集中處理，不僅會造成網(wǎng)絡通信量大，而且傳輸數(shù)據(jù)過程中也會消耗過多的能量。因此，網(wǎng)絡節(jié)點需要對獲取到的數(shù)據(jù)進行融合處理，在保證信息準確性的前提下，達到節(jié)能的目的。
3.4 定位技術
無線傳感器網(wǎng)絡的節(jié)點定位技術是指確定每個節(jié)點在網(wǎng)絡中的相對或絕對地理坐標，使用該技術，無線傳感網(wǎng)絡可以智能地選取特定區(qū)域的節(jié)點來進行數(shù)據(jù)采集。定位技術不僅可以降低無線傳感網(wǎng)絡的耗能，同時可以延長網(wǎng)絡的使用時間。
3.5 網(wǎng)絡安全
無線傳感器網(wǎng)絡在進行數(shù)據(jù)采集、融合和傳輸?shù)倪^程中可能會遇到竊聽、消息修改等安全威脅。針對這些問題，無線傳感器網(wǎng)絡SPINS安全框架在機密性、完整性鑒別及認證廣播等方面都提出了完整有效的機制算法，這些機制算法對于無線傳感器網(wǎng)絡的安全性起到了有效的保護。
無線傳感器網(wǎng)絡憑借其自身的優(yōu)點，目前已在軍事、環(huán)境監(jiān)控、空間探索等領域取得了有效的利用，并表現(xiàn)出了巨大的優(yōu)勢。國內(nèi)對于無線傳感器網(wǎng)絡的研究才剛剛起步，在無線傳感器網(wǎng)絡方面的研究工作還不多，但是隨著研究的深入，該理論無論在國家安全還是在國民經(jīng)濟等方面都將有更廣泛的應用前景，對整個國家的社會、經(jīng)濟都將有重大的戰(zhàn)略意義。
參考文獻
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