无线传感器网络范文

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中图分类号:TP3文献标识码:A文章编号:1671-7597(2009)11100067-01

一、无线传感器网络的定义

无线传感器网络是由大量的具有特定功能的传感器节点通过自组织的无线通讯方式,相互传递信息,协同的完成特定功能的智能专用网络[1]。它可以实时的监测,感知和采集网络所监控区域内的各种环境或监测对象的信息,并对收集到的信息进行处理后传送给终端用户。

二、无线传感器网络的结构

无线传感器网络系统基本包括传感器节点(sensor node),汇聚节点(sink node)和管理节点,其结构如图1所示。大量的传感器节点随机的布置在检测区域,节点以自组织的形式构成网络,通过多条中继方式将检测到的数据传送到汇聚节点,最后通过Internet或其他网络通讯方式将检测信息传送到管理节点。同样的,用户可以通过管理节点进行命令的,告知传感器节点收集检测信息[2]。

传感器节点是一个具有信息采集,处理和通信能力的微型嵌入式计算机系统,但是受限于携带电池能量有限的原因,其处理能力相对较弱。结构如图2所示。从网络功能上看,每个传感器节点除了要处理本地的信息,还需要协助其他节点进行转发和处理信息。

三、无线传感器网络的几个具体关键问题

(一)物理层协议。无线传感器网络是一个开放系统互联,按照国际标准化组织(ISO)的规定,为数据流传输所需的物理连接的建立、维护和释放提供的机械的、电气的、功能和规程性的模块就叫做物理层。从这个定义可以看出,物理层需要承担为数据终端提供数据传输通路、传输数据和完成管理工作的职责。具体到无线传感器网络就是介质的选择、频段的选择、调制技术以及扩频技术。因为是无线网络,传输介质自然要选电磁波了。不过,源信号要依靠电磁波传输必需要通过调制技术变成高频信号,当抵达接受端时,又通过解调技术还原成原始信号。目前采用的调制方法分为模拟调制和数字调制两种。它们的区别就在于调制信号所用的基带信号的模式不同而已(一为数字,一为模拟)。

(二)MAC层协议[3]。信号的传输要靠信道,因此信道也就成为了一种宝贵的资源。怎样合理有效的分配信道,就是数据链路层中的MAC子层要解决的问题了。

无线传感器网络经常使用的有三种MAC协议:传感器协议(S-MAC),分布式能量意识协议(DE-MAC)和协调设备协议。S-MAC协议通过调配节点的休眠方式来有效地分配信道;DE-MAC则采用周期性监听和休眠机制,避免空闲监听和串音,其目的是减少能耗和增加网络的生存周期;MD协议则能为大规模、低占空比运行的节点提供了不需要高精度时钟的可靠通信。

总体来说,无线传感器网络的MAC协议在分配信道的同时还要保证系统的能耗最低。

(三)路由。在具备底层传输协议的保障后,信息怎样快速地从源传输到目的地就是由路由协议来解决了。简单来说,路由要实现两个基本功能:确定最佳路径和通过网络传输信息。数据传输的途径存于路由表,由路由算法初始化并负责维护。

无线传感器网络与普通的网络不同,它有自己的特点:比如能量受限,通信方式以数据为中心,相邻节点的数据有着相似性,拓扑结构也在不断的变化等。与此对应,常规网络的路由并不一定能适应无线传感器网络。

下面来介绍几种常见的路由协议:

1.泛洪式路由。这是一种非常传统的路由协议。泛洪式路由不进行维护网络拓扑和相关路由计算,只负责以广播形式转发数据包,因此效率并不高。

2.SPIN。SPIN是一组基于协商并且具有能量自适应功能的协议。节点之间通过协商来确定是否有发送信号的必要,并实时监控网络中的能量负载来改变工作模式。以上两种协议都是平面路由协议,依照这种协议,节点并不进行分区归类。

3.LEACH。LEACH是一种分层网络协议,它以循环的方式随机选择簇首节点,将全网络的能量负载平均分配到每个传感器节点,从而达到降低网络能源消耗的目的。这里要解释一下簇,簇是分层路由协议的概念,根据分层路由协议,网络被划分成不同簇,每一个簇由一个簇首和簇成员组成,多个簇首形成高级的网络,簇首节点不仅负责其辖下簇内信息的收集和融合处理,还负责簇之间数据的转发。

4.PEGASIS。PEGASIS可谓LEACH的升级版本。按照其规定,只有最为邻近的节点才相互通信,节点与汇聚点轮流通信,当所有的节点都与汇聚点通信后,节点再进行新一回合的轮流通信。

(四)软件的支持[4]。无线传感器网络也有一个属于自己的操作系统TinyOS。这个系统不同于传统意义上的操作系统,它更像一个编程构架,在此构架下,搭配一组必要的组件,就能方便地编译出面向特定应用的操作系统。

TinyOS由众多组件组成,包括了主组件、应用组件、执行组件、传感组件、通信组件和硬件抽象组件。每一个组件在其内部都封装了命令处理程序和事件处理程序,它们通过接口声明所调用的命令和将要触发的事件。调度器则负责根据任务的轻重缓急来安排系统的工作。

四、结束语

无线传感器网络这种新兴的技术发展迅猛,已经成为无线网络研究的热点。在全球范围内此技术目前基本处于理论研究和实验室试验阶段,国内的研究起步也开始不久,从理论上和实际应用都有待于深入研究。

参考文献:

[1]孙利民,无线传感器网络[M].北京:清华大学出版社,2005.

[2]赵志强,无线传感器网络结构及关键技术介绍[J].苏州职业大学学报,2007.

[3]林小兰、肖明波,无线传感器网络MAC层协议的分析比较[J].现代电子技术,2007.

[4]李世晗、白跃宾、钱德沛,无线传感器网络软件技术研究[J].计算机应用研究,2007.

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0.引言

随着传感器技术、微电子技术、嵌入式计算技术和通信技术等几种技术的融合和汇聚，具有感知信息、数据处理、存储和通信能力的微型传感器被应用于国防军事、工业生产、环境监测等多个领域。无线传感器网络(Wireless Sensor Networks ,WSN)是由一组稠密布置的微型传感器组成的无线自组织网络，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖的地理区域内感知对象的信息，并给观察者。相对于有线传感器网络而言，无线传感器网络具有成本低、应用灵活、部署快速等优点，具有很大的应用空间。无线传感器网络已在军事、安全、环境、工业、交通、健康和家居等领域，有着广泛的应用。

1.无线传感器网络的体系结构及特点

1.1无线传感器网络的结构

无线传感器网络由大量集传感与驱动控制、计算存储、通信于一体的的嵌入式传感器节点构成。这些传感器节点通常包括传感器节点、网络协调器节点和应用管理器节点。应用时，传感器节点分布在不同的角落，采集节点周边的温度、湿度、光强度、噪声、压力、速度等物理信息，各传感器节点将采集到的信息发送给特定的对象。图1为无线传感器网络的结构。

图1 无线传感器网络结构

传感器节点具有信息采集和处理的能力，是由传感器模块、数据处理模块和无线通信模块组成的微系统。传感器模块负责采集外界环境的物理信息并将物理信号转换为数字信号；数据处理模块对数字信号进行编码等处理；无线通信模块负责将信息传送到网络中。传感器节点实质是以自组织的形式构成无线网络。网络协调器节点具有信息处理能力和网络管理能力，实现传感器节点与应用管理器节点之间信息的交换。应用管理器节点是用户于传感器网络的接口。用户通过应用管理器节点实现处理无线传感器网络采集到的信息和向无线传感器网络应用指令的交互。

1.2无线传感器的特点

无线传感器网络能够得到广泛的应用，因其具有以下特点：

1.2.1节点规模大、节点体积小

无线传感器网络中传感器节点密度高，数量巨大，可能达到几百、几千万，甚至更多。体积小是无线传感器网络节点一个重要特点，也是实现大量部署的内在要求。

1.2.2自组织

无线传感器网络根据组网机制和网络协议自动对网络进行配置和管理，传感器节点有自组织能力，能够自动形成无线通信系统不需要固定的基础设施作为网络枢纽。

1.2.3能适应复杂环境

传感器网络主要分布在各种条件恶劣的环境，如军事边界或者一些人员难以进入地区。同时，节点容易受高山、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。

1.2.4部署容易且成本低

只需要在目标区域进行随机部署，不需要指定特定的位置。相对于有线网络传输，无线网络传输降低了各种成本。

1.2.5可靠性高

无线传感器节点资源有限，其生命周期主要取决于电池。对无线传感器节点进行维护、回收和替换的可能性很小。因此，无线传感器网络要具有信息传输的高度可靠性和对节点失效的高度容错性。

2.无线传感器网络的应用

2.1军事建设

无线传感器网络以其快速布署、自组织和容错等特点，成为军事通信控制系统的重要组成部分，可用于兵力、装备弹药和物资的监控，阵地和敌情的侦查，战场的监视，生物化学攻击的判断、目标的指示，战损的评估等。

2.2工农业生产

通过传感器监测设备的震动、和磨损情况，可以迅速得到设备的健康状态;通过在生产线上布署传感器网络，可以方便的实现在线质量控制。无线传感器网络为提高设备性能、提升产品质量、降低成本，提供了一种很好的技术方案。

我国是一个农业大国，深化现代技术在农业中的应用，对推进我国农业生产产业化和现代化进程具有重要作用。将无线传感器网络技术应用于现代农业，可实现农业信息采集以及远程传输，为科学决策提供可靠依据。

2.3环境监测

在环境科学研究中，无线传感器网络为大规模野外数据采集和气候气象监测提供了便利，可用于跟踪候鸟、小型动物和昆虫的迁徙地球探测，林火和洪水监测等。如美国Berkley等单位在美国缅因州的GreatDuck岛对海燕栖息地的生态环境监测；肯尼亚MPala研究中心对大规模野生动物(野马，斑马等)的栖息地进行考察研究；挪威对冰河观测以了解地球气候的变化。

2.4安全监控

通过在监控藏所部署无线传感器网络，利用场所附近的声音、震动、光、温度等物理信息的变化，了解被监控对象的状态，来防止非法入侵、安全事故等。目前应用较多的是煤矿、电站、通信枢纽、行政中心等。如实时监控煤矿井下环境来进行灾害预警，实时监控井下人员和设备的位置来对其进行资源调度，并为灾后的辅助救援提供支持。

2.5智能交通

将无线传感器网络应用到智能交通系统，作为它的一个信息采集和通信子系统。这个子系统充分利用了无线传感网络覆盖范围广、灵活性好和易于大规模部署等特点，来采集全路段的车辆和路面信息。相对于有线交通信息采集通信系统而言，大幅度地降低现有交通监控网络的成本。通过车载和道路传感器的配合，驾驶者和交通控制人员可以实时地了解路况和交通信息。布置于道路上的速度识别传感器，可以监测交通流量等信息，为出行者提供信息服务，并且在发现违章时能及时报警和记录。 （下转第143页）

（上接第131页）2.6医疗健康

利用无线传感器网络节点体积小、易于植入和便于携带等特点，其可以用于医院药品控制、病人生命体征不间断采集和监测等领域。

2.7教育教学

无线传感器网络作为计算机最前沿技术之一，是泛在学习的技术支撑。无线传感器网络的网络实时性、网络自组性等为我们未来的学习方式以及教学开辟了新的思路。如乒乓球训练田、足球裁判辅助系统等可以提高教学效果。

2.8家居生活

通过布置于房间内、家电中的无线传感器网络节点，实现自组织无线传感器网络系统，感知居室不同部分的温度、湿度、光照、空气成分等信息，从而对空调、门窗以及其他家电进行自动控制，同时可实现家电之间的交互和远程控制，提供给人们舒适的居住环境。

3.结语

无线传感器网络融合了微机电、传感器、嵌入式计算、网络技术、无线通信和信息处理等技术，知识高度集成，创新度高，是在国际上前沿热点研究领域之一，应用前景广阔，对国家安全、社会进步、经济发展意义重大。这种多学科交叉融合的研究给人们提出了不少新的挑战，无线传感器网络技术的发展还有许多要攻克的难题。

【参考文献】

［1］孟庆斌. 无线传感器网络应用研究[C]. 天津大学,2009.

［2］陈闻杰.无线传感器网络及其应用研究[C].复旦大学,2006.

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一、引言

无线传感器网络（WirelessSensorNetwork，WSN）包含大量智能传感节点，分布在大范围地理区域内，近似实时地监测、感知和采集网络分布区域内的各种环境或监测对象的数据，并对数据进行处理，获得详尽准确的信息传送给用户。WSN以其监测精度高、布设灵活性强、造价低廉等特点，在军事侦察、工业控制、交通监管、环境监测等领域具有非常广阔的应用前景[1]。

由于单个传感器节点的通信、处理和感知能力有限，无法处理大规模复杂问题，多数情况下不能获取网络全局信息，传感节点要求具有协同通信功能。WSN的协同主要是指资源的协同、任务的协同、信号与信息的协同。资源的协同和信号与信息的协同从根本上是为任务协同服务的[2]。本文通过对协作技术研究中的一些热点问题进行分析，展望无线传感器网络协作技术研究中一些很有前景的研究方向。

二、无线传感器网络协作技术研究热点

（一）协作任务描述

任务描述是任务协同的基础，任务描述能力直接影响任务分配系统的复杂性。WSN的任务描述涉及两方面的内容，即对任务功能进行描述和对参与任务的节点进行描述。根据WSN的特点，感知任务可以从面向应用和面向任务分配两个角度加以描述。

文献[3]分析比较了当前具有代表性的几种无线传感器网络任务描述方式，如有向无环图、抽象任务图、基于角色的任务图、类SQL查询语言描述等。目前并没有一种任务描述方式能同时从两个角度出发有效地对任务进行描述。

（二）协作信号处理

协作信号信息处理协作信号信息处理（collaborativesignalandinformasionprocessing，CSIP）技术。文献[4]描述了CSIP针对WSN网络的特点，在数据表达、存储、传输和处理等方面研究新的方法和算法来满足应用对信息精度、网络节能、低延迟、可扩展和高可靠的要求。

文献[5]分析WSN的特点和CSIP的需求，讨论它的一般流程和主要处理模式，接着结合功能框架，归纳并总结目前已有的主要方法。CSIP基于节点间的协商和合作，选择合适的传感节点参与协作，平衡节点个体和网络整体在协作过程中的信息收益和资源代价，解决网络信息处理中的驱动机制、节点选择、处理地点、时机和算法等问题。

（三）协作时间同步

无线传感器网络的应用通常需要一个适应性比较好的时间同步服务，以保证数据的一致性和协调性。时间同步是同步分布式数据感知和控制所必需的。在无线传感器网络中协调、通信、安全、电源管理和分布式登陆等，都依赖于现有的全局时间。

文献[6]提出了协作时间同步同步的概念。协作同步原理如下：如果时间基准节点按照相等的时间问隔发出多个同步脉冲，其周围单跳节点接收后依据这一系列个脉冲的发送时刻估算出时间基准节点的下一个脉冲发送时刻，并在该时刻同时发出同步脉冲。此脉冲信号会扩散至周围单跳节点。如此重复下去，最终网内所有节点都会同时发出同步脉冲，即达到了同步状态。

（四）MAS协作

多Agent系统（Multi-agentSystem，MAS）是分布式人工智能的重要研究领域，agent可以定义为具有目标、知识和能力的软件或硬件实体，能力包括感知、行动、推理、学习、通信和协作等。

agent利用局部信息进行自主规划，通过规划推理解决局部冲突以实现协作，进而实现系统整体目标。Agent体系结构、交互语言、协商策略研究较为成熟，并且与WSN具有很多相似性。因此，可以考虑在WSN协作中引入agent。

文献[7]提出了一种WSN中基于P2P的多agent数据传输和汇总系统架构。此构架包括接口agent、查询agent、路由agent及数据采集agent。接口agent与用户交互，路由agent负责能源效率的数据传输。查询agent为agent与路由agent之间的协作提供便利的接口，并负责建立优化计划，以实现其预定目标。接口agent和查询agent放置在资源丰富的基站，因为它们需要计算密集操作。数据采集agent负责采集，筛选和格式化传感器的数据。提供MAS架构和设计，使它们在WSNs中能够协调和沟通，彼此之间相互传输和汇总数据。

三、总结与展望

随着WSN商业应用越来越广泛，WSN研究面临的挑战也日益严峻。单个的能源、功率、功能均受限的传感器节点需要协作完成任务。针对传感器间的协作技术的研究也日益受到重视。目前的协作研究仅仅局限在一些具体问题上，尚未形成通用方法。本文分析WSN协作研究还是很有前景的。

参考文献：

[1]孙利民、李中建、陈渝等，无线传感器网络[M]．北京：清华大学出版社，2005.

[2]于海斌、曾鹏，智能无线传感器网络系统[M]．北京：科学出版社，2006:212-222.

[3]谷建华、沈沉、彭力静、李志刚，基于无线传感器网络任务描述方式的研究与比较，计算机应用研究，2008，25（5）:1292-1294.

[4]KumarS，ZhaoF，ShepherdD．Collaborativesignalandinformasion，processinginmier-esensornetworks[J]．IEEESignalProcessingMagazine，2002,19(2):13-l4.

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1 ZigBee技术

ZigBee技术是一种低成本的双向通信技术，与其他无线通信技术相比，ZigBee技术的优点突出表现在以下几个方面：通信速率高、使用掌握该技术简单、能耗低、传输速率虽低但相对其他无线传输技术速率有较大提高、安全性能较高。

ZigBee协议栈自上而下由应用层、应用支持子层、网络层、介质访问层和物理层组成。其中，每一层都由下层来提供服务，数据传输服务由数据实体来提供，而其余服务由管理实体来提供。通过服务接入点SAP，服务实体给上层提供接口，而每个SAP都会支持一定数目的服务原语，从而完成所需要的功能。ZigBee的分层架构是在OSI七层模型的基础上根据实际应用制定的。

2 组网流程

本设计采用星型结构。中心节点是由全功能设备协调器实现的，协调器节点主要是建立网络和管理网络，同时还可以实现与终端节点的数据交换。而终端节点在该网络中是下位机，主要完成数据采集，以及向协调器发送采集到的数据。

ZigBee网络实现的大概顺序为：

（1）协调器建立网络；

（2）终端节点发现网络；

（3）终端节点申请加入网络，协调器响应该请求；

（4）节点间开始数据通信。

其组网流程图如图1所示。

在TI公司推出的Z-stack的协议栈里应经定义了三种网络拓扑方式的语句，只需要在头文件里调用相应的函数就能实现组网功能。

3 协调节点程序设计

网络协调器是网络中的首要设备，负责启动整个网络。在一个ZigBee网络中，仅仅可以存在一个网络协调器，但允许有多个路由器和终端设备存在。网络协调器的软件设计主要包括协调器新建网络、向上位机传输数据及接收传感器节点发送数据。

4 终端节点程序设计

ZigBee传感器节点一般只能收发数据，它主要接收并处理传感器采集的数据，并发送数据到网络协调器或路由节点。它的软件设计主要包含传感器采集部分和网络通信部分，即数据的收和发，该部分设计与网络协调器部分基本类似。传感器节点不能维持网络的结构，因此当采集数据不被需要时，可以睡眠或者也可以唤醒。使传感器节点初始化是先为参数设置初始值，然后启动发现网络再选取适当的网络与其相连接。

5 总结

本文通过分析大量参考文献，对无线传感器网络技术及ZigBee技术等相关知识进行了深入的学习和理解，在全面探讨系统各个影响因素的基础上，分析研究了ZigBee网络的拓扑结构、通信方式、ZigBee协议栈，并采用CC2530无线射频芯片完成了节点之间的相互通信，完成系统的开发与调试，能够达到设计的要求和预期效果。

参考文献

[1]李道亮.农业物联网导论[M].北京:科学出版社,2012.