无线传感器网络篇1

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.

无线传感器网络篇2

随着近距离、低功耗无线通信技术的发展，无线传感器网络（WirelessSensorNetwork，WSN）应运而生。WSN是由具有感知、计算和通信能力的微型传感器以Adhoc方式构成的无线网络，通过大量节点间的分工协作，实时监测、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，并对这些数据进行处理，获得详尽而准确的信息，最终传送到需要这些信息的用户。WSN可广泛应用于国防军事、国家安全、环境监测、交通管理、医疗卫生、制造业、反恐抗灾乃至商业和家庭等诸多领域，正受到政府、军队、研究机构、商业界的广泛关注和高度重视，具有十分广阔的应用前景，是目前非常活跃的一个领域。WSN是在移动AdHoc网络的基础上发展起来的，在自组织的组网方式和多跳通信等方面与移动Adhoc网络具有相似性，但WSN在组网方式和具体应用上存在一些新的特点，主要表现为：与Adhoc网络中节点的动态移动相比，WSN的节点位置相对固定，网络拓扑会因节点能量耗尽而发生变化；由于节点体积较小，传感器网络具有许多资源上的限制，比如有限的电池功率和有限的网络通信带宽等；传感器节点间更多的是一种协作而非竞争的关系，为了完成共同目标而相互协作；不同节点采集的数据间具有一定相关性，需要进行数据会聚以减小冗余信息的转发，降低通信负荷；WSN中的应用多为多对一的情形，即存在一个Sink节点来收集数据并与外界通信等等。无线传感器网络是新一代的传感器网络，具有非常广泛的应用前景，其发展和应用，将会给人类的生活和生产的各个领域带来深远影响。发达国家，非常重视无线传感器网络的研究和发展，如美国国防部和各军事部门都对WSN给予了高度重视，在C4ISR的基础上提出了C4KISR计划，强调战场情报的感知能力、信息的综合能力和信息的利用能力，把WSN作为一个重要研究领域，设立了一系列的军事传感器网络研究项目。美国自然科学基金委员会（NSF）2003年制定了WSN的研究计划，投资3400万美元，支持相关基础理论的研究。在NSF的推动下，美国的加州大学伯克利分校、麻省理工学院、洛克维尔研究中心、加州大学洛杉矶分校等机构开始了WSN的基础理论和关键技术的研究。英国、日本、意大利等国家的一些大学和研究机构也纷纷开展了该领域的研究工作。学术界的研究主要集中在传感器网络技术和通信协议的研究上，也开展了一些感知数据查询处理技术的研究，取得了一些初步研究结果。

IEEE正在努力推进无线传感器网络的应用和发展，美国的《技术评论》杂志在论述未来新兴十大技术时，更是将无线传感器网络列为第一项未来新兴技术，《商业周刊》预测的未来四大新技术中，无线传感器网络也列入其中。可以预计，无线传感器网络的广泛是一种必然趋势，它的出现将会给人类社会带来极大的变革。

一、无线传感器网络的组成

一个完整的无线传感器网络的体系结构主要由传感器节点、汇聚节点、用户节点三部

分组成。大量传感器节点被放置在监测区域（云图包围部分），假定传感器节点A有监测数据要上报到用户节点，则通过自组织路由协议建立A，B，C，D之间的无线链路，D再通过与之连接的汇聚节点将数据经由卫星、互联网或移动通信网等传输网络送达用户节点。由于被监测区域往往不方便建立固定设施及有线链路，因此传感器节点之间的数据传输通常采取无线方式，而汇聚节点与用户节点之间的传输既可采用有线方式，也可采用无线方式。

在无线传感器网络中，传感器节点是整个网络的基础，它们担负着感知数据、处理数据、存储数据及传输数据的功能。

传感器节点主要由传感器、模数转换模块、计算模块、存储模块、通信模块、电源模块几部分组成，并在嵌人式软件系统的支持下完成传感器节点的各项功能。传感器负责各种监测数据的获取，将感知对象转变成电信号。模数转换模块将非数字监测信号转变成数字信号，方便后期处理。计算模块和存储模块主要处理传感器和模数转换送来的监测数据。通信模块将计算模块的处理结果通过无线方式传输到下一个节点。

二、无线传感网的热点研究问题

2.1 安全问题

2.1.1 安全路由

通常，在无线传感器网络中，大量的传感器节点密集分布在一个区域里，消息可能需要经过若干节点才能到达目的地，而且传感器网络具有动态性和多跳结构，要求每个节点都应具有路由功能。由于每个节点都是潜在的路由节点，因此更易受到攻击，使网络不安全。网络层路由协议为整个无线传感器网络提供了关键的路由服务，安全的路由算法会直接影响无线传感器网络的安全性和可用性。安全路由协议一般采用链路层加密和认证、多路径路由、身份认证、双向连接认证和认证广播等机制，有效提高网络抵御外部攻击的能力，增强路由的安全性。

2.1.2 安全协议

在安全保障方面主要有密钥管理和安全组播两种方式。1）密钥管理：无线传感器网络有诸多限制，例如节点能力限制，使其只能使用对称密钥和Hash技术；电源能力限制，应使其在无限传感器网络中尽量减少通信，因为通信的耗电将大于计算的耗电；传感器网络还应考虑汇聚等减少数据冗余的问题。在部署节点前，将密钥预先配置在节点中，通常，预配置的密钥方案通过预存的秘密信息计算会话密钥，由于节点存储和能量的限制，预配置密钥管理方案必须考虑节省存储空间和减少通信开销。2）安全组播：无线传感器网络可能设置在敌对环境中，为了防止供给者向网络注入伪造信息，需要在无线传感器网络中实现基于源端认证的安全组播。

2.2 能量问题

传感器的节点分布众多，并且需要进行监测、数据处理等活动，而无线传感器网络中的节点一般用电池供电，可使用的电量非常有限，并且对于有成千上万节点的无线传感器网络来说，更换电池非常困难，甚至是不可能的，但是却要求无线传感器网络的生存时间长达数月甚至数年，因此，如何在不影响功能的前提下，尽可能节约无线传感器网络的电池能量成为无线传感器网络软硬件设计中的核心问题。现在已有一些解决方法，在大多数网络应用中，由于传感器节点监测事件的偶发性，没有必要让所有单元均工作在正常状态下，可采用休眠模式，能自适应的休眠和唤醒，进行突发工作，节省能量。还可将所有功耗单元有机组合，形成不同状态，让传感器节点能根据需要在不同状态间切换，这样既可以满足系统需要，又节省了能源。还可以动态调节电压以节省能量，根据负载状态动态调节供电电压，形成一个闭环控制系统，节省能量。总之，在满足系统要求的情况下，采用各种方法降低耗电量非常必要。

三、总结

本文总结了当前制约无线传感器网络实际应用的因素及目前的研究热点。无线传感网络最终将成为联系信息世界和客观物理实际的接口，从而人类可以通过传感器网络获得客观物理世界的信息并采取相应措施。

无线传感器网络篇3

如今，采用仅需极少功耗的设计，可使开发这些类型的无线系统成为可能。新一代无线网络可依靠其电池工作更长时间，并且在应用的生命周期中仅需很少或者根本无须维护。未来，能量收集甚至可以提供所需能源，而不再需要电池。

本文将着重介绍新一代嵌入式单片机所具有的各种超低功耗控制功能，以及工程师如何利用这些功能延长无线传感器节点中电池的预期寿命。

功耗管理功能

那么，什么是“低功耗”呢?在继续之前，让我们首先讨论一些术语。“能量”与所做功的总量相关，而“功率”测量的是做功的速率(单位时间使用的能量)。在电子学中，能量=功率×时间，功率=电压×电流。因而，我们所要关注的关键系统参数为电压、电流和时间。具体来说，就是应用在多大电压下运行，要消耗多少电流，以及要运行多久?

从单片机的角度来研究这一问题，我们首先需要探讨新型单片机的各种功耗模式。

1　功耗模式

根据处理需求，应用具有一组显著不同的预设工作模式。嵌入式单片机可利用其众多外设中的一个来采样周围环境的信号。在外设收集到一定数量的采样之前，单片机可能无其他事要做。那么，单片机可能会在每次数据采样之间“休眠”或进入超低功耗待机模式。一旦应用程序读到了足够多的数据采样，单片机即可轻松切换至“全速运行”模式，此时单片机被唤醒并以最大工作速度运行。

单片机通常会接收到某种类型的唤醒事件，才会从各种低功耗模式中退出。唤醒事件可由诸如I／O引脚电平翻转等外部激励信号或诸如定时器外设产生的中断事件等内部处理器活动触发。单片机所支持的具体功耗模式有所不同，但通常各种功耗模式总有一些共同点。典型的功耗模式如下：

・“始终运行”模式

・“休眠”或“待机”模式，此时保持对存储器供电

・“深睡”或“深度休眠”模式，此时存储器断电，以最大程度节省功耗。

2　“始终运行”模式

“始终运行”模式嵌入式系统由持续供电且处于运行状态的器件构成。这些系统的平均功耗需求极有可能在亚毫安范围内，从而直接限制了单片机所能达到的处理性能。幸运的是，新一代嵌入式单片机具有动态控制其时钟切换频率的功能，因为在无须较高计算能力的情况下，有助于减少工作电流消耗。

3　待机模式

在“待机”模式下，系统工作或处于低功耗非活动模式。在这些系统中，工作和待机电流消耗都非常重要。在大多数待机模式系统中，由于保持对单片机存储器通电，虽然电流消耗显著减少，但仍可保持所有的内部状态及存储器内容。此外，可在数秒内唤醒单片机。通常，此类系统在大多数时间处于低功耗模式，但仍需具备快速启动能力来捕捉外部或对时间要求极高的事件。保持对存储器的供电有助于保持软件参数完整性以及应用程序软件的当前状态。从功耗模式退出的典型启动时间通常在5～10μs范围内。

4　深度休眠模式

在深度休眠或“深睡”模式系统中，系统全速运行或处于可大幅节省功耗的“深度休眠”模式。由于该模式通过完全关断嵌入式单片机内核(包括片上存储器)来最大程度节省能耗，因而尤为引人注目。由于在该模式下存储器断电，因此必须在进入深度休眠模式前将关键信息写入非易失性存储器。该模式使单片机的功耗降至绝对最小值，有时低至20nA。此外，唤醒单片机后需重新初始化所有存储器参数，这样会延长唤醒反应总时间。从该模式退出的典型启动时间通常在200-300μs范围内。

在这些超低功耗模式系统中，电池的寿命通常由电路中共他元件消耗的电流决定。因此，应注意不仅要关注单片机消耗的电流，而且要关注PCB(印刷电路板)上其他元件消耗的电流。例如，如果可能，设计人员可使用陶瓷电容来替代钽电容，因为后者的漏电流通常较高。设计人员还可以决定在应用处于低功耗状态下给哪些其他电路供电。

利用功耗模式的优势

接下来，考虑一种具有代表性的情形，在这种情况下，选择不同单片机功耗模式对系统所用总功率有巨大影响。以基本远程温度传感器为例，该应用收集较长时间段内的数据，可能运用较为成熟的噪声滤波算法对数据进行处理，然后将单片机重新置于待机模式，直到需要更多采样测量为止。它还采用无线射频(RF)传输方式将温度信息报告给中央控制台。

对温度进行采样需要使用MCU的片上模数转换器(ADC)，并且仅需适当的处理能力。在噪声滤波阶段，单片机必须采用处理能力较高的模式来计算高级滤波算法，并尽快将结果存回存储器。因此，单片机运行并消耗功率的总时间缩短了。

每隔一段预定的时间间隔，单片机就会组合所有的采样结果并采用RF收发器设备发送至中央控制台。需要精确时序来确保无线传感器在预先分配的时隙内发送这一信息，从而允许同一系统中的多个无线传感器节点协同工作。

我们如何管理唤醒处理器的频率呢?通过配合使用定时器外设和集成32kHz振荡器电路，单片机能很精确地每秒产生一次中断，从而保证唤醒时间准确。此中断事件还可以使单片机按预定的时间表向采样缓冲区填充温度数据。

单片机填充完温度采样缓冲区后，它将切换至处理器速度较高的模式，完成较为成熟的噪声滤波算法计算，然后尽快返回休眠模式，以缩短工作时间。单片机采用同样的实时时钟功能来决定将捕捉到的采样数据发送回中央控制台的时间。确定单片机的最优功耗模式以使总电流消耗最低取决于多个因素，下文将对此进行讨论。

在低功耗应用中优化功耗

要使总功耗最低，仅选择单片机功耗最低的模式是不够的。我们还必须确定单片机需要完成的每个任务的工作量――例如，采样外部温度传感器。一旦确定每个任务的性能需求，我们还必须确定每个任务的最优能源利用率。对于前面提到的公式：能量=时间×电压x电流，由于系统总体需求和实际电源决定电压值，因此我们通常无法改变公式中的电压，这样我们只能操作两个参数：时间和电流。我们需要权衡单片机的工作时间和电流消耗。下面将探讨在执行上述分析时要切记的一些特定于单片机的参数。

处理器唤醒

将单片机置于低功耗模式后，有一些外部源可将其唤醒。唤醒事件可通 过USB事件、实时时钟事件，甚至是I／O引脚上的外部触发信号发生。单片机从低功耗“休眠”模式唤醒并开始执行代码的时间非常重要。通常，我们努力使这个时间尽可能短，这也是我们之所以要在“休眠”和“深度休眠”工作模式之间选择的原因。若每秒唤醒一次单片机，由于从“休眠”模式唤醒时，单片机可在10μs内开始执行代码，而无须首先初始化任何软件存储单元，因而该模式可能是最优选择。若单片机处于低功耗状态的时间较长――例如，数分钟甚至数小时才唤醒一次，则“深度休眠”模式可能是最优选择。关键是要使单片机的总电流消耗最小。如果单片机处于低功耗关断模式的时间较长，那么300μs的唤醒时间与数分钟或数小时的深度休眠时间相比就微不足道了。

系统级唤醒事件的另一个绝佳示例，可采用通过串行接口连接到处理器的外部RF芯片进行演示。不使用处理器时，可将其置于某个低功耗状态下，仅保持RF芯片运行。由于新一代RF芯片的逻辑仅负责查找进入的RF数据包，因此在工作状态下消耗的电流很小。一旦接收到与所分配给该单元的地址相关的有效数据包，就将唤醒单片机开始处理信息。此类功耗模式机制较常用于基于射频网络的解决方案中，诸如那些基于ZigBee无线协议的解决方案。

时钟频率

单片机从外部或内部时钟源获取系统时钟频率。单片机采用该时钟频率并将其分频以得到应用程序软件所需的工作时钟频率。较低的频率通常等同于较低的功耗。有时，单片机还可以采用锁相环将外部时钟频率倍频。外部时钟信号通常来自晶振或称为晶体振荡器。

当器件进入低功耗模式时，单片机还可以禁止输入晶体放大器电路，这样也许可节省几毫安的电流，但会以恢复正常工作状态时延长振荡器的导通时间(由于外部晶振的起振延时)为代价。然而，有些单片机具有采用双速启动模式的能力，在这种模式下，单片机将使用内部振荡器立即开始运行，并在更精确的外部时钟源有足够时间稳定后，自动切换至外部时钟源。

单片机控制自身时钟频率的能力允许软件工程师在保证总电流消耗最少的情况下，选择适合于特定任务的时钟速度。因此，工程师需要评估能量公式中的时间×电流元素，以确定哪种方案比较好：在较短时间段内全速运行，在较长时间段内较慢运行，或者选个中间速度。

实时时钟

在本文所述的远程无线传感器应用示例中，系统需要保持精确的时间观念。除了系统时钟外，还可采用实时时钟和日历(RTCC)外设轻松实现这一点。RTCC的主要功能是跟踪日期和时间。在本文的情形中，RTCC对于控制功耗模式非常有用。RTCC还有助于单片机安排精确的唤醒事件、触发采样测量或发起与中央控制台的RF同步。

在系统中实现RTCC有多种方法。可将专用RTCC芯片连接至单片机；采用集成32kHz晶振及基本计时软件；以及使用单片机内的专用RTCC外设。对系统成本的限制通常第一时间就排除了第一种选择。对后两种的选择通常由单片机应用的其他需求以及一定程度的成本限制决定。本次讨论将采用第二种方法，即32kHz振荡器与一些非常基本的软件。

外部32kHz晶振驱动电路与16位定时器配合使用，来每秒唤醒一次处理器。每秒唤醒一次处理器来更新RTCC定时器，也可能测量当前温度，然后处理器返回到相应的低功耗模式。此方法提供了一种“导通”占空比非常小的机制，器件运行的大多数时间仅消耗600nA的电流。

构建RF无线传感节点

高集成度的单芯片通用ISM带宽FSK收发器解决方案与低功耗单片机配合工作，简化了无线传感应用的实现。在本例中，单片机采用SPI接口作为与射频设备连接的串行通信端口。还要使用单片机来初始化收发器设备的射频配置设置。配置完成后，收发器设备将通过来自单片机的非常基本的串行命令完成大多数RF数据发送和接收操作。简单地组合这两种技术，即可构建一种基本网络，远程监视各种数字或模拟无线传感器节点，如本文中的远程温度传感器。

考虑无线系统的总功耗预算，我们最关注的数据手册参数为射频系统的发送功耗、接收功耗、待机功耗以及启动时间。了解了这些参数后，我们将能确定系统通过无线RF通道发送和接收数据所消耗的电流。开发RF解决方案时还需注意的关键因素还有发送的数据长度和安全性。以下部分将简要说明这两个因素。

RF发送时间

常常被忽视的一个重要参数是需要发送的RF数据包的长度。事实上，RF发送时间对无线解决方案的性能、质量和功耗影响很大。较短的数据包有助于减少对电源的能源需求，甚至可以缩小电池体积。在定义新的低功耗RF协议时，必须牢记这一点。

我们已针对无线温度传感器设计，评估了当今可用的各种RF通信协议。诸如ZigBee、ZigBee Pro、Microchip的MiWi和MiWi P2P(点对点)协议均已一一评估。由于本应用的低功耗需求，我们决定采用非常基本的时分多址(Time Divisional Multi Access，TDMA)时间片协议机制。

通过在RF数据帧中分配预定义时隙并使用第一个时隙作为中央单片机发送的帧起始标记，即可方便地确保整个传感器监视系统的精确时序，同时降低功耗。采用这种基本时间片机制，单片机和RF收发器可在生命周期的大多数时间内处于低功耗待机模式。

安全性

意识到无线网络所涉及的安全性问题，大多数RF系统均采用了强大的算法来保护其数据。具有128位密钥的高级加密标准(Advanced Encryption Standard，AES)确保了数据完整性以及系统抵抗黑客的能力，这两者对于商业应用至关重要。可通过软件实现AES安全性。对于需要使工作时间最短的无线传感器节点，能够尽快执行AES计算非常重要，因为节点工作时的功耗最大。单片机可按需动态更改处理功耗以帮助实现上述目标。别说是电池供电设备就是采用有线电源的系统，要使AES计算尽可能快也同样是不争的事实。功耗对所有系统(有线或无线)的温度、体积及成本均有影响。

系统成本

众所周知，系统的总成本在设计任何系统(如无线温度传感器)的过程中始终起着非常重要的作用。确定无线单片机成本的关键因素是所需程序和数据存储区的数量。传感器网络和相关产品的开发人员希望采用存储空间最优的一系列单片机来满足应用程序的需求。开发基于网络协议层(如ZigBee)的较大应用程序时，需要较大的存储空间――在有些情况下，大于250KB。若要实现较为简单的传输协议，尤其是在对成本极度敏感的设计中，可使用单片机的许多功耗控制功能来最大程度降低成本和功耗。

硬件／软件

无线传感器网络篇4

中图分类号：TP393文献标识码：A文章编号：1009-3044(2007)18-31534-02

Network Management of Wireless Sensor Networks

DU Jing-lin1,SHI Lan2

(1.Nanjing University of Information Science and Technology Department of Electronic and information Engineering,Nanjing 21004,China;2. Department of Remote sensing,Nanjing 21004,China)

Abstract:Wireless sensor networks are networks consisting of small sensors that are limited in both power and processing. These sensor networks are often used in monitoring applications, such as the environment, structures and animal habitats. Network management is key function in all of networks, including sensor networks. The nature of wireless sensor networks makes networks management a more difficult than that of traditional networks. One main property of network management of sensor networks is topology management. This paper gives a brief background on network management and how it is used into sensor networks. It provides a more detailed look at topology management and some existing topology management algorithms.

Key words:Wireless sensor networks;network management;topology management;Energy conserving

1 概述

无线传感器网路是由许多能量和处理能力有限的传感器节点组成。这种网络能够用在许多不同的应用，包括环境监测、军事应用、结构控制与监测、野生动物习性的监测等。无线传感器网络在这些应用面临着许多挑战，其中最主要的问题是能力消耗问题。传感器网络是典型的无人看护网络，并且紧靠有限电池供电，因此节省能量是部署传感器网络非常关键的问题。

所有类型的网络都需要管理和维护。所有的网络管理都需要一些网络的管理形式，不同类型网络可能强调网络网络管理的不同方面。在网络的管理上通常有以下几种的不同的管理结构：集中式的管理、层次式的管理结构，分布式的管理结构。在集中式管理中，一个中心服务器用来执行网络管理应用角色；在层次式管理中，包括多个管理平台，通常有一个服务器和多个客户端组成网络管理应用；为了实现分布式网络管理功能需要分布式管理体系结构，这种结构也适合无线传感器网络的网络管理，在这种结构中，网络结构利用多个对等平台来共同管理任务。这种结构可以提供更好的扩展性、可用性和可靠性。

2 网络管理

无线传感器网络的网络管理与传统网络的网络管理相似，有着相同的管理任务不同的管理方式。例如，性能管理也包括监测网络保证网络的覆盖与连接。传感器网络中的安全管理非常困难，因为网络的自组织特点，采用无线通信以及资源有限。传感器网络中的管理一个主要目标是自主性，特别是在故障管理和自动配置中十分重要。由于传感器网络是无人看护网络，自主发现错误，自主修复的能力就非常重要；另一个主要问题是，当网络中一个节点实效后，不能影响整个网络的操作，不像传统网络设备出现故障后会影响一些用户甚至整个网络。

在传感器网络中的网络管理有一些新的功能，其中包括拓扑管理、能量管理以及编程管理。节省能量是传感器网络中的一个重要方面。节能可以在网络管理的不同层面和不同方式下进行。其中最通用的办法是当节点空闲关闭电源，现在又许多协议和算法建立都是为了节省能力。例如，为传感器网络开发的特别的MAC协议和路由协议，当传输数据时，高效的节省电池的能量。编程和代码管理是传感器网络中的另一个主要功能。传统的程序升级等功能是通过把节点连接到手提电脑或者PDA等设备上来实现，但是在大规模的网络管理中，这种方式很不显示现实，这就需要当某些节点需要更新程序时，通过网络把有限的数据报通过自组织网络传送过去。目前在程序升级领域也是一个非常活跃的研究方向。在无线传感器网络的网络管理中还有一些主要的思想与传统网络不同。节省能量是传感器网络的主要问题，次之就是如何高效利用带宽。一种方法就是通过提取网络一部分节点的管理信息来实现整个网络的管理。节省能力和有效利用带宽的一个主要办法就是数据聚集。在传感器网络中一个网络节点和其邻居节点都采集数据，通过比较和数据聚集的办法，只传送一个数据信息，消除冗余节点的数据，采用一定的数据收集策略，就可以大大减少数据信息的传送量，起到节省能量和带宽的目的。传统网络管理是集中式的应用，而无线传感器网络是分布式的架构。网络管理不应该就是收集所有节点的数据，然后无线的传送到中心管理节点上，在中更应该采用网内处理办法，采用合适的数据聚集算法，来减少数据传输，减少能量消耗和带宽的开销。

3 网络拓扑结构管理

无线传感器网络的主要问题是节能，而这也正是拓扑管理的主要的目标。拓扑管理的另一个主要目标是拓扑控制，也就是保证网络的连通性。在无线传感器网络中拓扑管理主要有三个方面的想法：拓扑发现、睡眠周期管理和成簇管理方法。根据文献[3]，可知在无线传感器网络中的拓扑管理主要有以下六个特点：1）对称性2）连通性3）生成性4）分散性5）低度性6）低干扰性。

3.1拓扑发现

拓扑发现包括一个基站和整个网络节点网络的拓扑结构和组织。网络中节点之间的物理连接情况或者节点之间的逻辑关系信息传输到管理节点上，用来维护整个传感器网络的拓扑结构图。基站或者管理站点向整个网络发出拓扑发现请求，网络上的节点通过网络将相关信息传送回来。在拓扑发现中主要两种方法，一种方法是采用直接的办法，节点一旦接受请求信息就立即传送包含特定节点信息的响；另一种方法是采用聚集的办法，这种办法中，节点不是立即响应，而是等待其子孙节点将信息传回来后，通过聚集然后将信息会传给初始化节点。

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现有一些对拓扑发现问题的解决方法。例如TopDisc[1]算法使用树结构，树的根节点是网络监测节点，用来发现整个网络的拓扑。当一个拓扑发现的请求被传送出去，节点的邻居集就创建了。TopDisc算法在节点中创建了簇，并且标识簇头节点用来报告整个网络的拓扑结构。这是一个近似于贪心的算法来发现网络的覆盖集，算法的开始是通过监测节点广播一个拓扑发现请求包，然后在整个网络中传播来实现的。TopDisc算法是近似于集中式的工作方式。该算法有一些可能的应用，如其可以用来报告几个网络图，包括网络连通图、网络可达图等，还可以用来产生网络节点的能量分布图以及节点使用分布图。

3.2睡眠周期管理

在无线传感器网络有些协议和算法通过让一些冗余节点周期性的休眠来达到网络节能的目的。这些算法主要是在一定周期内来决定选取哪些节点集进入休眠状态，而当休眠期结束，必须通过一定的机制来唤醒，以使其在下一轮进入工作状态。因此维护传感器网络中节点的睡眠周期是这类算法协议的主要职责。

这种拓扑管理中的一个算法是STEM算法[4，5]，该算法中，节点在大部分时间里用来感知数据，一旦把数据发送出去，就把节点无线发射装置关闭，因为无线通信是最主要的耗能源，等需要有数据时在开始通性设备。通常在这种算法要在传感器节点上装有两个无线通信设备，其中第二个无线设备为低负载装置，主要用来发送唤醒消息。在STEM算法中最主要的问题是延时，当网络中一个节点要通过一个休眠节点将数据发送出去，必须等待其被唤醒才可以实现，带来网络的延迟，而在一些应用中，实时性是非常关键的。

3.3基于簇的管理

在现在有许多基于簇管理的算法用来拓扑管理。这些算法可以根据许多方式进行分类，如：基于位置信息和不基于位置信息的；分布式和集中的；基于节点ID和节点度的。我们通过对于基于簇的拓扑管理算法分析总结，按照一定特点归结为表1。

3.4拓扑管理面临的挑战

传感器网络中的协议和算法的主要设计目标都是节能，这也是拓扑管理算法的目标。通过减少能量的消耗来最大化网络的生命周期。算法的维护开销应该最小化，如果算法中不要求位置信息和时间同步，这将是对能量节省是非常有利的。在实际的应用场景中，移动性是需要的，因此在未来的研究中，能够支持移动性以及由于某些节点实效而要求算法的鲁棒性都是十分必要的。

4 总结与展望

网络管理是所有类型网络中都非常关键的功能。在传统的有线网络中，网络管理是由服务器控制的典型集中式结构，主要包括了网络故障管理、配置管理、安全管理、性能管理以及账户的管理。

无线传感器网络中包括有许多传感器节点，并且受到了电源和能量的制约。网络管理在无线传感器网络是非常关键的，采用分布式的运行方式更为实际。传感器网络中网络管理主要包括了能量管理、编程管理以及拓扑管理。而在拓扑管理中主要可以通过定时让一些节点进入休眠周期来达到节能的目的，通过簇管理算法来实现网络的稳定性与节点。目前已经有了许多相关的算法，未来需要更加鲁棒、更加节能的算法，在该领域还有许多工作亟待解决。

表1 无线传感器网络簇结构算法

参考文献：

[1]B.Deb,S.Bhatnagar,and B.Nath."A topology discovery algorithm for sensor networks with applications to networks management". Technical Report dcs-tr-441. Rutgers University,May 2001.

[2]W.R.Heinzelman, A.Chandrakasan, and H.Balakrishnan."Energy efficient communication protocol for wireless microsensor networks".Proceedings of the 333rd Annual Hawail International Conference on System Sciences,2000.4-7Jan,2000.

[3]J.Kim,S.Kim,D.Kim and W.Lee. "Low-energy localized clustering:an adaptive cluster radius configuration scheme for topology control in wireless sensor networks”. IEEE 61st Vehicular Technology Conference,2005.(VTC 2005). 30 May-1 June,2005. Volume:4. page(s):2546-2550.

[4]C.Schurgers,V.Tsiatsis,S.Ganeriwal and M.Srivastava, "Optimizing sensor networks in the energy-latency-density design space", IEEE Transactions on Mobile Computing, Vol.1, January-March 2002.

[5]C.Schurges, V.Tsiatsis, S. Ganeriwal and M. Srivastava, "Topology management for sensor networks: exploiting latency and density", MOBIHOC' 02, Lausanne, Switzerland, ACM, June 9-11 2002.

[6]M.Ye,C.Li,G.Chen,and J. Wu."EECS: and energy efficient clustering scheme in wireless sensor networks", 24th IEEE International Performance, Computing, and Communications Conference, 2005. (IPCCC 2005). 7-9 April 2005. page(s):535-540.

无线传感器网络篇5

在这个快速发展的信息时代中，无线网络深入生活的各个方面，为人们的生活带来了便利，被广泛应用。无线传感器网络是以物联网为基础，可以在不同时间、地点、环境等条件下，为人们提供有价值的信息，对于战争的环境定位、事故定位、交通系统等多领域发挥着不可替代的作用。在这个需求不断增加的时代中，必须对无线传感器网络的性能进行优化，才能更好地服务社会。

1 物联网与无线传感器网络概述

1.1 物联网（loT）

物联网（loT）是信息化时展的重要阶段，是信息技术的关键部分。其特点主要是将物体与物体相互连接，并实现信息共享。物联网是以互联网为基础，并在其基础上对网络进行延伸。物联网通过物体与物体之间进行延伸，实现资源共享。物联网通过识别技术、信息采集等通信感知技术，被广泛融合于网络中，也是信息时展的新浪潮。物联网是以创新为核心，为产业发展开拓新的机遇，推动信息技术的发展，促进就业。

1.2 无线传感器网络（WSN）

无线传感器网络（WSN）可以通过其末梢对外部传感器进行感知和检查，网络设置非常灵敏，可以将设备更改，与无线和有线网络进行连接。对网络安全的具有保护作用，净化网络环境。无线传感器网络对数据具有处理、采集、传输的功能，其成本低并且易部署，通过传感器节点，采集并检测网络信息，对信息的传送进行检测。对于我国当前的复杂网络环境来说，对无线传感器网络的要求严格，其性能要求比较高。为了适应时展的需要，在无线传感器网络中，必须配备性能比比较高的系统平台，保障网络安全，对其传输的信息进行实时跟踪、监测。物联网的出现方便了人们的信息交流，而无线传感器网络能够保障人们在信息交流时的安全，更好地提高了物联网技术。

2 面向物联网的无线传感器网络的关键技术

2.1 网络通信协议

在现代信息技术的网络运行中，网络通信必须遵循网络协议的规定，如果没有一定网络协议，网络通信就没有规则可循，很难完成信息的传输，阻碍网络信息技术的发展。对于无线传感器网络系统来说，以TCP和IP协议为网络基础协议，能够使向无线传感器网络信息的传输。在无线传感器网络传输中，一般都是利用路由协议传输，关系到无线传感器网络的节点消耗。采用路由协议，可以使每个节点都能够得到有效利用，提高网络性能。信息的处理以物联网为重要工具，而处理数据是无线传感网络的核心，为了满足更多元化的需求，在对数控信息进行处理时，通过网络协议与路由协议的有效规定，促进信息的有效传输。

2.2 网络安全设计

网络安全是网络技术发展的关键问题，人们通过物联网进行信息共享、交流，而互联网的开放性给物联网的使用带来了很大的安全隐患。一旦网络遭到攻击，人们的重要信息被窃取，损害了网络用户的利益，带来重大的损失。针对这一问题，人们对无线传感器网络采用加密技术，对网络信息传输中的安全进行保障，通过加密技术、消息认证等先进技术，进而有效保证了信息的完整性。

2.3 定位技术

无线传感器网络的广泛应用，人们对其产生了依赖。定位技术结合了现代先进的计算机技术，以无线传感器网络的节点数据的采集为核心，通过数据采集对事故发生的地点进行准确定位。人们可以运用无线传感器网络进行地理位置监控，对定位信息进行准确把握，有效促进我国科研工作的发展，为科学研究提供可靠数据。

2.4 网络拓扑技术

由于网络结构中的点与点的连接都是有一定顺序的，通过网络拓扑技术对网络传输设备连接的物理布局，形成有层次的拓扑结构。无线传感器网络是以网络拓扑技术，消除网络冗余，拓展网络通信通道，提高网络信息传输和无线网络传感器的效率。网络拓扑技术的优化逐渐被人们重视，具有良好自控型的网络拓扑结构能够提高路由歇息的效率，降低节点能量消耗，提高网络性能，满足信息化时展的需要。

3 物联网的无线传感器网络的优化

无线传感器网络是物联网基础网络的重要组成，伴随着先进网络技术、人工智能等多种技术的迅速发展，物联网技术随之出现，无线传感器网络是感知信息的载体，利用物联网的先进技术，建立一个可以满足不同需求的网络协议，从而有效避免无线传感器网络设计的复杂性；同时，研究人员采用IP技术，通过对通信协议和IPv6协议进行优化，在IP上下文网络统一的基础上，进行深度挖掘、智能选择，使得采集的信息更有针对性，更有价值，保证了信息传输的灵活程度；由于无线传感器网络的节点体积微小，能量消耗是其面临一系列技术的挑战。目前的无线传感器网络没有系统的低能耗优化设计，与传统的网络不同，硬件的优化能够最大限度降低能源的消耗。

4 结论

信息技术的快速发展，无线传感器网络作为网络中的重要感知技术，深入到人们生活的各个方面，被视为改变社会的核心力量。信息技术快速发展的今天，对无线传感器网络进行优化能够有效提高我国技术领域的核心地位，对国家经济、科技等方面的发展具有重要意义。

参考文献

[1]钱志鸿，王义君.面向物联网的无线传感器网络综述[J].电子与信息学报，2013，17（01）：215-227.

[2]卢瑞琪，陈望，宋振豪.面向物联网的无线传感器网络综述[J].计算机光盘软件与应用，2014，12（23）：39-40.

无线传感器网络篇6

中图分类号：TP393

文献标识码：A

1．引言

无线传感器网络和物联网是比较新的技术领域，而且受到全社会的普遍关注。近年来，世界上某些发达国家加大投入，研究开发这方面的应用，积极攻克在标准上、技术和应用上的尖端技术。我国也把这项技术发展列入国家中长期科技发展规划，以致当前的无线网络得以飞速发展。在实现无线传感器网和物联网产业化发展过程中，应该认清形势，积极创造条件，加快发展和应用该项技术。

2．无线传感网与物联网的构成

2.1 无线传感器网络的构成

无线传感器网络（Wireless Sensor Network）是由大量传感器节点通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织网络系统。它能够实现数据的采集、量化、处理、融合和传输。它综合了微电子技术、嵌入式计算技术、现代网络和无线通信技术、分布式信息处理技术等先进技术，能够协同的实时监测、感知和采集网络覆盖区域中的各种环境或监测对象的信息，并对其进行处理。

无线传感器网络是由传感器网络节点构成的。应用和监测物理信号的不同决定了传感器的类型，另外节点的功能和组成也不尽相同。无线传感器网络节点的基本组成和功能包括如下几个单元：传感单元(由各种不同类型的传感器和模数转换功能模块组成)、处理单元(由嵌入式系统构成，包括CPU、存储器、嵌入式操作系统等)、通信单元(由无线通信模块组成)、以及电源部分。也可以选择其它功能单元如定位系统、移动系统等。

2.2 物联网的构成

物联网（Internet of things），是指通过各种手段，将现实世界的物理信息进行自动化、实时性、大范围、全天候的标记、采集、汇总和分析，并在必要时进行反馈控制的网络系统。它是通过标准的协议，依靠自动识别技术，通过计算机互联网实现物品的自动识别和信息的共享。或者简单的说，即是通过装置在各类物体上的电子标签或称射频识别(RFID)，传感器、二维码等，经过接口与无线网络相连，从而给物体赋予智能和通讯能力，这种将物体联接起来的网络被称为“物联网”。

物联网络技术是多种技术的综合应用。在物联网系统中应用到的技术主要包括：传感器技术、射频识别技术、二维码技术、微机电系统等。物联网主要由六方面组成:EPC编码、EPC标签、射频识读器、Savant(神经网络软件)、对象名解析服务(Object Naming Ser-vice，ONS)和实体标记语言(Physical Markup Language， PML)。

2.2.1 EPC编码

EPC编码是物联网的重要组成部分。它是对实体及实体的相关信息进行代码化.通过统一并规范化的编码建立全球通用的信息交换语言。

2.2.2 射频识读器

在射频识别系统中，射频读写器是将标签中的信息读出，或将标签所需要存储的信息写入标签的装置。读写器读出的标签的信息通过计算机及网络系统进行管理和信息传输。

2.2.3 神经网络软件(Savant)

每件产品都加上射频识别（RFID）标签之后，在产品的生产、运输和销售过程中，识读器将不断收到一连串的产品电子编码。整个过程中最为重要、同时也是最困难的环节就是传送和管理这些数据。Auto-ID中心提出一种名叫Savant的软件中间件技术，相当于该新式网络的神经系统，负责处理各种不同应用的数据读取和传输。

2.2.4 对象名解析服务(Object Name Service，ONS)

EPC标签对于一个开放式的、全球性的追踪物品的网络需要一些特殊的网络结构。因为标签中只存储了产品电子代码，计算机还需要一些将产品电子代码匹配到相应商品信息的方法。这个角色就由对象名称解析服务担当，它是一个自动的网络服务系统。

2.2.5 实体标记语言(Physical Mark up Language，PML)

EPC产品电子代码识别单品，但是所有关于产品有用的信息都用一种新型的标准计算机语言— 实体标记语言(PML)所书写，PML是基于为人们广为接受的可扩展标识语言(XML)发展而来的。PML提供了一个描述自然物体，过程和环境的标准，并可供工业和商业中的软件开发、数据存储和分析工具之用。它将提供一种动态的环境，使与物体相关的静态的、暂时的、动态的和统计加工过的数据可以互相交换。它将会成为描述所有自然物体、过程和环境的统一标准，PML的应用将会非常广泛，并且进入到所有行业。

3．无线传感器网络和物联网的发展现状

虽然物联网的概念在我国最近才得到广泛关注，但物联网的应用很早就在我国开展。在RFID方面，2009年中国RFID产业市场规模达110亿元，相比2008年增长36.8%，已用于物流、城市交通、工业生产、食品追溯、移动支付等方面。

无线传感器网络篇7

中图分类号TP393 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2013）101-0192-01

无线传感器网络（无线传感器网络），为类移动特设网络（MANET），是无线网络组成的空间分布的大量的传感器节点合作监测身体或环境条件，如温度，压力，振动，声音，运动或污染物。传统的自组织网络，一般来说，不可能更换或充电电池。因此，节约能源是一个关键因素研究。严重的硬件和能源限制排除使用开发的协议支持，这相对拥有更多的资源。严格要求，无线传感器网络协议是尽可能多的节能。

1传输功率控制

传输功率控制（台电）技术提高网络性能的几个方面。首先，功率控制技术提高可靠性的一个环节。在检测到链路可靠性低于某个阈值时，该协议增加发射功率，提高成功的概率的数据传输。其次，只有节点必须共享相同的空间将争夺访问中，减少了大量的碰撞中的网络。这提高网络利用率，降低了延迟时间和降低了概率的隐藏终端和暴露。最后，使用较高的传输功率，可以使用物理层调制和编码方案与更高的比特/波特比，增加带宽的存在工作量繁重，或减少它最大限度地节约能源。能源效率是最重要的一个问题，碰撞是第一个源能源浪费。当数据包传输在同一时间和碰撞，他们成为损坏，必须丢弃。后续重发消耗能量得到。另一个来源是空闲侦听，它发生在电台收听到信道接收数据。许多协议总是听通道激活时，假设完全断电装置将由用户如果没有数据发送。三分之一个来源是无意中听到的，听到不必要的交通可以是一个主导因素，能源浪费，当网络负载较重时，节点密度高。最后，我们考虑的主要来源是控制包开销。发送，接收，和听力控制数据包消耗能量。已经发现，传感器节点消耗很大比例的能源多余的遥感和空闲侦听。研究人员提出将传感器和/或无线传感器节点睡眠（他们）以节约能源。任务调度时，该传感器和/或收音机需要在睡眠/主动模式被称为睡眠调度。传感器睡觉会导致有趣的事件被错过的网络或可能导致较低的数据质量检测。无线电睡觉可能导致通信时延的网络。

2不同的算法介绍

基于位置的系统解决的问题是分配发送功率值独立节点在无线传感器网络，该网络连接。这些功率值对应的距离上可以进行交流，从而确定节点的数目与一种特定的节点可以直接沟通。在下面，五个不同位置的所有算法的介绍，分为三种类型根据规模节点的位置信息来分配功率值在无线传感器网络。1）non-tpc档案（固定的传输功率）是最简单的算法，这是分配一个任意选择的传输功率水平，所有传感器节点，就像它会做的生产时间的传感器，没有权力控制在所有；2）global-tpc金属（对等传输功率）。对等传输功率（塑料）算法还指定一个均匀的所有节点，而选择最小值，确保完全连接网络这一特定情况下。找到最小传输功率；3）桌面排版（不同的传输功率）。球的解决方案与不同的传输功率（排版）算法创建一个网络连接，但没有设定所有的传输范围相同的值。相反，它试图找到一个最低的功率水平为每一个节点分别。该算法以下列方式：其中节点对尚未连接，选择一个具有最小距离。发射功率设定这些节点的值足够的连接，检查连接所产生的网络；4）local-tpc喉罩（局部平均算法）所有节点开始与相同的初始传输功率。每个节点定期广播lifemsg。这些节点，然后计算数量的反应（noderesp）他们收到；5）林梦（当地邻居算法）。地平均邻居算法（低分子量）类似于喉罩除外，它增加了一些信息，它定义的lifeackmsg noderesp以不同的方式。除了地址从收到的lifeackmsg lifemsg，也包含它自己的计算。

实验表明，在local-tpc解寿命优于使用简单的固定作业（non-tpc）和一系列对称算法（塑料）利用全球知识。而出现局部算法不能够超越全球，他们的表现通常在一两个因素的一生。特别是，这些地方的算法实际上是可行的和可扩展的。

3比较

无线传感器网络篇8

0 引言

目前我国电网分布较为广泛，对电网的安全预警和故障诊断成为必要，但电网监测方面仍存在一些问题，传统的监测数据主要通过有线传输方式，但是采用传统监测方式需要大量通信电缆，且安装困难，周期长，需要耗费大量资源，目前也缺乏有效的有线监测手段，部分线路还需要人工巡检，有些输电线路分布在恶劣的环境中，给工作人员带来了巨大的不便，若工作人员无法接近输电线路，则会产生监测盲区，就无法了解输电线路的工作状态，不利于电能的传输。若能够实时了解输电线路的参数，采取相应措施，充分发挥输电线路的输电能力，将有利于提高社会的经济效益。

随着电力系统的迅速发展，电能监测的重要性日益突显，通过恰当的监测手段及时了解电网参数，将有助于提高电网的运行能力，随着传感器和无线网络技术的出现和迅猛发展，为电网的无线监测提供了强有力的技术支持，这样将会有利于解决电网监测方面存在的问题。

1 系统设计的原理

系统有多个WSN模块，WSN模块对电网参数进行测量，得到的电网参数包括电压有效值、电流有效值、电网频率、谐波、功率因数、功率等，把测量参数处理后通过CC2530传送到异构网络通信协议融合模块，异构网络通信协议融合模块是以嵌入式微处理器为中心的网关平台，通过STM32F103对数据进行处理然后上传到互联网上。监控中心通过互联网下载数据，进行处理、分析，最后在上位机上显示。系统的整体结构框图如图1所示。

2 硬件设计电路介绍

2.1 WSN模块

2.1.1 Zigbee模块CC2530

系统设计的数据发送与接收节点均为Zigbee模块CC2530，通过CC2530组建网络，使WSN模块和异构网络通信协议融合模块加入网络，实现数据的无线传输与接收，CC2530具有RF收发器的优良性能，集成了增强型的8051CPU，自身带有射频功能，它能够建立强大的网络节点，支持低功耗、低数据速率，具有很好的抗干扰性能和极高的接收灵敏度，使传输数据安全可靠。

2.1.2 电网参数采集模块

本系统采用电流互感器和分压式电阻器进行电网参数的采集，电流互感器依据电磁感应原理，将电网中的大电流转变成小电流进行测量，由分压式电阻器得到相应的电压值，然后把数据传送到数据处理模块。

2.1.3 数据处理模块

数据处理模块首先对模拟信号进行放大、滤波等处理，得到符合要求的电网参数，由时间抽取法的基2FFT分析方法，计算出谐波参数，用二瓦特计法计算出功率参数，通过有功功率和视在功率计算出功率因数，对每相电压电流信号进行采样、计算，得到电网频率。

2.1.4 电源模块

电源模块负责给整个节点提供电能，其内部含有低压差稳压芯片LM1117，LM1117是一个低压差三端可调稳压集成电路，能够提供稳定电压，并且提供电流限制和热保护，确保电源模块正常工作。

2.2 异构网络通信协议融合模块

异构网络通信协议融合模块是以嵌入式微处理器为中心的网关平台，它能够将Zigbee协议的数据转化为TCP/IP协议的格式，实现Zigbee协议组成的无线传感器网络的数据在互联网上的远程访问、实时查询等功能，由Zigbee协调器接收WSN模块传送的数据，通过SPI串行外设接口传送到STM32F103中，通过微处理器对数据进行处理，完成协议转换，处理好的数据存放在FLASH中，并通过GPRS上传到Internet，由JTAG对芯片进行在线编程和调试，提高程序开发的效率。

2.3 监控中心

监控中心监控整个区域内电网的参数，由Internet接收网关发送的数据，在信息平台上进行处理、分析、比较，最终在上位机上显示。

3 软件设计部分

该系统软件主要有WSN模块电网参数采集处理与发送程序、异构网络通信协议融合模块数据的接收处理与发送程序。

WSN模块电网参数采集处理与发送程序流程：系统上电启动，然后硬件初始化、软件系统初始化，请求CC2530加入网络，CC2530进入低功耗模式，采集节点调度任务产生定时器中断，CC2530退出低功耗模式，传感器开始采集电网参数，接着进行数据的记录、处理、传输，关闭传感器，CC2530再次进入低功耗模式。

异构网络通信协议融合模块数据的接收处理与发送程序流程：首先系统初始化，CC2530协议栈初始化，检测到有信号输入，允许WSN模块的CC2530加入网络，接收数据并进行协议转换，最后传送到监测中心。

4 结语

本文设计了基于Zigbee电网参数的无线传感器网络监测系统，该系统实现了电网参数的无线传送，解决了有线监测和人工巡检存在的问题，有利于提高电能的输送和利用，通过无线传感器网络与Internet、GPRS等类型网络协议栈的对接与融合，实现了各模块间的通信，同时还具有网络规模大、监测节点多、可扩展性强、系统升级和改造容易等特点，在电网监测方面有较好的应用前景。

【参考文献】

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[2]张浩.高速铁路基础设施监测无线传感器网络研究[D].北京交通大学，2013.

无线传感器网络篇9

1 网络体系结构组成

无线传感器网络系统应该包括几个必要的内容。包括传感器监测目标、传感器效应阀、结点数据处理模块、传感器总体网络。而连接四个系统的设备又包括相应的网络设计以及远程控制阀等。部署一个无线的传感器网络需要设立大量的传感器结点。同时需要一个合理的控制网络，要有一个集中控制的方式。所以要采用星连接和角连接相结合的方式。实现数据的交互工作，使观测点能够传输数据到远程控制中心区，同时远程控制端能接受和处理相应传感器上的目标信息。

目标时传感器网络需要监控的对象，不一定为固体事物，也可以是光、温度、声音等其他信号。传感器通过敏感电阻的方式对物体或者一些物理特性捕捉到相应的数据信号，将其传输至网络的节点，节点处理数据之后将数据传输给远程主机上。然而自然界的物体以及物理性质不是一成不变的，所以只有达到一定的标准，数据才会被采集，因此要设定一个变化的数值，同时利用这个数值操作传感器的设备就是传感器效应阀。另外为了维护整个传感网络，那么就需要传感器上有一点能将模拟信号转为数字信号，同时协调其他传感器工作的一个工作模块，这个工作模块就是节点数据处理模块。同时所有节点数据处理模块与网络的主机相连，构成了一个类似蜘蛛网的结构。这就是传感器的总体网络。

值得一提的是，数据处理节点模块的在网络中有比较特殊的意义，因为它是具有的双重性的，它既能传输数据又能接受数据。所以它在传感器网络中是不可缺少的。它一方面处理来自传感器上的数据，又将该数据传给主机，同时又要接受主机的的信息，把传感的调控指令传递给传感器。因此数据处理模块分为两种形式，一种是主动监测数据的类型。另一种是被动接受数据的类型，根据特性前者多用于主动搜集和传感信息。后者多用于扫描和查询。

2 物理结构体系

传统的无线传感器网络采用单一的网络连接结构。每一个传感器的结构和功能相同，同时节点模块复杂的监测范围大致相同，网络设置较为平整。因此每个传感器和数据模块的能量相互统一，但是这样的方式在长距离的传输过程中经常出现能量不足，造成数据错误和数据丢包、数据中断等效果。同时为了保证数据的传播远端的模块和传感器必须采用大功率的输出信号才能保证信号的传输，但是导致的后果就是长时间的大功率输出，但是元件过热，逐渐出现老化的现象，然后对其产生相应的影响。所以在实际的应用中，更多采用异构节点的方式，建立一个具有层次化的网络，增加网络的传递次数，缩短通讯的的距离，形成一种类似于金字塔形状的网络，保障数据的传输。

其基本含义是，应用支撑层支持应用业务层为各个应用领域服务，提供所需的各种通用服务，在这一层中核心的是中间件软件；管理和信息安全是贯穿各个层次的保障。无线传感器网络中间件和平台软件体系结构主要分为四个层次：网络适配层、基础软件层、应用开发层和应用业务适配层，其中网络适配层和基础软件层组成无线传感器网络节点嵌入式软件（部署在无线传感器网络节点中）的体系结构，应用开发层和基础软件层组成无线传感器网络应用支撑结构（支持应用业务的开发与实现）。网络适配层：在网络适配层中，网络适配器是对无线传感器网络底层（无线传感器网络基础设施、无线传感器操作系统）的封装。基础软件层：基础软件层包含无线传感器网络各种中间件。这些中间件构成无线传感器网络平台软件的公共基础，并提供了高度的灵活性、模块性和可移植性。

完成无线传感器网络接入服务、网络生成服务、网络自愈合服务、网络连通。无线传感器网络中间件和平台软件采用层次化、模块化的体系结构，使其更加适应无线传感器网络应用系统的要求，并用自身的复杂换取应用开发的简单，而中间件技术能够更简单明了地满足应用的需要。一方面，中间件提供满足无线传感器网络个性化应用的解决方案，形成一种特别适用的支撑环境；另一方面，中间件通过整合，使无线传感器网络应用只需面对一个可以解决问题的软件平台，因而以无线传感器网络中间件和平台软件的灵活性、可扩展性保证了无线传感器网络安全性，提高了无线传感器网络数据管理能力和能量效率，降低了应用开发的复杂性。

3 无线传感器网络通信体系结构

无线传感器网络的实现需要自组织网络技术，相对于一般意义上的自组织网络，传感器网络有以下一些特色，需要在体系结构的设计殊考虑。

3.1 无线传感器网络中的节点数目众多，这就对传感器网络的可扩展性提出了要求，由于传感器节点的数目多，开销大，传感器网络通常不具备全球唯一的地址标识，这使得传感器网络的网络层和传输层相对于一般网络而言有很大的简化。

3.2 自组织传感器网络最大的特点就是能量受限，传感器节点受环境的限制，通常由电量有限且不可更换的电池供电，所以在考虑传感器网络体系结构以及各层协议设计时，节能是设计的主要考虑目标之一。

3.3 由于传感器网络应用的环境的特殊性，无线信道不稳定以及能源受限的特点，传感器网络节点受损的概率远大于传统网络节点，因此自组织网络的健壮性保障是必须的，以保证部分传感器网络的损坏不会影响全局任务的进行。

3.4 传感器节点模块的密度要高。传感器网络的更新换代速度快，造成传感器的拓扑结构也不断的发展，与之相关的网络协议也面临了一定的调整。所以需要对网络协议和软件进行配套，建立一个稳定的通讯协议网络。另外可将网络分为多个层级，按照层级合理分配相应的网络资源和能量资源。

结束语

构建无线传感器网络就需要对该网络的各种构成要素精心分析，无线传感器网络是一个较为复杂的系统，他对于传感器、无线的系统结构、以及网络的结构都有着很多要求。同时还要考虑工作环境的复杂性。同时要注意网络的通信体系结构，也就是软件和网络的结合，要维持一个稳定网络环境，才能保证传感器信号被随时接收。另外在网络中应该建设足够的模块和传感器，保证网络的健壮，同时每个模块又能相对独立保护，防止模块之间互相影响。

参考文献

无线传感器网络篇10

中图分类号：U28 文献标识码：A

现在广泛应用的传感器是由许多体积小、价格低廉、用电池供电的具有无线通信功能和检测能力的传感器节点组合而成的。无线传感器网络涉及了传感技术、嵌入式计算技术以及无线通信技术等多个领域的内容，成为了当前国际上关注度较高的、多学科交叉的研究热点。无线传感器网络可以通过各个微型传感器之间的相互协作，完成实时的监测和采集信息的任务，然后将汇总的信息以无线的方式发送出去，通过网络到达系统的终端用户处，从而在物理领域、计算机领域和人类社会三者之间建立联系。

无线传感器网络目前已经得到了广泛的应用。无论是在军事国防、工农业领域，还是在生物医疗、环境监测、抢险救灾领域，无线传感器网络都收到了良好的效果。现在国内外的学术界和工业界的很多人都把目光聚集在了无线传感器网络技术的进一步开发和利用上，无线传感器网络已经产生了巨大的使用价值，它被认为是将对21世纪产生重大影响的科技之一。

1 无线传感器网络的技术特点

1.1 无线传感器网络所使用的传感器耗能少、体积小、价格低、集成度高。无线传感器网络技术并不是简单的将原有的传感器通过无线网络连接在一起。微机电系统技术和低耗能电子技术的不断发展，成就了新型的传感器节点。这些新型节点耗能少、体积小、价格低，并且具有微型的传感器、执行器和处理器等多种功能部件。和以前的传统传感器相比，无线传感器网络节点的优势更加明显，具有能少、体积小、价格低、集成度高等传统传感器无法比拟的特点。

1.2 无线传感器网络的节点分布更为密集。无线传感器网络的一个重要特点就是在需要进行监测的范围内密集的放置数量较多的相同或是不同类型的传感器节点。通过这种密集的节点布置，可以将获取区域更详细的信息或是对统一对象获取多个角度的信息，然后将获取的大量信息进行处理，从而提高监测的精准程度，降低对单一传感器节点的精度要求。通过在监测区域设置了密集的节点，其中一部分节点并不必要，这些冗余的节点会产生一定的容错能力，从而降低了对某一个单一节点稳定性的要求。除此之外，密布的节点还可以让各个节点得到合理的休息和调整，从而延长整个无线传感器网络的使用寿命。

1.3 无线传感器网络采用的是自组织网络环境。无线传感器网络的自组织性质是由自身的特点所决定的。第一，无线传感器网络使用过程中往往没有固定的网络提供支持；第二，无线传感器网络的传感器较多，布置地点随机进行选择，其具体的相对位置关系无法提前确定；第三，传感器受外界环境或是自身因素影响，可能会出现失效情况，亦或是出于增加精度和弥补失效节点的目的，在监测中途增加补充一些新的节点，无线传感器网络处于一个动态的变化之中。由于以上所述的三点原因，无线传感器网络需要节点之间自动进行管理和调节，从而适应不断变化的各种环境，保证无线传感器网络整体工作的连续性与高效性。

2 无线传感器网络的发展历史

传感器网络已经经历了四代的发展。第一代的传感器网络诞生在上世纪70年代，使用的传感器具有简单的信号获取能力，通过点到点的传输方式，与控制器连接在一起，形成传感器网络；第二代的传感器网络功能得到了较大提升，可以获取多种不同的信息信号，通过串联或是并联接口与相应的控制器连接，从而构成一个能够接受多种综合信息的传感器网络系统；当传感器网络发展到第三代时，传感器不但可以收集各种不同的信息信号，还采用了现场总线连接的方式与控制器连接，形成了具有一定智能化的传感器网络。无线传感器网络目前还处于研发、探索阶段，它将是传感器网络的第四代产品。无线传感器网络应用的传感器数量大、功能多，并且能够获取多种信号，采用无线自组织接入网络，与传感器网络控制器连接。

无线传感器网络是一个整个兴起的传感器网络，正逐步受到各方面的关注。目前，美国的许多规模较大的IT公司开始通过与高等学校合作的方式，加大对无线传感器网络技术的研究工作。美国的许多著名高校也启动了相应的计划，在无线传感器网络方面开展深入的研究。我国对无线传感器网络的研究工作也在发展之中，从本世纪初，国家自然科学基金委员会就已经批准了大量有无线传感器网络有关的课题，国家发改委也出台了计划，对无线传感器网络的相关课题进行了专门部署。

3 无线传感器网络的研究与应用现状

目前无线传感器网络的研究主要是在通信、节能和网络控制三个领域，且都取得了一定的进展，为无线传感器网投入实际生产奠定了良好的理论基础。无线传感器网络具有成本低、耗能少的有点，这样就可以在一个很大的范围能进行分散布置，即便不利于是在不利于人类活动的地方，利用无线传感器网络技术都可以取得良好的工作效果，应用领域十分广泛。就目前我国的研究应用情况来看，无线传感器网络可以应用于军事、环境监测、医疗健康、空间探测、工业生产等领域。

4 无线传感器网络研究的热点和方向

4.1 通信协议。通信协议可分为三个研究方向：物理层通信协议、数据链路层协议、网络层协议和信息层协议。其中物理层主要研究传感器网络的传输媒体、频段选择、调制方式等，数据链主要研究网络拓扑、信道接入方式、混合结构和Mesb等多种结构。网络层协议主演研究路由协议，传输层协议的研究视为网络提供可靠的数据和恢复功能。

4.2 网络管理。网路管理主要分为两种：能量管理和安全管理。能量管理是为了减少节点的耗能，在不降低工作性能的基础上，对网络进行优化，平衡网络的能量消耗；安全管理主要关注的是无线传感器网络的安全问题，包括认证、防干扰信息等。

4.3 硬件资源。无线传感器网络的硬件发展方式向市微型化、低成本和新型能源。无线传感器网络微型化主要是要将使用节点的体积减小；降低成本则需要在不影响性能的基础上减少硬件花费；通过太阳能等新能源的开发利用，可以解决无线传感器网络发展中遇到的能源问题。

参考文献

无线传感器网络篇11

0 引言

自20世纪70年代开始，人们就开始了对无线传感器网络的研究。人们首先把无线传感器应用在军事领域，并收获了良好的应用效果，于是国内外的学者加快了对无线传感器的研究步伐，将其应用在社会上的各个领域之中。我国引入无线传感器的时间并不长，但随着我国科技水平的不断提高，势必会优化管理技术，发挥无线传感器的最大价值。

1 o线传感器网络

1.1 概述

无线传感器网络是一门新兴的技术，对人们的生活和社会的生产产生了巨大的影响。进入新世纪以后，网络信息技术飞速发展，人们可以依靠网络信息技术获取信息，交换数据，在此背景之下，无线传感器网络应运而生[1]。

在无线传感器网络中，有很多小型的节点，这些节点组合起来便建构了一个网络系统。人们应用无线传感器网络，可以对数据进行接收、处理和编辑等工作，并把编辑好的数据信息发送给观察的对象。在无线传感器网络中，融合了多种先进技术，在一定程度上体现了技术的集成性特征。

目前无线传感器网络的应用范围越来越广泛。以军事领域为例，国家把无线传感器应用在国土安全部中，可以及时监测边境的军事情况，对身份不明的出入人员进行检查。如果受到的袭击，无线传感器网络能在第一时间把警报发送给国家的安保部门，采取紧急措施进行防御。

1.2 特征

首先，无线传感器网络具有电量小的特点。上文已述，无线传感器网络由节点组成，提供能量的电池容量很小，致使无线传感器网络的能量受到限制。在大多数情况下，无线传感器网络被应用在人烟稀少、危险性较大的地区，无线传感器网络的工作人员不能及时更换电池，为无线传感器网络补充能量，致使无线传感器网络的电量较小[2]。

其次，无线传感器网络具有规模大的特点。无线传感器网络网络是对特定的对象进行动态监测，由于其组成的节点很多，在进行监测时可以捕捉到对象的细节，因此技术人员在将无线传感器网络投入使用之前，需要增加节点的数量，扩大节点的规模。

再次，无线传感器网络具有维护难度大的特点。虽然无线传感器网络的布置环境较为可靠，一般来说不会受到人为或动物因素的破坏，但是在进行维护的过程中需要对每个节点进行控制，维护的难度非常大。一旦维护工作的质量得不到保障，无线传感器网络的信号就会被盗取，影响使用者的安全性。

2 无线传感器网络管理

2.1 概述

随着互联网技术的不断发展，网络管理应运而生。所谓的网络管理，就是对网络的运行过程进行动态管理，以保证网络的正常运行。最开始的网络管理以监控为主体，当互联网出现故障时，网络管理部门对其进行监控，发现问题、分析问题并及时解决问题[3]。此时的网络管理有三层含义：第一层含义是获取网络的动态信息。第二是应用数据对网络进行控制。第三是分析互联网的参数保证其正常运行。随着时代的不断发展和互联网技术的不断更新，网络管理的范围不断扩大，从监控职能发展为规划职能和维护职能等等。

所谓的无线传感器网络管理就是对无线传感器进行网络规划、网络控制和网络答疑等，目的是为了保障用户获得更好的网络应用效果。无线传感器网络是一个复杂的系统，其中有大量的节点和数据信息，因此管理的难度相对较大。管理部门在对无线传感器网络进行管理时，要做到如下几点：第一点是对无线传感器网络的数据信息进行收集，然后把数据信息和常规状态进行对比分析。第二点是发现无线传感器网络的运行问题，采取有效的解决策略。在这一过程中，网络管理系统非常重要，因此在对无线传感器网络进行管理时，需要建立一个网络管理的系统。

无线传感器网络管理具体分为以下的几个职能：第一，保证无线传感器网络的正常运行。第二，对无线传感器网络进行控制，避免出现流量供应和服务质量较差的问题。第三，对无线传感器网络进行维护，当无线传感器出现故障时及时解决。第四，为无线传感器网络的用户提供服务，包括安装软件，调试网络等等。

2.2 结构

无线传感器网络有其自身的结构系统，因此无线传感器网络管理也有自身的体系。所谓的无线传感器网络管理体系，就是调节网络各个要素相互关系的动态系统，大体上分为管理者和两个部分[4]。所谓的管理者就是进行无线传感器网络管理的主体，所谓的就是遵从管理者的命令，将具体指示转化为实际的操作内容，满足无线传感器网络管理的各项需求。当操作完毕后，需要向管理者汇报信息。

针对不同的网络运行环境，网络管理结构被分成三种类型：第一种类型是集中型，即网络管理以集中的形式出现。管理部门建立一个总站，并把所有信息都集中在这台计算机中，进行数据分析和数据处理，并由这台计算机管理命令。这种类型的管理模式具有管理便捷的优点，但是同样具有风险性大的缺点。如果总站出现了问题，无线传感器网络就会面临崩溃。第二种类型是分层型，即网络管理以不同的层次出现。管理部门在无线传感器网络中设置了多个管理者，每个管理者负责的管理层都不同，但是这些管理者之上有一个主要管理者，可以对各个层面的网络管理进行监测。这种类型的网络管理具有管理效率高、通信分散的优点，因此得到了较为广泛的使用。第三种类型是分布型，即网络管理以分布的形式出现。管理部门设置不同的管理者，但是取消了主要管理者的身份和职能，确保了各个管理者的平等地位。不同的管理者负责的区域不同，可以通过交换数据信息来检测整个系统的运行状况。这种类型的网络管理具有交互性强的问题，但是对网络信息的传递要求很高。

3 无线传感器网络管理协议

3.1 信息库

信息库是进行无线传感器网络管理的重要组成部分，因此在设计具体的管理模式时，应该建立一个数据的信息库。信息库记载了大量的管理对象信息，通过减少管理对象的Object ID可以减少网络的通信量，从这个角度看，优化管理需要从管理信息库中的Object ID入手[5]。

Object ID分为不同的类型，在缩减Object ID的长度时可以从不同的方向着手。在初始节点，Object ID处在原始状态；当节点被监控时，Object ID处在被监测的状态；当节点作为虚拟计算要素时，Object ID处在虚拟的状态。在第一种状态之下，Object ID一般不会轻易发生改变。在第二种状态之下，者对节点进行监控，对数据库中的Object ID进行动态的检测，在一定的时间后，要把Object ID的信息发送给管理者。在第三种状态下，虚拟的Object ID只是计算的一种虚拟数据，不具备现实意义。这种状态的Object ID是网络管理的表现，可以通过计算Object ID的长度和速度来减小流量，优化无线传感器的网络管理。

3.2 管理协议

管理协议是无线传感器网络的管理规则，在这套管理规则中，记录着对网络管理进行具体操作的指令和原语，因此想要（下转第145页）（上接第137页）优化无线传感器网络管理，首先要对管理协议进行设计。管理协议中对网络管理的过程做出的规定：网络管理就是管理者接收的信息，对数据进行分析和处理，并把处理结果发送给，让完成具体的操作步骤。管理协议设计的范围较广，一方面它对无线传感器网络的故障问题进行管理，另一方面它要保证网络管理的安全性[6]。

在设计管理协议时，工作人员要对操作原语进行处理。安全协议分为报头、安全参数和协议数据单元几个部分。在第一部分中，工作人员要填入MsgID等内容，对信息和数据进行分析。在第二部分中，工作人员需要确定参数，保障无线传感器网络的安全运行。在第三部分中，工作人员要掌握不同的原语，根据原语内容控制长度。

4 结论

我国自无线传感器网络引入之后，就加快了对该技术的研究步伐。目前无线传感器网络已经被应用在社会上的各个领域，为了发挥无线传感器网络的效用，提高无线传感器网络的应用效率，相关的技术人员必须探讨科学的管理技术，对无线传感器网络进行有效管理。

【参考文献】

[1]尹湘源.无线传感器网络低能耗分簇路由算法关键技术研究[D].华东理工大学，2014.

[2]王x君.面向物联网的无线传感器网络时间同步与寻址策略研究[D].吉林大学，2012.

[3]迟令.基于无线传感器网络的身份认证体系的研究[D].吉林大学，2015.

无线传感器网络篇12

科技发展的脚步越来越快，人类已经置身于信息时代。而作为信息获取最重要和最基本的技术——传感器技术，也得到了极大的发展。传感器信息获取技术已经从过去的单一化渐渐向集成化、微型化和网络化方向发展，并将会带来一场信息革命。具有感知能力、计算能力和通信能力的无线传感器网络（wsn, wireless sensor networks）综合了传感器技术、嵌人式计算技术、分布式信息处理技术和通信技术，能够协作地实时监测、感知和采集网络分布区域内的各种环境或监测对象的信息，并对这些信息进行处理，获得详尽而准确的信息，传送到需要这些信息的用户。

由于wsn的巨大应用价值，它已经引起了世界许多国家的军事部门、工业界和学术界的广泛关注，被广泛地应用于军事，工业过程控制、国家安全、环境监测等领域。

无线传感器网络综合了传感器技术、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，是当前计算机网络研究的热点。

一、发展概述

早在上世纪70年代，就出现了将传统传感器采用点对点传输、连接传感控制器而构成传感器网络雏形，我们把它归之为第一代传感器网络。随着相关学科的不断发展和进步，传感器网络同时还具有了获取多种信息信号的综合处理能力，并通过与传感控制器的相联，组成了有信息综合和处理能力的传感器网络，这是第二代传感器网络。wWW.133229.Com而从上世纪末开始，现场总线技术开始应用于传感器网络，人们用其组建智能化传感器网络，大量多功能传感器被运用，并使用无线技术连接，无线传感器网络逐渐形成。

无线传感器网络是新一代的传感器网络，具有非常广泛的应用前景，其发展和应用，将会给人类的生活和生产的各个领域带来深远影响。发达国家如美国，非常重视无线传感器网络的发展，ieee正在努力推进无线传感器网络的应用和发展，波士顿大学（boston university）还于最近创办了传感器网络协会（sensor network consortium），期望能促进传感器联网技术开发。美国的《技术评论》杂志在论述未来新兴十大技术时，更是将无线传感器网络列为第一项未来新兴技术，《商业周刊》预测的未来四大新技术中，无线传感器网络也列入其中。可以预计，无线传感器网络的广泛是一种必然趋势，它的出现将会给人类社会带来极大的变革。

二、无线传感器网络的定义和特点

无线传感器网络可以看成是由数据获取网络、数据分布网络和控制管理中心三部分组成的。其主要组成部分是集成有传感器、数据处理单元和通信模块的节点,各节点通过协议自组成一个分布式网络,再将采集来的数据通过优化后经无线电波传输给信息处理中心。 无线传感器网络操作系统tiny0s141的研制者，jason hill博士把wsn定义为：

sensing＋cpu＋radio＝thousands of potential application

哈尔滨工业大学的李建中教授将wsn定义为：wsn是由一组传感器节点以自组织的方式构成的有线或无线网络，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖的地理区域中感知对象的信息，并给观察者。从硬件上看，wsn节 点主要由数据采集单元、数据处理单元、无线数据收发单元以及小型电池单元组成，通常尺寸很小，具有低成本、低功耗、多功能等特点；从软件上看，它借助于节点中内置传感器有效探测所处区域的温度、湿度、光强度、压力等环境参数以及待测对象的电压、电流等物理参数，并通过无线网络将探测信息传送到数据汇聚中心 进行处理、分析和转发。

wsn与传统传感器和测控系统相比具有明显的优势。它采用点对点或点对多点的无线连接，大大减少了电缆成本，在传感器节点端即合并了模拟信号／数字信号转换、数字信号处理和网络通信功能，节点具有自检功能，系统性能与可靠性明显提升而成本明显缩减。

无线传感器网络具有以下特点：

1、硬件资源有限。wsn节点采用嵌入式处理器和存储器，计算能力和存储能力十分有限。所以，需要解决如何在有限计算能力的条件下进行协作分布式信息处理的难题。

2、电源容量有限。为了测量真实世界的具体值,各个节点会密集地分布于待测区域内,人工补充能量的方法已经不再适用。每个节点都要储备可供长期使用的能量,或者自己从外汲取能量（太阳能）。当自身携带的电池的能量耗尽，往往被废弃，甚至造成网络的中断。所以，任何wsn技术和协议的研究都要以节能为前提。

3、无中心。在无线传感器网络中,所有节点的地位都是平等的,没有预先指定的中心, 是一个对等式网络。各节点通过分布式算法来相互协调,在无人值守的情况下,节点就能自动组织起一个测量网络。而正因为没有中心,网络便不会因为单个节点的脱离而受到损害。节点可以随时加入或离开网络，任何节点的故障不会影响整个网络的运行，具有很强的抗毁性。

4、自组织。网络的布设和展开无需依赖于任何预设的网络设施，节点通过分层协议和分布式算法协调各自的行为，节点开机后就可以快速、自动地组成一个独立的网络。

5、多跳（multi-hop）路由。wsn节点通信能力有限，覆盖范围只有几十到几百米，节点只能与它的邻居直接通信。如果希望与其射频覆盖范围之外的节点进行通信，则需要通过中间节点进行路由。wsn中的多跳路由是由普通网络节点完成的。

6、动态拓扑。wsn是一个动态的网络，节点可以随处移动；一个节点可能会因为电池能量耗尽或其他故障，退出网络运行；也可能由于工作的需要而被添加到网络中。这些都会使网络的拓扑结构随时发生变化，因此网络应该具有动态拓扑组织功能。

7、节点数量众多，分布密集。wsn节点数量大、分布范围广，难于维护甚至不可维护。所以，需要解决如何提高传感器网络的软、硬件健壮性和容错性。

8、传输能力的有限性。无线传感器网络通过无线电波进行数据传输,虽然省去了布线的烦恼,但是相对于有线网络,低带宽则成为它的天生缺陷。同时,信号之间还存在相互干扰,信号自身也在不断地衰减,诸如此类。不过因为单个节点传输的数据量并不算大,这个缺点还是能忍受的。

9、安全性的问题。无线信道、有限的能量,分布式控制都使得无线传感器网络更容易受到攻击。被动窃听、主动入侵、拒绝服务则是这些攻击的常见方式。因此,安全性在网络的设计中至关重要。

三、应用现状

虽然无线传感器网络的大规模商业应用，由于技术等方面的制约还有待时日，但是最近几年，随着计算成本的下降以及微处理器体积越来越小，已经为数不少的无线传感器网络开始投入使用。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。

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要的信息从而方便接受护理。而且还可以减轻护理人员的负担。英特尔主管预防性健康保险研究的董事eric dishman称，“在开发家庭用护理技术方面，无线传感器网络是非常有前途的领域”。

3．军事领域

由于无线传感器网络具有密集型、随机分布的特点，使其非常适合应用于恶劣的战场环境中，使其非常适合应用于恶劣的战场环境中，包括侦察敌情、监控兵力、装备和物资，判断生物化学攻击等多方面用途。

4．商业化用途

无线传感器网络还被应用于其他一些领域。比如一些危险的工业环境如井矿、核电厂等，工作人员可以通过它来实施安全监测。也可以用在交通领域作为车辆监控的有力工具。尽管无线传感器技术目前仍处于初步应用阶段，但已经展示出了非凡的应用价值，相信随着相关技术的发展和推进，一定会得到更大的应用。从应用的情况来看,北美的状况最好,在楼宇自动化、环境监控等方面,无线传感器网络已经开始大展拳脚。

四、需要解决的问题

就目前的技术水平来说，让无线传感器网正常运行并大量投入使用还面临着许多问题：

1．网络内通信问题。无线传感器网络内正常通信联系中，信号可能被一些障碍物或其他电子信号干扰而受到影响，怎么安全有效的进行通信是个有待研究的问题。

2．成本问题。在一个无线传感器网络里面，需要使用数量庞大的微型传感器，这样的话成本会制约其发展。