工控摘要：隨著微電子機(jī)械系統(tǒng)、功耗無(wú)線電通信技術(shù)、嵌入式計(jì)算技術(shù)、微型傳感器技術(shù)及集成電路技術(shù)的飛速發(fā)展和日益成熟，使得由大量低成本、低功耗、小體積、短距離通信多功能的微型傳感器通過(guò)無(wú)線鏈路自組織為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）成為現(xiàn)實(shí)。WSN已經(jīng)廣泛應(yīng)用于軍事、交通、環(huán)境監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)、衛(wèi)生保健、空間探索等各個(gè)領(lǐng)域，在當(dāng)前上備受關(guān)注，涌現(xiàn)了許多研究熱點(diǎn)領(lǐng)域。
　　
　　1無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)
　　
　　傳感器節(jié)點(diǎn)的基本組成和功能包括如下幾個(gè)單元：傳感單元、處理單元、無(wú)線通信單元和供電單元等。此外，其他可以選擇的功能部分有定位系統(tǒng)、移動(dòng)系統(tǒng)以及電源供電系統(tǒng)等。
　　
　　傳感器單元由傳感器和數(shù)/模轉(zhuǎn)換模塊組成，用于感知、獲取監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的信息，并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào);處理單元由嵌入式系統(tǒng)構(gòu)成，包括處理器、存儲(chǔ)器等，負(fù)責(zé)控制和協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)各部分的工作，存儲(chǔ)和處理自身采集的數(shù)據(jù)以及其他節(jié)點(diǎn)發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù);無(wú)線通信單元由無(wú)線通信模塊組成，負(fù)責(zé)與其他傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，交換控制信息和收發(fā)采集數(shù)據(jù);供電單元通常采用微型電池，為傳感器節(jié)點(diǎn)提供正常工作所必需的能源。
　　
　　2無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)
　　
　　人們一度認(rèn)為成熟的Ad-hoc網(wǎng)絡(luò)機(jī)制和技術(shù)可以應(yīng)用到無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。但隨著深入的研究發(fā)現(xiàn)，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)有的技術(shù)要求和應(yīng)用目標(biāo)明顯不同于Ad-hoc網(wǎng)絡(luò)。Ad-hoc網(wǎng)絡(luò)致力于為用戶提供高質(zhì)量的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，是以傳輸數(shù)據(jù)為目的;無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)將能源的使用作為首要設(shè)計(jì)目標(biāo)，是以數(shù)據(jù)為中心。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有許多區(qū)別于Ad-hoc網(wǎng)絡(luò)的*特征。
　　
　?、僖?guī)模大、密度高。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)與Ad-hoc網(wǎng)絡(luò)不同，通常密集部署在大片的監(jiān)測(cè)區(qū)域，為了獲取更、完整的信息，需要部署規(guī)模很大、密度很高的傳感器節(jié)點(diǎn)，以便通過(guò)大量冗余節(jié)點(diǎn)的協(xié)同工作來(lái)提高系統(tǒng)的工作質(zhì)量。
　　
　?、谝詳?shù)據(jù)為中心。在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，終端用戶不會(huì)具體關(guān)心單個(gè)節(jié)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，通常只關(guān)心某個(gè)區(qū)域內(nèi)某個(gè)監(jiān)測(cè)指標(biāo)的數(shù)值。
　　
　?、劭煽啃圆?。與Ad-hoc網(wǎng)絡(luò)相比，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障的可能性要大得多。傳感器節(jié)點(diǎn)是通過(guò)隨機(jī)撒播的方式部署在的惡劣環(huán)境或無(wú)人區(qū)域，在無(wú)人值守狀態(tài)下工作，網(wǎng)絡(luò)維護(hù)變得十分困難。
　　
　?、軅鞲衅鞴?jié)點(diǎn)的能力有限。傳感器節(jié)點(diǎn)具有的能量、處理能力、存儲(chǔ)能力和通信能力都是十分有限的。
　　
　?、菖c應(yīng)用相關(guān)。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是通過(guò)感知客觀世界來(lái)獲取外界的信息。由于不同的應(yīng)用關(guān)心的信息不同，使得無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)只能針對(duì)每一個(gè)具體的應(yīng)用來(lái)開展設(shè)計(jì)工作，不能像Internet那樣有統(tǒng)一的通信協(xié)議平臺(tái)。由于應(yīng)用的不同，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)對(duì)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的要求也不同，硬件平臺(tái)、軟件系統(tǒng)和通信協(xié)議都會(huì)有很大的差異。
　　
　?、迍?dòng)態(tài)變化快。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)一般都在比較惡劣的環(huán)境下工作，不斷變化的外界環(huán)境，如突發(fā)事件、節(jié)點(diǎn)能量耗盡、無(wú)線通信鏈路斷續(xù)等，都會(huì)嚴(yán)重影響系統(tǒng)功能，這就要求傳感器節(jié)點(diǎn)調(diào)整自身的工作狀態(tài)及網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以適應(yīng)環(huán)境的變化。
　　
　　3無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究熱點(diǎn)
　　
　　無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為當(dāng)今信息領(lǐng)域新的研究熱點(diǎn)，綜合了傳感技術(shù)、微電子技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、無(wú)線通信技術(shù)、嵌入式技術(shù)、分布式計(jì)算處理技術(shù)等多種技術(shù)的交叉學(xué)科，涉及的范圍十分廣泛，因而相關(guān)的研究?jī)?nèi)容也十分豐富，目前世界各國(guó)均對(duì)其各方面開展了研究。
　　
　　同時(shí)，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)又有著工作環(huán)境較差、節(jié)點(diǎn)數(shù)目眾多、節(jié)點(diǎn)能量不易補(bǔ)充等特點(diǎn)，對(duì)它的研究又有著與一般網(wǎng)絡(luò)不同的要求。從體系結(jié)構(gòu)上分，可分為基礎(chǔ)層研究問(wèn)題、網(wǎng)絡(luò)層研究問(wèn)題、數(shù)據(jù)管理與處理層研究問(wèn)題、應(yīng)用開發(fā)環(huán)境層研究問(wèn)題、應(yīng)用層研究問(wèn)題。從功能上分，可分為能量節(jié)省問(wèn)題、傳感器節(jié)點(diǎn)的定位問(wèn)題、網(wǎng)絡(luò)組織管理問(wèn)題、網(wǎng)絡(luò)傳輸問(wèn)題、軟硬件設(shè)計(jì)與制造問(wèn)題、信號(hào)的協(xié)作處理問(wèn)題、網(wǎng)絡(luò)安全性問(wèn)題等。
　　
　　下面從功能的角度對(duì)各個(gè)熱點(diǎn)分別給予介紹。
　　
　　3.1無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)定位
　　
　　無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)通常是采用大炮發(fā)射、飛機(jī)撒播等隨機(jī)布置的方法部署到監(jiān)測(cè)區(qū)域中的，因?yàn)闊o(wú)法預(yù)先確定節(jié)點(diǎn)部署后的位置，只能在部署完成后采用一定的方法定位。目前使用zui廣泛的定位方法是采用定位系統(tǒng)GPS（GlobalPositioningSystem）。
　　
　　由于數(shù)目眾多，在價(jià)格、功耗、適用范圍及體積等方面的制約，考慮到費(fèi)用問(wèn)題，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都帶有定位系統(tǒng)是不現(xiàn)實(shí)的。一般采用的方法是使5%~10%的節(jié)點(diǎn)帶有GPS，這種節(jié)點(diǎn)稱為導(dǎo)標(biāo)節(jié)點(diǎn)（beaconnodes）或錨節(jié)點(diǎn)（anchornodes），它們可以通過(guò)衛(wèi)星來(lái)確定自身的位置。目前主要的研究方向是如何利用這些錨節(jié)點(diǎn)提供的位置信息和其他節(jié)點(diǎn)通信之間的約束，估算出普通節(jié)點(diǎn)的位置。定位問(wèn)題除了定位本身的意義外，在路由選擇上也有很大的幫助。此外在移動(dòng)機(jī)器人研制中也具有很重要的意義。
　　
　　3.2無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)涔芾?/strong>
　　
　　無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涔芾碇饕芯康膬?nèi)容是：在保證網(wǎng)絡(luò)的覆蓋度和連通性的前提下，設(shè)置或調(diào)整節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率，并按照一定原則選擇合適節(jié)點(diǎn)成為骨干節(jié)點(diǎn)參與網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)的處理和傳輸，達(dá)到優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的目的。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中拓?fù)涔芾砜梢苑譃閮蓚€(gè)研究方向：功率管理和層次拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)管理。功率管理機(jī)制均衡節(jié)點(diǎn)的直接鄰居數(shù)目，調(diào)整網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率，保證網(wǎng)絡(luò)連通，同時(shí)降低節(jié)點(diǎn)之間的通信干擾。層次拓?fù)涔芾硎抢梅执厮枷耄罁?jù)一定的算法使網(wǎng)絡(luò)中的部分節(jié)點(diǎn)處于激活狀態(tài)并且成為簇首節(jié)點(diǎn)，然后由這些簇首節(jié)點(diǎn)構(gòu)建一個(gè)連通的網(wǎng)絡(luò)來(lái)處理和傳輸網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù);其他節(jié)點(diǎn)則處于非激活狀態(tài)，關(guān)閉其通信模塊以降低能量消耗，并定期或不定期地重新選擇簇首節(jié)點(diǎn)，以均衡網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的能量消耗。
　　
　　在有些應(yīng)用中，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的各個(gè)節(jié)點(diǎn)可能分布在廣大的地理區(qū)域，如果把整個(gè)應(yīng)用組成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，即不現(xiàn)實(shí)也難于管理。網(wǎng)絡(luò)的組織管理的關(guān)鍵是如何把網(wǎng)絡(luò)有效地劃分為許多小局域網(wǎng)，保證每一個(gè)小的局域網(wǎng)中都有一個(gè)節(jié)點(diǎn)代理負(fù)責(zé)管理每一個(gè)小的局域網(wǎng)，該節(jié)點(diǎn)可稱之為簇首。解決該問(wèn)題可用以下兩種方法：一是放置代理，每個(gè)代理節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)管理一定數(shù)目的普通節(jié)點(diǎn)，如何使每個(gè)代理管理節(jié)點(diǎn)的數(shù)目基本相同并使管理網(wǎng)絡(luò)有著基本相同的網(wǎng)絡(luò)半徑是研究的重點(diǎn)問(wèn)題;二是產(chǎn)生簇首，所有的節(jié)點(diǎn)都是對(duì)等的節(jié)點(diǎn)，這時(shí)根據(jù)每個(gè)節(jié)點(diǎn)能量情況、連接情況選擇合適簇首，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的匯總及初步處理，為了節(jié)省能量，需要定期或不定期選舉產(chǎn)生新的簇首。此外，網(wǎng)絡(luò)的管理形式、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等都是需要研究的重要問(wèn)題。
　　
　　3.3數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中的傳輸
　　
　　無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸是一個(gè)熱點(diǎn)問(wèn)題，由于數(shù)據(jù)傳輸將消耗掉節(jié)點(diǎn)大量的能量，傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的很多方案不能直接使用，它的設(shè)計(jì)需要針對(duì)具體應(yīng)用來(lái)進(jìn)行。目前，很多無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中路由算法基本上都是以Flooding算法為基礎(chǔ)，通過(guò)增加一定的約束條件而形成的。然而每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)所帶的電量有限，無(wú)線通信、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)采集等過(guò)程都要消耗能量，其中網(wǎng)內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸（即無(wú)線通信模塊）消耗節(jié)點(diǎn)的大部分能量，需要通過(guò)采用適當(dāng)?shù)穆酚伤惴ǎ瑴p少網(wǎng)絡(luò)中的通信量和計(jì)算量，有效延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的壽命。
　　
　　3.4信號(hào)的協(xié)作處理
　　
　　為了完成對(duì)目標(biāo)的測(cè)量、跟蹤和識(shí)別，需要具有一定屬性的多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)協(xié)同工作。這些節(jié)點(diǎn)采用一定的算法交換信息，對(duì)所獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行加工、匯總和過(guò)濾。僅靠單個(gè)的傳感器節(jié)點(diǎn)無(wú)法完成這些工作。因此，節(jié)點(diǎn)間數(shù)據(jù)的傳遞和信息協(xié)作都影響到網(wǎng)絡(luò)算法的設(shè)計(jì)和能量的消耗。
　　
　　3.5硬件、軟件的設(shè)計(jì)和制造
　　
　　無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)另一個(gè)研究重要課題是：如何利用已經(jīng)發(fā)展起來(lái)的電源、微電子、微電機(jī)、微無(wú)線通信等技術(shù)，合理地構(gòu)成微體積、長(zhǎng)壽命的節(jié)點(diǎn)。國(guó)外有些研究所已經(jīng)開始進(jìn)入了裝置設(shè)計(jì)階段，它的研究設(shè)計(jì)需要考慮依距離遠(yuǎn)近發(fā)送一個(gè)比特位及每條指令所需的能量大小，甚至不同地址編碼所需能量的差異等。要有效地增加網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的壽命需要合理優(yōu)化設(shè)計(jì)硬件和軟件資源。厘米級(jí)和毫米級(jí)的傳感器節(jié)點(diǎn)成為當(dāng)今的主要研究目標(biāo)。
　　
　　3.6無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)安全性問(wèn)題
　　
　　與普通的網(wǎng)絡(luò)一樣，傳感器接收命令和傳送信息也面臨著安全性的考驗(yàn)。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是通過(guò)無(wú)線方式進(jìn)行通信的，信道更容易被竊聽，辨別非法消息及非法節(jié)點(diǎn)更加不易。而傳感器節(jié)點(diǎn)本身運(yùn)算能力有限，如何利用較少的能量和較小的計(jì)算量來(lái)完成數(shù)據(jù)加密、身份認(rèn)證等，在破壞或受干擾的情況下可靠地完成任務(wù)也是一個(gè)重要的研究課題。
　　
　　另外，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)還涉及到能量控制、容錯(cuò)機(jī)制、路由選擇等方面的研究。
　　
　　4結(jié)束語(yǔ)
　　
　　無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用前景十分廣闊。除了在軍事、監(jiān)控、應(yīng)急、環(huán)境、防空等方面，還將涉及家用、企業(yè)管理、保健、交通等新興領(lǐng)域。本文對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究熱點(diǎn)進(jìn)行分析和總結(jié)，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展還面臨許多的問(wèn)題，比如能量節(jié)省問(wèn)題、傳感器節(jié)點(diǎn)的定位問(wèn)題、網(wǎng)絡(luò)組織管理問(wèn)題、網(wǎng)絡(luò)傳輸問(wèn)題、軟硬件設(shè)計(jì)與制造問(wèn)題、信號(hào)的協(xié)作處理問(wèn)題、網(wǎng)絡(luò)安全性問(wèn)題等。隨著各項(xiàng)技術(shù)的成熟和發(fā)展，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究也將取得突破性的進(jìn)展，其業(yè)務(wù)和應(yīng)用將更加廣泛和成熟。