朱慧勇

（西安鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710014）

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)及特點(diǎn)研究

朱慧勇

（西安鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710014）

文章闡述了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的無線傳感器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)、無線傳感網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)，從定位技術(shù)、安全技術(shù)、能量控制、數(shù)據(jù)融合、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、時(shí)間同步技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂?個(gè)方面論述了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)，并分析了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；關(guān)鍵技術(shù)；節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Network，WSN）是隨著嵌入式計(jì)算技術(shù)、無線通信技術(shù)、傳感器技術(shù)、微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)和數(shù)據(jù)融合技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展的一門新興交叉研究領(lǐng)域。它是由大量部署在目標(biāo)區(qū)域廉價(jià)微型傳感器節(jié)點(diǎn)通過無線通信方式形成的多跳自組織網(wǎng)絡(luò)，其目的是協(xié)作地實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、感知和收集區(qū)域中被監(jiān)測(cè)對(duì)象的信息，并通過無線網(wǎng)絡(luò)把信息傳輸給觀察者。

1　無線傳感器節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)

無線傳感器節(jié)點(diǎn)主要由電源供應(yīng)模塊、處理器模塊、傳感器模塊和無線收發(fā)模塊4個(gè)模塊構(gòu)成。

電源供應(yīng)模塊主要采用微電池負(fù)責(zé)供應(yīng)電力，隨著清潔能源的發(fā)展，也有使用太陽能供電的。處理器模塊由微處理器和相應(yīng)內(nèi)存構(gòu)成，負(fù)責(zé)對(duì)采集來的數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)單加工，并且控制傳感器模塊和無線收發(fā)模塊。傳感器模塊是由一個(gè)或者多個(gè)傳感器以及模/數(shù)轉(zhuǎn)換器構(gòu)成，傳感器有多種類型，如溫度傳感器、濕度傳感器、光強(qiáng)度傳感器、噪聲傳感器和壓力傳感器等等。傳感器監(jiān)測(cè)目標(biāo)區(qū)域，并產(chǎn)生相應(yīng)的模擬信號(hào)，經(jīng)過模/數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信息，并將其送到處理器模塊進(jìn)行處理。無線收發(fā)模塊是由短距離無線收發(fā)器和模/數(shù)轉(zhuǎn)換器組成，負(fù)責(zé)發(fā)送和接收信號(hào)以及傳遞控制命令。另外，傳感器節(jié)點(diǎn)也可以根據(jù)相應(yīng)的需求而添加相應(yīng)模塊，如GPS模塊和電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，但這兩種節(jié)點(diǎn)的成本和能耗都高。

2　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)可以分為監(jiān)測(cè)區(qū)域或監(jiān)測(cè)目標(biāo)、傳感器節(jié)點(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)、衛(wèi)星和互聯(lián)網(wǎng)、遠(yuǎn)程任務(wù)管理節(jié)點(diǎn)和用戶6部分。監(jiān)測(cè)區(qū)域比較廣闊，自然環(huán)境惡劣甚至危險(xiǎn)。監(jiān)測(cè)目標(biāo)既有靜止的也有運(yùn)動(dòng)的，既有安全的也有危險(xiǎn)的。傳感器節(jié)點(diǎn)一般是通過飛機(jī)拋灑、人工部署的方式安置在監(jiān)測(cè)目標(biāo)的附件或監(jiān)測(cè)區(qū)域中。在傳感器節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)中，帶GPS模塊的可以自己定位的傳感器節(jié)點(diǎn)叫作錨節(jié)點(diǎn)，而沒有帶GPS模塊無法自身定位的節(jié)點(diǎn)稱為未知節(jié)點(diǎn)?，F(xiàn)實(shí)中，由于GPS模塊比較貴，而且有視距（Line of Sigh，LOS）要求，所以為每個(gè)節(jié)點(diǎn)配置GPS模塊得不償失。于是通過少量錨節(jié)點(diǎn)的位置信息來定位大量未知節(jié)點(diǎn)的位置成了研究熱點(diǎn)之一。傳感器節(jié)點(diǎn)本身由于非常小，故而受到硬件、能源和價(jià)格的制約，通信能力、計(jì)算能力、存儲(chǔ)空間和能量都十分有限。而匯聚節(jié)點(diǎn)是較特別的傳感器節(jié)點(diǎn)，具有較強(qiáng)的通信能力、較強(qiáng)的計(jì)算能力、較大的存儲(chǔ)空間和能量一般不受限的特點(diǎn)，它主要負(fù)責(zé)網(wǎng)關(guān)的功能，使傳感器節(jié)點(diǎn)可以和外部網(wǎng)絡(luò)連接，把收集到的數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)叫l(wèi)星和互聯(lián)網(wǎng)，同時(shí)也接受用戶的操作指令傳達(dá)給傳感器節(jié)點(diǎn)。從匯聚節(jié)點(diǎn)發(fā)出的數(shù)據(jù)信息，經(jīng)過衛(wèi)星和互聯(lián)網(wǎng)傳遞到遠(yuǎn)程任務(wù)管理節(jié)點(diǎn)，用戶根據(jù)信息來進(jìn)行判斷和抉擇。

3　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一門新興的交叉研究技術(shù)領(lǐng)域，涉及嵌入式計(jì)算技術(shù)、無線通信技術(shù)、傳感器技術(shù)、微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)和數(shù)據(jù)融合技術(shù)等。所以當(dāng)論述無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)時(shí)，這些技術(shù)也是關(guān)鍵技術(shù)。當(dāng)然，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)還有定位技術(shù)、安全技術(shù)、能量控制、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、時(shí)間同步技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂频?。下面主要講無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)。

3.1定位技術(shù)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有很廣泛的應(yīng)用，在這些應(yīng)用中，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)所獲得的信息需要相應(yīng)節(jié)點(diǎn)的位置信息，否則，這些信息就顯得沒有多少價(jià)值。最簡(jiǎn)單的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位是給每個(gè)節(jié)點(diǎn)裝載GPS，但不切實(shí)際。目前，定位算法主要是利用少量已知節(jié)點(diǎn)的位置信息來定位大量未知節(jié)點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)自身的準(zhǔn)確定位不僅是提供檢測(cè)事件或目標(biāo)位置信息的前提，也是提供網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥耘渲?、提高路由效率、向部署者?bào)告網(wǎng)絡(luò)覆蓋質(zhì)量、實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載均衡以及為網(wǎng)絡(luò)提供命名空間等網(wǎng)絡(luò)功能的基礎(chǔ)［1］。因此有必要采取一定手段來實(shí)現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的定位。

3.2安全技術(shù)

對(duì)于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)來講，部署環(huán)境和傳播介質(zhì)都非常開放，因此它很容易受到各種各樣的攻擊。尤其是當(dāng)它部署在無人照看或者敵方領(lǐng)域的時(shí)候，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)需要安全技術(shù)來維護(hù)網(wǎng)絡(luò)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的安全技術(shù)涉及密碼、密鑰管理、認(rèn)證、安全路由、入侵檢測(cè)、拒絕服務(wù)（Denial of Service，DoS）攻擊和訪問控制，而傳感器節(jié)點(diǎn)本身由于受到計(jì)算能力太弱、內(nèi)存太小和能量有限的限制，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的安全面臨著巨大的挑戰(zhàn)［2］。

3.3能量控制

由于無線傳感器節(jié)點(diǎn)通常是隨機(jī)部署在監(jiān)控區(qū)域中，當(dāng)節(jié)點(diǎn)的電源使用完之后，一般是不可能再重新更換節(jié)點(diǎn)電源，所以無線傳感器節(jié)點(diǎn)會(huì)面臨死亡的威脅。如何延長(zhǎng)節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò)的壽命也是關(guān)注熱點(diǎn)之一。文獻(xiàn)［3］提出一種分布式、能耗均衡、與節(jié)點(diǎn)位置無關(guān)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)覆蓋協(xié)議來延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)壽命。文獻(xiàn)［4］提出了一種能量高效均衡、非均勻分簇和簇間多跳路由有機(jī)結(jié)合的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分布式分簇路由協(xié)議。

3.4數(shù)據(jù)融合技術(shù)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)數(shù)量可能成千上萬，在某區(qū)域中，可能好多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)同時(shí)都監(jiān)測(cè)到同一數(shù)據(jù)信息，如果不進(jìn)行數(shù)據(jù)融合技術(shù)處理，將會(huì)大大增加無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息，造成網(wǎng)絡(luò)阻塞，浪費(fèi)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的壽命。目前，數(shù)據(jù)融合技術(shù)主要有基于生成樹的數(shù)據(jù)融合、消除時(shí)空相關(guān)性的數(shù)據(jù)融合、路由驅(qū)動(dòng)型數(shù)據(jù)融合、基于預(yù)測(cè)的時(shí)域數(shù)據(jù)融合和基于分布式壓縮的數(shù)據(jù)融合5種類型［5］。

3.5網(wǎng)絡(luò)協(xié)議

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議是為了保證無線傳感器節(jié)點(diǎn)之間能夠進(jìn)行數(shù)據(jù)信息的交換、融合和傳輸而建立的標(biāo)準(zhǔn)、約定和規(guī)則。由于無線傳感器自身的弱點(diǎn)，設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議不能太復(fù)雜，簡(jiǎn)單、高效和安全的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)所追求的。隨著物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議面臨更加多元化的挑戰(zhàn)。

3.6時(shí)間同步技術(shù)

傳統(tǒng)的時(shí)間同步技術(shù)網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議（Network Time Protocol，NTP）和GPS技術(shù)不適合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。由于無線傳感器節(jié)點(diǎn)的體積、計(jì)算能力和存儲(chǔ)空間有限，而且用無線連接彼此，因此NTP不適合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。無線傳感器節(jié)點(diǎn)不可能每個(gè)都攜帶GPS設(shè)備，而且使用GPS有嚴(yán)格的環(huán)境要求，因此GPS也不適合。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間同步技術(shù)要考慮健壯性和可擴(kuò)展性這兩個(gè)性能上的要求。典型的基于報(bào)文的時(shí)間同步技術(shù)有延遲測(cè)量時(shí)鐘同步協(xié)議（Delay Measurement Time Synchronization，DMTS）、參考廣播同步協(xié)議（Reference Broadcast Synchronization，RBS）、傳感網(wǎng)時(shí)間同步協(xié)議（Timing-Sync Protocol for Sensor Networks，TPSN）、分級(jí)的參考時(shí)間同步協(xié)議（Hierarchy Referencing Time Synchronization Protocol，HRTS）、泛洪時(shí)間同步協(xié)議（Flooding Time Synchronization Protocol， FTSP）和全局時(shí)鐘同步（Global Clock Synchronization，GCS）等。GCS有節(jié)點(diǎn)遍歷模式、聚類分層模式和擴(kuò)散模式。目前最新的時(shí)間同步技術(shù)有螢火蟲同步技術(shù)與協(xié)作同步技術(shù)，可以參考文獻(xiàn)［6］。

3.7網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂?/p>

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由于自身和環(huán)境的影響，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣?jīng)常會(huì)產(chǎn)生變化。研究無線傳感網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)淇刂凭哂兄匾裕菏紫?，拓?fù)淇刂剖且环N重要的節(jié)能技術(shù)；其次，拓?fù)淇刂票ＷC覆蓋質(zhì)量和連通質(zhì)量；再次，拓?fù)淇刂颇軌蚪档屯ㄐ鸥蓴_、提高介質(zhì)訪問控制（Media Access Control，MAC）協(xié)議和路由協(xié)議的效率、為數(shù)據(jù)融合提供拓?fù)浠A(chǔ)；此外，拓?fù)淇刂颇軌蛱岣呔W(wǎng)絡(luò)的可靠性、可擴(kuò)展性等其他性能［7］。

4　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)

Ad-hoc（點(diǎn)對(duì)點(diǎn)）網(wǎng)絡(luò)具有無中心、自組織、多跳路由、動(dòng)態(tài)拓?fù)涞忍攸c(diǎn)，而無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是Ad-hoc網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用領(lǐng)域之一，因此無線傳感器網(wǎng)絡(luò)也有以上特點(diǎn)。但無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和傳統(tǒng)Ad-hoc網(wǎng)絡(luò)又有幾方面的不同：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)通常是部署在環(huán)境比較惡劣的地方；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)規(guī)模一般比較大；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)計(jì)算能力，內(nèi)存，能量都有限制；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的任務(wù)主要是為了采集數(shù)據(jù)，發(fā)送數(shù)據(jù)給用戶。下面分幾個(gè)方面來論述無線傳感器網(wǎng)絡(luò)規(guī)模大、無中心、分布式、自組織的特點(diǎn)。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模大指的是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)數(shù)目成千上萬，我國的“綠野千傳”項(xiàng)目在2009年的時(shí)候已經(jīng)部署了超過2 000個(gè)節(jié)點(diǎn)［8］。無中心是指無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中除了匯聚節(jié)點(diǎn)之外的所有無線傳感器節(jié)點(diǎn)的地位相同。分布式是指無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由無線傳感器節(jié)點(diǎn)分布在不同的地方且它們之間有多條路徑可以互相通信、交換數(shù)據(jù)，任一節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障或者死亡都不會(huì)影響整體網(wǎng)絡(luò)，有比較高的可靠性。自組織是指無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的部署不需要依靠任何網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，當(dāng)無線傳感器節(jié)點(diǎn)部署好之后，節(jié)點(diǎn)通過預(yù)先設(shè)置好的協(xié)議發(fā)送廣播，節(jié)點(diǎn)自動(dòng)組成網(wǎng)絡(luò)。

4.1節(jié)點(diǎn)自身的弱點(diǎn)

由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用決定了無線傳感器節(jié)點(diǎn)不可能太大，太大的話，容易被發(fā)現(xiàn)，甚至被敵軍摧毀。無線傳感器節(jié)點(diǎn)比較小造成了節(jié)點(diǎn)的能力有限，體現(xiàn)在計(jì)算能力比較弱，內(nèi)存比較小，能量有限。隨著科技的發(fā)展，無線傳感器節(jié)點(diǎn)的自身弱點(diǎn)也會(huì)變得越來越小。

4.2部署環(huán)境比較惡劣

由于無線傳感器節(jié)點(diǎn)具有感知物理世界的功能，于是很多事情人類可以交給無線傳感器網(wǎng)絡(luò)來做，相當(dāng)于人類的第三只眼睛。比如從核反應(yīng)堆測(cè)量輻射水平，在野外觀察野生動(dòng)物的行蹤，甚至在月球上為月球探測(cè)車導(dǎo)航。這些部署環(huán)境都比較惡劣。

4.3多跳路由

由于無線傳感器節(jié)點(diǎn)的通信半徑有限，兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)交換極有可能不是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)之間的交換，這時(shí)候就需要兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的節(jié)點(diǎn)相互協(xié)作來完成數(shù)據(jù)交換，這就叫作多跳路由。

4.4動(dòng)態(tài)拓?fù)?/p>

在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，由于各種各樣的原因：一些節(jié)點(diǎn)或許死亡的比較早；一些節(jié)點(diǎn)在第一次拋灑時(shí)沒有聯(lián)到網(wǎng)絡(luò)中，在又一次拋灑時(shí)可以聯(lián)到網(wǎng)絡(luò)中；一些節(jié)點(diǎn)或許部署在移動(dòng)物體上；或許通信環(huán)境發(fā)生變化；總之網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)經(jīng)常發(fā)生動(dòng)態(tài)變化。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的自組織能力和重構(gòu)能力可以解決此類問題。

4.5面向應(yīng)用，以采集數(shù)據(jù)為中心

由于各種各樣的應(yīng)用，在設(shè)計(jì)無線傳感器節(jié)點(diǎn)及網(wǎng)絡(luò)的時(shí)候，不能千篇一律。針對(duì)不同的實(shí)際應(yīng)用，提出相應(yīng)的配套的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)解決方案。在實(shí)際應(yīng)用中，用戶關(guān)心的是何時(shí)何地發(fā)生了何事，也就是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)高效實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)，只有有了數(shù)據(jù)，用戶才能作出快速的反應(yīng)。以上說明，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有面向應(yīng)用，以采集數(shù)據(jù)為中心的特點(diǎn)。

5　結(jié)語

本文主要介紹無線傳感器的結(jié)構(gòu)、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為當(dāng)前的一項(xiàng)熱點(diǎn)研究領(lǐng)域之一，有著十分廣泛的應(yīng)用前景，對(duì)國家安全、社會(huì)進(jìn)步、經(jīng)濟(jì)發(fā)展、生活便捷有著重大意義，未來的應(yīng)用會(huì)更加普及。

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Research on key technology and characteristics of wireless sensor network

Zhu Huiyong
（Xi'an Railway Vocational & Technical Institute, Xi'an 710014, China）

This paper elaborated the node structure of wireless sensor and the structure of the wireless sensor network in wireless sensor network. It discussed the key technology of wireless sensor network from seven aspects of the location technology, security technology, energy control technology, data fusion technology, the network protocol technology, time synchronization technology and the network topology control technology, and analyzed the characteristics of wireless sensor network.

wireless sensor network; key technology; node structure

朱慧勇（1985— ），男，河南焦作。