无线传感器

无线传感器网络简介摘要：无线传感器网络如今已经成为各领域内的发展热点，受到各国政府、学术界和工业界的广泛重视。是物联网重要组成部分。本文主要介绍无线传感器网络的基本概念、特征、基本结构。主要介绍了无线传感器网络关键技术，系统的分析了无线传感器网络面临的问题、挑战和发展前景。关键词：无线传感器、物联网、基本结构、关键技术1.无线传感器概念无线网传感器网络（WirelessSensorNetworks,WSN）是一种分布式传感网络，它的末梢是可以感知世界的各种传感器。传感器网络实现了数据采集、处理和传输三大功能。随着通信技术、嵌入式技术、传感器技术的发展，传感器正逐渐向智能化、微型化、无线网络化发展[1]。WSN是由大量静止或移动的传感器以自组织和多跳的构成无线网络，以协作感知、采集、处理和传输网络覆盖区域内被感知对象的信息，并最终将这些信息发送给网络所有者。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，并发布给观察者。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[2]。无线传感器包括很多传感器，如：探测地震、压力、光强度、温度、湿度等，传感器、感知对象、和观察者构成无线传感器网络的三个要素。现如今，无线传感器网络不仅在军事应用中，还在现实生活中飞速发展，已经植入了我们的生活之中，如：全球定位系统、RFID射频识别、门禁等。随着无线多媒体传感器网络（WMSN）的快速发展,使我们更好、更快的获取音频、视频图像等信息。无线传感器网络主要有三个发展阶段：传感器→无线传感器→无线传感器网络。主要发展时期：由上个世纪80年代开始，被誉为对人类未来生活产生深远影响的十大新兴技术之一[3]。无线传感器网络具有很多优秀的特点：1.大规模：使获得信息具有更大的性价比，也使系统具有很大的容错性。2.自组织和动态性：传感器节点具有自组织能力，能够自动具有自动配置和管理，拓扑结构能够随着动态变化。3.可靠性和集成化：适应恶劣环境，并且节点功耗低、体积小。无线传感器有四种唤醒模式：全唤醒模式、随机唤醒模式、预测机制选择唤醒模式和任务循环唤醒模式。其中预测机制选择唤醒模式的功耗最低和较高的信息收益。WSN还应用于物联网，是物联网的基础。2.无线传感器网络结构现有的无线传感器网络体系由分层的网络通信协议、网络管理平台以及应用支撑平台3部分组成，如下图1所示图1无线网络结构体系1.节点功能结构无线传感器网络节点有数据采集、数据处理、数据传输和电源组成。传感器节点可以采用飞机散播、人工布置或火炮发射等方式，通信方式可选择自定义的协议ISM频段技术，包括射频技术、蓝牙技术、Zigebee技术、UWB技术。不同应用中，节点组成略有不同下边是定位系统的节点组成：图2无线传感器节点组成包括传感器单元（传感器、信号处理和模数转化）、处理单元（CPU、嵌入式系统）、通信单元和电源，以及所配置的其他功能。2、拓扑结构无线传感器网络拓扑结构有三种：星状网、网状网和混合网，网络中所有传感器节点都与基站和网关进行双向通信。基站可以是一台PC、PDA、嵌入式网络服务器。星状网整体功耗低，但传输距离短；网状网属于多跳系统，传输较远、容故障能力较强，但功耗较大。图3无线网络的拓扑结构3、无线网络的通信体系结构传感器网络体系具有二维结构，即横向通信协议和纵向传感器网络管理面。通信协议层划分为物理层、链路层、网络层、传输层、应用层；网络管理面则划分为能耗管理面、移动性管理面和任务管理面。3.1物理层无线传感器网络的传输介质可以是无线、红外或者光介质。无线传感器网络推荐使用免许可证频段(ISM)。在物理层技术选择方面，环境的信号传播特性、物理层技术的能耗是设计的关键问题。物理层提供简单而健壮的信号调制和无线收发技术。3.2链路层数据链路层负责数据流的多路复用、数据帧检测、媒体接入和差错控制。数据链路层保证了传感器网络内点到点和点到多点的连接。负责数据成帧、帧检测、媒体访问和差错控制。（1）媒体访问控制（MAC）媒体访问控制(MAC)层协议主要负责两个职能。其一是网络结构的建立，因为成千上万个传感器节点高密度地分布于待测地域，MAC层机制需要为数据传输提供有效的通信链路，并为无线通信的多跳传输和网络的自组织特性提供网络组织结构。其二是为传感器节点有效合理地分配资源[4]。（2）差错控制在通信网中有两种重要的差错控制模式分别是前向差错控制(FEC)和自动重传请求(ARQ)。现如今大部分使用PEC技术。3.3网络层主要负责路由生成和路由选择。传感器网络节点和接收器节点需要特殊的多跳无线路由协议，所以传感器节点多采用广播式通信，路由算法也是基于广播方式进行优化。所以在网络层，基于路由协议有很多最优化算法，如：最大有效功率（PA）路由算法、最小能量路由算法等。在传感器网络中人们只关心某个区域的某个观测指标的值，而不会去关心具体某个节点的观测数据。而传统网络传送的数据是和节点的物理地址联系起来的，以数据为中心的特点要求传感器网络能够脱离传统网络的寻址过程，快速有效的组织起各个节点的信息并融合提取出有用信息直接传送给用户。3.4传输层传感器数据传输量并不是很大，所以传感器网络传输层协议更类似于UDP协议。主要负责数据流的传输控制，保证服务质量的重要组成部分。3.无线传感器关键技术无线传感器网络涉及感知、控制、网络通信、微电子、计算机、软件、嵌入式系统、微机电等技术领域，因此也涵盖的关键技术也非常多，即：无线通信技术、能量收集技术、传感器技术、嵌入式操作系统、多跳自组织网络路由协议、数据融合和数据管理技术、信息安全技术等。结构图[5]：图4传感器网络关键技术结构图传感器网络中所包含的关键内容和关键技术主要有数据采集、信号处理、协议管理安全、网络接入、设计验证、智能信息处理和信息融合以及支撑和应用等方面。1.数据采集技术数据采集技术是传感器网络的重要组成部分，主要设备一般采用MCU控制器，比如采用嵌入式系统。数据采集技术包括传感器技术、嵌入式系统技术、采集设备以及核心芯片。2.智能信号处理与数据融合技术在数据采集和传输过程中，对数据进行处理获得与目标事物相关的信息，也可以减少节点的能耗。首先获得各种物理量的原始信号，通过进行信号的调理来提高其信噪比、信号的特征提取以及滤波技术进行原始信号的处理。如果完全在本地节点上处理采集的数据而只发送处理后的结果，可以降低传输数据的功耗，但增加了本地节点处理器的功耗；如果传输原始采集的数据，可以降低节点处理器的功耗但增加了节点传输数据的功耗。所以要找到节点处理和节点联合处理的平衡点。，在传感器网络的信号处理技术中，以多物理量检测、信号提取、信号调理、信号变换、信号分析为核心关键术。3.优化高效协议线无线通信方式是多级的，其系统复杂性和成本开销就会很大，这就需要对协议进行优化以保证其低功耗和高能效。传感器网络协议多样性基本是通过MAC协议来保护的。传感器网络的协议中，以MAC协议、组网协议、网络跨层能量优化、自适应优化通信协议、轻量级和高能效协议为重点。4.仿真与验证随着计算机技术的飞速发展，涌现出来了许多仿真软件，如protel、DXP、cma系列等。在传感器网络系统的设计验证中，包括设计、仿真、试验床验证与检验检测等关键内容，可以对物联网的硬件设备、软件、协议等进行分析验证。国内外对于传感器网络的测试平台搭建技术研究还处于初步阶段，现如有：MoteWorks，EmStar，Kansei和MoteLab等传感器网络试验床验证平台，均支持网络测试的功能，只是具有不同的侧重点。MoteWorks是第一款工业开放源代码的，基于标准平台和支持OEM设备与系统开发的软件平台。将传感器分为三部分：节端点、中间件、客户端。特别适用于低功耗网络。中科院计算所也正在部署物联网综合验证系统，包括EasiSim用于仿真分析，EasiTest作为物联网试验床，EasiDesign用于物联网设计，EasiView作为物联网实时监控系统，这些子系统都支持面向Web的访问方式。5应用领域由于技术等方面的制约，WSN的大规模商用还有待时日，但随着微处理器体积缩小和性能提升，在许多工业市场中开始投入商用。传感器网络的支撑设备包括高性能计算平台、海量存储以及管理系统及数据库等。通过这些设备能够完成数据的海量存储、处理、管理等工作。由于传感器网络的飞速发展，其广泛应用于环境测量、医疗护理、军事领域、目标跟踪、车辆监控等领域。如下图所示图四无线传感器的应用4.面临问题虽然无线局域网的出现，大大提升了信息交换和质量，为很多用户提供了方便，但也带来了许多安全隐患，即无线介质信号由于其传播的开放性设计，使得其在传输的过程中很难对传输介质实施有效的保护从而造成传输信号有可能被他人截获，被不法之徒利用其漏洞来攻击网络。当然无线传感器网络也存在许多问题，如：（1）网络内通信问题，即通信的安全问题（2）成本问题。其需要数量庞大的微型传感器，成本巨大。（3）系统能量供应问题。（4）高效的无线传感器网络结构。5.未来发展无线传感器网络有着十分巨大的未来发展，它不仅在工业、农业、军事、环境、医疗等传统领域有具有巨大的运用价值，在未来还将在许多新兴领域体现其优越性，如家用、保健、交通等领域。它将会融入到我们的生活之中。所以国家企业应该加大力度，抓住商机。未来无线传感器发展的趋势有以下几点：（1）节点微型化。设计微体积、长寿命的传感器节点非常重要，如：空中悬浮传感器。（2）寻求系统节能策略（3）低成本（4）传感器网络安全性问题和抗干扰问题[6]（5）节点的自动配置6结束语本文介绍了传感器网络的发展、结构和应用前景。无线传感器网络作为一个新兴的领域，拥有重大的发展战略意义，它基本已经融入到我们的日常生活中，一个人每天平均几乎可以接触到成千上百个无线传感器。所以具有无比的发展空间。参考文献[1]孙利民，李建中，陈瑜等.无线传感器网络[M]北京清华大学出版社2005:3126[2]李建中，李金宝，石胜飞。传感器网络及其数据管理的概念、问题、进展[J].软件学报，2003,14（10）：1717-1727[3]N.Gross,21ideasforthe21stcentury[J].BusinessWeek,Aug.30,1999,27-16[4][1]赵志峰，郑少仁。Adhoc网络体系结构研究[J].电信科学,2001，17(1)：14—17。[5]刘强,崔莉,陈海明.物联网关键技术与应用[J].计算机科学,2010,6.[6]肖健，吕爱晨，陈吉忠等。无线传感器网络技术中关键性问题[J].传感器世界，软件学报