无线传感器网络研究综述

1无线传感器网络研究综述摘要：无线传感器网络是当前信息领域一个研究的热点。总结了无线传感器网络的发展历史和研究现状，分析了无线传感器网络的地位和作用，对当前国内外的最新研究现状进行了概述，列举了当前无线传感器网络研究的关键技术，最后指出了无线传感器网络技术发展所面对的挑战以及无线传感器网络的发展趋势。关键词：无线传感器网络路由协议拓扑控制定位技术无线传感器网络（WSN）是由大量的具有通信和计算能力的微小传感器节点，以无线的方式连接构成的自治测控网络。一种普遍被接受的无线传感器网络的定义为：大规模、无线、自组织、多跳、无分区、无基础设施支持的网络，其中节点是同构的、成本较低、体积较小，大部分节点不移动，被随意散布在工作区域，要求网络系统尽可能长的工作时间。一个典型的无线传感器网络的系统架构（如图1）包括分布式无线传感器节点（群）、接收发送器汇聚节点、互联网或通信卫星和任务管理节点等，如图2.1所示。大量传感器节点随机部署在监测区域内部或附近，能够通过自组织方式构成网络。传感器节点监测的数据沿着其他传感器节点逐跳地进行传输，在传输过程中监测数据可能被多个节点处理，经过多跳后路由到汇聚节点，最后通过互联网或卫星到达任务管理节点。传感器节点通常是一个微型嵌入式系统，它的处理能力、存储能力和通信能力相对较弱，通过携带能量有限的电池供电。无线传感器网络的出现引起了全世界范围的广泛关注，世界各国的科研机构和科研人员对无线传感器网络的研究投入了极大的热情。它综合了现代传感器技术、微电子技术、通信技术、嵌入式计算技术和分布式信息处理技术等多个学科，是新兴的交叉研究领域。图1无线传感器网络的系统架构1111无线传感器网络研究历程与现状无线传感器网络研究历程与现状无线传感器网络研究历程与现状无线传感器网络研究历程与现状无线传感器网络具有重要的科研价值和广泛的应用前景，它的出现引起了全世界的广泛关注，被公认为是将对21世纪产生巨大影响的技术之一。无线传感网络的研究历史不长，但发展很快。从国外的研究现状来看，整体的研究成果仍处于原型和小规模试验阶段，距离实际应用需求还有一定距离。对我国而言，无线传感网络的研究处于起步阶段，因此，无线传感网络给科技工作者提供了巨大的研究空间。EDCBA汇聚节点互联网和卫星任务管理节点21.1无线传感器网络的研究历史WSN的基本思想起源于20世纪70年代；1978年，DARPA在卡耐基-梅隆大学成立了分布式传感器网络工作组；1980年，DARPA的分布式传感器网络项目（DSN）开启了传感器网络研究的先河；20世纪80~90年代，研究主要在军事领域，成为网络中心战的关键技术，拉开了无线传感器网络研究的序幕；20世纪90年代中后期，WSN引起了学术界、军界和工业界的广泛关注，发端了现代意义的无线传感器网络技术。1.2国外无线传感器网络的研究现状1.2.1美国美国军方最先开始无线传感器网络技术的研究，开展了包括有CEC、REMBASS、TRSS、SensorIT、WINS、SmartDust、SeaWeb、μAMPS、NEST等研究项目。美国国防部远景计划研究局已投资几千万美元，帮助大学进行无线传感器网络技术的研发。美国国家自然基金委员会（NSF）也开设了大量与其相关的项目，NSF于2003年制定WSN研究计划，每年拨款3400万美元支持相关研究项目，并在加州大学洛杉矶分校成立了传感器网络研究中心。2005年对网络技术和系统的研究计划中，主要研究下一代高可靠、安全的可扩展的网络，可编程的无线网络及传感器系统的网络特性，资助金额达到4000万美元。此外，美国交通部、能源部、美国国家航空航天局也相继启动了相关的研究项目。美国所有著名院校几乎都有研究小组在从事WSN相关技术的研究，加拿大、英国、德国、芬兰、日本和意大利等国家的研究机构也加入了WSN的研究。加州大学洛杉矶分校、加州大学伯克利分校、麻省理工学院、康奈尔大学、哈佛大学、卡耐基-梅隆大学等在WSN研究领域成绩较为突出。国际相关学术会议对WSN的研讨增多，检索论文数目逐年以较大幅度增加。美国的Crossbow、DustNetwork、Ember、Chips、Intel、Freescale等公司开展了WSN的研究工作。1.2.2其他国家加拿大、英国、德国、芬兰、日本和意大利等国家的研究机构也加入了WSN的研究。欧盟第6个框架计划将“信息社会技术”作为优先发展领域之一。其中多处涉及到对WSN的研究。启动了EYES等研究计划。日本总务省在2004年3月成立了“泛在传感器网络”调查研究会。韩国信息通信部制订了信息技术“839”战略，其中“3”是指IT产业的三大基础设施，即宽带融合网络、泛在传感器网络、下一代互联网协议。企业界中，欧盟的Philips、Siemens、Ericsson、ZMD、FranceTelecom、Chipcon等公司；日本的NEC、OKI、SKYLEYNETWORKS、世康、欧姆龙等公司都开展了WSN的研究。1.3国内无线传感器网络的研究现状首次正式启动出现于1999年中国科学院《知识创新工程点领域方向研究》的“信息与自动化领域研究报告”中，该领域的五大重点项目之一。2001年中国科学院依托上海微系统所成立微系统研究与发展中心，旨在引领中科院WSN的相关工作。国家自然科学基金已经审批了WSN相关的一个重点课题和多项课题。2004年将一项无线传感器网络项目(面上传感器网络的分布自治系统关键技术及协调控制理论)列为重点研究项目。2005年将网络传感器中的基础理论和关键技术列入计划。2006年将水下移动传感器网络的关键技术列为重点研究。国家发改委下一代互联网（CNGI）示范工程中，也部署3了WSN相关的课题。在一份我国未来20年预见技术的调查报告中，信息领域157项技术课题中有7项与传感器网络直接相关。2006年初发布的《国家中长期科学与技术发展规划纲要》为信息技术定义了三个前言方向，其中两个与WSN的研究直接相关，即智能感知技术和自组织网络技术。我国2010年远景规划和“十五”计划中将WSN列为重点发展的产业之一。2222无线传感器网络的地位和作用无线传感器网络的地位和作用无线传感器网络的地位和作用无线传感器网络的地位和作用2.1无线传感器网络的地位2003年2月份，美国的《技术评论》杂志评选出对人类生活产生深远影响的十大新兴技术中，WSN被列为其中之一。美国的《商业周刊》在2003年8月份的技术评论中，将WSN定位为21世纪高技术领域中的四大支柱型产业之一。美国《今日防务》杂志认为WSN的应用和发展，将引起一场划时代的军事技术革命和未来战争的变革。2004年，《IEEESpectrum》杂志发表一期专题：传感器国度，专门论述的发展与可能的广泛应用。WSN的地位可从以下三方面具体分析。（1）第四代传感器网络可将传感器网络的发展划分为四个阶段。一般地将简单点到点信号传输功能的传统传感器所组成的测控系统称为第一代传感器网络；第二代为由智能传感器和现场控制站组成的测控网络；第三代为基于现场总线的智能传感器网络；无线传感器网络为第四代传感器网络，其应用领域发生了很大的变化。（2）新一代计算设备依计算科学领域的Bell定律，每十年会有一类新的计算设备诞生。是从巨型机、小型机、工作站、PC、PDA、WSN节点等、生物芯片。WSN被认为是新一代的计算设备。）（3）普识计算的一个重要途径普适计算是与信息空间发展相适应的一种计算模式。1991年，MarkWeiser提出了“普适计算（PervasiveComputing）”的思想，即把计算机嵌入到环境或日常生活中去，让计算机从人们视线中消失，使人们能够随时随地和透明地获得数字化的服务。WSN是普适计算的一个重要途径，是普适计算发展的趋势。在WSN环境中，在任何时间、任何地点能够与外界信息更方便地交流，让人们可以自由地穿行于物理世界和信息空间中，实现物理世界与信息世界的融合。2.2无线传感器网络的应用2.2.1军事应用无线传感器网络的相关研究最早起源于军事领域。由于其具有可快速部署、自组织、隐蔽性强和高容错性的特点，因此能够实现对敌军地形和兵力布防及装备的侦察、战场的实时监视、定位攻击目标、战场评估、核攻击和生物化学攻击的监测和搜索等功能C4KISRT系统的一个不可或缺的组成部分。UCB的教授主持的SensorWeb，原理性地验证了应用WSN进行战场目标跟踪的技术可行性。美国BAE系统公司研发的“狼群”地面无线传感器网络系统，是一个典型的WSN电磁信号监测网络。美国科学应用国际公司采用WSN，构筑了一个电子周边防御系统，为美国军方提供军事防御和情报信息。2.2.2环境应用WSN可以用于气象和地理研究、自然和人为灾害(如洪水和火灾监测）、监视农作物灌溉情况、土壤空气变更、牲畜和家禽的环境状况以及大面积的地表检测以及跟踪珍稀鸟类、4动物和昆虫进行濒危种群的研究等。美国的ALERT计划中，研究人员开发了数种传感器来分别监测降雨量、河水水位和土壤水分，并依此预测暴发山洪的可能性。2002年，美国加州大学伯克利分校InteI实验室和大西洋学院联合在大鸭岛上部署了用来监测岛上海鸟生活习性的无线传感器网络。哈佛大学MateWel的研究小组用ＷSN对活火山VolcanTungurahua观测。2005年，澳洲的科学家利用传感器网络探测北澳大利亚的蟾蜍分布情况。挪威科学家利用WSN监测冰河的变化情况，目的在于通过分析冰河环境的变化来推断地球气候的变化。Intel在俄勒冈州的一个葡萄园内利用ＷSN测量葡萄园气候的细微变化。2.2.3医疗应用WSN可以用于检测人体生理数据、健康状况、医院药品管理以及远程医疗等医疗领域。在SSIM项目中，100个微型传感器被植入病人眼中，帮助盲人获得了一定程度的视觉。科学家还创建了一个“智能医疗之家”，即一个5间房的公寓住宅，使用无线传感器网络来测量居住者的重要生命体征(血压、脉搏和呼吸)、睡觉姿势以及每天24小时的活动状况，所搜集的数据被用于开展相应的医疗研究。哈佛大学的一个研究小组利用无线传感器网络构建了一个医疗监测平台。2.2.4家庭应用嵌入家具和家电中的传感器与执行单元组成的无线网络与Internet连接在一起，能够为人们提供更加舒适、方便和具有人性化的智能家居环境。用户可以方便地对家电进行远程监控，如在下班前遥控家里的电饭锅、微波炉、电话机、录像机、电脑等家电，按照自己的意愿完成相应的煮饭、烧菜、查收电话留言、选择电视节目以及下载网络资料等工作。在家居环境控制方面，将传感器节点放在家庭里不同的房间，可以对各个房问的环境温度进行局部控制。此外，利用无线传感器网络还可以监测幼儿的早期教育环境，跟踪儿童的活动范围，让研究人员、父母或是老师全面地了解和指导儿童的学习过程。2.2.5工业应用WSN可以用于车辆的跟踪、机械的故障诊断、工业生产监控、建筑物状态监测等。将WSN和RFID技术融合是实现智能交通系统的绝好途径。在一些危险的工作环境，如煤矿、石油钻井、核电厂等。利用无线传感器网络可以探测工作现场的一些重要信息。机械故障诊断方面，Intel公司曾在芯片制造设备上安装过200个传感器节点，用来监控设备的振动情况，并在测量结果超出规定时提供监测报告。美国贝克特营建集团公司已在伦敦地铁系统中采用了无线传感器网络进行监测。采用WSN，可以让大楼、桥梁及其他建筑物能够感知并汇报自身的状态信息。英国的一家博物馆利用无线传感器网络设计了一个警告系统。2.2.6其他应用在太空探索方面，WSN可以实现对星球表面长期的监测。美国国家航空与航天局(NASA)的JPL实验室的SensorWebs计划就是为将来的火星探测进行技术准备。德国某研究机构正在利用WSN为足球裁判研制一套辅助系统，以降低足球比赛中越位和进球的误判率。在商务方面，WSN可用于物流和供应链的管理。WSN在大型工程项目、防范大型灾害方面也有着良好的应用前景。如西气东输、青藏铁路、海啸预警等。3333无线传感器网络的关键技术无线传感器网络的关键技术无线传感器网络的关