【文章內(nèi)容簡介】 作了全面地介紹。首先從無線傳感網(wǎng)絡(luò)的概念和發(fā)展歷程入手對無線傳感網(wǎng)絡(luò)做了簡要介紹，接著對網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧和傳感器節(jié)點的結(jié)構(gòu)作了較詳細的論述，然后分析了無線傳感網(wǎng)絡(luò)的特點和優(yōu)勢 。接著對無線傳感網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)和應(yīng)用領(lǐng)域進行了較詳細的說明和介紹。 2． 1 無線 傳感網(wǎng) 絡(luò) 體系結(jié)構(gòu) 1． 無線 傳感網(wǎng) 絡(luò) 信息傳播模型 無線 傳感網(wǎng) 絡(luò) 實際上是一 個由大量低成本、低功耗、多功能、小尺寸的傳感器節(jié)點組成的 adhoc 網(wǎng)絡(luò)。 無線 傳感網(wǎng) 絡(luò) 系統(tǒng)通常包括傳感器節(jié)點 (sensor node,匯聚節(jié)點 (sink node)和管理節(jié)點，一種典型的 無線 傳感網(wǎng) 絡(luò) 體系結(jié)構(gòu)圖如圖 所示，大量傳感器節(jié)點被隨機地部署在監(jiān)測區(qū)域 (sensor field)內(nèi)部或附近，通過自組織方式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)。傳感器節(jié)點監(jiān)測到感興趣的數(shù)據(jù)后沿著其它傳感器節(jié)點逐跳地進行傳輸，在傳輸過程中監(jiān)測數(shù)據(jù)可能被多個節(jié)點處理，經(jīng)過多跳后路由到匯聚節(jié)點，通過互聯(lián)網(wǎng)或衛(wèi)星到達管理節(jié)點。用戶通過管理節(jié)點對傳感器網(wǎng)絡(luò) 進行配置和管理，發(fā)布監(jiān)測任務(wù)以及收集監(jiān)測數(shù)據(jù)。 I n t e r n e t 衛(wèi) 星傳 感 器 節(jié) 點節(jié) 點控 制 中 心 傳 感 區(qū) 域 圖 無線 傳感網(wǎng) 絡(luò) 體系結(jié)構(gòu)圖 2． 無線 傳感網(wǎng) 絡(luò) 節(jié)點組成 網(wǎng)絡(luò)中的傳感器節(jié)點通常是一個微型的嵌入式系統(tǒng)，具有相對較弱的通信能力、存儲能力和處理能力，并且能量有限。從整個網(wǎng)絡(luò)看，傳感器節(jié)點兼顧了路由器和網(wǎng)絡(luò)節(jié)點終端雙重功能，除了進行數(shù)據(jù)處理和收集本地信息外，還要對其它節(jié)點傳送過來的信息進行處理，同時與其它網(wǎng)絡(luò)節(jié)點協(xié)作共同完成一些特定任務(wù)。匯聚節(jié)點可以是一個具有更強功能的傳感器節(jié)點 ，也可以是一個不具有監(jiān)測功能的僅具有無線通信功能的特殊網(wǎng)關(guān)，它負責傳感器網(wǎng)絡(luò)外部網(wǎng)絡(luò)的連接。 安徽理工大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計 7 在不同的應(yīng)用場合，傳感器節(jié)點的組成也有較大差異，但一般都包括以下四部分 。數(shù)據(jù)采集模塊 (傳感器和 A/D 轉(zhuǎn) 換 器 )、無線通信模塊 (無線收發(fā)設(shè)備 )、電源模塊 (電池和能量轉(zhuǎn)換器 )，處理器模塊 (微處理器和存儲器 )。如圖 所示為一種典型傳感器節(jié)點體系結(jié)構(gòu)圖。數(shù)據(jù)采集模塊主要負責監(jiān)測區(qū)域內(nèi)信息的采集和數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換 。無線通信模塊主要負責與其它傳感器節(jié)點進行無線通信，交換控制信息和收發(fā)采集數(shù)據(jù) 。電源模塊主要負責傳感器節(jié)點運行所需的能 量，通常采用能量有限的微型電池 。處理器模塊主要負責控制整個傳感器節(jié)點的操作，存儲和處理所采集的數(shù)據(jù)及其它節(jié)點傳送過來的數(shù)據(jù) 。 處 理器存 儲器網(wǎng) 絡(luò) Ｍ Ａ Ｃ 收 發(fā) 器傳 感器A / D 轉(zhuǎn) 換能 量 供 應(yīng) 模 塊無 線 通 信 模 塊處 理 器 模塊傳 感 器 模 塊 圖 一種典型傳感器節(jié)點體系結(jié)構(gòu)圖 3． 無線 傳感網(wǎng) 絡(luò) 協(xié)議組成結(jié)構(gòu) 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信協(xié)議棧包括應(yīng)用層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層。如圖 所示。應(yīng)用層采用不用的軟件，實現(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)不同的應(yīng)用目的；傳輸層實現(xiàn)差錯控制和流量控制等功能；網(wǎng)絡(luò)層主要負責將傳輸層所提供的數(shù)據(jù)路由至匯聚節(jié)點；數(shù)據(jù)鏈路層主要負責節(jié)點接 入，降低節(jié)點間的傳輸沖突；物理層進行比特流的傳輸。另外協(xié)議棧還包括能量管理平臺、移動管理平臺和任務(wù)管理平臺。能量管理平臺管理傳感器節(jié)點如何使用能量，在各個協(xié)議層都需要考慮節(jié)省能量：移動管理平臺檢測并注冊傳感器節(jié)點的移動，維護到匯聚節(jié)點的路由，使得傳感器節(jié)點能夠動態(tài)跟蹤其鄰居的位置；任務(wù)管理平臺平衡和調(diào)度給定區(qū)域內(nèi)的監(jiān)測任務(wù)。 應(yīng)用層傳輸層網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)鏈路層物理層能量管理層移動管理平臺任務(wù)管理平臺 圖 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議 安徽理工大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計 8 IEEES02． 15． 4標準 目前無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信協(xié)議并沒有統(tǒng)一的標準。 IEEE802． 15． 4標準是針對低速無線個人域網(wǎng)絡(luò) (Personal AreaNetwork,PAN)的無線通信標準，把低功耗、低成本作為設(shè)計的主要目標，旨在為個人或者家庭范圍內(nèi)不同設(shè)備之間低速聯(lián)網(wǎng)提供統(tǒng)一標準。由于 IEEE802． 15． 4標準的網(wǎng)絡(luò)特征與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)存在相似之處，很多研究機構(gòu)把它作為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信標準。 在符合 IEEES02． 15． 4標準的網(wǎng)絡(luò)中，根據(jù)設(shè)備所具有的通信功能，可以分為全功能設(shè)備 (Full Function Device， FFD)和精簡功能設(shè)備 (Reduced Function Device， RFD)。 FFD具有 IEEES02． 15． 4協(xié)議規(guī)定的所有功能， RFD只具有部分功能。 FFD之間、 FFD與 RFD之間可以直接通信， RFD之間不能直接通信，需要通過一個 FFD轉(zhuǎn)發(fā)。這個與 RFD相關(guān)聯(lián)的 FFD稱為該 RFD的協(xié)調(diào)器 (coordinator)。在 IEEES02． 15． 4網(wǎng)絡(luò)中，存在一個 PAN網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器 (PANcoordinator)。除了直接參與應(yīng)用， PAN網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器還負責成員身份管理，鏈路狀態(tài)信息管理以及分組轉(zhuǎn)發(fā)等任務(wù)。 IEEES02． 15． 4網(wǎng)絡(luò)可以根據(jù)需要組成星型網(wǎng)絡(luò)、點對點網(wǎng)絡(luò)，如圖 14所示。如果將星型網(wǎng)絡(luò)和點對點網(wǎng)絡(luò)結(jié)合在一起，可以組成簇一樹網(wǎng)絡(luò)，如圖 。圖中的CID(ClusterIdentifier)為簇的標識， CLH(Cluster Head)為簇頭。 IEEE802． 15． 4的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議?；陂_放系統(tǒng)互聯(lián)模型 (Open System Interconnect,OSl)，其中 IEEES02． 15． 4標準只定義了 PHY層和數(shù)據(jù)鏈路層的 MAC子層，如圖 。 ( a ) 星 型 網(wǎng) 絡(luò)( b ) 點 對 點 網(wǎng) 絡(luò) 圖 ． 15． 4網(wǎng)絡(luò)可以根據(jù)需要組 成星型網(wǎng)絡(luò)、點對點網(wǎng)絡(luò) 安徽理工大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計 9 圖 IEEES02． 15． 4協(xié)議層次圖 IEEE802． 15． 4的物理層定義了物理無線信道和 MAC子層之間的接口，提供物理層數(shù)據(jù)服務(wù)和物理層管理服務(wù)。物理層數(shù)據(jù)服務(wù)包括：激活和關(guān)閉射頻收發(fā)器；信道能量檢測 (Energy Detect,ED)；檢測接收到數(shù)據(jù)包的鏈路質(zhì)量指示 (Link Quality Indication，LQI)；空閑信道評估 (Clear Channel Assessment， CCA)：收發(fā)數(shù)據(jù)。 IEEE802． 15． 4的物理層定義了三個載波頻段用于收發(fā)數(shù)據(jù)，總共提供了 27個信道：868MHz頻段 1個速率為 20kbps的信道， 915MHz頻段 10個 40kbps的信道， 2450MHz頻段16個 250kbps的信道。 IEEE的 MAC層實現(xiàn)的功能有：協(xié)調(diào)器產(chǎn)生并發(fā)送信標幀 (Beacon Frame)，普通設(shè)備根據(jù)協(xié)調(diào)器的信標幀實現(xiàn)與協(xié)調(diào)器同步；支持 PAN網(wǎng)絡(luò)設(shè)備與協(xié)調(diào)器的關(guān)聯(lián) (Association)和離開 (Disassociation)操作；支持無線信道通信安全 (數(shù)據(jù)加密服務(wù) )；使用載 波偵聽多址接入 /沖突 避免 (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance， CSMA/CA)機制訪問無線信道；支持有保證時隙 (Guaranteed Time Slot,GTS)機制；支持不同設(shè)備 MAC層間的可靠傳輸。 2． 2 無線傳感網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù) 作為當今信息領(lǐng)域新的研究熱點，無線傳感網(wǎng)絡(luò)涉及到了傳感器技術(shù)、通信技術(shù)、嵌入式技術(shù)和分布式計算技術(shù)等多學(xué)科的交叉研究領(lǐng)域，有非常多已發(fā)現(xiàn)和未發(fā)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)值得研究和探索。無線傳感網(wǎng)絡(luò)主要關(guān)鍵技術(shù)如下 : 1． 網(wǎng)絡(luò)拓撲控制 由 于無線傳感網(wǎng)絡(luò)是自組織網(wǎng)絡(luò)，因此網(wǎng)絡(luò)拓撲控制具有兩方面非常重要的意義 :一方面是在滿足網(wǎng)絡(luò)連通度的情況下，實現(xiàn)監(jiān)控區(qū)域的有效覆蓋的代價降低 。另一方面在于構(gòu)建良好的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)能帶來全局效率的提升，有利于節(jié)點能耗的降低和整個網(wǎng)絡(luò)負載的均衡，從而延長整個網(wǎng)絡(luò)的生命周期。因此，拓撲控制成為了無線傳感網(wǎng)絡(luò)研究安徽理工大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計 10 的關(guān)鍵技術(shù)之一。 2． 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議負責使各個獨立的節(jié)點形成一個多跳的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng) 絡(luò) 。由于傳感器節(jié)點的通信能力、存儲能力、計算能力以及自身能量都十分有限，且網(wǎng)絡(luò)節(jié)點只能獲取局部網(wǎng)絡(luò)信息，這決定了網(wǎng)絡(luò)節(jié)點上運行的 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議不能太過復(fù)雜。同時，網(wǎng)絡(luò)資源在不斷地變化，網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)也是動態(tài)變化的，這些都對網(wǎng)絡(luò)協(xié)議提出了更高的要求。因此，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議也成為無線傳感網(wǎng)絡(luò)研究的關(guān)鍵技術(shù)之一。 3． 時間同步 實現(xiàn)時間同步是無線傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)協(xié)同作用的一個關(guān)鍵機制。然而，受到無線傳感網(wǎng)絡(luò)低功耗、高密度的限制，傳統(tǒng)的時間同步算法并不適用于無線傳感網(wǎng)絡(luò)。因此，設(shè)計適合于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的新時間同步算法就顯得尤為重要。所以，時間同步同樣也成為了無線傳感網(wǎng)絡(luò)研究的關(guān)鍵技術(shù)之一。 4． 定位技術(shù) 位置信息是無線傳感網(wǎng)絡(luò)正常工作和應(yīng)用中不可缺少的部分，缺少 位置信息網(wǎng)絡(luò)很可能無法正常工作，在某些應(yīng)用中缺少位置信息也將會是致命的。無線傳感網(wǎng)絡(luò)最基本的功能之一就是位置信息 (事件發(fā)生的位置或采集數(shù)據(jù)的節(jié)點的位置 )。但是，受到無線傳感網(wǎng)絡(luò)自身所具有的低能耗、低成本的特點限制，現(xiàn)有傳統(tǒng)定位技術(shù) (如 GPS)對于無線傳感網(wǎng)絡(luò)來說并不適用，因此開發(fā)出適用于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的定位技術(shù)勢在必行。 5． 數(shù)據(jù)融合 無線傳感網(wǎng)絡(luò)把能量的高效使用作為首要設(shè)計目標，因此如何減少數(shù)據(jù)傳輸過程中的能量消耗就成為一個關(guān)鍵問題。數(shù)據(jù)融合可以在各個傳感器節(jié)點收集數(shù)據(jù)的過程中利用節(jié)點的本地計算和存儲能力去 除冗余信息，減少傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，從而有效的節(jié)省能量。由于傳感器節(jié)點的易失效特性，從提高信息準確度的角度出發(fā)，無線傳感網(wǎng)絡(luò)也需要數(shù)據(jù)融合技術(shù)對多份數(shù)據(jù)進行綜合。 6． 網(wǎng)絡(luò)安全 無線傳感網(wǎng)絡(luò)的特點決定了它的安全與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)安全在研究方法和計算段上會有很大的不同。在進行傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和軟件設(shè)計時如何保證數(shù)據(jù)產(chǎn)生的可靠性、任務(wù)執(zhí)行的機密性和數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?，就成為無線傳感網(wǎng)絡(luò)不容忽視的問題。 7． 數(shù)據(jù)管理 從數(shù)據(jù)存儲的角度來看，無線傳感網(wǎng)絡(luò)是一種分布式數(shù)據(jù)庫。以數(shù)據(jù)庫的方法對網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)進行管理，可以將存儲在網(wǎng)絡(luò)中的數(shù) 據(jù)邏輯視圖與網(wǎng)絡(luò)中的實現(xiàn)進行分離，從而使得網(wǎng)絡(luò)用戶只需要關(guān)心數(shù)據(jù)查詢的邏輯結(jié)構(gòu)，而不需要關(guān)心其實現(xiàn)細節(jié)。但是無線傳感網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)管理與傳統(tǒng)分布式數(shù)據(jù)庫有很大差別。因此，設(shè)計針對無線傳感網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)管理方法就成為一個重要問題。 安徽理工大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計 11 8． 無線通信技術(shù) 無線傳感網(wǎng)絡(luò)的通信帶寬窄而且經(jīng)常變化，通信覆蓋范圍只有幾十到幾百米。因此無線傳感網(wǎng)絡(luò)需要低發(fā)射信號功率譜密度、低復(fù)雜度、短距離、低功耗的無線通信技術(shù)。超寬帶技術(shù) (UWB)是一種極具潛力的無線通信技術(shù)。非常適合在無線傳感網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用。另外，很多研究機構(gòu)把 IEEE 標準作為無線傳感網(wǎng)絡(luò)的無線通信平臺。但是，目前還沒有一種方案能夠成為正式的國際標準。因此，無線通信技術(shù)也就成為無線傳感網(wǎng)絡(luò)研究的關(guān)鍵技術(shù)之一。 9． 嵌入式操作系統(tǒng) 傳感器節(jié)點本質(zhì)上是一個微型的嵌入式系統(tǒng)，硬件資源有限，這就要求操作系統(tǒng)能夠高效地利用其有限的內(nèi)存、處理器和通信模塊等硬件資源，且能夠?qū)Ω鞣N特定應(yīng)用提供強大的支持。在無線傳感網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)的支持下，多個應(yīng)用可以并發(fā)地使用系統(tǒng)的有限資源。另外，傳感器節(jié)點具有并發(fā)性密集和模塊化程度高兩個突出的特點。這就對無線傳感網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)的設(shè)計提出了新的挑戰(zhàn)。 10． 應(yīng)用層技術(shù) 無線傳感網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層是由各種面向應(yīng)用的軟件系統(tǒng)構(gòu)成，部署的網(wǎng)絡(luò)往往執(zhí)行多種任務(wù)。因此，應(yīng)用層的研究主要是各種無線傳感網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)和多任務(wù)之間的協(xié)調(diào)。無線傳感網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用開發(fā)環(huán)境的研究就是為應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)提供有效的軟件開發(fā)環(huán)境和軟件工具，需要解決的問題包括網(wǎng)絡(luò)程序設(shè)計方法學(xué)，網(wǎng)絡(luò)程序設(shè)計語言，基于感知數(shù)據(jù)的理解、決策和舉動的理論與技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)軟件測試工具，網(wǎng)絡(luò)軟件開發(fā)環(huán)境和工具以及面向應(yīng)用的系統(tǒng)服務(wù)。 2． 3 無線傳感網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用 無線傳感網(wǎng)絡(luò)作為一種融合了無線通信技術(shù)、傳感器技術(shù)和分布式計算的特 殊自組織網(wǎng)其在軍事、環(huán)境監(jiān)測和預(yù)報、健康護理、智能家居、建筑物狀態(tài)監(jiān)控絡(luò)，等領(lǐng)域都有十分廣泛的應(yīng)用。 1． 軍事應(yīng)用 在戰(zhàn)場上無線傳感網(wǎng)絡(luò)可以通過炮彈或者飛機直接將網(wǎng)絡(luò)節(jié)點部署到敵方的陣地內(nèi)部或者公共隔離區(qū)域，能夠非常隱蔽且近距離的準確收集戰(zhàn)場的信息。 2． 環(huán)境監(jiān)測 當今社會環(huán)境問題受到越來越多的關(guān)注，環(huán)境保護越來越受到重視。由于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)規(guī)模通常較大，傳感器節(jié)點可以集成各類傳感模塊，并且適用于大區(qū)域監(jiān)測和不適合人工作業(yè)的惡劣環(huán)境，如災(zāi)難現(xiàn)場、有毒化學(xué)氣體的泄漏區(qū)域等，所以無線傳感網(wǎng)絡(luò)在環(huán)境監(jiān)測方面的 應(yīng)用越來越廣泛。 3． 醫(yī)療護理 安徽理工大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計 12 無線傳感網(wǎng)絡(luò)在醫(yī)療護理領(lǐng)域也有應(yīng)用，它可以跟蹤和監(jiān)測醫(yī)院內(nèi)醫(yī)生和患者的行動，可以用 F 監(jiān)測人體的各種生理數(shù)據(jù)等。 4． 智能家居 隨著社會的發(fā)展，人類對生活各方面的要求也在不斷提高，智能家居應(yīng)運而生。通過把傳感器節(jié)點嵌入到家具和家電中組成無線傳感網(wǎng)絡(luò)，并與互聯(lián)網(wǎng)連接相連，為人類的生活提供更加方便、舒適和人性化的智能環(huán)境。 5． 建筑物的狀態(tài)監(jiān)控 建筑物狀態(tài)監(jiān)控是利用無線