朱慧勇

（西安鐵路職業(yè)技術學院，陜西 西安 710014）

無線傳感器網(wǎng)絡關鍵技術及特點研究

朱慧勇

（西安鐵路職業(yè)技術學院，陜西 西安 710014）

文章闡述了無線傳感器網(wǎng)絡中的無線傳感器節(jié)點結構、無線傳感網(wǎng)網(wǎng)絡的結構，從定位技術、安全技術、能量控制、數(shù)據(jù)融合、網(wǎng)絡協(xié)議、時間同步技術與網(wǎng)絡拓撲控制7個方面論述了無線傳感器網(wǎng)絡的關鍵技術，并分析了無線傳感器網(wǎng)絡的特點。

無線傳感器網(wǎng)絡；關鍵技術；節(jié)點結構

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

1　無線傳感器節(jié)點的結構

無線傳感器節(jié)點主要由電源供應模塊、處理器模塊、傳感器模塊和無線收發(fā)模塊4個模塊構成。

電源供應模塊主要采用微電池負責供應電力，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內(nèi)存構成，負責對采集來的數(shù)據(jù)進行簡單加工，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或者多個傳感器以及模/數(shù)轉換器構成，傳感器有多種類型，如溫度傳感器、濕度傳感器、光強度傳感器、噪聲傳感器和壓力傳感器等等。傳感器監(jiān)測目標區(qū)域，并產(chǎn)生相應的模擬信號，經(jīng)過模/數(shù)轉換器轉換成數(shù)字信息，并將其送到處理器模塊進行處理。無線收發(fā)模塊是由短距離無線收發(fā)器和模/數(shù)轉換器組成，負責發(fā)送和接收信號以及傳遞控制命令。另外，傳感器節(jié)點也可以根據(jù)相應的需求而添加相應模塊，如GPS模塊和電機驅(qū)動模塊，但這兩種節(jié)點的成本和能耗都高。

2　無線傳感器網(wǎng)絡的結構

無線傳感器網(wǎng)絡的結構可以分為監(jiān)測區(qū)域或監(jiān)測目標、傳感器節(jié)點、匯聚節(jié)點、衛(wèi)星和互聯(lián)網(wǎng)、遠程任務管理節(jié)點和用戶6部分。監(jiān)測區(qū)域比較廣闊，自然環(huán)境惡劣甚至危險。監(jiān)測目標既有靜止的也有運動的，既有安全的也有危險的。傳感器節(jié)點一般是通過飛機拋灑、人工部署的方式安置在監(jiān)測目標的附件或監(jiān)測區(qū)域中。在傳感器節(jié)點的結構中，帶GPS模塊的可以自己定位的傳感器節(jié)點叫作錨節(jié)點，而沒有帶GPS模塊無法自身定位的節(jié)點稱為未知節(jié)點?，F(xiàn)實中，由于GPS模塊比較貴，而且有視距（Line of Sigh，LOS）要求，所以為每個節(jié)點配置GPS模塊得不償失。于是通過少量錨節(jié)點的位置信息來定位大量未知節(jié)點的位置成了研究熱點之一。傳感器節(jié)點本身由于非常小，故而受到硬件、能源和價格的制約，通信能力、計算能力、存儲空間和能量都十分有限。而匯聚節(jié)點是較特別的傳感器節(jié)點，具有較強的通信能力、較強的計算能力、較大的存儲空間和能量一般不受限的特點，它主要負責網(wǎng)關的功能，使傳感器節(jié)點可以和外部網(wǎng)絡連接，把收集到的數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)叫l(wèi)星和互聯(lián)網(wǎng)，同時也接受用戶的操作指令傳達給傳感器節(jié)點。從匯聚節(jié)點發(fā)出的數(shù)據(jù)信息，經(jīng)過衛(wèi)星和互聯(lián)網(wǎng)傳遞到遠程任務管理節(jié)點，用戶根據(jù)信息來進行判斷和抉擇。

3　無線傳感器網(wǎng)絡的關鍵技術

無線傳感器網(wǎng)絡是一門新興的交叉研究技術領域，涉及嵌入式計算技術、無線通信技術、傳感器技術、微機電系統(tǒng)技術、分布式信息處理技術和數(shù)據(jù)融合技術等。所以當論述無線傳感器網(wǎng)絡的關鍵技術時，這些技術也是關鍵技術。當然，無線傳感器網(wǎng)絡的關鍵技術還有定位技術、安全技術、能量控制、網(wǎng)絡協(xié)議、時間同步技術、網(wǎng)絡拓撲控制等。下面主要講無線傳感器網(wǎng)絡的關鍵技術。

3.1定位技術

無線傳感器網(wǎng)絡具有很廣泛的應用，在這些應用中，無線傳感器網(wǎng)絡中的節(jié)點所獲得的信息需要相應節(jié)點的位置信息，否則，這些信息就顯得沒有多少價值。最簡單的無線傳感器網(wǎng)絡定位是給每個節(jié)點裝載GPS，但不切實際。目前，定位算法主要是利用少量已知節(jié)點的位置信息來定位大量未知節(jié)點。節(jié)點自身的準確定位不僅是提供檢測事件或目標位置信息的前提，也是提供網(wǎng)絡拓撲自配置、提高路由效率、向部署者報告網(wǎng)絡覆蓋質(zhì)量、實現(xiàn)網(wǎng)絡負載均衡以及為網(wǎng)絡提供命名空間等網(wǎng)絡功能的基礎［1］。因此有必要采取一定手段來實現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡中節(jié)點的定位。

3.2安全技術

對于無線傳感器網(wǎng)絡來講，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。尤其是當它部署在無人照看或者敵方領域的時候，無線傳感器網(wǎng)絡需要安全技術來維護網(wǎng)絡的正常運轉。無線傳感器網(wǎng)絡的安全技術涉及密碼、密鑰管理、認證、安全路由、入侵檢測、拒絕服務（Denial of Service，DoS）攻擊和訪問控制，而傳感器節(jié)點本身由于受到計算能力太弱、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)點通常是隨機部署在監(jiān)控區(qū)域中，當節(jié)點的電源使用完之后，一般是不可能再重新更換節(jié)點電源，所以無線傳感器節(jié)點會面臨死亡的威脅。如何延長節(jié)點和網(wǎng)絡的壽命也是關注熱點之一。文獻［3］提出一種分布式、能耗均衡、與節(jié)點位置無關的無線傳感器網(wǎng)絡覆蓋協(xié)議來延長網(wǎng)絡壽命。文獻［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結合的無線傳感器網(wǎng)絡分布式分簇路由協(xié)議。

3.4數(shù)據(jù)融合技術

無線傳感器網(wǎng)絡中節(jié)點數(shù)量可能成千上萬，在某區(qū)域中，可能好多個傳感器節(jié)點同時都監(jiān)測到同一數(shù)據(jù)信息，如果不進行數(shù)據(jù)融合技術處理，將會大大增加無線傳感器網(wǎng)絡的需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息，造成網(wǎng)絡阻塞，浪費無線傳感器網(wǎng)絡的壽命。目前，數(shù)據(jù)融合技術主要有基于生成樹的數(shù)據(jù)融合、消除時空相關性的數(shù)據(jù)融合、路由驅(qū)動型數(shù)據(jù)融合、基于預測的時域數(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)絡協(xié)議

無線傳感器網(wǎng)絡的網(wǎng)絡協(xié)議是為了保證無線傳感器節(jié)點之間能夠進行數(shù)據(jù)信息的交換、融合和傳輸而建立的標準、約定和規(guī)則。由于無線傳感器自身的弱點，設計的網(wǎng)絡協(xié)議不能太復雜，簡單、高效和安全的網(wǎng)絡協(xié)議是無線傳感器網(wǎng)絡所追求的。隨著物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，無線傳感器網(wǎng)絡的網(wǎng)絡協(xié)議面臨更加多元化的挑戰(zhàn)。

3.6時間同步技術

傳統(tǒng)的時間同步技術網(wǎng)絡時間協(xié)議（Network Time Protocol，NTP）和GPS技術不適合無線傳感器網(wǎng)絡。由于無線傳感器節(jié)點的體積、計算能力和存儲空間有限，而且用無線連接彼此，因此NTP不適合無線傳感器網(wǎng)絡。無線傳感器節(jié)點不可能每個都攜帶GPS設備，而且使用GPS有嚴格的環(huán)境要求，因此GPS也不適合。無線傳感器網(wǎng)絡的時間同步技術要考慮健壯性和可擴展性這兩個性能上的要求。典型的基于報文的時間同步技術有延遲測量時鐘同步協(xié)議（Delay Measurement Time Synchronization，DMTS）、參考廣播同步協(xié)議（Reference Broadcast Synchronization，RBS）、傳感網(wǎng)時間同步協(xié)議（Timing-Sync Protocol for Sensor Networks，TPSN）、分級的參考時間同步協(xié)議（Hierarchy Referencing Time Synchronization Protocol，HRTS）、泛洪時間同步協(xié)議（Flooding Time Synchronization Protocol， FTSP）和全局時鐘同步（Global Clock Synchronization，GCS）等。GCS有節(jié)點遍歷模式、聚類分層模式和擴散模式。目前最新的時間同步技術有螢火蟲同步技術與協(xié)作同步技術，可以參考文獻［6］。

3.7網(wǎng)絡拓撲控制

無線傳感器網(wǎng)絡由于自身和環(huán)境的影響，網(wǎng)絡拓撲經(jīng)常會產(chǎn)生變化。研究無線傳感網(wǎng)絡的拓撲控制具有重要性：首先，拓撲控制是一種重要的節(jié)能技術；其次，拓撲控制保證覆蓋質(zhì)量和連通質(zhì)量；再次，拓撲控制能夠降低通信干擾、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)融合提供拓撲基礎；此外，拓撲控制能夠提高網(wǎng)絡的可靠性、可擴展性等其他性能［7］。

4　無線傳感器網(wǎng)絡的特點

Ad-hoc（點對點）網(wǎng)絡具有無中心、自組織、多跳路由、動態(tài)拓撲等特點，而無線傳感器網(wǎng)絡是Ad-hoc網(wǎng)絡的應用領域之一，因此無線傳感器網(wǎng)絡也有以上特點。但無線傳感器網(wǎng)絡和傳統(tǒng)Ad-hoc網(wǎng)絡又有幾方面的不同：無線傳感器網(wǎng)絡的節(jié)點通常是部署在環(huán)境比較惡劣的地方；無線傳感器網(wǎng)絡規(guī)模一般比較大；無線傳感器網(wǎng)絡中的節(jié)點計算能力，內(nèi)存，能量都有限制；無線傳感器網(wǎng)絡的任務主要是為了采集數(shù)據(jù)，發(fā)送數(shù)據(jù)給用戶。下面分幾個方面來論述無線傳感器網(wǎng)絡規(guī)模大、無中心、分布式、自組織的特點。

無線傳感器網(wǎng)絡的規(guī)模大指的是無線傳感器網(wǎng)絡中節(jié)點數(shù)目成千上萬，我國的“綠野千傳”項目在2009年的時候已經(jīng)部署了超過2 000個節(jié)點［8］。無中心是指無線傳感器網(wǎng)絡中除了匯聚節(jié)點之外的所有無線傳感器節(jié)點的地位相同。分布式是指無線傳感器網(wǎng)絡是由無線傳感器節(jié)點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)點出現(xiàn)故障或者死亡都不會影響整體網(wǎng)絡，有比較高的可靠性。自組織是指無線傳感器網(wǎng)絡中節(jié)點的部署不需要依靠任何網(wǎng)絡設備，當無線傳感器節(jié)點部署好之后，節(jié)點通過預先設置好的協(xié)議發(fā)送廣播，節(jié)點自動組成網(wǎng)絡。

4.1節(jié)點自身的弱點

由于無線傳感器網(wǎng)絡的應用決定了無線傳感器節(jié)點不可能太大，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)點比較小造成了節(jié)點的能力有限，體現(xiàn)在計算能力比較弱，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)點的自身弱點也會變得越來越小。

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)絡來做，相當于人類的第三只眼睛。比如從核反應堆測量輻射水平，在野外觀察野生動物的行蹤，甚至在月球上為月球探測車導航。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)點的通信半徑有限，兩個節(jié)點之間的數(shù)據(jù)交換極有可能不是點對點之間的交換，這時候就需要兩個節(jié)點之間的節(jié)點相互協(xié)作來完成數(shù)據(jù)交換，這就叫作多跳路由。

4.4動態(tài)拓撲

在無線傳感器網(wǎng)絡中，由于各種各樣的原因：一些節(jié)點或許死亡的比較早；一些節(jié)點在第一次拋灑時沒有聯(lián)到網(wǎng)絡中，在又一次拋灑時可以聯(lián)到網(wǎng)絡中；一些節(jié)點或許部署在移動物體上；或許通信環(huán)境發(fā)生變化；總之網(wǎng)絡的拓撲結構經(jīng)常發(fā)生動態(tài)變化。無線傳感器網(wǎng)絡的自組織能力和重構能力可以解決此類問題。

4.5面向應用，以采集數(shù)據(jù)為中心

由于各種各樣的應用，在設計無線傳感器節(jié)點及網(wǎng)絡的時候，不能千篇一律。針對不同的實際應用，提出相應的配套的無線傳感器網(wǎng)絡解決方案。在實際應用中，用戶關心的是何時何地發(fā)生了何事，也就是無線傳感器網(wǎng)絡高效實時采集的數(shù)據(jù)，只有有了數(shù)據(jù)，用戶才能作出快速的反應。以上說明，無線傳感器網(wǎng)絡具有面向應用，以采集數(shù)據(jù)為中心的特點。

5　結語

本文主要介紹無線傳感器的結構、無線傳感器網(wǎng)絡體系結構、無線傳感器網(wǎng)絡的關鍵技術和無線傳感器網(wǎng)絡的特點。無線傳感器網(wǎng)絡作為當前的一項熱點研究領域之一，有著十分廣泛的應用前景，對國家安全、社會進步、經(jīng)濟發(fā)展、生活便捷有著重大意義，未來的應用會更加普及。

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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。