无线传感网发展综述

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1、无线传感网发展综述摘要：文章针对当今社会快速发展的无线传感网络进行了综合研究，介绍了无线传感网络的定义、技术背景、节点结构和整体体系结构，并重点介绍了无线传感网的特点，最后探讨了无线传感器网络的发展现状及应用前景。关键词：无线传感网；节点结构；体系结构；网络特点Abstract:The paper took a research in the rapid development of wireless sensor networks in modern society, talked about the definition,technical background node structur

2、e and overall architecture of wireless sensor networks. It main talked about the characteristics of wireless sensor networks,and finally explored the development and application of wireless sensor networks.Keywords：wireless sensor networks,node structure,architecture,network characteristics无线传感器网络(W

3、SN)是信息科学领域中一个全新的发展方向，同时也是新兴学科与传统学科进行领域间交叉的结果。无线传感器网络经历了智能传感器、无线智能传感器、无线传感器网络3个阶段。传感器网络被认为是21 世纪最重要的技术之一，它将会对人类未来的生活方式产生深远影响。在2003年2 月份美国技术评论（Technology Review）杂志评出的对人类未来生活产生深远影响的十大新兴技术中，传感器网络名列第一。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确定了三个前沿方向，其中两个与无线传感器的研究直接相关，即智能感知技术和自组织网络技术。目前，国内也有许多关于传感器网络方面的研究成果，但总体上来讲

4、还只是处于起步阶段。传感器网络技术的发展对整个国家的社会、经济具有重大的战略意义。一、 无线传感网的定义无线传感器网络是由散布在工作区域中大量的体积小，成本低，具有无线通信、传感和数据处理能力的传感器节点组成的。每一个传感器节点由数据采集模块(传感器、A/D转换器)、数据处理和控制模块(微处理器、存储器)、通信模块(无线收发器)和供电模块(电池、DC/AC能量转换器)等组成。每一个节点都具有存储、处理、传输数据的能力。通过无线网络，传感器节点之间可以相互交换信息，也可以把信息传送到远程端。近期微电子机械加工技术的发展为传感器的微型化提供了可能，微处理技术的发展促进了传感器的智能化，通过MEMS

5、技术和射频(RF)通信技术的融合促进了无线传感器及其网络的诞生。传统的传感器正逐步实现微型化、智能化、信息化、网络化，正经历着一个从传统传感器(Dumb Sensor)智能传感器(Smart Sensor)嵌入式Web传感器(Embedded Web Sensor)的内涵不断丰富的发展过程。二、 无线传感网的技术背景无线传感网络技术是典型的具有交叉学科性质的军民两用战略高技术，可以广泛应用于国防军事、国家安全、环境科学、交通管理、灾害预测、医疗卫生、制造业、城市信息化建设等领域。1996年，美国UCLA大学的William J Kaiser教授向DARPA提交的“低能耗无线集成微型传感器”揭开

6、了现代WSN网络的序幕。1998年，同是UCLA大学的Gregory J Pottie教授从网络研究的角度重新阐释了WSN的科学意义。在其后的10余年里，WSN网络技术得到学术界、工业界乃至政府的广泛关注，成为在国防军事、环境监测和预报、健康护理、智能家居、建筑物结构监控、复杂机械监控、城市交通、空间探索、大型车间和仓库管理以及机场、大型工业园区的安全监测等众多领域中最有竞争力的应用技术之一。美国商业周刊将WSN网络列为21世纪最有影响的技术之一，麻省理工学院(MIT)技术评论则将其列为改变世界的10大技术之一。三、 无线传感网的节点结构 节点是组成无线传感器网络的基本单位，是构成无线传感器网

7、络的基础平台。它完成采集信息、融合并传送数据的功能，节点技术的进步与无线传感器网络的发展有着密切的联系。 传感器网络节点一般由数据采集单元、数据处理单元、数据传输单元组成。如图1 所示。图1 传感器网络节点的结构数据采集单元包括传感器和A/D 转换设备，负责目标信息的采集。传感器根据不同的目标特定采用不同的传感形态，如声纳、超声波、红外、温度、烟雾等。数据处理单元一般由单片机或微处理器、嵌入式操作系统、应用软件等组成，负责将采集到的目标信息进行处理。它将节点的位置信息、采集到的目标信息以及目标信息的空间时间变量综合分析，然后将处理结果送到数据传输单元或存储在本地。这里将使用一些算法实现对目标的

8、识别、跟踪、定位等。对于可以移动的节点，它还可以根据分析结果对运动机构如机器人进行控制，使之朝着靠近目标的方向前进。数据传输单元一般是由无线收发模块组成，负责数据的接收和发送。它可以是节点之间的通信，也可以是节点和基站之间的通信。四、 无线传感网的体系结构网络协议体系结构是无线传感器网络的“软件”部分，包括网络的协议分层以及网络协议的集合，是对网络及其部件应完成功能的定义与描述。由网络通信协议、传感器网络管理以及应用支撑技术组成。分层的网络通信协议结构类似于传统的TCP/IP协议体系结构，由物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层组成。图2 无线传感器网络协议体系结构物理层的功能包括信道选择

9、、无线信号的监测、信号的发送与接收等。传感器网络采用的传输介质可以是无线、红外或者光波等。物理层的设计目标是以尽可能少的能量损耗获得较大的链路容量。数据链路层的主要任务是加权物理层传输原始比特的功能，使之对上层显现一条无差错的链路，该层一般包括媒体访问控制（MAC）子层与逻辑链路控制（LLC）子层，其中MAC层规定了不同用户如何共享信道资源，LLC层负责向网络层提供同意的服务接口。网络层的主要功能包括分组路由、网络互连等。传输层负责数据流的传输控制，提供可靠高效的数据传输服务。五、 无线传感网的特点 无线传感网是一种大规模网络，为了获取精确信息，在监测区域通常部署大量传感器节点，传感器节点数量

10、可能达到成千上万，甚至更多。传感器网络的大规模性包括两方面的含义：一方面是传感器节点分布在很大的地理区域内，如在原始大森林采用传感器网络进行森林防火和环境监测，需要部署大量的传感器节点；另一方面，传感器节点部署很密集，在一个面积不是很大的空间内，密集部署了大量的传感器节点。传感器网络的大规模性具有如下优点：通过不同空间视角获得的信息具有更大的信噪比；通过分布式处理大量的采集信息能够提高监测的精确度，降低对单个节点传感器的精度要求；大量冗余节点的存在，使得系统具有很强的容错性能；大量节点能够增大覆盖的监测区域，减少洞穴或者盲区。 无线传感网是一种自组织网络，在传感器网络应用中，通常情况下传感器节

11、点被放置在没有基础结构的地方。传感器节点的位置不能预先精确设定，节点之间的相互邻居关系预先也不知道，如通过飞机播撒大量传感器节点到面积广阔的原始森林中，或随意放置到人不可到达或危险的区域。这样就要求传感器节点具有自组织的能力，能够自动进行配置和管理，通过拓扑控制机制和网络协议自动形成转发监测数据的多跳无线网络系统。在传感器网络使用过程中，部分传感器节点由于能量耗尽或环境因素造成失效，也有一些节点为了弥补失效节点、增加监测精度而补充到网络中，这样在传感器网络中的节点个数就动态地增加或减少，从而使网络的拓扑结构随之动态地变化。传感器网络的自组织性要能够适应这种网络拓扑结构的动态变化。无线传感网是一

12、种安全的网络，传感器网络特别适合部署在恶劣环境或人类不宜到达的区域，传感器节点可能工作在露天环境中，遭受太阳的暴晒或风吹雨淋，甚至遭到无关人员或动物的破坏。传感器节点往往采用随机部署，如通过飞机撒播或发射炮弹到指定区域进行部署。这些都要求传感器节点非常坚固，不易损坏，适应各种恶劣环境条件。由于监测区域环境的限制以及传感器节点数目巨大，不可能人工“照顾”每个传感器节点，网络的维护十分困难甚至不可维护。传感器网络的通信保密性和安全性也十分重要，要防止监测数据被盗取和获取伪造的监测信息。因此，传感器网络的软硬件必须具有鲁棒性和。无线传感网是一种以数据为中心的网络，目前的互联网是先有计算机终端系统，然

13、后再互联成为网络，终端系统可以脱离网络独立存在。在互联网中，网络设备用网络中惟一的IP地址标识，资源定位和信息传输依赖于终端、路由器、服务器等网络设备的IP地址。如果想访问互联网中的资源，首先要知道存放资源的服务器IP地址。可以说目前的互联网是一个以地址为中心的网络。传感器网络是任务型的网络，脱离传感器网络谈论传感器节点没有任何意义。传感器网络中的节点采用节点编号标识，节点编号是否需要全网惟一取决于网络通信协议的设计。由于传感器节点随机部署，构成的传感器网络与节点编号之间的关系是完全动态的，表现为节点编号与节点位置没有必然联系。用户使用传感器网络查询事件时，直接将所关心的事件通告给网络，而不是

14、通告给某个确定编号的节点。网络在获得指定事件的信息后汇报给用户。这种以数据本身作为查询或传输线索的思想更接近于自然语言交流的习惯。所以通常说传感器网络是一个以数据为中心的网络。 六、 无线传感网的发展现状及应用前景 WSN网络是面向应用的，贴近客观物理世界的网络系统，其产生和发展一直都与应用相联系。多年来经过不同领域研究人员的演绎，WSN技术在军事领域、精细农业、安全监控、环保监测、建筑领域、医疗监护、工业监控、智能交通、物流管理、自由空间探索、智能家居等领域的应用得到了充分的肯定和展示。2005年，美国军方成功测试了由美国Crossbow产品组建的枪声定位系统，为救护、反恐提供有力手段。美国

15、科学应用国际公司采用无线传感器网络，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。在中国，中科院微系统所主导的团队积极开展基于WSN的电子围栏技术的边境防御系统的研发和试点，已取得了阶段性的成果。无线传感器网络的出现为随机性的环境研究数据获取提供了便利，并且还可以避免传统数据收集方式给环境带来的侵入式破坏。无线传感器网络在医疗研究、护理领域也可以大展身手。由于无线传感器网络具有密集型、随机分布的特点，使其非常适合应用于恶劣的战场环境中，使其非常适合应用于恶劣的战场环境中。DARPA支持的Scnsor IT项目探索如何将WSN技术应用于军事领域，实现所谓“超视距”战场监测。无线传

16、感器网络还被应用于其他一些领域。比如一些危险的工业环境如井矿、核电厂等，工作人员可以通过它来实施安全监测。也可以用在交通领域作为车辆监控的有力工具。无线传感网从机制研究、系统研发，到应用示范试点，正在努力走向技术和产业的成熟。在中国，政府的引导、研究人员的推动和企业的积极参与使WSN网络技术快速稳步发展。无线传感器网络的发展将会有重大的战略意义。希望能有更多的年轻的优秀学子来从事这一方面的研究，把我们国家的无线传感网技术做得更好更先进。参考文献1邓安远,于林峰.无线传感器网络传输协议研究进展.科技传播,20102刘敏钰,吴泳,伍卫国.无线传感网络(WSN)研究.微电子学与计算机,2007年第22卷第7期3肖俊芳.无线传感器网络的若干关键技术研究.上海交通大学工学博士学位论文,20094杨卓静,孙宏志,任晨虹.无线传感器网络应用技术综述.中国科技信息,20105孙利民.无线传感器网络.北京:清华大学出版社,20056康启涛,陶滔.无线传感器网络综述.应用安全,2008.27李建中,高宏.无线传感器网络的研究进展.计算机研究与发展,20088王慧斌.无线传感器监测网络信息处理技术.北京:国防工业出版社,20109邓安远,于林峰.无线传感器网络传输协议研究进展.科技传播,201010陈海光.无线传感器网络中若干安全问题研究.复旦大学博士学位论文，2008