無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究綜述

陳劍

（湖北水利水電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北 武漢 430070）

現(xiàn)在廣泛應(yīng)用的傳感器是由許多體積小、價(jià)格低廉、用電池供電的具有無線通信功能和檢測(cè)能力的傳感器節(jié)點(diǎn)組合而成的。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)涉及了傳感技術(shù)、嵌入式計(jì)算技術(shù)以及無線通信技術(shù)等多個(gè)領(lǐng)域的內(nèi)容，成為了當(dāng)前國際上關(guān)注度較高的、多學(xué)科交叉的研究熱點(diǎn)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以通過各個(gè)微型傳感器之間的相互協(xié)作，完成實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)和采集信息的任務(wù)，然后將匯總的信息以無線的方式發(fā)送出去，通過網(wǎng)絡(luò)到達(dá)系統(tǒng)的終端用戶處，從而在物理領(lǐng)域、計(jì)算機(jī)領(lǐng)域和人類社會(huì)三者之間建立聯(lián)系。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)目前已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。無論是在軍事國防、工農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，還是在生物醫(yī)療、環(huán)境監(jiān)測(cè)、搶險(xiǎn)救災(zāi)領(lǐng)域，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)都收到了良好的效果?，F(xiàn)在國內(nèi)外的學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的很多人都把目光聚集在了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的進(jìn)一步開發(fā)和利用上，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)產(chǎn)生了巨大的使用價(jià)值，它被認(rèn)為是將對(duì)21世紀(jì)產(chǎn)生重大影響的科技之一。

1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)特點(diǎn)

1.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)所使用的傳感器耗能少、體積小、價(jià)格低、集成度高。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)并不是簡(jiǎn)單的將原有的傳感器通過無線網(wǎng)絡(luò)連接在一起。微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)和低耗能電子技術(shù)的不斷發(fā)展，成就了新型的傳感器節(jié)點(diǎn)。這些新型節(jié)點(diǎn)耗能少、體積小、價(jià)格低，并且具有微型的傳感器、執(zhí)行器和處理器等多種功能部件。和以前的傳統(tǒng)傳感器相比，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的優(yōu)勢(shì)更加明顯，具有能少、體積小、價(jià)格低、集成度高等傳統(tǒng)傳感器無法比擬的特點(diǎn)。

1.2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)分布更為密集。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)重要特點(diǎn)就是在需要進(jìn)行監(jiān)測(cè)的范圍內(nèi)密集的放置數(shù)量較多的相同或是不同類型的傳感器節(jié)點(diǎn)。通過這種密集的節(jié)點(diǎn)布置，可以將獲取區(qū)域更詳細(xì)的信息或是對(duì)統(tǒng)一對(duì)象獲取多個(gè)角度的信息，然后將獲取的大量信息進(jìn)行處理，從而提高監(jiān)測(cè)的精準(zhǔn)程度，降低對(duì)單一傳感器節(jié)點(diǎn)的精度要求。通過在監(jiān)測(cè)區(qū)域設(shè)置了密集的節(jié)點(diǎn)，其中一部分節(jié)點(diǎn)并不必要，這些冗余的節(jié)點(diǎn)會(huì)產(chǎn)生一定的容錯(cuò)能力，從而降低了對(duì)某一個(gè)單一節(jié)點(diǎn)穩(wěn)定性的要求。除此之外，密布的節(jié)點(diǎn)還可以讓各個(gè)節(jié)點(diǎn)得到合理的休息和調(diào)整，從而延長整個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的使用壽命。

1.3 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采用的是自組織網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的自組織性質(zhì)是由自身的特點(diǎn)所決定的。第一，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)使用過程中往往沒有固定的網(wǎng)絡(luò)提供支持；第二，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的傳感器較多，布置地點(diǎn)隨機(jī)進(jìn)行選擇，其具體的相對(duì)位置關(guān)系無法提前確定；第三，傳感器受外界環(huán)境或是自身因素影響，可能會(huì)出現(xiàn)失效情況，亦或是出于增加精度和彌補(bǔ)失效節(jié)點(diǎn)的目的，在監(jiān)測(cè)中途增加補(bǔ)充一些新的節(jié)點(diǎn)，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)處于一個(gè)動(dòng)態(tài)的變化之中。由于以上所述的三點(diǎn)原因，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)需要節(jié)點(diǎn)之間自動(dòng)進(jìn)行管理和調(diào)節(jié)，從而適應(yīng)不斷變化的各種環(huán)境，保證無線傳感器網(wǎng)絡(luò)整體工作的連續(xù)性與高效性。

2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展歷史

傳感器網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)經(jīng)歷了四代的發(fā)展。第一代的傳感器網(wǎng)絡(luò)誕生在上世紀(jì)70年代，使用的傳感器具有簡(jiǎn)單的信號(hào)獲取能力，通過點(diǎn)到點(diǎn)的傳輸方式，與控制器連接在一起，形成傳感器網(wǎng)絡(luò)；第二代的傳感器網(wǎng)絡(luò)功能得到了較大提升，可以獲取多種不同的信息信號(hào)，通過串聯(lián)或是并聯(lián)接口與相應(yīng)的控制器連接，從而構(gòu)成一個(gè)能夠接受多種綜合信息的傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)；當(dāng)傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)展到第三代時(shí)，傳感器不但可以收集各種不同的信息信號(hào)，還采用了現(xiàn)場(chǎng)總線連接的方式與控制器連接，形成了具有一定智能化的傳感器網(wǎng)絡(luò)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)目前還處于研發(fā)、探索階段，它將是傳感器網(wǎng)絡(luò)的第四代產(chǎn)品。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的傳感器數(shù)量大、功能多，并且能夠獲取多種信號(hào)，采用無線自組織接入網(wǎng)絡(luò)，與傳感器網(wǎng)絡(luò)控制器連接。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)整個(gè)興起的傳感器網(wǎng)絡(luò)，正逐步受到各方面的關(guān)注。目前，美國的許多規(guī)模較大的IT公司開始通過與高等學(xué)校合作的方式，加大對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的研究工作。美國的許多著名高校也啟動(dòng)了相應(yīng)的計(jì)劃，在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)方面開展深入的研究。我國對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究工作也在發(fā)展之中，從本世紀(jì)初，國家自然科學(xué)基金委員會(huì)就已經(jīng)批準(zhǔn)了大量有無線傳感器網(wǎng)絡(luò)有關(guān)的課題，國家發(fā)改委也出臺(tái)了計(jì)劃，對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)課題進(jìn)行了專門部署。

3 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究與應(yīng)用現(xiàn)狀

目前無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究主要是在通信、節(jié)能和網(wǎng)絡(luò)控制三個(gè)領(lǐng)域，且都取得了一定的進(jìn)展，為無線傳感器網(wǎng)投入實(shí)際生產(chǎn)奠定了良好的理論基礎(chǔ)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有成本低、耗能少的有點(diǎn)，這樣就可以在一個(gè)很大的范圍能進(jìn)行分散布置，即便不利于是在不利于人類活動(dòng)的地方，利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)都可以取得良好的工作效果，應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛。就目前我國的研究應(yīng)用情況來看，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以應(yīng)用于軍事、環(huán)境監(jiān)測(cè)、醫(yī)療健康、空間探測(cè)、工業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域。

4 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究的熱點(diǎn)和方向

4.1 通信協(xié)議。通信協(xié)議可分為三個(gè)研究方向：物理層通信協(xié)議、數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議和信息層協(xié)議。其中物理層主要研究傳感器網(wǎng)絡(luò)的傳輸媒體、頻段選擇、調(diào)制方式等，數(shù)據(jù)鏈主要研究網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、信道接入方式、混合結(jié)構(gòu)和Mesb等多種結(jié)構(gòu)。網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議主演研究路由協(xié)議，傳輸層協(xié)議的研究視為網(wǎng)絡(luò)提供可靠的數(shù)據(jù)和恢復(fù)功能。

4.2 網(wǎng)絡(luò)管理。網(wǎng)路管理主要分為兩種：能量管理和安全管理。能量管理是為了減少節(jié)點(diǎn)的耗能，在不降低工作性能的基礎(chǔ)上，對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化，平衡網(wǎng)絡(luò)的能量消耗；安全管理主要關(guān)注的是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的安全問題，包括認(rèn)證、防干擾信息等。

4.3 硬件資源。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的硬件發(fā)展方式向市微型化、低成本和新型能源。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)微型化主要是要將使用節(jié)點(diǎn)的體積減?。唤档统杀緞t需要在不影響性能的基礎(chǔ)上減少硬件花費(fèi)；通過太陽能等新能源的開發(fā)利用，可以解決無線傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)展中遇到的能源問題。

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