无线传感器网络研究综述

    余向阳 

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

1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。

1.1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 、Smart Dust、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、Dust Network、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、France Telecom、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。国家下一代互联网（CNGI）示范工程中，也部署了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。

2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和未来战争的变革。2004年，《IEEE Spectrum》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）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，Mark Weiser提出了“普适计算（Pervasive Computing）”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Sensor Web，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、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Mate Wel的研究小组用ＷSN对活火山Volcan Tungurahua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Sensor Webs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。

3无线传感器网络的关键技术

无线传感器网络当今信息领域新的研究热点，是微机电系统、计算机、通信、自动控制、人工智能等多学科的综合性技术。目前的研究涉及通信、组网、管理、分布式信息处理等多个方面。具体而言，无线传感器网络的关键技术有路由协议、MAC协议、拓扑控制、定位技术、时间同步、数据融合和能量管理等。

3.1路由协议

路由协议负责将数据分组从源节点通过网络转发到目的节点，它主要包括两个方面的功能：寻找源节点和目的节点间的优化路径，将数据分组沿着优化路径正确转发。针对传感器网络路由机制的上述特点，在根据具体应用设计路由机制时，要满足下面的传感器网络路由机制的要求：

(1)能量高效。传感器网络路由协议不仅要选择能量消耗小的消息传输路径，而且要从整个网络的角度考虑，选择使整个网络能量均衡消耗的路由。传感器节点的资源有限，传感器网络的路由机制要能够简单而且高效地实现信息传输。

(2)可扩展性。在无线传感器网络中，检测区域范围或节点密度不同，造成网络规模大小不同；节点失败、新节点加入以及节点移动等，都会使得网络拓扑结构动态发生变化，这就要求路由机制具有可扩展性，能够适应网络结构的变化。

(3)鲁棒性。能量用尽或环境因素造成传感器节点的失败，周围环境影响无线链路的通信质量以及无线链路本身的缺点等，这些无线传感器网络的不可靠特性要求路由机制具有一定的容错能力。

(4)快速收敛性。传感器网络的拓扑结构动态变化，节点能量和通信带宽等资源有限，因此要求路由机制能够快速收敛，以适应网络拓扑的动态变化，减少通信协议开销，提高消息传输的效率。

路由协议可有不同的分类方法，包括平面路由和层次路由；主动路由、按需路由和混合路由；基于位置的路由和非基于位置的路由；基于Qos的路由和不基于Qos的路由；基于数据融合的路由和非基于数据融合的路由；能量感知路由协议和非能量感知路由协议；查询驱动和非查询驱动路由；单路径和多路径路由；安全路由与非安全路由。 

3.2 MAC协议

在无线传感器网络中，介质访问控制MAC)协议决定无线信道的使用方式，在传感器节点之间分配有限的无线通信资源，用来构建传感器网络系统的底层基础结构。MAC协议处于传感器网络协议的底层部分，对传感器网络的性能有较大影响，是保证无线传感器网络高效通信的关键网络协议之一。传感器节点的能量、存储、计算和通信带宽等资源有限，单个节点的功能比较弱，而传感器网络的强大功能是由众多节点协作实现的。多点通信在局部范围需要MAC协议协调其间的无线信道分配，在整个网络范围内需要路由协议选择通信路径。在设计无线传感器网络的MAC协议时，需要着重考虑以下几个方面：

(1)节省能量。传感器网络的节点一般是以干电池、纽扣电池等提供能量，而且电池能量通常难以进行补充，为了长时间保证传感器网络的有效工作，MAC协议在满足应用要求的前提下，应尽量节省使用节点的能量。

(2)可扩展性。由于传感器节点数目、节点分布密度等在传感器网络生存过程中不断变化，节点位置也可能移动，还有新节点加入网络的问题，所以无线传感器网络的拓扑结构具有动态性。MAC协议也应具有可扩展性，以适应这种动态变化的拓扑结构。

(3)网络效率。网络效率包括网络的公平性、实时性、网络吞吐量以及带宽利用率等。

3.3拓扑控制

传感器网络拓扑控制主要研究的问题是：在满足网络覆盖度和连通度的前提下，通过功率控制和骨干网节点选择，剔除节点之间不必要的通信链路，形成一个数据转发的优化网络结构。具体地讲，传感器网络中的拓扑控制按照研究方向可以分为两类：节点功率控制和层次型拓扑结构组织。功率控制机制调节网络中每个节点的发射功率，在满足网络连通度的前提下，均衡节点的单跳可达邻居数目。层次型拓扑控制利用分簇机制，让一些节点作为簇头节点，由簇头节点形成一个处理并转发数据的骨干网，其他非骨干网节点可以暂时关闭通信模块，进入休眠状态以节省能量。

3.4定位技术

对于大多数应用,不知道传感器位置而感知的数据是没有意义的。传感器节点必须明确自身位置才能详细说明“在什么位置或区域发生了特定事件”，实现对外部目标的定位和追踪；另一方面，了解传感器节点位置信息还可以提高路由效率，为网络提供命名空间，向部署者报告网络的覆盖质量，实现网络的负载均衡以及网络拓扑的自配置。而人工部署和为所有网络节点安装GPS接收器都会受到成本、功耗、扩展性等问题的，甚至在某些场合可能根本无法实现，因此必须采用一定的机制与算法实现WSN的自身定位。

3.1时间同步技术

在无线传感器网络系统中，单个节点的能力非常有限，整个系统所要实现的功能需要网络内所有节点相互配合共同完成。时间同步在无线传感器网络系统中起着非常重要的作用，国内外的研究者已经提出了多种无线传感器网络时间同步算法。

3.1安全技术

与其他无线网络一样，安全问题是无线传感器网络的一个重要问题。由于采用的是无线传输信道，传感器网络存在窃听、恶意路由、消息篡改等安全问题。同时，无线传感器网络的有限能量和有限处理、存储能力两个特点使安全问题的解决更加复杂化了。在无线传感器网络的某些应用当中，如居民小区的无线安防网络，军事上在敌控区监视对方军事部署的无线传感器网络等，安全问题显得尤为重要。

3.1数据融合技术

由于大多数无线传感器网络应用都是由大量传感器节点构成的，共同完成信息收集、目标监视和感知环境的任务。在信息采集的过程中，采用各个节点单独传输数据到汇聚节点的方法显然是不合适的。通过数据融合技术指将多份数据或信息进行处理，能够组合出更高效、更符合用户需求的数据。

4 无线传感器网络所面临的挑战和发展趋势

4.1无线传感器网络所面临的挑战

无线传感器网络不同于传统数据网络的特点对无线传感器网络的设计与实现提出了新的挑战，主要体现在以下5个方面。

(1)低能耗

    传感器节点通常由电池供电，电池的容量一般不会很大。由于长期工作在无人值守的环境中，通常无法给传感器节点充电或者更换电池，一日电池用完，节点也就失去了作用。这要求在无线传感器网络运行的过程中，每个节点都要最小化自身的能量消耗，获得最长的工作时间；因而无线传感器网络中的各项技术和协议的使用一般都以节能为前提。

(2)实时性

    无线传感器网络应用大多有实时性的要求。例如，目标在进入监测区域之后，网络系统需要在一个很短的时问内对这一事件作出响应。其反应时间越短，系统的性能就越好。又如，车载监控系统需要每10ms读1次加速度仪的测量值，否则无法正确估计速度，导致交通事故。这些应用都对无线传感器网络的实时性设计提出了很大的挑战。

    (3)低成本

    组成无线传感器网络的节点数量众多，单个节点的价格会极大程度地影响系统的成本。为了达到降低单个节点成本的目的，需要设计对计算、通信和存储能力均要求较低的简单网络系统和通信协议。此外，还可以通过减少系统管理与维护的开销来降低系统的成本，这需要无线传感器网络系统具有白配置和自修复的能力。

    (4)安全和抗干扰

    无线传感器网络系统具有严格的资源，需要设计低开销的通信协议，同时也会带来严重的安全问题。如何使用较少的能量完成数据加密、身份认证、入侵检测以及在破坏或受干扰的情况下可靠地完成任务，也是无线传感器网络研究与设计面临的一个重要挑战。

    (5)协作

    单个的传感器节点往往不能完成对目标的测量、跟踪和识别，而需要多个传感器节点采用一定的算法通过交换信息，对所获得的数据进行加工、汇总和过滤，并以事件的形式得到最终结果。数据的传递协作涉及网络协议的设计和能量的消耗，也是目前研究热点之一。

4.2无线传感器网络所面临的发展趋势

    由以上这些挑战，根据无线传感器网络的研究现状，无线传感器网络技术的发展趋势主要有4个方面。

    (1)灵活、自适应的网络协议体系

    无线传感器网络广泛地应用于军事、环境、医疗、家庭、工业等领域。其网络协议、算法的设计和实现与具体的应用场景有着紧密的关联。在环境监测中需要使用静止、低速的无线传感器网络；军事应用中需要使用移动的、实时性强的无线传感器网络；智能交通里还需要将RFID技术和无线传感器网络技术融合起来使用。这些面向不同应用背景的无线传感器网络所使用的路由机制、数据传输模式、实时性要求以及组网机制等都有着很大的差异，因而网络性能各有不同。目前无线传感器网络研究中所提出的各种网络协议都是基于某种特定的应用而提出的，这给无线传感器网络的通用化设计和使用带来了巨大的困难。如何设计功能可裁减、自主灵活、可重构和适应于不同应用需求的无线传感器网络协议体系结构，将是未来无线传感器网络发展的一个重要方向。

    (2)跨层设计

    无线传感器网络有着分层的体系结构，因此在没计时也大都是分层进行的。各层的设计相互且具有一定局限性，因而各层的优化设计并不能保证整个网络的设计最优。针对此问题，一些研究者提出了跨层设计的概念。跨层设计的目标就是实现逻辑上并不相邻的协议层之间的设计瓦动与性能平衡。对无线传感器网络，能量管理机制、低功耗设计等在各层设计中都有所体现；但要使整个网络的节能效果达到最优，还应采用跨层设计的思想。

    将MAC与路由相结合进行跨层设计可以有效节省能量，延长网络的寿命。同样，传感器网络的能量管理和低功耗设计也必须结合实际跨层进行。此外，在时间同步和节点定位方面，采用跨层优化设计的方式，能够使节点直接获取物理层的信息，有效避免本地处理带来的误差，获得较为准确的相关信息。

    (3)ZigBee标准规范

    ZigBee是一种新兴无线网络通信规范，主要用于近距离无线连接。ZigBee的基础是IEEE无线个域网工作组所制定的IEEE 802.15.4技术标准口。802.15.4标准旨在为低能耗的简单设备提供有效覆盖范围在10m左右的低速连接，可广泛用于交互玩具、库存跟踪监测等消费与商业应用领域。ZigBee当然不仅只是802.15.4的名字。IEEE802.15.4仅处理低级MAC层和物理层协议，ZigBee联盟对其网络层协议和API进行了标准化，还开发了安全层，以保证这种便携设备不会意外泄漏其标识，而且这种利用网络的远距离传输不会被其他节点获得。此外，ZigBee-还具有低传输速率、低功耗、协议简单、时延短、安全可靠、网络容量大、优良的网络拓扑能力等优点。ZigBee的这些优点极好地支持了无线传感器网络：它能够在众多微小的传感器节点之间相互协调实现通信，这砦节点只需要很低的功耗，以多跳接力的方式在节点间传送数据，因而通信效率非常高。目前，ZigBee联盟正在进行协议标准的整合工作，该标准的成功制定对于无线传感器网络的推广使用将有着深远、重要的意义。

    (4)与其他网络的融合 

    无线传感器网络和现有网络的融合将带来新的应用。例如，无线传感器网络与互联网、移动通信网的融合，一方面使无线传感器网络得以借助这两种传统网络传递信息，另一方面这两种网络可以利用传感信息实现应用的创新。此外，将无线传感器网络作为传感与信息采集的基础设施融合进网格体系，构建一种全新的基于无线传感器网络的网格体系——无线传感器网络。传感器网络专注于探测和收集环境信息；复杂的数据处理和存储等服务则交给网格来完成，将能够为大型的军事应用、科研、工业生产和商业交易等应用领域提供一个集数据感知、密集处理和海量存储于一体的强大的操作平台。

5 结束语

    无线传感网络系统可以被广泛地应用于国防军事、、航空航天、环境监测、交通管理、医疗救护、制造业、反恐抗灾等领域，特别是在未来军事领域中，由于传感网络可以快速部署在敌对地区并收集相关情报，同时又无需人为干预，所以可以极大地减小人员的损失，是现代化电子信息战的重要体现。因此，传感网络在未来具有广泛的应用前景，它将掀起新的产业浪潮。

不可否认，WSN至今还没有取得广泛的应用，大多的相关工作集中在科学研究和试验方面，但已有的研究从不同侧面揭示了WSN的应用潜能，也预示了良好的商业应用前景。

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