1.1 无线传感器网络介绍

1.1.1 无线传感器网络的概念

随着社会的发展，通信技术发展得越来越快，无线通信技术的应用也越来越广泛。作为无线通信中一个新兴领域——无线传感器网络，也得到了迅速的发展，并渐渐走向集成化、规模化发展。

与此同时，传感器节点变得越来越微型化，功能却变得越来越强大，在进行无线通信的同时，还可以进行简单的信息处理。这类传感器除了监测环境中我们所需要的一些数据外，还能够对收集到的有用数据进行处理，直接将处理后的数据发送到网关，有的传感器节点甚至还具备数据融合的功能。现在无线传感器节点已能够实现信息处理和无线通信，无线传感器网络就是在这样的背景下诞生的。

无线传感器网络是对上一代传感器网络进行的技术上的革命[1]。早在1999年，一篇名为“传感器走向无线时代”的文章就已拉开了无线传感器网络的序幕，之后在美国的移动计算和网络国际会议中也提出了无线传感器网络的概念，并预测WSN将是21世纪难得的发展领域。美国的一家杂志在2003年在谈到未来新兴十大技术时，排在第一位的是无线传感器网络技术；同年，美国的另外一家杂志《商业周刊》在论述四大新兴网络技术时，无线传感器网络也列在其中；甚至《今日防务》杂志给出评论说，WSN的出现和大规模发展将会带来一场跨时代的战争革新，这不仅体现在信息网络领域，军事领域和未来战争也必将发生翻天覆地的变化。从上面我们可以看出，WSN的快速发展和大规模应用，将会推动社会和科技发展，引领时代潮流。

无线传感器网络（Wireless Sensor Networks，WSN）是一种特殊的无线通信网络[4]，它是由许多个传感器节点通过无线自组织的方式构成的，应用在一些人们力不能及的领域，如战场、环境监控等地方；通过无线的形式将传感器感知到的数据进行简单的处理之后，传送给网关或者外部网络；因为它具有自组网形式和抗击毁的特点，已经引起了各个国家的积极关注。

无线传感器网络由多个无线传感器节点和少数几个汇聚（Sink）节点构成，一般来说，无线传感器网络工作流程如下：首先使用飞机或其他设备在被关注地点撒播大量微型且具有一定数据处理能力的无线传感器节点，节点激活之后通过无线方式来搜集它附近的传感器节点，并与这些节点建立连接，从而形成多节点分布式网络，这些节点通过传感器感知功能采集这些区域的信息，经过本身处理之后，采用节点间相互通信最终传给外部网络。

如图1.1所示，无线传感器网络由传感区域内大量的无线节点、Sink节点、外部网络构成，其中无线传感器节点随机地分布在被检测区域内，通过协作感知的形式实现区域内节点间的通信。由于通信范围或者出于能量节省考虑，节点只能与固定范围内的节点交换数据，因此要访问邻居节点以外的节点或者要将数据送到外部网络，必须采用多跳传输。Sink节点的能量值和通信距离比传感器节点稍强，负责整个无线通信网络和外部网络之间的信息交换，从而实现外部网关与传感区域内节点的相互通信。例如，其中节点A感知到数据之后，通过节点B、C、D、E多跳传送给Sink节点，再由Sink节点传送给外部网络（如Internet）。

1.1.2 无线传感器网络的特点及优势

1.WSN与Ad hoc共有的特征

无线通信作为通信行业一个单独的分支，已经取得了非常不错的成果。而其中取得较好成果的有无线自组织网络（Ad hoc），这种网络不需要固定的通信设备作为支撑，各个终端节点能够自己构建自己的网络域，动态地实现网络的互联，而作为一种特殊的无线自组织网络（Ad hoc），无线传感器网络与无线自组织网络一样，具有以下特征。

（1）自组织。无线传感器网络和无线自组织网络一样，都是应用在地理条件比较恶劣或者人不能到达的地方，因此减少了人为的干扰，增加了许多大自然的不确定因素，比如节点的分布是随机的，突然的泥石流或者人为破坏致使部分节点失效，新增加一些节点等。为了达到网络所要求的可靠性，节点本身必须具有自组织成网络的能力。在节点位置确定之后，节点能够自己寻找其邻居节点，实现相邻节点之间的通信，通过多跳传输的方式搭建整个网络，并且能够根据节点的加入和退出来重新组织网络，使网络能够稳定正常的运行。

（2）分布式。对于飞机随机撒播的节点来说，每一个节点都具有同等的硬件条件，每一个节点的通信距离都是非常有限的，甚至在任意一个节点消亡之后网络能够立即重组，没有哪个节点严格地控制网络的运行，因此每个节点的地位都是同等重要的。任意一个节点加入或者退出网络都不会影响网络的运行，抗击毁能力特别强。

（3）节点平等。除了Sink节点之外，无线传感器节点的分布都是随机的，在网络中以自己为中心，只负责自己通信范围内的数据交换；每个节点都是平等的，没有先后优先级之间的差别，每个节点既可以发送数据也可以接收数据，具有相同的数据处理能力和通信范围。

（4）安全性差。对于自组织网络来说，由于每一个节点的通信范围是非常有限的，因此它只能跟自己通信范围内的节点进行通信，采用的是无线信道，非相邻节点之间的通信需要通过多跳路由的形式来进行，因此数据的可靠性没有点对点通信高；另外由于信道容易受到干扰、窃听等，保密性能差，因此，无线传感器网络的保密性和安全性就显得非常重要。无线传感器网络对信道的加密、可靠、信道的抗干扰方面都要考虑周到，保证网络的安全。

2.WSN特有的特征

尽管无线传感器网络与Ad hoc网络具有许多相似的特征，早期的人们甚至认为无线传感器网络就是Ad hoc网络加上Internet的一个延伸，但是后续的研究中所使用的无线传感器网络的技术与无线自组织网络具有明显的区别，无线自组织网络致力于不依赖于任何通信基础设备来实现数据的可靠、高效传输，而无线传感器网络是以一种以数据为中心的无线网络，同时还要考虑节点的自身条件，因此具有一些无线自组织网络所没有的特征，正是因为这些特征的存在决定了无线传感器网络不能与无线自组网使用同样的协议。

（1）计算能力不高。为了能够更加精确地获得被检测区域内人们感兴趣的一些信息，无线传感器网络在应用中采用大量撒播的形式来确定无线传感器网络，因此无线传感器节点分布非常密集。从成本上来考虑，大量的节点决定了每个节点的成本不高，在限定的成本下采用的处理器处理速度就比较低，只能够处理相对简单的数据，并且节点的队列缓存存储长度也非常有限，不适用于特别复杂的计算和存储，在传感器网络中就必须考虑到节点的拥塞控制，传统的TCP/IP协议由于其运算的复杂性和对地址的要求，不能运用于无线传感器网络中，WSN必须重新提出自己的协议。

（2）能量供应不可替代。无线传感器网络中节点是随机撒播的，应用于一些环境恶劣或者人所力不能及的区域，加上节点的廉价限制，因此决定了无线传感器节点电池不可替代，每一个节点都有自己的生命周期，因此如何在现有的条件下最大限度地节省传感器节点的能量，延长节点的寿命成了协议要重点考虑的因素。节点的能量消耗主要集中在节点数据的收发和处理上，而数据的发送和接收占据了主要部分。例如，节点发送1B的数据给10m之外的另外一个节点所消耗的能量相当于节点执行300跳计算指令所消耗的能量。因此，在能量节省与信息处理之间找到平衡点能够最大限度地节省能量，许多节点甚至采用睡眠来最大限度地减少节点的运行时间，以此来延长节点的生命周期。

（3）节点变化性强。无线传感器节点的特殊应用决定了无线传感器节点有可能会因为自然或者人为的因素而发生变化，如拥塞导致的负载发生变化、节点的消亡等，无线传感器网络必须根据节点的这些变化来调整整个网络的工作状态，提高网络的性能；另外在网络中还存在一些自由移动的节点，怎样利用这些移动节点来进行通信对网络也提出了挑战，网络的自组织和分布式等特点也决定了网络必须能够快速重新构造网络，能够动态地适应网络的变化。

（4）大规模。无线传感器网络的安全系数不高导致数据可能会出现大量的丢失，为了保证数据的可靠、高效传输，无线传感器网络通过采用大量的具有相同硬件设施的节点来采集数据，有许多节点甚至采集的数据是一样的，因此这样就能够实现数据的冗余，保证数据最终能够传输到目的节点。由于节点的撒播是大规模、随机、无规律的，这也同时对无线传感器网络中的协议提出了一些新的要求，要求协议能够处理好节点之间的通信问题，保证数据不拥塞，必要时还需要考虑数据融合等问题。

总的来说，无线传感器网络作为一个新兴的无线通信网络，具有传统网络无可比拟的优势。

1.1.3 无线传感器网络的应用

由于无线传感器网络节点的处理成本下降和嵌入式等技术的飞速发展，最近两年来，已经有越来越多的无线传感器网络投入使用，这些无线传感器网络主要应用在以下几个方面。

1.环境的预测和保护

随着全球变暖，环境破坏变得越来越严重，环境的检测就显得越来越重要了。通过无线传感器网络能够感知环境中的微小变化，如在城市中尘埃的含量、空气的质量等，通过传感器网络在第一时间通知相关专家制定相应的措施，减少环境的污染，洁化人们的生活。

在室内环境监测中举一个广泛应用的例子，即配电房的环境安全监测。配电房的环境安全监控包括电力设备的防盗、防护及配电房温度、湿度、烟雾、水浸等环境参数的监测。目前，配电房的监控存在极大的安全隐患，特别是在无人值守的情况下，配电房内出现水浸、由设备温度过高而引起火灾等问题无法及时处理；配电房空调、排气扇常年打开，造成运营费用过高等。为了解决这个问题，在配电房中各个角落装置无线传感器节点，各个节点负责收集室内各项环境指标，如温度、湿度等，其中设置一个中心节点，负责收集各个节点的数据。各个节点之间通过自组织方式连接起来，形成一个无线传感器网络，中心节点将各个节点的数据收集处理之后发送给外部网络，从而在发生异常时及时通知管理人员前来维护。

相对于传统的安全监控系统而言，基于WSN的智能环境安全监控系统具有其独特的优势：

● WSN中的节点高度集成了数据采集、数据处理和通信等功能，从而简化了设施；

●由于节点采用无线通信模式，不需要布线，使得WSN更适合于在现有网络上扩展功能，以及偏远、环境比较恶劣的地区；

● WSN的自组织性和大规模性，使得无线传感器适于分布式处理；

● WSN具有自组织性、动态性，因此可以实现保护平台的迅速构建而不需要添加更多的设施。

另外一个方面就是对生态的监控，如野生动物、候鸟群等，通过无线传感器网络能够研究它们的习性，适时地进行人为的控制，防止它们进一步地灭绝。美国加州大学伯克利分校Intel实验室和大西洋学院联合在大鸭岛上部署了一个多层次的传感器网络系统，用来监测岛上海燕的生活习性，目前已经取得了比较好的效果。

2.医疗护理

近年来，随着社会的不断发展和人们生活水平的不断提高，人们对医疗服务在实时性、灵活性、智能化、人性化等方面提出了新的要求，社会需要更加完善的医疗系统提供服务，因此以信息技术、网络技术和电子技术为基础的各种医疗系统的发展方兴未艾。无线传感器网络作为一个新兴出现的领域，在时间和空间上具有其他医疗系统不可比拟的优势，远程医疗系统、社区医疗系统应运而生，它正改变着传统的医疗模式，使医院与医院、医生与病人直接通过远程医疗合作，建立一种全新的关系，达到提高医疗效果的目的。21世纪，移动通信技术和传感器技术日趋成熟，又为医疗系统的发展注入了新的活力，人们开始关注以无线传感器网络技术为基础的各种医疗系统的研究。例如，对于重症病人的监护不再需要人工护理，采用微尘等先进的科学方式实时监控病人的血压等身体状况，当出现异常时自动通知，从而达到实时护理的效果。

3.军事领域

军事领域是无线传感器网络最原始的应用，无线传感器网络可以协助实现有效的战场态势感知，满足作战力量“知己知彼”的要求。典型设想是用飞行器将大量微传感器节点散布在战场的广阔地域，这些节点自组成网，将战场信息边收集、边传输、边融合，为各参战单位提供“各取所需”的情报服务。

无线传感器网络在军事应用的巨大作用，引起了世界许多国家的军事部门、工业界和学术界的极大关注。美国自然科学基金委员会于2003年制定了传感器网络研究计划，投资3400万美元，支持相关基础理论的研究。美国国防部和各军事部门都对传感器网络给予了高度重视，在C4ISR的基础上提出了C4KISR计划，强调战场情报的感知能力、信息的综合能力和信息的利用能力，把传感器网络作为一个重要研究领域，设立了一系列的军事传感器网络研究项目。美国英特尔公司、微软公司等信息产业界巨头也开始了传感器网络方面的工作，纷纷设立或启动相应的行动计划。日本、英国、意大利、巴西等国家也对传感器网络表现出了极大的兴趣，纷纷展开了该领域的研究工作。

4.智能家居

随着时代的发展，人们下班前就通知家里电饭煲自动煮饭、洗衣机自动洗衣服的梦想已经慢慢变成了现实，这就是智能家居的使用，人们只需要通过手机或者其他的一些应用，便能够实现对家居的控制，节省人们大量的时间和精力。智能家居以无线传感器网络应用为基础，所有的家居都被做成了一个智能节点，在无线传感器网络中通过对家居的控制来实现智能家居的梦想。

无线传感器网络还有许多其他的应用，如在工业控制中流水线的监控、室内环境的保持等，将来无线传感器网络将会运用得越来越广泛。