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無線傳感器網絡：Wireless Sensor Network |
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微機電系統(Micro-Electro-Mechanism System, MEMS)、片上系統(System on Chip, SoC)、無線通信和低功耗嵌入式技術的飛速發展，孕育出無線傳感器網絡(Wireless Sensor Networks, WSN)，並以其低功耗、低成本、分佈式和自組織的特點帶來了信息感知的一場變革。無線傳感器網絡是由部署在監測區域內大量的廉價微型傳感器節點，通過無線通信方式形成的一個多跳自組織網絡。簡介 介紹 傳感器網絡實現了數據的採集、處理和傳輸三種功能。它與通信技術和計算機技術共同構成信息技術的三大支柱。 無線傳感器網絡（Wireless Sensor Network, WSN）是由大量的靜止或移動的傳感器以自組織和多跳的方式構成的無線網絡，以協作地感知、採集、處理和傳輸網絡覆蓋地理區域內被感知對象的信息，並最終把這些信息發送給網絡的所有者。 無線傳感器網絡所具有的眾多類型的傳感器，可探測包括地震、電磁、溫度、濕度、噪聲、光強度、壓力、土壤成分、移動物體的大小、速度和方向等周邊環境中多種多樣的現象。潛在的應用領域可以歸納為: 軍事、航空、防爆、救災、環境、醫療、保健、家居、工業、商業等領域。 [1] 定義 WSN是wireless sensor network的簡稱，即無線傳感器網絡。無線傳感器網絡就是由部署在監測區域內大量的廉價微型傳感器節點組成，通過無線通信方式形成的一個多跳的自組織的網絡系統，其目的是協作地感知、採集和處理網絡覆蓋區域中被感知對象的信息，並發送給觀察者。傳感器、感知對象和觀察者構成了無線傳感器網絡的三個要素[2]。 發展歷史 中國物聯網校企聯盟認為，傳感器網絡的發展歷程分為以下三個階段：傳感器→無線傳感器→無線傳感器網絡（大量微型、低成本、低功耗的傳感器節點組成的多跳無線網絡） 第一階段:最早可以追溯至越戰時期使用的傳統的傳感器系統。當年美越雙方在密林覆蓋的“胡志明小道”進行了一場血腥較量，“胡志明小道”是胡志明部隊向南方游擊隊輸送物資的秘密通道，美軍對其進行了狂轟濫炸，但效果不大。後來，美軍投放了2萬多個“熱帶樹”傳感器。 “熱帶樹”實際上是由震動和聲響傳感器組成的系統，它由飛機投放，落地後插入泥土中，只露出偽裝成樹枝的無線電天線，因而被稱為“熱帶樹”。只要對方車隊經過，傳感器探測出目標產生的震動和聲響信息，自動發送到指揮中心，美機立即展開追殺，總共炸毀或炸壞4.6萬輛卡車。第二階段:二十世紀80年代至90年代之間。主要是美軍研製的分佈式傳感器網絡系統、海軍協同交戰能力系統、遠程戰場傳感器系統等。這種現代微型化的傳感器具備感知能力、計算能力和通信能力。因此在1999年，商業周刊將傳感器網絡列為21世紀最具影響的21項技術之一。 第三階段:21世紀開始至今，也就是9·11事件之後。這個階段的傳感器網絡技術特點在於網絡傳輸自組織、節點設計低功耗。除了應用於反恐活動以外，在其它領域更是獲得了很好的應用，所以2002年美國國家重點實驗室－－橡樹嶺實驗室提出了“網絡就是傳感器”的論斷。 由於無線傳感網在國際上被認為是繼互聯網之後的第二大網絡，2003年美國《技術評論》雜誌評出對人類未來生活產生深遠影響的十大新興技術，傳感器網絡被列為第一。 在現代意義上的無線傳感網研究及其應用方面，我國與發達國家幾乎同步啟動，它已經成為我國信息領域位居世界前列的少數方向之一。在2006年我國發布的《國家中長期科學與技術發展規劃綱要》中，為信息技術確定了三個前沿方向，其中有兩項就與傳感器網絡直接相關，這就是智能感知和自組網技術。當然，傳感器網絡的發展也是符合計算設備的演化規律。 特點 大規模 為了獲取精確信息，在監測區域通常部署大量傳感器節點，可能達到成千上萬，甚至更多。傳感器網絡的大規模性包括兩方面的含義：一方面是傳感器節點分佈在很大的地理區域內，如在原始大森林采用傳感器網絡進行森林防火和環境監測，需要部署大量的傳感器節點；另一方面，傳感器節點部署很密集，在面積較小的空間內，密集部署了大量的傳感器節點。 傳感器網絡的大規模性具有如下優點：通過不同空間視角獲得的信息具有更大的信噪比；通過分佈式處理大量的採集信息能夠提高監測的精確度，降低對單個節點傳感器的精度要求；大量冗餘節點的存在，使得系統具有很強的容錯性能；大量節點能夠增大覆蓋的監測區域，減少洞穴或者盲區。 自組織 在傳感器網絡應用中，通常情況下傳感器節點被放置在沒有基礎結構的地方，傳感器節點的位置不能預先精確設定，節點之間的相互鄰居關係預先也不知道，如通過飛機播撒大量傳感器節點到面積廣闊的原始森林中，或隨意放置到人不可到達或危險的區域。這樣就要求傳感器節點具有自組織的能力，能夠自動進行配置和管理，通過拓撲控制機制和網絡協議自動形成轉發監測數據的多跳無線網絡系統。 在傳感器網絡使用過程中，部分傳感器節點由於能量耗盡或環境因素造成失效，也有一些節點為了彌補失效節點、增加監測精度而補充到網絡中，這樣在傳感器網絡中的節點個數就動態地增加或減少，從而使網絡的拓撲結構隨之動態地變化。傳感器網絡的自組織性要能夠適應這種網絡拓撲結構的動態變化。 動態性 傳感器網絡的拓撲結構可能因為下列因素而改變：①環境因素或電能耗盡造成的傳感器節點故障或失效；②環境條件變化可能造成無線通信鏈路帶寬變化，甚至時斷時通；③傳感器網絡的傳感器、感知對象和觀察者這三要素都可能具有移動性；④新節點的加入。這就要求傳感器網絡系統要能夠適應這種變化，具有動態的系統可重構性。 可靠性 WSN特別適合部署在惡劣環境或人類不宜到達的區域，節點可能工作在露天環境中，遭受日曬、風吹、雨淋，甚至遭到人或動物的破壞。傳感器節點往往採用隨機部署，如通過飛機撒播或發射砲彈到指定區域進行部署。這些都要求傳感器節點非常堅固，不易損壞，適應各種惡劣環境條件。 由於監測區域環境的限制以及傳感器節點數目巨大，不可能人工“照顧”每個傳感器節點，網絡的維護十分困難甚至不可維護。傳感器網絡的通信保密性和安全性也十分重要，要防止監測數據被盜取和獲取偽造的監測信息。因此，傳感器網絡的軟硬件必須具有魯棒性和容錯性。 以數據為中心 互聯網是先有計算機終端系統，然後再互聯成為網絡，終端系統可以脫離網絡獨立存在。在互聯網中，網絡設備用網絡中惟一的IP地址標識，資源定位和信息傳輸依賴於終端、路由器、服務器等網絡設備的IP地址。如果想訪問互聯網中的資源，首先要知道存放資源的服務器IP地址。可以說現有的互聯網是一個以地址為中心的網絡。 傳感器網絡是任務型的網絡，脫離傳感器網絡談論傳感器節點沒有任何意義。傳感器網絡中的節點採用節點編號標識，節點編號是否需要全網惟一取決於網絡通信協議的設計。由於傳感器節點隨機部署，構成的傳感器網絡與節點編號之間的關係是完全動態的，表現為節點編號與節點位置沒有必然聯繫。用戶使用傳感器網絡查詢事件時，直接將所關心的事件通告給網絡，而不是通告給某個確定編號的節點。網絡在獲得指定事件的信息後匯報給用戶。這種以數據本身作為查詢或傳輸線索的思想更接近於自然語言交流的習慣。所以通常說傳感器網絡是一個以數據為中心的網絡。 例如，在應用於目標跟踪的傳感器網絡中，跟踪目標可能出現在任何地方，對目標感興趣的用戶只關心目標出現的位置和時間，並不關心哪個節點監測到目標。事實上，在目標移動的過程中，必然是由不同的節點提供目標的位置消息。 [1] |
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