无线传感器网络研究现状及应用

赵娜

（青海省建筑职业技术学院，青海 西宁 810012）

无线传感器网络研究现状及应用

赵娜

（青海省建筑职业技术学院，青海 西宁 810012）

作为物联网的重要组成部分，无线传感器网络具有非常广泛的应用领域，因而越来越多的工业界和学术界从事其开发。本文首先介绍了无线传感器网络的概念和特点，然后分析了无线传感器网络的研究现状和关键技术，最后阐述了无线传感器网络的应用领域，为相关研究人员提供参考。

无线器传感网络；传感器节点；能量；研究现状

1 引言

1.1 定义

无线传感器网络（Wireless Sensor Networks,WSN）由部署在监控区域、随机分布的大量传感器节点，以自组织和多跳的方式构成无线网络来实现数据的采集量化、处理融合和传输应用，它综合了计算机技术、通信技术和传感器技术三大技术[1]。由于无线传感网络技术近年来的广泛应用，成为目前倍受关注的热点研究领域。1999年，出现了关于无线传感器网络的代表性论述，题为“传感器走向无线时代”[2]。2001年，美国《技术评论》杂志将无线传感器网络列于十大改变未来世界的新兴技术之首[3]。2003年，《商业周刊》预测：无线传感器网络将会在不久的将来掀起新的产业浪潮[4]。一个典型的无线传感网络结构如图1所示。

图1 一个典型的无线传感器网络结构图

无线传感器网络系统由汇聚节点（即Sink）、传感器节点和管理节点构成,它的工作原理是:随机地把数量庞大的传感器节点部署在监测区域内，通过无线方式将采集到的信息以多跳的方式传输给远程任务管理平台，以实现用户对目标的远程监测和处理。

传感器节点结构简单，如图2所示，通常由感知、数据处理、通信和能量供应四个模块构成[5]。感知模块是由传感器和A/D转换功能模块来构成，主要任务是采集被监测区域的数据信息并进行模数转换；处理模块主要包括中央处理器、存储器以及嵌入式系统等基本模块，主要控制节点的具体操作并对传来的数据进行存储和处理；通信模块的核心组成部分是无线通信模块，主要负责与其它节点无线通讯、收发数据以及控制信息的交换；能量供应模块常由电池供电，负责提供足够的能量以保证传感器节点能正常工作。

图2 传感器节点结构图

1.2 特点

无线传感器网络不仅具有独立、分布、多跳等普通无线Ad Hoc网络的特性，同时还存在自组织、动态的网络拓扑、以数据为中心等特点，应用前景越来越广泛[6]。

首先是分布式的自组织特性。在传感器网络应用中，由于传感器节点的位置无法预先精确设定，节点之间的相互邻居关系预先也不知道，通常采用飞机播撒的方式将传感器节点部署到广阔的或人不可到达的区域。这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，自动转发监测数据。

其次是网络拓扑的动态特性。网络中的节点状态随着环境条件的变化而相应地发生变化，加之无线通信信道的不稳定性，网络拓扑因此也在不断地调整变化，而这种变化方式是无人能准确预测出来的。

第三是节点资源受限特性。传感器节点具有的能量、通信能力、计算与存储能力都非常有限。如何高效使用能量是传感器网络的首要设计目标。此外，节点的通信范围也很有限，随着通信范围的增大，通信功耗急剧增加。由于传感器节点使用的处理器是嵌入式处理器，体积小，计算能力相对薄弱，存储容量也比较小。此外，传感器网络还具有可靠性低、以数据为中心等特点。

2 无线传感器网络国内外研究现状

无线传感器网络具备较高的科研价值和广泛的应用前景，它的出现引发了国内外的广泛关注，虽然其研究历史不长，但发展非常迅速。

2.1 国外研究现状

1999年美国国防部提出了“智能尘埃”的概念，最早开始无线传感器网络技术的研究，目的是监控敌方的活动状况而不被察觉。“灵巧传感器网络通信”计划是2001年被美国陆军提出的，就是将无人值守式弹药、传感器以及未来战斗系统所用的机器人系统连成网络，从而提高未来战斗系统的生存能力。2002年，英特尔专门向外界发布了发展规划，称其会把传感器网络的研究重点放在森林火灾监测和医学预防等方面。同年欧盟提出为期3年的EYES计划，着重对无线传感器网络的构架、节点的协作、网络协议和安全等进行研究。

在学术界，2003年美国科学基金委员会斥巨资制定了无线传感网研究计划来支持微型传感器网络的发展，研究领域涉及能够感知生物攻击、有毒化学物等的传感器节点、分布环境下传感网的特性等问题。2005年，在网络技术和系统的研究计划中，资助4000万美元来探究下一代可靠性高、安全可扩展的网络、可编程的无线网及传感器系统的网络特性。哈佛大学、康奈尔大学和麻省理工学院等美国名校也成立了研究小组在无线传感器网络方面开展了大量的工作。除了高校和科研机构外，国外的知名企业也都先后参与开展了该领域的研究。克尔斯博公司率先进行无线传感器网络研究，Crossbow公司也与微软、英特尔、加州大学伯克利分校都建立了合作关系。

2.2 国内研究现状

我国的无线传感器网络研究相对国外而言起步较晚，直到2002年以后才开始初步探索。在国内，较早进行传感器网络相关研究的高校和科研机构有清华大学、浙江大学、北京大学以及中科院计算和软件所等，他们主要在时间同步与定位、传感器数据管理等领域展开研究。与此同时，重庆大学也开始研究嵌入式无线传感器网络节点、无线传感器中的定位、可重构技术等。2004年，一项无线传感器网络项目被中国国家自然科学基金委员会列为重点研究项目；2005年，无线传感器网络基础理论和关键技术被列入计划；2006年，水下移动传感器网络的关键技术被列为重点研究项目。国家发改委下一代互联网示范工程中，也部署了无线传感网相关课题。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，有两个（即自组织网络技术和智能感知技术）属于无线传感器方面的研究。国内也有越来越多的企事业单位（如北京鑫诺金、成都无线龙科技、宁波中科等公司）开始积极投身于传感器网络技术的研究。

3 无线传感器网络关键技术

作为当今信息科学与计算机网络领域的研究热点，无线传感器网络的关键技术具有多技术融合、跨学科交叉等特征，每项关键技术都亟待突破[7]。目前无线传感器网络的关键技术有节能技术、网络拓扑控制、网络协议、网络安全、时间同步、定位技术、数据融合、数据管理、应用层技术等，可归结为网络通信协议、网络管理技术和网络支撑技术三个方面。具体如表1所示。

表1 无线传感器网络关键技术

3.1 网络通信协议

由于无线传感器网络节点通信距离比较短（覆盖半径约为几十米到两百米），在节点能量严重受限的情况下，整个网络的使用寿命将会被网络通信协议的优劣所影响。目前网络通信协议框架包括五层：物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层，重点研究数据链路层和网络层协议，其中数据链路层协议完成底层基础结构的构建，主要功能是成帧、分帧、介质访问控制（MAC）与差错控制，为网络层提供可靠的数据传输链路。网络层的路由协议主要负责路由的建立和维护，决定着监测信息的传输路径。

3.2 数据融合

无线传感器网络不同于一般数据传输网络的显著特点就是可以通过网内处理对数据进行融合。由于无线传感器网络由大量密集的传感器节点构成，数据冗余度高，通过数据融合不仅能减少带宽占用和数据传输总量，而且还能有效降低能耗，大大延长网络生命周期。传统的数据融合模型虽然考虑降低数据冗余，但存在融合耗能不均匀的问题，因此，如何有效分配数据融合任务，设计延长网络生命周期的融合路径机制成为研究的重要方向。

3.3 节点定位

节点定位作为无线传感网络的关键技术之一，就是为了确定事件发生的位置或数据采集节点的位置信息。在智能交通、环境监测、紧急救援等传感器网络的应用场景中，都需要网络节点能够准确地提供自身的位置坐标。常用的定位方法分为基于测距的定位和非测距定位方法。现有的算法多是基于静止节点的，文献[8]将关注点转向移动节点的定位算法研究。

3.4 时间同步

时间同步技术也是保证传感器节点间能够协调操作、共同完成一项复杂任务的关键，传感器数据融合及节点自身定位等具体应用均要求节点间的时钟保持同步。目前广泛用于网络时间同步的方法GPS和NTP没有考虑传感器网络的特点,且需要较大的资源开销，因此并不适合直接用于无线传感器网络中。根据一对节点间同步的不同实现机制，典型的时间同步算法可分为三类：基于receiver-receiver的同步算法、基于pair-wise的同步算法和基于sender-receiver的单向（one-way）同步算法。虽然现有的同步算法已取得了一些进展，未来还需要在网络的规模、可变拓扑及性能评价等方面进行更深入的研究。

4 无线传感器网络应用领域

无线传感器网络自组织、自愈合、部署简单等特性，使它能够适应复杂多变的环境，在军事、工业、农业、生活等领域得到了广泛的应用。

4.1 军事领域

无线传感器网络最初起源于军事领域，具有快速部署、定位精度高、抗毁性强、实时性等优势，非常适合复杂多变的战场环境，进行目标定位、地形勘察、实时监控、战场评估等任务。大量的传感器节点可以通过飞机布撒在需要监测的区域中去，将大量的数据收集、融合之后，把最终的结果传送给指挥中心，为指挥员进行决策提供真实可靠的依据。无线传感器网络已经成了国防等军事领域至关重要的一部分，受到军队的广泛关注。相关的应用有：美军开展的C4KISR计划、网状传感器系统CEC、Smart Sensor Web和无人值守地面传感器群等。

4.2 环境监测

环境问题与大家的健康息息相关，已引起人们的广泛关注，因此通过技术手段对环境指标进行监控，意义重大。但是在传统方式下采集环境数据是很困难的，尤其是在深海、地形复杂的情况下。通过无线传感器网络能够避免人为的干扰给原始的环境系统造成的侵害，实现对环境的精确监控，包括农作物的灌溉、动物的迀移、土壤分析、海洋监测、地表监测等。2002年，英特尔公司在俄勒冈州创建了世界上第一个无线葡萄园，通过对分布在园中各角落的传感器节点数据的不断监测，确保葡萄的健康生长。

4.3 智能家居

在智能家居方面，无线传感器网络同样扮演了十分重要的角色。传感器网络节点可以方便地安装在建筑物内，可以通过对家庭电子设备的远程控制，及时了解室内环境参数，为家居环境控制和危险报警提供依据。无线传感器网络还能用来构建智能家居，对房间内的温湿度、压力、光照强度和空气质量等做详细监测，同时配合智能微波炉、洗衣机、空调等家电的控制，为人们提供一个舒适的居住环境，提高家庭生活质量。此外，在文物保护方面，确保展品的安全成为无线传感器网络的首要任务。

4.4 健康监护

通过无线传感器网络可以远程及时跟踪患者的健康状况，对病人的血压、呼吸、体温、脉搏等健康指标进行实时监控，让医生掌握患者的病情以便及时处理。此外，如果长期对患者的各项生理指标进行监测，也可以及时收集第一手资料，为新药研制提供重要参考依据。

5 结束语

无线传感器网络是21世纪产生巨大影响的技术之一，集信息获取、处理和传输为一体，由于其成本低、自组织、隐蔽性强等优势，被广泛地应用于医疗保健、抗险救灾、环境监测和预报、智能家居等其它诸多方面，随着相关研究的日趋成熟，未来的发展潜力和应用前景会更加广阔。

[1]洪锋，褚红伟，金宗科等．无线传感器网络应用系统最新进展综述[J]．计算机研究与发展，2010，47．

[2]李钊，韦玮．无线传感器网络及关键技术综述[J]．空间电子技术，2006，1．

[3]司海飞，杨忠，王珺．无线传感器网络研究现状与应用[J]．机电工程，2011，1．

[4]段中兴．物联网传感技术[M]．中国铁道出版社，2014．

[5]尚凤军．无线传感器网络通信协议[M]．电子工业出版社，2011．

[6]Robert Faludi．Arduino无线传感器网络实践指南[M]．机械工业出版社，2013．

[7]钱志鸿，王义君．面向物联网的无线传感器网络综述[J]．电子与信息学报，2013，1．

[8]王成成．基于蒙特卡洛方法的移动无线传感器网络节点定位技术研究[D]．山东大学，2014．

Review on Research Status andApplication of Wireless Sensor Networks

Zhao Na
(Qinghai College ofArchitectural Technology，Xining 810012，Qinghai)

As an important part of Internet of Things,wireless sensor networks has a very wide range of applications,so more and more industry and academia are engaged in the development.Firstly the basic concepts and characteristic of wireless sensor networks are introduced,then the research status and the key technology of wireless sensor networks are analyzed.Finally,the application fields of wireless sensor networks are described so as to provide reference for the research personnel.

wireless sensor networks；sensor node；energy；research status

TP393

：A

1008-66609(2015)04-0047-03

赵娜，女，河南镇平人，硕士，副教授，研究方向：数据挖掘、大数据、无线传感器网络。