无线传感器网络关键技术及特点研究

朱慧勇

（西安铁路职业技术学院，陕西 西安 710014）

无线传感器网络关键技术及特点研究

朱慧勇

（西安铁路职业技术学院，陕西 西安 710014）

文章阐述了无线传感器网络中的无线传感器节点结构、无线传感网网络的结构，从定位技术、安全技术、能量控制、数据融合、网络协议、时间同步技术与网络拓扑控制7个方面论述了无线传感器网络的关键技术，并分析了无线传感器网络的特点。

无线传感器网络；关键技术；节点结构

无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）是随着嵌入式计算技术、无线通信技术、传感器技术、微机电系统技术、分布式信息处理技术和数据融合技术的发展而发展的一门新兴交叉研究领域。它是由大量部署在目标区域廉价微型传感器节点通过无线通信方式形成的多跳自组织网络，其目的是协作地实时监测、感知和收集区域中被监测对象的信息，并通过无线网络把信息传输给观察者。

1　无线传感器节点的结构

无线传感器节点主要由电源供应模块、处理器模块、传感器模块和无线收发模块4个模块构成。

电源供应模块主要采用微电池负责供应电力，随着清洁能源的发展，也有使用太阳能供电的。处理器模块由微处理器和相应内存构成，负责对采集来的数据进行简单加工，并且控制传感器模块和无线收发模块。传感器模块是由一个或者多个传感器以及模/数转换器构成，传感器有多种类型，如温度传感器、湿度传感器、光强度传感器、噪声传感器和压力传感器等等。传感器监测目标区域，并产生相应的模拟信号，经过模/数转换器转换成数字信息，并将其送到处理器模块进行处理。无线收发模块是由短距离无线收发器和模/数转换器组成，负责发送和接收信号以及传递控制命令。另外，传感器节点也可以根据相应的需求而添加相应模块，如GPS模块和电机驱动模块，但这两种节点的成本和能耗都高。

2　无线传感器网络的结构

无线传感器网络的结构可以分为监测区域或监测目标、传感器节点、汇聚节点、卫星和互联网、远程任务管理节点和用户6部分。监测区域比较广阔，自然环境恶劣甚至危险。监测目标既有静止的也有运动的，既有安全的也有危险的。传感器节点一般是通过飞机抛洒、人工部署的方式安置在监测目标的附件或监测区域中。在传感器节点的结构中，带GPS模块的可以自己定位的传感器节点叫作锚节点，而没有带GPS模块无法自身定位的节点称为未知节点。现实中，由于GPS模块比较贵，而且有视距（Line of Sigh，LOS）要求，所以为每个节点配置GPS模块得不偿失。于是通过少量锚节点的位置信息来定位大量未知节点的位置成了研究热点之一。传感器节点本身由于非常小，故而受到硬件、能源和价格的制约，通信能力、计算能力、存储空间和能量都十分有限。而汇聚节点是较特别的传感器节点，具有较强的通信能力、较强的计算能力、较大的存储空间和能量一般不受限的特点，它主要负责网关的功能，使传感器节点可以和外部网络连接，把收集到的数据信息传输到卫星和互联网，同时也接受用户的操作指令传达给传感器节点。从汇聚节点发出的数据信息，经过卫星和互联网传递到远程任务管理节点，用户根据信息来进行判断和抉择。

3　无线传感器网络的关键技术

无线传感器网络是一门新兴的交叉研究技术领域，涉及嵌入式计算技术、无线通信技术、传感器技术、微机电系统技术、分布式信息处理技术和数据融合技术等。所以当论述无线传感器网络的关键技术时，这些技术也是关键技术。当然，无线传感器网络的关键技术还有定位技术、安全技术、能量控制、网络协议、时间同步技术、网络拓扑控制等。下面主要讲无线传感器网络的关键技术。

3.1定位技术

无线传感器网络具有很广泛的应用，在这些应用中，无线传感器网络中的节点所获得的信息需要相应节点的位置信息，否则，这些信息就显得没有多少价值。最简单的无线传感器网络定位是给每个节点装载GPS，但不切实际。目前，定位算法主要是利用少量已知节点的位置信息来定位大量未知节点。节点自身的准确定位不仅是提供检测事件或目标位置信息的前提，也是提供网络拓扑自配置、提高路由效率、向部署者报告网络覆盖质量、实现网络负载均衡以及为网络提供命名空间等网络功能的基础［1］。因此有必要采取一定手段来实现无线传感器网络中节点的定位。

3.2安全技术

对于无线传感器网络来讲，部署环境和传播介质都非常开放，因此它很容易受到各种各样的攻击。尤其是当它部署在无人照看或者敌方领域的时候，无线传感器网络需要安全技术来维护网络的正常运转。无线传感器网络的安全技术涉及密码、密钥管理、认证、安全路由、入侵检测、拒绝服务（Denial of Service，DoS）攻击和访问控制，而传感器节点本身由于受到计算能力太弱、内存太小和能量有限的限制，无线传感器网络的安全面临着巨大的挑战［2］。

3.3能量控制

由于无线传感器节点通常是随机部署在监控区域中，当节点的电源使用完之后，一般是不可能再重新更换节点电源，所以无线传感器节点会面临死亡的威胁。如何延长节点和网络的寿命也是关注热点之一。文献［3］提出一种分布式、能耗均衡、与节点位置无关的无线传感器网络覆盖协议来延长网络寿命。文献［4］提出了一种能量高效均衡、非均匀分簇和簇间多跳路由有机结合的无线传感器网络分布式分簇路由协议。

3.4数据融合技术

无线传感器网络中节点数量可能成千上万，在某区域中，可能好多个传感器节点同时都监测到同一数据信息，如果不进行数据融合技术处理，将会大大增加无线传感器网络的需要传输的数据信息，造成网络阻塞，浪费无线传感器网络的寿命。目前，数据融合技术主要有基于生成树的数据融合、消除时空相关性的数据融合、路由驱动型数据融合、基于预测的时域数据融合和基于分布式压缩的数据融合5种类型［5］。

3.5网络协议

无线传感器网络的网络协议是为了保证无线传感器节点之间能够进行数据信息的交换、融合和传输而建立的标准、约定和规则。由于无线传感器自身的弱点，设计的网络协议不能太复杂，简单、高效和安全的网络协议是无线传感器网络所追求的。随着物联网的快速发展，无线传感器网络的网络协议面临更加多元化的挑战。

3.6时间同步技术

传统的时间同步技术网络时间协议（Network Time Protocol，NTP）和GPS技术不适合无线传感器网络。由于无线传感器节点的体积、计算能力和存储空间有限，而且用无线连接彼此，因此NTP不适合无线传感器网络。无线传感器节点不可能每个都携带GPS设备，而且使用GPS有严格的环境要求，因此GPS也不适合。无线传感器网络的时间同步技术要考虑健壮性和可扩展性这两个性能上的要求。典型的基于报文的时间同步技术有延迟测量时钟同步协议（Delay Measurement Time Synchronization，DMTS）、参考广播同步协议（Reference Broadcast Synchronization，RBS）、传感网时间同步协议（Timing-Sync Protocol for Sensor Networks，TPSN）、分级的参考时间同步协议（Hierarchy Referencing Time Synchronization Protocol，HRTS）、泛洪时间同步协议（Flooding Time Synchronization Protocol， FTSP）和全局时钟同步（Global Clock Synchronization，GCS）等。GCS有节点遍历模式、聚类分层模式和扩散模式。目前最新的时间同步技术有萤火虫同步技术与协作同步技术，可以参考文献［6］。

3.7网络拓扑控制

无线传感器网络由于自身和环境的影响，网络拓扑经常会产生变化。研究无线传感网络的拓扑控制具有重要性：首先，拓扑控制是一种重要的节能技术；其次，拓扑控制保证覆盖质量和连通质量；再次，拓扑控制能够降低通信干扰、提高介质访问控制（Media Access Control，MAC）协议和路由协议的效率、为数据融合提供拓扑基础；此外，拓扑控制能够提高网络的可靠性、可扩展性等其他性能［7］。

4　无线传感器网络的特点

Ad-hoc（点对点）网络具有无中心、自组织、多跳路由、动态拓扑等特点，而无线传感器网络是Ad-hoc网络的应用领域之一，因此无线传感器网络也有以上特点。但无线传感器网络和传统Ad-hoc网络又有几方面的不同：无线传感器网络的节点通常是部署在环境比较恶劣的地方；无线传感器网络规模一般比较大；无线传感器网络中的节点计算能力，内存，能量都有限制；无线传感器网络的任务主要是为了采集数据，发送数据给用户。下面分几个方面来论述无线传感器网络规模大、无中心、分布式、自组织的特点。

无线传感器网络的规模大指的是无线传感器网络中节点数目成千上万，我国的“绿野千传”项目在2009年的时候已经部署了超过2 000个节点［8］。无中心是指无线传感器网络中除了汇聚节点之外的所有无线传感器节点的地位相同。分布式是指无线传感器网络是由无线传感器节点分布在不同的地方且它们之间有多条路径可以互相通信、交换数据，任一节点出现故障或者死亡都不会影响整体网络，有比较高的可靠性。自组织是指无线传感器网络中节点的部署不需要依靠任何网络设备，当无线传感器节点部署好之后，节点通过预先设置好的协议发送广播，节点自动组成网络。

4.1节点自身的弱点

由于无线传感器网络的应用决定了无线传感器节点不可能太大，太大的话，容易被发现，甚至被敌军摧毁。无线传感器节点比较小造成了节点的能力有限，体现在计算能力比较弱，内存比较小，能量有限。随着科技的发展，无线传感器节点的自身弱点也会变得越来越小。

4.2部署环境比较恶劣

由于无线传感器节点具有感知物理世界的功能，于是很多事情人类可以交给无线传感器网络来做，相当于人类的第三只眼睛。比如从核反应堆测量辐射水平，在野外观察野生动物的行踪，甚至在月球上为月球探测车导航。这些部署环境都比较恶劣。

4.3多跳路由

由于无线传感器节点的通信半径有限，两个节点之间的数据交换极有可能不是点对点之间的交换，这时候就需要两个节点之间的节点相互协作来完成数据交换，这就叫作多跳路由。

4.4动态拓扑

在无线传感器网络中，由于各种各样的原因：一些节点或许死亡的比较早；一些节点在第一次抛洒时没有联到网络中，在又一次抛洒时可以联到网络中；一些节点或许部署在移动物体上；或许通信环境发生变化；总之网络的拓扑结构经常发生动态变化。无线传感器网络的自组织能力和重构能力可以解决此类问题。

4.5面向应用，以采集数据为中心

由于各种各样的应用，在设计无线传感器节点及网络的时候，不能千篇一律。针对不同的实际应用，提出相应的配套的无线传感器网络解决方案。在实际应用中，用户关心的是何时何地发生了何事，也就是无线传感器网络高效实时采集的数据，只有有了数据，用户才能作出快速的反应。以上说明，无线传感器网络具有面向应用，以采集数据为中心的特点。

5　结语

本文主要介绍无线传感器的结构、无线传感器网络体系结构、无线传感器网络的关键技术和无线传感器网络的特点。无线传感器网络作为当前的一项热点研究领域之一，有着十分广泛的应用前景，对国家安全、社会进步、经济发展、生活便捷有着重大意义，未来的应用会更加普及。

[1]王福豹，史龙，任丰原. 无线传感器网络中的自身定位系统和算法[J].软件学报，2005（5）：857-868.

[2]裴庆祺，沈玉龙，马建峰. 无线传感器网络安全技术综述[J].通信学报，2007（8）：113-122.

[3]方关林，李平.一种能耗均衡的无线传感器网络覆盖协议[J].计算机工程，2011（8）：97-98.

[4]蒋畅江，石为人，唐贤伦，等. 能量均衡的无线传感器网络非均匀分簇路由协议[J].软件学报，2012（5）：1222-1232.

[5]康健，左宪章，唐力伟，等. 无线传感器网络数据融合技术[J].计算机科学，2010（4）：31-35.

[6]徐朝农，徐勇军，李晓维. 无线传感器网络时间同步新技术[J].计算机研究与发展，2008（1）：138-145.

[7]张学，陆桑璐，陈贵海，等. 无线传感器网络的拓扑控制[J].软件学报，2007（4）：943-954.

[8]刘云浩. 绿野千传：突破自组织传感网大规模应用壁垒[J].中国计算机学会通信，2010（4）：35-37.

Research on key technology and characteristics of wireless sensor network

Zhu Huiyong
（Xi'an Railway Vocational & Technical Institute, Xi'an 710014, China）

This paper elaborated the node structure of wireless sensor and the structure of the wireless sensor network in wireless sensor network. It discussed the key technology of wireless sensor network from seven aspects of the location technology, security technology, energy control technology, data fusion technology, the network protocol technology, time synchronization technology and the network topology control technology, and analyzed the characteristics of wireless sensor network.

wireless sensor network; key technology; node structure

朱慧勇（1985— ），男，河南焦作。