无线传感器网络

无线传感器网络WirelessSensorNetworks引言•近年来，随着传感器、计算机、无线通信及微机等技术的发展和相互融合，产生了无线传感器网络（WSN，wirelesssensornetworks）。WSN技术与当今主流无线网络技术使用同一个标准——802.15.14，它是指由大量的廉价微型传感节点组成，通过无线通信方式形成的一个自组织的网络系统。可应用于布线和电源供给困难的区域、人员不能到达的区域和一些临时场合等。不需要固定网络支持，具有快速展开、抗损坏性强等特点，可广泛应用于军事、工业、交通、环保等领域，引起人们广泛关注•无线传感器网络是基于微电子技术、嵌入式计算技术、现代网络及无线通信技术、分布式信息处理技术实现的。WSN典型工作如下：使用飞行器将大量节点抛撒到感兴趣的区域，节点通过自组织快速形成一个无线网络。节点既是信息的采集者和发出者，也充当着信息的路由着，采集的数据通过多跳路由到达网关。网关也是一类特殊的节点，可以通过lnternet、移动通信网络、卫星等与监控中心通信。•目前WSN尚处于研究阶段，为了加快其实用化进程，国外建设了许多演示系统，相关的理论研究成果也很多。近年来国，内一些科研院所和高校也开展WSN理论和应用的研究。传统的感知方法WSN体系结构•WSN是一种分布式网络系统，采用多跳的通信方式，其网络拓扑结构动态变化，具有自组织、自控制以及自适应等智能属性，有传感器节点、感知对象和观察者三者基本组成。基于无线传感器网络的多网融合体系结构：•传感器节点：它具有信息采集、处理、控制和通信等功能，对于网络而言它有兼顾其他节点和路由器的功能。•在无线传感器网络中，网关担当网络间的协议转换器，不同网络类型的网络路由器，全网数据聚集、存储等重要角色，成为网络间连接不可缺少的纽带。传统的WSN网关是利用汇聚节点与PC机相结合来实现的，利用PC机与外部网络连接将无线传感器网络的数据进行远距离传输。•传感器网络覆盖感知对象区域，每个传感器完成其临近感知对象的观测，多传感器协同完成感知区域的大观测任务，使用多跳路由算法向用户报告观测结果。传感器节点的一般结构传感器节点的具体产品•根据无线传感器网络节点示意图可以看出：无线传感器网络节点实际是一个微型嵌入式系统。特点：1、电源能量有限：电池供电、难于更换。2、通信能力有限：距离小于100M；速率小。3、计算处理能力有限：处理器能力弱、存储容量小。•观测对象是观察者感兴趣的区域，诸如坦克、飞机、动物有害物质等物体。一般通过物理现象、化学现象或其他现象的数字量进行表征。•观察者是WSN的终端用户，是感测信息的接收者和使用者，可以使人、计算机或其他外部设备。WSN的特点及优势WSN并不非常简单的理解为利用无线通信方式多个传感器节点进行组网，它具有本身的特性及优势。1、网络规模大（节点数量多）例如：对森林、草原进行防火监控、野生动物活动情况监测、坏境监测往往要布置大量的无线传感器节点，布设范围也远远超过一般的局域网范围。布置大量的无线传感器节点的优点：(1)提高整体监测的精确度(2)降低对单个节点的精确要求(3)大量冗余节点的存在使得系统有较强的容错性。2、自组织网络与局部网的布设不同，无线传感器节点额位置布设前不能事先确定(飞机撒布、人员随机布设)，节点之间的互相邻居关系也不能事先确定。要求无线传感器节点具有自组织能力，能够自动进行配置管理。实现的方法是通过拓扑控制机制和网络路由协议自动形成能够转发数据的多跳无线网络系统。3、动态性网络无线传感器网络的拓扑结构经常改变。原因：(1)被动改变：传感器节点电能耗尽；环境变化造成通信故障；传感器节点本身出现故障。(2)主动改变：增加新节点；根据路由算法的优化做出的改变。4、可靠性强(1)传感器节点本身硬件结构可靠布设时：可能通过飞机撒布，人员随机撒布工作时：风吹、日晒、雨林、严寒、酷暑。维护性：维护十分困难(几乎不可能)。(2)网络结构可靠自组织网、动态性保证基本的信息传输正常。(3)软件可靠(4)信息保密性强5、以数据为中心在互联网中终端、主机、路由器、服务器等设备都有自己的IP地址。想访问互联网中资源，必须先知道存放资源的服务器的IP地址。所以互联网是一个以地址为中心的网络。而无线传感器网络是任务型网络。在WSN中，节点虽然也有编号。但是编号是否在整个WSN中统一取决于具体需要。另外节点编号与节点位置之间也没有必然联系。用户使用WSN查询事件时，将关心的事件报告给整个网络而不是某个节点。许多时候只关心结果数据如何，而不关心是哪个节点发出的数据。WSN采用微型传感器节点采集信息，各节点间具有自组织和协同工作的能力，网络内部采用无线多跳通信方式，与传统的SN相比具有以下优势：1、精确高：实现单一的传感器无法实现的密集空间采样及近距离监测。2、灵活性强：一经部署无需人为干预。3、可靠性高：可以避免单点失效问题4、性价比高：降低有线传输成本，随着技术的发展，传感器成本低。WSN的网络协议层次WSN协议栈示意图物理层提供简单健壮的信号调制和无线收发技术。数据链路层负责数据帧、帧检测、媒体访问和差错控制。网络层主要负责路由生成与路由选择。传输层主要负责数据流的传输控制，是保证通信服务质量的重要部分。应用层包括一系列基于监测任务的应用层软件。能量管理平台管理传感器节点如何使用能量，在各个协议层都需要考虑节省能量。移动管理平台检测并注册传感器节点的移动，维护到汇聚节点的路由，使得传感器节点能够动态跟踪其邻居的位置。任务管理平台在一个给定的区域平衡和调度监测任务。WSN网络协议拓扑图(1)时间同步和定位子协议依赖于数据传输控制层进行定位和时间同步，同时又为路由等几层协议提供支持。(2)能量管理在各个层次之中都要增加能量控制代码。WSN应用领域由于WSN的特殊性，其应用领域与普通网络有着显著地区别，主要包括以下几类：（1）军事应用利用WSN可以快速部署、自行组织网络、隐蔽性强、高容错性的特点。可以在战场上广泛应用。包括：对敌军兵力、武器的监测、战场实时监视、目标定位与锁定、战果评估等等。（2）紧急和临时场合当遭受自然灾难打击后、固定的通信网络设施可能被全部摧毁或无法正常工作，边远或偏僻野外地区、植被不能破坏的自然保护区，无法采用固定或预设的网络设备通信。这些情况，都可以利用WSN的快速展开和自组织特点来解决（3）环境监测比如：农田灌溉情况监控、土壤成分监测、环境污染情况监测、森林火灾报警、水情监测、气温监测、关照时间数据的采集等许多场合。（4）医疗护理包括：患者生理数据采集、医疗器材的管理、药品的发放以及关键人员的跟踪、定位等等。（5）智能家居在家电和家居中嵌入WSN的传感器节点，并与互联网连接在一起。可以提供更舒适、方便、更具人性化的家居环境。（6）工厂监控比如：化工、石油、电力、机械加工、纺织印染等等行业采用WSN技术可以很方便的进行监测。WSN应用存在的问题及研究热点在无线传感器网络的设计应用过程中，有多种基础性技术是支撑传感器网络完成任务的关键，这些关键技术解决是保证网络用户功能正常运行的前提。（１）网络协议在无线传感器网络的网络协议研究中，MAC协议和路由协议是研究的重点。常用的MAC协议有：IEEE802.15.4、S-MAC、及T-MAC协议等；路由协议有：SPIN、DO、GEM、LEACH等协议。（２）时间同步在WSN，传感器节点通常需要相互合作，完成复杂的检测和感知任务，这需要各节点保持时间上的一致性，方便处理与时间有关的操作；WSN的一些节能方案也通过时间同步来实现的。目前，在WSN中应用比较成熟的时间同步协议有RBS（参考广播同步）、Tiny/mini-Sync（微小/迷你同步）以及TPSN（Timing-sync协议的传感器网络）等三种。（3）定位技术在WSN中，传感器节点获得的检测数据一般是与位置相关联的，用户感兴趣的是收到的数据是从哪个位置送来的，在一些应用中，需要通过空间不同位置的传感器协调实现测量功能。因此，WSN中的定位技术包括节点自身定位和目标定位两种。定位技术可以利用现有的GPS等定位技术，也可以根据WSN自身特点采用一些适用有效的定位算法，目前主要有DV2hop算法、位置分发算法、DV2distance算法等。（4）数据融合由于WSN的各种局限，在满足用户需求下，需求对监测数据进行融合处理，以节省通信带宽和能量，提高信息收集效率，从耗能角度看，各节点间的通信耗能远高于计算处理耗能。目前数据融合的方法很多，常用的有综合平均法，卡尔曼滤波法、贝叶斯方法、神经网络法、统计决策理论、模糊逻辑法、产生式规则和D-S证据理论等。（5）能量管理WSN的节点的电池充电和更换困难。因此，在设计时，要致力于高效实用节点的能量，所以能量管理也是WSN研究的重要课题。目前主要采用的能量管理策略有休眠机制、数据融合等，它们主要应用在计算机、存储单元及通信单元部分。休眠机制可以通过相应的硬件芯片、网络协议协调、动态电源管理及动态电压调度等多种措施实现。（6）安全管理WSN中，安全管理主要体现在通信安全和信息安全两个方面。通信安全主要考虑节点的安全、被动抵御入侵、主动反击入侵，三方面问题，信息安全主要考虑数据的机密性、数据鉴别、数据的完整性和实效性等方面。目前，WSN的安全研究内容主要包括：a）物理层的高效加密算法、扩频抗干扰等。b）数据链路层的安全MAC协议。c）网络层的安全路由协议。d）应用层的密钥管理和安全组播等，目前WSN中专用安全协议有：SNEP（网络安全加密）和uTESLA（微型定时有效流容忍丢失认证协议）。