无线传感器网络技术与应用现状的研究

中北大学2008届毕业论文第1页共51页1绪论1.1课题背景和研究意义无线传感器网络综合了传感器技术、嵌入式计算技术、现代网络及无线通信技术等多种先进技术。其主体是集成化微型传感器，这些微型传感器具有无线通信、数据采集和处理、协同合作的功能。无线传感器网络就是由成千上万的传感器节点通过自组织方式构成的网络，它通过这些传感器协作地实时监测、感知和采集各种环境或监测对象的信息，通过嵌入式系统对信息进行处理，并通过随机自组织无线通信网络以多跳中继方式将所感知信息传送到用户终端，使用户完全掌握监测区域的情况并做出反应[1]。无线传感器网络的自组织性和容错能力使其不会因为某些节点在恶意攻击中的损坏而导致整个系统的崩溃，所以传感器网络非常适合应用于恶劣的战场环境，包括监控我军兵力、装备和物资状态；监视冲突区域，侦察敌方地形和布防，定位攻击目标；评估损失，侦察和探测核、生物及化学攻击等。在战场上，铺设的传感器将采集相应的信息，并通过汇聚节点将数据送至数据处理中心，再转发到指挥部，最后融合来自各战场的数据，形成我军完备的战区态势图。也可以更隐蔽的方式近距离地观察敌方的布防，或直接将传感器节点撒向敌方阵地，在敌方还未来得及反应时迅速收集有利于作战的信息。在生物和化学战中，利用传感器网络，可及时、准确地探测爆炸中心，这会为我军提供宝贵的反应时间，从而最大可能地减小伤亡。无线传感器网络是继因特网之后，将对21世纪人类生活方式产生重大影响的IT热点技术。如果说因特网改变了人与人之间交流、沟通的方式，那么无线传感器网络则将逻辑上的信息世界与真实物理世界融合在一起，将改变人与自然交互的方式[2][3]。无线传感器网络是新兴的下一代传感器网络，最早的代表性论述出现在1999年，题为“传感器走向无线时代”。随后在美国的移动计算和网络国际会议上，提出了无线传感器网络是下一个世纪面临的发展机遇。2003年，美国《技术评论》杂志论述未来新兴十大技术时，无线传感器网络被列为第一项未来新兴技术。同年，美国《商业周刊》又在其“未来技术专版”中发表文章指出，传感器网络是全球未来四大高技术产业之一，将掀起新的的产业浪潮。美国《今日防务》杂志更认为无线传感器网络的应用和发展，将引起一场划时代的军事技术革命和未来战争的变中北大学2008届毕业论文第2页共51页革。2004年《IEEESpectrum》杂志发表一期“传感器的国度”，论述无线传感器网络的发展和可能的广泛应用。可以预计，无线传感器网络的发展和广泛应用，将对人们的社会生活和产业变革带来极大的影响和产生巨大的推动。1.2国内外研究现状1.2.1无线传感器网络节点结构在不同应用中，传感器节点的结构不尽相同，但一般都由传感器模块、处理器模块、无线通信模块和能量供应模块四部分组成[4]，如图1.1所示。传感器模块负责监测区域内信息的采集和数据转换，传感器的类型是由被监测物理信号的形式决定的，如用于温度监测的铂电阻传感器，用于压力传感的电容式传感器等；处理器模块负责控制整个传感器节点的操作，存储和处理本身采集的数据以及其他节点发送来的数据；无线通信模块负责与其他传感器节点进行无线通信，交换控制信息和收发采集数据；能量供应模块为传感器节点提供运行所需的能量，通常采用微型电池，不过己有公司探索从周围环境取得能量并将其转换成微瓦电能的方法。图1.1传感器节点结构1.2.2无线传感器网络协议栈无线传感器网络协议栈包括物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层，与互联网协议栈的五层协议相对应，如图1.3所示。另外，协议栈还包括能量管理传感器模块无线通信模块能量供应模块传感器AC/DC处理器存储器网络MAC收发器中北大学2008届毕业论文第3页共51页平台、移动管理平台和任务管理平台。这些管理平台使得传感器节点能够按照能源高效的方式协同工作，在节点移动的传感器网络中转发数据，并支持多任务和资源共享.各层协议和平台的功能如下[5],(1)物理层提供简单但健壮的信号调制和无线收发技术；(2)数据链路层负责数据成帧，帧检测、媒体访问和差错控制；(3)网络层主要负责路由生成与路由选择；(4)传输层负责数据流的传输控制，是保证通信服务质量的重要部分；(5)应用层包括一系列基于监测任务的应用层软件；(6)能量管理平台管理传感器节点如何使用能源，在各个协议层都需要考虑节省能量；(7)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；(8)任务管理平台在一个给定的区域内平衡和调度检测任务。图1.2无线传感器网络协议栈1.2.3无线传感器网络的拓扑结构无线传感器网络特定的应用环境及其固有的特征，对传感器网络拓扑结构的设物理层数据链路层网络层传输层应用层能量管理平台移动管理平台任务管理平台中北大学2008届毕业论文第4页共51页计提出了新的要求。在无线传感器网络中，节点需要完全以自组织的形式构成自治型网络，并且能够工作在无人值守的恶劣环境当中。到目前为止，无线传感器网络拓扑结构的研究主要集中在两个方向，即平面型拓扑结构和层次型拓扑结构[6]。平面型拓扑结构，所有节点的地位平等、作用相同，既采集数据又进行数据通信的中转，网络中不存在集中式控制中心。为了有效地节省能量，远距离节点之间以多跳通信方式，如图1.4所示。平面结构网络比较简单，无需任何的结构维护过程，节点根据预定的路由协议自组织成无线网络。由于随机分布、高密度等特性，源节点和目的节点之间可能存在多条传输路径，如图1.4中节点A和E之间存在两条路径:A→C→D→E和A→C→F→E，既可以使用多条路径实现负载分担，也可以为不同的数据传输需求选择适当的路径。平面结构网络中所有的传感器节点理论上是对等的，不存在瓶颈和单点故障，所以比较健壮，但是网络规模受限，动态扩展性差，难以维护。在平面结构中，源节点为了获得目的节点信息通常需要传输大量的查询消息，而且由于网络的动态性，如节点失效、增加等，维护这些动态变化的路由信息需要发送大量的控制消息.网络规模越大路由维护的开销就越大，当网络的规模增加到某个程度时，网络的所有带宽可能被路由协议消耗掉，所以平面式结构的网络扩展性较差。图1.3平面型拓扑结构INTERNETSINK传感区域传感节点中北大学2008届毕业论文第5页共51页层次型拓扑结构中，网络根据具体应用需求，如地理区域、能源、应用类型等，划分为簇，每个簇由一个簇头节点和多个簇成员构成，多个簇头节点抽象成高一级的网络，在高一级网络中可以继续分簇，形成更高一级网络，最终形成多层次组织结构的传感器网络，如图1.4所示。图1.4层次型拓扑结构层次型拓扑结构中，不同层次以自己的局部概念进行交互，聚集起来实现期望的全局任务。分层组织结构中，簇内成员节点负责感知任务，以多跳方式将采集的信息发送到簇头节点。簇头节点作为簇类的中心节点，担负着与远程终端通讯、发布簇类管理信息、执行更高层次的数据融合和数据分析等使命。为了有效利用能源和延长网络的生命周期，簇头节点通常依据能量概率分布由网络节点轮流充当。这样可以使簇头节点的高能量消耗平均到网络节点上，同时也避免了固定簇头引起的网络的脆弱性和不稳定性，而且可以通过簇拆分来增加簇的个数或者簇聚合形成更高一级网络来提高整个网络的容量。但缺点是，为了维护层次化结构需要仔细设计簇头选择算法。而且簇间节点为了完成数据通信需要经过簇头转发，因此不一定能使用最佳路由，例如图1.5中的A,B节点，物理距离很接近，在平面结构中可以直接通信，但分簇后需要通过两个簇的簇头中继进行通信。1.2.4无线传感器网络研究内容C1簇C2簇C3簇簇头传感器节点中北大学2008届毕业论文第6页共51页由于无线传感器网络涉及信息领域多个研究领域，有非常多的关键技术有待研究.(1)对网络协议有效性的研究。主要是通过各种网络协议的设计与仿真来提高网络的综合性能。传感器网络协议负责使各个独立的节点间形成一条安全可靠的数据传输路径。通过提出适应传感器网络特点的路由协议，提高传输数据的能量有效性；通过研究和改进己有的MAC层协议，来增强节点之间数据传输的可靠性。较经典的MAC协议有近期提出的基于竞争的S-MAC协议，TDMA与FDMA相结合的MAC协议[7]。(2)对时间同步技术的研究。时间同步用来精准确定来自不同节点的监测事件的先后关系。WSN中的通信协议和应用，比如基于TDMA的MAC协议和敏感时间的监测任务等，都要求节点间的时钟必须保持同步。设计高精度的时钟同步机制是传感网络设计和应用的难点。已有的NTP(NetworkTimeProtocol)就是一种经典的同步策略[8]。(3)对定位技术的研究。定位技术就是位置未知的节点根据少数信标节点，按照某种定位机制确定自身的位置。节点不能完全依靠GPS来实现定位机制，这就要求相应的机制与算法。已有的定位机制与算法包括两部分:节点自身定位和外部目标定位，前者是后者的基础。通常方法有三边测量法、三角测量法或极大似然估计法。(4)对传感器基础层的软、硬件资源的研究。提高电池的供电能力，接收信号的处理能力和芯片的集成能力。由于传感器节点一方面特点是并发性密集；传感器节点的另一方面特点是高度的模块化。美国加州大学伯克利分校针对无线传感器网络研发了TinyOS操作系统，在科研机构的研究中得到比较广泛地应用。(5)对数据管理和数据融合技术的研究。由于传感器网络感知数据的海量性，因此必须对采集到的数据进行提取、压缩和融合等处理，来保证采集数据的高效性[9]。在应用层设计中，利用分布式数据库技术对采集到的数据进行筛选，达到融合的效果；在MAC层，通过减少数据发送冲突和头部开销达到节省能量的目的。美国加州大学伯克利分校的TinyDB+71系统和Cornel大学的Cougar[18]系统就是典型的传感器网络数据管理系统[10]。(6)对传感器网络安全性的研究。主要包括两方面内容:利用较少的能量和较小的计算量来完成数据加密、解密和身份认证；在受破坏或受千扰的情况下可靠的完中北大学2008届毕业论文第7页共51页成执行任务。由于WSN的工作环境，可能面临着信息被窃听或被伪造的危险。这对该网络的拥有者会造成极大的威胁，因此必须综合考虑网络安全性的影响。1.3无线传感器网络的应用无线传感器网络具有广阔的应用前景，被认为是将对21世纪产生巨大影响力的技术之一己有和潜在的传感器网络应用领域包括:军事侦察、环境监测、医疗监护、空间探索、城市交通管理、仓储管理等等。随着传感器技术、无线通信技术、计算技术的不断发展和完善，无线传感器网络将逐渐深入到人类生活的各个领域。(1)军事应用在军事领域，传感器网络将会成C41SRT系统不可或缺的一部分。C41SRT系统的目标是利用先进的高科技技术，为未来的现代化战争设计一个集命令、控制、通信、计算、智能、监视、侦察和定位于一体的战场指挥系统，受到了军事发达国家的普遍重视。因为传感器网络是由密集型、低成本、随机分布的节点组成的，自组织性和容错能力使其不会因为某些节点在恶意攻击中的损坏而导致整个系统的崩溃，这一点是传统的传感器技术所无法比拟的，在军事应用中，与独立的卫星和地面雷达系统相比，传感器网络的潜在优势表现在以下几个方面:①分布节点中多角度和多方位信息的综合有效地提高了信噪比，这一直是卫星和雷达这类独立系统难以克服的技术问题之一；②传感器网络低成本、高冗余的设计原则为整个系统提供了较强的容错能力；③传感器节点与探测目标的近距离接触大大消除了环境噪声对系统性能的影响；④节点中多种传感器的混合应用有利于提高探测的性能指标；⑤多节点联合，形成覆盖面积较大的实时探测区域；⑥借助于个别具有移动能力的节点对网络拓扑结构的调整能力，可以有效地消除探测区域内的阴影和盲点。(2)环境科学随着人们对于环境的日益关注，环境科学所涉及的范围越来越广泛。通过传统方式采集原始数据是一件困难的工作。传感器网络为野外随机性的研究数据获取提供了方便，比如，跟踪候鸟和昆虫的迁移，研究环境变化对农作物的影响，监测海洋、大气和土壤的成分等。类似地，传感器网