無線傳感器網絡應用技術綜述

楊卓靜孫宏志,任晨虹

1,中國地質調查局水文地質環境地質調查中心

2,海軍青島雷達聲納修理廠

無線傳感器網絡應用技術綜述

楊卓靜1孫宏志2,任晨虹1

1,中國地質調查局水文地質環境地質調查中心

2,海軍青島雷達聲納修理廠

傳感器被越來越多地布置到實際的網絡環境中，用于實現某些應用。無線傳感器網絡已經成為了科學研究領域最前沿的課題之一，引起了工業界和學術界眾多研究者的關注。通過總結相關方面的工作，綜述在不同領域中無線傳感器網絡的實際應用，并對具體應用的一些重要特性進行分析，在此基礎上提出若干值得繼續研究的方面。

無線傳感器；網絡應用

Wireless sensor； network Application

一、無線傳感器網絡簡介

隨著微機電系統的迅速發展，片上系統SoC(System on Chip)得以實現，一塊小小的芯片可以傳遞邏輯指令，感知現實世界，乃至做出反應[1]。無線傳感器網絡WSN(Wireless Sensor Network)，這一由大量具有片上微處理能力的微型傳感器節點組成的網絡，引起了工業界和學術界眾多研究者的關注。

傳統的傳感器網絡通常由兩種節點：傳感器節點(sensor)和接收器節點(sink)組成[2]。傳感器節點負責對事件的感知和數據包的傳輸；接收器節點則是數據傳輸的目標節點，一般具有人機交互界面，并可以接入其它類型的網絡體系[3]。

傳感器網絡以其低成本、低功耗的特點，在軍事、環境監測、醫療健康等領域都有著廣泛的應用[4]。在本文中，對大量現有無線傳感器和無線傳感器網絡的應用進行分析，從節點移動性、節點互聯方式、網絡數據規模、網絡分層結構等方面進行分析和比較。并在此基礎上，提出若干值得繼續研究的方面，為挖掘傳感器網絡新的應用打下基礎。

二、無線傳感器網絡的特點

與傳統的無線網絡相比，WSN具有以下基本特點：

1、低功耗、微型化、高度集成、低價格的傳感器節點。WSN并不能簡單地理解為“將現有傳感器通過無線方式進行組網”。微機電系統(MEMS)技術和低功耗電子技術的發展，使得開發低功耗、小體積、低價格、同時集成有微傳感器、執行器、微處理器和無線通信等多種功能部件的無線傳感器節點成為可能[5]。相對于傳統傳感器而言，我們一般所指的WSN節點更強調節點的低功耗、微型化、高度集成、低價格等特征。

2、節點密集分布。在監測區域內密集部署大量相同或不同類型的傳感器節點，是WSN的一個重要特征。通過節點密集布置，可以獲取密集的空間抽樣信息或針對同一現象的多角度信息，對這些信息進行分布式處理之后，可以有效提高監測的精確度，并降低對單一傳感器節點的精度要求。通過節點密集布置，可以在同一區域內存在大量冗余節點，節點的冗余性可以使系統具有很強的容錯性能，由此降低對單一傳感器節點的可靠性要求[6]。另外，通過節點密集布置并對其節點進行合理的休眠調度，也是延長網絡生命周期的重要途徑[7]。

3、自組織網絡。無線傳感器的諸多特點決定了其采用自組織工作方式的必要性。首先，在WSN的許多工作場合通常沒有固定網絡設施支持；其次，傳感器節點常常采用隨機部署的方式，節點的位置和相互鄰居關系不能預先確定；再次，傳感器節點可能由于能量耗盡或受到環境因素影響而失效，一些節點又可能為了彌補失效節點或增加監測精度而被補充進來，再加上節點可能移動以及采用休眠調度機制，網絡拓撲往往處于動態變化之中[8]。鑒于以上因素，WSN必須能夠通過節點之間的協調、協商與協同，自動進行配置、自動進行管理、自動進行調度，以適應不斷變化的自身條件和外部環境，保持自身工作的連續性和高效性[9]。

三、無線傳感器網絡的發展歷程

傳感器網絡已經經歷了四代的發展歷程。第一代傳感器網絡出現在20世紀70年代，使用具有簡單信息信號獲取能力的傳統傳感器，采用點到點傳輸，連接傳感器控制器構成傳感器網絡[10]；第二代傳感器網絡具有獲取多種信息信號的綜合能力，采用串／并接口(RS_232Rs--485)與傳感控制器相連，構成有綜合多種信息能力的傳感器網絡[11]；第三代傳感器網絡出現在20世紀90年代后期和本世紀初，用具有智能獲取多種信息信號的傳感器，采用現場總線連接傳感控制器，構成局域網絡，成為智能化傳感器網絡[12]；第四代傳感器正在研究開發，用大量的具有多功能、多信息信號獲取能力的傳感器，采用無線自組織接入網絡，與傳感器網絡控制器連接，構成W SN[13]。

WSN是新興的下一代傳感器網絡，最早的代表性論述出現在1999年，隨后該研究方向引起了許多國家的極大關注。美國早在上個世紀90年代就著手對具有現代意義的WSN展開了先期研究，美國的一些大型IT公司也開始通過與高校合作的方式，逐漸介入該領域的研究開發工作，紛紛設立或啟動相應的行動計劃。當前美國許多著名的大學，如加州大學伯克利分校，都在開展WSN方面的研究工作[14]。我國對W SN的發展也非常重視。從2002年開始，國家自然科學基金委員會已經批準了W SN相關的多個課題，在國家發展改革委員會的下一代互聯網示范工程中，也部署了WSN相關的課題。近年來，我國的一些科研院所和高校已積極展開了該領域的研究工作，中科院以及清華大學等大學都對WSN傾注了很大的研究力量。經過幾年時間的努力，初步建立了傳感器網絡系統的研究平臺，在無線智能傳感器網絡通信技術、微型傳感器、傳感器端機、移動機站和應用系統等方面取得了很大進步，并于2004年9月在北京進行了大規模外場演示，部分成果已在實際工程中使用[15]。

四、研究與應用現狀

無線傳感器網絡的研究主要集中在通信(協議、路由、檢錯等)、節能和網絡控制三個方面，目前都已經有了比較成熟的解決方法，為無線傳感器網絡投入實際應用提供了理論基礎[16]。傳感器網絡低成本、低功耗的特點，使其可以大范圍地散布設置在一定區域，即使是人類無法到達的區域，都能正常工作，應用面比較廣泛。目前的無線傳感器網絡常應用于軍事、環境監測、醫療健康、空間探測、工業生產等領域[17]。

1、軍事應用

從某種意義而言，無線傳感器網絡的產生正是源于網絡在軍事應用上的需求，因此在軍事上的應用非常貼近無線傳感器網絡本身的概念[18]。縱觀無線傳感器網絡在戰場上的應用主要是信息收集、跟蹤敵人、戰場監視、目標分類。無線傳感器網絡由低成本、低功耗的密集型節點構成，擁有自組織性和相當的容錯能力，即使部分節點遭到惡意破壞，也不會導致整個系統的崩潰，正是這兩點保證了無線傳感器網絡能夠在惡劣的戰場環境下工作，從而最大程度地減少傷亡，同時提供準確可靠的信息傳輸[19]。除了在戰爭時期，和平年代也能應用無線傳感器網絡進行國土安全保護、邊境監視等應用。例如，用埋設地雷來保衛國土、防止入侵，反而對本國帶來了巨大的安全威脅。取而代之的可能是成千上萬的傳感器節點，通過對聲音和震動信號的分類分析，探測敵方的入侵。美國弗吉尼亞大學已經著手研究和開發這一系統[20]。

2、環境監測

環境監測是無線傳感器網絡的又一個非常重要的應用領域。在人們對環境問題越來越關注的今天，環境監測所涉及的范圍非常廣，依靠傳統的數據收集和統計方法已經無法正常進行，無線傳感器網絡則能夠勝任這項工作[21]。人們在設計未來智能大樓的進程中，對于室內環境的監測是很有必要的。加州大學伯克利分校的SABER研究中心研制的Smart Dust系統，可以監測室內實時的溫度亮度[22]。ASHRAE研究機構(American Society of Heating，Refrigerating and Air. Conditioning Engineers)設計了HVAC系統（Heating Ventilation and Air Condition)，將無線傳感器網絡布置在辦公大樓中，實時監測樓內的溫度和空氣質量，以改善室內環境[23]。傳感器網絡為獲取野外的研究數據也提供了方便。例如，哈佛大學與北卡羅來納大學的合作項目，通過無線傳感器網絡收集震動和次聲波信息并加以分析，進行火山爆發的監測[24]。澳大利亞的新南威爾士大學利用無線傳感器網絡跟蹤一種名為Cane toad的癩蛤蟆，了解它們在澳大利亞的分布情況[25]。Uc Berkeley大學在紅杉樹上布置無線傳感器網絡，連續監測44天紅杉樹的生長情況，收集溫度、濕度、光合作用信息[26]。

3、 醫療健康

隨著無線傳感器網絡的不斷發展，它在醫療健康方面也得到了一定的應用，醫生可以利用傳感器網絡，隨時對病人的各項健康指標以及活動情況進行監測，為遠程醫療技術的發展提供了很大的便利[27]。Intel研究中心利用無線傳感器網絡開發的老人看護系統，實時檢測他們的健康問題。sensor節點被安置在老年人身上，能夠感知到各項行動，并相應地作出正確提醒，記錄下老年人的全部活動，為老人的健康安全提供保障[28]。

4、其它應用

除此之外，無線傳感器網絡在空間探測、工業生產、物流控制以及其他一些商業領域有著廣泛的應用。美國宇航局(NASA)研制Sensor Webs，為將來火星探測做準備[29]；英國石油公司(BP)利用無線傳感器網絡以及RF ID技術，對煉油設備進行監測管理[30]；許多大公司利用無線傳感器網絡對倉庫貨物進行控制[31]。傳感器網絡低成本、低功耗，并且可以自組織地進行工作，為其在各個領域的應用奠定了基礎，必將會孕育出越來越多新的應用模式。

五、目前研究的熱點問題及未來研究方向

1、通信協議

（1）物理層通信協議：研究傳感器網絡的傳輸媒體、頻段選擇、調制方式等[32]。

（2）數據鏈路層協議：研究網絡拓撲、信道接入方式、拓撲包括平面結構、分層結構、混合結構以及Mesb結構，信道介入包括固定分配、隨機競爭方式或以上兩者的混合方式[33]。

（3）網絡層協議：即路由協議的研究，路由協議分為平面和集群兩種，平面協議節點地位平等，簡單易擴展，但缺乏管理；集群路由即分簇為簇首和簇成員，便于管理和維護，研究的熱點是集成兩種路由方式的優點[34]。

（4）傳輸層協議：研究提供網絡可靠的數據傳輸和錯誤恢復機制[35]。

2、網絡管理

（1）能量管理：研究在不影響網絡性能的基礎上、控制節點的能耗、均衡網絡的能量消耗以及動態調制射頻功率和電壓[36]。

（2）安全管理：研究無線傳感器忘了的安全問題，包括幾點認證、處理干擾信息、攻擊信息等[37]。

3、應用層支撐技術

（1）時間同步：針對網絡時間同步要求較高情況的應用。例如基于TDMA的MAC協議和特殊敏感時間監測應用，要求網絡時間同步[38]。

（2）定位技術：針對節點定位要求較高情況的應用，基于少數已知節點的位置，研究以最少的硬件資源、最低的成本和能耗定位節點位置的技術[39]。

4、硬件資源

（1）微型化：基于特定應用的要求，研究微型化的節點[40]。

（2）低成本：在不影響節點性能情況下，研究降低節點硬件的成本[41]。

（3）新型電源：研究太陽能電源及其他大容量可再生電源，解決制約傳感器網絡發展應用的能源問題[42]。

六、結語

本文主要就無線傳感器網絡的廣泛應用進行了探討，介紹了其在各個領域應用的典型事例，總結了當前制約無線傳感器網絡實際應用的因素及目前的研究熱點。無線傳感網絡最終將成為聯系信息世界和客觀物理實際的接口，從而人類可以通過傳感器網絡獲得客觀物理世界的信息并采取相應措施。

[1]崔莉,鞠海玲,苗勇,李天璞,劉巍,趙澤.無線傳感器網絡研究進展[期刊論文].計算機研究與發展.2005(1).

[2]任豐原,黃海寧,林闖.無線傳感器網絡[期刊論文].軟件學報.2003(7).

[3]王萬里,鄭扣根,姚翔.吳朝暉 無線網絡傳感器及其微型操作系統的研究[期刊論文].計算機應用研究.2005(9).

[4]黃海平,王汝傳,孫力娟,陳志. 基于密鑰聯系表的無線傳感器網絡密鑰管理方案 [期刊論文].通信學報.2006(10).

[5]沈玉龍,裴慶祺,馬建峰.MMμTESLA:多基站傳感器網絡廣播認證協議[期刊論文].計算機學報2007(4).

[6]馬祖長,孫怡寧,梅濤. 無線傳感器網絡綜述[期刊論文].通信學報.2004(4).

[7]劉志宏,馬建峰,黃啟萍.基于區域的無線傳感器網絡密鑰管理.[期刊論文].計算機學報.2006(9).

[8]王良民,馬建峰,王超.無線傳感器網絡拓撲的容錯度與容侵度[期刊論文].電子學報.2006(8).

[9]王騏,王殊,孟中樓. 無線傳感器網絡中一種基于接收功率異常的入侵檢測算法[期刊論文].計算機科學.2009(3).

[10]王潮,賈翔宇,林強. 基于可信度的無線傳感器網絡安全路由算法[期刊論文].通信學報.2008(11).

[11]劉寧,范訓禮,趙建華.一種無線傳感器網絡入侵檢測系統模型[期刊論文].西南科技大學學報.2009(1).

[12]孫利民,李建中,陳渝,朱紅松.無線傳感器網絡[期刊論文].電子學報2005(3).

[13]于海斌,曾鵬,梁韋華. 智能無線傳感器網絡體系[期刊論文].通信學報2006 (8).

[14]J Hill,A Woo,S Hollar et al.System Architecture Directions for Networked Sensors [C].In:Proc of the9th International Conference on Architectural Support for Programming Languages and Operating System s,2002.

[15]袁勇 ,無線傳感器網絡節能傳輸技術研究[期刊論文].軟件學報.2005(8).

[16]滑楠.無線傳感器網絡相關理論與應用研究 [期刊論文].電子學報.2007(8).

[17]任繪錦.無線傳感器網絡可靠性應用及其關鍵技術研究.2006.

[18]王苗苗. 面向普適計算的無線傳感器網絡中間件研究.2008.

[19]郭宇飛,王換招,曹寧,趙青蘋.GUO Yufei.WANG Huan-zhao.CAO Ning.ZHAO Qingping 簇狀傳感器網絡臨時分類密鑰管理協議[期刊論文],北京郵電大學學報,2008,3.

[20]W Manges et al.It is Time for Sensors to Go Wireless.Part1:Technological Underpinnings [J].Sensors Magazine,1999-04.

[21] 武仲寅.無線傳感器網絡在智能公交系統中的應用.2007.

[22]NEMROFF J.GARCIA L.HAMPLE D Application of sensor network communication2007.

[23]KOTTAPALLI V.KIREM IDJIAN A.LYNCH J Two-tiered wireless sensor network architecture for structural health monitoring2003.

[24]JIA X Y.WANG C The security routing research for WSN in the appllication of Intelligent transport system2006.

[25]KIMM H Denial-of-service (DOS) detection through practical entropy estimation on hierarchical sensor networks2006.

[26]WOOD A D Denial of service in sensor networks2002(10).

[27]馬嘎.無線傳感器網絡中可靠數據傳輸研究.2007.

[28]高曄方.超寬帶無線傳感器網絡數據傳輸跨層優化模型的研究.2008.

[29]ZHANG Y C Location-based compromise tolerant security mechanisms for wireless sensor networks2006(2).

[30]GANESAN D Highly-resilient, energy efficient multi path routing in wireless sensor networks2001(4).

[31]湯波,王雁東,周明天. 能量優化的無線傳感器網絡數據傳輸方法.2007

[32]趙艷青. 滿足DOS的無線傳感器網絡路由算法.2008.

[33]劉蘭,謝潔銳,胡月明,劉才興.擁塞控制:無線傳感器網絡可靠數據傳輸的保證[期刊論文].計算機工程與設計.2007,(6).

[34] 屈風姣.無線傳感器網絡基于簇的數據傳輸可靠性研究.2008.

[35]朱暢華,裴昌幸,肖海云等.分布式網絡測量與分析基礎設施(DNMAI)研究與實現[J].北京郵電大學學報(增刊).2003.12.

[36]李建東,裴昌幸, 朱暢華.網絡行為研究框架[J].東南大學學報.2002.11.

[37]肖海云,裴昌幸,陳南等.基于ICMP 和UDP 的互聯網拓撲發現和可視化研究[J].西安電子科技大學學報.2004.7.

[38] 李姍姍.無線傳感器網絡可靠數據傳輸關鍵技術研究.2007.

[39] 雷雨能.無線傳感器網絡資源管理與調度.2009.

[40] 張波. 無線傳感器網絡結點配置問題研究.2007.

[41]孫利民,李建中.無線傳感網絡[M].北京:清華大學出版社.2005.

[42]李仲令,李少謙,唐友喜,武剛.現代無線與移動通信技術[M].北京:科學出版社.2006.

More and more sensors are applied to networks to cope with certain problem．Wireless sensor network has come to the forefront of scientific，research and it has aroused the interest of many researchers of industry and academe． Applications of wireless sensor network to different areas are ，surveyed and several characteristics of the applications are analyzed. Based on the analysis，further research issues are pointed out.

10.3969/j.issn.1001-8972.2010.13.053