什么是无线传感技术?
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发布时间：2022-04-22 23:34
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时间：2022-04-27 06:58
【关键词】：信息时代、传感器技术、无线连接、信息*
1引言
无线传感器网络(WSN, Wireless Sensor Net-work )综合了传感器技术、嵌入式计算技术、分布式信息处理技术和通信技术，能够协作地实时监测、感知和采集网络分布区域内的各种环境或监测对象的信息，并对这些信息进行处理，获得详尽而准确的信息，传送到需要这些信息的用户。
无线传感器网络被认为是21世纪最重要的技术之一，它将会对人类未来的生活方式产生深远影响。本文将先介绍无线传感器网络的概念和特点，再探讨WSN在人们生活中的一些应用模型以及在发展中所遇到的一些问题。
2无线传感器网络
2.1无线传感器网络简介
无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）是由许多个功能相同或不同的无线传感器节点通过自组织方式形成的无线网络。每个传感器节点由数据采集模块(传感器、A/D转换器)、数据处理和控制模块(微处理器、存储器)、通信模块(无线收发器)以及供电模块(电池、DC/DC能量转换器)等组成。节点在网络中可以充当数据采集者、数据中转站或簇头节点(cluster-head node)的角色。作为数据采集者，数据采集模块收集周围环境的数据(如温度和湿度)，通过通信路由协议直接或间接将数据传输给远方基站(base station)或汇节点(sink node);作为数据中转站，节点除了完成采集任务外，还要接收邻居节点的数据，并将其转发到距离基站最近的邻居节点或者直接转发到基站或汇节点，簇头节点负责收集该类内所有节点采集的数据，经数据融合后，发送到基站或汇节点。这些传感器节点可以任意地部署在监测区域内，彼此通过无线通信形成一个多跳的、自组织的网络来完成信息采集、数据传输和信息处理。无线传感器网络通过节点的数据采集和传输，可以在任何时间、任何地点获取对象的信息，对环境的变化具有很强的鲁棒性，因此它具有广泛的应用前景，可以应用于军事情报侦察、工业生产过程控制、环境监测和保护以及现代化交通管理等领域。
2.2无线传感器网络的节点结构及网络体系结构
网络体系结构是网络的协议分层以及网络协议的集合，是对网络及其部件所应完成功能的定义和描述，对无线传感器网络来说，其网络体系结构不同于传统的计算机网络和通信网络。网络体系结构由分层的网络通信协议、传感器网络管理以及应用支撑技术三部分组成。
2.2.1 传感器网络节点结构
传感器网络节点的基本组成包括如下4个基本单元：传感单元(由传感器和模数转换功能模块组成)、处理单元(包括CPU、存储器、嵌入式操作系统等)、通信单元(由无线通信模块组成)以及电源。此外，可以选择的其他功能单元包括：定位系统、移动系统以及电源自供电系统等。
2.2.2 传感器网络的体系结构
网络体系结构是网络的协议分层以及网络协议的集合，是对网络及其部件所应完成功能的定义和描述，对无线传感器网络来说，其网络体系结构不同于传统的计算机网络和通信网络。网络体系结构由分层的网络通信协议、传感器网络管理以及应用支撑技术三部分组成。分层的网络通信协议结构类似于TCP／IP协议体系结构；传感器网络管理技术主要是对传感器节点自身的管理以及用户对传感器网络的管理；在分层协议和网络管理技术的基础上，支持了传感器网络的应用支撑技术。
2.3无线传感器网络的物理组成
无线传感器网络的传感器节点个数通常很多,它们不仅体积小、成本低,另外还要求传感器节点功耗非常低,以满足用电池即可维持长时间的工作状态。因此这些特点决定了对传感器节点的设计需要在尽可能简单的情况下满足应用需求。无线传感器节点是由硬件层与软件层的配合完成任务。
2.3.1 无线传感器硬件层
硬件层一般都包括以下四个单元:供电单元、数据采集单元(包括传感器和A/D模数转换器件)、数据处理单元(包括存储器和微控制器)、无线通信单元。微控 制器作为传感器节点运“心脏”,在上面运行着嵌入式系统软件,从而对另外三个单元的工作进行控制。在硬件的选取上,尽量采用低功耗器件,还可以考虑在无数 据采集和无数据通信的时候命令微控制器进入“睡眠”状态并可切断无线通信单元的部分电源,从而降低功耗。
2.3.2 无线传感器软件层
无线传感器网络的软件层包括三个层次:硬件抽象层、系统服务层和应用层。硬件抽象层用来实现对硬件平台(供电、数据采集、数据处理和无线通信单元)的抽象,为上层屏蔽底层硬件细节,简化系统平台移植。系统服务层包括通信服务、传感服务、能耗管理服务、实时内核等四部分,在这个层次中除了实现操作系统如任务调度、信号量等内核服务外,还将完成各种路由、安全算法的实现,并支持各类通信传输协议。应用层是由用户根据具体应用的需要定义,利用系统服务层提供的接口,能方便的设计出上层软件。
软件层用来控制硬件层,是整个传感器的“大脑”,除了最基本的数据采集和发送之外,根据应用的场合,还需要实现关于网络拓扑、自组织、路由选择、能耗节 约、错误处理、可靠性保证等一系列的算法与设计。对于一些简单的应用可以使用单一循环逻辑的软件来完成。而一些复杂性较高的应用场景就有必要使用针对无线传感器网络特点的嵌入式操作系统。。
2.4 无线传感器网络主要特点 1．自组织网络
在无线传感器网络应用中，通常情况下传感器节点被放置在没有基础设备的地方。传感器节点的位置不能预先精确设定。节点之间的相互邻居关系也不能预先知道，如通过飞机撒播大量传感器节点在面积广大的原始森林中，或随意放置到人不可到达或危险的区域。这样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，通过拓扑控制机制和网络协议自动形成转发监测数据的多跳无线网络系统。在无线传感器网络使用过程中，部分传感器节点由于能量耗尽或环境因素造成失效，也有一些传感器节点为了弥补失效节点、增加监测精度而补充到网络中，这样在无线传感器网络中的节点个数就动态的增加或减少，从而使网络的拓扑结构随之动态变化。无线传感器网络的自组织性要能够适应这种网络拓扑结构的动态变化。
2．多跳路由
网络中节点通信距离有限，一般在几十到几百米范围内，节点只能与它的邻居直接通信。如果希望与其射频覆盖范围之外的节点进行通信，则需要通过中间节点进行路由。拟定网络的多跳路由使用网关和路由器来实现，而无线传感器网络中的多跳路由是由普通网络节点完成的，没有专门的路由设备。这样每个节点既可以是信息的发起者，也可以是信息的转发者。
3．动态网络拓扑
无线传感器网络是一个动态的网络，节点可以随处移动；一个节点可能会因为电池能量耗尽或其他故障，退出网络运行；一个节点也可能由于工作的需要而被添加到网络中。在某些特殊的应用中，无线传感器网络是移动的，传感器节点可能会因能量消耗完或其他故障而终止工作，这些因素都会使网络拓扑发生变化。
4.以数据为中心的网络
传感器网络是一个任务型的网络，脱离传感器网络谈论传感器节点没有任何意义。传感器网络中的节点采用编号标识，节点编号是否需要全网唯一取决于网络通信协议的设计。由于传感器节点随机部署，构成的传感器与节点编号之间的关系是完全动态的，表现为节点编号与节点位置没有必然联系。用户使用传感器网络查询事件时，直接将所关心的事件通告给网络，而不是通告给某个确定编号的节点。网络在获得指定事件的信息后汇报给用户。这种以数据本身作为查询或者传输线索的思想更接近于自然语言交流的习惯。所以通常说传感器是一个以数据为中心的网络。
2.5 无线传感器网络的发展现状
早在上世纪70年代，就出现了将传统传感器采用点对点传输、连接传感控制器而构成传感器网络雏形，我们把它归之为第一代传感器网络。随着相关学科的不断发展和进步，传感器网络同时还具有了获取多种信息信号的综合处理能力，并通过与传感控制器的相联，组成了有信息综合和处理能力的传感器网络，这是第二代传感器网络。而从上世纪末开始，现场总线技术开始应用于传感器网络，人们用其组建智能化传感器网络，大量多功能传感器被运用，并使用无线技术连接，无线传感器网络逐渐形成。
近年来,无线通信技术和微电子技术的不断进步,大大地推动了无线传感器网络的迅猛发展。无线传感器网络是任意部署在一定地理范围内的大量体积微小的传感器节点所组成的自组织网络。这些微小的节点具有数据采集，信号处理和无线通信等功能，彼此通过无线通信，相互协调形成一个智能的传感网络。无线传感器网络通过节点的数据采集和传输，可以在任何时间，任何地点获取对象的信息，对环境的变化具有很强的鲁棒性。因此，通过合理的节点部署和网络设计，无线传感器网络能够在危险，恶劣的环境中执行任务，比如敌方军事报侦察。但是，由于节点本身设计制造成本低，体积微小的特点，单个节点只能携带有限的能量，进行简单的局部信号处理及短距离的无线通信。因此，如何设计高效的分布式信号处理算法以降低网络中能量和带宽的消耗已成为当前无线传感器网络研究的热点问题之一。
3 无线传感器网络的关键技术
无线传感器网络作为当今信息领域新的研究热点，有非常多的关键技术有待发现和研究。而功耗和安全问题对于无线传感器网络来说，是两个最重要的性能指标，所以WSN的关键技术必然以降低网络功耗和确保网络安全为主线。下面介绍网络拓扑控制、数据融合等部分关键技术。
3.1网络拓扑控制
对于自组织的传感器网络而言，网络拓扑控制具有特别重要的意义。通过拓扑控制自动生成的良好的网络拓扑结构，能够提高路由协议和MAC协议的效率，可为数据融合、目标定位等很多方面奠定基础，有利于节省节点的能量来延长网络的生存期。所以，拓扑控制是WSN研究的核心技术之一。WSN拓扑控制目前主要研究的问题是在满足网络覆盖度和连通度的前提下，通过功率控制和骨干网节点选择，剔除节点之间不必要的无线通信链路，生成一个高效的数据转发的网络拓扑结构。拓扑控制分为节点功率控制和层次型拓扑结构控制两个方面。功率控制机制调节网络中每个节点的发射功率，在满足网络连通度的前提下，减少节点的发送功率，均衡节点单跳可达的邻居数目；目前已经提出了以邻居节点度为参考依据的算法，以及利用邻近图思想生成拓扑结构的DRNG和DLSS算法。层次型的拓扑控制利用分簇机制，让一些节点作为簇头，由簇头形成一个处理并转发数据的骨干网，其他非骨干网节点可以暂时关闭通信模块，进入休眠状态以节省能量。
3.2 数据融合
在无线传感器网络中，节点传感器采集数据并将它发送到网络终端。但是在数据的采集和传输过程中，总要对采集的数据进行处理，因此存在如何对采集的数据进行处理、融合的问题。
如果完全在本地节点上处理采集的数据而只发送处理后的结果，可以降低传输数据的功耗，但增加了本地节点处理器的功耗；如果传输原始采集的数据，可以降低节点处理器的功耗但增加了节点传输数据的功耗。因此，如何对采集的数据进行处理与融合对降低节点能耗起到相当大的作用。通常网络中的传感器数量很多，传感器采集的数据具有一定的冗余度，因此将多个节点采集的数据相互结合起来进行处理可以降低整个网络数据的传输量，有效降低系统功耗，问题是如何寻找本地节点处理与节点联合处理的平衡点。
3.3 定位技术
位置信息是传感器节点采集数据中不可缺少的部分，没有位置信息的监测消息通常毫无意义。为了提供有效位置信息，随机部署的传感器节点必须能够在布置后确定自身位置。由于传感器节点存在资源有限、随机部署、通信易受环境干扰甚至节点失效等特点，定位机制必须满足自组织性、健壮性、能量高效、分布式计算等要求。现有的WSN定位算法根据定位机制的不同，可以分为基于测距的方法与不基于测距的方法两类。基于测距的定位机制利用到达时间延迟、信号到达时差和接收信号强度来估计距离或来波方向，然后使用三边测量法或最大似然估计等计算未知节点的位置。而不基于测距的定位机制无需距离或角度信息，或者不用直接测量这些信息，仅根据网络的连通性等信息实现节点的定位。距离无关的定位机制的定位性受环境因素的影响小，虽然定位误差相应有所增加，但定位精度能够满足多数传感器网络应用的需求，是目前大家重点关注的定位机制。
3.4 无线通信技术
传感器网络需要低功耗短距离的无线通信技术。IEEE802.15.4标准是针对低速无线个人域网络的无线通信标准，把低功耗、低成本作为设计的主要目标。由于IEEE802.15.4标准的网络特征与无线传感器网络存在很多相似之处，故很多研究机构把它作为无线传感器网络的无线通信平台。另外，超宽带无线通信以其高速率、低功耗、抗多径、低成本等诸多优势，已成为室内短距离无线网络的首选方案，这为WSN的数据传输开辟了一种崭新的方案。
3.5 时间同步
传感器网络中由于节能策略,节点在大部分时间是休眠的,所以要求解决通信同步问题,即通信节点双方需要在通信时同时唤醒。另外,传感器网络是一个分布式网络,所有节点在通信上地位对等,没有优先级可言。所以要让整个网络能够工作在有效状态,往往需要做到全网或者一定范围内所有节点的同步,而不是通信双方的简单同步。
4 无线传感器网络的应用
虽然无线传感器网络的大规模商业应用，由于技术等方面的制约还有待时日，但是最近几年，随着计算成本的下降以及微处理器体积越来越小，已经为数不少的无线传感器网络开始投入使用。目前无线传感器网络的应用主要集中在以下领域：
4.1 环境的监测和保护
随着人们对于环境问题的关注程度越来越高，需要采集的环境数据也越来越多，无线传感器网络的出现为随机性研究数据的获取提供了便利，并且还可以避免传统数据收集方式给环境带来的侵入式破坏。比如，英特尔研究实验室研究人员曾经将32个小型传感器连进互联网，以测出缅因州"大鸭岛"上气候的变化情况，用来评价一种海燕巢的条件。无线传感器网络还可以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。
4.2 医疗护理
无线传感器网络在医疗研究、护理领域也可以大展身手。罗彻斯特大学的科学家使用无线传感器创建了一个智能医疗房间，使用微尘来测量居住者的重要征兆（血压、脉搏和呼吸）、睡觉姿势以及每天24小时的活动状况。英特尔公司也推出了无线传感器网络的家庭护理技术，该技术是作为探讨应对老龄化社会的技术项目Center for Aging Services Technologies（CAST）的一个环节开发的。该系统通过在鞋、家具以家用电器等家中道具和设备中嵌入半导体传感器，帮助老龄人士、阿尔茨海默氏病患者以及残障人士的家庭生活。利用无线通信将各传感器联网可高效传递必要的信息从而方便接受护理，而且还可以减轻护理人员的负担。英特尔主管预防性健康保险研究的董事EricDishman称，"在开发家庭用护理技术方面，无线传感器网络是非常有前途的领域"。
4.3 军事领域
由于无线传感器网络具有密集型、随机分布的特点，使其非常适合应用于恶劣的战场环境中，使其非常适合应用于恶劣的战场环境中，包括侦察敌情、监控兵力、装备和物资，判断生物化学攻击等多方面用途。美国国防部远景计划研究局已投资几千万美元，帮助大学进行"智能尘埃"传感器技术的研发。哈伯研究公司总裁阿尔门丁格预测：智能尘埃式传感器及有关的技术销售将从2004年的1000万美元增加到2010年的几十亿美元。
4.4 建筑结构监测
无线传感器网络用于监测建筑物的健康状况，不仅成本低廉，而且能解决传统监测布线复杂、线路老化、易受损坏等问题。斯坦福大学提出了基于无线传感器网络的建筑物监测系统，采用基于分簇结构的两层网络系统，传感器节点由EVK915模块和ADXL210加速度传感器构成，分簇首节点由Proxim Rangel LAN2无线调制器和EVK915连接而成。南加州大学的一种监测建筑物的无线传感器网络系统NETSHM，该系统除了监测建筑物的健康状况外，并且能够定位出建筑物受损伤的位置。
4.5 自然灾害的预防
在一些容易发生泥石流、滑坡等自然灾害的地方，使用无线传感网络及时、长期地对这些地方的地形变化、各种环境因素的监测，采集相关数据并进行适当的分析，当灾难将要发生时，我们就可以提前发出预警报告以做好准备或采取相应措施防止它们进一步的发生。
4.6 企业、家庭监控
在企业、家庭布设无线传感网络，可以实时地监控人员的流动和环境的变化，有利于企业、家庭采取有效的安全防护措施和灾难应变措施。此外，国内还出现了大量的其他领域的应用，比如无线传感网络在地下无人采煤安全监测系统的应用，无线传感网络在温室网络信息采集分析系统中的应用。
5.存在的问题
5.1 面临的技术难题
就目前无线传感器网络的技术水平来说，无线传感器网络正常运行并大量投入使用还面临着许多问题：
（1）网络内通信问题
无线传感器网络内正常通信联系中，信号可能被一些障碍物或其他电子信号干扰而受到影响，怎么安全有效的进行通信是个有待研究的问题。
（2）成本问题
在一个无线传感器网络里面，需要使用数量庞大的微型传感器，这样的话成本会制约其发展。
（3）系统能量供应问题
目前主要的解决方案有：使用高能电池；降低传感功率；此外还有传感器网络的自我能量收集技术和电池无线充电技术，其中后两者备受关注。
（4）高效的无线传感器网络结构
无线传感器网络的网络结构是组织无线传感器的成网技术，有多种形态和方式，合理的无线传感器网络可以最大限度的利用资源。在这里面，还包括网络安全协议问题和大规模传感器网络中的节点移动性管理等诸多问题有待解决。
5.2 安全问题
传感器网络多用于军事、商业领域，安全性是其重要的研究内容。由于传感器网络中节点随机部署、网络拓扑的动态性以及信道的不稳定性，使传统的安全机制无法适用。因此需要设计新型的网络安全机制，可借鉴扩频通信、接入认证／鉴权、数据水印、数据加密等技术。目前，保证网络安全性的方法也不少。
（1）借助特殊的无线传感器终端。采用PTD(Personal Trust Device)作为传感器网络的终端，在网络中设立认证服务器来提供传感器需要的服务，而在PTD和服务器之间建立认证和加密体系，只有在服务器注册过的PTD终端才能获得服务，未注册的则不能，从而保证系统安全。通常，这种系统用在家庭环境中.
（2）采用安全罩(Secure Overlay)。采用一种称为SCANv2(Secure Content Addressable Network Version 2)安全内容网络寻址的安全罩，来实现无线传感器网络的安全。SCANv2其实是在盖在实际网络层上的一个虚拟结构，通过采用Hash函数，把实际网络中的节点映射到这个罩空间之上，某一区域或某种功能的节点在罩空间的某一个共同的特定位置。用户在从网络中获取服务时，需要通过相应的安全认证进入罩空间，再进一步通过加密解密过程从这个映射空间进入实际网络中获得所需服务。
6 结束语
无线传感器网络是一种新的信息获取和处理技术，在特殊领域，它有着传统技术不可比拟的优势，人们对它的研究尚处于起步阶段。无线传感器网络有着十分广泛的应用前景，它不仅在工业、农业、军事、环境、医疗等传统领域有具有巨大的运用价值，在未来还将在许多新兴领域体现其优越性，如家用、保健、交通等领域。我们可以大胆的预见，将来无线传感器网络将无处不在，将完全融入我们的生活。比如微型传感器网络最终可能将家用电器、个人电脑和其他日常用品同互联网相连，实现远距离跟踪，家庭采用无线传感器网络负责安全*、节电等，其应用可以涉及到人类日常生活和社会生产活动的所有领域。对这些网络的进一步研究，将满足中国未来高技术民用和军事发展的需要，不仅具有重要的社会和经济意义，也具有十分重要的战略意义。
但是，我们还应该清楚的认识到，无线传感器网络才刚刚开始发展，它的技术、应用都还还远谈不上成熟，国内企业应该抓住商机，加大投入力度，推动整个行业的发展。
摘录于网络
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时间：2022-04-27 08:16
无线传感器网络是新一代的传感器网络，具有非常上世纪70年代，其发展和应用，将会给人类的生活和生产的各个领域带来深远影响。
无线传感器网络可以看成是由数据获取网络、数据颁布网络和控制管理中心三部分组成的。其主要组成部分是集成有传感器、处理单元和通信模块的节点，各节点通过协议自组成一个分布式网络，再将采集来的数据通过优化后经无线电波传输给信息处理中心。
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时间：2022-04-27 09:51
