傳感網(wǎng)概述

進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，隨著感知識(shí)別技術(shù)的快速發(fā)展，以傳感器和智能識(shí)別終端為代表的信息自動(dòng)生成設(shè)備可以實(shí)時(shí)地對(duì)物理世界感知、測(cè)量和監(jiān)控。微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的發(fā)展推動(dòng)了低功耗、多功能傳感器的快速發(fā)展，現(xiàn)已研制出了具有感知能力、計(jì)算能力和通信能力的微型傳感器。物理世界的聯(lián)網(wǎng)需求和信息世界的擴(kuò)展需求催生出一類(lèi)新型網(wǎng)絡(luò)——傳感器網(wǎng)絡(luò)（簡(jiǎn)稱(chēng)傳感網(wǎng)）。

傳感網(wǎng)集成了傳感器、嵌入式計(jì)算、微機(jī)電、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)與無(wú)線(xiàn)通信、信息處理等技術(shù)，跨越了計(jì)算機(jī)、半導(dǎo)體、嵌入式、網(wǎng)絡(luò)、通信、光學(xué)、微機(jī)械、化學(xué)、生物、航天、醫(yī)學(xué)、農(nóng)業(yè)等眾多領(lǐng)域，可以使人們?cè)谌魏螘r(shí)間、地點(diǎn)和任何環(huán)境下獲取大量翔實(shí)可靠的信息，從而真正實(shí)現(xiàn)無(wú)處不在的計(jì)算理念。傳感網(wǎng)是一種新型的信息獲取和處理技術(shù)，它改變了人類(lèi)與自然界的交互方式，擴(kuò)大了人類(lèi)認(rèn)知世界的能力。美國(guó)《商業(yè)周刊》認(rèn)為傳感網(wǎng)是全球未來(lái)四大高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)之一，是21世紀(jì)最具有影響力的21項(xiàng)技術(shù)之一。2003年，麻省理工學(xué)院的《技術(shù)評(píng)論》雜志在預(yù)測(cè)未來(lái)技術(shù)發(fā)展的報(bào)告中，將傳感網(wǎng)列為對(duì)人類(lèi)未來(lái)生活產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響的十大新興技術(shù)之首。

傳感網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)

傳感器網(wǎng)絡(luò)由大量部署在作用區(qū)域內(nèi)的、具有無(wú)線(xiàn)通信與計(jì)算能力的傳感器節(jié)點(diǎn)組成，這些節(jié)點(diǎn)通過(guò)自組織方式構(gòu)成傳感器網(wǎng)絡(luò)，其目的是協(xié)作感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋地理區(qū)域中的感知對(duì)象信息并發(fā)布給觀察者。

傳感器節(jié)點(diǎn)體系結(jié)構(gòu)

傳感器節(jié)點(diǎn)是無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)的一個(gè)基本組成部分。根據(jù)應(yīng)用需求的不同，傳感器節(jié)點(diǎn)必須滿(mǎn)足的具體要求也不同。傳感器節(jié)點(diǎn)可能是小型的、廉價(jià)的或節(jié)能的，必須配備合適的傳感器，具有必要的計(jì)算和存儲(chǔ)資源，并且需要足夠的通信設(shè)施［6，7］。一個(gè)典型的傳感器節(jié)點(diǎn)由感知單元、處理單元（包括處理器和存儲(chǔ)器）、通信單元、能量供給單元和其他應(yīng)用相關(guān)單元組成，傳感器節(jié)點(diǎn)的體系結(jié)構(gòu)如圖1-1所示。

在圖1-1中，感知單元主要用來(lái)采集現(xiàn)實(shí)世界的各種信息，如溫度、濕度、壓力、聲音等物理信息，并將傳感器采集到的模擬信息轉(zhuǎn)換成數(shù)字信息，交給處理單元進(jìn)行處理。處理單元負(fù)責(zé)整個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)處理和操作，存儲(chǔ)本節(jié)點(diǎn)的采集數(shù)據(jù)和其他節(jié)點(diǎn)發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)。通信單元負(fù)責(zé)與其他傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行無(wú)線(xiàn)通信、交換控制消息和收發(fā)采集數(shù)據(jù)。能量供給單元提供傳感器節(jié)點(diǎn)運(yùn)行所需的能量，是傳感器節(jié)點(diǎn)最重要的單元之一。另外，為了對(duì)節(jié)點(diǎn)精確定位以及對(duì)移動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行管理，傳感器節(jié)點(diǎn)需要相應(yīng)的應(yīng)用支持單元，如位置查找單元和移動(dòng)管理單元。

傳感器節(jié)點(diǎn)通常是一個(gè)微型嵌入式系統(tǒng)，它的處理能力、存儲(chǔ)能力和通信能力是受限的。節(jié)點(diǎn)要正常工作，需要軟硬件系統(tǒng)的密切配合。硬件系統(tǒng)的組成參照?qǐng)D1-1。軟件系統(tǒng)由5個(gè)基本的軟件模塊組成，分別是操作系統(tǒng)（OS）微碼、傳感器驅(qū)動(dòng)、通信處理、通信驅(qū)動(dòng)和數(shù)據(jù)處理mini-app軟件模塊。OS微碼控制節(jié)點(diǎn)的所有軟件模塊以支持節(jié)點(diǎn)的各種功能。TinyOS就是一種專(zhuān)為嵌入式無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)設(shè)計(jì)的操作系統(tǒng)。傳感器驅(qū)動(dòng)模塊管理傳感器收發(fā)器的基本功能；此外，傳感器的類(lèi)型可能是模塊或插件式的，根據(jù)傳感器的不同類(lèi)型和復(fù)雜度，該模塊也要支持對(duì)傳感器進(jìn)行的相應(yīng)配置和設(shè)置。通信處理模塊管理通信功能，包括路由、數(shù)據(jù)包緩沖和轉(zhuǎn)發(fā)、拓?fù)渚S護(hù)、介質(zhì)訪問(wèn)控制、加密和前向糾錯(cuò)等。通信驅(qū)動(dòng)模塊管理無(wú)線(xiàn)電信道傳輸鏈路，包括時(shí)鐘和同步、信號(hào)編碼、比特計(jì)數(shù)和恢復(fù)、信號(hào)分級(jí)和調(diào)制。數(shù)據(jù)處理mini-app模塊支持節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)處理，包括信號(hào)值的存儲(chǔ)與操作或其他的基本應(yīng)用。

傳感網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

傳感網(wǎng)由大量的傳感器節(jié)點(diǎn)組成，節(jié)點(diǎn)之間通過(guò)無(wú)線(xiàn)傳輸方式通信。一個(gè)典型的傳感網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)如圖1-2所示，通常包括傳感器節(jié)點(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)和任務(wù)管理節(jié)點(diǎn)。傳感器節(jié)點(diǎn)分散在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)，這些節(jié)點(diǎn)能夠采集數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)并且把數(shù)據(jù)路由到一個(gè)指定的匯聚節(jié)點(diǎn)。

傳感器節(jié)點(diǎn)之間通過(guò)自組織方式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)，可以根據(jù)需要智能地采用不同的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。傳感器節(jié)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可能被多個(gè)節(jié)點(diǎn)處理，通常以多跳的方式沿著其他節(jié)點(diǎn)逐跳傳輸，經(jīng)過(guò)路由到其他中間節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合和轉(zhuǎn)發(fā)后到達(dá)匯聚節(jié)點(diǎn)，最后通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)或者衛(wèi)星到達(dá)用戶(hù)可以操作的任務(wù)管理節(jié)點(diǎn)，任務(wù)管理節(jié)點(diǎn)可以對(duì)傳感網(wǎng)進(jìn)行配置和管理。

傳感器節(jié)點(diǎn)的計(jì)算能力、存儲(chǔ)能力較弱，通信帶寬窄，由自身攜帶的電池供電，因此能量有限。傳感器節(jié)點(diǎn)不僅要對(duì)本地信息進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，還要對(duì)其他節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、管理、融合和轉(zhuǎn)發(fā)。匯聚節(jié)點(diǎn)的處理能力、存儲(chǔ)能力和通信能力相對(duì)較強(qiáng)，主要負(fù)責(zé)發(fā)送任務(wù)管理節(jié)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)任務(wù)，收集數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)發(fā)到互聯(lián)網(wǎng)等外部網(wǎng)絡(luò)上，實(shí)現(xiàn)傳感網(wǎng)和外部網(wǎng)絡(luò)之間的通信。匯聚節(jié)點(diǎn)可以是一個(gè)具有增強(qiáng)功能的傳感器節(jié)點(diǎn)，具有較多的內(nèi)存、計(jì)算資源和能量供給，也可以是一個(gè)僅帶有無(wú)線(xiàn)通信接口的特殊網(wǎng)關(guān)設(shè)備。

傳感網(wǎng)通常部署在無(wú)人照料的惡劣環(huán)境中或身體遙不可及的地區(qū)，因此網(wǎng)絡(luò)需要具有自維護(hù)的特性。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)的部分節(jié)點(diǎn)因入侵、故障或電池耗竭而失效時(shí)，不能影響數(shù)據(jù)傳輸和網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控等主要任務(wù)。

傳感網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的組成

傳感器節(jié)點(diǎn)

處理能力、存儲(chǔ)能力和通信能力相對(duì)較弱，通過(guò)小容量電池供電。傳感器節(jié)點(diǎn)由部署在感知對(duì)象附近大量的廉價(jià)微型傳感器模塊組成，其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中感知對(duì)象的信息，并發(fā)送到匯聚節(jié)點(diǎn)。各模塊通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信方式形成一個(gè)多跳的自組織網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，傳感器節(jié)點(diǎn)采集到的數(shù)據(jù)沿著其他傳感器節(jié)點(diǎn)逐跳傳輸?shù)絽R聚節(jié)點(diǎn)。一個(gè)WSN系統(tǒng)通常有數(shù)量眾多的體積小、成本低的傳感器節(jié)點(diǎn)。從網(wǎng)絡(luò)功能上看，每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)除了進(jìn)行本地信息收集和數(shù)據(jù)處理外，還要對(duì)其他節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、管理和融合，并與其他節(jié)點(diǎn)協(xié)作完成一些特定任務(wù)。

匯聚節(jié)點(diǎn)

匯聚節(jié)點(diǎn)的處理能力、存儲(chǔ)能力和通信能力相對(duì)較強(qiáng)，它是連接傳感器網(wǎng)絡(luò)與Internet 等外部網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)關(guān)，實(shí)現(xiàn)兩種協(xié)議間的轉(zhuǎn)換，同時(shí)向傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)布來(lái)自管理節(jié)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)任務(wù)，并把WSN收集到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到外部網(wǎng)絡(luò)上。匯聚節(jié)點(diǎn)既可以是一個(gè)具有增強(qiáng)功能的傳感器節(jié)點(diǎn)，有足夠的能量供給和更多的、Flash和SRAM中的所有信息傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中，通過(guò)匯編軟件，可很方便地把獲取的信息轉(zhuǎn)換成匯編文件格式，從而分析出傳感節(jié)點(diǎn)所存儲(chǔ)的程序代碼、路由協(xié)議及密鑰等機(jī)密信息，同時(shí)還可以修改程序代碼，并加載到傳感節(jié)點(diǎn)中。

管理節(jié)點(diǎn)

管理節(jié)點(diǎn)用于動(dòng)態(tài)地管理整個(gè)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)。傳感器網(wǎng)絡(luò)的所有者通過(guò)管理節(jié)點(diǎn)訪問(wèn)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的資源。

傳感網(wǎng)的發(fā)展階段

第1階段：冷戰(zhàn)時(shí)期的軍事傳感器網(wǎng)絡(luò)

冷戰(zhàn)時(shí)期，美國(guó)使用昂貴的聲傳感網(wǎng)（acoustic networks）監(jiān)視潛艇，同時(shí)美國(guó)國(guó)家海洋和大氣管理局也使用其中的一部分傳感器監(jiān)測(cè)海洋的地震活動(dòng)。

第2階段：國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局的倡議

20世紀(jì)80年代初，在美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）資助項(xiàng)目的推動(dòng)下，傳感網(wǎng)的研究取得了顯著進(jìn)步。在假設(shè)存在許多低成本空間分布傳感器節(jié)點(diǎn)的前提下，分布式傳感網(wǎng)（DSN）以自組織、合作的方式運(yùn)作，旨在判定是否可以在傳感網(wǎng)中使用新開(kāi)發(fā)的TCP/IP協(xié)議和ARPA網(wǎng)（互聯(lián)網(wǎng)的前身）的方式來(lái)通信。

第3階段：20世紀(jì)80年代、90年代的軍事應(yīng)用開(kāi)發(fā)和部署

20世紀(jì)80年代和90年代，以DARPA-DSN研究和實(shí)驗(yàn)平臺(tái)為基礎(chǔ)，在軍事領(lǐng)域采用傳感網(wǎng)技術(shù)，使其成為網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)的關(guān)鍵組成部分。傳感網(wǎng)可以通過(guò)多種觀察、擴(kuò)展檢測(cè)范圍以及加快響應(yīng)時(shí)間等方式，提高檢測(cè)和跟蹤性能。

第4階段：現(xiàn)今的傳感網(wǎng)研究

20世紀(jì)90年代末和21世紀(jì)初，計(jì)算與通信的發(fā)展推動(dòng)傳感網(wǎng)新一代技術(shù)的產(chǎn)生。標(biāo)準(zhǔn)化是任何技術(shù)大規(guī)模部署的關(guān)鍵，其中包括無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)。隨著IEEE 802.11a/b/g的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)和其他無(wú)線(xiàn)系統(tǒng)（如ZigBee）的發(fā)展，可靠連接變得無(wú)處不在。低功耗、低價(jià)格處理器的出現(xiàn)，使傳感器可部署于更多的應(yīng)用程序之中。