无线传感器网络及其热点研究

焦庆春， 冯 阳， 俞福祥

(1.浙江省安全技术质量检验中心，浙江杭州 310013;2.浙江警察学院基础部，浙江杭州 310053)

0 引言

作为物联网核心技术的无线传感器网络(Wireless Sensor Networks，简称WSN)是当今国际上备受关注、涉及多学科高度交叉、知识高度集成的前沿热点研究领域，它综合了传感器技术、嵌入式计算技术、现代网络及无线通信技术、分布式信息处理技术等。近年来，国内外一些科研院所和高技术公司均在进行相关研究，并取得了可喜成果。

无线传感器网络具有十分广阔的应用前景，在军事国防、工农业、城市管理、生物医疗、环境监测、抢险救灾、防恐反恐、危险区域远程控制等许多重要领域都有潜在的实用价值，已经引起了许多国家学术界和工业界的高度重视，被认为是将对21世纪产生巨大影响力的技术之一。美国MIT技术评论(Technology Review)认为，有十种新技术很快就可以改变计算、医疗、运输和我们的能源基础设施。无线传感器网络就是其中之一。

1 无线传感器网络体系结构

WSN是由数个无线sink节点(也可称为网关节点)以及为数众多的传感器单元(sensor node)构成的一个网络系统，传感器单元之间采用无线方式进行通讯，为达到节点大量布置的目的(节点数据可达成千上万个)，WSN必须具备低成本、低耗电、体积小、容易布置，并具有感应环境装置，可编程、可动态组成等特性。

在无线传感器网络中，节点任意散落在被监测区域内，这一过程可以通过飞行器撒播和人工埋置等方式完成。节点以自组织形式构成网络，通过多跳中继方式将监测数据传到sink节点，最终借助长距离或临时建立的sink链路将整个区域内的数据传送到远程中心进行集中处理。卫星链路可用作sink链路，借助游弋在监测区上空的无人飞机回收sink节点上的数据也是一种方式，UC Berkeley在进行 UAV(Unmanned Aerial Vehicle)项目［1］的外场测试时便采用了这种方式。如果网络规模太大，可以采用聚类分层的管理模式进行组建。图1给出了无线传感器网络体系结构一般形式的描述。右边是传感器网络的检测区，由众多的节点组成，检测区内每个节点地位对等。用户可以通过任务管理节点，借助Internet网或卫星通信网络和Sink节点交换数据。

图1 无线传感器网络的体系结构图一

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，该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。详细模块见图2无线传感器网络的体系结构图2。图中的模块都构成了无线传感器网络的各个研究领域。

图2 无线传感器网络的体系结构图二

2 无线传感器节点组成

在不同应用中，传感器网络节点的组成不尽相同，但一般都由数据采集、数据处理、数据传输和电源这四部分组成。被监测物理信号的形式决定了传感器的类型，传感器探测信号类型一般有声音、光、湿度、压力和特殊介质等，由采集单元把相关的模拟信号通过ADC模数转换，变成数字信号传送到数据处理单元，数据处理单元由嵌入式CPU、内存RAM、FLASH等组成。数据传输单元主要由低功耗、短距离的无线通信模块组成。因为需要进行较复杂的任务调度与管理，系统需要一个微型化的操作系统。另外，考虑到无线传感器网络的特殊性，在图3的虚线方框中，还有定位子系统，节点移动管理模块及电源产生模块(如考虑采用太阳能供电等)。图3描述了节点的组成，其中实心箭头的方向表示数据在节点中的流动方向。

图3 无线传感器网络节点组成

3 无线传感器网络标准及特点

3.1 无线传感器网络标准

目前无线传感器的标准主要有两个［2，6］：

(1)IEEE 802.15.4 Low Rate Wireless Personal Area Network(WPAN)standard and ZigBee［4］

2003年10月，IEEE推出802.15.4协议标准的同时，ZigBee联盟也开始酝酿与之相配套的网络层及应用层的协议，目的并不是为了推出一项具体的技术，而是为了给传感器网络和控制系统推出一个标准的解决方案。

IEEE 802.15.4/ZigBee 协议是由 IEEE 802.15.4标准的PHY和MAC层再加上ZigBee的网络和应用支持层所组成的，其突出的特点是网络系统支持极低成本、易实现、可靠的数据传输、短距离操作、极低功耗、各层次的安全性等。该标准一出现就引起了业界的广泛重视，短短的两年多时间内便有上百家集成电路、运营商等宣布支持 IEEE 802.15.4/ZigBee，并且很快在全球自发成立了若干联盟。IEEE 802.15.4/ZigBee协议中明确定义了三种拓扑结构：星型结构(Star)、簇状结构(Cluster tree)和网状结构(Mesh)。

(2)IEEE 1451.5 Wireless Smart Transducer Interface standard［5］

目前IEEE 1451.5标准还在发展中，它尝试去设定一个标准的界面，将各种不同的无线通讯协议隐藏而独立于传感器设计，希望能达成可以直接即插即用(Plug－and－Play)的智能型无线传感器(smart transducer)的应用。采用IEEE 1451.5标准的一个好处是，使得传感器制造商将有机会在一开始就将传感器电子资料表(Transducer Electronic Data Sheet，TEDS)作为标准特性，包含在产品内。

3.2 无线传感器网络特点

目前常见的无线网络包括移动通信网、无线局域网WLAN、蓝牙网络(Bluetooth)等，与这些网络相比，无线传感器网络具有以下特点［6，7］：

(1)硬件资源有限。节点由于受价格、体积和功耗的限制，其计算能力、程序空间和内存空间比普通的计算机功能要弱很多。这一点决定了在节点系统设计中，协议层次不能太复杂。

(2)电源容量有限。网络节点由电池供电，因体积限制电池的容量一般不是很大。其特殊的应用领域决定了在使用过程中，不能给电池充电或更换电池，一旦电池能量用完，这个节点也就失去了作用。因此在传感器网络设计过程中，任何技术和协议的使用都要以节能为前提。

(3)无中心。无线传感器网络中没有严格的控制中心，所有结点地位平等，是一个对等式网络。结点可以随时加入或离开网络，任何结点的故障不会影响整个网络的运行，具有很强的抗毁性。

(4)自组织。网络的布设和展开无需依赖于任何预设的网络设施，节点通过分层协议和分布式算法协调各自的行为，节点开机后就可以快速、自动地组成一个独立的网络。

(5)多跳路由。网络中节点通信距离有限，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。固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。这样每个节点既是信息的发起者，也是信息的转发者。

(6)动态拓扑。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。这些都会使网络的拓扑结构随时发生变化，因此网络应该具有动态拓扑组织功能。

(7)节点数量众多，分布密集。为了对一个区域执行监测任务，往往有成千上万传感器节点空投到该区域。传感器节点分布非常密集，利用节点之间高度连接性来保证系统的容错性和抗毁性。

4 无线传感器网络的研究热点

在分析已有的研究热点的基础上，我们认为以下几个研究领域值得作进一步的深入研究。

4.1 异构传感器网络(heterogeneous sensor networks)［8］

如何在数量众多价格便宜的无线传感器网络节点中，保持较高的网络性能?INTEL公司的研究人员在这方面给我们一个很好的思路：利用Xscale等高性能节点终端组成一个网状网络(mesh networks)，用它覆盖整个无线传感器网络，大量的传感器节点和附近的高性能Xscale节点通信，高速数据通信由802.11无线协议负责，其结构如在普通公路网中增加高速公路网，可以极大地提高车辆的通行能力。经过这样的网络设置后，带来了网络性能和可靠性的提高，降低了网络能耗。但是，随之也带来各种问题，如何解决在多种不同的无线通信协议如WLAN、Bluetooth和802.15.4 多协议共存? 如何解决同频干扰问题?以及整体提高网络的效率，等等。所有这些问题都是值得我们进一步深入研究的课题。

4.2 定位问题

在一些应用场合，传感器被随机地散布到某个区域里，对这个区域的某些事物进行观测，如：入侵检测，野生动物研究，气候观测，环境考察，物体跟踪等。这些观测都要求传回数据的传感器能够告知它所处的地理位置。由此引出了传感器网络研究中另一个热门方向：传感器节点定位问题。

早期的研究工作提出了一些集中式的解决方案。但集中式处理使数据量过大，能量消耗大、费时费力。随着人们对网络构造的灵活性、自组织性、稳定性要求越来越高，分布式的解决方案逐渐成为研究重点。文献［9］提出了一种称为DV－hop的算法来计算结点与anchor nodes之间的距离，在得到了一个结点与3(或4)个不在同一子空间上的anchor nodes之间的距离后，就可以用地理学上的三点定位法来确定该结点的地理位置。

4.3 网络安全

无线传感器网络也存在安全问题，因其资源受限，传统的加密算法需要大量的计算能力，必须经过改造或重新设计才能应用于无线传感器网络。如在文献［10］中，提出了安全的路由协议(secure routing)，拒绝服务的预防(prevention of denial-of-service)以及密钥管理服务(key management service)的概念。

5 结论

物联网的热潮正在席卷全球，物联网产业被称为是继计算机、互联网之后世界信息产业的第三次浪潮。大力发展物联网产业成为一项国家战略。物联网有很多值得研究的问题，作为物联网核心技术的无线传感器网络是一个很有前途的研究领域，在很多领域均可做进一步的研究和探讨。

［1］ Unmanned aerial vehicle(UAV) ［EB/OL］.http：//www.eecs.berkeley.edu/～ pister/29Palms0103/.

［2］ ESTRIN D，GOVINDAN R，HEIDEMANN J.Next cen-tury challenges：scalable coordination in sensor networks［A］∥Proceedings of the Fifth Annual International Conference on Mobile Computing and Networks(Mobi-COM'99)［C］.Washington，USA：1999：263 －270.

［3］ AGRE J，CLARE L.An integrated architecture for cooperative sensing networks［J］.IEEE Computer Magazine，2000，33(5)：106 －108.

［4］ Jose A.Gutierrez.Edgar H.Callaway Jr.，and Raymond Barrett，IEEE 802.15.4 Handbook［M］.New York：IEEE Press.2003.

［5］ Michael R.Moore，Stephen F.Smith，and Kang Lee.The next step-wireless IEEE 1451 smart sensor networks［J］.Sensors Mag.，2001，18(9)：35 －43.

［6］ Edgar H.Callaway.Wireless Sensor Networks：Architectures and Protocols［M］.Auerbach Publications CRC Press，2004，ISBN：0849318238.

［7］ Sean Middleton，IEEE P802.15 Wireless Personal Area Network Low Rate Project Authorization Request［EB/OL］.Document No.IEEE P802.15 －00/248r4.2000.Sections 9 and 10.

［8］ 马祖长，等.无线传感器网络综述［J］.通信学报，2004，25(4)：114 －124 .

［9］ D.Niculescu and B.Nath，Ad-hoc Positioning System［C］.Proceedings of IEEE Globecom，2001.

［10］ Fei Hu，Neeraj K.Sharma.Security considerations in ad hoc sensor networks［J］.Ad Hoc Networks，2005(3)：69－89.