wireless

sensor

network無線傳感器網絡（WSN）綜述2010/5/6主要內容：WSN概述歷史以及發展現狀

WSN的體系結構

WSN的特征WSN的應用

WSN的協議關鍵技術未來發展機遇展望WSN概述無線傳感器網絡（wireless

sensornetwork,WSN）系統是當前在國際上備受關

注的、涉及多學科高度交叉、知識高度集成的前沿熱點研究領域。它綜合了傳感器技術、嵌入式計算技術、現代網絡及無線通信技術、分布式信息處理技術等。WSN概述（續）無線傳感器網絡（wireless

sensor

network,WSN）就是由部署在檢測區域內大量的廉價

衛星傳感器節點組成，通過無線通信方式形成的一個多跳的自組織的網絡系統，目的是協作地感知、采集和處理網絡覆蓋區域中感知的對象信息，并發送給觀察者。構成WSN的三要素：傳感器、感知對象、觀察者。《MIT技術評論》：麻省理工學院學刊傳感器網絡、塑料電子學和仿生人體器官被列為未來3大高科技產業效用計算、傳感器網絡、塑料電子學和仿生人體器官是全球未來的四大高技術產業WSN概述（續）影響力:☆美國商業周刊和MIT技術評論(技術編輯部門)在預測未來技術發展報告中將無線傳感器網絡列為21世紀最有影響的21項技術和改變世界的10大技術

之一。☆傳感器網絡被列為未來3大高科技產業一?！蠲绹摹都夹g評論》將無線傳感器網絡列為第一項未來新興技術?！睢渡虡I周刊》預測的未來4大新技術中，無線傳感器網絡也列入其中等。DARPA：（Defence

Advanced

Research

Projects

Agency）洛杉磯加利福尼亞大學（University

of

California,Los

Angeles，通?？s寫為UCLA，也常譯稱為加州大學洛杉磯分校）歷史以及發展現狀國外：起源于美國，根源可追溯到1978年由國防部高級研究計劃署（DARPA）在卡內基-梅隆大學發起的分布式傳感器研討會。具有代表性的項目包括：1993-1999年間由美國國防高級研究計劃署(DARPA)資助，加州大學洛杉磯分校(UCLA)承擔的WINS項目；1999-2001年間由DAPRA資助UC

Berkeley承擔的Smart

Dust項目。在美國軍方、美國國家自然科學基金和一些跨國企業的支持下，美國在90年代初便開展了無線傳感器網絡的研究和開發。其中，具有代表性的項目包括：1993?D1999年間由美國國防高級研究計劃署(DARPA)資助，加州大學洛杉磯分校(UCLA)承擔的WINS項目；1999?D2001年間由DAPRA資助，UC

Berkeley承擔的Smart

Dust項目；1998?D2002年DARPA資助，加州大學伯克利分校等25個機構聯合承擔的SensIT計劃；1999?D2004年間海軍研究辦公室的SeaWeb計劃等。目前為止，已開發的無線傳感器網絡節點有：Berkeley

Motes、Berkeley

Piconodes、Sensoria

WINS、MITuAMPs、Smart

Mesh

Dust

Mote、Intel

iMote以及Intel

Xscale

Nodes等。不同的節點設計針對不同的應用場合，硬件大小、功耗、設計代價也不盡相同，但大部分的節點都支持TinyOS操作系統。近年來，在中國國家自然科學基金、國家“863”計劃基金的支持下，中國的一些研究機構也開始開展無線傳感器網絡領域的研究，包括中國科學技術大學、清華大學、中科院計算所、上海微系統所、沈陽自動化所以及合肥智能所等研究單位。歷史以及發展現狀（續）1998-2002年DARPA資助，加州大學伯克利分校等25個機構聯合承擔的SensIT計劃；1999-2004年間海軍研究辦公室的

SeaWeb計劃等。國內：中國的一些研究機構近年開始研究：中國科學技術大學、清華大學、中科院計算所、上海微系統所、沈陽自動化所以及合肥智能所等研究單位。歷史以及發展現狀（續）之所以國內外都投入巨資研究機構紛紛開展無線傳感器網絡的研究，很大程度歸功于其廣闊的應用前景和對社會生活的巨大影響。Sink是一個匯聚節點。WSN的體系結構傳感器網絡結構數據采集、處理、通信能力WSN的體系結構（續）傳感器節點結構MAC主要負責控制與連接物理層的物理介質WSN的體系結構（續）傳感器網絡協議棧傳感器網絡由物理層、數據鏈路層、網絡層、傳輸層、應用層、能量管理平面、移動性管理平面和任務管理平面八個部分組成。WSN的特征☆與無線網絡的區別傳感器網絡集成了監測、控制以及無線通信的網絡系統，節點數目龐大（上千甚至上

萬），分布密集，因環境和能量的耗盡，容易出現故障。能量、處理能力、存儲能力、通信能力有限。不同于傳統無線網絡的高服務質量和高效的帶寬的利用，節能是其設計的首要考慮因素。WSN的特征（續）☆節點的限制※電池能量有限※通信能力有限能量消耗和通信距離關系E正比于d(n).{2<n<4}※計算和存儲能力有限魯棒是Robust的音譯，也就是健壯和強壯的意思。魯棒性（robustness）就是系統的健壯性。它是在異常和危險情況下系統生存的關鍵。比如說，計算機軟件在輸入錯誤、磁盤故障、網絡過載或有意攻擊情況下，能否不死機、不崩潰，就是該軟件的魯棒性。所謂“魯棒性”，是指控制系統在一定（結構，大小）的參數攝動下，維持某些性能的特性。根據對性能的不同定

義，可分為穩定魯棒性和性能魯棒性。以閉環系統的魯棒性作為目標設計得到的固定控制器稱為魯棒控制器。WSN的特征（續）☆傳感器網絡的特點：大規模網絡自組織網絡動態性網絡可靠性網絡應用性相關的網絡

以數據為中心的網絡特點之一——大規模網絡傳感器網絡的大規模性包括兩方面的含義：一方面是傳感器節點分布在很大的地理區域內（原始大森林防火和環境監測），需要部署大量的傳感器節點；另一方面，傳感器節點部署很密集，在一個面積不是很大的空間內，密集部署了大量的傳感器節點。特點之二——自組織網絡在傳感器網絡應用中，傳感器節點被放置在沒有基礎結構的地方。傳感器節點的位置不能預先精確設定，節點之間的相互鄰居關系預先也不知道（通過飛機播撒大量傳感器節點到面積廣闊的原始森林中，或隨意放置到人不可到達或危險的區域）。這樣就要求傳感器節點具有自組織的能力，能夠自動進行配置和管理，通過拓撲控制機制和網絡協議自動形成轉發監

測數據的多跳無線網絡系統。特點之三——動態性網絡傳感器網絡的拓撲結構可能因為下列因素而改變：①環境因素或電能耗盡造成的傳感器節點出現故障或失效；②環境條件變化可能造成無線通信鏈路帶寬變化，甚至時斷時通；③傳感器網絡的傳感器、感知對象和觀察者這三要素都可能具有移動性；④新節點的加入。這就要求傳感器網絡系統要能夠適應這種變化，具有動態的系統可重構性。特點之四——可靠的網絡由于監測區域環境的限制以及傳感器節點數目巨大，不可能人工“照顧”每個傳感器節點，網絡的維護十分困難甚至不可維護。傳感器網絡的通信保密性和安全性也十分重要，要防止監測數據被盜取和獲取偽造的監測信息。因此，傳感器網絡的軟硬件必須具有魯棒性和

容錯性。特點之五——應用相關的網絡傳感器網絡用來感知客觀世界多種多樣的物理量，不同的應用背景對傳感器網絡的要求不同，其硬件平臺、軟件系統和網絡協議必然會有很大差別。所以傳感器網絡不能像Internet-樣，有統一的通信協議平臺。對于不同的傳感器網絡應用雖然存在一些共性問題，但針對每一個具體應用來研究傳感器網絡技術，這是傳感器網絡設計不同于傳統網絡的顯著特征。特點之六——以數據為中心的網絡在互聯網中，網絡設備用網絡中惟一的IP

地址標識。

傳感器網絡中的節點采用節點編號標識，由于傳感器節點隨機部署，節點編號與節點位置沒有必然聯系。用戶使用傳感器網絡查詢事件時，直接將所關心的事件通告給網絡，網絡在獲得指定事件的信息后匯報給用戶。這種以數據本身作為查詢或傳輸線索的思想更接近于自然語言交流的習慣。（如，在目標跟蹤的傳感器網絡中，跟蹤目標可能出現在任何地方，對目標感興趣的用戶只關心目標出現的位置和時間，并不關心哪個節點監測到目標。）C4ISRT（command,control,communication,computing,intelligence,surveillance,reconnaissance

and

targeting）（指揮、控制、通信、計算機、情報、監視、偵察、目標捕獲）美海軍21世紀C4ISRT（指揮、控制、通信、計算機、情報、監視、偵察、目標捕獲）系統包括以下幾個領域：第一，建立信息網絡，這牽涉到海軍和陸戰隊內部網、"21世紀信息技術"、安全和保障、數據鏈路、帶寬。第二，提高情報、監視、偵察和捕獲目標能力，包括空間/衛星通信、無人機/TCS、作戰識別（ID）、一體化廣播服務、TENCAP計劃等領域。第三，建立和共享畫面，包括通用作戰畫面、海軍全球指揮控制系統（GCCS－M）。1997

年美海軍作戰部長提出"網絡中心戰"概念，認為"這是從平臺中心戰向網絡中心戰的根本性轉變"。網絡中心戰的一體化信息網絡由信息網、探測裝置網、射手（交戰）網組成。目的是將各總司令、軍種、局的操作者、探測裝置、武器系統、信息和知識網絡到一起，形成不同于原來煙筒式信息系統的新信息系統，提高掌握態勢的能力，縮短決策時間，提高指揮速度，使"觀察－判斷－決定－行動"所用的時間（∑△T＋決策時間）小于敵人行動的時間，密切各單位的協調和合作。美海軍通過建設海軍基地地區網絡、首都地區網絡（NMCT）、廣域網、網絡操作中心、部署單位或機動單位實施"21世紀信息技術"計劃（自99財年到02財年裝備幾十艘艦艇），將擁有全球保密端對端的通信能力。提高情報、監視、偵察和目標捕獲（ISRT）能力。目的是更好地執行監視和偵察、目標捕獲和定位、瞄準、武器發射和制

導、武器尋的、戰損評估等任務，還包括作戰識別，以保證投送支援力量、避免互相誤傷、識別未知的事物、交戰需要的積極識別、遠距離（視線外）精確武器制導，以及非合作、間接/電子戰。提高情報、監視、偵察和目標捕獲（ISRT）能力包括空間/衛星通信、無人機/TCS、作戰識別（ID）、一體化廣播服務、TENCAP等計劃。改進數據鏈?，F在使用的視線和視線外（高頻和衛星通信）的11號鏈路、"聯合戰術信息分發系統"的4號鏈路（E－2、F－14）、"多功能信息分發系統"（F/A－18、EA－6B、"拉法爾"、歐洲戰斗機EF2000）16號鏈路、北約的22號鏈路、海軍陸戰隊戰斗機中隊（VMF）F/A－18使用的鏈路最終統一為J系列鏈路和CDL寬帶鏈路。同時努力提高近實時數據傳輸能力，包括通過戰術數據鏈A、B、J獲得近實時航空數據；近實時威脅和報警數據（TRAP/時分數據系統、TIBS、TBMD、NRTI/NRTD）；近實時地面與海事數據；支援數據庫；支援工具；形成通用大屏幕圖像顯示。解決帶寬問題。1991年沙漠風暴時，美軍使用的特高系統每秒48千比特，國際海事衛星每秒傳輸2.4-9.6千比特，便攜式通信系統和移動通信系統每秒1.2-9.6千比特。現在，美軍使用的極高頻系統（24個低速率信道）每秒21.6千比特，超高頻每秒128千比特－1.544兆比特。將來，"全球廣播系統"（GBS）每秒1.544-24兆比特，"挑戰雅典娜"每秒1.544兆比特，對戰士電視直播每秒3.6兆比特，未來極高頻MDR每秒4.8千比特－1.544兆比特。重視空間系統的導航、偵察監視、通信、氣象和海洋學作用。導航系統包括全球定位系統、導航戰、導航探測裝置系統接口等領域?？臻g情報、監視、偵察和目標捕獲系統包括海軍空間監視、戰區彈道導彈防御、目標捕獲、交戰和戰斗管理、國家探測裝置系統。氣象和海洋學衛星，用于提供戰斗空間自然環境特點，包括氣象和海洋學（METOC）、艦載終端（SMQ－11）、印度洋（IO）成像衛星等領域。通信領域包括軍用和民用衛星通信、艦載衛星通信終端、后繼特高頻（UFO）、機動用戶目標系統（MUOS）、PMW－146改變為PD－14/SSA?，F在的特高頻衛星星座由艦隊衛星和后繼特高頻（UFO）組成，計劃于2003年發射第11顆衛星艦隊衛星，以保持特高頻衛星利用率高于70％。2007年機動用戶目標系統達到初始作戰能力。"多功能信息分發系統"計劃大量生產。美海軍C4系統包括：指揮信息系統。指揮信息系統是海軍實現"哥白尼"戰略的指揮、控制和情報系統，目的是建成一個通用的C4I結構，為艦隊提供通用的戰術畫面。指揮信息系統使用通用操作環境（COE）、通用編程接口、發展者用的通用綜合標準和通用人機接口，WSN的應用☆軍事上的應用傳感器網絡具有可快速部署、可自組織、隱蔽性強和高容錯性的特點，因此非常適合軍事上的應用。通過飛機或炮彈直接將傳感器節點散播到敵方陣地內部，或者在公共隔離帶部署傳感網絡，就能隱蔽而且近距離的準確收集戰場信息。例:傳感器網絡已經成為美軍事C4ISRT系統必不可少的一部分。WSN的應用（續）☆環境觀測和保護英特爾研究實驗室研究人員曾經將32個小型傳感器連進互聯網，以讀出緬因州"大鴨島"上的氣候，用來評價一種海燕巢的條件。無線傳感器網絡還可以跟蹤候鳥和昆蟲的遷移，研究環境變化對農作物的影響，監測海洋、大氣和土壤的成分等。此外，它也可以應用在精細農業中，來監測農作物中的害蟲、土壤的酸堿度和施肥狀況等。WSN的應用（續）☆醫療護理用于人體的各種生理數據，跟蹤和監控醫院內醫生和患者的行動，醫院的藥物管理等。例：一個可以成像的特殊發送器芯片與精巧設計的超低功率無線技術結合，就可以實現可用于一個胃腸道診斷的微型吞服攝像膠囊?；颊咄滔戮SC片大小的成像膠囊后，膠囊經過食道、胃和小腸時就可將圖象廣播出來。膠囊由一個攝象機、LED、電池、特制芯片和天線組成。（如圖）WSN的應用（續）WSN的應用（續）☆智能家居家電和家具中嵌入傳感器節點，通過無線網絡與Internet連在一起。為人提供人性化的家居環境。例：Avaak提供一個只有1立方英寸大小的自治產品。這個微型的無線視頻平臺包含有一節電池、無線電、攝像相機、(彩色成像器加鏡頭)、控制器、天線和溫度傳感器。（如圖）WSN的應用（續）WSN的應用（續）☆建筑物狀態監控利用傳感器網絡監控建筑物的安全狀態。例：Microstrain在佛蒙特州的一座重載橋梁上安裝了一套該公司研制的系統，將位移傳感器安裝在鋼梁上用來測量靜態和動態應力，并通過無線網絡來采集數據。該無線系統可以保留在橋梁上用于長期監測橋梁是否處于正常受控狀態。（如圖）WSN的應用（續）美國國家航空航天局（National

Aeronautics

and

Space

Administration，NASA）WSN的應用（續）☆完成空間探索借助于航天器在外星體撒播一些傳感器網絡節點，可以對星球表面進行長時間監測。成本低、節點體積小，相互之間可以進行通信，也可以和地面站進行通信。例：NASA的JPL（Jet

Propulsion

Laboratory）實驗室研制的Sensor

Webs(感應網)就是為將來的火星探測進行技術準備。該系統已經在實施測試和完善。MAC協議在無線傳感器網絡中，介質訪問控制協議決定無線信道的使用方式，在傳感器節點之間分配有限的無線通信資源，用來構建傳感器網絡系統的底層基礎結構?！钤O計MAC協議時考慮：※節省能量※可擴展性※網絡效率MAC主要負責控制與連接物理層的物理介質MAC協議_

MAC網絡能量浪費主要原因：※數據重傳，耗費節點更多能量。※節點接受不必要的數據。※節點不需要發送數據時，過度偵聽?！诺婪峙鋾r，控制消息過多。MAC協議節點無線通信模塊的狀態包括：發送狀態、接受狀態、偵聽狀態、睡眠狀態。各狀態耗能按上述順序依次減少，因此通常采用”偵聽/睡眠”交替使用的無線信道使用策略。TDMA（time

division

multiple

access）MAC協議針對不同的傳感器網絡應用，提出不同的

MAC協議，主要分3類：※時分復用（TDMA）的MAC協議。※隨機競爭的MAC協議。※其他MAC協議。如：頻分復用或碼分復用等協議。MD（Mediation

Device）WSN的協議_

MD協議節點平均耗能表示為：P=a

*

P0

+（1-a）*

PsP：平均功耗。a：節點工作占空比。

P0：活動狀態下的功耗。

Ps：待機狀態下的功耗。WSN的協議（續）MD(Mediation

Device)協議對于大多數應用P0>>Ps.所以可以通過降低占

空比來延長壽命。但是對于極低的占空比來說，節點間同步非常困難，網絡工作時，所有節點

99.9%處于待機狀態，引入仲裁設備(MD協議)就是保持功耗最小化的同時實現穩定的時間同步。工作過程如下：一個完整的喚醒周期包括休眠時段和監聽時段。監聽時段與喚醒時段的時間長度之比就是占空比。RTS/CTS協議即請求發送/允許發送協議，相當于一種握手協議。RTS是準備好發送