摘  要： 從理論上描述了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特性及關(guān)鍵技術(shù)，闡述了其廣闊的發(fā)展前景。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以感知周圍環(huán)境，把采集的信息發(fā)送給數(shù)據(jù)使用者。由于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)具有成本低、功耗低的優(yōu)點(diǎn)，使其可以大范圍地應(yīng)用在一定區(qū)域。
關(guān)鍵詞： 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)；數(shù)據(jù)采集

     隨著傳感器、集成電路和低功耗射頻技術(shù)的飛速發(fā)展，傳感器節(jié)點(diǎn)的成本和功耗得到了有效控制，進(jìn)而使得傳感器節(jié)點(diǎn)的大規(guī)模應(yīng)用成為可能。在這種技術(shù)背景下，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)逐漸完善并發(fā)展成熟。
1 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的簡(jiǎn)介[1]
1.1 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)組成結(jié)構(gòu)
    傳感器節(jié)點(diǎn)到目前經(jīng)過(guò)了四代的發(fā)展，在不同的應(yīng)用背景下，傳感器節(jié)點(diǎn)的具體設(shè)計(jì)有不同，但基本結(jié)構(gòu)是類似的。與此同時(shí)，傳感器節(jié)點(diǎn)在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中充當(dāng)數(shù)據(jù)采集者、數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)站或類頭節(jié)點(diǎn)的角色始終沒有發(fā)生變化。一個(gè)典型的節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)由傳感器節(jié)點(diǎn)、信號(hào)處理電路、模/數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換器、微處理器、電池及電源管理電路、存儲(chǔ)器和射頻模塊等構(gòu)成，如圖1所示。

    傳感器模塊用于監(jiān)測(cè)目標(biāo)的信息采集和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。一個(gè)節(jié)點(diǎn)可以監(jiān)測(cè)多個(gè)監(jiān)測(cè)目標(biāo)，同時(shí)，一個(gè)監(jiān)測(cè)目標(biāo)也可以被多個(gè)節(jié)點(diǎn)感知。A/D轉(zhuǎn)換器將物理信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并傳送到數(shù)據(jù)處理模塊。微處理器負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)各部分的工作，通常選用嵌入式處理器。電池及電源管理為節(jié)點(diǎn)提供正常工作所需要的能量，通常選用干電池。存儲(chǔ)單元為數(shù)據(jù)提供暫時(shí)存儲(chǔ)服務(wù)。射頻模塊由低功耗、短距離的無(wú)線通信模塊組成，主要負(fù)責(zé)與其他節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信。
1.2 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)
     一個(gè)典型的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)包括傳感器節(jié)點(diǎn)、任務(wù)管理節(jié)點(diǎn)和匯聚節(jié)點(diǎn)[2]，如圖2所示。傳感器節(jié)點(diǎn)的射頻覆蓋范圍比較小，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)感知區(qū)域內(nèi)信息的采集、分析和處理任務(wù)，然后經(jīng)過(guò)多跳路由的方式將數(shù)據(jù)發(fā)送到匯聚節(jié)點(diǎn)。匯聚節(jié)點(diǎn)具有較強(qiáng)的數(shù)據(jù)發(fā)射能力，數(shù)據(jù)信息會(huì)通過(guò)匯聚鏈路發(fā)送到任務(wù)管理節(jié)點(diǎn)進(jìn)行進(jìn)一步的處理，匯聚鏈路可以是互聯(lián)網(wǎng)、衛(wèi)星通信等。任務(wù)管理節(jié)點(diǎn)是數(shù)據(jù)的使用者，主要負(fù)責(zé)對(duì)采集的信息進(jìn)行分析處理。
2 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特性[3]
2.1 電源能量有限
    無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的供電方式（干電池）決定了其容量十分有限，同時(shí)，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)分布廣闊等特點(diǎn)也決定了使用過(guò)程中補(bǔ)充能量的不現(xiàn)實(shí)性。當(dāng)電量使用完畢時(shí)，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)也就失去了作用，稱之為節(jié)點(diǎn)死亡。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的死亡數(shù)達(dá)到限制數(shù)時(shí)，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)就不能組網(wǎng)傳遞數(shù)據(jù)，這個(gè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)就失去了價(jià)值。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的耗能單元模塊包括傳感單元、處理單元和通信單元，其中通信單元消耗了絕大多數(shù)的能量，如圖3所示。

    因此，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展到現(xiàn)在，任何設(shè)計(jì)模式都必須以節(jié)能、延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)使用時(shí)間為前提。
2.2 通信能力有限
   無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)能量消耗和通信距離的關(guān)系為：
     E=kDn  （2<n<4）                        （1）
其中，k表示常量系數(shù)，D表示通信距離，節(jié)點(diǎn)的通信半徑一般取值為30 m~150 m。n的值與網(wǎng)絡(luò)中障礙物和電磁干擾等成正比。
2.3 以數(shù)據(jù)為中心
     以數(shù)據(jù)為中心指的是在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)使用者只關(guān)注某個(gè)網(wǎng)絡(luò)區(qū)域內(nèi)的某個(gè)觀測(cè)指標(biāo)的數(shù)值，而不是關(guān)注具體節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)信息。這就要求無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)能夠快速有效地組織各個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的信息并進(jìn)行融合處理，將有用的信息數(shù)據(jù)發(fā)送給數(shù)據(jù)使用者，節(jié)點(diǎn)的融合處理能力可以減少在傳送過(guò)程中的能量消耗，延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生存時(shí)間。
2.4 無(wú)中心
    在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)的地位都是平等的，節(jié)點(diǎn)啟動(dòng)后能夠自動(dòng)進(jìn)行參數(shù)配置，并通過(guò)分布式的算法來(lái)協(xié)調(diào)彼此的行為，任何節(jié)點(diǎn)都可以隨時(shí)加入或退出網(wǎng)絡(luò)，也可以通過(guò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)控制和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議隨時(shí)隨地快速展開并自動(dòng)構(gòu)成一個(gè)獨(dú)立的多跳網(wǎng)絡(luò)，無(wú)需任何人工干預(yù)和預(yù)置的網(wǎng)絡(luò)設(shè)施。這也就是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)被稱為“智能塵埃”的奧妙之處。
2.5 路由方式
    在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，由于節(jié)點(diǎn)資源有限等特點(diǎn)，導(dǎo)致了節(jié)點(diǎn)無(wú)法與接收器節(jié)點(diǎn)直接進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，因此在實(shí)際應(yīng)用中大多都是采用多跳的路由方式。
2.6 可移動(dòng)性
    無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)是在特定區(qū)域中隨機(jī)播撒的，因此具有可移動(dòng)性。當(dāng)節(jié)點(diǎn)位置布置好后，相對(duì)就比較固定，而且網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)也不會(huì)發(fā)生變化，只有當(dāng)某些節(jié)點(diǎn)死亡或者是有新的節(jié)點(diǎn)加入時(shí)才發(fā)生變化。
無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)由于受限于價(jià)格、體積和能耗等資源因素，導(dǎo)致了計(jì)算能力、存儲(chǔ)能力以及通信方式都比較有限，因此設(shè)計(jì)有效的協(xié)議算法、提高節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)融合能力是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的主要挑戰(zhàn)。
3 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)
3.1 操作系統(tǒng)
    無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)是一個(gè)微型的嵌入式系統(tǒng)，Windows和Unix等傳統(tǒng)的操作系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)對(duì)于節(jié)點(diǎn)高效利用的新需求。因此，需要一種新的操作系統(tǒng)來(lái)滿足節(jié)點(diǎn)資源有效利用的需求。目前，研發(fā)人員已經(jīng)開發(fā)了幾種適用于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的操作系統(tǒng)，其中占據(jù)主導(dǎo)地位的是由美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校開發(fā)的TinyOS，其他比較普遍的系統(tǒng)還有美國(guó)科羅拉多大學(xué)MANTIS項(xiàng)目組開發(fā)的開源多線程操作系統(tǒng)MantisOS、加州大學(xué)洛杉磯分校網(wǎng)絡(luò)和嵌入式實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的操作系統(tǒng)SOS、瑞典計(jì)算機(jī)研究所開發(fā)的多任務(wù)開源操作系統(tǒng)Contiki以及康奈爾大學(xué)開發(fā)的分布式操作系統(tǒng)MagneOS等。
3.2 路由協(xié)議
    路由協(xié)議在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中起著非常重要的作用，不僅關(guān)系到單個(gè)節(jié)點(diǎn)的耗能，同時(shí)也關(guān)系到整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的能量均衡消耗。因此，高效的路由協(xié)議不僅可以維持?jǐn)?shù)據(jù)傳輸通路，而且還應(yīng)該具有一定的魯棒性。
3.3 數(shù)據(jù)融合
    無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)數(shù)目多、分布廣，獲取的數(shù)據(jù)信息具有很大的冗余度，如果將冗余數(shù)據(jù)傳輸給用戶管理節(jié)點(diǎn)進(jìn)行集中處理，不僅會(huì)造成網(wǎng)絡(luò)通信量大，而且傳輸數(shù)據(jù)過(guò)程中也會(huì)消耗過(guò)多的能量。因此，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)需要對(duì)獲取到的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理，在保證信息準(zhǔn)確性的前提下，達(dá)到節(jié)能的目的。
3.4 定位技術(shù)

    無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)定位技術(shù)是指確定每個(gè)節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中的相對(duì)或絕對(duì)地理坐標(biāo)，使用該技術(shù)，無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)可以智能地選取特定區(qū)域的節(jié)點(diǎn)來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。定位技術(shù)不僅可以降低無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的耗能，同時(shí)可以延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的使用時(shí)間。
3.5 網(wǎng)絡(luò)安全
    無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、融合和傳輸?shù)倪^(guò)程中可能會(huì)遇到竊聽、消息修改等安全威脅。針對(duì)這些問(wèn)題，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)SPINS安全框架在機(jī)密性、完整性鑒別及認(rèn)證廣播等方面都提出了完整有效的機(jī)制算法，這些機(jī)制算法對(duì)于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的安全性起到了有效的保護(hù)。
無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)憑借其自身的優(yōu)點(diǎn)，目前已在軍事、環(huán)境監(jiān)控、空間探索等領(lǐng)域取得了有效的利用，并表現(xiàn)出了巨大的優(yōu)勢(shì)。國(guó)內(nèi)對(duì)于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究才剛剛起步，在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)方面的研究工作還不多，但是隨著研究的深入，該理論無(wú)論在國(guó)家安全還是在國(guó)民經(jīng)濟(jì)等方面都將有更廣泛的應(yīng)用前景，對(duì)整個(gè)國(guó)家的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)都將有重大的戰(zhàn)略意義。
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