智能无线传感器网络原理与应用

第1章 绪论 1.1 引言 在信息化无处不在的当今社会，人们绝大部分的日常生活行为都与信息资源的开发、采集、传送和处理息息相关。尤其是在21世纪，人们对于信息的获取手段提出更高的要求，要求传感器具有小型化、智能化、多功能化和网络化等特点。正是集合了人们对于信息化的迫切需求以及传感器设备的发展趋势，无线传感器网络(wireless sensor networks，WSN)应运而生，并得到快速发展。无线传感器网络的雏形始于20世纪90年代末，在诞生之初便受到极大的关注，美国《商业周刊》和《MIT技术评论》在预测未来技术发展的报告中，将其列为21世纪*具影响力和改变世界的十大技术之一。伴随着近10年电子和通信技术的蓬勃发展，与无线传感器网络相关的研发工作受到全球众多科研机构和公司的关注，并逐渐完成了由概念到产品的转化。如今，无线传感器网络已经被应用于众多领域，如工业生产、环境监测、智能建筑、医疗保健和军事系统等。此外，以物联网为代表的信息革命浪潮正在悄然兴起，作为物联网系统的重要组成部分，无线传感器网络正面临前所未有的发展机遇。在可以预见的未来，无线传感器网络将凭借其“无处不在的计算”深刻地改变与人类生产和生活息息相关的各个领域。 1.2 无线传感器网络概述 1.2.1 无线传感器网络系统结构 无线传感器网络由部署在监测区域内的大量节点组成，这些节点通过无线通信的方式形成多跳自组织监控网络系统，能够协作地实时监测、感知和采集各种环境或监测对象的信息，并通过嵌入式系统对信息进行处理，*后通过随机自组织无线通信网络，以多跳中继方式将所感知信息传送到用户终端。因此，可以说无线传感器网络的出现使得逻辑上的信息世界与客观上的物理世界融合在一起，改变了人类与自然界的交互方式。人们可以通过传感网络直接感知客观世界，从而提高人类认识世界的能力。 在无线传感器网络系统中，传感器、感知对象和观察者构成传感器网络的三个要素，其中传感器之间、传感器与观察者之间通过有线或无线网络通信，节点间以Ad-Hoc方式进行通信。从结构上来讲，无线传感器网络通常由无线传感器节点、汇聚节点(也称为接收发送节点( sink)或基站(base station))、Internet或通信卫星及用户等构成，如图1 1所示。 1.2.2 无线传感器网络基本特点 无线传感器网络作为一种新型的信息感知系统，除了具有Ad-Hoc网络的移动性、独立性、电源能力局限性等共同特征以外，还具有以下鲜明的技术特点。 (1)应用相关性。无线传感器网络是无线网络和数据网络的结合，一般是为了某个特定的需求而设计的。与传统网络能适应广泛的应用不同，无线传感器网络通常是针对某一特定的应用，是一种基于应用的无线网络。在应用中，各个节点能够协作地实时监测、感知和采集网络分布区域内各种环境或监测对象的信息，并对这些数据进行处理。从而获得详尽而准确的信息，将其传送到需要这些信息的用户。 图1-1 无线传感器网络系统结构 (2)网络的大规模性。为了获取精确信息，在监测区域通常部署大量传感器节点，其数量可能达到成千上万，甚至更多。在大规模网络中，通过不同空间视角获得的信息具有更大的信噪比；通过分布式处理大量采集的信息能够提高监测的精确度，降低对单个节点传感器的精度要求。大量冗余节点的存在，使得系统具有很强的容错性能，还能够增大覆盖的监测区域，减少网络空洞或盲区。 (3)自组网与自维护性。对于由随机撒播大量节点而构成的传感网络而言，每个节点的地位平等，网内没有绝对的控制中心，可以在任何时刻和地点自动组网，传感器节点的位置不能预先精确设定，节点之间的关系也不确定，不像通常使用的网络固定地址和关系。这就需要无线传感器网络能够通过拓扑和网络通信协议自动地进行配置和管理，形成监测多跳无线网络。同时，单个节点或者局部几个节点由于环境改变等原因而失效时，网络拓扑应能随时间动态变化。这就要求无线传感器网络具备维护动态路由的功能，才能保证网络不会因为部分节点出现故障而瘫痪。 (4)以数据为中心。在无线传感器网络中，各节点内置有不同形式的传感器，用以测量热、红外、声纳、雷达和地震波等信号，从而探测包括温度、湿度、噪声、光强度、压力、土壤成分、移动物体的大小、速度和方向等众多感兴趣的数据。用户关心的是从网络中获取的信息而不是网络本身，所以以数据为中心是无线传感器网络区别于传统通信网络的主要特点。 (5)路由多跳性。网络中节点通信距离有限，一般在几十米到几百米范围内，节点只能与它的邻近节点直接通信。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。网络的多跳路由通常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。因此，每个节点既可以是信息的发起者，也可以是信息的转发者。 (6)网络动态性。无线传感器网络是一个动态的网络，网络中的传感器、感知对象和观察者三要素都可能具有移动性。另外，新节点的加入、已有节点故障或失效，及环境条件变化所造成无线通信链路的带宽变化，都会引起无线传感器网络结构的变化。这就要求传感器网络能够适应结构的随时变化，具有动态系统的可重构性。 (7)节点的可靠性。传感器节点往往要工作在恶劣的环境下，甚至遭到破坏，如有时要利用飞机空投或发射炮弹来进行网络节点的部署，所以要求节点非常坚固、不易损坏，及能适应各种恶劣环境。由于传感器节点数量很大，监测的环境面积很大，具体的节点位置会时常发生变化，所以不可能人为地进行网络维护。为了防止监测数据被盗取，要求无线传感器网络具有保密性和安全性，要求整个网络的软、硬件具有很好的鲁棒性和容错性。 (8)节点能量、存储空间和处理能力的有限性。在无线传感器网络中，传感节点数量众多。为降低网络成本，传感节点的体积、存储空间、处理能力都受到很大的限制。在通常情况下，传感节点都布置在偏远、恶劣的环境中，能源由电池提供且难以做到能源的替换，节点能量十分有限。因此，如何克服节点的局限性、降低能耗或者使节点具备成熟的自动获取能源的能力，是目前无线传感器网络设计领域的一个重要技术问题。 1.2.3 无线传感器网络关键技术 无线传感器网络作为当今信息领域新的研究热点，尚有许多关键理论与技术问题有待研究，主要研究内容有以下几个方面： (1)网络拓扑控制。无线传感器网络是自组织网络，在保证网络连通和覆盖的前提下剔除不必要的通信链路，形成数据转发的优化网络结构具有重要意义。通过拓扑控制自动生成良好的网络拓扑结构，能够提高路由协议和MAC协议的效率，从而节省节点能量以延长网络生存期，并为数据融合、时间同步和目标定位等奠定基础。 (2)网络协议。传感器网络协议负责使各个独立的节点形成一个多跳的数据传输网络。但由于传感器网络节点的计算能力、存储能力、通信能力以及携带的能量都十分有限，每个节点只能获取局部网络的拓扑信息，其运行的网络协议也不能过于复杂，无线传感器网络除结构动态变化外，网络资源也在不断变化，这些都对网络协议提出更高的要求。目前，研究的重点是网络层路由协议和数据链路层协议。网络层的路由协议决定监测信息的传输路径；数据链路层的介质访问控制用来构建底层的基础结构，控制传感器节点的通信过程和T作模式。 (3)时间同步。实现时间同步是传感器网络系统协同工作的关键机制之一。无线传感器网络的一些固有特征，如能量、存储、计算和宽带的限制，以及节点的高密度分布，使传统的时间同步算法无法适用。因此，越来越多的研究集中在设计适合无线传感器网络的时间同步算法。目前，已提出多个时间同步机制，其中RBS(reference broadcast synchronization)、Tiny/Mini-Sync和TPSN (timing-sync protocol for sensor network)被认为是三个基本的同步机制。 (4)定位技术。位置信息是传感器网络节点采集数据过程中不可缺少的部分。在某些应用中，没有位置信息的监测消息通常毫无意义。确定事件发生的位置或数据采集的节点位置是传感器网络*基本的功能之一。根据无线传感器网络的自身特点，定位机制必须满足自组织性、健壮性、能量高效性和分布式计算等要求。目前，主要的定位机制有TOA(time of arrival)、TDOA (time difference of arrival)、AOA (angle of arrival)和RSSI( received signalstrength indication)。 (5)网络安全。无线传感器网络作为任务型网络，不仅要进行数据传输，还要进行数据采集、融合及任务协同控制等。如何保证任务执行的机密性、数据产生的可靠性、数据融合的高效性以及数据传输的安全性，就成为无线传感器网络需要全面考虑的安全问题。为了保证任务的机密布置和任务执行结果的安全传递和融合，无线传感器网络需要提供基本的安全机制，如机密性认证、点到点的消息认证、完整性鉴别、新鲜性鉴别、认证广播和安全管理等。 (6)数据融合。数据融合是将多份数据或信息进行处理，组合出更有效、更符合需求的数据过程。由于无线传感器网络存在能量约束，因此需要数据融合以减少传输的数据量，有效节省能量。又由于传感器节点的易失效性，因此传感器网络也需要数据融合技术对多份数据进行综合，以提高信息的精确度。数据融合技术可以与传感器网络的多个协议层次进行结合。在传感器网络的设计中，只有面向应用需求设计针对性强的数据融合方法才能*大限度地获益。但数据融合技术也存在缺点，它节省能量、提高信息准确度是以牺牲延迟性和鲁棒性等性能为代价的。 (7)数据管理。从数据存储的角度看，传感器网络可被视为一种分布式数据库。以数据库的方法在传感器网络中进行数据管理，可以将存储在网络中的数据逻辑视图与网络中的实现进行分离，使传感器网络的用户只需要关心数据查询的逻辑结构，而不用关心细节实现。无线传感器网络数据管理系统的结构主要有集中式、半分布式、分布式以及层次式结构。无线传感器网络中数据的存储采用网络外部存储、本地存储和以数据为中心存储等方式。 (8)嵌入式操作系统。在无线传感器网络中，每个传感器节点都是一个微型的嵌入式系统，内部的硬件资源有限，需要操作系统对其有限的内存、处理器和通信模块进行节能高效的使用，并提供*大的支持。在无线传感器网络的操作系统支持下，多个应用可以并发地使用系统的有限资源，因此嵌入式操作系统也是传感器网络领域的重要研究内容。 1.3 无线传感器网络的发展 1.3.1 无线传感器网络演变过程 无线网络技术的发展起源于人们对无线数据传输的需求，它的不断进步直接推动了无线传感器网络概念的产生和发展。早在20世纪70年代，就出现了传统传感器的点对点传输，形成传感器网络的雏形，人们把它称为**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备了获取多种信息的综合处理能力，并通过与传感控制器的结合，组成兼具信息综合和信息处理两种能力的传感器网络，形成第二代传感器网络。从20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，大量多功能传感器获得应用，并使用无线技术连接，无线传感器网络逐渐形成。到了21世纪，信息化技术的进步促进了无线传感器网络的发展，形成从单一化逐渐向集成化、微型化和网络化的发展方向。总之，无线网络技术的发展和进步一直是无线传感器网络发展的*主要推动力，下面分别介绍一些与无线传感器网络的发展过程息息相关的网络形式。 1) ALOHA系统 ALOHA系统出现于20世纪60年代末，是**个获得成功应用的无线网络，由美国夏威夷大学Norman Abramson等研制成功。ALOHA系统包