一文带你粗略了解无线传感器网络

引言

无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）是由大量传感器节点组成的一种自组织网络，这些传感器节点不仅能感知网络内的环境信息，还具有简单的计算能力，同时可以将感知和计算后的相关信息在网络中进行传输，具有一定的通信能力。传感器节点是WSN中最重要的节点，它是整个WSN的基础，具有感知数据、处理数据、存储数据和传输数据的功能。传感器节点负责感知网络内的环境信息，收集监测数据并通过汇聚节点上报给用户节点。

与其它无线通信网络相比，WSN有其自身显著的特点。

大规模性：传感器网络的大规模性分为两种含义，一种是在某些很大面积的监测区域内部署传感器节点，如森林、山地等区域为了监控火灾或进行其他环境监测活动；另一种是在面积有限的区域内部署大密度的传感器节点。

自组织性：WSN是一种分布式自组织的无线网络，它没有中心控制管理，是由对等节点构成的网络。这种分布式结构可以更好的适应网络的变化，在网络发生变化时可以自动进行配置和管理，灵活性和实用性较强。

路由多跳性：由于WSN的监测范围很大，传感器节点间数据传输距离会很远，所以WSN中多采用多跳路由转发的方式，使每个节点都具有路由转发功能，这样可以减少节点发送功率，降低网络能耗。

健壮性：WSN经常应用于山地、森林等环境恶劣的野外区域，在这种环境中，传感器节点的维护工作较难实现，所以需要网络具有一定的健壮性，当某些节点因为环境干扰或电池耗完不能正常工作时，网络内其他节点间可以自动调节以保证WSN的正常工作。

1 无线传感器网络应用

作为信息技术三大支柱之一，WSN以其低成本、低功耗、高适用性等特点在工业市场上已经得到广泛的应用。其主要应用领域集中在以下几个方面。

1.1 军事侦察

WSN能满足多种军事场景下信息获取的实时性和准确性，它可以感知战场态势。在军事应用中，大量传感器节点通过飞行器被抛洒在战场区域并形成自组网，网络内各个节点感知战场信息并收集、传输这些数据信息为作战部队提供情报。由于WSN具有密集型、随机分布的特点，使其在监控友军兵力、装备物资、弹药调配和战争损伤评估；监视战区情况、侦查敌方军力和目标跟踪；探测和侦查生物化学攻击等方面起到很大作用。

美国是第一个进行WSN研究的，从越南战争中开始研究用于发现越南物资运输车队的“热带树”传感器开始，美国在WSN研究方面投入了大量的人力、物力和资金，并成功将其应用到了军事领域。此外，WSN还可以应用于国土安全和国土边境监视等方面。

1.2 环境监测

随着人们对环境问题的关注，环境监测成为无线传感器网络的重要应用领域之一。目前社会的发展和大自然的变化，传统的环境监测手段已经不能满足人类的需求，使用传感器节点对室内外环境的采集、分析和监控显得尤为重要。

由于传感器网络自身的特点，其为野外环境的监控工作提供了便捷。通过WSN收集震动和次声波信息可以对火山爆发进行监测，提前发出预警；WSN还可以应用于动物跟踪、候鸟迁徙，通过观察动物的行为习惯进行种群研究；在植物上部署无线传感器网络能监控树木生成情况，收集光合作用等信息，给植物研究提供相关依据；在无人值守地区抛洒传感器节点可以进行无间断监测，弥补监测盲区获取更全面的环境数据。

随着科学技术的大力发展，对室内环境的监控也是很有必要的。无线传感器系统的部署，不仅可以监测室内实时的温度、湿度和空气质量以改善室内环境。

1.3 智能家居

智能家居是将居住环境中的安防系统、照明系统、空调系统和其他家用电器等设备通过物联网技术连接起来实现自动化和智能化管理。在家用电器中嵌入传感器节点，通过无线网络与互联网结合的方式可以实现对家电的远程控制，同时也可以实时监控家庭安全情况，使人们的生活更舒适、更便捷。

微软的“未来之家”是最先进的智能家居的代表，它融合了门禁系统不仅能对家庭环境进行监测还能通过触摸检测主人的身体状况并进行相应健康提示等。复旦大学、电子科技大学等单位也研制出一项基于WSN的智能楼宇系统，此系统可以通过互联网终端对家庭状况进行实施监测。

1.4 医疗健康

目前，WSN在医疗系统和健康护理方面有很多应用。在住院的患者身上安装可以监测心率或血压的传感器节点，可以使医生及时了解被监控病人的身体状况和活动情况，当发现异常状态时以最快速度对其进行抢救；基于传感器网络的看护系统可以实时检测老人的健康问题，感知老人的各项活动，记录老人的状态，为老人的安全健康提供保障，同时也可以减轻看护人员的负担，提高护理质量。

2 无线传感器网络关键技术

2.1 拓扑控制

拓扑控制技术的主要功能是数据转发，同时通过控制功率或邻居节点来实现网络的覆盖度和连通度。良好的网络拓扑能够提高路由效率、降低网络能耗，以延长网络生存周期。拓扑控制作为WSN中的核心问题，能够为数据融合、路由协议以及目标定位等提供技术支撑。

目前已有的拓扑控制算法分为节点功率控制和层次型拓扑控制两类。功率控制是通过调整传感器节点的发送功率，在满足网络覆盖率和连通性的前提下，尽可能减少节点发送功率。当每个节点的功率发生变化时，网络的拓扑结构也会发生变化，同时降低节点间的干扰，最终使网络达到最佳连通性。层次型拓扑控制利用分簇机制，让形成簇头节点，每个簇头节点成为一个骨干网将网络划分成多个簇，其他非骨干网节点可以暂时停止通信以降低网络能耗，只允许骨干网进行数据转发。

2.2 路由协议

在无线传感器网络中，网络连接需要根据实际情况，需联合合适且特定的算法还有系统软件建立的实时动态的连接，并不是采用一种事先安排好的连接方式。网络带宽、处理功耗等一些网路实时方面的影响因素是网络运行时必然要考虑的因素，因此，当网络出现意外时，网络根据实际情况能够实时地进行重构或是更新网络系统等操作。节点之间通信连接的可靠性是有限的，有时阴影衰落也是影响网络连接的因素之一，所以在设计满足网络需求的路由软件时要仔细考虑通信的可靠性问题。

2.3 数据融合

在WSN中，通过数据融合技术可以对传感器节点收集到的数据进行融合处理，去除冗余信息，节省网络能量，延长网络生命周期。此外，利用数据融合技术可以对网络内感知到的多份数据进行分析和综合处理以提高信息的准确度。然而，数据融合技术在进行数据处理时，会增加网络运行时间，造成网络的时间延迟。

2.4 时间同步

时间同步是需要协同工作的传感器网络系统的一个关键机制。在WSN中，节点间通常需要相互协作才能完成感知和监测功能，此时要求各个节点之间保持同样的时钟。目前已有的时间同步协议有RBS（参考广播同步）、Tiny/miniSync（微小/迷你同步）以及TPSN（Timing-sync协议的传感器网络）。

2.5 定位技术

在WSN的实际应用中，用户不仅关注传感器节点在监测区域内的感知数据，也希望获取这些节点的位置信息。因此，定位技术作为WSN中的关键技术具有十分重要的地位。

在WSN中传感器节点的定位方式分为两种：基于测距的定位和基于非测距的定位技术。基于测距的定位是通过测量节点间的距离和方向角度来确定待定位节点的坐标，此方法对节点硬件要求较高，能达到精确定位；基于非测距的定位是通过网络内节点间的连通性来获取待定位节点的最终坐标的，由于无需测量节点间的距离使得对节点的硬件要求较低，降低了网络的成本，但是定位精度不高。

3 结束语

通过对WSN的深入研究，人们对其的认识越来越深刻，与此同时在相关技术方面也取得了很大的进展，使WSN得到广泛应用。WSN是目前国内外各个领域专业的研究热点，它将成为未来社会应用广泛的网络，具有很好的研究价值和发展前景。