无线传感器网络综述
无线传感器网络综述
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陶 晓 艳 ／无 线 传 感 器 网 络 综 述
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无线传感器网络应用技术综述
无线传感器网络应用技术综述摘要：传感器被越来越多地布置到实际的网络环境中，用于实现某些应用。
无线传感器网络已经成为了科学研究领域最前沿的课题之一，引起了工业界和学术界众多研究者的关注。
通过总结相关方面的工作，综述在不同领域中无线传感器网络的实际应用，并对具体应用的一些重要特性进行分析，在此基础上提出若干值得继续研究的方面。
关键词：无线传感器；网络应用一、无线传感器网络简介随着微机电系统的迅速发展，片上系统SoC(System on Chip)得以实现，一块小小的芯片可以传递逻辑指令，感知现实世界，乃至做出反应。
无线传感器网络WSN(Wireless Sensor Network)，这一由大量具有片上微处理能力的微型传感器节点组成的网络，引起了工业界和学术界众多研究者的关注。
传统的传感器网络通常由两种节点：传感器节点(sensor)和接收器节点(sink)组成。
传感器节点负责对事件的感知和数据包的传输；接收器节点则是数据传输的目标节点，一般具有人机交互界面，并可以接入其它类型的网络体系。
传感器网络以其低成本、低功耗的特点，在军事、环境监测、医疗健康等领域都有着广泛的应用。
在本文中，对大量现有无线传感器和无线传感器网络的应用进行分析，从节点移动性、节点互联方式、网络数据规模、网络分层结构等方面进行分析和比较。
并在此基础上，提出若干值得继续研究的方面，为挖掘传感器网络新的应用打下基础。
二、无线传感器网络的特点目前常见的无线网络包括移动通信网、无线局域网、蓝牙网络、ad hoc网络等，与这些网络相比，无线传感器网络具有以下特点：（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操作系统设计中，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，电池的容量一般不是很大。
任何技术和协议的使用都要以节能为前提。
（3）自组织。
无线传感器网络技术综述
无线传感器网络综述摘要:无线传感器网络是一种全新的信息获取和处理技术。
因其巨大的应用前景而受到科学界越来越广泛的重视。
本文介绍了无线传感器的定义、体系结构以及特点，并着重分析了无线传感器网络研究的一些关键问题，最后探讨了无线传感器网络的应用前景以及发展方向。
关键字:无线传感器网络；体系结构；关键技术；应用一、无线传感器网络的定义无线传感器网络是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点，通过无线通信方式形成的一个多跳自组织网络。
二、无线传感器网络的原理利用各种类型的敏感元件构成的传感器，分布于需要覆盖的领域内，组成传感器节点，用于收集数据，并且将数据路由送至信息收集节点“Sink”，信息收集节点与信息处理节点通过广域网将数据送至地面监控中心进行统计分析和处理，并对监测结果进行综合评估。
三、无线传感器网络的体系结构3.1无线传感器网络的系统构架无线传感器网络的系统构架如下图1-1所示，通常包括传感器节点(sensor node)、汇聚节点(sink node)和管理节点，即无线传感器网络的三个要素是传感器、感知对象和观察者。
3.2传感器节点的结构传感器节点由传感器模块、处理器模块、无线通信模块和能量供应模块四部分组成，如图1-2所示。
在软件设计方面，各通信协议都应该以节能为中心，必要时可以牺牲一些其他的一些网络性能指标，以获得更高的电源效率。
图1-2无线传感器网络节点结构3.3无线传感器网络的体系结构无线传感器网络的体系结构由分层的网络通信协议、网络管理平台以及应用支撑这三个部分组成，如下图1-3所示。
网络通信协议网络管理平台图1-3.无线传感器网络的体系结构分层的网络通信协议结构类似于传统的TCP/IP协议体系结构，由物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层组成。
物理层的功能包括信道选择、无线信号的监测、信号的发送与接收等。
数据链路层的主要任务是加权物理层传输原始比特的功能，使之对上层显现一条无差错的链路。
无线传感器网络的研究内容综述
无线传感器网络的研究内容综述摘要：无线传感器网络具有广泛的应用前景，且能够实现多种功能，因而是当前学术研究的一个重点领域。
本文介绍了无线传感器网络的体系结构和组网特点，详细分析了当前无线传感器网络中各层次的通信协议。
关键词：无线传感器网络体系结构组网特点通信协议1 无线传感器网络结构无线传感器网络的典型结构为自组多跳网络。
该网络中的节点同时具有传感、信息处理以及无线通信功能，每个节点通过多跳路由连接到无线网关，通过无线网关实现与监控终端的通信。
鉴于节点的属性限制，其通信距离较短，因此必须使用多跳路由，且节点数量要多，分布要密集。
2 无线传感器网络特点无线传感器网络具有如下几方面特点。
①硬件功能有限。
由于节点体积较小、价格相对低廉且要求运行的功耗较低，故其在性能方面要比通用的计算设备差很多。
②续航时间有限。
该方式为电池供电，且节点体积较小，分部环境较复杂，因而无法为电池充电或者为节点更换电池，一旦能源消耗完毕，该节点也就死亡，因此在传感器网络的设计中，一切以节能为前提。
③自组织性。
无线传感器网络的覆盖都是由节点自助完成的，不需要依赖任何支撑网络设施。
④无中心性。
网络中所有节点都是相对独立和平等的，任意节点的离开或加入都不会影响整个网络的运行。
⑤多跳路由。
无线传输网络中的节点只能在小范围内进行通信，因而若希望实现与网关或者外围监控终端的通信则必须通过其他节点进行路由实现。
⑥节点数量庞大，网络分布密集。
在某一区域进行无线传感器网络部署时需要使用大量的节点来维持网络的容错性和抗毁性。
3 无线传感器网络协议层次无线传感器网络的通信协议主要分为物理层、链路层、网络层和传输层。
对于这些协议需要进行具体讨论，现有的如ieee802.1x协议无法在无线传感器网络中应用。
3.1 物理层物理层的主要作用为产生载波对所需传输的数据进行调制与解调。
当前时期对物理层节点的设计思路主要有两种，一种为使用mems和集成电路技术等对节点的微处理器、传感器等模块进行设计；另一种为使用现有的商业元器件进行节点构建。
无线传感器网络研究现状与应用
无线传感器网络研究现状与应用一、本文概述无线传感器网络（Wireless Sensor Networks, WSN）是一种由许多在空间上分布的自动装置组成的网络，这些装置能够使用传感器协作地监控不同环境或对象的物理或化学现象，并通过无线方式进行信息传输。
近年来，随着物联网、大数据和等技术的飞速发展，无线传感器网络的研究和应用日益受到关注，成为信息技术领域的一个研究热点。
本文旨在全面综述无线传感器网络的研究现状和应用领域。
我们将对无线传感器网络的基本概念、特点和关键技术进行介绍，包括传感器节点的设计与优化、网络通信协议、能量管理策略等。
接着，我们将对无线传感器网络在环境监测、智能交通、农业物联网、医疗健康、军事防御等领域的应用进行深入探讨，分析其在不同场景下的优势和挑战。
我们还将对无线传感器网络的发展趋势和未来研究方向进行展望，以期为该领域的进一步发展提供参考和借鉴。
通过本文的阐述，我们希望能够为相关领域的学者和工程师提供一个全面而深入的无线传感器网络研究现状和应用概览，同时推动无线传感器网络技术的进一步发展和应用推广。
二、无线传感器网络研究现状无线传感器网络（Wireless Sensor Networks, WSNs）是近年来物联网领域研究的热点之一。
随着微型化、低功耗、高性能传感器技术的快速发展，以及无线通信技术的进步，无线传感器网络得到了广泛的应用和深入的研究。
网络拓扑与协议研究：无线传感器网络拓扑结构的研究主要关注如何有效地组织传感器节点，以提高网络的覆盖范围和连通性。
针对传感器节点的能量限制，研究人员还设计了多种节能的通信协议，如跳频扩频、时分复用等，以延长网络的生命周期。
数据融合与处理技术：在无线传感器网络中，由于传感器节点数量众多，产生的数据量巨大。
因此，数据融合与处理技术成为了研究的重点。
数据融合旨在将多个传感器节点的数据融合成一条或多条有用信息，减少数据传输量并提高数据的准确性。
无线传感网络综述
1、无线传感网络简介无线传感器网络WSN（Wireless Sensor Network）是一种由传感器节点构成的网络，能够实时地监测、感知和采集节点部署区中观察者感兴趣的感知对象的各种信息（如光强、温度、湿度、噪音和有害气体浓度等物理现象），并对这些信息进行处理后以无线的方式发送出去，通过无线网络最终发送给观察者。
2、无线传感网络的特点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操作系统设计中，协议层次不能太复杂。
2）传感节点数目多、易失效：根据应用的不同，传感器节点的数量可能达到几百万个，甚至更多。
此外，传感器网络工作在比较恶劣的环境中，经常有新节点加入或已有节点失效，网络的拓扑结构变化很快，而且网络一旦形成，人很少干预其运行。
因此，传感器网络的硬件必须具有高强壮性和容错性，相应的通信协议必须具有可重构和自适应性。
3）通信能力有限：考虑到传感器节点的能量限制和网络覆盖区域大，传感器网络采用多跳路由的传输机制。
传感器节点的无线通信带宽有限，通常仅有几百kbps 的速率。
由于节点能量的变化，受高山、建筑物、障碍物等地势地貌以及风雨雷电等自然环境的影响，无线通信性能可能经常变化，频繁出现通信中断。
4）电源能量有限：网络节点由电池供电，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。
因此在无线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。
5）以数据为中心是网络的核心技术：对于观察者来说，传感器网络的核心是感知数据，而不是网络硬件。
例如，在应用于目标跟踪的传感器网络中，跟踪目标可能出现在任何地方，对目标感兴趣的用户只关心目标出现的位置和时间，并不关心哪个节点监测到目标。
以数据为中心的特点要求传感器网络的设计必须以感知数据管理和处理为中心，把数据库技术和网络技术紧密结合，从逻辑概念和软、硬件技术两个方面实现一个高性能的以数据为中心的网络系统，使用户如同使用通常的数据库管理系统和数据处理系统一样自如地在传感器网络上进行感知数据的管理和处理。
无线传感器网络技术
无线传感器网络技术无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）是近年来快速发展起来的一种先进的感知与通信技术。
它由大量分布在监测区域内的无线传感器节点组成，通过无线通信和信息处理技术，可以实现对环境、物体或事件的实时、动态、全面的检测、监测和定位，具有广阔的应用前景。
1. 无线传感器网络的概述无线传感器网络是一种分布式的网络结构，由大量部署在监测区域内的传感器节点组成。
这些传感器节点可以感知、采集、处理和传输环境中的信息，并通过无线通信与其他节点进行交互和协作。
这种分布式的感知与通信方式使得无线传感器网络具备了广泛的应用场景和巨大的潜力。
2. 无线传感器网络的组成与特点无线传感器网络主要包括传感器节点、数据中心和通信网络三个部分。
传感器节点是无线传感器网络的核心，它们通过感知、采集和处理环境中的信息，并通过通信网络将数据传输到数据中心进行进一步的处理和分析。
无线传感器网络具有自组织、自适应、动态调整、灵活部署等特点，可以实现对环境的全面、实时、动态的监测和控制。
3. 无线传感器网络的应用领域无线传感器网络在农业、环境监测、智能交通、智能家居、工业控制等领域都有广泛的应用。
在农业领域，无线传感器网络可以实现对土壤湿度、温度、光照等环境参数的实时检测和控制，提高农作物的产量和质量。
在环境监测领域，无线传感器网络可以对大气污染、水质污染、噪音等环境因素进行实时监测和预警。
在智能交通领域，无线传感器网络可以实现对交通流量、道路状况等信息的实时采集和传输，提高交通管理的效率和安全性。
在智能家居领域，无线传感器网络可以实现对家庭设备、安全系统等的实时监测和控制，提高家庭生活的便捷性和舒适度。
在工业控制领域，无线传感器网络可以实现对工业设备、生产过程等的实时监测和控制，提高生产效率和质量。
4. 无线传感器网络的挑战与发展方向虽然无线传感器网络在应用领域有广泛的前景，但也面临着一些挑战。
无线传感器网络简介
无线传感器网络简介无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）是指由大量分布在空间中的无线传感器节点组成的网络。
每个传感器节点都具有感知、处理和通信的能力，可以实时采集和传输环境中的各种信息。
无线传感器网络的发展，为我们提供了一种全新的数据采集和监测手段，广泛应用于环境监测、农业、交通、医疗等领域。
一、无线传感器网络的组成与特点无线传感器网络由大量的传感器节点组成，每个节点都具有自身的处理器、存储器和无线通信模块。
这些节点通过无线通信方式相互连接，形成一个自组织的网络。
传感器节点通常由能源有限的电池供电，因此能源管理是无线传感器网络设计中的重要问题。
无线传感器网络具有以下特点：1. 分布式：传感器节点分布在空间中，可以覆盖较大的区域，实现全面的环境监测。
2. 自组织：传感器节点可以自主地进行网络组网和节点加入/离开操作，具备一定的自适应能力。
3. 多功能：传感器节点可以感知多种环境参数，如温度、湿度、光强等，可以应用于不同领域的监测需求。
4. 低功耗：由于能源有限，传感器节点通常采用低功耗设计，延长节点的工作寿命。
二、无线传感器网络的应用无线传感器网络在各个领域都有着广泛的应用。
1. 环境监测：无线传感器网络可以实时监测环境中的温度、湿度、空气质量等参数，为环境保护和监测提供数据支持。
2. 农业领域：传感器节点可以监测土壤湿度、光照强度等参数，帮助农民实现精细化的农业管理，提高作物产量和质量。
3. 交通领域：无线传感器网络可以监测道路交通流量、车辆速度等信息，为交通管理提供实时数据，提高交通运输效率。
4. 医疗领域：传感器节点可以监测患者的生理参数，如心率、血压等，实现远程医疗监护，提高医疗服务的质量。
5. 工业领域：无线传感器网络可以监测工业生产过程中的温度、压力等参数，实现智能化的生产管理，提高生产效率和产品质量。
三、无线传感器网络的挑战与发展方向虽然无线传感器网络在各个领域都有广泛应用，但也面临一些挑战。
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图3 无线通信收发机模拟电路部分系统模型
我们在前期的工作中，对射频前端建模，以WiFi 系统为例(可以改进推广到无线传感器网络通信)，主 要器件的功耗情况如表1所示。其中的数据主要来源 于RFMD和TI公司的产品以及我们前期建立的系统模 型。表1给出了不同的系统参数对射频前端各模块功 耗的影响。例如，A类功率放大器的功耗是峰均功率 比(PAR)、传输距离(d)、调制级数(b)和误码率(BER) 的函数。同时给出了在不同工作模式下，射频模块的 功耗示例。
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卷 100 积码在编码过 R=4/5,K=3 程中引入了寄存器，增加了码 元之10间-2 的相关性，㓪ⷕ在相同复杂度的条件下可以获得比
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分组10码-6 更高的编码增R益=3/4,K。=3 卷积码的译码算法主要采用 维特10比-8 (Viterbi)译码算法R=2/3，,K=3 实现相对简单，但是纠错 能力不 10-10 如Turbo R=1/2,K=3码和LDPC码，抗衰落能力差。但是
最近二十年间，以互联网为代表的计算机网络技 术给世界带来了深刻变化，然而，网络功能再强大， 网络世界再丰富，终究是虚拟的，与现实世界还是相 隔的。互联网必须与传感网络相结合，才能与现实世 界相联系。集成了传感器、微机电系统和网络三大技 术的新型传感网络(又称物联网)，是一种全新的信息 获取和处理技术，其目的是让物品与网络连接，使之 能被感知、方便识别和管理。物联网用途广泛，遍及 智能交通、环境保护、政府工作、公共安全、平安家 居、智能消防、工业监测、老人护理、个人健康等多 个领域。物联网被称为继计算机、互联网之后，世界 信息产业的第三次浪潮。业内专家认为，物联网一方 面可以提高经济效益，大大节约成本；另一方面可以 为全球经济的复苏提供技术动力。目前，美国、欧 盟、中国等都在投入巨资深入研究探索物联网。我国 高度关注与重视物联网的研究，工业和信息化部会同 有关部门，在新一代信息技术方面正在开展研究，以 形成支持新一代信息技术发展的政策措施。2009年8 月7日，温家宝总理在江苏无锡调研时，对微纳传感 器研发中心予以高度关注。温家宝总理指出“在传感 网发展中，要早一点谋划未来，早一点攻破核心技 术”，“在国家重大科技专项中，加快推进传感网发 展”，“尽快建立中国的传感信息中心，或者叫‘感 知中国’中心”。
行列，使我国在信息技术领域迎头赶上甚至占领产业 价值链的高端成为可能。
2 低功耗通信技术
在无线传感器网络中，低功耗是其核心问题。 随着集成电路工艺的进步，处理器和传感器模块的功 耗变得很低，绝大部分能量消耗在无线通信模块上。 有研究表明，传输1比特信息至100米远的距离需要 消耗的能量，大约相当于执行3000条计算指令。因 此，延长无线传感器网络的工作寿命，重点在于降低 通信模块的能耗。
右时，准确率在±8%左右。
2.2 以能效比为优化目标的自适应调制编码
实现高能效比的无线传感器网络通信系统，我们 需要如图2所示，根据无线传感器网络的应用和时变 的无线通信信道，自适应改变数字调制方式和级数， 动态控制发射功率，在系统限定的应用范围内和通信 信道条件相适应。
2.2.1 自适应信道编码
对于需要传输的数据信息，经过信道纠错编码，
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Vol. 3 No.11/ Nov. 2009
无线传感器网络综述
李烨 张旗 黄晓霞
摘 要 随着“感知中国”、“智慧地球”等战略性的课题提出，无线传感网络的核心技术与标准将成为各国争相研究的 热点。在无线传感网络中，低功耗是最核心的问题。本文以降低节点的通信能耗和延长网络寿命为出发点，阐明了通信 OSI模型中物理层、数据链路层、网络层以及传输层的低功耗策略与方法。
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图2 无线传感器网络低能耗通信设计流程图
在具体的实施中，如图2所示，我们首先需要对 通信信道进行精确地建模以模拟无线传感器网络的工 作环境；建立准确的系统级通信电路能量模型，衡量 通信各参数对电路能量、噪声、非线性干扰的影响； 在物理层研究自适应调制编码、准同步分集传输技 术，干扰检测和避让技术，节点状态快速切换等算 法，提高通信的可靠性、降低电路的能耗；在MAC 层，我们要合理优化休眠和工作时间，减少启动时 间，合理的冲突避让等；在硬件电路层面，由于放大 器的功耗在整个通信模块中占了相当大的比重，同时 非线性对通信质量的影响很大，用数字预失真校正的 方法提高放大器的效率、增加线性度是必不可少的； 最后，我们建立系统能量最低的目标方程，设立各层 的条件方程，用凸优化的方法求得最优的通信系统参
图1 物联网示例图 在物联网这个全新产业中，我国的技术研发水 平处于世界前列，具有重大的影响力。“与计算机、 互联网产业不同，中国在‘物联网’领域享有国际 话语权！”早在1999年，中科院就启动了传感网研 究，由其提出的传感网络体系架构、标准体系、演进 路线、协同架构等代表传感网络发展方向的顶层设计 已被ISO/IEC国际标准认可。目前，我国传感网络研 究已形成以应用为驱动的特色发展路线，在技术、标 准、产业、规模和应用与服务等方面进入了世界领先
考虑10到-1-230 无-20线-传10 感0 器10节点20 有30 限40的资50 源，译码相对简单的
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卷积码将作为一种主要的备选编码方式。我们准备
通过交织抵御突发性的错误(Bursty Error)，通过打孔
(Punctured)的方法，提高码率，当然打孔改变码率
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无线传感器网络综述
数。另外，无线传感器网络需要对干扰有一定的检测 和避让能力，增强通信的可靠性。
2.1 建立无线传感器网络节点射频前端的准 确能量模型
在无线通信中，由于射频前端在很高的频率下 处理模拟信号，与其它部分相比通常会消耗更多的能 量，例如基于IEEE 802.11b的 Intersil PRISM II 无线网 卡，媒体接入控制(MAC)处理器的能量损耗大约为 110 mW，数字基带处理是170 mW，除功放外的模 拟电路功耗是240 mW，功率放大器是600 mW。由 此可见，近75%功率是在模拟和射频部分消耗的；另 一方面，通信数字基带的各参数设置对射频的功耗和 性能也会带来极大的影响。因此在低能耗的无线传感 网络通信中，我们首先要建立准确的系统级能量模 型，对能量消耗最大的射频前端模块做细致地分析， 找出对能耗、性能起决定作用的参数，合理设置参数 值。同时，新型的数字基带算法能在系统级的能量模 型上评估其能耗和噪声上的表现，使系统工程师在流 片前预知性能。综上所述，系统级的准确能量模型能 为高能效无线传感器网络通信研究提供平台。
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低噪声放大器的增益，SQNR是信号与量化噪声的比
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是参考电流。
10-8 为了验证能量模型R的=2/3,K准=3 确性，我们选取了市面最
Vol. 3 No.11/ Nov. 2009
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表1 不同射频前端模块的能量相关参数列表
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1 引言
无线自组织传感器网络被认为是新世纪最重要的 技术之一。无线传感器网络应用前景非常广阔，能够 广泛应用于军事、环境监测和预报、健康护理、智能 家居、建筑物状态监控、城市交通、大型车间和仓库 管理，以及机场、大型工业园区的安全监测等领域。 随着“感知中国”、“智慧地球”等国家战略性的课 题提出，传感器网络技术的发展对整个国家的社会与 经济，甚至人类未来的生活方式都将产生重大意义。