无线传感器网络发展现状研究

无线传感器网络的传感器节点通常配备一个或多个 不同类型的传感器 ，用于完成不同物理数据的采集 。 同 时 节点上还配置有微处理器 、存储器、电源、射频收发器 和 执 行器等。与传统的传感器网络不同 ，ＷＳＮ 体 积 小，价 格 便 宜，因而节点的能量（如存储空间、计算能力、通信 带 宽、通 信范围等）相 对 较 弱。 此 外，ＷＳＮ 节 点 常 常 由 电 池 供 电， 并且常常工作于恶劣的环境甚至是敌方区域 ，不能提 供 电
距离无关定位算法利用节点间的连通情况来估测自 己的位置。其中一部分距离无关算法采用集中式计算模 式，再用优化方法来提高定位精 度 ，如 凸 规 划 算 法 和 ＭＤＳ
ＭＡＰ算法，但 是 集 中 计 算 方 式 需 要 网 络 中 有 中 心 节 点 支持，会导致中心节 点 通 信 量 大 ，能 量 耗 尽 快，网 络 瘫 痪。 绝大多数距离无关定位算法采取分布式计算模式 ，扩 展 性 好 ，通 信 量 小 。
哈佛大学 Ｍａｔｔ ｗｅｌｓｈ等人将传感器网络应用于火山的
２ 无 线 传 感 器 网 络 的 关 键 技 术
２．１ 定 位
定位方法可以分为 距 离 相 关 （ｒａｎｇｅ－ｂａｓｅｄ）定 位 算 法 和距离无关（ｒａｎｇｅ－ｆｒｅｅ）定 位 算 法 两 大 类。 距 离 相 关 定 位 算法通常利用测距技术得到节点间距离 ，再利用三边 测 量 法、三角测量 法 或 极 大 似 然 估 计 法 计 算 出 未 知 节 点 的 位 置。常用的测 距 技 术 包 括 接 收 信 号 强 度 （ＲＳＳＩ）技 术、信 号传输时间（ＴＯＡ）技术、信号到达时间差（ＴＤＯＡ）技 术 和 信 号 到 达 角 度 （ＡＯＡ）技 术 。
２．２ 同 步
时间同步是 ＷＳＮ 应用的 重 要 组 成 部 分 ，传 感 器 数 据 融合、传感器节点自身定位等都要求节点间的时钟保 持 同 步。时间的不准确会严重影响网络的生命周期。全局时 间同步允许 节 点 按 照 指 定 的 方 式 发 送 数 据 ，配 合 同 步 工 作。现有的时间同步协议更多关注的是准确地估计时间 不确定性和网络中局部节点间的时间同步。
图 １ 无 线 传 感 器 网 络 应 用 分 类
应用 ＷＳＮ 能提高现有卫 生 和 病 人 监 测 状 况。文 中 提 出 了 ４ 种 应 用 原 型 ：婴 儿 监 测 、提 醒 聋 人 、血 压 监 测 与 追 踪 、消 防 员身 体 特 征 信 号 监 测。 这 些 原 型 采 用 了 ＳＨＩＭＭＥ 和 Ｔ－ｍｏｔｅ节 点 。
１．２ 工 业 应 用
石油冶炼工 厂 中 安 装 的 ＷＳＮ 由 ４ 个 监 测 节 点 和 一 个执行节点组成 ，可 以 降 低 成 本，提 高 效 率。 监 测 节 点 将 数据包通过以太网发送给计算单元 ，再由计算单元将 结 果 发送到分布式控制系统中。控制系统向执行节点发送指 令，完成整个控 制 过 程。 该 试 验 测 试 了 网 络 噪 声 对 ＲＳＳＩ 和 ＬＱＩ的影响，结果表明工业环境中的 噪 声 对 ＷＳＮ 的 性 能有很大的影响。
Ｂｌｕｍｅｎｔｈａｌ等人提出 了 质 心 定 位 算 法 和 加 权 质 心 定 位算法，根据 ＺｉｇＢｅｅ／ＩＥＥＥ８０２．１５．４传感器网络发射 接 收 距离或连接质量为每一个接收坐标分配不 同 的 权 重 。Ｂｅ－ ｈｎｋｅ和 Ｔｉｍｍｅｒｍａｎｎ通过使用连接 质 量 的 归 一 化 值 推 广 了 ＷＣＬ 机 制。Ｓｃｈｕｈｍａｎｎ 推 导 了 室 内 发 射 接 收 距 离 的 指数逆相关 的 固 定 参 数 集 和 对 应 于 与 ＷＣＬ 的 权 重。 这 些方法假设接收机与发射机的距离不是很远 ，发射接 收 距 离至少有一个接收器是提前预知的。
引 言
近年来，由于微电 子 技 术、计 算 技 术 和 无 线 通 信 技 术 的进步，使得大量低功耗 、多功能、低成本的无线传感 器 问 世，由多个传感器共同构成的网络系统吸引了大量学 者 的 兴趣。无线传感器网络（ＷＳＮ）就 是 在 监 测 区 域 内 布 置 大 量具有信息采成一个多跳自组 织 网 络 系 统 ，共 同 完 成 某 些 功 能，在 环 境监测、交 通 运 输、医 疗 等 领 域 的 科 学 研 究 中 得 到 广 泛 应用。
ＴＰＳＮ 算法是 Ｓ．Ｇａｎｅｒｉｗａｌ等 人 提 出 的 成 对 同 步 协 议，分为发现阶段和同步阶段 。发现阶段建立网络分 层 的 拓扑结构，确定每个 节 点 的 层 号 ；同 步 阶 段 由 根 节 点 负 责 同步阶段的初始化。每个节点仅与其上层中一个节点同 步，最终与根 节 点 同 步 从 而 实 现 整 个 网 络 的 同 步 。ＦＴＳＰ
１ ０ Ｍｉｃｒｏｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｓ ＆ Ｅｍｂｅｄｄｅｄ Ｓｙｓｔｅｍｓ ２０１１ 年第６ 期
ｗｗｗ ．ｍｅｓｎｅｔ．ｃｏｍ ．ｃｎ
算法是由 Ｂｒａｎｉｓｌａｖ Ｋｕｓｙ 等 人 提 出 的 基 于 ｓｅｎｄｅｒ－ｒｅｃｅｉｖｅｒ 的单向同步算法。该算法使用单向广播消息实现发送节 点与接收节点之间的时间同步。
每年很多 婴 儿 死 于 婴 儿 猝 死 症 （ＳＩＤＳ），睡 眠 安 全 原 型则是设计用于监测监视婴儿睡觉状态。用传感器监测 婴儿的睡姿，一旦婴儿 俯 卧 就 及 时 提 醒 家 长。ＳＨＩＭＭＥＲ 节点中有一 个 重 力 三 轴 加 速 度 计 ，用 于 监 测 婴 儿 相 对 位 置。Ｔ－Ｍｏｔｅ节点则 将 该 数 据 发 送 到 基 站 ，根 据 检 测 值 和 设定值的比较 判 断 婴 儿 的 睡 姿 。Ｂａｂｙ Ｇｌｏｖｅ原 型 设 计 用 于 监 测 婴 儿 的 生 命 体 征 如 温 度、水 合 程 度 以 及 脉 搏。 Ｆｉｒｅｌｉｎｅ是一种无线 心 率 监 测 系 统 ，用 于 消 防 员 火 灾 救 援 过程中实时心率和压 力 异 常 监 测 。Ｈｅａｒｔ＠Ｈｏｍｅ是 一 种 无线血 压 监 测 和 跟 踪 系 统 。除 此 之 外，Ｌｉｓｔｅｎ采 集 环 境 中 的音频信息，从而提醒听力受损的人 。
无线传感器网络发展现状研究※ ＊
龙慧
（湖南生物机电职业技术学院 信息技术系，长沙 ４１０１２６）
摘要：无线传感器网络有着广泛的实际应用 。近年来出现的体积小 、价格便宜并带有智 能 处 理 能 力 的 传 感 器 节 点 ，使 得 可以用大量的传感器节点构建无线通信网络 ，完成指定的 任 务。本 文 首 先 介 绍 了 无 线 传 感 器 网 络 近 年 来 在 各 个 领 域 的 应用以及取得的成果 ，回 顾 了 有 关 无 线 传 感 器 网 络 几 项 关 键 技 术 的 发 展 现 状 ，同 时 展 望 了 关 键 技 术 的 几 个 未 来 发 展 方向。 关键词：无线传感器网络 ；定位；覆盖；时间同步；网络安全 中 图 分 类 号 ：ＴＰ２１２／ＴＰ３９３ 文 献 标 识 码 ：Ａ
ＲＡＴＳＳ协议是一种自适应同步协议 。首 先 建 立 两 个 节点间长期时钟漂移 ，从而最小化占空比负担 。该方 法 使 用长期的时间测量评估和分析３种影响时间同步的主要 因素。测量这些参数用于设计速率自适应能效同步算法。 ＲＡＴＳ的目标是最大化同步采样周期 ，同时 在 用 户 定 误 差 范围内设定预测误差。
＊ 基金项目：湖南省教育厅资助项目（０９Ｃ１２１５）。
池补给或更换，因而电源也是约束传感器节点的一个 重 要 因素。节点通常由无线通信设备通过多跳的方式将数据 发送到基站，再由基站传送到指挥中心 。
ＷＳＮ 领域的研究目标是满足上述约束条件 的 同 时 完 成指定任 务。 引 入 新 的 设 计 理 念，开 发 或 改 进 现 有 的 协 议，开创新的应用领域 ，开 发 新 的 算 法，都 成 为 ＷＳＮ 研 究 热点。本文总结了近年来 ＷＳＮ 关 键 支 持 技 术 新 的 协 议 、 算法以及应用。
Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｓｅｎｓｏｒ Ｎｅｔｗｏｒｋｓ※
Ｌｏｎｇ Ｈｕｉ （Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈｕｎａｎ Ｂｉｏｌｏｇｉｃａｌ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃ，Ｃｈａｎｇｓｈａ ４１０１２６，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｓｅｎｓｏｒ ｎｅｔｗｏｒｋｓ ｈａｖｅ ｗｉｄｅ ｒａｎｇｅ ｏｆ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ．Ｓｅｎｓｏｒ ｎｏｄｅｓ ｔｈａｔ ａｒｅ ｓｍａｌｌ ａｎｄ ｉｎｅｘｐｅｎｓｉｖｅ ｗｉｔｈ ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ ｐｒｏｃｅｓｓ－ ｉｎｇ ａｒｅ ａｖａｉｌａｂｌｅ ｉｎ ｒｅｃｅｎｔ ｙｅａｒｓ．Ｔｈｅｓｅ ｓｅｎｓｏｒ ｎｏｄｅｓ ｃａｎ ｓｅｎｓｅ ａｎｄ ｇａｔｈｅｒ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｆｒｏｍ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ａｎｄ ｗｏｒｋ ｃｏｏｐｅｒａｔｉｖｅｌｙ ａｓ ａ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｎｅｔｗｏｒｋ ｆｏｒ ｃｏｍｍｏｎ ｔａｓｋｓ．Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ｏｆ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｓｅｎｓｏｒ ｎｏｄｅ ｉｎ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｆｉｅｌｄｓ ａｎｄ ｒｅｖｉｅｗｓ ｌｉｔｅｒａｔｕｒｅｓ ｏｎ ｖａｒｉｏｕｓ ｋｅｙ ｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ ｏｆ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｓｅｎｓｏｒ ｎｅｔｗｏｒｋ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｉｔ ｏｕｔｌｉｎｅｓ ｎｅｗ ｃｈａｌｌｅｎｇｅｓ ａｎｄ ｆｕｔｕｒｅ ｄｅｖｅｌ－ ｏｐｍｅｎｔ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｓｅｎｓｏｒ ｎｅｔｗｏｒｋｓ；ｌｏｃａｌｉｚａｔｉｏｎ；ｃｏｖｅｒａｇｅ；ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎ；ｎｅｔｗｏｒｋ ｓｅｃｕｒｉｔｙ
ＷＳＮ 也用于半导体制造工厂和油轮的设备 维 护 和 监 测。传感器节点通过采集振动信号来预测设备的故 障 ，这 有利于设备的维护和保养。
１．３ 环 境 应 用
传感器网络的应 用 包 括 跟 踪 生 物 ，如 鸟 类、小 动 物 和 昆虫的迁移，监测影响农作物和庄稼的环境 ，以及大 海、土 壤及森林火灾等的监测。美国加利福尼亚州索诺马县应 用 ＷＳＮ 研究 红 木 树 林 的 现 状 。 每 个 传 感 器 节 点 用 于 测 量空气温度、相对湿度以及光合有效辐射作用 。在树 的 不 同高度放置节点，生物学家可以追踪红木树林小气候 的 空 间渐变情况，从而验证其生物学理论 。