2009 年在無(wú)錫成立“感知中國”中心，并且，目前針對物聯(lián)網(wǎng)的《國家物聯(lián)網(wǎng) “十五”發(fā)展規劃》也正在制定過(guò)程中，進(jìn)一步確定了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在新興科技領(lǐng)域中的重要位置。而無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )作為物聯(lián)網(wǎng)中的核心產(chǎn)業(yè)，也需要更多的關(guān)注與研究，以促進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，使得物聯(lián)網(wǎng)成為新的全球經(jīng)濟增長(cháng)點(diǎn)。

 

1.1 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )

 

無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )（WSN , wireless sensor networks）是由部署在監測區域內的大量廉價(jià)微型傳感器節點(diǎn)組成，是采用無(wú)線(xiàn)通信的方式形成的一個(gè)多跳自組織網(wǎng)絡(luò )系統，能夠通過(guò)集成化的微型傳感器，協(xié)同地實(shí)時(shí)監測、感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò )覆蓋區域中各種感知對象的信息，并對信息資料進(jìn)行處理，再通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信方式發(fā)送，并以自組多跳網(wǎng)絡(luò )方式傳送給信息用戶(hù)，以此實(shí)現數據收集、目標跟蹤以及報警監控等各種功能。

 

目前，傳感器信息獲取技術(shù)逐漸向集成化、微型化和網(wǎng)絡(luò )化方向發(fā)展，其智能化的發(fā)展將會(huì )帶來(lái)一場(chǎng)信息革命。無(wú)線(xiàn)傳感器絡(luò )技術(shù)綜合了傳感器技術(shù)、嵌入式計算技術(shù)、現代網(wǎng)絡(luò )及無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)、分布式信息處理技等先進(jìn)技術(shù)，該技術(shù)具備的感知能力、計算能力、通信能力，給更多的 WSN 應用空間和應用價(jià)值提供了可能性，是物聯(lián)網(wǎng)當前研究開(kāi)發(fā)的熱點(diǎn)之一。

 

WSN 的發(fā)展歷程

 

無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )是新興的下一代傳感器網(wǎng)絡(luò )。最早的代表性論述出現。1999 年，題為“傳感器走向無(wú)線(xiàn)時(shí)代”。隨后在美國的移動(dòng)計算和網(wǎng)絡(luò )國際會(huì )議上， 提出了無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )是下一個(gè)世紀面臨的發(fā)展機遇。2003 年，美國《技術(shù)評 論》雜志論述未來(lái)新興十大技術(shù)時(shí)，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )被列為第一項未來(lái)新興技術(shù)。

 

同年，美國《商業(yè)周刊》未來(lái)技術(shù)專(zhuān)版，論述四大新技術(shù)時(shí)，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )也列入其中。美國《今日防務(wù)》雜志更認為無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的應用和發(fā)展，將引起一場(chǎng)劃時(shí)代的軍事技術(shù)革命和未來(lái)戰爭的變革。2004 年（IEEE Spectrum）雜志發(fā)表一期專(zhuān)集：傳感器的國度，論述無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的發(fā)展和可能的廣泛應用?？梢灶A計，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的發(fā)展和廣泛應用，將對人們的社會(huì )生活和產(chǎn)業(yè)變革帶來(lái)極大的影響和產(chǎn)生巨大的推動(dòng)。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )是從傳感器網(wǎng)絡(luò )開(kāi)始的，傳感器網(wǎng)絡(luò )經(jīng)歷了如圖一所示的發(fā)展歷程。 

 

第一代傳感器網(wǎng)絡(luò )出現在 20 世紀 70 年代，使用具有簡(jiǎn)單信息信號獲取能力的傳統傳感器，采用點(diǎn)對點(diǎn)傳輸、連接傳感控制器構成傳感器網(wǎng)絡(luò )；第二代傳感（R8-232、RS -485）器網(wǎng)絡(luò )，具有獲取多種信息信號的綜合能力，采用串，并接口與傳感控制器相聯(lián)，構成有綜合多種信息的傳感器網(wǎng)絡(luò )；第三代傳感器網(wǎng)絡(luò )出現在 20 世紀 90 年代后期和本世紀初，用具有智能獲取多種信息信號的傳感器，采用現場(chǎng)總線(xiàn)連接傳感控制器，構成局域網(wǎng)絡(luò )，成為智能化傳感器網(wǎng)絡(luò )；第四代傳感器網(wǎng)絡(luò )正在研究開(kāi)發(fā)，目前成形并大量投入使用的產(chǎn)品還沒(méi)有出現，用大量的具有多功能多信息信號獲取能力的傳感器，采用自組織無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)絡(luò )，與傳感器 網(wǎng)絡(luò )控制器連接，構成無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )。本文所介紹的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )就是指第四代傳感器網(wǎng)絡(luò )。

 

圖一傳感器的發(fā)展歷程

 

1.2 物聯(lián)網(wǎng)

 

物聯(lián)網(wǎng)（IOT , internet of things）顧名思義就是物物相連。目前較為認可的物聯(lián)網(wǎng)定義為：物聯(lián)網(wǎng)是通過(guò)射頻識別（ RFID ）、紅外感應器、全球定位系統、 激光掃描器等信息傳感設備與互聯(lián)網(wǎng)連接起來(lái)，進(jìn)行信息交換和通信，以實(shí)現智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理另外，物聯(lián)網(wǎng)可以理解為通過(guò)“泛在網(wǎng)絡(luò )” 實(shí)現“泛在服務(wù)”，基于個(gè)人和社會(huì )的各種需求，通過(guò)融合前沿智能技術(shù)，實(shí)現人與人、人與物、物與物之間所需要的信息采集、傳遞、存儲、加工處理、決策

 

使用等綜合服務(wù)，是一種更加廣泛深遠的未來(lái)網(wǎng)絡(luò )應用形態(tài)。物聯(lián)網(wǎng)最為明顯的特征是物物相連，信息可以自動(dòng)化處理，無(wú)需人為操作，所以效率極高，降低了人為因素引發(fā)的不穩定性。因此，物聯(lián)網(wǎng)在各個(gè)行業(yè)中的應用潛力非常巨大，應用領(lǐng)域也非常廣泛，發(fā)揮了極大的價(jià)值作用，而且物聯(lián)網(wǎng)將與互聯(lián)網(wǎng)有效地整合起來(lái)，實(shí)現人類(lèi)社會(huì )與物理系統的整合。

 

圖二物聯(lián)網(wǎng)結構圖

 

1.3 物聯(lián)網(wǎng)多參量協(xié)同感知應用

 

以物聯(lián)網(wǎng)系統中配網(wǎng)線(xiàn)路監測為例，物聯(lián)網(wǎng)示范應用系統已將 13 種傳感器 分別應用于配網(wǎng)運行管理中，實(shí)現了配網(wǎng)設備溫度、環(huán)境運行溫濕度、環(huán)網(wǎng)柜水浸、門(mén)開(kāi)關(guān)、桿塔傾斜、線(xiàn)路故障電流、電纜屏蔽層電流、變壓器中心點(diǎn)電流、變壓器噪聲等多參量的狀態(tài)、故障及防盜在線(xiàn)監測。監測的配網(wǎng)設備覆蓋種類(lèi)廣，包括配網(wǎng)線(xiàn)路、配電變壓器、斷路器、隔離開(kāi)關(guān)、環(huán)網(wǎng)柜、分支箱、箱式變等。

 

由于電力系統中存在大量不確定的潛伏性故障，特別是在比較復雜的配電網(wǎng)絡(luò )，由于其運行線(xiàn)路復雜，線(xiàn)路故障情況多樣，給檢修人員進(jìn)行故障定位提供了困難。從目前單一監測量往往很難診斷故障做出正確定位，甚至會(huì )出現“虛警” 現象，給維護人員帶來(lái)不必要的麻煩。因此需要采用上述的多傳感器融合方式，綜合分析各監測內容， 通過(guò)主站數據控制中心對各個(gè)傳感器裝置上傳的數據進(jìn)行計算處理，按照相應的處理計算公式，得到更為準確的判斷值。特意選取了物聯(lián)網(wǎng)示范應用項目中幾個(gè)多傳感器參量協(xié)同監測的應用示例：對配電變壓器運行協(xié)

 

同監測：通過(guò)在配電變壓器上安裝配變綜測骨干節點(diǎn)、無(wú)線(xiàn)溫度傳感器、無(wú)線(xiàn)噪 聲傳感器實(shí)現變壓器的多參量協(xié)同監測，可以監測變壓器低壓側電流、電壓、變壓器運行溫度、運行噪聲以及變壓器所在桿塔的傾斜度等，當變壓器出現故障時(shí)先進(jìn)行電流的分析，如果電流比較大，那變壓器的溫度一定高，噪聲也會(huì )變大，如果電流不變，再進(jìn)行溫度的分析，溫度升高，可能是電纜接觸不良等原因造成，噪聲也會(huì )變大。

 

1.4 物聯(lián)網(wǎng)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )多傳感器數據融合

 

（1）數據融合理論 

 

無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )中的傳感器將采集到的數據傳輸給數據服務(wù)中心，數據服務(wù)中心需要將這些數據進(jìn)行相應的處理，再將處理后的數據發(fā)送給各業(yè)務(wù)系統進(jìn)行使 用，因此對這些多傳感器感知信息的融合技術(shù)是多參量協(xié)同監測的理論依據。多傳感器融合技術(shù)的基本原理就像人腦綜合處理信息的過(guò)程一樣，它充分地利用多個(gè)傳感器資源，通過(guò)對各種傳感器及其觀(guān)測信息的合理支配與使用，將各種傳感器在空間和時(shí)間上的互補與冗余信息依據某種優(yōu)化準則組合起來(lái)，產(chǎn)生對觀(guān)測環(huán)境的一致性解釋和描述。信息融合的目標是基于各傳感器分離觀(guān)測信息，通過(guò)對信息的優(yōu)化組合導出更多的有效信息。 它的最終目的是利用多個(gè)傳感器共同或聯(lián)合操作的優(yōu)勢，來(lái)提高整個(gè)傳感器系統的有效性。 

 

目前，比較常用的多傳感器融合方法有：卡爾曼濾波，貝葉斯估計，D-S 推 理，聚類(lèi)分析法，而近年來(lái)隨著(zhù)神經(jīng)傳感網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的發(fā)展，其最新研究也逐步運用在多傳感器信息融合上。多傳感器融合技術(shù)的應用非常廣泛，主要應用在軍事 和民用兩個(gè)領(lǐng)域，軍事應用是多傳感器信息融合技術(shù)誕生的源泉，具體應用包括海洋監視系統，空對空或地對空防御系統，戰場(chǎng)情報、防御、目標獲取，戰略預警和防御系統。而民用領(lǐng)域主要是用于機器人、智能制造、智能交通、無(wú)損檢測、環(huán)境監測、醫療診斷、遙感等。 

 

（2）物聯(lián)網(wǎng)數據融合體系架構及方法傳感器信息融合體系目前大致分為三種分布式，集中式和混合式。每種體系的區別僅在于對數據的處理的位置。分布式的結構主要是對已經(jīng)進(jìn)行預處理的數據在信息融合中心進(jìn)行智能組合，從而得到最終的結果，集中式則與其相反，數據的處理都是單獨進(jìn)行上傳，全部集中在數據處理中心進(jìn)行融合，對處理器要求較高?；旌鲜蕉鄠鞲衅餍畔⑷诤象w系框架中，部分傳感器采用集中式融合技術(shù)，剩余的傳感器采用分布式融合方式。這樣的數據處理體系具有較強的適應能力，兼顧了兩種融合體系的優(yōu)點(diǎn)，但是也相對比較復雜。物聯(lián)網(wǎng)系統的數據融合采用了混合式的數據融合方式，同時(shí)對于數據的傳輸模型提出了電子表單 TEDS 的概念，物聯(lián)網(wǎng)系統中通過(guò)電子表單，對傳感器數據進(jìn)行統一封裝和解析，目前物聯(lián)網(wǎng)中的 TEDS 機構采用圖三的方式。

 

圖三無(wú)線(xiàn)通信協(xié)議相關(guān)的 TEDS

 

二、無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域中的應用

 

物聯(lián)網(wǎng)是由感知層、網(wǎng)絡(luò )層和應用層構成的層次體系。感知層主要涉及到 RFID 、傳感器、二維碼等機器設備，然后通過(guò)電信網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)的融合網(wǎng)絡(luò )層，及時(shí)準確地傳遞物體基本信息，在應用平臺上，利用各種先進(jìn)智能技術(shù)對信息資 料進(jìn)行分析處理，以便對物體進(jìn)行智能控制。如圖 1 所示，傳感器在基礎感知層，負責對物體信息的采集和抓取，這一功能對于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展和應用，起著(zhù)至關(guān)重要的支撐作用。

 

2.1 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )在軍事領(lǐng)域中的應用

 

無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的可快速隨機部署、可自組織、隱蔽性強、高容錯性等特點(diǎn)，使得傳感器節點(diǎn)在惡劣的戰場(chǎng)環(huán)境中發(fā)揮極大的作用。在軍事領(lǐng)域應用方面，結合無(wú)線(xiàn)傳感器技術(shù)思想，將大量廉價(jià)傳感器節點(diǎn)，通過(guò)飛機或火炮等發(fā)射裝置，按照一定的密度投放到待監測區域內，對節點(diǎn)周邊環(huán)境的各種參數，如溫度、濕度、聲音、 磁場(chǎng)等信息進(jìn)行采集，然后由傳感器自組織網(wǎng)絡(luò )，通過(guò)網(wǎng)關(guān)、互聯(lián)網(wǎng)、衛星等通訊方式，傳回信息中心，實(shí)時(shí)監控敵軍兵力與裝備，實(shí)時(shí)監視沖突區，進(jìn)行目標定位，戰場(chǎng)評估，并實(shí)現各種攻擊的監測和搜索等功能，有效地提高軍隊的作戰決策能力。

 

2.2 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )在工業(yè)領(lǐng)域中的應用

 

無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )在工業(yè)領(lǐng)域中的應用比較廣泛，比如工業(yè)安全、先進(jìn)制造、交通控制管理、安防系統、倉儲物流管理等領(lǐng)域，其中工業(yè)安全領(lǐng)域的應用研究已日趨壯大。在計算機技術(shù)、無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)、微電子技術(shù)和網(wǎng)絡(luò )技術(shù)發(fā)展的推動(dòng)下，工業(yè)通信技術(shù)正朝著(zhù)智能化和網(wǎng)絡(luò )化的方向不斷發(fā)展。目前，隨著(zhù)測控系統規模的不斷擴大，煤礦、石化、核電等行業(yè)對工作人員安全及易燃、易爆、有毒

 

物質(zhì)的監測成本非常昂貴。其中，煤炭行業(yè)對先進(jìn)的井下安全生產(chǎn)保障系統的需求日漸巨大。 因此， 降低投資和使用成本成為工業(yè)通信技術(shù)發(fā)展新階段的迫切要求。而無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的成本低廉、方便簡(jiǎn)捷、泛在感知等特點(diǎn)可以滿(mǎn)足工業(yè)通 信領(lǐng)域的多個(gè)要求。對傳感器節點(diǎn)經(jīng)防爆處理和技術(shù)優(yōu)化后，用于危險的工作環(huán)境， 實(shí)時(shí)全面地監控員工安全及工業(yè)全流程，及時(shí)獲取險惡工作環(huán)境下工作現場(chǎng)的員工基本情況、工作環(huán)境狀況以及其它無(wú)法在線(xiàn)監測的重要工業(yè)過(guò)程參數，并在此基礎上，優(yōu)化控制工業(yè)流程，提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的各種安全事故，達到國家指定的安全生產(chǎn)目標。

 

2.3 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )在農業(yè)領(lǐng)域中的應用

 

農業(yè)作為中國發(fā)展經(jīng)濟的一大基礎，促進(jìn)其優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)將產(chǎn)生重大的意義。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的通信簡(jiǎn)便、部署簡(jiǎn)捷、可密集分布等優(yōu)勢，可以充分地發(fā)揮在農 業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中，用以監測土壤環(huán)境狀況、農作物灌溉及生長(cháng)情況、牲畜和家禽的環(huán)境狀況以及大面積的地表特征檢測。再結合目前成熟的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、 GPS 技術(shù)，可以構建能動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)管理的系統平臺。例如英特爾公司在俄勒岡建立的世界上第一個(gè)無(wú)線(xiàn)葡萄園，通過(guò)無(wú)線(xiàn)傳感器監測葡萄生長(cháng)環(huán)境中得各種因素，并分析 葡萄質(zhì)量與各種影響因素之間的關(guān)系，是典型的精準農業(yè)、智能耕種的實(shí)例。在國內，在“九五”計劃中，“工廠(chǎng)高效農業(yè)工程”把智能傳感器和傳感器網(wǎng)絡(luò )化的研制列為國家重點(diǎn)項目，可以看出無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )在農業(yè)領(lǐng)域中的重要作用和意義。

 

2.4 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )在醫療護理領(lǐng)域中的應用

 

目前，隨著(zhù)國家人口老齡化日趨明顯，在醫療護理方面的問(wèn)題也愈加增多起來(lái)，對于病患者的病情實(shí)時(shí)關(guān)注成為亟待解決的問(wèn)題。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )在此方面發(fā)揮了重要作用，在患者身上可以安放各種傳感器，用以檢測采集各種生理信息，比如體溫、呼吸、血壓等生理數據，一方面可以隨時(shí)關(guān)注患者的病情發(fā)展情況，另一方面，可以將收集的生理數據作為研制新藥品的參考資料。另外，也可以在患者居住的環(huán)境里安放多個(gè)傳感器節點(diǎn)，有效監測病人的活動(dòng)狀況，進(jìn)行遠程的 人體行為監測?，F在，美國已經(jīng)開(kāi)展了一個(gè)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )系統項目，可以實(shí)現家庭護理，方便老年人獨居時(shí)給予及時(shí)的幫助。

 

2.5 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )在智能家居領(lǐng)域中的應用

 

目前，智能家居是物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的一個(gè)重要方向。從一定意義上講智能家居就是高科技的家庭自動(dòng)化系統，融合了計算機網(wǎng)絡(luò )系統、自動(dòng)化控制系統、綜合布線(xiàn)技術(shù)及網(wǎng)絡(luò )通訊技術(shù)，自動(dòng)化控制、遠程控制家庭中的各種產(chǎn)品設備，實(shí)現擬人化的要求，提升家居安全性、便捷性、舒適性，并實(shí)現環(huán)保節能。而自動(dòng)化、遠程控制所需的各種信息，均是由無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)進(jìn)行傳達的，比如環(huán)境檢測信息、安放系統的有效實(shí)施，都需要無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)提供 家庭煤氣含量、溫度、濕度等環(huán)境信息。所以，在智能家居系統中，每一個(gè)家居 設備或終端，都會(huì )設置對應的傳感器節點(diǎn)，通過(guò)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)間的自組織互連，實(shí)現家庭設備互連與信息控制，從而實(shí)現家居生活的智能化。

 

三、傳感器技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)中的意義

 

據分析機構預測，未來(lái)物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展將經(jīng)歷四個(gè)階段，2010 年之前廣泛應用于物流、零售和制藥領(lǐng)域，2010～2015 年物體互聯(lián)，2015～2020 年物體進(jìn)入半智能化，2020 年之后物件全智能化。經(jīng)初步估計，中國物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展和應用將有可能創(chuàng )造 1000 億元左右的產(chǎn)值。而且，已有部分省市的關(guān)于十二 五期間物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展規劃，已加快形成物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)基本框架等一系列的“智慧”行動(dòng)，表明了大力發(fā)展物聯(lián)網(wǎng)的決心。而傳感器作為物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵物件之一，在物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展與應用過(guò)程中，傳感器網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的提高與發(fā)展勢必會(huì )產(chǎn)生巨大的推動(dòng)作用。

 

物聯(lián)網(wǎng)包含感知層、網(wǎng)絡(luò )層和應用層三個(gè)層面，葉云認為，目前中國最缺乏的是感知層的產(chǎn)品和技術(shù)，是信息的抓取和聚合。在感知層中，由于傳感器技術(shù)的技術(shù)成熟度和成本問(wèn)題，阻礙了無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )及物聯(lián)網(wǎng)的大規模發(fā)展及應用。余建美指出，四個(gè)方面的因素將最終將決定物聯(lián)網(wǎng)的普及程度，一是無(wú)線(xiàn)傳感器的進(jìn)一步低功耗化，二是發(fā)展無(wú)線(xiàn)供電或采電技術(shù)，三是能源的超微型化，四就是無(wú)線(xiàn)傳感器自身的微型化。除此之外，傳感器的集成制造技術(shù)、信號檢測的智 能化發(fā)展，也是無(wú)線(xiàn)傳感器需要考慮改善的重要方面。因此，目前的傳感器技術(shù)的主要研究工作就要注重以上四個(gè)方面的因素，突破這些研究熱點(diǎn)，物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展水平勢必會(huì )突飛猛進(jìn)，應用也將會(huì )廣泛普及，市場(chǎng)規模進(jìn)一步擴大，物聯(lián)網(wǎng)就可以真正實(shí)現物物相聯(lián)，成為會(huì )“說(shuō)話(huà)”、會(huì )“思考”、會(huì )“行動(dòng)”的物物信息 交流網(wǎng)絡(luò )。

 

四、目前研究重點(diǎn)及研究現狀

 

在物聯(lián)網(wǎng)傳感器網(wǎng)絡(luò )體系結構的這三大部分中， 目前的發(fā)展主要集中在幾個(gè) 方面，在協(xié)議通信層主要研究重點(diǎn)是數據鏈路層 MAC 協(xié)議及網(wǎng)絡(luò )層路由協(xié)議的 研究；在網(wǎng)絡(luò )管理技術(shù)層，主要研究方向是收集數據的管理、節能問(wèn)題的解決以 及網(wǎng)絡(luò )通信安全的實(shí)現； 在網(wǎng)絡(luò )支撐技術(shù)層， 主要研究點(diǎn)是節點(diǎn)定位問(wèn)題的解決、 時(shí)間同步技術(shù)的實(shí)現以及用戶(hù)應用接口的實(shí)現，這其中，協(xié)議的研究與節能的實(shí) 現又是相輔相成的。

 

4.1 數據處理問(wèn)題的解決

 

基于傳感器網(wǎng)絡(luò )的任何應用系統都離不開(kāi)感知數據的管理和處理技術(shù)。 不言 而喻， 感知網(wǎng)數據管理和處理技術(shù)是確定感知網(wǎng)可用性和有效性的關(guān)鍵技術(shù)。對 于觀(guān)察者來(lái)說(shuō)，傳感器網(wǎng)絡(luò )的核心是感知數據，而不是網(wǎng)絡(luò )硬件。觀(guān)察者感興趣 的是傳感器產(chǎn)生的數據，而不是傳感器本身。觀(guān)察者不會(huì )提出這樣的查詢(xún)：“從 A 節點(diǎn)到 B 節點(diǎn)的連接是如何實(shí)現的?”，他們經(jīng)常會(huì )提出如下的查詢(xún)：“網(wǎng)絡(luò ) 覆蓋區域中哪些地區出現毒氣?”。在傳感器網(wǎng)絡(luò )中，傳感器節點(diǎn)不需要地址之 類(lèi)的標識。觀(guān)察者不會(huì )提出查詢(xún)：“地址為 27 的傳感器的溫度是多少?”，他們 感興趣的查詢(xún)是，“某個(gè)地理位置的溫度是多少?”。綜上所述，傳感器網(wǎng)絡(luò )是 一種以數據為中心的網(wǎng)絡(luò )。 顯然，感知數據管理和處理技術(shù)的研究是一項實(shí)現高 效率傳感器網(wǎng)絡(luò )的重要和關(guān)鍵的任務(wù)。遺憾的是，到目前為止，感知數據管理和

 

處理技術(shù)的研究還不多， 還有大量的問(wèn)題需要解決。感知數據管理與處理技術(shù)的 研究是數據庫界面臨的新任務(wù)和新挑戰，也為數據庫界提供了新機遇。

 

4.2 節能問(wèn)題的實(shí)現

 

能量是節點(diǎn)工作的基礎， 節能問(wèn)題，幾乎貫穿無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )發(fā)展的各個(gè)方 面。協(xié)議的建立需要考慮節能問(wèn)題，以上面的 MAC 協(xié)議的研究和路由協(xié)議的實(shí) 現都可以看出； 網(wǎng)絡(luò )中的數據處理需要考慮節能問(wèn)題， 沒(méi)有能量， 數據無(wú)法處理； 節點(diǎn)定位、時(shí)間同步都需要考慮節能問(wèn)題，節能問(wèn)題的解決，跟隨在每個(gè)環(huán)節的 實(shí)現上。當然，純粹的節能方式也有很多，比如讓節點(diǎn)定期“休眠”等。但是， 大部分的節能還是包含在了具體實(shí)現細節當中，如文獻 [1] 采用一種帶有能量控 制的有效路由方式， 通過(guò)調整每個(gè)節點(diǎn)發(fā)送數據時(shí)的數據傳輸范圍進(jìn)而調整消耗 的能量，以節省資源，從而延長(cháng)網(wǎng)絡(luò )壽命。

 

4.3 網(wǎng)絡(luò )安全問(wèn)題

 

傳感器網(wǎng)絡(luò )多用于軍事、商業(yè)領(lǐng)域，安全性是其重要的研究?jì)热?。由于傳?器網(wǎng)絡(luò )中節點(diǎn)隨機部署、 網(wǎng)絡(luò )拓撲的動(dòng)態(tài)性以及信道的不穩定性，使傳統的安全 機制無(wú)法適用。因此需要設計新型的網(wǎng)絡(luò )安全機制?？山梃b擴頻通信、接入認證 ／鑒權、數據水印、數據加密等技術(shù)。目前，保證網(wǎng)絡(luò )安全性的方法也不少。 其中一種是借助特殊的無(wú)線(xiàn)傳感器終端。如文獻 [2] 中，采用 PTD

 

（Personal Trust Device）作為傳感器網(wǎng)絡(luò )的終端，由于價(jià)格高及有特殊環(huán)境要求等因素， 不能為每個(gè)節點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò )中設立認證服務(wù)器來(lái)提供傳感器需要的服務(wù)，而在 PTD 和服務(wù)器之間建立認證和加密體系，只有在服務(wù)器注冊過(guò)的 PTD 終端才 能獲得服務(wù)，未注冊的則不能，從而保證系統安全。通常，這種系統用在家庭環(huán) 境中。 

 

一種是采用安全罩（Secure Oveday）。 例如文獻 [3] 中， 采用一種稱(chēng)為 SCANv2(Secure Conten AddressableNetwork Version2) 安全內容網(wǎng)絡(luò )尋址的安全罩，來(lái)實(shí)現無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的安全。SCANv2 其實(shí)是在蓋在實(shí)際網(wǎng)絡(luò )層上的一個(gè)虛擬結構，通過(guò)采用 Hash 函數，把實(shí)際網(wǎng)絡(luò )中的節點(diǎn)映射到這個(gè)罩空間上，某一區域或某 種功能的節點(diǎn)在罩空間的某一個(gè)共同的特定位置。用戶(hù)在從網(wǎng)絡(luò )中獲取服務(wù)時(shí)， 需要通過(guò)相應的安全認證進(jìn)入罩空間，再進(jìn)一步通過(guò)加密解密過(guò)程從這個(gè)映射空間進(jìn)入實(shí)際網(wǎng)絡(luò )中獲得所需服務(wù)。 

 

此外， 網(wǎng)絡(luò )安全中的加密后密鑰管理也是個(gè)問(wèn)題。復雜的非對稱(chēng)加密方式不 適合完全應用于能量有限的傳感器網(wǎng)絡(luò )， 而相對簡(jiǎn)單的對稱(chēng)加密方式又使得網(wǎng)絡(luò ) 容易受到攻擊。在文獻 [4] 中，提到了一種新的加密方式，綜合采用了對稱(chēng)和非 對稱(chēng)的兩種加密方式中的某些特點(diǎn)。 在假定基站能量不受限制及節點(diǎn)不移動(dòng)的前 提下，基站首先發(fā)出特定信息，建立網(wǎng)絡(luò )的分層拓撲結構。外圍分布的節點(diǎn)又有 子節點(diǎn)和父節點(diǎn)之分， 父節點(diǎn)保有子節點(diǎn)的密鑰，確保子節點(diǎn)發(fā)送上來(lái)的信息是有效地子節點(diǎn)發(fā)送上來(lái)的；同時(shí)，子節點(diǎn)又保有父節點(diǎn)的密鑰，以便對發(fā)出的數 據進(jìn)行跟蹤?；緭碛兴忻荑€且擁有唯一的初始入網(wǎng)認證密鑰。

 

4.4 網(wǎng)絡(luò )支撐層的研究

 

4.4.1 節點(diǎn)定位問(wèn)題

 

與一般的計算機網(wǎng)絡(luò )相比， WSN 在計算機軟硬件所組成計算世界與實(shí)際物 理世界之間建立了更為緊密的聯(lián)系，只有結合位置信息，傳感器獲取的數據才有 實(shí)際意義。 許多 WSN 的研究成果都表明了節點(diǎn)位置信息的重要性， 如在網(wǎng)絡(luò )層，因為 WSN 節點(diǎn)無(wú)全局標識，可以設計基于節點(diǎn)位置信息的路由算法；在應用層，根據節點(diǎn)位置，WSN 系統可以智能地選擇一些特定的節點(diǎn)來(lái)完成任務(wù)，從而大大降低整個(gè)系統的能耗，提高系統的存活時(shí)間。許多對目標追蹤問(wèn)題的研究更是將節點(diǎn)位置已知作為一個(gè)前提條件。節點(diǎn)定位是 WSN 系統布設完成后面臨的首要問(wèn)題，它可表述為：依靠有限的位置已知節點(diǎn)，確定布設區中其它節點(diǎn)的位置，傳感器節點(diǎn)間建立起一定的空間關(guān)系。當前對節點(diǎn)定位問(wèn)題的研究一般都基于以下前提：(1)有一定比例的節點(diǎn)位置已知或具有 GPS 定位功能，這些節點(diǎn)的位置 可作為定位參考點(diǎn)；(2)節點(diǎn)可能具有測量與鄰節點(diǎn)距離的能力；(3)節點(diǎn)不具有 自主移動(dòng)能力。全球定位系統 (GPS ) 已經(jīng)在許多領(lǐng)域得到了應用，但由于價(jià)格高及有特殊環(huán)境要求等因素，不能為每個(gè)節點(diǎn)配備 GPS 接收裝置。目前無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )自身定位系統和算法的分類(lèi)如下：

 

(1)物理定位與符號定位。

(2)絕對定位與相對定位。 

(3)緊密耦合與松散耦合。 

(4)集中式計算與分布式計算。 

(5)基于測距技術(shù)的定位和無(wú)須測距技術(shù)的定位。 

(6)粗粒度與細粒度。 

(7)三角測量、場(chǎng)景分析和接近度定位。

 

4.4.2 時(shí)間同步

 

傳統的分布式系統時(shí)間同步算法一般采用集中發(fā)布方式，即系統內的時(shí)間服務(wù)器通過(guò)單播或廣播方式周期性地向客戶(hù)節點(diǎn)發(fā)布時(shí)間，如：NTP 。這種中心 發(fā)布方式不適合在具有能量受限、節點(diǎn)易損壞和網(wǎng)絡(luò )拓撲結構動(dòng)態(tài)變化等特點(diǎn)的 WSN 中使用。目前對 WSN 時(shí)間同步的研究主要集中在兩個(gè)方面：一是盡量減少 同步算法對時(shí)間服務(wù)器及信道質(zhì)量的依賴(lài)， 縮短可能引起同步誤差的 “關(guān)鍵路徑” ； Elson WSN 二是從能耗的角度，研究節能、高效的同步算法。 等人分析了的工作 模式， 認為傳感器節點(diǎn)在大部分時(shí)間內處于自主工作狀態(tài)，只有在被監測事件發(fā) 生后才需要協(xié)同通信?；谶@種工作模式， Elson 提出了一種“事后同步”方法

( post — factos)rllchronization) ，即在被監測事件發(fā)生之前，不對各節點(diǎn)進(jìn)行同步。只有當被監測事件發(fā)生后，參與協(xié)同工作的節點(diǎn)間才開(kāi)始同步，共同推斷事 件發(fā)生時(shí)間。仿真表明，該方法有較好的節能特性，但實(shí)時(shí)性較差。 Hill 等人分析了同步過(guò)程中由節點(diǎn)本地硬件處理引起的同步誤差， 提出了從硬件設計的角度 提高時(shí)間同步精度的方法。為了準確記錄物理層數據包到達時(shí)間，文中設計了專(zhuān)用硬件“同步加速器”，消除了由于對同步報文的本地處理所引發(fā)的不確定性，提高了時(shí)間同步的精度。綜合 WSN 現有的時(shí)間同步方法在同步精度、同步有效時(shí)間、同步有效范圍、能量消耗等方面的特點(diǎn)， Elson 提出了針對 WSN 時(shí)間同步方法設計的五點(diǎn)建議： 

 

·結合使用多種、可調的同步方式 

·盡量不維護全局時(shí)間信息 

·使用事后同步節能方式 

·能夠動(dòng)態(tài)適應不同的應用需求 

·充分利用底層通信服務(wù)。

 

參考文獻

 

1.阮殿旭.唐大放.張曉光.劉旭東 Zigbee 技術(shù)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )在煤礦井下環(huán)境監測 中的應用研究[期刊論文]-煤礦機械 2008(6) 

 

2.李漢玲 WSN 24_Link 系列無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )及應用[期刊論文]-機械工程與自動(dòng) 化 2008(2) 

 

3.李漢玲 WSN 24_Link 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )在心電監護系統中的應用[期刊論文]-電 腦開(kāi)發(fā)與應用 2008(1)

 

4.朱輪.劉欣基于 IAPIT 的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )定位算法研究[期刊論文]-科學(xué)技術(shù)與 工程 2012(32)

 

 

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