无线传感器网络：物联网组成原理

无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）是由部署在监测区域内的大量的微型传感器节点通过无线电通信形成的一个多跳的自组织网络系统，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域内被监测对象的信息，并发送给观察者。由于微型传感器的体积小、重量轻，有的甚至可以像灰尘一样在空气中浮动，因此，人们又称无线传感器网络为“智能尘埃”，可将它散布于四周以实时感知物理世界的变化。

在过去的80多年里，随着微电子技术、计算技术和无线通信等技术的进步，无线网络技术取得了突飞猛进的发展。从人工操作的无线电报网络到使用扩频技术的自动化无线局域、个域网络，无线网络的应用领域随着技术的进步不断地扩展。但迄今为止，主流的无线网络技术，如IEEE 502.11、蓝牙，都是为了数据传输而设计的，称之为无线数据网络。目前，无线数据网络研究的热点问题是无线自组网络技术。作为互联网在无线和移动范围的扩展和延伸，无线自组网络可以实现不依赖任何基础设施的移动节点在短时间内的互联。

无线传感器网络涉及传感器技术、网络通信技术、无线传输技术、嵌入式技术、分布式信息处理技术、微电子制造技术、软件编程技术等，是一个多学科高度交叉、新兴、前沿的热点研究领域。它是继因特网之后，将对21世纪人类生活方式产生重大影响的IT技术之一。如果说因特网构成了逻辑上的信息世界，改变了人与人之间的沟通方式，那么，无线传感器网络就是将逻辑上的信息世界与客观上的物理世界融合在一起，改变人与自然界的交互方式。未来，人们将通过遍布周围的传感器网络直接感知客观世界，从而极大地扩展网络的功能和人类认识世界的能力。

无线传感器网络是一种无中心节点的全分布系统。通过随机投放的方式，众多传感器节点被密集部署于监控区域。这些传感器节点集成有传感器、数据处理单元和通信模块，它们通过无线通道互联，自组织地构成网络系统。传感器节点借助内置的形式多样的传感器，测量所在周边环境中的热、红外、声呐、雷达和地震波信号，也包括温度、湿度、噪声、光强度、压力、土壤成分、移动物体的大小、速度和方向等众多人们感兴趣的物理现象。传感器节点间具有良好的协作能力，通过局部的数据交换来完成全局任务。由于传感器网络的节点特点的要求，多跳、对等的通信方式较之传统的单跳、主从通信方式更适合无线传感器网络，同时还可有效避免在长距离无线信号传播过程中遇到的信号衰落和干扰等问题。通过网关，传感器网络还可以连接到现有的网络基础设施上，从而将采集到的信息回传给远程的终端用户使用。

无线传感器网络具有以下的特点。

1.大规模网络

为了获取精确信息，在监测区域通常部署大量传感器节点，传感器节点数量可能达到成千上万，甚至更多。传感器网络的大规模包括两方面的含义：一方面是传感器节点分布在很大的地理区域内，如在原始森林采用传感器网络进行森林防火和环境监测，需要部署大量的传感器节点；另一方面，传感器节点部署很密集，在一个面积不是很大的空间内，密集部署了大量的传感器节点。传感器网络的大规模性具有如下优点：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的采集信息能够提高监测的准确度，降低对单个节点传感器的准确度要求；大量冗余节点的存在，使得系统具有很强的容错性能；大量节点能够增大覆盖的监测区域，减少盲区。

2.自组织网络

在传感器网络应用中，通常情况下传感器节点被放置在没有基础结构的地方。传感器节点的位置不能预先精确设定，节点之间的相互邻居关系预先也不知道，如通过飞机播撒大量传感器节点到面积广阔的原始森林或随意放置到人不可到达或危险的区域。这样就要求传感器节点具有自组织的能力，能够自动进行配置和管理，通过拓扑控制机制和网络协议自动形成转发监测数据的多跳无线网络系统。

在传感器网络的使用过程中，部分传感器节点由于能量耗尽或环境因素造成失效，也有一些节点为了弥补失效节点、增加监测准确度而补充到网络中。这样在传感器网络中的节点个数就动态地增加或减少，从而使网络的拓扑结构随之动态地变化。传感器网络的自组织性要能够适应这种网络拓扑结构的动态变化。

3.多跳路由

网络中节点通信距离有限，一般在几十到几百米范围内，节点只能与它的邻居直接通信。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。这样每个节点既可以是信息的发起者，也可以是信息的转发者。

4.动态性网络

传感器网络的拓扑结构可能因为下列因素而改变：①环境因素或电能耗尽造成的传感器节点出现故障或失效；②环境条件变化可能造成无线通信链路带宽变化，甚至时断时通；③传感器网络的传感器、感知对象和观察者这三要素都可能具有移动性；④新节点的加入。这就要求传感器网络系统要能够适应这种变化，具有动态的系统可重构性。

5.可靠的网络

传感器网络特别适合部署在恶劣环境或人类不便到达的区域。传感器节点可能工作在露天环境中，遭受太阳的暴晒或风吹雨淋，甚至遭到无关人员或动物的破坏。传感器节点往往采用随机部署，如通过飞机播撒或发射“炮弹”到指定区域进行部署。这些都要求传感器节点非常坚固、不易损坏，适应各种恶劣的环境条件。

由于监测区域环境的限制及传感器节点数目巨大，不可能人工“照顾”到每个传感器节点，网络的维护十分困难甚至不可维护。传感器网络的通信保密性和安全性也十分重要，要防止监测数据被盗取和获取伪造的监测信息。因此，传感器网络的软硬件必须具有鲁棒性和容错性。

6.以数据为中心的网络

传感器网络是任务型的网络，脱离传感器网络谈论传感器节点没有任何意义。传感器网络中的节点采用节点编号标识，节点编号是否需要全网唯一取决于网络通信协议的设计。由于传感器节点随机部署，构成的传感器网络与节点编号之间的关系是完全动态的，表现为节点编号与节点位置没有必然联系。用户使用传感器网络查询事件时，直接将所关心的事件通告给网络，而不是通告给某个确定编号的节点。网络在获得指定事件的信息后汇报给用户。这种以数据本身作为查询或传输线索的思想更接近自然语言交流的习惯。所以，通常说传感器网络是一个以数据为中心的网络。

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，并不关心是那个节点监测到目标的。事实上，在目标移动的过程中，必然是由不同的节点来提供目标的位置消息的。

7.应用相关的网络

传感器网络用来感知客观物理世界，获取物理世界的信息量。客观世界的物理量多种多样、不可穷尽，不同的传感器网络应用关心不同的物理量，因此对传感器的应用系统也有多种多样的要求。不同的应用背景对传感器网络的要求不同，其硬件平台、软件系统和网络协议必然会有很大差别。所以传感器网络不能像互联网一样，有统一的通信协议平台。对于不同的传感器网络应用，虽然存在一些共性问题，但在开发传感器网络应用时更关心传感器网络的差异。只有让系统更贴近应用，才能做出最高效的目标系统。针对每一个具体应用来研究传感器网络技术，这是传感器网络设计不同于传统网络的显著特征。

传感器节点在实现各种网络协议和应用系统时，存在以下一些现实约束。

1.电源能量有限

传感器节点体积微小，通常携带的电池能量十分有限。由于传感器节点个数多、成本要求低廉、分布区域广，而且部署区域环境复杂，有些区域甚至人员不能到达，所以传感器节点通过更换电池的方式来补充能源是不现实的。如何高效使用能量来最大化网络生命周期，是传感器网络面临的首要挑战。传感器节点消耗能量的模块包括传感器模块、处理器模块和无线通信模块。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。图3-12所示为传感器节点能量消耗情况。从图中可知传感器节点的绝大部分能量消耗在无线通信模块。传感器节点传输信息时要比执行计算时更消耗电能，传输1bit信息到100m距离外需要

的能量大约相当于执行3000条计算指令消耗的能量。无线通信模块存在发送、接收、空闲和睡眠四

种状态。无线通信模块在空闲状态一直监听无线信

道的使用情况，检查是否有数据发送给自己，而在

睡眠状态则关闭通信模块。如图3-12所示，无线通(www.xing528.com)

信模块在发送状态的能量消耗最大；在空闲状态和

接收状态的能量消耗接近，略少于发送状态的能量

消耗；在睡眠状态的能量消耗最少。如何让网络通

信更有效率，减少不必要的转发和接收，不需要通

信时尽快进入睡眠状态，是传感器网络协议设计中

需要重点考虑的问题。

图3-12　传感器节点能量消耗情况

2.通信能力有限

无线通信的能量消耗与通信距离的关系为

E=kdⁿ式中，n满足关系2＜n＜4。n的取值与很多因素有关，如传感器节点部署贴近地面时，障碍物多、干扰大，n的取值就大；天线质量对信号发射质量的影响也很大。考虑诸多因素，通常取n=3，即通信能耗与距离的三次方呈正比。随着通信距离的增加，能耗将急剧增加，因此在满足通信连通度的前提下应尽量减少单跳通信距离。一般而言，传感器节点的无线通信半径在100m以内比较合适。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，通常仅有几百千位每秒的速率。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，频繁出现通信中断的情况。在这样的通信环境和节点有限通信能力的情况下，如何设计网络通信机制以满足传感器网络的通信需求是传感器网络面临的重要问题。

3.计算和存储能力有限

传感器节点是一种微型嵌入式设备，要求它的价格低、功耗小。这些限制必然导致其携带的处理器能力比较弱，存储器容量比较小。为了完成各种任务，传感器节点需要完成监测数据的采集和转换、数据的管理和处理、应答汇聚节点的任务请求和节点控制等多种工作。如何利用有限的计算和存储资源完成诸多协同任务成为传感器网络设计的挑战。

传感器网络的应用前景非常广阔，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、复杂机械监控、城市交通、空间探索、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。随着传感器网络的深入研究和广泛应用，传感器网络将逐渐深入到人类生活的各个领域。

1.军事应用

传感器网络具有可快速部署、可自组织、隐蔽性强和高容错性的特点，因此非常适合在军事上应用。利用传感器网络能够实现对敌军兵力和装备的监控、战场的实时监视、目标的定位、战场评估、核攻击和生物化学攻击的监测和搜索等功能。通过飞机或炮弹直接将传感器节点播撒到敌方阵地内部，或者在公共隔离带部署传感器网络，就能够非常隐蔽而且近距离准确收集战场信息，迅速获取有利于作战的信息。传感器网络是由大量的随机分布的节点组成的，即使一部分传感器节点被敌方破坏，剩下的节点依然能够自组织地形成网络。传感器网络可以通过分析采集到的数据，得到十分准确的目标定位，从而为火控和制导系统提供精确的制导。利用生物和化学传感器，可以准确地探测到生化武器的成分，及时提供情报信息，这有利于正确防范和实施有效的反击。

2.环境观测和预报系统

随着人们对于环境的日益关注，环境科学所涉及的范围越来越广泛。传感器网络在环境研究方面可用于监视农作物灌溉情况、土壤空气情况、牲畜和家禽的环境状况和大面积的地表监测等，可用于行星探测、气象和地理研究、洪水监测等，还可以通过跟踪鸟类、小型动物和昆虫进行种群复杂度的研究等。类似的，传感器网络可实现对森林环境监测和火灾报告。传感器节点被随机密布在森林之中，平常状态下定期报告森林环境数据；当发生火灾时，这些传感器节点通过协同合作会在很短的时间内将火源的具体地点、火势的大小等信息传送给相关部门。

3.医疗护理

传感器网络在医疗系统和健康护理方面的应用包括，监测人体的各种生理数据、跟踪和监控医院内医生和患者的行动、医院的药物管理等。如果在住院病人身上安装特殊用途的传感器节点，如心率和血压监测设备，医生利用传感器网络就可以随时了解被监护病人的病情，发现异常能够迅速抢救。将传感器节点按药品种类分别放置，计算机系统即可帮助辨认所开的药品，从而减少病人用错药的可能性。还可以利用传感器网络长时间地收集人体的生理数据，这些数据对了解人体活动机理和研制新药品都是非常有用的。

4.智能家居

传感器网络能够应用在家居中。在家电和家具中嵌入传感器节点，通过无线网络与互联网连接在一起，将会为人们提供更加舒适、方便和更具人性化的智能家居环境。利用远程监控系统，可完成对家电的远程遥控。例如，可以在回家之前半小时打开空调，这样回家的时候就可以直接享受适合的室温；也可以遥控电饭锅、微波炉、电冰箱、电话机、电视机、录像机、电脑等家电，按照自己的意愿完成相应的煮饭、烧菜、查收电话留言、选择录制电视和电台节目及下载网上资料到电脑中等工作；也可以通过图像传感设备随时监控家庭安全情况。利用传感器网络可以建立智能幼儿园，监测孩童的早期教育环境，跟踪孩童的活动轨迹，可以让父母和老师全面地研究学生的学习过程。

5.建筑物状态监控

建筑物状态监控（Structure Health Monitoring，SHM）是利用传感器网络来监控建筑物的安全状态。建筑物需要不断修补，来避免可能存在的一些安全隐患。虽然地壳偶尔的小震动可能不会带来看得见的损坏，但是也许会在支柱上产生潜在的裂缝，这个裂缝可能会在下一次地震中导致建筑物倒塌。用传统方法检查，往往要将大楼关闭数月。

采用传感器网络，可以让大楼、桥梁和其他建筑物能够监测并发现它们的状况和问题，使得安装了传感器网络的智能建筑及时告诉管理部门它们的状态信息，并且能够自动按照优先级来进行一系列自我修复工作。未来的各种摩天大楼可能就会装备这种类似红绿灯的装置，从而建筑物可自动告知人们当前是否安全、稳固程度如何等信息。

6.其他方面的应用

采用无线传感网络能够降低设备维护中的开销，特别是能够去掉人工开销。尤其是目前数据处理硬件技术的飞速发展和无线收发硬件的发展，新的技术已经成熟，可以使用无线技术避免昂贵的线缆连接，采用专家系统自动实现数据的采集和分析。传感器网络可以应用于空间探索。借助于航天器在外星体播撒一些传感器网络节点，可以对星球表面进行长时间的监测。这种方式成本很低、节点体积小、相互之间可以通信，也可以和地面站进行通信。