傳感網概述

進入21世紀以來，隨著感知識別技術的快速發展，以傳感器和智能識別終端為代表的信息自動生成設備可以實時地對物理世界感知、測量和監控。微電子技術、計算機技術和無線通信技術的發展推動了低功耗、多功能傳感器的快速發展，現已研制出了具有感知能力、計算能力和通信能力的微型傳感器。物理世界的聯網需求和信息世界的擴展需求催生出一類新型網絡——傳感器網絡（簡稱傳感網）。

傳感網集成了傳感器、嵌入式計算、微機電、現代網絡與無線通信、信息處理等技術，跨越了計算機、半導體、嵌入式、網絡、通信、光學、微機械、化學、生物、航天、醫學、農業等眾多領域，可以使人們在任何時間、地點和任何環境下獲取大量翔實可靠的信息，從而真正實現無處不在的計算理念。傳感網是一種新型的信息獲取和處理技術，它改變了人類與自然界的交互方式，擴大了人類認知世界的能力。美國《商業周刊》認為傳感網是全球未來四大高新技術產業之一，是21世紀最具有影響力的21項技術之一。2003年，麻省理工學院的《技術評論》雜志在預測未來技術發展的報告中，將傳感網列為對人類未來生活產生深遠影響的十大新興技術之首。

傳感網的體系結構

傳感器網絡由大量部署在作用區域內的、具有無線通信與計算能力的傳感器節點組成，這些節點通過自組織方式構成傳感器網絡，其目的是協作感知、采集和處理網絡覆蓋地理區域中的感知對象信息并發布給觀察者。

傳感器節點體系結構

傳感器節點是無線傳感網的一個基本組成部分。根據應用需求的不同，傳感器節點必須滿足的具體要求也不同。傳感器節點可能是小型的、廉價的或節能的，必須配備合適的傳感器，具有必要的計算和存儲資源，并且需要足夠的通信設施［6，7］。一個典型的傳感器節點由感知單元、處理單元（包括處理器和存儲器）、通信單元、能量供給單元和其他應用相關單元組成，傳感器節點的體系結構如圖1-1所示。

在圖1-1中，感知單元主要用來采集現實世界的各種信息，如溫度、濕度、壓力、聲音等物理信息，并將傳感器采集到的模擬信息轉換成數字信息，交給處理單元進行處理。處理單元負責整個傳感器節點的數據處理和操作，存儲本節點的采集數據和其他節點發來的數據。通信單元負責與其他傳感器節點進行無線通信、交換控制消息和收發采集數據。能量供給單元提供傳感器節點運行所需的能量，是傳感器節點最重要的單元之一。另外，為了對節點精確定位以及對移動狀態進行管理，傳感器節點需要相應的應用支持單元，如位置查找單元和移動管理單元。

傳感器節點通常是一個微型嵌入式系統，它的處理能力、存儲能力和通信能力是受限的。節點要正常工作，需要軟硬件系統的密切配合。硬件系統的組成參照圖1-1。軟件系統由5個基本的軟件模塊組成，分別是操作系統（OS）微碼、傳感器驅動、通信處理、通信驅動和數據處理mini-app軟件模塊。OS微碼控制節點的所有軟件模塊以支持節點的各種功能。TinyOS就是一種專為嵌入式無線傳感網設計的操作系統。傳感器驅動模塊管理傳感器收發器的基本功能；此外，傳感器的類型可能是模塊或插件式的，根據傳感器的不同類型和復雜度，該模塊也要支持對傳感器進行的相應配置和設置。通信處理模塊管理通信功能，包括路由、數據包緩沖和轉發、拓撲維護、介質訪問控制、加密和前向糾錯等。通信驅動模塊管理無線電信道傳輸鏈路，包括時鐘和同步、信號編碼、比特計數和恢復、信號分級和調制。數據處理mini-app模塊支持節點的數據處理，包括信號值的存儲與操作或其他的基本應用。

傳感網的網絡結構

傳感網由大量的傳感器節點組成，節點之間通過無線傳輸方式通信。一個典型的傳感網的體系結構如圖1-2所示，通常包括傳感器節點、匯聚節點和任務管理節點。傳感器節點分散在監測區域內，這些節點能夠采集數據、分析數據并且把數據路由到一個指定的匯聚節點。

傳感器節點之間通過自組織方式構成網絡，可以根據需要智能地采用不同的網絡拓撲結構。傳感器節點的監測數據可能被多個節點處理，通常以多跳的方式沿著其他節點逐跳傳輸，經過路由到其他中間節點進行數據融合和轉發后到達匯聚節點，最后通過互聯網或者衛星到達用戶可以操作的任務管理節點，任務管理節點可以對傳感網進行配置和管理。

傳感器節點的計算能力、存儲能力較弱，通信帶寬窄，由自身攜帶的電池供電，因此能量有限。傳感器節點不僅要對本地信息進行數據處理，還要對其他節點轉發的數據進行存儲、管理、融合和轉發。匯聚節點的處理能力、存儲能力和通信能力相對較強，主要負責發送任務管理節點的監測任務，收集數據并轉發到互聯網等外部網絡上，實現傳感網和外部網絡之間的通信。匯聚節點可以是一個具有增強功能的傳感器節點，具有較多的內存、計算資源和能量供給，也可以是一個僅帶有無線通信接口的特殊網關設備。

傳感網通常部署在無人照料的惡劣環境中或身體遙不可及的地區，因此網絡需要具有自維護的特性。當網絡的部分節點因入侵、故障或電池耗竭而失效時，不能影響數據傳輸和網絡監控等主要任務。

傳感網節點的組成

傳感器節點

處理能力、存儲能力和通信能力相對較弱，通過小容量電池供電。傳感器節點由部署在感知對象附近大量的廉價微型傳感器模塊組成，其目的是協作地感知、采集和處理網絡覆蓋區域中感知對象的信息，并發送到匯聚節點。各模塊通過無線通信方式形成一個多跳的自組織網絡系統，傳感器節點采集到的數據沿著其他傳感器節點逐跳傳輸到匯聚節點。一個WSN系統通常有數量眾多的體積小、成本低的傳感器節點。從網絡功能上看，每個傳感器節點除了進行本地信息收集和數據處理外，還要對其他節點轉發來的數據進行存儲、管理和融合，并與其他節點協作完成一些特定任務。

匯聚節點

匯聚節點的處理能力、存儲能力和通信能力相對較強，它是連接傳感器網絡與Internet 等外部網絡的網關，實現兩種協議間的轉換，同時向傳感器節點發布來自管理節點的監測任務，并把WSN收集到的數據轉發到外部網絡上。匯聚節點既可以是一個具有增強功能的傳感器節點，有足夠的能量供給和更多的、Flash和SRAM中的所有信息傳輸到計算機中，通過匯編軟件，可很方便地把獲取的信息轉換成匯編文件格式，從而分析出傳感節點所存儲的程序代碼、路由協議及密鑰等機密信息，同時還可以修改程序代碼，并加載到傳感節點中。

管理節點

管理節點用于動態地管理整個無線傳感器網絡。傳感器網絡的所有者通過管理節點訪問無線傳感器網絡的資源。

傳感網的發展階段

第1階段：冷戰時期的軍事傳感器網絡

冷戰時期，美國使用昂貴的聲傳感網（acoustic networks）監視潛艇，同時美國國家海洋和大氣管理局也使用其中的一部分傳感器監測海洋的地震活動。

第2階段：國防高級研究計劃局的倡議

20世紀80年代初，在美國國防部高級研究計劃局（DARPA）資助項目的推動下，傳感網的研究取得了顯著進步。在假設存在許多低成本空間分布傳感器節點的前提下，分布式傳感網（DSN）以自組織、合作的方式運作，旨在判定是否可以在傳感網中使用新開發的TCP/IP協議和ARPA網（互聯網的前身）的方式來通信。

第3階段：20世紀80年代、90年代的軍事應用開發和部署

20世紀80年代和90年代，以DARPA-DSN研究和實驗平臺為基礎，在軍事領域采用傳感網技術，使其成為網絡中心戰的關鍵組成部分。傳感網可以通過多種觀察、擴展檢測范圍以及加快響應時間等方式，提高檢測和跟蹤性能。

第4階段：現今的傳感網研究

20世紀90年代末和21世紀初，計算與通信的發展推動傳感網新一代技術的產生。標準化是任何技術大規模部署的關鍵，其中包括無線傳感網。隨著IEEE 802.11a/b/g的無線網絡和其他無線系統（如ZigBee）的發展，可靠連接變得無處不在。低功耗、低價格處理器的出現，使傳感器可部署于更多的應用程序之中。