隨著微電子機(jī)械系統(tǒng)（Micro Electro-MechanicalSystem, MEMS）,、低功耗無(wú)線電通信技術(shù),、嵌入式計(jì)算技術(shù)、微型傳感器技術(shù)及集成電路技術(shù)的飛速發(fā)展和日益成熟,， 使得由大量低成本,、低功耗、小體積,、短距離通信多功能的微型傳感器通過(guò)無(wú)線鏈路自組織為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（w ireless sensor netwo rk, WSN）成為現(xiàn)實(shí),。WSN 已經(jīng)廣泛應(yīng)用于軍事、交通,、環(huán)境監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào),、衛(wèi)生保健、空間探索等各個(gè)領(lǐng)域,， 在當(dāng)前國(guó)際上備受關(guān)注,， 涌現(xiàn)了許多研究熱點(diǎn)領(lǐng)域。
1 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)
傳感器節(jié)點(diǎn)的基本組成和功能包括如下幾個(gè)單元： 傳感單元,、處理單元,、無(wú)線通信單元和供電單元等，如圖1 所示,。此外,， 其他可以選擇的功能部分有定位系統(tǒng)、移動(dòng)系統(tǒng)以及電源供電系統(tǒng)等,。
傳感器單元由傳感器和數(shù)/ 模轉(zhuǎn)換模塊組成,， 用于感知、獲取監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的信息,， 并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào),； 處理單元由嵌入式系統(tǒng)構(gòu)成， 包括處理器,、存儲(chǔ)器等,， 負(fù)責(zé)控制和協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)各部分的工作， 存儲(chǔ)和處理自身采集的數(shù)據(jù)以及其他節(jié)點(diǎn)發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù),； 無(wú)線通信單元由無(wú)線通信模塊組成,， 負(fù)責(zé)與其他傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信， 交換控制信息和收發(fā)采集數(shù)據(jù),； 供電單元通常采用微型電池,， 為傳感器節(jié)點(diǎn)提供正常工作所必需的能源。
2 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)
人們一度認(rèn)為成熟的Ad-hoc 網(wǎng)絡(luò)機(jī)制和技術(shù)可以應(yīng)用到無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。但隨著深入的研究發(fā)現(xiàn),， 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)有的技術(shù)要求和應(yīng)用目標(biāo)明顯不同于Ad-hoc 網(wǎng)絡(luò),。Ad-ho c 網(wǎng)絡(luò)致力于為用戶提供高質(zhì)量的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)， 是以傳輸數(shù)據(jù)為目的,； 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)將能源的高效使用作為首要設(shè)計(jì)目標(biāo),， 是以數(shù)據(jù)為中心。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有許多區(qū)別于Ad-hoc 網(wǎng)絡(luò)的獨(dú)有特征,。
①規(guī)模大,、密度高。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)與Ad-ho c 網(wǎng)絡(luò)不同,， 通常密集部署在大片的監(jiān)測(cè)區(qū)域,， 為了獲取更精確、完整的信息,， 需要部署規(guī)模很大,、密度很高的傳感器節(jié)點(diǎn)， 以便通過(guò)大量冗余節(jié)點(diǎn)的協(xié)同工作來(lái)提高系統(tǒng)的工作質(zhì)量,。
②以數(shù)據(jù)為中心,。在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中， 終端用戶不會(huì)具體關(guān)心單個(gè)節(jié)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),， 通常只關(guān)心某個(gè)區(qū)域內(nèi)某個(gè)監(jiān)測(cè)指標(biāo)的數(shù)值,。
③可靠性差。與Ad-hoc 網(wǎng)絡(luò)相比,， 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障的可能性要大得多,。傳感器節(jié)點(diǎn)是通過(guò)隨機(jī)撒播的方式部署在指定的惡劣環(huán)境或無(wú)人區(qū)域， 在無(wú)人值守狀態(tài)下工作,， 網(wǎng)絡(luò)維護(hù)變得十分困難,。
④傳感器節(jié)點(diǎn)的能力有限。傳感器節(jié)點(diǎn)具有的能量,、處理能力、存儲(chǔ)能力和通信能力都是十分有限的,。
⑤與應(yīng)用相關(guān),。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是通過(guò)感知客觀世界來(lái)獲取外界的信息。由于不同的應(yīng)用關(guān)心的信息不同,， 使得無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)只能針對(duì)每一個(gè)具體的應(yīng)用來(lái)開展設(shè)計(jì)工作,， 不能像Internet 那樣有統(tǒng)一的通信協(xié)議平臺(tái)。由于應(yīng)用的不同,， 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)對(duì)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的要求也不同,， 硬件平臺(tái)、軟件系統(tǒng)和通信協(xié)議都會(huì)有很大的差異。
⑥動(dòng)態(tài)變化快,。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)一般都在比較惡劣的環(huán)境下工作,， 不斷變化的外界環(huán)境， 如突發(fā)事件,、節(jié)點(diǎn)能量耗盡,、無(wú)線通信鏈路斷續(xù)等， 都會(huì)嚴(yán)重影響系統(tǒng)功能,， 這就要求傳感器節(jié)點(diǎn)調(diào)整自身的工作狀態(tài)及網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),， 以適應(yīng)環(huán)境的變化。
3 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究熱點(diǎn)
無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為當(dāng)今信息領(lǐng)域新的研究熱點(diǎn),， 綜合了傳感技術(shù),、微電子技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù),、無(wú)線通信技術(shù),、嵌入式技術(shù)、分布式計(jì)算處理技術(shù)等多種技術(shù)的交叉學(xué)科,， 涉及的范圍十分廣泛,， 因而相關(guān)的研究?jī)?nèi)容也十分豐富， 目前世界各國(guó)均對(duì)其各方面開展了研究,。
同時(shí),， 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)又有著工作環(huán)境較差、節(jié)點(diǎn)數(shù)目眾多,、節(jié)點(diǎn)能量不易補(bǔ)充等特點(diǎn),， 對(duì)它的研究又有著與一般網(wǎng)絡(luò)不同的要求。從體系結(jié)構(gòu)上分,， 可分為基礎(chǔ)層研究問(wèn)題,、網(wǎng)絡(luò)層研究問(wèn)題、數(shù)據(jù)管理與處理層研究問(wèn)題,、應(yīng)用開發(fā)環(huán)境層研究問(wèn)題,、應(yīng)用層研究問(wèn)題。從功能上分,， 可分為能量節(jié)省問(wèn)題,、傳感器節(jié)點(diǎn)的定位問(wèn)題、網(wǎng)絡(luò)組織管理問(wèn)題,、網(wǎng)絡(luò)傳輸問(wèn)題,、軟硬件設(shè)計(jì)與制造問(wèn)題、信號(hào)的協(xié)作處理問(wèn)題,、網(wǎng)絡(luò)安全性問(wèn)題等,。
下面從功能的角度對(duì)各個(gè)熱點(diǎn)分別給予介紹。
3. 1 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)定位
無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)通常是采用大炮發(fā)射、飛機(jī)撒播等隨機(jī)布置的方法部署到監(jiān)測(cè)區(qū)域中的,， 因?yàn)闊o(wú)法預(yù)先確定節(jié)點(diǎn)部署后的位置,， 只能在部署完成后采用一定的方法定位。目前使用最廣泛的定位方法是采用全球定位系統(tǒng)GPS（Global Posit ioning System）.
由于數(shù)目眾多,， 在價(jià)格,、功耗、適用范圍及體積等方面的制約,， 考慮到費(fèi)用問(wèn)題,， 每個(gè)節(jié)點(diǎn)都帶有定位系統(tǒng)是不現(xiàn)實(shí)的。一般采用的方法是使5%~10% 的節(jié)點(diǎn)帶有GPS, 這種節(jié)點(diǎn)稱為導(dǎo)標(biāo)節(jié)點(diǎn)（beaco n nodes）或錨節(jié)點(diǎn)（anchor nodes）, 它們可以通過(guò)衛(wèi)星來(lái)確定自身的位置,。目前主要的研究方向是如何利用這些錨節(jié)點(diǎn)提供的位置信息和其他節(jié)點(diǎn)通信之間的約束,， 估算出普通節(jié)點(diǎn)的位置。定位問(wèn)題除了定位本身的意義外,， 在路由選擇上也有很大的幫助,。此外在移動(dòng)機(jī)器人研制中也具有很重要的意義。
3. 2 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)涔芾?/strong>
無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涔芾碇饕芯康膬?nèi)容是： 在保證網(wǎng)絡(luò)的覆蓋度和連通性的前提下,， 設(shè)置或調(diào)整節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率,， 并按照一定原則選擇合適節(jié)點(diǎn)成為骨干節(jié)點(diǎn)參與網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)的處理和傳輸， 達(dá)到優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的目的,。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中拓?fù)涔芾砜梢苑譃閮蓚€(gè)研究方向： 功率管理和層次拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)管理,。功率管理機(jī)制均衡節(jié)點(diǎn)的直接鄰居數(shù)目， 調(diào)整網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率,， 保證網(wǎng)絡(luò)連通,， 同時(shí)降低節(jié)點(diǎn)之間的通信干擾。層次拓?fù)涔芾硎抢梅执厮枷耄?依據(jù)一定的算法使網(wǎng)絡(luò)中的部分節(jié)點(diǎn)處于激活狀態(tài)并且成為簇首節(jié)點(diǎn),， 然后由這些簇首節(jié)點(diǎn)構(gòu)建一個(gè)連通的網(wǎng)絡(luò)來(lái)處理和傳輸網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù),； 其他節(jié)點(diǎn)則處于非激活狀態(tài)，關(guān)閉其通信模塊以降低能量消耗,， 并定期或不定期地重新選擇簇首節(jié)點(diǎn),， 以均衡網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的能量消耗。
在有些應(yīng)用中,， 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的各個(gè)節(jié)點(diǎn)可能分布在廣大的地理區(qū)域,， 如果把整個(gè)應(yīng)用組成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)， 即不現(xiàn)實(shí)也難于管理,。網(wǎng)絡(luò)的組織管理的關(guān)鍵是如何把網(wǎng)絡(luò)有效地劃分為許多小局域網(wǎng),， 保證每一個(gè)小的局域網(wǎng)中都有一個(gè)節(jié)點(diǎn)代理負(fù)責(zé)管理每一個(gè)小的局域網(wǎng),， 該節(jié)點(diǎn)可稱之為簇首,。解決該問(wèn)題可用以下兩種方法： 一是放置代理， 每個(gè)代理節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)管理一定數(shù)目的普通節(jié)點(diǎn)， 如何使每個(gè)代理管理節(jié)點(diǎn)的數(shù)目基本相同并使管理網(wǎng)絡(luò)有著基本相同的網(wǎng)絡(luò)半徑是研究的重點(diǎn)問(wèn)題,； 二是產(chǎn)生簇首,， 所有的節(jié)點(diǎn)都是對(duì)等的節(jié)點(diǎn)，這時(shí)根據(jù)每個(gè)節(jié)點(diǎn)能量情況,、連接情況選擇合適簇首,，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的匯總及初步處理， 為了節(jié)省能量,， 需要定期或不定期選舉產(chǎn)生新的簇首,。此外， 網(wǎng)絡(luò)的管理形式,、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等都是需要研究的重要問(wèn)題,。
3. 3 數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中的傳輸
無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸是一個(gè)熱點(diǎn)問(wèn)題， 由于數(shù)據(jù)傳輸將消耗掉節(jié)點(diǎn)大量的能量,， 傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的很多方案不能直接使用,， 它的設(shè)計(jì)需要針對(duì)具體應(yīng)用來(lái)進(jìn)行。目前,， 很多無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中路由算法基本上都是以Flooding 算法為基礎(chǔ),， 通過(guò)增加一定的約束條件而形成的。然而每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)所帶的電量有限,，無(wú)線通信,、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)采集等過(guò)程都要消耗能量,，其中網(wǎng)內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸（即無(wú)線通信模塊）消耗節(jié)點(diǎn)的大部分能量,， 需要通過(guò)采用適當(dāng)?shù)穆酚伤惴ǎ?減少網(wǎng)絡(luò)中的通信量和計(jì)算量， 有效延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的壽命,。
3. 4 信號(hào)的協(xié)作處理
為了完成對(duì)目標(biāo)的測(cè)量,、跟蹤和識(shí)別， 需要具有一定屬性的多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)協(xié)同工作,。這些節(jié)點(diǎn)采用一定的算法交換信息,， 對(duì)所獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行加工、匯總和過(guò)濾,。僅靠單個(gè)的傳感器節(jié)點(diǎn)無(wú)法完成這些工作,。因此， 節(jié)點(diǎn)間數(shù)據(jù)的傳遞和信息協(xié)作都影響到網(wǎng)絡(luò)算法的設(shè)計(jì)和能量的消耗,。
3. 5 硬件,、軟件的設(shè)計(jì)和制造
無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)另一個(gè)研究重要課題是： 如何利用已經(jīng)發(fā)展起來(lái)的電源、微電子,、微電機(jī),、微無(wú)線通信等技術(shù),， 合理地構(gòu)成微體積、長(zhǎng)壽命的節(jié)點(diǎn),。國(guó)外有些研究所已經(jīng)開始進(jìn)入了裝置設(shè)計(jì)階段,， 它的研究設(shè)計(jì)需要考慮依距離遠(yuǎn)近發(fā)送一個(gè)比特位及每條指令所需的能量大小， 甚至不同地址編碼所需能量的差異等,。要有效地增加網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的壽命需要合理優(yōu)化設(shè)計(jì)硬件和軟件資源,。厘米級(jí)和毫米級(jí)的傳感器節(jié)點(diǎn)成為當(dāng)今的主要研究目標(biāo)。
3. 6 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)安全性問(wèn)題
與普通的網(wǎng)絡(luò)一樣,， 傳感器接收命令和傳送信息也面臨著安全性的考驗(yàn),。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是通過(guò)無(wú)線方式進(jìn)行通信的， 信道更容易被竊聽,， 辨別非法消息及非法節(jié)點(diǎn)更加不易,。而傳感器節(jié)點(diǎn)本身運(yùn)算能力有限，如何利用較少的能量和較小的計(jì)算量來(lái)完成數(shù)據(jù)加密,、身份認(rèn)證等,， 在破壞或受干擾的情況下可靠地完成任務(wù)也是一個(gè)重要的研究課題。
另外,， 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)還涉及到能量控制,、容錯(cuò)機(jī)制、路由選擇等方面的研究,。
4 結(jié)束語(yǔ)
無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用前景十分廣闊,。除了在軍事、監(jiān)控,、應(yīng)急,、環(huán)境、防空等方面,， 還將涉及家用,、企業(yè)管理、保健,、交通等新興領(lǐng)域,。本文對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究熱點(diǎn)進(jìn)行分析和總結(jié)， 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展還面臨許多的問(wèn)題,， 比如能量節(jié)省問(wèn)題,、傳感器節(jié)點(diǎn)的定位問(wèn)題、網(wǎng)絡(luò)組織管理問(wèn)題,、網(wǎng)絡(luò)傳輸問(wèn)題,、軟硬件設(shè)計(jì)與制造問(wèn)題、信號(hào)的協(xié)作處理問(wèn)題,、網(wǎng)絡(luò)安全性問(wèn)題等,。隨著各項(xiàng)技術(shù)的成熟和發(fā)展,， 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究也將取得突破性的進(jìn)展， 其業(yè)務(wù)和應(yīng)用將更加廣泛和成熟,。