无线传感器网络系统

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无线传感器网络（Wireless Sensor Network ，WSN）是一种新型的信息获取以及处理网络技术，它集传感器技术、通信技术、计算机技术以及网络技术于一体，具有自动组网、动态智能和协同感知等功能。

如图1所示，无线传感器网络的工作原理是利用各种类型的敏感元件构成的传感器，分布于需要覆盖的领域内，组成传感器节点，用于收集数据，并且将数据路由送至信息收集节点“Sink”，信息收集节点与信息处理节点通过广域网（如Internet网络或卫星网络）将数据送至地面监控中心进行统计分析和处理，并对监测结果进行综合评估。

图1 无线传感器网络工作原理图
无线传感器网络的特点 ：

低速率 : 传感器网络节点，通常只需定期传输温度、湿度、压力、流量、电量等被测参数，相对而言，被测参数的数据量小，采集数据频率较低。
低功耗 : 通常，传感器节点利用电池供电，且分布区域复杂、广阔，很难通过更换电池方式来补充能量，因此，要求传感器网络节点的功耗要低，传感器的体积要小。
低成本 : 应用WSN时，监测区域广、传感器的节点多，且有些区域环境的地形复杂，甚至连工作人员都无法进入，一旦安装传感器则很难更换，因而要求传感器的成本低廉。
短距离 : 为了组网和传递数据方便，两个传感器的节点之间的距离通常要求在几十米到几百米之间。
高可靠 : WSN的信息获取是靠分布在监测区域内的各个传感器检测到的，如传感器本身不可靠，则其信息的传输和处理是没有任何意义的。
大容量 : 要求网络能容纳上千、上万个节点。
动态性 : 对于复杂环境的组网，其覆盖区域往往会遇到各种电、磁环境的干扰，加之供电能量的不断损耗，易引起传感器节点故障， 因此要求传感器网络具有自组网、智能化和协同感知等功能。

无线传感器网络有着十分广泛的应用和发展前景。它不仅在工业、农业、医疗、环境、航空、航天和军事等领域有着巨大的应用价值，在未来的许多新兴领域也蕴藏着巨大商机，如在家庭、防灾、保健、环保、反恐等领域也体现出许多的优越性而大显身手。另外，它还可以到达一些人类无法到达或无法工作的环境。

目前，业界普遍认为无线传感器网络是人类面临的一次发展机遇。它将改变人们的生活，甚至将引起一场划时代的军事技术革命和未来的战争变格。美国商业周刊MIT技术评论，在预测未来的技术发展报告中，分别将无线传感器网络列为21世纪最有影响的21项技术和改变世界的四大技术之一。无线网络传感器、塑料电子学和仿生人体器官被认为是全球未来的三大高科技产业。我国对无线传感器网络的发展也十分重视，《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006-2020年）》在重大专项、优先发展主题以及前沿领域均将传感器网络列入，其中，重大专项“新一代宽带移动无线通信网”被列为其中的重要方向之一。

无线传感器网络协议机制

物理层研究

物理层研究主要集中在传输介质的选择。目前传输介质主要有无线电、红外线和光波三种；传输频段选择为通用频段ISM，4.33MHz，915MHz和2.44GHz；调制方式为二元调制和多元调制。

数据链路层研究

数据链路层研究主要集中在MAC（Media Access Control）媒体访问控制协议，该协议是保证WSN高效通信的关键协议之一，传感器网络的性能如吞吐量、延迟性完全取决于网络的MAC协议，与传统的MAC协议不同，WSN的协议首先考虑能量节省问题，通常可分为下面几类：

随机竞争类MAC

● S-MAC协议，周期性侦听/睡眠方式，目的是节能；
● T-MAC协议，减少空间侦听时间；
● Sift协议，N个传感器节点，同时检测到同一事件时，希望R个节点（R=N）能够在最小时间内，无冲突地成功发出事件监测信息，抑制剩余（N-R）个节点的消息发送。

时分复用（TDMA）类MAC协议

● DMAC协议，采用不同深度节点之问的活动/睡眠的交错调度机制；
● DEANA协议，把一个数据传输周期分为调度访问阶段和随机回访阶段；
● TRAMA协议，将时间划分为连续的时槽，根据两跳内邻后节点信息，采用分布式选举机制，确定每个时槽的无冲突发送者。

混合型MAC协议

● SMACS/EAR协议，为每对邻居节点分配一个特有频率进行数据传输；
● CSMA/CA和CDMA相结合，链路侦听采用CSMA/CD机制，数据收发采用CDMA机制，不需要严格时间同步，但需要节点提供链路侦听和数据收发两个硬件模块。

网络层路由协议研究。

网络层负责路由的发现和维护，遵照路由协议将数据分组，从源节点通过网络转发到目的节点，即寻找源节点和目的节点之间的优化路径，然后将数据分组沿着优化路径正确转发。

网络层路由协议的研究主要有：

基于聚簇的路由协议。首先根据某种规则把WSN的节点划分为多个子集，如压力子集、温度子集、湿度子集等，每个子集成为一个簇，有一个簇头。每个簇的簇头负责全局的路由，其它节点通过簇头接收或发送数据。基于聚簇的路由协议有：

● LEACH协议，随机循环地为每一个簇选择簇头节点“Sink”；
● PEGASIS协议，所有传感器节点被视为一个簇，所有传感器节点把数据传送到簇头“Sink”；
● TEEN协议，通过抑制不必要的通信来实现节省能量。

基于地理位置的路由协议。该类协议假定每个节点都知道自己的地理位置及目标节点的地理位置。该类协议有“距离贪心路由协议”、“角度贪心路由协议”和GEM路由协议，即用虚拟极坐标系表示WSN的拓朴结构，构造一个“Sink”为根的环树，每个节点由其到树根的跳步数以及与根的角度来表示，数据路由通过该有环树进行。

基于数据为中心的路由协议。该类协议主要有Rumor-routing协议（克服定向协议开销大的问题），支持移动Sink以数据为中心的TTDD路由协议。

基于能量感知路由协议。GEAR协议，根据地理位置信息，建立“Sink”到监测区域的优化路径，支持“Sink”向监测区的所有节点发送查询命令，避免洪泛的传播方式并减少路由建立的开销。

传输层协议

传输层主要负责将WSN的数据提供给外部网络，由于WSN的能量受限，节点命名机制以数据为中心特征会使得传输控制很困难。在实际应用时，通常会采用特殊节点作为网关。然而引入特殊的节点可能会影响到传感器节点的随机部署特性，给MAC协议和路由协议的设计带来新的难题。网关通过通信卫星、移动通信网络、internal网或其它通信介质与外部网络通信。