無線傳感器網(wǎng)絡概念基礎(chǔ)簡介

要做到目視千里，耳聽八方是人類長久的夢想，現(xiàn)代衛(wèi)星技術(shù)的出現(xiàn)雖然使人們離這目標又進了一步，但衛(wèi)星高高在上，洞察全局在行，明察細微就不管用 了。這個時候，本文的主角—無線傳感器網(wǎng)絡就排上用場了。將大量的傳感器節(jié)點遍撒指定區(qū)域，數(shù)據(jù)通過無線電波傳回監(jiān)控中心，監(jiān)控區(qū)域內(nèi)的所有信息就會盡收觀察者的眼中了。

軍用轉(zhuǎn)民用的典范

無線傳感器網(wǎng)絡的構(gòu)想最初是由美國軍方提出的，美國國防部高級研究所計劃署(DARPA)于1978年開始資助卡耐基-梅隆大學進行分布式傳感器網(wǎng) 絡的研究，這被看成是無線傳感器網(wǎng)絡的雛形。從那以后，類似的項目在全美高校間廣泛展開，著名的有UC Berkeley的Smart DuST項目，UCLA的WINS項目，以及多所機構(gòu)聯(lián)合攻關(guān)的SensIT計劃，等等。在這些項目取得進展的同時，其應用也從軍用轉(zhuǎn)向民用。在森林火 災、洪水監(jiān)測之類的環(huán)境應用中，在人體生理數(shù)據(jù)監(jiān)測、藥品管理之類的醫(yī)療應用中，在家庭環(huán)境的智能化應用以及商務應用中都已出現(xiàn)了它的身影。目下，無線傳 感器網(wǎng)絡的商業(yè)化應用也已逐步興起。美國Crossbow公司就利用SMArt Dust項目的成果開發(fā)出了名 為Mote的智能傳感器節(jié)點，還有用于研究機構(gòu)二次開發(fā)的MoteWorkTM開發(fā)平臺。這些產(chǎn)品都很受使用者的歡迎。

組成和特點

無線傳感器網(wǎng)絡可以看成是由數(shù)據(jù)獲取網(wǎng)絡、數(shù)據(jù)分布網(wǎng)絡和控制管理中心三部分組成的。其主要組成部分是集成有傳感器、數(shù)據(jù)處理單元和通信模塊的節(jié)點，各節(jié)點通過協(xié)議自組成一個分布式網(wǎng)絡，再將采集來的數(shù)據(jù)通過優(yōu)化后經(jīng)無線電波傳輸給信息處理中心。

因為節(jié)點的數(shù)量巨大，而且還處在隨時變化的環(huán)境中，這就使它有著不同于普通傳感器網(wǎng)絡的獨特“個性”。首先是無中心和自組網(wǎng)特性。在無線傳感器網(wǎng)絡 中，所有節(jié)點的地位都是平等的，沒有預先指定的中心，各節(jié)點通過分布式算法來相互協(xié)調(diào)，在無人值守的情況下，節(jié)點就能自動組織起一個測量網(wǎng)絡。而正因為沒 有中心，網(wǎng)絡便不會因為單個節(jié)點的脫離而受到損害。

其次是網(wǎng)絡拓撲的動態(tài)變化性。網(wǎng)絡中的節(jié)點是處于不斷變化的環(huán)境中，它的狀態(tài)也在相應地發(fā)生變化，加之無線通信信道的不穩(wěn)定性，網(wǎng)絡拓撲因此也在不斷地調(diào)整變化，而這種變化方式是無人能準確預測出來的。

第三是傳輸能力的有限性。無線傳感器網(wǎng)絡通過無線電波進行數(shù)據(jù)傳輸，雖然省去了布線的煩惱，但是相對于有線網(wǎng)絡，低帶寬則成為它的天生缺陷。同時，信號之間還存在相互干擾，信號自身也在不斷地衰減，諸如此類。不過因為單個節(jié)點傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量并不算大，這個缺點還是能忍受的。

第四是能量的限制。為了測量真實世界的具體值，各個節(jié)點會密集地分布于待測區(qū)域內(nèi)，人工補充能量的方法已經(jīng)不再適用。每個節(jié)點都要儲備可供長期使用的能量，或者自己從外汲取能量(太陽能)。

第五是安全性的問題。無線信道、有限的能量，分布式控制都使得無線傳感器網(wǎng)絡更容易受到攻擊。被動竊聽、主動入侵、拒絕服務則是這些攻擊的常見方式。因此，安全性在網(wǎng)絡的設計中至關(guān)重要。

下面，我們將會從幾個方面來具體地介紹無線傳感器網(wǎng)絡。

● 物理層技術(shù)

無線傳感器網(wǎng)絡是一個開放系統(tǒng)互聯(lián)，按照國際標準化組織(ISO)的規(guī)定，為數(shù)據(jù)流傳輸所需的物理連接的建立、維護和釋放提供的機械的、電氣的、功 能和規(guī)程性的模塊就叫做物理層。從這個定義可以看出，物理層需要承擔為數(shù)據(jù)終端提供數(shù)據(jù)傳輸通路、傳輸數(shù)據(jù)和完成管理工作的職責。具體到無線傳感器網(wǎng)絡就 是介質(zhì)的選擇、頻段的選擇、調(diào)制技術(shù)以及擴頻技術(shù)。因為是無線網(wǎng)絡，傳輸介質(zhì)自然要選電磁波了。不過，源信號要依靠電磁波傳輸必需要通過調(diào)制技術(shù)變成高頻 信號，當?shù)诌_接受端時，又通過解調(diào)技術(shù)還原成原始信號。目前采用的調(diào)制方法分為模擬調(diào)制和數(shù)字調(diào)制兩種。它們的區(qū)別就在于調(diào)制信號所用的基帶信號的模式不 同而已(一為數(shù)字，一為模擬)。

信號僅經(jīng)過調(diào)制是不行的，還需要進行擴頻。擴頻，顧名思義，就是將待傳輸數(shù)據(jù)進行頻譜擴展的技術(shù)。它的好處是：增強了抗干擾能力，可進行多地址通信，保密性提高。常見的擴頻技術(shù)包括直接序列擴頻、跳頻、跳時以及線性調(diào)頻。

在物理層面上，無線傳感器網(wǎng)絡遵從的主要是IEEE 802.15.4標準。依照此標準，物理層主要進行如下工作：激活和去活無線收發(fā)器，檢測當前信道的能量，發(fā)送指示，信道頻率的選擇，數(shù)據(jù)發(fā)送與接收。

IEEE 802.15.4標準規(guī)劃了幾個工作頻段。其中，2.4GHz頻段的物理層可提供250Kb/s的數(shù)據(jù)傳輸率，適用于高吞吐量、低延時或低作業(yè)周期的場 合;工作在869/915MHz頻段的物理層則能提供20Kb/s的數(shù)據(jù)傳輸率，適用于低速率、高靈敏度和大覆蓋面積的場合。

依據(jù)IEEE 802.15.4標準的協(xié)議被稱為Zigbe e，其傳輸帶寬雖然沒有Wi-Fi和Blue Tooth大，但是能耗較低，非常適合無線傳感器網(wǎng)絡。