无线传感器网络汇总十篇

序论：好文章的创作是一个不断探索和完善的过程，我们为您推荐十篇无线传感器网络范例，希望它们能助您一臂之力，提升您的阅读品质，带来更深刻的阅读感受。

篇（1）

中图分类号：TP39 文献标识码：A 文章编号：1006-0278（2013）03-171-01

一、无线传感器网络的定义

无线传感器网络（WSN，Wireless Sensor Networks）是由大量具有通信和计算能力的微型传感器节点密集分布在监控区域内部或附近，协作地监控不同位置的物理或环境状况，且能够根据周围环境自主完成指定任务的智能测控网络系统。它综合了传感器、网络通信、嵌入式计算、无线传输、分布式信息处理等领域技术，能够通过大量微型传感器协作地监测、采集和处理网络覆盖的地理区域中感知对象的信息，并把信息给用户。

二、无线传感器网络的基本特征

与数字蜂窝移动通信系统（GSM）、蓝牙（Bluetooth）、无线局域网（WLAN）等无线通信网络不同，无线传感器网络是类似于传统Ad-hoe网络，没有基站设备支持，自组织、自管理的多跳网络。无线传感器网络是Ad-Hoe网络应用在传感器技术中的一种具有动态拓扑结构的组织网络。

1.自组织的网络：无线传感器网络通常具备自组织能力；

2.自管理的网络：无线传感器网络通常具备自管理能力；

3.网络规模大，分布密集：无线传感器网络中的节点数量多于传统Ad-hoc网络中的节点数量，并且分布密度大；

4.网络节点易出错：无线传感器网络中的节点较之传统Ad-hoe网络中的节点更容易出错；

5.单个节点能力较弱：无线传感器网络的节点的计算能力、存储能力十分有限，无法进行复杂的计算和数据存储；

6.节点间广播式通信：无线传感器网络节点主要采用广播方式通信，而传统Ad-hoe网络大都采用点对点通信；

7.以数据为中心的网络：与数据为中心的含义指无线传感器网络运行时，通常只关心整个任务的执行情况，用户在使用网络查询事件时，只关心是否获得了所需的数据，不关心数据是由哪个节点发来。

三、无线传感器网络的发展

1998年，美国在先进国防研究项目局（DARPA）的一个研究项目中第一次提出无线自组织传感器网络的概念。

篇（2）

0.引言

随着传感器技术、微电子技术、嵌入式计算技术和通信技术等几种技术的融合和汇聚，具有感知信息、数据处理、存储和通信能力的微型传感器被应用于国防军事、工业生产、环境监测等多个领域。无线传感器网络(Wireless Sensor Networks ,WSN)是由一组稠密布置的微型传感器组成的无线自组织网络，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖的地理区域内感知对象的信息，并给观察者。相对于有线传感器网络而言，无线传感器网络具有成本低、应用灵活、部署快速等优点，具有很大的应用空间。无线传感器网络已在军事、安全、环境、工业、交通、健康和家居等领域，有着广泛的应用。

1.无线传感器网络的体系结构及特点

1.1无线传感器网络的结构

无线传感器网络由大量集传感与驱动控制、计算存储、通信于一体的的嵌入式传感器节点构成。这些传感器节点通常包括传感器节点、网络协调器节点和应用管理器节点。应用时，传感器节点分布在不同的角落，采集节点周边的温度、湿度、光强度、噪声、压力、速度等物理信息，各传感器节点将采集到的信息发送给特定的对象。图1为无线传感器网络的结构。

图1 无线传感器网络结构

传感器节点具有信息采集和处理的能力，是由传感器模块、数据处理模块和无线通信模块组成的微系统。传感器模块负责采集外界环境的物理信息并将物理信号转换为数字信号；数据处理模块对数字信号进行编码等处理；无线通信模块负责将信息传送到网络中。传感器节点实质是以自组织的形式构成无线网络。网络协调器节点具有信息处理能力和网络管理能力，实现传感器节点与应用管理器节点之间信息的交换。应用管理器节点是用户于传感器网络的接口。用户通过应用管理器节点实现处理无线传感器网络采集到的信息和向无线传感器网络应用指令的交互。

1.2无线传感器的特点

无线传感器网络能够得到广泛的应用，因其具有以下特点：

1.2.1节点规模大、节点体积小

无线传感器网络中传感器节点密度高，数量巨大，可能达到几百、几千万，甚至更多。体积小是无线传感器网络节点一个重要特点，也是实现大量部署的内在要求。

1.2.2自组织

无线传感器网络根据组网机制和网络协议自动对网络进行配置和管理，传感器节点有自组织能力，能够自动形成无线通信系统不需要固定的基础设施作为网络枢纽。

1.2.3能适应复杂环境

传感器网络主要分布在各种条件恶劣的环境，如军事边界或者一些人员难以进入地区。同时，节点容易受高山、建筑物、障碍物等地势地貌以及风雨雷电等自然环境的影响。

1.2.4部署容易且成本低

只需要在目标区域进行随机部署，不需要指定特定的位置。相对于有线网络传输，无线网络传输降低了各种成本。

1.2.5可靠性高

无线传感器节点资源有限，其生命周期主要取决于电池。对无线传感器节点进行维护、回收和替换的可能性很小。因此，无线传感器网络要具有信息传输的高度可靠性和对节点失效的高度容错性。

2.无线传感器网络的应用

2.1军事建设

无线传感器网络以其快速布署、自组织和容错等特点，成为军事通信控制系统的重要组成部分，可用于兵力、装备弹药和物资的监控，阵地和敌情的侦查，战场的监视，生物化学攻击的判断、目标的指示，战损的评估等。

2.2工农业生产

通过传感器监测设备的震动、和磨损情况，可以迅速得到设备的健康状态;通过在生产线上布署传感器网络，可以方便的实现在线质量控制。无线传感器网络为提高设备性能、提升产品质量、降低成本，提供了一种很好的技术方案。

我国是一个农业大国，深化现代技术在农业中的应用，对推进我国农业生产产业化和现代化进程具有重要作用。将无线传感器网络技术应用于现代农业，可实现农业信息采集以及远程传输，为科学决策提供可靠依据。

2.3环境监测

在环境科学研究中，无线传感器网络为大规模野外数据采集和气候气象监测提供了便利，可用于跟踪候鸟、小型动物和昆虫的迁徙地球探测，林火和洪水监测等。如美国Berkley等单位在美国缅因州的GreatDuck岛对海燕栖息地的生态环境监测；肯尼亚MPala研究中心对大规模野生动物(野马，斑马等)的栖息地进行考察研究；挪威对冰河观测以了解地球气候的变化。

2.4安全监控

通过在监控藏所部署无线传感器网络，利用场所附近的声音、震动、光、温度等物理信息的变化，了解被监控对象的状态，来防止非法入侵、安全事故等。目前应用较多的是煤矿、电站、通信枢纽、行政中心等。如实时监控煤矿井下环境来进行灾害预警，实时监控井下人员和设备的位置来对其进行资源调度，并为灾后的辅助救援提供支持。

2.5智能交通

将无线传感器网络应用到智能交通系统，作为它的一个信息采集和通信子系统。这个子系统充分利用了无线传感网络覆盖范围广、灵活性好和易于大规模部署等特点，来采集全路段的车辆和路面信息。相对于有线交通信息采集通信系统而言，大幅度地降低现有交通监控网络的成本。通过车载和道路传感器的配合，驾驶者和交通控制人员可以实时地了解路况和交通信息。布置于道路上的速度识别传感器，可以监测交通流量等信息，为出行者提供信息服务，并且在发现违章时能及时报警和记录。 （下转第143页）

（上接第131页）2.6医疗健康

利用无线传感器网络节点体积小、易于植入和便于携带等特点，其可以用于医院药品控制、病人生命体征不间断采集和监测等领域。

2.7教育教学

无线传感器网络作为计算机最前沿技术之一，是泛在学习的技术支撑。无线传感器网络的网络实时性、网络自组性等为我们未来的学习方式以及教学开辟了新的思路。如乒乓球训练田、足球裁判辅助系统等可以提高教学效果。

2.8家居生活

通过布置于房间内、家电中的无线传感器网络节点，实现自组织无线传感器网络系统，感知居室不同部分的温度、湿度、光照、空气成分等信息，从而对空调、门窗以及其他家电进行自动控制，同时可实现家电之间的交互和远程控制，提供给人们舒适的居住环境。

3.结语

无线传感器网络融合了微机电、传感器、嵌入式计算、网络技术、无线通信和信息处理等技术，知识高度集成，创新度高，是在国际上前沿热点研究领域之一，应用前景广阔，对国家安全、社会进步、经济发展意义重大。这种多学科交叉融合的研究给人们提出了不少新的挑战，无线传感器网络技术的发展还有许多要攻克的难题。

【参考文献】

［1］孟庆斌. 无线传感器网络应用研究[C]. 天津大学,2009.

［2］陈闻杰.无线传感器网络及其应用研究[C].复旦大学,2006.

篇（3）

随着近距离、低功耗无线通信技术的发展，无线传感器网络（WirelessSensorNetwork，WSN）应运而生。WSN是由具有感知、计算和通信能力的微型传感器以Adhoc方式构成的无线网络，通过大量节点间的分工协作，实时监测、感知和采集网络分布区域内的各种环境或监测对象的数据，并对这些数据进行处理，获得详尽而准确的信息，最终传送到需要这些信息的用户。WSN可广泛应用于国防军事、国家安全、环境监测、交通管理、医疗卫生、制造业、反恐抗灾乃至商业和家庭等诸多领域，正受到政府、军队、研究机构、商业界的广泛关注和高度重视，具有十分广阔的应用前景，是目前非常活跃的一个领域。WSN是在移动AdHoc网络的基础上发展起来的，在自组织的组网方式和多跳通信等方面与移动Adhoc网络具有相似性，但WSN在组网方式和具体应用上存在一些新的特点，主要表现为：与Adhoc网络中节点的动态移动相比，WSN的节点位置相对固定，网络拓扑会因节点能量耗尽而发生变化；由于节点体积较小，传感器网络具有许多资源上的限制，比如有限的电池功率和有限的网络通信带宽等；传感器节点间更多的是一种协作而非竞争的关系，为了完成共同目标而相互协作；不同节点采集的数据间具有一定相关性，需要进行数据会聚以减小冗余信息的转发，降低通信负荷；WSN中的应用多为多对一的情形，即存在一个Sink节点来收集数据并与外界通信等等。无线传感器网络是新一代的传感器网络，具有非常广泛的应用前景，其发展和应用，将会给人类的生活和生产的各个领域带来深远影响。发达国家，非常重视无线传感器网络的研究和发展，如美国国防部和各军事部门都对WSN给予了高度重视，在C4ISR的基础上提出了C4KISR计划，强调战场情报的感知能力、信息的综合能力和信息的利用能力，把WSN作为一个重要研究领域，设立了一系列的军事传感器网络研究项目。美国自然科学基金委员会（NSF）2003年制定了WSN的研究计划，投资3400万美元，支持相关基础理论的研究。在NSF的推动下，美国的加州大学伯克利分校、麻省理工学院、洛克维尔研究中心、加州大学洛杉矶分校等机构开始了WSN的基础理论和关键技术的研究。英国、日本、意大利等国家的一些大学和研究机构也纷纷开展了该领域的研究工作。学术界的研究主要集中在传感器网络技术和通信协议的研究上，也开展了一些感知数据查询处理技术的研究，取得了一些初步研究结果。

IEEE正在努力推进无线传感器网络的应用和发展，美国的《技术评论》杂志在论述未来新兴十大技术时，更是将无线传感器网络列为第一项未来新兴技术，《商业周刊》预测的未来四大新技术中，无线传感器网络也列入其中。可以预计，无线传感器网络的广泛是一种必然趋势，它的出现将会给人类社会带来极大的变革。

一、无线传感器网络的组成

一个完整的无线传感器网络的体系结构主要由传感器节点、汇聚节点、用户节点三部

分组成。大量传感器节点被放置在监测区域（云图包围部分），假定传感器节点A有监测数据要上报到用户节点，则通过自组织路由协议建立A，B，C，D之间的无线链路，D再通过与之连接的汇聚节点将数据经由卫星、互联网或移动通信网等传输网络送达用户节点。由于被监测区域往往不方便建立固定设施及有线链路，因此传感器节点之间的数据传输通常采取无线方式，而汇聚节点与用户节点之间的传输既可采用有线方式，也可采用无线方式。

在无线传感器网络中，传感器节点是整个网络的基础，它们担负着感知数据、处理数据、存储数据及传输数据的功能。

传感器节点主要由传感器、模数转换模块、计算模块、存储模块、通信模块、电源模块几部分组成，并在嵌人式软件系统的支持下完成传感器节点的各项功能。传感器负责各种监测数据的获取，将感知对象转变成电信号。模数转换模块将非数字监测信号转变成数字信号，方便后期处理。计算模块和存储模块主要处理传感器和模数转换送来的监测数据。通信模块将计算模块的处理结果通过无线方式传输到下一个节点。

二、无线传感网的热点研究问题

2.1 安全问题

2.1.1 安全路由

通常，在无线传感器网络中，大量的传感器节点密集分布在一个区域里，消息可能需要经过若干节点才能到达目的地，而且传感器网络具有动态性和多跳结构，要求每个节点都应具有路由功能。由于每个节点都是潜在的路由节点，因此更易受到攻击，使网络不安全。网络层路由协议为整个无线传感器网络提供了关键的路由服务，安全的路由算法会直接影响无线传感器网络的安全性和可用性。安全路由协议一般采用链路层加密和认证、多路径路由、身份认证、双向连接认证和认证广播等机制，有效提高网络抵御外部攻击的能力，增强路由的安全性。

2.1.2 安全协议

在安全保障方面主要有密钥管理和安全组播两种方式。1）密钥管理：无线传感器网络有诸多限制，例如节点能力限制，使其只能使用对称密钥和Hash技术；电源能力限制，应使其在无限传感器网络中尽量减少通信，因为通信的耗电将大于计算的耗电；传感器网络还应考虑汇聚等减少数据冗余的问题。在部署节点前，将密钥预先配置在节点中，通常，预配置的密钥方案通过预存的秘密信息计算会话密钥，由于节点存储和能量的限制，预配置密钥管理方案必须考虑节省存储空间和减少通信开销。2）安全组播：无线传感器网络可能设置在敌对环境中，为了防止供给者向网络注入伪造信息，需要在无线传感器网络中实现基于源端认证的安全组播。

2.2 能量问题

传感器的节点分布众多，并且需要进行监测、数据处理等活动，而无线传感器网络中的节点一般用电池供电，可使用的电量非常有限，并且对于有成千上万节点的无线传感器网络来说，更换电池非常困难，甚至是不可能的，但是却要求无线传感器网络的生存时间长达数月甚至数年，因此，如何在不影响功能的前提下，尽可能节约无线传感器网络的电池能量成为无线传感器网络软硬件设计中的核心问题。现在已有一些解决方法，在大多数网络应用中，由于传感器节点监测事件的偶发性，没有必要让所有单元均工作在正常状态下，可采用休眠模式，能自适应的休眠和唤醒，进行突发工作，节省能量。还可将所有功耗单元有机组合，形成不同状态，让传感器节点能根据需要在不同状态间切换，这样既可以满足系统需要，又节省了能源。还可以动态调节电压以节省能量，根据负载状态动态调节供电电压，形成一个闭环控制系统，节省能量。总之，在满足系统要求的情况下，采用各种方法降低耗电量非常必要。

三、总结

本文总结了当前制约无线传感器网络实际应用的因素及目前的研究热点。无线传感网络最终将成为联系信息世界和客观物理实际的接口，从而人类可以通过传感器网络获得客观物理世界的信息并采取相应措施。

篇（4）

中图分类号TP393 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2013）101-0192-01

无线传感器网络（无线传感器网络），为类移动特设网络（MANET），是无线网络组成的空间分布的大量的传感器节点合作监测身体或环境条件，如温度，压力，振动，声音，运动或污染物。传统的自组织网络，一般来说，不可能更换或充电电池。因此，节约能源是一个关键因素研究。严重的硬件和能源限制排除使用开发的协议支持，这相对拥有更多的资源。严格要求，无线传感器网络协议是尽可能多的节能。

1传输功率控制

传输功率控制（台电）技术提高网络性能的几个方面。首先，功率控制技术提高可靠性的一个环节。在检测到链路可靠性低于某个阈值时，该协议增加发射功率，提高成功的概率的数据传输。其次，只有节点必须共享相同的空间将争夺访问中，减少了大量的碰撞中的网络。这提高网络利用率，降低了延迟时间和降低了概率的隐藏终端和暴露。最后，使用较高的传输功率，可以使用物理层调制和编码方案与更高的比特/波特比，增加带宽的存在工作量繁重，或减少它最大限度地节约能源。能源效率是最重要的一个问题，碰撞是第一个源能源浪费。当数据包传输在同一时间和碰撞，他们成为损坏，必须丢弃。后续重发消耗能量得到。另一个来源是空闲侦听，它发生在电台收听到信道接收数据。许多协议总是听通道激活时，假设完全断电装置将由用户如果没有数据发送。三分之一个来源是无意中听到的，听到不必要的交通可以是一个主导因素，能源浪费，当网络负载较重时，节点密度高。最后，我们考虑的主要来源是控制包开销。发送，接收，和听力控制数据包消耗能量。已经发现，传感器节点消耗很大比例的能源多余的遥感和空闲侦听。研究人员提出将传感器和/或无线传感器节点睡眠（他们）以节约能源。任务调度时，该传感器和/或收音机需要在睡眠/主动模式被称为睡眠调度。传感器睡觉会导致有趣的事件被错过的网络或可能导致较低的数据质量检测。无线电睡觉可能导致通信时延的网络。

2不同的算法介绍

基于位置的系统解决的问题是分配发送功率值独立节点在无线传感器网络，该网络连接。这些功率值对应的距离上可以进行交流，从而确定节点的数目与一种特定的节点可以直接沟通。在下面，五个不同位置的所有算法的介绍，分为三种类型根据规模节点的位置信息来分配功率值在无线传感器网络。1）non-tpc档案（固定的传输功率）是最简单的算法，这是分配一个任意选择的传输功率水平，所有传感器节点，就像它会做的生产时间的传感器，没有权力控制在所有；2）global-tpc金属（对等传输功率）。对等传输功率（塑料）算法还指定一个均匀的所有节点，而选择最小值，确保完全连接网络这一特定情况下。找到最小传输功率；3）桌面排版（不同的传输功率）。球的解决方案与不同的传输功率（排版）算法创建一个网络连接，但没有设定所有的传输范围相同的值。相反，它试图找到一个最低的功率水平为每一个节点分别。该算法以下列方式：其中节点对尚未连接，选择一个具有最小距离。发射功率设定这些节点的值足够的连接，检查连接所产生的网络；4）local-tpc喉罩（局部平均算法）所有节点开始与相同的初始传输功率。每个节点定期广播lifemsg。这些节点，然后计算数量的反应（noderesp）他们收到；5）林梦（当地邻居算法）。地平均邻居算法（低分子量）类似于喉罩除外，它增加了一些信息，它定义的lifeackmsg noderesp以不同的方式。除了地址从收到的lifeackmsg lifemsg，也包含它自己的计算。

实验表明，在local-tpc解寿命优于使用简单的固定作业（non-tpc）和一系列对称算法（塑料）利用全球知识。而出现局部算法不能够超越全球，他们的表现通常在一两个因素的一生。特别是，这些地方的算法实际上是可行的和可扩展的。

3比较

篇（5）

目前，传感器网络研究的一个重要方面是在能量严重受限的微型节点上如何实现简单的环境数据采集、传输与处理。然而，随着监测环境的日趋复杂多变，迫切需要将信息量丰富的图像、音频、视频等媒体引入到以传感器网络为基础的环境监测活动中来，实现细粒度、精准信息的环境监测。由此，无线多媒体传感器网络应运而生。

一、无线多媒体传感器网络的特点

无线多媒体传感器网络(Wireless Multimedia Sensor Network, WMSN)是在传统无线传感器网络(WSN)基础上引入了音频、视频、图像等多媒体信息感知功能的一种新型传感器网络，多媒体传感器网络除了具有其共性特点以外，还具有显著的个性特点。具体表现为以下几个方面：

（1）网络能力增强。由于大数据量音频、视频、图像等媒体的引入，多媒体传感器节点及网络能力都有显著增强。为更好地满足网络中多媒体传输需求，网络带宽资源也相应增加。

（2）感知媒体丰富。音频、视频、图像、等多种类型数据共存于多媒体传感器网络中。另外，媒体格式多样，既包含单值信息，又包含流媒体信息。这些媒体信息共同服务于监测任务，实现更为全面、准确的场景监测。

（3）处理任务复杂。多媒体传感器网络采集的音频、视频、图像信息丰富且格式复杂，我们可利用压缩、识别、融合等多种处理以满足多样化应用需求。

二、无线多媒体传感器网络的研究现状

由于WMSN巨大的应用价值，近年来，多媒体传感器网络技术的研究己引起了科研人员的密切关注，一些学者开展了多媒体传感器网络方面的探索性研究，在IEEE系列会议、ACM多媒体和传感器网络相关会议发表了一些重要的研究成果。从2003年起，ACM还专门组织国际视频监控与传感器网络研讨会交流相关研究成果。美国加利福尼亚大学、卡耐基梅隆大学、马萨诸塞大学、波特兰州立大学等著名学府也开始了多媒体传感器网络方面的研究工作，纷纷成立了视频传感器网络组并启动了相应的科研计划。

三、无线多媒体传感器网络关键技术

（1）节点系统。传感器节点系统是构成无线多媒体传感器网络的基础，目前已经设计或生产的无线传感器网络节点可分为两类：一类是以通用微处理器为核心部件，类似嵌入式系统方式设计的节点；另一类则是采用FPGA，ASIC等专用器件设计的平台。

（2）MAC协议。媒体访问协议(MAC协议)的主要功能是在相互竞争的传感器节点之间分配有限的无线信道资源，它决定着无线信道的使用方式和网络性能，是关系到网络运行成功的重要技术。

（3）路由协议。路由协议是WSNs研究的重点之一，其功能是在网络中任意需要通信的两点间建立并维护数据传输路径。针对无线传感器网络节点资源严重受限，网络拓扑结构变化频繁，通信方式以数据为中心等特性，目前国内外研究人员已经设计了很多路由协议，其中较为常见的有SPIN，DD，CADR，LEACH，PEGASIS等。

四、无线多媒体传感器网络的研究热点及其进展

在传统有线网络中由于网络传输中的延迟、抖动、网络拥塞及发送端的发送速度与接收端的接收速度不匹配等问题在无线多媒体传感器网络中同样存在，因此在无线多媒体传感器网络中保证多媒体同步除了面临传统网络中的问题，还存在一些新挑战，分析如下：

（1）网络带宽问题。带宽资源是网络资源的一个重要方面。目前大多数无线多媒体传感器网络QoS路由协议都以最小可用带宽作为QoS度量。然而，无线传输媒介属于广播媒介，一个节点的带宽资源不仅要受到一跳邻居节点和两跳邻居节点的影响，还要受到这些节点自身业务量变化的影响，而且多媒体传感器网络的带宽又十分有限，因此如何合理利用有限带宽是多媒体同步的关键问题。

（2）网络延迟抖动更为剧烈的问题。在无线多媒体传感器网络中，节点使用无线媒介进行通信，无线信号传输面临着路径损耗、多径衰落和干扰等环境因素的影响，从而导致网络的延迟抖动更为剧烈多变，因此造成网络的控制开销大大增加，使得无线多媒体传感器网络中的多媒体同步比固定网络中的同步要复杂得多，导致对网络延迟抖动的处理更加困难。

（3）采集数据节点协同工作的问题。在无线多媒体传感器网络中，由于任务较为复杂，因此完成一项数据采集任务时，需要多个节点协同工作，但由于控制信息从汇聚节点发出，通过不同的路径到达各个协同工作的目的节点，导致各个目的节点收到控制信息的时间不一致，从而不能协同工作，导致在数据采集编码阶段不同媒体流之间产生了不同步现象。

五、无线多媒体传感器网络应用

多媒体传感器网络在军事、民用、商业中都具有非常广阔的应用前景。具体的应用领域集中在：

（1）战场侦查与监控。多媒体传感器网络具有快速部署等特点，在战场上布设大量的WSN，以收集和中继信息，并对大量的原始数据进行过滤，然后把重要信息传送到数据融合中心，大大提升指挥员对战场态势的感知水平。

（2）智能家居网络。在智能家居无线网络中最基本的单元是无线传感器节点, 它的功能是负责传感和对信息预处理, 响应监控主机的指令发送数据，如监测跟踪孩子的活动轨迹等。

（3）环境监测。WSN非常适合应用于野外环境，极大地方便了环境研究所需的原始数据的获取。

（4）农业监测。无线传感器网络具有的实时性监测，无线通信特点，使其在农业生产上有很大发展前景。

参考文献：

篇（6）

中图分类号:TP393 文献标识码:A 文章编号:1009-3044(2010)03-552-03

Analysis of Wireless Sensor Networks and Routing Techniques

WANG Yan-qin1, PENG Gang2, LIU Yu1

(1. Institute of Computer and Control, Guilin Uniersity of Electronic Technology, Guilin 541004, China; 2. Educational Technology Center, Guilin Air Force Academy, Guilin 541003, China)

Abstract: Correlative knowledge of wireless sensor network is briefly introduced, including the architecture, the characteristics and the application fields. After key techniques of wireless sensor network are introduced, routing technique is analyzed emphatically, and then the problems and challenges of routing techniques are discussed.

Key words: wireless sensor network; key techniques; routing technique

随着无线通信和计算技术的发展,传感器不仅能感应和监测环境,还可以处理收集到的数据,将其处理后以无线的方式传送到基站。这些具有特殊功能的廉价的无线传感器节点,通过无线链路构成灵活的多跳自组织网络,这就是无线传感器网络(WSN, Wireless Sensor Network)。[1] 无线传感器网络被认为是21世纪最重要的技术之一,它将会对人类未来的生活方式产生巨大的影响。

1 无线传感器网络

1.1 无线传感器网络节点结构与体系结构

无线传感器网络由许多个功能相同或不同的无线传感器节点组成的以数据为中心的无线自组网络。每一个传感器节点由感应模块、数据处理和控制模块、通信模块和电源模块等组成,如图1。

无线传感器网络通常包括传感器节点、汇聚节点(Sink Node)和管理节点。[2-3] 传感器节点通常散布在被监测区域中,可以通过无人飞行器、火箭等撒播,也可以通过人工布置的方式完成,自组织形式构成网络。各节点收集数据,并将数据通过多跳中继的方式路由至汇聚节点,最终借助长距离或临时建立的Sink链路将整个区域内的数据传送到远程中心进行集中处理,体系结构如图2。

1.2 无线传感器网络的特点

无线传感器网络一般是为了某个特定的需要而设计的,有着独特的体系结构和应用背景,使它具有不同于传统网络的诸多特点。

1) 网络自组织性 无线传感器网络可以在任何时刻、任何地点、不需要任何基础网络设施的支持下,由传感器节点本身自组织形成网络,包括网络的运行、维护、管理等完全在网络内部实现。

2) 网络拓扑结构比较稳定 一般网络中的拓扑变化主要由节点的移动造成的,而无线传感器网络中的拓扑结构变化主要由于可移动节点的移动和节点能量的耗尽造成的。

3) 容错性、功能局限性 对于无线传感器网络,节点数目多,安全性比较差,因此整个网络具有容错性;节点能量主要靠电池,但受到体积的限制,使得节点的计算能力、存储空间等局限性表现非常突出。

4) 网络分布式特性 基站节点与传感器节点体现了使用集中式的控制结构,但各个传感器节点之间,是一种无中心的分布式控制网络。

5) 安全性问题严重 由于采用无限信道、有限电源、分布式控制等技术,网络主机更加容易受到被动窃听、主动入侵、拒绝服务、剥夺睡眠、伪造等形式的各种网络攻击,而且传感器节点往往直接暴露在外面,安全性很差。

2 无线传感器网络的关键技术[4-5]

1) 节点定位 位置信息对于无线传感器网络应用至关重要,没有位置信息的数据毫无意义。大多节点定位分为两个阶段:第一,测量未知节点到附近已知节点的距离;第二,通过这些参考距离,利用数学方法对未知节点的位置进行计算。

2) 时间同步 时间同步的基本思想是:节点以自己的时钟记录事件,随后用第三方广播的基准时间加以校正。这种同步机制应用在确定来自不同节点的监测事件的先后关系时有足够的精度。

3) 路由技术 在无线传感器网络的体系结构中,网络层的路由技术是组网的基础,是无线传感器网络通信层的核心技术,非常重要。路由技术负责将数据分组从源节点通过网络发到目的节点,主要功能是寻找源节点和目的节点间的最优化路径,并将数据分组沿着优化路径正确转发。

4) 数据管理和数据融合 数据融合是一种减少传输数据量,节省能量的策略,数据管理是为了针对无线传感器网络的物理资源受限的特点而采用的特定数据管理措施。二者都是面向具体应用的,只有面向具体应用需求设计具体的数据融合算法和数据管理策略才可以最大限度的提高效率、节省能量。

5) 网络安全 安全技术可以保证无线传感器网络各层正常和正确的运行,对于其它方面,以至于整个网络都有很重要的作用,其中对于保证数据新鲜性和有效性方面表现最为明显。目前,无线传感器网络安全主要集中在密匙管理、身份认证和数据加密方法、安全路由协议和隐私问题。

3 无线传感器网络路由技术

3.1 路由技术分类

无线传感器网络中的路由技术分为平面型协议和层次型协议两种,基本的思想是采用在节点和汇聚节点间建立连接。平面型协议中,所有节点的地位是平等的,原则上不存在瓶颈问题。其缺点是可扩充性差,维护动态变化的路由需要大量的控制信息。在层次型协议中,群成员的功能比较简单,不需要维护负责的路由信息。大大减少了网络中路由控制信息的数量,有很好的可扩充性,其缺点是群头节点可能会成为网络的瓶颈。

3.1.1 平面型路由

1) 泛洪(Flooding)是一种最早的路由技术,不要求维护网络的拓扑结构,也不需要进行路由计算,接收到消息的节点以广播形式转发分组,转发报文给所有邻居节点。虽然实现简单,但容易产生消息的内爆和重叠。

2) 信息协商传感器协议(SPIN,sensor protocol for imformation via negotiation)是以数据为中心的一系列自适应路由协议。通过使用节点间的数据协商和资源自适应机制大大节省了能量,延长了网络寿命,并通过协商机制来解决泛洪算法中的内爆和重叠问题。通过宣告有数据(ADV)、同意接收(REQ)两种报文进行协商,并利用第三种数据报文(DATA)将协商好的所需要的数据发送给指定的节点。

SPIN的优点是每个节点只需要知道它的单跳邻居节点的信息,所以拓扑结构的改变对它的影响的局部的。但还存在一定的缺陷,它不能保证数据的发送,可能出现“数据盲点”。

3) 有序分配路由(SAR,sequential assignment routing)是1999年Katayoun Sohrabi等人在DARPA支持的一个研究中提出的一种主动型平面路由协议。 在选择路径时,SAR策略充分考虑了功耗和分组优先权等特殊要求,采用局部路径恢复和多路径经备份策略,避免节点或链路失败时进行路由重计算需要的过量计算开销。

4) 定向扩散(directed diffusion)是一种典型的以数据为中心的路由协议,与已有的路由算法有截然不同的实现机制。通信是在相邻节点中进行的,每个节点具有数据汇聚和缓存能力。定向扩散一般根据需求发出查询请求,这就减少了数据发送的盲目性。从实际意义上说,能减少能量的消耗。

3.1.2 层次型路由

层次路由协议的基本原理就是根据某种规则把WSN节点划分为多个子集,每个子集成为一个簇,具有一个簇头。每个簇的簇头节点负责全局路由,其他节点通过簇头接收或发送数据。

1) 低能耗自适应分层簇结构(LEACH, low energy adaptive clustering hierarchy)是第1个基于聚簇的协议[6],该协议随机循环地为每个簇选择簇头节点。每个簇头收集本簇中所有节点的数据,聚集后传送到汇聚节点。

LEACH以轮为工作时间单位,每一轮分为两个阶段:启动阶段和稳定阶段。在启动阶段,主要是传送控制信息,建立节点群,并不发送实际的传感数据。为了提高电源效率,稳定阶段应该比启动阶段有着更长的持续时间。在稳定阶段,传感器节点以固定的速度采集数据,并向群头节点发送,群头在向网关发送数据之前,首先对这些信息进行一定程度的融合。在稳定阶段经过一定的时间后,网络重新进入启动阶段,进行下一轮的群头选择。

2) 敏感门限高效能耗传感器网络协议(TEEN, threshold sensitive energy efficient sensor network protocols)与上面介绍的LEACH算法相似,通过抑制不必要的通信来实现节省能量。[7]

TEEN通过各簇头向整个网络下发两个阈值:硬阈值和软阈值。当检测值超过了硬门限,它被立刻发送出去;如果当前检测值与上一次之差超过了软门限,也被立刻发送出去。采用这样的方法,可以监视一些突发事件和热点地区,减小网络内信息包数量。

3.2 路由技术面临的问题和挑战

无线传感器网络路由技术设计的基本特点可以概括为:能量低、规模大、移动性强、拓扑易变化、使用数据融合技术和通信的不对称,因此无线传感器网络路由技术的设计要满足以下路由机制要求。

1) 能量高效成为路由技术最重要的优化目标

低能量包括两方面的含义,首先是节点能量储备低,其次是指能源一般不能补充。传感器网络节点通常是一次部署,独立工作,所以可维护性很低。相对于传感器节点的储能,无线通信部件的功耗很高,通信功耗占了节点总功耗的绝大不部分。因此,研究低能耗的路由协议极为迫切。

2) 使用数据融合技术

在无线传感器网络中,感知节点没有必要将数据以端到端的形式传送给汇聚节点或网关节点。为了减少流量和耗能,传输过程中的转发节点经常将不同的入口报文融合成数目更少的出口报文转发给下一跳,这就是数据融合的基本含义。采用数据融合技术意味着路由协议需要做出相应的调整。

3) 通信不对称,流量分布不均匀

无线传感器网络是一个数据采集网络,绝大部分流量是由各个传感器流向汇聚节点,因此,流量分布极不均匀。体现在源节点和目的节点不对称,源节点众多而目的节点单一;传输方向不对称,以汇聚节点为目的的数据流远远超过以它为源节点的控制流。

4 无线传感器网络的应用领域

由于无线传感器网络具有配置灵活和组网方便等优势,在军事、环境保护、家庭和医疗护理、灾难拯救等方面都显示了广阔的应用前景,并将逐渐深入到人类生活的各个领域。

1) 军事 快速布置和自组织等特性使得无线传感器网络非常适合用于战场环境,不仅可以实时监控我军兵力、装备和物质等信息,也可以将大量的传感器节点部署在敌方战场上,跟踪敌人的军事行动。

2) 环境保护 随着社会各界对环境问题的关注程度越来越高,需要采集的环境数据也日趋增多,无线传感器网络的出现可以避免传统数据收集方式给环境带来的侵入式破坏。比如,跟踪候鸟和昆虫的迁移、研究环境变化对农作物的影响、监测海洋、大气和土壤的成分等。

3) 家庭和医疗护理 在医疗研究及护理领域,无线传感器网络也起来很大的作用。病人可以随身携带若干体积微小的传感器节点,可以对病人的心跳速率、血压等进行实时检测,若发现异常可以尽快抢救。同时还可以用于医院的药品管理,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药品,从而减少病人用错药的可能性。

4) 灾难拯救 在发生了地震水灾、强力暴风雨或遭受其他灾难后,固定的通信网络设施可能被全部摧毁或无法正常工作,对于抢险救灾场合来说,就需要无线传感器网络这种不依赖于任何固定网络设施、能快速布设的自组织网络技术。

无线传感器网络还被应用于其它一些领域,比如一些危险的工业环境如井矿、核电厂和交通领域中作为车辆监控等;此外还可以应用于空间探索,借助于航天器在外星体撒播传感器节点,可以对星球表面进行长时间的监测。

5 结论

无线传感器网络,是一种全新的信息获取和处理技术,具有信息采集处理和传输等功能。本文对无线传感器网络做了简要的概述,并对作为组网基础的路由技术做了初步的介绍。无线传感器网络作为无线传感器的应用,尽管目前仍处于初步应用阶段,网络安全研究方面还面临着许多不确定的因素,但已经展示出了非凡的应用价值。相信在不久的将来,会对人们的生产生活起到不可估量的作用。

参考文献:

[1] 崔逊学,左从菊.无线传感器网络简明教程[M].北京:清华大学出版社,2009.

[2] 陈瑞,王青云.无线传感器网络的路由协议研究[J].现代电子技术,2006,17.

[3] 康启涛,陶滔.无线传感器网络综述[J].应用安全,2008,2.

[4] 马建庆.无线传感器网络安全的关键技术研究[D].上海:复旦大学计算机信息与技术系,2007.

篇（7）

中图分类号：TN929.5 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2013）07-0033-01

随着无线技术、微机电系统和低功耗高集成数字设备技术的成熟，无线传感器节点得到飞速发展，其低成本、低功耗、小体积、分布式和自组织的特点带来了信息感知的一场变革。由节点配合各类型传感器组成的无线传感网络（WSN）是一种新兴网络，被广泛应用于生活的方方面面。

1 无线传感器网络的介绍

无线传感器网络由部署在监测区域内大量静止或移动的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳自组织网络的网络系统，其目的是协作感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息，并将已经采集和处理好的信息传送到控制中心。

无线传感器网络利用传感器感知所在周边环境的相关参数，探测获取观察者感兴趣的信息，如温度、湿度、光强度、噪声、土壤成分、移动物体的速度、大小、方向等。

2 无线传感器网络的先进性

无线传感器节点与传统的有线传感器相比有诸多的先进性，主要表现为：

（1）无线传感器节点在分布式处理大量采集信息的基础上有较高的精确度。

（2）无线传感器节点具有独立的能量、计算能力、存储能力。

（3）无线传感器节点具有数据处理和数据转发的双重功能。

（4）无线传感器网络具有极强的灵活性和适应性。

无线传感器节点网络是一个动态的网络，无线传感器节点采用无线通信，因此节点根据需要可以随处移动，此外，部分节点损坏或电源耗尽并不影响无线传感器网络整体的工作效率。所以，无线传感器网络具有极强的灵活性和适应性。

3 无线传感器网络的实际应用

无线传感器网络的应用前景非常广阔，其节点技术作为新兴的、典型的具有交叉学科性的军民两用战略技术，被广泛地应用在国防军事、医疗卫生、智能家居、交通管理、环境监测、生物工程、灾难预警等领域。由于当前技术条件的限制，其应用主要集中在以下几个领域：

3.1 国防军事领域

在军事作战中，通过飞机空投等方式，将大量微型的无线传感器节点任意散布在预定检测区域，这些节点可以监测周围环境的变化，以及对方发射炮弹等武器的微观数据，由此确定战场的实时状态。此外，由于无线传感器网络具有可快速部署、分布随机、可自组织、适应恶劣环境、隐蔽性强和高容错等特点，它能实现对敌军和装备的监控、目标的定位、战场的实时监视、战场评估等功能，可以有效降低传统的靠侦查兵收集情报所造成的牺牲。同时，当部分传感器失效后，无线传感网络作为整体仍能完成观察任务。因此，传感器网络在探测和获取敌军情报、有效监控战场上的实时状态方面引起了广泛的关注。

3.2 医学领域

无线传感器网络在医学领域方面也日渐发挥作用。利用节点监测病人的各项生理参数、居住环境及药物使用等方面的信息，这对病人监护、药品管理和及早发现病情都有巨大的帮助。例如，将无线温湿度传感器节点佩戴在病人或易发病人身上，就可以对其体温、呼吸等各项健康指标进行实时监测，医生可以从医院里远程了解测试人群的健康状况；另外，无线CMOS传感器节点也可以作为隔离病房的监控设备，减少医生护士进病房的次数，有效降低医疗人员在一些重大传染病中的被感染率。

3.3 环境监控

无线传感器节点为恶劣环境的数据获取提供了方便，对人类不宜到达的区域的长期监测带来了极大的便利。利用无线传感器节点系统可以跟踪候鸟和昆虫的迁移，研究生物栖息地的环境；监测平原、森林、海洋等的温湿度变化；提供遭受化学污染的位置并检定出化学污染的种类，避免工作人员冒险进入受污染区域；研究环境变化对农作物的影响，在精细农业中，来监测农作物中的害虫、土壤的酸碱度和施肥状况等。

4 无线传感器网络的关键技术

对无线传感器节点技术的研究虽然处在一个高速发展的阶段，但由于无线传感器节点技术涉及了多学科交叉的研究领域，因此还有许多关键性的技术仍需要进一步的研究。

4.1 能量管理

无线传感器节点体积微小，通常能携带的电源能量极其有限，而通过更换电源的方式来补充能量是不现实的。因此，如何降低节点能量的消耗和如何延长能量的持续时间成了无线传感器网络技术的重大挑战。

4.2 数据融合

数据融合技术是把多类信息进行综合研究比较，以获得更准确的最终数据的过程。在无线传感器网络中，通过利用节点的计算和存储能力处理数据的融合，去除冗余信息，便可以在数据收集汇聚的过程中最大程度的减少数据运输量，提高信息的精度和稳定度，从而达到节省能量的目的。

4.3 无线传感器网络安全技术和抗干扰技术

与普通的网络一样，无线传感器网络也存在着种种缺陷，面临着信息安全领域的巨大挑战。在环境恶劣情况下，如何保证节点可靠地完成执行的任务，如何利用较少的能量和较小的计算量来完成数据加密、密钥管理、身份认证等，成为无线传感器网络技术面临的又一挑战。

5 结语

无线传感器网络技术作为一种新兴的科技，虽然对它的研究仍然处在初级阶段，可无线传感器技术的初步应用所带来的成果确是显而易见的，可以预测，无线传感器技术的应用必将促进无线传感器技术自身的发展，甚至将会掀起一场新的科学技术革命。

参考文献

[1]李忱，杜军，金芳.无线传感器网络及其应用[J].仪器仪表用户，2006，13（3）：112-118.

篇（8）

中图分类号tp212文献标识码a文章编号 1007-5739(2010)01-0016-02

随着微机电技术、无线通信技术和数字信息处理技术的发展,低成本、低功耗、多功能、小尺寸的传感节点变成现实,此类节点包含有传感、数据处理和通信功能,传感节点可以在短距离内进行通信。与传统传感器不同的是,此类传感器依赖于大量传感节点的协同工作,传感器网络是对传统传感器的一大革新[1]。传感器网络被美国的《商业周刊》评为影响21世纪的21个方面[2],被美国麻省理工学院《技术评论》评为即将改变世界的十大技术[3]。

1无线传感器网络的发展

无线传感器网络的构想最初由美国军方提出,美国国防部高级研究所计划署于1978年开始资助卡耐基-梅隆大学进行分布式传感器网络的研究,这被看成是无线传感器网络的雏形。此后,类似的项目在全美高校间广泛展开,著名的有uc berkeley的smart dust项目、ucla的wins项目以及多所机构联合攻关的sensit计划[4]等。在这些项目取得进展的同时,其应用也从军用转向民用。在森林火灾、洪水监测等环境应用中,在人体生理数据监测、药品管理等医疗应用中,在家庭环境的智能化应用及商务应用中都已形成。

2无线传感器网络的组成

2.1无线传感器网络的节点结构

无线传感器的网络节点由传感器模块、处理器模块、无线通信模块和能量供应模块四部分组成(见图1)[5]。传感器模块负责监测区域内信息的采集和数据转换;处理器模块负责控制整个传感器节点的操作,存储和处理本身采集的数据以及其他节点发来的数据;无线通信模块负责与其他传感器节点进行无线通信,交换控制消息和收发采集数据;能量供应模块为传感器节点提供运行所需的能量。

2.2无线传感器网络的网络结构

传感器网络是由大量的传感节点组成,传感节点部署在检测区域的附件传感器网络结构如图2所示,传感器网络系统通常包括传感器节点、汇聚节点和管理节点。大量传感器节点随机部署在监测区域内部或附近,能够通过自组织方式构成网络。传感器节点监测的数据沿着其他传感器节点逐跳地进行传输,在传输过程中监测数据可能被多个节点处理,经过多跳后路由到汇聚节点,最后通过互联网或卫星到达管理节点。用户通过管理节点对传感器网络进行配置和管理,监测任务以及收集监测数据。

3无线传感器网络的特点

传感器网络是集成了监测、控制以及无线通信的网络系统,节点数目更为庞大(上千甚至上万),节点分布更为密集;由于环境影响和能量耗尽,节点更容易出现故障;环境干扰和节点故障易造成网络拓扑结构的变化;另外,传感器节点具有的能量、处理能力、存储能力和通信能力等都十分有限。传统无线网络的首要设计目标是提供高服务质量和高效带宽利用,其次才考虑节约能源;而传感器网络的首要设计目标是能源的高效使用,这也是传感器网络和传统网络最重要的区别之一[6]。因为无线传感器网络的节点数量巨大,每个传感节点的尺寸和成本的的限制,而且还处在随时变化的环境中,这就使它有着不同于普通传感器网络的独特“个性”。

3.1无中心和自组网特性

在无线传感器网络中,所有节点的地位都是平等的,没有预先指定的中心,各节点通过分布式算法来相互协调,在无人值守的情况下,节点就能自动组织起一个测量网络。而正因为没有中心,网络便不会因为单个节点的脱离而受到损害。

3.2网络拓扑的动态变化性

网络中的节点是处于不断变化的环境中,它的状态也在相应地发生变化,加之无线通信信道的不稳定性,网络拓扑因此也在不断地调整变化,而这种变化方式是无人能准确预测出来的。

3.3传输能力的有限性

无线传感器网络通过无线电波进行数据传输,虽然省去了布线的烦恼,但是相对于有线网络,低带宽则成为它的天生缺陷。同时,信号之间还存在相互干扰,信号自身也在不断地衰减。

3.4能量的限制

为了测量真实世界的具体值,各个节点会密集地分布于待测区域内,人工补充能量的方法已经不再适用。每个节点都要储备可供长期使用的能量,或者从自身以外汲取能量(如太阳能)。

3.5安全性的问题

无线信道、有限的能量,分布式控制都使得无线传感器网络更容易受到攻击。被动窃听、主动入侵、拒绝服务则是这些攻击的常见方式。因此,安全性在网络的设计中至关重要。

4无线传感器网络的关键技术

4.1物理层技术

无线传感器网络是一个开放系统互联,按照国际标准化组织(iso)的规定,为数据流传输所需的物理连接的建立、维护和释放提供的机械的、电气的、功能和规程性的模块就叫做物理层。从这个定义可以看出,物理层需要承担为数据终端提供数据传输通路、传输数据和完成管理工作的职责。具体到无线传感器网络就是介质的选择、频段的选择、调制技术以及扩频技术[7]。由于是无线网络,传输介质自然要选电磁波。不过,源信号要依靠电磁波传输必须通过调制技术变成高频信号,当抵达接受端时,又通过解调技术还原成原始信号。

在物理层面上,无线传感器网络遵从的主要是ieee 802.15.4标准。依照此标准,其物理层主要进行如下工作:激活和去活无线收发器,检测当前信道的能量,发送指示,信道频率的选择,数据发送与接收。ieee 802.15.4标准规划了几个工作频段。其中,2.4ghz频段的物理层可提供250kb/s的数据传输率,适用于高吞吐量、低延时或低作业周期的场合;工作在869/915mhz频段的物理层则能提供20kb/s的数据传输率,适用于低速率、高灵敏度和大覆盖面积的场合。依据ieee 802.15.4标准的协议被称为zigee,其传输带宽虽然不及wi-fi和blue tooth,但是能耗较低,非常适合无线传感器网络[8]。图3为各无线协议工作的频段。

4.2mac层协议

信号的传输要靠信道,因此信道也就成为了一种宝贵的资源。如何合理有效地分配信道,是数据链路层中的mac子层要解决的问题。

无线传感器网络经常使用的有3种mac协议,即传感器协议(s-mac)、分布式能量意识协议(de-mac)和协调设备协议[9]。s-mac协议通过调配节点的休眠方式来有效地分配信道;de-mac则采用周期性监听和休眠机制,避免空闲监听和串音,其目的是减少能耗和增加网络的生存周期;md协议则能为大规模、低占空比运行的节点提供不需要高精度时钟的可靠通信。总体来说,无线传感器网络的mac协议在分配信道的同时还要保证系统的能耗最低。

4.3路由协议

在具备底层传输协议的保障后,信息如何快速地从源传输到目的地是由路由协议来解决的。路由要实现2个基本功能,即确定最佳路径和通过网络传输信息。数据传输的途径存于路由表,由路由算法初始化并负责维护[8]。无线传感器网络与普通的网络不同,它具有能量受限、通信方式以数 据为中心、相邻节点的数据具有相似性、拓扑结构也在不断变化等特点。与此对应,常规网络的路由并不一定能适应无线传感器网络。

4.4能量管理

能耗是无线传感器网络所面临的最大问题,因为节点长期处于无人值守的状况下,有效的能耗策略必不可少。目前最常使用的策略是休眠机制,即在节点空闲时,使其处于休眠状态,此时其能耗降到最低。但是休眠的节点在转回正常状态的时候,往往会消耗大量的能量,因此寻找合理的状态转换策略是确保休眠机制成功的关键[10]。数据融合是另一项节能技术。多个邻近节点经常会采集同样的信息,发送这些冗余信息就给系统增加了不必要的负担。因此,通过本地计算和筛选,确保发送出最有效的信息就是数据融合的任务。其他能量管理策略还有冲突避免和纠错以及多跳短距离通信等。

4.5软件支持

tinyos是uc berkeley针对其无线传感器网络节点开发的操作系统。该系统不同于传统意义上的操作系统,它更像一个编程构架,在此构架下,搭配一组必要的组件,就能方便地编译出面向特定应用的操作系统。tinyos由众多组件组成,包括了主组件、应用组件、执行组件、传感组件、通信组件和硬件抽象组件。每一个组件在其内部都封装了命令处理程序和事件处理程序,它们通过接口声明所调用的命令和将要触发的事件。调度器则负责根据任务的轻重缓急来安排系统的工作。crossbow公司生产的mica传感器平台上就使用了tinyos系统[11]。实践证明,其基本应用只占用很少的系统资源,能圆满的完成数据采集、处理和通信组网以及数据传输等任务。

篇（9）

1 引言

无线传感器网络（Wireless Sensor Network，简称WSN）技术是随着经济和社会发展而诞生的产物，是本世纪最具有影响力和改变人类未来生活方式的高技术领域四大支柱产业之一。所谓无线传感器网络是指大量的静止或移动的传感器以自组织和多跳的方式构成的无线网络，目的是协作地采集、处理和传输网络覆盖地域内感知对象的监测信息，并报告给用户。

无线传感器网络在应用中，遇到一个难题，就是应用环境会发生移动，例如应用在泥石流运动规律的监测上或火山灰的监测上。这种环境下，无线传感器网络节点将随着监测体的移动而移动。这种环境中部署的网络，就需要改变传统的无线传感器网络的模式，而形成一种非自主性移动无线传感器网络（Non-Autonomous Mobile Wireless SensorNetwork）。

2 国内外研究状况

近年来，有研究者提出了一种应用于泥石流的非自主移动传感器网络的设计，他们把传感器放置在会发生泥石流中的区域中，当泥石流发生时，这些传感器及其构成的往网络，会随土块、沙砾等一起滚动，并存储记录的数据。等待泥石流结束后再将传感器回收，然后下载存储的数据。但由于其没有足够的空间存放泥石流产生时需要采集的大量数据，也不能实时将数据进行汇报，所以只能用于环境受控的实验中。

另有文献报道一种用于山体滑坡预防系统的传感网络，该系统由分层的传感节点组成，上层的传感节点作为聚集器与基站进行通信，整个监控过程不仅实时取样数据、可用于为专业人员提供历史预测数据，而且当山体滑坡事件到来时还能进行事件预测。

另外，也有面向湿地水环境远程实际监控的非自主移动无线传感器系统，该系统应用于湿地监测主要实现的功能是：传感器节点负责收集水环境参数，包括水温、PH值、溶解氧等，通过基站传输数据到远程终端数据中心，以做到实时处理与分析，数据中心的工作人员可以全天候监测湿地天气。此外，该系统还能对突发事件如环境污染以及水环境参数的急剧变化作出预警，各类参数可以作为防治污染的数据支持和决策依据。

3 支撑非自主性移动无线传感器网络的传感节点

考虑到非自主移动传感器网络的移动性会对节点设备带来很多碰撞和摩擦，一般传感器节点并不能胜任这种环境的部署。目前已经研发出一些特殊的移动无线传感器节点，让传感器随着泥石流一起运动，在移动过程中测量移动体内部重要数据，如流速、孔隙压力、振幅、振动频率等。测量到的数据可即时发送回接收器，这样，就可以监视泥石流的内部参数和报告实时数据了。

这种特殊的无线传感器节点，可设计为一个封装在耐磨塑料外壳中的可移动无线传感器节点，其外壳应可以抵御一定力量的碰撞、重量较轻、可以飘浮在水面上或能被泥石流携带移动，是一个低功耗的无线传感器节点。传感器中应集成有无线收发器，能够实时报告其经纬度信息。为避免传感器收集到的自身移动轨迹信息丢失，传感器节点内也可以配置一定容量的可写存储空间以保存位置信息。在一般情况下，可移动无线传感器在待机模式下运行、仅偶尔与接收器进行沟通，以便于节约能源。

当有泥石流发生并逼近时，只要任一无线传感器检测到有泥石流产生的低频振动，就将发送一个警告信息给接收器。接收器则决定是否要唤醒所有的无线传感器。如果接收器唤醒了所有的无线传感器，传感器就进入激活状态，将把所有收集到的原始数据都发送给接收器，并与后台计算机之间联络进行计算。

4 NAMWSN传感器移动模型

在移动无线网络中，经常需要合适的移动模型来进行网络路由的部署研究。随着越来越多的科学研究需要对流动液体中无线传感器节点进行部署，跟随流动液体进行非自主性移动的移动模型研究也越来越受到关注。

对于非自主性移动无线传感网络来说，如果预先得到传感器漂流的轨迹，按照轨迹来部署接收器，可以增加无线传感器与接收器通信的机会和时间。可以尝试通过构建传感器的移动模型的方法来得到传感器移动轨迹。

构建非自主移动传感器网络移动模型的主要方法是，利用基于跟踪的方法，以在真实环境中收集的信息为基础来建立移动模型。首先使用GPS收集传感器节点的移动轨迹，然后将这些轨迹转变为参数映射图，最后构建移动模型。

首先，用一个特殊的无线GPS传感器取代传统的固定传感器，无线GPS传感器可以随着水流移动。将多个无线GPS传感器投入水流中，它们可以随着水流非自主性地移动，并且记录下自身移动的轨迹。在河流的下游收集随着水流移动到此的传感器，并得到它们的移动轨迹。这个步骤可以重复多次，来收集多条轨迹信息。每条轨迹都将包含一系列的速度和方向的参数点。

然后，将收集到的GPS传感器的运动轨迹数据进行处理，去掉不合理的数据，例如，有些GPS传感器损坏无法发送回完整的轨迹信息、或者还有些GPS可能被障碍物困在河流中无法继续移动造成GPS信息始终维持某固定值而不改变等。将合理的、完整的GPS传感器运动轨迹数据进行处理，可以用于构建一个水流的参数映射图。这个参数映射图是二维的，可以展示一些重要参数，例如在河流的不同位置水流的速度和方向等。

最后，通过建立的水流的参数映射图，可以构建出以其为基础的传感器移动模型，移动模型模拟了水流、泥石流等可能的运动轨迹，从而可以得到非接收器自主移动传感器网络的优化部署位置。

这里的移动模型是一个可以及时生成水流、泥石流等在时间和空间维度的运动描述的函数。这个移动模型基于实际的水流或泥石流的运动轨迹生成，其运动可以用虚拟轨迹来描述，具体是通过算法随机方式产生每一个点的运动轨迹。

移动模型的轨迹生成算法流程如下。

（1）初始化。从起始位置任意抽取一起始点；

（2）取得当前点p'k处的速度和方向参数Vx，y和Dx，y值

（3）通过Vx，y和Dx，y得到该点的移动轨迹Movement，并得到下一点p'k+1；

（4）判断p'k+1是否属于有效区域，如果是继续（5），如果不是，转回p'k，生成一个弹跳轨迹p'k+1，再重复（4）；

（5）判断p'k+1是否已经到达目的地，如果不是，返回（2），如果是，接着（6）；

（6）输出最后生成的轨迹。

移动模型轨迹生成函数可以生成一条从起始位置开始的虚拟运动轨迹。

起始点可以从起始位置（投放GPS传感器位置）随机选取，虚拟运动轨迹中的每一点均是逐点递归生成的。若当前点为p'k，则p'k在下一秒钟的移动轨迹可以利用速度和方向参数值Vx，y、Dx，y得到，如公式1所示，通过移动轨迹movement，可以来到下一轨迹点p'k+1。

movement=Vx，y×Dx，y 公式l

判断轨迹点p'k+1是否是在有效区域内，有效区域指已经去除了有障碍、无水流通过等的部分区域。若p'k+1不属于有效区域内，则要返回p'k，生成一个弹跳轨迹。弹跳轨迹是在水流碰到障碍物或者堤岸时发生的，返回p'k时后，判断其所在位置四周轨迹点数量，取其中轨迹点数量最多的点，视其为弹跳目的地，得到位于期间的轨迹点p'k+1。

接着判断轨迹点p'k+1是否已经到达目的地（回收GPS传感器位置），若未到达目的地，则继续重复上述算法步骤，直到p'k+1到达目的地为止。

利用移动模型的轨迹生成算法，基于实际泥石流的运动轨迹，可以得到预测的虚拟泥石流运动轨迹，这样就可以得到最佳的接收器部署位置，提高和优化无线传感器网络的连通性和感应区域。

5 结语

篇（10）

前言

地震监测主要是利用有线或是无线的方式来将收集到的地震震动信号传送到监控中心，但由于有线网络自身的局限性，会对监测效果带来不利影响，在这种情况下，无线传感器网络应运而生，以其独特的自组织及自愈合的特点在地震监测中进行有效应用，而且能够适合各类复杂的监测环境，因此需要加大对基于无线传感器网络的地震监测系统的设计进行研究，以便于有效的提高地震的预警水平，确保地震救助效率的提升。

1无线传感器网络和地震监测概述

无线传感器网络是一种集各种先进技术于一体的信息技术，其不仅是普适计算机的雏形，同时也是人类感官的有效延伸。其以数据传输和交换机作为中心，作为一种自组织和分布式的网络，传感网络中大量传感器节点为其提供数据，即使在十分恶劣的环境下，也能够做到实时监测、协同感知和信息采集，并将监测数据进行发送。这也使无线传感器网络在诸多领域都有着广泛的应用，将其在地震监测中进行应用，其能够对地震预防和救援提供更加真实、可靠的信息依据。由许多随机分布的传感器节点构成的无线传感网络共同组成了无线传感器网络体系结构。传感器节点采用自组织方式，能够实时监测对象，进行信息的采集，并采用无线方式来发送数据。无线传感器网络对感知信息的感知、采集、处理和传送是其最基本的功能，传感器网络以感知数据作为其核心所在，由传感器、感知对象和观测者三要素共同构成无线传感网络。一直以来地震监测中采用的都是无线或有线来对监测信息进行传送，虽然有线网络具有较好的稳定性，但在一些恶劣环境下有线网络极易受到破坏，无法及时将监测到的信息传送到监测中心。因此利用无线传感器网络，其能够适应各种复杂多变的环境，在任何情况下都能够及时将监测信息向监控中心进行反馈，对地震灾难的预警和救助具有非常重要的意义。

2基于地震监测的无线传感器网络系统的设计

2.1系统的硬件设计

2.1.1传感器节点设计在传感器节点设计过程中，需要明确无线传感器节点的构成要素，通常情况下由数据采集、数据处理、数据传输和电源共同构成，而无线传感器网络的节点则包括采集模块、存储模块、通信模块及能量供应模块等几部分，在实际工作中，在监测区域内利用数据采集模块来对采集信息和转换数据，整个传感器的节点控制操作则由处理器模块负责，同时还要对节点自身传送过来的数据和由其他节点传送过来的数据进行处理和存储。而与其他传感器节点或是基站的无线通信、交流和交换控制信息、接收和转发采集来的数据等则由无线通信模块负责。而传感器节点正常工作所需要的能量则主要由能量供应模块提供，以此来确保系统的正常运行。2.1.2GPRS网关设计在无线传感器网络系统中，各个无线监测电路发来的数据和状态信息由GPRS网关负责接收，并经过一定的处理后由GPRS网络向监测站进行发送，同时GPRS网络还能够接收控制指令，并将其向各个无线监测节点转发。无线转发站的运行则由3.6V的高能电池为其提供电能支持，同时还具有太阳能自动充电功能，为其长期工作提供了充足的保证。2.1.3无线传感器网络的构建无线传感器网络中的无线接收模块采用的无线射频收发器，其具备较为多样化，不仅支持帧处理，还具有突发传输、数据缓冲、数据加密、空闲频道检测、连接质量指示等多种功能，能够有效的降低主控制器的负载。其中信号的接收和转换由传感器采集模块完成，所需要工作的能量由电源模块供应。传感器节点作为网络的基本单元，其主要承担着计算、存储、通信、传感和执行等任务。同时由微功耗处理器模块、无线收发模块、数据采集模块、电源等部分共同构成无线传感器节点的硬件部分。

2.2系统软件设计思路

2.2.1无线传感网络网关节点主要承担着对网络节点管理、对网络节点传输数据进行集中及信息传输网络构建等任务，在具体无线传感网络构建过程中，需要由网关节点将自身帧编号和网络地址的信标帧向全网传送，同时以此地址列表作为构建路由表的基础。并对其中各帧的编号进行记录，从而有效的避免出现多次发送的现象。还要继续将已经修改的信标帧向周围发送，各传感器节点收到信标帧后，会选择信号最强的节点回发至终端节点，并对路由器节点将自身当作终端路由器节点进行确认，开始建立网络。2.2.2路由在对数据进行传送过程中，需要由源节点广播一个路由分组，并由路由器携带目的节点依次由领近节点进行广播，而且在广播开始之前还需要进行该节点到源节点路由的建立，将目的节点依次广播至周围节点时，路由分组到达某个具有网关的路由信息节点及网关节点时，则路由分组的广播就会停止。并在该过程中建立一个反向路由，实现网点节点到源节点的反向传输，而且该节点还会顺着反向路由传输一个路由分组，当路由分组抵达源节点后，则整个过程结束。2.2.3传感器工作流程在传感器工作过程中，传感器的数据需要由传感器节点来读取，并将读取到的数值与设定的阈值进行比较。根据比较的情况来采取适宜的数据监测措施，这样可以有效的避免无用数据的采集，提高传感器网络系统的续航能力。但在实际工作中，需要有效的对系统数据的传输量进行控制，这样可以确保地震监测的及时预报。因此需要根据监测的传感器值的情况，适宜的情况下采用多跳路由来转化数据，从而将数据快速传送到远程监控中心，确保地震监测的及时性和实时性。

3结束语

将无线传感器网络在地震监测中进行有效应用，有效的提高了我国地震监测的效率，因此需要加大对无线传感器网络的研究力度，不断对其进行创新，有效的提高其自身的稳定性和实用性，提高地震监测的质量，有效的保障我国人民群众的生命和财产安全。

参考文献

[1]郑锋凯.无线传感器网络在地震区山地灾害监测中的应用研究[D].太原：太原理工大学，2010.