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　　無線傳感器網絡（Wireless Sensor Network ，WSN）是一種新型的信息獲取以及處理網絡技術，它集傳感器技術、通信技術、計算機技術以及網絡技術于一體，具有自動組網、動態智能和協同感知等功能。

　　如圖1所示，無線傳感器網絡的工作原理是利用各種類型的敏感元件構成的傳感器，分布于需要覆蓋的領域內，組成傳感器節點，用于收集數據，并且將數據路由送至信息收集節點“Sink”，信息收集節點與信息處理節點通過廣域網（如Internet網絡或衛星網絡）將數據送至地面監控中心進行統計分析和處理，并對監測結果進行綜合評估。
 

圖1 無線傳感器網絡工作原理圖

　　無線傳感器網絡的特點 ：

　　低速率 : 傳感器網絡節點，通常只需定期傳輸溫度、濕度、壓力、流量、電量等被測參數，相對而言，被測參數的數據量小，采集數據頻率較低。
　　低功耗 : 通常，傳感器節點利用電池供電，且分布區域復雜、廣闊，很難通過更換電池方式來補充能量，因此，要求傳感器網絡節點的功耗要低，傳感器的體積要小。
　　低成本 : 應用WSN時，監測區域廣、傳感器的節點多，且有些區域環境的地形復雜，甚至連工作人員都無法進入，一旦安裝傳感器則很難更換，因而要求傳感器的成本低廉。
　　短距離 : 為了組網和傳遞數據方便，兩個傳感器的節點之間的距離通常要求在幾十米到幾百米之間。
　　高可靠 : WSN的信息獲取是靠分布在監測區域內的各個傳感器檢測到的，如傳感器本身不可靠，則其信息的傳輸和處理是沒有任何意義的。
　　大容量 : 要求網絡能容納上千、上萬個節點。
　　動態性 : 對于復雜環境的組網，其覆蓋區域往往會遇到各種電、磁環境的干擾，加之供電能量的不斷損耗，易引起傳感器節點故障， 因此要求傳感器網絡具有自組網、智能化和協同感知等功能。

　　無線傳感器網絡有著十分廣泛的應用和發展前景。它不僅在工業、農業、醫療、環境、航空、航天和軍事等領域有著巨大的應用價值，在未來的許多新興領域也蘊藏著巨大商機，如在家庭、防災、保健、環保、反恐等領域也體現出許多的優越性而大顯身手。另外，它還可以到達一些人類無法到達或無法工作的環境。

　　目前，業界普遍認為無線傳感器網絡是人類面臨的一次發展機遇。它將改變人們的生活，甚至將引起一場劃時代的軍事技術革命和未來的戰爭變格。美國商業周刊MIT技術評論，在預測未來的技術發展報告中，分別將無線傳感器網絡列為21世紀最有影響的21項技術和改變世界的四大技術之一。無線網絡傳感器、塑料電子學和仿生人體器官被認為是全球未來的三大高科技產業。我國對無線傳感器網絡的發展也十分重視，《國家中長期科學和技術發展規劃綱要（2006-2020年）》在重大專項、優先發展主題以及前沿領域均將傳感器網絡列入，其中，重大專項“新一代寬帶移動無線通信網”被列為其中的重要方向之一。

　　無線傳感器網絡協議機制

　　物理層研究

　　物理層研究主要集中在傳輸介質的選擇。目前傳輸介質主要有無線電、紅外線和光波三種；傳輸頻段選擇為通用頻段ISM，4.33MHz，915MHz和2.44GHz；調制方式為二元調制和多元調制。

　　數據鏈路層研究

　　數據鏈路層研究主要集中在MAC（Media Access Control）媒體訪問控制協議，該協議是保證WSN高效通信的關鍵協議之一，傳感器網絡的性能如吞吐量、延遲性完全取決于網絡的MAC協議，與傳統的MAC協議不同，WSN的協議首先考慮能量節省問題，通常可分為下面幾類：

　　隨機競爭類MAC

　　● S-MAC協議，周期性偵聽/睡眠方式，目的是節能；
　　● T-MAC協議，減少空間偵聽時間；
　　● Sift協議，N個傳感器節點，同時檢測到同一事件時，希望R個節點（R=N）能夠在最小時間內，無沖突地成功發出事件監測信息，抑制剩余（N-R）個節點的消息發送。

　　時分復用（TDMA）類MAC協議

　　● DMAC協議，采用不同深度節點之問的活動/睡眠的交錯調度機制；
　　● DEANA協議，把一個數據傳輸周期分為調度訪問階段和隨機回訪階段；
　　● TRAMA協議，將時間劃分為連續的時槽，根據兩跳內鄰后節點信息，采用分布式選舉機制，確定每個時槽的無沖突發送者。

　　混合型MAC協議

　　● SMACS/EAR協議，為每對鄰居節點分配一個特有頻率進行數據傳輸；
　　● CSMA/CA和CDMA相結合，鏈路偵聽采用CSMA/CD機制，數據收發采用CDMA機制，不需要嚴格時間同步，但需要節點提供鏈路偵聽和數據收發兩個硬件模塊。

　　網絡層路由協議研究。

　　網絡層負責路由的發現和維護，遵照路由協議將數據分組，從源節點通過網絡轉發到目的節點，即尋找源節點和目的節點之間的優化路徑，然后將數據分組沿著優化路徑正確轉發。

　　網絡層路由協議的研究主要有：

　　基于聚簇的路由協議。首先根據某種規則把WSN的節點劃分為多個子集，如壓力子集、溫度子集、濕度子集等，每個子集成為一個簇，有一個簇頭。每個簇的簇頭負責全局的路由，其它節點通過簇頭接收或發送數據。基于聚簇的路由協議有：

　　● LEACH協議，隨機循環地為每一個簇選擇簇頭節點“Sink”；
　　● PEGASIS協議，所有傳感器節點被視為一個簇，所有傳感器節點把數據傳送到簇頭“Sink”；
　　● TEEN協議，通過抑制不必要的通信來實現節省能量。

　　基于地理位置的路由協議。該類協議假定每個節點都知道自己的地理位置及目標節點的地理位置。該類協議有“距離貪心路由協議”、“角度貪心路由協議”和GEM路由協議，即用虛擬極坐標系表示WSN的拓樸結構，構造一個“Sink”為根的環樹，每個節點由其到樹根的跳步數以及與根的角度來表示，數據路由通過該有環樹進行。

　　基于數據為中心的路由協議。該類協議主要有Rumor-routing協議（克服定向協議開銷大的問題），支持移動Sink以數據為中心的TTDD路由協議。

　　基于能量感知路由協議。GEAR協議，根據地理位置信息，建立“Sink”到監測區域的優化路徑，支持“Sink”向監測區的所有節點發送查詢命令，避免洪泛的傳播方式并減少路由建立的開銷。

　　傳輸層協議

　　傳輸層主要負責將WSN的數據提供給外部網絡，由于WSN的能量受限，節點命名機制以數據為中心特征會使得傳輸控制很困難。在實際應用時，通常會采用特殊節點作為網關。然而引入特殊的節點可能會影響到傳感器節點的隨機部署特性，給MAC協議和路由協議的設計帶來新的難題。網關通過通信衛星、移動通信網絡、internal網或其它通信介質與外部網絡通信。

　　WSN的共性技術

　　節點能量管理

　　WSN中的能量損耗主要在數據采集、數據計算和數據傳輸三個方面，通常有下面幾種管理策略。

　　動態能量管理 : 基本思路是在節點有監測任務或傳輸任務時，動態改變節點中一些模塊狀態，并使節點處于休眠或低功耗狀態，必要時才加以喚醒。

　　動態電壓調度 : 對處于工作狀態的節點根據系統工作負載，調整微處理器操作電壓和頻率，在滿足性能要求的同時降低節點功耗。

　　數據融合 : 將來自多傳感器和信息源的數據以及信息加以聯合、相關和組合，以減少整個網絡的數據流量，達到節能目的。

　　拓撲控制 : 在滿足網絡覆蓋度和連通度的前提下，通過功率控制和層次拓撲控制，使網絡的能量消耗達到最小化。

　　時間同步

　　時間同步機制是WSN的關鍵技術之一。在WSN中，每個節點都有自己的時鐘，由于不同節點的晶體振蕩器頻率存在誤差，再加上環境的干擾，因此，即使在某個時刻，所有節點都達到了時間同步，它們的時間也會逐漸出現偏差。而且由于傳統分布式協同系統中的時間同步機制不適于WSN，因而人們在WSN時間同步方面都做了很大的努力，盡量使時間偏差減少。

　　RBS時間同步機制 : 通過網絡物理層定期向相鄰節點廣播時間信號，接受方把信號的到達時間作為參考點來比較它們的時鐘，實現時鐘同步。

　　Post-facto機制 : 通常情況下不進行時間同步，僅當檢測到事件發生時才采用RBS機制進行時間同步。

　　Mini-sync和Tiny-sync時間同步算法 : 假設節點的時鐘漂移遵循線性變化，因此二個節點之間的漂移也是線性的，并通過交換時標分組來估計二個節點間的最優匹配偏移量來達到時間同步。

　　節點定位

　　傳感器的節點定位也是WSN的關鍵技術之一，是WSN應用的基礎，沒有位置信息的數據是沒有意義的。WSN的定位有兩種方法：基于測量距離的定位方法、與測量距離無關的定位方法。GPS全球定位系統是目前應用最為廣泛的定位系統，但其耗能高，體積大，成本高，不適合WSN。

　　網絡安全

　　WSN的安全性是由于網絡部署區域的開放性和無線網絡的廣播特性所決定的。目前的研究主要集中在密鑰管理、身份確認和數據加密、攻擊檢測與抵御和安全路由等方面。

　　密鑰管理、身份確認和數據加密 : 目前WSN使用的主要是基于密鑰預分配的對稱加密技術，利用基站管理密鑰的非對稱加密技術，上述加密技術各有利弊，利用軟件加密是比較可行的選擇。

　　攻擊檢測與抵御 : 主要解決傳感器節點受到惡意攻擊如干擾服務、節點捕獲時，如何保證WSN的正常工作，解決方法有“通過向獨立多路徑發送驗證數據發現異常節點的方法”，提出了“安全并具有彈性的時間同步協議”，并可以對抗外部攻擊和被浮獲節點的影響，對位置和距離欺騙攻擊的抵抗技術等方法。

　　安全路由 : 目前在WSN中的路由協議有很多安全弱點，易受攻擊，敵方可以向WSN中注入惡意的路由信息使網絡癱瘓，現提出了“采用認證抵御惡意注入方法”、“廣播加密方案RBE”和“廣播基站隨機檢測節點是否能接收到其廣播信息的方法”等。

　　WSN中的傳感器技術

　　WSN的發展是隨著傳感器技術的發展而逐漸發展起來的，上世紀70年代出現了將傳感器點對點的傳輸信號，連接至傳感器控制器構成傳感器網絡的雛形，稱之為第一代傳感器網絡；隨著智能化傳感器、MEMS/NEMS傳感器的問世，傳感器具有了獲取多種信息的綜合處理能力，通過與傳感器控制器相聯，構成了有綜合處理能力的網絡，稱之為第二代傳感器網絡；從上世紀末開始，現場總線技術開始應用于傳感器，并用其組建智能化傳感器網絡，大量應用的多功能傳感器，數字技術，使用無線技術連接等，形成了無線傳感器網絡。

　　根據WSN的特點，WSN中的敏感元件、傳感器的設計和制備技術應著重考慮的問題如下。

　　敏感元件和傳感器的小型化或微型化是降低WSN功耗的主要途徑之一，傳感器的微型化是指敏感元件的特征尺寸為毫米、微米以及納米的傳感器，這類傳感器具有尺寸上的微型化，性能上的優越性，要素上的集成化，用途上的多樣性，功能上的系統化和結構上的復合性特點。傳感器的微型化決不僅僅是尺寸上的縮微或減小，而是一種有新機理、新結構、新作用和新功能的高科技微型系統。其制備工藝涉及半導體刻蝕技術、大規模集成電路制造技術、精密超細加工技術甚至LIGA技術。具有代表性的微型器件有微壓力傳感器、微加速度計、微陀螺和微流量傳感器等。

　　敏感元件和傳感器的集成化，對傳感器的小型化、降低功耗、提高可靠性的同時，也是提高WSN性能的重要工藝手段。利用敏感元件的制備技術、IC技術、微電子電路技術和微機接口技術，將敏感元件與調理電路、補償電路集成在同一芯片上，使傳感器由單一信號轉換功能擴展到兼有檢測、放大、運算和補償功能，從而實現敏感元件和傳感器的集成化。

　　敏感元件和傳感器的結構特別是封裝結構對傳感器的功耗和性能的作用影響到WSN的性能和應用。敏感元件和傳感器的封裝特點是：專用性，一種器件一種封裝，封裝結構對器件的散熱和功耗作用很大，為了降低功耗，封裝材料選擇和封裝工藝尤應重視；復雜性，WSN的應用場合和環境各不相同，感知的被測量可能是一種或幾種，如同時檢測溫度、濕度、壓力等，因此輸入信號的界面復雜，工作環境惡劣，往往對敏感元件和傳感器的封裝結構有特殊要求；可靠性，在傳感器封裝設計考慮時，可靠性是重點考慮之一，封裝材料選擇、封裝結構設計、封裝工藝實施、應力釋放、散熱等都將影響到傳感器的可靠性，進而影響到WSN使用的可靠性。

　　為使WSN的廣泛應用，敏感元件和傳感器的低成本制備技術也是必須考慮的問題，因此必需考慮敏感元件和傳感器的產業化問題。傳感器的產業化，除了國家政策、體制、機制、布局、投資等原因外，傳感器本身也有產業化的規律和技術問題值得探討和研究，即包括傳感器的產業化技術、產業化市場、產業化條件和產業化人才等因素。

　　產業化技術

　　應滿足如下技術要：求技術成熟、工藝穩定、復現性好，能夠真正突破和掌握關鍵技術并有獨到的專有技術；
技術先進、指標先進和性能指標能同國外同類產品抗衡，在國內處領先水平；
產品經過從初樣、正樣和定型三個階段，產品需經過一定的量產，且經過1000臺～2000臺的現場考核和實踐驗證；
產品制備主要由技術工人（少量技術人員）來完成，而非主要由技術人員來完成；
有產品技術標準和詳細的工藝規范來指導生產；
產品的生產和管理納入ISO9000質量保證體系，且質保體系需運行有效、適宜和可靠。

　　產業化市場

　　要求傳感器產品的市場容量大，應用面寬，并具有廣泛的行業影響，能創造較大的社會和經濟效益，產品的市場周期處于上升階段；要求產業化的傳感器產品能適應多種WSN應用領域的需求。

　　產業化條件

　　裝備條件。工藝裝備完善、成線，特別是一些關鍵的工藝裝備，國內無定型產品，也無生產廠家，必須按工藝要求自行設計和制造。其裝備的自動化程度和水平往往決定產品的質量和水平。

　　生產場地。根據生產大綱、量產指標、生產規模決定生產場地。敏感元件和傳感器的生產場地往往有潔凈度、控溫、控濕和防靜電等要求。

　　材料采購和供應。敏感元件和傳感器往往涉及一些特殊材料和供應問題，如恒彈性材料，特種玻璃，特種性能的工程朔料和陶瓷，特種不銹鋼等，這些材料可能用量不多，但必須有通暢的供應渠道和合格的供應商，以保證材料的性能和質量。

　　測試系統及測試裝置。由于傳感器生產固有的特點，對每一臺傳感器需進行標定和測試，并進行必要的補償，測試系統和測試裝置是必不可少的。除了保證其測試精度外，為了實現批量和規模化生產，系統和裝置必須具有自動、批量和連續測試的功能。

　　產業化人才

　　有了產業化技術、產業化市場和產業化條件，并不一定能夠實現敏感元件和傳感器的產業化，關鍵是要有實現傳感器產業化的人才。產業化人才包括管理人才：負責產業化的總體策劃、產品策劃、技術策劃、市場策劃等；技術人才：負責產品設計和開發等；技術工人：負責產品生產、制造等；營銷人才：負責產品的經銷工作和市場拓展等。