中心論題：

• 無線傳感器網絡為軍用轉民用的的典範。
• 無限傳感器網絡的組成和特點。
• 無線傳感器的關鍵技術介紹。
• 商業化應用。

• 網絡各節點通過分布式算法來相互協調。
• 通過休眠機製和數據融合解決能耗問題。
• TinyOS係統出色完成數據采集和數據傳輸等任務。

要(yao)做(zuo)到(dao)目(mu)視(shi)千(qian)裏(li)
，耳(er)聽(ting)八(ba)方(fang)是(shi)人(ren)類(lei)長(chang)久(jiu)的(de)夢(meng)想(xiang)，現(xian)代(dai)衛(wei)星(xing)技(ji)術(shu)的(de)出(chu)現(xian)雖(sui)然(ran)使(shi)人(ren)們(men)離(li)這(zhe)目(mu)標(biao)又(you)進(jin)了(le)一(yi)步(bu)
，但(dan)衛(wei)星(xing)高(gao)高(gao)在(zai)上(shang)

，洞(dong)察(cha)全(quan)局(ju)在(zai)行(xing)，明(ming)察(cha)細(xi)微(wei)就(jiu)不(bu)管(guan)用(yong) 了。這個時候，本文的主角—無線傳感器網絡就排上用場了。將大量的傳感器節點遍撒指定區域，數據通過無線電波傳回監控中心，監控區域內的所有信息就會盡收 觀察者的眼中了。

軍用轉民用的典範
無線傳感器網絡的構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）於1978年開始資助卡耐基－梅隆大學進行分布式傳感器網 絡的研究，這被看成是無線傳感器網絡的雛形。從那以後，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

，以及多所機構聯合攻關的SensIT計劃，等等。在這些項目取得進展的同時，其應用也從軍用轉向民用。在森林火 災、洪水監測之類的環境應用中
，在人體生理數據監測、藥品管理之類的醫療應用中，在家庭環境的智能化應用以及商務應用中都已出現了它的身影。目下
，無線傳 感器網絡的商業化應用也已逐步興起。美國Crossbow公司就利用Smart Dust項目的成果開發出了名為Mote的智能傳感器節點，還有用於研究機構二次開發的MoteWorkTM開發平台。這些產品都很受使用者的歡迎。

組成和特點
無線傳感器網絡可以看成是由數據獲取網絡、數據分布網絡和控製管理中心三部分組成的。其主要組成部分是集成有傳感器
、shujuchulidanyuanhetongxinmokuaidejiedian，gejiediantongguoxieyizizuchengyigefenbushiwangluo，zaijiangcaijilaideshujutongguoyouhuahoujingwuxiandianbochuanshugeixinxichulizhongxin。yinweijiediandeshuliangjuda，erqiehaichuzaisuishibianhuadehuanjingzhong，zhejiushitayouzhebutongyuputongchuanganqiwangluodedute“個性”。首先是無中心和自組網特性。在無線傳感器網絡 中，所有節點的地位都是平等的，沒有預先指定的中心
，各節點通過分布式算法來相互協調jun
，在無人值守的情況下
，節點就能自動組織起一個測量網絡。而正因為沒 有中心，網絡便不會因為單個節點的脫離而受到損害。

其qi次ci是shi網wang絡luo拓tuo撲pu的de動dong態tai變bian化hua性xing。網wang絡luo中zhong的de節jie點dian是shi處chu於yu不bu斷duan變bian化hua的de環huan境jing中zhong

，它ta的de狀zhuang態tai也ye在zai相xiang應ying地di發fa生sheng變bian化hua，加jia之zhi無wu線xian通tong信xin信xin道dao的de不bu穩wen定ding性xing，網wang絡luo拓tuo撲pu因yin此ci也ye在zai不bu斷duan地di調tiao整zheng變bian化hua
，而er這zhe種zhong變bian化hua方fang式shi是shi無wu人ren能neng準zhun確que預yu測ce出chu來lai的de。
第(di)三(san)是(shi)傳(chuan)輸(shu)能(neng)力(li)的(de)有(you)限(xian)性(xing)。無(wu)線(xian)傳(chuan)感(gan)器(qi)網(wang)絡(luo)通(tong)過(guo)無(wu)線(xian)電(dian)波(bo)進(jin)行(xing)數(shu)據(ju)傳(chuan)輸(shu)，雖(sui)然(ran)省(sheng)去(qu)了(le)布(bu)線(xian)的(de)煩(fan)惱(nao)，但(dan)是(shi)相(xiang)對(dui)於(yu)有(you)線(xian)網(wang)絡(luo)，低(di)帶(dai)寬(kuan)則(ze)成(cheng)為(wei)它(ta)的(de)天(tian)生(sheng)缺(que)陷(xian)。同(tong)時(shi)，信(xin)號(hao)之(zhi)間(jian)還(hai)存(cun)在(zai)相(xiang)互(hu)幹(gan)擾(rao)，信(xin)號(hao)自(zi)身(shen)也(ye)在(zai)不(bu)斷(duan)地(di)衰(shuai)減(jian)，諸(zhu)如(ru)此(ci)類(lei)。不(bu)過(guo)因(yin)為(wei)單(dan)個(ge)節(jie)點(dian)傳(chuan)輸(shu)的(de)數(shu)據(ju)量(liang)並(bing)不(bu)算(suan)大(da)，這(zhe)個(ge)缺(que)點(dian)還(hai)是(shi)能(neng)忍(ren)受(shou)的(de)。

第(di)四(si)是(shi)能(neng)量(liang)的(de)限(xian)製(zhi)。為(wei)了(le)測(ce)量(liang)真(zhen)實(shi)世(shi)界(jie)的(de)具(ju)體(ti)值(zhi)，各(ge)個(ge)節(jie)點(dian)會(hui)密(mi)集(ji)地(di)分(fen)布(bu)於(yu)待(dai)測(ce)區(qu)域(yu)內(nei)
，人(ren)工(gong)補(bu)充(chong)能(neng)量(liang)的(de)方(fang)法(fa)已(yi)經(jing)不(bu)再(zai)適(shi)用(yong)。每(mei)個(ge)節(jie)點(dian)都(dou)要(yao)儲(chu)備(bei)可(ke)供(gong)長(chang)期(qi)使(shi)用(yong)的(de)能(neng)量(liang)，或(huo)者(zhe)自(zi)己(ji)從(cong)外(wai)汲(ji)取(qu)能(neng)量(liang)（太陽能）。
第五是安全性的問題。無線信道、有限的能量，分布式控製都使得無線傳感器網絡更容易受到攻擊。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
，安全性在網絡的設計中至關重要。
下麵，我們將會從幾個方麵來具體地介紹無線傳感器網絡。

物理層技術
無線傳感器網絡是一個開放係統互聯
，按照國際標準化組織（ISO）的規定，為數據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據終端提供數據傳輸通路、傳輸數據和完成管理工作的職責。具體到無線傳感器網絡就 是介質的選擇
、頻段的選擇
、調製技術以及擴頻技術。因為是無線網絡，傳輸介質自然要選電磁波了。不過
，源信號要依靠電磁波傳輸必需要通過調製技術變成高頻 信xin號hao，當dang抵di達da接jie受shou端duan時shi，又you通tong過guo解jie調tiao技ji術shu還hai原yuan成cheng原yuan始shi信xin號hao。目mu前qian采cai用yong的de調tiao製zhi方fang法fa分fen為wei模mo擬ni調tiao製zhi和he數shu字zi調tiao製zhi兩liang種zhong。它ta們men的de區qu別bie就jiu在zai於yu調tiao製zhi信xin號hao所suo用yong的de基ji帶dai信xin號hao的de模mo式shi不bu 同而已（一為數字
，一為模擬）。

信號僅經過調製是不行的，還需要進行擴頻。擴頻，顧名思義
，就是將待傳輸數據進行頻譜擴展的技術。它的好處是：增強了抗幹擾能力
，可進行多地址通信，保密性提高。常見的擴頻技術包括直接序列擴頻、跳頻
、跳時以及線性調頻。
在物理層麵上，無線傳感器網絡遵從的主要是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器，檢測當前信道的能量
，發送指示，信道頻率的選擇
，數據發送與接收。

IEEE 802.15.4標準規劃了幾個工作頻段。其中
，2.4GHz頻段的物理層可提供250Kb/s的數據傳輸率，適用於高吞吐量、低延時或低作業周期的場 合；工作在869/915MHz頻段的物理層則能提供20Kb/s的數據傳輸率，適用於低速率、高靈敏度和大覆蓋麵積的場合。依據IEEE 802.15.4標準的協議被稱為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絡。 
 
MAC層協議
信號的傳輸要靠信道，因此信道也就成為了一種寶貴的資源。怎樣合理有效的分配信道，就是數據鏈路層中的MAC子層要解決的問題了。無線傳感器網絡經常使用的有三種MAC協議：傳感器協議（S-MAC）
，分布式能量意識協議（DE-MAC）和協調設備協議。S-MAC協議通過調 配節點的休眠方式來有效地分配信道；DE-MAC則采用周期性監聽和休眠機製，避免空閑監聽和串音，其目的是減少能耗和增加網絡的生存周期
；MD協議則能 為大規模
、低占空比運行的節點提供了不需要高精度時鍾的可靠通信。總體來說
，無線傳感器網絡的MAC協議在分配信道的同時還要保證係統的能耗最低。

路由
在具備底層傳輸協議的保障後，信息怎樣快速地從源傳輸到目的地就是由路由協議來解決了。簡單來說，路由要實現兩個基本功能：確定最佳路徑和通過網絡傳輸信息。數據傳輸的途徑存於路由表
，由路由算法初始化並負責維護。
無線傳感器網絡與普通的網絡不同
，它有自己的特點：比bi如ru能neng量liang受shou限xian，通tong信xin方fang式shi以yi數shu據ju為wei中zhong心xin，相xiang鄰lin節jie點dian的de數shu據ju有you著zhe相xiang似si性xing，拓tuo撲pu結jie構gou也ye在zai不bu斷duan的de變bian化hua等deng。與yu此ci對dui應ying，常chang規gui網wang絡luo的de路lu由you並bing不bu一yi定ding能neng適shi應ying無wu線xian傳chuan感gan器qi網wang絡luo。

下麵來介紹幾種常見的路由協議：
1 fanhongshiluyou。zheshiyizhongfeichangchuantongdeluyouxieyi。fanhongshiluyoubujinxingweihuwangluotuopuhexiangguanluyoujisuan，zhifuzeyiguangboxingshizhuanfashujubao
，yincixiaolvbingbugao。
2SPIN。SPIN是(shi)一(yi)組(zu)基(ji)於(yu)協(xie)商(shang)並(bing)且(qie)具(ju)有(you)能(neng)量(liang)自(zi)適(shi)應(ying)功(gong)能(neng)的(de)協(xie)議(yi)。節(jie)點(dian)之(zhi)間(jian)通(tong)過(guo)協(xie)商(shang)來(lai)確(que)定(ding)是(shi)否(fou)有(you)發(fa)送(song)信(xin)號(hao)的(de)必(bi)要(yao)，並(bing)實(shi)時(shi)監(jian)控(kong)網(wang)絡(luo)中(zhong)的(de)能(neng)量(liang)負(fu)載(zai)來(lai)改(gai)變(bian)工(gong)作(zuo)模(mo)式(shi)。以(yi)上(shang)兩(liang)種(zhong)協(xie)議(yi)都(dou)是(shi)平(ping)麵(mian)路(lu)由(you)協(xie)議(yi)，依(yi)照(zhao)這(zhe)種(zhong)協(xie)議(yi)

，節(jie)點(dian)並(bing)不(bu)進(jin)行(xing)分(fen)區(qu)歸(gui)類(lei)。
3 LEACH。LEACH是shi一yi種zhong分fen層ceng網wang絡luo協xie議yi，它ta以yi循xun環huan的de方fang式shi隨sui機ji選xuan擇ze簇cu首shou節jie點dian，將jiang全quan網wang絡luo的de能neng量liang負fu載zai平ping均jun分fen配pei到dao每mei個ge傳chuan感gan器qi節jie點dian，從cong而er達da到dao降jiang低di網wang絡luo能neng源yuan消xiao耗hao的de 目mu的de。這zhe裏li要yao解jie釋shi一yi下xia簇cu，簇cu是shi分fen層ceng路lu由you協xie議yi的de概gai念nian
，根gen據ju分fen層ceng路lu由you協xie議yi，網wang絡luo被bei劃hua分fen成cheng不bu同tong簇cu，每mei一yi個ge簇cu由you一yi個ge簇cu首shou和he簇cu成cheng員yuan組zu成cheng，多duo個ge簇cu首shou形xing成cheng高gao級ji的de網wang絡luo
，簇cu 首節點不僅負責其轄下簇內信息的收集和融合處理，還負責簇之間數據的轉發。
4 PEGASIS。PEGASIS可謂LEACHdeshengjibanben。anzhaoqiguiding
，zhiyouzuiweilinjindejiediancaixianghutongxin，jiedianyuhuijudianlunliutongxin
，dangsuoyoudejiediandouyuhuijudiantongxinhou
，jiedianzaijinxingxinyihuihedelunliutongxin。

能量管理
能耗是無線傳感器網絡所麵臨的最大問題
，因為節點長期處於無人值守的狀況下，有效的能耗策略必不可少。
目(mu)前(qian)最(zui)常(chang)使(shi)用(yong)的(de)策(ce)略(lve)是(shi)休(xiu)眠(mian)機(ji)製(zhi)
，即(ji)在(zai)節(jie)點(dian)空(kong)閑(xian)時(shi)，使(shi)其(qi)處(chu)於(yu)休(xiu)眠(mian)狀(zhuang)態(tai)，此(ci)時(shi)其(qi)能(neng)耗(hao)降(jiang)到(dao)最(zui)低(di)。但(dan)是(shi)休(xiu)眠(mian)的(de)節(jie)點(dian)在(zai)轉(zhuan)回(hui)正(zheng)常(chang)狀(zhuang)態(tai)的(de)時(shi)候(hou)，往(wang)往(wang)會(hui)消(xiao)耗(hao)大(da)量(liang)的(de)能(neng)量(liang)，因(yin)此(ci)尋(xun)找(zhao)合(he)理(li)的(de)狀(zhuang)態(tai)轉(zhuan)換(huan)策(ce)略(lve)是(shi)確(que)保(bao)休(xiu)眠(mian)機(ji)製(zhi)成(cheng)功(gong)的(de)關(guan)鍵(jian)。
數(shu)據(ju)融(rong)合(he)是(shi)另(ling)一(yi)項(xiang)節(jie)能(neng)技(ji)術(shu)。多(duo)個(ge)鄰(lin)近(jin)節(jie)點(dian)經(jing)常(chang)會(hui)采(cai)集(ji)同(tong)樣(yang)的(de)信(xin)息(xi)，發(fa)送(song)這(zhe)些(xie)冗(rong)餘(yu)信(xin)息(xi)就(jiu)給(gei)係(xi)統(tong)增(zeng)加(jia)了(le)不(bu)必(bi)要(yao)的(de)負(fu)擔(dan)。因(yin)此(ci)
，通(tong)過(guo)本(ben)地(di)計(ji)算(suan)和(he)篩(shai)選(xuan)，確(que)保(bao)發(fa)送(song)出(chu)最(zui)有(you)效(xiao)的(de)信(xin)息(xi)就(jiu)是(shi)數(shu)據(ju)融(rong)合(he)的(de)任(ren)務(wu)。
其他能量管理策略還有衝突避免和糾錯以及多跳短距離通信，這裏不再一一敘述。

軟件的支持
無線傳感器網絡也有一個屬於自己的操作係統—TinyOS。這zhe個ge係xi統tong不bu同tong於yu傳chuan統tong意yi義yi上shang的de操cao作zuo係xi統tong
，它ta更geng像xiang一yi個ge編bian程cheng構gou架jia
，在zai此ci構gou架jia下xia，搭da配pei一yi組zu必bi要yao的de組zu件jian

，就jiu能neng方fang便bian地di編bian譯yi出chu麵mian向xiang特te定ding應ying用yong的de操cao作zuo係xi統tong。
TinyOS由眾多組件組成，包括了主組件、應用組件
、執行組件、傳感組件、通tong信xin組zu件jian和he硬ying件jian抽chou象xiang組zu件jian。每mei一yi個ge組zu件jian在zai其qi內nei部bu都dou封feng裝zhuang了le命ming令ling處chu理li程cheng序xu和he事shi件jian處chu理li程cheng序xu，它ta們men通tong過guo接jie口kou聲sheng明ming所suo調tiao用yong的de命ming令ling和he將jiang要yao觸chu發fa的de事shi件jian。調tiao度du器qi則ze負fu責ze根gen據ju任ren務wu的de輕qing重zhong緩huan急ji來lai安an排pai係xi統tong的de工gong作zuo。

Crossbow公司生產的MICA傳感器平台上就使用了TinyOS係統。實踐證明，其基本應用隻占用很少的係統資源
，能圓滿的完成數據采集
、處理和通信組網以及數據傳輸等任務。

商業化的應用
　　商業化的無線傳感器產品中最常見的就是智能節點。前文也曾提到
，UC Berkeley是無線傳感器研究開展較早的美國高校。基於他們研發成果的無線傳感器器件被稱為Mote

，這也是目前最為通用的一種無線傳感器網絡產品
， 是由Crossbow公司生產的。最基本的Mote組件是MICA係列處理器/無線模塊，完全符合IEEE 802.15.4標準。最新型的MICA2可以工作在868/916、433和315MHz三個頻帶，數據速率為40Kb/s，通信範圍可達1000英 尺。其配備了128KB的編程用閃存和512KB的測量用閃存，4KB的EEPROM
，串行通信接口為UART模式。
 
相對於終端節點，商用無線傳感器網絡係統並不算多。Crossbow的MEP係列就是其 中之一。這是一種小型的終端用戶網絡
，主要用來進行環境參數 的檢測。該係統包括了2個MEP410環境傳感器節點，4個MEP510濕度/溫度傳感器節點，1個MBR410串行網關和MoteView 顯示和分析軟件。整個係統采用了TrueMeshTM拓撲結構
，非常便於用戶安裝和使用。類似的產品還有Microstrain公司的X-Link 測量係統等。 
 
從應用的情況來看，北美的狀況最好，在樓宇自動化、環境監控等方麵，無線傳感器網絡已經開始大展拳腳。但對於中國來說，市場還處於起步階段，產品應 用(yong)最(zui)多(duo)的(de)場(chang)合(he)一(yi)般(ban)是(shi)科(ke)研(yan)機(ji)關(guan)和(he)大(da)學(xue)，多(duo)為(wei)研(yan)究(jiu)之(zhi)用(yong)。不(bu)過(guo)，根(gen)據(ju)相(xiang)關(guan)公(gong)司(si)的(de)預(yu)測(ce)，離(li)無(wu)線(xian)傳(chuan)感(gan)器(qi)網(wang)絡(luo)市(shi)場(chang)起(qi)飛(fei)的(de)時(shi)間(jian)也(ye)不(bu)會(hui)太(tai)遠(yuan)了(le)。隻(zhi)要(yao)這(zhe)個(ge)新(xin)技(ji)術(shu)被(bei)社(she)會(hui)普(pu)遍(bian)接(jie) 受，市場就會以驚人的速度來擴張。

後記
　　本ben文wen介jie紹shao的de都dou是shi一yi些xie常chang見jian的de無wu線xian傳chuan感gan器qi網wang絡luo的de概gai念nian。實shi際ji上shang，要yao想xiang論lun述shu這zhe個ge新xin興xing技ji術shu的de全quan貌mao

，不bu用yong一yi本ben專zhuan著zhu的de篇pian幅fu是shi不bu夠gou的de。這zhe個ge融rong合he了le通tong信xin、網絡
、微電子等眾多學科精華的新技術有著無限的潛能，要想真正開發它，恐怕就要依靠廣大的應用開發人員充分發揮自己的想象力了。