无线传感器网络技术发展现状

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热度0票  浏览364次 时间：2018年7月26日 14:59

　　摘要：随着科学技术的不断发展，信息技术也日新月异。无线传感器就是在此背景下发展出的一种全新的信息获取和处理的技术。文章对无线传感器的概念进行了论述，大致介绍了在无线传感器的发展过程中所经历的结构发展，并对目前所设计的主要领域和其研究重点进行分析，展望了无线传感器未来的研究方向。

　　关键词：无线传感器网络；技术；发展现状

　　中图分类号：TN929.5；TP212.9 文献标识码：A 文章编号：1673-1131（2015）10-0169-02.

　　0 引言

　　随着科学技术的不断发展，计算机正朝着更小更廉价的方向发展，随着“后 PC 时代”的发展，传统的设计模式已经无法满足计算机的发挥在那趋势。在微机电系统的发展下，片上系统逐渐成为了主流。除此之外，还衍生了很多其他的信息获取和处理模式，本文所介绍的无线传感器就是其中一种。

　　1 无线传感器网络

　　1.1 基本概念

　　无线传感器网络目前是世界上备受研究人员关注的研究领域，其融合了多个学科，并且需要较高的专业性。无线传感器网络包含了多种技术，例如传感器技术、嵌入式计算技术、现代网络及无线通信技术、分布式信息处理技术等。无线传感器网络的建立还需要一定的数据基础，通过各种集成化微型传感器能很好的完成这项任务。传感器可以进行实时监测、对监控对象的信息进行收集整理。当信息收集完成后，再通过无线的方式进行信息的传输，并通过自组多跳的传输途径最终传输到用户终端，从而实现现实世界、计算世界和人类社会的连通。

　　WSN 传感器网络是目前使用最广泛的，所需要的投入资金较少，并且有着较大的灵活性，可以和不同种类的终端设备连接，进行数据收集和传送的任务。在了解这种网络时，可以把WSN中的各种传感器以及执行单元设备看作一粒“豆子”。

　　在设备工作时，先将一定数量的豆子进行不规则的分布，在一段时间之后，一粒“豆子”便可以通过网络收集到范围内另一粒“豆子”上的信息。WSN 传感器网络的连接是双向的，具有一定的灵活性，可以对范围中不同区域的传感器进行智能组网，使其具备移动能力。

　　1.2 WSN 的发展

　　无线传感器网络是新兴的下一代传感器网络，有关无线传感器最早的言论在 1999 年，之后在美国移动计算和网络国际会议上，正式将无线传感器的发展纳入讨论范围，并对其作出了高度评价，认为是未来的发展趋势。在 2003 年，美国的《技术评论》将无线传感器网络技术列为未来的十大新兴技术之一。而另一本《商业周刊》在发行时，也将无线传感器网络技术作为一项极具发展潜力的技术作为介绍种地那。而《今日防务》

　　杂志更是认为无线传感器网络的发展和国家的军事力量息息相关，甚至会发起一场军事革命，对未来战争发起变革[1]。

　　首代传感器的发展在上世纪 70 年代作用，传感器可以收集到简单的信息信号，并通过点对点的传输方式，和传感器的控制器相连接，逐渐形成传感器网络；第二代传感器网络可以根据信号的不同方式，同时收集到多种信息信号，并通过接口的方式和传统控制器进行连接，这样形成的传感器网络具备一定的综合性；形成具有综合信息的传感器网络；第三代传感器在上世纪末，具备一定的人工智能，同样可以同时收集多种信息信号，用现场总线的方式对设备之间进行连接，从而形成局域网结构，形成全新一代的智能化传感器网络；第四代传感 器网络目前正在进行研究，还没有一种产品可以进行普及推广。其主要原理是通过多个具备多项功能的传感器，通过自组织的方式利用无线进入网络中，并和控制器间产生联系，从而形成智能化的传感器网络。本文所讨论的就是基于这种技术原理下的第四代传感器网络。

　　2 目前主要研究领域和现状

　　在无线传感器网络结构的三个部分中，目前都有着明确的主攻方向。网络通信协议中所研究的主要是在数据链路层方面，对 MAC 协议和网络层路由协议进行研究；网络管理技术层主要是在数据收集的管理方面进行研究，将节能作为核心问题，确保节点信息的安全性；支撑技术层主要是为了保证节点的同步性，以及用户的应用接口进行研究。在其中，协议的研究和节能技术的实现之间有着一定的联系，彼此促进发展。

　　2.1 协议通信层研究

　　2.1.1 MAC 协议

　　在对MAC协议进行研究时，首个要解决的就是功耗的问题，在传感器网络中占到很大的比重。通过对目前传感器网络中的各个部分进行研究可以发现，功耗最大的部分是射频模块，也是目前主要的研究对象。而 MAC 协议负责对射频模块的管理，在降低功耗方面有着重要的作用。导致传感器节点无效功耗，主要有四个原因：

　　首先，是空闲侦听。某个节点对于其他节点信息传输的时间不明确，必须要确保频模块一直在运行中，产生了大量的无效能量，造成浪费，是最主要的原因；第二，冲突，区域中的节点在进行数据传输时，出现了多个节点同时向某个相同节点进行数据传输，导致数据接收时受到了干扰，难以接收到完整的信息，出现了无效的传输能量；第三，串扰。在数据传输的过程中，有时会经过某个无效节点，此节点中对信息进行处理所产生的能量就属于无效能耗；第四，控制开销。通过控制报文并无法对信息进行传输，因此消耗的能量也属于无效能量。

　　根据以上产生无效功耗的原因，目前所提出的解决方案中大多数都是通过“侦听/休眠”的方式对对象区域进行监控。

　　一旦无需节点进行工作时，节点会自动转变成休眠状态，减少空闲侦听的出现，降低功耗；在解决数据冲突和串扰方面，可以根据实际情况选择不同的方法，大致上可以分为三类：第一，使用时分复用。为每个节点的信息传输设置相应的固定信道；第二，使用频分复用或分码复用。对信道进行强制分配，保证数据传输时不会出现差错；第三，使用竞争机制。保证节点在传输时的单一性，不会被其他的节点所干扰。

　　2.1.2 路由协议

　　路由协议的主要功能是在传感器节点和Sink节点之间建立路由，确保两者之间可以进行数据的传输，不会受到过多干扰。由于传感器网络资源受到了一定程度上的限制，因此在对路由协议进行设计时，要注意路由协议中所涉及到的计算都应当较为简单，复杂的计算难以实施。在节点中不能存在过多的状态信息，节点之间不能交换过多的路由信息等。为了保证这几个任务，目前已有多种路由协议，这些路由协议的共性都是利用了无线传感器网络中具备的几项特点。第一，传感器节点搜索时使用的是数据属性，而不是通常的IP地址；第二，节点中所检测的大多数数据，最后都是传输到Sink节点上；第三，在节点所收集的数据中，存在着大量的冗余数据，路由协议能够对这些数据进行分析合并，从而减轻传感器的负担，降低功耗；第四，传感器节点的运行速度、存储空间、发射频率等能源都是有限的，因此要尽量节约资源。

　　路由协议基本上可以分为 4 类：以数据为中心的路由协议、基于簇的路由协议、基于位置的路由协议、基于数据流模型和服务质量要求的路由协议。

　　2.2 网络管理技术层

　　传感器网络中的大多数应用都需要感知数据的管理和处理技术。但是目前的研究领域中，相关的技术并不多，有大量的问题需要解决，也是目前网络管理技术层中需要解决的首要问题[3]。

　　传感器网络由大量的节点组成，而节点的正常工作需要建立在能量的基础上，所以在传感器网络的整个过程中，都应当将节能作为首要问题进行解决。各种协议的建立都需要将节能问题作为衡量标准之一，包括MAC协议、路由协议、数据处理、节点定位和时间同步等。节能的方式也有很多种，上文提到的休眠方式就是节能的方法之一。但是，大多数的节能还是在各个过程细节中实现，例如在路由中对能量进行精确的控制，在节点进行数据传输时，根据数据的特点对能量进行掌控，最大化的节省能量。并延长传感器网络的使用寿命。

　　传感器网络在军事领域、商业领域中有着重要的作用，因此安全问题也是其中重点之一。目前传感器网络的节点大多数是通过随机布置，导致网络的拓扑具备动态性，信道也不够稳定，传统的安全方法无法适应，因此要根据实际情况建立全新的安全措施。

　　2.3 网络支撑层

　　网络支撑层主要要解决节点定位和时间定位的问题。传感器网络中所获取到的数据必须要结合相应的位置信息，才能保证信息的有效性，因此节点定位是需要解决的一个重要问题。在进行问题研究时，要将三点作为原则：有一些节点具备了 GPS 功能，因此在定位时可以把这些节点作为参照物；节点布置一段时间后，可能能够自动搜寻到附近的相邻节点，并测量出彼此之间的距离；节点无法进行自主移动。目前 GPS 在多个领域已经普遍应用，但是由于需要投入大量资金，而且由于节点的环境问题，难以做到为每个节点配备 GPS 接受装置。

　　时间同步性上，目前的研究方向主要在两个方面：首先，目前的同步算法大多依赖于时间服务器和信道质量，要尽量减少依赖，保证误差值；第二，从节能方面，将节能作为同步算法的标准之一[4]。

　　3 结语

　　无线传感器网络技术在我国正处于起步阶段，在实际应用上还有很多不足。在研究时，将实用作为研究的首要原则，保证其信息的有效性和安全性，更好地促进未来无线传感器网络的发展。

　　参考文献：

　　[1] 宋宗峰. 无线传感器网络技术发展现状及趋势[J]数字技术与应用,2011(5):139-140-174.

　　[2] 丁杰. 新型高效协作式移动无线传感器网络技术研究[D].北京邮电大学,2012.

　　[3] 张伟. 面向精细农业的无线传感器网络关键技术研究[D]浙江大学,2013.

　　[4] 宫鹏. 无线传感器网络技术环境应用进展[J]. 遥感学报,2010(2):387-395作者简介：吕雪（1981-），女，湖北武汉人，硕士，讲师，研究方向为检测技术与自动化装置。