无线传感器网络技术论文

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　　摘要：

　　传感器，即能够感受物体属性参数的元器件，这一概念对于普通人来说并不陌生和新鲜，然而随着IT和无线通信技术的快速发展，其测量系统的组成已发展到智能化和网络化。上世纪70年代，是模拟控制和显示器时代，传感器测量参数只能实现所谓的点对点传输，即多个参数的测控需要多个显示/控制器，这样的通信网只能说是传感器测量网络的雏形;80年代采用微处理器串/并接口(ＲS-232、ＲS-485等)与传感器连接，而构成具有信息综合处理能力的传感器网络;90年代至21世纪初采用现场总线连接传感器构成局域网，产生有线连接的智能传感器网络;至目前为止无线传感器网络(Wireless Sensor Networks，WSN)已成为业界讨论和研究的热点。它是随着无线通信技术与网络技术、嵌入式计算机技术、分布式信息处理技术等发展，应运而生的。

　　时下，物联网(Internet of things，IOT)产业及技术如雨后春笋般蓬勃发展，作为其最底层的最基本的也是最重要的最关键的WSN网络的性能好坏和功能强弱显得尤为突出。应用中，WSN是由众多功能相同或者不同的传感器节点组成，并把它们科学地分布于被监测区域，各节点间自组织形成无线网络(一般多采用Zigbee协议)，采用多条链路进行数据传送，最终把各类属性测量数据(如温/湿度、烟雾浓度、物体移动等)汇聚和融合处理后经网关与外网联结，到达用户终端(电脑、手机等)，给用户提供安全正常的信息，或者危险的非正常的信息，以便进行及时干预。

　　1、对WSN的约束条件及性能要求

　　实际应用中各个传感器节点多数是分布于无人区、野外、甚至是军事区和剧毒、易腐蚀、爆炸等恶劣环境中，因此有以下约束限制:

　　1)自带电源提供能量，如钮扣电池、蓄电池、太阳能电池等;

　　2)安装要隐蔽。要求节点的体积小、外壳设计要防水、防氧化，甚至有抗爆能力;

　　3)无线通信距离不能太远，一般限制在几米至几十米，以节省能量。同时在一定范围内能预防监听、恶意路由、病毒攻击等］;

　　4)自身携带的嵌入式系统功耗要小、速度要快、数据处理能力要强等。基于以上约束条件，有以下关键性能指标要求:

　　1)网络的工作寿命。在外壳设计满足环境的要求下，影响寿命的主要因素就是电源供给和能耗。在自身携带电池的情况下，一个平均能耗足够低的WSN网络，能源储备要维持数年才是。WSN中能耗最大的器件是无线接收/发送器，设计时可以降低其工作频率和输出功率、采取间隙工作方式等;

　　2)网络覆盖范围。由节点的通信距离和节点数决定，但节点数过多时能耗加大，且数据的采样速率会降低而受到牵制;

　　3)网络安全机制。在各个协议层要有保密、点到点消息认证、完整性鉴别、时效性、认证组播和广播等要求;

　　4)网络响应时间。多数的WSN对响应时间无严格要求，但在安全监测和工业控制中，该指标显得尤为重要;

　　5)测量精度。说到底，WSN其本质仍是一个计算机测量与监督控制系统，在哪些场所对所测的数据精度要求高或者低，是不言自明的。

　　2、WSN中的路由技术

　　与传统无线网络不同，WSN的主要任务是传送数据(以数据传送为中心)。路由技术主要负责将数据从源节点通过网络转发至目标节点，每个节点都可以充当路由角色。并起着监控网络拓扑结构变化、建立、维护和删除节点路由的任务。本小节主要阐述WSN的网络拓扑结构和路由技术。

　　2.1传感器节点拓扑结构

　　WSN的组成包括分布式传感器节点、无线接收/发送器、外部网络和用户终端/接口操作界面。应用中，众多的传感器节点网常以平面和聚类分层拓扑结构进行路由驱动和数据传送。平面结构的拓扑网络适合规模较小的节点网，如家庭、办公室、实验室等场所，其结构简单、容错性好，但是每个节点需要维护庞大的路由记录，在此不再赘述。当网络节点规模较大时，就需要采用聚类分层结构。聚类分层是把同一类型的传感器节点划分为一层，叫做簇。每个簇群中有一个节点称为簇群头，其负责簇群内所有成员所采集信息的收集、融合处理和簇头间的数据转发，起着汇聚节点的作用;在网外，可作为中继或网关与用户终端相连。整个网络由若干簇组成，而各个簇头之间的通信又构成高一级的簇群网络。簇头的产生可以预定，也可以由节点使用分簇算法自动选举产生，以增强网络的容错性。当簇头确定好之后，簇成员的任务就简单了，不需要维护大量的复杂的路由信息，而使网络具有很好的扩展性。