传感器网络与技术

我国《信息产业科技发展“十一五”计划和2020年中长期规划（纲要）》中将“智能信息处理和物与物通信网络技术”确定为网络与通信领域11个主要技术领域之一，并将之确定为我国需要重点突破的核心技术，其发展目标包括“重视RFIＤ、传感器网络等物与物通信网络技术的研发，形成自主知识产权的核心技术和产品，打造完善的产业链；推广RFID、传感器网络技术在全社会的应用，形成一大批有示范效应的应用范例，为无处不在、人与物共享的网络应用奠定基础”。

本文重点介绍传感器网络的定义、结构、研究意义和关键技术，以期让读者对传感器网络及其关键技术建立初步、较为清晰的概念。

1、传感器网络的定义与网络结构

随着近年来通信网络技术、嵌入式计算技术、LAN、微电子技术和传感器技术的飞速发展和日益成熟，使得制造大量体积小、功耗低同时具有感知能力、计算能力和通信能力等多种功能的微型传感器成为了可能，这些传感器可以感知周围的环境，并对数据进行一定的处理，同时可以通过无线通信部件进行相互通信。传感器网络就是由许多这种传感器节点协同组织起来的。

所谓传感器网络是由大量部署在作用区域内的、具有无线通信与计算能力的微小传感器节点通过自组织方式构成的能根据环境自主完成指定任务的分布式智能化网络系统。传感网络的节点间距离很短，一般采用多跳（multi-hop）的无线通信方式进行通信。传感器网络可以在独立的环境下运行，也可以通过网关连接到Internet，使用户可以远程访问。

传感器网络综合了传感器技术、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，能够通过各类集成化的微型传感器协作地实时监测、感知和采集各种环境或监测对象的信息，通过嵌入式系统对信息进行处理，并通过随机自组织无线通信网络以多跳中继方式将所感知信息传送到用户终端。从而真正实现“无处不在的计算”理念。

传感器网络节点的组成和功能包括如下四个基本单元：传感单元（由传感器和模数转换功能模块组成）、处理单元（由嵌入式系统构成，包括CPU、存储器、嵌入式操作系统等）、通信单元（由无线通信模块组成）、以及电源部分，如图1所示。此外，可以选择的其它功能单元包括：定位系统、运动系统以及发电装置等。

图1　传感器网络节点的基本结构示意图

在传感器网络中，节点通过各种方式大量部署在被感知对象内部或者附近。这些节点通过自组织方式构成无线网络，以协作的方式感知、采集和处理网络覆盖区域中特定的信息，可以实现对任意地点信息在任意时间的采集，处理和分析。一个典型的传感器网络的结构包括分布式传感器节点（群）、sink节点、互联网和用户界面等，如图2所示。

传感节点之间可以相互通信，自己组织成网并通过多跳的方式连接至Sink（基站节点），Sink节点收到数据后，通过网关（Gateway）完成和公用Internet网络的连接。整个系统通过任务管理器来管理和控制这个系统。传感器网络的特性使得其有着非常广泛的应用前景，其无处不在的特点使其在不远的未来成为我们生活中不可缺少的一部分。

2、研究传感器网络的重要意义

传感器网络是当前国际上备受关注的、由多学科高度交叉的新兴前沿研究热点领域，是信息感知和采集的一场革命，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深远影响。2003年2月份的美国《技术评论》杂志《Technology Review》）评出对人类未来生活产生深远影响的十大新兴技术，传感器网络被列为第一。美国商业周刊认为，传感器网络是全球未来四大高技术产业之一。近几年来在美国国防部高级规划署（DARPA）、美国自然科学基金委员会和其它军事部门的资助下，美国科学家正在对无线传感器网络所涉及的各个方面进行了深入的研究。

传感器网络作为“无处不在”思想衍生的产物，可以被广泛地应用在国防军事、环境监测、交通管理、医疗卫生、制造业、抗灾抢险等领域，拥有巨大的应用价值。从目前国外的研究进展来看，虽然传感器网络的应用前景十分美好，但由于仍然面临很多技术难题，还不能走向广泛应用。美国很早就开始这方面的研究，但直到近几年，这方面的研究活动才在各大学及研究所蓬勃开展起来。美国政府也斥巨资支持这方面的研究。在2003年度的自然科学基金自主的专题中，便有一个是传感器与传感器系统及网络，拨款额度达到三千四百万美元。美国国防部在这方面的投入更为巨大。在其它国家和地区，如欧洲、日本、澳大利亚也开展了不少关于传感器及传感器网络的研究工作。

国内当前对传感器网络的研究才刚刚起步，还处在概念、理论和技术跟踪研究的初级阶段，研究的范围也主要是在高校和研究所范围内。但是由于传感器网络是一个新兴技术，国内与国际水平的差距并不很大，及时开展这项对人类未来生活影响深远的前沿科技的研究，对整个国家的社会、经济将有重大的战略意义。

根据当前国内外传感器网络研究和应用的现状，“十一五”期间我国传感器网络的发展重点应主要包括如下几点：

密切跟踪国际研究进展，积极推进我国传感器网络研究的深度和广度；

鼓励创新性研究，实施知识产权和技术标准战略；

传感器网络作为电子标签（RFID）技术应用的高级阶段，“十一五”期间我国应重点推广RFID技术在全社会的应用，制定相关标准，形成一大批有示范效应的RFID应用范例，为无处不在的传感器网络的应用打好基础。

3、传感器网络涉及的关键技术

无线传感器网络因为其特殊的应用环境，具有如下特性和要求：

——网络节点数量大，密度高；

——节点的电池能量、计算能力和存储容量严格受限；

——节点易损坏，网络拓扑结构频繁变化；

——以数据为中心（Data centric）的自组织路由协议要求；

——要求网络自动配置、自动识别节点、自动管理和高度的协作性；

——节点间多使用广播通信，而非点对点通信；

——节点成本要求很低。

无线传感器网络作为一种独立出现的通信网络，它的基本组成单位是节点，传统的通信网络技术中业已成熟的解决方案可以借鉴到无线传感器网络中来。但是由于无线传感器网络自身的特点：无线传感器网络是能量受制的自组织网络；由于其工作的环境与条件，传感器网络的与传统的网络有非常大的不同，所以设计传感器网络时要考虑到更多因素对传感器网络的影响。

无线传感器网络与传统的无线网络（如WLAN和蜂窝移动电话网络）有着不同的技术要求。传统的无线网络在高度移动的环境中通过优化路由和资源管理策略最大化带宽的利用率，同时为用户提供一定的服务质量保证，它们的主要目的是提供好的QoS和大的带宽。在无线传感器网络中，除了少数节点需要移动以外，大部分节点都是静止的；另外节点能源无法替代，需要尽量节省能量，以便保证网络的连通性和延长网络运行寿命。因此提高能量效率、研究和开发有效的实用的无线传感器网络结构、开发专用的通信协议和路由算法、设计有效的策略延长网络的生命周期成为目前无线传感器网络研究的核心课题。

尽量灵敏的传感器，尽量简易的信号收发，尽量节省的信息处理和尽量持久使用的电源，是实现无线传感器终端的技术关键。

其中，尽量持久使用的电源技术，涉及高能电池；电池无线充电技术是特别引入关注和可能发展的方向。另外，极低功耗传感收发技术，要能省电，要自适应休眠和唤醒，要突发工作。

无线传感器网络的网络结构是组织无线传感器的成网技术，有多种形态和方式：无线传感器网络的集中式结构类似移动通信的蜂窝结构，集中管理；无线传感器网络的分布式结构，类似Ad Hoc网络结构，可自组织网络接入连接，分布管理；无线传感器网络的网状式结构，类似Mesh网络结构，网状分布连接和管理。无线传感器节点经多跳转发，通过网关接入网络，在网络的任务管理节点对传感信息进行管理、分类、处理，再把传感信息送给应用用户使用。研究和开发有效、实用的无线传感器网络结构，为构建无线传感器网络奠定技术基础，十分重要。

无线传感器网络对协议结构的期待是：尽量简化协议层次，尽量简练信令方式，尽量利用广播信息，尽量避免交互应答。用简洁的协议栈支持无线传感器网络的有效运行。其中，区域覆盖和路由协议很重要，到处存在的接入可能，节省系统开销的路由选择，有向扩散的路由协议，都是值得研究开发的。极大量无线传感器终端的识别和管理、极大量采集数据的集中处理和应用，也是无线传感器网络面临的值得解决的课题。

在无线传感器网络空中接口技术方面，目前已经进行了多年研究，其对象模型和数字接口已形成IEEE　1451。该标准正进一步扩展，提供基于多种射频的无线传感器网络，相关标准草案1451.5正在起草中。传感器网络之间的通信协议可采用IEEE 802.15系列的技术来承载，其中Zigbee（IEEE 802.15.4）技术被认为是较为适合的无线技术。

4、结束语

传感器网络是一个新的研究热点，此技术有着非常广泛的应用前景。目前，人们对其特点的认识也越来越清晰，技术的发展也使得传感器网络实用化也成为了可能，但是，对传感器网络的研究远没有得到完备。相信在产业界与学术界共同努力下，随着嵌入式系统、无线电技术、半导体技术的不断发展，传感器网络真正在现实中得到应用，未来，我们生活中存在着一个无所不在的网络并不是遥远的梦想。