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。

yaozuodaomushiqianli，ertingbafangshirenleichangjiudemengxiang
，xiandaiweixingjishudechuxiansuiranshirenmenlizhemubiaoyoujinleyibu
，danweixinggaogaozaishang，dongchaquanjuzaixing，mingchaxiweijiubuguanyong 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、數(shu)據(ju)處(chu)理(li)單(dan)元(yuan)和(he)通(tong)信(xin)模(mo)塊(kuai)的(de)節(jie)點(dian)，各(ge)節(jie)點(dian)通(tong)過(guo)協(xie)議(yi)自(zi)組(zu)成(cheng)一(yi)個(ge)分(fen)布(bu)式(shi)網(wang)絡(luo)，再(zai)將(jiang)采(cai)集(ji)來(lai)的(de)數(shu)據(ju)通(tong)過(guo)優(you)化(hua)後(hou)經(jing)無(wu)線(xian)電(dian)波(bo)傳(chuan)輸(shu)給(gei)信(xin)息(xi)處(chu)理(li)中(zhong)心(xin)。因(yin)為(wei)節(jie)點(dian)的(de)數(shu)量(liang)巨(ju)大(da)
，而(er)且(qie)還(hai)處(chu)在(zai)隨(sui)時(shi)變(bian)化(hua)的(de)環(huan)境(jing)中(zhong)，這(zhe)就(jiu)使(shi)它(ta)有(you)著(zhe)不(bu)同(tong)於(yu)普(pu)通(tong)傳(chuan)感(gan)器(qi)網(wang)絡(luo)的(de)獨(du)特(te)“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。

qicishiwangluotuopudedongtaibianhuaxing。wangluozhongdejiedianshichuyubuduanbianhuadehuanjingzhong，tadezhuangtaiyezaixiangyingdifashengbianhua，jiazhiwuxiantongxinxindaodebuwendingxing，wangluotuopuyinciyezaibuduanditiaozhengbianhua
，erzhezhongbianhuafangshishiwurennengzhunqueyucechulaide。
disanshichuanshunenglideyouxianxing。wuxianchuanganqiwangluotongguowuxiandianbojinxingshujuchuanshu
，suiranshengqulebuxiandefannao
，danshixiangduiyuyouxianwangluo，didaikuanzechengweitadetianshengquexian。tongshi，xinhaozhijianhaicunzaixianghuganrao
，xinhaozishenyezaibuduandishuaijian
，zhurucilei。buguoyinweidangejiedianchuanshudeshujuliangbingbusuanda，zhegequedianhaishinengrenshoude。

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 xinhao
，dangdidajieshouduanshi，youtongguojietiaojishuhaiyuanchengyuanshixinhao。muqiancaiyongdetiaozhifangfafenweimonitiaozhiheshuzitiaozhiliangzhong。tamendequbiejiuzaiyutiaozhixinhaosuoyongdejidaixinhaodemoshibu 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：birunengliangshouxian

，tongxinfangshiyishujuweizhongxin，xianglinjiediandeshujuyouzhexiangsixing，tuopujiegouyezaibuduandebianhuadeng。yuciduiying

，changguiwangluodeluyoubingbuyidingnengshiyingwuxianchuanganqiwangluo。

下麵來介紹幾種常見的路由協議：
1 泛(fan)洪(hong)式(shi)路(lu)由(you)。這(zhe)是(shi)一(yi)種(zhong)非(fei)常(chang)傳(chuan)統(tong)的(de)路(lu)由(you)協(xie)議(yi)。泛(fan)洪(hong)式(shi)路(lu)由(you)不(bu)進(jin)行(xing)維(wei)護(hu)網(wang)絡(luo)拓(tuo)撲(pu)和(he)相(xiang)關(guan)路(lu)由(you)計(ji)算(suan)，隻(zhi)負(fu)責(ze)以(yi)廣(guang)播(bo)形(xing)式(shi)轉(zhuan)發(fa)數(shu)據(ju)包(bao)，因(yin)此(ci)效(xiao)率(lv)並(bing)不(bu)高(gao)。
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) mude。zheliyaojieshiyixiacu，cushifencengluyouxieyidegainian，genjufencengluyouxieyi，wangluobeihuafenchengbutongcu

，meiyigecuyouyigecushouhecuchengyuanzucheng，duogecushouxingchenggaojidewangluo
，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LEACH的de升sheng級ji版ban本ben。按an照zhao其qi規gui定ding，隻zhi有you最zui為wei鄰lin近jin的de節jie點dian才cai相xiang互hu通tong信xin，節jie點dian與yu彙hui聚ju點dian輪lun流liu通tong信xin，當dang所suo有you的de節jie點dian都dou與yu彙hui聚ju點dian通tong信xin後hou
，節jie點dian再zai進jin行xing新xin一yi回hui合he的de輪lun流liu通tong信xin。

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。
muqianzuichangshiyongdecelveshixiumianjizhi，jizaijiediankongxianshi，shiqichuyuxiumianzhuangtai
，cishiqinenghaojiangdaozuidi。danshixiumiandejiedianzaizhuanhuizhengchangzhuangtaideshihou，wangwanghuixiaohaodaliangdenengliang，yincixunzhaohelidezhuangtaizhuanhuancelveshiquebaoxiumianjizhichenggongdeguanjian。
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。