淺談無線傳感器網絡
要做到目視千里，耳聽八方是人類長久的夢想，現代衛星技術的出現雖然使人們離這目標又進了一步，但衛星高高在上，洞察全局在行，明察細微就不管用 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。
軍用轉民用的典范
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）于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。從那以后，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，還有用于研究機構二次開發的MoteWorkTM開發平臺。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、數據分布網絡和控制管理中心三部分組成的。其主要組成部分是集成有傳感器、數據處理單元和通信模塊的節點，各節點通過協議自組成一個分布式網絡，再將采集來的數據通過優化后經無線電波傳輸給信息處理中心。
因為節點的數量巨大，而且還處在隨時變化的環境中，這就使它有著不同于普通傳感器網絡的獨特“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，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。
其次是網絡拓撲的動態變化性。網絡中的節點是處于不斷變化的環境中，它的狀態也在相應地發生變化，加之無線通信信道的不穩定性，網絡拓撲因此也在不斷地調整變化，而這種變化方式是無人能準確預測出來的。
第三是傳輸能力的有限性。無線傳感器網絡通過無線電波進行數據傳輸，雖然省去了布線的煩惱，但是相對于有線網絡，低帶寬則成為它的天生缺陷。同時，信號之間還存在相互干擾，信號自身也在不斷地衰減，諸如此類。不過因為單個節點傳輸的數據量并不算大，這個缺點還是能忍受的。
第四是能量的限制。為了測量真實世界的具體值，各個節點會密集地分布于待測區域內，人工補充能量的方法已經不再適用。每個節點都要儲備可供長期使用的能量，或者自己從外汲取能量（太陽能）。
第五是安全性的問題。無線信道、有限的能量，分布式控制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。
下面，我們將會從幾個方面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系統互聯，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、調制技術以及擴頻技術。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制技術變成高頻 信號，當抵達接受端時，又通過解調技術還原成原始信號。目前采用的調制方法分為模擬調制和數字調制兩種。它們的區別就在于調制信號所用的基帶信號的模式不 同而已（一為數字，一為模擬）。
信號僅經過調制是不行的，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：增強了抗干擾能力，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。
在物理層面上，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，適用于高吞吐量、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，適用于低速率、高靈敏度和大覆蓋面積的場合。
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制，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鐘的可靠通信。
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系統的能耗最低。
● 路由
在具備底層傳輸協議的保障后，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。數據傳輸的途徑存于路由表，由路由算法初始化并負責維護。
無線傳感器網絡與普通的網絡不同，它有自己的特點：比如能量受限，通信方式以數 據為中心，相鄰節點的數據有著相似性，拓撲結構也在不斷的變化等。與此對應，常規網絡的路由并不一定能適應無線傳感器網絡。
下面來介紹幾種常見的路由協議：
1 、泛洪式路由。這是一種非常傳統的路由協議。泛洪式路由不進行維護網絡拓撲和相關路由計算，只負責以廣播形式轉發數據包，因此效率并不高。
2、 SPIN。SPIN是一組基于協商并且具有能量自適應功能的協議。節點之間通過協商來確定是否有發送信號的必要，并實時監控網絡中的能量負載來改變工作模式。以上兩種協議都是平面路由協議，依照這種協議，節點并不進行分區歸類。
3、 LEACH。LEACH是一種分層網絡協議，它以循環的方式隨機選擇簇首節點，將全網絡的能量負載平均分配到每個傳感器節點，從而達到降低網絡能源消耗的 目的。這里要解釋一下簇，簇是分層路由協議的概念，根據分層路由協議，網絡被劃分成不同簇，每一個簇由一個簇首和簇成員組成，多個簇首形成高級的網絡，簇 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的升級版本。按照其規定，只有最為鄰近的節點才相互通信，節點與匯聚點輪流通信，當所有的節點都與匯聚點通信后，節點再進行新一回合的輪流通信。
● 能量管理
能耗是無線傳感器網絡所面臨的最大問題，因為節點長期處于無人值守的狀況下，有效的能耗策略必不可少。
目前最常使用的策略是休眠機制，即在節點空閑時，使其處于休眠狀態，此時其能耗降到最低。但是休眠的節點在轉回正常狀態的時候，往往會消耗大量的能量，因此尋找合理的狀態轉換策略是確保休眠機制成功的關鍵。
數據融合是另一項節能技術。多個鄰近節點經常會采集同樣的信息，發送這些冗余信息就給系統增加了不必要的負擔。因此，通過本地計算和篩選，確保發送出最有效的信息就是數據融合的任務。
其他能量管理策略還有沖突避免和糾錯以及多跳短距離通信，這里不再一一敘述。
● 軟件的支持
無線傳感器網絡也有一個屬于自己的操作系統—TinyOS。這個系統不同于傳統意義上的操作系統，它更像一個編程構架，在此構架下，搭配一組必要的組件，就能方便地編譯出面向特定應用的操作系統。
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、通信組件和硬件抽象組件。每一個組件在其內部都封裝了命令處理程序和事件處理程序，它們通過接口聲明所調用的命令和將要觸發的事件。調度器則負責根據任務的輕重緩急來安排系統的工作。
Crossbow公司生產的MICA傳感器平臺上就使用了TinyOS系統。實踐證明，其基本應用只占用很少的系統資源，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。基于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系列處理器/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，通信范圍可達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。
相對于終端節點，商用無線傳感器網絡系統并不算多。Crossbow的MEP系列就是其 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。該系統包括了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。整個系統采用了TrueMeshTM拓撲結構，非常便于用戶安裝和使用。類似的產品還有Microstrain公司的X-Link 測量系統等。
從應用的情況來看，北美的狀況最好，在樓宇自動化、環境監控等方面，無線傳感器網絡已經開始大展拳腳。但對于中國來說，市場還處于起步階段，產品應 用最多的場合一般是科研機關和大學，多為研究之用。不過，根據相關公司的預測，離無線傳感器網絡市場起飛的時間也不會太遠了。只要這個新技術被社會普遍接 受，市場就會以驚人的速度來擴張。
后記
本文介紹的都是一些常見的無線傳感器網絡的概念。實際上，要想論述這個新興技術的全貌，不用一本專著的篇幅是不夠的。這個融合了通信、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。
軍用轉民用的典范
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）于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。從那以后，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，還有用于研究機構二次開發的MoteWorkTM開發平臺。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、數據分布網絡和控制管理中心三部分組成的。其主要組成部分是集成有傳感器、數據處理單元和通信模塊的節點，各節點通過協議自組成一個分布式網絡，再將采集來的數據通過優化后經無線電波傳輸給信息處理中心。
因為節點的數量巨大，而且還處在隨時變化的環境中，這就使它有著不同于普通傳感器網絡的獨特“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，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。
其次是網絡拓撲的動態變化性。網絡中的節點是處于不斷變化的環境中，它的狀態也在相應地發生變化，加之無線通信信道的不穩定性，網絡拓撲因此也在不斷地調整變化，而這種變化方式是無人能準確預測出來的。
第三是傳輸能力的有限性。無線傳感器網絡通過無線電波進行數據傳輸，雖然省去了布線的煩惱，但是相對于有線網絡，低帶寬則成為它的天生缺陷。同時，信號之間還存在相互干擾，信號自身也在不斷地衰減，諸如此類。不過因為單個節點傳輸的數據量并不算大，這個缺點還是能忍受的。
第四是能量的限制。為了測量真實世界的具體值，各個節點會密集地分布于待測區域內，人工補充能量的方法已經不再適用。每個節點都要儲備可供長期使用的能量，或者自己從外汲取能量（太陽能）。
第五是安全性的問題。無線信道、有限的能量，分布式控制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。
下面，我們將會從幾個方面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系統互聯，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、調制技術以及擴頻技術。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制技術變成高頻 信號，當抵達接受端時，又通過解調技術還原成原始信號。目前采用的調制方法分為模擬調制和數字調制兩種。它們的區別就在于調制信號所用的基帶信號的模式不 同而已（一為數字，一為模擬）。
信號僅經過調制是不行的，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：增強了抗干擾能力，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。
在物理層面上，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，適用于高吞吐量、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，適用于低速率、高靈敏度和大覆蓋面積的場合。
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制，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鐘的可靠通信。
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系統的能耗最低。
● 路由
在具備底層傳輸協議的保障后，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。數據傳輸的途徑存于路由表，由路由算法初始化并負責維護。
無線傳感器網絡與普通的網絡不同，它有自己的特點：比如能量受限，通信方式以數 據為中心，相鄰節點的數據有著相似性，拓撲結構也在不斷的變化等。與此對應，常規網絡的路由并不一定能適應無線傳感器網絡。
下面來介紹幾種常見的路由協議：
1 、泛洪式路由。這是一種非常傳統的路由協議。泛洪式路由不進行維護網絡拓撲和相關路由計算，只負責以廣播形式轉發數據包，因此效率并不高。
2、 SPIN。SPIN是一組基于協商并且具有能量自適應功能的協議。節點之間通過協商來確定是否有發送信號的必要，并實時監控網絡中的能量負載來改變工作模式。以上兩種協議都是平面路由協議，依照這種協議，節點并不進行分區歸類。
3、 LEACH。LEACH是一種分層網絡協議，它以循環的方式隨機選擇簇首節點，將全網絡的能量負載平均分配到每個傳感器節點，從而達到降低網絡能源消耗的 目的。這里要解釋一下簇，簇是分層路由協議的概念，根據分層路由協議，網絡被劃分成不同簇，每一個簇由一個簇首和簇成員組成，多個簇首形成高級的網絡，簇 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的升級版本。按照其規定，只有最為鄰近的節點才相互通信，節點與匯聚點輪流通信，當所有的節點都與匯聚點通信后，節點再進行新一回合的輪流通信。
● 能量管理
能耗是無線傳感器網絡所面臨的最大問題，因為節點長期處于無人值守的狀況下，有效的能耗策略必不可少。
目前最常使用的策略是休眠機制，即在節點空閑時，使其處于休眠狀態，此時其能耗降到最低。但是休眠的節點在轉回正常狀態的時候，往往會消耗大量的能量，因此尋找合理的狀態轉換策略是確保休眠機制成功的關鍵。
數據融合是另一項節能技術。多個鄰近節點經常會采集同樣的信息，發送這些冗余信息就給系統增加了不必要的負擔。因此，通過本地計算和篩選，確保發送出最有效的信息就是數據融合的任務。
其他能量管理策略還有沖突避免和糾錯以及多跳短距離通信，這里不再一一敘述。
● 軟件的支持
無線傳感器網絡也有一個屬于自己的操作系統—TinyOS。這個系統不同于傳統意義上的操作系統，它更像一個編程構架，在此構架下，搭配一組必要的組件，就能方便地編譯出面向特定應用的操作系統。
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、通信組件和硬件抽象組件。每一個組件在其內部都封裝了命令處理程序和事件處理程序，它們通過接口聲明所調用的命令和將要觸發的事件。調度器則負責根據任務的輕重緩急來安排系統的工作。
Crossbow公司生產的MICA傳感器平臺上就使用了TinyOS系統。實踐證明，其基本應用只占用很少的系統資源，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。基于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系列處理器/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，通信范圍可達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。
相對于終端節點，商用無線傳感器網絡系統并不算多。Crossbow的MEP系列就是其 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。該系統包括了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。整個系統采用了TrueMeshTM拓撲結構，非常便于用戶安裝和使用。類似的產品還有Microstrain公司的X-Link 測量系統等。
從應用的情況來看，北美的狀況最好，在樓宇自動化、環境監控等方面，無線傳感器網絡已經開始大展拳腳。但對于中國來說，市場還處于起步階段，產品應 用最多的場合一般是科研機關和大學，多為研究之用。不過，根據相關公司的預測，離無線傳感器網絡市場起飛的時間也不會太遠了。只要這個新技術被社會普遍接 受，市場就會以驚人的速度來擴張。
后記
本文介紹的都是一些常見的無線傳感器網絡的概念。實際上，要想論述這個新興技術的全貌，不用一本專著的篇幅是不夠的。這個融合了通信、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。
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