无线传感器网络概念基础

    无线传感器网络的构想最初是由美国军方提出的，美国国防部高级研究所计划署(DARPA)于1978年开始资助卡耐基-梅隆大学进行分布式传感器网 络的研究，这被看成是无线传感器网络的雏形。从那以后，类似的项目在全美高校间广泛展开，著名的有UC Berkeley的Smart DuST项目，UCLA的WINS项目，以及多所机构联合攻关的SensIT计划，等等。在这些项目取得进展的同时，其应用也从军用转向民用。在森林火 灾、洪水监测之类的环境应用中，在人体生理数据监测、药品管理之类的医疗应用中，在家庭环境的智能化应用以及商务应用中都已出现了它的身影。目下，无线传 感器网络的商业化应用也已逐步兴起。美国Crossbow公司就利用SMArt Dust项目的成果开发出了名 为Mote的智能传感器节点，还有用于研究机构二次开发的MoteWorkTM开发平台。这些产品都很受使用者的欢迎。

    组成和特点

    无线传感器网络可以看成是由数据获取网络、数据分布网络和控制管理中心三部分组成的。其主要组成部分是集成有传感器、数据处理单元和通信模块的节点，各节点通过协议自组成一个分布式网络，再将采集来的数据通过优化后经无线电波传输给信息处理中心。

    因为节点的数量巨大，而且还处在随时变化的环境中，这就使它有着不同于普通传感器网络的独特“个性”。首先是无中心和自组网特性。在无线传感器网络 中，所有节点的地位都是平等的，没有预先指定的中心，各节点通过分布式算法来相互协调，在无人值守的情况下，节点就能自动组织起一个测量网络。而正因为没 有中心，网络便不会因为单个节点的脱离而受到损害。

    其次是网络拓扑的动态变化性。网络中的节点是处于不断变化的环境中，它的状态也在相应地发生变化，加之无线通信信道的不稳定性，网络拓扑因此也在不断地调整变化，而这种变化方式是无人能准确预测出来的。

    第三是传输能力的有限性。无线传感器网络通过无线电波进行数据传输，虽然省去了布线的烦恼，但是相对于有线网络，低带宽则成为它的天生缺陷。同时，信号之间还存在相互干扰，信号自身也在不断地衰减，诸如此类。不过因为单个节点传输的数据量并不算大，这个缺点还是能忍受的。

    第四是能量的限制。为了测量真实世界的具体值，各个节点会密集地分布于待测区域内，人工补充能量的方法已经不再适用。每个节点都要储备可供长期使用的能量，或者自己从外汲取能量(太阳能)。

    第五是安全性的问题。无线信道、有限的能量，分布式控制都使得无线传感器网络更容易受到攻击。被动窃听、主动入侵、拒绝服务则是这些攻击的常见方式。因此，安全性在网络的设计中至关重要。

    下面，我们将会从几个方面来具体地介绍无线传感器网络。

    ● 物理层技术

    无线传感器网络是一个开放系统互联，按照国际标准化组织(ISO)的规定，为数据流传输所需的物理连接的建立、维护和释放提供的机械的、电气的、功 能和规程性的模块就叫做物理层。从这个定义可以看出，物理层需要承担为数据终端提供数据传输通路、传输数据和完成管理工作的职责。具体到无线传感器网络就 是介质的选择、频段的选择、调制技术以及扩频技术。因为是无线网络，传输介质自然要选电磁波了。不过，源信号要依靠电磁波传输必需要通过调制技术变成高频 信号，当抵达接受端时，又通过解调技术还原成原始信号。目前采用的调制方法分为模拟调制和数字调制两种。它们的区别就在于调制信号所用的基带信号的模式不 同而已(一为数字，一为模拟)。

    信号仅经过调制是不行的，还需要进行扩频。扩频，顾名思义，就是将待传输数据进行频谱扩展的技术。它的好处是：增强了抗干扰能力，可进行多地址通信，保密性提高。常见的扩频技术包括直接序列扩频、跳频、跳时以及线性调频。

    在物理层面上，无线传感器网络遵从的主要是IEEE 802.15.4标准。依照此标准，物理层主要进行如下工作：激活和去活无线收发器，检测当前信道的能量，发送指示，信道频率的选择，数据发送与接收。

    IEEE 802.15.4标准规划了几个工作频段。其中，2.4GHz频段的物理层可提供250Kb/s的数据传输率，适用于高吞吐量、低延时或低作业周期的场 合;工作在869/915MHz频段的物理层则能提供20Kb/s的数据传输率，适用于低速率、高灵敏度和大覆盖面积的场合。

    依据IEEE 802.15.4标准的协议被称为Zigbe e，其传输带宽虽然没有Wi-Fi和Blue Tooth大，但是能耗较低，非常适合无线传感器网络。

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