无线传感网络的研究综述与发展前景

　　摘要：无线传感器是一种具有传感功能与驱动控制能力、通信能力、计算能力的嵌入式设备。该文简要介绍了无线传感网络的结构、特点、协议层次及应用领域，并对其发展趋势与前景进行探讨。
　　关键词：无线传感网；结构；特点；协议层次；应用领域
　　中图分类号：TP393文献标识码：A文章编号：1009-3044（2013）33-7418-02
　　现代信息技术主要有三种[1]：传感器技术、通信技术和计算机技术，它们的目的是分别对信息进行采集、传输和处理。传感器网络正是将这三种技术融合在一起，从而对网络所能覆盖区域中的对象信息依次感知、采集、传输并处理，然后发送回给观察者。无线传感网（简称WSN）是物联网的重要组成部分，它能将物理世界和信息世界融合在一起，因此必将改变自然界和人类的互动方式。
　　当前，传感器网络技术正在逐渐发展成熟，但是从总体上来说还刚起步。正因为传感器网络技术的发展与进步对于整个人类乃至整个社会都具有重大的意义，所以对它的深入研究成为我们为之努力的动力源泉。
　　1无线传感网的原理
　　1.1无线传感网的概念
　　WSN是由部署在监测区域内的大量的体积小，成本低廉，具有无线通信、传感和数据处理能力的传感器节点所组成。并且每个传感器节点均有存储、传输和处理数据的能力。各节点之间可以通过无线网络相互交换信息，也可以将信息传送到远程端。
　　1.2无线传感网的结构
　　[2]无线传感网的常用结构为自组多跳网络。这种网络中的节点具有多种功能，如信息的处理、传感、无线通信等，所有节点均能通过多跳路由的方式连接到无线网关，然后完成与终端的通信过程，该过程是通过无线网关的方式实现的。由于传感器的传输距离有限，如果要实现传感信号无线接力，其节点的分布要均匀且密集，通过多跳路由的方式来将传感信号传送到汇聚点然后通过外部网络将数据发送到后端的处理系统。
　　1.3无线传感网络特点
　　1）基于应用的网络。无线传感网络是数据网络和无线网络的结合。相比于计算机网络而言，它更倾向于以数据为中心。无线传感网络的核心技术是数据管理与处理，无线传感器网络的核心对于观察者来说是感知数据而不是网络硬件。2）无线传感体积小，成本低廉，功耗低，性能方面和计算能力比通用的设备差。3）通信半径小，带宽很低。无线传感网络采用"多跳"来实现低功耗的目的。无线传感网中的节点只能在小范围内通信，所以必须通过其它节点进行路由实现，从而实现与外围监控终端或者网关的通信。4）传感器一般是使用电池来提供电力保障的，由于该网络使用的环境较复杂，同时每个节点的体积较小等因素，使用期间不能对电池充电或者通过后备电池来满足工作要求。当电池不能提供基本的能源保障的时候，该节点将失去和其他节点的通信，即节点死亡。在设计无线传感网络的时候需要考虑如何使电池的使用时间长一些。5）无线传感网络采用网状结构，网络中的所有节点都是相对独立的，其网络运行不会受到任何一个节点的制约。
　　2无线传感网络协议层次
　　2.1物理层
　　物理层是网络协议层次结构的最底层。它与有线网络的物理层不同，其设计方向主要是考虑无线通信频段的选择，无线传输机制和自适应技术。在无线网络中，通信频段都是用免费的频段，有100mW，200mW，1W等，采用正交频分复用（OFDM），直接序列扩频（DSSS），跳频扩频（FHSS），超宽带（UWB）等传输技术；无线网络中使用自适应技术有效控制误码率。
　　无线传感网络中物理层的节点设计采用以下两种方法来实现：（1）用现有的商业元器件（2）通过微机电系统和集成电路技术等来设计节点的传感器、MPU等。
　　2.2数据链路层
　　链路层位于物理层和网络层之间，该层主要是实现介质访问控制和差错控制。
　　介质访问控制（MAC）是解决信道的使用中谁可以使用的问题。无线传感网络中的MAC协议不仅要考虑能量使用的问题还要兼顾通信延时等问题。目前在此领域中主要是有基于竞争的MAC协议和基于调度的MAC协议。
　　差错控制首先要具备发现错误的能力，其次利用某种纠错技术将差错控制在允许的范围内，这就是差错控制的过程。差错控制的方法有很多，在无线传感网络中主要使用自动重发和前向纠错等技术。自动重发是接受方根据检错码对信息进行校验，如发现错误就发回一个重传请求，当发送方收到重传请求后，重新发送数据。前向纠错也称FEC，是提高数据可信度的一种方法。在单向数据通信中，在数据中加入额外的信息，然后将他们一起传送来进行错误恢复，接受端可以根据这些冗余信息对错误的数据进行纠正。
　　2.3网络层
　　网络层位于传输层和数据链路层之间，它在数据链路层提供的两个相邻端点之间的数据帧的传送基础上，管理传输中的数据通信。网络层主要是功能有数据分组和路由选择，在传感网络中路由选择和维护是至关重要的。
　　无线传感网络中的路由协议有两类，平面路由协议和分层路由协议。采用平面路由协议时，每个节点都是平等的，没有中心一说，使用洪泛协议和定向扩散协议来完成数据的中继。分层路由协议是将节点分成不同的簇，每个簇中有簇头和成员，其典型协议有LEACH协议和PEGASIS协议，两者都是有自己的簇，区别在于对能量的分配方式上有所不同，也可以说PEGASIS协议是在LEACH协议的基础上改进的。
　　3无线传感网络的应用领域
　　3.1军事领域
　　在现代化的战争中，战场信息的实时性能很大程度上影响战争的胜负。无线传感网络的主要特点是无中心和自组织性，若无线传感网络中的某个节点受到攻击而被损坏，也不会因此造成整个系统的崩溃。因此，无线传感网能很好地适应险恶的战争环境。
　　3.2医疗领域
　　无线传感网络在检测人体健康状况、生理数据及远程医疗等方面得到了广泛的应用。如在病人身上安置血压、温度等测量传感器，以方便医生实时并远程了解病人的情况。
　　3.3环境监控领域
　　环境污染的问题越来越严重，为了防止环境的恶化，需要加强这方面的关注。当无人值守时，也能够进行长期工作，在长期观察环境变化方面也起到非常重要的作用。除此之外，传感网络为野外数据的采集提供了便利，如跟踪候鸟、昆虫的迁徙等。
　　3.4农业领域
　　可用于检测农作物灌溉情况、家禽的环境状况检测等。在精细农业中，监测农作物中的害虫及土壤的施肥情况等。在待测区域，可以安装不同功能的传感器并且组成网络，长时间大面积地监测温度、湿度、降雨量等，从而进行科学的分析和预测，帮助农民提高农作物的产量。
　　3.5工业领域
　　在工业领域，有毒物质、易燃、易爆物的监测成本很高，针对这种情况，无线传感网络解决了这一难题，并且提高了精度和速度。
　　家居方面，实现了家庭生活的自动化与智能化，为居住者提供了更多的便利。建筑领域，通过无线传感网，使得安装了无线传感网络的智能建筑自动告知管理部门它们的状态信息，从而使得管理部门按照优先级进行定期的维修工作。
　　4总结
　　无线传感网络是一门融合了传统学科与新兴学科的交叉性学科。由于无线传感网络具有独特性，并且资源配置方面及硬件投入使得无法使用成熟的通用协议，所以目前无线传感网络还是主要研究路由协议和MAC协议等。
　　无线传感网络在信息科学发展方向上发展迅速，其发展前景与人们的生活方式密切相关，故在各个领域都有深远的影响。
　　参考文献：
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　　[4]王卫平.浅谈无线传感网络的研究现状与发展趋势[J].科技世界，2012（10）.