用于监视和控制的基于传感器网络并非新概念，现有技术可实现有线和专有无线系统。由于有线方案廉价又简便，因而得以广泛使用；无线方案，与之相对，仅限用于一些特定的应用。
如今，采用仅需极少功耗的设计，可使开发这些类型的无线系统成为可能。新一代无线网络可依靠其电池工作更长时间，并且在应用的生命周期中仅需很少或者根本无须维护。未来，能量收集甚至可以提供所需能源，而不再需要电池。
本文将着重介绍新一代嵌入式单片机所具有的各种超低功耗控制功能，以及工程师如何利用这些功能延长无线传感器节点中电池的预期寿命。
功耗管理功能
那么，什么是“低功耗”呢?在继续之前，让我们首先讨论一些术语。“能量”与所做功的总量相关，而“功率”测量的是做功的速率(单位时间使用的能量)。在电子学中，能量=功率×时间，功率=电压×电流。因而，我们所要关注的关键系统参数为电压、电流和时间。具体来说，就是应用在多大电压下运行，要消耗多少电流，以及要运行多久?
从单片机的角度来研究这一问题，我们首先需要探讨新型单片机的各种功耗模式。
1 功耗模式
根据处理需求，应用具有一组显著不同的预设工作模式。嵌入式单片机可利用其众多外设中的一个来采样周围环境的信号。在外设收集到一定数量的采样之前，单片机可能无其他事要做。那么，单片机可能会在每次数据采样之间“休眠”或进入超低功耗待机模式。一旦应用程序读到了足够多的数据采样，单片机即可轻松切换至“全速运行”模式，此时单片机被唤醒并以最大工作速度运行。
单片机通常会接收到某种类型的唤醒事件，才会从各种低功耗模式中退出。唤醒事件可由诸如I／O引脚电平翻转等外部激励信号或诸如定时器外设产生的中断事件等内部处理器活动触发。单片机所支持的具体功耗模式有所不同，但通常各种功耗模式总有一些共同点。典型的功耗模式如下：
・“始终运行”模式
・“休眠”或“待机”模式，此时保持对存储器供电
・“深睡”或“深度休眠”模式，此时存储器断电，以最大程度节省功耗。
2 “始终运行”模式
“始终运行”模式嵌入式系统由持续供电且处于运行状态的器件构成。这些系统的平均功耗需求极有可能在亚毫安范围内，从而直接限制了单片机所能达到的处理性能。幸运的是，新一代嵌入式单片机具有动态控制其时钟切换频率的功能，因为在无须较高计算能力的情况下，有助于减少工作电流消耗。
3 待机模式
在“待机”模式下，系统工作或处于低功耗非活动模式。在这些系统中，工作和待机电流消耗都非常重要。在大多数待机模式系统中，由于保持对单片机存储器通电，虽然电流消耗显著减少，但仍可保持所有的内部状态及存储器内容。此外，可在数秒内唤醒单片机。通常，此类系统在大多数时间处于低功耗模式，但仍需具备快速启动能力来捕捉外部或对时间要求极高的事件。保持对存储器的供电有助于保持软件参数完整性以及应用程序软件的当前状态。从功耗模式退出的典型启动时间通常在5～10μs范围内。
4 深度休眠模式
在深度休眠或“深睡”模式系统中，系统全速运行或处于可大幅节省功耗的“深度休眠”模式。由于该模式通过完全关断嵌入式单片机内核(包括片上存储器)来最大程度节省能耗，因而尤为引人注目。由于在该模式下存储器断电，因此必须在进入深度休眠模式前将关键信息写入非易失性存储器。该模式使单片机的功耗降至绝对最小值，有时低至20nA。此外，唤醒单片机后需重新初始化所有存储器参数，这样会延长唤醒反应总时间。从该模式退出的典型启动时间通常在200-300μs范围内。
在这些超低功耗模式系统中，电池的寿命通常由电路中共他元件消耗的电流决定。因此，应注意不仅要关注单片机消耗的电流，而且要关注PCB(印刷电路板)上其他元件消耗的电流。例如，如果可能，设计人员可使用陶瓷电容来替代钽电容，因为后者的漏电流通常较高。设计人员还可以决定在应用处于低功耗状态下给哪些其他电路供电。
利用功耗模式的优势
接下来，考虑一种具有代表性的情形，在这种情况下，选择不同单片机功耗模式对系统所用总功率有巨大影响。以基本远程温度传感器为例，该应用收集较长时间段内的数据，可能运用较为成熟的噪声滤波算法对数据进行处理，然后将单片机重新置于待机模式，直到需要更多采样测量为止。它还采用无线射频(RF)传输方式将温度信息报告给中央控制台。
对温度进行采样需要使用MCU的片上模数转换器(ADC)，并且仅需适当的处理能力。在噪声滤波阶段，单片机必须采用处理能力较高的模式来计算高级滤波算法，并尽快将结果存回存储器。因此，单片机运行并消耗功率的总时间缩短了。
每隔一段预定的时间间隔，单片机就会组合所有的采样结果并采用RF收发器设备发送至中央控制台。需要精确时序来确保无线传感器在预先分配的时隙内发送这一信息，从而允许同一系统中的多个无线传感器节点协同工作。
我们如何管理唤醒处理器的频率呢?通过配合使用定时器外设和集成32kHz振荡器电路，单片机能很精确地每秒产生一次中断，从而保证唤醒时间准确。此中断事件还可以使单片机按预定的时间表向采样缓冲区填充温度数据。
单片机填充完温度采样缓冲区后，它将切换至处理器速度较高的模式，完成较为成熟的噪声滤波算法计算，然后尽快返回休眠模式，以缩短工作时间。单片机采用同样的实时时钟功能来决定将捕捉到的采样数据发送回中央控制台的时间。确定单片机的最优功耗模式以使总电流消耗最低取决于多个因素，下文将对此进行讨论。
在低功耗应用中优化功耗
要使总功耗最低，仅选择单片机功耗最低的模式是不够的。我们还必须确定单片机需要完成的每个任务的工作量――例如，采样外部温度传感器。一旦确定每个任务的性能需求，我们还必须确定每个任务的最优能源利用率。对于前面提到的公式：能量=时间×电压x电流，由于系统总体需求和实际电源决定电压值，因此我们通常无法改变公式中的电压，这样我们只能操作两个参数：时间和电流。我们需要权衡单片机的工作时间和电流消耗。下面将探讨在执行上述分析时要切记的一些特定于单片机的参数。
处理器唤醒
将单片机置于低功耗模式后，有一些外部源可将其唤醒。唤醒事件可通 过USB事件、实时时钟事件，甚至是I／O引脚上的外部触发信号发生。单片机从低功耗“休眠”模式唤醒并开始执行代码的时间非常重要。通常，我们努力使这个时间尽可能短，这也是我们之所以要在“休眠”和“深度休眠”工作模式之间选择的原因。若每秒唤醒一次单片机，由于从“休眠”模式唤醒时，单片机可在10μs内开始执行代码，而无须首先初始化任何软件存储单元，因而该模式可能是最优选择。若单片机处于低功耗状态的时间较长――例如，数分钟甚至数小时才唤醒一次，则“深度休眠”模式可能是最优选择。关键是要使单片机的总电流消耗最小。如果单片机处于低功耗关断模式的时间较长，那么300μs的唤醒时间与数分钟或数小时的深度休眠时间相比就微不足道了。
系统级唤醒事件的另一个绝佳示例，可采用通过串行接口连接到处理器的外部RF芯片进行演示。不使用处理器时，可将其置于某个低功耗状态下，仅保持RF芯片运行。由于新一代RF芯片的逻辑仅负责查找进入的RF数据包，因此在工作状态下消耗的电流很小。一旦接收到与所分配给该单元的地址相关的有效数据包，就将唤醒单片机开始处理信息。此类功耗模式机制较常用于基于射频网络的解决方案中，诸如那些基于ZigBee无线协议的解决方案。
时钟频率
单片机从外部或内部时钟源获取系统时钟频率。单片机采用该时钟频率并将其分频以得到应用程序软件所需的工作时钟频率。较低的频率通常等同于较低的功耗。有时，单片机还可以采用锁相环将外部时钟频率倍频。外部时钟信号通常来自晶振或称为晶体振荡器。
当器件进入低功耗模式时，单片机还可以禁止输入晶体放大器电路，这样也许可节省几毫安的电流，但会以恢复正常工作状态时延长振荡器的导通时间(由于外部晶振的起振延时)为代价。然而，有些单片机具有采用双速启动模式的能力，在这种模式下，单片机将使用内部振荡器立即开始运行，并在更精确的外部时钟源有足够时间稳定后，自动切换至外部时钟源。
单片机控制自身时钟频率的能力允许软件工程师在保证总电流消耗最少的情况下，选择适合于特定任务的时钟速度。因此，工程师需要评估能量公式中的时间×电流元素，以确定哪种方案比较好：在较短时间段内全速运行，在较长时间段内较慢运行，或者选个中间速度。
实时时钟
在本文所述的远程无线传感器应用示例中，系统需要保持精确的时间观念。除了系统时钟外，还可采用实时时钟和日历(RTCC)外设轻松实现这一点。RTCC的主要功能是跟踪日期和时间。在本文的情形中，RTCC对于控制功耗模式非常有用。RTCC还有助于单片机安排精确的唤醒事件、触发采样测量或发起与中央控制台的RF同步。
在系统中实现RTCC有多种方法。可将专用RTCC芯片连接至单片机；采用集成32kHz晶振及基本计时软件；以及使用单片机内的专用RTCC外设。对系统成本的限制通常第一时间就排除了第一种选择。对后两种的选择通常由单片机应用的其他需求以及一定程度的成本限制决定。本次讨论将采用第二种方法，即32kHz振荡器与一些非常基本的软件。
外部32kHz晶振驱动电路与16位定时器配合使用，来每秒唤醒一次处理器。每秒唤醒一次处理器来更新RTCC定时器，也可能测量当前温度，然后处理器返回到相应的低功耗模式。此方法提供了一种“导通”占空比非常小的机制，器件运行的大多数时间仅消耗600nA的电流。
构建RF无线传感节点
高集成度的单芯片通用ISM带宽FSK收发器解决方案与低功耗单片机配合工作，简化了无线传感应用的实现。在本例中，单片机采用SPI接口作为与射频设备连接的串行通信端口。还要使用单片机来初始化收发器设备的射频配置设置。配置完成后，收发器设备将通过来自单片机的非常基本的串行命令完成大多数RF数据发送和接收操作。简单地组合这两种技术，即可构建一种基本网络，远程监视各种数字或模拟无线传感器节点，如本文中的远程温度传感器。
考虑无线系统的总功耗预算，我们最关注的数据手册参数为射频系统的发送功耗、接收功耗、待机功耗以及启动时间。了解了这些参数后，我们将能确定系统通过无线RF通道发送和接收数据所消耗的电流。开发RF解决方案时还需注意的关键因素还有发送的数据长度和安全性。以下部分将简要说明这两个因素。
RF发送时间
常常被忽视的一个重要参数是需要发送的RF数据包的长度。事实上，RF发送时间对无线解决方案的性能、质量和功耗影响很大。较短的数据包有助于减少对电源的能源需求，甚至可以缩小电池体积。在定义新的低功耗RF协议时，必须牢记这一点。
我们已针对无线温度传感器设计，评估了当今可用的各种RF通信协议。诸如ZigBee、ZigBee Pro、Microchip的MiWi和MiWi P2P(点对点)协议均已一一评估。由于本应用的低功耗需求，我们决定采用非常基本的时分多址(Time Divisional Multi Access，TDMA)时间片协议机制。
通过在RF数据帧中分配预定义时隙并使用第一个时隙作为中央单片机发送的帧起始标记，即可方便地确保整个传感器监视系统的精确时序，同时降低功耗。采用这种基本时间片机制，单片机和RF收发器可在生命周期的大多数时间内处于低功耗待机模式。
安全性
意识到无线网络所涉及的安全性问题，大多数RF系统均采用了强大的算法来保护其数据。具有128位密钥的高级加密标准(Advanced Encryption Standard，AES)确保了数据完整性以及系统抵抗黑客的能力，这两者对于商业应用至关重要。可通过软件实现AES安全性。对于需要使工作时间最短的无线传感器节点，能够尽快执行AES计算非常重要，因为节点工作时的功耗最大。单片机可按需动态更改处理功耗以帮助实现上述目标。别说是电池供电设备就是采用有线电源的系统，要使AES计算尽可能快也同样是不争的事实。功耗对所有系统(有线或无线)的温度、体积及成本均有影响。
系统成本
众所周知，系统的总成本在设计任何系统(如无线温度传感器)的过程中始终起着非常重要的作用。确定无线单片机成本的关键因素是所需程序和数据存储区的数量。传感器网络和相关产品的开发人员希望采用存储空间最优的一系列单片机来满足应用程序的需求。开发基于网络协议层(如ZigBee)的较大应用程序时，需要较大的存储空间――在有些情况下，大于250KB。若要实现较为简单的传输协议，尤其是在对成本极度敏感的设计中，可使用单片机的许多功耗控制功能来最大程度降低成本和功耗。
硬件／软件
本文中的设计示例组合使用了一片高集成度通用ISM带宽FSK收发器芯片和一片超低功耗单片机。超低功耗PI C16LFl827单片机用在传感器单元中，用于每秒测量一次模拟温度传感器，将结果存人数据缓冲区，运行复杂的噪声滤波算法，然后采用RF收发器发送结果数据。出于安全性考虑，此信息采用AES算法保护并在已分配的预定时隙内发送。此外，单片机在上电后初始化RF收发器射频配置设置，并按需控制射频设备的功耗模式。
关键词：传感器；物联网；无线传感器网络
中图分类号：TP393
文献标识码：A
1．引言
无线传感器网络和物联网是比较新的技术领域，而且受到全社会的普遍关注。近年来，世界上某些发达国家加大投入，研究开发这方面的应用，积极攻克在标准上、技术和应用上的尖端技术。我国也把这项技术发展列入国家中长期科技发展规划，以致当前的无线网络得以飞速发展。在实现无线传感器网和物联网产业化发展过程中，应该认清形势，积极创造条件，加快发展和应用该项技术。
2．无线传感网与物联网的构成
2.1 无线传感器网络的构成
无线传感器网络（Wireless Sensor Network）是由大量传感器节点通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织网络系统。它能够实现数据的采集、量化、处理、融合和传输。它综合了微电子技术、嵌入式计算技术、现代网络和无线通信技术、分布式信息处理技术等先进技术，能够协同的实时监测、感知和采集网络覆盖区域中的各种环境或监测对象的信息，并对其进行处理。
无线传感器网络是由传感器网络节点构成的。应用和监测物理信号的不同决定了传感器的类型，另外节点的功能和组成也不尽相同。无线传感器网络节点的基本组成和功能包括如下几个单元：传感单元(由各种不同类型的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。也可以选择其它功能单元如定位系统、移动系统等。
2.2 物联网的构成
物联网（Internet of things），是指通过各种手段，将现实世界的物理信息进行自动化、实时性、大范围、全天候的标记、采集、汇总和分析，并在必要时进行反馈控制的网络系统。它是通过标准的协议，依靠自动识别技术，通过计算机互联网实现物品的自动识别和信息的共享。或者简单的说，即是通过装置在各类物体上的电子标签或称射频识别(RFID)，传感器、二维码等，经过接口与无线网络相连，从而给物体赋予智能和通讯能力，这种将物体联接起来的网络被称为“物联网”。
物联网络技术是多种技术的综合应用。在物联网系统中应用到的技术主要包括：传感器技术、射频识别技术、二维码技术、微机电系统等。物联网主要由六方面组成:EPC编码、EPC标签、射频识读器、Savant(神经网络软件)、对象名解析服务(Object Naming Ser-vice，ONS)和实体标记语言(Physical Markup Language， PML)。
2.2.1 EPC编码
EPC编码是物联网的重要组成部分。它是对实体及实体的相关信息进行代码化.通过统一并规范化的编码建立全球通用的信息交换语言。
2.2.2 射频识读器
在射频识别系统中，射频读写器是将标签中的信息读出，或将标签所需要存储的信息写入标签的装置。读写器读出的标签的信息通过计算机及网络系统进行管理和信息传输。
2.2.3 神经网络软件(Savant)
每件产品都加上射频识别（RFID）标签之后，在产品的生产、运输和销售过程中，识读器将不断收到一连串的产品电子编码。整个过程中最为重要、同时也是最困难的环节就是传送和管理这些数据。Auto-ID中心提出一种名叫Savant的软件中间件技术，相当于该新式网络的神经系统，负责处理各种不同应用的数据读取和传输。
2.2.4 对象名解析服务(Object Name Service，ONS)
EPC标签对于一个开放式的、全球性的追踪物品的网络需要一些特殊的网络结构。因为标签中只存储了产品电子代码，计算机还需要一些将产品电子代码匹配到相应商品信息的方法。这个角色就由对象名称解析服务担当，它是一个自动的网络服务系统。
2.2.5 实体标记语言(Physical Mark up Language，PML)
EPC产品电子代码识别单品，但是所有关于产品有用的信息都用一种新型的标准计算机语言— 实体标记语言(PML)所书写，PML是基于为人们广为接受的可扩展标识语言(XML)发展而来的。PML提供了一个描述自然物体，过程和环境的标准，并可供工业和商业中的软件开发、数据存储和分析工具之用。它将提供一种动态的环境，使与物体相关的静态的、暂时的、动态的和统计加工过的数据可以互相交换。它将会成为描述所有自然物体、过程和环境的统一标准，PML的应用将会非常广泛，并且进入到所有行业。
3．无线传感器网络和物联网的发展现状
虽然物联网的概念在我国最近才得到广泛关注，但物联网的应用很早就在我国开展。在RFID方面，2009年中国RFID产业市场规模达110亿元，相比2008年增长36.8%，已用于物流、城市交通、工业生产、食品追溯、移动支付等方面。
随着3G网络的使用，各运营商推出了移动支付方式。如中国电信目前采用RFID技术的UIM卡开通移动支付永久免费优惠活动。该项技术预计未来年增长率将超过60%，在智能楼宇、路灯监控等方面得到广泛应用。
关键词：无线网络；传感器；通信体系
1 网络体系结构组成
无线传感器网络系统应该包括几个必要的内容。包括传感器监测目标、传感器效应阀、结点数据处理模块、传感器总体网络。而连接四个系统的设备又包括相应的网络设计以及远程控制阀等。部署一个无线的传感器网络需要设立大量的传感器结点。同时需要一个合理的控制网络，要有一个集中控制的方式。所以要采用星连接和角连接相结合的方式。实现数据的交互工作，使观测点能够传输数据到远程控制中心区，同时远程控制端能接受和处理相应传感器上的目标信息。
目标时传感器网络需要监控的对象，不一定为固体事物，也可以是光、温度、声音等其他信号。传感器通过敏感电阻的方式对物体或者一些物理特性捕捉到相应的数据信号，将其传输至网络的节点，节点处理数据之后将数据传输给远程主机上。然而自然界的物体以及物理性质不是一成不变的，所以只有达到一定的标准，数据才会被采集，因此要设定一个变化的数值，同时利用这个数值操作传感器的设备就是传感器效应阀。另外为了维护整个传感网络，那么就需要传感器上有一点能将模拟信号转为数字信号，同时协调其他传感器工作的一个工作模块，这个工作模块就是节点数据处理模块。同时所有节点数据处理模块与网络的主机相连，构成了一个类似蜘蛛网的结构。这就是传感器的总体网络。
值得一提的是，数据处理节点模块的在网络中有比较特殊的意义，因为它是具有的双重性的，它既能传输数据又能接受数据。所以它在传感器网络中是不可缺少的。它一方面处理来自传感器上的数据，又将该数据传给主机，同时又要接受主机的的信息，把传感的调控指令传递给传感器。因此数据处理模块分为两种形式，一种是主动监测数据的类型。另一种是被动接受数据的类型，根据特性前者多用于主动搜集和传感信息。后者多用于扫描和查询。
2 物理结构体系
传统的无线传感器网络采用单一的网络连接结构。每一个传感器的结构和功能相同，同时节点模块复杂的监测范围大致相同，网络设置较为平整。因此每个传感器和数据模块的能量相互统一，但是这样的方式在长距离的传输过程中经常出现能量不足，造成数据错误和数据丢包、数据中断等效果。同时为了保证数据的传播远端的模块和传感器必须采用大功率的输出信号才能保证信号的传输，但是导致的后果就是长时间的大功率输出，但是元件过热，逐渐出现老化的现象，然后对其产生相应的影响。所以在实际的应用中，更多采用异构节点的方式，建立一个具有层次化的网络，增加网络的传递次数，缩短通讯的的距离，形成一种类似于金字塔形状的网络，保障数据的传输。
其基本含义是，应用支撑层支持应用业务层为各个应用领域服务，提供所需的各种通用服务，在这一层中核心的是中间件软件；管理和信息安全是贯穿各个层次的保障。无线传感器网络中间件和平台软件体系结构主要分为四个层次：网络适配层、基础软件层、应用开发层和应用业务适配层，其中网络适配层和基础软件层组成无线传感器网络节点嵌入式软件（部署在无线传感器网络节点中）的体系结构，应用开发层和基础软件层组成无线传感器网络应用支撑结构（支持应用业务的开发与实现）。网络适配层：在网络适配层中，网络适配器是对无线传感器网络底层（无线传感器网络基础设施、无线传感器操作系统）的封装。基础软件层：基础软件层包含无线传感器网络各种中间件。这些中间件构成无线传感器网络平台软件的公共基础，并提供了高度的灵活性、模块性和可移植性。
完成无线传感器网络接入服务、网络生成服务、网络自愈合服务、网络连通。无线传感器网络中间件和平台软件采用层次化、模块化的体系结构，使其更加适应无线传感器网络应用系统的要求，并用自身的复杂换取应用开发的简单，而中间件技术能够更简单明了地满足应用的需要。一方面，中间件提供满足无线传感器网络个性化应用的解决方案，形成一种特别适用的支撑环境；另一方面，中间件通过整合，使无线传感器网络应用只需面对一个可以解决问题的软件平台，因而以无线传感器网络中间件和平台软件的灵活性、可扩展性保证了无线传感器网络安全性，提高了无线传感器网络数据管理能力和能量效率，降低了应用开发的复杂性。
3 无线传感器网络通信体系结构
无线传感器网络的实现需要自组织网络技术，相对于一般意义上的自组织网络，传感器网络有以下一些特色，需要在体系结构的设计殊考虑。
3.1 无线传感器网络中的节点数目众多，这就对传感器网络的可扩展性提出了要求，由于传感器节点的数目多，开销大，传感器网络通常不具备全球唯一的地址标识，这使得传感器网络的网络层和传输层相对于一般网络而言有很大的简化。
3.2 自组织传感器网络最大的特点就是能量受限，传感器节点受环境的限制，通常由电量有限且不可更换的电池供电，所以在考虑传感器网络体系结构以及各层协议设计时，节能是设计的主要考虑目标之一。
3.3 由于传感器网络应用的环境的特殊性，无线信道不稳定以及能源受限的特点，传感器网络节点受损的概率远大于传统网络节点，因此自组织网络的健壮性保障是必须的，以保证部分传感器网络的损坏不会影响全局任务的进行。
3.4 传感器节点模块的密度要高。传感器网络的更新换代速度快，造成传感器的拓扑结构也不断的发展，与之相关的网络协议也面临了一定的调整。所以需要对网络协议和软件进行配套，建立一个稳定的通讯协议网络。另外可将网络分为多个层级，按照层级合理分配相应的网络资源和能量资源。
结束语
构建无线传感器网络就需要对该网络的各种构成要素精心分析，无线传感器网络是一个较为复杂的系统，他对于传感器、无线的系统结构、以及网络的结构都有着很多要求。同时还要考虑工作环境的复杂性。同时要注意网络的通信体系结构，也就是软件和网络的结合，要维持一个稳定网络环境，才能保证传感器信号被随时接收。另外在网络中应该建设足够的模块和传感器，保证网络的健壮，同时每个模块又能相对独立保护，防止模块之间互相影响。
参考文献
[1]李亮斌，姜晟，王卫星，陈华强，焦国辉.基于无线传感器网络的农村供水厂水质监测节点的设计[J].湖南农业大学学报（自然科学版）.2016（02）
关键词:无线传感器网络；组成；应用；发展
科技发展的脚步越来越快，人类已经置身于信息时代。而作为信息获取最重要和最基本的技术——传感器技术，也得到了极大的发展。传感器信息获取技术已经从过去的单一化渐渐向集成化、微型化和网络化方向发展，并将会带来一场信息革命。具有感知能力、计算能力和通信能力的无线传感器网络（wsn, wireless sensor networks）综合了传感器技术、嵌人式计算技术、分布式信息处理技术和通信技术，能够协作地实时监测、感知和采集网络分布区域内的各种环境或监测对象的信息，并对这些信息进行处理，获得详尽而准确的信息，传送到需要这些信息的用户。
由于wsn的巨大应用价值，它已经引起了世界许多国家的军事部门、工业界和学术界的广泛关注，被广泛地应用于军事，工业过程控制、国家安全、环境监测等领域。
无线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多种领域，是当前计算机网络研究的热点。
一、发展概述
早在上世纪70年代，就出现了将传统传感器采用点对点传输、连接传感控制器而构成传感器网络雏形，我们把它归之为第一代传感器网络。随着相关学科的不断发展和进步，传感器网络同时还具有了获取多种信息信号的综合处理能力，并通过与传感控制器的相联，组成了有信息综合和处理能力的传感器网络，这是第二代传感器网络。wWW.133229.Com而从上世纪末开始，现场总线技术开始应用于传感器网络，人们用其组建智能化传感器网络，大量多功能传感器被运用，并使用无线技术连接，无线传感器网络逐渐形成。
无线传感器网络是新一代的传感器网络，具有非常广泛的应用前景，其发展和应用，将会给人类的生活和生产的各个领域带来深远影响。发达国家如美国，非常重视无线传感器网络的发展，ieee正在努力推进无线传感器网络的应用和发展，波士顿大学（boston university）还于最近创办了传感器网络协会（sensor network consortium），期望能促进传感器联网技术开发。美国的《技术评论》杂志在论述未来新兴十大技术时，更是将无线传感器网络列为第一项未来新兴技术，《商业周刊》预测的未来四大新技术中，无线传感器网络也列入其中。可以预计，无线传感器网络的广泛是一种必然趋势，它的出现将会给人类社会带来极大的变革。
二、无线传感器网络的定义和特点
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。 无线传感器网络操作系统tiny0s141的研制者，jason hill博士把wsn定义为：
sensing＋cpu＋radio＝thousands of potential application
哈尔滨工业大学的李建中教授将wsn定义为：wsn是由一组传感器节点以自组织的方式构成的有线或无线网络，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖的地理区域中感知对象的信息，并给观察者。从硬件上看，wsn节 点主要由数据采集单元、数据处理单元、无线数据收发单元以及小型电池单元组成，通常尺寸很小，具有低成本、低功耗、多功能等特点；从软件上看，它借助于节点中内置传感器有效探测所处区域的温度、湿度、光强度、压力等环境参数以及待测对象的电压、电流等物理参数，并通过无线网络将探测信息传送到数据汇聚中心 进行处理、分析和转发。
wsn与传统传感器和测控系统相比具有明显的优势。它采用点对点或点对多点的无线连接，大大减少了电缆成本，在传感器节点端即合并了模拟信号／数字信号转换、数字信号处理和网络通信功能，节点具有自检功能，系统性能与可靠性明显提升而成本明显缩减。
无线传感器网络具有以下特点：
1、硬件资源有限。wsn节点采用嵌入式处理器和存储器，计算能力和存储能力十分有限。所以，需要解决如何在有限计算能力的条件下进行协作分布式信息处理的难题。
2、电源容量有限。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）。当自身携带的电池的能量耗尽，往往被废弃，甚至造成网络的中断。所以，任何wsn技术和协议的研究都要以节能为前提。
3、无中心。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, 是一个对等式网络。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。节点可以随时加入或离开网络，任何节点的故障不会影响整个网络的运行，具有很强的抗毁性。
4、自组织。网络的布设和展开无需依赖于任何预设的网络设施，节点通过分层协议和分布式算法协调各自的行为，节点开机后就可以快速、自动地组成一个独立的网络。
5、多跳（multi-hop）路由。wsn节点通信能力有限，覆盖范围只有几十到几百米，节点只能与它的邻居直接通信。如果希望与其射频覆盖范围之外的节点进行通信，则需要通过中间节点进行路由。wsn中的多跳路由是由普通网络节点完成的。
6、动态拓扑。wsn是一个动态的网络，节点可以随处移动；一个节点可能会因为电池能量耗尽或其他故障，退出网络运行；也可能由于工作的需要而被添加到网络中。这些都会使网络的拓扑结构随时发生变化，因此网络应该具有动态拓扑组织功能。
7、节点数量众多，分布密集。wsn节点数量大、分布范围广，难于维护甚至不可维护。所以，需要解决如何提高传感器网络的软、硬件健壮性和容错性。
8、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。
9、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。
三、应用现状
虽然无线传感器网络的大规模商业应用，由于技术等方面的制约还有待时日，但是最近几年，随着计算成本的下降以及微处理器体积越来越小，已经为数不少的无线传感器网络开始投入使用。目前无线传感器网络的应用主要集中在以下领域：
1．环境的监测和保护
随着人们对于环境问题的关注程度越来越高，需要采集的环境数据也越来越多，无线传感器网络的出现为随机性的研究数据获取提供了便利，并且还可以避免传统数据收集方式给环境带来的侵入式破坏。
2．医疗护理
无线传感器网络在医疗研究、护理领域也可以大展身手。罗彻斯特大学的科学家使用无线传感器创建了一个智能医疗房间，使用微尘来测量居住者的重要征兆（血压、脉搏和呼吸）、睡觉姿势以及每天24小时的活动状况。英特尔公司也推出了无线传感器网络的家庭护理技术。该技术是做为探讨应对老龄化社会的技术项目center for aging services technologies（cast）的一个环节开发的。该系统通过在鞋、家具以家用电器等家中道具和设备中嵌入半导体传感器，帮助老龄人士、阿尔茨海默氏病患者以及残障人士的家庭生活。利用无线通信将各传感器联网可高效传递必要的信息从而方便接受护理。而且还可以减轻护理人员的负担。英特尔主管预防性健康保险研究的董事eric dishman称，“在开发家庭用护理技术方面，无线传感器网络是非常有前途的领域”。
3．军事领域
由于无线传感器网络具有密集型、随机分布的特点，使其非常适合应用于恶劣的战场环境中，使其非常适合应用于恶劣的战场环境中，包括侦察敌情、监控兵力、装备和物资，判断生物化学攻击等多方面用途。
4．商业化用途
无线传感器网络还被应用于其他一些领域。比如一些危险的工业环境如井矿、核电厂等，工作人员可以通过它来实施安全监测。也可以用在交通领域作为车辆监控的有力工具。尽管无线传感器技术目前仍处于初步应用阶段，但已经展示出了非凡的应用价值，相信随着相关技术的发展和推进，一定会得到更大的应用。从应用的情况来看,北美的状况最好,在楼宇自动化、环境监控等方面,无线传感器网络已经开始大展拳脚。
四、需要解决的问题
就目前的技术水平来说，让无线传感器网正常运行并大量投入使用还面临着许多问题：
1．网络内通信问题。无线传感器网络内正常通信联系中，信号可能被一些障碍物或其他电子信号干扰而受到影响，怎么安全有效的进行通信是个有待研究的问题。
2．成本问题。在一个无线传感器网络里面，需要使用数量庞大的微型传感器，这样的话成本会制约其发展。
3．系统能量供应问题。目前主要的解决方案有：使用高能电池；降低传感功率；此外还有传感器网络的自我能量收集技术和电池无线充电技术。其中后两者备受关注。
关键词：ZigBee；CC2530；无线传感器网络；滑坡监测
中图分类号：TP302 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2013）05-0029-03
0 引 言
无线传感器网络诞生于20世纪70年代，经过30多年的发展，无线传感器网络的应用逐渐转向民用，在河流、森林的环境监测中，在建筑环境的智能化应用中，以及在一些无法放置有线传感器的工业环境中，都已经出现了它的身影。无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）系统在当前备受关注，综合了传感器技术、现代网络技术及无线通信技术、分布式信息处理技术等。它是一种全新的信息获取技术，可实时采集监测区域内各对象的检测参数，并将这些数据发送到协调器节点，实现复杂监测区的目标检测与跟踪，并能够快速组网，而且拥有很强的抗毁性，因此其应用前景非常广泛。
1 传输系统工作原理
1.1 无线传感器网络的网络节点
无线传感器网络中数以千计的传感器节点被散布到监测区域内，节点相互之间以自组织的方式构成庞大的无线传感器网络。各节点之间通过协同去冗余的工作方式负责监测区域内的数据采集任务，然后采用多跳、中继等方式将信息传送到汇聚节点处，再由汇聚节点将信息集中传送至用户，以进行数据处理或对节点进行实时的控制或操作。图1所示是一个无线传感器网络的体系结构。
图1 无线传感器网络体系结构
由于无线传感器网络所处环境的影响，节点一般都是采用能量有限的电池进行供电，所以其数据存储和处理能力以及通信能力就会受到制约。从整个网络来看，每个传感器节点都具有网络节点和路由的双重“身份”，除了能完成数据采集和处理任务外，还能够将其他节点转发过来的数据信息进行存储、融合等处理。
1.2 无线传感器的节点结构
作为网络基本组成单元的无线传感器节点结构如图2所示，该结构也叫测试节点结构，主要由数据采集、处理、无线传输和电源四个部分组成。数据采集单元由各种传感器对监测区域内待测对象的信息进行采集；数据处理单元实现数据的存储、处理分析等功能；无线传输模块负责节点间的通信和数据传输；能量模块负责对传感器节点进行能量供应。当然，根据需要还会有其他扩展的功能模块，如北斗传输模块等。
图2 测试节点结构
1.3 无线传感器网络的选择
ZigBee无线传感器网络是基于IEEE 802.15.4技术标准和ZigBee网络协议而设计的无线数据传输网络。 传输距离为中短距离；传输速率低；通信可靠，采用碰撞避免机制，节点之间具有自动组网功能；短的时延，只有15～30 ms；免收专利费的ZigBee协议大大降低了开发成本；自配置、自组网；大容量的网络，整个网络可达到64 000个节点；通过工作和休眠模式实现长时间的监测。
ZigBee无线传感器网络由监控机、网关、路由节点和传感器节点4部分组成，图3所示是ZigBee网络的组成。据此，用户可以很方便地实现传感器网络的无线化和网络化。
图3 ZigBee网络组成
2 无线传感器系统硬件设计
2.1 无线传感器核心控制器选择
本设计采用CC2530芯片作为数据采集模块的处理器。CC2530的优势在于其集成度高，可支持多种不同应用，价格低廉，支持多种协议，具有业界最佳的RF 共存性以及选择性，在最小化干扰源影响的同时最大化稳健通信范围。CC2530模块可视通信距离最远可达400 m（实测）。
CC2530芯片是一种集成度较高的芯片，其电路相对很简单，最小系统所需器件很少，所以用CC2530芯片进行无线传感器网络的设计就相对简单。
2.2 网络节点的硬件组成
2.2.1 传感器节点设计
每个传感器节点包含孔隙水压力传感器、土壤水分传感器与倾角传感器元件、检波器、CC2530无线传感器处理收发模块、接口处理采集板和电池组。
2.2.2 网关节点设计
网关节点的硬件结构示意图如图4所示，网关节点也是由CC2530芯片构成，通过RS232连接TSS-0-03嵌入式北斗模块。另外，一个雨量计与网关节点连接，采集本地区的降雨量。网关节点将ZigBee网络采集到的数据进行缓存，并且定期将数据通过北斗卫星上传到监测中心，实现远距离通信。
图4 网关节点结构示意图
2.2.3 路由节点设计
路由节点的硬件设计和传感器采集节点的结构差不多，只是没有接传感器，由电源、CC2530芯片和天线组成。在网关不能与所有的传感器节点通信时，它作为一种中介使网关和传感器节点通信，实现路由通信功能。路由节点将来自传感器节点的数据传输到网关节点。当路由节点由于电池耗尽或故障，或是有新节点加入时，路由节点将重新选择路由链路。
3 无线传感器系统软件设计
3.1 网关节点程序设计
网关节点上电启动后，首先进行初始化，并自动建立了一个新的网络，这样其他节点上电后就可以自动加入到这个网络中。节点加入后给节点分配网络地址，然后对连接的北斗模块进行初始化。当收集到ZigBee网络传来的数据时进行ZigBee协议数据解包放入缓存区，通过RS232传送数据到北斗模块，再由北斗模块发送至监测中心。图5所示是网关节点的程序流程。
图5 网关节点程序流程图
3.2 采集节点程序设计
传感器节点上电后，进行节点初始化并向网关节点发送入网请求，加入成功后，进入休眠状态。按设定的时间对滑坡参数进行采集，然后向网关发送采集数据。也可以接收来自网关的命令，按照命令进行相应的动作。图6为传感器节点的程序流程。
4 结 语
本文对滑坡监测系统的Zigbee无线传感器网络提出了设计方案，研究了面向滑坡监测的无线传感器网络节点，包括普通节点和网关节点，完成了滑坡参数的实时采集和传输，为推进我国滑坡监测工作的信息化、自动化与智能化提供了一种有效的新思路。
参 考 文 献
[1] 章伟聪，俞新武，李忠成.基于CC2530及ZigBee协议栈设计无线网络传感器节点[J].计算机系统应用，2011，20（7）：184-187.
[2] 梁光胜，刘丹娟，郝福珍.基于CC2430的ZigBee无线网络节点设计[J].电子设计工程，2010，18（2）：16-18.
[3] 孙旭光，高方平，陈丹琪，等.基于无线传感器网络的防盗监测系统设计[J].传感器与微系统，2009，28（10）：67-69.
关键词:无线传感器网络；组成；应用；发展
科技发展的脚步越来越快，人类已经置身于信息时代。而作为信息获取最重要和最基本的技术——传感器技术，也得到了极大的发展。传感器信息获取技术已经从过去的单一化渐渐向集成化、微型化和网络化方向发展，并将会带来一场信息革命。具有感知能力、计算能力和通信能力的无线传感器网络（wsn, wireless sensor networks）综合了传感器技术、嵌人式计算技术、分布式信息处理技术和通信技术，能够协作地实时监测、感知和采集网络分布区域内的各种环境或监测对象的信息，并对这些信息进行处理，获得详尽而准确的信息，传送到需要这些信息的用户。
由于wsn的巨大应用价值，它已经引起了世界许多国家的军事部门、工业界和学术界的广泛关注，被广泛地应用于军事，工业过程控制、国家安全、环境监测等领域。
无线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多种领域，是当前计算机网络研究的热点。
一、发展概述
早在上世纪70年代，就出现了将传统传感器采用点对点传输、连接传感控制器而构成传感器网络雏形，我们把它归之为第一代传感器网络。随着相关学科的不断发展和进步，传感器网络同时还具有了获取多种信息信号的综合处理能力，并通过与传感控制器的相联，组成了有信息综合和处理能力的传感器网络，这是第二代传感器网络。而从上世纪末开始，现场总线技术开始应用于传感器网络，人们用其组建智能化传感器网络，大量多功能传感器被运用，并使用无线技术连接，无线传感器网络逐渐形成。
无线传感器网络是新一代的传感器网络，具有非常广泛的应用前景，其发展和应用，将会给人类的生活和生产的各个领域带来深远影响。发达国家如美国，非常重视无线传感器网络的发展，ieee正在努力推进无线传感器网络的应用和发展，波士顿大学（boston university）还于最近创办了传感器网络协会（sensor network consortium），期望能促进传感器联网技术开发。美国的《技术评论》杂志在论述未来新兴十大技术时，更是将无线传感器网络列为第一项未来新兴技术，《商业周刊》预测的未来四大新技术中，无线传感器网络也列入其中。可以预计，无线传感器网络的广泛是一种必然趋势，它的出现将会给人类社会带来极大的变革。
二、无线传感器网络的定义和特点
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。 无线传感器网络操作系统tiny0s141的研制者，jason hill博士把wsn定义为：
sensing＋cpu＋radio＝thousands of potential application
哈尔滨工业大学的李建中教授将wsn定义为：wsn是由一组传感器节点以自组织的方式构成的有线或无线网络，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖的地理区域中感知对象的信息，并给观察者。从硬件上看，wsn节 点主要由数据采集单元、数据处理单元、无线数据收发单元以及小型电池单元组成，通常尺寸很小，具有低成本、低功耗、多功能等特点；从软件上看，它借助于节点中内置传感器有效探测所处区域的温度、湿度、光强度、压力等环境参数以及待测对象的电压、电流等物理参数，并通过无线网络将探测信息传送到数据汇聚中心 进行处理、分析和转发。
wsn与传统传感器和测控系统相比具有明显的优势。它采用点对点或点对多点的无线连接，大大减少了电缆成本，在传感器节点端即合并了模拟信号／数字信号转换、数字信号处理和网络通信功能，节点具有自检功能，系统性能与可靠性明显提升而成本明显缩减。
无线传感器网络具有以下特点：
1、硬件资源有限。wsn节点采用嵌入式处理器和存储器，计算能力和存储能力十分有限。所以，需要解决如何在有限计算能力的条件下进行协作分布式信息处理的难题。
2、电源容量有限。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）。当自身携带的电池的能量耗尽，往往被废弃，甚至造成网络的中断。所以，任何wsn技术和协议的研究都要以节能为前提。
3、无中心。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, 是一个对等式网络。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。节点可以随时加入或离开网络，任何节点的故障不会影响整个网络的运行，具有很强的抗毁性。
4、自组织。网络的布设和展开无需依赖于任何预设的网络设施，节点通过分层协议和分布式算法协调各自的行为，节点开机后就可以快速、自动地组成一个独立的网络。
5、多跳（multi-hop）路由。wsn节点通信能力有限，覆盖范围只有几十到几百米，节点只能与它的邻居直接通信。如果希望与其射频覆盖范围之外的节点进行通信，则需要通过中间节点进行路由。wsn中的多跳路由是由普通网络节点完成的。
6、动态拓扑。wsn是一个动态的网络，节点可以随处移动；一个节点可能会因为电池能量耗尽或其他故障，退出网络运行；也可能由于工作的需要而被添加到网络中。这些都会使网络的拓扑结构随时发生变化，因此网络应该具有动态拓扑组织功能。
7、节点数量众多，分布密集。wsn节点数量大、分布范围广，难于维护甚至不可维护。所以，需要解决如何提高传感器网络的软、硬件健壮性和容错性。
8、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。
9、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。
三、应用现状
虽然无线传感器网络的大规模商业应用，由于技术等方面的制约还有待时日，但是最近几年，随着计算成本的下降以及微处理器体积越来越小，已经为数不少的无线传感器网络开始投入使用。目前无线传感器网络的应用主要集中在以下领域：
1．环境的监测和保护
随着人们对于环境问题的关注程度越来越高，需要采集的环境数据也越来越多，无线传感器网络的出现为随机性的研究数据获取提供了便利，并且还可以避免传统数据收集方式给环境带来的侵入式破坏。
2．医疗护理
无线传感器网络在医疗研究、护理领域也可以大展身手。罗彻斯特大学的科学家使用无线传感器创建了一个智能医疗房间，使用微尘来测量居住者的重要征兆（血压、脉搏和呼吸）、睡觉姿势以及每天24小时的活动状况。英特尔公司也推出了无线传感器网络的家庭护理技术。该技术是做为探讨应对老龄化社会的技术项目center for aging services technologies（cast）的一个环节开发的。该系统通过在鞋、家具以家用电器等家中道具和设备中嵌入半导体传感器，帮助老龄人士、阿尔茨海默氏病患者以及残障人士的家庭生活。利用无线通信将各传感器联网可高效传递必要的信息从而方便接受护理。而且还可以减轻护理人员的负担。英特尔主管预防性健康保险研究的董事eric dishman称，“在开发家庭用护理技术方面，无线传感器网络是非常有前途的领域”。
3．军事领域
由于无线传感器网络具有密集型、随机分布的特点，使其非常适合应用于恶劣的战场环境中，使其非常适合应用于恶劣的战场环境中，包括侦察敌情、监控兵力、装备和物资，判断生物化学攻击等多方面用途。
4．商业化用途
无线传感器网络还被应用于其他一些领域。比如一些危险的工业环境如井矿、核电厂等，工作人员可以通过它来实施安全监测。也可以用在交通领域作为车辆监控的有力工具。尽管无线传感器技术目前仍处于初步应用阶段，但已经展示出了非凡的应用价值，相信随着相关技术的发展和推进，一定会得到更大的应用。从应用的情况来看,北美的状况最好,在楼宇自动化、环境监控等方面,无线传感器网络已经开始大展拳脚。
四、需要解决的问题
就目前的技术水平来说，让无线传感器网正常运行并大量投入使用还面临着许多问题：
1．网络内通信问题。无线传感器网络内正常通信联系中，信号可能被一些障碍物或其他电子信号干扰而受到影响，怎么安全有效的进行通信是个有待研究的问题。
2．成本问题。在一个无线传感器网络里面，需要使用数量庞大的微型传感器，这样的话成本会制约其发展。
3．系统能量供应问题。目前主要的解决方案有：使用高能电池；降低传感功率；此外还有传感器网络的自我能量收集技术和电池无线充电技术。其中后两者备受关注。
【关键词】传感器;嵌入式;无线通信;分布式信息处理
0.引言
电系统(Micro-Electro-Mechanism System, MEMS)、片上系统（SOC，System on Chip）、无线通信和低功耗嵌入式技术的飞速发展,孕育出无线传感器网络(Wireless Sensor Networks，WSN)，并以其低功耗、低成本、分布式和自组织的特点带来了信息感知的一场变革。无线传感器网络就是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳自组织网络。
本文就无线传感器网络原理、特点以及主要应用进行分析。
1.无线传感器网络原理
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。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。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。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.无线传感器的体系结构概述
无线传感器网络包括4类基本实体对象：目标、观测节点传感节点和感知视场，另外，还需定义外部网络、远程任务管理单元和用户来完成对整个系统的应用刻画。大量传感节点随机部署，通过自组织方式构成网络，协同形成对目标的感知视场。传感节点检测的目标信号经本地简单处理后通过邻近传感节点多跳传输到观测节点。用户和远程任务管理单元通过外部网络，比如卫星通信网络或Internet，与观测节点进行交互。观测节点向网络查询请求和控制指令，接收传感节点返回的目标信息。
传感节点具有原始数据采集、本地信息处理、无线数据传输及与其它节点协同工作的能力，依据应用需求，还可能携带定位，能源补给或移动等模块。节点可采用飞行器撒播、火箭弹射或人工埋置等方式部署。
目标是网络感兴趣的对象及其属性，有时特指某类信号源。传感节点通过目标的热、红外、声纳、雷达或震动等信号，获取目标温度、光强度、噪声、压力、运动方向或速度等属性。传感节点对感兴趣目标的信息获取范围称为该节点的感知视场，网络中所有节点视场的集合称为该网络的感知视场。当传感节点检测到的目标信息超过设定阀值，需提交给观测节点时，被称为有效节点。
观测节点具有双重身份。一方面，在网内作为接收者和控制者，被授权监听和处理网络的事件消息和数据，可向传感器网络查询请求或派发任务；另一方面，面向网外作为中继和网关完成传感器网络与外部网络间信令和数据的转换，是连接传感器网络与其它网络的桥梁。通常假设观测节点能力较强，资源充分或可补充。观测节点有被动触发和主动查询两种工作模式，前者被动地由传感节点发出的感兴趣事件或消息触发，后者则周期扫描网络和查询传感节点，较常用。
3.无线传感器主要用途
3.1环境的监测和保护
随着人们对于环境问题的关注程度越来越高，需要采集的环境数据也越来越多，无线传感器网络的出现为随机性的研究数据获取提供了便利，并且还可以避免传统数据收集方式给环境带来的侵入式破坏。比如，英特尔研究实验室研究人员曾经将32个小型传感器连进互联网，以读出缅因州"大鸭岛"上的气候，用来评价一种海燕巢的条件。无线传感器网络还可以跟踪候鸟和昆虫的迁移，研究环境变化对农作物的影响，监测海洋、大气和土壤的成分等。此外，它也可以应用在精细农业中，来监测农作物中的害虫、土壤的酸碱度和施肥状况等。
3.2医疗护理
无线传感器网络在医疗研究、护理领域也可以大展身手。英特尔公司推出了无线传感器网络的家庭护理技术。该技术是做为探讨应对老龄化社会的技术项目Center for Aging Services Technologies（CAST）的一个环节开发的。该系统通过在鞋、家具以家用电器等家中道具和设备中嵌入半导体传感器，帮助老龄人士、阿尔茨海默氏病患者以及残障人士的家庭生活。利用无线通信将各传感器联网可高效传递必要的信息从而方便接受护理。而且还可以减轻护理人员的负担。英特尔主管预防性健康保险研究的董事Eric Dishman称，“在开发家庭用护理技术方面，无线传感器网络是非常有前途的领域”。
3.3军事领域
由于无线传感器网络具有密集型、随机分布的特点，使其非常适合应用于恶劣的战场环境中，使其非常适合应用于恶劣的战场环境中，包括侦察敌情、监控兵力、装备和物资，判断生物化学攻击等多方面用途。美国国防部远景计划研究局已投资几千万美元，帮助大学进行"智能尘埃"传感器技术的研发。
3.4其他用途
无线传感器网络还被应用于其他一些领域。比如一些危险的工业环境如井矿、核电厂等，工作人员可以通过它来实施安全监测。也可以用在交通领域作为车辆监控的有力工具。此外和还可以在工业自动化生产线等诸多领域，英特尔正在对工厂中的一个无线网络进行测试，该网络由40台机器上的210个传感器组成，这样组成的监控系统将可以大大改善工厂的运作条件。它可以大幅降低检查设备的成本，同时由于可以提前发现问题，因此将能够缩短停机时间，提高效率，并延长设备的使用时间。尽管无线传感器技术目前仍处于初步应用阶段，但已经展示出了非凡的应用价值，相信随着相关技术的发展和推进，一定会得到更大的应用。
4.结束语
随着科学技术的发展，无线传感器的技术得到不断地更新，适用的领域越来越广泛，在未来，有许多广阔的应用领域可以使传感器网络成为人们生活中的一个不可缺少的组成部分。但就目前而言传统Ad hoc网络的技术并不能够完全适应于传感器网络的应用。因此，充分认识和研究传感器网络自组织方式及传感器网络的体系结构，为网络协议和算法的标准化提供理论依据，为设备制造商的实现提供参考，成为当前无线传感器网络研究领域中一项十分紧迫的任务。也只有从网络体系结构的研究人手，带动传感器组织方式及通信技术的研究，才能更有力地推动这一具有战略意义的新技术的研究和发展。■
【参考文献】
［1］孙利民,等编著.无线传感器网络.北京：清华大学出版社，2005,5.
关键词：无线传感器；网络安全；对策研究
中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2014）09-1898-02
目前，无线传感器网络技术已经广泛运用到了人们的生活、工作和学习中，甚至在国防安全方面都有着较大的运用，其重要性就不言而喻了。因此加强无线传感器网络技术的安全是无线传感器网络技术进一步发展的重中之重，特别是在国防军事和科技研究方面，一旦无线传感器网络技术出现安全问题就会对国家和社会带来不可估量的损失。另一方面，无线传感器网络在安全方面的缺陷和外来人员利用无线传感器网络对信息的窃取等都是无线传感器网络技术发展的阻碍。该文就目前的无线传感器网络的安全进行分析，并提出相关的对策。
1 无线传感器网络安全的相关问题
无线传感器网络就是采用许多的小型传感器组成一个网络，便于无线通信。但是由于无线传感器网络本身在安全方面的不足，使得无线传感器网络存在许多的安全问题：
1.1自组织性以及节点组织的随机性
无线传感器网络在实际的运用中就可以发现，它是由大量的小型传感器自组成一个网络，它在整个网络体系的组成过程中并没有实际的组织规范制度，其带有强烈的自发性和随机性。因此，这个无线传感器网络体系在使用中稳定性就得不到保障，安全性更是存在着问题。另一方面，由于整个网络体系在设置时存在着随机性，各个布置的节点就不可能事先固定，也带有自发性，使得整个无线传感器网络体系的安全就得不到保障。
1.2 通信的不可靠性
无线传感器网络在通信通道上存在着大量的不稳定因素。在通过无线传感器网络通信的过程中，多跳路由使得通信信息大大的延迟，信息传递的时间长，而且在传递过程中的安全不能得到保证，很容易在传递过程中被拦截，如果是一些重要信息的传递，那就存在着很大的危害。
1.3 能量的有限性
在无线传感器网络体系中，传感器的使用需要较大的能耗，但是当这些传感器节点在整个网络体系中布置完成后，再想进行节点的替换，其难度就非常大了，而且在这个网络体系中有些无线设备是需要进行充电的，充电的不及时也会影响到整个网络体系的运用，因此开发出低能耗的无线网络设备对无线传感器网络技术的发展至关重要。
1.4 缺乏有效的安全机制
由整个无线传感器网络的建立就可以发现，无线传感器网络体系无论是传感器的节点布置，还是在网络组织安排上都存在着极大的随机性，使得其网络通信带有很大的局限性，这些缺点使现代成熟的网络安全技术不能够在这个网络体系中进行运用。而仅仅在物理方面对这个无线网络体系进行保护并没有实质性的效果，网络通信方面隐患较大，很容易受到其他方面的攻击。
2 破坏无线传感器安全性能的相关因素
目前，我国的无线传感器网络在防御和攻击的方式如下表：
表1 传感器网络攻防手段表
[网络层次＼&防御手段＼&攻击方法＼&物理层＼&模式转换、优先级信息、区域映射、宽频＼&拥塞攻击＼&节点隐藏或者伪装、破坏感知＼&物理破坏＼&网络层＼&冗余路径、探测机制＼&丢弃和贪婪破坏＼&出口过滤、认证、监测机制＼&方向误导攻击＼&加密和逐跳认证机制＼&汇聚节点攻击＼&认证、监测、荣誉机制＼&黑洞攻击＼&链路层＼&设置竞争门限＼&耗尽攻击＼&使用短帧略和非优先级策略＼&非公平竞争＼&纠错码＼&碰撞攻击＼&传输层＼&认证＼&同步破坏攻击＼&客户端谜题＼&泛洪攻击＼&]
该表中的无线传感器网络的攻防手段对无线网络影响较大，在无线传感器网络体系的攻击手段中，拥塞攻击和碰撞攻击两种手段的作用最大。其中，拥塞攻击手段就是无线网络的破坏方获得了破坏对象的网络通信频率后，应用同一频率的无线电波进行干扰无线网络通信，对这种攻击的防御方式就是将网络频率进行更换。碰撞攻击手段就是指网络通信发送通信信息包时，无线网络的破坏方同时发送另一个数据包，使得两个数据信息重叠在一起，获取的信息错乱不堪，影响到无线网络的正常通信，而对其的防御手段就是建立一个合适的监听系统，将外来的数据包进行消除，实现通信的正常进行。此外，还有泛洪攻击，它就是利用特殊的手段对无线传感器的节点进行攻击，耗尽攻击的节点，阻断一些用户的使用。这种网络攻击的解决方式就是采用谜题技术建立一个客户端，保障节点数据在有效的范围内传播使用，可以有效的消除泛洪攻击的影响。
3 无线传感器网络安全技术的对策研究
3.1 密码技术
在无线传感器网络通信的过程中，由于无线传感器的设备布置本身存在着一定的不足，使得现展成熟的网络安全技术不能够在其中进行使用，因此网络安全隐患较大，而密码技术可以有效减小这个安全隐患，对网络安全有着巨大的帮助。在采用密码技术进行保障无线网络信息安全过程中，可以增加密码中代码的长度和复杂度，以增强无线网络信息的保护力度，实现网络通信的安全性。在日常生活中，不对称秘钥和对称秘钥的运用最为广泛，其主要原因就是这种密码技术的保护力度较强，而且在设置上较为简便快捷。
3.2 安全数据融合
无线传感器网络中使用最多的还是数据，传感器节点在收到附近的数据信息后，然后将这些数据传输到汇聚节点，在对数据信息进行整合成为了有效的信息数据后，再将这些数据传输给用户。这种方式提高了数据的有效性，减少了数据在传输过程中的冗余，使得数据传输的负载较小，提高了传输效率，减少了设备的磨损，增加了整个无线网络的使用年限。但是无线网络的攻击对这些信息数据的传输仍是一个危害，因此加强了对数据融合的研究，安全数据融合的目的就是采用随机抽样和交互式证明机制，使得在节点汇聚的数据是真实可靠的，大大增加网络通信数据融合的安全性问题。
3.3 密钥管理技术
密钥管理技术就是在无线网络安全中使用密钥技术的管理，它将处理在其使用期间的一切问题，也是整个加密系统最为关键的一个部分，一旦管理的不到位，很容易造成通信信息的泄露，对无线传感器网络的使用者造成巨大的损失。截止到目前为止，这项密钥管理技术主要对对称密钥技术有效。密钥管理技术的分配模式是概率性和确定性，而密钥模式是预共享和非预共享两种方式
3.4 安全路由技术
在无线传感器网络的使用过程中，虽然各个小型传感器的布置较为随意，但是在布置后不可以随意更换，其网络节点处的设备充电也较为不便，节约能量消耗成为了一个问题。而这个过程中，为了实现节能消耗延长无线网络的使用年限，提出了各种路
由协议便于皆能减耗，但是却忽略了路由中的信息传输安全性问题，增加了在通信中路由受到攻击的可能性。当用户将消息发送出去后，很容易使得破坏方通过泛洪攻击的方式来截取发送的信息，使得网络通信出现障碍。在实际应用中，专业人士提出了多种路由协议，包括 SPINS 协议和多路径路由机制，但是都需要进行改进，最终会实现路由技术的安全性。
4 结束语
无线传感器网络技术具有极大的优越性，它方便快捷，对人们的使用尤其有利，因此其被广泛运用到人们的学习、工作和生活中，同时在国防科技中也有较大的使用。但是由于自身的一些特点，使得无线传感器网络的安全性一直令人担忧。我们要充分重视无线网络的安全性，对影响无线网络安全性的因素要采取强力的防御手段，保证无线传感器网络通信的安全。在对无线网络的安全问题的研究中发现，将密码技术、安全数据融合技术、密钥管理技术以及安全路由技术运用到无线网络中，充分提高其安全性。
参考文献：
[1] 唐慧，胡向东.无线传感器网络安全数据融合算法研究[J].通信技术，2007，40（12）：290-293.
[2] 杨黎斌，慕德俊，蔡晓妍.无线传感器网络入侵检测研究[J].计算机应用研究， 2008，25（11）：3204-3208.
[3] 李敏，殷建平，伍勇安，程杰仁.无线传感器密钥管理方案综述[J].计算机工程与科学，2008，30（12）：27-31.
关键词无线传感器网络;发展;组成;特点;关键技术;应用
中图分类号tp212文献标识码a文章编号 1007-5739(2010)01-0016-02
随着微机电技术、无线通信技术和数字信息处理技术的发展,低成本、低功耗、多功能、小尺寸的传感节点变成现实,此类节点包含有传感、数据处理和通信功能,传感节点可以在短距离内进行通信。与传统传感器不同的是,此类传感器依赖于大量传感节点的协同工作,传感器网络是对传统传感器的一大革新[1]。传感器网络被美国的《商业周刊》评为影响21世纪的21个方面[2],被美国麻省理工学院《技术评论》评为即将改变世界的十大技术[3]。
1无线传感器网络的发展
无线传感器网络的构想最初由美国军方提出,美国国防部高级研究所计划署于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。此后,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[4]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、洪水监测等环境应用中,在人体生理数据监测、药品管理等医疗应用中,在家庭环境的智能化应用及商务应用中都已形成。
2无线传感器网络的组成
2.1无线传感器网络的节点结构
无线传感器的网络节点由传感器模块、处理器模块、无线通信模块和能量供应模块四部分组成(见图1)[5]。传感器模块负责监测区域内信息的采集和数据转换;处理器模块负责控制整个传感器节点的操作,存储和处理本身采集的数据以及其他节点发来的数据;无线通信模块负责与其他传感器节点进行无线通信,交换控制消息和收发采集数据;能量供应模块为传感器节点提供运行所需的能量。
2.2无线传感器网络的网络结构
传感器网络是由大量的传感节点组成,传感节点部署在检测区域的附件传感器网络结构如图2所示,传感器网络系统通常包括传感器节点、汇聚节点和管理节点。大量传感器节点随机部署在监测区域内部或附近,能够通过自组织方式构成网络。传感器节点监测的数据沿着其他传感器节点逐跳地进行传输,在传输过程中监测数据可能被多个节点处理,经过多跳后路由到汇聚节点,最后通过互联网或卫星到达管理节点。用户通过管理节点对传感器网络进行配置和管理,监测任务以及收集监测数据。
3无线传感器网络的特点
传感器网络是集成了监测、控制以及无线通信的网络系统,节点数目更为庞大(上千甚至上万),节点分布更为密集;由于环境影响和能量耗尽,节点更容易出现故障;环境干扰和节点故障易造成网络拓扑结构的变化;另外,传感器节点具有的能量、处理能力、存储能力和通信能力等都十分有限。传统无线网络的首要设计目标是提供高服务质量和高效带宽利用,其次才考虑节约能源;而传感器网络的首要设计目标是能源的高效使用,这也是传感器网络和传统网络最重要的区别之一[6]。因为无线传感器网络的节点数量巨大,每个传感节点的尺寸和成本的的限制,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”。
3.1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。
3.2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。
3.3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。
3.4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,或者从自身以外汲取能量(如太阳能)。
3.5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。
4无线传感器网络的关键技术
4.1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[7]。由于是无线网络,传输介质自然要选电磁波。不过,源信号要依靠电磁波传输必须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。
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,其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zigee,其传输带宽虽然不及wi-fi和blue tooth,但是能耗较低,非常适合无线传感器网络[8]。图3为各无线协议工作的频段。
4.2mac层协议
信号的传输要靠信道,因此信道也就成为了一种宝贵的资源。如何合理有效地分配信道,是数据链路层中的mac子层要解决的问题。
无线传感器网络经常使用的有3种mac协议,即传感器协议(s-mac)、分布式能量意识协议(de-mac)和协调设备协议[9]。s-mac协议通过调配节点的休眠方式来有效地分配信道;de-mac则采用周期性监听和休眠机制,避免空闲监听和串音,其目的是减少能耗和增加网络的生存周期;md协议则能为大规模、低占空比运行的节点提供不需要高精度时钟的可靠通信。总体来说,无线传感器网络的mac协议在分配信道的同时还要保证系统的能耗最低。
4.3路由协议
在具备底层传输协议的保障后,信息如何快速地从源传输到目的地是由路由协议来解决的。路由要实现2个基本功能,即确定最佳路径和通过网络传输信息。数据传输的途径存于路由表,由路由算法初始化并负责维护[8]。无线传感器网络与普通的网络不同,它具有能量受限、通信方式以数 据为中心、相邻节点的数据具有相似性、拓扑结构也在不断变化等特点。与此对应,常规网络的路由并不一定能适应无线传感器网络。
4.4能量管理
能耗是无线传感器网络所面临的最大问题,因为节点长期处于无人值守的状况下,有效的能耗策略必不可少。目前最常使用的策略是休眠机制,即在节点空闲时,使其处于休眠状态,此时其能耗降到最低。但是休眠的节点在转回正常状态的时候,往往会消耗大量的能量,因此寻找合理的状态转换策略是确保休眠机制成功的关键[10]。数据融合是另一项节能技术。多个邻近节点经常会采集同样的信息,发送这些冗余信息就给系统增加了不必要的负担。因此,通过本地计算和筛选,确保发送出最有效的信息就是数据融合的任务。其他能量管理策略还有冲突避免和纠错以及多跳短距离通信等。
4.5软件支持
tinyos是uc berkeley针对其无线传感器网络节点开发的操作系统。该系统不同于传统意义上的操作系统,它更像一个编程构架,在此构架下,搭配一组必要的组件,就能方便地编译出面向特定应用的操作系统。tinyos由众多组件组成,包括了主组件、应用组件、执行组件、传感组件、通信组件和硬件抽象组件。每一个组件在其内部都封装了命令处理程序和事件处理程序,它们通过接口声明所调用的命令和将要触发的事件。调度器则负责根据任务的轻重缓急来安排系统的工作。crossbow公司生产的mica传感器平台上就使用了tinyos系统[11]。实践证明,其基本应用只占用很少的系统资源,能圆满的完成数据采集、处理和通信组网以及数据传输等任务。
5无线传感器网络的应用
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