引言

無線傳感器網絡（Wireless Sensor Network，WSN）是由大量傳感器節點組成的一種自組織網絡，這些傳感器節點不僅能感知網絡內的環境信息，還具有簡單的計算能力，同時可以將感知和計算后的相關信息在網絡中進行傳輸，具有一定的通信能力。傳感器節點是WSN中最重要的節點，它是整個WSN的基礎，具有感知數據、處理數據、存儲數據和傳輸數據的功能。傳感器節點負責感知網絡內的環境信息，收集監測數據并通過匯聚節點上報給用戶節點。

與其它無線通信網絡相比，WSN有其自身顯著的特點。

大規模性：傳感器網絡的大規模性分為兩種含義，一種是在某些很大面積的監測區域內部署傳感器節點，如森林、山地等區域為了監控火災或進行其他環境監測活動；另一種是在面積有限的區域內部署大密度的傳感器節點。

自組織性：WSN是一種分布式自組織的無線網絡，它沒有中心控制管理，是由對等節點構成的網絡。這種分布式結構可以更好的適應網絡的變化，在網絡發生變化時可以自動進行配置和管理，靈活性和實用性較強。

路由多跳性：由于WSN的監測范圍很大，傳感器節點間數據傳輸距離會很遠，所以WSN中多采用多跳路由轉發的方式，使每個節點都具有路由轉發功能，這樣可以減少節點發送功率，降低網絡能耗。

健壯性：WSN經常應用于山地、森林等環境惡劣的野外區域，在這種環境中，傳感器節點的維護工作較難實現，所以需要網絡具有一定的健壯性，當某些節點因為環境干擾或電池耗完不能正常工作時，網絡內其他節點間可以自動調節以保證WSN的正常工作。

1 無線傳感器網絡應用

作為信息技術三大支柱之一，WSN以其低成本、低功耗、高適用性等特點在工業市場上已經得到廣泛的應用。其主要應用領域集中在以下幾個方面。

1.1 軍事偵察

WSN能滿足多種軍事場景下信息獲取的實時性和準確性，它可以感知戰場態勢。在軍事應用中，大量傳感器節點通過飛行器被拋灑在戰場區域并形成自組網，網絡內各個節點感知戰場信息并收集、傳輸這些數據信息為作戰部隊提供情報。由于WSN具有密集型、隨機分布的特點，使其在監控友軍兵力、裝備物資、彈藥調配和戰爭損傷評估；監視戰區情況、偵查敵方軍力和目標跟蹤；探測和偵查生物化學攻擊等方面起到很大作用。

美國是第一個進行WSN研究的，從越南戰爭中開始研究用于發現越南物資運輸車隊的“熱帶樹”傳感器開始，美國在WSN研究方面投入了大量的人力、物力和資金，并成功將其應用到了軍事領域。此外，WSN還可以應用于國土安全和國土邊境監視等方面。

1.2 環境監測

隨著人們對環境問題的關注，環境監測成為無線傳感器網絡的重要應用領域之一。目前社會的發展和大自然的變化，傳統的環境監測手段已經不能滿足人類的需求，使用傳感器節點對室內外環境的采集、分析和監控顯得尤為重要。

由于傳感器網絡自身的特點，其為野外環境的監控工作提供了便捷。通過WSN收集震動和次聲波信息可以對火山爆發進行監測，提前發出預警；WSN還可以應用于動物跟蹤、候鳥遷徙，通過觀察動物的行為習慣進行種群研究；在植物上部署無線傳感器網絡能監控樹木生成情況，收集光合作用等信息，給植物研究提供相關依據；在無人值守地區拋灑傳感器節點可以進行無間斷監測，彌補監測盲區獲取更全面的環境數據。

隨著科學技術的大力發展，對室內環境的監控也是很有必要的。無線傳感器系統的部署，不僅可以監測室內實時的溫度、濕度和空氣質量以改善室內環境。

1.3 智能家居

智能家居是將居住環境中的安防系統、照明系統、空調系統和其他家用電器等設備通過物聯網技術連接起來實現自動化和智能化管理。在家用電器中嵌入傳感器節點，通過無線網絡與互聯網結合的方式可以實現對家電的遠程控制，同時也可以實時監控家庭安全情況，使人們的生活更舒適、更便捷。

微軟的“未來之家”是最先進的智能家居的代表，它融合了門禁系統不僅能對家庭環境進行監測還能通過觸摸檢測主人的身體狀況并進行相應健康提示等。復旦大學、電子科技大學等單位也研制出一項基于WSN的智能樓宇系統，此系統可以通過互聯網終端對家庭狀況進行實施監測。

1.4 醫療健康

目前，WSN在醫療系統和健康護理方面有很多應用。在住院的患者身上安裝可以監測心率或血壓的傳感器節點，可以使醫生及時了解被監控病人的身體狀況和活動情況，當發現異常狀態時以最快速度對其進行搶救；基于傳感器網絡的看護系統可以實時檢測老人的健康問題，感知老人的各項活動，記錄老人的狀態，為老人的安全健康提供保障，同時也可以減輕看護人員的負擔，提高護理質量。

2 無線傳感器網絡關鍵技術

2.1 拓撲控制

拓撲控制技術的主要功能是數據轉發，同時通過控制功率或鄰居節點來實現網絡的覆蓋度和連通度。良好的網絡拓撲能夠提高路由效率、降低網絡能耗，以延長網絡生存周期。拓撲控制作為WSN中的核心問題，能夠為數據融合、路由協議以及目標定位等提供技術支撐。

目前已有的拓撲控制算法分為節點功率控制和層次型拓撲控制兩類。功率控制是通過調整傳感器節點的發送功率，在滿足網絡覆蓋率和連通性的前提下，盡可能減少節點發送功率。當每個節點的功率發生變化時，網絡的拓撲結構也會發生變化，同時降低節點間的干擾，最終使網絡達到最佳連通性。層次型拓撲控制利用分簇機制，讓形成簇頭節點，每個簇頭節點成為一個骨干網將網絡劃分成多個簇，其他非骨干網節點可以暫時停止通信以降低網絡能耗，只允許骨干網進行數據轉發。

2.2 路由協議

在無線傳感器網絡中，網絡連接需要根據實際情況，需聯合合適且特定的算法還有系統軟件建立的實時動態的連接，并不是采用一種事先安排好的連接方式。網絡帶寬、處理功耗等一些網路實時方面的影響因素是網絡運行時必然要考慮的因素，因此，當網絡出現意外時，網絡根據實際情況能夠實時地進行重構或是更新網絡系統等操作。節點之間通信連接的可靠性是有限的，有時陰影衰落也是影響網絡連接的因素之一，所以在設計滿足網絡需求的路由軟件時要仔細考慮通信的可靠性問題。

2.3 數據融合

在WSN中，通過數據融合技術可以對傳感器節點收集到的數據進行融合處理，去除冗余信息，節省網絡能量，延長網絡生命周期。此外，利用數據融合技術可以對網絡內感知到的多份數據進行分析和綜合處理以提高信息的準確度。然而，數據融合技術在進行數據處理時，會增加網絡運行時間，造成網絡的時間延遲。

2.4 時間同步

時間同步是需要協同工作的傳感器網絡系統的一個關鍵機制。在WSN中，節點間通常需要相互協作才能完成感知和監測功能，此時要求各個節點之間保持同樣的時鐘。目前已有的時間同步協議有RBS（參考廣播同步）、Tiny/miniSync（微小/迷你同步）以及TPSN（Timing-sync協議的傳感器網絡）。

2.5 定位技術

在WSN的實際應用中，用戶不僅關注傳感器節點在監測區域內的感知數據，也希望獲取這些節點的位置信息。因此，定位技術作為WSN中的關鍵技術具有十分重要的地位。

在WSN中傳感器節點的定位方式分為兩種：基于測距的定位和基于非測距的定位技術。基于測距的定位是通過測量節點間的距離和方向角度來確定待定位節點的坐標，此方法對節點硬件要求較高，能達到精確定位；基于非測距的定位是通過網絡內節點間的連通性來獲取待定位節點的最終坐標的，由于無需測量節點間的距離使得對節點的硬件要求較低，降低了網絡的成本，但是定位精度不高。

3 結束語

通過對WSN的深入研究，人們對其的認識越來越深刻，與此同時在相關技術方面也取得了很大的進展，使WSN得到廣泛應用。WSN是目前國內外各個領域專業的研究熱點，它將成為未來社會應用廣泛的網絡，具有很好的研究價值和發展前景。