【IT专家网独家】无线传感器网络的兴起

　　二十世纪中期以来，计算技术、网络技术和传感技术的飞速发展为生产力的提高起到了巨大的推动作用，其中前两者的结合已经深刻地改变着人们的生产方式和生活习惯。而在二十世纪六十年代末，后两者的结合产生了传感器网络的概念，但由于当时的技术条件限制，缺乏可实用的集成传感器导致这一方向并未能充分开展起来。

　　尽管计算技术和网络技术的结合催生了许多新颖的应用模式和新颖的技术手段，但这二者的结合仍然基本属于传统的“人与人”或者“人与机”交互的范畴。直到二十世纪九十年代，随着通信技术、嵌入式计算技术，以及微电子技术的飞速发展，尤其是与莫尔定律相印证，各类电子产品的制造成本持续地降低到人们可以接受的时候，一种同时拥有感知、计算和通信能力，并且能够适用于各类不同环境的微型智能传感器才开始在世界范围内出现，而这些微小传感器节点的网络化将全面改变人们信息获取方式，这就是1993 年发端于美国的分布式传感器网络(DSN，Distributed Sensor Networks)。

　　分布式传感器网络是一种新兴的、极具发展潜力的网络技术，这种网络可以随机部署在人迹罕至的恶劣环境中，通过大冗余的部署，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并传送给感兴趣的观测者。在通信方式上，虽然分布式节点之间可以采用有线、无线、红外和光等多种形式，但一般认为短距离的无线低功率通信技术最适合这种网络使用，为明确起见，一般称这类网络为无线传感器网络(WSN，Wireless Sensor Networks)。作为沟通客观物理世界和主观感知世界的载体与桥梁，无线传感器网络将是一种全新的信息获取和处理技术，是信息感知和采集的一场革命。

　　传感节点通用硬件结构

　　根据应用的不同，无线传感器网络的节点组成不尽相同，但其硬件构成一般由四部分组成：感知单元(sensing unit)、嵌入式处理器(processing unit)、通信模块(transceiver unit)和能量供给(power unit)四部分，其功能模块如图1所示：

　　图1 传感器节点硬件功能示意图

　　无线传感器网络最重要的功能便是感知、采集并传输网络覆盖环境中各种信息的变化，因此感知装置是节点的最基本组成部分，但根据应用的不同和成本的区别，节点中感知单元的功能和数量不尽相同，比如借助于微型传感器中内置的形式多样的感知单元测量所在环境中的热、红外、声纳、振动和地磁场信号,从而探测包括温度、湿度、噪声、光强度、压力、移动物体的大小、速度和方向等众多观测者感兴趣的物理现象。当传感器感知到环境的各类参数后，便经过ADC将连续的模拟信号转变成为嵌入式处理器可处理的数字信号，而处理器除负责协调节点各组成部分的工作之外，还因其计算功能，可以为承担相同任务的传感器之间进行协作数据处理。处理后的数据将由通信模块负责直接或间接地传送到传感器网络的信息接入点。区别于以往工业界的传感器组网技术，人们现在主要研究的传感器网络一般均指采用无线通信方式的分布式传感器网络，因为其往往部署在相对恶劣的环境中，节点本身往往需要具备一定的能源供给能力。另外，对于某些特殊的应用，某些节点还可能包含定位装置(Location Finding System)、自移动装置(Mobilizer)，甚至是能量产生装置(Power Generator)等。

　　无线传感器网络典型应用结构

　　无线传感器网络是由一组高密度，高度自治的传感器节点以自组织的方式构成的无线网络，它与ad hoc移动自组网一样都采用无基站的移动通信方式，图2中给出了一个典型的无线传感器网络应用结构图。该网络由传感器节点、信息接收器(Sink，无线传感器网络网关、基站、接入点等都指同一概念)、Internet或通信卫星、任务管理节点等部分构成。

　　图2 无线传感器网络典型应用结构图

　　在无线传感器网络中，分布在整个网络区域数以千计的网络节点能够互相协作地自组织组网，并完成实时监测、感知和采集分布区域内的各种环境或监测对象信息的各项功能。同时，每个节点都可以通过传感器的移动通信单元以“多跳”路由方式发送自身获得的信息，也可对自身信息进行简单的处理以及转发来自其他节点的信息，从而使将目标对象的详尽而准确的信息通过Sink 的Internet 或通信卫星，传送到需要这些信息的用户。同样，用户也可以通过Sink 实现任务管理节点(即用户)与网络节点之间的通信，以同样的方式将命令等信息逐跳转发到各节点。