無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Network ，WSN）是一種新型的信息獲取以及處理網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，它集傳感器技術(shù)、通信技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)于一體，具有自動組網(wǎng)、動態(tài)智能和協(xié)同感知等功能。
如圖1所示，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的工作原理是利用各種類型的敏感元件構(gòu)成的傳感器，分布于需要覆蓋的領(lǐng)域內(nèi)，組成傳感器節(jié)點(diǎn)，用于收集數(shù)據(jù)，并且將數(shù)據(jù)路由送至信息收集節(jié)點(diǎn)“Sink”，信息收集節(jié)點(diǎn)與信息處理節(jié)點(diǎn)通過廣域網(wǎng)（如Internet網(wǎng)絡(luò)或衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)）將數(shù)據(jù)送至地面監(jiān)控中心進(jìn)行統(tǒng)計分析和處理，并對監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行綜合評估。
圖1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)工作原理圖
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn) ：
低速率 : 傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，通常只需定期傳輸溫度、濕度、壓力、流量、電量等被測參數(shù)，相對而言，被測參數(shù)的數(shù)據(jù)量小，采集數(shù)據(jù)頻率較低。
低功耗 : 通常，傳感器節(jié)點(diǎn)利用電池供電，且分布區(qū)域復(fù)雜、廣闊，很難通過更換電池方式來補(bǔ)充能量，因此，要求傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的功耗要低，傳感器的體積要小。
低成本 : 應(yīng)用WSN時，監(jiān)測區(qū)域廣、傳感器的節(jié)點(diǎn)多，且有些區(qū)域環(huán)境的地形復(fù)雜，甚至連工作人員都無法進(jìn)入，一旦安裝傳感器則很難更換，因而要求傳感器的成本低廉。
短距離 : 為了組網(wǎng)和傳遞數(shù)據(jù)方便，兩個傳感器的節(jié)點(diǎn)之間的距離通常要求在幾十米到幾百米之間。
高可靠 : WSN的信息獲取是靠分布在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的各個傳感器檢測到的，如傳感器本身不可靠，則其信息的傳輸和處理是沒有任何意義的。
大容量 : 要求網(wǎng)絡(luò)能容納上千、上萬個節(jié)點(diǎn)。
動態(tài)性 : 對于復(fù)雜環(huán)境的組網(wǎng)，其覆蓋區(qū)域往往會遇到各種電、磁環(huán)境的干擾，加之供電能量的不斷損耗，易引起傳感器節(jié)點(diǎn)故障， 因此要求傳感器網(wǎng)絡(luò)具有自組網(wǎng)、智能化和協(xié)同感知等功能。
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)有著十分廣泛的應(yīng)用和發(fā)展前景。它不僅在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療、環(huán)境、航空、航天和軍事等領(lǐng)域有著巨大的應(yīng)用價值，在未來的許多新興領(lǐng)域也蘊(yùn)藏著巨大商機(jī)，如在家庭、防災(zāi)、保健、環(huán)保、反恐等領(lǐng)域也體現(xiàn)出許多的優(yōu)越性而大顯身手。另外，它還可以到達(dá)一些人類無法到達(dá)或無法工作的環(huán)境。
目前，業(yè)界普遍認(rèn)為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是人類面臨的一次發(fā)展機(jī)遇。它將改變?nèi)藗兊纳睿踔翆⒁鹨粓鰟潟r代的軍事技術(shù)革命和未來的戰(zhàn)爭變格。美國商業(yè)周刊MIT技術(shù)評論，在預(yù)測未來的技術(shù)發(fā)展報告中，分別將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)列為21世紀(jì)最有影響的21項(xiàng)技術(shù)和改變世界的四大技術(shù)之一。無線網(wǎng)絡(luò)傳感器、塑料電子學(xué)和仿生人體器官被認(rèn)為是全球未來的三大高科技產(chǎn)業(yè)。我國對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展也十分重視，《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006-2020年）》在重大專項(xiàng)、優(yōu)先發(fā)展主題以及前沿領(lǐng)域均將傳感器網(wǎng)絡(luò)列入，其中，重大專項(xiàng)“新一代寬帶移動無線通信網(wǎng)”被列為其中的重要方向之一。
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議機(jī)制
物理層研究
物理層研究主要集中在傳輸介質(zhì)的選擇。目前傳輸介質(zhì)主要有無線電、紅外線和光波三種；傳輸頻段選擇為通用頻段ISM，4.33MHz，915MHz和2.44GHz；調(diào)制方式為二元調(diào)制和多元調(diào)制。
數(shù)據(jù)鏈路層研究
數(shù)據(jù)鏈路層研究主要集中在MAC（Media Access Control）媒體訪問控制協(xié)議，該協(xié)議是保證WSN高效通信的關(guān)鍵協(xié)議之一，傳感器網(wǎng)絡(luò)的性能如吞吐量、延遲性完全取決于網(wǎng)絡(luò)的MAC協(xié)議，與傳統(tǒng)的MAC協(xié)議不同，WSN的協(xié)議首先考慮能量節(jié)省問題，通常可分為下面幾類：
隨機(jī)競爭類MAC
● S-MAC協(xié)議，周期性偵聽/睡眠方式，目的是節(jié)能；
● T-MAC協(xié)議，減少空間偵聽時間；
● Sift協(xié)議，N個傳感器節(jié)點(diǎn)，同時檢測到同一事件時，希望R個節(jié)點(diǎn)（R=N）能夠在最小時間內(nèi)，無沖突地成功發(fā)出事件監(jiān)測信息，抑制剩余（N-R）個節(jié)點(diǎn)的消息發(fā)送。
時分復(fù)用（TDMA）類MAC協(xié)議
● DMAC協(xié)議，采用不同深度節(jié)點(diǎn)之問的活動/睡眠的交錯調(diào)度機(jī)制；
● DEANA協(xié)議，把一個數(shù)據(jù)傳輸周期分為調(diào)度訪問階段和隨機(jī)回訪階段；
● TRAMA協(xié)議，將時間劃分為連續(xù)的時槽，根據(jù)兩跳內(nèi)鄰后節(jié)點(diǎn)信息，采用分布式選舉機(jī)制，確定每個時槽的無沖突發(fā)送者。
混合型MAC協(xié)議
● SMACS/EAR協(xié)議，為每對鄰居節(jié)點(diǎn)分配一個特有頻率進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；
● CSMA/CA和CDMA相結(jié)合，鏈路偵聽采用CSMA/CD機(jī)制，數(shù)據(jù)收發(fā)采用CDMA機(jī)制，不需要嚴(yán)格時間同步，但需要節(jié)點(diǎn)提供鏈路偵聽和數(shù)據(jù)收發(fā)兩個硬件模塊。
網(wǎng)絡(luò)層路由協(xié)議研究。
網(wǎng)絡(luò)層負(fù)責(zé)路由的發(fā)現(xiàn)和維護(hù)，遵照路由協(xié)議將數(shù)據(jù)分組，從源節(jié)點(diǎn)通過網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)到目的節(jié)點(diǎn)，即尋找源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)之間的優(yōu)化路徑，然后將數(shù)據(jù)分組沿著優(yōu)化路徑正確轉(zhuǎn)發(fā)。
網(wǎng)絡(luò)層路由協(xié)議的研究主要有：
基于聚簇的路由協(xié)議。首先根據(jù)某種規(guī)則把WSN的節(jié)點(diǎn)劃分為多個子集，如壓力子集、溫度子集、濕度子集等，每個子集成為一個簇，有一個簇頭。每個簇的簇頭負(fù)責(zé)全局的路由，其它節(jié)點(diǎn)通過簇頭接收或發(fā)送數(shù)據(jù)。基于聚簇的路由協(xié)議有：
● LEACH協(xié)議，隨機(jī)循環(huán)地為每一個簇選擇簇頭節(jié)點(diǎn)“Sink”；
● PEGASIS協(xié)議，所有傳感器節(jié)點(diǎn)被視為一個簇，所有傳感器節(jié)點(diǎn)把數(shù)據(jù)傳送到簇頭“Sink”；
● TEEN協(xié)議，通過抑制不必要的通信來實(shí)現(xiàn)節(jié)省能量。
基于地理位置的路由協(xié)議。該類協(xié)議假定每個節(jié)點(diǎn)都知道自己的地理位置及目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的地理位置。該類協(xié)議有“距離貪心路由協(xié)議”、“角度貪心路由協(xié)議”和GEM路由協(xié)議，即用虛擬極坐標(biāo)系表示W(wǎng)SN的拓樸結(jié)構(gòu)，構(gòu)造一個“Sink”為根的環(huán)樹，每個節(jié)點(diǎn)由其到樹根的跳步數(shù)以及與根的角度來表示，數(shù)據(jù)路由通過該有環(huán)樹進(jìn)行。
基于數(shù)據(jù)為中心的路由協(xié)議。該類協(xié)議主要有Rumor-routing協(xié)議（克服定向協(xié)議開銷大的問題），支持移動Sink以數(shù)據(jù)為中心的TTDD路由協(xié)議。
基于能量感知路由協(xié)議。GEAR協(xié)議，根據(jù)地理位置信息，建立“Sink”到監(jiān)測區(qū)域的優(yōu)化路徑，支持“Sink”向監(jiān)測區(qū)的所有節(jié)點(diǎn)發(fā)送查詢命令，避免洪泛的傳播方式并減少路由建立的開銷。
傳輸層協(xié)議
傳輸層主要負(fù)責(zé)將WSN的數(shù)據(jù)提供給外部網(wǎng)絡(luò)，由于WSN的能量受限，節(jié)點(diǎn)命名機(jī)制以數(shù)據(jù)為中心特征會使得傳輸控制很困難。在實(shí)際應(yīng)用時，通常會采用特殊節(jié)點(diǎn)作為網(wǎng)關(guān)。然而引入特殊的節(jié)點(diǎn)可能會影響到傳感器節(jié)點(diǎn)的隨機(jī)部署特性，給MAC協(xié)議和路由協(xié)議的設(shè)計帶來新的難題。網(wǎng)關(guān)通過通信衛(wèi)星、移動通信網(wǎng)絡(luò)、internal網(wǎng)或其它通信介質(zhì)與外部網(wǎng)絡(luò)通信。
WSN的共性技術(shù)
節(jié)點(diǎn)能量管理
WSN中的能量損耗主要在數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)計算和數(shù)據(jù)傳輸三個方面，通常有下面幾種管理策略。
動態(tài)能量管理 : 基本思路是在節(jié)點(diǎn)有監(jiān)測任務(wù)或傳輸任務(wù)時，動態(tài)改變節(jié)點(diǎn)中一些模塊狀態(tài)，并使節(jié)點(diǎn)處于休眠或低功耗狀態(tài)，必要時才加以喚醒。
動態(tài)電壓調(diào)度 : 對處于工作狀態(tài)的節(jié)點(diǎn)根據(jù)系統(tǒng)工作負(fù)載，調(diào)整微處理器操作電壓和頻率，在滿足性能要求的同時降低節(jié)點(diǎn)功耗。
數(shù)據(jù)融合 : 將來自多傳感器和信息源的數(shù)據(jù)以及信息加以聯(lián)合、相關(guān)和組合，以減少整個網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)流量，達(dá)到節(jié)能目的。
拓?fù)淇刂?: 在滿足網(wǎng)絡(luò)覆蓋度和連通度的前提下，通過功率控制和層次拓?fù)淇刂疲咕W(wǎng)絡(luò)的能量消耗達(dá)到最小化。
時間同步
時間同步機(jī)制是WSN的關(guān)鍵技術(shù)之一。在WSN中，每個節(jié)點(diǎn)都有自己的時鐘，由于不同節(jié)點(diǎn)的晶體振蕩器頻率存在誤差，再加上環(huán)境的干擾，因此，即使在某個時刻，所有節(jié)點(diǎn)都達(dá)到了時間同步，它們的時間也會逐漸出現(xiàn)偏差。而且由于傳統(tǒng)分布式協(xié)同系統(tǒng)中的時間同步機(jī)制不適于WSN，因而人們在WSN時間同步方面都做了很大的努力，盡量使時間偏差減少。
RBS時間同步機(jī)制 : 通過網(wǎng)絡(luò)物理層定期向相鄰節(jié)點(diǎn)廣播時間信號，接受方把信號的到達(dá)時間作為參考點(diǎn)來比較它們的時鐘，實(shí)現(xiàn)時鐘同步。
Post-facto機(jī)制 : 通常情況下不進(jìn)行時間同步，僅當(dāng)檢測到事件發(fā)生時才采用RBS機(jī)制進(jìn)行時間同步。
Mini-sync和Tiny-sync時間同步算法 : 假設(shè)節(jié)點(diǎn)的時鐘漂移遵循線性變化，因此二個節(jié)點(diǎn)之間的漂移也是線性的，并通過交換時標(biāo)分組來估計二個節(jié)點(diǎn)間的最優(yōu)匹配偏移量來達(dá)到時間同步。
節(jié)點(diǎn)定位
傳感器的節(jié)點(diǎn)定位也是WSN的關(guān)鍵技術(shù)之一，是WSN應(yīng)用的基礎(chǔ)，沒有位置信息的數(shù)據(jù)是沒有意義的。WSN的定位有兩種方法：基于測量距離的定位方法、與測量距離無關(guān)的定位方法。GPS全球定位系統(tǒng)是目前應(yīng)用最為廣泛的定位系統(tǒng)，但其耗能高，體積大，成本高，不適合WSN。
網(wǎng)絡(luò)安全
WSN的安全性是由于網(wǎng)絡(luò)部署區(qū)域的開放性和無線網(wǎng)絡(luò)的廣播特性所決定的。目前的研究主要集中在密鑰管理、身份確認(rèn)和數(shù)據(jù)加密、攻擊檢測與抵御和安全路由等方面。
密鑰管理、身份確認(rèn)和數(shù)據(jù)加密 : 目前WSN使用的主要是基于密鑰預(yù)分配的對稱加密技術(shù)，利用基站管理密鑰的非對稱加密技術(shù)，上述加密技術(shù)各有利弊，利用軟件加密是比較可行的選擇。
攻擊檢測與抵御 : 主要解決傳感器節(jié)點(diǎn)受到惡意攻擊如干擾服務(wù)、節(jié)點(diǎn)捕獲時，如何保證WSN的正常工作，解決方法有“通過向獨(dú)立多路徑發(fā)送驗(yàn)證數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)異常節(jié)點(diǎn)的方法”，提出了“安全并具有彈性的時間同步協(xié)議”，并可以對抗外部攻擊和被浮獲節(jié)點(diǎn)的影響，對位置和距離欺騙攻擊的抵抗技術(shù)等方法。
安全路由 : 目前在WSN中的路由協(xié)議有很多安全弱點(diǎn)，易受攻擊，敵方可以向WSN中注入惡意的路由信息使網(wǎng)絡(luò)癱瘓，現(xiàn)提出了“采用認(rèn)證抵御惡意注入方法”、“廣播加密方案RBE”和“廣播基站隨機(jī)檢測節(jié)點(diǎn)是否能接收到其廣播信息的方法”等。
WSN中的傳感器技術(shù)
WSN的發(fā)展是隨著傳感器技術(shù)的發(fā)展而逐漸發(fā)展起來的，上世紀(jì)70年代出現(xiàn)了將傳感器點(diǎn)對點(diǎn)的傳輸信號，連接至傳感器控制器構(gòu)成傳感器網(wǎng)絡(luò)的雛形，稱之為第一代傳感器網(wǎng)絡(luò)；隨著智能化傳感器、MEMS/NEMS傳感器的問世，傳感器具有了獲取多種信息的綜合處理能力，通過與傳感器控制器相聯(lián)，構(gòu)成了有綜合處理能力的網(wǎng)絡(luò)，稱之為第二代傳感器網(wǎng)絡(luò)；從上世紀(jì)末開始，現(xiàn)場總線技術(shù)開始應(yīng)用于傳感器，并用其組建智能化傳感器網(wǎng)絡(luò)，大量應(yīng)用的多功能傳感器，數(shù)字技術(shù)，使用無線技術(shù)連接等，形成了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。
根據(jù)WSN的特點(diǎn)，WSN中的敏感元件、傳感器的設(shè)計和制備技術(shù)應(yīng)著重考慮的問題如下。
敏感元件和傳感器的小型化或微型化是降低WSN功耗的主要途徑之一，傳感器的微型化是指敏感元件的特征尺寸為毫米、微米以及納米的傳感器，這類傳感器具有尺寸上的微型化，性能上的優(yōu)越性，要素上的集成化，用途上的多樣性，功能上的系統(tǒng)化和結(jié)構(gòu)上的復(fù)合性特點(diǎn)。傳感器的微型化決不僅僅是尺寸上的縮微或減小，而是一種有新機(jī)理、新結(jié)構(gòu)、新作用和新功能的高科技微型系統(tǒng)。其制備工藝涉及半導(dǎo)體刻蝕技術(shù)、大規(guī)模集成電路制造技術(shù)、精密超細(xì)加工技術(shù)甚至LIGA技術(shù)。具有代表性的微型器件有微壓力傳感器、微加速度計、微陀螺和微流量傳感器等。
敏感元件和傳感器的集成化，對傳感器的小型化、降低功耗、提高可靠性的同時，也是提高WSN性能的重要工藝手段。利用敏感元件的制備技術(shù)、IC技術(shù)、微電子電路技術(shù)和微機(jī)接口技術(shù)，將敏感元件與調(diào)理電路、補(bǔ)償電路集成在同一芯片上，使傳感器由單一信號轉(zhuǎn)換功能擴(kuò)展到兼有檢測、放大、運(yùn)算和補(bǔ)償功能，從而實(shí)現(xiàn)敏感元件和傳感器的集成化。
敏感元件和傳感器的結(jié)構(gòu)特別是封裝結(jié)構(gòu)對傳感器的功耗和性能的作用影響到WSN的性能和應(yīng)用。敏感元件和傳感器的封裝特點(diǎn)是：專用性，一種器件一種封裝，封裝結(jié)構(gòu)對器件的散熱和功耗作用很大，為了降低功耗，封裝材料選擇和封裝工藝尤應(yīng)重視；復(fù)雜性，WSN的應(yīng)用場合和環(huán)境各不相同，感知的被測量可能是一種或幾種，如同時檢測溫度、濕度、壓力等，因此輸入信號的界面復(fù)雜，工作環(huán)境惡劣，往往對敏感元件和傳感器的封裝結(jié)構(gòu)有特殊要求；可靠性，在傳感器封裝設(shè)計考慮時，可靠性是重點(diǎn)考慮之一，封裝材料選擇、封裝結(jié)構(gòu)設(shè)計、封裝工藝實(shí)施、應(yīng)力釋放、散熱等都將影響到傳感器的可靠性，進(jìn)而影響到WSN使用的可靠性。
為使WSN的廣泛應(yīng)用，敏感元件和傳感器的低成本制備技術(shù)也是必須考慮的問題，因此必需考慮敏感元件和傳感器的產(chǎn)業(yè)化問題。傳感器的產(chǎn)業(yè)化，除了國家政策、體制、機(jī)制、布局、投資等原因外，傳感器本身也有產(chǎn)業(yè)化的規(guī)律和技術(shù)問題值得探討和研究，即包括傳感器的產(chǎn)業(yè)化技術(shù)、產(chǎn)業(yè)化市場、產(chǎn)業(yè)化條件和產(chǎn)業(yè)化人才等因素。
產(chǎn)業(yè)化技術(shù)
應(yīng)滿足如下技術(shù)要：求技術(shù)成熟、工藝穩(wěn)定、復(fù)現(xiàn)性好，能夠真正突破和掌握關(guān)鍵技術(shù)并有獨(dú)到的專有技術(shù)；
技術(shù)先進(jìn)、指標(biāo)先進(jìn)和性能指標(biāo)能同國外同類產(chǎn)品抗衡，在國內(nèi)處領(lǐng)先水平；
產(chǎn)品經(jīng)過從初樣、正樣和定型三個階段，產(chǎn)品需經(jīng)過一定的量產(chǎn)，且經(jīng)過1000臺～2000臺的現(xiàn)場考核和實(shí)踐驗(yàn)證；
產(chǎn)品制備主要由技術(shù)工人（少量技術(shù)人員）來完成，而非主要由技術(shù)人員來完成；
有產(chǎn)品技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和詳細(xì)的工藝規(guī)范來指導(dǎo)生產(chǎn)；
產(chǎn)品的生產(chǎn)和管理納入ISO9000質(zhì)量保證體系，且質(zhì)保體系需運(yùn)行有效、適宜和可靠。
產(chǎn)業(yè)化市場
要求傳感器產(chǎn)品的市場容量大，應(yīng)用面寬，并具有廣泛的行業(yè)影響，能創(chuàng)造較大的社會和經(jīng)濟(jì)效益，產(chǎn)品的市場周期處于上升階段；要求產(chǎn)業(yè)化的傳感器產(chǎn)品能適應(yīng)多種WSN應(yīng)用領(lǐng)域的需求。
產(chǎn)業(yè)化條件
裝備條件。工藝裝備完善、成線，特別是一些關(guān)鍵的工藝裝備，國內(nèi)無定型產(chǎn)品，也無生產(chǎn)廠家，必須按工藝要求自行設(shè)計和制造。其裝備的自動化程度和水平往往決定產(chǎn)品的質(zhì)量和水平。
生產(chǎn)場地。根據(jù)生產(chǎn)大綱、量產(chǎn)指標(biāo)、生產(chǎn)規(guī)模決定生產(chǎn)場地。敏感元件和傳感器的生產(chǎn)場地往往有潔凈度、控溫、控濕和防靜電等要求。
材料采購和供應(yīng)。敏感元件和傳感器往往涉及一些特殊材料和供應(yīng)問題，如恒彈性材料，特種玻璃，特種性能的工程朔料和陶瓷，特種不銹鋼等，這些材料可能用量不多，但必須有通暢的供應(yīng)渠道和合格的供應(yīng)商，以保證材料的性能和質(zhì)量。
測試系統(tǒng)及測試裝置。由于傳感器生產(chǎn)固有的特點(diǎn)，對每一臺傳感器需進(jìn)行標(biāo)定和測試，并進(jìn)行必要的補(bǔ)償，測試系統(tǒng)和測試裝置是必不可少的。除了保證其測試精度外，為了實(shí)現(xiàn)批量和規(guī)模化生產(chǎn)，系統(tǒng)和裝置必須具有自動、批量和連續(xù)測試的功能。
產(chǎn)業(yè)化人才
有了產(chǎn)業(yè)化技術(shù)、產(chǎn)業(yè)化市場和產(chǎn)業(yè)化條件，并不一定能夠?qū)崿F(xiàn)敏感元件和傳感器的產(chǎn)業(yè)化，關(guān)鍵是要有實(shí)現(xiàn)傳感器產(chǎn)業(yè)化的人才。產(chǎn)業(yè)化人才包括管理人才：負(fù)責(zé)產(chǎn)業(yè)化的總體策劃、產(chǎn)品策劃、技術(shù)策劃、市場策劃等；技術(shù)人才：負(fù)責(zé)產(chǎn)品設(shè)計和開發(fā)等；技術(shù)工人：負(fù)責(zé)產(chǎn)品生產(chǎn)、制造等；營銷人才：負(fù)責(zé)產(chǎn)品的經(jīng)銷工作和市場拓展等。
