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无线感测器网路(Wireless Sensor Network)【Wireless Sensor Network 无线感测器网路】无线感测器网路(Wireless Sensor Networks, WSN)是一种分散式感测网路，它的末梢是可以感知和检查外部世界的感测器 。WSN中的感测器通过无线方式通信，因此网路设定灵活，设备位置可以随时更改，还可以跟网际网路进行有线或无线方式的连线 。通过无线通信方式形成的一个多跳自组织网路 。
WSN的发展得益于微机电系统(Micro-Electro-Mechanism System, MEMS)、片上系统(System on Chip, SoC)、无线通信和低功耗嵌入式技术的飞速发展 。
WSN广泛套用于军事、智慧型交通、环境监控、医疗卫生等多个领域 。
简介介绍感测器网路实现了数据的採集、处理和传输三种功能 。它与通信技术和计算机技术共同构成信息技术的三大支柱 。无线感测器网路（Wireless Sensor Network, WSN）是由大量的静止或移动的感测器以自组织和多跳的方式构成的无线网路，以协作地感知、採集、处理和传输网路覆盖地理区域内被感知对象的信息，并最终把这些信息传送给网路的所有者 。
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无线感测器网路所具有的众多类型的感测器，可探测包括地震、电磁、温度、湿度、噪声、光强度、压力、土壤成分、移动物体的大小、速度和方向等周边环境中多种多样的现象 。潜在的套用领域可以归纳为: 军事、航空、防爆、救灾、环境、医疗、保健、家居、工业、商业等领域 。定义WSN是wireless sensor network的简称，即无线感测器网路 。无线感测器网路就是由部署在监测区域内大量的廉价微型感测器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网路系统，其目的是协作地感知、採集和处理网路覆盖区域中被感知对象的信息，并传送给观察者 。感测器、感知对象和观察者构成了无线感测器网路的三个要素 。微机电系统（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，孕育出无线感测器网路（Wireless Sensor Networks，WSN），并以其低功耗、低成本、分散式和自组织的特点带来了信息感知的一场变革 。无线感测器网路就是由部署在监测区域内大量的廉价微型感测器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳自组织网路 。很多人都认为，这项技术的重要性可与网际网路相媲美：正如网际网路使得计算机能够访问各种数字信息而可以不管其保存在什幺地方，感测器网路将能扩展人们与现实世界进行远程互动的能力 。它甚至被人称为一种全新类型的计算机系统，这就是因为它区别于过去硬体的可到处散布的特点以及集体分析能力 。然而从很多方面来说，现在的无线感测器网路就如同远在1970年的网际网路，那时网际网路仅仅连线了不到200所大学和军事实验室，并且研究者还在试验各种通讯协定和定址方案 。而现在，大多数感测器网路只连线了不到100个节点，更多的节点以及通讯线路会使其变得十分複杂难缠而无法正常工作 。另外一个原因是单个感测器节点的价格目前还并不低廉，而且电池寿命在最好的情况下也只能维持几个月 。不过这些问题并不是不可逾越的，一些无线感测器网路的产品已经上市，并且具备引人入胜的功能的新产品也会在几年之内出现 。无线感测器网路所具有的众多类型的感测器，可探测包括地震、电磁、温度、湿度、噪声、光强度、压力、土壤成分、移动物体的大小、速度和方向等周边环境中多种多样的现象 。基于MEMS的微感测技术和无线联网技术为无线感测器网路赋予了广阔的套用前景 。这些潜在的套用领域可以归纳为:军事、航空、反恐、防爆、救灾、环境、医疗、保健、家居、工业、商业等领域 。新型的无线感测器网路目前大部分已部署的WSN，都仅限于採集温度、湿度、位置、光强、压力、生化等标量数据，而在医疗监护、交通监控、智慧型家居等实际套用中，我们需要获取视频、音频、图像等多媒体信息，这就迫切需要一种新的无线感测器网路——无线多媒体感测器网路 。无线多媒体感测器网路（WMSN，Wireless Multimedia Sensor Networks）是在传统WSN的基础上引入视频、音频、图像等多媒体信息感知功能的新型感测器网路 。无线多媒体感测器网路是在无线感测器网路中加入了一些能够採集更加丰富的视频、音频、图像等信息的感测器节点，由这些不同的节点组成了具有存储计算和通信能力的分散式感测器网路 。WMSN通过多媒体感测器节点感知周围环境中的多种媒体信息，这些信息可以通过单跳和多跳中继的方式传送到汇聚节点，然后汇聚节点对接收到的数据进行分析处理，最终把分析处理后的结果传送给用户，从而实现了全面而有效的环境监测 。与传统的WSN相比，WMSN有如下特点，参见表6 。表6 WSN与WMSN对比比较传统的WSNWMSN相同点自组织、资源受限、监控环境複杂、无人值守等不同点能耗分布能耗低，主要集中在无线收发上能耗较高，在多媒体信息採集、处理，无线收发上能耗相当处理任务较简单，简单的加减乘除平均数据等除了採集标量数据外，还要採集图像、音频、视频等多媒体信息QoS要求要求较低，牺牲QoS换取能耗最低QoS基于业务套用有所区别，多媒体信息需要高QoS功能套用功能简单，感知信息量优先，用于简单的环境监测等场合感知信息丰富，实现细粒度、高精準的监控，除了增强一般场合的监控，可以完成追蹤、识别等複杂任务感测模型全向性，可以从任意方向感知数据一般具有很强的方向性核心问题能耗最低满足QoS情况下，追求能耗最低WMSN集成和拓展了传统WSN的套用场合，广泛用于安全监控、智慧型交通、智慧型家居、环境监测等需要多媒体信息的场合 。l 安全监控：在重要的公共场所，可以利用多个视频感测器节点通过无线方式组成分散式监控网路，完成监控区域内的视频信号採集和监视 。l 智慧型交通：分散式布置的WSMN可以在城市内的交通枢纽、主干道的交通信息实施监控，统计出交通的热点信息 。l 智慧型家居：例如WSMN可以用于对幼稚园中儿童的教育环境进行检测，对儿童的活动进行跟蹤，以便家长全面地了解儿童的学习生活 。l 环境监控：例如WSMN用于矿井安全监控时，可以通过声音和视频实时了解井下矿道的动态，提前对安全问题做出预警 。发展历史中国物联网校企联盟认为，感测器网路的发展历程分为以下三个阶段：感测器→无线感测器→无线感测器网路（大量微型、低成本、低功耗的感测器节点组成的多跳无线网路）第一阶段:最早可以追溯至越战时期使用的传统的感测器系统 。当年美越双方在密林覆盖的“胡志明小道”进行了一场血腥较量，“胡志明小道”是胡志明部队向南方游击队输送物资的秘密通道，美军对其进行了狂轰滥炸，但效果不大 。后来，美军投放了2万多个“热带树”感测器 。“热带树”实际上是由震动和声响感测器组成的系统，它由飞机投放，落地后插入泥土中，只露出伪装成树枝的无线电天线，因而被称为“热带树” 。只要对方车队经过，感测器探测出目标产生的震动和声响信息，自动传送到指挥中心，美机立即展开追杀，总共炸毁或炸坏4.6万辆卡车 。第二阶段:二十世纪80年代至90年代之间 。主要是美军研製的分散式感测器网路系统、海军协同交战能力系统、远程战场感测器系统等 。这种现代微型化的感测器具备感知能力、计算能力和通信能力 。因此在1999年，商业周刊将感测器网路列为21世纪最具影响的21项技术之一。第三阶段:21世纪开始至今，也就是9·11事件之后 。这个阶段的感测器网路技术特点在于网路传输自组织、节点设计低功耗 。除了套用于反恐活动以外，在其它领域更是获得了很好的套用，所以2002年美国国家重点实验室－－橡树岭实验室提出了“网路就是感测器”的论断 。由于无线感测网在国际上被认为是继网际网路之后的第二大网路，2003年美国《技术评论》杂誌评出对人类未来生活产生深远影响的十大新兴技术，感测器网路被列为第一。在现代意义上的无线感测网研究及其套用方面，我国与已开发国家几乎同步启动，它已经成为我国信息领域位居世界前列的少数方向之一 。在2006年我国发布的《国家中长期科学与技术发展规划纲要》中，为信息技术确定了三个前沿方向，其中有两项就与感测器网路直接相关，这就是智慧型感知和自组网技术 。当然，感测器网路的发展也是符合计算设备的演化规律 。特点大规模为了获取精确信息，在监测区域通常部署大量感测器节点，可能达到成千上万，甚至更多 。感测器网路的大规模性包括两方面的含义：一方面是感测器节点分布在很大的地理区域内，如在原始大森林採用感测器网路进行森林防火和环境监测，需要部署大量的感测器节点；另一方面，感测器节点部署很密集，在面积较小的空间内，密集部署了大量的感测器节点 。感测器网路的大规模性具有如下优点：通过不同空间视角获得的信息具有更大的信价比；通过分散式处理大量的採集信息能够提高监测的精确度，降低对单个节点感测器的精度要求；大量冗余节点的存在，使得系统具有很强的容错性能；大量节点能够增大覆盖的监测区域，减少洞穴或者盲区 。自组织在感测器网路套用中，通常情况下感测器节点被放置在没有基础结构的地方，感测器节点的位置不能预先精确设定，节点之间的相互邻居关係预先也不知道，如通过飞机播撒大量感测器节点到面积广阔的原始森林中，或随意放置到人不可到达或危险的区域 。这样就要求感测器节点具有自组织的能力，能够自动进行配置和管理，通过拓扑控制机制和网路协定自动形成转发监测数据的多跳无线网路系统 。在感测器网路使用过程中，部分感测器节点由于能量耗尽或环境因素造成失效，也有一些节点为了弥补失效节点、增加监测精度而补充到网路中，这样在感测器网路中的节点个数就动态地增加或减少，从而使网路的拓扑结构随之动态地变化 。感测器网路的自组织性要能够适应这种网路拓扑结构的动态变化 。动态性感测器网路的拓扑结构可能因为下列因素而改变：①环境因素或电能耗尽造成的感测器节点故障或失效；②环境条件变化可能造成无线通信链路频宽变化，甚至时断时通；③感测器网路的感测器、感知对象和观察者这三要素都可能具有移动性；④新节点的加入 。这就要求感测器网路系统要能够适应这种变化，具有动态的系统可重构性 。可靠性WSN特别适合部署在恶劣环境或人类不宜到达的区域，节点可能工作在露天环境中，遭受日晒、风吹、雨淋，甚至遭到人或动物的破坏 。感测器节点往往採用随机部署，如通过飞机撒播或发射炮弹到指定区域进行部署 。这些都要求感测器节点非常坚固，不易损坏，适应各种恶劣环境条件 。由于监测区域环境的限制以及感测器节点数目巨大，不可能人工“照顾”每个感测器节点，网路的维护十分困难甚至不可维护 。感测器网路的通信保密性和安全性也十分重要，要防止监测数据被盗取和获取伪造的监测信息 。因此，感测器网路的软硬体必须具有鲁棒性和容错性 。以数据为中心网际网路是先有计算机终端系统，然后再互联成为网路，终端系统可以脱离网路独立存在 。在网际网路中，网路设备用网路中惟一的IP位址标识，资源定位和信息传输依赖于终端、路由器、伺服器等网路设备的IP位址 。如果想访问网际网路中的资源，首先要知道存放资源的伺服器IP位址 。可以说现有的网际网路是一个以地址为中心的网路 。感测器网路是任务型的网路，脱离感测器网路谈论感测器节点没有任何意义 。感测器网路中的节点採用节点编号标识，节点编号是否需要全网惟一取决于网路通信协定的设计 。由于感测器节点随机部署，构成的感测器网路与节点编号之间的关係是完全动态的，表现为节点编号与节点位置没有必然联繫 。用户使用感测器网路查询事件时，直接将所关心的事件通告给网路，而不是通告给某个确定编号的节点 。网路在获得指定事件的信息后汇报给用户 。这种以数据本身作为查询或传输线索的思想更接近于自然语言交流的习惯 。所以通常说感测器网路是一个以数据为中心的网路 。例如，在套用于目标跟蹤的感测器网路中，跟蹤目标可能出现在任何地方，对目标感兴趣的用户只关心目标出现的位置和时间，并不关心哪个节点监测到目标 。事实上，在目标移动的过程中，必然是由不同的节点提供目标的位置讯息 。集成化感测器节点的功耗低，体积小，价格便宜，实现了集成化 。其中，微机电系统技术的快速发展为无线感测器网路接点实现上述功能提供了相应的技术条件，在未来，类似“灰尘”的感测器节点也将会被研发出来 。具有密集的节点布置在安置感测器节点的监测区域内，布置有数量庞大的感测器节点 。通过这种布置方式可以对空间抽样信息或者多维信息进行捕获，通过相应的分散式处理，即可实现高精度的目标检测和识别 。另外，也可以降低单个感测器的精度要求 。密集布设节点之后，将会存在大多的冗余节点，这一特性能够提高系统的容错性能，对单个感测器的要求得到了大大降低 。最后，适当将其中的某些节点进行休眠调整，还可以延长网路的使用寿命 。协作方式执行任务这种方式通常包括协作式採集、处理、存储以及传输信息 。通过协作的方式，感测器的节点可以共同实现对对象的感知，得到完整的信息 。这种方式可以有效克服处理和存储能力不足的缺点，共同完成複杂任务的执行 。在协作方式下，感测器之间的节点实现远距离通信，可以通过多跳中继转发，也可以通过多节点协作发射的方式进行.自组织方式之所以採用这种工作方式，是由无线感测器自身的特点决定的 。由于事先无法确定无线感测器节点的位置，也不能明确它与周围节点的位置关係，同时，有的节点在工作中有可能会因为能量不足而失去效用，则另外的节点将会补充进来弥补这些失效的节点，还有一些节点被调整为休眠状态，这些因素共同决定了网路拓扑的动态性 。这种自组织工作方式主要包括：自组织通信，自调度网路功能以及自管理网路等 。无线感测器无线感测器网路中，节点的唤醒方式有以下几种：（1）全唤醒模式：这种模式下，无线感测器网路中的所有节点同时唤醒，探测并跟蹤网路中出现的目标，虽然这种模式下可以得到较高的跟蹤精度，然而是以网路能量的消耗巨大为代价的 。（2）随机唤醒模式：这种模式下，无线感测器网路中的节点由给定的唤醒机率p随机唤醒 。（3）由预测机制选择唤醒模式：这种模式下，无线感测器网路中的节点根据跟蹤任务的需要，选择性的唤醒对跟蹤精度收益较大的节点，通过本拍的信息预测目标下一时刻的状态，并唤醒节点 。（4）任务循环唤醒模式：这种模式下，无线感测器网路中的节点周期性的出于唤醒状态，这种工作模式的节点可以与其他工作模式的节点共存，并协助其他工作模式的节点工作 。其中由预测机制选择唤醒模式可以获得较低的能耗损耗和较高的信息收益 。功能WSN并不界定网路型态，也就是可以是star、mesh、P2P或综合以上型态的网路，但都一定具备下列的功能：1. Sensors/microcontroller：侦测、蒐集以及处理环境中的资料，例如侦测温度、湿度等等 。2. Radio frequency：节点或gateway用以收发资料 。3. Software：包含在节点端的嵌入式系统以及使用者端的管理程式，软体确保资料感测的功能进行顺利以及提供容易阅读的介面 。套用相关感测器网路用来感知客观物理世界，获取物理世界的信息量 。客观世界的物理量多种多样，不可穷尽 。不同的感测器网路套用关心不同的物理量，因此对感测器的套用系统也有多种多样的要求 。