2009 年在無錫成立“感知中國”中心，并且，目前針對物聯網的《國家物聯網 “十五”發展規劃》也正在制定過程中，進一步確定了物聯網技術在新興科技領域中的重要位置。而無線傳感器網絡作為物聯網中的核心產業，也需要更多的關注與研究，以促進物聯網的發展，使得物聯網成為新的全球經濟增長點。

 

1.1 無線傳感器網絡

 

無線傳感器網絡（WSN , wireless sensor networks）是由部署在監測區域內的大量廉價微型傳感器節點組成，是采用無線通信的方式形成的一個多跳自組織網絡系統，能夠通過集成化的微型傳感器，協同地實時監測、感知、采集和處理網絡覆蓋區域中各種感知對象的信息，并對信息資料進行處理，再通過無線通信方式發送，并以自組多跳網絡方式傳送給信息用戶，以此實現數據收集、目標跟蹤以及報警監控等各種功能。

 

目前，傳感器信息獲取技術逐漸向集成化、微型化和網絡化方向發展，其智能化的發展將會帶來一場信息革命。無線傳感器絡技術綜合了傳感器技術、嵌入式計算技術、現代網絡及無線通信技術、分布式信息處理技等先進技術，該技術具備的感知能力、計算能力、通信能力，給更多的 WSN 應用空間和應用價值提供了可能性，是物聯網當前研究開發的熱點之一。

 

WSN 的發展歷程

 

無線傳感器網絡是新興的下一代傳感器網絡。最早的代表性論述出現。1999 年，題為“傳感器走向無線時代”。隨后在美國的移動計算和網絡國際會議上， 提出了無線傳感器網絡是下一個世紀面臨的發展機遇。2003 年，美國《技術評 論》雜志論述未來新興十大技術時，無線傳感器網絡被列為第一項未來新興技術。

 

同年，美國《商業周刊》未來技術專版，論述四大新技術時，無線傳感器網絡也列入其中。美國《今日防務》雜志更認為無線傳感器網絡的應用和發展，將引起一場劃時代的軍事技術革命和未來戰爭的變革。2004 年（IEEE Spectrum）雜志發表一期專集：傳感器的國度，論述無線傳感器網絡的發展和可能的廣泛應用。可以預計，無線傳感器網絡的發展和廣泛應用，將對人們的社會生活和產業變革帶來極大的影響和產生巨大的推動。無線傳感器網絡是從傳感器網絡開始的，傳感器網絡經歷了如圖一所示的發展歷程。 

 

第一代傳感器網絡出現在 20 世紀 70 年代，使用具有簡單信息信號獲取能力的傳統傳感器，采用點對點傳輸、連接傳感控制器構成傳感器網絡；第二代傳感（R8-232、RS -485）器網絡，具有獲取多種信息信號的綜合能力，采用串，并接口與傳感控制器相聯，構成有綜合多種信息的傳感器網絡；第三代傳感器網絡出現在 20 世紀 90 年代后期和本世紀初，用具有智能獲取多種信息信號的傳感器，采用現場總線連接傳感控制器，構成局域網絡，成為智能化傳感器網絡；第四代傳感器網絡正在研究開發，目前成形并大量投入使用的產品還沒有出現，用大量的具有多功能多信息信號獲取能力的傳感器，采用自組織無線接入網絡，與傳感器 網絡控制器連接，構成無線傳感器網絡。本文所介紹的無線傳感器網絡就是指第四代傳感器網絡。

 

圖一傳感器的發展歷程

 

1.2 物聯網

 

物聯網（IOT , internet of things）顧名思義就是物物相連。目前較為認可的物聯網定義為：物聯網是通過射頻識別（ RFID ）、紅外感應器、全球定位系統、 激光掃描器等信息傳感設備與互聯網連接起來，進行信息交換和通信，以實現智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理另外，物聯網可以理解為通過“泛在網絡” 實現“泛在服務”，基于個人和社會的各種需求，通過融合前沿智能技術，實現人與人、人與物、物與物之間所需要的信息采集、傳遞、存儲、加工處理、決策

 

使用等綜合服務，是一種更加廣泛深遠的未來網絡應用形態。物聯網最為明顯的特征是物物相連，信息可以自動化處理，無需人為操作，所以效率極高，降低了人為因素引發的不穩定性。因此，物聯網在各個行業中的應用潛力非常巨大，應用領域也非常廣泛，發揮了極大的價值作用，而且物聯網將與互聯網有效地整合起來，實現人類社會與物理系統的整合。

 

圖二物聯網結構圖

 

1.3 物聯網多參量協同感知應用

 

以物聯網系統中配網線路監測為例，物聯網示范應用系統已將 13 種傳感器 分別應用于配網運行管理中，實現了配網設備溫度、環境運行溫濕度、環網柜水浸、門開關、桿塔傾斜、線路故障電流、電纜屏蔽層電流、變壓器中心點電流、變壓器噪聲等多參量的狀態、故障及防盜在線監測。監測的配網設備覆蓋種類廣，包括配網線路、配電變壓器、斷路器、隔離開關、環網柜、分支箱、箱式變等。

 

由于電力系統中存在大量不確定的潛伏性故障，特別是在比較復雜的配電網絡，由于其運行線路復雜，線路故障情況多樣，給檢修人員進行故障定位提供了困難。從目前單一監測量往往很難診斷故障做出正確定位，甚至會出現“虛警” 現象，給維護人員帶來不必要的麻煩。因此需要采用上述的多傳感器融合方式，綜合分析各監測內容， 通過主站數據控制中心對各個傳感器裝置上傳的數據進行計算處理，按照相應的處理計算公式，得到更為準確的判斷值。特意選取了物聯網示范應用項目中幾個多傳感器參量協同監測的應用示例：對配電變壓器運行協

 

同監測：通過在配電變壓器上安裝配變綜測骨干節點、無線溫度傳感器、無線噪 聲傳感器實現變壓器的多參量協同監測，可以監測變壓器低壓側電流、電壓、變壓器運行溫度、運行噪聲以及變壓器所在桿塔的傾斜度等，當變壓器出現故障時先進行電流的分析，如果電流比較大，那變壓器的溫度一定高，噪聲也會變大，如果電流不變，再進行溫度的分析，溫度升高，可能是電纜接觸不良等原因造成，噪聲也會變大。

 

1.4 物聯網無線傳感器網絡多傳感器數據融合

 

（1）數據融合理論 

 

無線傳感網絡中的傳感器將采集到的數據傳輸給數據服務中心，數據服務中心需要將這些數據進行相應的處理，再將處理后的數據發送給各業務系統進行使 用，因此對這些多傳感器感知信息的融合技術是多參量協同監測的理論依據。多傳感器融合技術的基本原理就像人腦綜合處理信息的過程一樣，它充分地利用多個傳感器資源，通過對各種傳感器及其觀測信息的合理支配與使用，將各種傳感器在空間和時間上的互補與冗余信息依據某種優化準則組合起來，產生對觀測環境的一致性解釋和描述。信息融合的目標是基于各傳感器分離觀測信息，通過對信息的優化組合導出更多的有效信息。 它的最終目的是利用多個傳感器共同或聯合操作的優勢，來提高整個傳感器系統的有效性。 

 

目前，比較常用的多傳感器融合方法有：卡爾曼濾波，貝葉斯估計，D-S 推 理，聚類分析法，而近年來隨著神經傳感網絡技術的發展，其最新研究也逐步運用在多傳感器信息融合上。多傳感器融合技術的應用非常廣泛，主要應用在軍事 和民用兩個領域，軍事應用是多傳感器信息融合技術誕生的源泉，具體應用包括海洋監視系統，空對空或地對空防御系統，戰場情報、防御、目標獲取，戰略預警和防御系統。而民用領域主要是用于機器人、智能制造、智能交通、無損檢測、環境監測、醫療診斷、遙感等。 

 

（2）物聯網數據融合體系架構及方法傳感器信息融合體系目前大致分為三種分布式，集中式和混合式。每種體系的區別僅在于對數據的處理的位置。分布式的結構主要是對已經進行預處理的數據在信息融合中心進行智能組合，從而得到最終的結果，集中式則與其相反，數據的處理都是單獨進行上傳，全部集中在數據處理中心進行融合，對處理器要求較高。混合式多傳感器信息融合體系框架中，部分傳感器采用集中式融合技術，剩余的傳感器采用分布式融合方式。這樣的數據處理體系具有較強的適應能力，兼顧了兩種融合體系的優點，但是也相對比較復雜。物聯網系統的數據融合采用了混合式的數據融合方式，同時對于數據的傳輸模型提出了電子表單 TEDS 的概念，物聯網系統中通過電子表單，對傳感器數據進行統一封裝和解析，目前物聯網中的 TEDS 機構采用圖三的方式。

 

圖三無線通信協議相關的 TEDS

 

二、無線傳感器網絡在物聯網領域中的應用

 

物聯網是由感知層、網絡層和應用層構成的層次體系。感知層主要涉及到 RFID 、傳感器、二維碼等機器設備，然后通過電信網和互聯網的融合網絡層，及時準確地傳遞物體基本信息，在應用平臺上，利用各種先進智能技術對信息資 料進行分析處理，以便對物體進行智能控制。如圖 1 所示，傳感器在基礎感知層，負責對物體信息的采集和抓取，這一功能對于物聯網技術的發展和應用，起著至關重要的支撐作用。

 

2.1 無線傳感器網絡在軍事領域中的應用

 

無線傳感器網絡的可快速隨機部署、可自組織、隱蔽性強、高容錯性等特點，使得傳感器節點在惡劣的戰場環境中發揮極大的作用。在軍事領域應用方面，結合無線傳感器技術思想，將大量廉價傳感器節點，通過飛機或火炮等發射裝置，按照一定的密度投放到待監測區域內，對節點周邊環境的各種參數，如溫度、濕度、聲音、 磁場等信息進行采集，然后由傳感器自組織網絡，通過網關、互聯網、衛星等通訊方式，傳回信息中心，實時監控敵軍兵力與裝備，實時監視沖突區，進行目標定位，戰場評估，并實現各種攻擊的監測和搜索等功能，有效地提高軍隊的作戰決策能力。

 

2.2 無線傳感器網絡在工業領域中的應用

 

無線傳感器網絡在工業領域中的應用比較廣泛，比如工業安全、先進制造、交通控制管理、安防系統、倉儲物流管理等領域，其中工業安全領域的應用研究已日趨壯大。在計算機技術、無線通信技術、微電子技術和網絡技術發展的推動下，工業通信技術正朝著智能化和網絡化的方向不斷發展。目前，隨著測控系統規模的不斷擴大，煤礦、石化、核電等行業對工作人員安全及易燃、易爆、有毒

 

物質的監測成本非常昂貴。其中，煤炭行業對先進的井下安全生產保障系統的需求日漸巨大。 因此， 降低投資和使用成本成為工業通信技術發展新階段的迫切要求。而無線傳感器網絡的成本低廉、方便簡捷、泛在感知等特點可以滿足工業通 信領域的多個要求。對傳感器節點經防爆處理和技術優化后，用于危險的工作環境， 實時全面地監控員工安全及工業全流程，及時獲取險惡工作環境下工作現場的員工基本情況、工作環境狀況以及其它無法在線監測的重要工業過程參數，并在此基礎上，優化控制工業流程，提高產品質量，降低工業生產過程中的各種安全事故，達到國家指定的安全生產目標。

 

2.3 無線傳感器網絡在農業領域中的應用

 

農業作為中國發展經濟的一大基礎，促進其優質高產將產生重大的意義。無線傳感器網絡的通信簡便、部署簡捷、可密集分布等優勢，可以充分地發揮在農 業生產領域中，用以監測土壤環境狀況、農作物灌溉及生長情況、牲畜和家禽的環境狀況以及大面積的地表特征檢測。再結合目前成熟的互聯網技術、 GPS 技術，可以構建能動態實時管理的系統平臺。例如英特爾公司在俄勒岡建立的世界上第一個無線葡萄園，通過無線傳感器監測葡萄生長環境中得各種因素，并分析 葡萄質量與各種影響因素之間的關系，是典型的精準農業、智能耕種的實例。在國內，在“九五”計劃中，“工廠高效農業工程”把智能傳感器和傳感器網絡化的研制列為國家重點項目，可以看出無線傳感器網絡在農業領域中的重要作用和意義。

 

2.4 無線傳感器網絡在醫療護理領域中的應用

 

目前，隨著國家人口老齡化日趨明顯，在醫療護理方面的問題也愈加增多起來，對于病患者的病情實時關注成為亟待解決的問題。無線傳感器網絡在此方面發揮了重要作用，在患者身上可以安放各種傳感器，用以檢測采集各種生理信息，比如體溫、呼吸、血壓等生理數據，一方面可以隨時關注患者的病情發展情況，另一方面，可以將收集的生理數據作為研制新藥品的參考資料。另外，也可以在患者居住的環境里安放多個傳感器節點，有效監測病人的活動狀況，進行遠程的 人體行為監測。現在，美國已經開展了一個無線傳感器網絡系統項目，可以實現家庭護理，方便老年人獨居時給予及時的幫助。

 

2.5 無線傳感器網絡在智能家居領域中的應用

 

目前，智能家居是物聯網發展的一個重要方向。從一定意義上講智能家居就是高科技的家庭自動化系統，融合了計算機網絡系統、自動化控制系統、綜合布線技術及網絡通訊技術，自動化控制、遠程控制家庭中的各種產品設備，實現擬人化的要求，提升家居安全性、便捷性、舒適性，并實現環保節能。而自動化、遠程控制所需的各種信息，均是由無線傳感器節點進行傳達的，比如環境檢測信息、安放系統的有效實施，都需要無線傳感器節點提供 家庭煤氣含量、溫度、濕度等環境信息。所以，在智能家居系統中，每一個家居 設備或終端，都會設置對應的傳感器節點，通過無線傳感器網絡節點間的自組織互連，實現家庭設備互連與信息控制，從而實現家居生活的智能化。

 

三、傳感器技術在物聯網中的意義

 

據分析機構預測，未來物聯網的發展將經歷四個階段，2010 年之前廣泛應用于物流、零售和制藥領域，2010～2015 年物體互聯，2015～2020 年物體進入半智能化，2020 年之后物件全智能化。經初步估計，中國物聯網產業鏈的發展和應用將有可能創造 1000 億元左右的產值。而且，已有部分省市的關于十二 五期間物聯網發展規劃，已加快形成物聯網產業基本框架等一系列的“智慧”行動，表明了大力發展物聯網的決心。而傳感器作為物聯網關鍵物件之一，在物聯網的發展與應用過程中，傳感器網絡技術的提高與發展勢必會產生巨大的推動作用。

 

物聯網包含感知層、網絡層和應用層三個層面，葉云認為，目前中國最缺乏的是感知層的產品和技術，是信息的抓取和聚合。在感知層中，由于傳感器技術的技術成熟度和成本問題，阻礙了無線傳感器網絡及物聯網的大規模發展及應用。余建美指出，四個方面的因素將最終將決定物聯網的普及程度，一是無線傳感器的進一步低功耗化，二是發展無線供電或采電技術，三是能源的超微型化，四就是無線傳感器自身的微型化。除此之外，傳感器的集成制造技術、信號檢測的智 能化發展，也是無線傳感器需要考慮改善的重要方面。因此，目前的傳感器技術的主要研究工作就要注重以上四個方面的因素，突破這些研究熱點，物聯網的發展水平勢必會突飛猛進，應用也將會廣泛普及，市場規模進一步擴大，物聯網就可以真正實現物物相聯，成為會“說話”、會“思考”、會“行動”的物物信息 交流網絡。

 

四、目前研究重點及研究現狀

 

在物聯網傳感器網絡體系結構的這三大部分中， 目前的發展主要集中在幾個 方面，在協議通信層主要研究重點是數據鏈路層 MAC 協議及網絡層路由協議的 研究；在網絡管理技術層，主要研究方向是收集數據的管理、節能問題的解決以 及網絡通信安全的實現； 在網絡支撐技術層， 主要研究點是節點定位問題的解決、 時間同步技術的實現以及用戶應用接口的實現，這其中，協議的研究與節能的實 現又是相輔相成的。

 

4.1 數據處理問題的解決

 

基于傳感器網絡的任何應用系統都離不開感知數據的管理和處理技術。 不言 而喻， 感知網數據管理和處理技術是確定感知網可用性和有效性的關鍵技術。對 于觀察者來說，傳感器網絡的核心是感知數據，而不是網絡硬件。觀察者感興趣 的是傳感器產生的數據，而不是傳感器本身。觀察者不會提出這樣的查詢：“從 A 節點到 B 節點的連接是如何實現的?”，他們經常會提出如下的查詢：“網絡 覆蓋區域中哪些地區出現毒氣?”。在傳感器網絡中，傳感器節點不需要地址之 類的標識。觀察者不會提出查詢：“地址為 27 的傳感器的溫度是多少?”，他們 感興趣的查詢是，“某個地理位置的溫度是多少?”。綜上所述，傳感器網絡是 一種以數據為中心的網絡。 顯然，感知數據管理和處理技術的研究是一項實現高 效率傳感器網絡的重要和關鍵的任務。遺憾的是，到目前為止，感知數據管理和

 

處理技術的研究還不多， 還有大量的問題需要解決。感知數據管理與處理技術的 研究是數據庫界面臨的新任務和新挑戰，也為數據庫界提供了新機遇。

 

4.2 節能問題的實現

 

能量是節點工作的基礎， 節能問題，幾乎貫穿無線傳感器網絡發展的各個方 面。協議的建立需要考慮節能問題，以上面的 MAC 協議的研究和路由協議的實 現都可以看出； 網絡中的數據處理需要考慮節能問題， 沒有能量， 數據無法處理； 節點定位、時間同步都需要考慮節能問題，節能問題的解決，跟隨在每個環節的 實現上。當然，純粹的節能方式也有很多，比如讓節點定期“休眠”等。但是， 大部分的節能還是包含在了具體實現細節當中，如文獻 [1] 采用一種帶有能量控 制的有效路由方式， 通過調整每個節點發送數據時的數據傳輸范圍進而調整消耗 的能量，以節省資源，從而延長網絡壽命。

 

4.3 網絡安全問題

 

傳感器網絡多用于軍事、商業領域，安全性是其重要的研究內容。由于傳感 器網絡中節點隨機部署、 網絡拓撲的動態性以及信道的不穩定性，使傳統的安全 機制無法適用。因此需要設計新型的網絡安全機制。可借鑒擴頻通信、接入認證 ／鑒權、數據水印、數據加密等技術。目前，保證網絡安全性的方法也不少。 其中一種是借助特殊的無線傳感器終端。如文獻 [2] 中，采用 PTD

 

（Personal Trust Device）作為傳感器網絡的終端，由于價格高及有特殊環境要求等因素， 不能為每個節點在網絡中設立認證服務器來提供傳感器需要的服務，而在 PTD 和服務器之間建立認證和加密體系，只有在服務器注冊過的 PTD 終端才 能獲得服務，未注冊的則不能，從而保證系統安全。通常，這種系統用在家庭環 境中。 

 

一種是采用安全罩（Secure Oveday）。 例如文獻 [3] 中， 采用一種稱為 SCANv2(Secure Conten AddressableNetwork Version2) 安全內容網絡尋址的安全罩，來實現無線傳感器網絡的安全。SCANv2 其實是在蓋在實際網絡層上的一個虛擬結構，通過采用 Hash 函數，把實際網絡中的節點映射到這個罩空間上，某一區域或某 種功能的節點在罩空間的某一個共同的特定位置。用戶在從網絡中獲取服務時， 需要通過相應的安全認證進入罩空間，再進一步通過加密解密過程從這個映射空間進入實際網絡中獲得所需服務。 

 

此外， 網絡安全中的加密后密鑰管理也是個問題。復雜的非對稱加密方式不 適合完全應用于能量有限的傳感器網絡， 而相對簡單的對稱加密方式又使得網絡 容易受到攻擊。在文獻 [4] 中，提到了一種新的加密方式，綜合采用了對稱和非 對稱的兩種加密方式中的某些特點。 在假定基站能量不受限制及節點不移動的前 提下，基站首先發出特定信息，建立網絡的分層拓撲結構。外圍分布的節點又有 子節點和父節點之分， 父節點保有子節點的密鑰，確保子節點發送上來的信息是有效地子節點發送上來的；同時，子節點又保有父節點的密鑰，以便對發出的數 據進行跟蹤。基站擁有所有密鑰且擁有唯一的初始入網認證密鑰。

 

4.4 網絡支撐層的研究

 

4.4.1 節點定位問題

 

與一般的計算機網絡相比， WSN 在計算機軟硬件所組成計算世界與實際物 理世界之間建立了更為緊密的聯系，只有結合位置信息，傳感器獲取的數據才有 實際意義。 許多 WSN 的研究成果都表明了節點位置信息的重要性， 如在網絡層，因為 WSN 節點無全局標識，可以設計基于節點位置信息的路由算法；在應用層，根據節點位置，WSN 系統可以智能地選擇一些特定的節點來完成任務，從而大大降低整個系統的能耗，提高系統的存活時間。許多對目標追蹤問題的研究更是將節點位置已知作為一個前提條件。節點定位是 WSN 系統布設完成后面臨的首要問題，它可表述為：依靠有限的位置已知節點，確定布設區中其它節點的位置，傳感器節點間建立起一定的空間關系。當前對節點定位問題的研究一般都基于以下前提：(1)有一定比例的節點位置已知或具有 GPS 定位功能，這些節點的位置 可作為定位參考點；(2)節點可能具有測量與鄰節點距離的能力；(3)節點不具有 自主移動能力。全球定位系統 (GPS ) 已經在許多領域得到了應用，但由于價格高及有特殊環境要求等因素，不能為每個節點配備 GPS 接收裝置。目前無線傳感器網絡自身定位系統和算法的分類如下：

 

(1)物理定位與符號定位。

(2)絕對定位與相對定位。 

(3)緊密耦合與松散耦合。 

(4)集中式計算與分布式計算。 

(5)基于測距技術的定位和無須測距技術的定位。 

(6)粗粒度與細粒度。 

(7)三角測量、場景分析和接近度定位。

 

4.4.2 時間同步

 

傳統的分布式系統時間同步算法一般采用集中發布方式，即系統內的時間服務器通過單播或廣播方式周期性地向客戶節點發布時間，如：NTP 。這種中心 發布方式不適合在具有能量受限、節點易損壞和網絡拓撲結構動態變化等特點的 WSN 中使用。目前對 WSN 時間同步的研究主要集中在兩個方面：一是盡量減少 同步算法對時間服務器及信道質量的依賴， 縮短可能引起同步誤差的 “關鍵路徑” ； Elson WSN 二是從能耗的角度，研究節能、高效的同步算法。 等人分析了的工作 模式， 認為傳感器節點在大部分時間內處于自主工作狀態，只有在被監測事件發 生后才需要協同通信。基于這種工作模式， Elson 提出了一種“事后同步”方法

( post — factos)rllchronization) ，即在被監測事件發生之前，不對各節點進行同步。只有當被監測事件發生后，參與協同工作的節點間才開始同步，共同推斷事 件發生時間。仿真表明，該方法有較好的節能特性，但實時性較差。 Hill 等人分析了同步過程中由節點本地硬件處理引起的同步誤差， 提出了從硬件設計的角度 提高時間同步精度的方法。為了準確記錄物理層數據包到達時間，文中設計了專用硬件“同步加速器”，消除了由于對同步報文的本地處理所引發的不確定性，提高了時間同步的精度。綜合 WSN 現有的時間同步方法在同步精度、同步有效時間、同步有效范圍、能量消耗等方面的特點， Elson 提出了針對 WSN 時間同步方法設計的五點建議： 

 

·結合使用多種、可調的同步方式 

·盡量不維護全局時間信息 

·使用事后同步節能方式 

·能夠動態適應不同的應用需求 

·充分利用底層通信服務。

 

參考文獻

 

1.阮殿旭.唐大放.張曉光.劉旭東 Zigbee 技術無線傳感器網絡在煤礦井下環境監測 中的應用研究[期刊論文]-煤礦機械 2008(6) 

 

2.李漢玲 WSN 24_Link 系列無線傳感器網絡及應用[期刊論文]-機械工程與自動 化 2008(2) 

 

3.李漢玲 WSN 24_Link 無線傳感器網絡在心電監護系統中的應用[期刊論文]-電 腦開發與應用 2008(1)

 

4.朱輪.劉欣基于 IAPIT 的無線傳感器網絡定位算法研究[期刊論文]-科學技術與 工程 2012(32)

 

 

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