01-无线传感器网络（WSN）简介

Posted 2023-03-08 淡淡的蛋蛋蛋

01-1定义

无线传感器网络（WSN）集成了传感器技术、嵌入式技术、计算机网络和无线通信技术等，在各个领域的应用不断扩展，被认为是21世纪最有影响力的技术之一。无线传感器网络是由大量静止或移动的传感器以自组织和多跳的方式构成的无线网络，目的是协作地探测、处理和传输网络覆盖区域内的感知对象的监测信息，并上传给上层应用供用户使用，从而达到物联网中的M2M（Machine to Machine、Man to Machine、Machine to Man、Mobile to Machine），实现在人、机器、系统之间建立通信连接。WSN的三个基本要素就是传感器、感知对象、用户。

01-2性能指标

WSN的性能指标主要包括：网络寿命、覆盖范围和扩展性、网络搭建成本和响应时间。

（1）能量供给是影响网络寿命的首要因素，其次是无线收发器的能量损耗。

（2）覆盖范围是具有工程意义的性能指标，覆盖范围越大，用户使用越方便；但覆盖范围大意味着节点数量大，数据传输的次数也越多，节点的能耗也越大。可扩展性是指用户可以在已建立好的组网上不断添加新的节点来扩大网络规模。同时要注意的是，节点的增加会影响网络的寿命和信息采集的速率。

（3）在实际应用中，由于受到环境和目的的制约，节点不可能无限制的部署。所以，在搭建WSN时还需要考虑网络搭建后的性能和潜在的问题。另外，网络搭建成本还包括网络维护费用、安全检测等等。在组建网络时不仅要进行软硬件测试，还需要WSN系统具有自主维护的功能，在需要维护时系统能产生维护请求。一般情况下，WSN都有一个特定的响应时间。但在一些特殊场景下，对WSN的响应时间要求会很高，比如安全监测、工业控制等等。同样，响应时间和网络寿命是相互制约的，如果为了响应时间短使节点一直处于收发状态，该节点的能量损耗也是较大的。

01-3WSN的特点

WSN与传统网络的区别主要体现在能量受限、通信方式以数据为中心、相邻节点的数据具有相似性、拓扑结构不断在变化等等。WSN中的无线传感器节点具有无线通信、感知和计算功能，节点内部集成了嵌入式处理器、存储器、传感器、模/数转换器、无线收发器、电源等部件。节点通常是体积微小、价格低廉的嵌入式设备。

（1）网络规模大且具有自适应性。WSN通常将节点部署在大范围的地理区域或者极端环境下，所以，WSN的软硬件都必须有高可靠性和容错性。WSN中的每个节点都是平等的，每个节点均可发送或者接受数据，具有相同的数据处理能力和通信距离。节点的加入和退出都不会影响WSN的运行，WSN能够自己重组，具有自适应性。除汇聚节点外，其他节点都是随机部署的，节点以自己为中心，只负责自己范围内的数据交换。

（2）自组网性与自维护性。由于WSN应用的环境特殊，如水底、山野、战场等等，所以需要节点本身具有自治能力，能够自主组网和自行配置维护，实时转发数据，自适应环境的变化。WSN的节点一般都是随机部署的，每个节点的位置和相邻关系不能预先设定。在WSN中每个节点的地位平等，没有绝对的控制中心，可以在任何时间、地点进行组网。WSN能够通过拓扑和网络通信协议自动进行配置和管理，形成多跳的无线网络。一个或多个节点的瘫痪都不能影响整个网络的运行，这就需要WSN具有自组织能力和自维护性，能够进行配置和管理。这种自组织工作的方式主要包括：自组织通信、自调度网络功能及自管理网络等。

（3）路由多跳性与网络动态性。WSN中每个节点的通信距离有限，为了扩大通信范围，WSN采用多跳路由来实现，每个节点（没有专门的路由设备）可以是数据的发送者、接收者，也可以是数据的转发者。WSN是一个动态的网络，每个节点处于动态变化的环境中，所以每个节点的状态也是动态的，网路拓扑也在不断的调整变化，这就要求WSN能够适应结构的随时变化，具有动态系统的的可重构性。

（4）以数据为中心的网络。众所周知，传统的计算机网络是以地址为中心的，资源定位和信息传输依赖于IP（网际协议）地址。而WSN不同于传统网络；在WSN中，用户关心的是节点所获取的数据，并不在乎其网络地址。节点只需要把用户提前设定好的属性数据（如：时间、地点、温度、湿度等等）实时上传给用户即可，而不需要告诉用户是谁发的数据。所以，在WSN中，节点没有全局标识符ID，每个节点的编号在WSN中是动态的。

（5）应用相关性。所谓应用相关性简单来说就是“具体问题具体分析”。不同的使用环境决定着WSN中的使用的硬件、软件和网络协议不同。如：水下无线传感器网络（UWSNs）目前普遍采用的是水声通信，而陆地上的无线传感器网络使用的则是电磁波。

01-4面临的问题

（1）能耗问题。

（2）计算和存储能力有限。

（3）可靠性和安全性差。从物理环境来说，由于节点部署的环境比较恶劣，每个传感器节点容易受到一些物理上的破坏。从通信方式来说，WSN是多跳路由的方式来进行通信的，因此数据的可靠性没有点对点的通信高。另外，无线通信易受到干扰和窃听，保密性差。所以WSN要综合考虑无线信道的保密性、可靠性和抗干扰能力；WSN的软硬件必须具有健壮性和容错性。

01-5发展及应用

发展：WSN的基本思想起源于20世纪70年代（第一阶段），当时只能获取简单的信号，数据传输采用点对点模式。20世纪80-90年代（第二阶段），WSN具备获取多种信息的综合处理能力，并且通过串/并接口与控制器相连，组成具备信息综合和信息处理能力的传感器网络。20世纪90年代后期（第三阶段），WSN更加智能化，综合处理能力更强，网络采取局域网的形式，通过一根总线实现节点与控制器相连。目前，第四代传感器网络还在研究之中。

研究热点：低成本开发、低能耗开发、安全与可靠性、实时性、协作方式

（1）低成本：每个节点的成本会直接影响整个WSN的成本。所以，为了达到低成本的目的，需要设计出对计算、通信和存储能力要求较低的简单网络系统和通信协议。另外，还要减少后期的管理和维护的开销，这需要WSN具有自配置和自修复的能力。

（2）低能耗：WSN中传感器节点的能量是有限的，能量又直接影响WSN的寿命。所以，设计节点的定位、覆盖、时间同步算法提高网络的性能，延长WSN的寿命是目前比较热点的问题。

（3）安全与抗干扰问题：正如前面所说，由于通信方式和所部署环境的关系，传感器节点在设计时不仅要考虑数据加密、身份认证、入侵检测等软件层面的问题，还需要考虑外壳设计、内部电路设计等硬件层面的问题。

（4）实时性问题：一些特殊的应用环境要求WSN能够在极短的时间内作出反馈，及时向用户发出实时信息。比如：交通、消防、医疗等等一些对时间要求比较严格的领域。

（5）协作方式：在WSN中一个节点的能力是有限的，所以往往需要多个节点采用一定的算法交换信息，对所获取的数据进行加工、汇总、过滤，并以事件的形式得到最终的结果。节点的协作方式通常包括协作式采集、处理、存储以及传输数据。通过协作方式，克服单个节点采集、处理、存储能力不足的缺点，共同完成复杂任务，从而得到完整的信息。在数据的协作传输过程中会涉及网络协议的设计问题，这也是WSN目前研究的热点问题。

应用：WSN可以说是物联网（IOT）的重要组成部分，而物联网目前所涉及的领域极广如：智能家居、智慧城市、智能交通等等。

01-6总结

WSN技术被认为21世纪中能够对信息技术、经济和社会进步发挥重要作用的技术，其发展潜力巨大，该技术的广泛应用，将会对现代军事、现代信息技术、现代制造业及许多领域产生巨大影响。