無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Networks， WSN）是一種分布式傳感網(wǎng)絡(luò)，它的末梢是可以感知和檢查外部世界的傳感器。WSN中的傳感器通過無線方式通信，因此網(wǎng)絡(luò)設(shè)置靈活，設(shè)備位置可以隨時更改，還可以跟互聯(lián)網(wǎng)進行有線或無線方式的連接。通過無線通信方式形成的一個多跳自組織網(wǎng)絡(luò)。

WSN的發(fā)展得益于微機電系統(tǒng)（Micro-Electro-Mechanism System， MEMS）、片上系統(tǒng)（System on Chip， SoC）、無線通信和低功耗嵌入式技術(shù)的飛速發(fā)展。WSN廣泛應(yīng)用于軍事、智能交通、環(huán)境監(jiān)控、醫(yī)療衛(wèi)生等多個領(lǐng)域。

傳感器

感知對象

觀察者

觀察者將興趣信息告知傳感器節(jié)點，傳感器節(jié)點發(fā)現(xiàn)感知對象后，進行協(xié)作地偵察、感知和采集感知目標的數(shù)據(jù)并進行處理，之后將信息傳輸給觀察者。

傳感器節(jié)點以人工、飛機播撒或炮彈發(fā)射等方式被部署到監(jiān)測區(qū)域，以自組織的形式進行組網(wǎng)。各傳感器節(jié)點之間，傳感器節(jié)點與網(wǎng)關(guān)/sink節(jié)點之間，均采用無線建立通信鏈路。傳感器節(jié)點具有信息采集和路由雙重功能。

信息采集可以或與其它節(jié)點協(xié)作地檢測感知區(qū)域目標的溫度、濕度、紅外等物理特性，收集相關(guān)數(shù)據(jù)；路由功能指對其它節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)過來的數(shù)據(jù)進行存儲、管理和融合，傳輸給下一跳節(jié)點或是網(wǎng)關(guān)/sink節(jié)點。

網(wǎng)關(guān)/sink節(jié)點，也叫匯聚節(jié)點。它的處理能力、存儲能力和通信能力較強，它既可以是能量供給充足且有更多的內(nèi)存資源與更強的計算能力的傳感器節(jié)點，也可以是帶有無線通信接口的特殊網(wǎng)關(guān)設(shè)備。網(wǎng)關(guān)節(jié)點是連接傳感器網(wǎng)絡(luò)與外部網(wǎng)絡(luò)的橋梁紐帶，通過協(xié)議轉(zhuǎn)換實現(xiàn)節(jié)點管理和傳感器網(wǎng)絡(luò)之間的通信，而且也可將傳感器節(jié)點采集的數(shù)據(jù)發(fā)送到互聯(lián)網(wǎng)、衛(wèi)星或是移動通信網(wǎng)絡(luò)上，且對傳感器節(jié)點發(fā)布管理信息。

觀察者是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的用戶，是感知信息的接收和應(yīng)用者。觀察者可以通過筆記本、PDA、手機等終端設(shè)備接收傳感器節(jié)點收集的信息，也可以主動地收集或查詢無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測、采集到的信息。經(jīng)過對傳感器節(jié)點收集的信息進行觀察、分析之后，觀察者可以對感知目標采取相應(yīng)的行動，或者制定決策。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)所涉及的技術(shù)

傳感器技術(shù)；

嵌入式計算技術(shù)；

現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)及無線通信技術(shù)；

分布式信息處理技術(shù)等。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)除了具有Ad hoc網(wǎng)絡(luò)的移動性、自組織性等特征以外，還具有很多其他鮮明的特點，這些特點向我們提出了一系列挑戰(zhàn)性問題。

1）動態(tài)性網(wǎng)絡(luò)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有很強的網(wǎng)絡(luò)動態(tài)性。傳感器節(jié)點的死亡、移動，新節(jié)點的加入，環(huán)境條件變化導(dǎo)致通信鏈路的帶寬變化，甚至?xí)r斷時通等因素，使得整個網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)發(fā)生動態(tài)變化，要求網(wǎng)絡(luò)具有可調(diào)整性和可重構(gòu)性。

2）硬件資源有限

節(jié)點在通信能力、計算能力和內(nèi)存空間等方面的限制使得網(wǎng)絡(luò)需要通過中間節(jié)點進行路由，此外，還必須重新設(shè)計簡單有效的協(xié)議。

3）能量受限

由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的部署環(huán)境復(fù)雜，有時甚至是人跡罕至的原始森林，而且傳感器節(jié)點部署的數(shù)量龐大，通過人工更換電池來補充能量消耗是不可能實現(xiàn)的；又由于應(yīng)用的需求，傳感器節(jié)點體積要盡可能的小。這些使得傳感器節(jié)點只可能攜帶有限能量的電池，所以當傳感器節(jié)點的能量消耗殆盡時，也就表示著此節(jié)點死亡。因此，如何在網(wǎng)絡(luò)工作過程中節(jié)省能源，最大化網(wǎng)絡(luò)的生命周期，是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)重要的研究課題之一。

傳感器節(jié)點能量消耗示意圖

消耗能量的模塊主要有傳感模塊、處理模塊和無線通信模塊。

處理器和傳感器的功耗隨著集成工藝的進步，已經(jīng)達到了令人滿意的水平，能量消耗主要集中在無線通信模塊上。

通信過程中，節(jié)點有四種狀態(tài)：發(fā)送、空閑、接收以及睡眠。

節(jié)點處于發(fā)送狀態(tài)時能量消耗最多；

接收狀態(tài)和空閑狀態(tài)相差不多，略小于發(fā)送狀態(tài)；

處于睡眠狀態(tài)能量消耗最小。

4）大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)

網(wǎng)絡(luò)規(guī)模大主要體現(xiàn)在三個方面：

一是部署的感知區(qū)域地理面積比較大，可以在不同空間采用不同視角對目標進行監(jiān)測 ；

二是節(jié)點數(shù)目龐大，減小了覆蓋區(qū)域出現(xiàn)盲點或是漏點的概率；

三是部署密度大，即在一個較小的面積內(nèi)部署大量的節(jié)點，提高了信息采集的精度，從而降低了對單個節(jié)點精度的需求，而且大量的冗余節(jié)點可以使系統(tǒng)具有很強的容錯性。

5）以數(shù)據(jù)為中心

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點隨機部署到感知區(qū)域，節(jié)點編號與網(wǎng)絡(luò)之間的關(guān)系是動態(tài)的，沒有必然的聯(lián)系。

觀察者只關(guān)心其事件本身，而對于事件的數(shù)據(jù)是由哪個節(jié)點傳輸過來的并不在意。

以數(shù)據(jù)為中心的特點要求無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能夠脫離傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的尋址過程，快速有效地組織起各個節(jié)點的感知信息并融合提取出有用信息直接傳送給用戶。

6）廣播方式通信

由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點數(shù)目龐大，使得其在組網(wǎng)和通信時不可能如Ad hoc網(wǎng)絡(luò)那樣采用點對點的通信，而要采用廣播方式，以加快信息傳播的范圍和速度，并可以節(jié)省電力。

7）無人值守

由于網(wǎng)絡(luò)規(guī)模巨大，不可能人工照顧每個節(jié)點，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)往往在無人值守的狀態(tài)下工作，這導(dǎo)致了網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的能源受限。

8）易受物理環(huán)境影響，網(wǎng)絡(luò)通信能力有限

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與其所在的物理環(huán)境密切相關(guān)，并隨著環(huán)境的變化而不斷地變化。這些時變因素嚴重地影響了系統(tǒng)的性能，因此要求無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)要具有動態(tài)環(huán)境變化的適應(yīng)性。

網(wǎng)絡(luò)節(jié)點采用短距離低功率無線通信技術(shù)，通信覆蓋范圍一般只有幾十米，需要多跳中繼傳輸才能把數(shù)據(jù)發(fā)布到收集信息的基站。環(huán)境因素的影響會導(dǎo)致通信質(zhì)量的下降。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的前景

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能夠協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中感知對象的信息，并以無線的方式發(fā)送出去，通過無線網(wǎng)絡(luò)最終發(fā)送給觀察者。它是物聯(lián)網(wǎng)的基本組成部分，改變了人與自然的交互方式，具有廣闊的應(yīng)用前景。