无线传感器网络研究

坎香+金海峰

摘 要 无线传感器网络涉及传感器技术，无线通信技术，嵌入式技术，分布式信息处理技术等多个学科领域的内容， 是当今学术研究的热点领域之一。本文阐述了无线传感器网络的特点、分类以及性能的评估。

【关键词】无线传感器 网络 数据

1 无线传感网络概述

无线传感器网络（Wireless Sensor Network，简称WSN）是在监测区域中部署大量的无线传感器节点，这些节点采用无线连接、以多跳自组织的方式快速形成网络。无线传感器网络中的传感器节点具有感知、监测、传感、信息处理等功能，能够对目标区域中的信息进行感知和采集，然后通过无线通信方式传递给汇聚节点，最后汇聚节点将数据通过Internet或卫星通讯网传递给用户终端，最终实现任务节点与用户终端之间的通信。

不同于移动Ad-Hoc网络，无线传感器网络有以下特点：

1.1 无线传感器网络规模比较大

为了获取尽可能详尽的数据，完成网络探测任务，传感器节点的布置区域都非常大；同时，无线传感器节点一般工作在人类无法到达的恶劣环境中，传感器网络中部署的节点由于受到恶劣环境的影响较易失效，且一旦节点部署完成，将不再对这些节点进行干预，因此，在监测区域会部署大量的传感器节点，这样也可以尽可能保证探测到数据的精确性。

1.2 传感器节点能量供应有限

随着微电子的发展以及基于传感器网络实际应用需求的成本考虑，传感器节点都是微型的。由于体积小，所以节点的能源一般由电池供应，导致传感器节点能量有限，节点的使用时间受限。而无线传感器网络一般应用于一些人类无法到达的恶劣环境中，网络中传感器节点成千上万，要给这些节点延续能量或更换电池是非常困难的，而实际应用中往往要求传感器节点正常工作的时间能尽可能的长，即要求节点的寿命尽可能的长，因此传感器节点能源问题也是当今专家学者们研究的重点方向之一。

1.3 无线传感器网络可维护性差

由于传感器节点一般工作在人类无法到达的恶劣环境中，一旦节点初始部署完成，将不再对这些节点进行干预，因此要对整个无线传感器网络进行维护是几乎不可能的。

1.4 无线传感器节点具有无线连接、自组织的能力

无线传感器节点采用拓扑控制机制和自带的底层网络协议自组织形成网络，若有节点失效，传感器节点之间会以自组织的形式重新形成网络，以保障节点之间通信的畅通性，从而实现网络的探测任务。

1.5 以数据为中心

由于无线传感器网络的目标是实现任务节点与用户终端之间的通信，从而实现网络的探测任务。而传感器节点的任务就是负责实时监测并采集数据，然后通过无线通信方式传送至汇聚节点，再由汇聚节点将数据通过Internet或卫星通讯网传递给用户终端，因此我们说无线传感器网络是以数据为中心的。

1.6 网络拓扑结构复杂

传感器节点经常由于受到自然环境等影响导致节点失效，网络中的其他传感器节点将不断地动态自组织重新形成新的传输路径，从而整个网络的拓扑结构也在不断的变化，所以说网络的拓扑结构比较复杂。

1.7 数据处理能力低下

由于无线传感器网络是任务型的网络，因此为了保证探测数据的精确性，通常会在监测区域布置大量的传感器节点，而为了降低无线传感器网络的实际应用成本，传感器节点的体积都设计的非常小，这样就导致传感器节点的处理器以及存储器都非常有限，进而导致传感器处理数据的能力低下。

1.8 有融合数据的能力

由于无线传感器节点一般工作在恶劣环境中，人类一般无法到达该区域，因此在初始部署传感器节点时，一般都會布置数量巨大的传感器节点。由于在监测区域传感器节点非常密集，这样就导致感器节点采集到冗余的数据，因此传感器节点需具有处理并融合数据的能力，以节省整个网络的能源消耗。

2 无线传感器网络的分类

根据无线传感器网络在实际应用中的不同，无线传感器网络的体系结构是不同的，因此根据实际的应用应选择合适的网络。常见的无线传感器网络的分类有：

（1）根据传感器节点之间是对等的还是分等级的，网络分为平面网络结构和分层网络结构。

（2）若网络中的节点是移动的，则传感器网络是动态网络；若网络中的节点是静止的，则传感器网络是静态网络。

（3）根据网络的实际应用，部署节点的方式是不同的。若监测区域在人迹罕至的地区，只能用飞机随机撒播来投放节点，从而节点的位置是未知的、随机的，这种网络为随机性网络。若根据传感器网络的实际应用，网络中的节点需由人工部署，则该网络为确定性网络。

（4）若网络中传感器节点的硬件结构相同，则网络为同构型网络；否则网络为异构型网络。

（5）若传感器节点需经过多跳才能与汇聚节点通信，则该网络为多跳网路；否则为单跳网络。

3 无线传感器网络的性能评估

无线传感器网络成为当今专家学者们研究的热点之一，其性能的好坏也是重点研究的方向。目前普遍采用的评估标准有如下几点：

3.1 能源的有效性

考虑到无线传感器网络组网的成本，在网络中投入传感器节点的数量是有限的；受监测区域环境的影响，传感器节点的感知区域也将受到限制；由于节点的体积很小，节点的能源提供也会受到限制。而无线传感器网络在这些因素限制的条件下，可以有效地完成任务的数量就是网络能源的有效性。由于无线传感器网络一般应用于人类无法到达的恶劣环境中，所以在初始部署节点时会投放成千上万个节点，一旦节点失效或能源耗尽，要更换节点或者对节点续能几乎是不可能的，而实际应用中往往要求传感器节点的生存周期尽可能长，因此能源的有效性问题也是目前无线传感器网络应用亟待解决的问题之一。

3.2 鲁棒性

由于无线传感器网络一般应用于人迹罕至的地区，如原始森林、外太空星球等人类无法到达的地区，一旦传感器节点能源耗尽或者节点失效，要对其进行人工维护是非常困难的或者几乎是不可能的，因此要求无线传感器网络的鲁棒性好，在部分传感器节点无法正常工作时整个网络能继续生存。

3.3 可扩展性

由于传感器节点通常工作在人类无法到达的恶劣且复杂的环境中，网络中的部分节点由于受到环境因素的影响而无法正常工作，根据实际应用，为了使无线传感器网络能长时间工作，需要在监测区域中继续投入新传感器节点，这就要求传感器节点能自组织并协同工作，从而实现传感器网络的动态可扩展性。

3.4 感知精确性和有效性

无线传感器网络在实际应用中主要用于对环境进行监测并获取有效的数据信息，而数据的精准性决定了无线传感器网络的服务质量。数据的精准性受到传感器节点自身的感知能力、信息处理能力以及无线通信能力等因素的影响。因此在设计传感器节点时应考虑到这些方面的因素；由于在网络监测区域会布置数量巨大的传感器节点，而过度密集的节点导致采集到的信息将有重复，因此传感器节点应具有融合信息的能力，以保证数据的有效性。

当然，无线传感器网络的这些评估标准并不是独立，它们有着密切的关系，在评估时应综合考虑。

参考文献

[1]王燕莉，安世全.无线传感器网络的覆盖问题研究[J].传感技术学报，2005，18（02）：307-312.

[2]靳立忠，常桂然，贾杰.基于差分进化算法的移动传感器网络节点的分布优化 [J].控制与决策，2010，25（12）：1857-1860.

作者简介

坎香（1986-），女，江苏省江阴市人。硕士学位。讲师。研究方向为计算机网络编程。

作者单位

江阴职业技术学院计算机科学系 江苏省江阴市 214400endprint