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所謂傳感器網(wǎng)絡(luò)是由大量部署在作用區(qū)域內(nèi)的、具有無(wú)線通信與計(jì)算能力的微小傳感器節(jié)點(diǎn)通過(guò)自組織方式構(gòu)成的能根據(jù)環(huán)境自主完成指定任務(wù)的分布式智能化網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。傳感網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)間距離很短,一般采用多跳(multi-hop)的無(wú)線通信方式進(jìn)行通信。傳感器網(wǎng)絡(luò)可以在獨(dú)立的環(huán)境下運(yùn)行,也可以通過(guò)網(wǎng)關(guān)連接到Internet,使用戶可以遠(yuǎn)程訪問(wèn)。

傳感器網(wǎng)絡(luò)綜合了傳感器技術(shù)、嵌入式計(jì)算技術(shù)、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)及無(wú)線通信技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)等,能夠通過(guò)各類集成化的微型傳感器協(xié)作地實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、感知和采集各種環(huán)境或監(jiān)測(cè)對(duì)象的信息,通過(guò)嵌入式系統(tǒng)對(duì)信息進(jìn)行處理,并通過(guò)隨機(jī)自組織無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)以多跳中繼方式將所感知信息傳送到用戶終端。從而真正實(shí)現(xiàn)"無(wú)處不在的計(jì)算"理念。

傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的組成和功能包括如下四個(gè)基本單元:傳感單元(由傳感器和模數(shù)轉(zhuǎn)換功能模塊組成)、處理單元(由嵌入式系統(tǒng)構(gòu)成,包括CPU、存儲(chǔ)器、嵌入式操作系統(tǒng)等)、通信單元(由無(wú)線通信模塊組成)、以及電源部分。此外,可以選擇的其它功能單元包括:定位系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)以及發(fā)電裝置等。

在傳感器網(wǎng)絡(luò)中,節(jié)點(diǎn)通過(guò)各種方式大量部署在被感知對(duì)象內(nèi)部或者附近。這些節(jié)點(diǎn)通過(guò)自組織方式構(gòu)成無(wú)線網(wǎng)絡(luò),以協(xié)作的方式感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中特定的信息,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)任意地點(diǎn)信息在任意時(shí)間的采集,處理和分析。一個(gè)典型的傳感器網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)包括分布式傳感器節(jié)點(diǎn)(群)、sink節(jié)點(diǎn)、互聯(lián)網(wǎng)和用戶界面等.

傳感節(jié)點(diǎn)之間可以相互通信,自己組織成網(wǎng)并通過(guò)多跳的方式連接至Sink(基站節(jié)點(diǎn)),Sink節(jié)點(diǎn)收到數(shù)據(jù)后,通過(guò)網(wǎng)關(guān)(Gateway)完成和公用Internet網(wǎng)絡(luò)的連接。整個(gè)系統(tǒng)通過(guò)任務(wù)管理器來(lái)管理和控制這個(gè)系統(tǒng)。傳感器網(wǎng)絡(luò)的特性使得其有著非常廣泛的應(yīng)用前景,其無(wú)處不在的特點(diǎn)使其在不遠(yuǎn)的未來(lái)成為我們生活中不可缺少的一部分。

傳感器網(wǎng)絡(luò)的每個(gè)節(jié)點(diǎn)除配備了一個(gè)或多個(gè)傳感器之外,還裝備了一個(gè)無(wú)線電收發(fā)器、一個(gè)很小的微控制器和一個(gè)能源(通常為電池)。單個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的尺寸大到一個(gè)鞋盒,小到一粒塵埃。傳感器節(jié)點(diǎn)的成本也是不定的,從幾百美元到幾美分,這取決于傳感器網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模以及單個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)所需的復(fù)雜度。傳感器節(jié)點(diǎn)尺寸與復(fù)雜度的限制決定了能量、存儲(chǔ)、計(jì)算速度與頻寬的受限。

在計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域,傳感器網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)研究熱點(diǎn),每年都會(huì)召開很多的研討會(huì)和國(guó)際會(huì)議。

傳感器網(wǎng)絡(luò)主要包括三個(gè)方面:感應(yīng)、通訊、計(jì)算(硬件、軟件、算法)。其中的關(guān)鍵技術(shù)主要有無(wú)線數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù),比如使用在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的查詢,和用于和其它傳感器通訊的網(wǎng)絡(luò)技術(shù),特別是多次跳躍路由協(xié)議。例如摩托羅拉使用在家庭控制系統(tǒng)中的ZigBee無(wú)線協(xié)議。

傳感器網(wǎng)絡(luò)與傳感器是什么關(guān)系呢?它究竟是一種傳感器呢還是一種網(wǎng)絡(luò)呢?在回答這個(gè)問(wèn)題之前,我們先來(lái)看一下傳感器網(wǎng)絡(luò)中傳感節(jié)點(diǎn)的系統(tǒng)組成吧。如圖1所示,一般可以將傳感節(jié)點(diǎn)分解為傳感模塊、微處理器最小系統(tǒng)、無(wú)線通信模塊、電源模塊和增強(qiáng)功能模塊5個(gè)組成部分,其中增強(qiáng)功能模塊為可選配置。

圖1 傳感器網(wǎng)絡(luò)中傳感節(jié)點(diǎn)的系統(tǒng)組成

可以把傳感模塊和電源模塊看作傳統(tǒng)的傳感器,如果再加上微處理器最小系統(tǒng)就可對(duì)應(yīng)于智能傳感器,而無(wú)線通信模塊是為了實(shí)現(xiàn)無(wú)線通信功能而比傳統(tǒng)傳感器新增加的功能模塊。增強(qiáng)功能模塊是可選配置,例如時(shí)間同步系統(tǒng)、衛(wèi)星定位系統(tǒng)、用于移動(dòng)的機(jī)械系統(tǒng)等。

從傳感節(jié)點(diǎn)的系統(tǒng)組成上看,傳感器網(wǎng)絡(luò)可以看作是多個(gè)增加了無(wú)線通信模塊的智能傳感器組成的自組織網(wǎng)絡(luò)。而從功能上看,傳感器和傳感器網(wǎng)絡(luò)大致相同,都是用來(lái)感知監(jiān)測(cè)環(huán)境信息的,不過(guò)顯然傳感器網(wǎng)絡(luò)具備更高的可靠性。

傳感器網(wǎng)絡(luò)是怎樣發(fā)展起來(lái)的呢?

最早的傳感器網(wǎng)絡(luò)可以追溯到上世紀(jì)70年代美軍在越戰(zhàn)中使用的"熱帶樹"傳感器。為了遏制北越在胡志明小道的后勤補(bǔ)給,美軍在這條小道上沿途投放了上萬(wàn)個(gè)"熱帶樹"傳感器,這是一種振動(dòng)和聲響傳感器,當(dāng)北越車隊(duì)經(jīng)過(guò)時(shí)傳感器探測(cè)到振動(dòng)和聲響即向指揮中心發(fā)送感知信號(hào),美軍收到信號(hào)后即組織轟炸,有資料顯示越戰(zhàn)期間美軍依靠"熱帶樹"的幫助總共炸壞了4萬(wàn)多輛北越運(yùn)輸卡車。

"熱帶樹"傳感器之間沒(méi)有通信能力,所以實(shí)際上還稱不上網(wǎng)絡(luò)的概念。20世紀(jì)80年代以來(lái),美國(guó)軍方陸續(xù)與高校開展傳感器網(wǎng)絡(luò)方面的研究合作,旨在建立能夠用于軍事用途的自組織的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò),這期間在硬件、軟件、標(biāo)準(zhǔn)化和產(chǎn)品化等方面取得了一系列的重大進(jìn)展。

2000年,美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校發(fā)布了傳感器節(jié)點(diǎn)專用操作系統(tǒng)TinyOS,后續(xù)又推出專用程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言nesC。2001年,伯克利分校又推出Mica系列傳感器節(jié)點(diǎn)產(chǎn)品。TinyOS和Mica取得了巨大的成功,直到今天它們?nèi)匀坏玫搅藦V泛的應(yīng)用。

2001年,ZigBee聯(lián)盟成立,并對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信協(xié)議進(jìn)行了全面的標(biāo)準(zhǔn)化,后續(xù)多家公司發(fā)布了多款符合ZigBee協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的芯片和產(chǎn)品。

傳感器網(wǎng)絡(luò)未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)又如何呢?

傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)誕生至今也不過(guò)幾十年的時(shí)間,最近更是得到了美國(guó)之外歐洲、中國(guó)和日韓等國(guó)的重視和關(guān)注,目前其發(fā)展前沿也在不斷延伸�？傮w說(shuō)來(lái),大致可以將其發(fā)展趨勢(shì)劃分為兩大類:其一是設(shè)計(jì)用于完成特殊任務(wù)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò),例如無(wú)線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)和無(wú)線傳感執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)。其二是設(shè)計(jì)用于特殊應(yīng)用環(huán)境下工作的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò),例如水下環(huán)境和地下環(huán)境。

無(wú)線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)(WMSN, Wireless Multimedia Sensor Network)在傳感器節(jié)點(diǎn)上借助多媒體傳感單元將音頻、視頻、圖像等多媒體信息傳送到管理節(jié)點(diǎn),能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)復(fù)雜多變環(huán)境的監(jiān)測(cè)。

無(wú)線傳感執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)(WSAN, Wireless Sensor and Actor Network)在WSN的基礎(chǔ)上加入了執(zhí)行節(jié)點(diǎn)(Actor),執(zhí)行節(jié)點(diǎn)根據(jù)收集到的監(jiān)測(cè)信息做出決策并執(zhí)行相關(guān)操作,從而在對(duì)環(huán)境監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境的控制。

水聲無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(UW-ASN, Underwater Acoustic Sensor Network)采用水聲無(wú)線通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)水下傳感器節(jié)點(diǎn)之間的通信連接,能夠完成海洋采樣、環(huán)境監(jiān)測(cè)、水下開采、輔助航行等任務(wù)。

傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)通常包括傳感器節(jié)點(diǎn)(sensor)、匯聚節(jié)點(diǎn)(sink node)和管理節(jié)點(diǎn)。大量傳感器節(jié)點(diǎn)隨機(jī)部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域(sensor field)內(nèi)部或附近,能夠通過(guò)自組織方式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)。傳感器節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)沿著其他傳感器節(jié)點(diǎn)逐跳地進(jìn)行傳輸,在傳輸過(guò)程中監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可能被多個(gè)節(jié)點(diǎn)處理,經(jīng)過(guò)多跳后路由到匯聚節(jié)點(diǎn),最后通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)或衛(wèi)星到達(dá)管理節(jié)點(diǎn)。用戶通過(guò)管理節(jié)點(diǎn)對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行配置和管理,發(fā)布監(jiān)測(cè)任務(wù)以及收集監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

通過(guò)感知識(shí)別技術(shù),讓物品"開口說(shuō)話、發(fā)布信息",是融合物理世界和信息世界的重要一環(huán),是物聯(lián)網(wǎng)區(qū)別于其他網(wǎng)絡(luò)的最獨(dú)特的部分。物聯(lián)網(wǎng)的"觸手"是位于感知識(shí)別層的大量信息生成設(shè)備,包括RFID、傳感器網(wǎng)絡(luò)、定位系統(tǒng)等。傳感器網(wǎng)絡(luò)所感知的數(shù)據(jù)是物聯(lián)網(wǎng)海量信息的重要來(lái)源之一。

傳感器網(wǎng)絡(luò)已被視為物聯(lián)網(wǎng)的重要組成部分,如果將智能傳感器的范圍擴(kuò)展到RFID等其他數(shù)據(jù)采集技術(shù),從技術(shù)構(gòu)成和應(yīng)用領(lǐng)域來(lái)看,泛在傳感器網(wǎng)絡(luò)等同于現(xiàn)在我們提到的物聯(lián)網(wǎng)。