班级011304学号1301120308题目无线传感器网络综述学院通信工程学院专业通信与信息系统学生XX 白小慧前言近年来随着通信技术、嵌入式计算技术和传感器技术的发展，作为现代信息获取的重要技术之一，传感器技术而日益成熟，这些小型传感器一般称作sensor node（传感器节点）。

无线传感器网络(wireless Sensor Networks，WSN) 就是由大量的密集部署在监控区域的智能传感器节点构成的一种网络应用系统。

由于传感器节点数量众多，部署时只能采用随机投放的方式，例如通过飞机播撒或人工布置的方法，传感器节点的位置不能预先确定；在任意时刻，节点间通过无线信道连接，采用多跳(multi-hop)、对等(peer to peer)通信方式，自组织网络拓扑结构，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中被监测对象的信息，并传送给信息获取者；传感器节点间具有很强的协同能力，通过局部的数据采集、预处理以及节点间的数据交换来完成全局任务。

WSN技术综合了传感器技术、嵌入式计算技术、网络技术、分布式信息处理技术和通信技术，能够协同的实时监测，感知和采集网络覆盖区域中各种环境或检测对象的信息，并对其进行处理，处理后的信息经过无线方式发送出去，并以自组多跳的网络方式传送给观察者。

无线传感器网络(WSN)是信息科学领域中一个全新的发展方向，同时也是新兴学科与传统学科进行领域间交叉的结果。

无线传感器网络经历了智能传感器、无线智能传感器、无线传感器网络3个阶段。

智能传感器将计算能力嵌入到传感器中，使得传感器节点不仅具有数据采集能力，而且具有滤波和信息处理能力；无线智能传感器在智能传感器的基础上增加了无线通信能力，大大延长了传感器的感知触角，降低了传感器的工程实施成本；无线传感器网络则将网络技术引入到无线智能传感器中，使得传感器不再是单个的感知单元，而是能够交换信息、协调控制的有机结合体，实现物与物的互联，把感知触角深入世界各个角落，必将成为下一代互联网的重要组成部分。

第一章无线传感器网络的背景及特点1.1 无线传感器网络的发展背景1996年，美国UCLA大学的William J Kaiser教授向DARPA提交的“低能耗无线集成微型传感器”揭开了现代WSN网络的序幕。

1998年，同是UCLA大学的Gregory J Pottie教授从网络研究的角度重新阐释了WSN的科学意义。

在其后的10余年里，WSN网络技术得到学术界、工业界乃至政府的广泛关注，成为在国防军事、环境监测和预报、健康护理、智能家居、建筑物结构监控、复杂机械监控、城市交通、空间探索、大型车间和仓库管理以及机场、大型工业园区的安全监测等众多领域中最有竞争力的应用技术之一。

美国商业周刊将WSN网络列为21世纪最有影响的技术之一。

2005年，美国军方成功测试了由美国Crossbow产品组建的枪声定位系统，为救护、反恐提供有力手段。

美国科学应用国际公司采用无线传感器网络，构筑了一个电子周边防御系统，为美国军方提供军事防御和情报信息。

中国，中科院微系统所主导的团队积极开展基于WSN的电子围栏技术的边境防御系统的研发和试点，已取得了阶段性的成果。

1.2无线传感网络的优势(1)生存能力强WSN密集分布在监测区域的大量传感器节点地位平等，没有严格的控制中心。

每个传感器节点可以随时加入或离开网络，而不会影响整个网络的正常运行。

当某些传感器节点由于环境干扰或人为破坏而不能正常工作时，随机分布的大量传感器节点之间可以协调互补，动态连接成新的网络系统，保证部分传感器节点的损坏不会影响到全局任务。

因此，WSN在恶劣的战场环境下有着很强的生存能力。

(2)精确性和可靠性高由于WSN系统可以在监测区域大量布设低成本的传感器节点，使得传感器节点能够与探测目标近距离地接触，极大地消除了环境噪声对系统性能的影响。

通过多种传感器的混合应用，可以在提高探测性能指标的同时从不同空间视角对监测对象进行监测，而多节点联合和多方位信息的综合能够有效地提高信噪比，形成覆盖面积较大的实时探测区域，从而提高监测准确性，克服卫星和雷达这类独立系统的技术难题。

WSN系统中传感器节点的大规模部署，使WSN通常具有较高的节点冗余、网络链路冗余以及采集数据冗余，为整个系统提供了很强的容错能力。

此外，借助传感器节点中个别具有移动能力的节点对网络拓扑结构进行调整，可以有效地消除探测区域内的阴影和肓点，进一步降低环境噪声和提高探测的准确性。

(3)自组织能力强WSN是一个节点对等网络，每个节点都具有路由功能，网络中不存在严格的中心控制节点。

其工作的展开不依赖于任何预设的网络基础设施，节点开机后就可以通过自我协调、自动布置，快速、自动地组成一个独立的网络。

(4)可扩展性强WSN是一个动态的网络，网络内的节点随时可能因为种种原因退出或加入网络。

此时，原有的WSN可以有效地容纳或剔除变化的节点，快速形成新的网络并继续原来的丁作，无需外界帮助。

1.3无线传感网络的局限性由低成本、低功耗的微型传感器节点构成的以自组织模式工作的WSN系统也具有一定的局限性：(1)能量的有限性WSN中的传感器节点体积微小，一般依赖能量有限的电池供电。

其特殊的应用领域和大规模的应用数量，决定了使用过程中无法对其进行能量更新，一旦电池耗尽该节点便随即“死亡”。

因此，在WSN设计过程中如何提高能量使用效率和节点生命周期，是需要考虑的首个重要因素。

(2)硬件资源的有限性WSN系统对传感器节点这种需要大规模部署的微型嵌入式系统的要求非常高，包括体积小、价格低、功耗小等。

受这些要求的限制，传感器节点的计算能力、程序空间和内存空间非常有限，同时面向WSN的算法计算设计也要尽可能简单，易于在传感器节点上实现。

(3)通信能力的有限性由于无线通信所需能量与通信距离的n次方成正比，随着通信距离的增加，WSN中传感器节点的能耗将急剧增加。

受能量因素的约束，节点必须在满足通信畅通和生命周期正常的条件下考虑提高通信距离。

同时，受外界地理条件、自然环境等的影响，无线通信性能可能经常变化，会频繁出现通信中断等现象，这也使WSN系统的通信能力受到很大的限制。

1.4无线传感器网络的应用①军事应用。

无线传感器网络的相关研究最早起源于军事领域。

由于其具有可快速部署、自组织、隐蔽性强和高容错性的特点，因此能够实现对敌军地形和兵力布防及装备的侦察、战场的实时监视、定位攻击目标、战场评估、核攻击和生物化学攻击的监测以及搜索等功能。

②环境应用。

WSN可以用于气象和地理研究，自然和人为灾害(如洪水和火灾)的监测，监视农作物灌溉及土壤、空气变更的情况、牲畜和家禽的环境状况，以及大面积的地表检测和跟踪珍稀鸟类、动物和昆虫，进行濒危种群的研究等。

美国的ALERT计划中，研究人员开发了数种传感器来分别监测降雨量、河水水位和土壤水分，并依此预测暴发山洪的可能性。

2002年，美国加州大学伯克利分校Intel实验室和大西洋学院联合，在大鸭岛上部署了用来监测岛XX鸟生活习性的无线传感器网络。

哈佛大学MateWel的研究小组用WSN对活火山Volcan Tungurahua进行观测。

2005年，澳洲的科学家利用传感器网络探测北澳大利亚的蟾蜍分布情况。

挪威科学家利用WSN监测冰河的变化情况，目的在于通过分析冰河环境的变化来推断地球气候的变化。

Intel在俄勒冈州的一个葡萄园内，利用WSN测量葡萄园气候的细微变化。

③医疗应用。

WSN可以用于检测人体的生理数据和健康状况，对医院药品进行管理以及用于远程医疗等医疗领域。

在SSIM项目中，100个微型传感器被植入病人眼中，帮助盲人获得了一定程度的视觉。

科学家还创建了一个“智能医疗之家”，即一个5间房的公寓住宅，使用无线传感器网络来测量居住者的重要生命体征(血压、脉搏和呼吸)、睡觉姿势以及每天24小时的活动状况，所搜集的数据被用于开展相应的医疗研究。

哈佛大学的一个研究小组利用无线传感器网络构建了一个医疗监测平台。

④家庭应用。

嵌入家具和家电中的传感器和执行单元组成的无线网络与Internet连接在一起，能够为人们提供更加舒适、方便和具有人性化的智能家居环境。

用户可以方便地对家电进行远程监控，如在下班前遥控家里的电饭锅、微波炉、机、录像机、电脑等家电，按照自己的意愿完成相应的煮饭、烧菜、查收留言、选择电视节目以及下载网络资料等工作。

在家居环境控制方面，将传感器节点放在家庭里不同的房间，可以对各个房问的环境温度进行局部控制。

此外，利用无线传感器网络还可以监测幼儿的早期教育环境，跟踪儿童的活动X围，让研究人员、父母或是老师全面地了解和指导儿童的学习过程。

⑤工业应用。

WSN可以用于车辆的跟踪、机械故障的诊断、工业生产的监控、建筑物状态的监测等。

将WSN和RFID技术融合，是实现智能交通系统的绝好途径。

在一些危险的工作环境，如煤矿、石油钻井、核电厂等，利用无线传感器网络可探测工作现场的一些重要信息。

机械故障诊断方面，Intel公司曾在芯片制造设备上安装过200个传感器节点，用来监控设备的振动情况，并在测量结果超出规定时提供监测报告。

美国贝克特营建集团公司已在伦敦地铁系统中采用了无线传感器网络进行检测。

采用WSN，可以让大楼、桥梁及其他建筑物感知并汇报自身的状态信息。

英国的一家博物馆利用无线传感器网络设计了一个警告系统。

⑥其他应用。

在太空探索方面，WSN可以实现对星球表面长期的监测。

美国国家航空与航天局(NASA)的JPL实验室的Sensor Webs计划，就是为将来的火星探测进行技术准备的。

德国某研究机构正在利用WSN为足球裁判研制一套辅助系统，以降低足球比赛中越位和进球的误判率。

在商务方面，WSN可用于物流和供应链的管理。

WSN在大型工程项目、防X大型灾害方面也有着良好的应用前景，如西气东输、青藏铁路、海啸预警等。

1.5无线传感器网络主要研究内容尽管传感器网络有完善的支撑技术，客观的说它的发展也是非常迅速，然而从很多方面来说，现在的无线传感器网络就如同远在1970 年的因特网，那时因特网仅仅连接了不到200所大学和军事实验室，并且研究者还在试验各种通讯协议和寻址方案。

而现在，大多数传感器网络只连接了不到100个节点，更多的节点以及通讯线路会使其变得十分复杂难缠而无法正常工作。

另外一个原因是单个传感器节点的价格目前还并不低廉，而且电池寿命在最好的情况下也只能维持几个月。

所以无线传感器网络中还存在诸如以下问题：①能量问题。

在多数情况下，传感器网络中的节点都是由电池供电，电池容量有限，使得节点的生存时间也受到限制。

如果网络中节点因为能量耗尽不能工作，则会带来网络拓扑的改变以及路由的重新建立等问题，甚至可能使得网络分成不连通的部分，造成通信的中断。