摘要：無線傳感器網(wǎng)絡有著廣泛的實際應用。近年來出現(xiàn)的體積小、價格便宜并帶有智能處理能力的傳感器節(jié)點，使得可以用大量的傳感器節(jié)點構(gòu)建無線通信網(wǎng)絡，完成指定的任務。本文首先介紹了無線傳感器網(wǎng)絡近年來在各個領域的應用以及取得的成果，回顧了有關無線傳感器網(wǎng)絡幾項關鍵技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，同時展望了關鍵技術(shù)的幾個未來發(fā)展方向。
關鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡；定位；覆蓋；時間同步；網(wǎng)絡安全

引言
    近年來，由于微電子技術(shù)、計算技術(shù)和無線通信技術(shù)的進步，使得大量低功耗、多功能、低成本的無線傳感器問世，由多個傳感器共同構(gòu)成的網(wǎng)絡系統(tǒng)吸引了大量學者的興趣。無線傳感器網(wǎng)絡(WSN)就是在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)布置大量具有信息采集、數(shù)據(jù)處理及無線通信能力的節(jié)點，整體形成一個多跳自組織網(wǎng)絡系統(tǒng)，共同完成某些功能，在環(huán)境監(jiān)測、交通運輸、醫(yī)療等領域的科學研究中得到廣泛應用。
    無線傳感器網(wǎng)絡的傳感器節(jié)點通常配備一個或多個不同類型的傳感器，用于完成不同物理數(shù)據(jù)的采集。同時節(jié)點上還配置有微處理器、存儲器、電源、射頻收發(fā)器和執(zhí)行器等。與傳統(tǒng)的傳感器網(wǎng)絡不同，WSN體積小，價格便宜，因而節(jié)點的能量(如存儲空間、計算能力、通信帶寬、通信范圍等)相對較弱。此外，WSN節(jié)點常常由電池供電，并且常常工作于惡劣的環(huán)境甚至是敵方區(qū)域，不能提供電池補給或更換，因而電源也是約束傳感器節(jié)點的一個重要因素。節(jié)點通常由無線通信設備通過多跳的方式將數(shù)據(jù)發(fā)送到基站，再由基站傳送到指揮中心。
    WSN領域的研究目標是滿足上述約束條件的同時完成指定任務。引入新的設計理念，開發(fā)或改進現(xiàn)有的協(xié)議，開創(chuàng)新的應用領域，開發(fā)新的算法，都成為WSN研究熱點。本文總結(jié)了近年來WSN關鍵支持技術(shù)新的協(xié)議、算法以及應用。

1 無線傳感器網(wǎng)絡的應用
    無線傳感器網(wǎng)絡由許多不同類型的節(jié)點(如地震、低采樣率電磁傳感器、溫度、視覺、紅外聲音和雷達等)構(gòu)成。WSN的應用如圖1所示，可以分為監(jiān)測和追蹤兩類。監(jiān)測應用包括室外室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測、健康狀況監(jiān)測、庫存監(jiān)測、工廠生產(chǎn)過程自動化、自然環(huán)境監(jiān)測等方面。跟蹤的應用有目標跟蹤、動物跟蹤、汽車跟蹤、人的跟蹤等。

1．1 公共衛(wèi)生
    WSN可用于殘疾人監(jiān)測、病人監(jiān)測、診斷、醫(yī)院藥品管理系統(tǒng)。C．R．Badker等人指出，在公共衛(wèi)生醫(yī)療監(jiān)測中應用WSN能提高現(xiàn)有衛(wèi)生和病人監(jiān)測狀況。文中提出了4種應用原型：嬰兒監(jiān)測、提醒聾人、血壓監(jiān)測與追蹤、消防員身體特征信號監(jiān)測。這些原型采用了SHIMME和T-mote節(jié)點。
    每年很多嬰兒死于嬰兒猝死癥(SIDS)，睡眠安全原型則是設計用于監(jiān)測監(jiān)視嬰兒睡覺狀態(tài)。用傳感器監(jiān)測嬰兒的睡姿，一旦嬰兒俯臥就及時提醒家長。SHIMMER節(jié)點中有一個重力三軸加速度計，用于監(jiān)測嬰兒相對位置。T—Mote節(jié)點則將該數(shù)據(jù)發(fā)送到基站，根據(jù)檢測值和設定值的比較判斷嬰兒的睡姿。Baby Glove原型設計用于監(jiān)測嬰兒的生命體征如溫度、水合程度以及脈搏。Fireline是一種無線心率監(jiān)測系統(tǒng)，用于消防員火災救援過程中實時心率和壓力異常監(jiān)測。Heart@Home是一種無線血壓監(jiān)測和跟蹤系統(tǒng)。除此之外，Listen采集環(huán)境中的音頻信息，從而提醒聽力受損的人。
1．2 工業(yè)應用
    石油冶煉工廠中安裝的WSN由4個監(jiān)測節(jié)點和一個執(zhí)行節(jié)點組成，可以降低成本，提高效率。監(jiān)測節(jié)點將數(shù)據(jù)包通過以太網(wǎng)發(fā)送給計算單元，再由計算單元將結(jié)果發(fā)送到分布式控制系統(tǒng)中。控制系統(tǒng)向執(zhí)行節(jié)點發(fā)送指令，完成整個控制過程。該試驗測試了網(wǎng)絡噪聲對RSSI和LQI的影響，結(jié)果表明工業(yè)環(huán)境中的噪聲對WSN的性能有很大的影響。
    WSN也用于半導體制造工廠和油輪的設備維護和監(jiān)測。傳感器節(jié)點通過采集振動信號來預測設備的故障，這有利于設備的維護和保養(yǎng)。
1．3 環(huán)境應用
    傳感器網(wǎng)絡的應用包括跟蹤生物，如鳥類、小動物和昆蟲的遷移，監(jiān)測影響農(nóng)作物和莊稼的環(huán)境，以及大海、土壤及森林火災等的監(jiān)測。美國加利福尼亞州索諾馬縣應用WSN研究紅木樹林的現(xiàn)狀。每個傳感器節(jié)點用于測量空氣溫度、相對濕度以及光合有效輻射作用。在樹的不同高度放置節(jié)點，生物學家可以追蹤紅木樹林小氣候的空間漸變情況，從而驗證其生物學理論。
    哈佛大學Matt welsh等人將傳感器網(wǎng)絡應用于火山的監(jiān)測。他們分別于2004年和2005年對厄瓜多爾的Tungurahua和Reventodaor兩座火山進行監(jiān)測。該網(wǎng)絡由16個傳感器節(jié)點組成，每個傳感器間隔200～400 m不等。在19天的觀測中，網(wǎng)絡觀測到230次噴發(fā)和其他事件。在肯尼亞構(gòu)建的ZebraNet系統(tǒng)是一個移動傳感網(wǎng)絡，用于追蹤動物的遷移。該系統(tǒng)將跟蹤節(jié)點安裝在斑馬的項圈上，目標在于準確記錄斑馬的位置，用于生物行為分析。

2 無線傳感器網(wǎng)絡的關鍵技術(shù)
2．1 定位
    定位方法可以分為距離相關(range-based)定位算法和距離無關(range-free)定位算法兩大類。距離相關定位算法通常利用測距技術(shù)得到節(jié)點間距離，再利用三邊測量法、三角測量法或極大似然估計法計算出未知節(jié)點的位置。常用的測距技術(shù)包括接收信號強度(RSSI)技術(shù)、信號傳輸時間(TOA)技術(shù)、信號到達時間差(TDOA)技術(shù)和信號到達角度(AOA)技術(shù)。
    距離無關定位算法利用節(jié)點間的連通情況來估測自己的位置。其中一部分距離無關算法采用集中式計算模式，再用優(yōu)化方法來提高定位精度，如凸規(guī)劃算法和MDS—MAP算法，但是集中計算方式需要網(wǎng)絡中有中心節(jié)點支持，會導致中心節(jié)點通信量大，能量耗盡快，網(wǎng)絡癱瘓。
絕大多數(shù)距離無關定位算法采取分布式計算模式，擴展性好，通信量小。
    Blumenthal等人提出了質(zhì)心定位算法和加權(quán)質(zhì)心定位算法，根據(jù)ZigBee／IEEE802．15．4傳感器網(wǎng)絡發(fā)射接收距離或連接質(zhì)量為每一個接收坐標分配不同的權(quán)重。Behnke和Timmermann通過使用連接質(zhì)量的歸一化值推廣了WCL機制。Schuhmann推導了室內(nèi)發(fā)射接收距離的指數(shù)逆相關的固定參數(shù)集和對應于與WCL，的權(quán)重。這些方法假設接收機與發(fā)射機的距離不是很遠，發(fā)射接收距離至少有一個接收器是提前預知的。
2．2 同步
    時間同步是WSN應用的重要組成部分，傳感器數(shù)據(jù)融合、傳感器節(jié)點自身定位等都要求節(jié)點間的時鐘保持同步。時間的不準確會嚴重影響網(wǎng)絡的生命周期。全局時間同步允許節(jié)點按照指定的方式發(fā)送數(shù)據(jù)，配合同步工作。現(xiàn)有的時間同步協(xié)議更多關注的是準確地估計時間不確定性和網(wǎng)絡中局部節(jié)點間的時間同步。
    TPSN算法是S．Ganeriwal等人提出的成對同步協(xié)議，分為發(fā)現(xiàn)階段和同步階段。發(fā)現(xiàn)階段建立網(wǎng)絡分層的拓撲結(jié)構(gòu)，確定每個節(jié)點的層號；同步階段由根節(jié)點負責同步階段的初始化。每個節(jié)點僅與其上層中一個節(jié)點同步，最終與根節(jié)點同步從而實現(xiàn)整個網(wǎng)絡的同步。FTSP算法是由Branislav Kusy等人提出的基于sender—receiver的單向同步算法。該算法使用單向廣播消息實現(xiàn)發(fā)送節(jié)點與接收節(jié)點之間的時間同步。
    RATSS協(xié)議是一種自適應同步協(xié)議。首先建立兩個節(jié)點間長期時鐘漂移，從而最小化占空比負擔。該方法使用長期的時間測量評估和分析3種影響時間同步的主要因素。測量這些參數(shù)用于設計速率自適應能效同步算法。RATS的目標是最大化同步采樣周期，同時在用戶定誤差范圍內(nèi)設定預測誤差。
    RFA算法是一種分散式時間同步。該算法按照螢火蟲同步的方法，內(nèi)部設置一個振蕩器周期為T，在時刻T節(jié)點發(fā)送一個類似螢火蟲的信號，能觀測到該信號的鄰居節(jié)點則縮短其自身的發(fā)送螢火蟲信號的時間，縮短的時間由firing函數(shù)和常數(shù)ε決定。經(jīng)過一定時間，網(wǎng)絡的節(jié)點將會達到同步。RFA是一種具有魯棒性的算法，能夠適應數(shù)據(jù)丟失、節(jié)點增加、鏈接改變等網(wǎng)絡的變化。
2．3 覆蓋
    覆蓋控制作為WSN中的一個基本問題，反映了網(wǎng)絡所能提供的感知質(zhì)量，從而優(yōu)化WSN空間資源得到優(yōu)化分配，進而更好地完成環(huán)境感知、信息獲取和有效傳輸?shù)娜蝿铡０凑誛SN節(jié)點配置方式的不同，覆蓋問題分為確定性覆蓋、隨機覆蓋兩大類。如果WSN的狀態(tài)相對固定或是WSN環(huán)境已知，就可以根據(jù)預先配置的節(jié)點位置確定網(wǎng)絡拓撲情況或增加關鍵區(qū)域的傳感器節(jié)點密度，這種情況被稱為確定性覆蓋問題。
    X．Wang等人提出了一種分布式網(wǎng)絡配置協(xié)議(CCP)。該協(xié)議規(guī)定網(wǎng)絡中的節(jié)點一共有三種狀態(tài)，分別為休眠、活動和監(jiān)聽。監(jiān)聽狀態(tài)時，節(jié)點采集鄰居節(jié)點的狀態(tài)信息，執(zhí)行K覆蓋算法。K覆蓋算法確定該節(jié)點處于何種工作狀態(tài)，還可以事先指定的任意的覆蓋度。G．Veltri等人提出最小最大暴露路徑算法。最小暴露路徑可以看成是傳感器網(wǎng)絡覆蓋的最差情況，文中給出單傳感器情況下閉合形式解。此解可以看作是快速的近似計算的基礎。最大暴露路徑算法可以看成是網(wǎng)絡的最佳覆蓋情況，并證明了最大暴露路徑問題是NP難問題，還給出了幾種近似解算法。Megerian等人提出了最壞最佳覆蓋算法。首先定義了最大支撐路徑(maximal support path)和最大突破路徑。分別使得路徑上的點到周圍最近傳感器的最小距離最大化以及最大距離最小化。通過Voronoi圖和Delaunay三角形查找最大突破和支撐路徑。根據(jù)兩個極限情況，得到臨界的網(wǎng)絡路徑結(jié)果完成網(wǎng)絡節(jié)點的配置。
2．4 數(shù)據(jù)融合
    大多數(shù)無線WSN應用都是由大量傳感器節(jié)點構(gòu)成的，共同完成信息收集、目標監(jiān)視和感知環(huán)境的任務。在信息采集過程中，各個節(jié)點直接傳輸數(shù)據(jù)到匯聚節(jié)點的方法顯然是不合適的。通過數(shù)據(jù)融合技術(shù)，將多份數(shù)據(jù)或信息進行處理，能夠組合出更高效、更符合用戶需求的數(shù)據(jù)。
    數(shù)據(jù)融合中，集中式融合方法容易帶來網(wǎng)絡擁塞，帶寬受限，容錯能力差。因而，設計合理有效的分布式的濾波算法已成為當前無線傳感網(wǎng)絡研究的熱點問題之一。最早提出的全分散卡爾曼濾波器證明分散融合結(jié)果與集中融合結(jié)果相同，但是要求所有節(jié)點之間都有通信。Xi-ao等人在傳感器網(wǎng)絡提出了分布式一致濾波方法，采用加權(quán)最小二乘近似估實現(xiàn)計靜態(tài)參數(shù)狀態(tài)。R．O．Saber等人提出了一種動態(tài)分布一致估計方法，該方法將集中卡爾曼濾波分解為n個微卡爾曼濾波器。文中證明的濾波結(jié)果與集中濾波的結(jié)果相同。參考文獻中提出的一致濾波器直接作用于狀態(tài)空間變量的估計值，因而又稱為卡爾曼一致性濾波器(KCF)。
2．5 網(wǎng)絡安全
    缺乏有效的安全機制已經(jīng)成為應用的主要障礙。加密是網(wǎng)絡安全技術(shù)中最基本的方法。為了建立傳感器網(wǎng)絡的安全機制和協(xié)議，需要在通信節(jié)點對之間設立共享密鑰。鄰居節(jié)點不確定，以及網(wǎng)絡中任何一對節(jié)點有唯一的密鑰需要足夠的存儲資源，因而是不合適的。
    Basagni等人提出全局共享密鑰。該方法對存儲需求小，無需建立附加的密鑰，故無需節(jié)點問通信，是一種節(jié)能方法。然而當網(wǎng)絡中某個節(jié)點遭受攻擊時，整個網(wǎng)絡都有可能遭到破壞。Tassos等人提出分簇密鑰管理，簇內(nèi)成員共享相同的密鑰，簇間通信則通過位于簇交界處的節(jié)點完成。這類節(jié)點中存儲多個密鑰并完成密鑰轉(zhuǎn)換，保證全網(wǎng)的安全通信。A．Wacker等人提出了分散化密鑰交換協(xié)議，即使攻擊者已入侵網(wǎng)絡中的一些節(jié)點仍能保證密鑰的安全。該協(xié)議在S連通圖中尋找S節(jié)點不相交路徑發(fā)送共享密鑰，并在路徑中建立鏈接，并將共享密鑰加密。一旦密鑰共享建立，如果不能訪問所有的共享密鑰，入侵者也無法恢復數(shù)據(jù)。

3 總結(jié)與展望
    與其他網(wǎng)絡不同，WSN可以廣泛地應用在民用、環(huán)境監(jiān)測及工業(yè)等不同的領域。WSN針對不同的應用有不同假設和需求。當前已經(jīng)提出一系列協(xié)議，它們有各自的優(yōu)點和適用的環(huán)境，也存在一些不足。而隨著工藝、計算機及其網(wǎng)絡技術(shù)的發(fā)展，WSN必將得到越來越廣泛的應用，迫切需要高效的支撐技術(shù)算法和協(xié)議。本文給出將來WSN的幾個發(fā)展方向：
    ①能效問題研究是無線傳感網(wǎng)絡中的熱點研究問題。針對不同應用的能效節(jié)點自定位算法、優(yōu)化覆蓋算法、時間同步算法都是值得進一步深入研究的問題，進一步提高網(wǎng)絡的性能，延長網(wǎng)絡的生命周期。
    ②在高密度網(wǎng)絡中，需要大范圍時間同步。時間同步可以減少事件碰撞、能量浪費和統(tǒng)一更新。現(xiàn)有的時間同步方案致力于同步網(wǎng)絡中的局部節(jié)點時鐘以及較少的能量負擔。接下來的研究可以更多地關注最小化長時間的不確定性誤差，提高精度。
    ③WSN中布置了大量的節(jié)點，隨著時間發(fā)展會產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)壓縮、融合和聚合技術(shù)能有效地減少數(shù)據(jù)傳送量。基于事件的壓縮、融合、聚合方案和連續(xù)時間采集網(wǎng)絡也是具有挑戰(zhàn)性的研究領域。
    ④WSN的安全檢測問題。安全協(xié)議需要能監(jiān)視、檢測，同時應對入侵者的攻擊。現(xiàn)有的許多安全協(xié)議多數(shù)是針對網(wǎng)絡層和數(shù)據(jù)鏈路層的。然而惡意攻擊可能出現(xiàn)在任何層中，不同層的安全檢測是一個值得研究的問題?？鐚拥陌踩珯z測是網(wǎng)絡安全研究中的又一具有挑戰(zhàn)性的課題。
    ⑤可擴展性。保證網(wǎng)絡的可擴展性是WSN的另一項關鍵需求。由于能消耗盡、節(jié)點故障、通信故障等原因，網(wǎng)絡的拓撲結(jié)構(gòu)常常會發(fā)生變化，如果沒有網(wǎng)絡的可擴展性保證，網(wǎng)絡的性能會隨著網(wǎng)絡的規(guī)模增加或是隨著時間而顯著降低。
    ⑥WSN有著分層的體系結(jié)構(gòu)，導致各層的優(yōu)化設計不能保證整個網(wǎng)絡的設計最優(yōu)。將MAC與路由相結(jié)合進行跨層設計可以有效節(jié)省能量，延長網(wǎng)絡的壽命。傳感器網(wǎng)絡的能量管理、低功耗設計、時間同步和節(jié)點定位方面也可以結(jié)合實際，跨層優(yōu)化設計。