【導(dǎo)讀】隨著社會(huì)和現(xiàn)代技術(shù)發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)超悄然而至，得到了很多國(guó)家和人民的關(guān)注。物聯(lián)網(wǎng)是基于現(xiàn)在已有的互聯(lián)網(wǎng)而發(fā)展起來(lái)的，它除了融合網(wǎng)絡(luò)、RFID 技術(shù)、信息技術(shù)，還引入了無(wú)線傳感器技術(shù)，使得 M2M 型物聯(lián)網(wǎng)有了更深的發(fā)展。而且無(wú)線傳感技術(shù)結(jié)合了嵌入式系統(tǒng)技術(shù)，傳感器技術(shù)，現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)以及無(wú)線通信技術(shù)，所以它本身也是一個(gè)熱點(diǎn)的研究領(lǐng)域。
2009 年在無(wú)錫成立“感知中國(guó)”中心，并且，目前針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)的《國(guó)家物聯(lián)網(wǎng) “十五”發(fā)展規(guī)劃》也正在制定過(guò)程中，進(jìn)一步確定了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在新興科技領(lǐng)域中的重要位置。而無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為物聯(lián)網(wǎng)中的核心產(chǎn)業(yè)，也需要更多的關(guān)注與研究，以促進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，使得物聯(lián)網(wǎng)成為新的全球經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)。
1.1 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)
無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN , wireless sensor networks）是由部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的大量廉價(jià)微型傳感器節(jié)點(diǎn)組成，是采用無(wú)線通信的方式形成的一個(gè)多跳自組織網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，能夠通過(guò)集成化的微型傳感器，協(xié)同地實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中各種感知對(duì)象的信息，并對(duì)信息資料進(jìn)行處理，再通過(guò)無(wú)線通信方式發(fā)送，并以自組多跳網(wǎng)絡(luò)方式傳送給信息用戶，以此實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)收集、目標(biāo)跟蹤以及報(bào)警監(jiān)控等各種功能。
目前，傳感器信息獲取技術(shù)逐漸向集成化、微型化和網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展，其智能化的發(fā)展將會(huì)帶來(lái)一場(chǎng)信息革命。無(wú)線傳感器絡(luò)技術(shù)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)、分布式信息處理技等先進(jìn)技術(shù)，該技術(shù)具備的感知能力、計(jì)算能力、通信能力，給更多的 WSN 應(yīng)用空間和應(yīng)用價(jià)值提供了可能性，是物聯(lián)網(wǎng)當(dāng)前研究開(kāi)發(fā)的熱點(diǎn)之一。
WSN 的發(fā)展歷程
無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是新興的下一代傳感器網(wǎng)絡(luò)。最早的代表性論述出現(xiàn)。1999 年，題為“傳感器走向無(wú)線時(shí)代”。隨后在美國(guó)的移動(dòng)計(jì)算和網(wǎng)絡(luò)國(guó)際會(huì)議上， 提出了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是下一個(gè)世紀(jì)面臨的發(fā)展機(jī)遇。2003 年，美國(guó)《技術(shù)評(píng) 論》雜志論述未來(lái)新興十大技術(shù)時(shí)，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)被列為第一項(xiàng)未來(lái)新興技術(shù)。
同年，美國(guó)《商業(yè)周刊》未來(lái)技術(shù)專(zhuān)版，論述四大新技術(shù)時(shí)，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)也列入其中。美國(guó)《今日防務(wù)》雜志更認(rèn)為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用和發(fā)展，將引起一場(chǎng)劃時(shí)代的軍事技術(shù)革命和未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)的變革。2004 年（IEEE Spectrum）雜志發(fā)表一期專(zhuān)集：傳感器的國(guó)度，論述無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展和可能的廣泛應(yīng)用?？梢灶A(yù)計(jì)，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展和廣泛應(yīng)用，將對(duì)人們的社會(huì)生活和產(chǎn)業(yè)變革帶來(lái)極大的影響和產(chǎn)生巨大的推動(dòng)。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是從傳感器網(wǎng)絡(luò)開(kāi)始的，傳感器網(wǎng)絡(luò)經(jīng)歷了如圖一所示的發(fā)展歷程。
第一代傳感器網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)在 20 世紀(jì) 70 年代，使用具有簡(jiǎn)單信息信號(hào)獲取能力的傳統(tǒng)傳感器，采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸、連接傳感控制器構(gòu)成傳感器網(wǎng)絡(luò)；第二代傳感（R8-232、RS -485）器網(wǎng)絡(luò)，具有獲取多種信息信號(hào)的綜合能力，采用串，并接口與傳感控制器相聯(lián)，構(gòu)成有綜合多種信息的傳感器網(wǎng)絡(luò)；第三代傳感器網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)在 20 世紀(jì) 90 年代后期和本世紀(jì)初，用具有智能獲取多種信息信號(hào)的傳感器，采用現(xiàn)場(chǎng)總線連接傳感控制器，構(gòu)成局域網(wǎng)絡(luò)，成為智能化傳感器網(wǎng)絡(luò)；第四代傳感器網(wǎng)絡(luò)正在研究開(kāi)發(fā)，目前成形并大量投入使用的產(chǎn)品還沒(méi)有出現(xiàn)，用大量的具有多功能多信息信號(hào)獲取能力的傳感器，采用自組織無(wú)線接入網(wǎng)絡(luò)，與傳感器 網(wǎng)絡(luò)控制器連接，構(gòu)成無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。本文所介紹的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)就是指第四代傳感器網(wǎng)絡(luò)。
圖一傳感器的發(fā)展歷程
1.2 物聯(lián)網(wǎng)
物聯(lián)網(wǎng)（IOT , internet of things）顧名思義就是物物相連。目前較為認(rèn)可的物聯(lián)網(wǎng)定義為：物聯(lián)網(wǎng)是通過(guò)射頻識(shí)別（ RFID ）、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)、 激光掃描器等信息傳感設(shè)備與互聯(lián)網(wǎng)連接起來(lái)，進(jìn)行信息交換和通信，以實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理另外，物聯(lián)網(wǎng)可以理解為通過(guò)“泛在網(wǎng)絡(luò)” 實(shí)現(xiàn)“泛在服務(wù)”，基于個(gè)人和社會(huì)的各種需求，通過(guò)融合前沿智能技術(shù)，實(shí)現(xiàn)人與人、人與物、物與物之間所需要的信息采集、傳遞、存儲(chǔ)、加工處理、決策
使用等綜合服務(wù)，是一種更加廣泛深遠(yuǎn)的未來(lái)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用形態(tài)。物聯(lián)網(wǎng)最為明顯的特征是物物相連，信息可以自動(dòng)化處理，無(wú)需人為操作，所以效率極高，降低了人為因素引發(fā)的不穩(wěn)定性。因此，物聯(lián)網(wǎng)在各個(gè)行業(yè)中的應(yīng)用潛力非常巨大，應(yīng)用領(lǐng)域也非常廣泛，發(fā)揮了極大的價(jià)值作用，而且物聯(lián)網(wǎng)將與互聯(lián)網(wǎng)有效地整合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)人類(lèi)社會(huì)與物理系統(tǒng)的整合。
圖二物聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖
1.3 物聯(lián)網(wǎng)多參量協(xié)同感知應(yīng)用
以物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中配網(wǎng)線路監(jiān)測(cè)為例，物聯(lián)網(wǎng)示范應(yīng)用系統(tǒng)已將 13 種傳感器 分別應(yīng)用于配網(wǎng)運(yùn)行管理中，實(shí)現(xiàn)了配網(wǎng)設(shè)備溫度、環(huán)境運(yùn)行溫濕度、環(huán)網(wǎng)柜水浸、門(mén)開(kāi)關(guān)、桿塔傾斜、線路故障電流、電纜屏蔽層電流、變壓器中心點(diǎn)電流、變壓器噪聲等多參量的狀態(tài)、故障及防盜在線監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)的配網(wǎng)設(shè)備覆蓋種類(lèi)廣，包括配網(wǎng)線路、配電變壓器、斷路器、隔離開(kāi)關(guān)、環(huán)網(wǎng)柜、分支箱、箱式變等。
由于電力系統(tǒng)中存在大量不確定的潛伏性故障，特別是在比較復(fù)雜的配電網(wǎng)絡(luò)，由于其運(yùn)行線路復(fù)雜，線路故障情況多樣，給檢修人員進(jìn)行故障定位提供了困難。從目前單一監(jiān)測(cè)量往往很難診斷故障做出正確定位，甚至?xí)霈F(xiàn)“虛警” 現(xiàn)象，給維護(hù)人員帶來(lái)不必要的麻煩。因此需要采用上述的多傳感器融合方式，綜合分析各監(jiān)測(cè)內(nèi)容， 通過(guò)主站數(shù)據(jù)控制中心對(duì)各個(gè)傳感器裝置上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算處理，按照相應(yīng)的處理計(jì)算公式，得到更為準(zhǔn)確的判斷值。特意選取了物聯(lián)網(wǎng)示范應(yīng)用項(xiàng)目中幾個(gè)多傳感器參量協(xié)同監(jiān)測(cè)的應(yīng)用示例：對(duì)配電變壓器運(yùn)行協(xié)
同監(jiān)測(cè)：通過(guò)在配電變壓器上安裝配變綜測(cè)骨干節(jié)點(diǎn)、無(wú)線溫度傳感器、無(wú)線噪 聲傳感器實(shí)現(xiàn)變壓器的多參量協(xié)同監(jiān)測(cè)，可以監(jiān)測(cè)變壓器低壓側(cè)電流、電壓、變壓器運(yùn)行溫度、運(yùn)行噪聲以及變壓器所在桿塔的傾斜度等，當(dāng)變壓器出現(xiàn)故障時(shí)先進(jìn)行電流的分析，如果電流比較大，那變壓器的溫度一定高，噪聲也會(huì)變大，如果電流不變，再進(jìn)行溫度的分析，溫度升高，可能是電纜接觸不良等原因造成，噪聲也會(huì)變大。
1.4 物聯(lián)網(wǎng)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)多傳感器數(shù)據(jù)融合
（1）數(shù)據(jù)融合理論
無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)中的傳感器將采集到的數(shù)據(jù)傳輸給數(shù)據(jù)服務(wù)中心，數(shù)據(jù)服務(wù)中心需要將這些數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的處理，再將處理后的數(shù)據(jù)發(fā)送給各業(yè)務(wù)系統(tǒng)進(jìn)行使 用，因此對(duì)這些多傳感器感知信息的融合技術(shù)是多參量協(xié)同監(jiān)測(cè)的理論依據(jù)。多傳感器融合技術(shù)的基本原理就像人腦綜合處理信息的過(guò)程一樣，它充分地利用多個(gè)傳感器資源，通過(guò)對(duì)各種傳感器及其觀測(cè)信息的合理支配與使用，將各種傳感器在空間和時(shí)間上的互補(bǔ)與冗余信息依據(jù)某種優(yōu)化準(zhǔn)則組合起來(lái)，產(chǎn)生對(duì)觀測(cè)環(huán)境的一致性解釋和描述。信息融合的目標(biāo)是基于各傳感器分離觀測(cè)信息，通過(guò)對(duì)信息的優(yōu)化組合導(dǎo)出更多的有效信息。 它的最終目的是利用多個(gè)傳感器共同或聯(lián)合操作的優(yōu)勢(shì)，來(lái)提高整個(gè)傳感器系統(tǒng)的有效性。
目前，比較常用的多傳感器融合方法有：卡爾曼濾波，貝葉斯估計(jì)，D-S 推 理，聚類(lèi)分析法，而近年來(lái)隨著神經(jīng)傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，其最新研究也逐步運(yùn)用在多傳感器信息融合上。多傳感器融合技術(shù)的應(yīng)用非常廣泛，主要應(yīng)用在軍事 和民用兩個(gè)領(lǐng)域，軍事應(yīng)用是多傳感器信息融合技術(shù)誕生的源泉，具體應(yīng)用包括海洋監(jiān)視系統(tǒng)，空對(duì)空或地對(duì)空防御系統(tǒng)，戰(zhàn)場(chǎng)情報(bào)、防御、目標(biāo)獲取，戰(zhàn)略預(yù)警和防御系統(tǒng)。而民用領(lǐng)域主要是用于機(jī)器人、智能制造、智能交通、無(wú)損檢測(cè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、醫(yī)療診斷、遙感等。
（2）物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)融合體系架構(gòu)及方法傳感器信息融合體系目前大致分為三種分布式，集中式和混合式。每種體系的區(qū)別僅在于對(duì)數(shù)據(jù)的處理的位置。分布式的結(jié)構(gòu)主要是對(duì)已經(jīng)進(jìn)行預(yù)處理的數(shù)據(jù)在信息融合中心進(jìn)行智能組合，從而得到最終的結(jié)果，集中式則與其相反，數(shù)據(jù)的處理都是單獨(dú)進(jìn)行上傳，全部集中在數(shù)據(jù)處理中心進(jìn)行融合，對(duì)處理器要求較高。混合式多傳感器信息融合體系框架中，部分傳感器采用集中式融合技術(shù)，剩余的傳感器采用分布式融合方式。這樣的數(shù)據(jù)處理體系具有較強(qiáng)的適應(yīng)能力，兼顧了兩種融合體系的優(yōu)點(diǎn)，但是也相對(duì)比較復(fù)雜。物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)融合采用了混合式的數(shù)據(jù)融合方式，同時(shí)對(duì)于數(shù)據(jù)的傳輸模型提出了電子表單 TEDS 的概念，物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中通過(guò)電子表單，對(duì)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一封裝和解析，目前物聯(lián)網(wǎng)中的 TEDS 機(jī)構(gòu)采用圖三的方式。
圖三無(wú)線通信協(xié)議相關(guān)的 TEDS
二、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域中的應(yīng)用
物聯(lián)網(wǎng)是由感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層構(gòu)成的層次體系。感知層主要涉及到 RFID 、傳感器、二維碼等機(jī)器設(shè)備，然后通過(guò)電信網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)的融合網(wǎng)絡(luò)層，及時(shí)準(zhǔn)確地傳遞物體基本信息，在應(yīng)用平臺(tái)上，利用各種先進(jìn)智能技術(shù)對(duì)信息資 料進(jìn)行分析處理，以便對(duì)物體進(jìn)行智能控制。如圖 1 所示，傳感器在基礎(chǔ)感知層，負(fù)責(zé)對(duì)物體信息的采集和抓取，這一功能對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，起著至關(guān)重要的支撐作用。
2.1 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在軍事領(lǐng)域中的應(yīng)用
無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的可快速隨機(jī)部署、可自組織、隱蔽性強(qiáng)、高容錯(cuò)性等特點(diǎn)，使得傳感器節(jié)點(diǎn)在惡劣的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境中發(fā)揮極大的作用。在軍事領(lǐng)域應(yīng)用方面，結(jié)合無(wú)線傳感器技術(shù)思想，將大量廉價(jià)傳感器節(jié)點(diǎn)，通過(guò)飛機(jī)或火炮等發(fā)射裝置，按照一定的密度投放到待監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)，對(duì)節(jié)點(diǎn)周邊環(huán)境的各種參數(shù)，如溫度、濕度、聲音、 磁場(chǎng)等信息進(jìn)行采集，然后由傳感器自組織網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)網(wǎng)關(guān)、互聯(lián)網(wǎng)、衛(wèi)星等通訊方式，傳回信息中心，實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)耻姳εc裝備，實(shí)時(shí)監(jiān)視沖突區(qū)，進(jìn)行目標(biāo)定位，戰(zhàn)場(chǎng)評(píng)估，并實(shí)現(xiàn)各種攻擊的監(jiān)測(cè)和搜索等功能，有效地提高軍隊(duì)的作戰(zhàn)決策能力。
2.2 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在工業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用
無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在工業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用比較廣泛，比如工業(yè)安全、先進(jìn)制造、交通控制管理、安防系統(tǒng)、倉(cāng)儲(chǔ)物流管理等領(lǐng)域，其中工業(yè)安全領(lǐng)域的應(yīng)用研究已日趨壯大。在計(jì)算機(jī)技術(shù)、無(wú)線通信技術(shù)、微電子技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展的推動(dòng)下，工業(yè)通信技術(shù)正朝著智能化和網(wǎng)絡(luò)化的方向不斷發(fā)展。目前，隨著測(cè)控系統(tǒng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，煤礦、石化、核電等行業(yè)對(duì)工作人員安全及易燃、易爆、有毒
物質(zhì)的監(jiān)測(cè)成本非常昂貴。其中，煤炭行業(yè)對(duì)先進(jìn)的井下安全生產(chǎn)保障系統(tǒng)的需求日漸巨大。 因此， 降低投資和使用成本成為工業(yè)通信技術(shù)發(fā)展新階段的迫切要求。而無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的成本低廉、方便簡(jiǎn)捷、泛在感知等特點(diǎn)可以滿足工業(yè)通 信領(lǐng)域的多個(gè)要求。對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)經(jīng)防爆處理和技術(shù)優(yōu)化后，用于危險(xiǎn)的工作環(huán)境， 實(shí)時(shí)全面地監(jiān)控員工安全及工業(yè)全流程，及時(shí)獲取險(xiǎn)惡工作環(huán)境下工作現(xiàn)場(chǎng)的員工基本情況、工作環(huán)境狀況以及其它無(wú)法在線監(jiān)測(cè)的重要工業(yè)過(guò)程參數(shù)，并在此基礎(chǔ)上，優(yōu)化控制工業(yè)流程，提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的各種安全事故，達(dá)到國(guó)家指定的安全生產(chǎn)目標(biāo)。
2.3 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用
農(nóng)業(yè)作為中國(guó)發(fā)展經(jīng)濟(jì)的一大基礎(chǔ)，促進(jìn)其優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)將產(chǎn)生重大的意義。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信簡(jiǎn)便、部署簡(jiǎn)捷、可密集分布等優(yōu)勢(shì)，可以充分地發(fā)揮在農(nóng) 業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中，用以監(jiān)測(cè)土壤環(huán)境狀況、農(nóng)作物灌溉及生長(zhǎng)情況、牲畜和家禽的環(huán)境狀況以及大面積的地表特征檢測(cè)。再結(jié)合目前成熟的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、 GPS 技術(shù)，可以構(gòu)建能動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)管理的系統(tǒng)平臺(tái)。例如英特爾公司在俄勒岡建立的世界上第一個(gè)無(wú)線葡萄園，通過(guò)無(wú)線傳感器監(jiān)測(cè)葡萄生長(zhǎng)環(huán)境中得各種因素，并分析 葡萄質(zhì)量與各種影響因素之間的關(guān)系，是典型的精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)、智能耕種的實(shí)例。在國(guó)內(nèi)，在“九五”計(jì)劃中，“工廠高效農(nóng)業(yè)工程”把智能傳感器和傳感器網(wǎng)絡(luò)化的研制列為國(guó)家重點(diǎn)項(xiàng)目，可以看出無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中的重要作用和意義。
2.4 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在醫(yī)療護(hù)理領(lǐng)域中的應(yīng)用
目前，隨著國(guó)家人口老齡化日趨明顯，在醫(yī)療護(hù)理方面的問(wèn)題也愈加增多起來(lái)，對(duì)于病患者的病情實(shí)時(shí)關(guān)注成為亟待解決的問(wèn)題。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在此方面發(fā)揮了重要作用，在患者身上可以安放各種傳感器，用以檢測(cè)采集各種生理信息，比如體溫、呼吸、血壓等生理數(shù)據(jù)，一方面可以隨時(shí)關(guān)注患者的病情發(fā)展情況，另一方面，可以將收集的生理數(shù)據(jù)作為研制新藥品的參考資料。另外，也可以在患者居住的環(huán)境里安放多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)，有效監(jiān)測(cè)病人的活動(dòng)狀況，進(jìn)行遠(yuǎn)程的 人體行為監(jiān)測(cè)?，F(xiàn)在，美國(guó)已經(jīng)開(kāi)展了一個(gè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)項(xiàng)目，可以實(shí)現(xiàn)家庭護(hù)理，方便老年人獨(dú)居時(shí)給予及時(shí)的幫助。
2.5 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在智能家居領(lǐng)域中的應(yīng)用
目前，智能家居是物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的一個(gè)重要方向。從一定意義上講智能家居就是高科技的家庭自動(dòng)化系統(tǒng)，融合了計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、自動(dòng)化控制系統(tǒng)、綜合布線技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)，自動(dòng)化控制、遠(yuǎn)程控制家庭中的各種產(chǎn)品設(shè)備，實(shí)現(xiàn)擬人化的要求，提升家居安全性、便捷性、舒適性，并實(shí)現(xiàn)環(huán)保節(jié)能。而自動(dòng)化、遠(yuǎn)程控制所需的各種信息，均是由無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行傳達(dá)的，比如環(huán)境檢測(cè)信息、安放系統(tǒng)的有效實(shí)施，都需要無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)提供 家庭煤氣含量、溫度、濕度等環(huán)境信息。所以，在智能家居系統(tǒng)中，每一個(gè)家居 設(shè)備或終端，都會(huì)設(shè)置對(duì)應(yīng)的傳感器節(jié)點(diǎn)，通過(guò)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間的自組織互連，實(shí)現(xiàn)家庭設(shè)備互連與信息控制，從而實(shí)現(xiàn)家居生活的智能化。
三、傳感器技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)中的意義
據(jù)分析機(jī)構(gòu)預(yù)測(cè)，未來(lái)物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展將經(jīng)歷四個(gè)階段，2010 年之前廣泛應(yīng)用于物流、零售和制藥領(lǐng)域，2010～2015 年物體互聯(lián)，2015～2020 年物體進(jìn)入半智能化，2020 年之后物件全智能化。經(jīng)初步估計(jì)，中國(guó)物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展和應(yīng)用將有可能創(chuàng)造 1000 億元左右的產(chǎn)值。而且，已有部分省市的關(guān)于十二 五期間物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展規(guī)劃，已加快形成物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)基本框架等一系列的“智慧”行動(dòng)，表明了大力發(fā)展物聯(lián)網(wǎng)的決心。而傳感器作為物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵物件之一，在物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展與應(yīng)用過(guò)程中，傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的提高與發(fā)展勢(shì)必會(huì)產(chǎn)生巨大的推動(dòng)作用。
物聯(lián)網(wǎng)包含感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層三個(gè)層面，葉云認(rèn)為，目前中國(guó)最缺乏的是感知層的產(chǎn)品和技術(shù)，是信息的抓取和聚合。在感知層中，由于傳感器技術(shù)的技術(shù)成熟度和成本問(wèn)題，阻礙了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)及物聯(lián)網(wǎng)的大規(guī)模發(fā)展及應(yīng)用。余建美指出，四個(gè)方面的因素將最終將決定物聯(lián)網(wǎng)的普及程度，一是無(wú)線傳感器的進(jìn)一步低功耗化，二是發(fā)展無(wú)線供電或采電技術(shù)，三是能源的超微型化，四就是無(wú)線傳感器自身的微型化。除此之外，傳感器的集成制造技術(shù)、信號(hào)檢測(cè)的智 能化發(fā)展，也是無(wú)線傳感器需要考慮改善的重要方面。因此，目前的傳感器技術(shù)的主要研究工作就要注重以上四個(gè)方面的因素，突破這些研究熱點(diǎn)，物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展水平勢(shì)必會(huì)突飛猛進(jìn)，應(yīng)用也將會(huì)廣泛普及，市場(chǎng)規(guī)模進(jìn)一步擴(kuò)大，物聯(lián)網(wǎng)就可以真正實(shí)現(xiàn)物物相聯(lián)，成為會(huì)“說(shuō)話”、會(huì)“思考”、會(huì)“行動(dòng)”的物物信息 交流網(wǎng)絡(luò)。
四、目前研究重點(diǎn)及研究現(xiàn)狀
在物聯(lián)網(wǎng)傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的這三大部分中， 目前的發(fā)展主要集中在幾個(gè) 方面，在協(xié)議通信層主要研究重點(diǎn)是數(shù)據(jù)鏈路層 MAC 協(xié)議及網(wǎng)絡(luò)層路由協(xié)議的 研究；在網(wǎng)絡(luò)管理技術(shù)層，主要研究方向是收集數(shù)據(jù)的管理、節(jié)能問(wèn)題的解決以 及網(wǎng)絡(luò)通信安全的實(shí)現(xiàn)； 在網(wǎng)絡(luò)支撐技術(shù)層， 主要研究點(diǎn)是節(jié)點(diǎn)定位問(wèn)題的解決、 時(shí)間同步技術(shù)的實(shí)現(xiàn)以及用戶應(yīng)用接口的實(shí)現(xiàn)，這其中，協(xié)議的研究與節(jié)能的實(shí) 現(xiàn)又是相輔相成的。
4.1 數(shù)據(jù)處理問(wèn)題的解決
基于傳感器網(wǎng)絡(luò)的任何應(yīng)用系統(tǒng)都離不開(kāi)感知數(shù)據(jù)的管理和處理技術(shù)。 不言 而喻， 感知網(wǎng)數(shù)據(jù)管理和處理技術(shù)是確定感知網(wǎng)可用性和有效性的關(guān)鍵技術(shù)。對(duì) 于觀察者來(lái)說(shuō)，傳感器網(wǎng)絡(luò)的核心是感知數(shù)據(jù)，而不是網(wǎng)絡(luò)硬件。觀察者感興趣 的是傳感器產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，而不是傳感器本身。觀察者不會(huì)提出這樣的查詢：“從 A 節(jié)點(diǎn)到 B 節(jié)點(diǎn)的連接是如何實(shí)現(xiàn)的?”，他們經(jīng)常會(huì)提出如下的查詢：“網(wǎng)絡(luò) 覆蓋區(qū)域中哪些地區(qū)出現(xiàn)毒氣?”。在傳感器網(wǎng)絡(luò)中，傳感器節(jié)點(diǎn)不需要地址之 類(lèi)的標(biāo)識(shí)。觀察者不會(huì)提出查詢：“地址為 27 的傳感器的溫度是多少?”，他們 感興趣的查詢是，“某個(gè)地理位置的溫度是多少?”。綜上所述，傳感器網(wǎng)絡(luò)是 一種以數(shù)據(jù)為中心的網(wǎng)絡(luò)。 顯然，感知數(shù)據(jù)管理和處理技術(shù)的研究是一項(xiàng)實(shí)現(xiàn)高 效率傳感器網(wǎng)絡(luò)的重要和關(guān)鍵的任務(wù)。遺憾的是，到目前為止，感知數(shù)據(jù)管理和
處理技術(shù)的研究還不多， 還有大量的問(wèn)題需要解決。感知數(shù)據(jù)管理與處理技術(shù)的 研究是數(shù)據(jù)庫(kù)界面臨的新任務(wù)和新挑戰(zhàn)，也為數(shù)據(jù)庫(kù)界提供了新機(jī)遇。
4.2 節(jié)能問(wèn)題的實(shí)現(xiàn)
能量是節(jié)點(diǎn)工作的基礎(chǔ)， 節(jié)能問(wèn)題，幾乎貫穿無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的各個(gè)方 面。協(xié)議的建立需要考慮節(jié)能問(wèn)題，以上面的 MAC 協(xié)議的研究和路由協(xié)議的實(shí) 現(xiàn)都可以看出； 網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)處理需要考慮節(jié)能問(wèn)題， 沒(méi)有能量， 數(shù)據(jù)無(wú)法處理； 節(jié)點(diǎn)定位、時(shí)間同步都需要考慮節(jié)能問(wèn)題，節(jié)能問(wèn)題的解決，跟隨在每個(gè)環(huán)節(jié)的 實(shí)現(xiàn)上。當(dāng)然，純粹的節(jié)能方式也有很多，比如讓節(jié)點(diǎn)定期“休眠”等。但是， 大部分的節(jié)能還是包含在了具體實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)當(dāng)中，如文獻(xiàn) [1] 采用一種帶有能量控 制的有效路由方式， 通過(guò)調(diào)整每個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)的數(shù)據(jù)傳輸范圍進(jìn)而調(diào)整消耗 的能量，以節(jié)省資源，從而延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)壽命。
4.3 網(wǎng)絡(luò)安全問(wèn)題
傳感器網(wǎng)絡(luò)多用于軍事、商業(yè)領(lǐng)域，安全性是其重要的研究?jī)?nèi)容。由于傳感 器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)隨機(jī)部署、 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞膭?dòng)態(tài)性以及信道的不穩(wěn)定性，使傳統(tǒng)的安全 機(jī)制無(wú)法適用。因此需要設(shè)計(jì)新型的網(wǎng)絡(luò)安全機(jī)制。可借鑒擴(kuò)頻通信、接入認(rèn)證 ／鑒權(quán)、數(shù)據(jù)水印、數(shù)據(jù)加密等技術(shù)。目前，保證網(wǎng)絡(luò)安全性的方法也不少。 其中一種是借助特殊的無(wú)線傳感器終端。如文獻(xiàn) [2] 中，采用 PTD
（Personal Trust Device）作為傳感器網(wǎng)絡(luò)的終端，由于價(jià)格高及有特殊環(huán)境要求等因素， 不能為每個(gè)節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中設(shè)立認(rèn)證服務(wù)器來(lái)提供傳感器需要的服務(wù)，而在 PTD 和服務(wù)器之間建立認(rèn)證和加密體系，只有在服務(wù)器注冊(cè)過(guò)的 PTD 終端才 能獲得服務(wù)，未注冊(cè)的則不能，從而保證系統(tǒng)安全。通常，這種系統(tǒng)用在家庭環(huán) 境中。
一種是采用安全罩（Secure Oveday）。 例如文獻(xiàn) [3] 中， 采用一種稱(chēng)為 SCANv2(Secure Conten AddressableNetwork Version2) 安全內(nèi)容網(wǎng)絡(luò)尋址的安全罩，來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的安全。SCANv2 其實(shí)是在蓋在實(shí)際網(wǎng)絡(luò)層上的一個(gè)虛擬結(jié)構(gòu)，通過(guò)采用 Hash 函數(shù)，把實(shí)際網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)映射到這個(gè)罩空間上，某一區(qū)域或某 種功能的節(jié)點(diǎn)在罩空間的某一個(gè)共同的特定位置。用戶在從網(wǎng)絡(luò)中獲取服務(wù)時(shí)， 需要通過(guò)相應(yīng)的安全認(rèn)證進(jìn)入罩空間，再進(jìn)一步通過(guò)加密解密過(guò)程從這個(gè)映射空間進(jìn)入實(shí)際網(wǎng)絡(luò)中獲得所需服務(wù)。
此外， 網(wǎng)絡(luò)安全中的加密后密鑰管理也是個(gè)問(wèn)題。復(fù)雜的非對(duì)稱(chēng)加密方式不 適合完全應(yīng)用于能量有限的傳感器網(wǎng)絡(luò)， 而相對(duì)簡(jiǎn)單的對(duì)稱(chēng)加密方式又使得網(wǎng)絡(luò) 容易受到攻擊。在文獻(xiàn) [4] 中，提到了一種新的加密方式，綜合采用了對(duì)稱(chēng)和非 對(duì)稱(chēng)的兩種加密方式中的某些特點(diǎn)。 在假定基站能量不受限制及節(jié)點(diǎn)不移動(dòng)的前 提下，基站首先發(fā)出特定信息，建立網(wǎng)絡(luò)的分層拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。外圍分布的節(jié)點(diǎn)又有 子節(jié)點(diǎn)和父節(jié)點(diǎn)之分， 父節(jié)點(diǎn)保有子節(jié)點(diǎn)的密鑰，確保子節(jié)點(diǎn)發(fā)送上來(lái)的信息是有效地子節(jié)點(diǎn)發(fā)送上來(lái)的；同時(shí)，子節(jié)點(diǎn)又保有父節(jié)點(diǎn)的密鑰，以便對(duì)發(fā)出的數(shù) 據(jù)進(jìn)行跟蹤?；緭碛兴忻荑€且擁有唯一的初始入網(wǎng)認(rèn)證密鑰。
4.4 網(wǎng)絡(luò)支撐層的研究
4.4.1 節(jié)點(diǎn)定位問(wèn)題
與一般的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)相比， WSN 在計(jì)算機(jī)軟硬件所組成計(jì)算世界與實(shí)際物 理世界之間建立了更為緊密的聯(lián)系，只有結(jié)合位置信息，傳感器獲取的數(shù)據(jù)才有 實(shí)際意義。 許多 WSN 的研究成果都表明了節(jié)點(diǎn)位置信息的重要性， 如在網(wǎng)絡(luò)層，因?yàn)?WSN 節(jié)點(diǎn)無(wú)全局標(biāo)識(shí)，可以設(shè)計(jì)基于節(jié)點(diǎn)位置信息的路由算法；在應(yīng)用層，根據(jù)節(jié)點(diǎn)位置，WSN 系統(tǒng)可以智能地選擇一些特定的節(jié)點(diǎn)來(lái)完成任務(wù)，從而大大降低整個(gè)系統(tǒng)的能耗，提高系統(tǒng)的存活時(shí)間。許多對(duì)目標(biāo)追蹤問(wèn)題的研究更是將節(jié)點(diǎn)位置已知作為一個(gè)前提條件。節(jié)點(diǎn)定位是 WSN 系統(tǒng)布設(shè)完成后面臨的首要問(wèn)題，它可表述為：依靠有限的位置已知節(jié)點(diǎn)，確定布設(shè)區(qū)中其它節(jié)點(diǎn)的位置，傳感器節(jié)點(diǎn)間建立起一定的空間關(guān)系。當(dāng)前對(duì)節(jié)點(diǎn)定位問(wèn)題的研究一般都基于以下前提：(1)有一定比例的節(jié)點(diǎn)位置已知或具有 GPS 定位功能，這些節(jié)點(diǎn)的位置 可作為定位參考點(diǎn)；(2)節(jié)點(diǎn)可能具有測(cè)量與鄰節(jié)點(diǎn)距離的能力；(3)節(jié)點(diǎn)不具有 自主移動(dòng)能力。全球定位系統(tǒng) (GPS ) 已經(jīng)在許多領(lǐng)域得到了應(yīng)用，但由于價(jià)格高及有特殊環(huán)境要求等因素，不能為每個(gè)節(jié)點(diǎn)配備 GPS 接收裝置。目前無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)自身定位系統(tǒng)和算法的分類(lèi)如下：
(1)物理定位與符號(hào)定位。
(2)絕對(duì)定位與相對(duì)定位。
(3)緊密耦合與松散耦合。
(4)集中式計(jì)算與分布式計(jì)算。
(5)基于測(cè)距技術(shù)的定位和無(wú)須測(cè)距技術(shù)的定位。
(6)粗粒度與細(xì)粒度。
(7)三角測(cè)量、場(chǎng)景分析和接近度定位。
4.4.2 時(shí)間同步
傳統(tǒng)的分布式系統(tǒng)時(shí)間同步算法一般采用集中發(fā)布方式，即系統(tǒng)內(nèi)的時(shí)間服務(wù)器通過(guò)單播或廣播方式周期性地向客戶節(jié)點(diǎn)發(fā)布時(shí)間，如：NTP 。這種中心 發(fā)布方式不適合在具有能量受限、節(jié)點(diǎn)易損壞和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)變化等特點(diǎn)的 WSN 中使用。目前對(duì) WSN 時(shí)間同步的研究主要集中在兩個(gè)方面：一是盡量減少 同步算法對(duì)時(shí)間服務(wù)器及信道質(zhì)量的依賴， 縮短可能引起同步誤差的 “關(guān)鍵路徑” ； Elson WSN 二是從能耗的角度，研究節(jié)能、高效的同步算法。 等人分析了的工作 模式， 認(rèn)為傳感器節(jié)點(diǎn)在大部分時(shí)間內(nèi)處于自主工作狀態(tài)，只有在被監(jiān)測(cè)事件發(fā) 生后才需要協(xié)同通信?；谶@種工作模式， Elson 提出了一種“事后同步”方法
( post — factos)rllchronization) ，即在被監(jiān)測(cè)事件發(fā)生之前，不對(duì)各節(jié)點(diǎn)進(jìn)行同步。只有當(dāng)被監(jiān)測(cè)事件發(fā)生后，參與協(xié)同工作的節(jié)點(diǎn)間才開(kāi)始同步，共同推斷事 件發(fā)生時(shí)間。仿真表明，該方法有較好的節(jié)能特性，但實(shí)時(shí)性較差。 Hill 等人分析了同步過(guò)程中由節(jié)點(diǎn)本地硬件處理引起的同步誤差， 提出了從硬件設(shè)計(jì)的角度 提高時(shí)間同步精度的方法。為了準(zhǔn)確記錄物理層數(shù)據(jù)包到達(dá)時(shí)間，文中設(shè)計(jì)了專(zhuān)用硬件“同步加速器”，消除了由于對(duì)同步報(bào)文的本地處理所引發(fā)的不確定性，提高了時(shí)間同步的精度。綜合 WSN 現(xiàn)有的時(shí)間同步方法在同步精度、同步有效時(shí)間、同步有效范圍、能量消耗等方面的特點(diǎn)， Elson 提出了針對(duì) WSN 時(shí)間同步方法設(shè)計(jì)的五點(diǎn)建議：
·結(jié)合使用多種、可調(diào)的同步方式
·盡量不維護(hù)全局時(shí)間信息
·使用事后同步節(jié)能方式
·能夠動(dòng)態(tài)適應(yīng)不同的應(yīng)用需求
·充分利用底層通信服務(wù)。
參考文獻(xiàn)
1.阮殿旭.唐大放.張曉光.劉旭東 Zigbee 技術(shù)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在煤礦井下環(huán)境監(jiān)測(cè) 中的應(yīng)用研究[期刊論文]-煤礦機(jī)械 2008(6)
2.李漢玲 WSN 24_Link 系列無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)及應(yīng)用[期刊論文]-機(jī)械工程與自動(dòng) 化 2008(2)
3.李漢玲 WSN 24_Link 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)中的應(yīng)用[期刊論文]-電 腦開(kāi)發(fā)與應(yīng)用 2008(1)
4.朱輪.劉欣基于 IAPIT 的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位算法研究[期刊論文]-科學(xué)技術(shù)與 工程 2012(32)
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