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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、具有無線通信與計算能力的微小傳感器節(jié)點通過自組織方式構(gòu)成的能根據(jù)環(huán)境自主完成指定任務的分布式智能化網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。傳感網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點間距離很短,一般采用多跳(multi-hop)的無線通信方式進行通信。傳感器網(wǎng)絡(luò)可以在獨立的環(huán)境下運行,也可以通過網(wǎng)關(guān)連接到Internet,使用戶可以遠程訪問。

傳感器網(wǎng)絡(luò)綜合了傳感器技術(shù)、嵌入式計算技術(shù)、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)及無線通信技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)等,能夠通過各類集成化的微型傳感器協(xié)作地實時監(jiān)測、感知和采集各種環(huán)境或監(jiān)測對象的信息,通過嵌入式系統(tǒng)對信息進行處理,并通過隨機自組織無線通信網(wǎng)絡(luò)以多跳中繼方式將所感知信息傳送到用戶終端。從而真正實現(xiàn)"無處不在的計算"理念。

傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的組成和功能包括如下四個基本單元: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、存儲器、嵌入式操作系統(tǒng)等)、通信單元(由無線通信模塊組成)、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)、運動系統(tǒng)以及發(fā)電裝置等。

在傳感器網(wǎng)絡(luò)中,節(jié)點通過各種方式大量部署在被感知對象內(nèi)部或者附近。這些節(jié)點通過自組織方式構(gòu)成無線網(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,可以實現(xiàn)對任意地點信息在任意時間的采集,處理和分析。一個典型的傳感器網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)包括分布式傳感器節(jié)點(群)、sink節(jié)點、互聯(lián)網(wǎng)和用戶界面等.

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

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

在計算機科學領(lǐng)域,傳感器網(wǎng)絡(luò)是一個研究熱點,每年都會召開很多的研討會和國際會議。

傳感器網(wǎng)絡(luò)主要包括三個方面:感應、通訊、計算(硬件、軟件、算法)。其中的關(guān)鍵技術(shù)主要有無線數(shù)據(jù)庫技術(shù),比如使用在無線傳感器網(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?在回答這個問題之前,我們先來看一下傳感器網(wǎng)絡(luò)中傳感節(jié)點的系統(tǒng)組成吧。如圖1所示,一般可以將傳感節(jié)點分解為傳感模塊、微處理器最小系統(tǒng)、無線通信模塊、電源模塊和增強功能模塊5個組成部分,其中增強功能模塊為可選配置。

圖1 傳感器網(wǎng)絡(luò)中傳感節(jié)點的系統(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)就可對應于智能傳感器,而無線通信模塊是為了實現(xiàn)無線通信功能而比傳統(tǒng)傳感器新增加的功能模塊。增強功能模塊是可選配置,例如時間同步系統(tǒng)、衛(wèi)星定位系統(tǒng)、用于移動的機械系統(tǒng)等。

從傳感節(jié)點的系統(tǒng)組成上看,傳感器網(wǎng)絡(luò)可以看作是多個增加了無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,都是用來感知監(jiān)測環(huán)境信息的,不過顯然傳感器網(wǎng)絡(luò)具備更高的可靠性。

傳感器網(wǎng)絡(luò)是怎樣發(fā)展起來的呢?

最早的傳感器網(wǎng)絡(luò)可以追溯到上世紀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給,美軍在這條小道上沿途投放了上萬個"熱帶樹"傳感器,這是一種振動和聲響傳感器,當北越車隊經(jīng)過時傳感器探測到振動和聲響即向指揮中心發(fā)送感知信號,美軍收到信號后即組織轟炸,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4萬多輛北越運輸卡車。

"熱帶樹"傳感器之間沒有通信能力,所以實際上還稱不上網(wǎng)絡(luò)的概念。20世紀80年代以來,美國軍方陸續(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線傳感器網(wǎng)絡(luò),這期間在硬件、軟件、標準化和產(chǎn)品化等方面取得了一系列的重大進展。

2000年,美國加州大學伯克利分校發(fā)布了傳感器節(jié)點專用操作系統(tǒng)TinyOS,后續(xù)又推出專用程序設(shè)計語言nesC。2001年,伯克利分校又推出Mica系列傳感器節(jié)點產(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泛的應用。

2001年,ZigBee聯(lián)盟成立,并對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信協(xié)議進行了全面的標準化,后續(xù)多家公司發(fā)布了多款符合ZigBee協(xié)議標準的芯片和產(chǎn)品。

傳感器網(wǎng)絡(luò)未來的發(fā)展趨勢又如何呢?

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

無線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)(WMSN, Wireless Multimedia Sensor Network)在傳感器節(jié)點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,能夠?qū)崿F(xiàn)對復雜多變環(huán)境的監(jiān)測。

無線傳感執(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(Actor),執(zhí)行節(jié)點根據(jù)收集到的監(jiān)測信息做出決策并執(zhí)行相關(guān)操作,從而在對環(huán)境監(jiān)測的基礎(chǔ)上進一步實現(xiàn)對環(huán)境的控制。

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

傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)通常包括傳感器節(jié)點(sensor)、匯聚節(jié)點(sink node)和管理節(jié)點。大量傳感器節(jié)點隨機部署在監(jiān)測區(qū)域(sensor field)內(nèi)部或附近,能夠通過自組織方式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)。傳感器節(jié)點監(jiān)測的數(shù)據(jù)沿著其他傳感器節(jié)點逐跳地進行傳輸,在傳輸過程中監(jiān)測數(shù)據(jù)可能被多個節(jié)點處理,經(jīng)過多跳后路由到匯聚節(jié)點,最后通過互聯(lián)網(wǎng)或衛(wèi)星到達管理節(jié)點。用戶通過管理節(jié)點對傳感器網(wǎng)絡(luò)進行配置和管理,發(fā)布監(jiān)測任務以及收集監(jiān)測數(shù)據(jù)。

通過感知識別技術(shù),讓物品"開口說話、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)的最獨特的部分。物聯(lián)網(wǎng)的"觸手"是位于感知識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展到RFID等其他數(shù)據(jù)采集技術(shù),從技術(shù)構(gòu)成和應用領(lǐng)域來看,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)。