无线传感器网络的研究现状及发展趋势.doc

2005 年 7 月系统仿真技术Jul., 2005第 1 卷 第 2 期System Simulation TechnologyVol. 1, No.2中图分类号：TN92文献标识码：A无线传感器网络的研究现状及发展趋势陈雄，杜以书，唐国新(复旦大学电子工程系智能控制研究室，上海，200433)摘 要：无线传感器网络将传感器技术、通信技术、计算机技术结合在一起，具有信息采集、传输、处理的 能力。传感器网络最初是由于军事的需要而发展起来的，随着传感器网络技术的逐步发展，它的应用也越来越广 泛，现在已从军事防御普及到社会的各个领域。本文以综述的方式介绍了无线传感器网络的发展历史、研究现状 以及未来的发展趋势，同时介绍了无线传感器网络的原理，给出了一些典型的应用。关键词：无线传感器网络；传感器节点；发展趋势The Situation and Future Development of Wireless Sensor NetworkCHEN Xiong，DU Yishu，TANG Guoxin(Institute of Intelligent Control, Fudan University, Shanghai, 200433)Abstract: Wireless sensor network combines sensor technology, communication technology and computer technology together. It has the ability of collecting, transferring and processing information. Sensor network technology was first used in military systems. But now, it has been used in almost all of the fields with the developing of sensor network technology. In this paper, we first describe the history of wireless sensor network, and then give a description of the situation of development. In the end, we give a forecast of the future development. We also introduce the principium of wireless sensor network, and give some typical applications.Keywords: wireless sensor network; sensor node; future development1引言现代信息技术的三大基础是传感器技术、通信 技术、计算机技术，它们分别完成对信息的采集、 传输和处理。传感器网络将三种技术结合在一起， 从而实现信息的采集、传输和处理的真正统一。传 感器网络被认为是 21 世纪最重要的技术之一1，它 将会对人类未来的生活方式产生深远影响。在 2003 年 2 月份美国技术评论（Technology Review）杂 志评出的对人类未来生活产生深远影响的十大新兴技术中，传感器网络名列第一。1998 年，美国在先进国防研究项目局(DARPA) 的一个研究项目中第一次提出无线自组织传感器 网络的概念2。近年来，随着无线通信、微处理器、 微机电系统（MEMS）等技术的发展，传感器网络 技术逐步走向成熟，其应用也越来越广。目前，国内也有许多关于传感器网络方面的研 究成果，但总体上来讲还只是处于起步阶段。传感 器网络技术的发展对整个国家的社会、经济具有重 大的战略意义。68系统仿真技术第 1 卷 第 2 期2无线传感器网络的基本原理2.1无线传感器网络的概念无线传感器网络是由散布在工作区域中大量 的体积小，成本低，具有无线通信、传感和数据处 理能力的传感器节点组成的。每个节点可能具有不 同的感知形态，例如声纳、震动波、红外线等，节 点却可以完成对目标信息的采集、传输、决策制定 与实施，实现区域监控、目标跟踪、定位和预测等 任务。每一个节点都具有存储、处理、传输数据的 能力。通过无线网络，传感器节点之间可以相互交 换信息，也可以把信息传送到远程端。传感器网络是由大量节点组成的，为加强对这 些节点的控制，还可以设置一个基站，用来获取各 个传感器节点的位置信息、探测到的目标信息等。 传感器、感知对象和观察者是传感器网络的三 个基本要素；有线或无线网络是传感器之间、传感 器与观察者之间的通信方式，用于在传感器与观察 者之间建立通信路径；协作地感知、采集、处理、 发布感知信息是传感器网络的基本功能。一组功能 有限的传感器协作地完成大的感知任务是传感器 网络的重要特点。传感器网络中的部分或全部节点 可以移动。传感器网络的拓扑结构也会随节点的移 动而不断地动态变化。节点间以 Ad Hoc 方式进行 通信，每个节点都可以充当路由器的角色，并且每 个节点都具备动态搜索、定位和恢复连接的能力。 观察者是传感器网络的用户，是感知信息的接 受和应用者。观察者可以是人，也可以是计算机或 其他设备。一个传感器网络可以有多个观察者。一 个观察者也可以是多个传感器网络的用户。观察者 可以主动地查询或收集传感器网络的感知信息，也 可以被动地接收传感器网络发布的信息。观察者将 对感知信息进行观察、分析、挖掘、制定决策，或 对感知对象采取相应的行动。感知对象是观察者感 兴趣的监测目标，也是传感器网络的感知对象，如 坦克、军队、动物、有害气体等。感知对象一般通 过表示物理现象、化学现象或其他现象的数字量来表征，如温度、湿度等。一个传感器网络可以感知网络分布区域内的多个对象。一个对象也可以被多 个传感器网络所感知。2.2无线传感器网络节点的结构传感器网络节点一般由数据采集单元、数据处 理单元、数据传输单元组成3。如图 1 所示。图 1 传感器网络节点的结构数据采集单元包括传感器和 A/D 转换设备，负 责目标信息的采集。传感器根据不同的目标特定采 用不同的传感形态，如声纳、超声波、红外、温度、 烟雾等。数据处理单元一般由单片机或微处理器、嵌入 式操作系统、应用软件等组成，负责将采集到的目 标信息进行处理。它将节点的位置信息、采集到的 目标信息以及目标信息的空间时间变量综合分析， 然后将处理结果送到数据传输单元或存储在本地。 这里将使用一些算法实现对目标的识别、跟踪、定 位等。对于可以移动的节点，它还可以根据分析结 果对运动机构如机器人进行控制，使之朝着靠近目 标的方向前进。数据传输单元一般是由无线收发模块组成，负 责数据的接收和发送。它可以是节点之间的通信， 也可以是节点和基站之间的通信。3无线传感器网络的应用目前，传感器网络已经获得了广泛的应用，可 以说已经覆盖了社会的各个领域。本文选择其中几 个重要的领域简单介绍一下。陈雄，杜以书，唐国新：无线传感器网络的研究现状及发展趋势693.1军事防御z 军事传感器网络探测和获取敌军情报。由 于战场情况复杂，如果靠人去收集敌方情报是很危 险的，而通过将传感器网络放置在敌军阵地却可以 安全地获得精确的信息，同时也不容易被敌军察 觉。z 在士兵、装备及军火上加装传感器以供识 别，分清敌我，防止误打。z 监控战场上的状态。通过飞机空投等方式 将大量廉价微型的传感器节点散布在预定区域，通 过这些传感器节点实时监测周围环境的变化，并将 监测到的数据通过卫星信道等方式发回基地，这样 就可以实时地监控战场上的状态。z 跟踪射击对象的位置。通过传感器节点对 射击对象的跟踪、定位，实现精确制导。z 探测及判定化学、生物、放射、核子等物 质和攻击。利用传感器网络及时、准确地判断是否 有生化武器及核武器的攻击，确定生化源、爆炸中 心的位置，为军队提供反应时间，从而最大可能地 减小伤亡。3.2环境监测目前的环境状况逐渐恶化，已引起人们广泛的 关注。加强对环境的研究，防止进一步的恶化，具 有重大的意义。环境监测主要包括以下几个方面：z 监测平原、森林、海洋等的环境变化；z 提供遭受化学污染的位置并检定出化学污 染的种类，避免工作人员冒险进入受污染区域；z 灾害判定；z 监测空气污染、水污染及土壤污染；z 生态上的监控，例如生物栖息地与觅食习 惯。图 2 环境监测3.3医疗卫生z 佩戴在病人身上，对血压、心率等各项健 康指标进行实时监测；z 作为隔离病房的监控设备，减少医生护士 进病房的次数。3.4反恐抗灾美国 911 事件的发生，使反恐成为各国普遍关 注的问题。反恐问题主要是要及时的收集信息，加 强对周围环境的监测，能够及时有效地应对突发事 件，将传感器网络技术应用于反恐问题，可以有效 地放置恐怖袭击事件的发生。另外还有在工业制造、交通控制、空间探索、 能源、食品安全等领域中的应用，在此不一一赘述。4研究现状由于传感器网络的巨大应用价值,它已经引起 了世界许多国家的军事部门、工业界和学术界的极 大关注。美国国防部和各军事部门都对传感器网络 给予了高 度 重视，在 C4ISR 的基础上提出了 C4KISR 计划4，强调战场情报的感知能力、信息 的综合能力和信息的利用能力，把传感器网络作为 一个重要研究领域，设立了一系列的军事传感器网 络研究项目。美国英特尔公司、美国微软公司等信 息工业界巨头也开始了传感器网络方面的工作，纷 纷设立或启动相应的行动计划。日本、英国、意大 利、巴西等国家也对传感器网络表现出了极大的兴 趣，纷纷展开了该领域的研究工作。无线传感器网络是一个很复杂的系统，要全面 地研究这个系统是很困难的，人们往往选取其中的 几个特定方面进行专门的研究。下面将从以下几个 方面重点介绍一下目前的研究进展情况。4.1目标跟踪用传感器网络进行目标跟踪的研究始于 20 世 纪 80 年代末，美国等发达国家为了提高军事情报70系统仿真技术第 1 卷 第 2 期能力，改进战斗系统的生存力，开始着手于该应用课题的研究。 根据不同时期的典型代表，跟踪网络的研究可以分为以下几个主要阶段：集中式跟踪集中式跟踪诞生于 20 世纪 90 年 代，是最早的跟踪方法之一。该方法采用数据中心 的网状结构5，监控区域内的每个节点都处于活动 状态，以一定的采样频率更新读数，当读数符合某 一预设条件时，即认为该节点探测到跟踪目标，于 是向控制单元发送事件信息，并由数据处理器收集 数据，计算出物体的位置、速度等参数。该方法由 于信息过载问题突出，能量资源消耗严重，因此没 有得到很好的发展，进而被后来的方法取代。层次式跟踪在集中式跟踪的基础上，人们发 展了层次式跟踪。该方法采用树型结构连接各传感 器，根据传感器节点的能量级别、性能特点和位置 分布，对它们进行等级划分。根节点与用户端直接 相连，负责接收和回应用户的查询，叶节点负责运 动物体的监测和数据传送任务，其余节点充当中间 节点，用来收集和存放探测物体当前的位置信息。 层次式跟踪的提出有效地缓解了通信和能量的问 题，为后来的研究指引了道路。分布式跟踪6分布式跟踪的出现晚于层次式 跟踪，是目前研究最广，也是最成熟的一种跟踪方 法。传感器节点按地理位置被划分成许多单元，每 个单元有一个负责指挥其他节点和发送信息的管 理节点，当运动物体进入感知区域时，单元内所有 节点都会活跃起来探测信息，将数据汇总到管理节 点，再由管理节点将数据传送给处理器，进行位置 估算和轨迹预推。分布式跟踪方法的出现，解决了 小型跟踪网络的大部分难题，但是随着大规模传感 器网络需求的不断增加，该方法还是遇到了瓶颈。 动态访问式跟踪技术研究切忌固守陈规，跟 踪网络也是这样。既然网络布局、能量效率问题成 为大规模网络中最大的困扰，那么有研究者就索性把“网络”去掉，利用节点的移动实现网络的功能， 于是提出了动态访问这一划时代的新概念。动态访 问式传感器网络由两部分组成：传感器负责探测和基本的通信；动态访问端（如：无人驾驶的飞行器）在传感区域四处活动，并向传感器收集信息。 此外，有限区域内的多目标跟踪也是一个值得关注的课题。判断一个跟踪网络好坏的两项基本标 准是跟踪质量和能量消耗。要得到精确的跟踪结果 往往需要消耗大量资源，而一味地减小能耗又会影 响跟踪质量，如何在这一对矛盾之间找到权衡的办 法成为了传感器网络目标跟踪研究的一个重点。4.2扩散控制7关于扩散控制的研究主要为了解决以下三个 方面的应用的问题：（1）多辐射源引起的辐射区域 的安全边界的界定。（2）受到有毒扩散源污染的水 域的无毒区域表面边界的界定和区域控制。（3）对 受到生化污染的空气的无毒区域三维边界的界定 和区域控制。传感器节点在空中、陆地或水中可以自由移 动，而且装载有化学中和剂，从而使得受到污染的 区域得到自主的控制。要研究扩散过程，首先要对反应扩散过程进行 建模，一般用一种偏微分方程描述。然后设定每一 个传感器节点空间坐标位置。每一个传感器都进行 采样，求得采样值在时间和空间上的分布状况。最 后根据所有的采样值对扩散进行预测，同时控制传 感器节点的运动对扩散过程进行控制。系统框架图 如图 3 所示。4.3目标定位传感器网络中的一项重要应用技术即是对于 目标的定位。目标定位可以通过 GPS 系统进行全局 定位，也可以自身定位。本文主要介绍自身定位。 从 1992 年 AT&T Laboratories Cambridge 开发 出室内定位系统 Active Badge 至今，研究者们一直 致力于这一领域的研究。事实上，已有许多系统和 算法8能够解决传感器网络自身定位问题。但是， 每种系统和算法都用来解决不同的问题或支持不同的应用，它们在用于定位的物理现象、网络组成、 能量需求、基础设施和时空的复杂性等许多方面有陈雄，杜以书，唐国新：无线传感器网络的研究现状及发展趋势71所不同。到目前为止，传感器网络自身定位系统和算法 的研究大致经过了两个阶段。第一阶段主要偏重于 紧密耦合型和基于基础设施的定位系统，代表性的 研究成果包括 RADAR，Active Bat，Active Badge， Radio Camera，Active Office，Easy Living，SpotON， HiBall Tracke，Parc TAB，Smart Floor，Smart Rooms，3D-iD，WhereNet 等。第二阶段是对于松散耦合型 和无须基础设施的定位技术的研究，目前已经成为 无线传感器网络领域一个不小的热点。目前主要 的 定位算法 主 要有： SPA （ self- positioning algorithm）相对定位算法、凸规划定位 算法、DV-Hop 定位算法、DV-distance 定位算法、 Euclidean 定位算法、DV-coordinate 定位算法、 DV-Bearing 和 DV-Radial 定位算法等。未来的热点研究方向可能有以下几个方面：（1） 定位算法性能评价的模型化和量化；（2）建立标准的仿真技术和仿真系统来模拟定位算法的实现；（3）由成千上万节点组成的大规模或超大规模网 络自身定位问题的低成本（时空、功耗、价格）9 和高精度的实现；（4）在移动网络环境下具有自调 整性的定位算法的实现。4.4其他问题对于静态传感器网络来说，通信可以使用有线 通路实现，有固定、可靠的电源。但是对于移动传 感器网络来说，我们需要高能效、简单、低价和可 靠的无线通信通道10。关于通信的实现将在另一篇 文章中专门介绍，本文不作重点。除了上面介绍的几点外，传感器网络还包括很 多其他方面的问题需要研究，比如传感器网络节点 的配置11、传感器结构、数据处理、路径规划12、 电源能量等等。图 3 系统框架图72系统仿真技术第 1 卷 第 2 期5作者的研究工作在作者构建的测试床中，使用 12 个节点和一 个基站组成一个静态的传感器网络。硬件方面，使 用 Crossbow 公司生产的带有 Atmega128L 微控制器 的 MICAz 控制板、MICA 传感器板，另外还有一个 MIB510 作为基站，如图 4 所示。MICAz 控制板上 集成有 Chipcon 公司的 CC2420 无线收发模块，工 作在 2.4GHz 频段。MICA 传感器板上面有温度、 声音、光线传感器。MIB510 可以通过 RS232 接口 直接和 PC 机相连，也可以将 MICAz 控制板与 MIB510 通过插口直接相连，通过 MIB510 将 PC 机 上的程序下载到节点上，或者将节点上的数据读取 到 PC 机上。节点之间可以相互通信，每一个节点 上的数据都可以通过基站传到 PC 机上显示出来。 节点之间的通信距离在 50 米左右。目前，作者已经进行了一些工作，提出了一些 新的路径规划和目标定位等算法。在以后的工作 中，作者将把节点装载在小车上，组建移动传感器 网络，并针对现在存在的问题，对传感器网络作进 一步的改进。图 4 节点及基站6未来的发展趋势总的来说，未来传感器网络的研究主要有以下 几个方向：（1）节点微型化 利用现在的微机电、微无线通信技术，设计微体积、长寿命的传感器节点是一个重要的研究方向。伯克利大学研制的尘埃传感器节点，把传感器的大小降低到一个立方毫米，使这些传感器 颗粒可以悬浮在空中。图 5伯克利大学传感器网络节点（2）寻求系统节能策略 无线传感器网络应用于特殊场合时，电源不可更换，因此功耗问题显得至关重要。现在国内外在 节点的低功耗问题上已经取得了很大的研究成果， 提出了一些低功耗的无线传感器网络协议，未来将 会取得更大的进步。（3）低成本 由于传感器网络的节点数量非常大，往往是成千上万个。要使传感器网络达到实用化，要求每个 节点的价格控制在 1 美元以下，而现在每个传感器 节点的造价大约在 80 美元左右。如果能够有效地 降低节点的成本，将会大大推动传感器网络的发 展。（4）传感器网络安全性问题和抗干扰问题13 与普通的网络一样，传感器网络同样也面临着 安全性的考验，即如何利用较少的能量和较小的计 算量来完成数据加密、身份认证等。在破坏或受干 扰的情况下可靠地完成执行的任务，也是一个重要的研究课题。（5）节点的自动配置 未来将着重于研究如何将大量的节点按照一定的规则组成一个网络。当其中某些节点出现错误 时，网络能够迅速找到这些节点，并且不影响到网 络的正常使用。配置冗余节点是必要的。7结语本文介绍了无线传感器网络的发展及研究状 况，并结合作者构建的测试床，给出了一个传感器陈雄，杜以书，唐国新：无线传感器网络的研究现状及发展趋势73网络的实例。无线传感器网络的发展将会有重大的战略意义。希望国内越来越多的人能加入到传感器 网络研究的行列。参考文献1N. Gross, 21 ideas for the 21st centuryJ. Business Week, Aug. 30, 1999, 78-167.2Chong Chee-Yee, Kumar Srikanta P. Sensor Networks: Evolution, Opportunities, and ChallengesJ. Proceedings of the IEEE, Vol. 91, No. 8, August 2003.3 孙雨耕, 张静, 孙永进, 房朝晖. 无线自组传感器网络J. 传感技术学报，2004，6(2): 331-335.4 李建中, 李金宝，石胜飞. 传感器网络及其数据管理的 概念、问 题 与进展 J. 软 件学报， 2003 ， 14(10):1717-1727.5Kalandros Michael, Pao Lucy Y. Controlling Target EstimateCovarianceinCentralizedMultisensor SystemsA. In: Proceedings of the American Control ConferenceC. Philadelphia, PA: Jun. 1998. 2749-2753.6Brooks Ruchard R, Ramanathan Parameswaran, Sayeed Akbar M. Distributed Target Classification and Tracking in Sensor NetworksJ. Proceedings of the IEEE, Aug.2003, 91(8): 1163-1171.7Chen Yang Quan, Moore Kevin L., Song Zhen. Diffusion boundary determination and zone control via mobile actuator-sensor networks (MAS-net): Challenges and opportunitiesA. In: Intelligent Computing: Theory and Applications II, part of SPIEs Defense and SecurityC. Orlando, FL: Apr. 2004.8Langendoen Koen, Reijers Niels. Distributed localization in wireless sensor networks: a quantitative comparisonJ. The Intl Journal of Computer and Telecommunications Networkings, 2003, 43(4): 499-518.9Wang Alice, Chandrakasan Anantha. Energy EfficientSystem Partitioning For Distributed Wireless SensorNetworksJ. Proc. IEEE ICASSP, May 2001, 2: 905-908. 10 Block F J, Baum C W. Energy-Efficient Self-Organizing CommunicationProtocolsforWirelessSensor NetworksA. In: Proceedings of the 2001 Military Communications ConferenceC, 28-31, Oct. 2001. 1:362-366.11 Barlow Gregory J, Henderson Thomas C, Nelson Andrew L, Edward Grant. Dynamic Leadership Protocol for S-netsA.In:ProceedingsoftheInternational Conference on Robotics & AutomationC. April 2004.12 Moore Kevin L, Chen Yang Quan, Song Zhen,. Diffusion based path planning in mobile actuator-sensor networks (MAS-net) some preliminary resultsA. In: Proceedings of SPIE Conference on Intelligent Computing: Theory and Applications II, part of SPIEs Defense and SecurityC. Orlando, FL, USA: April 2004, SPIE.13 肖健，吕爱琴，陈吉忠等. 无线传感器网络技术中的关键性问题J. 传感器世界，2004，10（7）.陈雄，博士，复旦大学电子工程系副教 授、智能控制研究室主任。主要研究方 向为智能控制理论、机器人路径规划、 无线传感器网络等。杜以书，复旦大学电子工程系硕士研究 生。主要研究方向为无线传感器网络、 嵌入式系统。