要做到目視千里，耳聽八方是人類長久的夢想，現(xiàn)代衛(wèi)星技術(shù)的出現(xiàn)雖然使人們離這目標(biāo)又進(jìn)了一步，但衛(wèi)星高高在上，洞察全局在行，明察細(xì)微就不管用 了。這個(gè)時(shí)候，本文的主角—無線傳感器網(wǎng)絡(luò)就排上用場了。將大量的傳感器節(jié)點(diǎn)遍撒指定區(qū)域，數(shù)據(jù)通過無線電波傳回監(jiān)控中心，監(jiān)控區(qū)域內(nèi)的所有信息就會(huì)盡收觀察者的眼中了。

軍用轉(zhuǎn)民用的典范

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)想最初是由美國軍方提出的，美國國防部高級(jí)研究所計(jì)劃署(DARPA)于1978年開始資助卡耐基-梅隆大學(xué)進(jìn)行分布式傳感器網(wǎng) 絡(luò)的研究，這被看成是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的雛形。從那以后，類似的項(xiàng)目在全美高校間廣泛展開，著名的有UC Berkeley的Smart DuST項(xiàng)目，UCLA的WINS項(xiàng)目，以及多所機(jī)構(gòu)聯(lián)合攻關(guān)的SensIT計(jì)劃，等等。在這些項(xiàng)目取得進(jìn)展的同時(shí)，其應(yīng)用也從軍用轉(zhuǎn)向民用。在森林火 災(zāi)、洪水監(jiān)測之類的環(huán)境應(yīng)用中，在人體生理數(shù)據(jù)監(jiān)測、藥品管理之類的醫(yī)療應(yīng)用中，在家庭環(huán)境的智能化應(yīng)用以及商務(wù)應(yīng)用中都已出現(xiàn)了它的身影。目下，無線傳 感器網(wǎng)絡(luò)的商業(yè)化應(yīng)用也已逐步興起。美國Crossbow公司就利用SMArt Dust項(xiàng)目的成果開發(fā)出了名 為Mote的智能傳感器節(jié)點(diǎn)，還有用于研究機(jī)構(gòu)二次開發(fā)的MoteWorkTM開發(fā)平臺(tái)。這些產(chǎn)品都很受使用者的歡迎。

組成和特點(diǎn)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以看成是由數(shù)據(jù)獲取網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)分布網(wǎng)絡(luò)和控制管理中心三部分組成的。其主要組成部分是集成有傳感器、數(shù)據(jù)處理單元和通信模塊的節(jié)點(diǎn)，各節(jié)點(diǎn)通過協(xié)議自組成一個(gè)分布式網(wǎng)絡(luò)，再將采集來的數(shù)據(jù)通過優(yōu)化后經(jīng)無線電波傳輸給信息處理中心。

因?yàn)楣?jié)點(diǎn)的數(shù)量巨大，而且還處在隨時(shí)變化的環(huán)境中，這就使它有著不同于普通傳感器網(wǎng)絡(luò)的獨(dú)特“個(gè)性”。首先是無中心和自組網(wǎng)特性。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò) 中，所有節(jié)點(diǎn)的地位都是平等的，沒有預(yù)先指定的中心，各節(jié)點(diǎn)通過分布式算法來相互協(xié)調(diào)，在無人值守的情況下，節(jié)點(diǎn)就能自動(dòng)組織起一個(gè)測量網(wǎng)絡(luò)。而正因?yàn)闆] 有中心，網(wǎng)絡(luò)便不會(huì)因?yàn)閱蝹€(gè)節(jié)點(diǎn)的脫離而受到損害。

其次是網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞膭?dòng)態(tài)變化性。網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)是處于不斷變化的環(huán)境中，它的狀態(tài)也在相應(yīng)地發(fā)生變化，加之無線通信信道的不穩(wěn)定性，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湟虼艘苍诓粩嗟卣{(diào)整變化，而這種變化方式是無人能準(zhǔn)確預(yù)測出來的。

第三是傳輸能力的有限性。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通過無線電波進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，雖然省去了布線的煩惱，但是相對于有線網(wǎng)絡(luò)，低帶寬則成為它的天生缺陷。同時(shí)，信號(hào)之間還存在相互干擾，信號(hào)自身也在不斷地衰減，諸如此類。不過因?yàn)閱蝹€(gè)節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量并不算大，這個(gè)缺點(diǎn)還是能忍受的。

第四是能量的限制。為了測量真實(shí)世界的具體值，各個(gè)節(jié)點(diǎn)會(huì)密集地分布于待測區(qū)域內(nèi)，人工補(bǔ)充能量的方法已經(jīng)不再適用。每個(gè)節(jié)點(diǎn)都要儲(chǔ)備可供長期使用的能量，或者自己從外汲取能量(太陽能)。

第五是安全性的問題。無線信道、有限的能量，分布式控制都使得無線傳感器網(wǎng)絡(luò)更容易受到攻擊。被動(dòng)竊聽、主動(dòng)入侵、拒絕服務(wù)則是這些攻擊的常見方式。因此，安全性在網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)中至關(guān)重要。

下面，我們將會(huì)從幾個(gè)方面來具體地介紹無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。

● 物理層技術(shù)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)開放系統(tǒng)互聯(lián)，按照國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)的規(guī)定，為數(shù)據(jù)流傳輸所需的物理連接的建立、維護(hù)和釋放提供的機(jī)械的、電氣的、功 能和規(guī)程性的模塊就叫做物理層。從這個(gè)定義可以看出，物理層需要承擔(dān)為數(shù)據(jù)終端提供數(shù)據(jù)傳輸通路、傳輸數(shù)據(jù)和完成管理工作的職責(zé)。具體到無線傳感器網(wǎng)絡(luò)就 是介質(zhì)的選擇、頻段的選擇、調(diào)制技術(shù)以及擴(kuò)頻技術(shù)。因?yàn)槭菬o線網(wǎng)絡(luò)，傳輸介質(zhì)自然要選電磁波了。不過，源信號(hào)要依靠電磁波傳輸必需要通過調(diào)制技術(shù)變成高頻 信號(hào)，當(dāng)?shù)诌_(dá)接受端時(shí)，又通過解調(diào)技術(shù)還原成原始信號(hào)。目前采用的調(diào)制方法分為模擬調(diào)制和數(shù)字調(diào)制兩種。它們的區(qū)別就在于調(diào)制信號(hào)所用的基帶信號(hào)的模式不 同而已(一為數(shù)字，一為模擬)。

信號(hào)僅經(jīng)過調(diào)制是不行的，還需要進(jìn)行擴(kuò)頻。擴(kuò)頻，顧名思義，就是將待傳輸數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜擴(kuò)展的技術(shù)。它的好處是：增強(qiáng)了抗干擾能力，可進(jìn)行多地址通信，保密性提高。常見的擴(kuò)頻技術(shù)包括直接序列擴(kuò)頻、跳頻、跳時(shí)以及線性調(diào)頻。

在物理層面上，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)遵從的主要是IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)。依照此標(biāo)準(zhǔn)，物理層主要進(jìn)行如下工作：激活和去活無線收發(fā)器，檢測當(dāng)前信道的能量，發(fā)送指示，信道頻率的選擇，數(shù)據(jù)發(fā)送與接收。

IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)規(guī)劃了幾個(gè)工作頻段。其中，2.4GHz頻段的物理層可提供250Kb/s的數(shù)據(jù)傳輸率，適用于高吞吐量、低延時(shí)或低作業(yè)周期的場 合;工作在869/915MHz頻段的物理層則能提供20Kb/s的數(shù)據(jù)傳輸率，適用于低速率、高靈敏度和大覆蓋面積的場合。

依據(jù)IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)議被稱為Zigbe e，其傳輸帶寬雖然沒有Wi-Fi和Blue Tooth大，但是能耗較低，非常適合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。