无线传感网络技术与应用项目化教程（一）

简介

无线传感网络（Wireless Sensor Networks，WSN）是当前在国际上备受关注的、涉及多学科高度交叉、知识高度集成的前沿热点研究领域。它综合了传感器、嵌入式计算、现代网络及无线通信和分布式信息处理等技术，能够通过各种集成化的微型传感器协同完成对各种环境或监测对象的信息的实时监测、感知和采集，通过无线方式发送这些信息，并以自组多跳的网络方式传送到用户终端，从而实现物理世界、计算世界以及人类社会的连通。

无线传感网络概述

无线传感网络是由大量体积小、成本低，具有无线通信、传感、数据处理能力的传感器节点组成的。传感器节点一般由传感器模块（由传感器和模-数转换功能模块组成）、处理器模块（由嵌入式系统构成，包括CPU、存储器、嵌入式操作系统等）、无线通信模块和能量供应模块四部分组成。传感器模块负责监测区域内信息的采集和数据转换；处理器模块负责控制整个传感器节点进行无线通信，交换控制信息和收发采集数据；能量供应模块为传感器节点提供运行所需的能量，通常采用微型电池。此外，可以选择的其他功能单元包括定位系统、移动系统以及电源自供电系统等。

在无线传感网络中，大量传感器节点布置在整个观测区域中，各传感器节点将所探测到的有用信息通过初步的数据处理和信息融合后传送给用户。数据传送的过程是通过相邻节点接力传送回基站，然后再通过基站以卫星通信或者有线网络连接的方式传送给最终用户。无线传感器网络与其他传统的网络相比，有如下一些独有的特点：

1. 大规模网络。 为了获取精确信息，在监测区域通常部署大量传感器节点，传感器节点数量可以达到成千上万，设置更多。传感器网络的大规模性主要是指传感器节点分布在很大的地理区域内且传感器节点部署很密集。
2. 自组织网络。 在传感器网络应用中，通常情况下传感器节点放置在没有基础结构的地方。传感器的位置不能预先精确设定，节点间的相互邻居关系预先也不知道，因此要求传感器节点具有自组织能力，能够自动进行配置和管理，通过拓扑控制机制和网络协议自动形成转发监测数据的多跳无线网络系统。
3. 动态性网络。 传感器网络的拓扑结构可能因为电能耗尽、环境条件变化等因素而改变。
4. 以数据为中心的网络。 用户使用传感器网络查询事件时，直接将所关心的事件“告知”网络，网络在获得指定事件的信息后汇报给用户。
5. **应用相关的网络。**不同的应用背景对传感器网络的要求不同，其硬件平台、软件系统和网络协议必然会有很大差异。在开发传感器网络应用中，更关心的是传感器网络的差异。

典型短距离无线通信网络技术

1. WiFi技术
   WiFi（Wireless Fidelity）是一种可以将个人计算机、手持设备（如掌上计算机、手机）等终端以无线方式互相连接的技术，它改善了基于IEEE 802.11标准的无线网络产品之间的互通性，因此很多人把使用IEEE 802.11系列的局域网称为“WiFi”。作为目前无线局域网（Wireless Local Area Networks，WLAN）的主要技术标准，WiFi的目的是提供无线局域网的接入，可实现几兆位每秒到几十兆位每秒的无线接入。IEEE 802.11流行的几个版本包括：802.11 a，在5.8 GHz频段最高速率为54 Mbit/s；802.11 b，在2.4 GHz频段速率为1~11 Mbit/s；802.11 g，在2.4 GHz频段与802.11 b兼容，最高速率亦可达到54 Mbit/s。WiFi规定了协议的物理层（Physical Layer，PHY）和媒体介质访问控制层（Medium Access Control Sub-layer，MAC），并依赖于TCP/IP作为网络层。由于其优异的带宽是以较高的功耗为代价的，因此大多数便携WiFi装置都需要较高的电能储备，这限制了它在工业场合的推广和应用。
2. 蓝牙技术
   蓝牙（Bluetooth）工作在2.4 GHz的频段，最早是爱立信公司在1994年开始研究的一种能使手机与其附件（如耳机）之间相互通信的无线模块，采用跳频技术（Frequency-Hopping Spread Spectrum，FHSS）扩频方式，蓝牙信道带宽1 MHz，异步非对称连接最高数据速率为723.2 Kbit/s；连接距离一般小于10 m。蓝牙被归入IEEE 802.15.1，规定了包括PHY、MAC、网络和应用等集成协议栈。对语音和特定网络提供支持，需要协议栈提供250 KB系统开销，从而增加了系统成本和集成复杂性。此外，由于蓝牙最多只能配置7个节点，从而制约了其在大型传感器网络中的应用。蓝牙一般应用于无线设备、图像处理设备、智能卡、身份识别等安全产品，以及娱乐消费、家用电器、医疗健身和建筑等领域。
3. NFC技术
   进场通信（Near Field Communication，NFC）是由飞利浦、诺基亚和索尼公司主推的一种类似于射频识别，一种非接触式的自动识别技术（RFID）的短距离无线通信标准。与RFID不同，NFC采用了双向的识别和连接技术，在20 cm内工作于13.56 MHz频率。NFC最初仅是遥控识别和网络技术的合并，但现在已发展成无线连接技术。通过NFC，可实现多个设备（计算机、手机、数字照相机等）之间的无线互联，可是它们彼此交换数据与服务。
4. ZigBee技术
   ZigBee 主要用于近距离无线连接，它有自己的无线电标准，由数千个微小的传感器之间相互协调实现通信。这些传感器只需要很少的能量，以接力的方式通过无线电波将数据从一个传感器传到另一个传感器，所以它们之间的通信效率非常高。这些数据最后可以进入计算机用于分析或被另一种无线技术收集。ZigBee 是一组基于IEEE 802.15.4 无线标准研制开发的有关组网、安全和应用软件方面的通信技术。ZigBee被业界认为是最有可能应用在工业监控、传感器网络、家庭监控、安全系统等领域的无线技术。

无线传感网络的应用

无线传感网络有着巨大的应用前景，已有和潜在的传感器应用领域包括军事侦察、环境监测、医疗和建筑物监测等。随着无线传感器技术、无线通信技术和计算机技术的不断发展和完善，各种无线传感器网络将遍布人们的生活环境。

1. 环境监测
   无线传感器网络在环境监测领域已经有很多的应用实例。例如，对海岛鸟类生活规律的观测；气象现象的观测和天气预报、生物群落的围观观测等；通过在水坝山区中关键地点合理布置一些水压，土壤湿度等传感器，可以在洪灾到来之前发布预警信息，从而及时排除险情或者减少损失。
2. 医疗应用
   无线传感器网络在医疗领域也有一些成功应用实例。例如，远程健康监测，即通过让老年人佩戴一些血压、脉搏、体温等微型无线传感器，并通过住宅内的传感器网关，医生可以在医院远程理解这些老年人的健康状况；通过在人体器官内植入一些微型传感器，随时观测器官的生理状态，可以检测器官的功能恶化情况，以便及时采取治疗措施。
3. 军事应用
   无线传感器网络的研究源于军事，因此它在军事领域的应用非常广泛。例如，侦察敌情、监控兵力、装备和物资，判断生物化学攻击，友军兵力、装备及弹药调配情况的监测，战区监控，敌军军力的侦察，目标追踪，战争损伤评估，核、生物和化学攻击的探测与侦察等。