无线传感器网络技术的研究与应用杨惠（甘肃联合大学电子信息工程学院摘甘肃兰州，７３ＯＯＯＯ）要：主要介绍了无线传感器网络研究中所涉及到的关键性问题，特别针对当前公交信息采集及传递过程中的问题进行了详细的探讨，介绍了一种基于测距无线传感器网络的相应解决方案，具有较好的应用参考价值。Ａｂｓ们晚ｈｌｔｂｃ嗍甄ａｋｅｙ刚瑚ｌｏ科ａｂ０Ｉｎ‰ｓｅｎ鲥Ｎｄｗｏｆｋｓ州Ｓ№枷ｗ鹊衄础Ｉ融ＥｓｐｅｃｉａＩｂ‘ｊｎａｌ盯即ｔ砌ｌ锄ｉｎｐｕｂｔｉｃ昀ｎ哪＇０ｎａｄ伽ｃｏｎａ翮缸ｄ仃锄１ｓＩＩｌｉｔｏｄ关键词：无线传感器网络；关键技术；应用；Ｚｉｇｂｅｅｔｈｅｐ１．ｏｃｅ鹞ｗｉｔｃｈｖｉ胛ｏｆ曲ｉｎＲ哪ｍｔｉｏｎｏｆｏｆｗａｓｄｉｓｃｕｓｓｅ正ｃ‘）ｒ陀酥１０ｎｍｎｇ∞Ⅲｏ璐ｂ嗣略ｅｄｏｎｄｉｓｔ；ｍ∞ｍ朗ｓＵ鹏ｍｅｍ１（ｅｙｊｎＷｉ他ｌｃ鼹ｓｃｎｓｏｒＮｅｔ、Ⅳｏｒｋｗ嬲ｉｎ讯）ｄｕ∞ｄ．ｎａ∞ｏｆｖ山ｅｔｏ既Ｉｇｉ嘶潮胁ｇ珥，ｐｌｉ蒯０ｎ．ｗｏｒｄｓ：Ｗｉ佗ｌｅ鼹∞ｎ∞ｒ枷由ⅣＩＤｒ｜ｂ；ｌ（ｅｙｔｅｃｈｌ０１０科：Ａｐｐｌｉ∞ｌｉｏｎ；ｚｉｇ＾）∞２．６中图分类号：ＴＰ２１文献标识码：Ｂ文章编号：１００卜９２２７（２０１０）０３—００８９—０３Ｏ引曹网络町以借鉴ＡｄＳｅｎｓｏｒＮｅｔｗｏｒｋ，简Ｈｏｃ（自组织网络）方式来配置，当然前无线传感器网络技术（ｗｉｒｅｌｅｓｓ称ＷＳＮ）被认为是２１世纪最重要的技术之一，美国《技术评论》杂志曾评出对世界产生深远影响的十大新兴技术，无线传感器网络被列为第一。无线传感器网络是一种由“侦提要有一套合适的通信协议来保证网络在无人干预的情况下自动运行。（４）网络的自动管理和高度协作性。在无线传感器网络中，数据处理由节点自身完成，这样做的目的是减少无线链路中传送的数据量，只有与其他节点相关的信息才测”功能发展出来的独立网络模式，它的摹本组成单位是无线传感器节点，这些节点集成了传感器、微处理器、无线接口和电源管理四个主要模块，它们共同组成了传感器网络，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖地理区域中感知对象的信息，并转发给观察者，依此做出适当的回应。作为一个全新的研究课题，它综合了传感器技术、嵌入式技术、分布式信息处理技术和通信技术，在军事、工业、医疗、交通和民用等诸多方面有着巨大的应用价值，目前已成为科学领域一个活跃的研究分支，是信息感知和采集的一场革命。１能在链路中传送。以数据为中心的特性是无线传感器网络的又一个特点，由于节点不是预先计划的，而且节点位置也不是预先确定的，这样就有一些节点由于发生较多错误或者不能执行指定任务而被中Ｉ｝：运行。为了在网络中监视目标对象，配置冗余节点是必要的，节点之间可以通信和协作，共享数据，这样可以保证获得被监视对象比较全面的数据。３无线传感器网络的研究热点３．１能量控制传感器的电源能量极其有限，网络中传感器的节点由于电源能量问题经常失效或废弃。在传感器网络应用中，数据传送是网络中能量消耗最大的部分，为节省能无线传感器网络的特点无线传感器嘲络有４大特点。（１）无线传感器网络包括了大面积的窄间分布。比如在军事应用方面，可以将无线传感器网络部署在战场上跟踪敌人的军事行动：智能化的终端可以大量地装在宣传源，可以设计网络进行短距离数据传送，并降低发送功率，收发器设置休眠，唤醒状态来节约能源。３．２容错机制传感器网络的特点要求其必须具有很强的容错性能。针对不同的应用，采用不同的容错机制。如何在传感器发生故障时，整个网络仍能进行正常的感测：Ｔ＝作，并将正确的资料送回基地台，是容错机制的主要研究目标。３．３路由选择无线传感器网络路由设计的基本特点可以概括为：能量低、规模大、移动性弱、拓扑易变化、使用数据融合技术和通信的不对称。因此，无线传感器网络路由面临的问题和挑战有以下几个方面：（１）传感器网络的低能量特点使节能成为路由协议最重要的优化目标。品、子弹和炮弹壳中，在目标地点撒落下去，形成大面积的监视网络。（２）能源受限制。网络中每个节点的电源是有限的，网络大多上作在无人区域或者对人体有伤害的恶劣环境中，更换电源几乎是不可能的事，这势必要求网络功耗要小，以延长网络的寿命，而且要尽最大可能地节省电源消耗。（３）网络自动配置，自动识别节点。这包括自动组网、对入网的终端进行身份验证、防止非法用户入侵。相对于那些布置在预先指定地点的传感器网络而言，无线传感器收稿日期：２０１０—０２—２５作者简介：杨惠（１９８３一），女，甘肃兰州人，在读研究生，助教，主要研究方向为污水处理过程的建模．智能控制与优化．万方数据８９（２）传感器网络的规模大，要求其路由协议必须具有更高的可扩展性。（３）传感器网络拓扑变化性强，通常的Ｉｎｔｅｒｎｅｔ路由协议不能适应这种快速的拓扑变化。这种变化不像ＭＡＮＥＴ网络那样是由节点的移动造成的，因此，为ＭＡＮＥＴ设计的路由协议也不适合传感器嘲络。（４）数据融合技术是传感器网络的‘大特点，这使得传感器网络的路由不同于一般网络。（５）传感器网络中通信不对称，流量分布不均匀，其表现在：源节点数目众多而目的节点单’；传输方向不对称，以节点为目的的数据流远远超过以它为源头的控制流。传感器节点可以随机或者特定地分布在目标环境当中，节点之问通过特定的协议自组织起来，以获取岗罔环境的信息并日．相互协同工作完成特定任务。现有的无线ＡｄＨｏｃ网络架构是最为接近传感器网络的结构，但现有的无线ＡｄＨｏｃ网络路由协议及算法大多无法直接应用在传感器网络上。目前已经提出的适合传感器网络本身特点的路由协议方案有摹十信息协商的路由算法（ＳＰＩＮ）、低功耗自适应聚类路由算法（ＬＥＡＣＨ）和定向扩散（ＤＤ’）等。３．４数据采集与处理传感器网络与传统网络有着明鼹不同的技术要求。前者以数据为中心，后者以传输数据为目的。以数据为中心的传感器网络的基本思想是把传感器当作感知数据流或感知数据源，把传感器网络当作数据空间或感知数据库，把数据采集和处理作为网络的应用目标。３．５网络安全协议问题传感器网络受到的安全威胁与移动网络所受到的安全威胁不同，所以现有的网络安全机制不适合此领域，需要开发针对无线传感器网络的专门协议。。种思想是从维护路由安全的角度出发，寻找尽可能安全的路由以保征网络的安全。另一种思想是把重点放在安全协议方面，在此领域也出现了大量的研究成果。典型的安全问题可以总结为：信息被非法用户截获；一个节点遭破坏；识别伪节点以及如何向已有传感器网络添加合法的节点。目前有两种专用安全协谚巳ＳＮＥＰ（ＳｅｎｓｏｒＮｅｔｗｏｒｋＥｎｃｒｙｐｔｉｏｎＰｒｏｔｏｃ０１）和ＵＴＥＳＬＡ。ＳＮＥＰ的功能是提供点到接受机之间数据的鉴权、加密、刷新。４无线传感器网络在公交信息采集中的应用随着我国经济的不断发展，城市交通的压力越来越大，而作为城市交通的主体，公交客运系统的优化设计显得极为重要。大力发展智能公交系统，力争实现有效的车辆控制、管理决策和信息服务是解决交通压力的有效途径。由于车辆的众多信息与特定的时问和审问相结合才有实际意义，冈此在众多的状态信息中，车辆的位置信息尤为重要，需要优先考虑获取和搜集。４．１国内外公交系统中车辆位置信息获取的主要方法一是肇于射频识别（ＲＦＩＤ）的公交信息采集系统。该系统通过读取车辆上的电予标签获取公交位置信息，能够实现对公交车在某些节点位置信息的获取，但不能实现公９０万方数据无线传感器网络技术的研究与应用杨惠交的全程实时监控。二是娃于全球卫星定位系统（ＧＰＳ）的公交信息采集系统。该系统通过安装在公交车上的ＧＰＳ接收器，接受４颗以上ＧＰＳ卫星的信号进行车辆位置的准确定位。但由于现代化城市中高楼林立，天空视野相对狭小，因此，无法确保公交车获得稳定的■星定位信号。三是基于ＧＰＳ／陀螺（／地图）的车载导航系统。该系统利用车辆上的罩程仪结合外配的陀螺实现航位推算，并将利用间歇的ＧＰＳ信号与航位推算结果相融合，从而抑制航位推算系统的误差积累。由于该方法获取车辆信息的成本相对较高，因此一般配置在某些私人车辆或者特种车辆上，其应用的普遍性受到一定限制。上述三种系统大多需要采用全球移动通信系统（ＧＳＭ）网络进行车辆信息的传递和汇总，每年都需要向网络运营商支付高额的网络使用费，系统的总体开销均较大。通过构建基于无线传感器的大规模公交专用通信网络，可以实现低成本、迅捷的公交信息采集服务。４．２无线传感器网络通信标准及其定位方法的选择４．２．１应用于公交系统的无线传感器网络通信标准的选择公交信息采集系统有特殊的要求，比如适当的传输距离，有效的定位功能，廉价的系统运行维护费等，因此需要对无线传感器网络通信标准进行分析选择。２０００年ｌ２月ＩＥＥＥ成立了ＩＥＥＥ８０２．１５．４＿Ｊ：作组，致力于定义一种供廉价的同定、便携或移动设备使用的极低复杂度、低成本和低功耗的低速率无线连接技术，并在Ｚｉｇｂｅｅ联盟成立了以后共同定制了８０２．１５．４／Ｚｉｇｂｅｅ协议即完整的Ｚｉｇｂｅｅ协议套件。它包括了高层应用规范、应用会聚层、网络层、数据链路层和物理层，其中ＩＥＥＥ负责定制了物理层和ＭＡＣ层的协议，而从网络层到以上的协议则由Ｚｉｇｂｅｅ联盟来完成。Ｚｉｇｂｅｅ联盟成立于２００２年８月，由英国Ｉｎｖｅｎｓｙｓ公司、日本三菱电气公司、美国摩托罗拉公司以及荷兰飞利浦半导体公司组成，如今已经吸引了上百家芯片公司，无线设备公司和开发商加入，而其成立的初衷也就是为了给传感．器网络和控制系统推出一个标准的解决方案。该协议的突出特点是网络系统极低成本、极低功耗、易实现、可靠的数据传输、短距离操作、各层次的安全性等。该标准一出现就引起了业界的广泛重视，短短‘年多时间内便有百余家集成电路运营商宣布支持ＩＥＥＥ８０２．１５．４／Ｚｉｇｂｅｅ，并日．很快在全球自发成立了若干联盟，现在大多数传感器网络标准都是建立在该标准的牲础之上。表１Ｚｉｇｂｅｅ与其他无线标准对照囊市场名称ｚｉｇｂ∞ｗｉ‘ＦｉＢＩｕｅｔｏｏｔＩＩ型ｌ塑堡！！；：！ｉ：兰！丝：！！！！！：：！：：！应用焦点监控领域网络、电邮、视频取代电缆电池寿命（天）１００一ｌ０００Ｏ．５—５ｌ一７网络尺寸带宽（Ｋｂ／８）＞６５０００３２７传播距离（米）卜ｌＯｏｏｌ—１００ｌ—ｌＯ垡盛堕童丝：些堑：壁查鎏堡：墨适丝．望堑：立堡由表１中各种无线通信标准对比可知，Ｚｉｇｂｅｅ优点突出，巨大的网络规模和较远的传播距离满足了公交车通信和定位的需求，而且Ｚｉｇｂｅｅ丁作在＿１：业科学医疗（ＩＳＭ）波段，不存在网络使用费的问题，所以十分适用于公交信息《自动化与仪器仪表》２０１０年第３期（总第１４９期）采集系统。此外，Ｚｉｇｂｅｅ技术采用的防碰掩技术（ＣＳＭＡ／ＣＡ）和直序扩频技术（ＤＳＳＳ）有效保证了网络中信息传递的可靠性；Ｚｉｇｂｅｅ网络具有的自组织和开放的特点，也十分符英国Ｊｅｎｎｉｃ公司最新推出的新代Ｚｉｇｂｅｅ芯片ＪＮ５１４８中得以实现，采用通信距离为３００米的ＪＮ５１４８芯片进行户外测距定位实验，结果表明在其通信范围内的定位误差在２Ｏ合信息搜集系统动态性和实时性要求。４．２．２无线传感器网络的定位方法无线传感器网络‘般采用５种测距方法：１）测时测距法（ＴＯＡ），包括双向测距和单向测距．２）差分测时测距法（ＴＤＯＡ）；３）信号强度测距法（ＳＳＲ）；４）近场区电磁测距法（ＮＦＥＲ）；５）角度测量法（ＡＯＡ）。为了获得较高的公交车定位精度，公交信息采集系统中拟采用‘种荩于Ｔ０Ａ的双向测距技术，原理尔意图如图１所示。米以内，满足公交定位的需求。５结束语无线传感器网络是。种新型网络，其广泛的应用需求促进了对它的研究。无线传感器网络从诞生拿今，研究者们在网络协议、能量优化、提高效率、降低成本等方面做了深入的研究，取得了较大的进展，为实现传感器网络的广泛应用奠定了技术基础，而芙键技术的进步必将对无一２△亡线传感器网络的发展起到决定性的促进作用。降。爪收△—日。降芒亡一饺≯参考文献主节点１子节＾于海滨，曾鹏．分布式无线传感器网络协议研究［Ｊ］．通信学报，２００４，２５（１０）：１０２～１１０２史龙，王福豹．无线传感器网络自身定位机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