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无线传感器网络技术综述

作者：杜宇 苏晓军

来源：《科学与财富》2016年第28期

摘 要：在当今的社会里面，传感技术、嵌入技术、分布处理技术以及通信领域中的无线通信目前正处在一个迅猛发展的过程当中，使得在同一个设备上面集成网络、传感、通信以及计算等功能的目标能够完成，无线传感网络就是把这些技术整合并加以应用。本文在讲解无线传感网络发展现状和其组成的基础上面，着重的讲述了无线传感网络里面的非常重点的拓扑控制、路由数据转发以及跨层设计、时间同步技术、媒体访问控制以及链路控制、自定位技术以及目标定位技术等主要的方法和技术手段。本文研究显示，无线传感网络目前正朝着成本低、能耗小、安全可靠、性能高、操作简单、智能化等目标迈进着，所以文章今后对于无线传感器网络的研究具有较高的意义。

关键词：无线传感器网络；综述；发展历程；体系结构；关键技术 1 引言

近些年来，无线通信、微机技术、嵌入式系统以及低功耗的嵌入式系统正在以飞快的速度向前发展着，并且在发展的过程中融合出一门新技术：无线传感网络技术。无线传感器网路采用的标准也是IEEE的802.15.4的标准。无线传感器网络集成了网络、通信、传感、计算等功能的传感器节点所组成，其中节点之间的通信方式是自组织多跳的网络，这些节点之间通过这种通信方式实现对所监控对象的各种信息，最终还是经过这种通信方式将所检测到的信息发送给观测者。

因为无线传感网络的电源的容量有一定的限制、节点的通信能力同样有一定的限制、节点的计算能力有一定的限制、传感器数量非常大而且无线传感器布置的区域也非常的巨大、无线传感网络的动态性非常的强、感知的数据流也格外的大、另外考虑到在无线传感网络里面都是以数据作为中心的，无线传感网络目前已经是现代的各种通信技术里面的一种新兴起的技术，无线传感网络技术在基础的理论方面和工程技术方面两个不同的层次上面对科研人员提出了许多的问题。本文先是讲解无线传感器网络的发展以及无线传感器网络的体系结构，再是研究无线传感网络里面的拓扑控制技术、媒体访问控制技术以及链路控制技术、路由与数据转发技术和跨层设计技术、时间同步技术、自定位技术以及目标定位技术等十分重要的技术和手段。 2 无线传感器网络的体系结构 2.1 无线传感器网络节点的结构

无线传感网络里面最最根本的组成部分即为它的节点。无线传感器网络中的节点最主要包括的是数据采集模块、数据处理模块还有控制模块，以及无线通信模块以及供电等模块。无线

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传感器网络中的数据采集模块最主要的是检测被检测的地方里面对有用信息的收集以及数据的转换功能，其中最常用的为多种无线传感器，它们的主要功能是感知外界环境并且为我们收集有利信息，模数转换器能够把监测到的物理信号转化成数字信号；无线传感器网络中的数据处理模块以及控制模块可以控制所有的无线传感器中的节点，而微处理器就是统筹协调各个节点里面各自的工作，我们最常选取的就是嵌入式中央处理器；无线传感器网络中的数据传输模块就是用于各个无线传感器节点之间的无线通信的，它们可以交换和控制消息也可以收发和采集所需要的数据；而无线传感器网络中的供电模块就是为保障无线传感器的节点的正常工作来提供它们所需要的能量。

2.2 无线传感器网络的体系结构

无线传感器中的节点所收集到的有用消息经过多跳的转发，最后把传感器所收集到的有用消息发送给目标用户供其使用，无线传感器网络的系统构架包括分布式的无线传感节点组、汇集的主节点、传输媒质以及客户端。无线传感网络里面的节点通常都是采用人工安装、飞行器抛撒等方法达到让无线传感器网络中的节点随意分散在待监测的地方。把传感网络当做中心，在传感网络的感知区域里面，许多无线传感网络节点用无线自组网的形式来进行通信，其中所有的无线传感器节点都可以作为一个路由器，另外所有的无线传感器节点都有着具备动态搜索、实时定位以及自主恢复联接的能力，无线传感器的节点会把它监测的物理信息以初步的数据处理以及信息融合的形式传递给观察者，信息传送的方法是采用相邻无线传感器节点之间的接力传递，并且最后发送给基站，最后基站采用卫星信道或者有线网络的联接方式发送给观察者。

3 无线传感器网络的关键技术 3.1 拓扑控制

无线传感网络的总体拓扑结构是由无线传感网络的组网的模式决定的，可是要达到无线传感网络低功耗运行的目的，还要精细控制各个无线传感器节点之间联接关系的时变性。现阶段最基本的有三种拓扑控制，分别是时间控制拓扑技术、空间控制拓扑技术以及逻辑控制拓扑技术。时间控制拓扑技术是利用对每个无线传感器网络节点的睡眠时间以及工作时间占空比的控制，来实现对无线传感器网络节点之间的睡眠起始时间的调度，从而达到让无线传感器网络节点交替工作的目的，以实现无线传感器网络在有限的拓扑结构之间切换的效果；空间控制拓扑技术是利用控制无线传感器网络中的节点的发送功率来达到改变节点连通区域的目的，使得无线传感器网络显示出不同的连通状态，从而获得控制无线传感器节点能耗、提高无线传感器网络容量的效果；逻辑控制拓扑技术是利用检查无线传感器节点的邻居表把不“理想的”无线传感器网络节点排除在外，从而形成更加稳固、更加可靠的拓扑结构。在无线传感网络技术里面，拓扑控制是为实现无线传感器网络的连通并且保证无线传感器网络中的信息高效的、可靠的传输。

3.2 媒体访问控制和链路控制

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媒体访问控制和链路控制是为了解决无线传感器网络里面存在着的数据流冲突以及丢失的问题，根据无线传感器网络里面数据流的状态达到控制临近无线传感器网络节点的目的，甚至在无线传感器网络里面所有的无线传感器网络节点的信道访问顺序以及方式，从而达到高效的利用无线传感器网络的容量和降低其能耗的目的。无线传感器网络的媒体访问控制层需要配合完成睡眠机制从而完成拓扑控制中的时间控制和空间控制。

无线传感器网络在复杂的链路控制一般是在复杂环境下的短距离链路，这就导致了与长距离的无线通信链路的特性完全不一样，而相同环境下的无线射频过渡区的宽度和通信距离的比却要大的多，由此导致这种环境下短距离链路控制出现很复杂的不稳定性。 3.3 路由与数据转发及跨层设计

无线传感器网络中的数据流向与因特网中数据流向相反：在因特网络中，终端设备大多数是从无线传感器网络里面得到信息的，但是在无线传感网络里面，无线传感器网络可以从终端设备得到信息。因为在无线传感器网络中对能量利用的要求非常的严格，在大多数情况下选取介质访问控制层的信息来进行转发无线传感器节点、选择数据流向。此外无线传感网络在任务发布的过程中一般会把任务的信息传送至全部的无线传感器节点，所以设计出来的高效数据分发协议同样为网络层的研究重点。无线传感器网络编码技术同样可以提高网络数据的传递效率。在分布式的存储网络架构里面，一份数据一般会有不一样的代理对它产生兴趣，而无线传感器网络编码技术采用的是减少无线传感器网络里面数据包转发次数的方式，来达到提高网络容量以及效率的目的。 3.4 时间同步技术

时间同步技术是无线传感器网络里面实现信息采集的一个基本的技术手段，同样是提高精度的不可缺少的方法。经常采用的是利用时间同步协议实现无线传感器网络中不同节点间的对时，利用滤波技术来减少噪声以及漂移产生的不良影响。这一段时间，通过涡合振荡器振荡器同步技术完成无线传感器网络同步的手段引起了大家浓厚的兴趣，这是一个效率极高、能够无限拓展的方法。

3.5 自定位和目标定位技术

定位跟踪技术有节点自定位技术以及在网络区域里面的目标定位跟踪技术两种技术手段。节点自定位技术指的是确定无线传感器网络里面所以节点的位置，而这恰恰为随机组网的最终目标。目标定位跟踪是一种室外经常选取的自定位方法，可是它不但成本不低，而且在有遮挡区域有可能定位不准确。无线传感器网络在一般情况下会选取结合这样的定位技术和方法：手动安装一小部分目标点，而剩余点则会依据拓扑与距离之间的关系来估计它们的间接位置。目标定位跟踪技术是采用无线传感器网络里面传感器节点之间的配合来实现它们对无线传感器网络里面的特定的目标定位以及跟踪技术，通常都是在无线传感器节点定位的基础上实现的。