無線傳感器網(wǎng)絡(luò)所具有的眾多類型的傳感器，可探測包括地震、電磁、溫度、濕度、噪聲、光強(qiáng)度、壓力、土壤成分、移動物體的大小、速度和方向等周邊環(huán)境中多種多樣的現(xiàn)象。基于MEMS的微傳感技術(shù)和無線聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)賦予了廣闊的應(yīng)用前景。這些潛在的應(yīng)用領(lǐng)域可以歸納為：軍事、航空、反恐、防爆、救災(zāi)、環(huán)境、醫(yī)療、保健、家居、工業(yè)、商業(yè)等領(lǐng)域。

　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種全新的信息獲取平臺，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測和采集網(wǎng)絡(luò)分布區(qū)域內(nèi)的各種檢測對象的信息，并將這些信息發(fā)送到網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的指定范圍內(nèi)目標(biāo)檢測與跟蹤，具有快速展開、抗毀性強(qiáng)等特點(diǎn)，有著廣闊的應(yīng)用前景。

　　在軍事方面，美國五角大樓提出了“智能塵埃”的設(shè)計(jì)思想，目的是在戰(zhàn)場上拋散千萬個微小的具有無線通信能力的傳感器模塊，用于監(jiān)控人的活動情況，同時(shí)美國陸軍已確定努力開發(fā)多層次集成式傳感器復(fù)雜系統(tǒng)～ssNc，實(shí)現(xiàn)對一種海燕生活習(xí)性的監(jiān)測。國內(nèi)已經(jīng)有許多大學(xué)開展了對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究，但是還沒有達(dá)到實(shí)用階段，大部分工作還處于仿真或試驗(yàn)階段。

　　由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有密集型、隨機(jī)分布的特點(diǎn)，使其非常適合應(yīng)用于惡劣的戰(zhàn)場環(huán)境中，使其非常適合應(yīng)用于惡劣的戰(zhàn)場環(huán)境中，包括偵察敵情、監(jiān)控兵力、裝備和物資，判斷生物化學(xué)攻擊等多方面用途。美國國防部遠(yuǎn)景計(jì)劃研究局已投資幾千萬美元，幫助大學(xué)進(jìn)行"智能塵埃"傳感器技術(shù)的研發(fā)。哈伯研究公司總裁阿爾門丁格預(yù)測：智能塵埃式傳感器及有關(guān)的技術(shù)銷售將從2004年的1000萬美元增加到2010年的幾十億美元。

　　1無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本思想是，在現(xiàn)場布置大量的節(jié)點(diǎn)，這些節(jié)點(diǎn)上的傳感器感知現(xiàn)場的信息，微處理器對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行初步處理，再由無線收發(fā)模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送給相鄰節(jié)點(diǎn)，數(shù)據(jù)經(jīng)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的級轉(zhuǎn)發(fā)，終發(fā)送給基站，再由基站通過串口傳送給主機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)場的監(jiān)控。

　　在傳感器網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)任意散落在被監(jiān)測區(qū)域內(nèi)，這一過程是通過飛行器散播、人工埋置和火箭彈射等方式完成的，節(jié)點(diǎn)以自組織形式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)。

　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以采用平面結(jié)構(gòu)和分級結(jié)構(gòu)，通常采用分級結(jié)構(gòu)。分級結(jié)構(gòu)如圖l所示，網(wǎng)絡(luò)劃分為多個簇，每個簇由一個簇頭和多個簇成員組成。這些簇頭形成了高的網(wǎng)絡(luò)。

　　在分層結(jié)構(gòu)中，簇頭結(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)簇間數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)，而簇成員只負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集。這大大減少了網(wǎng)絡(luò)中路由控制信息的數(shù)量，因此具有很好的可擴(kuò)充性。簇頭可以預(yù)先指定，也可以由節(jié)點(diǎn)使用分簇算法自動選舉產(chǎn)生。由于簇頭可以隨時(shí)選舉產(chǎn)生，所以分層結(jié)構(gòu)具有很強(qiáng)的抗毀性。

　　④簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)圓簇頭酋基站

　　目前，還沒有形成通用的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)方案，但一般都包括四個組成部分：傳感器、微處理器、無線收發(fā)模塊和電源。如圖2，傳感器負(fù)責(zé)監(jiān)控物理信號，比如i是度、空氣濕度、震動信息等。微處理器通常采用嵌入式cPu或者微控制器Mcu，無線收發(fā)單元主要由低功耗、短距離的無線通信模塊組成。

　　圖2無線傳感器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)

　　2無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中現(xiàn)有路由協(xié)議的分析

　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的分類基本上延續(xù)了傳統(tǒng)Adhoc網(wǎng)的分類方法，從不同的角度可以進(jìn)行不同的分類。從路由發(fā)現(xiàn)策略的角度，可分為主動路由和被動路由兩種類型。

　　2.1主動路由

　　主動路由也稱表驅(qū)動路由，其路由發(fā)現(xiàn)策略與傳統(tǒng)路由協(xié)議類似，節(jié)點(diǎn)通過周期性地廣播路由信息分組，交換路由信息，主動發(fā)現(xiàn)路由，同時(shí)，節(jié)點(diǎn)必須維護(hù)去往全網(wǎng)所有節(jié)點(diǎn)的路由。它的優(yōu)點(diǎn)是當(dāng)節(jié)點(diǎn)需要發(fā)送數(shù)據(jù)分組時(shí)，只要去往目的節(jié)點(diǎn)的路由存在，所需的延時(shí)很小。缺點(diǎn)是主動路由需要花費(fèi)較大開銷，為使路由更新能夠緊隨當(dāng)前拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化，浪費(fèi)了一些資源來建立和重建那些根本沒有被使用的路由。而且，動態(tài)變化的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可能使得這些路幽更新變成計(jì)算機(jī)時(shí)代2007年第2期·15·過時(shí)信息，路由協(xié)議始終處于不收斂狀態(tài)。傳統(tǒng)的路由協(xié)議如ⅪP、0sPF都屬于主動路由協(xié)議。

　　主動路由協(xié)議一般包括“鄰居節(jié)點(diǎn)探測”和“路由廣播”兩個過程。路由器向各通信端口周期廣播Hello分組，來實(shí)現(xiàn)鄰居節(jié)點(diǎn)探測。在距離矢量算法中，雖然沒有顯式的鄰節(jié)點(diǎn)探測過程，但在與鄰節(jié)點(diǎn)交換距離向量路由表時(shí)，隱含了鄰節(jié)點(diǎn)探測。

　　2.2被動路由

　　被動路由指任何在其網(wǎng)絡(luò)層地址中提供信息，使得分組能基于尋址方案從一臺主機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)到另一臺主機(jī)。被動路由協(xié)議定義了分組內(nèi)各個字段的格式和用途。拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和路由表內(nèi)容按需建立，它可能僅僅是整個拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)信息的一部分。它的優(yōu)點(diǎn)是不需要周期性地路由信息廣播，節(jié)省了一定的網(wǎng)絡(luò)資源。缺點(diǎn)是發(fā)送數(shù)據(jù)分組時(shí)，如果沒有去往目的節(jié)點(diǎn)的路由，需要等待路由發(fā)現(xiàn)。

　　被動路由協(xié)議主要包括“路由發(fā)現(xiàn)”和“路由維護(hù)”兩個過程。當(dāng)源節(jié)點(diǎn)需要得到目的節(jié)點(diǎn)的路由，而該路由又沒有在路由表中時(shí)，路由發(fā)現(xiàn)過程被激活。路由器采用泛洪的方式，向整個網(wǎng)絡(luò)廣播路由請求分組。當(dāng)有路由請求報(bào)文到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)時(shí)，目的節(jié)點(diǎn)將向源節(jié)點(diǎn)發(fā)出路由請求應(yīng)答報(bào)文。隨著拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化，當(dāng)活動路徑匕的某段鏈路發(fā)生中斷時(shí)，路由維護(hù)過程被啟動。路由維護(hù)可以采用兩種不同的策略：從斷點(diǎn)處開始修補(bǔ)路徑或通知源節(jié)點(diǎn)重新啟動路由建立過程。

　　3無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的設(shè)計(jì)

　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)處理過程分為兩個步驟，分別為簇形成階段和數(shù)據(jù)傳輸階段。簇形成階段主要是用—種分簇機(jī)制，把節(jié)點(diǎn)分為若干個簇；在數(shù)據(jù)傳輸階段，簇內(nèi)普通節(jié)點(diǎn)向簇頭節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)，簇頭節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后，再向sink節(jié)點(diǎn)傳輸。

　　在網(wǎng)絡(luò)生命周期初期，為了得到較大的吞吐量，我們采用集中式的方式形成簇類。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中選擇簇類是一種典型的組合優(yōu)化問題，其描述如下：

　　M維空間上的n個模式｛xiIi=l，2，．，n｝，要求聚成k類，使得各類自身內(nèi)的點(diǎn)間距離近，譬如要求其中Rp為第p類的中心，即： 　　其中p=1，2，¨。，k，n。為第p類中的點(diǎn)數(shù)。

　　簇類問題描述很簡單，但化求解卻很困難。其主要原因是所謂的“組合爆炸”，簇類的可能劃分方式有個。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中選擇簇類是著名的NP難題，可以用模擬退火算法同來得到近似解。

　　當(dāng)能源將耗盡的節(jié)點(diǎn)占全部節(jié)點(diǎn)的70％時(shí)，我們認(rèn)為節(jié)點(diǎn)的能源普遍比較貧乏，為了化網(wǎng)絡(luò)生命周期，轉(zhuǎn)而采用分布式算法來決定聚類的產(chǎn)生，即sink節(jié)點(diǎn)不再參與簇類的生成，而是由傳感器節(jié)點(diǎn)自身通過協(xié)商來決定聚類的產(chǎn)生。

　　我們采用一種基于節(jié)點(diǎn)權(quán)值的分布式、自協(xié)商成簇算法，在這種算法中，每個節(jié)點(diǎn)計(jì)算自身的權(quán)值來指示該節(jié)點(diǎn)適合充當(dāng)簇頭的程度。各節(jié)點(diǎn)的權(quán)值可以用一個考慮多種兇素的通用公式來表示：wei曲t=Energy_Remain水Nei曲bor_NuIll／（CHJimes+1）其中：cH_Times表示節(jié)點(diǎn)在以前回合中充當(dāng)?shù)拇仡^節(jié)點(diǎn)的次數(shù)；Nei曲bor_Num表示節(jié)點(diǎn)的鄰近數(shù)目；Ene略y—Remain表示節(jié)點(diǎn)的剩余能量。

　　數(shù)據(jù)傳輸階段劃分成幀，簇內(nèi)每個普通節(jié)點(diǎn)在簇頭節(jié)點(diǎn)分配的時(shí)間槽里傳送一幀，每個時(shí)槽中，數(shù)據(jù)恒速傳送。在簇形成時(shí)，每個簇的節(jié)點(diǎn)數(shù)并不相等，故每個簇內(nèi)時(shí)槽的大小也不相等，時(shí)槽的大小根據(jù)簇內(nèi)每個普通節(jié)點(diǎn)的多少決定。為了減少能源浪費(fèi)，簇內(nèi)每個普通節(jié)點(diǎn)都使用能源控制，在自己的時(shí)槽中，才打開發(fā)送裝置，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

　　4結(jié)束語

　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)還被應(yīng)用于其他一些領(lǐng)域。比如一些危險(xiǎn)的工業(yè)環(huán)境如井礦、核電廠等，工作人員可以通過它來實(shí)施安全監(jiān)測。也可以用在交通領(lǐng)域作為車輛監(jiān)控的有力工具。此外和還可以在工業(yè)自動化生產(chǎn)線等諸多領(lǐng)域，英特爾正在對工廠中的一個無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行測試，該網(wǎng)絡(luò)由40臺機(jī)器上的210個傳感器組成，這樣組成的監(jiān)控系統(tǒng)將可以大大改善工廠的運(yùn)作條件。它可以大幅降低檢查設(shè)備的成本，同時(shí)由于可以提前發(fā)現(xiàn)問題，因此將能夠縮短停機(jī)時(shí)間，提高效率，并延長設(shè)備的使用時(shí)間。盡管無線傳感器技術(shù)目前仍處于初步應(yīng)用階段，但已經(jīng)展示出了非凡的應(yīng)用價(jià)值，相信隨著相關(guān)技術(shù)的發(fā)展和推進(jìn)，一定會得到更大的應(yīng)用。