作者：王汝传孙力娟主编
出版社：人民邮电出版社
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无线传感器网络技术及其应用(战略性新兴产业系列丛书——物联网)试读：
前言
作为物联网最重要的基础支撑技术之一，无线传感器网络作为一种新型的网络技术得到了广泛的关注。目前，国内外都开展了对无线传感器网络技术的研究，许多企业和科研院所都介入该领域，扩大了对该领域的人才需求。国内许多高校申请了物联网或者无线传感器网络等相关专业，这就使得无线传感器网络技术不能仅停留在学术研究中，更应该走向教学和实践环节。鉴于此，编者在从事无线传感器网络技术近十年的研究基础上，结合自身的教学经验，参考了许多高校物联网或者无线传感器网络的教学大纲，编撰了这本教材。
本书对无线传感器网络核心的关键技术进行了较为深入和全面的剖析，在编写上力求新颖完整、深入浅出，能适用于各种层次的“工科”学生和工程技术人员掌握传感器网络方面的前沿理论和技术。在内容描述上，做到理论与实际并重，技术与应用结合。在阐述理论和方法的同时，注重实例分析和实用技术介绍。本书涉及计算机、电子通信和自动化等领域，内容涵盖了计算机网络、无线通信技术、嵌入式系统开发、计算机软件和算法、信息安全、自动控制等方面，因此在编撰时还特别注重基础知识的介绍，尽可能以通俗易懂的语言进行描述。读者通过对本书的学习和课后习题的解答，将对无线传感器网络技术有较全面的认识，对一些基本的开发技术、协议和算法有较深刻的理解。由于该课程是一门实践性较强的课程，本书还配套有相应的实验，对于实现基本的无线传感器网络应用、提高动手实践能力将大有裨益。同时，本书的撰写还建立在对国家自然科学基金、国家“863”项目和江苏省高技术研究计划等项目的研究基础上，具有较高的学术价值，可以作为科学研究者的参考书。
本书建立了一套完善的课程体系，共分为11章，第1章对无线传感器网络技术进行了简要概述，第2章介绍物理层及信道接入技术，第3章介绍路由、拓扑和覆盖控制技术，第4章介绍无线传感器网络定位、跟踪与时间同步技术，第5章介绍无线传感器网络安全技术，第6章介绍无线传感器网络的操作系统，第7章介绍无线传感器网络中间件技术，第8章介绍无线传感器网络数据管理技术，第9章介绍物联网环境下的无线传感器网络接入技术，第10章介绍无线传感器网络硬件节点设计，第11章介绍无线传感器网络的应用。
本书由南京邮电大学计算机学院博士生导师王汝传教授和孙力娟教授统一策划，同时对各篇章结构进行了详细规划。本书由黄海平、沙超、蒋凌云、肖甫、郭剑编写。在本书的编写过程中，博士研究生王玉斐、凡高娟和赵传信，硕士研究生李靖、金逸超、陈国伟、吴万烽、唐静、孟翀、杨小波、杨英军和李明等同学参加了部分章节的编写工作，张军强老师对书稿的校对付出了大量辛勤的劳动。南京邮电大学教务处陈鹤鸣教授和计算机学院李玲娟教授对书稿进行认真审阅并提出宝贵的意见，同时与书稿作者进行了有益的讨论，为本书的形成给予了很大的帮助。此外，本书还引用了其他同行的工作成果，在此一并表示衷心的感谢。
由于编写时间仓促，加上编者水平有限，书中不妥之处在所难免，敬请读者批评指正。编者2011年3月于南京
第1章 无线传感器网络概述
无线传感器网络是当前国内外备受关注的新兴研究热点领域，它由多学科高度交叉而成，综合了传感器技术、嵌入式计算技术、现代网络及无线通信技术、分布式信息处理技术等多种技术，能够通过各类集成化的微型传感器节点协作完成监测、感知和采集各种环境信息或被监测对象的信息，并对信息进行处理，可以通过随机自组织无线通信网络以多跳中继方式将所感知的信息传送到用户终端。本章对无线传感器网络进行基本的介绍，主要介绍了无线传感器网络的基本概念、体系结构、主要特点及无线传感器网络的发展与应用。
1.1 无线传感器网络的基本概念
无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN[1～3]）是一种全新的信息获取平台，能够实时监测和采集网络分布区域内各种检测对象的信息，并将这些信息发送到网关节点，以实现复杂的指定范围内目标检测与跟踪，具有快速展开，抗毁性强等特点，有着广阔的应用前景。
正如因特网使得计算机能够访问各种数字信息而可以不管其保存在什么地方，传感器网络将扩展人们与现实世界进行远程交互的能力。由于它具有可到处散布的特点及集体分析能力，因此它被称为一种全新类型的计算机系统。无线传感器网络具有众多类型的传感器节点，可用来探测包括地震、电磁、温度、湿度、噪声、光强度、压力、土壤成分、移动物体的大小、速度和方向等周边环境中多种多样的现象。美国《商业周刊》和MIT技术评论在预测未来技术发展的报告中，分别将无线传感器网络列为21世纪最有影响的21项技术之一和改变世界的10大技术之一[4,5]。传感器网络、塑料电子学和仿生人体器官又被称为全球未来的3大高科技产业。
无线传感器网络是一个由大量廉价的传感器节点组成的无线自组织网络。每个传感器节点由传感单元、处理单元、无线通信单元和能量供应单元等构成。一种普遍被接受的无线传感器网络的定义为：大规模、无线、自组织、多跳、无基础设施支持的网络，其中节点是同构的，成本较低、体积较小，大部分节点不移动，被随意地散布在监测区域，要求网络系统有尽可能长的工作时间。
无线传感器网络的任务是利用传感器节点来监测节点周围的环境，收集相关数据，然后通过无线收发装置采用多跳路由的方式将数据发送给汇聚节点，再通过汇聚节点将数据传送到用户端，从而达到对目标区域的监测。它综合了计算技术、通信技术及传感器技术，能够通过各类集成化的微型传感器协作地实时监测、感知和采集各种环境信息或被监测对象的信息，这些信息以无线方式传送，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、计算机世界及人类社会三元世界的连通。
1.2 无线传感器网络的体系结构
一个典型的无线传感器网络结构如图1-1所示，其中包括传感节点（Sensor节点）、汇聚节点（Sink节点）以及互联网或通信卫星和管理节点等[6]。图1-1 典型的无线传感器网络结构
传感器节点通常是一个微型的嵌入式系统，具有感知物理环境数据和处理数据的能力，但它的处理能力、存储能力和通信能力都相对较弱。目前常见的传感器节点一般通过能量有限的电池供电，所以通常传感器节点的电源能量有限。从网络功能上看，每个传感器节点既具有传统网络节点的终端功能，也具有路由器功能，除了进行本地信息收集和数据处理外，还要对其他节点转发来的数据进行存储、管理和融合等处理，同时与其他节点协作完成一些特定任务。网络中传感器节点的地位相同，各个节点之间可独立采集相关信息，并可通过传感器节点间的相互通信共享彼此之间的信息。
汇聚节点是传感器网络中的网关设备，其处理能力、存储能力和通信能力比传感器节点强，没有感知能力，但一般有充足、稳定的固定电源为其供电。汇聚节点通过无线方式连接传感器网络，通过有线或具有可靠通信质量的无线接入网络与 Internet 等外部网络通信，可以实现两种通信协议栈之间的通信协议转换，充当基站管理设备和传感器网络之间的通信员，可以发布基站管理设备的检测任务，并把收集的传感数据转发到外部网络中。
管理节点一般即为普通的计算机系统，充当无线传感器网络服务器的角色，通过与传感器汇聚节点的信息传递来监控整个网络的数据和状态。
随着人们对传感器网络研究的不断深入，研究人员提出了多个传感器节点上的协议栈。图1-2（a）所示为早期提出的一个协议栈，该协议栈包括物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层，与互联网协议的五层相对应。另外，该协议栈还包括能量管理平台、移动管理平台和任务管理平台。这些管理平台使得传感器节点能够按照能源高效的方式协同工作，在节点移动的无线传感器网络中转发数据，并支持多任务和资源共享。图1-2 无线传感器网络协议栈
各层协议的功能如下。
① 物理层负责数据传输的介质规范，如规定了传感器工作频段、工作温度、数据调制、信道编码、定时、同步等标准。物理层的设计直接影响到电路的复杂度和传输能耗等问题，研究目标是设计低成本、低功耗和小体积、简单但健壮的传感器节点。
② 数据链路层除了要完成传统网络数据链路层数据成帧、差错校验和帧检测等功能外，最主要的是设计一个适合于传感器网络的介质访问控制方法（MAC），以减少传感器网络的能量损耗。
③ 网络层主要实现数据融合，负责路由发现、路由维护和路由选择，使得传感器节点可以进行有效的相互通信。路由算法执行效率的高低，直接决定了传感器节点收发控制性数据与有效采集数据的比率。控制性数据越少能量损耗越少，控制性数据越多能量损耗越多，从而影响到整个传感器网络的生存时间，可以说“路由算法”是网络层的最核心内容。
④ 传输层负责数据流的传输控制，是保证通信服务质量的重要部分。
⑤ 应用层包括一系列基于监测任务的应用层软件。
传感器网络协议栈的3个管理平台功能如下。
① 能量管理平台管理传感器节点如何使用能源，在各个协议层都需要考虑节省能量。
② 移动管理平台检测并注册传感器节点的移动，维护到汇聚节点的路由，使得传感器节点能够动态跟踪其邻居的位置。
③ 任务管理平台在一个给定的区域内平衡和调度监测任务。
3个管理平台应该在传感器网络协议栈的5个层次中都有所体现。现在的实际情况是，能量管理平台和移动管理平台的研究虽没有系统化，但在网络层、数据链路层和物理层都有所考虑和体现；而任务管理平台更多体现的是传输层和应用层问题，如一个刚刚传送来的数据可能会触发一系列事件，某项任务只能工作在传输层的某个端口，数据传输的安全性也是高层要解决的一个问题等。
图1-2（b）所示的协议栈细化并改进了原始模型。定位和时间同步子层在协议栈中的位置比较特殊。它们既要依赖于数据传输通道进行协作定位和时间同步协商，同时又要为网络协议各层提供信息支持，如基于时分复用的MAC 协议，基于地理位置的路由协议等很多传感器网络协议都需要定位和同步信息。
1.3 无线传感器网络的基本特点
无线传感器网络是一种独立出现的计算机网络，是由大量传感器节点通过无线通信技术自组织构成的网络。传感器网络可实现数据的采集量化、处理融合和传输应用，它是信息技术中的一个新的领域，在军事和民用领域均有着非常广阔的应用前景。它具有以下特点[6,7]。
1.传感器节点体积小，能量有限
无线传感器网络是在微电机系统技术、数字电路技术基础上发展起来的，传感器节点各部分集成度很高，因此具有体积小的优点，通常携带能量十分有限的电池，由于传感器节点数目庞大、分布区域广，而且部署环境复杂，有些区域甚至人员不能到达，无法通过更换电池的方式来补充能量，所以在考虑传感器网络体系结构以及各层协议设计时，节能是设计的主要考虑目标之一。
2.传感器节点计算和存储能力有限
由于无线传感器网络应用的特殊性，要求传感器节点的价格低、功耗小，必然导致其携带的处理器能力比较弱，存储器容量比较小，因此，如何利用有限的计算和存储资源，完成诸多协同任务，也是无线传感器网络技术面临的挑战之一。事实上，随着低功耗电路和系统设计技术的提高，目前已经开发出很多超低功耗微处理器，同时，一般传感器节点还会配上一些外部存储器，目前的Flash存储器是一种可以低电压操作、多次写、无限次读的非易失存储介质。
3.通信半径小，带宽低
无线传感器网络是利用“多跳”来实现低功耗下的数据传输，因此其设计的通信覆盖范围只有几十米。和传统无线网络不同，传感器网络中传输的数据大部分是经过节点处理过的数据，因此流量较小。根据目前观察到的现象特性来看，传感数据所需的带宽将会很低（1～100kbit/s）。
4.传感器节点数量大且具有自适应性
无线传感器网络中传感器节点密集，数量巨大，可能达到几百、几千，甚至更多。此外，无线传感器网络可以分布在很广泛的地理区域，网络的拓扑结构变化很快，而且网络一旦形成，人很少干预其运行。因此，无线传感器网络的软、硬件必须具有高强壮性和容错性，相应的通信协议必须具有可重构和自适应性。
5.无中心和自组织
在无线传感器网络中，所有节点的地位都是平等的，没有预先指定的中心，各节点通过分布式算法来相互协调，可以在无人工干预和任何其他预置的网络设施的情况下，节点自动组织成网络。正是由于无线传感器网络中没有中心，所以网络不会因为单个节点的损坏而损毁，使得网络具有较好的鲁棒性和抗毁性。
6.网络动态性强
无线传感器网络中的传感器、感知对象和观察者这三要素都可能具有一定的移动性，并且经常有新节点加入或已有节点失效。网络的拓扑结构动态变化，传感器、感知对象和观察者三者之间的路径也随之变化，网络必须具有可重构和自调整性。因此，无线传感器网络具有很强的动态性。
7.以数据为中心的网络
对于观察者来说，传感器网络的核心是感知数据而不是网络硬件。以数据为中心的特点要求传感器网络的设计必须以感知数据管理和处理为中心，把数据库技术和网络技术紧密结合，从逻辑概念和软、硬件技术两个方面实现一个高性能的以数据为中心的网络系统，使用户如同使用通常的数据库管理系统和数据处理系统一样自如地在传感器网络上进行感知数据的管理和处理。
1.4 无线传感器网络的发展现状与趋势
无线传感器网络的研究最初起源于美国军方，其研究的项目包括 CEC、REMBASS、TRSS、Sensor IT、WINS、Smart Dust、SeaWeb、μAMPS、NEST等。美国国防部远景计划研究局已投资几千万美元，帮助大学进行无线传感器网络技术的研发。美国国家自然基金委员会（NSF）也开设了大量与其相关的项目，NSF于2003年制定了无线传感器网络研究计划，每年拨款3400万美元支持相关研究项目，并在加州大学洛杉矶分校成立了传感器网络研究中心；2005年对网络技术和系统的研究计划中，主要研究下一代高可靠、安全的可扩展的网络、可编程的无线网络及传感器系统的网络特性，资助金额达4 000万美元。此外，美国交通部、能源部、美国国家航空航天局也相继启动了相关的研究项目。
美国所有著名的院校几乎都有研究小组从事传感器网络相关技术的研究，如加州大学洛杉矶分校、康奈尔大学、麻省理工学院和加州大学伯克利分校等都先后开展了传感器网络方面的研究工作。Crossbow、Mote IV 等一批以传感器节点为产业的公司已为大家所熟知，他们的产品Mica2、Micaz、Telos等为很多研究机构搭建起了硬件平台，方便的开发平台使得大部分研究机构开始转而研究大规模无线组网、传感信息融合、时间同步与定位、低功耗设计技术等关键技术。
加拿大、英国、德国、芬兰、日本和意大利等国家的研究机构都先后开始了无线传感器网络的研究。欧盟第6个框架计划将“信息社会技术”作为优先发展的领域之一，其中多处涉及对无线传感器网络的研究。日本总务省在2004年3月成立了“泛在传感器网络”调查研究会。韩国信息通信部制订了信息技术839战略，其中“3”是指IT产业的3大基础设施，即宽带融合网络、泛在传感器网络、下一代互联网协议。企业界中欧盟的Philips、Siemens、Ericsson、ZMD、France Telecom、Chipcon等公司，日本的NEC、OKI、Skyleynetworks、世康、欧姆龙等公司都开展了无线传感器网络的研究。
我国对无线传感器网络的研究起步较晚，首次正式启动出现于1999年中国科学院《知识创新工程点领域方向研究》的“信息与自动化领域研究报告”中，该领域的五大重点项目之一。2001年中国科学院依托上海微系统所成立微系统研究与发展中心，旨在引领中科院无线传感器网络的相关工作。我国学者非常重视无线传感器网络方面的研究，南京邮电大学、北京邮电大学和哈尔滨工业大学等高校科研机构均已开始了该领域的探索研究，其中南京邮电大学无线传感器网络研究中心在无线传感器网络领域已经有了一定的科研成果。
国家自然科学基金已经审批了与无线传感器网络相关的多项课题。2004年，将一项无线传感器网络项目（面向传感器网络的分布自治系统关键技术及协调控制理论）列为重点研究项目。2005 年，将网络传感器中的基础理论和关键技术列入计划。2006年将水下移动传感器网络的关键技术列为重点研究项目。国家发改委下一代互联网（CNGI）示范工程中，也部署了无线传感器网络相关的课题。
在一份我国未来20年预见技术的调查报告中，信息领域157项技术课题中有7项与传感器网络直接相关。2006年年初发布的《国家中长期科学与技术发展规划纲要》为信息技术定义了3个前沿方向，其中2个与无线传感器网络的研究直接相关，即智能感知技术和自组织网络技术。我国2010年远景规划和“十五”计划中，将无线传感器网络列为重点发展的产业之一。
国内也有越来越多的企事业开始关注传感器网络技术的发展，宁波中科、北京鑫诺金传感与控制技术有限公司、成都无线龙科技等公司也开始推出针对无线传感器网络及 ZigBee的解决方案，以及面向一定产业应用的系统方案。
近年来，人们对无线传感器网络研究的不断深入，已经使得无线传感器网络得到了很大的发展，也产生了越来越多的实际应用。随着人们对信息获取的需求不断增加，由这些传统传感器网络所获取的简单数据愈加不能满足人们对信息获取的全面需求，使得人们已经开始在研究功能更强的无线多媒体传感器节点，使用无线多媒体传感器节点能够获取图像、音频、视频等多媒体信息，从而人们能获取监测区域更加详细的信息。
无线传感器网络有着十分广泛的应用前景，我们可以大胆的预见，将来无线传感器网络将无处不在，将完全融入我们的生活。比如微型传感器网最终可能将家用电器、个人电脑和其他日常用品同互联网相连，实现远距离跟踪，家庭采用无线传感器网络负责安全调控、节电等。无线传感器网络将是未来的一个无孔不入的十分庞大的网络，其应用可以涉及人类日常生活和社会生产活动的所有领域。但是，我们还应该清楚地认识到，无线传感器网络才刚刚开始发展，它的技术、应用都还远远谈不上成熟，国内企业应该抓住商机，加大投入力度，推动整个行业的发展。
根据无线传感器网络的研究现状，无线传感器网络技术的发展趋势主要有以下几个方面。
1.灵活、自适应的网络协议体系
无线传感器网络广泛地应用于军事、环境、医疗、家庭、工业等领域。其网络协议、算法的设计和实现与具体的应用场景有着紧密的关联。在环境监测中需要使用静止、低速的无线传感器网络；在军事应用中需要使用移动的、实时性强的无线传感器网络；在智能交通中还需要将射频识别（Radio Frequency Identification,RFID）技术和无线传感器网络技术融合起来使用。这些面向不同应用背景的无线传感器网络所使用的路由机制、数据传输模式、实时性要求以及组网机制等都有着很大的差异，因而网络性能各有不同。目前无线传感器网络研究中所提出的各种网络协议都是基于某种特定应用而提出的，这给无线传感器网络的通用化设计和使用带来了巨大的困难。如何设计功能可裁减、自主灵活、可重构和适应于不同应用需求的无线传感器网络协议体系结构，将是未来无线传感器网络发展的一个重要方向。
2.跨层设计
无线传感器网络有着分层的体系结构，因此在设计时也大都是分层进行的。各层的设计相互独立且具有一定的局限性，因而各层的优化设计并不能保证整个网络的设计最优。针对此问题，一些研究者提出了跨层设计的概念。跨层设计的目标就是实现逻辑上并不相邻的协议层之间的设计互动与性能平衡。对无线传感器网络，能量管理机制、低功耗设计等在各层设计中都有所体现；但要使整个网络的节能效果达到最优，还应采用跨层设计的思想。
将 MAC 与路由相结合进行跨层设计可以有效节省能量，延长网络的寿命。同样，传感器网络的能量管理和低功耗设计也必须结合实际跨层进行。此外，在时间同步和节点定位方面，采用跨层优化设计的方式，能够使节点直接获取物理层的信息，有效避免本地处理带来的误差，获得较为准确的相关信息。
3.寻求系统节能策略
无线传感器网络应用于特殊场合时，电源不可更换，因此功耗问题显得至关重要。现在国内外在节点的低功耗问题上已经取得了很大的研究成果，提出了一些低功耗的无线传感器网络协议，未来将会取得更大的进步。
4.节点的自动配置
未来将着重于研究如何将大量的节点按照一定的规则组成一个网络。当其中某些节点出现错误时，网络能够迅速找到这些节点，并且不影响到网络的正常使用。配置冗余节点是必要的。
5.与其他网络的融合
无线传感器网络和现有网络的融合将带来新的应用。例如，无线传感器网络与互联网、移动通信网的融合，一方面使无线传感器网络得以借助这两种传统网络传递信息，另一方面这两种网络可以利用传感信息实现应用的创新。此外，将无线传感器网络作为传感与信息采集的基础设施融合进网格体系，构建一种全新的基于无线传感器网络的网格体系——无线传感器网络。传感器网络专注于探测和收集环境信息；复杂的数据处理和存储等服务则交给网格来完成，将能够为大型的军事应用、科研、工业生产和商业交易等应用领域提供一个集数据感知、密集处理和海量存储于一体的强大操作平台。
1.5 无线传感器网络面临的挑战
无线传感器网络不同于传统数据网络的特点，对无线传感器网络的设计与实现提出了新的挑战，无线传感器网络的发展在基础理论和实现技术两个层面提出了大量的富有挑战性的研究课题，主要体现在5个方面：低能耗、实时性、低成本、安全和抗干扰、协作。
1.低能耗
无线传感器网络节点的电源极为有限，又因为它通常工作在危险或人们无法到达的环境中，所以在大多数情况下无法补充能量，网络中的传感器节点会由于电源能量耗尽而失效或废弃，这就要求在无线传感器网络运行的过程中，每个节点都要最小化自身的能量消耗，获得最长的工作时间；因而无线传感器网络中的各项技术和协议的使用一般都以节能为前提。
2.实时性
无线传感器网络的应用大多要求有较好的实时性。例如，目标在进入监测区域之后，传感器网络需要在一个很短的时问内对这一事件做出响应，若其反应的时间过慢，则可能目标已离开监测区域，从而使得到的数据失效。又如，车载监控系统需要在很短的时间内就读一次加速度仪的测量值，否则无法正确估计速度，导致交通事故，这些应用都对无线传感器网络的实时性设计提出了很大的挑战。
3.低成本
无线传感器网络是由大量的传感器节点组成的，单个传感器节点的价格会极大程度地影响系统的成本。为了达到降低单个节点成本的目的，需要设计出对计算、通信和存储能力均要求较低的简单网络系统和通信协议。此外，还可以通过减少系统管理与维护的开销来降低系统的成本，这需要无线传感器网络系统具有自配置和自修复的能力。
4.安全和抗干扰
无线传感器网络系统具有严格的资源限制，需要设计低开销的通信协议，同时也会带来严重的安全问题。由于传感器节点有些会设置在屋内，也有许多会设置在户外，会在各种环境下部署节点，所以节点必须具备良好的抗干扰能力，现场环境可能极寒冷、极炎热、极干或极湿等恶劣条件，这些都不能对节点的感知产生影响，也不能对节点内的电路运作产生影响，同时也不能对节点间的信息传递产生影响。关于这些就相当考验节点的设计，不仅要考虑节点的外壳设计，还要考虑内部电路的设计。因此，如何使用较少的能量完成数据加密、身份认证、入侵检测及在破坏或受干扰的情况下可靠地完成任务，也是无线传感器网络研究与设计面临的一个重要挑战。
5.协作
由于单个传感器节点的能力有限，往往不能单独完成对目标的测量、跟踪和识别工作，而需要多个传感器节点采用一定的算法通过交换信息，对所获得的数据进行加工、汇总和过滤，并以事件的形式得到最终结果。数据的协作传递过程中涉及网络协议的设计和节点的能量消耗问题，也是目前研究热点之一。
1.6 无线传感器网络的应用领域
无线传感器网络是由大量价格低廉的传感器节点组成的无线网络，它具有分布式处理带来的高监测精度、高容错性、大覆盖区域、可远程监控等众多优点，这使得它在军事、智能农业和环境监测、医疗健康、紧急和临时场合、家庭、空间探索等领域具有广阔的应用前景[8～10]。
1.军事应用
和其他许多技术一样，无线传感器网络最早是面向军事应用的。在战场上，指挥员往往需要及时准确地了解部队、武器装备和军用物资供给的情况，铺设的无线传感器网络将采集相应的信息，并通过汇聚节点将数据送至指挥所，再转发到指挥部，最后融合来自各战场的数据形成军队完备的战区态势图。在战争中，对冲突区和军事要地的监视也是至关重要的，通过铺设传感器网络，以更隐蔽的方式近距离地观察敌方的布防；当然，也可以直接将传感器节点撒向敌方阵地，在敌方还未来得及反应时迅速收集利于作战的信息。无线传感器网络也可以为火控和制导系统提供准确的目标定位信息。在生物和化学战中，利用无线传感器网络及时、准确地探测爆炸中心，将会为军方提供宝贵的反应时间，从而最大可能地减小伤亡，同时也可避免核反应部队直接暴露在核辐射的环境中。无线传感器网络已成为美国网络中心作战体系中面向武器装备的网络系统，是其C4ISRT（Command,Control,Communicatim,Computing,Intelligence,Surveillance,Reconnaissance and Targeting）的重要组成部分。该系统的目标是利用先进的高科技技术，为未来的现代化战争设计一个集命令、控制、通信、计算、智能、监视、侦察和定位于一体的战场指挥系统，因此受到了军事发达国家的普遍重视。
2005年，美国军方采用Crossbow公司节点构建了枪声定位系统，节点部署于目标建筑物周围，系统能够有效地自组织构成监测网络，监测突发事件（如枪声、爆炸等）的发生，为救护、反恐提供了有力的帮助。
美国科学应用国际公司采用无线传感器网络构建了一个电子防御系统，为美国军方提供军事防御和情报信息。系统采用多个微型磁力计传感器节点来探测监测区域中是否有人携带枪支、是否有车辆行驶，同时，系统利用声音传感器节点监测车辆或者人群的移动方向。
2.智能农业和环境监测
无线传感器网络在农业中的应用主要体现在及时获取农民种庄稼时所需的各种信息。首先将大量的传感器节点撒布到要监测的区域构成监控网络，通过各种传感器采集信息，以帮助农民及时发现问题，并且准确地确定发生问题的位置，这样农业将有可能逐渐地从以人力为中心、依赖于孤立机械的生产模式转向以信息和软件为中心的生产模式，从而大量使用各种自动化、智能化、远程控制的生产设备。
无线传感器网络还能为环境监测提供便利。随着人们对环境的日益关注，通过传统的方法采集环境数据是一件困难的工作，如将传感器节点撒布到森林中，及时的获取森林中的温度信息，在有可能达到着火点时及时做好预防工作，从而有效地预防森林火灾的发生。无线传感器网络在环境监测方面的应用可以包括动物运动跟踪、环境条件监测、水源质量检测、气象和地理研究等。
3.医疗健康
无线传感器网络在医疗卫生和健康护理等方面具有广阔的应用前景。包括对人体生理数据的无线监测、对医院医护人员和患者进行追踪和监控、医院的药品管理、贵重医疗设备放置场所的监测等，被看护对象也可以通过随身装置向医护人员发出求救信号。
无线传感器网络可应用于对住院患者的管理中。在病房部署传感器节点以实现对整个病房的覆盖，患者可根据病情携带具有检测能力的无线传感器节点（如血压、呼吸、心率等）。通过传感器网络对患者必要的生理指标进行实时监测，同时还可以允许患者在一定范围内自由活动，这不仅有益于患者身体机能的恢复，还有助于让患者保持良好的情绪，从而使病情尽快得到康复。由于每个病床都部署相应的传感器，所以医生还可以全面掌握患者的休息情况。当患者在病房或在病房外活动（要求病房外也要部署传感器网络）时，医生仍然可以对其进行定位、跟踪，并及时获取其生理指标参数。无线传感器网络还为未来的远程医疗提供了方便、快捷的技术手段。
4.紧急和临时场合
在发生了地震、水灾、强热带风暴或遭受其他灾难打击后，固定的通信网络设施（如有线通信网络、蜂窝移动通信网络的基站等网络设施、卫星通信地球站以及微波接收站等）可能被全部摧毁或无法正常工作，这时就可以通过部署不依赖任何固定网络设施并能快速布设的无线传感器网络来帮助抢险救灾，从而达到减少人员伤亡及财产损失的目的。在边远或偏僻野外地区、植被不能破坏的自然保护区等无法采用固定或预设的网络设施进行通信，也可以采用部署无线传感器网络来进行信号采集与处理，无线传感器网络的快速展开和自组织的特点，正是这些场合通信的最佳选择。
5.家庭应用
现代化居住格局使家庭生活的封闭性越来越强，安全问题显得尤为重要。当前安全防范及报警系统是确保住宅、住户安全的极为重要的途径之一，同时也是数字化家庭的重要组成部分。无线传感器网络在家庭中有着广阔的应用空间，如通过分布在各个房间的传感器，获得每个房间的温度，实现智能的控制平衡居室温度，同时，还可以通过在家电、家具及门窗上安装相应的传感器节点，利用这些节点来构建一个智能家居系统。例如，当燃气探测器探测到燃气泄漏时或烟雾探测器探测到烟雾浓度过高时会同时向主控器和窗门驱动器发出信号，窗门驱动器自动开窗，主控器报警循环拨打预先设置的电话号码进行警情通报，燃气探测器还会启动通风装置进行通风；当小孩靠近窗户欲爬窗而出时、当遇到风雨天气时窗门将自动关上。无线传感器网络在家庭中的应用，能给人们的家居生活带来革命性的影响。
6.空间探索
人类对空间的探索和研究走过了漫长的道路，取得了丰硕的成果。在过去半个世纪中，人类通过空间科学探测活动，了解地球空间环境，探索太阳系中的行星和卫星，对宇宙起源和星系演化做出了更加科学的解释。随着人类对空间探索的不断深入，要获取的数据越来越多，成本较低的传感器节点将在其中发挥更加重要的作用。
美国哥伦比亚号悲剧的发生就证实了传感系统的重要作用。最早发出的运载火箭故障报警信号说明是左翼附近的温度/压力信号出现异常而导致的。因此，性能更佳、寿命更长的传感器与电子部件从一定程度上可为避免这样的悲剧提供必要的帮助。
随着传感器网络的深入研究，传感器网络将逐步深入到人类生活的各个领域，微型、智能、高效、廉价的传感器节点将必然走进我们的生活，使我们感受到一个无处不在的网络世界。
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课后习题
1.典型的无线传感器网络结构包括哪几部分？
2.无线传感器网络协议栈是如何设计的？各层协议的功能是什么？
3.什么是无线传感器网络？其特点是什么？
第2章 物理层及信道接入技术
本章首先对无线传感器网络物理层和介质访问控制方法（MAC）的相关技术进行讨论，然后对当前业界已有的与无线传感器网络相关的通信标准（包括IEEE 802.15.4和ZigBee协议）进行简单介绍。
2.1 物理层相关技术
在无线传感器网络中，物理层是数据传输的最底层，向下直接与传输介质相连，物理层协议是各种网络设备进行互连时必须遵循的底层协议。物理层的设计是无线传感器网络协议性能的决定因素。下面首先介绍当前无线频率分配情况，尤其对 ISM 波段的频率分配情况做较为详细的介绍，然后对无线传感器网络物理层设计的相关要点进行讨论。
2.1.1 频率分配
对于一个无线通信系统来说，频率波段的选择非常重要。由于6GHz以下频段的波形可以进行很好的整型处理，能较容易地剔除不期望的干扰信号，所以当前大多数射频系统都采用这个范围的频段。
无线电波是指在自由空间（包括空气和真空）全方位传播的射频频段的电磁波，可以很容易产生，也可以穿透建筑物体，因此被广泛应用于无线通信中。无线电波的原理在于导体中电流强弱的改变会产生无线电波。利用这一现象，通过调制可以将信息加载到无线电波之上。当电波通过空间传播到达收信端，电波引起的电磁场变化又会在导体中产生电流，通过调制将信息从电流变化中提取出来，就达到信息传递的目的。
无线电频谱是一种不可再生资源，为了有效利用无线频谱资源，各个国家和地区都对无线电设备使用的频段、特定应用环境下的发射功率等做了严格的规定。例如，中国无线电管理委员会就规定在3～30kHz的频率上主要用于海岸潜艇通信、远程距离通信、超远程距离导航；在30～300kHz的频率上主要用于越洋通信、中距离通信、地下岩层通信、远距离导航；在300～3MHz的频率上主要用于船用通信、业余无线电通信、移动通信、中距离导航；在3～30MHz的频率上主要用于远距离短波通信、国际定点通信；在30～300MHz的频率上主要用于电离层散射、流星余迹通信、人造电离层通信、对空间飞行体通信、移动通信；在0.3～3GHz的频率上主要用于小容量微波中继通信、对流层散射通信、中容量微波通信；在3～30GHz的频率上主要用于于大容量微波中继通信、数字通信、大容量微波中继通信、卫星通信、国际海事卫星通信；在30～300GHz的频率上主要用于载入大气层时的通信、波导通信。
所以在无线传感器网络频段的选择上也必须按照有关的规定来使用。目前，已报道的单信道无线传感器网络节点基本上都采用特别为工业、科学、医学（ISM频段：IndustrialScientificMedical）应用而保留的频率范围。ISM 频段是对所有无线电系统都开放的频段，发射功率要求在1W以下，无需任何许可证。表2-1所示为一些常用的ISM 波段频率。表2-1 ISM波段一些频率及说明
频段的选择由很多因素决定，但对于无线传感器网络来说，则必须根据实际应用场合来决定。因为频率的选择直接决定无线传感器网络节点的无线尺寸、电感的集成度以及节点功耗。在2.1.2小节将会详细讨论这一问题。
2.1.2 物理层设计
物理层的设计目标是以尽可能少的能量消耗获得较大的链路容量。物理层需要考虑编码调制技术、通信速率、通信频段等问题。
① 编码调制技术影响占用频率带宽、通信速率、收/发机结构、功率等一系列技术参数。比较常见的编码调制技术包括窄带调制技术（如幅移键控（ASK）、频移键控（FSK）、相移键控（PSK））和各种扩频调制技术（如跳频（FHSS）、直接序列扩频（DSSS）等）及无载波的超宽带UWB调制技术。扩频通信的工作原理是在发送端将传送的信息用伪随机编码（扩频序列：Spread Sequence）调制，实现频谱扩展后再传输；接收端则采用相同的编码进行解调及相关处理，恢复原始信息数据。与传统的窄带通信方式相比，扩频通信具有抗干扰、抗噪声、功率频谱低、具有保密性、隐蔽性和低截获概率等特点；数据超宽带UWB调制技术是一种无需载波的调制技术，其超低的功耗和易于集成的特点非常适合短距离通信的WSN应用。PicoRadio的Rabaey等人展开以UWB为物理层的研究。但是UWB需要较长的捕获时间，即需要较长的前导码，这将降低信号的隐蔽性，所以需要MAC层更好的协作。3种调制解调方式性能的比较如表2-2所示[1]。表2-2 调制性能比较
② 提高数据传输速率可以减少数据收发时间，对于节能有一定的好处，但需要同时考虑提高网络速度对误码的影响。一般用单个比特的收发能耗来定义数据传输对能量的效率，但比特能耗越小越好。
③ 频率的选择是影响无线传感器网络性能、成本的一个重要参数。在2.1.1小节中已对我国频谱资源分配做了一个简略的介绍，考虑到无线传感器网络低成本的要求，ISM波段无疑是首要的选择。如表2-1所示，ISM波段在高频和特高频的频率范围上都有分布，但信号在不同的频度上传播特性、功率消耗以及对器件性能和天线要求却是有很大区别。例如，在ISM13.5MHz，如果采用λ/4对偶天线，天线长度为5.6m，显然要求这么长的天线很不适合小体积的无线传感器网络节点；对于ISM2.4GHz，其采用λ/4对偶天线，天线长度为3.1cm，这么高的频率就可以将节点做得很小，也有利于天线的MEMS集成。但是从功耗的角度分析会发现，在传输相同的有效距离时，载波频率越高消耗能量越多，这是因为高频率载波对频率合成器的要求也就越高，在射频前端发射机中频率合成器可以说是其主要的功耗模块，并且根据自由空间无线传输损耗理论可以知道，波长越短其传输损耗越大，也就意味着高频率需要更大的发射功率来保证一定的传输距离。另外，从节点的物理层集成化的角度来考虑，虽然当前的CMOS工艺已经成为主流，但是对大电感的集成化还是一个非常大的挑战，随着深亚微米工艺的进展，更高的频率更易于电感的集成化设计，这对于未来节点的完全SOC设计是有利的，所以频段的选择是一个非常慎重的问题。由于无线传感器网络是一种面向应用的网络，所以针对不同的实际应用应该综合成本、功耗、体积的条件下进行一个最优选择。美国联邦通讯委员会（FCC）给出了2.4GHz是当前工艺条件下，将功耗需求、成本、体积等折中较好的一个频段，并且是全球的ISM 波段，但是这个频段也是现阶段不同应用设备可能造成相互干扰最严重的频段，因为蓝牙、WLAN、微波炉设备、无绳电话等都采用该频段的频率。
目前，很多研究机构设计的无线传感器网络节点物理层基本上都是在现有的期间工艺水平上展开的，基本上采用结构简单的幅移键控（ASK）、频移键控（FSK）以及最小频移键控（MSK）调制方式，在频段的选择上也都集中在433～464MHz、902～928MHz及2.4～2.5GHz的ISM波段。
2.2 信道接入技术
2.2.1 无线传感器网络信道接入概述
在无线传感器网络中，无线信道的使用方式是由媒体访问控制（MAC）协议决定的，为了能够使传感器节点合理分配通信资源，避免众多节点在同一时间发射信号时产生碰撞冲突，对于信道接入技术的研究也越来越多。目前，对大多数传感器硬件平台而言，无线通信模块是传感器节点能量的主要消耗者，而 MAC 子层直接与物理层连接，即 MAC 协议直接控制着无线射频收发器的活动，决定何时发送数据或接收数据，所以 MAC 协议节能效率的好坏将严重影响网络的生命周期。
传感器节点的能量、存储、计算、通信带宽等资源有限，因而单个传感器节点的处理能力通常比较弱。无线传感器网络的强大功能需要众多节点密切协作才能实现。局部范围内的多点通信需要MAC协议协调节点间的无线信道分配，以高效的支持在整个网络范围内的路由选择与通信路径的正确连通。在设计无线传感器网络的MAC协议时，需要着重考虑以下几个方面[2，13]。
① 能源有效性。WSN的基本特征就是能量的局限性。在WSN中，无线通信是传感器能量的主要消耗。MAC 协议要尽可能地节约能源，如减少冲突和串音、最小化控制开销、降低占空比和尽量避免长距离通信。协议中还应包括折中机制，使用户可以在节能和提高吞吐量、降低延迟之间做出选择。另外，可利用多个频率段来减少传输时间，在节点处于空闲或完成阶段把无线电转为低功耗睡眠模式，避免在活跃和睡眠状态的额外转变以节省无线传输能量。由于目前节点的能量供应问题并没有得到很好解决，传感器节点本身能量不能自动补充或补充不足，节约能量成为传感器网络MAC协议设计首要考虑的因素。
② 可扩展性。通常大部分处于无人照看模式的传感器网络应用都部署大量的节点，并且在传感器网络生存期中存在节点数目、分布密度的不断变化、节点位置的移动以及新节点的加入等问题，所以无线传感器网络的拓扑结构具有动态性。因此，需要 MAC 协议具有可扩展性，以适应这种动态变化的拓扑结构。
③ 性能的综合测评。MAC协议的设计需要在多种性能间取得平衡。各项性能包括网络的公平性、实时性、网络吞吐量、带宽利用率等方面。各性能间的平衡往往比单个性能更重要。因为一个不平衡的协议即使某一环境下表现好，很可能在另一环境表现很差。比如，一个协议如果太频繁地关闭无线收发装置来节能，不仅使实时性和可靠性受到影响，包丢失引起的重传也会反过来影响节能的效果。
④ 分布式算法。由于传感器节点计算能力和存储能力受限，需要众多节点协同来完成某项应用任务，所以 MAC 协议运行分布式的算法可以更有效地避免由某些节点的失效造成网络瘫痪等现象发生。
⑤ 可靠性。可靠性包括无错误链路的仔细选择、对数据包的检测和修复等。在无线网络中，包丢失主要是由缓冲器溢出和信号干扰造成的。避免缓冲器溢出是由路由和MAC 协议共同担负的责任。可利用路由间均衡负载以减少达到转寄节点流量缓冲器的最大容量可能性，并利用 MAC 协议保证缓冲器管理机制的发送数据流的服务速率。因信号干扰而导致的包丢失可以通过使用高传输功率和阻止节点间媒介接入的竞争来减少。
综上所述，对于无线传感器网络信道接入的研究，其关键就是设计出优秀的MAC 协议。要在这些衡量的标准中取得一个很好的平衡，这比单个性能的提高更重要，因为传感器网络是面向应用的，所以本书针对用户不同的应用需求将传感器网络的MAC协议分为3个大类。
① 基于竞争的MAC 协议。即节点在需要发送数据时采用某种机制随机的使用无线信道，这就要求在设计的时候必须要考虑到如果发送的数据发生冲突，采用何种冲突避免策略来重发，直到所有重要的数据都能成功发送出去。
② 基于固定分配的MAC协议。即节点发送数据的时刻和持续时间是按照协议规定的标准来执行，这样以来就避免了冲突，不需要担心数据在信道中发生碰撞所造成的丢包问题。目前，比较成熟的机制是时分复用（TDMA）。
③ 基于按需分配的MAC协议。即根据节点在网络中所承担数据量的大小来决定其占用信道的时间。目前，主要有点协调（PCF）和无线令牌环控制协议（WTRP）两种方式。
2.2.2 基于竞争的信道接入技术
基于竞争的MAC 协议尝试通过使各传感器节点以最小复杂度、独立地进行运算的策略来保存能量。其基本思想是：传感器节点发送数据时，以某种竞争机制访问无线信道；如果发送的数据产生了碰撞，就按照某种策略重新发送数据，直到数据发送成功或放弃发送。最典型的基于竞争的随机访问MAC协议是载波侦听多路访问（Carrier Sense Multiple Access，CSMA）。IEEE 802.11 MAC协议的分布式协调工作模式采用带冲突避免的载波侦听多路访问（CSMA/CA）协议，目前大部分的基于竞争的无线传感器网络 MAC 协议都是在此基础上的改进。下面先介绍 IEEE 802.11 MAC 协议，再介绍几种最近提出的基于竞争的传感器网络MAC协议。
1.IEEE 802.11 MAC协议
IEEE 802.11 MAC协议有分布式协调（DCF）和点协调（PCF）两种访问控制方式[3]。这两种方式有各自的适用范围：PCF通过访问接入点来协调节点的数据收发，通过设置好的一定间隔时间查询当前哪些节点有数据发送的请求，很明显PCF是一种基于优先级的无竞争访问，显然CSMA/CA协议不会采用此种控制方式；DCF是通过物理载波侦听和虚拟载波侦听来确定无线信道的状态，其中物理载波侦听由物理层提供，而虚拟载波侦听由MAC层提供。
如图2-1所示，假设C在A的通信范围内，D不在A的通信范围，但在B的通信范围内。现在A需要向B发送数据，首先A向B发送一个请求帧（RTS），节点B返回一个清除帧（CTS）作为应答，在这两个帧中都有一个NAV字段，即网络分配矢量来表示这次数据交换需要的时间。节点C和D在侦听到这个消息后，不再发送任何数据，直到这次数据交换完成为止，其中NAV以均匀速率递减计数到零。图2-1 CSMA/CA中的虚拟载波侦听
2.S-MAC协议
S-MAC协议是在IEEE 802.11协议的基础上针对传感器网络节省能量的需求设计的。为了降低由于碰撞重传、串音、空闲侦听和控制消息可能造成的能量消耗，S-MAC协议采用以下机制。
① S-MAC协议引入了周期性侦听/睡眠的低占空比机制，通过控制节点的睡眠降低能量消耗。
② S-MAC协议沿用IEEE 802.11的RTS/CTS机制降低碰撞几率。
③ 通过网络分配矢量避免串音现象。
④ 将长消息分割为若干段消息并集中突发传送，减少协议控制消息的开销。
⑤ S-MAC协议将时间分为若干帧，每帧包括同步阶段、活动阶段和睡眠阶段。在同步阶段，节点广播一个同步分组SYNC，包含本节点的调度信息（节点何时睡眠）。在活动阶段，节点参照邻居的调度信息与邻居进行通信，并发送（或转发）在睡眠阶段发送队列内积存的数据分组。在睡眠阶段，节点关闭无线收发器，以节省能量。S-MAC协议的基本机制如图2-2所示。图2-2 S-MAC协议的基本机制
S-MAC协议实现简单，减少了空闲监听时间，避免了传输碰撞和串音现象，减少了协议控制开销，节省了能量开销。但由于周期性睡眠的原因，S-MAC协议数据的延迟较大，在不同的网络负载下，尤其是负载波动剧烈的情况下算法的效率将降低。
S-MAC协议实现的关键技术如下。（1）数据包的嵌套结构
在S-MAC 协议中，上一层数据包包含了下一层数据包的内容。数据包传送到哪一层，那一层只需要处理属于它的部分。（2）堆栈结构和功能
在S-MAC协议堆栈内，当MAC层接收到上层传送过来的数据包后，它就开始载波侦听。如果结果显示 MAC 层空闲，它就会把数据传到物理层；如果 MAC 层忙，它将会进入睡眠状态，直到下一个可用时间的到来，再重新发送。当 MAC 层在收到物理层传送过来的数据包后，先通过循环冗余校验（CRC）表示没有错误，MAC层就会将数据包传向上层。（3）选择和维护调度表
在开始周期性侦听和睡眠之前，每个节点都需要选择睡眠调度机制并与邻居节点一致。如何选择和保持调度机制分为以下3种情况。
① 节点在侦听时间内，如果它没有侦听到其他节点的睡眠调度机制，则立即选择一个睡眠调度机制。
② 当节点在选择和宣布自己的调度机制之前，收到了邻居节点广播的睡眠调度机制，它将采用邻居节点的睡眠调度机制。
③ 当节点在选择和广播自己的睡眠调度机制之后，收到几种不同的睡眠调度机制时，就要分以下两种情况考虑：当节点没有邻居节点时，它会舍弃自己当前的睡眠调度机制，采用刚接收到的睡眠调度机制；当节点有一个或更多邻居节点时，它将同时采用不同的调度机制。（4）时间同步
在S-MAC协议中，节点与邻居节点需要保持时间同步来同时侦听和睡眠。S-MAC协议采用的是相对而不是绝对的时间戳，同时使侦听时间远大于时钟误差和漂移，来减少同步误差，并且节点会根据收到的邻居节点的数据包来更新自己的时间，从而与邻居节点保持时间同步。（5）带冲突避免的载波侦听多路访问
带冲突避免的载波侦听多路访问（CSMA/CA）的基本机制是在接收者和发送者之间建立一个握手机制来传输数据。
握手机制是：由发送端发送一个请求发送（RTS）包给它的接收者，接收者在收到以后就回复一个准备接收（CTS）包，发送端在收到CTS包后，开始发送数据包，RTS与CTS之间的握手是为了使发送端和接收端的邻居节点知道它们正在进行数据传输，从而减少传输碰撞。
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