摘  要： 从理论上描述了无线传感器网络的特性及关键技术，阐述了其广阔的发展前景。无线传感器网络可以感知周围环境，把采集的信息发送给数据使用者。由于无线传感器网络节点具有成本低、功耗低的优点，使其可以大范围地应用在一定区域。
关键词： 无线传感器网络；数据采集

     随着传感器、集成电路和低功耗射频技术的飞速发展，传感器节点的成本和功耗得到了有效控制，进而使得传感器节点的大规模应用成为可能。在这种技术背景下，无线传感器网络逐渐完善并发展成熟。
1 无线传感器网络的简介[1]
1.1 无线传感器网络的节点组成结构
    传感器节点到目前经过了四代的发展，在不同的应用背景下，传感器节点的具体设计有不同，但基本结构是类似的。与此同时，传感器节点在无线传感器网络中充当数据采集者、数据中转站或类头节点的角色始终没有发生变化。一个典型的节点结构由传感器节点、信号处理电路、模/数（A/D）转换器、微处理器、电池及电源管理电路、存储器和射频模块等构成，如图1所示。

    传感器模块用于监测目标的信息采集和数据转换。一个节点可以监测多个监测目标，同时，一个监测目标也可以被多个节点感知。A/D转换器将物理信号转换为数字信号，并传送到数据处理模块。微处理器负责协调节点各部分的工作，通常选用嵌入式处理器。电池及电源管理为节点提供正常工作所需要的能量，通常选用干电池。存储单元为数据提供暂时存储服务。射频模块由低功耗、短距离的无线通信模块组成，主要负责与其他节点进行通信。
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体系结构包括传感器节点、任务管理节点和汇聚节点[2]，如图2所示。传感器节点的射频覆盖范围比较小，可以实现对感知区域内信息的采集、分析和处理任务，然后经过多跳路由的方式将数据发送到汇聚节点。汇聚节点具有较强的数据发射能力，数据信息会通过汇聚链路发送到任务管理节点进行进一步的处理，汇聚链路可以是互联网、卫星通信等。任务管理节点是数据的使用者，主要负责对采集的信息进行分析处理。
2 无线传感器网络的特性[3]
2.1 电源能量有限
    无线传感器网络节点的供电方式（干电池）决定了其容量十分有限，同时，无线传感器网络节点分布广阔等特点也决定了使用过程中补充能量的不现实性。当电量使用完毕时，网络节点也就失去了作用，称之为节点死亡。当网络节点的死亡数达到限制数时，无线传感器网络就不能组网传递数据，这个无线传感器网络就失去了价值。网络节点的耗能单元模块包括传感单元、处理单元和通信单元，其中通信单元消耗了绝大多数的能量，如图3所示。

    因此，无线传感器网络技术发展到现在，任何设计模式都必须以节能、延长网络使用时间为前提。
2.2 通信能力有限
   无线传感器网络能量消耗和通信距离的关系为：
     E=kDn  （2<n<4）                        （1）
其中，k表示常量系数，D表示通信距离，节点的通信半径一般取值为30 m~150 m。n的值与网络中障碍物和电磁干扰等成正比。
2.3 以数据为中心
     以数据为中心指的是在无线传感器网络中数据使用者只关注某个网络区域内的某个观测指标的数值，而不是关注具体节点的数据信息。这就要求无线传感器网络能够快速有效地组织各个网络节点的信息并进行融合处理，将有用的信息数据发送给数据使用者，节点的融合处理能力可以减少在传送过程中的能量消耗，延长网络的生存时间。
2.4 无中心
    在无线传感器网络中每个节点的地位都是平等的，节点启动后能够自动进行参数配置，并通过分布式的算法来协调彼此的行为，任何节点都可以随时加入或退出网络，也可以通过拓扑结构控制和网络协议随时随地快速展开并自动构成一个独立的多跳网络，无需任何人工干预和预置的网络设施。这也就是无线传感器网络被称为“智能尘埃”的奥妙之处。
2.5 路由方式
    在无线传感器网络中，由于节点资源有限等特点，导致了节点无法与接收器节点直接进行数据通信，因此在实际应用中大多都是采用多跳的路由方式。
2.6 可移动性
    无线传感器网络中的网络节点是在特定区域中随机播撒的，因此具有可移动性。当节点位置布置好后，相对就比较固定，而且网络结构也不会发生变化，只有当某些节点死亡或者是有新的节点加入时才发生变化。
无线传感器网络中的网络节点由于受限于价格、体积和能耗等资源因素，导致了计算能力、存储能力以及通信方式都比较有限，因此设计有效的协议算法、提高节点的数据融合能力是无线传感器网络发展的主要挑战。
3 无线传感器网络关键技术
3.1 操作系统
    无线传感器网络的节点是一个微型的嵌入式系统，Windows和Unix等传统的操作系统已经不能满足无线传感器网络对于节点高效利用的新需求。因此，需要一种新的操作系统来满足节点资源有效利用的需求。目前，研发人员已经开发了几种适用于无线传感器网络的操作系统，其中占据主导地位的是由美国加州大学伯克利分校开发的TinyOS，其他比较普遍的系统还有美国科罗拉多大学MANTIS项目组开发的开源多线程操作系统MantisOS、加州大学洛杉矶分校网络和嵌入式实验室开发的操作系统SOS、瑞典计算机研究所开发的多任务开源操作系统Contiki以及康奈尔大学开发的分布式操作系统MagneOS等。
3.2 路由协议
    路由协议在无线传感器网络中起着非常重要的作用，不仅关系到单个节点的耗能，同时也关系到整个网络的能量均衡消耗。因此，高效的路由协议不仅可以维持数据传输通路，而且还应该具有一定的鲁棒性。
3.3 数据融合
    无线传感器网络的节点数目多、分布广，获取的数据信息具有很大的冗余度，如果将冗余数据传输给用户管理节点进行集中处理，不仅会造成网络通信量大，而且传输数据过程中也会消耗过多的能量。因此，网络节点需要对获取到的数据进行融合处理，在保证信息准确性的前提下，达到节能的目的。
3.4 定位技术

    无线传感器网络的节点定位技术是指确定每个节点在网络中的相对或绝对地理坐标，使用该技术，无线传感网络可以智能地选取特定区域的节点来进行数据采集。定位技术不仅可以降低无线传感网络的耗能，同时可以延长网络的使用时间。
3.5 网络安全
    无线传感器网络在进行数据采集、融合和传输的过程中可能会遇到窃听、消息修改等安全威胁。针对这些问题，无线传感器网络SPINS安全框架在机密性、完整性鉴别及认证广播等方面都提出了完整有效的机制算法，这些机制算法对于无线传感器网络的安全性起到了有效的保护。
无线传感器网络凭借其自身的优点，目前已在军事、环境监控、空间探索等领域取得了有效的利用，并表现出了巨大的优势。国内对于无线传感器网络的研究才刚刚起步，在无线传感器网络方面的研究工作还不多，但是随着研究的深入，该理论无论在国家安全还是在国民经济等方面都将有更广泛的应用前景，对整个国家的社会、经济都将有重大的战略意义。
参考文献
[1] 孙利民．无线传感器网络[M]．北京：清华大学出版社，2005．
[2] 商士栋．基于CC1100的无线传感器网络系统研究[D]．武汉：武汉科技大学，2007．
[3] 李成大，张京，龚茗茗．无线传感器网络及其应用综述[J].成都电子机械高等专科学校学报，2007（3）：10-14．