传感器网络
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2023年3月3日发(作者：苏州月嫂公司)无线传感器网络的基本知识点(总
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I无线传感器网络概述
一、无线传感器网络的概念
无线传感器网络的3个基本要素为传感器、感知对象和观察者。
无线网络是传感器之间、传感器与观察者之间的通信方式，用于在
传感器与观察者之间建立通信路径；协作地感知、采集、处理、发
布感知信息是无线传感器网络的基本功能。
一组功能有限的传感器协作地完成大的感知任务是无线传感器网络
的重要特点。
传感器主要由感知单元、传输单元、存储单元和电源组成，完成感
知对象的信息采集、存储和简单的计算后，传输给观察者以提供环
境的决策依据。
观察者是无线传感器网络的用户，是感知信息的接收和应用者。观
察者可以是人，也可以是计算机或其它设备。
感知对象是观察者感兴趣的监测目标，也是无线传感器网络的感知
对象。
一个无线传感器网络可以感知网络分布区域内的多个对象，一个对
象也可以被多个无线传感器网络所感知。
二、无线传感器网络的特点
（1）硬件资源有限
（2）电源容量有限
（3）无中心
3
（4）自组织
（5）多跳路由
（6）动态拓扑
（7）节点数量众多，分布密集
三、无线传感器网络的学术界研究进展
1、网络技术（不太懂）
2、通信协议
无线传感器网络协议要有不同于传统AdHoc和因特网通信协议的原
因如下：
（1）传感器网络中的传感器节点数量远大于AdHoc网络中的节点
数；
（2）感知节点出现故障的频率要大于AdHoc网络；
（3）感知节点要比因特网和AdHoc网络中的节点简单；
（4）感知节点的能量有限；
（5）因特网的数据报头对于传感器网络来说太长，例如，每个节点
必须有一个永久的地址。
美国一些大学提出了有效的协议如下：
包括谈判类协议（如SPIN-PP协议、SPIN-EC协议、SPIN-BC协议、
SPIN-RL协议）、定向发布类协议、能源敏感类协议、多路径类协
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议、传播路由类协议、介质存取控制类、基于Cluster的协议、以
数据为中心的路由算法。
3、感知数据查询处理技术
四、无线传感器网络的研究热点
1、MAC层协议
无线传感器网络的MAC层协议必须达到如下2目标。
（1）创建网络基础设施。由于数千个传感器节点密集分散在感知区
域，MAC层协议必须为数据传输建立通信链路。
（2）在传感器节点间公平有效的共享通信资源。传统的无线MAC层
协议或者没有考虑能源有效性，或者需要全局协调，因此，需要根
据无线传感器网络的特点设计简单高效的MAC层协议。
2、路由
路由是无线传感器网络的一个核心问题。传统的无线AdHoc路由技
术通常不符合无线传感器网络的需求，无线传感器网络的路由必须
考虑能源有效性需求，以数据为中心，或者利用位置信息进行路
由。在路由过程中同时需要考虑数据融合等操作。因此，无线传感
器网络的路由协议既要有有效维持数据传输通路，又要减少网络中
的通信量，还要具有一定的鲁棒性。
3、能源感知计算
5
如何有效节省能源是无线传感器网络的一个核心问题。能源节省涉
及节点的能源管理、网络范围内能源优化以及自适应能源/精度计
算。在传感器节点上，需要实现计算、通信和存储相互协调的能源
管理。在网络范围内，需要考虑通信的分布、拓扑管理、计算/通信
的权衡以及如何减少通信的额外开销。同时，需要网络和应用相互
配合，实施自适应能源/精度计算，有效减少能源消耗。
4、自组织
无线传感器网络的自组织可以通过2种方式实现，或者以层次结构
的方式进行管理，或者采用对等管理方案。层次结构管理方案涉及
组的自动生成，可以按照固定大小生成组，或者按照环境和应用的
相关属性生成组。在对等方式管理中，每个传感器节点地位相同，
需要研究如何通过局部对等的交互完成全局目标。
5、时间和空间约束
无线传感器网络的物理耦合性，导致其必须使用物理时间对所感
知的事件建立关联，而传感器节点又通常基于空间关系决定所要采
取的动作。因此，无线传感器网络具有时间和空间的约束关系。
无线传感器网络的许多应用，如数据融合、信号处理，需要多个
节点具有彼此同步的物理时钟。为了达到能源有效性，无线传感器
网络的时钟同步应充分按照硬件特性，并考虑同步机制和同步方
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式。无线传感器网络不应持续同步，而应在需要时同步，同时为了
消除网络延迟的影响，应在接收者之间进行同步。
位置是建立传感器节点空间关系的一种机制。在普及计算中，位
置作为一种重要的上下文信息，得到深入研究。但其解决方法大多
需要事先组织，不能适应无线传感器网络任意部署、规模大的特
点。对于无线传感器网络而言，其位置系统必须具有良好的可扩展
性、容错性和健壮性，并能够适应资源有限的约束。
6、编程模型
为了有效支持无线传感器网络的应用，还需考虑编程模型的问题。
目前存在两种编程模型：分布数据库模型和分布虚拟机模型。分布
数据库模型支持说明性语言，可使用扩展SQL语言编写应用，能够
有效支持无线传感器网络数据查询操作，但对协同信号处理等应用
支持不足。分布虚拟机模型支持传统过程式语言，提高高层指令，
可有效减少代码的长度，并可实现自动代码划分、放置与迁移。除
此之外，还可考虑如TupleSpac等模型，并考虑能否从并行计算
中得到启发。
7、协同的信号处理
无线传感器网络的许多应用（如多目标跟踪、目标识别），需要多
个传感器节点相互交换获取的多种数据协同处理才能完成。传统的
信号处理方法主要研究在无限资源下如何优化估计。而对于能源有
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限和多种应用的无线传感器网络而言，仔细选择参与协作的节点，
根据资源消耗或应用需要均衡信息分布，是至关重要的问题。特别
由于网络密集分布特性，产生的信息高度冗余，而网络带宽又严重
受限，高效的数据融合算法将非常重要。
8、安全
无线传感器网络可能会遇到窃听、消息修改、消息注入、路由欺
骗、拒绝服务、恶意代码等安全威胁。另外，在无线传感器网络
中，安全的概念也发生了变化，通信安全是其中重要的一部分，隐
私保护日渐重要，而授权重要性则降低。目前无线传感器网络的安
全研究仅处于起步阶段，需依据无线传感器网络的特点，针对无线
传感器网络的安全威胁，研究新型的安全协议和安全策略。
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II无线传感器网络体系结构
一、无线传感器网络节点构成
二、无线传感器网络生成过程
无线传感器网络的形成方式多种多样，它以实际需求为目的，
按照合理的体系结构、通信协议进行快速组网。其生成过程归纳起
来，主要有4步。
第1步，传感器节点通过人工、机械、飞行器空投等方法进行随机
的撒播；
第2步，撒放后的传感器节点进入到自检和启动唤醒状态，每个传
感器节点会发出信号监控并记录周围传感器节点的工作情况；
第3步，这些传感器节点会根据监控到周围传感器节点的情况，采
用相关的组网算法，从而按预设方式或规律结合形成网络；
第4步，组成网络的传感器节点根据有效的路由算法选择合适的路
径进行数据通信。
三、无线传感器网络结构形式
无线传感器网络系统一般包括传感器节点（SensorNode）和汇聚节
点（SinkNode）。节点的布置过程是通过人工、机械、飞行器空投
等随机放置的方式完成的，密集地随机散落在被监测区域内。由于
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无线传感器网络工作区域的节点数量多、规模大，一般采取聚类分
层的管理模式，下图给出了无线传感器网络结构的一般形式。
Sensorfield
感知现场区域
A
B
C
D
E
Sensornodes
传感器节点
Sink
Taskmanagernode
任务管理节点
User
Internetand
satellite
节点布置好以后，以自组织形式构成网络，通过多跳中继方式将监
测数据传送到Sink节点，Sink节点也可以用同样的方式将信息发
送给各节点。最终借助长距离或临时建立的Sink链路将整个区域内
的数据传送到远程中心进行集中处理。Sink链路建立的方式有卫星
链路、撒播节点区域上空的无人机等。
无线传感器网络根据需求和应用环境的不同，其体系结构将在一般
形式基础上作相应的改进。下图描述的是无线传感器网络结构的一
种应用形式。
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远程数据库
远端用户
应用节点
固定节点
基站节点
四、无线传感器网络协议栈
1、协议栈概况
传输层
网络层
数据链路层
应用层
物理层
能
量
管
理
平
台
移
动
管
理
平
台
任
务
管
理
平
台
图无线传感器网络协议栈结构
（1）应用层
1）传感器管理协议（SMP）
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系统管理员通过SMP和传感器网络进行通信。SMP要访问节点，
就必须运用基于定位寻址的方式。
2)任务分配和数据广告协议（TADAP）
从用户的角度，整个传感器网络看起来更像一个数据库，可以从
里面查询需要的信息。如何按照一定的属性查询信息是个重要的课
题，它包括查询数据的组成形式、查询数据的路由选择等，合理的
选择查询属性和路由可以有效地节省能量。除了查询以外，另一个
方向是有用数据的广播，如何使有用的信息快速准确的传播到需要
使用这些信息的节点处，同时又不造成广播泛滥，节省宝贵的能量
也是亟待解决的问题。
传感器网络的一个重要运行方式就是“感兴趣”分发机制。用
户发送他们所感兴趣的内容给传感器节点、子集节点或整个传感器
网络。用户所感兴趣的内容包括整个环境的某一特定属性或者某一
触发事件。另外一种方法是节点把所获取的数据简要的，以广告的
方式发送回用户，用户启用询问机制，选择他们所感兴趣的数据。
应用层协议用软件的形式，以有效的界面为用户提供所感兴趣的消
息，这对底层操作很有用处，例如路由。
3）传感器查询和数据分发协议（SQDDP）
SQDDP把查询结果通过界面的形式提供给用户。应注意的是，这些
查询结果通常不只是某些特定节点发出的。而是基于某些属性或基
于某些位置。例如，温度超过60℃的节点所在位置，就是基于属性
进行寻址的查询。类似地，“获取区域A地温度”就是基于位置地
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查询。但是，对于每一个不同的传感器应用领域，SQDDP可能是唯
一的。
（2）传输层
当传感器网络需要和Internet或其他外部网络连接的时候，传
输层就尤其显得重要。然而，对于传感器网络传输层的研究不多。
目前，基于传输窗口机制的TCP协议并不能完全和传感器网络相匹
配。必须有一种方法使传感器网络能和别的网络相互联系。在这种
方法中，TCP连接以Sink节点结尾，同时一种传输协议能够处理
Sink节点和传感器节点的通信。这样，用户和Sink节点之间以UDP
或TCP的方式通过Internet或卫星来通信。另一方面，在Sink节
点和传感器节点之间，纯粹通过UDP的方式来通信，这是因为每个
传感器节点的存储能力有限。
这和TCP协议不一样，在传感器网络中的端到端通信方式没有
基于全球地址的通信方式。这种方式必须考虑运用基于属性进行寻
址命名的方式，显示数据包的目的。因此，就需要一种新的传输层
协议。
研究传输层协议是一项具有挑战性的任务。尤其是硬件的限
制，这包括能量和存储容量的限制。因此，传感器网络的节点不能
像Internet网络服务那样存储大量的数据。因此，在Sink节点处
必须分离端到端的通信方式，在传感器网络中采用UDP类型的协
议，在Internet或卫星网络中采用传统的TCP/UDP协议。
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（3）网络层
网络层主要研究传感器网络通信协议和各种传感器网络技术。
传感器通信网络协议第1方面的研究是通过分析模拟，研究现
有通信协议的性能，确定各种现有协议对于传感器网络的可用性及
其优缺点。
传感器通信网络协议第2方面的研究是以数据为中心的新的通
信协议的研究，包括通用能源有效性路由算法、面向应用的能源有
效性路由算法的研究、动态传感器网络的路径重构技术的研究。
除了上述2个方面的研究问题，网络层还有很多其他方面的研
究问题，如可扩展的强壮传感器网络结构的研究、传感器节点的自
适应控制技术的研究、资源受限的传感器网络设计策略和性能优化
技术的研究、具有局部信息管理能力的能源极低的传感器节点的设
计与管理技术的研究、感知数据处理策略的研究、异构传感器网络
技术的研究、传感器网络的安全与认证机制的研究、嵌入与组合系
统技术的研究、能源有效的介质存取、错误控制和流量管理技术的
研究、移动传感器网络技术的研究、传感器网络的自扩展、自适应
和自重构技术的研究、传感器网络中传感器节点协作和分组管理技
术的研究、传感器网络中的时间同步技术的研究、数据分发、融合
和信息处理技术的研究、仿真技术与仿真系统的研究等。
一个区域内的传感器节点的分布是不均匀的散落在各个位置。
AdHoc路由技术以及已有的路由技术并不适合传感器网络的要求，
AdHoc网络和传感器网络的不同之处：
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(a)传感器网络中的感知节点的数量远远大于AdHoc网络；
(b)传感器网络中的感知节点被密集的分布；
(c)传感器网络中的感知节点容易失效；
(d)传感器网络的拓扑结构变化频率快；
(e)传感器网络中的感知节点采用广播的方式通信，而AdHoc
网络是基于点对点的通信；
(f)传感器网络中的感知节点的能量、计算能力和存储能力都有
限；
(g)由于传感器网络中的节点数量太大而可能不需要唯一标识
（ID）。
那么传感器网络的路由协议必须达到什么要求呢
(a)能量效率始终是需要重点考虑的；
(b)传感器网络总的来说就是一个数据库；
(c)在不打扰传感器节点之间相互合作的前提下，进行数据融
合；
(d)一个理想的传感器网络必须是基于属性进行寻址和位置明
确。
以下是一个能量效率路由的例子，用下图来说明每一个步骤。
节点T是一个源节点，用来感知环境。它有如下4条路径可以和
Sink节点进行通信（其中：PA是可用能量；α是把数据包通过所选
路径传输所需的能量）。
路由1：Sink-A-B-T，totalPA=4，totalα=3。
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路由2：Sink-A-C-T，totalPA=6，totalα=6。
路由3：Sink-D-T，totalPA=3，totalα=4。
路由4：Sink-E-F-T，totalPA=5，totalα=6。
(a)最大可用能量（PA）路由：把一条拥有最大可用能量的
路径作为首选路由。通过把沿着某条路径所有节点的PA进行相加，
找出其值最大的一条路径。基于这种算法，在下图中应该选择路由
2。但是，路由2包括了路由1的节点和一个额外的节点。因此，虽
然路由2拥有最大值PA，但是它不是能量有效路由。如果传感器节
点和Sink节点之间存在如上情况可2选1的路径，那么这两条路径
都可以不考虑，这一点很重要。那么，就应该把路由2删除。在利
用最大PA路由方法时，则应该选择路由4作为能量有效路由。
(b)最小能量（ME）路由：选择一条路径，能在Sink节点和
传感器节点间用最小能量传输数据包，这就是最小能量（ME）路
由。在下图中，路由1为最小能量（ME）路由。
(c)最小跳数（MH）路由：把到达Sink节点所需最小跳数的
路径作为首选路由。在图中，基于该方案的路由应为路由3。值得
注意的是，当总能量相等的时候，ME方案选择同样的路由作为ME，
所有的α值一样，被用于每一条连接。因此，当节点以相同的能量
进行广播，不加入任何能量控制，那么MH就等同于ME。
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Sink
α
1
=1
α
2
=1
α
4
=2
α
3
=2
α
6
=2
α
7
=1
α
8
=2
α
9
=2
α
10
=2
α
5
=2
B(PA=2)
C(PA=2)
D(PA=3)
T
A(PA=2)
F(PA=4)
E(PA=1)
另外一个重要问题就是，路由机制也必须要基于数据为中
心。在数据-中心路由协议中，执行信息分发，给每个传感器节点分
配感知任务。有2种方法用于信息分发：Sink节点广播消息；传感
器节点广播所获取数据的消息，等待Sink节点的查询消息。
数据-中心路由要求基于属性的命名。传感器网络是以数据为中
心（Data-Centric）的网络。以数据为中心是指中继节点可以查看
数据内容并进行处理。对于用户来说，感兴趣的是传感器产生的数
据，而不是传感器本身。用户会查询“温度高于60℃的区域在哪
里”，而不是查询“A节点测出的温度为多少”。因此，数据融合
技术是很有用的。用户发出查询指令通过Sink节点进行“兴趣”分
发，符合查询条件的多个传感器节点将会把信息传回Sink节点。在
多个源节点和同一个目的节点通信时，可以通过网络内部的数据融
合将各处传感器节点的信息更加简练、明白地展现给用户。这不仅
避免了数据冗余，提供了通信效率，也节约了能量。
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在数据-中心路由算法中，数据融合技术被用于解决数据闭塞和
重叠的问题。数据融合技术是一种数据局部处理策略。所谓数据融
和从军事应用的角度来看，是指将来自多传感器和信息源的数据和
信息加以联合（Association）、相关（Correlation）和组合
（Combination），以获得精确的位置估计和身份估计，以及对战场
情况和威胁及其重要程度进行适时的完整评价。目前，尽管关于数
据融合技术还没有形成一套完整的理论体系和方法，但是，致力于
该项技术的研究在增加。
这一技术，通常用“倒树”多点传送的方式来感知传感器网
络。Sink节点询问传感器节点，传感器节点报告所监控环境的情
况。当拥有同一环境属性的传感器节点的数据到达同一路由节点
时，这些数据融合起来，通过这一方法返回到Sink节点。
例如，传感器节点E融合了节点A和B的数据，节点F融合了
节点C和D的数据。从许多传感器节点把数据进行融合，从而能够
形成一条很有意义的信息。同时，我们在进行数据融合时也必须留
意不要把一些数据丢失，例如传感器节点所报告自己的位置等。在
某些运用中，这些特殊的数据是必须的。
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A
E
G
Sink
F
C
D
B
到目前为止，研究人员提出的数据融合方法不少，其中，波束
生成（Beamforming）算法是一类在无线传感器网络中应用较多的具
有代表性的方法。波束生成算法将多个传感器采集的信号进行过
滤、组合：
lnSlwny
i
N
i
L
l
i
11
][
式中：Si(n)表示第i个传感器采集的信号；Wi(n)表示第i个信
号的权重过滤器；N表示参与该次融合的传感器数量；L表示过滤器
的开关（Tap）数量。
权重过滤器用于满足最优化标准。一些波束生成算法如最小均
方（LMS，LeastMeanSquared）误差方法和最大能量波束生成
（MaximumPowerBeamforming）算法均致力于开发性能优良的权重
过滤器。这些算法都在能量和性能之间选择一种折中方案。比如：
最大能量波束生成算法具备在不了解传感器位置的前提下执行盲目
波束生成（BlindBeamforming）的能力，然而，这种算法计算量过
于集中，意味着执行该任务的节点很快耗尽有限的能量。
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网络层另外一个重要功能就是为Internet网络提供外部网络，
例如其他的传感器网络，命令和控制系统。在某一特定时刻，Sink
节点能够作为一个网关，成为和别的网络通信的中枢。
以下讨论为传感器网络网络层提出的各种方案。
节点计算所需消耗的能量（处理器能量模型）按以下公式计
算：
2
ddC
NCVE
式中：N是每个任务所需的时钟周期数；C是每个时钟周期的平
均电容量；Vdd是供应电压值。
处理器非正常（即泄漏）消耗的能量：
f
V
eIVfVET
dd
nV
V
ddddleak0
,
节点在满负荷运行的时候，Eleak值可以忽略不计。但是在处理器
处于低负载状态下，Eleak值占总能耗值的比重变得较大，计算能耗需
要考虑Eleak值。
目前，针对计算能耗所采取的节约措施主要有：
（1）对节点采集的数据进行局部处理，如采用上述的数据融合
技术，减少网络总计算量；
（2）节点采用支持DVS（DynamicVoltageSealing）技术的
微处理器芯片（如StrongARMSA-1100），同时安装具有动态能量
管理（DPM，DynamicPowerManagement）功能的嵌入式操作系统
（如MIT的μ-OS）。
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节点u和v之间传输数据所需要的能量可以用模型
nvutdvup,,来表示。其中：t是常数；vud,表示节点u和v之间
距离；n≥2，路径传输消耗指数。接收数据所需能量为c。通过节
点u和v之间距离的第n个能量，当vup,值增大，在节点u和v之
间直接传输数据需要的能量就更多。用r表示节点u（比如u0）和
节点v（比如uk）之间的路径，那么
k
uur,,
0
，长度为k。节点u0
和uk之间消耗的总能量为
1
0
1
,
k
i
ii
cuuprC
式中：
1
,
ii
uup是节点ui和ui+1之间传输数据所需要的能量；c
是接收数据所需要的能量。
网络层主要关注于路由技术。由于传感器网络节点能量有限，
所以路由设计一般将能效高放在第1位，将服务质量（QoS）放在第
2位考虑，因此无线传感器网络必须设计新的讲究高能效的路由协
议。如新的SPIN、DirectedDiffusion、LEACH、TEEN、PEGASIS
等。
传感器网络中的路由协议分为平面型和层次型2种，但大都采
用多跳形式在节点和易移动的Sink节点之间建立连接。
a）泛洪法（Flooding）
泛洪法（Flooding）是一种传统的网络通信路由协议，不需要
维护网络的拓扑结构和路由发现算法。一节点S希望发送一块数据
给节点D，使用泛洪法，节点S首先通过网络将数据副本传送给它
的每一个邻居节点，每一个邻居节点又将其传输给各自的每一个邻
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居节点，除了刚刚给它们发送数据副本的节点S外。如此继续下
去，直到将数据传输到目标节点D为止，或者为该数据所设定的生
命期限变为零为止，或者所有节点拥有此数据副本为止。
泛洪法所具有的优点是：
（a）实现简单；
（b）不需要为保持网络拓扑信息和实现复杂的路由发现算法而
消耗计算资源；
（c）适用于健壮性要求很高的场合。
表现不足的地方主要有：
A.存在信息爆炸（Implosion）问题，即出现一个节点可能得
到一个数据多个副本的现象；
B.出现
（4）链路层
（5）物理层
各管理平台如下：
1.能量管理平台
能量管理平台对节点如何使用自身的有限能量进行管理。例
如，如果一个传感器节点收到一个相邻节点的信号，它就有可能关
掉它的接收机。这就避免了接收冗余信息。同样，当一个节点的能
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量比较低的时候，它就会广播给它的相邻节点，告知它的能量很
低，不能参加路由信息。剩余的能量用于保留感知信息。
2.移动管理平台
移动管理平台用于发现和注册移动的传感器节点，从而节点能
够跟踪和判别它们的相邻节点。知道了它们的相邻节点，就能平衡
的利用能量和完成任务。
3.任务管理平台
任务管理平台为某一特殊区域的传感器节点安排任务和时间计
划。并不是所有这一区域内的传感器节点都必须在同一时间执行感
知任务。这些管理平台都是必须的，只有这样，传感器节点才能结
合在一起，低功耗的工作，在节点间共享数据资源。如果没有这些
管理平台，传感器节点只能单独各自的工作。如果传感器节点能够
协同工作，那么就能提高整个网络的工作效率，可以延长传感器网
络的生命周期。
五、传感器网络的标准