1.1 无线传感器网络概述
无线传感器网络是物联网的重要组成部分，是物联网用来感知和识别周围环境的信息系统。无线传感器网络集成了传感器技术、嵌入式技术、计算机网络和无线通信技术等，在各个领域的应用不断扩展，被认为是21世纪最具有影响力的技术之一。
1.1.1 无线传感器网络的定义
无线传感器网络（WSN）是由大量静止或移动的传感器以自组织和多跳的方式构成的无线网络，目的是协作地探测、处理和传输网络覆盖区域内感知对象的监测信息，并报告给用户，从而实现物理世界、计算世界以及人类社会三元世界的连通。
从上述定义可以看到，传感器、感知对象和观察者是WSN的三个基本要素，这三个要素之间通过无线通信方式建立通信链路，协作地感知、采集、处理、传输信息。其中传感器是WSN的主要硬件，具有信息感知、数据处理、信息通信等功能。观察者是WSN的用户，是感知信息的接收者和应用者。感知对象是观察者感兴趣的监测目标，即WSN的感知对象。一个WSN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WSN感知。无线通信是传感器之间、传感器与观察者之间的通信方式，在传感器与观察者之间建立了通信链路。
1.1.2 无线传感器网络的主要性能指标
根据无线传感器网络（WSN）的特有结构及应用的特殊要求，其主要性能指标包括网络的寿命、覆盖范围和扩展性、网络搭建成本和响应时间。这些性能指标之间是相互关联的，通常提高其中一个指标可能会降低另一个指标，如降低网络的响应时间可以延长网络寿命。这些性能指标常用于评估一个WSN的整体性能。
1.网络寿命
影响网络寿命的首要因素是能量供给。网络中的每个无线传感器节点（在不引起歧义的前提下，有时称为节点）必须能够管理自身的能量供给以使网络寿命最大化，节点的最短寿命往往会成为限制WSN正常工作的重要因素。例如，安全监测应用中任意一个节点的失效都可能使整个系统失效。在大部分WSN中，无线传感器节点采用自身供电方式，其能量储备能够维持一定时间，或者这些节点能够通过附加设备从所处的环境中获取能量，如太阳能电池和压电换能装置。选择这些供电方式的前提是节点的平均能耗足够低。在已经确定了能量供给的情况下，决定网络寿命最主要的因素是无线收发器的能耗大小。无线收发器的能耗是无线传感器节点中最主要的能耗，可以通过降低传输信号的发射功率或者降低无线收发器的工作频率来降低能耗，但不管采用哪种方法都会影响网络其他方面的性能。
2.覆盖范围和扩展性
对于一个实际WSN来说，其覆盖范围通常是更有工程意义的性能指标。覆盖范围越大，终端用户使用就会更方便。覆盖范围越大，意味着信息传输经过的无线传感器节点越多，对于处于关键路径的节点来说，需要传输的次数也会越多，从而增加节点的能耗，降低网络寿命。
可扩展性是WSN的一大优点。用户可以先组建规模很小的WSN，随后不断增加无线传感器节点来采集更多的信息，该网络采用的技术必须能满足扩展的要求。值得注意的是，在网络扩展过程中，增加节点的数量会影响网络寿命和信息采集的速率。更多的节点意味着更多数据的传输和更多的能耗，原来的信息采集周期也会相应增加。
3.网络搭建成本和响应时间
在真实的应用环境中，不同的场景和目的制约着无线传感器节点的部署方式，节点不可能任意无限制地部署。在搭建WSN时，还应该能够自我评定网络组建的性能以及潜在的问题。从长远的角度来看，网络搭建成本还应包括网络维护费用，对于安全监测的应用，要特别保证网络性能的健壮性。除了在组建网络前需要进行软硬件测试，还必须建立具备自主维护功能的传感器系统，在需要维护时能产生要求维护的请求。在实际组建的网络中，维护和确认将会消耗一部分网络资源，网络诊断和重新设置也将减少网络寿命，同时还会降低网络的信息采集速率。
每个WSN都存在一个特定的响应时间，对于大多数WSN来说，响应时间不需要满足非常严格的要求。但是在安全监测类应用中，网络的响应时间则是主要的性能指标，在发生安全异常事件时必须立即发送报警消息。响应时间在工业过程控制中同样重要，例如，将WSN用于工业过程控制时，只有响应时间满足应用要求，才能保证实际应用的可靠性。
但是响应时间和网络寿命是相互制约的，如果每分钟开启一次无线收发器，则节点的平均能耗相对较低，但这在安全监测类应用中无法满足实时监测的要求。如果节点采用外部供电方式使其一直处于工作状态，则可以随时侦听报警消息并发送到控制中心，这样就可以保证响应时间，但这同时会增加网络部署的难度。
1.1.3 无线传感器网络的应用特征
无线传感器网络（WSN）作为一种新型的信息系统，与传统网络的区别主要体现在网络设备能量受限、通信方式以数据为中心、相邻节点的数据具有相似性、拓扑结构在不断变化等方面。另外，WSN中的无线传感器节点具有无线通信、感知和计算的功能，节点内部集成了嵌入式处理器、存储器、传感器、模/数转换器、无线收发器、电源等部件。节点通常是体积微小、价格低廉的嵌入式设备，资源十分有限。虽然现代技术的发展能够将更多的计算和存储资源集成在一个芯片上，甚至感知部件和通信部件都能够一起封装在单个芯片内，但是，各种应用对无线传感器节点的要求越来越高，节点在实际应用中仍然存在带宽、内存、能量和处理能力不足的现实约束。
1.WSN的特点
在物理环境中部署WSN，人们能够远程获取感知到的信息，扩大了人们对物理环境的感知。近年来，WSN引起了广泛关注，主要源于如下的显著特点。
（1）网络规模大且具有自适应性。为了获取精确信息，WSN通常将大量的无线传感器节点部署在大范围的地理区域或外部条件非常特殊的工作环境中，这一特点使得WSN的维护十分困难，甚至不可能进行维护，因此要求WSN的软硬件必须具有高可靠性和容错性。
WSN中的无线传感器节点都是平等的，每个节点既可以发送数据也可以接收数据，具有相同的数据处理能力和通信距离。节点的加入或者退出都不会影响WSN的运行，WSN能够立即重组，具有自适应性。除了汇聚节点，无线传感器节点的部署都是随机的，在WSN中以自己为中心，只负责自己通信距离内的数据交换。
（2）自组网性与自维护性。无线传感器节点具有自治能力，能够自主组网和自行配置维护，实时转发监测到的数据，能适应感知场景的动态变化，能够在无人值守条件下有效工作，特别适合在恶劣环境下工作，如战场、危险区域或人类不能到达的区域。另外，无线传感器节点通常随机部署在没有固定基础结构设施的地方，节点的位置和相互邻居关系也不能预先精确设定，这与通常使用的网络固定地址和关系明显不同。在WSN中每个无线传感器节点的地位平等，没有绝对的控制中心，可以在任何时刻和地点自动组网，这就需要WSN能够通过拓扑和网络通信协议自动进行配置和管理，形成多跳无线网络。同时，单个无线传感器节点或者局部几个无线传感器节点由于环境改变或能量耗尽等原因而失效时，网络拓扑应能动态变化。这就要求WSN具有自组织能力和自维护性，能够自动进行配置和管理，通过拓扑控制机制和网络协议，自动形成转发监测数据的多跳无线网络，才能保证WSN不会因为部分无线传感器节点出现故障而瘫痪。这种自组织工作方式主要包括：自组织通信、自调度网络功能以及自管理网络等。
（3）路由多跳性与网络动态性。无线传感器节点的成本低廉，可以大规模部署，能够快速形成覆盖范围广的WSN，通过多个无线传感器节点的协作，可对覆盖区域进行更精细、更全面的感知，避免出现感知盲区。同时，节点的冗余和自治特性也使WSN能够自主调整拓扑结构，增加感知的可靠性。
WSN中的无线传感器节点的通信距离有限，一般在几十米范围内，这些节点只能与它的邻居节点直接通信。如果希望与其射频覆盖范围之外的节点进行通信，则需要通过中间节点进行路由。传统固定网络的多跳路由通常使用网关和路由器来实现，而WSN中的多跳路由是由普通的无线传感器节点完成的，没有专门的路由设备。因此，每个无线传感器节点既可以是数据的发送者或接收者，也可以是数据的转发者。
WSN是一个动态的网络，由于事先无法确定无线传感器节点的位置，也不能明确它与邻居节点的位置关系。同时，有的无线传感器节点在工作中有可能会因为能量不足而失效，另外的无线传感器节点将会补充进来弥补这些失效的节点，还有一些无线传感器节点被调整为休眠状态，这些因素共同决定了网络拓扑的动态性。WSN中的无线传感器节点处于不断变化的环境中，它的状态也在相应地发生变化，网络拓扑也在不断地调整变化，这就要求WSN能够适应结构的随时变化，具有动态系统的可重构性。
（4）以数据为中心的网络。在互联网中，网际协议（Internet Protocol，IP）规定了所有连接到互联网上的计算机在进行通信时应当遵守的规则，任何厂家生产的计算机系统，只要遵守IP协议就可以在互联网上互联互通。在互联网中，一台主机要与其他主机进行通信，就需要建立一种标识方式，这就是IP地址。IP地址就好像电话号码，有了某人的电话号码，就能与他通话；有了某台主机的IP地址，就能够与这台主机通信。现有的互联网是在IPv4协议的基础上运行的，IPv4使用32位的二进制数表示地址，如162.105.129.11，这32位二进制数分为4段，每段8位为一个地址节，地址节之间用小数点隔开。为了方便，每个地址节都写成一个十进制数，每个数字的取值范围为0～255，最小的IP地址为0.0.0.0，最大的IP地址为255.255.255.255。然而32位地址空间资源有限，不能提供实现物联网所需的地址空间。为了促进互联网的进一步发展，满足用户的需求，提出了IPv6协议，它是用来替代现行的IPv4协议的一种新的IP协议。作为下一代互联网协议，IPv6采用128位的地址长度，写成8个16位的无符号整数，每个整数用4个十六进制数表示，这些数之间用冒号“：”分开，例如，3ffe：3201：1401：1280：c8ff：fe4d：db39：1984。IPv6是实现物联网的重要基石，它几乎可以不受限制地为全球用户和每一件物品分配一个IP地址。传统的计算机网络是信息传输的通用平台，网络路由器等中间节点主要用于数据分组的存储转发，接入网络的设备使用唯一的IP地址进行标识，资源定位和信息传输依赖于IP地址，所以习惯上称传统的计算机网络是以地址为中心的网络。
在WSN中，各无线传感器节点内置了不同的传感器，用以测量热、红外、声呐、雷达和地震波等信号，从而探测包括温度、湿度、噪声、光照度、压力、土壤成分，以及移动物体的大小、速度和方向等众多感兴趣的数据。因此WSN将无线传感器节点视为感知数据流或感知数据源，把WSN视为感知数据空间或感知数据库，实现对感知数据的收集、存储、查询和分析。WSN可以看成由大量低成本、低能量、低能耗、计算存储能力受限的无线传感器节点通过无线连接构成的一个分布式实时数据库，每个无线传感器节点都存储一小部分数据。
在WSN中，无线传感器节点没有全局标识符ID，构成的WSN与无线传感器节点编号之间的关系完全是动态的，表现为无线传感器节点编号与无线传感器节点位置没有必然联系。用户使用WSN查询事件时，直接将所关心的事件通告给WSN，而不是通告给某个确定编号的无线传感器节点。同样，WSN在获得指定事件的信息后汇报给用户。用户关心的是从WSN中获取的信息而不是WSN本身，以数据为中心是WSN区别于传统计算机网络的主要特点。
（5）应用相关性。WSN是无线网络和数据网络的结合，一般是为了某个特定需求而设计的。由于客观世界的物理量多种多样，不同的WSN应用所关心的物理量也不同，因此对WSN也有多种多样的要求。
不同的应用背景对WSN的要求不同，它们的硬件平台、软件系统和网络协议会有所差异。因此，WSN不可能像传统计算机网络那样，存在统一的通信协议平台。虽然也存在一些共性问题，但在开发WSN时只有让系统更贴近于具体应用，才能满足用户的需求。针对每一个具体应用来设计WSN，是WSN不同于传统计算机网络的显著特征。
2.WSN的资源限制
在WSN中，为降低网络搭建成本，无线传感器节点的体积、存储空间、处理能力都受到了很大的限制。在实际应用中，这些节点可能会部署在偏远、恶劣的环境下，其能量难以做到替换。因此，如何克服无线传感器节点的局限性、降低能耗或者使节点具备自动获取能量的能力，是目前WSN设计领域的一个重要技术问题。
（1）能量有限。在WSN的研究中，能耗问题一直是热点问题。当前的嵌入式处理器以及无线传输装置依然在向微型化发展，在WSN中会需要数量更多的无线传感器节点，种类也会多样化，将它们进行连接，会导致能耗加大。由于节点体积微小，通常携带能量十分有限的电池。由于无线传感器节点数量多、分布区域广，有些区域甚至人员不能到达，所以通过更换电池的方式来补充节点能量是不现实的。在WSN中每一个无线传感器节点都有自己的寿命，因此如何在现有的条件下最大限度地节省节点的能量，延长其寿命成了要重点考虑的因素。如何在使用过程中节省能量，最大化网络寿命，是WSN面临的首要挑战。
在无线传感器节点中，能耗最大的主要是传感模块、处理模块和无线通信模块。目前，随着集成电路工艺的发展，通过选择嵌入式处理器和传感器可以使相应模块的能耗降低。无线传感器节点中的绝大部分能量消耗在无线通信模块上。无线通信模块存在发送、接收、空闲和休眠四种状态。通常采用的方式是在空闲状态下，要求无线通信模块一直侦听无线信道的使用情况，检查是否有数据发送给本节点。在休眠状态下则要关闭无线通信模块，以此来延长无线传感器节点的寿命。近年来，从环境中获取能量受到了人们的广泛关注，这些能量可以来自光能、温差能、运动能以及电磁能等。受到这一理念的启发，国内外相关研究团队已经在开发与实践，这样就可在不久的将来部分解决WSN中的能量问题。
（2）计算和存储能力有限。为了能够更加精确地获得被监测区域内人们感兴趣的一些信息，WSN采用大量撒播的形式部署无线传感器节点。从成本上来考虑，每个节点的成本一定要低，所以节点中的嵌入式处理器的处理速度就比较低，只能处理相对简单的数据，并且存储容量也会受到限制，不适用于特别复杂的计算和存储。
在WSN中，无线传感器节点需要完成数据的采集和转换、数据的管理和处理、应答汇聚节点的任务请求，以及节点控制等多种工作。如何利用有限的计算和存储资源完成诸多协同任务成为设计WSN所必须考虑的问题。
（3）可靠性和安全性差。WSN中的无线传感器节点往往采用随机的方式部署，可能工作在露天环境中，遭受太阳的暴晒或风吹雨淋，甚至会遭到无关人员或动物的破坏。由于监测区域环境的限制以及无线传感器节点的数目巨大，不可能人工“照顾”每个节点。这些都要求节点非常可靠，不易损坏，适应各种恶劣环境条件。
对于自组织网络来说，由于每个无线传感器节点的通信距离是有限的，只能跟自己通信距离内的节点进行通信。非相邻节点之间的通信需要通过多跳路由的形式来进行，因此数据的可靠性没有点对点通信高。另外，由于无线信道容易受到干扰、窃听等，保密性能差。因此，WSN的保密性和安全性就显得非常重要。WSN要综合考虑无线信道的保密性、可靠性和抗干扰能力，以保证WSN的安全。因此，WSN的软硬件必须具有健壮性和容错性。