1.1　無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)概述

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是物聯(lián)網(wǎng)的重要組成部分，是物聯(lián)網(wǎng)用來(lái)感知和識(shí)別周圍環(huán)境的信息系統(tǒng)。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)集成了傳感器技術(shù)、嵌入式技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和無(wú)線通信技術(shù)等，在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用不斷擴(kuò)展，被認(rèn)為是21世紀(jì)最具有影響力的技術(shù)之一。

1.1.1　無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的定義

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）是由大量靜止或移動(dòng)的傳感器以自組織和多跳的方式構(gòu)成的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，目的是協(xié)作地探測(cè)、處理和傳輸網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域內(nèi)感知對(duì)象的監(jiān)測(cè)信息，并報(bào)告給用戶，從而實(shí)現(xiàn)物理世界、計(jì)算世界以及人類社會(huì)三元世界的連通。

從上述定義可以看到，傳感器、感知對(duì)象和觀察者是WSN的三個(gè)基本要素，這三個(gè)要素之間通過(guò)無(wú)線通信方式建立通信鏈路，協(xié)作地感知、采集、處理、傳輸信息。其中傳感器是WSN的主要硬件，具有信息感知、數(shù)據(jù)處理、信息通信等功能。觀察者是WSN的用戶，是感知信息的接收者和應(yīng)用者。感知對(duì)象是觀察者感興趣的監(jiān)測(cè)目標(biāo)，即WSN的感知對(duì)象。一個(gè)WSN可以感知網(wǎng)絡(luò)分布區(qū)域內(nèi)的多個(gè)對(duì)象，一個(gè)對(duì)象也可以被多個(gè)WSN感知。無(wú)線通信是傳感器之間、傳感器與觀察者之間的通信方式，在傳感器與觀察者之間建立了通信鏈路。

1.1.2　無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的主要性能指標(biāo)

根據(jù)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）的特有結(jié)構(gòu)及應(yīng)用的特殊要求，其主要性能指標(biāo)包括網(wǎng)絡(luò)的壽命、覆蓋范圍和擴(kuò)展性、網(wǎng)絡(luò)搭建成本和響應(yīng)時(shí)間。這些性能指標(biāo)之間是相互關(guān)聯(lián)的，通常提高其中一個(gè)指標(biāo)可能會(huì)降低另一個(gè)指標(biāo)，如降低網(wǎng)絡(luò)的響應(yīng)時(shí)間可以延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)壽命。這些性能指標(biāo)常用于評(píng)估一個(gè)WSN的整體性能。

1.網(wǎng)絡(luò)壽命

影響網(wǎng)絡(luò)壽命的首要因素是能量供給。網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)（在不引起歧義的前提下，有時(shí)稱為節(jié)點(diǎn)）必須能夠管理自身的能量供給以使網(wǎng)絡(luò)壽命最大化，節(jié)點(diǎn)的最短壽命往往會(huì)成為限制WSN正常工作的重要因素。例如，安全監(jiān)測(cè)應(yīng)用中任意一個(gè)節(jié)點(diǎn)的失效都可能使整個(gè)系統(tǒng)失效。在大部分WSN中，無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)采用自身供電方式，其能量?jī)?chǔ)備能夠維持一定時(shí)間，或者這些節(jié)點(diǎn)能夠通過(guò)附加設(shè)備從所處的環(huán)境中獲取能量，如太陽(yáng)能電池和壓電換能裝置。選擇這些供電方式的前提是節(jié)點(diǎn)的平均能耗足夠低。在已經(jīng)確定了能量供給的情況下，決定網(wǎng)絡(luò)壽命最主要的因素是無(wú)線收發(fā)器的能耗大小。無(wú)線收發(fā)器的能耗是無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)中最主要的能耗，可以通過(guò)降低傳輸信號(hào)的發(fā)射功率或者降低無(wú)線收發(fā)器的工作頻率來(lái)降低能耗，但不管采用哪種方法都會(huì)影響網(wǎng)絡(luò)其他方面的性能。

2.覆蓋范圍和擴(kuò)展性

對(duì)于一個(gè)實(shí)際WSN來(lái)說(shuō)，其覆蓋范圍通常是更有工程意義的性能指標(biāo)。覆蓋范圍越大，終端用戶使用就會(huì)更方便。覆蓋范圍越大，意味著信息傳輸經(jīng)過(guò)的無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)越多，對(duì)于處于關(guān)鍵路徑的節(jié)點(diǎn)來(lái)說(shuō)，需要傳輸?shù)拇螖?shù)也會(huì)越多，從而增加節(jié)點(diǎn)的能耗，降低網(wǎng)絡(luò)壽命。

可擴(kuò)展性是WSN的一大優(yōu)點(diǎn)。用戶可以先組建規(guī)模很小的WSN，隨后不斷增加無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)來(lái)采集更多的信息，該網(wǎng)絡(luò)采用的技術(shù)必須能滿足擴(kuò)展的要求。值得注意的是，在網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展過(guò)程中，增加節(jié)點(diǎn)的數(shù)量會(huì)影響網(wǎng)絡(luò)壽命和信息采集的速率。更多的節(jié)點(diǎn)意味著更多數(shù)據(jù)的傳輸和更多的能耗，原來(lái)的信息采集周期也會(huì)相應(yīng)增加。

3.網(wǎng)絡(luò)搭建成本和響應(yīng)時(shí)間

在真實(shí)的應(yīng)用環(huán)境中，不同的場(chǎng)景和目的制約著無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)的部署方式，節(jié)點(diǎn)不可能任意無(wú)限制地部署。在搭建WSN時(shí)，還應(yīng)該能夠自我評(píng)定網(wǎng)絡(luò)組建的性能以及潛在的問(wèn)題。從長(zhǎng)遠(yuǎn)的角度來(lái)看，網(wǎng)絡(luò)搭建成本還應(yīng)包括網(wǎng)絡(luò)維護(hù)費(fèi)用，對(duì)于安全監(jiān)測(cè)的應(yīng)用，要特別保證網(wǎng)絡(luò)性能的健壯性。除了在組建網(wǎng)絡(luò)前需要進(jìn)行軟硬件測(cè)試，還必須建立具備自主維護(hù)功能的傳感器系統(tǒng)，在需要維護(hù)時(shí)能產(chǎn)生要求維護(hù)的請(qǐng)求。在實(shí)際組建的網(wǎng)絡(luò)中，維護(hù)和確認(rèn)將會(huì)消耗一部分網(wǎng)絡(luò)資源，網(wǎng)絡(luò)診斷和重新設(shè)置也將減少網(wǎng)絡(luò)壽命，同時(shí)還會(huì)降低網(wǎng)絡(luò)的信息采集速率。

每個(gè)WSN都存在一個(gè)特定的響應(yīng)時(shí)間，對(duì)于大多數(shù)WSN來(lái)說(shuō)，響應(yīng)時(shí)間不需要滿足非常嚴(yán)格的要求。但是在安全監(jiān)測(cè)類應(yīng)用中，網(wǎng)絡(luò)的響應(yīng)時(shí)間則是主要的性能指標(biāo)，在發(fā)生安全異常事件時(shí)必須立即發(fā)送報(bào)警消息。響應(yīng)時(shí)間在工業(yè)過(guò)程控制中同樣重要，例如，將WSN用于工業(yè)過(guò)程控制時(shí)，只有響應(yīng)時(shí)間滿足應(yīng)用要求，才能保證實(shí)際應(yīng)用的可靠性。

但是響應(yīng)時(shí)間和網(wǎng)絡(luò)壽命是相互制約的，如果每分鐘開(kāi)啟一次無(wú)線收發(fā)器，則節(jié)點(diǎn)的平均能耗相對(duì)較低，但這在安全監(jiān)測(cè)類應(yīng)用中無(wú)法滿足實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的要求。如果節(jié)點(diǎn)采用外部供電方式使其一直處于工作狀態(tài)，則可以隨時(shí)偵聽(tīng)報(bào)警消息并發(fā)送到控制中心，這樣就可以保證響應(yīng)時(shí)間，但這同時(shí)會(huì)增加網(wǎng)絡(luò)部署的難度。

1.1.3　無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用特征

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）作為一種新型的信息系統(tǒng)，與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的區(qū)別主要體現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備能量受限、通信方式以數(shù)據(jù)為中心、相鄰節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)具有相似性、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在不斷變化等方面。另外，WSN中的無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)具有無(wú)線通信、感知和計(jì)算的功能，節(jié)點(diǎn)內(nèi)部集成了嵌入式處理器、存儲(chǔ)器、傳感器、模/數(shù)轉(zhuǎn)換器、無(wú)線收發(fā)器、電源等部件。節(jié)點(diǎn)通常是體積微小、價(jià)格低廉的嵌入式設(shè)備，資源十分有限。雖然現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展能夠?qū)⒏嗟挠?jì)算和存儲(chǔ)資源集成在一個(gè)芯片上，甚至感知部件和通信部件都能夠一起封裝在單個(gè)芯片內(nèi)，但是，各種應(yīng)用對(duì)無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)的要求越來(lái)越高，節(jié)點(diǎn)在實(shí)際應(yīng)用中仍然存在帶寬、內(nèi)存、能量和處理能力不足的現(xiàn)實(shí)約束。

1.WSN的特點(diǎn)

在物理環(huán)境中部署WSN，人們能夠遠(yuǎn)程獲取感知到的信息，擴(kuò)大了人們對(duì)物理環(huán)境的感知。近年來(lái)，WSN引起了廣泛關(guān)注，主要源于如下的顯著特點(diǎn)。

（1）網(wǎng)絡(luò)規(guī)模大且具有自適應(yīng)性。為了獲取精確信息，WSN通常將大量的無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)部署在大范圍的地理區(qū)域或外部條件非常特殊的工作環(huán)境中，這一特點(diǎn)使得WSN的維護(hù)十分困難，甚至不可能進(jìn)行維護(hù)，因此要求WSN的軟硬件必須具有高可靠性和容錯(cuò)性。

WSN中的無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)都是平等的，每個(gè)節(jié)點(diǎn)既可以發(fā)送數(shù)據(jù)也可以接收數(shù)據(jù)，具有相同的數(shù)據(jù)處理能力和通信距離。節(jié)點(diǎn)的加入或者退出都不會(huì)影響WSN的運(yùn)行，WSN能夠立即重組，具有自適應(yīng)性。除了匯聚節(jié)點(diǎn)，無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)的部署都是隨機(jī)的，在WSN中以自己為中心，只負(fù)責(zé)自己通信距離內(nèi)的數(shù)據(jù)交換。

（2）自組網(wǎng)性與自維護(hù)性。無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)具有自治能力，能夠自主組網(wǎng)和自行配置維護(hù)，實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)，能適應(yīng)感知場(chǎng)景的動(dòng)態(tài)變化，能夠在無(wú)人值守條件下有效工作，特別適合在惡劣環(huán)境下工作，如戰(zhàn)場(chǎng)、危險(xiǎn)區(qū)域或人類不能到達(dá)的區(qū)域。另外，無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)通常隨機(jī)部署在沒(méi)有固定基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)施的地方，節(jié)點(diǎn)的位置和相互鄰居關(guān)系也不能預(yù)先精確設(shè)定，這與通常使用的網(wǎng)絡(luò)固定地址和關(guān)系明顯不同。在WSN中每個(gè)無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)的地位平等，沒(méi)有絕對(duì)的控制中心，可以在任何時(shí)刻和地點(diǎn)自動(dòng)組網(wǎng)，這就需要WSN能夠通過(guò)拓?fù)浜途W(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議自動(dòng)進(jìn)行配置和管理，形成多跳無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。同時(shí)，單個(gè)無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)或者局部幾個(gè)無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)由于環(huán)境改變或能量耗盡等原因而失效時(shí)，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋺?yīng)能動(dòng)態(tài)變化。這就要求WSN具有自組織能力和自維護(hù)性，能夠自動(dòng)進(jìn)行配置和管理，通過(guò)拓?fù)淇刂茩C(jī)制和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，自動(dòng)形成轉(zhuǎn)發(fā)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的多跳無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，才能保證WSN不會(huì)因?yàn)椴糠譄o(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障而癱瘓。這種自組織工作方式主要包括：自組織通信、自調(diào)度網(wǎng)絡(luò)功能以及自管理網(wǎng)絡(luò)等。

（3）路由多跳性與網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)性。無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)的成本低廉，可以大規(guī)模部署，能夠快速形成覆蓋范圍廣的WSN，通過(guò)多個(gè)無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)的協(xié)作，可對(duì)覆蓋區(qū)域進(jìn)行更精細(xì)、更全面的感知，避免出現(xiàn)感知盲區(qū)。同時(shí)，節(jié)點(diǎn)的冗余和自治特性也使WSN能夠自主調(diào)整拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，增加感知的可靠性。

WSN中的無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)的通信距離有限，一般在幾十米范圍內(nèi)，這些節(jié)點(diǎn)只能與它的鄰居節(jié)點(diǎn)直接通信。如果希望與其射頻覆蓋范圍之外的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，則需要通過(guò)中間節(jié)點(diǎn)進(jìn)行路由。傳統(tǒng)固定網(wǎng)絡(luò)的多跳路由通常使用網(wǎng)關(guān)和路由器來(lái)實(shí)現(xiàn)，而WSN中的多跳路由是由普通的無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)完成的，沒(méi)有專門(mén)的路由設(shè)備。因此，每個(gè)無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)既可以是數(shù)據(jù)的發(fā)送者或接收者，也可以是數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)者。

WSN是一個(gè)動(dòng)態(tài)的網(wǎng)絡(luò)，由于事先無(wú)法確定無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)的位置，也不能明確它與鄰居節(jié)點(diǎn)的位置關(guān)系。同時(shí)，有的無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)在工作中有可能會(huì)因?yàn)槟芰坎蛔愣В硗獾臒o(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)將會(huì)補(bǔ)充進(jìn)來(lái)彌補(bǔ)這些失效的節(jié)點(diǎn)，還有一些無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)被調(diào)整為休眠狀態(tài)，這些因素共同決定了網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞膭?dòng)態(tài)性。WSN中的無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)處于不斷變化的環(huán)境中，它的狀態(tài)也在相應(yīng)地發(fā)生變化，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湟苍诓粩嗟卣{(diào)整變化，這就要求WSN能夠適應(yīng)結(jié)構(gòu)的隨時(shí)變化，具有動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的可重構(gòu)性。

（4）以數(shù)據(jù)為中心的網(wǎng)絡(luò)。在互聯(lián)網(wǎng)中，網(wǎng)際協(xié)議（Internet Protocol，IP）規(guī)定了所有連接到互聯(lián)網(wǎng)上的計(jì)算機(jī)在進(jìn)行通信時(shí)應(yīng)當(dāng)遵守的規(guī)則，任何廠家生產(chǎn)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，只要遵守IP協(xié)議就可以在互聯(lián)網(wǎng)上互聯(lián)互通。在互聯(lián)網(wǎng)中，一臺(tái)主機(jī)要與其他主機(jī)進(jìn)行通信，就需要建立一種標(biāo)識(shí)方式，這就是IP地址。IP地址就好像電話號(hào)碼，有了某人的電話號(hào)碼，就能與他通話；有了某臺(tái)主機(jī)的IP地址，就能夠與這臺(tái)主機(jī)通信。現(xiàn)有的互聯(lián)網(wǎng)是在IPv4協(xié)議的基礎(chǔ)上運(yùn)行的，IPv4使用32位的二進(jìn)制數(shù)表示地址，如162.105.129.11，這32位二進(jìn)制數(shù)分為4段，每段8位為一個(gè)地址節(jié)，地址節(jié)之間用小數(shù)點(diǎn)隔開(kāi)。為了方便，每個(gè)地址節(jié)都寫(xiě)成一個(gè)十進(jìn)制數(shù)，每個(gè)數(shù)字的取值范圍為0～255，最小的IP地址為0.0.0.0，最大的IP地址為255.255.255.255。然而32位地址空間資源有限，不能提供實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)所需的地址空間。為了促進(jìn)互聯(lián)網(wǎng)的進(jìn)一步發(fā)展，滿足用戶的需求，提出了IPv6協(xié)議，它是用來(lái)替代現(xiàn)行的IPv4協(xié)議的一種新的IP協(xié)議。作為下一代互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議，IPv6采用128位的地址長(zhǎng)度，寫(xiě)成8個(gè)16位的無(wú)符號(hào)整數(shù)，每個(gè)整數(shù)用4個(gè)十六進(jìn)制數(shù)表示，這些數(shù)之間用冒號(hào)“：”分開(kāi)，例如，3ffe：3201：1401：1280：c8ff：fe4d：db39：1984。IPv6是實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的重要基石，它幾乎可以不受限制地為全球用戶和每一件物品分配一個(gè)IP地址。傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)是信息傳輸?shù)耐ㄓ闷脚_(tái)，網(wǎng)絡(luò)路由器等中間節(jié)點(diǎn)主要用于數(shù)據(jù)分組的存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)，接入網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備使用唯一的IP地址進(jìn)行標(biāo)識(shí)，資源定位和信息傳輸依賴于IP地址，所以習(xí)慣上稱傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)是以地址為中心的網(wǎng)絡(luò)。

在WSN中，各無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)內(nèi)置了不同的傳感器，用以測(cè)量熱、紅外、聲吶、雷達(dá)和地震波等信號(hào)，從而探測(cè)包括溫度、濕度、噪聲、光照度、壓力、土壤成分，以及移動(dòng)物體的大小、速度和方向等眾多感興趣的數(shù)據(jù)。因此WSN將無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)視為感知數(shù)據(jù)流或感知數(shù)據(jù)源，把WSN視為感知數(shù)據(jù)空間或感知數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)感知數(shù)據(jù)的收集、存儲(chǔ)、查詢和分析。WSN可以看成由大量低成本、低能量、低能耗、計(jì)算存儲(chǔ)能力受限的無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)通過(guò)無(wú)線連接構(gòu)成的一個(gè)分布式實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)，每個(gè)無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)都存儲(chǔ)一小部分?jǐn)?shù)據(jù)。

在WSN中，無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)沒(méi)有全局標(biāo)識(shí)符ID，構(gòu)成的WSN與無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)編號(hào)之間的關(guān)系完全是動(dòng)態(tài)的，表現(xiàn)為無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)編號(hào)與無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)位置沒(méi)有必然聯(lián)系。用戶使用WSN查詢事件時(shí)，直接將所關(guān)心的事件通告給WSN，而不是通告給某個(gè)確定編號(hào)的無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)。同樣，WSN在獲得指定事件的信息后匯報(bào)給用戶。用戶關(guān)心的是從WSN中獲取的信息而不是WSN本身，以數(shù)據(jù)為中心是WSN區(qū)別于傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的主要特點(diǎn)。

（5）應(yīng)用相關(guān)性。WSN是無(wú)線網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合，一般是為了某個(gè)特定需求而設(shè)計(jì)的。由于客觀世界的物理量多種多樣，不同的WSN應(yīng)用所關(guān)心的物理量也不同，因此對(duì)WSN也有多種多樣的要求。

不同的應(yīng)用背景對(duì)WSN的要求不同，它們的硬件平臺(tái)、軟件系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議會(huì)有所差異。因此，WSN不可能像傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)那樣，存在統(tǒng)一的通信協(xié)議平臺(tái)。雖然也存在一些共性問(wèn)題，但在開(kāi)發(fā)WSN時(shí)只有讓系統(tǒng)更貼近于具體應(yīng)用，才能滿足用戶的需求。針對(duì)每一個(gè)具體應(yīng)用來(lái)設(shè)計(jì)WSN，是WSN不同于傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的顯著特征。

2.WSN的資源限制

在WSN中，為降低網(wǎng)絡(luò)搭建成本，無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)的體積、存儲(chǔ)空間、處理能力都受到了很大的限制。在實(shí)際應(yīng)用中，這些節(jié)點(diǎn)可能會(huì)部署在偏遠(yuǎn)、惡劣的環(huán)境下，其能量難以做到替換。因此，如何克服無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)的局限性、降低能耗或者使節(jié)點(diǎn)具備自動(dòng)獲取能量的能力，是目前WSN設(shè)計(jì)領(lǐng)域的一個(gè)重要技術(shù)問(wèn)題。

（1）能量有限。在WSN的研究中，能耗問(wèn)題一直是熱點(diǎn)問(wèn)題。當(dāng)前的嵌入式處理器以及無(wú)線傳輸裝置依然在向微型化發(fā)展，在WSN中會(huì)需要數(shù)量更多的無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)，種類也會(huì)多樣化，將它們進(jìn)行連接，會(huì)導(dǎo)致能耗加大。由于節(jié)點(diǎn)體積微小，通常攜帶能量十分有限的電池。由于無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)量多、分布區(qū)域廣，有些區(qū)域甚至人員不能到達(dá)，所以通過(guò)更換電池的方式來(lái)補(bǔ)充節(jié)點(diǎn)能量是不現(xiàn)實(shí)的。在WSN中每一個(gè)無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)都有自己的壽命，因此如何在現(xiàn)有的條件下最大限度地節(jié)省節(jié)點(diǎn)的能量，延長(zhǎng)其壽命成了要重點(diǎn)考慮的因素。如何在使用過(guò)程中節(jié)省能量，最大化網(wǎng)絡(luò)壽命，是WSN面臨的首要挑戰(zhàn)。

在無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)中，能耗最大的主要是傳感模塊、處理模塊和無(wú)線通信模塊。目前，隨著集成電路工藝的發(fā)展，通過(guò)選擇嵌入式處理器和傳感器可以使相應(yīng)模塊的能耗降低。無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)中的絕大部分能量消耗在無(wú)線通信模塊上。無(wú)線通信模塊存在發(fā)送、接收、空閑和休眠四種狀態(tài)。通常采用的方式是在空閑狀態(tài)下，要求無(wú)線通信模塊一直偵聽(tīng)無(wú)線信道的使用情況，檢查是否有數(shù)據(jù)發(fā)送給本節(jié)點(diǎn)。在休眠狀態(tài)下則要關(guān)閉無(wú)線通信模塊，以此來(lái)延長(zhǎng)無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)的壽命。近年來(lái)，從環(huán)境中獲取能量受到了人們的廣泛關(guān)注，這些能量可以來(lái)自光能、溫差能、運(yùn)動(dòng)能以及電磁能等。受到這一理念的啟發(fā)，國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)在開(kāi)發(fā)與實(shí)踐，這樣就可在不久的將來(lái)部分解決WSN中的能量問(wèn)題。

（2）計(jì)算和存儲(chǔ)能力有限。為了能夠更加精確地獲得被監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)人們感興趣的一些信息，WSN采用大量撒播的形式部署無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)。從成本上來(lái)考慮，每個(gè)節(jié)點(diǎn)的成本一定要低，所以節(jié)點(diǎn)中的嵌入式處理器的處理速度就比較低，只能處理相對(duì)簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)，并且存儲(chǔ)容量也會(huì)受到限制，不適用于特別復(fù)雜的計(jì)算和存儲(chǔ)。

在WSN中，無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)需要完成數(shù)據(jù)的采集和轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)的管理和處理、應(yīng)答匯聚節(jié)點(diǎn)的任務(wù)請(qǐng)求，以及節(jié)點(diǎn)控制等多種工作。如何利用有限的計(jì)算和存儲(chǔ)資源完成諸多協(xié)同任務(wù)成為設(shè)計(jì)WSN所必須考慮的問(wèn)題。

（3）可靠性和安全性差。WSN中的無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)往往采用隨機(jī)的方式部署，可能工作在露天環(huán)境中，遭受太陽(yáng)的暴曬或風(fēng)吹雨淋，甚至?xí)獾綗o(wú)關(guān)人員或動(dòng)物的破壞。由于監(jiān)測(cè)區(qū)域環(huán)境的限制以及無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)目巨大，不可能人工“照顧”每個(gè)節(jié)點(diǎn)。這些都要求節(jié)點(diǎn)非常可靠，不易損壞，適應(yīng)各種惡劣環(huán)境條件。

對(duì)于自組織網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō)，由于每個(gè)無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)的通信距離是有限的，只能跟自己通信距離內(nèi)的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信。非相鄰節(jié)點(diǎn)之間的通信需要通過(guò)多跳路由的形式來(lái)進(jìn)行，因此數(shù)據(jù)的可靠性沒(méi)有點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信高。另外，由于無(wú)線信道容易受到干擾、竊聽(tīng)等，保密性能差。因此，WSN的保密性和安全性就顯得非常重要。WSN要綜合考慮無(wú)線信道的保密性、可靠性和抗干擾能力，以保證WSN的安全。因此，WSN的軟硬件必須具有健壯性和容錯(cuò)性。