无线传感器网络技术

1. 无线传感器网络的体系结构

无线传感器网络WSN（Wireless Sensor Networks）由于在军事国防、环境监测、城市管理、生物医疗、抢险救灾、远程控制等许多领域具有十分广阔的应用前景，已引起人们的高度重视，并被认为是将对21世纪产生巨大影响力的主要技术之一。无线传感器网络诞生于军事领域，并逐步应用到民用领域，是无线Ad-hoc网络的一个重要研究分支，是随着微机电系统（Micro-Electro-Mechanism System，MEMS）、无线通信和数字电子技术的迅速发展而出现的一种新的信息获取和处理模式。它是由随机分布的集成传感器、数据处理单元和通信模块的微小节点通过自组织的方式构成网络，借助于节点中内置的形式多样的传感器测量所在周边环境中的热、红外、声呐、雷达和地震波信号，从而可探测包括温度、湿度、噪声、光强度、压力、土壤成分，以及移动物体的大小、速度和方向等众多我们感兴趣的物质现象，实现对所在环境的监测。传感节点的体系结构如图7.9所示，一般由传感单元、处理单元、收发装置、定位装置（GPS）、移动装置以及能源模块六大部件组成，其中：

◆ 传感单元：主要负责被监测对象原始数据的采集。

◆ 处理单元：主要负责控制整个传感器节点的操作，存储和处理采集的数据以及其他节点发送来的数据；传感器网络节点的处理器一般选用嵌入式CPU，目前已有多款适合传感器节点设计的超低功耗微处理器，例如：Motorola的68HC16、ARM公司的ARM7和Intel的8086等。

◆ 收发装置（网络通信单元）：主要负责与其他传感器节点以无线方式进行通信，交换控制消息和收发采集数据。

◆ 能源模块：主要负责为传感器节点提供运行所需要的能量，通常采用微型电池。

◆ 移动装置：使得传感器节点具有自移动的功能。

◆ 定位装置：主要用于无线传感器节点的定位。但由于GPS价格高及有特殊环境要求等因素，在无线传感器网络中一般不能为每个节点均配备GPS接收装置，一般假定只有一定比例的节点位置已知或具有GPS定位功能，这些节点的位置可作为定位参考点。

图7.9　传感器节点的体系结构

无线传感器网络的部署往往可通过飞行器撒播、人工埋置和火箭弹射等多种方式来实现，当部署完成之后，传感器节点将随机分布在被监测区域内，并以自组织的形式构成网络。如图7.10所示，无线传感器网络一般由传感器节点、汇聚节点（Sink）、Internet或通信卫星、任务管理节点等部分构成。传感器节点散布在指定的感知区域内，每个节点都可以收集数据，并通过“多跳”路由方式把数据传送到Sink节点。Sink节点也可以用同样的方式将信息发送给各节点。另外，Sink也可以把数据发送到Internet或通信卫星，通过Internet或通信卫星实现任务管理节点（即观察者）与传感器之间的通信。

图7.10 无线传感器网络的体系结构

2. 无线传感器网络的主要特点

在无线传感器网络中，由于传感器节点本身的不确定性（容易失效、不稳定性、能量的有限性）及传感器节点的规模（数量、密集程度）等问题决定了无线传感器网络是以数据为中心的，只考虑信息的获取，对网络的物理结构和传感器节点本身的状况较少考虑。无线传感器网络的这些特殊性，导致它与传统网络存在许多差异，主要表现为以下几方面：

◆ 硬件资源受限：作为一种微型的嵌入式系统，传感器节点要求必须是功耗低、体积小、成本低的设备。这些限制就必然导致它携带的处理器的处理能力弱，拥有的存储器的容量小，因此，要求应用于无线传感器网络的算法应该计算简单，对存储空间要求小，易于在传感器节点上实现。也由于成本和体积的限制，传感器节点通常使用其携带的容量有限的电池为其提供能量，且在使用过程中常常不能或不允许给电池充电或更换电池，因此，一旦其携带的电池能量耗尽，传感器节点将失效，如何高效地使用有限的能量以使WSN的生存寿命最长是设计WSN面临的一个重要挑战。传感器节点的能量消耗主要用于通信，而根据无线通信的相关理论，无线通信的能耗与其通信距离的n(2≤n≤4)次幂成正比，n与具体的通信环境有关，因而通信能耗将随通信距离的增加而急剧增加。为减少传感器节点的能量消耗，WSN应该在满足需求的通信连通度前提下尽量缩短其传感器节点一跳直接通信的距离。

◆ 密集部署、冗余度高：为了提高无线传感器网络的可靠性，网络在部署时通常采用密集部署传感器节点的方式。无线传感器网络中的传感器节点数可能成千上万，因而利用大量具有有限计算能力的传感器节点进行协作的分布式信息处理是其必然的选择。无线传感器网络的密集部署使得其通常具有较高的传感器节点冗余、通信链路冗余以及采集到的数据的冗余，从而使其具有较强的容错能力与鲁棒性。无线传感器网络一方面可以利用传感器节点之间的高度连通性来保证网络的容错性和抗毁性，另一方面，也可以利用传感器节点采集数据的冗余实现节点之间的协作。

◆ 自组织性：无线传感器网络需要在无人值守、没有干预的环境中长时间工作，因此要求其对环境的适用性强，能自主地处理所遇到的问题。无线传感器网络中并没有严格意义上的控制中心（主节点），所有传感器节点都是平等地位的，它们可以根据自己的情况随时加入网络或者离开网络。WSN的运行不会因为单个传感器节点的故障而受影响，具有很强的抗毁性。WSN的部署不需要依赖任何已有的网络基础设施。传感器节点通过分布式算法协调自己的行为。WSN中的传感器节点在启动后可以自动地、快速地组建成一个数据采集网。由于传感器节点容易故障，为了弥补失效的传感器节点或者增加监测精度，会根据需要随时补充传感器节点到网络中，网络需要在恶劣的环境中自动配置与容错。传感器节点通过联网协议形成自组织网络，并能够根据传感器节点的移动、加入、退出、剩余能量以及传输范围的改变而自动调整。

◆ 多跳路由：传感器节点受通信距离、功率控制或能耗的限制，当传感器节点无法与汇聚节点（网关）直接通信时，需要由其他传感器节点转发完成数据的传输，因此网络的数据传输路由是多跳的。

◆ 动态拓扑：影响无线传感器网络的拓扑结构的因素有很多，除了传感器节点因移动带来的拓扑结构发生变化外，传感器节点故障、传感器节点失效、网络中新增传感器节点、因为网络管理的原因而使传感器节点进入睡眠状态、传感器节点的通信功率控制以及因环境原因造成的无线通信链路发生变化等因素均可导致动态网络拓扑结构。

◆ 空间位置寻址：无线传感器网络是一种典型的以数据为中心的网络，通常以数据本身作为查询或传输的线索。网络中的通信一般情况下不存在任意两个传感器节点之间的点对点（Peer to Peer）通信，因此，传感器节点没有必要具有全局的身份标识，不必采用像Internet中的IP地址之类的寻址方式。在WSN的应用中，用户关心的不是数据由哪个传感器节点采集，而是数据在哪个空间位置上采集到的，因此，传感器节点的寻址方式可采取空间位置寻址方式。

◆ 应用相关：无线传感器网络的主要作用是感知客观物理世界，扩展人类获取物理世界信息的能力。无线传感器网络的不同应用所关心的物理量是不相同的，比如地震关心的是震动、温度控制关心的是温度等。在不同的应用背景之中，传感器节点的硬件平台、软件系统和网络协议将会采用不同的内容，因此必须针对具体的应用来研究传感器节点的硬件平台、软件系统和联网技术。