1、1 1第1章 WSN概述1.1 概述概述1.2 传感器与传感器与WSN1.3 物联网与物联网与WSN1.4 WSN体系结构体系结构1.5 WSN特点特点1.6 WSN操作系统操作系统1.7 WSN相关技术相关技术1.8 应用领域应用领域小结小结2 2本章目标 理解无线传感器网络的定义。 理解物联网的概念。 理解无线传感器网络与物联网的关系。 了解传感器的分类。 了解传感器与传感器网络之间的关系。 掌握无线传感器网络的体系结构。 了解无线传感器网络的特点及应用。 了解无线传感器网络操作系统。 了解与无线传感器网络相关的技术。3 3学习导航4 4无线传感器网络(Wireless Sensor Ne
2、twork，WSN)是一种全新的信息获取和处理技术，是集微机电技术、传感器技术和无线通信技术为一体的技术，而无线通信技术是无线传感器网络的支撑技术之一。1.1 概概 述述5 51.1.1 无线通信技术本小节将介绍无线通信技术几个重要的概念：电磁波与信道、调制解调以及几种短距离无线通信技术。1. 电磁波电磁波是由同相振荡且互相垂直的电场和磁场在空间以波的形式传递能量和动量，其传播方向垂直于电场与磁场构成的平面。18世纪物理学家麦克斯韦预言了电磁波的存在，后由赫兹用实验证明了电磁波的存在。6 6俄国的波波夫和意大利业余无线电家马克尼同时独立地发明了天地线制(当把发射电磁波的天线与接收机的天线及地线
3、相互连接时，电磁波将转化为脉冲电流)，至此无线电通信开始进入实用阶段。无线电波的频率范围为3 Hz300 GHz，对应的波长为1000 km1 mm。电磁波波段的划分如表1-1所示。7 7表1-1 电磁波波段划分8 8无线电波的传播方式因波长的不同产生不同的传播特性，可以分为如下三种形式： 地波：沿地球表面空间向外传播的无线电波，中、长波均利用地波方式传播。 天波：依靠电离层的反射作用传播天线的电波，短波多利用这种方式传播。 空间波：沿直线传播的无线电波，它包括由发射点直接到达接收点的直射波和经地面反射到接收点的发射波，微波的电视和雷达多采用空间波方式传播。9 92. 信道信道可以从狭义和广义
4、两方面理解，狭义信道即信号传输的媒质，分为有线信道和无线信道；广义信道除包括传输媒质外还包括有关的转换器，如：发送设备、接收设备、馈线与天线、调制器、解调器等。本小节将详细讲解广义信道。广义信道按功能可以分为模拟信道(即调制信道)和数字信道(即编码信道)。广义信道模型如图1-1所示。10 10图1- 1广义信道模型11 11 调制信道(模拟信道)：传输模拟信号的信道称为模拟信道，模拟信号的电平随时间连续变化，语音信号是典型的模拟信号。 编码信道(数字信道)：数字信道是一种离散信道，它只能传送离散的数字信号。另外，模拟信道传送数字信号必须经过数字信号和模拟信号之间的A/D转换器，调制/解调器就是
5、完成此项工作的。12 123. 调制与解调调制/解调主要通过调制/解调器使模拟信号与数字信号相互转换。调制就是把数字信号转换成有线设备传输的模拟信号；解调则是把模拟信号转换为数字信号。两者合称调制/解调。调制/解调的分类有多种方式，按照调制方式可分为： 模拟调制：包括三种调制方法，即模拟调制、脉冲调制和复合调制。 模拟调制：调幅(AM)、调频(FM)、调相(PM)。13 13 脉冲调制：脉冲幅度(PAM)、脉冲相位(PWM)、脉冲编码(PCM)。 复合调制：正交幅度调制(QAM)。 数字调制：包括通断键控(ASK)、频移键控(FSK)、相移键控(PSK)。调制/解调按照解调方式可分为： 检波法
6、：适合调幅(AM)。 同步解调：适合大部分调制。14 144. 短距离无线通信技术随着通信技术的发展，出现了许多短距离无线通信技术，而它们往往带有自己的通信协议，不同的通信协议有着不同的应用。目前最常见的短距离无线通信技术有IrDA/红外、蓝牙、WIFI(802.11标准)和Zigbee技术。IrDA/红外技术最早应用于红外探测仪。1800年，FW赫歇尔使用水银温度计发现红外辐射，这是最原始的热敏型红外探测仪，从此掀起红外热潮。红外应用产品种类繁多，有红外热像、红外通信、红外光谱仪、红外传感器，且应用范围广泛，应用于工业、农业、军事、医疗与人们生活息息相关的各方面。15 15但是红外对指向性要
7、求较高，要求点对点通信且中间不能有阻碍物的阻挡，并且红外无线传输对于发射功率要求较高，使得红外应用有一些局限性。但是在某些应用场合，红外技术仍然占据着主导地位，例如家电的遥控器。蓝牙通信是一种基于2.4G技术的无线传输协议通信方式，由于采用的协议不同于其他2.4G技术协议，而称为蓝牙技术。就目前来说，蓝牙技术较广泛的应用是手机的蓝牙通信和蓝牙耳机，由于大部分的手机和音频设备都集成蓝牙功能，并且蓝牙设备不需要设置发射机，仅需要蓝牙耳机这个接收机就可以工作，从而降低了成本。蓝牙相对于WIFI的缺点是它的传输数据量小，仅能达到每秒1M左右，并且没有实现真正意义的组网。16 16WIFI是基于802.
8、11标准的通信技术，工作在2.4G频段，带宽比较大，802.11b标准的最高带宽达到11 Mb/s，802.11n标准已经将传输速率提高到300 Mb/s。其主要特点为速度快，可靠性高，方便与现在的有线以太网整合。WIFI与蓝牙相比优势在于无线电波的覆盖范围广，但是无线通信传输的质量不是很好，数据安全性相对于蓝牙差一些，传输质量也有待于改善。Zigbee是一种新兴的短距离、低复杂度、低数据速率、低成本的无线网络技术，同样工作在2.4G频段。Zigbee联盟于2001年8月成立。Zigbee联盟认为Zigbee和蓝牙的关系互为补充，而不是相互竞争。17 17Zigbee技术的特点是可靠、时延短、
9、网络容量大、安全保密、高度的灵活性和低成本，可以形成星形、树形、网状及其共同组成的复合结构，可通过互联网或者移动网相连。蓝牙、WIFI、Zigbee三种技术比较如表1-1所示。18 18表1-2 蓝牙、WIFI、Zigbee三种技术的比较19 191.1.2 产生和定义1. 无线传感器网络的产生无线传感器网络(简称无线传感网)的研究起源于20世纪70年代，是一种特殊的无线网络，最早应用于美国军方，例如空中预警控制系统。这种原始的传感器网络只能捕获单一信号，传感器节点进行简单的点对点通信。1980年，美国国防部高级研究计划局提出了分布式传感器网络项目，开启了现代无线传感器网络研究的先例。此项目由
10、美国国防部高级研究计划局信息处理技术办公室主任Robert Kahn主导，2020并由卡耐基梅隆大学、匹兹堡大学和麻省理工学院等大学研究人员配合，建立一个由空间分布的低功耗传感器节点构成网络，这些节点之间相互协作并自主运行，将信息送达处理的节点。20世纪8090年代，无线传感器网络的研究依旧主要应用于军事领域方面，并成为网络中心站思想中的关键技术。1994年，加州大学洛杉矶分校的Willian JKaiser教授向DARPA提交了研究建议书“Low Power Wireless Integrated Microsensors”。1998年，GJPottie从网络的研究角度重新阐释了无线传感器网
11、络的科学意义。同年，美国国防部高级研究计划局投入巨资使用启动SensIT项目，目标是实现“超视距”战场监测。21 211999年9月，美国商业周刊将无线传感器网络列入21世纪最重要的21项技术之一，被预见为21世纪人类信息研究领域所面临的重要挑战之一。进入21世纪后，随着无线通信技术、计算机技术和传感器技术的发展，对无线传感器网络有了更明确的定义。22222. 无线传感器网络的定义无线传感器网络是大量的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。其目的是协作地感知、采集和处理传输网络覆盖地理区域内感知对象的监测信息，并报告给用户。在这个定义中，无线传感器网络实现了数据采集、处理和传输
12、三种功能，对应着现代三大基础信息技术，即传感器技术、计算机技术和通信技术。由于无线传感器网络技术具有低功耗、低成本、分布式和自组织的特点，因此被广泛应用于工业、农业、军事、医疗方面。无线传感器网络的发展无疑给信息感知带来了意义重大的一场变革。23231.1.3 WSN的发展2000年以后，无线传感器网络的出现引起了全世界范围的广泛关注，被誉为是全球未来的四大高新技术产业之一。2001年，美国陆军提出了“灵巧传感器网络通信计划”，并在20012005财政年度期间批准实施，其基本思想是：在战场上布设大量的传感器用于收集和传输信息，并对相关的原始数据进行过滤，把重要的信息传送到各数据融合中心，将大量
13、的信息集成为一副战场全景图，使参战人员对战场态势的感知能力大大提高。24242002年10月24日，因特尔公司发布了“给予微型传感器网络的新型计算机发展规划”，计划宣称因特尔公司将致力于微型传感器网络在医学、环境监测等方面的应用。2003年，美国自然科学基金委员会制定无线传感器网络研究计划，并在加州大学洛杉矶分校成立了无线传感器网络研究中心，联合周边的康奈尔大学伯克利分校、南加州大学等，开展“嵌入式智能传感器”的研究项目。目前，美国大多数知名院校几乎都有课题组在从事传感器网络相关技术的研究，日本、英国、加拿大等国家的科研机构也加入了传感器网络的研究。这表明无线传感器网络开始深入人们生活的各方面
14、。2525从无线传感器网络的发展过程来看，可以划分为如下四个阶段： 第一代传感器网络是将传统的传感器采用点对点传输、连接传感控制器而构成。 第二代传感器网络在第一代传感器网络的基础上增加了获取多种信息信号的综合处理能力，并通过与传感控制器的相连，组成了具有信息综合和信息处理能力的传感器网络。2626 第三代传感器网络是指基于现场总线的智能传感器网络。现场总线是连接智能化现场设备和控制室之间的全数字、开放式的双向通信网络。现场总线技术的发展最终导致现场总线控制系统取代第二代传感器网络。 21世纪，微机电系统(Misro-Electro-Mecchanical Systems，MEMS)技术、低功
15、耗的模拟和数字电路技术、低能耗的无线射频技术的发展使得开发小体积、低成本、低功耗的微传感器成为可能，将成千上万个体积小、重量轻的传感器协同工作，就构成了第四代无线传感器网络。2727传感器是一种装置或器件，国家标准GB 766587对传感器的定义是：“能够感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。”无线传感器网络通过传感器来识别物体，并采集数据。传感器不仅数量多，品种也比较复杂，是无线传感器网络的重要组成部分。1.2 传感器与传感器与WSN28281.2.1 传感器传感器的作用主要是感受和测量物理世界的被测量物，将采集量按一定规律将其转换成有
16、用输出：将非电量转换为电量。传感器的组成原理如所示。2929图1-2 传感器的组成原理3030 敏感元件：传感器的重要组成部分，其作用是感受物理世界的信息并将其转变为电信息，完成非电量的预变换。 变换器：将感受的非电量变换为电量的器件。例如电阻变换器和电感变换器，可将位移量直接变换为电容值、电阻值及电感值。变换器也是传感器不可缺少的重要组成部分。31 31在具体实现非电量到电量的变换时，并非所有的非电量都能利用现有的手段直接变换为电量，有些必须进行预变换，将待测的非电量变为易于转换成电量的另一种非电量。在实际情况中，由于一些敏感元件直接可以输出变换后的电信号，所以经常无法严格区分敏感元件和变换
17、器。传感器的种类繁多，分类方法也比较多。通常可以按被测物理量、工作原理、信号变换特征、能量转换情况等分类。32321.2.2 传感器与传感器网络的关系顾名思义，无线传感器网络离不开传感器，传感器负责在传感器网络中感知和采集数据。它处于无线传感器网络的感知层，是获识物体，采集信息的设备。传感器与传感器网络的关系如下： 传感器是传感器网络中的感知部件。传感器网络中部署了多种类型的传感器，每个传感器都是一个信息源，不同类别的传感器所捕获的信息内容和信息格式不同。传感器获得的数据具有实时性，按一定的频率周期性地采集环境信息，不断更新数据。3333 传感器网络为传感器提供网络连接，使传感器具有智能处理的
18、能力，能够对物体实施智能控制。 无线传感器网络中传感器的应用是物与用户(包括人、组织和其他系统)的接口。它与行业需求结合，实现传感器网络的智能应用。无线传感器网络采用各种传感设备，实施采集任何需要监控、连接、互动的物体或过程，采集声音、光、电、力学等各种需要的信息，并与互联网结合，形成一个巨大的网络。其目的就是实现物与物以及所有物品和网络的连接，方便识别、管理和控制。3434近年来兴起的物联网成为各国构建经济社会发展新模式和重塑国家长期竞争力的先导领域。尤其是发达国家通过国家战略指引、政府研发投入、企业全球推进、政策法律保障等措施加快物联网的发展，以抢占战略主攻权和发展先机。本节将详细阐述物联
19、网与无线传感器网络的关系。1.3 物联网与物联网与WSN35351.3.1 物联网定义物联网(Internet Of Things，IOT)的概念1999年由美国麻省理工学院提出。早期的物联网是指依托射频识别(Radio Frequency Identification，RFID)技术和设备，按约定的通信协议和互联网相结合，实现物品的智能化识别和管理。随着技术的发展，对物联网的理解不断扩展，现代意义的物联网可以实现对物的感知识别控制，网络化互联和智能信息处理的有机统一，从而形成高智能决策。物联网的发展关键要素包括感知、网络和应用组成的网络架构。3636在2011年我国工信部发表的物联网白皮书(
20、下称白皮书)中，对物联网的定义为：“物联网是通信网和互联网的拓展应用和网络延伸，它利用感知技术与智能装置对物理世界进行感知识别，通过网络传输互联，进行计算、处理和知识挖掘，实现人与物、物与物信息交互和无缝链接，达到对物理世界实时控制、精确管理和科学决策的目的。”“物联网技术和标准包括服务业和制造业在内的物联网相关产业、资源体系、隐私和安全以及促进和规范物联网发展的法律、政治和国际治理体系。”37371.3.2 物联网体系结构在白皮书中，物联网网络架构由感知层、网络层和应用层组成，如所示。其中各层的含义如下： 感知层实现对物理世界的智能感知识别、信息采集处理和自动控制，并通过通信模块将物理实体连
21、接到网络层和应用层。 网络层主要实现信息的传递、路由和控制，包括延伸网络、接入网和核心网络。3838 应用层包括应用基础设施/中间件和各种物联网的应用。应用基础设施/中间件为物联网应用提供信息处理、计算等通用基础服务设施、能力及资源调用接口，以此为基础实现物联网在众多领域的各种应用。物联网涉及感知、控制、网络通信、微电子、计算机、软件、嵌入式系统、微机电等技术领域。因此物联网体系划分为感知关键技术、网络通信关键技术、应用关键技术、共性技术和支撑技术。3939图1-3 物联网网络架构40401.3.3 物联网与传感器网络的关系目前常有人把无线传感器网络与物联网的概念混为一谈，认为无线传感器网络就
22、是物联网，从1.3.2节中可以了解到物联网是通信网和互联网的拓展应用和网络延伸，利用感知技术与智能装置对物理世界进行感知识别，通过网络传输互联，进行计算、处理和知识挖掘，实现人与物、物与物的信息交互和无缝链接。无线传感器网络是利用各种传感器加上中低速的近距离无线通信技术构成的传感器模块和组网模块独立网络。41 41传感器是感知周围的信号，并不对物体进行标识。所以无线传感器网络是一个比较小的概念，仅仅提供小范围内物与物之间的信息传递。传感器网络与物联网的对比如所示(表中提到的“基础网络”如：如移动网、联通网的基站等)。4242表1-3 传感网与物联网对比4343由此可见，物联网的概念比传感器网络
23、概念大一些，无线传感器网络是构成物联网感知层和网络层的一部分，是物联网的重要组成部分。物联网把我们的生活拟人化，在物物相连的世界中，物品能够彼此进行“交流”，而无需人的干预。物联网和无线传感器网络与我们的生活都是密切相关的，让我们的生活变得更加快捷、更加人性化、社会更加和谐。4444无线传感器网络具有覆盖区域广泛、监测精度高、可远程监控、可快速部署、可自组织和高容错性能的优点。传感器网络中传感器节点数量庞大，节点分布比较密集，使得无线传感器网络结构和协议栈的设计与其他无线网络不同。1.4 WSN体系结构体系结构45451.4.1 网络结构无线传感器网络由分布在监测区域内的大量无线传感器节点、具
24、有接收和发射功能的汇聚节点、互联网或通信卫星和任务管理节点构成。无线传感器网络的体系结构如所示。4646图1-4 无线传感器网络的体系结构4747 传感器节点：用于监测数据并沿着传感器节点逐跳地进行传输。 汇聚节点：用于连接传感器网络、互联网和Internet等外部网络，各方面能力相对于传感器节点较强，可实现几种通信协议之间的转换；同时发布管理节点的监测任务，并把收集的数据转发到外部网络。汇聚节点可以是一个具有增强功能的传感器节点(比如：协调器)，有足够的能量和更多的内存与计算资源，也可以是没有监测功能仅带有无线通信接口的特殊网关设备。 任务管理节点：直接面向用户，汇聚节点通过外部网络将传感器
25、节点采集的数据传递给任务管理节点，4848用户就可以管理数据，并发布监测信息。检测区域内的传感器节点具有以下特点： 大量的传感器节点以分布式随机部署在监测区域内部或者附近，能够通过自组织的方式构成网络。 传感器节点通常是一个微型的嵌入式系统，处理能力、存储能力和通信能力相对较弱。 传感器节点在传输过程中，其监测数据可能被多个节点处理，经过多跳后路由到汇聚节点。所以传感器节点不仅要对本地的信息进行采集和处理，同时要协助其他节点完成数据的转发功能。4949检测区域的传感器节点类型一般包括： 终端节点：只负责数据信息的采集和环境的检测，一般数量比较多。 路由节点：负责数据的转发功能，一个路由节点可以
26、与若干个路由节点或终端节点通信。 协调器：网络的控制中心，负责一个网络的建立，可以与此网络中的所有路由节点或终端节点通信。50501.4.2 节点结构传感器节点负责监测区域内数据的采集和处理，一般的传感器节点由五部分构成，能量供应模块、传感器模块、处理器模块、无线通信模块和嵌入式软件系统。传感器节点的结构如所示。51 51图1-5 传感器节点的结构5252传感器节点各组成部分的作用： 能量供应模块为传感器节点的其他模块提供运行所需的能量，可以采取多种灵活的供电方式，通常采用微型电池。 传感器模块包括传感器和AD/DA模块。传感器负责监测区域内信息的采集，在不同的环境中，被监测物理信号的形式决定
27、了传感器的类型。AD/DA负责数据的转换。 处理器模块包括处理器和存储器，负责控制整个节点的操作、存储和处理本身采集的数据以及其他节点转发来的数据。处理器模块通常采用通用的嵌入式处理器。5353 无线通信模块负责与其他节点进行无线通信、交换控制信息和收发采集数据。数据传输的能量占节点总能耗的绝大部分，所以通常采用短距离、低功耗的无线通信模块。 嵌入式软件系统是无线传感器网络的重要支撑，其软件协议栈由物理层、数据链路层、传输层和应用层组成。 传感器节点的设计要符合低成本、低功耗、微型化的特点，这是因为无线传感器网络的重要设计目标是将大量可长时间监测、处理和执行任务的传感器节点嵌入到物理世界中。5
28、4541.4.3 节点限制传感器节点具有的处理能力、存储能力、通信能力和电源能力都十分有限，所以传感器节点在实现各种网络协议和应用控制中存在以下约束条件。1. 电源能量有限传感器节点体积微小，通常携带能量十分有限的电池。由于传感器节点个数多、成本低、分布区域广、部署区域环境复杂，有些区域甚至人员不能到达，所以传感器节点通过更换电池的方式来补充能源是不现实的。5555传感器的能耗模块包括传感器模块、处理器模块和无线通信模块。随着电路工艺的进步，处理器和传感器模块的功耗变得很低，绝大部分能量消耗在无线通信模块上，如所示。5656图1-6 传感器节点能耗情况5757无线通信模块存在发送、接收、空闲和
29、休眠四种状态。无线通信模块在空闲状态一直监听无线信道的使用情况，检查是否有数据发送给自己，而在休眠状态则关闭通信模块。从图1-6中可以看出，无线通信模块在发送状态的能量消耗最大，在空闲状态和接收状态的能量消耗接近，比发送状态能量消耗少一些，在休眠状态的能量消耗是最小的。所以在设计无线传感器网络时，如何让网络通信更有效率，减少不必要的转发和接收，不需要通信时传感器节点尽快进入休眠状态，是传感器网络协议设计需要重点考虑的问题。58582. 通信能力有限无线通信的能量消耗与通信距离的关系为 E=kdn (1-1)式中：k为一个常数；d为通信距离；参数n满足关系，的取值与很多因素有关，例如传感器节点的
30、部署环境、天线的质量等。5959由式(1-1)可知，在参数一定的情况下，随着通信距离的增加，无线通信的能量消耗急剧增加。因此，在满足通信连通度的前提下，应该尽量减少单跳(即一跳)的通信距离。考虑到传感器节点的能量限制和网络覆盖区域大，无线传感器网络采用多跳的传输机制。60603. 计算和存储能力有限传感器节点通常是一个微型的嵌入式系统，它的处理能力、存储能力和通信能力相对较弱。每个传感器节点兼顾传统网络的终端和路由器双重功能。为了完成各种任务，传感器节点需要完成监测数据的采集和转换、数据管理和处理、应答汇聚节点的任务请求和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传感
31、器网络协议设计的挑战。61 611.4.4 WSN协议栈随着对无线传感器网络的深入研究，研究人员提出了多个无线传感器网络的协议栈。早期提出的协议栈包括物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层，与互联网协议栈的五层协议相对应。另外，无线传感器网络的协议栈还包括能量管理平台移动管理平台，和任务管理平台。如所示。6262图1-7 早期的协议栈6363各层的功能如下： 物理层负责载波频率的产生、信号的调制解调和无线收发技术。 数据链路层负责数据成帧、帧校验、媒体接入和差错控制。 网络层负责路由的发现与维护，使得传感器节点可以进行有效的数据通信。 传输层负责数据流的传输控制，保证通信服务的质量。 应用
32、层根据不同应用的具体要求，负责任务调度、数据分发等具体业务。6464 能量管理平台负责管理传感器节点如何使用能源，在各个协议层都需要节省能源。 移动管理平台负责监测并传输传感器节点的移动信息，维护到汇聚节点的路由，使得传感器节点能动态跟踪邻居节点的位置。 任务管理平台负责平衡和调度监测任务。6565随着对无线传感器网络协议栈的深入研究，研究人员在原始模型上细化并改进了早期的协议栈。由于基于时分复用的MAC协议和基于地理位置的路由协议等很多传感器网络协议都需要定位和同步信息，所以在早期的协议栈中添加了时间同步和定位子层。它们在协议栈中的位置比较特殊，依赖于数据传输通道进行协作定位和时间同步协商，
33、同时又要为网络协议各层提供信息支持。改进的协议栈模型如所示。6666图1-8 改进的协议栈模型6767改进的协议栈模型将原始的协议栈模型融入到各层协议中，并且具有以下特点： 协议栈模型一部分用于优化和管理协议流程，另一部分独立在协议层外，通过各种收集和配置接口对相应的机制进行配置和监控，如能量管理平台和移动管理平台。 QoS管理各协议层设计、队列管理、优先级机制或者带宽预留等机制，并对特定应用的数据给予特别处理。 拓扑控制利用物理层、链路层或者路由层完成拓扑生成，反过来又为它们提供基础信息支持。6868 优化MAC协议和路由层协议的协议过程，提高协议效率，减少网络能量消耗。 网络管理要求协议各
34、层潜入各种信息接口，并定时收集协议运行状态和流量控制信息，协调控制网络中各个协议组件的运行。69691.4.5 体系结构设计由于无线传感器网络目前还处于起步阶段，在技术上尚不成熟，所以在设计无线传感器网络体系结构时需要注意以下几个方面。1. 有效利用节点资源由于节点(大量、低成本和微型)的资源有限，怎样有效地管理和使用这些资源，并最大限度地延长网络寿命是无线传感器网络研究面临的一个关键技术挑战，需要在体系结构的层面上给予系统性的考虑。可以从以下几个方面考虑：7070 选择低功耗的硬件设备，设计低功耗的MAC协议和路由协议。 各功能模块间保持时间同步，即同步休眠和唤醒。 从系统的角度设计能耗均匀
35、的路由协议，而不是一味追求低功耗的路由协议，这需要体系结构提供跨层设计。 由于节点计算能力和存储能力有限，不适合进行复杂计算和大量数据的缓存。71 712. 支持网内数据处理无线传感器网络是以数据为中心的，网络不仅要实现传输的功能，还要实现“网内数据处理”。例如：多个路由节点可能同时监听到同一终端节点发送的数据，分别产生数据向汇聚节点发送，汇聚节点只需要收到它们其中一个分组即可，其余分组都是多余的。如果能在中间节点(如路由节点等)上进行一定的聚合、过滤和压缩，可以有效地减少重复发送数据的可能，从而减少了频繁传送分组造成的能量开销；也可以有效地协助处理拥塞控制和流量控制。网内数据处理示意图如所示
36、。7272图1-9 网内数据处理示意图7373假如终端节点1-3发送的数据被路由节点2监听到(如图1-9中虚线部分所示)，路由节点2先诊断是不是它的子节点发送的数据，如果不是，路由节点2将会把数据过滤掉，这样会有效地减少汇聚节点收到重复数据。74743. 支持协议跨层设计在WSN系统的开发过程中，各个层次的研究人员为了统一性能优化目标(如节省能耗、提供传输效率、降低误码率等)而进行的协作非常普遍，这种优化工作使传感器网络体系结构中各个层次之间的耦合变得更加紧密，上层协议需要了解下层协议(不仅仅限于相邻的下层)所提供服务的质量，下层协议的运行需要上层协议(不仅仅限于相邻的上层)的建议和指导，这违
37、背了传统分层网络体系结构中只有相邻两层之间才可以进行消息交互的约定。7575这种协议的跨层设计无疑会增加体系结构设计的复杂度，但是实践证明它是提高系统整体性能的有效方法。76764. 增强安全性由于无线传感器网络采用无线通信的方式，信道缺少必要的屏蔽和保护，更容易受到攻击和窃听，所以无线传感器网络体系结构设计过程中要将安全方面的考虑提升到一个重要的位置上，设计一定的安全机制，确保所提供服务的质量，确保所提供服务的安全性和可靠性。这些安全机制必须是自下而上地贯穿于体系结构的各个子层。77775. 支持多协议与“互联网依赖于统一的TCP/IP协议实现端到端的通信”相比，无线传感器网络的形式与应用具
38、有多样性，除了转发分组外，更重要的是负责将监测区域内无线通信子网采集到的数据通过互联网等外部网络传输给用户，这需要多协议的支持。例如，在监测区域内部子网工作时，采用Zigbee协议广播或者组网的方式，但是当接入外部互联网时需要屏蔽Zigbee协议，提供与外部网络互联网实现无缝信息交互的手段。78786. 支持有效的资源发现机制在设计无线传感器网络时，需要考虑提供定位监测信息的类型、覆盖区域的范围，并获得具体监测信息的访问接口。传感器网络资源发现包括网络自组织、网络编址和路由等。拓扑结构自动生成是无线传感器网络的一个特点，部署大规模的无线传感器网络不可能预先知道网络拓扑，依据单一符号(如IP地址
39、或者节点ID)来编址(效率不高)，可以考虑根据节点采集数据的多种属性(如温度、湿度等)来进行编址。7979这种编址方案本身就应该属于无线传感器网络的体系结构研究内容之一。当然，在新的编址方案下，无线传感器网络体系结构还需对相应的资源发现机制给予必要的支持。80807. 支持可靠的低延时通信各种类型的传感器网络节点工作在监测区域内，物理环境的各种参数动态变化很快，需要网络协议的实时性，因此，无线传感器网络体系结构必须支持低延时的可靠传输。81 818. 支持容忍延时的非面向连接通信由于传感器应用需求不一样，有些任务对实时性要求不高，如海洋监测、生态环境监测等。有些应用随时都可能出现拓扑动态变化，
40、在这种情况下节点的移动性使节点保持长期稳定的连通性比较困难，因此，引入非面向连接的通信，其目的是即使在连通无法保持的状态下也能进行通信。82829. 开放性近年来无线传感器网络衍生出来的水声传感器网络和无线地下传感器网络，使无线传感器网络应该具备充分的开放性，来包容这些已经出现或未来可能出现的新型同类网络。8383本节从无线传感器网络与现有无线网络的区别出发，详细介绍无线传感器网络的特点。1.5 WSN 特特 点点84841.5.1 与现有无线网络的区别目前，无线网络可以分为两种：一种是有基础设施的网络，此类网络需要有固定的基站；另一种是无基础设施的网络，又称无线自组织网络(Ad Hoc Ne
41、twork)。前一种网络比较常见，如移动、联通和电信网络，需要高大的天线和大功率基站来支持，常见的有基础设施的网络为无线宽带网，包括GSM、CDMA、3G、Beyond3G、4G、WLAN(WIFI)和WMAN(WiMax)等，这些网络都有固定的基站，网络的规划、部署、配置、管理、维护和运营一般需要管理员干预来完成。8585无线自组织网络(即Ad Hoc网络)的特点是分布式的，没有专门的固定基站，但能够快速、灵活和方便地组网。无线传感器网络和Ad Hoc网络作为快捷灵活的组网方式，基本不需要人的干预，大部分工作是以自组织的方式完成的，因此可以将它们统称为自组织网络。虽然无线传感器网络和Ad H
42、oc网络存在着相似之处，同时也存在很大的差别。这些差别主要集中在以下三个方面：节点规模、节点部署和工作模式。86861. 节点规模就节点规模而言，Ad Hoc网络与无线传感器网络的差别如下所： Ad Hoc网络节点数量比较少，一般由几十个到上百个节点组成，采用无线通信方式、动态组网、多跳方式组成移动性的对等网络，大多数节点是移动的。 无线传感器网络是集成了监测、控制以及无线通信的网络系统，节点数目庞大，可以达到成千上万，且节点分布密集。通常情况下，大多数传感器节点是固定不动的(或者只有少数节点移动)，8787节点具有的能量、处理能力、存储能力和通信能力都是有限的。由于环境影响和能量耗尽，节点容
43、易出现故障，环境干扰和节点故障容易造成网络拓扑结构的变化。所以传感器节点在设计上要考虑能源的节约与优化。88882. 节点部署就节点部署而言，早期的无线传感器网路研究借用了Ad Hoc网络中较成熟的自组织路由协议。随着研究的深入，逐渐发现无线传感器网络与Ad Hoc网络拓扑结构和工作模式各不相同。主要表现如下： Ad Hoc网络中的节点具有强烈的移动性，网络拓扑结构是动态变化的，使路由技术的设计带来了很大的局限性。8989 无线传感器网络节点在部署完成之后大部分节点不会再移动，网络拓扑结构是静态的。虽然部分节点会因调度机制(如拓扑控制)，或者失效等原因改变网络拓扑结构，但依然可以认为无线传感器
44、网络的拓扑结构是静态的。90903. 工作模式就工作模式而言，Ad Hoc网络与无线传感器网络的差别如下： Ad Hoc网络中任意两节点之间都是可以互相通信的，路由协议是以传输为目的的。 无线传感器网络中终端节点将数据传输给上一层路由节点或者汇聚节点，即多对一通信，而终端节点之间是不通信的，所以路由协议是以数据为中心的。综上所述，Ad Hoc网络路由协议在设计上比无线传感器网络的路由协议要复杂很多。91 911.5.2 特点1. 大规模网络为了获取精确信息，在监测区域通常部署大量传感器节点，传感器节点数量可能达到成千上万甚至更多。传感器网络的“大规模”包含两层含义： 传感器节点分布地理区域大。
45、例如，原始大森林采用无线传感器网络进行森林防火和环境监测。 传感器节点部署密集，在面积不是很大的空间内部署大量的传感器节点。9292传感器网络的大规模性具有如下优点： 通过不同空间视角获得的信息具有更大的信噪比。 通过分布式处理大量的采集信息能够提高监测的精确度，降低对单个节点传感器精度的要求。 大量冗余节点的存在，使得系统具有很强的容错性能，可以增大覆盖的监测区域，减少洞穴或者盲区。93932. 自组织网络在传感器网络应用中，通常情况下传感器节点被放置的环境没有基础网络结构，传感器节点的位置不能预先精确地设定，节点之间的相互邻居关系预先也不知道。这样要求传感器节点具有自组织的能力，能够自动进
46、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系统。在传感器节点网络使用过程中，部分传感器节点由于能量耗尽或者环境因素造成失效，一些节点为了弥补失效节点，增加监测精度而补充到网络中，9494这样在传感器网络中的节点个数就动态地增减，从而使网络的拓扑结构随之动态地变化。传感器网络的自组织性要能够适应这种网络拓扑结构的动态变化。95953. 动态性网络传感器网络的拓扑结构可能因为下列因素而发生改变： 环境因素或电能耗尽造成传感器节点出现故障或失效。 环境条件变化可能造成无线通信链路带宽变化，时断时通。 传感器网络的传感器、感知对象和观察者这三要素都可能具有移动性。 新节
47、点的加入。 这就要求无线传感器网络要能够适应这种变化，具有动态系统的可重构性。96964. 可靠的网络传感器网络特别适合部署在恶劣环境或人类不宜到达的区域，传感器节点可能工作在露天环境中，被破坏的可能性极大，并且传感器节点往往采用随机部署，如通过飞机随机散播，这就要求传感器节点非常坚固，不易损坏，适应各种恶劣的环境条件。由于监测区域环境的限制以及传感器节点数目巨大，网络的维护十分困难，甚至不可维护。传感器网络的通信保密性和安全性也十分重要，要防止监测数据被盗取和获取伪造监测信息，因此，传感器网络的软硬件必须具有鲁棒性(稳定性或可靠性)和容错性。97975. 应用相关网络无线传感器网络用来感知客
48、观物理世界、获取物理世界的信息量。客观世界的物理量多种多样，不同的传感器关心不同的物理量，多传感器的应用系统也有多种多样的要求。不同的应用背景对传感器网络的要求不同。硬件平台、软件系统和网络协议也会有很大差别。在开发传感器网络应用中，要关心传感器网络的差异，让系统贴近应用才能做出高效的目标系统。针对每一个具体应用来研究传感器网络技术，这是传感器网络设计不同于传统网络的显著特征。98986. 以数据为中心传感器网络是任务型网络，脱离传感器网络谈论传感器节点没有任何意义。由于传感器网络节点随机部署，构成传感器网络与节点编号之间的关系完全是动态的，与节点位置没有必然的联系。用户使用传感器网络查询事件
49、时，直接将事件通告给网络，而不是通告给某个确定编号的节点(即将数据广播到整个网络中)。网络在指定时间内将数据汇报给用户。由此可以看出无线传感器网络是以数据本身作为查询或传输线索，所以通常说传感器网络是一个以数据为中心的网络。9999无线传感器网络的操作系统是无线传感器网络的基本软件环境，是无线传感器网络应用软件开发的基础。它定义了一套通用的界面框架，允许应用程序选择服务的实现。另外还提供框架的模块化，以便适应硬件的多样性。本小节主要讲述现阶段广泛应用的三种操作系统，并作出比较。1.6 WSN操作系统操作系统1001001.6.1 现有的操作系统随着无线传感器网络的发展，目前已经出现了好几种应用
50、于无线传感器网络的操作系统，比较有突出代表性的操作系统有以下几种。1. TinyOS操作系统TinyOS操作系统是加州大学伯克利分校(UC Berkeley,UCB)的David Culler领导研究小组为无线传感器网络量身定制的嵌入式操作系统。TinyOS系统的核心代码和数据大概有400字节左右，能够突破传感器资源少的限制。TinyOS系统现阶段已经成为无线传感器网络领域事实上的标准平台。1011012. MANTIS操作系统MANTIS OS(MultimodA1 NeTworks of In-situ Sensors OS，MOS)是由美国科罗拉多大学MANTIS项目组为无线传感器网络开
