1、 第11章概 述11.1 无线传感器网络的概念与特点无线传感器网络的概念与特点11.2 无线传感器网络的关键技术与应用难点无线传感器网络的关键技术与应用难点本章小结本章小结11.1无线传感器网络的概念与特点无线传感器网络的概念与特点1.无线传感器网络的概念无线传感器网络就是部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成的，通过无线通信方式形成的一个多跳自组织网络的网络系统，其目的是协作感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息，并发送给观察者。2.无线传感器网络的体系结构1）无线传感器节点结构一个无线传感器节点一般由传感器模块、处理器模块、无线通信模块和电源模块四部分构成，如图11.1.1所示
2、。图11.1.1无线传感器节点结构传感器模块负责采集监测区域内的信息，并进行数据格式的转换，将原始的模拟信号转换成数字信号，不同的传感器采集不同的信息。处理器模块一般由嵌入式系统构成，用于处理存储传感器采集的信息数据并负责协同传感器节点各部分的工作，它具有控制电源工作模式的功能，可以实现节能。此外，处理器模块还负责处理由其他节点发来的数据。无线通信模块的基本功能是将处理器输出的数据通过无线信道与其他节点或基站通信。一般情况下，无线通信模块具有低功耗、短距离通信的特点。电源模块用于为传感器节点提供能量，一般采用微型电池供电。另外，在无线通信模块中，当发送数据时，数据经过网络层传到数据链路层(Da
3、ta Link Layer)，再由数据链路层传到物理层，如图11.1.1中的收发器所示，此时数据被转换成二进制信号以无线电波的形式传输出去。接收数据时，收发器将所接收到的无线信号经过解调后，将其向上发给MAC 层再到网络层，最终到达处理器模块，由处理器做进一步处理。2）无线传感器网络系统结构无线传感器网络系统通常包含大量的传感器节点(Sensor Node)、汇聚节点(Sink Node)和管理节点。大量的传感器节点随机部署在监测区域(Sensor Field)，通过自组织的方式构成网络。传感器节点采集的数据通过其他传感器节点以逐跳的方式在网络中传输，传输过程中数据可被多个节点处理，经过多跳路
4、由后到达汇聚节点，最后通过互联网或者卫星到达数据处理中心。同样，数据处理中心也可以沿着相反的方向，通过管理节点对传感器网络进行管理，发布监测任务以及收集监测数据。无线传感器网络系统结构如图11.1.2 所示。图11.1.2 无线传感器网络系统结构3）无线传感器网络协议体系结构任何一个网络系统都有自己的网络协议，无线传感器网络也不例外。由于网络协议是由多个相互联系、相互依存的规程或软件构成的，因此这些协议构成了一个完整的体系。无线传感器网络协议体系是对网络及其部件应完成功能的定义与描述。它由网络通信协议、传感器网络管理以及应用支撑技术组成，其结构如图11.1.3所示。图11.1.3 无线传感器网
5、络协议体系结构分层的网络通信协议结构类似于传统的TCP/IP协议体系结构，由物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层组成。物理层的功能包括信道选择、无线信号的监测、信号的发送与接收等。无线传感器网络采用的传输方式可以是无线、红外或者光波等。物理层的设计目标是以尽可能少的能量损耗获得较大的链路容量。数据链路层的主要任务是建立一条无差错的通信链路，该层一般包括媒体访问控制(MAC)子层与逻辑链路控制(LLC)子层，其中MAC子层规定了不同用户如何共享信道资源，LLC子层负责向网络层提供统一的服务接口。网络层的主要功能是完成分组路由、网络互连等。传输层负责数据流的传输控制，提供可靠、高效的数据传输
6、服务。网络管理技术主要用于对传感器节点自身的管理以及用户对传感器网络的管理。网络管理模块是网络故障管理、计费管理、配置管理、性能管理的总和，此外还包括网络安全模块、移动控制模块、远程管理模块。传感器网络的应用支撑技术可为用户提供各种应用支撑，包括时间同步、节点定位，以及协调应用服务接口。3.无线传感器网络的特点(1）电源供给有限。无线传感器节点体积较小甚至微小，其携带电源也是体积较小的电池，因此也就决定了电池的能量较小，不能进行长期的工作，因此电源供给是非常有限的。另外，由于传感器节点数目庞大，成本要求低廉，分布区域广，而且部署区域环境复杂，有些区域甚至人员不能到达，因此传感器节点一般无法通过
7、更换电池来延长工作寿命。如何在网络的使用过程中节省能源，使网络的生命周期最大化，是传感器网络面临的首要问题。（2）通信能力有限。传感器网络的通信带宽较窄而且经常变化，通信半径只有几十米到几百米。无线传感器节点之间的通信断续较频繁，经常会导致通信失败。由于无线传感器网络通常部署在较复杂的区域，因此更易受到高山、建筑物、障碍物等地势地貌以及风雨雷电等自然环境的影响，节点可能会长时间工作在脱网的状态下，通信能力受到非常大的限制。所以，如何在有限通信能力的条件下完成感知信息的处理与传输，是传感器网络面临的又一难题。（3）计算能力有限。无线传感器节点是一种以微型嵌入式系统构成的集信息采集、处理、通信为一
8、体的设备，且要求其成本低、功耗小，这就决定了它的处理器应是低成本且存储器容量较小的计算机系统，因此它的计算能力有限。如何在有限的计算能力下提高信息处理能力是无线传感器的第三个难点。（4）网络规模大、分布广。传感器网络中的节点分布密集、数量巨大，可能达到几百、几千万个，甚至更多。此外，传感器网络可以分布在很广泛的地理区域。这一特点使得网络的维护十分困难甚至不可维护，因此传感器网络的软、硬件必须具有高强壮性和容错性，以满足传感器网络的功能要求。（5）自组织、动态性网络。在无线传感器网络应用中，节点通常部署在自然条件较差的地方。节点的位置不能预先精确设定，节点之间的相互邻居关系也无法预先知道，这就要
9、求传感器节点具有自组织能力，能够自动进行配置和管理。同时，由于部分传感器节点能量耗尽或环境因素造成失效，以及经常有新的节点加入，或是网络中的传感器、感知对象和观察者这三要素都可能具有移动性，这就要求传感器网络必须具有很强的动态性，以适应网络拓扑结构的动态变化。（6）以数据为中心的网络。无线传感器网络的主要任务是数据采集，应用者感兴趣的是传感器产生的数据，而不是传感器本身。因此，无线传感器网络是一种以数据为中心的网络。（7）与应用相关的网络。无线传感器网络是用来感知并获取物理世界的信息量的。客观世界的物理量多种多样，不可穷尽。不同的传感器网络应用关心不同的物理量，因此对传感器的应用系统也有多种多
10、样的要求。不同的应用背景对传感器网络的要求不同，其硬件平台、软件系统和网络协议必然会有很大差别，在开发传感器网络应用中，更关心传感器网络的差异。11.2 无线传感器网络的关键技术与应用难点无线传感器网络的关键技术与应用难点11.2.1 无线传感器网络的关键技术无线传感器网络的关键技术1.通信协议由于WSN节点携带的电源有一定的时间寿命，传感器节点本身的计算、存储和通信能力都十分有限，各个节点只能采集特定局部区域的信息，并将采集的信息送往汇聚节点，汇聚节点要对大量数据进行协同处理，这些特点都要求传感器节点所运行的网络通信协议不能太复杂。2.WSN的支撑技术(1）网络拓扑控制技术及新型传感器的技术
11、和理论。(2)传感器节点定位技术，以数据为中心的时钟同步技术。(3)传感器节点能量经济使用的控制技术及数据融合技术。(4)各种典型场合最佳的数据传送路由算法及技术，及传输网络的多种异构网络的互联互通技术。(5)节点和网络的最佳覆盖控制技术及无线传感器网络的微执行器技术。(6)新型无线传感器节点电源及其控制技术，网络数据安全技术等。3.自组织管理技术无线传感器网络的动态拓扑结构和应用环境的多变性要求无线传感器网络具有自组织的能力，在任何应用环境中能够自动组网、自行配置维护、自动启动运行。自组织管理技术使终端用户避免大量繁琐的配置及操作，可方便地管理、配置和使用无线传感器网络。11.2.2 物联网
12、中无线传感器网络应用的难点物联网中无线传感器网络应用的难点（1）承载通信网的异构与互联。WSN节点通过与汇聚节点与现有的各种信息网络的互联是WSN应用的难点之一。物联网中的网络传输层是以现有的各种承载通信网为基础的信息网络，各种承载通信网就其本质而言又是一个异构的通信网，这些异构网从传输媒质、传输速率、透明性能方面都是不同的。承载通信网上的信息网必须采用各种适配技术来满足承载网的传送要求，这就使得信息网的结构需要分层并采用各种协议的相互转换及适配，而WSN的加入又使得异构的复杂度增加，因此在互联时会产生较大的难度。如何以简便的方式实现互联是WSN应用与物联网的技术难点之一。（2）异构终端间的通
13、信与互联。在物联网中，往往需要进行终端之间的通信，常规的方式是通过网络传输层后在应用层进行通信交互。当异构终端相互通信时，通过网络传输层在应用层通信成为了必然的手段，即可称之为高层交互。当进行高层交互时，由于异构终端与网络传输层间的通信会产生各种延时、误码等传输错误，可能导致异构终端间的通信质量下降，极端情况下甚至导致通信无法进行，因此，如何解决WSN与各异构终端间的通信也是其在物联网中应用的关键问题之一。（3）大结构数据融合与异构下的数据融合。很多应用场合中，需要大规模部署无线传感器节点，形成一个覆盖面很大的监控区域。在这样的网络系统中，传感器节点经过数据采集后，使用多跳路由将数据送往下一个
14、传感器节点，大量的传感器节点进行数据传输，汇聚节点要对大量数据进行协同处理，这种数据处理具有大结构关联协同处理的特点。本本 章章 小小 结结无线传感器网络是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成的，通过无线通信方式形成的一个多跳自组织网络的网络系统，其目的是协作感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息，并发送给观察者。传感器、感知对象和观察者是无线传感器网络的三个要素。一个无线传感器节点一般由传感器模块、处理器模块、无线通信模块和电源模块四部分构成。无线传感器网络系统通常由大量的传感器节点、汇聚节点和管理节点。大量传感器节点随机部署在监测区域，通过自组织的方式构成网络。传感器节点采
15、集的数据通过其他传感器节点以逐跳的方式在网络中传输，传输过程中数据可被多个节点处理，经过多跳路由后到达汇聚节点，最后通过互联网或者卫星到达数据处理中心。同样，数据处理中心也可以沿着相反的方向，通过管理节点对传感器网络进行管理，发布监测任务以及收集监测数据。无线传感器网络协议体系是对网络及其部件应完成功能的定义与描述，它由网络通信协议、传感器网络管理以及应用支撑技术组成。与常规无线网络相比，无线传感器网络在通信方式、动态组网以及多跳通信等方面有许多相似之处，但同时也存在很大的不同。无线传感器网络有电源供给有限、通信能力有限、计算能力有限、网络规模大、分布广、自组织、动态性网络、以数据为中心的网络及应用相关的网络的特点。无线传感器网络的关键技术主要有通信协议、WSN的支撑技术、自组织管理技术等。无线传感器网络是物联网的重要组成部分。物联网中，除WSN外还有其他性能不同、通信方式不同的异构物联网终端，这些大量的异构物联网终端与WSN共同构成了一个复杂的物联网系统。
