无线传感器网络简介

胡志鹏

摘 要：无线传感器网络是一种新型网络，是物联网的前身，它是由大量传感器节点组成，这些结点具有计算通信等能力。传感器节点部署在某一监检区域内，节点间采用无线通信的方式组成自组织网络。该网络低能耗、低成本、分布式和自组织的特点无疑给信息感知领域带来了一场重大变革[1-3]。

1.传感器网络结构

通常情况下一个传感器网络中包含两类节点：1）传感器节点（sensor node），简称节点，2）汇聚节点（sink node）。这些节点以高密度形式随机分布在某一监测区域（sensor field）内，节点與节点之间采用无线通信的方式构成自组织网络[19][20]。

节点的存储能力、电池容量、通信能力和计算能力都比较有限。每一个节点都具有终端和路由器功能，节点可以收集本地信息并处理数据，同时节点还存储其它节点发送来的数据，并对这些数据进行管理和融合等操作。

汇聚节点的存储能力、计算能力和通信能力较强，并且能量不受限制，汇聚节点上配备有网络当前的拓扑信息，该节点主要负责网络与外部网络的连接，同时还要实现通信协议的转换。汇聚节点将网络中收集到的数据转发给外部网络，同时将用户的监测任务发布给网络内的其它节点。汇聚节点一般情况下可以认为是一个增强节点，该节点的能量充足和计算能力强大。

节点的主要任务是收集数据，并将数据能过其它节点进行传输，在数据的传输过程中，数据有可能通过多个节点才能到汇聚节点。汇聚节点将这些处理好的数据发送给用户。用户可以通过发布命令的方式对传感器网络内资源进行配置与管理，还可以发布所需的监测任务，达到最终收集信息的目的。

传感器网络结构如图1所示。

2 传感器节点结构

由大量的廉价微型传感器节点组成，首先将传感器节点部署在某一监检区域内，节点与节点之间通过无线通信方式组成的一个自组织网络。传感器节点是由四个模块组成的，传感器模块、无线通信模块、能量供应模块和处理器模块组成，如图2所示。传感器模块负责测量周边环境中的温度、红外、声纳、雷达、湿度、噪声、光强度、压力等用户所需的物理特征，并将这些特征转变为通信中用到的电信号;无线通信模块主要负责与节点进行无线通信，交换数据信息和收发控制消息;处理器模块主要任务是控制整节点内的操作及数据处理，存储和处理数据;能量供应模块将运行时所需的能量提供节点，通常使用体积较小的纽扣电池。

3  传感器网络协议栈

经过大量的研究，研究人员提出了无线传感器网络协议栈。该协议栈一共包括五层，分别为物理层、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相对应。协议栈配备了能量管理平台、移动管理平台和任务管理平台，这些管理平台能够高效的利用网络的能量，管理传感器节点间的协同工作，如图3所示。

各层协议介绍

物理层：提供简单、健壮的信号调制和无线收发技术，还要完成对数据的加密工作。

数据链路层：负责数据成帧、帧检测、媒体访问和差错控制等。

网络层：负责路由生成与路由选择，在无线传感器网络中，路由协议不仅关注单个节点的能量消耗，更关注整个网络能量的均衡消耗，使整个网络的生存期得以延长。

传输层：负责数据流的传输控制，是保证通信服务质量的重要部分。

应用层：包括一系列基于监测任务的应用层软件

能量管理平台管理传感器节点如何使用能源，在各个协议层都需要考虑节省能量，使节点有限的能量发挥最大的作用。

移动管理平台检测并注册传感器节点的移动，维护到汇聚节点的路由，使得传感器节点能够动态跟踪其邻居的位置。

任务管理平台在一个给定的区域内平衡和调度监测任务。

4 无线传感器网络特点

1）节点能量有限：无线传感器网一个极为重要的应用就是军事应用，那么就要求节点能很好的隐蔽自己，所以传感器节点通常体积微小，导致了节点所能携带的电池体积较小，能量较为有限。传感器网络中的节点个数非常多、节点成本低廉、部署区域环境复杂、分布区域广，致使传感器节点通过更换电池的方式来补充能源是不现实的，无线传感器网络中应用首要的要求就是高效的利用能量。

2）通信能力有限：经过大量的实验，研究者们发现在无线通信中发送信号所消耗的能量与距离有关，其关系为E=kdn（2

3）存储能力和计算能力有限：传感器节点是一种微型嵌入式设备，计算能力和存储能力极度低下，甚至无法存储较为复杂的算法的代码，而处理器模块需要进行控制整节点内的操作及数据处理，存储和处理数据等多种工作，为了解决这种能力低而工作任务重的不对等情况，成为了无线传感器网络设计的难以点。

4）以数据为中心：传感器网络是典型的任务型网络，单独的谈论节点没有意义的。网络中的节点采用独立的编号对某一节点标识，节点编号在某一区域内是唯一的，但是在全网内是否需要唯一编号，可根据网络通信协议设计自我规定。

5）自组织网络：传感器网络中的节点是一般是通过飞机播撒的，那么节点位置将没有固定结构，完全随机。由于每个节点的位置是随机的，不能预先设定，那么网络的拓扑结构也不可能预先知道，这就要求传感器网络是自组织的，网络中节点能自动进行配置，生成相应的拓扑结构，自行进行网络通信，完成用户交给的各项任务。

6）动态性网络：传感器网络的拓扑结构容易受到外界环境的影响而改变，出现这种改变的原因有三种：1. 节点中电能耗尽使得节点失效或传感器节点内部出现故障而失效;2. 外界环境条件变化（如刮风下雨等环境因素）造成通信链路带宽改变;3. 传感器、感知对象和观察者都可能具有移动性。传感器网络必须能够适应各种变化，使得网络具有可重构性。

参考文献

[1]宋立军， 李腊元， 王爱新. 无线传感器网络安全路由协议的改进[J]. 传感技术学报， 2009， 10： 1471-1475.

[2]R Lacoss， R walton， Strawman. Design for a DSN to detect and track low flying aircraft. Proceedings of the Distributed Sensor Nets Workshop Conferences[J]. Carnegie-Mellon University， Pittsburgh， PA， December， 1978： 41-52.

[3]M Hewishi， Little brother is watching you： Unattended ground sensors[J]. Jane’s Int. Defense Review， June 2001. 34 （6）： 46-51.