无线传感器网络综合整理

无线传感器网络

1无线传感器网络简介

WSN是wireless sensor network的简称，即无线传感器网络。

无线传感器网络就是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中被感知对象的信息，并发送给观察者。传感器、感知对象和观察者构成了无线传感器网络的三个要素。

WSNs网络体系结构如图所示。数量巨大的传感器节点以随机散播或者人工放置的方式部署在监测区域中，通过自组织方式构建网络。由传感器节点监测到的区域内数据经过网络内节点的多跳路由传输最终到达汇聚节点（Link节点），数据有可能在传输过程中被多个节点执行融合和压缩，最后通过卫星、互联网或者无线接入服务器达到终端的管理节点。用户可以通过管理节点对WSNs进行配置管理、任务发布以及安全控制等反馈式操作。

图1.1

传感器节点

功能：采集、处理、控制和通信等

网络功能：兼顾节点和路由器

图1.2

Sink节点

功能：连接传感器网络与Internet等外部网络，实现两种协议栈之间的通信协议转换，发布管理节点的监测任务，转发收集到的数据。

特点：连续供电、功能强、数量少等

2无线传感器网络特点

2.1硬件资源有限

受体积成本限制，传感器节点的硬件资源有限，其计算能力、存储能力相对较弱。

2.2电源容量受限

通常传感器节点投放在不适合电源不补给的恶劣环境和无人区，所以仅靠电池供电。

2.3对等网络

各传感器地位平等，没有固定的中心节点，是一种对等网络。

2.4多跳路由

网络数据的传送往往采用多跳转发的方式。

2.5动态拓扑

无线传感器网络的拓扑是动态变化的，因为无线传感器的节点是移动，数量是变化的（主动和被动变化）。

2.6以数据为中心

无线传感器网络是任务型网络。在WSN中，节点虽然也有编号。但是编号是否在整个WSN中统一取决于具体需要。另外节点编号与节点位置之间也没有必然联系。用户使用WSN查询事件时，将关心的事件报告给整个网络而不是某个节点。许多时候只关心结果（数据）如何，而不关心是哪个节点发出的数据。

2.7安全问题突出

无线传输方式下监测数据很容易被截获，甚至篡改。

3无线传感器网络的关键技术

3.1网络协议

IEEE 802.15.4协议标准（见百度百科）

IEEE 802.15.4描述了低速率无线个人局域网的物理层和媒体接入控制协议。IEEE 802.15.4是ZigBee, WirelessHART, 和MiWi规范的基础。IEEE 802.15.4 具有低功耗、低成本的特性，该标准的许多特征与WSNs 无线传输要求具有相似之处，因此，众多厂商将该技术作为WSNs的无线通信平台。

标准特点

制定IEEE 802.15.4标准，针对低速无线个人区域网络（low-rate wireless personal area network, LR-WPAN）制定标准。该标准把低能量消耗、低速率传输、低成本作为重点目标，旨在为个人或者家庭范围内不同设备之间的低速互连提供统一标准（范围在10米左右）。该标准工作在868/915M、2.4GHz的ISM频段上，数据传输速率最高可达250kbps。IEEE 802.15.4标准定义的LR-WPAN网络具有如下特点：

（1）在不同的载波频率下实现了20kbps、40kbps和250kbps三种不同的传输速率；

（2）支持星型和点对点两种网络拓扑结构；

（3）有16位和64位两种地址格式，其中64位地址是全球惟一的扩展地址；

（4）支持冲突避免的载波多路侦听技术（carrier sense multiple access with collision avoidance, CSMA-CA）；

（5）支持确认（ACK）机制，保证传输可靠性。

（6）低功耗机制；

（7）信道能量检测（Energy Detection，ED）；

（8）链路质量指示（Link quality indication，LQI）；

（9）工作在ISM频段上，其中在2450 MHz 波段上有16个信道，在915MHz波段上有30个信道，在868MHz上有3个信道；

（10）数据安全策略。

网络简介

IEEE 802.15.4网络是指在一个POS内使用相同无线信道并通过IEEE 802.15.4标准相互通信的一组设备的集合，又名LR-WPAN网络。在这个网络中，根据设备所具有的通信能力，可以分为全功能设备（Full Function Device , FFD）和精简功能设备（Reduced Function Device , RFD）。FFD设备之间以及FFD设备与RFD设备之间都可以通信。RFD设备之间不能直接通信，只能与FFD设备通信，或者通过一个FFD设备向外转发数据。这个与RFD相关联的FFD设备称为该RFD的协调器（coordinator）。RFD设备主要用于简单的控制应用，如灯的开关、被动式红外线传感器等，传输的数据量较少，对传输资源和通信资源占用不多，这样RFD设备可以采用非常廉价的实现方案。

IEEE 802.15.4网络中，有一个称为PAN网络协调器（PAN coordinator）的FFD设备，是LR-WPAN网络中的主控制器。PAN网络协调器（以后简称网络协调器）除了直接参与应用以外，还要完成成员身份管理、链路状态信息管理以及分组转发等任务。

无线通信信道的特征是动态变化的。节点位置或天线方向的微小改变、物体移动等周围环境的变化都有可能引起通信链路信号强度和质量的剧烈变化，因而无线通信的覆盖范围不是确定的。这就造成了LR-WPAN网络中设备的数量以及它们之间关系的动态变化。