无线传感器节点的限制

无线传感器节点的限制

1．无线传感器节点结构

无线传感器网络是由大量传感器节点组成的。传感器节点通常用于部署，它的成本低廉、重量轻，同时支持一些基本功能，比如事件检测、分类、追踪以及汇报。每个节点包含一个或多个传感器，嵌人式处理器、低功率雷达，以及供电电池。传感器节点在绝大多数时间保持“沉默”，但一旦监测到数据则立即进人活动状态。所有节点共同合作完成一个共同的任务。传感器节点硬件通信架构的设计必须充分考虑电池方面的限制。一般情况下，节点支持以下功能：动态配置，以支持多种网络功能；节点可以动态配置成网关，普通节点等；远程可编程，以便增加新的功能，比如，支持新的信号处理算法，定位功能，以便确定自己的绝对或者相对位置，比如，利用全球定位系统（globe position system，GPS）；支持低功耗的网络传输；支持长距离通信的能力，以便数据传输，比如网关之间的通信。在部署前，只需要少量的预配置。

无线传感器节点是组成无线传感器网络的基本元素，基本上是由数据采集模块、处理器模块、无线通信模块及能源供应模块。此外，还会包括一些应用相关部件，如图所示。

图传感器网络节点的组成

无线传感器节点执行以下操作：

①通过传感器获取数据。

②通过模数转换器（AD／DC）转化成数字形式，传递给处理器模块。

③处理器模块一般是与存储部件紧密结合，根据从数据采集模块和无线通信模块传送过来的数据完成数据融合、节点定位等各种计算功能。在加解密操作中，CPU的计算能力和节点的存储能力（程序代码存储、动态数据存储、公共参数存储等）是必须要考虑的参数，CPU计算与存储器I／O的优化设计会很大程度提高计算效率。

④无线通信模块负责该节点与其他节点或者网络代理等设各之间的无线通信，即无线信号的收发功能，一般被认为是整个结构中耗能最大的部分，从物理层到应用层各层面的设计都要将低能耗作为最主要的设

计目标之一。

⑤能量供应模块在无线传感器节点中至关重要，为传感器节点各部件提供能量。需要长时间数据采集的传感器有的会需要太阳能、人体电能等周边能量收集、无线充电以及移动机器人充电等方式来维持节点的正常运转。节点各部件之间的协同也需要精心设置，如当节点部件工作电压由2.7V降到2.V时，在同样电能的情况下，节点生命周期可能会延长5倍，所以当前根据传感器节点在不同时段的不同工作模式采用动态功率管理、动态电压调度等进行能量管理和控制。

电池的容量决定了传感器节点的寿命。即使使用了环境能量汲取技术，还没有足够的研究表明这种能量供给已经能够满足节点的工作需要。因此一般情况下，我们假设传感器节点的电池容量是有限的，我们必须采用各种手段来降低电池能量的消耗。为了节省能耗，微处理器一般有两种运行模式：运行模式和休眠模式。在休眠模式中，节点能量的消耗要远远小于运行模式。

被测物理信号不同，传感器类型也不同。在不同的应用中，传感器可以采集不同类型的信号，包括振动信号、声音信号、电磁信号、红外信号、雷达信号等。采集的信号一般都是模拟信号，通过一个转换部件将模拟信号转化为数字信号，然后输人到处理单元。数据采集是实时的，但数据传输却不一定是实时的。

传感器节点需要一个嵌人式操作系统来管理各种资源和支持各种应用。操作系统可以选择现有的各种商用嵌人式操作系统，如在WINS NG中就采用微软的Windows CE操作系统，也可以自己开发特定的操作系统，如UC Berkeley为此专门开发了TinyOS操作系统。

2．传感器节点的现实约束

（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。由于传感器节点数目庞大、成本要求低廉、分布区域广，而且部署环境复杂，有些区域甚至于人员不能到达，所以无线传感器网络节点通过更换电池的方式来补充能量是不现实的。传感器节点消耗能量的模块包括传感器模块、处理器模块和无线通信模块。随着集成电路工艺的进步，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，无线通信模块有发送、接收、空闲和睡眠四种状态。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，而在睡眠状态则关闭通信模块。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能量消耗接近，略少于发送状态的能量消耗，在睡眠状态能量消耗最少。如何让网络通信更有效率，减少不必要的转发和接收，不需要通信时尽快进人睡眠状态，是无线传感器网络协议设计需要重点考虑的问题。

（2）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＝kd n（1）

其中，参数m满足关系2＜n＜4，n的取值与很多因素有关，例如传感器节点部署的环境，天线的质量等。k是一个常数，d是通信距离。由公式（1）可知，随着通信距离的增加，无线通信的能量消耗将急剧增加。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路由的传输机制。

（3）计算和存储能力有限

传感器节点通常是一个微型的嵌人式系统，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节点的终端和路由器双重功能。汇聚节点的处理能力、存储能力和通信能力相对较强。它连接传感器网络和外部网络，实现两种协议栈之间的通信协议转换，同时发布管理节点的监测任务，并把收集到的数据转发到外部网络上。用户通过管理节点对传感器网络进行配置和管理，发布监测任务以及收集监测数据