无线传感器网络关键技术与发展

学年论文

题目：无线传感器网络关键技术与发展学生：崔小锋

指导教师：***

系别年级：计算机系2006级

专业：计算机科学与技术

无线传感器网络关键技术与发展

（河西学院计算机系崔小锋）

【摘要】：科技发展的脚步越来越快，人类已经置身于信息时代。作为信息获取的一种重要、基本的技术——传感器技术，也得到了极大的发展。无线传感器网络是一种全新的信息获取和处理技术，传感器节点可以连续不断地进行数据采集、事件检测、事件标识、位置监测和节点控制，传感器节点的这些特性和无线连接方式使得无线传感器网络的应用前景非常广阔，随着无线传感器网络的深人研究和广泛应用，无线传感器网络将逐渐深入到人类生活的各个领域。传感器信息获取技术已经从过去的单一化渐渐向集成化、微型化和网络化方向发展，并将会带来一场信息革命。

【关键词】：信息时代、传感器技术、无线连接、信息革命

1引言

无线传感器网络(WSN, Wireless Sensor Net-work )综合了传感器技术、嵌入式计算技术、分布式信息处理技术和通信技术，能够协作地实时监测、感知和采集网络分布区域内的各种环境或监测对象的信息，并对这些信息进行处理，获得详尽而准确的信息，传送到需要这些信息的用户。

无线传感器网络被认为是21世纪最重要的技术之一，它将会对人类未来的生活方式产生深远影响。本文将先介绍无线传感器网络的概念和特点，再探讨WSN在人们生活中的一些应用模型以及在发展中所遇到的一些问题。

2无线传感器网络

2.1无线传感器网络简介

无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）是由许多个功能相同或不同的无线传感器节点通过自组织方式形成的无线网络。每个传感器节点由数据采集模块(传感器、A/D 转换器)、数据处理和控制模块(微处理器、存储器)、通信模块(无线收发器)以及供电模块(电池、DC/DC能量转换器)等组成。节点在网络中可以充当数据采集者、数据中转站或簇头节点(cluster-head node)的角色。作为数据采集者，数据采集模块收集周围环境的数据(如温度和湿度)，通过通信路由协议直接或间接将数据传输给远方基站(base station)或汇节点(sink node);作为数据中转站，节点除了完成采集任务外，还要接收邻居节点的数据，并将其转发到距离基站最近的邻居节点或者直接转发到基站或汇节点，簇头节点负责收集该类内所有节点采集的数据，经数据融合后，发送到基站或汇节点。这些传感器节点可以任意地部署在监测区域内，彼此通过无线通信形成一个多跳的、自组织的网络来完成信息采集、数据传输和信息处理。无线传感器网络通过节点的数据采集和传输，可以在任何时间、任何地点获取对象的信息，对环境的变化具有很强的鲁棒性，因此它具有广泛的应用前景，可以应用于军事情报侦察、工业生产过程控制、环境监测和保护以及现代化交通管理等领域。

2.2无线传感器网络的节点结构及网络体系结构

网络体系结构是网络的协议分层以及网络协议的集合，是对网络及其部件所应完成功能的定义和描述，对无线传感器网络来说，其网络体系结构不同于传统的计算机网络和通信网络。网络体系结构由分层的网络通信协议、传感器网络管理以及应用支撑技术三部分组成。

2.2.1 传感器网络节点结构

传感器网络节点的基本组成包括如下4个基本单元：传感单元(由传感器和模数转换功能模块组成)、处理单元(包括CPU、存储器、嵌入式操作系统等)、通信单元(由无线通信模块组

成)以及电源。此外，可以选择的其他功能单元包括：定位系统、移动系统以及电源自供电系统等。

2.2.2 传感器网络的体系结构

网络体系结构是网络的协议分层以及网络协议的集合，是对网络及其部件所应完成功能的定义和描述，对无线传感器网络来说，其网络体系结构不同于传统的计算机网络和通信网络。网络体系结构由分层的网络通信协议、传感器网络管理以及应用支撑技术三部分组成。分层的网络通信协议结构类似于TCP／IP协议体系结构；传感器网络管理技术主要是对传感器节点自身的管理以及用户对传感器网络的管理；在分层协议和网络管理技术的基础上，支持了传感器网络的应用支撑技术。

2.3无线传感器网络的物理组成

无线传感器网络的传感器节点个数通常很多,它们不仅体积小、成本低,另外还要求传感器节点功耗非常低,以满足用电池即可维持长时间的工作状态。因此这些特点决定了对传感器节点的设计需要在尽可能简单的情况下满足应用需求。无线传感器节点是由硬件层与软件层的配合完成任务。

2.3.1 无线传感器硬件层

硬件层一般都包括以下四个单元:供电单元、数据采集单元(包括传感器和A/D模数转换器件)、数据处理单元(包括存储器和微控制器)、无线通信单元。微控制器作为传感器节点运“心脏”,在上面运行着嵌入式系统软件,从而对另外三个单元的工作进行控制。在硬件的选取上,尽量采用低功耗器件,还可以考虑在无数据采集和无数据通信的时候命令微控制器进入“睡眠”状态并可切断无线通信单元的部分电源,从而降低功耗。

2.3.2 无线传感器软件层

无线传感器网络的软件层包括三个层次:硬件抽象层、系统服务层和应用层。硬件抽象层用来实现对硬件平台(供电、数据采集、数据处理和无线通信单元)的抽象,为上层屏蔽底层硬件细节,简化系统平台移植。系统服务层包括通信服务、传感服务、能耗管理服务、实时内核等四部分,在这个层次中除了实现操作系统如任务调度、信号量等内核服务外,还将完成各种路由、安全算法的实现,并支持各类通信传输协议。应用层是由用户根据具体应用的需要定义,利用系统服务层提供的接口,能方便的设计出上层软件。

软件层用来控制硬件层,是整个传感器的“大脑”,除了最基本的数据采集和发送之外,根据应用的场合,还需要实现关于网络拓扑、自组织、路由选择、能耗节约、错误处理、可靠性保证等一系列的算法与设计。对于一些简单的应用可以使用单一循环逻辑的软件来完成。而一些复杂性较高的应用场景就有必要使用针对无线传感器网络特点的嵌入式操作系统。。

2.4 无线传感器网络主要特点

1．自组织网络

在无线传感器网络应用中，通常情况下传感器节点被放置在没有基础设备的地方。传感器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不能预先知道，如通过飞机撒播大量传感器节点在面积广大的原始森林中，或随意放置到人不可到达或危险的区域。这样就要求传感器节点具有自组织的能力，能够自动进行配置和管理，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。在无线传感器网络使用过程中，部分传感器节点由于能量耗尽或环境因素造成失效，也有一些传感器节点为了弥补失效节点、增加监测精度而补充到网络中，这样在无线传感器网络中的节点个数就动态的增加或减少，从而使网络的拓扑结构随之动态变化。无线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。

2．多跳路由

网络中节点通信距离有限，一般在几十到几百米范围内，节点只能与它的邻居直接通信。如果希望与其射频覆盖范围之外的节点进行通信，则需要通过中间节点进行路由。拟定网络的多跳路由使用网关和路由器来实现，而无线传感器网络中的多跳路由是由普通网络节点完成的，没有专门的路由设备。这样每个节点既可以是信息的发起者，也可以是信息的转发者。

3．动态网络拓扑

无线传感器网络是一个动态的网络，节点可以随处移动；一个节点可能会因为电池能量耗尽或其他故障，退出网络运行；一个节点也可能由于工作的需要而被添加到网络中。在某