浅谈无线传感器网络

大理学院

DALI UNIVERSITY

数学与计算机学院期末结课论文

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浅谈无线传感器网络

【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。本文对无线传感器网络进行了简要介绍，分析了无线传感器网络及无线传感器网络节点的软硬件组成架构、技术特点，列出了当前无线传感器网络研究的关键技术，讨论了无线传感器网络在军事、智能家居、环境监测、农业、交通等方面的现有应用，最后提出无线传感器网络技术需要解决的问题以及无线传感器网络的发展方向。【关键字】：传感器技术无线传感器网络传感器节点无线传感器网络关键技术无线传感器网络发展方向

1 引言

在传感器出现之前，人们只能借助自身感觉器官直接从外界感知信息，有很大的局限性。传感器技术的出现及应用，恰恰解决了这个问题，扩展了人们感知外围环境的途径。随着传感器技术的发展，人们已不满足于原有单个独立的传感器；很多时候，我们需要通过传感器网络采集来自不同区域、不同类型的信息并进行整合汇总，实现对获取信息的全方位掌握与综合判断。

现实中，传感器被应用在越来越多的数据信息采集场合，比如采集大气中的粉尘含量、煤矿内的瓦斯浓度等。在这些应用中，用来采集数据的传感器被放置在复杂的环境条件下，需要在长达几个月甚至几年的时间内进行连续数据采集工作，工作人员无法经常进行维护。这时，远距离布线、数据的传输汇总、传感器的远程控制、系统电源供给以及信号的安全性等都成为工程师需要考虑的问题。

随着无线传感器网络技术的发展及成熟应用，这些瓶颈被一一化解。在无线传感器网络中，每一个节点都能够独立的工作，并将数据汇总；并且根据应用场合的不同，构建相应的无线传感器网络，可以很容易的大规模扩充节点数目。

无线传感器网络(Wireless Sensor Network，无线传感器网络)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。

2 无线传感器网络

2.1 无线传感器网络简介

无线传感器网络是一种由大量小型无线传感器所组成的网络，这种小型无线传感器一般被称作无线传感器网络节点。无线传感器网络节点之间通过无线方式通信，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，并发送给信息处理中心，反馈给观察者。无线传感器网络节点、感知对象和观察者构成了无线传感器网络的三个要素。

在不同的应用场合，无线传感器网络节点的组成结构不尽相同，一个典型的无线传感器网络节点主要由传感器模块、处理器模块、无线通信模块和电源模块

四部分组成。如图1示。无线传感器网络的各节点通过一定的协议类型组成一个无线传感器网络，实现对数据的采集、处理，还能接收来自其他节点的数据，并最终将数据发送到信息处理中心。传感器模块负责监测区域内信息的采集和数据A/D转换；处理器模块负责控制整个传感器节点的操作及信息数据的进一步处理，存储和处理本身采集的数据以及其他节点发来的数据；无线通信模块负责与其他传感器节点进行无线通信，交换控制信息和收发采集数据；电源模块为传感器节点提供运行所需的电源，通常采用微型电池。

图1 无线传感器网络节点组成图

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 无线传感器网络的发展现状

早在上世纪70年代，就出现了将传统传感器采用点对点传输、连接传感控制器而构成传感器网络雏形，我们把它归之为第一代传感器网络。随着相关学科的不断发展和进步，传感器网络同时还具有了获取多种信息信号的综合处理能力，并通过与传感控制器的相联，组成了有信息综合和处理能力的传感器网络，这是第二代传感器网络。而从上世纪末开始，现场总线技术开始应用于传感器网络，人们用其组建智能化传感器网络，大量多功能传感器被运用，并使用无线技术连接，无线传感器网络逐渐形成。

近年来,无线通信技术和微电子技术的不断进步,大大地推动了无线传感器网络的迅猛发展。无线传感器网络是任意部署在一定地理范围内的大量体积微小的传感器节点所组成的自组织网络。这些微小的节点具有数据采集，信号处理和无线通信等功能，彼此通过无线通信，相互协调形成一个智能的传感网络。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，通过合理的节点部署和网络设计，无线传感器网络能够在危险，恶劣的环境中执行任务，比如敌方军事报侦察。但是，由于节点本身设计制造成本低，体积微小的特点，单个节点只能携带有限的能量，进行简单的局部信号处理及短距离的无线通信。因此，如何设计高效的分布式信号处理算法以降低网络中能量和带宽的消耗已成为当前无线传感器网络研究的热点问题之一。

2.3 无线传感器网络的节点结构及网络体系结构

2.3.1 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。

2.3.2 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。

2.4 无线传感器网络的物理组成

2.4.1 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行的“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。

2.4.2 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。

2.5 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