第11章概述11.1無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的概念與特點(diǎn)11.2無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用難點(diǎn)本章小結(jié)

11.1無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的概念與特點(diǎn)

1.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的概念

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)就是部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)大量的廉價(jià)微型傳感器節(jié)點(diǎn)組成的，通過無線通信方式形成的一個(gè)多跳自組織網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其目的是協(xié)作感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中感知對(duì)象的信息，并發(fā)送給觀察者。

2.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)

1）無線傳感器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)

一個(gè)無線傳感器節(jié)點(diǎn)一般由傳感器模塊、處理器模塊、無線通信模塊和電源模塊四部分構(gòu)成，如圖11.1.1所示。圖11.1.1無線傳感器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)傳感器模塊負(fù)責(zé)采集監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的信息，并進(jìn)行數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換，將原始的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，不同的傳感器采集不同的信息。處理器模塊一般由嵌入式系統(tǒng)構(gòu)成，用于處理存儲(chǔ)傳感器采集的信息數(shù)據(jù)并負(fù)責(zé)協(xié)同傳感器節(jié)點(diǎn)各部分的工作，它具有控制電源工作模式的功能，可以實(shí)現(xiàn)節(jié)能。此外，處理器模塊還負(fù)責(zé)處理由其他節(jié)點(diǎn)發(fā)來的數(shù)據(jù)。無線通信模塊的基本功能是將處理器輸出的數(shù)據(jù)通過無線信道與其他節(jié)點(diǎn)或基站通信。一般情況下，無線通信模塊具有低功耗、短距離通信的特點(diǎn)。電源模塊用于為傳感器節(jié)點(diǎn)提供能量，一般采用微型電池供電。另外，在無線通信模塊中，當(dāng)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，數(shù)據(jù)經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)層傳到數(shù)據(jù)鏈路層(DataLinkLayer)，再由數(shù)據(jù)鏈路層傳到物理層，如圖11.1.1中的收發(fā)器所示，此時(shí)數(shù)據(jù)被轉(zhuǎn)換成二

進(jìn)制信號(hào)以無線電波的形式傳輸出去。接收數(shù)據(jù)時(shí)，收發(fā)器將所接收到的無線信號(hào)經(jīng)過解調(diào)后，將其向上發(fā)給MAC層再到網(wǎng)絡(luò)層，最終到達(dá)處理器模塊，由處理器做進(jìn)一步處理。

2）無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)通常包含大量的傳感器節(jié)點(diǎn)(SensorNode)、匯聚節(jié)點(diǎn)(SinkNode)和管理節(jié)點(diǎn)。大量的傳感器節(jié)點(diǎn)隨機(jī)部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域(SensorField)，通過自組織的方式構(gòu)成

網(wǎng)絡(luò)。傳感器節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)通過其他傳感器節(jié)點(diǎn)以逐跳的方式在網(wǎng)絡(luò)中傳輸，傳輸過程中數(shù)據(jù)可被多個(gè)節(jié)點(diǎn)處理，經(jīng)過多跳路由后到達(dá)匯聚節(jié)點(diǎn)，最后通過互聯(lián)網(wǎng)或者衛(wèi)星到達(dá)數(shù)據(jù)處理中心。同樣，數(shù)據(jù)處理中心也可以沿著相反的方向，通過管理節(jié)點(diǎn)對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行管理，發(fā)布監(jiān)測(cè)任務(wù)以及收集監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖11.1.2所示。圖11.1.2無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3）無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議體系結(jié)構(gòu)

任何一個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)都有自己的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)也不例外。由于網(wǎng)絡(luò)協(xié)議是由多個(gè)相互聯(lián)系、相互依存的規(guī)程或軟件構(gòu)成的，因此這些協(xié)議構(gòu)成了一個(gè)完整的體系。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議體系是對(duì)網(wǎng)絡(luò)及其部件應(yīng)完成功能的定義與描述。它由網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議、傳感器網(wǎng)絡(luò)管理以及應(yīng)用支撐技術(shù)組成，其結(jié)構(gòu)如圖11.1.3所示。圖11.1.3無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議體系結(jié)構(gòu)分層的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議結(jié)構(gòu)類似于傳統(tǒng)的TCP/IP協(xié)議體系結(jié)構(gòu)，由物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層和應(yīng)用層組成。物理層的功能包括信道選擇、無線信號(hào)的監(jiān)測(cè)、信號(hào)的發(fā)送

與接收等。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采用的傳輸方式可以是無線、紅外或者光波等。物理層的設(shè)計(jì)目標(biāo)是以盡可能少的能量損耗獲得較大的鏈路容量。數(shù)據(jù)鏈路層的主要任務(wù)是建立一條無差錯(cuò)的通信鏈路，該層一般包括媒體訪問控制(MAC)子層與邏輯鏈路控制(LLC)子層，其中MAC子層規(guī)定了不同用戶如何共享信道資源，LLC子層負(fù)責(zé)向網(wǎng)絡(luò)層提供統(tǒng)一的服務(wù)接口。網(wǎng)絡(luò)層的主要功能是完成分組路由、網(wǎng)絡(luò)互連等。傳輸層負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)流的傳輸控制，提供可靠、高效的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)。網(wǎng)絡(luò)管理技術(shù)主要用于對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)自身的管理以及用戶對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)的管理。網(wǎng)絡(luò)管理模塊是網(wǎng)絡(luò)故障管理、計(jì)費(fèi)管理、配置管理、性能管理的總和，此外還包括網(wǎng)絡(luò)安全模塊、移動(dòng)控制模塊、遠(yuǎn)程管理模塊。傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用支撐技術(shù)可為用戶提供各種應(yīng)用支撐，包括時(shí)間同步、節(jié)點(diǎn)定位，以及協(xié)調(diào)應(yīng)用服務(wù)接口。

3.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)

(1）電源供給有限。

無線傳感器節(jié)點(diǎn)體積較小甚至微小，其攜帶電源也是體積較小的電池，因此也就決定了電池的能量較小，不能進(jìn)行長期的工作，因此電源供給是非常有限的。另外，由于傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)目龐大，成本要求低廉，分布區(qū)域廣，而且部署區(qū)域環(huán)境復(fù)雜，有些區(qū)域甚至人員不能到達(dá)，因此傳感器節(jié)點(diǎn)一般無法通過更換電池來延長工作壽命。如何在網(wǎng)絡(luò)的使用過程中節(jié)省能源，使網(wǎng)絡(luò)的生命周期最大化，是傳感器網(wǎng)絡(luò)面臨的首要問題。（2）通信能力有限。

傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信帶寬較窄而且經(jīng)常變化，通信半徑只有幾十米到幾百米。無線傳感器節(jié)點(diǎn)之間的通信斷續(xù)較頻繁，經(jīng)常會(huì)導(dǎo)致通信失敗。由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通常部署在較復(fù)雜的區(qū)域，因此更易受到高山、建筑物、障礙物等地勢(shì)地貌以及風(fēng)雨雷電等自然環(huán)境的影響，節(jié)點(diǎn)可能會(huì)長時(shí)間工作在脫網(wǎng)的狀態(tài)下，通信能力受到非常大的限制。所以，如何在有限通信能力的條件下完成感知信息的處理與傳輸，是傳感器網(wǎng)絡(luò)面臨的又一難題。（3）計(jì)算能力有限。

無線傳感器節(jié)點(diǎn)是一種以微型嵌入式系統(tǒng)構(gòu)成的集信息采集、處理、通信為一體的設(shè)備，且要求其成本低、功耗小，這就決定了它的處理器應(yīng)是低成本且存儲(chǔ)器容量較小的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，因此它的計(jì)算能力有限。如何在有限的計(jì)算能力下提高信息處理能力是無線傳感器的第三個(gè)難點(diǎn)。（4）網(wǎng)絡(luò)規(guī)模大、分布廣。傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)分布

密集、數(shù)量巨大，可能達(dá)到幾百、幾千萬個(gè)，甚至更多。此外，傳感器網(wǎng)絡(luò)可以分布在很廣泛的地理區(qū)域。這一特點(diǎn)使得網(wǎng)絡(luò)的維護(hù)十分困難甚至不可維護(hù)，因此傳感器網(wǎng)絡(luò)的軟、硬件必須具有高強(qiáng)壯性和容錯(cuò)性，以滿足傳感器網(wǎng)絡(luò)的功能要求。（5）自組織、動(dòng)態(tài)性網(wǎng)絡(luò)。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中，節(jié)點(diǎn)通常部署在自然條件較差的地方。節(jié)點(diǎn)的位置不能預(yù)先精確設(shè)定，節(jié)點(diǎn)之間的相互鄰居關(guān)系也無法預(yù)先知道，這就要求傳感器節(jié)點(diǎn)具有自組織能力，能夠自動(dòng)進(jìn)行配置和管理。同時(shí)，由于部分傳感器節(jié)點(diǎn)能量耗盡或環(huán)境因素造成失效，以及經(jīng)常有新的節(jié)點(diǎn)加入，或是網(wǎng)絡(luò)中的傳感器、感知對(duì)象和觀察者這三要素都可能具有移動(dòng)性，這就要求傳感器網(wǎng)絡(luò)必須具有很強(qiáng)的動(dòng)態(tài)性，以適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)變化。（6）以數(shù)據(jù)為中心的網(wǎng)絡(luò)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的主要任務(wù)是數(shù)據(jù)采集，應(yīng)用者感興趣的是傳感器產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，而不是

傳感器本身。因此，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種以數(shù)據(jù)為中心的網(wǎng)絡(luò)。（7）與應(yīng)用相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是用來感知

并獲取物理世界的信息量的?？陀^世界的物理量多種多樣，

不可窮盡。不同的傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用關(guān)心不同的物理量，因此對(duì)傳感器的應(yīng)用系統(tǒng)也有多種多樣的要求。不同的應(yīng)用背景對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)的要求不同，其硬件平臺(tái)、軟件系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議必然會(huì)有很大差別，在開發(fā)傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中，更關(guān)心傳感器網(wǎng)絡(luò)的差異。11.2無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用難點(diǎn)

11.2.1無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)

1.通信協(xié)議

由于WSN節(jié)點(diǎn)攜帶的電源有一定的時(shí)間壽命，傳感器節(jié)點(diǎn)本身的計(jì)算、存儲(chǔ)和通信能力都十分有限，各個(gè)節(jié)點(diǎn)只能采集特定局部區(qū)域的信息，并將采集的信息送往匯聚節(jié)點(diǎn)，匯聚節(jié)點(diǎn)要對(duì)大量數(shù)據(jù)進(jìn)行協(xié)同處理，這些特點(diǎn)都要求傳感器節(jié)點(diǎn)所運(yùn)行的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議不能太復(fù)雜。

2.WSN的支撐技術(shù)

(1）網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂萍夹g(shù)及新型傳感器的技術(shù)和理論。

(2)傳感器節(jié)點(diǎn)定位技術(shù)，以數(shù)據(jù)為中心的時(shí)鐘同步技術(shù)。(3)傳感器節(jié)點(diǎn)能量經(jīng)濟(jì)使用的控制技術(shù)及數(shù)據(jù)融合技術(shù)。

(4)各種典型場(chǎng)合最佳的數(shù)據(jù)傳送路由算法及技術(shù)，及傳輸網(wǎng)絡(luò)的多種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)互通技術(shù)。

(5)節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò)的最佳覆蓋控制技術(shù)及無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的微執(zhí)行器技術(shù)。

(6)新型無線傳感器節(jié)點(diǎn)電源及其控制技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)安全技術(shù)等。

3.自組織管理技術(shù)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和應(yīng)用環(huán)境的多變性要求無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有自組織的能力，在任何應(yīng)用環(huán)境中能夠自動(dòng)組網(wǎng)、自行配置維護(hù)、自動(dòng)啟動(dòng)運(yùn)行。自組織管理技術(shù)使終端用戶避免大量繁瑣的配置及操作，可方便地管理、配置和使用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。11.2.2物聯(lián)網(wǎng)中無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的難點(diǎn)

（1）承載通信網(wǎng)的異構(gòu)與互聯(lián)。

WSN節(jié)點(diǎn)通過與匯聚節(jié)點(diǎn)與現(xiàn)有的各種信息網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)是WSN應(yīng)用的難點(diǎn)之一。物聯(lián)網(wǎng)中的網(wǎng)絡(luò)傳輸層是以現(xiàn)有的各種承載通信網(wǎng)為基礎(chǔ)的信息網(wǎng)絡(luò)，各種承載通信網(wǎng)就其本質(zhì)而言又是一個(gè)異構(gòu)的通信網(wǎng)，這些異構(gòu)網(wǎng)從傳輸媒質(zhì)、傳輸速率、透明性能方面都是不同的。承載通信網(wǎng)上的信息網(wǎng)必須采用各種適配技術(shù)來滿足承載網(wǎng)的傳送要求，這就使得信息網(wǎng)的結(jié)構(gòu)需要分層并采用各種協(xié)議的相互轉(zhuǎn)換及適配，而WSN的加入又使得異構(gòu)的復(fù)雜度增加，因此在互聯(lián)時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的難度。如何以簡便的方式實(shí)現(xiàn)互聯(lián)是WSN應(yīng)用與物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)難點(diǎn)之一。（2）異構(gòu)終端間的通信與互聯(lián)。

在物聯(lián)網(wǎng)中，往往需要進(jìn)行終端之間的通信，常規(guī)的方式是通過網(wǎng)絡(luò)傳輸層后在應(yīng)用層進(jìn)行通信交互。當(dāng)異構(gòu)終端相互通信時(shí)，通過網(wǎng)絡(luò)傳輸層在應(yīng)用層通信成為了必然的手段，即可稱之為高層交互。當(dāng)進(jìn)行高層交互時(shí)，由于異構(gòu)終端與網(wǎng)絡(luò)傳輸層間的通信會(huì)產(chǎn)生各種延時(shí)、誤碼等傳輸錯(cuò)誤，可能導(dǎo)致異構(gòu)終端間的通信質(zhì)量下降，極端情況下甚至導(dǎo)致通信無法進(jìn)行，因此，如何解決WSN與各異構(gòu)終端間的通信也是其在物聯(lián)網(wǎng)中應(yīng)用的關(guān)鍵問題之一。（3）大結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)融合與異構(gòu)下的數(shù)據(jù)融合。

很多應(yīng)用場(chǎng)合中，需要大規(guī)模部署無線傳感器節(jié)點(diǎn)，形成一個(gè)覆蓋面很大的監(jiān)控區(qū)域。在這樣的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，傳感器節(jié)點(diǎn)經(jīng)過數(shù)據(jù)采集后，使用多跳路由將數(shù)據(jù)送往下一個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)，大量的傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，匯聚節(jié)點(diǎn)要對(duì)大量數(shù)據(jù)進(jìn)行協(xié)同處理，這種數(shù)據(jù)處理具有大結(jié)構(gòu)關(guān)聯(lián)協(xié)同處理的特點(diǎn)。

本章小結(jié)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)大量的廉價(jià)微型傳感器節(jié)點(diǎn)組成的，通過無線通信方式形成的一個(gè)多跳自組織網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其目的是協(xié)作感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中感知對(duì)象的信息，并發(fā)送給觀察者。傳感器、感知對(duì)象和觀察者是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的三個(gè)

要素。

一個(gè)無線傳感器節(jié)點(diǎn)一般由傳感器模塊、處理器模塊、無線通信模塊和電源模塊四部分構(gòu)成。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)通常由大量的傳感器節(jié)點(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)和管理節(jié)點(diǎn)。大量傳感器節(jié)點(diǎn)隨機(jī)部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域，通過自組織的方式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)。傳感器節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)通過其他傳感器節(jié)點(diǎn)以逐跳的方式在網(wǎng)絡(luò)中傳輸，傳輸過程中數(shù)據(jù)可被多個(gè)節(jié)點(diǎn)處理，經(jīng)過多跳路由后到達(dá)匯聚節(jié)點(diǎn)，最后通過互聯(lián)網(wǎng)或者衛(wèi)星到達(dá)數(shù)據(jù)處理中心。同樣，數(shù)據(jù)處理中心也可以沿著相反的方向，通過管理節(jié)點(diǎn)對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行管理，發(fā)布監(jiān)測(cè)任務(wù)以及收集監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議體系是對(duì)網(wǎng)絡(luò)及其部件應(yīng)完成功能的定義與描述，它由網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議、傳感器網(wǎng)絡(luò)管理以及應(yīng)用支撐技術(shù)組成。

與常規(guī)無線網(wǎng)絡(luò)相比，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在通信方式