大佬談無(wú)線傳感器，從無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)聊起

無(wú)線傳感器的應(yīng)用越來(lái)越多，在生活的各個(gè)方面，無(wú)線傳感器都隨處可見(jiàn)。對(duì)于無(wú)線傳感器，我們同樣或多或少有所了解。為增進(jìn)大家對(duì)無(wú)線傳感器的認(rèn)識(shí)，本文將對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)加以介紹。如果你對(duì)本文內(nèi)容具有興趣，不妨繼續(xù)往下閱讀哦。

一、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)介紹

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Networks， WSN)是一種分布式傳感網(wǎng)絡(luò)，它的末梢是可以感知和檢查外部世界的傳感器。WSN中的傳感器通過(guò)無(wú)線方式通信，因此網(wǎng)絡(luò)設(shè)置靈活，設(shè)備位置可以隨時(shí)更改，還可以跟互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行有線或無(wú)線方式的連接。通過(guò)無(wú)線通信方式形成的一個(gè)多跳自組織網(wǎng)絡(luò)。

WSN的發(fā)展得益于微機(jī)電系統(tǒng)(Micro-Electro-Mechanism System， MEMS)、片上系統(tǒng)(System on Chip， SoC)、無(wú)線通信和低功耗嵌入式技術(shù)的飛速發(fā)展。WSN廣泛應(yīng)用于軍事、智能交通、環(huán)境監(jiān)控、醫(yī)療衛(wèi)生等多個(gè)領(lǐng)域。

在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，觀察者將興趣信息告知傳感器節(jié)點(diǎn)，傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)感知對(duì)象后，進(jìn)行協(xié)作地偵察、感知和采集感知目標(biāo)的數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理，之后將信息傳輸給觀察者。

傳感器節(jié)點(diǎn)以人工、飛機(jī)播撒或炮彈發(fā)射等方式被部署到監(jiān)測(cè)區(qū)域，以自組織的形式進(jìn)行組網(wǎng)。各傳感器節(jié)點(diǎn)之間，傳感器節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)關(guān)/sink節(jié)點(diǎn)之間，均采用無(wú)線建立通信鏈路。傳感器節(jié)點(diǎn)具有信息采集和路由雙重功能。

信息采集可以或與其它節(jié)點(diǎn)協(xié)作地檢測(cè)感知區(qū)域目標(biāo)的溫度、濕度、紅外等物理特性，收集相關(guān)數(shù)據(jù);路由功能指對(duì)其它節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、管理和融合，傳輸給下一跳節(jié)點(diǎn)或是網(wǎng)關(guān)/sink節(jié)點(diǎn)。

網(wǎng)關(guān)/sink節(jié)點(diǎn)，也叫匯聚節(jié)點(diǎn)。它的處理能力、存儲(chǔ)能力和通信能力較強(qiáng)，它既可以是能量供給充足且有更多的內(nèi)存資源與更強(qiáng)的計(jì)算能力的傳感器節(jié)點(diǎn)，也可以是帶有無(wú)線通信接口的特殊網(wǎng)關(guān)設(shè)備。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)是連接傳感器網(wǎng)絡(luò)與外部網(wǎng)絡(luò)的橋梁紐帶，通過(guò)協(xié)議轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)管理和傳感器網(wǎng)絡(luò)之間的通信，而且也可將傳感器節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)發(fā)送到互聯(lián)網(wǎng)、衛(wèi)星或是移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)上，且對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)布管理信息。

觀察者是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的用戶，是感知信息的接收和應(yīng)用者。觀察者可以通過(guò)筆記本、PDA、手機(jī)等終端設(shè)備接收傳感器節(jié)點(diǎn)收集的信息，也可以主動(dòng)地收集或查詢無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)、采集到的信息。經(jīng)過(guò)對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)收集的信息進(jìn)行觀察、分析之后，觀察者可以對(duì)感知目標(biāo)采取相應(yīng)的行動(dòng)，或者制定決策。

二、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù) + 問(wèn)題

傳感器技術(shù);

嵌入式計(jì)算技術(shù);

現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)及無(wú)線通信技術(shù);

分布式信息處理技術(shù)等。

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)除了具有Ad hoc網(wǎng)絡(luò)的移動(dòng)性、自組織性等特征以外，還具有很多其他鮮明的特點(diǎn)，這些特點(diǎn)向我們提出了一系列挑戰(zhàn)性問(wèn)題。

1)動(dòng)態(tài)性網(wǎng)絡(luò)

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有很強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)性。傳感器節(jié)點(diǎn)的死亡、移動(dòng)，新節(jié)點(diǎn)的加入，環(huán)境條件變化導(dǎo)致通信鏈路的帶寬變化，甚至?xí)r斷時(shí)通等因素，使得整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)生動(dòng)態(tài)變化，要求網(wǎng)絡(luò)具有可調(diào)整性和可重構(gòu)性。

2)硬件資源有限

節(jié)點(diǎn)在通信能力、計(jì)算能力和內(nèi)存空間等方面的限制使得網(wǎng)絡(luò)需要通過(guò)中間節(jié)點(diǎn)進(jìn)行路由，此外，還必須重新設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單有效的協(xié)議。

3)能量受限

由于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的部署環(huán)境復(fù)雜，有時(shí)甚至是人跡罕至的原始森林，而且傳感器節(jié)點(diǎn)部署的數(shù)量龐大，通過(guò)人工更換電池來(lái)補(bǔ)充能量消耗是不可能實(shí)現(xiàn)的;又由于應(yīng)用的需求，傳感器節(jié)點(diǎn)體積要盡可能的小。這些使得傳感器節(jié)點(diǎn)只可能攜帶有限能量的電池，所以當(dāng)傳感器節(jié)點(diǎn)的能量消耗殆盡時(shí)，也就表示著此節(jié)點(diǎn)死亡。因此，如何在網(wǎng)絡(luò)工作過(guò)程中節(jié)省能源，最大化網(wǎng)絡(luò)的生命周期，是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)重要的研究課題之一。

消耗能量的模塊主要有傳感模塊、處理模塊和無(wú)線通信模塊。

處理器和傳感器的功耗隨著集成工藝的進(jìn)步，已經(jīng)達(dá)到了令人滿意的水平，能量消耗主要集中在無(wú)線通信模塊上。

通信過(guò)程中，節(jié)點(diǎn)有四種狀態(tài)：發(fā)送、空閑、接收以及睡眠。

節(jié)點(diǎn)處于發(fā)送狀態(tài)時(shí)能量消耗最多;

接收狀態(tài)和空閑狀態(tài)相差不多，略小于發(fā)送狀態(tài);

處于睡眠狀態(tài)能量消耗最小。

4)大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)

網(wǎng)絡(luò)規(guī)模大主要體現(xiàn)在三個(gè)方面：

一是部署的感知區(qū)域地理面積比較大，可以在不同空間采用不同視角對(duì)目標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測(cè) ;

二是節(jié)點(diǎn)數(shù)目龐大，減小了覆蓋區(qū)域出現(xiàn)盲點(diǎn)或是漏點(diǎn)的概率;

三是部署密度大，即在一個(gè)較小的面積內(nèi)部署大量的節(jié)點(diǎn)，提高了信息采集的精度，從而降低了對(duì)單個(gè)節(jié)點(diǎn)精度的需求，而且大量的冗余節(jié)點(diǎn)可以使系統(tǒng)具有很強(qiáng)的容錯(cuò)性。

5)以數(shù)據(jù)為中心

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)隨機(jī)部署到感知區(qū)域，節(jié)點(diǎn)編號(hào)與網(wǎng)絡(luò)之間的關(guān)系是動(dòng)態(tài)的，沒(méi)有必然的聯(lián)系。

觀察者只關(guān)心其事件本身，而對(duì)于事件的數(shù)據(jù)是由哪個(gè)節(jié)點(diǎn)傳輸過(guò)來(lái)的并不在意。

以數(shù)據(jù)為中心的特點(diǎn)要求無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)能夠脫離傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的尋址過(guò)程，快速有效地組織起各個(gè)節(jié)點(diǎn)的感知信息并融合提取出有用信息直接傳送給用戶。

6)廣播方式通信

由于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)數(shù)目龐大，使得其在組網(wǎng)和通信時(shí)不可能如Ad hoc網(wǎng)絡(luò)那樣采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信，而要采用廣播方式，以加快信息傳播的范圍和速度，并可以節(jié)省電力。

7)無(wú)人值守

由于網(wǎng)絡(luò)規(guī)模巨大，不可能人工照顧每個(gè)節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)往往在無(wú)人值守的狀態(tài)下工作，這導(dǎo)致了網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的能源受限。

8)易受物理環(huán)境影響，網(wǎng)絡(luò)通信能力有限

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)與其所在的物理環(huán)境密切相關(guān)，并隨著環(huán)境的變化而不斷地變化。這些時(shí)變因素嚴(yán)重地影響了系統(tǒng)的性能，因此要求無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)要具有動(dòng)態(tài)環(huán)境變化的適應(yīng)性。

網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)采用短距離低功率無(wú)線通信技術(shù)，通信覆蓋范圍一般只有幾十米，需要多跳中繼傳輸才能把數(shù)據(jù)發(fā)布到收集信息的基站。環(huán)境因素的影響會(huì)導(dǎo)致通信質(zhì)量的下降。

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