无线传感器网络的三个要素:

PoisonApple 发表于 2018-02-07 16:52:16 收藏 已收藏
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无线传感器网络的三个要素:

PoisonApple 发表于 2018-02-07 16:52:16

无线传感器网络(Wireless Sensor Networks, WSN)是一种分布式传感网络,它的末梢是可以感知和检查外部世界的传感器。WSN中的传感器通过无线方式通信,因此网络设置灵活,设备位置可以随时更改,还可以跟互联网进行有线或无线方式的连接。通过无线通信方式形成的一个多跳自组织网络。

WSN的发展得益于微机电系统(Micro-Electro-Mechanism System, MEMS)、片上系统(System on Chip, SoC)、无线通信和低功耗嵌入式技术的飞速发展。WSN广泛应用于军事、智能交通、环境监控、医疗卫生等多个领域。

传感器

感知对象

观察者

观察者将兴趣信息告知传感器节点,传感器节点发现感知对象后,进行协作地侦察、感知和采集感知目标的数据并进行处理,之后将信息传输给观察者。

传感器节点以人工、飞机播撒或炮弹发射等方式被部署到监测区域,以自组织的形式进行组网。各传感器节点之间,传感器节点与网关/sink节点之间,均采用无线建立通信链路。传感器节点具有信息采集和路由双重功能。

信息采集可以或与其它节点协作地检测感知区域目标的温度、湿度、红外等物理特性,收集相关数据;路由功能指对其它节点转发过来的数据进行存储、管理和融合,传输给下一跳节点或是网关/sink节点。

网关/sink节点,也叫汇聚节点。它的处理能力、存储能力和通信能力较强,它既可以是能量供给充足且有更多的内存资源与更强的计算能力的传感器节点,也可以是带有无线通信接口的特殊网关设备。网关节点是连接传感器网络与外部网络的桥梁纽带,通过协议转换实现节点管理和传感器网络之间的通信,而且也可将传感器节点采集的数据发送到互联网、卫星或是移动通信网络上,且对传感器节点发布管理信息。

观察者是无线传感器网络的用户,是感知信息的接收和应用者。观察者可以通过笔记本、PDA、手机等终端设备接收传感器节点收集的信息,也可以主动地收集或查询无线传感器网络监测、采集到的信息。经过对传感器节点收集的信息进行观察、分析之后,观察者可以对感知目标采取相应的行动,或者制定决策。

无线传感器网络所涉及的技术

传感器技术;

嵌入式计算技术;

现代网络及无线通信技术;

分布式信息处理技术等。

无线传感器网络除了具有Ad hoc网络的移动性、自组织性等特征以外,还具有很多其他鲜明的特点,这些特点向我们提出了一系列挑战性问题。

1)动态性网络

无线传感器网络具有很强的网络动态性。传感器节点的死亡、移动,新节点的加入,环境条件变化导致通信链路的带宽变化,甚至时断时通等因素,使得整个网络的拓扑结构发生动态变化,要求网络具有可调整性和可重构性。

2)硬件资源有限

节点在通信能力、计算能力和内存空间等方面的限制使得网络需要通过中间节点进行路由,此外,还必须重新设计简单有效的协议。

3)能量受限

由于无线传感器网络的部署环境复杂,有时甚至是人迹罕至的原始森林,而且传感器节点部署的数量庞大,通过人工更换电池来补充能量消耗是不可能实现的;又由于应用的需求,传感器节点体积要尽可能的小。这些使得传感器节点只可能携带有限能量的电池,所以当传感器节点的能量消耗殆尽时,也就表示着此节点死亡。因此,如何在网络工作过程中节省能源,最大化网络的生命周期,是无线传感器网络重要的研究课题之一。

无线传感器网络的三个要素:

传感器节点能量消耗示意图

消耗能量的模块主要有传感模块、处理模块和无线通信模块。

处理器和传感器的功耗随着集成工艺的进步,已经达到了令人满意的水平,能量消耗主要集中在无线通信模块上。

通信过程中,节点有四种状态:发送、空闲、接收以及睡眠。

节点处于发送状态时能量消耗最多;

接收状态和空闲状态相差不多,略小于发送状态;

处于睡眠状态能量消耗最小。

4)大规模网络

网络规模大主要体现在三个方面:

一是部署的感知区域地理面积比较大,可以在不同空间采用不同视角对目标进行监测 ;

二是节点数目庞大,减小了覆盖区域出现盲点或是漏点的概率;

三是部署密度大,即在一个较小的面积内部署大量的节点,提高了信息采集的精度,从而降低了对单个节点精度的需求,而且大量的冗余节点可以使系统具有很强的容错性。

5)以数据为中心

无线传感器网络节点随机部署到感知区域,节点编号与网络之间的关系是动态的,没有必然的联系。

观察者只关心其事件本身,而对于事件的数据是由哪个节点传输过来的并不在意。

以数据为中心的特点要求无线传感器网络能够脱离传统网络的寻址过程,快速有效地组织起各个节点的感知信息并融合提取出有用信息直接传送给用户。

6)广播方式通信

由于无线传感器网络中节点数目庞大,使得其在组网和通信时不可能如Ad hoc网络那样采用点对点的通信,而要采用广播方式,以加快信息传播的范围和速度,并可以节省电力。

7)无人值守

由于网络规模巨大,不可能人工照顾每个节点,网络系统往往在无人值守的状态下工作,这导致了网络系统的能源受限。

8)易受物理环境影响,网络通信能力有限

无线传感器网络与其所在的物理环境密切相关,并随着环境的变化而不断地变化。这些时变因素严重地影响了系统的性能,因此要求无线传感器网络系统要具有动态环境变化的适应性。

网络节点采用短距离低功率无线通信技术,通信覆盖范围一般只有几十米,需要多跳中继传输才能把数据发布到收集信息的基站。环境因素的影响会导致通信质量的下降。

无线传感器网络的前景

无线传感器网络能够协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息,并以无线的方式发送出去,通过无线网络最终发送给观察者。它是物联网的基本组成部分,改变了人与自然的交互方式,具有广阔的应用前景。

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