无线传感器网络原理及方法第一章

第 1 章概 述

1.1无线传感器网络的基本概念目前无线网络可分为两种 ：一种是有基础设施的网络；另一种是无基础 设施网，又称为无线Ad Hoc网络，结点是分布式的，没有专门的固定基站。 无线Ad Hoc网络又可分为两类：一类是移动Ad Hoc网络，它的终端是快速移

动的。另一类就是无线传感器网络，它的结点是静止的或者移动很慢。无线传感器网络的标准定义是这样的：无线传感器网络是大量的静止或 移动的传感器以自组织和多跳的方式构成的无线网络，目的是协作地探测、处 理和传输网络覆盖区域内感知对象的监测信息，并报告给用户。它的英文是 Wireless Sensor Network,简称WSN。

1.1无线传感器网络的基本概念从上述定义可以看出，传感器、感知对象和用户是传感器 网络的三个基本要素。无线网络是传感器之间、传感器与用户 之间最常用的通信方式，用于在传感器与用户之间建立通信路 径。协作式的感知、采集、处理和发布感知信息是传感器网络 的基本功能。 传感器结点由电源、感知部件、嵌入式处理器、存储器、 通信部件和软件这几部分构成。电源为传感器提供正常工作所 必需的能源。感知部件用于感知、获取外界的信息，并将其转 换为数字信号。处理部件负责协调结点各部分的工作。通信部 件负责与其他传感器或用户的通信。软件是为传感器提供必要 的软件支持。 传感器网络的用户是感知信息的接收者和使用者，可以是 人也可以是计算机或其他设备。

1.2无线传感器网络的特征1.2.1与现有无线网络的区别传感器网络虽然与无线自组网有相似之处，但同时也存在很大的 差别。传感器网络是集成了监测、控制以及无线通信的网络系统，节点 数目更为庞大(上千甚至上万),节点分布更为密集；由于环境影响和能 量耗尽，节点更容易出现故障；环境干扰和节点故障易造成网络拓扑结

构的变化；通常情况下，大多数传感器节点是固定不动的。

1.2.1与现有无线网络的区别另外，传感器节点具有的能量、处理能力、存储能力和通信能力 等都十分有限。传统无线网络的首要设计目标是提供高服务质量和高效 带宽利用，其次才考虑节约能源；而传感器网络的首要设计目标是能源 的高效使用，这也是传感器网络和传统网络最重要的区别之一。

1.2.2 与现场总线的区别现场总线是应用在生产现场和微机化测量控制设备之间、实现双 向串行多结点数字通信的系统，也被称为开放式、数字化、多点通信的 底层控制网络。现场总线作为一种网络形式，专门为实现在严格的实时 约束条件下工作而特别设计的。

1.2.2 与现场总线的区别

由于现场总线通过报告传感数据从而控制物理环境，所以从某种

程度上说它与传感器网络非常相似。我们甚至可以将无线传感器网络看作是无线现场总线的实例。但是两者的区别是明显的，无线传感器网络 关注的焦点不是数十毫秒范围内的实时性，而是具体的业务应用，这些 应用能够容许较长时间的延迟和抖动。另外，基于传感器网络的一些自 适应协议在现场总线中并不需要，如多跳、自组织的特点，而且现场总

线及其协议也不考虑节约能源问题。

1.2.3传感器节点的限制1.电源能量有限传感器节点体积微小，通常携带能量十分有限的电池。传感器节点消 耗能量的模块包括传感器模块、处理器模块和无线通信模块

图1-1表示传感器节点各部分能量消耗的情况，从图中可知传感器节点的绝 大部分能量消耗在无线通信模块。20 15

功率 /mW

10

5

0

传感器

处理器

发送

接收

空闲通信

睡眠

图1-1传感器节点能量消耗情况

1.2.3传感器节点的限制2.通信能力有限无线通信的能量消耗与通信距离的关系为：

E k dn其中k是系数，参数n满足关系2<n<4,n的取值与很多因素有关，例如传感器 节点部署贴近地面时，障碍物多干扰大，n 的取值就大；天线质量对信号发 射质量的影响也很大。考虑诸多因素，通常取n为3,即通信能耗与距离的三 次方成正比。

随着通信距离的增加，能耗将急剧增加。因此，在满足通信连通度的前提下应尽量减少单跳通信距离。一般而言，传感器节点的无线通信半径在100m以内 比较合适。

传感器节点的无线通信带宽有限，通常仅有几百kbps的速率。

1.2.3传感器节点的限制3.计算和存储能力有限传感器节点是一种微型嵌入式设备，要求它价格低功耗小，这些限制 必然导致其携带的处理器能力比较弱，存储器容量比较小。 除了降低处理器的绝对功耗以外，现代处理器还支持模块化供电和 动态频率调节功能。利用这些处理器的特性，传感器节点操作系统设计了 动态能量管理和动态电压调节模块，可以更有效地利用节点的各种资源。 动态能量管理是当节点周围没有感兴趣的事件发生时，部分模块处

于空闲状态，把这些组件关掉或调到更低能耗的睡眠状态。动态电压调节是当计算负载较低时，通过降低微处理器的工作电压和频率来降低处理能 力，从而节约微处理器的能耗。

1.2.4传感器组网的特点1. 自组织性 2. 以数据为中心 3.应用相关性 4.动态性 5.网络规模大 6.可靠性

1.3无线传感器网络的关键性能指标1.网络的工作寿命

2. 网络覆盖范围

3. 网络搭建成本和难易程度

4. 网络响应时间

1.4无线传感

器网络的应用1.军事应用

2.环境科学3.空间探索 4.医疗健康 5.智能家居 6.建筑物和大型设备安全状态的监控 7.紧急援救 8.其他商业应用

1.5无线传感器网络的研究历史1.5.1计算设备的演化历史图1-2直观描述了计算设备的演化历史.

巨型机 小型机 工作站 PC PDA WSN 节点等 生物芯片

图1-2计算设备的演化历史

1.5.2无线传感器网络发展的三个阶段1.第一阶段：传统的传感器系统

2.第二阶段：传感器网络结点集成化

3.第三阶段：多跳自组网

1.5.3无线传感器网络的发展趋势1. 无线多媒体传感器网络 2. 泛在传感器网络 3. 具有认知功能的传感器网络 4. 基于超宽带(UWB)技术的无线传感器网络

5. 基于协作通信技术的无线传感器网络