傳感網(wǎng)節(jié)點的組成詳解

傳感網(wǎng)概述

進入21世紀以來，隨著感知識別技術(shù)的快速發(fā)展，以傳感器和智能識別終端為代表的信息自動生成設(shè)備可以實時地對物理世界感知、測量和監(jiān)控。微電子技術(shù)、計算機技術(shù)和無線通信技術(shù)的發(fā)展推動了低功耗、多功能傳感器的快速發(fā)展，現(xiàn)已研制出了具有感知能力、計算能力和通信能力的微型傳感器。物理世界的聯(lián)網(wǎng)需求和信息世界的擴展需求催生出一類新型網(wǎng)絡(luò)——傳感器網(wǎng)絡(luò)（簡稱傳感網(wǎng)）。

傳感網(wǎng)集成了傳感器、嵌入式計算、微機電、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)與無線通信、信息處理等技術(shù)，跨越了計算機、半導(dǎo)體、嵌入式、網(wǎng)絡(luò)、通信、光學(xué)、微機械、化學(xué)、生物、航天、醫(yī)學(xué)、農(nóng)業(yè)等眾多領(lǐng)域，可以使人們在任何時間、地點和任何環(huán)境下獲取大量翔實可靠的信息，從而真正實現(xiàn)無處不在的計算理念。傳感網(wǎng)是一種新型的信息獲取和處理技術(shù)，它改變了人類與自然界的交互方式，擴大了人類認知世界的能力。美國《商業(yè)周刊》認為傳感網(wǎng)是全球未來四大高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)之一，是21世紀最具有影響力的21項技術(shù)之一。2003年，麻省理工學(xué)院的《技術(shù)評論》雜志在預(yù)測未來技術(shù)發(fā)展的報告中，將傳感網(wǎng)列為對人類未來生活產(chǎn)生深遠影響的十大新興技術(shù)之首。

傳感網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)

傳感器網(wǎng)絡(luò)由大量部署在作用區(qū)域內(nèi)的、具有無線通信與計算能力的傳感器節(jié)點組成，這些節(jié)點通過自組織方式構(gòu)成傳感器網(wǎng)絡(luò)，其目的是協(xié)作感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋地理區(qū)域中的感知對象信息并發(fā)布給觀察者。

傳感器節(jié)點體系結(jié)構(gòu)

傳感器節(jié)點是無線傳感網(wǎng)的一個基本組成部分。根據(jù)應(yīng)用需求的不同，傳感器節(jié)點必須滿足的具體要求也不同。傳感器節(jié)點可能是小型的、廉價的或節(jié)能的，必須配備合適的傳感器，具有必要的計算和存儲資源，并且需要足夠的通信設(shè)施［6，7］。一個典型的傳感器節(jié)點由感知單元、處理單元（包括處理器和存儲器）、通信單元、能量供給單元和其他應(yīng)用相關(guān)單元組成，傳感器節(jié)點的體系結(jié)構(gòu)如圖1-1所示。

在圖1-1中，感知單元主要用來采集現(xiàn)實世界的各種信息，如溫度、濕度、壓力、聲音等物理信息，并將傳感器采集到的模擬信息轉(zhuǎn)換成數(shù)字信息，交給處理單元進行處理。處理單元負責(zé)整個傳感器節(jié)點的數(shù)據(jù)處理和操作，存儲本節(jié)點的采集數(shù)據(jù)和其他節(jié)點發(fā)來的數(shù)據(jù)。通信單元負責(zé)與其他傳感器節(jié)點進行無線通信、交換控制消息和收發(fā)采集數(shù)據(jù)。能量供給單元提供傳感器節(jié)點運行所需的能量，是傳感器節(jié)點最重要的單元之一。另外，為了對節(jié)點精確定位以及對移動狀態(tài)進行管理，傳感器節(jié)點需要相應(yīng)的應(yīng)用支持單元，如位置查找單元和移動管理單元。

傳感器節(jié)點通常是一個微型嵌入式系統(tǒng)，它的處理能力、存儲能力和通信能力是受限的。節(jié)點要正常工作，需要軟硬件系統(tǒng)的密切配合。硬件系統(tǒng)的組成參照圖1-1。軟件系統(tǒng)由5個基本的軟件模塊組成，分別是操作系統(tǒng)（OS）微碼、傳感器驅(qū)動、通信處理、通信驅(qū)動和數(shù)據(jù)處理mini-app軟件模塊。OS微碼控制節(jié)點的所有軟件模塊以支持節(jié)點的各種功能。TinyOS就是一種專為嵌入式無線傳感網(wǎng)設(shè)計的操作系統(tǒng)。傳感器驅(qū)動模塊管理傳感器收發(fā)器的基本功能；此外，傳感器的類型可能是模塊或插件式的，根據(jù)傳感器的不同類型和復(fù)雜度，該模塊也要支持對傳感器進行的相應(yīng)配置和設(shè)置。通信處理模塊管理通信功能，包括路由、數(shù)據(jù)包緩沖和轉(zhuǎn)發(fā)、拓撲維護、介質(zhì)訪問控制、加密和前向糾錯等。通信驅(qū)動模塊管理無線電信道傳輸鏈路，包括時鐘和同步、信號編碼、比特計數(shù)和恢復(fù)、信號分級和調(diào)制。數(shù)據(jù)處理mini-app模塊支持節(jié)點的數(shù)據(jù)處理，包括信號值的存儲與操作或其他的基本應(yīng)用。

傳感網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

傳感網(wǎng)由大量的傳感器節(jié)點組成，節(jié)點之間通過無線傳輸方式通信。一個典型的傳感網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)如圖1-2所示，通常包括傳感器節(jié)點、匯聚節(jié)點和任務(wù)管理節(jié)點。傳感器節(jié)點分散在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)，這些節(jié)點能夠采集數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)并且把數(shù)據(jù)路由到一個指定的匯聚節(jié)點。

傳感器節(jié)點之間通過自組織方式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)，可以根據(jù)需要智能地采用不同的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)。傳感器節(jié)點的監(jiān)測數(shù)據(jù)可能被多個節(jié)點處理，通常以多跳的方式沿著其他節(jié)點逐跳傳輸，經(jīng)過路由到其他中間節(jié)點進行數(shù)據(jù)融合和轉(zhuǎn)發(fā)后到達匯聚節(jié)點，最后通過互聯(lián)網(wǎng)或者衛(wèi)星到達用戶可以操作的任務(wù)管理節(jié)點，任務(wù)管理節(jié)點可以對傳感網(wǎng)進行配置和管理。

傳感器節(jié)點的計算能力、存儲能力較弱，通信帶寬窄，由自身攜帶的電池供電，因此能量有限。傳感器節(jié)點不僅要對本地信息進行數(shù)據(jù)處理，還要對其他節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)進行存儲、管理、融合和轉(zhuǎn)發(fā)。匯聚節(jié)點的處理能力、存儲能力和通信能力相對較強，主要負責(zé)發(fā)送任務(wù)管理節(jié)點的監(jiān)測任務(wù)，收集數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)發(fā)到互聯(lián)網(wǎng)等外部網(wǎng)絡(luò)上，實現(xiàn)傳感網(wǎng)和外部網(wǎng)絡(luò)之間的通信。匯聚節(jié)點可以是一個具有增強功能的傳感器節(jié)點，具有較多的內(nèi)存、計算資源和能量供給，也可以是一個僅帶有無線通信接口的特殊網(wǎng)關(guān)設(shè)備。

傳感網(wǎng)通常部署在無人照料的惡劣環(huán)境中或身體遙不可及的地區(qū)，因此網(wǎng)絡(luò)需要具有自維護的特性。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)的部分節(jié)點因入侵、故障或電池耗竭而失效時，不能影響數(shù)據(jù)傳輸和網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控等主要任務(wù)。

傳感網(wǎng)節(jié)點的組成

傳感器節(jié)點

處理能力、存儲能力和通信能力相對較弱，通過小容量電池供電。傳感器節(jié)點由部署在感知對象附近大量的廉價微型傳感器模塊組成，其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中感知對象的信息，并發(fā)送到匯聚節(jié)點。各模塊通過無線通信方式形成一個多跳的自組織網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，傳感器節(jié)點采集到的數(shù)據(jù)沿著其他傳感器節(jié)點逐跳傳輸?shù)絽R聚節(jié)點。一個WSN系統(tǒng)通常有數(shù)量眾多的體積小、成本低的傳感器節(jié)點。從網(wǎng)絡(luò)功能上看，每個傳感器節(jié)點除了進行本地信息收集和數(shù)據(jù)處理外，還要對其他節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)來的數(shù)據(jù)進行存儲、管理和融合，并與其他節(jié)點協(xié)作完成一些特定任務(wù)。

匯聚節(jié)點

匯聚節(jié)點的處理能力、存儲能力和通信能力相對較強，它是連接傳感器網(wǎng)絡(luò)與Internet 等外部網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)關(guān)，實現(xiàn)兩種協(xié)議間的轉(zhuǎn)換，同時向傳感器節(jié)點發(fā)布來自管理節(jié)點的監(jiān)測任務(wù)，并把WSN收集到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到外部網(wǎng)絡(luò)上。匯聚節(jié)點既可以是一個具有增強功能的傳感器節(jié)點，有足夠的能量供給和更多的、Flash和SRAM中的所有信息傳輸?shù)接嬎銠C中，通過匯編軟件，可很方便地把獲取的信息轉(zhuǎn)換成匯編文件格式，從而分析出傳感節(jié)點所存儲的程序代碼、路由協(xié)議及密鑰等機密信息，同時還可以修改程序代碼，并加載到傳感節(jié)點中。

管理節(jié)點

管理節(jié)點用于動態(tài)地管理整個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。傳感器網(wǎng)絡(luò)的所有者通過管理節(jié)點訪問無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的資源。

傳感網(wǎng)的發(fā)展階段

第1階段：冷戰(zhàn)時期的軍事傳感器網(wǎng)絡(luò)

冷戰(zhàn)時期，美國使用昂貴的聲傳感網(wǎng)（acoustic networks）監(jiān)視潛艇，同時美國國家海洋和大氣管理局也使用其中的一部分傳感器監(jiān)測海洋的地震活動。

第2階段：國防高級研究計劃局的倡議

20世紀80年代初，在美國國防部高級研究計劃局（DARPA）資助項目的推動下，傳感網(wǎng)的研究取得了顯著進步。在假設(shè)存在許多低成本空間分布傳感器節(jié)點的前提下，分布式傳感網(wǎng)（DSN）以自組織、合作的方式運作，旨在判定是否可以在傳感網(wǎng)中使用新開發(fā)的TCP/IP協(xié)議和ARPA網(wǎng)（互聯(lián)網(wǎng)的前身）的方式來通信。

第3階段：20世紀80年代、90年代的軍事應(yīng)用開發(fā)和部署

20世紀80年代和90年代，以DARPA-DSN研究和實驗平臺為基礎(chǔ)，在軍事領(lǐng)域采用傳感網(wǎng)技術(shù)，使其成為網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)的關(guān)鍵組成部分。傳感網(wǎng)可以通過多種觀察、擴展檢測范圍以及加快響應(yīng)時間等方式，提高檢測和跟蹤性能。

第4階段：現(xiàn)今的傳感網(wǎng)研究

20世紀90年代末和21世紀初，計算與通信的發(fā)展推動傳感網(wǎng)新一代技術(shù)的產(chǎn)生。標準化是任何技術(shù)大規(guī)模部署的關(guān)鍵，其中包括無線傳感網(wǎng)。隨著IEEE 802.11a/b/g的無線網(wǎng)絡(luò)和其他無線系統(tǒng)（如ZigBee）的發(fā)展，可靠連接變得無處不在。低功耗、低價格處理器的出現(xiàn)，使傳感器可部署于更多的應(yīng)用程序之中。