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第二章 概述

第二节 1.2 无线传感器网络的结构

传感器网络是由为数众多的传感器节点构成的网络系统,而传感器节点之间的通信方式则是采用无线通信方式,极为方便。在传感器网络的架构下,传感器的设计以省电、价格低廉、体积小且具有感知环境的能力为目标,传感器本身就像是一台小型计算机,并配备了简单的感知、运算处理、无线传输等装置,而感知装置可以针对环境中我们所感兴趣的事物(如温度、声音、光源等)进行侦测,并将所收集的数据先做简单运算处理,再通过无线传输装置将数据回传给汇聚节点,最后,就可以根据汇聚节点所收集的资料,了解环境的状态,并开发出相应的控制命令。
  无线传感器网络的拓扑结构可固定也可变化,可通过在网络覆盖区域内布撒大量传感器,由各传感器节点自行协调来迅速组建通信网。典型的传感器网络系统通常包括传感器节点(群)、汇聚节点和管理节点。传感器节点任意地分布在某一监测区域内节点以自组织的方式通过协议构成无线网络,以多跳中继方式将监测数据传送到汇聚节点,最后通过Internet或其他网络通信方式将监测信息传送到管理节点。同样,用户可以通过管理节点进行命令的发布,告知传感器节点收集监测信息。
  在无线传感器网络中,节点可以通过飞机随机布撒、人工定向布置等方式,大量部署在感知对象内部或者附近。这些节点以自组织的方式通过协议构成无线网络。从网络功能上看,每个传感器节点兼顾传统网络节点的终端和路由器双重功能,除了进行本地信息收集和数据处理外,还要对其他节点转发来的数据进行存储、管理和融合等处理,同时与其他节点协作完成一些特定任务。汇聚节点不仅需要具备环境监测、位置识别或控制其他设备的功能,还需要具有建立路由表进行路由选择、信息转发、数据融合、存储其他节点信息等方面的功能。无线传感器网络的结构如图1-1所示。
  图1-1中,大量传感器节点随机部署在监测区域内部或附近,通过自组织方式构成网络。传感器节点监测的数据信息沿着其他传感器节点逐跳地进行传输,在传输过程中监测数据可能被多个节点处理,经过多跳后路由到汇聚节点,最后通过互联网或卫星到达管理节点。用户通过管理节点对传感器网络进行配置和管理,发布监测任务和收集监测数据。
其中,传感器节点是一个微型的嵌入式系统,构成了无线传感网络的基础层支撑平台,在不同的应用中,传感器网络节点的组成不尽相同。目前,国内外已经出现了许多种传感器节点的设计,它们在实现原理上是相似的,只是采用了不同的微处理器或者不同的通信方式或协议,比如采用ZigBee协议、蓝牙协议、IEEE 802.11协议以及自定义协议等。

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 图1-1  无线传感器网络的结构

  传感器节点的处理能力、存储能力和通信能力相对较弱,通过携带能量有限的电池供电。从网络功能上看,每个传感器节点兼顾传统网络节点的终端和路由器双重功能,除了进行本地信息收集和数据处理外,还要对其他节点转发来的数据进行存储、管理和融合等处理,同时与其他节点协作完成一些特定任务。传感器节点的基本组成包括如下4个基本单元:传感单元(由传感器和模-数转换功能模块组成)、处理单元(包括CPU、存储器、嵌入式操作系统等)、通信单元(由无线通信模块组成)以及电源。其中,被监测物理信号的形式决定了传感单元(包括传感器和模-数转换功能模块)的类型。
  汇聚节点的处理能力、存储能力和通信能力相对比较强,它连接无线传感器网络与Internet等外部网络,实现两种协议栈之间的通信协议转换,同时发布管理节点的监测任务,并把收集的数据转发到外部网络上。汇聚节点既可以是一个具有增强功能的传感器节点,有足够的能量供给和更多的内存与计算资源,也可以是没有监测功能仅带有无线通信接口的特殊网关设备。
  除此之外,根据具体应用的需要,节点可能还会有定位系统、电源再生单元和移动单元等。其中,电源再生单元是最重要的模块之一,有的系统可能采用太阳电池等方式来补充能量,但是大多数情况下传感器节点的电池是不可补充的。定位系统可以使用全球定位系统(Global Positioning System,GPS)模块,但是GPS模块价格昂贵且体积难以减小,所以不可能全部节点都使用GPS来进行定位。除此之外,GPS定位还受到其他限制,如网络放置于建筑物内部等。通常情况下,在整个网络中会有某些传感器节点配有GPS,其他节点通过局部定位算法得到它们与配有GPS的节点之间的相对位置,这样所有节点都能知道各自的具体位置了。除借助GPS的定位方式外,还有离散梯度法等间接定位方式。
  无线传感器网络中的节点不但要完成信息的采集、传输、预处理等,有时还涉及较为复杂的任务调度及管理,因此在传感器网络中节点还可能带有嵌入式操作系统以进行更有效的管理,嵌入式操作系统可以是通用的(如Ucos-II等),也可以是专门针对传感器网络开发的操作系统,如ucBerkeley开发的TinyOS。