【文章內(nèi)容簡介】 處理單元、收發(fā)單元和電源單元四個功能模塊組成。其中電源單元是最重要的模塊之一，大多數(shù)情況下傳感器節(jié)點的電池能量不可補充。 大量傳感器節(jié)點通過空投的方式被隨機布設(shè)在被檢測區(qū)域內(nèi)部或者附近，節(jié)點間通過自組織方式構(gòu)成網(wǎng)絡。節(jié)點既是數(shù)據(jù)的檢測者，又是數(shù)據(jù)的傳遞者，監(jiān)測的數(shù)據(jù)通過多跳的方式進行傳輸，節(jié)點完成數(shù)據(jù)監(jiān)測和數(shù)據(jù)傳輸?shù)碾p重功能，并對數(shù)據(jù)進行融合處理，最后信息通過互聯(lián)網(wǎng)或衛(wèi)星到達管理節(jié)點。觀測者可通過管理節(jié)點對無線傳感器網(wǎng)絡進行 10配置和管理，發(fā)布檢測任務以及收集監(jiān)測數(shù)據(jù)。觀察者是傳感器網(wǎng)絡的用戶，是感知信息的接受者和應用者，他可以是人，也可以是計算機或其它設(shè)備。例如，軍隊指揮官可以是傳感器網(wǎng)絡的觀察者，一個由飛機攜帶的移動計算機也可以是傳感器網(wǎng)絡的觀察者。觀察者可以主動地查詢或收集傳感器網(wǎng)絡的感知信息，也可以被動地接收傳感器網(wǎng)絡發(fā)布的信息。觀察者將對感知信息進行觀察、分析、挖掘、制定決策，或?qū)Ω兄獙ο蟛扇∠鄳男袆?。典型?WSN 系統(tǒng)示意圖如圖 11 所示 圖 11 典型的無線傳感器網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu) 圖 12 所示的是無線傳感器網(wǎng)絡的另一種體系結(jié)構(gòu)即本文的無線傳感器網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，這一類傳感器網(wǎng)絡中有可移動節(jié)點和固定節(jié)點兩種不同的傳感器節(jié)點。預先將固定節(jié)點安放在某些特定的位置上，再通過隨機撒播的方式在區(qū)域內(nèi)布置一些傳感器節(jié)點，使之覆蓋整個監(jiān)測范圍，節(jié)點根據(jù)收集到的數(shù)據(jù)與固定節(jié)點形成簇，然后通過移動節(jié)點與固定節(jié)點之間、固定節(jié)之間、固定節(jié)點與遠程基站之間通信傳遞數(shù)據(jù)。 11 圖 12 本文的無線傳感器體系結(jié)構(gòu) WSN 節(jié)點由傳感器模塊、處理器模塊、無線通信模塊和能量供應模塊四部分組成，如圖 13 所示。傳感器模塊主要負責被檢測區(qū)域內(nèi)信息的采集和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換；處理器模塊主要負責控制整個傳感器節(jié)點的操作、存儲和處理本身采集的數(shù)據(jù)以及其它節(jié)點發(fā)來的數(shù)據(jù)；無線通信模塊主要負責與其它傳感器節(jié)點進行無線通信、交換控制消息和收發(fā)采集數(shù)據(jù)；能量供應模塊為傳感器節(jié)點提供運行所需的能量，通常采用能量有限且不可補充的微型電池。 圖 13 傳感器節(jié)點體系結(jié)構(gòu) 12 無線網(wǎng)絡相比，無線傳感器網(wǎng)絡具有如下的特征。(1)無中心和自組織性無線傳感器網(wǎng)屬于無線自組織網(wǎng)絡，在一般情況下，沒有絕對的控制中心，理想的無線傳感器網(wǎng)絡中所有節(jié)點地位平等，網(wǎng)絡中的節(jié)點通過分布式算法來協(xié)調(diào)彼此的行為，無需要人工的干預，可以在任何地方迅速的展開并組織網(wǎng)絡。由于分布式的特性，每個節(jié)點都可以獨立的完成任務，網(wǎng)絡中節(jié)點數(shù)目眾多有節(jié)點冗余，個別節(jié)點的故障不會影響整個網(wǎng)絡的性能，魯棒性好。(2)拓撲結(jié)構(gòu)不固定 WSN 是一個動態(tài)的網(wǎng)絡，在網(wǎng)絡運行過程中，某些節(jié)點可能會因為電池能量耗盡或其他故障，退出網(wǎng)絡運行；或者可能由于網(wǎng)絡任務的需要，向網(wǎng)絡中被添加新的節(jié)點。處理這引起變化的節(jié)點都會引起網(wǎng)絡的拓撲結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，導致傳感器、感知對象和觀察者三者之間傳遞數(shù)據(jù)時的路徑也隨之變化。因此，網(wǎng)絡應該具有可重構(gòu)和自調(diào)整性等特性的動態(tài)拓撲組織功能。多跳路由 由于節(jié)點的發(fā)射功率有限，節(jié)點的覆蓋范圍受到限制。無線傳感器網(wǎng)絡的布置范圍一般比較廣，每個節(jié)點只能跟距離自己很近的鄰居節(jié)點進行通信，當節(jié)點需要向匯聚節(jié)點傳遞數(shù)據(jù)而進行通信時需要經(jīng)過中間節(jié)點的轉(zhuǎn)發(fā)。節(jié)點能力有限 13 無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點雖然有體積小，價格低的優(yōu)點，同時也決定了它的缺陷，如能源受限、內(nèi)存小、處理器性能低等。給無線網(wǎng)絡的形成和維持帶來的相當 無線傳感器網(wǎng)絡的應用 無線傳感器網(wǎng)絡是一種“無處不在”的傳感網(wǎng)絡技術(shù)，它包括生產(chǎn)生活的各個領(lǐng)域，如軍事、工業(yè)控制、醫(yī)療、環(huán)境和農(nóng)業(yè)等方面有很高的應用前景和應用價值。(1)軍事應用在軍事領(lǐng)域，無線傳感器網(wǎng)絡是 C4ISRT 系統(tǒng)不可缺少的一部分。C4ISRT 系統(tǒng)是美國海軍信息戰(zhàn)系統(tǒng)，它的目標是利用先進的高科技技術(shù)，為未來現(xiàn)代化戰(zhàn)爭設(shè)計一個集指揮、控制、通信、計算機、情報、監(jiān)視、偵察、目標捕獲等于一體的戰(zhàn)場指揮系統(tǒng)。由于無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點密度大、成本低，較強自組性和魯棒性使其不會因為某些節(jié)點在惡意攻擊中的損壞而導致整個系統(tǒng)的崩潰。因此，無線傳感器網(wǎng)絡非常適用于惡劣的、人難以到達的環(huán)境中，如：監(jiān)控我軍兵力、裝備和物資、監(jiān)視沖突區(qū)、偵查敵方地形和布防、定位攻擊目標、評估損失、偵查和探測核、生物和化學攻擊等。由此，無線傳感器網(wǎng)絡受到了軍事發(fā)達國家的普遍重視。2）工業(yè)控制 無線傳感器網(wǎng)絡可用于車間中各種設(shè)備控制狀態(tài)如車間中機床各種閥門的狀態(tài)、設(shè)備的狀態(tài)、貯存原料的溫度和壓力等，將各種設(shè)備狀態(tài)信號通過無線傳感器網(wǎng)絡傳送至中央控制室進行設(shè)備的監(jiān)控和集中管理，在工業(yè)安全方面可以使用無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點檢測有害、有毒或其他危 14險物質(zhì)的存在，在造成嚴重破壞之前就檢測和識別出化學物質(zhì)或生物制劑的泄露或溢出，防止這些危險物質(zhì)擴散到公眾場合。3）醫(yī)療應用 如果在住院病人身上安裝特殊用途的傳感器節(jié)點，無線裝置定期檢測人體內(nèi)的心率、血壓、葡萄糖水平、脈搏或含氧飽和度等病變信息，并及時將信息反饋給本人或醫(yī)生，這樣醫(yī)生就可以隨時了解被監(jiān)護病人的病情，進行及時處理。如，嵌在手鐲內(nèi)的傳感器可以測量血壓，地毯下的壓力傳感器可以測量老人的行動及體重變化，衣服里的傳感器送出體溫的變化信息等。而安裝在被監(jiān)測對象身上的微型傳感器并不會給人的正常生活帶來太多的不便，這都是人類為無線傳感網(wǎng)絡在醫(yī)學方面的應用描繪的宏偉藍圖。4）智能農(nóng)業(yè)與環(huán)境感知 無線傳感器網(wǎng)絡在智能農(nóng)業(yè)領(lǐng)域應用的典型案例是降雨量的測量，大型農(nóng)場由于面積具大，如果降雨只發(fā)生在農(nóng)場中的某些區(qū)域，知道需要灌溉的區(qū)域可以很大的節(jié)省灌溉的費用，由于這種網(wǎng)絡中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量低，允許的消息延遲也可以比較長，所以節(jié)點的價格必須十分的低，并且節(jié)點的功耗也必須低到可以在整個作物的生長期內(nèi)正常的工作。由于無線傳感器節(jié)點可以安裝化學或生物的傳感器，能夠檢測到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的許多有用的信息，如土壤溫度、濕度，是否需要灑農(nóng)藥、是否需要施肥等。還可以將其先進的定位功能用于牧場的管理，監(jiān)控每個牲畜的位置，檢測牲畜體內(nèi)的狀況判斷是否需要預防寄生蟲等。另外，還可以用于監(jiān)測環(huán)境中的污染物。 15 在 OSI 參考模型中，網(wǎng)絡層是通信子網(wǎng)的最高層。將數(shù)據(jù)從一端送到另一端就產(chǎn)生了把任意兩個節(jié)點鏈接起來的網(wǎng)絡路由問題。在無線傳感器網(wǎng)絡中，節(jié)點即是數(shù)據(jù)的監(jiān)測者也是數(shù)據(jù)的傳遞者，路由協(xié)議的作用就是選擇路徑和交換信息。 無線傳感器網(wǎng)絡路由算法特點 對比以前的網(wǎng)絡，主要是按需要求為目的，傳統(tǒng)網(wǎng)絡協(xié)議的主要任務是在進行從監(jiān)測數(shù)據(jù)的節(jié)點到達匯聚節(jié)點數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r候，需要沿著最優(yōu)的路徑，傳統(tǒng)的網(wǎng)絡并不是主要研究能量消耗[4]。位于感知區(qū)域的傳感器節(jié)點的能力是有限的，不能重新部署，不能提供能量的補給，因此，降低能耗成為了研究的主要目的，同時，由于感知區(qū)域面積廣，分布著若干個節(jié)點，并且不能得到全局的數(shù)據(jù)，只能是局部的，因此，研究算法[5]時，只能得到部分信息，滿足無線網(wǎng)絡的要求，具有以下特點： ，設(shè)計路由算法時，降低能量消耗和高效地利用傳感器節(jié)點有限的能量成為關(guān)鍵的因素。 ，是通過很多節(jié)點最后到達匯聚節(jié)點的，將數(shù)據(jù)從數(shù)據(jù)源節(jié)點發(fā)送至遠處匯聚節(jié)點，使網(wǎng)絡具有很好的魯棒性。 ，人們現(xiàn)在只需要知道有用的信息，無關(guān)緊要的信息不用傳送，不同于以地址為中心的傳統(tǒng)無線傳感器網(wǎng)絡。 、數(shù)據(jù)融合融合(Data Fusion)的功能。