物联网感知——无线传感网WSN

一.无线传感器网络

      无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）是由部署在监测区域内大量微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象地信息，并发送给观察者。传感器、感知对象和观察者构成了传感器网络地三个要素。

一.传感器网络结构

      传感器网络系统通常包括传感器节点、汇聚节点和管理节点。大量传感器节点随机部署在监测区域内部或附近，能够通过自组织方式构成网络。传感器节点检测地数据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，发布检测任务以及收集监测数据。但传感器网络中传感器节点的数量并不是无限制的，其同时受电池能量、通信能力以及计算存储能力的限制。

       传感器节点通常是一个微型地嵌入式系统，它的处理能力、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地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。

      汇聚节点既可以是一个具有增强功能地传感器节点，有足够地能量供给和更多地内存与计算资源，也可以是没有检测功能仅带有无线通信接口地特殊网关设备。汇聚节点地处理能力、存储能力和通信能力相对比较强，它连接传感器网络与Internet等外部网络，实现两种协议栈之间地通信协议转换，同时发布管理节点地监测任务，并把收集的数据转发到外部网络上。

二.传感器节点结构

    传感器节点结构主要分为四个模块。传感器模块，监测区域内信息地采集和数据转换；处理器模块，负责控制整个传感器节点地操作，存储和处理器本身采集地数据以及其他节点发来的数据；无线通信模块，负责与其他传感器节点进行无线通信，交换控制信息和收发采集数据；能量供应模块，传感器节点提供运行所需的能量，通常采用微型电池。

 三.传感器网络协议栈

      上图是早期提出地一个协议栈，这个协议栈包括物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层，与互联网协议栈地五层协议相对应。协议栈还包括能量管理平台、移动管理平台和任务管理平台。这些管理平台使得传感器节点能够按照能源高效地方式协同工作，在节点移动地传感器网络中转发数据，支持多任务和资源共享。

      物理层提供简单但健壮地信号调制和无线收发技术；数据链路层负责数据成帧、帧检测、媒体访问和差错控制；网络层主要负责路由生成与路由选择；传输层负责数据流地传输控制；应用层包括一系列基于监测任务地应用层软件；能量管理平台管理传感器节点如何使用能源，在各个协议层都需要考虑节省能量；移动管理平台检测传感器节点地移动，维护到汇聚节点地路由，使得传感器节点能够动态跟踪其邻居的位置；任务管理平台在一个给定的区域内平衡和调度监测任务。

四.传感器网络的特点

1.大规模网络

      传感器网络的大规模性包括两方面含义：一方面是传感器节点分布在很大的地理区域内，需要部署大量的传感器节点；另一方面，传感器节点部署很密集，在一个面积不是很大的空间内，密集部署了大量的传感器节点。传感器网络的大规模性具有的优点：通过不同空间视角获得的信息具有更大的信噪比；通过分布式处理大量的采集信息能够提高监测的精确度降低对单个节点传感器的精度要求；大量冗余节点的存在，使得系统具有很强的容错性能；大量节点能够增大覆盖的监测区域，减少洞穴或者盲区。

2.自组织网络

      在传感器网络应用中，通常情况下传感器节点被放置在没有基础结构的地方。传感器节点的位置不能预先精确设定，节点之间的相互邻居关系预先也不知道。这样就要求传感器节点具有自组织的能力，能够自动进行配置和管理，通过拓扑控制机制和网络协议自动形成转发监测数据的多跳无线网络系统。在传感器网络使用过程中，部分传感器节点由于能量耗尽或环境因素造成失效，也有一些节点为了弥补失效节点、增加监测精度而补充到网络中，在传感器网络中的节点个数就动态地增加或减少，从而使网络的拓扑结构随之动态地变化。传感器网络的自组织性要能够适应这种网络拓扑结构的动态变化。

3.动态性网络

      传感器网络的拓扑结构可能因为下列因素而改变：环境因素或电能耗尽造成的传感器节点出现故障或失效；环境条件变化可能造成无线通信链路带宽变化，甚至时断时通；传感器网络的传感器、感知对象和观察者这三要素都可能具有移动性；新节点的加入等。这就要求传感器网络系统要能够适应这种变化，具有动态的系统可重构性。

4.可靠的网络

      传感器网络特别适合部署在恶劣环境或人类不宜到达的区域，传感器节点可能工作在露天环境中，往往采用随机部署，这些都要求传感器节点非常坚固，不易损坏，适应各种恶劣环境条件。由于监测区域环境的限制以及传感器节点数目巨大，不可能人工“照顾”每个传感器节点，网络的维护十分困难甚至不可维护。传感器网络的通信保密性和安全性也十分重要，要防止监测数据被盗取和获取伪造的监测信息。因此，传感器网络的软硬件必须具有鲁棒性和容错性。

5.应用相关的网络

     传感器网络用来感知客观物理世界，获取物理世界的信息量。客观世界的物理量多种多样，不可穷尽。不同的传感器网络应用关心不同的物理量，因此对传感器的应用系统也有多种多样的要求。

6.以数据为中心的网络

      由于传感器节点随即部署，构成的传感器网络与节点编号之间的关系是完全动态的，表现为节点编号与节点位置没有必然联系。用户使用传感器网络查询事件时，直接将所关心的事件通告给网络，而不是通告给某个确定编号的节点。网络在获得指定事件的信息后汇报给用户。这种以数据本身作为查询或传输线索的思想更接近于自然语言交流的习惯。所以通常说传感器网络是一个以数据为中心的网络。

二.传感器网络的应用

      在军事应用领域，利用无线传感器网络能够实现监测敌军区域内的兵力和装备、实时监视战场状况、定位目标物、监测核攻击护着生物化学攻击等；无线传感器网络应用于环境监测，能够完成传统系统无法完成的任务。环境监测应用领域包括：植物生长环境、动物的活动环境、生化监测、精准农业监测、森林火灾监测、洪水监测等；无线传感器网络用于监测建筑物的健康状况，不仅成本低廉，而且能解决传统监测布线复杂、线路老化、易受损坏等问题；医疗卫生应用方面可以监测人体生理状况，还可以在生命发生危险的情况下及时通报其身体状况和位置信息。

      上图为智能交通应用典型之一——上海市重点科技研发计划中的智能交通监测系统，采用声音、图像、视频、温度、湿度等传感器，节点部署于十字路口周围，部署于车辆上的节点还包括GPS全球定位设备。重点强调了系统的安全性问题，包括耗能、网络动态安全、网络规模、数据管理融合、数据传输模式等。