ZigBee学习笔记——（一）无线传感器网络

一、无线传感器网络概述

无线传感器网络 （Wireless Sensor Networks，WSN）

无线传感器网络，是由部署在检测区域内的大量廉价、微型的传感器节点组成的，通过无线通信的一种方式形成一个多跳的自组织的网络系统。

一种普遍被人们接受的无线传感器网络定义是：
无线传感器网络是一种大规模、自组织多跳、无基础设施支持的无线网络、网络中节点是同构的，成本低，体积和耗电量较小，大部分节点不移动，被随意的散布在检测区域，要求网络具有尽可能长的工作时间和使用寿命。

与各种网络相比，无线传感器网络具有以下显著特点：

①节点数量多，网络密度高。

• 通过大量冗余节点来提高系统稳定性

②分布式的拓扑结构

• 无线传感器网络中没有固定的网络基础设施，所有节点地位平等。通过分布式协议协调各个节点以协作完成特定任务。节点可以随时加入或离开网络，不会影响网络的正常运行，具有抗毁性。

③自组织特性

二、无线传感器网络的特点

目前常见的无线传感器网络包括移动通信网、无线局域网、蓝牙网络、Ad Hoc网络等。

无线传感器网络在通信方式、动态组网以及多跳通信等方面有相似之处，但也存在差异。

无线传感器网络具有以下鲜明的特点：
①硬件资源有限

• 受价格、体积、功耗的限制，节点的算力、存储空间、程序空间有限。

②电源容量有限

• 节点体积小，携带能量有限。由于部署环境复杂，所以传感器设计时要以节能低功耗为前提。

③通信能量有限
④计算能力有限
⑤节点数量众多，分布密集
⑥自组织，动态网络
⑦以数据为中心的网络
⑧多跳路由

路由：是通过互连网的网络把信息从源地址传输到目的地址的活动。

网关：又称网间连接器，协议转换器。仅用于两个高层协议不同的网络互连，在网络层以上实现网络胡互连。

⑨应用相关的网络

• 针对具体应用来研究设计

⑩传感器节点出现故障的可能性较大

三、无线传感器网络体系结构

1、传感器节点体系结构

传感器节点由 4 部分组成：

①传感器模块：

• 负责采集检测区域的信息，并进行数据格式的转换，将原始模拟信号转换为数字信号，将交流信号转换为直流信号以供后续模块使用。

②处理器模块：

• 处理器——处理节点的控制
• 存储器——数据存储

③无线通信模块：

• 专门负责模块间的互相通信

④电源：

• 为节点提供能量

2、无线传感器网络体系结构

无线传感器网络通常包括：传感器节点、汇聚节点、管理节点

如图：大量传感器节点随机部署在检测区域，通过自组织的方式构成网络。

传感器节点采集的数据通过其他传感器节点逐跳地在网络中传输，传输过程中数据可能被多个节点处理，经过多跳后路由到汇聚节点，通过互连网到达规管理节点。也可沿着相反方向，通过管理节点对传感器网络进行管理。

3、无线传感器网络协议体系结构

各层协议和平台的功能：
①物理层提供简单但健壮的信号调制和无线收发技术。
②数据链路层负责数据成帧、帧检测、媒体访问和差错控制。
③网络层主要负责路由生成与路由选择。
④传输层负责数据流的传输控制，是保证通信服务质量的重要部分。
⑤应用层包括一系列基于监测任务的应用层软件。
⑥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。
⑦移动管理平台检测并注册传感器节点的移动，维护到汇聚节点的路由，使传感器节点能动态跟踪其邻居位置。
⑧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、无线传感器网络的关键技术

1、时间同步技术

• 时间同步技术是完成实时信息采集的基本要求，也是提高定位精度的关键手段。

2、定位技术

• 节点自定位
• 网络区域内的目标定位跟踪

3、分布式数据管理和信息融合

• 分布式动态实时数据管理是以数据中心为特征的 WSN 的重要技术之一。该技术通过部署或者设定一些节点为代理节点，代理节点根据检测任务收集兴趣数据。监测任务通过分布式数据库的查询语言下达给目标区域节点。在整个体系中，WSN 被当作分布式数据库独立存在，实现对客观物理世界的实时动态监测。

4、安全技术

5、精细管理、深度嵌入的操作系统技术

6、能量工程

• 能量的获取
• 能量的存储

五、典型短距离无线通信网络技术

1、红外数据传输
2、蓝牙
3、无线局域网802.11