传感器网络的系统架构设计优化

目前无线网络可分为两种（如图1－1所示）。一种是有基础设施的网络，需要固定基站，例如我们使用的手机采用的是无线蜂窝网，它需要高大的天线和大功率来支持，基站就是最重要的基础设施；另外，使用无线网卡上网的无线局域网，由于采用了接入点这种固定设备，也属于有基础设施网。另一种是无基础设施网，又称为无线Ad Hoc网络，结点是分布式的，没有专门的固定基站。

图1－1　无线网络分类

无线Ad Hoc网络又可分为两类。一类是移动Ad Hoc网络，它的终端是快速移动的。一个典型的例子是美军101空降师装备的Ad Hoc网络通信设备，它保证在远程空投到一个陌生地点之后，在高度机动的装备车辆上仍然能够实现各种通信业务，而无需借助外部设施的支援。另一类就是无线传感器网络，它的结点是静止的或者移动很慢。在移动自组织网络（Mobile Ad Hoc Network，MANET）出现之初，它指的是一种小型无线局域网，这种局域网的结点之间不需要经过基站或其他管理控制设备就可以直接实现点对点的无线通信，而且当两个通信结点之间由于功率或其他原因导致无法实现链路直接连接时，网内其他结点可以帮助中继信号，以实现网络内各结点的相互通信。由于无线结点是在随时移动的，因此这种网络的拓扑结构也是动态变化的。

无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）的标准定义是这样描述的。无线传感器网络是大量的静止或移动的传感器以自组织和多跳的方式构成的无线网络，目的是协作探测、处理和传输网络覆盖区域内感知对象的监测信息并报告给用户。

在这个定义中，传感器网络负责实现数据采集、处理和传输三种功能，而这正对应着现代信息技术的三大基础技术，即传感器技术、计算机技术和通信技术，它们分别构成了信息系统的“感官”、“大脑”和“神经”三个部分。因此，无线传感器网络正是这三种技术的结合，可以构成一个独立的现代信息系统（如图1－2所示）。

图1－2　现代信息技术与无线传感器网络之间的关系

另外，从前述定义可以看出，传感器、感知对象和用户是传感器网络的三个基本要素。无线网络是传感器之间、传感器与用户之间最常用的通信方式，用于在传感器与用户之间建立通信路径。协作式的感知、采集、处理和发布感知信息是传感器网络的基本功能。

一组功能有限的传感器结点协作地完成大的感知任务是传感器网络的重要特点。传感器网络中的部分或全部结点可以慢速移动，拓扑结构也会随着结点的移动而不断地动态变化。结点间以Ad Hoc方式进行通信，每个结点都可以充当路由器的角色，并且都具备动态搜索、定位和恢复连接的能力。

传感器结点由电源、感知部件、处理部件、通信部件和软件这几个部分构成。电源为传感器提供正常工作所必需的能源。感知部件用于感知、获取外界的信息，并将其转换为数字信号。处理部件负责协调结点各部分的工作，如对感知部件获取的信息进行必要的处理、保存，控制感知部件和电源的工作模式等。通信部件负责与其他传感器或用户的通信。软件是为传感器提供必要的软件支持，如嵌入式操作系统、嵌入式数据库系统等。

传感器网络的用户是感知信息的接收者和使用者，可以是人也可以是计算机或其他设备。例如，军队指挥官可以是传感器网络的用户，一台由飞机携带的移动计算机也可以是传感器网络的用户。一个传感器网络可以有多个用户，一个用户也可以是多个传感器网络的使用者。用户可以主动地查询或收集传感器网络的感知信息，也可以被动地接收传感器网络发布的信息。用户对感知信息进行观察、分析、挖掘、制定决策，或对感知对象采取相应的行动。

感知对象是用户感兴趣的监测目标，也是传感器网络所感知的对象，如坦克、军事人员、动物、有害气体等。感知对象一般通过表示物理现象、化学现象或其他现象的数字量来表征，如温度、湿度等。一个传感器网络可以感知网络分布区域内的多个对象，一个对象可以被多个传感器网络所感知。

从用户的角度来看，无线传感器网络的宏观系统架构如图1－3所示，通常包括传感器结点（sensor node）、汇聚结点（sink node）和管理结点（manager node）。有时汇聚结点也称为网关结点或者信宿结点。

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图1－3　无线传感器网络的宏观系统架构

在图1－3中，探测用途的大量传感器结点随机密布在整个监测区域，通过自组织的方式构成网络。传感器结点在对所探测到的信息进行初步处理之后，以多跳中继的方式传送给汇聚结点，然后经卫星、互联网或者移动通信网络等途径，到达最终用户所在的管理结点。用户也可以通过管理结点对传感器网络进行管理和配置，发布监测任务或者收集回传的数据。

从网络功能上看，每个传感器都具有信息采集和路由的双重功能，除了进行本地信息收集和数据处理外，还要存储、管理和融合其他结点转发过来的数据，同时与其他结点协作完成一些特定任务。

如果通信环境或者其他因素发生变化，导致传感器网络的某个或部分结点失效时，先前借助它们传输数据的其他结点则自动重新选择路由，保证在网络出现故障时能够实现自动恢复。

实际上这种大量的传感器网络探测结点通常是由6个功能模块组成（如图1－4所示），即传感模块、计算模块、通信模块、存储模块、电源模块和嵌入式软件系统。传感模块负责探测目标的物理特征和现象，计算模块负责处理数据和系统管理，存储模块负责存放程序和数据，通信模块负责网络管理信息和探测数据两种信息的发送和接收，另外电源模块负责给结点供电，结点由嵌入式软件系统支撑，运行网络的5层协议。

图1－4　传感器网络结点的功能模块组成

5层协议中的5层分别指物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层，如图1－5所示。物理层负责载波频率的产生、信号调制与解调，数据链路层负责媒体接入和差错控制，网络层负责路由发现与维护，传输层负责数据流的传输控制，应用层负责任务调度、数据分发等具体业务。

传感器网络的一个突出特色是采用了跨层设计技术，这一点与现有的IP网络不同。跨层设计包括能量分配、移动管理和应用优化。

图1－5　传感器网络的分层协议

能量分配是尽量延长网络的可用时间，移动管理主要对结点移动进行检测和注册，应用优化是根据应用需求优化调度任务。

传感器探测结点通常是一个嵌入式系统，由于受到体积、价格和电源供给等因素的限制，它的处理能力、存储能力相对较弱，通信距离也有限，通常只与自身通信范围内的邻居结点交换数据。如果要访问通信范围以外的结点，必须使用多跳路由。传感器结点的处理器完成计算与控制功能，射频部分完成无线通信传输功能，传感器探测部分的电路完成数据采集功能，通常由电池供电，封装成完整的低功耗的无线传感器网络终端结点。

网关汇聚结点只需要具有处理器模块和射频模块，通过无线方式接收入探测终端发送来的数据信息，再传输给有线网络的PC或服务器。汇聚结点通常具有较强的处理能力、存储能力和通信能力，它既可以是一个具有足够能量供给和更多内存资源与计算能力的增强型传感器结点，也可以是一个带有无线通信接口的特殊网关设备。汇聚结点连接传感器网络和外部网络，通过协议转换实现管理结点与传感器网络之间的通信，把收集到的数据转发到外部网络上，同时发布管理结点提交的任务。

各种类型的低功耗网络终端结点可以构成星型拓扑结构，或者混合型ZigBee拓扑结构，有的路由结点还可以采用电源供电方式。