传感器网络结点的结构分析与优化

毫无疑问，传感器网络的终端探测结点是应用和研究的重中之重。在不同应用中，传感器网络终端结点的组成不尽相同，但一般都由前面介绍的6个功能模块组成。被监测物理信号的形式决定了传感器的类型。处理器通常选用嵌入式CPU，如TI公司的CC2530、ARM公司的CORTEX－MX系列等。数据传输主要由低功耗、短距离的无线通信模块完成，比如RFM公司的TR1000等。因为需要进行较复杂的任务调度与管理，系统需要一个微型化操作系统。图1－6描述了传感器网络终端结点的结构，将其简化为传感模块、计算与存储模块、通信模块。图中实心箭头的方向表示数据在结点中的流动方向。

图1－6　传感器网络终端结点的结构

具体地说，传感模块用于感知、获取监测区域内的信息并将其转换为数字信号，它由传感器和模／数转换器组成。计算与存储模块负责控制和协调结点各部分的工作，存储和处理自身采集的数据以及其他结点发来的数据，它由嵌入式系统构成，包括处理器、存储器等。无线收发通信模块负责与其他传感器结点进行通信，交换控制信息和收发采集的数据。电源单元能够为传感器结点提供正常工作所必需的能源，通常采用微型电池。

另外，传感器结点还可以包括其他辅助单元，如移动系统、定位系统和自供电系统等。由于需要进行比较复杂的任务调度与管理，处理器需要包含一个功能较为完善的微型化嵌入式操作系统，如美国加州大学伯克利分校开发的TinyOS。

由于传感器结点采用电池供电，一旦电能耗尽，结点就失去了工作能力。为了最大限度地节约电能，在硬件设计方面，要尽量采用低功耗器件，在没有通信任务的时候，切断射频部分电源；在软件设计方面，各层通信协议都应该以节能为中心，必要时可以牺牲其他的一些网络性能指标，以获得更高的电源效率。

从无线联网的角度来看，传感器网络结点的体系由分层的网络通信协议、网络管理平台和应用支撑平台三个部分组成（如图1－7所示）［2］。

图1－7　无线传感器网络结点的体系组成

1）网络通信协议

类似于Internet网络中的TCP／IP协议体系，它由物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层组成，如图1－8所示。MAC层和物理层协议采用的是国际电气电子工程师协会（The Institute of Electrical and Electronics Engineers，IEEE）制定的IEEE 802.15.4协议。

IEEE 802.15.4是针对低速无线局域网（Low－Rate Wireless Personal Area Network，LR－WPAN）制定的标准。该标准把低能量消耗、低速率传输、低成本作为重点目标，旨在为个人或家庭范围内不同设备之间的低速互连提供统一标准。IEEE 802.15.4的网络特征与无线传感器网络存在很多相似之处，所以许多研究机构把它作为无线传感器网络的无线通信平台。

（1）物理层。传感器网络的物理层负责信号的调制和数据的收发，所采用的传输介质主要有无线电、红外线、光波等。

图1－8　传感器网络通信协议的分层结构

（2）数据链路层。传感器网络的数据链路层负责数据成帧、帧检测、介质访问和差错控制。介质访问协议保证可靠的点对点和点对多点通信，差错控制保证源结点发出的信息可以完整无误地到达目标结点。

（3）网络层。传感器网络的网络层负责路由发现和维护，通常大多数结点无法直接与网关通信，需要通过中间结点以多跳路由的方式将数据传送到汇聚结点。(www.xing528.com)

（4）传输层。传感器网络的传输层负责数据流的传输控制，主要通过汇聚结点采集传感器网络内的数据，并使用卫星、移动通信网络、互联网或者其他的链路与外部网络通信，是保证通信服务质量的重要部分。

2）网络管理平台

网络管理平台主要实现对传感器结点自身的管理和用户对传感器网络的管理，包括拓扑控制、服务质量管理、能量管理、安全管理、移动管理、网络管理等。

网络管理平台主要实现如下管理内容：

（1）拓扑控制。一些传感器结点为了节约能量会在某些时刻进入休眠状态，这导致网络的拓扑结构不断变化，因而需要通过拓扑控制技术管理各结点状态的转换，使网络保持畅通，数据能够有效传输。拓扑控制利用链路层、路由层完成拓扑生成，反过来又为它们提供基础信息支持，优化MAC协议和路由协议，降低能耗［3］。

（2）服务质量管理。服务质量管理在各协议层设计队列管理、优先级机制或者带宽预留等机制，并对特定应用的数据给予特别处理，它是网络与用户之间以及网络上互相通信的用户之间关于信息传输与共享的质量约定。为了满足用户的要求，传感器网络必须能够为用户提供足够的资源，以用户可接受的性能指标工作。

（3）能量管理。在传感器网络中电源能量是各个结点最宝贵的资源。为了使传感器网络的使用时间尽可能长，需要合理、有效地控制结点对能量的使用。每个层次中都要增加能量控制代码，并提供给操作系统进行能量分配决策。

（4）安全管理。由于结点随机部署、网络拓扑的动态性和无线信道的不稳定性，传统的安全机制无法在传感器网络中适用，因而需要设计新型的传感器网络安全机制，采用诸如扩频通信、接入认证／鉴权、数字水印和数据加密等技术。

（5）移动管理。在某些传感器网络的应用环境中结点可以移动，移动管理可用来监测和控制结点的移动，维护到汇聚结点的路由，还可以使传感器结点跟踪它的邻居。

（6）网络管理。网络管理是对传感器网络上的设备和传输系统进行有效监视、控制、诊断和测试所采用的技术和方法。它要求协议各层嵌入各种信息接口，并定时收集协议运行状态和流量信息，协调控制网络中各个协议组件的运行。

3）应用支撑平台

应用支撑平台建立在网络通信协议和网络管理技术的基础之上，包括一系列基于监测任务的应用层软件，通过应用服务接口和网络管理接口来为终端用户提供各种具体应用的支持。

应用支撑平台包括如下内容：

（1）时间同步。传感器网络的通信协议和应用要求各结点间的时钟必须保持同步，这样多个传感器结点才能相互配合工作。另外，结点的休眠和唤醒也要求时钟同步。

（2）定位。结点定位是确定每个传感器结点的相对位置或绝对位置。结点定位在军事侦察、环境监测、紧急救援等应用中尤为重要。

（3）应用服务接口。传感器网络的应用是多种多样的，针对不同的应用环境，有各种应用层的协议，如任务安排和数据分发协议、结点查询和数据分发协议等。

（4）网络管理接口。主要是传感器管理协议，用来将数据传输到应用层。