无线传感网络与物联网技术

传感器技术以惊人的速度朝着多功能化、微型化、智能化、网络化方向发展。无线网络技术和微传感器技术，使人们将无线网络技术与传感器技术结合起来，使无线传感器网络成为传感器技术应用的重要领域。除常用的各种网络传感器外，无线网络传感器更侧重于传感器本身的结构组成，而无线传感器网络更偏重于无线传感器的网络化。

传感网的内涵源于由传感器组成通信网对采集到的客观物体信息进行交换的概念，是以感知人与人、人与物、物与物的互连网络。其特征是通过传感器获取物理世界的各种信息，利用互联网、移动通信网等网络进行信息的传送与交互，采用智能计算技术对信息进行分析处理，提升对各种信息的感知能力，为系统的使用者决策和控制提供依据。

无线传感器网络是由众多的无线传感器，通过无线通信的方式对被采集到的信息进行传输、处理和使用的网络。它在结构上是由众多具有通信与计算能力的无线传感器节点组成的，其发展大致经历了4个阶段：第一代网络是具有简单点到点信号传输功能的传统网络所组成的测控系统；第二代网络是由具有智能设备和现场控制站构成的测控网络；第三代网络基本上是指基于现场总线的智能网络；第四代网络为无线传感器网络。

1.无线传感器网络组成

从系统上看，可以简单地把无线传感器网络看成一种自组织智能系统。从科学技术上看，它涉及MEMS、微电子、计算机、通信以及自动控制和人工智能等多学科和领域。从网络应用技术来看，无线传感器网络在有限资源（包括计算能力、存储能力、通信能力和能源供给）的约束条件下，实现数据的采集、传输、处理和展示，针对不同的应用采用不同的节点技术、不同的组网策略和路由协议，同时针对大规模部署的情况，采用多传感数据融合等技术提高识别率。

无线传感器网络技术是集成有数据处理单元和通信模块以及电源模块的微小节点，通过自组织方式构成网络，可随机布置。通过节点中内置的敏感元件或传感器，感知周围各种要知道的化学成分和物理量，并通过无线通信方式传送这些信息给应用对象。

2.无线传感器网络结构

（1）无线传感器网络节点

无线传感器网络节点一般都由数据采集单元、数据处理单元、数据传输单元和电源4部分组成的。

无线传感器节点检测的参数是由传感器所测物理信号类型决定的；内部的处理器通常采用嵌入式CPU；数据传输单元主要由低功耗、短距离无线通信模块等组成的。传感网中节点组成和功能如图1-9所示，箭头表示数据在节点中的流动方向。

（2）网络体系结构

无线传感器网络结构示意图如图1-10所示。节点分布于网络的各个部分，用于收集数据，并且将数据路由至信息汇聚节点。信息汇聚节点与信息处理节点通过广域网（如互联网或者卫星网络）进行通信，从而对收集到的数据进行处理。

无线传感器网络的协议贯穿于应用层、传输层、网络层、数据链路层和物理层。在网络层，可采用节省能量的分布式路由算法、协议和数据融合的算法。应用层采用不同的软件可实现网络不同的应用，可实现传输层的差错控制和流量控制等功能。网络层将传输层所提供的数据路由至信息汇聚节点，数据链路层主要负责节点接入，降低节点间的传输冲突。如果无线传感网要求节点功率小、功耗低，则处理能力也有限。对于网络的自组织性和容错性及可扩展性的要求，要根据网络能量和敏感性以及数据传输能力来确定。物理层常采用调制和超宽带无线通信技术、射频标签技术。

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图1-9 传感网中节点组成和功能

图1-10 无线传感器网络结构示意图

（3）标准技术

按照国际标准化组织（ISO）的规定，为数据流传输所需物理连接的建立、维护和释放提供机械的、电气的、功能的和规程性的模块就叫做物理层。调制方法分为模拟调制和数字调制两种，区别在于调制信号所用的基带信号的模式不同。从定义可以看出，物理层需要为数据终端提供数据传输通路、传输数据和完成管理工作的职责。信号仅经过调制是不行的，还需要进行扩频。顾名思义，扩频就是将待传输数据进行频谱扩展。常见的扩频技术包括直接序列扩频、跳频、跳时以及线性调频，这增强了系统的抗干扰能力，实现了可多地址通信，提高了保密性。

IEEE 802.15.4是无线网络主要标准，又被称为ZigBee标准。其主要技术特征见表1-1。它的传输带宽没有WiFi和蓝牙大，但是能耗较低，适合能源有限的无线传感器网络使用。按照标准，物理层主要工作是激活或休眠无线收发器、检测当前信道的能量、发送指示、选择信道频率、发送与接收数据。表1-1概括了IEEE 802.15.4标准的主要技术特征，定义了单一的媒体访问控制（MAC）层和多样的物理层，规划了各频段的工作特点。其中，2.4GHz频段的物理层可提供250kbit/s的数据传输速率，适用于高吞吐量、低延时的场合；工作在868MHz/915MHz频段的物理层则能分别提供20kbit/s和40kbit/s的数据传输速率，适用于低传输速率、高灵敏度和大覆盖面积的场合。

表1-1 IEEE 802.15.4标准的技术特征

（4）媒体访问控制（MAC）协议

如何有效地分配信道是数据链路层中的MAC子层要解决的主要问题。针对无线传感器网络的能量受限、网络的拓扑结构动态变化等特点及特殊的通信需求，无线网络经常使用的有S-MAC协议、分布式能量意识（DE-MAC）协议和协调设备（MD）协议3种MAC协议。

S-MAC协议通过调配节点的休眠方式有效地分配信道，采用休眠时间与调度表同步、消息传递、物理与虚拟载波监听等技术降低能耗。其缺点是当节点的无线收发装置处于休眠状态时，若有状态被触发而需要发送消息，则必须按照休眠调度表的规定，等待节点被唤醒才能发送消息，因此增加了通信的延时。

DE-MAC协议采用周期性监听和休眠机制，避免空闲监听和串音，其目的是减少能耗和增加网络的生存周期。基本思想是在传输数据帧的同时附加能量级别的信息，通过节点间的能量信息交换寻找出能量最低的节点，使其休眠的时间更长、拥有更多的时序，以均衡节点的能量，提高网络的生存周期。其缺点是，当一个节点在传输信息时，邻近的节点不管是否愿意接收信息，都要处于监听状态，浪费了大量的能量。

协调设备协议通过固定或分布的具有协调功能的设备来解决节点的同步通信问题，为大规模、低占空比运行的节点提供了不需要高精度时钟的可靠通信。缺点是即时发送者和接收者均在一条信道范围内，且接收者也处于活动状态，但由于通信范围内无协调设备，通信也不能进行，从而导致通信延时，这一点在使用中应当注意。