物联网传感器节点及要素

1.节点类型

从网络节点功能来看，常用无线传感器网络节点的类型有3种，即传感器节点、汇聚节点和管理节点。在野外环境使用中，传感器节点常被随机部署在监测区域内或附近，这些节点以自组织方式构成了传感器网络。传感器节点将监测的数据沿其他传感器节点逐跳进行传输，在传输过程中，监测数据可能被多个节点处理，数据在经过多跳路由后到达汇聚节点，最后通过互联网或卫星通信网络传输到管理节点。拥有者通过管理节点对传感器网络进行配置和管理，发布监测任务以及收集监测数据。

由于传感器节点是一种微型的嵌入式系统，它的处理能力、存储能力和通信能力相对较弱，通过自身携带的能量有限的电池来供电。从网络功能上来看，每个传感器节点兼顾传统网络节点的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之外，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。目前，传感器节点的软硬件技术是传感器网络研究的重点。

汇聚节点的处理能力、存储能力和通信能力相对较强，它连接传感器网络与互联网等外部网络，实现两种协议栈的通信协议之间的转换，同时发布管理节点的监测任务，并将收集到的数据转发到外部网络上。汇聚节点既可以是一个具有增强功能的传感器节点，有足够的能量提供给更多的内存与计算资源，也可以是没有监测功能仅带有无线通信接口的特殊网关设备。

2.节点结构

无线传感器节点主要由以下几部分组成：

传感器模块：负责监控区域内信息采集和数据转换。

微处理器模块：负责整个传感器节点的操作，存储和处理传感器采集的数据，传送数据。

无线通信模块：负责与其他节点进行无线通信，接收和发送收集的信息，交换控制信息。(www.xing528.com)

能量供应模块：通常是采用微型电池，为传感器节点提供运行所需要的能量。

由于无线传感器网络要求节点数量多、成本低廉、分布区域广，而且部署区域的环境复杂，有些区域甚至人员不能到达，因此传感器节点通过更换电池来补充能源是不现实的。如何高效使用能量来最大化网络生命周期是传感器网络面临的首要挑战。

传感器节点消耗能量的模块包括：传感器模块、微处理器模块和无线通信模块。随着集成电路工艺的进步，微处理器和传感器模块的功耗变得很低。

无线通信模块有4种状态：发送、接收、空闲和休眠。在空闲状态下，一直监听无线信道的使用情况，检查是否有数据发送给自己；而在休眠状态下，则关闭通信模块。无线通信模块在发送状态下的能量消耗最大；在空闲状态和接收状态下的能量消耗接近，但略少于发送状态的能量消耗；在休眠状态下的能量消耗最少。为了让网络通信更有效率，必须减少不必要的转发和接收，不需要通信时，尽快进入休眠状态，这是传感器网络协议设计中需要重点考虑的问题。

传感器节点是一种微型嵌入式设备，要求它的价格低、功耗小，这些限制必然导致其节点中央处理器能力比较弱、存储器容量比较小。传感器节点需要完成监测数据的采集和转换、数据的管理和处理、应答汇聚节点的任务请求、节点控制等多种工作。如何利用有限的计算和存储资源完成诸多协同工作的任务，是传感器网络设计中的又一个挑战。

3.网络结构

在无线传感器网络结构中，通常由时间同步与定位两个子层组成。在网络结构设计中，除了要考虑频率结构与数据链路层、网络层关系外，还要考虑能量管理接口与服务质量保证机制的关系，即无线传感器网络中的能量管理涉及所有的层次与功能，服务质量保证机制涉及各层的队列管理、优先级机制以及带宽管理。

无线传感器网络的特点是，在时间同步和定位两个子层中，既要根据数据链路层的协作进行时间同步和定位，又要使网络层的路由与传输层的传输控制协议的支持为高层应用提供服务。在拓扑生成涉及节点的物理位置、节点发送与接收能力、数据链路层信道接入方面，除了通信技术中常采用的方法外，还要更多地注意应用对象的特征对网络层路由协议的要求。因为网络管理需要与各层协议都有接口，收集、分析各层协议执行情况并及时进行分析。模型中的所有功能与协议执行过程，都与能量、移动与安全管理相关。