无线传感器网络方案构建的几大要点

无线传感器网络是一种无中心节点的全分布系统。通过随机投放的方式，众多传感器节 点被密集部署于监控区域。这些传感器节点集成有传感器、数据处理单元和通信模块，它们 通过无线通道相连，自组织地构成网络系统。

传感器节点借助于其内置的形式多样的传感器，测量所在周边环境中的热、红外、声呐、雷达和地震波信号，也包括温度、湿度、噪声、光强度、压力、土壤成分、移动物体的大小、速度和方向等众多人们感兴趣的物理现象。传感器节点间具有良好的协作能力，通过局部的数据交换来完成全局任务。

由于传感器网络的节点特点的要求，多跳、对等的通信方式较之传统的单跳、主从通信方式更适合于无 线传感器网络，同时还可有效避免在长距离无线信号传播过程中遇到的信号衰落和干扰等问 题。通过网关，传感器网络还可以连接到现有的网络基础设施上，从而将采集到的信息回传 给远程的终端用户使用。 无线传感器网络具有以下的特点。

(1)大规模网络

为了获取精确信息，在监测区域内通常部署大量传感器节点，传感器节点数量可能达到 成千上万，甚至更多。

传感器网络的大规模性包括两方面的含义：

一方面是传感器节点分布 在很大的地理区域内，如在原始大森林中采用传感器网络进行森林防火和环境监测，需要部署大量的传感器节点；

另一方面，传感器节点部署很密集，在一个面积不是很大的空间内， 密集部署了大量的传感器节点。传感器网络的大规模性具有如下优点：通过不同空间视角获 得的信息具有更大的信噪比；通过分布式处理大量的采集信息能够提高监测的准确度，降低 对单个节点传感器的准确度要求；大量冗余节点的存在，使得系统具有很强的容错性能；大 量节点能够增大覆盖的监测区域，减少盲区。

(2)自组织网络

在传感器网络应用中，通常情况下传感器节点被放置在没有基础结构的地方。传感器节 点的位置不能预先精确设定，节点之间的相互邻居关系预先也不知道，如通过飞机播撒大量 传感器节点到面积广阔的原始森林中，或随意放置到人不可到达或危险的区域。

这样就要求 传感器节点具有自组织的能力，能够自动进行配置和管理，通过拓扑控制机制和网络协议自 动形成转发监测数据的多跳无线网络系统。 在传感器网络的使用过程中，部分传感器节点由于能量耗尽或环境因素造成失效，也有 一些节点为了弥补失效节点、增加监测准确度而补充到网络中，这样在传感器网络中的节点个数就动态地增加或减少，从而使网络的拓扑结构随之动态地变化。传感器网络的自组织性 要能够适应这种网络拓扑结构的动态变化。

(3)多跳路由

网络中节点通信距离有限，一般在几十到几百米范围内，节点只能与它的邻居直接通信。如果希望与其射频覆盖范围之外的节点进行通信，则需要通过中间节点进行路由。网络 的多跳路由使用网关和路由器来实现，而无线传感器网络中的多跳路由是由普通网络节点完成的，没有专门的路由设备。这样每个节点既可以是信息的发起者，也可以是信息的转 发者。

(4)动态性网络

传感器网络的拓扑结构可能因为下列因素而改变：

①环境因素或电能耗尽造成的传感器 节点出现故障或失效；

②环境条件变化可能造成无线通信链路带宽变化，甚至时断时通；

③传感器网络的传感器、感知对象和观察者这三要素都可能具有移动性；

④新节点的加入。 这就要求传感器网络系统要能够适应这种变化，具有动态的系统可重构性。

(5)可靠的网络传感器网络

可靠的网络传感器网络特别适合部署在恶劣环境或人类不宜到达的区域，传感器节点可能工作在露天环境中，遭受太阳的暴晒或风吹雨淋，甚至遭到无关人员或动物的破坏。传感器节点往往 采用随机部署，如通过飞机播撒或发射“炮弹”到指定区域进行部署。

这些都要求传感器节点非常坚固，不易损坏，适应各种恶劣的环境条件。 由于监测区域环境的限制以及传感器节点数目巨大，不可能人工“照顾”到每个传感器节点，网络的维护十分困难甚至不可维护。传感器网络的通信保密性和安全性也十分重要，要防止监测数据被盗取和获取伪造的监测信息。因此，传感器网络的软硬件必须具有鲁 棒性和容错性。

(6)以数据为中心的网络

传感器网络是任务型的网络，脱离传感器网络谈论传感器节点没有任何意义。传感器网 络中的节点采用节点编号标志，节点编号是否需要全网唯一取决于网络通信协议的设计。由于传感器令点随机部署，构成的传感器网络与节点编号之间的关系是完全动态的，表现为节点编号与节点位置没有必然联系。用户使用传感器网络查询事件时，直接将所关心的事件通 告给网络，而不是通告给某个确定编号的节点。网络在获得指定事件的信息后汇报给用户。

这种以数据本身作为査询或传输线索的思想更接近于自然语言交流的习惯。所以通常说传感 器网络是一个以数据为中心的网络。 例如，在应用于目标跟踪的传感器网络中，跟踪目标可能出现在任何地方，对目标感兴 趣的用户只关心目标出现的位置和时间，并不关心哪个节点监测到目标。事实上，在目标移 动的过程中，必然是由不同的节点来提供目标的位置消息的。

(7)应用相关的网络

传感器网络用来感知客观物理世界，获取物理世界的信息量。客观世界的物理量多种多 样，不可穷尽。不同的传感器网络应用关心不同的物理量，因此对传感器的应用系统也有多 种多样的要求。不同的应用背景对传感器网络的要求不同，其硬件平台、软件系统和网络协 议必然会有很大差别。所以传感器网络不能像因特网一样，有统一的通信协议平台。

对于不同的传感器网络应用虽然存在一些共性问题，但在开发传感器网络应用中，更关心传感器网 络的差异。只有让系统更贴近应用，才能做出最髙效的目标系统。针对每一个具体应用来研 究传感器网络技术，这是传感器网络设计不同于传统网络的显著特征。