传感网节点的组成详解

传感网概述

进入21世纪以来，随着感知识别技术的快速发展，以传感器和智能识别终端为代表的信息自动生成设备可以实时地对物理世界感知、测量和监控。微电子技术、计算机技术和无线通信技术的发展推动了低功耗、多功能传感器的快速发展，现已研制出了具有感知能力、计算能力和通信能力的微型传感器。物理世界的联网需求和信息世界的扩展需求催生出一类新型网络——传感器网络（简称传感网）。

传感网集成了传感器、嵌入式计算、微机电、现代网络与无线通信、信息处理等技术，跨越了计算机、半导体、嵌入式、网络、通信、光学、微机械、化学、生物、航天、医学、农业等众多领域，可以使人们在任何时间、地点和任何环境下获取大量翔实可靠的信息，从而真正实现无处不在的计算理念。传感网是一种新型的信息获取和处理技术，它改变了人类与自然界的交互方式，扩大了人类认知世界的能力。美国《商业周刊》认为传感网是全球未来四大高新技术产业之一，是21世纪最具有影响力的21项技术之一。2003年，麻省理工学院的《技术评论》杂志在预测未来技术发展的报告中，将传感网列为对人类未来生活产生深远影响的十大新兴技术之首。

传感网的体系结构

传感器网络由大量部署在作用区域内的、具有无线通信与计算能力的传感器节点组成，这些节点通过自组织方式构成传感器网络，其目的是协作感知、采集和处理网络覆盖地理区域中的感知对象信息并发布给观察者。

传感器节点体系结构

传感器节点是无线传感网的一个基本组成部分。根据应用需求的不同，传感器节点必须满足的具体要求也不同。传感器节点可能是小型的、廉价的或节能的，必须配备合适的传感器，具有必要的计算和存储资源，并且需要足够的通信设施［6，7］。一个典型的传感器节点由感知单元、处理单元（包括处理器和存储器）、通信单元、能量供给单元和其他应用相关单元组成，传感器节点的体系结构如图1-1所示。

在图1-1中，感知单元主要用来采集现实世界的各种信息，如温度、湿度、压力、声音等物理信息，并将传感器采集到的模拟信息转换成数字信息，交给处理单元进行处理。处理单元负责整个传感器节点的数据处理和操作，存储本节点的采集数据和其他节点发来的数据。通信单元负责与其他传感器节点进行无线通信、交换控制消息和收发采集数据。能量供给单元提供传感器节点运行所需的能量，是传感器节点最重要的单元之一。另外，为了对节点精确定位以及对移动状态进行管理，传感器节点需要相应的应用支持单元，如位置查找单元和移动管理单元。

传感器节点通常是一个微型嵌入式系统，它的处理能力、存储能力和通信能力是受限的。节点要正常工作，需要软硬件系统的密切配合。硬件系统的组成参照图1-1。软件系统由5个基本的软件模块组成，分别是操作系统（OS）微码、传感器驱动、通信处理、通信驱动和数据处理mini-app软件模块。OS微码控制节点的所有软件模块以支持节点的各种功能。TinyOS就是一种专为嵌入式无线传感网设计的操作系统。传感器驱动模块管理传感器收发器的基本功能；此外，传感器的类型可能是模块或插件式的，根据传感器的不同类型和复杂度，该模块也要支持对传感器进行的相应配置和设置。通信处理模块管理通信功能，包括路由、数据包缓冲和转发、拓扑维护、介质访问控制、加密和前向纠错等。通信驱动模块管理无线电信道传输链路，包括时钟和同步、信号编码、比特计数和恢复、信号分级和调制。数据处理mini-app模块支持节点的数据处理，包括信号值的存储与操作或其他的基本应用。

传感网的网络结构

传感网由大量的传感器节点组成，节点之间通过无线传输方式通信。一个典型的传感网的体系结构如图1-2所示，通常包括传感器节点、汇聚节点和任务管理节点。传感器节点分散在监测区域内，这些节点能够采集数据、分析数据并且把数据路由到一个指定的汇聚节点。

传感器节点之间通过自组织方式构成网络，可以根据需要智能地采用不同的网络拓扑结构。传感器节点的监测数据可能被多个节点处理，通常以多跳的方式沿着其他节点逐跳传输，经过路由到其他中间节点进行数据融合和转发后到达汇聚节点，最后通过互联网或者卫星到达用户可以操作的任务管理节点，任务管理节点可以对传感网进行配置和管理。

传感器节点的计算能力、存储能力较弱，通信带宽窄，由自身携带的电池供电，因此能量有限。传感器节点不仅要对本地信息进行数据处理，还要对其他节点转发的数据进行存储、管理、融合和转发。汇聚节点的处理能力、存储能力和通信能力相对较强，主要负责发送任务管理节点的监测任务，收集数据并转发到互联网等外部网络上，实现传感网和外部网络之间的通信。汇聚节点可以是一个具有增强功能的传感器节点，具有较多的内存、计算资源和能量供给，也可以是一个仅带有无线通信接口的特殊网关设备。

传感网通常部署在无人照料的恶劣环境中或身体遥不可及的地区，因此网络需要具有自维护的特性。当网络的部分节点因入侵、故障或电池耗竭而失效时，不能影响数据传输和网络监控等主要任务。

传感网节点的组成

传感器节点

处理能力、存储能力和通信能力相对较弱，通过小容量电池供电。传感器节点由部署在感知对象附近大量的廉价微型传感器模块组成，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息，并发送到汇聚节点。各模块通过无线通信方式形成一个多跳的自组织网络系统，传感器节点采集到的数据沿着其他传感器节点逐跳传输到汇聚节点。一个WSN系统通常有数量众多的体积小、成本低的传感器节点。从网络功能上看，每个传感器节点除了进行本地信息收集和数据处理外，还要对其他节点转发来的数据进行存储、管理和融合，并与其他节点协作完成一些特定任务。

汇聚节点

汇聚节点的处理能力、存储能力和通信能力相对较强，它是连接传感器网络与Internet 等外部网络的网关，实现两种协议间的转换，同时向传感器节点发布来自管理节点的监测任务，并把WSN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，有足够的能量供给和更多的、Flash和SRAM中的所有信息传输到计算机中，通过汇编软件，可很方便地把获取的信息转换成汇编文件格式，从而分析出传感节点所存储的程序代码、路由协议及密钥等机密信息，同时还可以修改程序代码，并加载到传感节点中。

管理节点

管理节点用于动态地管理整个无线传感器网络。传感器网络的所有者通过管理节点访问无线传感器网络的资源。

传感网的发展阶段

第1阶段：冷战时期的军事传感器网络

冷战时期，美国使用昂贵的声传感网（acoustic networks）监视潜艇，同时美国国家海洋和大气管理局也使用其中的一部分传感器监测海洋的地震活动。

第2阶段：国防高级研究计划局的倡议

20世纪80年代初，在美国国防部高级研究计划局（DARPA）资助项目的推动下，传感网的研究取得了显著进步。在假设存在许多低成本空间分布传感器节点的前提下，分布式传感网（DSN）以自组织、合作的方式运作，旨在判定是否可以在传感网中使用新开发的TCP/IP协议和ARPA网（互联网的前身）的方式来通信。

第3阶段：20世纪80年代、90年代的军事应用开发和部署

20世纪80年代和90年代，以DARPA-DSN研究和实验平台为基础，在军事领域采用传感网技术，使其成为网络中心战的关键组成部分。传感网可以通过多种观察、扩展检测范围以及加快响应时间等方式，提高检测和跟踪性能。

第4阶段：现今的传感网研究

20世纪90年代末和21世纪初，计算与通信的发展推动传感网新一代技术的产生。标准化是任何技术大规模部署的关键，其中包括无线传感网。随着IEEE 802.11a/b/g的无线网络和其他无线系统（如ZigBee）的发展，可靠连接变得无处不在。低功耗、低价格处理器的出现，使传感器可部署于更多的应用程序之中。