传感器技术、嵌入式技术、现代网络低功耗无线通信等技术、信息处理等多种技术的发展,推动了无线传感器网络(WirelessSensorNetwork,WSNs)的产生和发展。无线传感器网络是由大量部署在监测区域内的廉价、微型的传感器节点组成,通过无线通信方式形成多跳、自组织的网络系统,能够协同地感知、采集和处理网络监测区域中的对象信息,并把监测到的信息发送给观察者。
无线传感器网络将逻辑上的信息世界与真实的物理世界联系在一起,改变了人与自然的交互方式,构建了信息世界与物理世界沟通的桥梁。传感器节点、感知对象、观察者是构成传感器网络的三个基本要素。传感器网络的体系结构包括传感器节点、监测区域、接收器、互联网和用户界面等。在实际应用中,节点大量部署在监测区域附近,通过自组织方式构成无线网络,以协作的方式实时感知、采集和处理网络覆盖区域中的信息,并通过多跳传输的方式将数据经由接收器、卫星、无线网络或Internet等传送到控制中心服务器,用户可以通过服务器查看、查询、搜索相关数据,并通过控制服务器发送相应的命令,实现远程监控和操作。
无线传感器网络通常部署在人无法接近的恶劣甚至危险的监测环境中,其网络的应用环境与目前常见的无线网络(包括移动通信网、无线局域网、Adhoc网络、Mesh网络等)相比,无线传感器网络具有如下显著特点:
(1)资源高度受限
一方面,传感器节点受体积、功耗和价格的限制,其计算能力、存诸能力和通信能力都很有限;另一方面,传感器网络受应用和监测环境的限制,通常部署在无人看守或危险的环境中,一般采用电池供电,在使用过程中,不能给电池充电或 换电池。因此,网络的生存时间取决于节点的能量,一旦电池能量用完,这个节点也就失去了作用(死亡),其监测的性能也就得不到。这就决定了传感器网络应采用本地化的策略,减少不 的信息交互,其协议设计方面应简单、和节能。
(2)节点数目多、分布密度大
为了在监测区域内获取详细和 信息,往往在监测区域内随机部署成千上万的传感器节点。通过大量冗余节点的协同工作来提高系统的监测质量。一方面,节点的大量冗余增强了网络的容错能力,可以获得 、完整的监测信息;另一方面,大量的节点冗余也带来了不 的能量消耗。
(3)无中心、自组织
传感器网络中没有严格的控制中心,所有节点地位平等,是一个对等式的网络。节点可以随时加入或离开网络,即便是节点的故障造成节点失去工作能力,也不会影响整个网络的正常运转。网络的部署和拓扑结构的形成无需依赖于任何外界干预,节点通过拓扑控制算法和网络协议协调各自的行为,节点被部署到监测区域后便自动地组成一个独立的监测网络。
(4)网络动态拓扑
传感器网络具有的动态性,节点的移动、失效(可能会因为电池能量耗尽或突发故障退出网络)、增加(应用需要而向网络中添加新的传感器节点)都会使网络的拓扑结构发生变化。因此,无线传感器网络还应具有动态拓扑结构的管理和自调整功能,即当节点移动、加入和退出时能动态改变网络的拓扑结构以适应其变化。
(5)多跳通信模式
受节点发射功率的限制,节点的覆盖范围有限,通常只能与它的邻居节点通信,如果要与其覆盖范围以外的节点进行通信,则需要通过中间节点的转发。其低功耗的多跳通信模式增加了通信的隐蔽性,也避免了长距离的无线通信易受外界噪声干扰的影响。并且,由于节点能量消耗随通信距离呈级数型增加,因此增加通信跳数比增加通信距离 加节省能量。
(6)应用高度相关
传感器网络是用来感知客观物理世界,获取物理世界的信息量的一种无线网络。客观世界的物理量多种多样,不可穷尽。不同类型的传感器节点关心不同的物理量,不同的应用需求对传感器网络的要求也不同,其软硬件系统和各层网络协议都会有的差别。所以对于不同的应用背景,设计不同的传感器节点软硬件和各层网络协议是无线传感器网络区别于其他网络的显著特点。