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1、2005年2月重庆大学学报(自然科学版)Feb.2005第28卷第2期JournalofChongqingUniversity(NɑturɑlScienceEdition)Vol.28No.2文章编号:1000-582X(2005)02-0016-043无线传感器网络结构及特点分析1,2111石军锋,钟先信,陈帅,邵小良(1.重庆大学光电技术及系统教育部重点实验室,重庆400030;2.西南农业大学工程技术学院,重庆400716)摘要:无线传感器网络是一门获取和处理信息的新兴技术。为了满足应用的要求,设计人员必须对相关的网络结构、协议
2、和功耗等性能特点全面深入了解。详细阐述了无线传感网络的通信结构,传感节点的组成结构及可能的实现方案,分析了各种拓扑结构的优缺点,基于分层方法给出了一种通信协议栈;在与现有无线通信模型比较的基础上,得出了无线传感网络节点数量大、体积小、易失效、计算能力有限及对能量敏感的特点,为通信结构和具体协议的设计提供了指导。关键词:无线传感器网络;结构;特点;通信协议中图分类号:TP393文献标识码:A[3-5]20世纪90年代以来,随着嵌入式系统、无线通示。在传感器网络中,节点任意散落在被监测区信、网络及MEMS(微电子机械系统)等技术的快速发域
3、内,除了感测特定的对象,还进行简单的计算并维持展,具有感知、计算和无线网络通信能力的传感器以及互相之间的网络连接。传感器网络具有自组织的功由其构成的无线传感器网络(WirelessSensorNetwork,能,单个节点经过初始的通信和协商,形成一个传输信[1]WSN)引起了人们的极大关注。WSN由随机分布的息的多跳网络。每个传感网络装备有一个连接到传输集成有传感器、数据处理单元和通信模块的微小节点网络的网关,传输网络是由一个单跳链接或一系列的通过自组织的方式构成网络,借助于节点中内置的形无线网络节点组成的。网关通过这个传输网络把感测
4、式多样的传感器,协作地实时感知和采集周边环境中数据从传感区域发送到提供远程连接和数据处理的基众多人们感兴趣的物质现象,并对这些信息进行处理,站,基站再通过Internet联系到远程数据库。最后采获得更为详尽而准确的信息,可以在任何时间、绝大多集到的数据经过分析、挖掘后通过一个界面提供给终数地点和多种环境条件下获取大量详实而可靠的端用户。[2]信息。上述优秀特性为无线传感器网络赋予了广阔的应用前景,主要表现在军事、环境、健康、家庭和其他商业领域。例如,传感器网络可以向正在准备进行登陆作战的部队指挥官报告敌方岸滩的详实特征信息,为制定作战
5、方案提供可靠的信息;传感器网络也能用于环境监测,帮助监测人员方便地确定污染物的类型、浓度及位置。实际上,传感器网络为终端用户提供了对监图1无线传感器网络通信结构1.2节点结构测环境更智能、更好地理解。可以相信,传感器网络必[1-2]在不同应用中,传感器网络节点的结构不尽相同,将成为未来信息传输中不可缺少的一部分。但一般都由传感单元、数据处理单元、数据传输和电源[2]1无线传感器网络的结构这4部分组成,如图2所示。传感单元由各类传感器及数模转换设备组成,传感器的类型是由被监测物1.1通信结构理信号的形式决定的,如用于温度监测的铂电阻传感
6、无线传感器网络通信结构的一般形式如图1所3收稿日期:2004-11-20基金项目:国家重点基础研究发展规划项目(973-G199903105)作者简介:石军锋(1975-),男,陕西凤翔人,重庆大学硕士研究生,西南农业大学讲师,主要研究方向为无线传感器网络。第28卷第2期石军锋等:无线传感器网络结构及特点分析17器,用于压力传感的电容式传感器等。数据处理通常选用低功耗嵌入式微控制器,如Mica系列使用的AT2mega128,Telos平台使用的TIMSP430。数据传输单元主要由相应的通信协议(主要是MAC协议)及低功耗、短距离的无线
7、通信模块组成,比如Chipcon公司的CC1010、CC2420等。因为需要进行较复杂的任务调度与管理,系统还需要一个微型化的实时操作系统,UCBerkeley为此专门开发了TinyOS,当然,uC/OS-II等也是不错的选择。电源是影响节点寿命的关键因素,WSN的特点决定了节点目前只能使用AA型的碱电池或锂电池,不过已有公司探索从周围环境取得能[6-8]量并将其转换成微瓦电能的方法。图3无线传感器网络拓扑结构围进行自组。1.4通信协议栈随着应用和体系结构的不同,无线传感网络的通信协议栈也不尽相同,图4是传感节点使用的最典型[1,12
8、-13]的协议模型。该模型既参考了现有通用网络的TCP/IP和OSI模型的架构,同时又包含了传感网络特有的电源管理、移动管理及任务管理。应用层为不图2无线传感器网络节点结构同的应用提供了一个相对统一的高层接口;如果需要,
