无线传感器网络节点结构共51页
无线传感器网络
1.1 无线传感器网络的构成
无线传感器网络是由数目众多且具有特殊功能的传感器节点通过无线自组织通信方 式，互相传输信息，协同地完成特定功能的智能无线专用网络。
一个完整的无线传感器网络主要是由分布式传感器节点（群）、sink节点（汇聚节点， 主要负责传感器网络与外网的连接，可看作网关节点）、公用网络（Internet或移动通信 网）和用户界面（控制中心）共同构成的。
图8-6 无线传感器网络节点的结构
1.2 无线传感器网络的拓扑结构
无线传感器网络的拓扑结构常见的有： 点对点拓扑 点对点网络用于两个终端之间的连接。
星型拓扑 一个sink节点和若干个传感器节点 总线型拓扑 所有节点连接在同一根总线上
图8-7 传感器网络拓扑结构示例
网状型拓扑 结构主要有两种：一种是全部连接网状型结构（所有节点均与其他 节点相连），另一种是部分连接网状型结构。
传感器网络特别是无线传感器网络中，各 项技术和协议一般都以节能为前提。
目前的节能策略主要有休眠机制、数据融 合机制、冲突避免和纠错机制、多跳短距离通 信机制。
此外，传感器网络面临的挑战还包括自主 节点和网络的管理和配置算法、传感器节点的 耐久性、传感器的生物相容性、数据的隐私及 所有权等。
传感器原理与应用
1.4 无线传感器网络面临的挑战
1．安全
2．功耗
传感器网络中的安全目标是保护单个传感 器节点和防止出现在网络内外部的恶意攻击。 安全的关键在于帮助维护网络的完整性，保证 数据的保密性、完整性和时效性。
传感器网络的安全预防最基础的手段就是 加密机制
目前的密钥管理方案主要有对称密钥管理 机制、非对称密钥管理机制和混合管理机制3 种。
图8-5 传感器网络结构
无线传感器网络节点
该节点主要由几个模块组成：传感器模块、 JN5139-Z01-MO1R1模块、显示器模块、电 源模块、天线等。
主要部件
JN51xx-Z01-Mxx模块（JN5421和JN5139） 高精度温湿度传感器SHT10，用于精确测量温度和湿度 开关控制2个，用于外设中断触发 LED指示灯3个，用于程序调试和节点状态指示 RS-232串口1个，用于编程或者连接其他的串口设备 电源 跳线开关2个（flash写保护和编程） 外扩40针I/O口，方便功能扩展 2.4G天线
内建4路12位ADC、2路11位DAC、2个比较器 内建3个系统Timer和2个用户Timer 内建2个UART端口 内建1个SPI接口，带有5个片选线 内建1个2线串行接口，兼容SM-BUS和IIC规 范 内建21个通用I/O口 8mm*8mm 56-pin的QFN封装 符合ROHS规范
LCD1602(液晶显示器)
优点：
显示质量高：由于液晶显示器每一个点在收到信号后就一直保持那种 色彩和亮度，恒定发光，而不像阴极射线管显示器（CRT）那样 需要不断刷新新亮点。因此，液晶显示器画质高且不会闪烁。 数字式接口：和单片机系统的接口更加简单可靠操作更方便。 体积小、重量轻：通过显示屏上的电极控制液晶分子状态来达到显示 的目的，在重量上比普通显示器要轻得多。 功耗低：功耗主要消耗在其内部的电极和驱动IC上，因而耗电量比其 他显示器要小得多。
1602LCD采用标准的14脚（无背光）或16脚（带背 光）接口，各引脚接口说明如表
第3脚：VL为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱， 接地时对比度最高，对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以 通过一个10K的电位器调整对比度。 第4脚：RS为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时 选择指令寄存器。 第5脚：R/W为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行 写操作。当RS和R/W共同为低电平时可以写入指令或者显示地址， 当RS为低电平R/W为高电平时可以读忙信号，当RS为高电平R/W 为低电平时可以写入数据。 第6脚：E端为使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模 块执行命令 第7～14脚：D0～D7为8位双向数据线
无线传感器网络结构
➢ 传感与传感器 ➢ 数据采集与驱动 ➢ 传感器分类 ➢ 无线传感器网络 ➢ 传统的网络与无线传感器网络的比较
传感与传感器
传感是一种用来收集物理对象或过程信息的技术。 执行感知任务的设备称为传感器。传感器是将物理世界 中的参数或事件转换成可以测量和分析的信号的设备。 传感器将物理世界中的能量转换成电能，然后将电能传 递给计算系统或控制器。
处理
传感器区域1
互联网
传感器区域2
传统种应用 主要考虑网络性和延时 网络设计与部署按规划实行 在可控和温和的环境下运行 维护修理常见；网络通常易于访问 组件故障通过维护和修理解决 可获得全局网络信息并可集中管理
无线传感器网络 专用设计；针对具体应用 能源是主要限掉因素 部署、网络结构和资源使用往往是临时的 一般在恶劣环境下运行 一般直接接触传感器很困难或不可能 组件故障一般在设计中预先考虑交解决 在无中心管理下多数管理由局部决定
处理 （物理 世界）
数据采集与驱动
数据感知（采集、传感）过程
传感器
信号调节
模数转换
信号处理
执行器
信号调节
数模转换
数据驱动（执行、控制）
传感器分类
传感器可以分为温度传感器、湿度传感器、光照传感器、 红外传感器、声音传感、气体传感器、运动传感器、方 位传感器等。
无线传感器网络（WSN）
分析
存储
挖掘
无线传感网络和体系结构介绍
无线传感网络和体系结构介绍无线传感器网络是随着微机电系统（MEMS）、无线通讯以及数字电子技术的迅速发展而出现的一种新兴的信息获取和处理模式，无线传感器网络通常包括传感器节点（传感器节点可以是具有路由功能的路由器节点或者是终端节点）、汇聚节点两大部分。
大量传感器节点部署在监测区域采集数据并通过自组织方式构成网络。
传感器节点采集的数据沿着路由器节点进行传输，经过多跳传输至汇聚节点，并通过GPRS方式发送到远端上位机。
本系统具有可快速布置、无需人值守且功耗及成本低等优点。
其网络结构图如图1所示。
图1 无线传感器网络结构无线传感器网络因所在环境的特殊性，致使其与传统网络存在许多不同，主要表现在[ ]：①传感器节点因为电量的原因很容易成为死节点，所以电量供应是阻碍无线传感器网络应用的瓶颈问题；②无线传感器网络的传感器节点同样因为电量问题，导致节点数据处理、存储能力有限；③无线传感器网络的传感器节点因为其通信带宽窄且通信距离只有几十到几百米，并且传感器节点间的通信会频繁断断续续。
因此如何在如此的通信条件下有效地完成数据处理和传输，是无线传感器网络的一个重要问题；④无线传感器网络与传统网络以传输数据为目的且中间节点仅仅负责数据分组的转发不同，路由器节点具有数据转发和数据处理双重功能；⑤因为无线传感器网络工作在一个动态且不确定性的环境中，需要管理几个至几十个节点簇集，这样能够合理的优化节点资源，增强节点间的协调性，有效的提高网络性能。
综上所述，根据其技术本质，无线传感器网络具有如下特点：第一，低功耗。
传感器节点不断向小型化、微型化发展，其耗电量非常小，工作状态只有25mA左右，在休眠模式只有0.6µA，在非工作模式下，节点处于休眠模式，使得节点非常省电；第二，传感器网络节点间采用自组织通信方式。
由于无线传感器节点每一次的构建无线网络中各节点的网络编号及其所部署位置间没有固定联系，因此必须要求传感器节点具有灵活机动的组网方式；第三，网络适应性强。
无线传感器网络详解
无线传感器网络详解随着传感器技术、嵌入式技术、分布式信息处理技术和无线通信技术的发展，以大量的具有微处理能力的微型传感器节点组成的无线传感器网络(WSN)逐渐成为研究热点问题。
与传统无线通信网络Ad Hoc网络相比，WSN的自组织性、动态性、可靠性和以数据为中心等特点，使其可以应用到人员无法到达的地方，比如战场、沙漠等。
因此，可以断定未来无线传感器网络将有更为广泛的前景。
无线传感器网络无线传感器网络(Wireless Sensor Networks, WSN)是一种分布式传感网络，由大量的静止或移动的传感器以自组织和多跳的方式构成的无线网络，以协作地感知、采集、处理和传输网络覆盖地理区域内被感知对象的信息，并最终把这些信息发送给网络的所有者。
传感器、感知对象和观察者构成了无线传感器网络的三个要素。
无线传感器网络所具有的众多类型的传感器，可探测包括地震、电磁、温度、湿度、噪声、光强度、压力、土壤成分、移动物体的大小、速度和方向等周边环境中多种多样的现象。
潜在的应用领域可以归纳为: 军事、航空、防爆、救灾、环境、医疗、保健、家居、工业、商业等领域。
与传统有线网络相比，无线传感器网络技术具有很明显的优势特点，主要的要求有：低能耗、低成本、通用性、网络拓扑、安全、实时性、以数据为中心等。
无线传感器网络系统的典型结构采用同构网络实现远程监测的无线传感器网络系统典型结构，由传感器节点、汇聚节点、服务器端的PC和客户端的PC四大硬件环节组成，各组成环节功能如下。
图1 远程监测无线传感器网络系统结构框图传感器节点部署在监测区域（A区），通过自组织方式构成无线网络。
传感器节点监测的数据沿着其它节点逐跳进行无线传输，经过多跳后达到汇聚节点（B区）。
汇聚节点是一个网络协调器，负责无线网络的组建，再将传感器节点无线传输进来的信息与数据通过SCI（串行通信接口）传送至服务器端PC。
服务器端PC是一个位于B区的管理节点，也是独立的Internet网关节点。
无线传感器网络
无线传感器网络无线传感器网络（Wireless Sensor Networks，简称WSN）是由大量分布在空间中的无线传感器节点组成的网络。
每个节点都配备有传感器和通信设备，能够感知环境中的各种物理信息，并将数据通过通信模块传送给其他节点。
WSN可以广泛应用于农业、环境监测、智能交通、医疗保健、安全监控等领域。
它们能够实时监测环境参数、收集数据、进行信息处理和传输，为人们提供及时准确的信息以及决策支持。
一、无线传感器网络的基本组成无线传感器网络由三大组成部分组成：传感器节点、基站和通信链路。
1. 传感器节点传感器节点是WSN的基本构建单元，由处理器、传感器、存储器和无线通信模块组成。
它们能够感知周围环境的变化，并将采集到的数据进行处理和传输。
2. 基站基站是无线传感器网络的控制中心，用于收集节点传输的数据和协调网络的运行。
基站通常具有更高的处理能力和通信能力，可以与传感器节点进行双向通信，并向用户提供服务接口。
3. 通信链路通信链路是传感器节点与基站之间的无线通信通道，用于传送数据和控制信息。
通信链路通常采用低功耗、低数据传输速率的无线技术，以延长网络寿命并降低能耗。
二、无线传感器网络的关键技术与挑战1. 能源管理如何合理管理无线传感器节点的能源，是WSN中的一个重要问题。
节点的能耗直接关系到网络的寿命和性能。
研究者们正在努力开发低能耗芯片、优化通信协议和能量收集技术，以延长传感器节点的寿命。
2. 数据传输与处理WSN需要高效的数据传输和处理算法，以应对大量的数据流。
数据压缩、数据聚合和数据处理技术能够减少传输量，并提高网络的能效。
3. 路由与拓扑控制WSN中的节点分布较为密集，传输链路的选择和拓扑控制是保证网络性能和可靠性的关键。
研究者们正在研究多跳路由协议、拓扑控制算法和信号处理技术，以优化网络性能。
4. 安全与隐私保护WSN中的节点通常部署在无人地区，容易受到攻击和破坏。
同时，由于节点传输的数据往往包含用户的隐私信息，如何保证网络的安全性和隐私保护也是一个重要问题。
传感器拓扑结构以及节点结构
无线传感器网络拓扑结构从无线传感器组网形态和方法来看，有集中式、分布式和混合式。
集中式类似于移动通信的蜂窝结构，可以集中管理；分布式结构类似于Ad-hoc网络结构，可自组织网络接入连接，可以分步管理；混合式结构是集中式和分布式结构的组合。
其中无线传感器按节点功能及结构层次来看，有可分为平面网络结构、分级网络结构、混合网络结构以及Mesh网络结构。
1、平面网络：结构如下图1.1所示，是无线传感器网络中最简单的拓扑结构，每个节点都为对等结构，具有完全一致的功能特性，也就是每个节点包含相同的MAC、路由、管理和安全等协议。
但是由于采用自组织协同算法形成网络，其组网算法比较复杂：图1.1 无线传感器网络平面网络结构2、分级网络结构（层次网络结构）：如下图1.2所示，分级网络分为上层和下层两个部分—上层为中心骨干节点；下层为一般传感器节点。
骨干节点之间或者一般传感器节点间采用的是平面网络结构，然而骨干节点和一般节点之间采用的是分级网络结构。
一般传感器节点没有路由、管理及汇聚处理等功能。
图1.2 无线传感器网络分级网络结构3、混合网络结构：如下图1.3所示，混合网络结构时无线传感器网络中平面网络结构和分级网络结构的一种混合拓扑结构。
这种结构和分级网络结构不同的是一般传感器节点之间可以直接通信，可不需要通过汇聚骨干节点来转发数据，但是对所需硬件成本更高。
图1.3 无线传感器网络的混合网络结构4、Mesh网络结构：如下图1.4所示，这是新型的网络拓扑结构，这是种规则分步的网络，不同于完全连接的网络结构。
通常只允许和节点最近的邻居通信。
网络内部的节点一般也是相同的，因此Mesh网络也称为对等网。
由于通常Mesh 网络结构节点之间存在多条路由路径，网络对于单点或单个链路故障具有较强的容错能力和鲁棒性。
其中优点就是尽管所有节点都是对等的地位，且具有相同的计算和通信传输功能，某个节点可被指定为簇首节点，而且可执行额外的功能，一旦簇首节点失效，另外一个节点可以立刻补充并接管原簇首那些额外执行的功能。
无线传感器网络简介
混合网络结构
平面网络结构
01
分级网络结构
02
03
Mesh网络结构
04
2、1无线传感网络拓扑结构
2、2无线传感器网络覆盖问题
覆盖问题是无线传感器网络配置首先面临的基本问题，因为传感器节点可能任意分布在配置区域，它反映了一个无线传感网络某区域被鉴测和跟踪的状况
三、无线传感器网络关键技术
动态电压调度(dynamic voltage scheduling,简称DVS)
4无线传感器网络QOS保证技术
5无线传感器网络数据融合技术
6无线传感器网络安全机制
7无线传感器网络定位技术
8无线传感器网络同步管理机制
四、无线传感器网络硬件平台
传感器节点
01.
汇聚节点
01.
管理平台
01.
4、1硬件结构
泛洪协议
SPIN协议
主要完成两大功能：一是选择适合的优化路径，一是沿着选定的路径正确转发数据
3.2无线传感器网络路由协议
动态功率管理(dynamic power management,简称DPM)
01
动态电压调度(dynamic voltage scheduling,简称DVS)
02
3.3无线传感器能量管理机制
传感器节点
无线传感器网络微型节点由数据采集单元、数据处理单元、数据传输单元和电源管理单元4部分组成
汇聚节点
当节点作为汇聚节点时，其主要功能就足连接传感器网络与外部网络(如Internet)，将传感器节点采集到的数据通过互联网或卫星发送给用户。
管理平台
管理平台对整个网络进行检测、管理，它通常为运行有网络管理软件的PC机或者手持终端设备