传感器网络通信与组网技术
无线传感器网络的组网技术详解
无线传感器网络的组网技术详解无线传感器网络（Wireless Sensor Network，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系统。
这些节点能够感知环境中的各种物理量，并将采集到的数据通过网络传输到目标位置。
无线传感器网络在农业、环境监测、智能交通等领域具有广泛的应用前景。
而组网技术是无线传感器网络中至关重要的一环，它决定着网络的可靠性、稳定性和性能。
一、无线传感器网络的组网模式无线传感器网络的组网模式有两种：平面型组网和立体型组网。
1. 平面型组网平面型组网是指节点在平面上均匀分布的组网模式。
节点之间的通信距离较近，通信路径较短，能够有效降低传输延迟和能量消耗。
平面型组网适用于需要对平面区域进行全面监测的场景，如土壤湿度监测、温度监测等。
2. 立体型组网立体型组网是指节点在三维空间中分布的组网模式。
节点之间的通信距离相对较远，通信路径较长，需要更强的通信能力和能量支持。
立体型组网适用于需要对三维空间进行全面监测的场景，如建筑结构监测、地震预警等。
二、无线传感器网络的组网拓扑结构无线传感器网络的组网拓扑结构有多种，常见的有星型结构、树型结构和网状结构。
1. 星型结构星型结构是指所有节点都直接连接到一个中心节点的组网模式。
中心节点负责数据的汇聚和转发，具有较高的通信能力。
星型结构简单、稳定，适用于小规模的传感器网络。
2. 树型结构树型结构是指节点之间通过父子关系构成的层级结构。
树型结构中每个节点只与其父节点和子节点直接通信，数据通过树形结构传输。
树型结构适用于大规模的传感器网络，能够有效减少通信开销。
3. 网状结构网状结构是指节点之间通过多跳通信形成的网状网络。
每个节点都可以与其他节点直接通信，数据通过多跳传输。
网状结构具有较高的灵活性和容错性，适用于复杂环境下的传感器网络。
三、无线传感器网络的组网协议无线传感器网络的组网协议有多种，常见的有LEACH协议、TEEN协议和PEGASIS协议。
无线传感器网络中的节点组网与协同技术研究
无线传感器网络中的节点组网与协同技术研究无线传感器网络是一种由大量微型节点组成的自组织网络，节点之间能够通过无线通信方式进行信息传输和处理。
随着技术不断进步，无线传感器网络的应用范围越来越广泛，如智能家居、环境监测和物联网等。
而在无线传感器网络中，节点组网和协同技术的研究是至关重要的。
节点组网是指建立无线传感器网络的过程，它决定了整个网络的拓扑结构和通信方式。
目前常用的节点组网方法有集中式组网和分散式组网两种。
集中式组网是指通过一个集中的节点来控制整个网络的连接和通信，这种方法在节点数量较少的情况下适用，但是对于大规模的无线传感器网络而言，这种方法的效率和可靠性都会受到很大的限制。
因此分散式组网成为了更加重要的一种节点组网方式。
分散式组网是指在整个无线传感器网络中，每个节点都可以根据一定的规则和算法自主地选择与其相邻的节点进行通信和建立连接。
这种方式不仅可以提高组网效率和可靠性，还可以在节点失效或意外中断的情况下，通过重新组合节点连接，保证网络的连通性和稳定性。
目前在分散式组网中，蚁群算法、遗传算法和模拟退火算法等被广泛应用于节点选择和连接优化的过程中。
除了节点组网，协同技术也是保证无线传感器网络正常运行和提高系统性能的关键。
协同技术是指在无线传感器网络中，多个节点相互合作，完成特定任务或实现特定功能的过程。
协同技术的实现需要考虑节点之间的通信、数据交换和任务分工等问题。
其中，协同通信是协同技术中最为核心的部分。
在协同通信中，节点之间的通信是基础，通信方式的不同会极大地影响协同效率和可靠性。
目前常用的通信方式有广播式通信、单播式通信和多波束通信等。
广播式通信是指将信息同时发送给周围的所有节点，这种方式可以保证信息到达率，但会增加信道干扰和能量消耗。
单播式通信是指将信息只发送给其中一个节点，这种方式可以减少信道干扰和能量消耗，但可能会带来通信链路稳定性和信息传输可靠性等方面的问题。
多波束通信是指采用多个天线向不同方向发射信息，在节点选择和数据交换等方面具有突出的性能优势。
无线传感器网络的组网技术与应用
无线传感器网络的组网技术与应用随着信息技术的不断发展，人们对于传感器网络的需求也逐渐增加。
无线传感器网络作为一种新型网络形式，得到了广泛的关注和研究。
无线传感器网络是由大量的无线传感器节点构成的系统，这些节点集合形成了一个自动化的网络，在网络中传递着各种信息，并通过各自的处理和通信能力完成各项任务。
本文将着重介绍无线传感器网络的组网技术与应用。
一、无线传感器网络的组网技术无线传感器节点是构成整个网络的基本单元。
无线传感器网络的组网技术主要是指如何将这些节点有效地组织起来，使得网络能够正常运转。
目前，无线传感器网络的组网技术主要包括三个方面：1、拓扑控制技术在无线传感器网络中，节点之间的关系是非常重要的。
在组织无线传感器节点的同时，还需要保证网络是高效的、可靠的、灵活的，并能够满足不同的应用场景需求。
此时，拓扑控制技术可以解决这些问题。
拓扑控制技术主要是指通过控制节点的连接方式，来构建一个适合应用场景的网络结构。
2、路由选择技术无线传感器网络的节点数量通常非常庞大，节点之间的连接也通常比较复杂。
在这样一个庞大且复杂的网络中，路由选择技术能够帮助节点确定下一跳节点的信息，从而实现信息的传递。
而路由选择技术的好坏，也很大程度上决定了无线传感器网络的性能。
3、定位技术由于无线传感器网络的节点数量庞大，因此在实际应用中需要对节点进行定位，以实现对网络的管理和监控。
定位技术能够帮助我们准确地识别每个节点的位置，从而使得节点之间的通信更加精准。
二、无线传感器网络的应用无线传感器网络具有非常广泛的应用领域，其中包括：1、环境监测环境监测是无线传感器网络最为广泛的应用之一。
通过无线传感器节点收集并传输环境数据，能够帮助我们实时地监控环境的变化情况。
这对于环保、气象预报、灾害预警等领域具有重要的意义。
2、智能家居智能家居是一种包含各种物联网设备的生活方式。
无线传感器网络可以将不同的智能设备连接起来，实现家居的智能化管理。
无线传感器网络-传感器网络的通信与组网技术
调制对通信系统的有效性和可靠性有很大的影响，采用什 么方法调制和解调往往在很大程度上决定着通信系统的质量。 根据调制中采用的基带信号的类型，可以将调制分为模拟调制 和数字调制。 模拟调制是用模拟基带信号对高频载波的某一参量进行控 制，使高频载波随着模拟基带信号的变化而变化。 数字调制是用数字基带信号对高频载波的某一参量进行控
调幅(AM)：载波的振幅随基带数字信号而变化。
调频(FM)：载波的频率随基带数字信号而变化。 调相(PM) ：载波的初始相位随基带数字信号而
变化。
对基带数字信号的几种调制方法
根据原始信号所控制参量的不同，调制分为幅度调制 （Amplitude Modulation, AM）、频率调制（Frequency Modulation, FM）和相位调制（Phase Modulation, PM）。
典型调制
抑制载波双边带调幅DSB波形
2FSK是利用两个不同频率的载波来分别表示0和1
2进制频率键控2FSK信号的波形
2进制幅度键控是用幅度的不同来区分0和1
2进制幅度键控2ASK信号波形
20世纪80年代以来，人们十分重视调制技术 在无线通信系统中的应用，以寻求频谱利用率更 高、频谱特性更好的数字调制方式。由于振幅键 控信号的抗噪声性能不够理想，因而目前在无线 通信中广泛应用的调制方法是频率键控和相位键 控。
可用式 λ ＝Ｖ/ｆ 表示。在公式中，Ｖ为速度，
单位为米/秒；ｆ为频率，单位为赫兹；λ 为波长，单 位为米。由上述关系式不难看出，同一频率的无线电波 在不同的媒质中传播时，速度是不同的，因此波长也不 一样。
波长
无线电波的极化
无线电波在空间传播时，其电场方 向是按一定的规律而变化的，这种现象 称为无线电波的极化。
无线传感器网络的自组网技术研究
无线传感器网络的自组网技术研究随着科技的发展，无线传感器网络已经开始成为现实生活中广泛应用的技术之一。
其中自组网技术则是无线传感器网络中的一个非常重要的部分。
自组网技术可以让无线传感器网络具有更高的灵活性和可靠性，从而能够更好地满足现实生活中的各种应用需求。
在本文中，我们将对无线传感器网络的自组网技术进行深入研究。
一、无线传感器网络的概念和应用无线传感器网络是由大量的传感器节点组成的网络，这些节点通过无线信号进行通信。
这些传感器节点可以感知和采集物理环境中的各种信息，例如温度、湿度、压力等，然后将这些信息传递到网络中枢节点进行处理和分析。
无线传感器网络可以应用于许多领域，例如农业、医疗、环境监测、智能交通等。
无线传感器网络具有成本低、易于部署、实时性好等优点，因此在实际应用中得到了广泛的应用。
二、传感器节点的组成传感器节点是无线传感器网络的最基本组成单位，由以下几部分组成：1.传感器：负责感知和采集物理环境中的信息；2.处理器：对采集的信息进行处理和分析；3.通信模块：负责与网络中的其他节点进行通信；4.电源模块：为传感器节点提供电力。
三、无线传感器网络的特点无线传感器网络与传统的计算机网络不同，具有以下特点：1.节点资源受限：传感器节点由于资源有限，因此在设计网络时需要考虑如何节约资源；2.自组织能力：传感器节点需要具备自组织能力，根据网络中的拓扑结构进行自我组织和优化；3.低功耗：传感器节点需要具备低功耗的特点，以保证长期运行时间；4.应用特定：无线传感器网络需要根据特定的应用场景进行设计与构建，以满足应用的需求。
四、自组网技术的概念和意义无线传感器网络中的自组网技术是指根据网络拓扑结构进行自我组织和优化的一种技术。
自组网技术可以让无线传感器网络具有更高的灵活性和可靠性，从而能够更好地满足现实生活中的各种应用需求。
自组网技术具有以下几个方面的意义：1.降低网络管理成本：无线传感器网络采用自组网技术后，节点可以自行调整网络拓扑结构，从而使网络管理成本大大降低；2.提高网络的稳定性和可靠性：自组网技术可以使无线传感器网络更加稳定和可靠，从而避免单点故障和数据丢失的情况出现；3.提高网络的灵活性和适应性：无线传感器网络的自组网技术可以根据不同的应用场景和需求进行自我组织和优化，从而使网络更具灵活性和适应性。
传感器技术课程描述
传感器技术课程描述
传感器技术课程是一门介绍传感器原理、设计和应用的课程。
这
门课程旨在培养学生对传感器技术的理解和应用能力，包括传感器的
工作原理、分类、特性、选择和应用。
课程内容通常包括以下几个方面：
1. 传感器基础知识：介绍传感器的概念、作用和分类。
讲解传
感器的工作原理，包括压力传感器、温度传感器、光学传感器、加速
度传感器等。
2. 传感器设计与制造：讲解传感器的设计和制造过程，包括传
感器元件的选择、组装和封装等。
讲解传感器的性能参数，如灵敏度、分辨率、线性度等。
3. 传感器信号处理与电路设计：介绍传感器信号处理的方法和
技术，包括滤波、放大、放大和AD转换等。
讲解传感器电路设计的基
本原理和方法。
4. 传感器网络与通信：介绍传感器网络的建立和通信技术，包
括无线传感器网络、物联网等。
讲解传感器网络的组网原理、协议和
安全性。
5. 传感器应用案例：介绍传感器在各个领域的应用案例，如环
境监测、智能家居、工业自动化等。
讲解传感器在实际应用中的具体
需求和挑战。
通过学习这门课程，学生将能够掌握传感器技术的基本原理、设
计和应用方法。
学生将能够理解和解决传感器技术在实际应用中的问题，为各个领域的传感器应用提供支持和解决方案。
第4章WSN通信与组网技术-无线传感器网络技术原理及应用(第2版)-许毅-清华大学出版社
＊3 分布式协调功能(DCF)
DCF是IEEE802.11MAC层基本访问控制机制,提供异步数据服务,其基本访 问模式如图4-11 所示。DCF 是基于 CSMA/CA 的,它包括两种介质访问机 制:基本访问机制(BasicAccessMechanism,BAM)和 RTS/CTS机制,同时 由于采用了退避规程,DCF实现了信道的良好利用率和数据可靠的传输。
,802.11协议簇规定了两种不同的 MAC 层访问机制,一种是分布式协调功能 (DistributedCoordinationFunction,DCF),用来传输异步数据,同时也是支持 PCF机制的基础。DCF 机制可以应用于所有的站点,无论其拓扑结构是基本网络配置还是IBSS;另一种访问机制称为点协调功 能(PointCoordinationFunction,PCF),是可选的,它只可用于基本网络配置 的 拓 扑 结 构。PCF 的 工 作 原 理 主 要 为 轮 询 机 制,即 由 一 个 点 协 调 器 (PointCoordinator,PC)来制令牌的循环,两 种工作模式于要发送帧的STA而言，当该STA通过物理或虚拟载波机 制发现媒质忙时，或STA被指出发送没有成功时，STA将调用退 避算法。退避算法过程如图4-14所示 。
图4-14退避算法过程
＊ 4 集中式协调功能(PCF)
PCF通过集中协调器(PC)控制下的轮询和应答机制提供无竞争的帧传输。 （1）PCF基本访问; （2）无竞争期间的网络分配矢量操作; （3）PCF站点的帧发送过程。 图4-15为 PCF工作模式下 PC 和 STA 间帧传输的例子。 （4）无竞争轮询列表
图4-9 扩展服务集网络
2 IEEE 802.1l 协议MAC层的工作模式
载波监听多点接入 CSMA(CarrierSenseMultipleAccess)是从 ALOHA 演变出的一种改进协议, 又称为载波侦听多点访问协议。当信道中有帧存在时,称信道是忙碌的,否则称为空闲的。每站发送前先 检测信道状态,是否发送数据根据信道状态来决定。例如,当信道忙碌时,不急于发送而是先退避一段时间 再发送,这样可以减少发送的盲目性,CSMA 协议就是根据上述思想实现的。
无线传感器网络的组网与数据传输
无线传感器网络的组网与数据传输无线传感器网络（Wireless Sensor Network, WSN）由大量的分布式传感器节点组成，这些节点可以感知环境中的各种信号，并将采集到的数据通过网络传输给基站或其他节点进行处理和分析。
组网和数据传输是构建一个高效可靠的无线传感器网络的重要环节。
本文将详细介绍无线传感器网络的组网和数据传输的步骤和方法。
一、无线传感器网络的组网1. 节点选择和部署- 根据应用需求确定节点的数量和类型，选择合适的传感器节点。
- 合理部署节点，考虑到传感器的覆盖范围和通信距离。
2. 网络拓扑结构选择- 针对不同的应用场景和需求，选择适合的网络拓扑结构，如星型、网状或混合型等。
- 考虑节点间的通信距离、能量消耗和网络的可靠性等因素。
3. 路由选择- 根据网络拓扑结构选择合适的路由协议，如LEACH、DSR等。
- 路由协议应考虑节点的能量消耗、网络的容量和稳定性等因素。
4. 信道分配和冲突避免- 防止节点之间发生冲突，采取合适的信道分配和冲突避免机制，如时分多址（TDMA）和载波侦听多址（CSMA）等。
5. 安全机制- 在组网过程中，加强网络的安全性，采用合适的加密算法、身份验证和访问控制等措施，防止数据泄露和攻击。
二、无线传感器网络的数据传输1. 传感器数据采集- 传感器节点感知环境中的各种信号，采集数据，并进行处理和压缩，以减少数据的传输量和能量消耗。
2. 数据压缩和编码- 对传感器数据进行压缩和编码，减少数据传输的带宽需求和能量消耗。
3. 数据传输协议选择- 根据应用需求选择合适的数据传输协议，如TCP/IP、UDP等。
- 考虑数据传输的实时性、可靠性和带宽需求等因素。
4. 数据传输机制- 采用合适的数据传输机制，如单播、广播或组播等，以满足不同节点和应用的需求。
5. 数据处理和存储- 接收数据的节点进行数据处理和分析，根据应用需求存储、转发或丢弃数据。
6. 消息队列和缓存- 使用消息队列和缓存等机制，解决数据传输过程中的延迟和阻塞问题，提高数据传输的效率。
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7. 微型传感器应用示例
磁阻传感器： 磁性传感器通常又称为磁力计，当它探测出磁场 发生变化时，会产生一个阻抗变化值，同时会改变 电压输出值。 磁阻传感器的用途较多，最典型的应用是用于车 辆探测。如车轮速度、车辆出现和运动方向等。
磁阻传感器用于车辆探测
运动车辆的每个部分都会产 生一个可重复的对地球磁场的扰 动，不管车辆向哪个方向行驶， 这个特征都会被可靠地检测到。
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3. 传感器接口
传感器接口技术是非常实用和重要的技术。各种物理量 用传感器将其变成电信号，经由诸如放大、滤波、干扰抑 制、多路转换等信号检测和预处理电路，将模拟量的电压 或电流送A/D转换，变成数字量，供计算机或者微处理器 处理。
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4. 传感器的主要性能参数
了解传感器性能参数是在选用传感器时保证正 确、不失真测量的首要环节。
压电式、磁电式和热电式传感器等。
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常见传感器类型
光敏传感器
用于检测光线强弱。随着光强度的变化，光敏探头 内的电阻值会发生变化。
气、湿敏传感器
气敏传感器可将探测到的气体成分和浓度转换为电 信号。常用于可燃气体的探测和报警。
智能传感器
将敏感元件、测量电路、处理器、存储器等集成在 一快芯片上的传感器。
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传感器的定义和作用
传感器是生物体感官的工程模拟物；反过来，生物体的感官又可 以看作是天然的传感器。随着数字化和信息技术与机械装置的融合， 传感器和执行器已经开始实现数据共享、功能控制和参数控制一体 化，并通过现场总线与外部连接。随着基础自动化控制功能的重新 分配，许多计算机控制功能下放到传感器和执行器中完成，如参数 检测、控制、诊断和维护管理等。
差。
线性度：
满量程 输出
e L max 100%
L
y
FS
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（4）精度
表示测量结果和“真值”的靠近程度。 精度表示：
传感器在规定条件下，允许的最大绝对误差相对传 感器满量程输出的百分数
精度 A y 100% FS
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（5）分辨率（力）
分辨力是指能检测出的输入量的最小变化量，即传感器能检测到的 最小输入增量。在输入零点附近的分辨力称为阈值，即产生可测输出 变化量时的最小输入量值。下图中的x0表示可以开始检测的的最小输 出值。
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（2）响应特性
传感器的动态性能是对于随时间变化的输入量的 响应性能，即：
传感器的输出值能真实再现变化着的输入量的能力反 映。
响应特性越好，表示输出信号和输入信号随时间 的变化曲线越接近。
一般地，利用物理特性的传感器（光电效应，压 电效应）的响应特性比结构型传感器（电感、电 容传感器等）要好。
主要性能指标
灵敏度 频率响应特性 线性范围 精度 分辩力（率） 稳定性
…
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（1）灵敏度
指传感器达到稳定工作状态时，输出变化量与 引起变化的输入变化量之比。
K=输出变化量/输入变化量
传感器的灵敏度越高，意味着传感器感应微弱 信号的能力越强。
但一般来讲，灵敏度越高，测量范围越窄，稳 定性越差。
度要求即可。
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6. 常见传感器类型
能量控制型传感器
将被测非电量转换成电参量，工作过程中无换能作 用，需外供辅助能源，又称作无源传感器。如：
电阻式、电容式、电感式均属这一类型。
能量转换型传感器
在感受外界机械量变化后，输出电压、电流或电荷 量。可直接输出或放大后输出信号，本身相当于一 个电压源或电流源，又叫做有源传感器。如：
3
主要内容
一 微型传感器基本知识 二 物理层概述 三 MAC协议 四 路由协议
4
一、微型传感器
1. 传感器的定义和作用
传感器网络的终端探头通常代表了用户的功能 需求，是实现信息测量、网络互通和融合的关 键。提高终端传感器的探测功能，是WSN实 用化的重要手段。
传感器的一般定义：
能够把特定的被测量信息（物理量、化学量、生物 量等）按一定规律转换成某种可用信号（电信号、 光信号等）的器件或装置，我们把它称为传感器。
数字式传感器一般用分辨率表示，分辨率=分辨力/满量程输入值。
5. 传感器的选型原则
选择传感器通常需要考虑的因素包括：
测量对象和环境
量程，传感器体积，价格，。。
灵敏度
频率响应特性
传感器的频率响应越高，则可测的信号频率范围就越宽
线性范围
线性范围越宽，则它的量程就越大。
稳定性
精度
精度越高，价格越昂贵。因此，只要满足整个测量系统的精
通常传感器结点的通信覆盖范围只有几十米到几百 米，人们要考虑如何在有限的通信能力条件下，完成 探测数据的传输。无线通信是传感器网络的关键技术 之一。
2
通信与组网
物理层 通信技术 MAC层
组网技术
网络层 传输层
解决如何实现点到点或 点到多点的数据传输
解决如何建立可靠且有 严格功耗预算的网络通 信体系
传感器的作用类似于人的感觉器官，是实现测试与控制的首要环 节。
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2. 传感器的组成
传感器一般由敏感元件、转换元件和基本转换电路组成。
被测量 敏感元件
转换元件
基本转换电路
感受或响 应被测量
辅助电源
将被测量转换成适 于传输或测量的信 号（一般指电信号）
对获得的微弱 电信号进行放 大、运算调制
随着半导体器件与集成技术在传感器中的应用，传感器的基本转换 电路可安装在传感器壳体里或与敏感元件一起集成在同一芯片上，构 成集成传感器。如ADI公司的AD22100模拟集成温度传感器。
第二部分 传感器网络的通信与组网技术
做到目视千里、耳听八方是人类长久的梦想，现代 卫星技术的出现虽然使人们离这一目标前进了很多，但 卫星高高在上，洞察全局在行，明察细微就勉为其难了。 将பைடு நூலகம்量的传感器结点遍撒指定区域，数据通过无线电波 传回监控中心，监控区域内的所有信息就会尽收观察者 的眼中了。这就是人们对无线传感器网络技术应用的美 好展望，它的实现依赖于优秀的数据传输方法，需要新 型的网络通信技术。
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（3）线性范围
任何传感器都有一定的线性范围，在线性范围内它的输 出与输入成比例关系。线性范围越宽，则表明传感器的 工作量程越大。
传感器工作在线性范围内，是保证测量精确度的基本条 件。例如：
机械式传感器中的弹性元件，它的材料弹性极限是决定测力量
程的基本因素。当超过弹性极限时，传感器就将产生非线性误