传感器拓扑结构以及节点结构
无线传感器网络技术内容
第一章物联网：通过射频识别、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物品与互联网连接起来，进行信息交换和通讯，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。
无线传感器网络综合了计算技术、通信技术及传感器技术，其任务是利用传感器节点来监测节点周围的环境，收集相关数据，然后通过无线收发装置采用多跳路由的方式将数据发送给汇聚节点，再通过汇聚节点将数据传送到用户端，从而达到对目标区域的监测。
无线传感器网络通常包括传感器节点、汇聚节点和任务管理节点。
典型的无线传感器网络结构包括哪几部分？一般情况下由以下四个基本单元组成：数据采集单元、控制单元、无线通信单元以及能量供应单元。
无线传感器网络基本节点拓扑结构可分为基于簇的分层结构和基于平面的拓扑结构两种选择题：无线传感器网络可实现数据的采集量化，处理融合和传输应用，具有无线自组织网络的移动性、电源能力局限性，规模大、自组织性、动态性、可靠性、以数据为中心等等。
第2章无线传感器网络物理层的传输介质主要包括电磁波和声波。
无线电波、红外线、光波等负责使在两个网络主机之间透明传输二进制比特流数据成为可能，为在物理介质上传输比特流建立规则，以及在传输介质上收发数据时定义需要何种传送技术。
无线传感器网络物理层接口标准对物理接口具有的机械特性、电气特性、功能特性、规程特性进行了描述。
作为一种无线网络，无线传感器网络物理层协议涉及传输介质以及频段的选择、调制、扩频技术方式等，同时实现低能耗也是无线传感器网络物理层的一个主要研究目标。
IEEE 802.15.4 该标准把低能量消耗、低速率传输、低成本作为关键目标，旨在个人或者家庭范围内不同设备之间建立统一的低速互连标准。
有16个信道工作于2.4GHz ISM频段，2.4GHz频段提供的数据传输速率为250kb/s，对于高数据吞吐量、低延时或低作业周期的场合更加适用有1个信道工作于868MHz频段以及10个信道工作于915MHz频段。
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。
无线传感器网络技术概论课件：无线传感器网络体系结构
无线传感器网络体系结构
2．通信能力的约束 传感器节点的通信能力关系到传感器网络监测区域内节
点部署数量，而制约其通信能力主要有两个参数，即能量损 耗和通信距离，二者之间的关系为
E = kdn
(2-1)
式中，E为传感器节点的通信能量损耗；k为一个常数，
与传感器节点的系统构成有关；d为传感器节点的通信距离；
分别接入TD-SCDMA、GSM核心网、Internet主干网及无线 局域网络等多种类型异构网络，再通过各网络下的基站或主 控设备将传感器信息分发至各终端，以实现针对无线传感器 网络的多网远程监控与调度。同时，处于TD-SCDMA、 GSM、Internet等多类型网络终端的各种应用与业务实体也 将通过各自网络连接相应的无线传感器网络网关，并由此对 相应无线传感器网络节点开展数据查询、任务派发、业务扩 展等多种功能，最终实现无线传感器网络与以移动通信网络、 Internet网络为主的各类型网络的无缝的、泛在的交互。
(2) 汇聚节点：用于连接传感器节点与Internet 等外部网 络的网关，可实现两种协议间的转换；同时能向传感器节点 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。与传感器节点相比，汇聚节点的处理能力、 存储能力和通信能力相对较强。
(3) 管理节点：用于动态地管理整个无线传感器网络， 直接面向用户。所有者通过管理节点访问无线传感器网络的 资源，配置和管理网络，发布监测任务以及收集监测数据。
锁相回路(PLL)、解调器和功率放大器组成，所有的这些组
件都会消耗能量。对于一对收发机来说，数据通信带来的功
耗PC的组成部分可简单地用模型描述为
PC = PO + PTX + PRX
(2-2)
无线传感器网络中的网络拓扑结构
无线传感器网络中的网络拓扑结构无线传感器网络是由大量的无线传感器节点组成的，这些节点可以相互通信并协同工作，以收集、处理和传输环境中的信息。
在无线传感器网络中，网络拓扑结构的设计和选择对于网络的性能和可靠性起着至关重要的作用。
一、星型拓扑结构星型拓扑结构是最简单和最常见的网络拓扑结构之一。
在星型拓扑结构中，所有的传感器节点都直接连接到一个中心节点。
中心节点负责收集和处理来自其他节点的数据，并将结果传输到其他节点。
星型拓扑结构具有简单、易于实现和维护的优点，但也存在单点故障的风险，如果中心节点发生故障，整个网络将无法正常运行。
二、树型拓扑结构树型拓扑结构是一种层次结构，其中一个节点作为根节点，其他节点按照层次结构连接到根节点。
树型拓扑结构具有良好的可扩展性和灵活性，可以根据实际需求进行扩展和调整。
此外，树型拓扑结构还具有较好的容错性，即使某些节点发生故障，网络的其他部分仍然可以正常工作。
然而，树型拓扑结构也存在一些缺点，如较长的传输延迟和较高的能耗。
三、网状拓扑结构网状拓扑结构是一种多对多的连接方式，其中每个节点都与其他节点直接相连。
网状拓扑结构具有高度的灵活性和可靠性，即使某些节点发生故障，网络仍然可以通过其他路径进行通信。
此外，网状拓扑结构还具有较低的传输延迟和较好的能耗控制。
然而，网状拓扑结构也存在一些问题，如较高的成本和复杂性。
由于每个节点都需要与其他节点直接通信，所以节点之间的通信距离较短，这限制了网络的覆盖范围。
四、混合拓扑结构混合拓扑结构是将多种拓扑结构组合在一起形成的。
通过灵活地组合不同的拓扑结构，可以充分发挥每种拓扑结构的优点，并弥补其缺点。
例如，可以将星型结构用于数据收集和处理，而将树型或网状结构用于数据传输。
混合拓扑结构可以根据实际需求进行灵活调整，以实现更好的性能和可靠性。
总结：无线传感器网络中的网络拓扑结构选择应根据具体应用需求和网络性能要求来确定。
不同的拓扑结构具有不同的特点和适用场景，需要综合考虑各种因素进行选择。
网络拓扑知识：无线传感器网络拓扑结构的应用
网络拓扑知识：无线传感器网络拓扑结构的应用无线传感器网络拓扑结构的应用无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）是由大量分散在一定范围内的无线传感器节点组成的网络，这些节点使用无线通信技术进行数据交互和处理。
WSN具有自组织能力，即节点之间能够自主协作组成网络，形成分布式感知系统。
为此，WSN的拓扑结构非常重要，因为拓扑结构的合理选择可以提高网络的性能和可靠性，并支持不同的应用场景。
WSN的拓扑结构有多种形式，如星型、树型、网状、环型等。
其中，星型和树型结构是最简单的两种结构，星型结构适合场景中存在一个中心节点协调其他节点数据传输的场景，而树型结构适合有层级关系的数据汇聚需求，如城市环境监测、管道监控等。
WSN的网状拓扑结构是一种非常常用的结构，其节点之间构成了复杂的互连关系，数据可以通过多条路径传输，具有很好的冗余性，因此在对网络的传输质量和可靠性要求较高的场景中得到广泛应用。
网状结构适合由密集节点组成的WSN，且节点之间具有高度互联的情况，例如工业生产过程监测、油田监测等。
一种比较新兴的WSN拓扑结构是虫洞拓扑结构，这种结构主要基于多边形划分技术，可以将观测区域分成多个相邻不重叠的多边形区域，每个区域内各部署一个无线传感器节点，节点之间通过虫洞隧道（Wormhole Tunnel）连接，形成一个高效、可靠、节能的拓扑结构。
虫洞结构适用于大规模、复杂、多变的环境监测系统中，如防洪、防雷、气象预警等领域。
无线传感器网络拓扑结构的选择与应用，需要根据具体场景的需求进行选择，最终的目标是实现网络的高效性和可靠性。
未来，随着技术的发展，WSN将在更广泛的领域得到应用，如智慧农业、智能家居、健康监测等领域，随之带来的是更加人性化的生活、更加高效的生产环境以及更加智能化的企业运营。
物联网中的传感器网络拓扑结构设计方法
物联网中的传感器网络拓扑结构设计方法随着物联网技术的发展和应用的普及，传感器网络作为物联网的重要组成部分，显得越来越重要。
传感器网络拓扑结构设计是建立可靠、高效、灵活的传感器网络的关键步骤之一。
本文将介绍物联网中的传感器网络拓扑结构设计的方法和原则。
一、传感器网络拓扑结构的概念和分类传感器网络拓扑结构是指传感器节点之间的连接方式和组织形式。
根据传感器节点之间的连接方式，传感器网络拓扑结构可以分为以下几种类型：1.星型拓扑结构：所有的传感器节点都直接连接到一个中心节点，中心节点负责传输和处理数据。
这种结构简单、易于理解，但中心节点故障会导致整个网络瘫痪。
2.树型拓扑结构：传感器节点通过多级层次的连接方式组成树状结构，数据从叶子节点传输到根节点。
这种结构具有较好的可扩展性和容错性，但是根节点故障会导致整个网络瘫痪。
3.网状拓扑结构：传感器节点之间互相连接，没有中心节点。
数据可以通过多条路径传输，具有较好的可靠性和容错性，但是对能源和带宽的消耗较大。
4.混合型拓扑结构：将多种拓扑结构组合在一起，以满足不同的需求。
例如，可以使用星型结构连接几个树型结构，来平衡可扩展性和容错性。
二、传感器网络拓扑结构设计的原则和方法在设计传感器网络拓扑结构时，需要考虑以下原则和方法：1.鲁棒性：网络应具有较好的容错性，即使部分节点发生故障或失效，整个网络仍能正常工作。
可以通过增加冗余连接和设计多条数据传输路径来提高网络的鲁棒性。
2.能耗均衡：在传感器网络中，能源是非常宝贵的资源。
因此，在设计拓扑结构时，需要尽量减少节点的能耗。
可以采用簇头节点进行数据汇聚和处理，有效降低其他节点的能耗。
3.网络延时：对于某些实时应用场景，网络的延时要求较高。
传感器网络拓扑结构的设计应尽量减小数据传输的延迟，提高实时性能。
4.可扩展性：随着物联网应用的扩大，传感器节点的数量将会增加。
因此，拓扑结构应具有较好的可扩展性，能够支持大规模节点的接入。
无线传感器网络
• 根据定位过程中实际测量节点间的距离和角度与否
通过测量节点间点到点的距离 或角度等信息进行位置估计； 基于测距的定位
无须测距技术的定位
无须距离和角度信息，仅根据 网络连通性等信息即可实现。
测距方法
• 基于距离的节点定位算法定位精度相对较高，但由于要实 际测量节点间的距离或角度，所以通常硬件要求也较高。 典型的距离测量技术包含利用 RSSI 测距、利用 TOA 或 TDOA 测距和利用 AOA 测距
• 第五，无线传感器网络具备有很强容错能力 • 第六，由于无线传感器网络节点的体积和所携带 能量有限的限制，这些限制决定了传感器节点只 能具备有限的计算和存储能力还有相对距离较短 的通信能力 • 第七，无线传感器网络节点无中心，无线传感器 网络中的传感器节点无严格的控制中心所有的节 点都是地位平等，加入和离开节点都是随意的没 有严格的限制条件
拓扑控制的研究方向
• WSN中拓扑控制可以分为两个研究方向：功率控制和层次 拓扑结构控制。 • 功率控制机制调整网络中每个节点的发射功率，保证网络 连通，在均衡节点中直接邻居数目(单跳可达邻居数目)的 同时，降低节点之间的通信干扰。 • 层次拓扑控制是利用分簇思想，使网络中的部分节点处于 激活状态，成为簇头节点。由这些簇头节点构建一个连通 的网络来处理和传输网络中的数据，并定期或不定期地重 新选择簇头节点，以均衡网络中节点的能量消耗。
传感器节点的限制
• 感知数据流无限
– 传感器网络每个传感器都产生无限 的流式数据，并具有实时性 – 每个传感器仅具有有限的存储器和 计算资源，难以处理巨大的实时数 据流
传感器节点的限制 • 以数据为中心
– 传感器网络不是通常的网络
• 用户感兴趣的是数据而不是网络和传感器硬件
无线传感器网络的拓扑结构与优化
无线传感器网络的拓扑结构与优化无线传感器网络（Wireless Sensor Network, WSN）是一种由大量分布在特定区域内的无线传感器节点组成的网络系统。
这些传感器节点能够感知、采集和传输环境中的各种信息，如温度、湿度、压力等。
在无线传感器网络中，拓扑结构的设计与优化是一个重要的研究方向。
本文将探讨无线传感器网络的拓扑结构与优化的相关问题。
一、无线传感器网络的拓扑结构无线传感器网络的拓扑结构指的是传感器节点之间的连接方式和布局方式。
常见的拓扑结构包括星型、网状和混合结构等。
1. 星型结构星型结构是最简单的一种拓扑结构，其中一个中心节点与其他传感器节点直接相连。
这种结构具有简单、易于实现的特点，但是中心节点的故障会导致整个网络的瘫痪。
因此，在设计星型结构时需要考虑中心节点的可靠性和冗余备份。
2. 网状结构网状结构是一种多对多的连接方式，传感器节点之间相互连接形成一个网状网络。
这种结构具有高度的容错性和可靠性，但是节点之间的通信距离较远，需要消耗更多的能量。
因此，在设计网状结构时需要平衡能量消耗和网络性能。
3. 混合结构混合结构是星型结构和网状结构的结合，可以兼顾简单性和可靠性。
在混合结构中，中心节点与一部分传感器节点直接相连，其他传感器节点通过相邻节点中转进行通信。
这种结构可以减少能量消耗和通信距离，提高网络的可扩展性。
二、无线传感器网络的拓扑优化无线传感器网络的拓扑优化是指通过调整传感器节点之间的连接方式和布局方式，以达到一定的性能指标。
拓扑优化可以从以下几个方面进行考虑。
1. 能量均衡在无线传感器网络中，能量是非常宝贵的资源。
传感器节点之间的通信和数据传输会消耗大量的能量。
因此，优化拓扑结构时需要考虑能量均衡，尽量减少节点之间的能量消耗差异，延长整个网络的寿命。
2. 覆盖率覆盖率是指传感器网络对目标区域的监测能力。
优化拓扑结构时需要考虑覆盖率，确保每个目标区域都能被足够多的传感器节点监测到。
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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。
图1.4 无线传感器网络的Mesh网络结构
从技术上看，基于Mesh网络结构的无线传感器具有以下特点：
○1由无线节点构成网络：这种类型的网络节点是由一个传感器或执行器构成且连接到一个双向无线收发器。
○2节点按照Mesh拓扑结构部署：网内每个节点至少可以和一个其他节点通信，这种方式可以实现比传统的集线式或星型拓扑更好地网络连接性。
具有自我形成、自愈功能，以确保存在一条更加可靠的通信路径。
○3支持多跳路由：来自一个节点的数据在其到达一个主机网关或控制器前，可以通过多个其余节点转发。
通过Mesh方式的网络连接，只需短距离的通信链路，经受较少的干扰，因而可以为网络提供较高的吞吐率及较高的频谱复用效率。
○4功耗限制和移动性取决于节点类型及应用的特点：通常基站或汇聚节点移动性较低，感应节点可移动性较高。
基站不受电源限制，而感应节点通常由电池供电。
○5存在多种网络接入方式：可以通过新型、Mesh等节点方式和其他网络集成。
无线传感器节点结构
如下图1.5所示，无线传感器由传感器模块、处理器模块、无线通信模块和能量供应模块这四部分组成。
其中，传感器模块（传感器和模数转换器）负责监测区域内信息的采集和数据转换；处理器模块（CPU、存储器、嵌入式操作系统等）负责控制整个传感器节点的操作，存储和处理本身采集的数据；无线通信模块（网络、MAC、收发器）负责与其他传感器节点进行无线通信；能量供应模块为传感器节点提供运行所需的能量，通常采用微型电池。
图1.5 无线传感器节点结构
除了这四个模块外，传感器节点还可以包括其他辅助单元，如移动系统、定位系统和自供电系统等。
由于传感器节点采用电池供电，因此尽量采用低功耗器件，以获得更高的电源效率。