『壹』 無線感測器網路的特點及關鍵技術
無線感測器網路的特點及關鍵技術
無線感測器網路被普遍認為是二十一世紀最重要的技術之一，是目前計算機網路、無線通信和微電子技術等領域的研究熱點。下面我為大家搜索整理了關於無線感測器網路的特點及關鍵技術，歡迎參考閱讀！
一、無線感測器網路的特點
與其他類型的無線網路相比，感測器網路有著鮮明的特徵。其主要特點可以歸納如下：
（一）感測器節點能量有限。當前感測器通常由內置的電池提供能量，由於體積受限，因而其攜帶的能量非常有限。如何使感測器節點有限的能量得到高效的利用，延長網路生存周期，這是感測器網路面臨的首要挑戰。
（二）通信能力有限。無線通信消耗的能量與通信距離的關系為E=kdn。其中，參數n的取值為2≤n≤4，n的取值與許多因素有關。但是不管n具體的取值，n的取值范圍一旦確定，就表明，無線通信的能耗是隨著距離的增加而更加急劇地增加的。因此，在滿足網路連通性的要求下，應盡量採用多跳通信，減少單跳通信的距離。通常，感測器節點的通信范圍在100m內。
（三）計算、存儲和有限。一方面為了滿足部署的要求，感測器節點往往體積小；另一方面出於成本控制的目的`，節點的價格低廉。這些因素限制了節點的硬體資源，從而影響到它的計算、存儲和通信能力。
（四）節點數量多，密度高，覆蓋面積廣。為了能夠全面准確的監測目標，往往會將成千上萬的感測器節點部署在地理面積很大的區域內，而且節點密度會比較大，甚至在一些小范圍內採用密集部署的方式。這樣的部署方式，可以讓網路獲得全面的數據，提高信息的可靠性和准確性。
（五）自組織。感測器網路部署的區域往往沒有基礎設施，需要依靠感測器節點協同工作，以自組織的方式進行網路的配置和管理。
（六）拓撲結構動態變化。感測器網路的拓撲結構通常是動態變化的，例如部分節點故障或電量耗盡退出網路，有新的節點被部署並加入網路，為節約能量節點在工作和休眠狀態間進行切換，周圍環境的改變造成了無線通信鏈路的變化，以及感測器節點的移動等都會導致感測器網路拓撲結構發生變化。
（七）感知數據量巨大。感測器網路節點部署范圍大、數量多，且網路中的每個感測器通常都產生較大的流式數據並具有實時性，因此網路中往往存在數量巨大的實時數據流。受感測器節點計算、存儲和帶寬等資源的限制，需要有效的分布式數據流管理、查詢、分析和挖掘方法來對這些數據流進行處理。
（八）以數據為中心。對於感測器網路的用戶而言，他們感興趣的是獲取關於特定監測目標的真實可靠的數據。在使用感測器網路時，用戶直接使用其關注的事件作為任務提交給網路，而不是去訪問具有某個或某些地址標識的節點。感測器網路中的查詢、感知、傳輸都是以數據為中心展開的。
（九）感測器節點容易失效。由於感測器網路應用環境的特殊性以及能量等資源受限的原因，感測器節點失效（如電池能量耗盡等）的概率遠大於傳統無線網路節點。因此，需要研究如何提高數據的生存能力、增強網路的健壯性和容錯性以保證部分感測器節點的損壞不會影響到全局任務的完成。此外，對於部署在事故和自然災害易發區域的無線感測器網路，還需要進一步研究當事故和災害導致大部分感測器節點失效時如何最大限度地將網路中的數據保存下來，以提供給災害救援和事故原因分析等使用。
二、關鍵技術
無線感測器網路作為當今信息領域的研究熱點，設計多學科交叉的研究領域，有非常多的關鍵技術有待研究和發現，下面列舉若干。
（一）網路拓撲控制。通過拓撲控制自動生成良好的拓撲結構，能夠提高路由協議和MAC協議的效率，可為數據融合、時間同步和目標定位等多方面奠定基礎，有利於節省能量，延長網路生存周期。所以拓撲控制是無線感測器網路研究的核心技術之一。目前，拓撲控制主要研究的問題是在滿足網路連通度的前提下，通過功率控制或骨幹網節點的選擇，剔除節點之間不必要的通信鏈路，生成一個高效的數據轉發網路拓撲結構。
（二）介質訪問控制（MAC）協議。在無線感測器網路中，MAC協議決定無線信道的使用方式，在感測器節點之間分配有限的無線通信資源，用來構建感測器網路系統的底層基礎結構。MAC協議處於感測器網路協議的底層部分，對感測器網路的性能有較大影響，是保證無線感測器網路高效通信的關鍵網路協議之一。感測器網路的強大功能是由眾多節點協作實現的。多點通信在局部范圍需要MAC協議協調其間的無線信道分配，在整個網路范圍內需要路由協議選擇通信路徑。
在設計MAC協議時，需要著重考慮以下幾個方面：
（1）節省能量。感測器網路的節點一般是以干電池、紐扣電池等提供能量，能量有限。
（2）可擴展性。無線感測器網路的拓撲結構具有動態性。所以MAC協議也應具有可擴展性，以適應這種動態變化的拓撲結構。
（3）網路效率。網路效率包括網路的公平性、實時性、網路吞吐量以及帶寬利用率等。
（三）路由協議。感測器網路路由協議的主要任務是在感測器節點和Sink節點之間建立路由以可靠地傳遞數據。由於感測器網路與具體應用之間存在較高的相關性，要設計一種通用的、能滿足各種應用需求的路由協議是困難的，因而人們研究並提出了許多路由方案。
（四）定位技術。位置信息是感測器節點採集數據中不可或缺的一部分，沒有位置信息的監測消息可能毫無意義。節點定位是確定感測器的每個節點的相對位置或絕對位置。節點定位分為集中定位方式和分布定位方式。定位機制也必須要滿足自組織性，魯棒性，能量高效和分布式計算等要求。
（五）數據融合。感測器網路為了有效的節省能量，可以在感測器節點收集數據的過程中，利用本地計算和存儲能力將數據進行融合，取出冗餘信息，從而達到節省能量的目的。
（六）安全技術。安全問題是無線感測器網路的重要問題。由於採用的是無線傳輸信道，網路存在偷聽、惡意路由、消息篡改等安全問題。同時，網路的有限能量和有限處理、存儲能力兩個特點使安全問題的解決更加復雜化了。
;『貳』 無線感測器網路節能方法
李佳
19011210599
【嵌牛導讀】無線感測器網路是由大量感測器構成的網路，每個感測器節點的能量都是由電池提供，由於感測器節點體積小功能全所以電池體積小容量小的特點使得每個感測器節點的能量都是有限使得感測器網路的生命周期受限。而感測器網路生命周期太短會帶來很多的不方便，因為無線感測器網路大多部署在偏遠地區以及環境條件極其惡劣的地方，電池能量供應有限，人員不可達等都限制其廣泛部署。
【嵌牛鼻子】分簇 生命周期 節點剩餘能量 簇頭
【嵌牛提問】如何有效減小通信過程中的能耗
【嵌牛正文】 分簇是作為減小有用耗能的理想的方法能夠能夠有效減少無線通信次數減少擁塞，而選擇簇頭的方法能夠均衡能效，在源頭進行數據聚合壓縮可以減少數據發送量，由於無線通信是無線感測器網路中最耗能的原因，所以用簇頭來傳遞數據能夠節約大量的能量，而且分簇的方法對於網路的擴展性也有很大改善，一旦網路需要擴展都是直接成簇擴展而不用考慮新加入的網路節點會破壞網路本來的結構，也就是分簇以後網路的穩健性也得到了很大的提升。
【分簇技術】
1、雙簇頭法：在節點同構時雖然初始能量一樣，但是由於硬體原因或者外界因素不能保證每個節點上的能耗是一樣的，所以有的簇頭可能由於硬體或者外界因素而導致能量消耗過快而失效，則該簇內節點感知到的數據將會無處可傳，那麼這部分數據就會不能傳遞到基站，在節點異夠能量的時候也會存在這樣的問題，當只有一個簇頭的時候，只要該簇頭失效，則網路生命周期便大打折扣，建立主副簇頭的方法能夠有效改善單簇頭引起的能量空洞問題
2、根據權重選擇簇頭 ：距離權重和能量權重的加和，離匯聚節點遠的節點能量相對較多以減少因長距離通信引起的網路失聯。
3、根據節點剩餘能量分簇：總是能夠在剩餘節點中找到能量最大的節點作為簇頭，因為簇頭在通信過程中的大能耗問題使得這樣的方法得到更廣泛的應用。
【 分簇協議 】
LEACH LEACH-C SEP HEED DEEC DDEEC 等一些更加先進的技術 。
無線感測器網路的節能問題並未得到根本性的改善，節能的工作任重道遠。
『叄』 低功耗無線感測節點設計論文
S-MAC協議
S-MAC(Sensor-MAC)協議是較早的針對WSN的一種MAC協議，他是在802.11MAC的基礎上，採用下面介紹的多種機制來減少了節點能量的消耗。固定周期性的偵聽和睡眠：為了減少能量的消耗，感測器節點要盡量處於低功耗的睡眠狀態。S-MAC協議採用了低占空比的周期性睡眠／偵聽。為了使得S-MAC協議具有良好的擴展性，在覆蓋網路中形成眾多不同的虛擬簇。
消息傳遞技術：對於無線信道，傳輸差錯與包長度成正比，短包成功傳輸的概率要大於長包。在S-MAC協議中消息傳遞技術將長消息分成若干短包，滑纖利用RTS／CTS握手機制，一次性發送整個長消息，這樣既提高發送成功率，有減少了控制消息。流量自適應偵聽機制：感測器節點在與鄰居節點通信結束後並不立即進入睡眠狀態，而保持偵聽一段時間，採用流量自適應偵聽機制，減少了網路中的傳輸延遲。
S-MAC協議與IEEE802.11 MAC相比，在節能方面有了很大的改善。但睡眠機制的引入，使得網路的傳輸延遲增加，吞吐量下降。針對S-MAC協議存在的不足，研究人員對其進行了改進，提出了一種帶有自適應睡眠的S-MAC協議。
3.3.2 LMAC協議
LMAC協議使用時分多址 (TDMA)機制,時間被分成若干個時隙, 節點在傳送數據時不需要競爭信道，可以避免傳輸碰撞造成的能量損耗。節點只能指派一個控制時隙，在時隙期間,節點總是會傳送一條信息，此信息包含兩部分：控制信息和數據單元。由於一個時隙只能被一個節點控制, 所以節點可以無沖突的進行通訊。
3.3.3 T-MAC協議
T-MAC(Timeout-MAC)協議與自適應睡眠的S-MAC協議基本思想大體相同。數據傳輸仍然採用RTS／CTS／DATA／ACK的4次握手機制，不同的是在節點活動的時隙內插入了一個TA(Time Active)時隙，若TA時隙之間沒有任何時間發生，則活動結束進入睡眠狀態。TA的取值對於T-MAC協議性能至關重要，其約束條件為：TA=m(C+R+T)，m>1，其中C為競爭信道時間，R為發送RTS分組的時間，T為RTS分組結束到發出CTS分組開始的時間。在模擬的時候，一般選取m=1.5，即：TA=1.5×(C+R+T)。
T-MAC協議雖然能根據當前網路的動態變化，通過提前結束活動周期來減少空閑偵聽提高能效，但帶來了「早睡」問題。所謂早睡問題是指在多個感測器節點向一個或少數幾個匯聚節點發送數據時，由於節點在當前TA沒有收到激活事件，過早進入睡眠，沒有監測到接下來的數據包，導致網路延遲。為解決這個問題，提出了未來清除發送和滿緩沖區優先兩個方法。
基於競耐中爭的MAC協議通常很難提供實時性保證，而且由於沖突的存在，浪費了能量。基於競爭的協議在有些應用場合(比如主要考慮節能而不太關心時延的可預測性時)有較大的應用，基於競爭的協議需要解決的是提供一個實時性的統計上界。根據這類協議的分布式和隨機的補償特性，基於競爭的協議沒有確切的保證不同節點的數據包的優先順序。因此，有必要限制優先順序倒置的概率以建立統計上的端到端的時延保證。
3.3.4 Wise-MAC協議
Wise - MAC協議在非堅持CSMA協議的基礎上，採用前導碼采樣技術控制節點處於空閑偵聽狀態時的能量消耗。與S-MAC和T-MAC協議相比，節能效果非常顯著。
無線信道在傳輸過程中經常出現錯誤，所以需要鏈路層的確認昌讓山機制來恢復丟失的數據包。Wise-MAC協議的ACK數據幀不僅用來對接收到的數據包進行確認，還會通知其他鄰居節點到下一次采樣的剩餘時間。通過這種方式，每個節點不斷更新相鄰節點的采樣時間偏移表。利用這些信息，每個節點可以選擇恰當的時間，使用最小長度的喚醒前導碼向目的節點發送數據。
Wise-MAC協議可以很好地適應網路流量變化，他是和WISENET超級功耗SoC晶元結合設計的。Wise-MAC協議的采樣同步機制會帶來數據包沖突的問題，也會由於節點學要存儲相鄰節點的信道偵聽時間，會佔用寶貴的存儲空間，增加協議實現的復雜度，尤其是在節點密度較高的網路內這個問題尤為突出。
3.3.5 DMAC協議
數據採集樹是無線感測器網路的一種重要的通信模式，DMAC協議就是針對這種數據採集樹而提出的，目標是減少網路的能量消耗和減少數據的傳輸延遲。DMAC協議採用不同深度節點之間的接收發送／睡眠的交錯調度機制。將節點周期劃分為接收、發送和睡眠時隙，數據能沿著多跳路徑連續地從數據源節點傳送到匯聚節點，減少睡眠帶來的傳輸延遲。
3.3.6 Z-MAC協議
綜合CSMA和TDMA二者各自的優點，由RHEE 等在2005年提出了一種混合機制的Z-MAC協議。
Z-MAC將信道使用物化為時間幀的同時，使用CSMA作為基本機制，時隙的佔有者只是有數據發送的優先權，其他節點也可以在該時隙發送信息幀，當節點之間產生碰撞之後，時隙佔有者的回退時間短，從而真正獲得時隙的信道使用權。Z-MAC使用競爭狀態標示來轉換MAC機制，節點在ACK重復丟失和碰撞回退頻繁的情況下，將由低競爭狀態轉為高競爭狀態，由CSMA機制轉為TDMA機制。因而可以說，Z-MAC在較低網路負載下，類似CSMA，在網路進入高競爭的信道狀態之後，類似TDMA。
Z-MAC並不需要精確的時間同步，有著較好的信道利用率和網路擴展性。協議達到即時的適應網路負載的變化的同時，TDMA和CSMA機制的同步和互換會產生較大的能量耗損和網路延遲問題。
『肆』 無線感測網多跳路由節點能耗怎麼計算
(1)根據無線感測器網路中因節點有效傳輸半徑對路由選擇的制約，改進基於最小生成樹的分簇多跳路由演算法，改善因路由選擇對網路能耗的影響。該演算法利用Voronoi圖的泊松過程特性優化簇首節點數，並結合最小生成樹動態調整簇內外節點的路由發現實現網路能耗優化。模擬結果表明該演算法在開銷容忍的前提下，網路均衡負載，並與相同模擬條件下的基於LEACH的分層多跳路由演算法相比，更有效地延長了網路壽命，同時降低了計算時間復雜度。
(2)針對無線感測器網路中感測器節點投放分布對投放區域有效通信信號覆蓋的影響，改進了一種基於通信覆蓋的分布式投放概率覆蓋演算法。在保證投放精度的前提下，該演算法根據感測器節點在投放區域中位置的不確定性以及信號衰減特性，建立信號覆蓋模型，並通過信號覆蓋率計算出各節點預定投放位置，由感測器節點的自定位演算法獲取定位信息為前提，獲取節點的投放位置和投放數目。在改善區域通信覆蓋的同時，提高了節點分布效率，達到節省網路資源的目的。通過模擬比較了在不同定位投放方法下的各相關性數據，驗證了該演算法可實現高效投放的優越性能。
(3)在關於無線感測器網路應用方面，提出了在實現投放區域有效通信信號覆蓋的基礎上保證局部能量有效損耗的路由設計要求，由此提出了基於多跳路徑劃分子空間的分簇路由演算法。該路由演算法在獲得相應的節點拓撲分布的前提下實現了能量平均損耗，而節點拓撲的獲取則通過採用高斯分布的定位誤差模型與馬爾可夫鏈性質相結合，改進了以前演算法對於感測器節點拓撲結構的獲取。通過對整個演算法的模擬，得到的相關數據證明了演算法在實現網路硬體資源優化和能量有效損耗方面所具有的較好的性能。
(4)在對運動目標跟蹤定位的研究中，對於無法得知目標的運動狀態方程和觀測雜訊的概率密度分布的情況時，提出基於粒子濾波和曲線准線性優化的目標跟蹤演算法。演算法利用感測器節點的感知圓的幾何特性確定目標的運動區域的邊界限制，借鑒cost
reference粒子濾波演算法，估計出目標的運動軌跡，隨後通過曲線的線性近似簡化了目標運動軌跡的估計，同時也獲取了目標的速率的可控估計，模擬結果證明了所提演算法的高效性。根據實際應用中可能出現部分的感測器節點失效的情況，引入了節點的失效檢測，並以貝葉斯概率分布估計糾正失效節點對原目標狀態做的判斷，提高失效節點所在感知區域的容錯能力，改善了目標跟蹤定位的精度。
『伍』 什麼是無線感測技術
早在上世紀70年代，就出現了將傳統感測器採用點對點傳輸、連接感測控制器而構成感測網路雛形，我們把它歸之為第一代感測器網路。隨著相關學科的不斷發展和進步，感測器網路同時還具有了獲取多種信息信號的綜合處理能力，並通過與感測控制的相聯，組成了有信息綜合和處理能力的感測器網路，這是第二代感測器網路。而從上世紀末開始，現場匯流排技術開始應用於感測器網路，人們用其組建智能化感測器網路，大量多功能感測器被運用，並使用無線技術連接，無線感測器網路逐漸形成。
無線感測器網路是新一代的感測器網路，具有非常上世紀70年代，其發展和應用，將會給人類的生活和生產的各個領域帶來深遠影響。
無線感測器網路可以看成是由數據獲取網路、數據頒布網路和控制管理中心三部分組成的。其主要組成部分是集成有感測器、處理單元和通信模塊的節點，各節點通過協議自組成一個分布式網路，再將採集來的數據通過優化後經無線電波傳輸給信息處理中心。
『陸』 無線傳輸儀表耗電
無線感測器網路與傳統的無線通信 ISL6420AIRZ-TK 網路有很隱告大的區別。GSM、WiFi、CDMA等無線網路的首要設計目標是提供盡可能高的服務質量，節點的能量可以進行補充，因此消耗是次要考慮的問題。而無線感測器網路的節點不能補充能量，盡可能延長網路系統的生存周期成為無線感測器網路的首要設計目標。感測器由4部分組成：通信模塊、計算模塊、感測器模塊和能量供應模塊。由於感測器模塊通常情況下能耗很低，並且可以通過在應用的范圍內適當延長采樣周期，降低采樣精度的方法來降低感測模塊的能耗，因此通常只考慮計算模塊和通信模塊的能耗問題。
;;; 計算模塊包括CPU和存儲器，用於數據的存儲和預處理，節點計算模塊的能耗與節點的硬體設計、數據處理方式有緊密關聯。節點的硬體設計包括器件的選擇、電路的設計等。感測器節點都盡可能地採用低功耗器件，對能耗的研究也都是建立在低功耗器件的基礎灶慧明之上的；通信模塊是節點中能耗最大的部分，也是研究無線感測器網路節點能耗問題的重點。通信能耗與無線通信從物理層收發器到應用層的各個協議層都密碧磨切相關。
;;; 目前提出的計算模塊節能策略有動態電源管理(DPM)和動態電壓調節(DVS)。通信模塊節能策略主要有休眠機制、數據融合、沖突避免與糾錯及多跳短距離通信等。具體可參閱相關文獻。
;;; 無線感測器網路節點的小型化和低功耗設計有利於提高網路的生命期，擴大應用范圍。下面介紹MEMS技術在無線感測器網路節點的低功耗設計中的應用。
『柒』 無線感測器網路
無線感測器網路(wirelesssensornetwork，WSN)是綜合了感測器技術、嵌入式計算機技術、分布式信息處理技術和無線通信技術，能夠協作地實時監測、感知和採集網路分布區域內的各種環境或監測對象的信息，並對這些數據進行處理，獲得詳盡而准確的信息。傳送到需要這些信息的用戶。它是由部署在監測區域內大量的廉價微型感測器節點組成，通過無線通信方式形成一個多跳的自組織的網路系統。感測器、感知對象和觀察者構成了感測器網路的三要素。
無線感測器網路作為當今信息領域新的研究熱點，涉及到許多學科交叉的研究領域，要解決的關鍵技術很多，比如：網路拓撲控制、網路協議、網路安全、時間同步、定位技術、數據融合、數據管理、無線通信技術等方面，同時還要考慮感測器的電源和節能等問題。
所謂部署問題，就是在一定的區域內，通過適當的策略布置感測器節點以滿足某種特定的需求。優化節點數目和節點分布形式，高效利用有限的感測器網路資源，最大程度地降低網路能耗，均是節點部署時應注意的問題。
目前的研究主要集中在網路的覆蓋問題、連通問題和能耗問題3個方面。
基於節點部署方式的覆蓋：1)確定性覆蓋2)自組織覆蓋
基於網格的覆蓋：1)方形網格2)菱形網格
被監測目標狀態的覆蓋：1)靜態目標覆蓋2)動態目標覆蓋
連通問題可描述為在感測器節點能量有限，感知、通信和計算能力受限的情況下，採用一定的策略(通常設計有效的演算法)在目標區域中部署感測器節點，使得網路中的各個活躍節點之間能夠通過一跳或多跳方式進行通信。連通問題涉及到節點通信距離和通信范圍的概念。連通問題分為兩類：純連通與路由連通。
覆蓋中的節能對於覆蓋問題，通常採用節點集輪換機制來調度節點的活躍／休眠時間。連通中的節能針對連通問題，也可採用節點集輪換機制與調整節點通信距離的方法。而文獻中涉及最多的主要是從節約網路能量和平衡節點剩餘能量的角度進行路由協議的研究。
『捌』 設計無線感測器網路的節點部署方案時必須考慮哪些問題
設計無線感測器網路節點需要遵循以下幾個主要的原則。
（1）微型化與低成本
由於無線感測器網路節點數量大，只有實現節點的微型化與低成本才有可能大規模部署與應用。因此節點的微型化與低成本一直是研究人員追求的主要目標之一。對於目標跟蹤與位置服務一類的應用來說，部署的無線感測器節點越密，定位精度就越高。對於醫療監控類的應用來說，微型節點容易被穿戴。實現節點的微型化與低成本需要考慮硬體與軟體兩個方面的因素，而關鍵是研製專用的片上系統（System on Chip，SoC）晶元。對於傳統的個人計算機，內存2GB、硬碟100GB已經是常見的配置，而一個典型的無線感測器節點的內存只有4kB、程序存儲空間只有10kB。正是因為感測器節點硬體配置的限制，所以節點的操作系統、應用軟體結構的設計與軟體編程都必須注意節約計算資源，不能夠超出節點硬體可能支持的范圍。
（2）低功耗
感測器節點在使用過程中受到電池能量的限制。在實際應用中，通常要求感測器節點數量很多，但是每個節點的體積很小，攜帶的電池能量十分有限。同時，由於無線感測器網路的節點數量多、成本低廉、部署區域的環境復雜，有些區域甚至人員不能到達，因此感測器節點通過更換電池來補充能源是不現實的。如何高效使用有限的電池能量，來最大化網路生命周期是無線感測器網路面臨的最大的挑戰。
感測器節點消耗能量的模塊包括：感測器模塊、處理器模塊和無線通信模塊。隨著集成電路工藝的進步，處理器和感測器模塊的功耗變得很低。圖2-43給出了感測器節點各部分能量消耗情況。從圖中可以看出，感測器節點能量的絕大部分消耗在無線通信模塊。感測器節點發送信息消耗的電能比計算更大，傳輸1bit信號到相距100m的其他節點需要的能量相當於執行3000條計算指令消耗的能量。
圖2-43感測器節點各部分能量消耗情況無線通信模塊存在四種狀態：發送、接收、空閑和休眠。無線通信模塊在空閑狀態一直監聽無線信道的使用情況，檢查是否有數據發送給自己，而在休眠狀態則關閉通信模塊。從圖中可以看到，無線通信模塊在發送狀態的能量消耗最大；在空閑狀態和接收狀態的能量消耗接近，但略少於發送狀態的能量消耗；在休眠狀態的能量消耗最少。為讓網路通信更有效率，必須減少不必要的轉發和接收，不需要通信時盡快進入休眠狀態，這是設計無線感測器網路協議時需要重點考慮的問題。
（3）靈活性與可擴展性
無線感測器網路節點的靈活性與可擴展性表現在適應不同的應用系統，或部署在不同的應用場景中。例如，感測器節點可以用於森林防火的無線感測器網路中，也可以用於天然氣管道安全監控的無線感測器網路中；可以用於沙漠乾旱環境下天然氣管道安全監控，也可以用於沼澤地潮濕環境的安全監控；可以適應單一聲音感測器精確位置測量的應用，也可以適應溫度、濕度與聲音等多種感測器的應用；節點可以按照不同的應用需求，將不同的功能模塊自由配置到系統中，而不需重新設計新的感測器節點；節點的硬體設計必須考慮提供的外部介面，可以方便地在現有的節點上直接接入新的感測器。軟體設計必須考慮到可裁剪，可以方便地擴充功能，可以通過網路自動更新應用軟體。
（4）魯棒性
普通的計算機或PDA、智能手機可以通過經常性的人機交互來保證系統的正常運行。而無線感測器節點與傳統信息設備最大的區別是無人值守，一旦大量無線感測器節點被飛機拋灑或人工安置後，就需要獨立運行。即使是用於醫療健康的可穿戴節點，也需要獨立工作，使用者無法與其交互。對於普通的計算機，如果出現故障，人們可以通過重啟來恢復系統的工作狀態。而在無線感測器網路的設計中，如果一個節點崩潰，那麼剩餘的節點將按照自組網的思路，重新組成具有新拓撲的自組網。當剩餘的節點不能夠組成新的網路時，這個無線感測器網路就失效了。因此感測器節點的魯棒性是實現無線感測器網路長時間工作重要的保證。更多http://www.big-bit.com/news/list-75.html
『玖』 無線感測器在網路中的應用設計
下面是由整理的畢業設計論文《無線感測器在網路中的應用設計》，歡迎閱讀。
1引言
無線感測器網路(Wireless Sensor Networks，簡稱WSNs)是由部署在監測區域內大量的廉價微型感測器節點組成，通過無線通信形成一個多跳自組織網路系統，能夠實時監測、感知和採集網路分布區域內監視對象的各種信息，並加以處理，完成數據採集和監測任務。WSNs綜合了感測器、嵌入式計算、無線通訊、分布式信息處理等技術，具有快速構建、自配置、自調整拓撲、多跳路由、高密度、節點數可變、無統一地址、無線通信等特點，特別適用於大范圍、偏遠距離、危險環境等條件下的實時信息監測，可以廣泛應用於軍事、交通、環境監測和預報、衛生保健、空間探索等各個領域。
2節點的總體設計和器件選型
2.1節點的總體設計
WSNs微型節點應用數量比較大，更換和維護比較困難，要求其節點成本低廉和工作時間盡可能長;功能上要求WSNs中不應該存在專門的路由器節點，每個節點既是終端節點，又是路由器節點。節點間採用移動自組織網路聯系起來，並採用多跳的路由機制進行通信。因此，在單個節點上，一方面硬體必須低能耗，採用無線傳輸方式;另一方面軟體必須支持多跳的路由協議。基於這些基本思想，設計了以高蘆此空檔8位AVR單片機ATmega128L為核心，結合外圍感測器和2.4 GHz無線收發模塊CC2420的WSNs微型節點。這兩款器件的體積非常小，加上外圍電路，其整體體積也很小，非常適合用作WSNs節點的元件。
圖1給出WSNs微型節點結構。它由數據採集單元、數據處理單元、數據傳輸單元和電源管理單扒汪元4部分組成。數據採集單元負責監測區域內信息的採集和數據轉換，設計中包括了可燃性氣體感測器和濕度感測器;數據處理單元負責控制整個節點的處理操作、路由協議、同步定位、功耗管理、任務管理等;數據傳輸單元負責與其他節點進行無線通信，交換控制消息和收發採集數據;電源管理單元選通所用到的感測器，節點電源由幾節AA電池組成，實際工業應用中採用微型紐扣電池，以進一步減小體積。為了調試方便及可擴展性，可將數據採集單元獨立出來，做成兩塊能相互套接的可擴展主板。
2.2處理器選型
處理器的選型要求和指標是功耗低，保證長時間不更換電源也能順利工作，供給電壓小於5 V，有較快的處理速度和能力，由於節點是需要大量安置的，所以價格也要相對便宜。選用AVR單片機，考慮到電路中I/O的個數不多，功耗低、成本低、適合與無線器件介面配合等多方面因素，綜合對比後，選用Atmel公司的ATmega128L。該微型控制器擁有豐富的片上資源，包括4個定時器、4 KB SRAM、128KB Flash和4 KBEEPROM;擁有UART、SPI、I2C、JTAG介面，方便無線器件和感測器的接入;有6種電源節能模式，方便低功耗設計。
2.3無線通信器件選型 CC2420是一款符合ZigBee技術的高集成度工業用射頻收發器，其MAC層和PHY層協議符合802.15.4規范，工作於2.4 GHz頻段。該器件只需極少外部元件，即可確保短距離通信的有效性和可靠性。數據傳輸單元模塊支持數據傳輸率高達250 Kb/s，即可實現多點對多點的快速組網，系統體積小、成本低、功耗小，適於電池長期供電，具有硬體加密、安全可靠、組網靈活、抗毀性強等特點。
2.4感測器選型
由於WSNs是用於礦下安全監測，常要檢測礦下可燃氣體的濃度(預防瓦斯氣體濃度過高)和空氣濕度，所以要選擇測量氣體濃度和濕度的感測器。
2.4.1 HIH-4000系列測濕感測器
HIH-4000系列測濕感測器作為一個低成本、可軟焊的單個直插式組件(SIP)能提供儀表測量質量的相對濕度(RH)感測性能。RH感測器可用在二引線間有間距的配量中，它是一個熱固塑料型電容感測元件，其內部具有信號處理功能。感測器的多層結構對應用環境的不利因素，諸如潮濕、灰塵、污垢、油類和環境中常見的化學品具有最佳的抗力，因此可認定陪瞎它能適用礦下環境。
2.4.2 MR511熱線型半導體氣敏元件
MR511型氣敏元件利用氣體吸附在金屬氧化物半導體表面而產生熱傳導變化及電傳導變化的原理，由白金線圈電阻值變化測定氣體濃度。MR511由檢測元件和補償元件配對組成電橋的兩個臂，遇可燃性氣體時，檢測元件的電阻減小，橋路輸出電壓變化，該電壓變化隨氣體濃度的增大而成比例增大，補償元件具有溫度補償作用。MR511除具有靈敏度高、響應恢復時間短、穩定性好特點外，還具有功耗小，抗環境溫濕度干擾能力強的優點。WSNs的節能和井下惡劣溫濕環境要求MR5111可以滿足。
3 WSNs節點設計
3.1數據採集單元
考慮到無線感測器網路節點的節能和井下惡劣的溫濕環境，為了便於數據採集，系統設計採用HIH-4000-01型測濕度感測器和MR511熱線型半導體氣體感測器。圖2、圖3分別給出其電路設計圖。
3.2數據處理單元
ATmega128L的外圍電路設計簡單，設計時注意在數字電路的電源並人多隻電容濾波。ATmega128L的工作時鍾源可以選取外部晶振、外部RC振盪器、內部RC振盪器、外部時鍾源等方式。工作時鍾源的選擇通過ATmega128L的內部熔絲位來設計。熔絲位可以通過JTAG編程、ISP編程等方式設置。ATmega128L採用7.3728 MHz和32.768 kHz兩個外部晶振。前者用作工作時鍾，後者用作實時時鍾源。
3.3數據傳輸單元
3.3.1 CC2420外圍電路設計
圖4給出數據傳輸單元的外圍電路。CC2420隻需要極少的外圍元器件。其外圍電路包括晶振時鍾電路、射頻輸入/輸出匹配電路和微控制器介面電路3部分。
射頻輸入/輸出匹配電路主要用來匹配器件的輸入輸出阻抗，使其輸入輸出阻抗為50 Ω，同時為器件內部的PA及LNA提供直流偏置。射頻輸入/輸出是高阻抗，有差別。射頻端最適合的負載是115+j180 Ω。C61、C62、C71、C81、L61組成不平衡變壓器，L62和L81匹配射頻輸入輸出到50 Ω;L61和L62同時提供功率放大器和低雜訊放大器的直流偏置。內部的T/R開關是為了切換低雜訊放大器/功率放大器。R451偏置電阻是電流基準發生器的精密電阻。CC2420本振信號既可由外部有源晶體提供，也可由內部電路提供。若由內部電路提供時，需外加晶體振盪器和兩只負載電容，電容的大小取決於晶體的頻率及輸入容抗等參數。設計採用16 MHz晶振時，其電容值約為22 pF。C381和C391是外部晶體振盪器的負載電容。片上電壓調節器提供所有內部1.8 V電源的供應。C42是電壓調節器的負載電容，用於穩定調節器。為得到最佳性能必須使用電源去耦。在應用中使用大小合適的去耦電容和功率濾波器是非常重要的。CC2420可以通過4線SPI匯流排(SI、SO、SCLK、CSn)設置器件的工作模式，並實現讀，寫緩存數據，讀/寫狀態寄存器等。通過控制FIFO和FIFOP引腳介面的狀態可設置發射/接收緩存器。
3.3.2配置IEEE 802.15.4工作模式
CC2420為IEEE 802.15.4的數據幀格式提供硬體支持。其MAC層的幀格式為：頭幀+數據幀+校驗幀;PHY層的幀格式為：同步幀+PHY頭幀+MAC幀，幀頭序列的長度可通過設置寄存器改變，採用16位CRC校驗來提高數據傳輸的可靠性。發送或接收的數據幀被送入RAM中的128位元組緩存區進行相應的幀打包和拆包操作。表1給出CC2420的四線串列SPI介面引腳功能。它是設計單片機電路的依據，充分發揮這些功能是設計無線通信產品的前提。
3.3.3 CC2420與單片機介面電路設計
圖5給出CC2420與ATmega128L單片機的介面電路。CC2420通過簡單的四線(SI、SO、SCLK、CSn)與SPI兼容串列介面配置，這時CC2420是受控的。ATmega128L的SPI介面工作在主機模式，它是SPI數據傳輸的控制方;CC2420設為從機工作方式。當ATmega128L的SPI介面設為主機工作方式時，其硬體電路不會自動控制SS引腳。因此，在SH通信時，應在SPI介面初始化，它是由程序控制SS，將其拉為低電平，此後，當把數據寫入主機的SPI數據寄存器後，主機介面將自動啟動時鍾發生器，在硬體電路的控制下，移位傳送，通過MOSI將數據移出ATmega128L，並同時從CC2420由MISO移人數據，8位數據全部移出時，兩個寄存器就實現了一次數據交換。
4結語
通過對於無線感測器網路節點中感測器元件、數據處理模塊、數據傳輸模塊和電源的選擇，設計了一種以CC2420和ATmega128L為主體的硬體方案。利用該方案設計的CC2420和ATmega128L的外圍電路以及兩者之間的介面電路。此外，還對感測器與單片機的介面電路進行設計。通過實驗驗證，設計的硬體節點基本上達到了項目要求，經調試能通過感測器正確真實地採集數據，並實現兩個無線節點(兩個電路板。AA電池供電)在30 m左右的通信、傳輸數據、並反映到終端設備。