‘壹’ 无线传感器网络的特点及关键技术
无线传感器网络的特点及关键技术
无线传感器网络被普遍认为是二十一世纪最重要的技术之一，是目前计算机网络、无线通信和微电子技术等领域的研究热点。下面我为大家搜索整理了关于无线传感器网络的特点及关键技术，欢迎参考阅读！
一、无线传感器网络的特点
与其他类型的无线网络相比，传感器网络有着鲜明的特征。其主要特点可以归纳如下：
（一）传感器节点能量有限。当前传感器通常由内置的电池提供能量，由于体积受限，因而其携带的能量非常有限。如何使传感器节点有限的能量得到高效的利用，延长网络生存周期，这是传感器网络面临的首要挑战。
（二）通信能力有限。无线通信消耗的能量与通信距离的关系为E=kdn。其中，参数n的取值为2≤n≤4，n的取值与许多因素有关。但是不管n具体的取值，n的取值范围一旦确定，就表明，无线通信的能耗是随着距离的增加而更加急剧地增加的。因此，在满足网络连通性的要求下，应尽量采用多跳通信，减少单跳通信的距离。通常，传感器节点的通信范围在100m内。
（三）计算、存储和有限。一方面为了满足部署的要求，传感器节点往往体积小；另一方面出于成本控制的目的`，节点的价格低廉。这些因素限制了节点的硬件资源，从而影响到它的计算、存储和通信能力。
（四）节点数量多，密度高，覆盖面积广。为了能够全面准确的监测目标，往往会将成千上万的传感器节点部署在地理面积很大的区域内，而且节点密度会比较大，甚至在一些小范围内采用密集部署的方式。这样的部署方式，可以让网络获得全面的数据，提高信息的可靠性和准确性。
（五）自组织。传感器网络部署的区域往往没有基础设施，需要依靠传感器节点协同工作，以自组织的方式进行网络的配置和管理。
（六）拓扑结构动态变化。传感器网络的拓扑结构通常是动态变化的，例如部分节点故障或电量耗尽退出网络，有新的节点被部署并加入网络，为节约能量节点在工作和休眠状态间进行切换，周围环境的改变造成了无线通信链路的变化，以及传感器节点的移动等都会导致传感器网络拓扑结构发生变化。
（七）感知数据量巨大。传感器网络节点部署范围大、数量多，且网络中的每个传感器通常都产生较大的流式数据并具有实时性，因此网络中往往存在数量巨大的实时数据流。受传感器节点计算、存储和带宽等资源的限制，需要有效的分布式数据流管理、查询、分析和挖掘方法来对这些数据流进行处理。
（八）以数据为中心。对于传感器网络的用户而言，他们感兴趣的是获取关于特定监测目标的真实可靠的数据。在使用传感器网络时，用户直接使用其关注的事件作为任务提交给网络，而不是去访问具有某个或某些地址标识的节点。传感器网络中的查询、感知、传输都是以数据为中心展开的。
（九）传感器节点容易失效。由于传感器网络应用环境的特殊性以及能量等资源受限的原因，传感器节点失效（如电池能量耗尽等）的概率远大于传统无线网络节点。因此，需要研究如何提高数据的生存能力、增强网络的健壮性和容错性以保证部分传感器节点的损坏不会影响到全局任务的完成。此外，对于部署在事故和自然灾害易发区域的无线传感器网络，还需要进一步研究当事故和灾害导致大部分传感器节点失效时如何最大限度地将网络中的数据保存下来，以提供给灾害救援和事故原因分析等使用。
二、关键技术
无线传感器网络作为当今信息领域的研究热点，设计多学科交叉的研究领域，有非常多的关键技术有待研究和发现，下面列举若干。
（一）网络拓扑控制。通过拓扑控制自动生成良好的拓扑结构，能够提高路由协议和MAC协议的效率，可为数据融合、时间同步和目标定位等多方面奠定基础，有利于节省能量，延长网络生存周期。所以拓扑控制是无线传感器网络研究的核心技术之一。目前，拓扑控制主要研究的问题是在满足网络连通度的前提下，通过功率控制或骨干网节点的选择，剔除节点之间不必要的通信链路，生成一个高效的数据转发网络拓扑结构。
（二）介质访问控制（MAC）协议。在无线传感器网络中，MAC协议决定无线信道的使用方式，在传感器节点之间分配有限的无线通信资源，用来构建传感器网络系统的底层基础结构。MAC协议处于传感器网络协议的底层部分，对传感器网络的性能有较大影响，是保证无线传感器网络高效通信的关键网络协议之一。传感器网络的强大功能是由众多节点协作实现的。多点通信在局部范围需要MAC协议协调其间的无线信道分配，在整个网络范围内需要路由协议选择通信路径。
在设计MAC协议时，需要着重考虑以下几个方面：
（1）节省能量。传感器网络的节点一般是以干电池、纽扣电池等提供能量，能量有限。
（2）可扩展性。无线传感器网络的拓扑结构具有动态性。所以MAC协议也应具有可扩展性，以适应这种动态变化的拓扑结构。
（3）网络效率。网络效率包括网络的公平性、实时性、网络吞吐量以及带宽利用率等。
（三）路由协议。传感器网络路由协议的主要任务是在传感器节点和Sink节点之间建立路由以可靠地传递数据。由于传感器网络与具体应用之间存在较高的相关性，要设计一种通用的、能满足各种应用需求的路由协议是困难的，因而人们研究并提出了许多路由方案。
（四）定位技术。位置信息是传感器节点采集数据中不可或缺的一部分，没有位置信息的监测消息可能毫无意义。节点定位是确定传感器的每个节点的相对位置或绝对位置。节点定位分为集中定位方式和分布定位方式。定位机制也必须要满足自组织性，鲁棒性，能量高效和分布式计算等要求。
（五）数据融合。传感器网络为了有效的节省能量，可以在传感器节点收集数据的过程中，利用本地计算和存储能力将数据进行融合，取出冗余信息，从而达到节省能量的目的。
（六）安全技术。安全问题是无线传感器网络的重要问题。由于采用的是无线传输信道，网络存在偷听、恶意路由、消息篡改等安全问题。同时，网络的有限能量和有限处理、存储能力两个特点使安全问题的解决更加复杂化了。
;‘贰’ 无线传感器网络节能方法
李佳
19011210599
【嵌牛导读】无线传感器网络是由大量传感器构成的网络，每个传感器节点的能量都是由电池提供，由于传感器节点体积小功能全所以电池体积小容量小的特点使得每个传感器节点的能量都是有限使得传感器网络的生命周期受限。而传感器网络生命周期太短会带来很多的不方便，因为无线传感器网路大多部署在偏远地区以及环境条件极其恶劣的地方，电池能量供应有限，人员不可达等都限制其广泛部署。
【嵌牛鼻子】分簇 生命周期 节点剩余能量 簇头
【嵌牛提问】如何有效减小通信过程中的能耗
【嵌牛正文】 分簇是作为减小有用耗能的理想的方法能够能够有效减少无线通信次数减少拥塞，而选择簇头的方法能够均衡能效，在源头进行数据聚合压缩可以减少数据发送量，由于无线通信是无线传感器网络中最耗能的原因，所以用簇头来传递数据能够节约大量的能量，而且分簇的方法对于网络的扩展性也有很大改善，一旦网络需要扩展都是直接成簇扩展而不用考虑新加入的网络节点会破坏网络本来的结构，也就是分簇以后网络的稳健性也得到了很大的提升。
【分簇技术】
1、双簇头法：在节点同构时虽然初始能量一样，但是由于硬件原因或者外界因素不能保证每个节点上的能耗是一样的，所以有的簇头可能由于硬件或者外界因素而导致能量消耗过快而失效，则该簇内节点感知到的数据将会无处可传，那么这部分数据就会不能传递到基站，在节点异够能量的时候也会存在这样的问题，当只有一个簇头的时候，只要该簇头失效，则网络生命周期便大打折扣，建立主副簇头的方法能够有效改善单簇头引起的能量空洞问题
2、根据权重选择簇头 ：距离权重和能量权重的加和，离汇聚节点远的节点能量相对较多以减少因长距离通信引起的网络失联。
3、根据节点剩余能量分簇：总是能够在剩余节点中找到能量最大的节点作为簇头，因为簇头在通信过程中的大能耗问题使得这样的方法得到更广泛的应用。
【 分簇协议 】
LEACH LEACH-C SEP HEED DEEC DDEEC 等一些更加先进的技术 。
无线传感器网络的节能问题并未得到根本性的改善，节能的工作任重道远。
‘叁’ 低功耗无线传感节点设计论文
S-MAC协议
S-MAC(Sensor-MAC)协议是较早的针对WSN的一种MAC协议，他是在802.11MAC的基础上，采用下面介绍的多种机制来减少了节点能量的消耗。固定周期性的侦听和睡眠：为了减少能量的消耗，传感器节点要尽量处于低功耗的睡眠状态。S-MAC协议采用了低占空比的周期性睡眠／侦听。为了使得S-MAC协议具有良好的扩展性，在覆盖网络中形成众多不同的虚拟簇。
消息传递技术：对于无线信道，传输差错与包长度成正比，短包成功传输的概率要大于长包。在S-MAC协议中消息传递技术将长消息分成若干短包，滑纤利用RTS／CTS握手机制，一次性发送整个长消息，这样既提高发送成功率，有减少了控制消息。流量自适应侦听机制：传感器节点在与邻居节点通信结束后并不立即进入睡眠状态，而保持侦听一段时间，采用流量自适应侦听机制，减少了网络中的传输延迟。
S-MAC协议与IEEE802.11 MAC相比，在节能方面有了很大的改善。但睡眠机制的引入，使得网络的传输延迟增加，吞吐量下降。针对S-MAC协议存在的不足，研究人员对其进行了改进，提出了一种带有自适应睡眠的S-MAC协议。
3.3.2 LMAC协议
LMAC协议使用时分多址 (TDMA)机制,时间被分成若干个时隙, 节点在传送数据时不需要竞争信道，可以避免传输碰撞造成的能量损耗。节点只能指派一个控制时隙，在时隙期间,节点总是会传送一条信息，此信息包含两部分：控制信息和数据单元。由于一个时隙只能被一个节点控制, 所以节点可以无冲突的进行通讯。
3.3.3 T-MAC协议
T-MAC(Timeout-MAC)协议与自适应睡眠的S-MAC协议基本思想大体相同。数据传输仍然采用RTS／CTS／DATA／ACK的4次握手机制，不同的是在节点活动的时隙内插入了一个TA(Time Active)时隙，若TA时隙之间没有任何时间发生，则活动结束进入睡眠状态。TA的取值对于T-MAC协议性能至关重要，其约束条件为：TA=m(C+R+T)，m>1，其中C为竞争信道时间，R为发送RTS分组的时间，T为RTS分组结束到发出CTS分组开始的时间。在仿真的时候，一般选取m=1.5，即：TA=1.5×(C+R+T)。
T-MAC协议虽然能根据当前网络的动态变化，通过提前结束活动周期来减少空闲侦听提高能效，但带来了“早睡”问题。所谓早睡问题是指在多个传感器节点向一个或少数几个汇聚节点发送数据时，由于节点在当前TA没有收到激活事件，过早进入睡眠，没有监测到接下来的数据包，导致网络延迟。为解决这个问题，提出了未来清除发送和满缓冲区优先两个方法。
基于竞耐中争的MAC协议通常很难提供实时性保证，而且由于冲突的存在，浪费了能量。基于竞争的协议在有些应用场合(比如主要考虑节能而不太关心时延的可预测性时)有较大的应用，基于竞争的协议需要解决的是提供一个实时性的统计上界。根据这类协议的分布式和随机的补偿特性，基于竞争的协议没有确切的保证不同节点的数据包的优先级。因此，有必要限制优先级倒置的概率以建立统计上的端到端的时延保证。
3.3.4 Wise-MAC协议
Wise - MAC协议在非坚持CSMA协议的基础上，采用前导码采样技术控制节点处于空闲侦听状态时的能量消耗。与S-MAC和T-MAC协议相比，节能效果非常显着。
无线信道在传输过程中经常出现错误，所以需要链路层的确认昌让山机制来恢复丢失的数据包。Wise-MAC协议的ACK数据帧不仅用来对接收到的数据包进行确认，还会通知其他邻居节点到下一次采样的剩余时间。通过这种方式，每个节点不断更新相邻节点的采样时间偏移表。利用这些信息，每个节点可以选择恰当的时间，使用最小长度的唤醒前导码向目的节点发送数据。
Wise-MAC协议可以很好地适应网络流量变化，他是和WISENET超级功耗SoC芯片结合设计的。Wise-MAC协议的采样同步机制会带来数据包冲突的问题，也会由于节点学要存储相邻节点的信道侦听时间，会占用宝贵的存储空间，增加协议实现的复杂度，尤其是在节点密度较高的网络内这个问题尤为突出。
3.3.5 DMAC协议
数据采集树是无线传感器网络的一种重要的通信模式，DMAC协议就是针对这种数据采集树而提出的，目标是减少网络的能量消耗和减少数据的传输延迟。DMAC协议采用不同深度节点之间的接收发送／睡眠的交错调度机制。将节点周期划分为接收、发送和睡眠时隙，数据能沿着多跳路径连续地从数据源节点传送到汇聚节点，减少睡眠带来的传输延迟。
3.3.6 Z-MAC协议
综合CSMA和TDMA二者各自的优点，由RHEE 等在2005年提出了一种混合机制的Z-MAC协议。
Z-MAC将信道使用物化为时间帧的同时，使用CSMA作为基本机制，时隙的占有者只是有数据发送的优先权，其他节点也可以在该时隙发送信息帧，当节点之间产生碰撞之后，时隙占有者的回退时间短，从而真正获得时隙的信道使用权。Z-MAC使用竞争状态标示来转换MAC机制，节点在ACK重复丢失和碰撞回退频繁的情况下，将由低竞争状态转为高竞争状态，由CSMA机制转为TDMA机制。因而可以说，Z-MAC在较低网络负载下，类似CSMA，在网络进入高竞争的信道状态之后，类似TDMA。
Z-MAC并不需要精确的时间同步，有着较好的信道利用率和网络扩展性。协议达到即时的适应网络负载的变化的同时，TDMA和CSMA机制的同步和互换会产生较大的能量耗损和网络延迟问题。
‘肆’ 无线传感网多跳路由节点能耗怎么计算
(1)根据无线传感器网络中因节点有效传输半径对路由选择的制约，改进基于最小生成树的分簇多跳路由算法，改善因路由选择对网络能耗的影响。该算法利用Voronoi图的泊松过程特性优化簇首节点数，并结合最小生成树动态调整簇内外节点的路由发现实现网络能耗优化。仿真结果表明该算法在开销容忍的前提下，网络均衡负载，并与相同仿真条件下的基于LEACH的分层多跳路由算法相比，更有效地延长了网络寿命，同时降低了计算时间复杂度。
(2)针对无线传感器网络中传感器节点投放分布对投放区域有效通信信号覆盖的影响，改进了一种基于通信覆盖的分布式投放概率覆盖算法。在保证投放精度的前提下，该算法根据传感器节点在投放区域中位置的不确定性以及信号衰减特性，建立信号覆盖模型，并通过信号覆盖率计算出各节点预定投放位置，由传感器节点的自定位算法获取定位信息为前提，获取节点的投放位置和投放数目。在改善区域通信覆盖的同时，提高了节点分布效率，达到节省网络资源的目的。通过仿真比较了在不同定位投放方法下的各相关性数据，验证了该算法可实现高效投放的优越性能。
(3)在关于无线传感器网络应用方面，提出了在实现投放区域有效通信信号覆盖的基础上保证局部能量有效损耗的路由设计要求，由此提出了基于多跳路径划分子空间的分簇路由算法。该路由算法在获得相应的节点拓扑分布的前提下实现了能量平均损耗，而节点拓扑的获取则通过采用高斯分布的定位误差模型与马尔可夫链性质相结合，改进了以前算法对于传感器节点拓扑结构的获取。通过对整个算法的仿真，得到的相关数据证明了算法在实现网络硬件资源优化和能量有效损耗方面所具有的较好的性能。
(4)在对运动目标跟踪定位的研究中，对于无法得知目标的运动状态方程和观测噪声的概率密度分布的情况时，提出基于粒子滤波和曲线准线性优化的目标跟踪算法。算法利用传感器节点的感知圆的几何特性确定目标的运动区域的边界限制，借鉴cost
reference粒子滤波算法，估计出目标的运动轨迹，随后通过曲线的线性近似简化了目标运动轨迹的估计，同时也获取了目标的速率的可控估计，仿真结果证明了所提算法的高效性。根据实际应用中可能出现部分的传感器节点失效的情况，引入了节点的失效检测，并以贝叶斯概率分布估计纠正失效节点对原目标状态做的判断，提高失效节点所在感知区域的容错能力，改善了目标跟踪定位的精度。
‘伍’ 什么是无线传感技术
早在上世纪70年代，就出现了将传统传感器采用点对点传输、连接传感控制器而构成传感网络雏形，我们把它归之为第一代传感器网络。随着相关学科的不断发展和进步，传感器网络同时还具有了获取多种信息信号的综合处理能力，并通过与传感控制的相联，组成了有信息综合和处理能力的传感器网络，这是第二代传感器网络。而从上世纪末开始，现场总线技术开始应用于传感器网络，人们用其组建智能化传感器网络，大量多功能传感器被运用，并使用无线技术连接，无线传感器网络逐渐形成。
无线传感器网络是新一代的传感器网络，具有非常上世纪70年代，其发展和应用，将会给人类的生活和生产的各个领域带来深远影响。
无线传感器网络可以看成是由数据获取网络、数据颁布网络和控制管理中心三部分组成的。其主要组成部分是集成有传感器、处理单元和通信模块的节点，各节点通过协议自组成一个分布式网络，再将采集来的数据通过优化后经无线电波传输给信息处理中心。
‘陆’ 无线传输仪表耗电
无线传感器网络与传统的无线通信 ISL6420AIRZ-TK 网络有很隐告大的区别。GSM、WiFi、CDMA等无线网络的首要设计目标是提供尽可能高的服务质量，节点的能量可以进行补充，因此消耗是次要考虑的问题。而无线传感器网络的节点不能补充能量，尽可能延长网络系统的生存周期成为无线传感器网络的首要设计目标。传感器由4部分组成：通信模块、计算模块、传感器模块和能量供应模块。由于传感器模块通常情况下能耗很低，并且可以通过在应用的范围内适当延长采样周期，降低采样精度的方法来降低传感模块的能耗，因此通常只考虑计算模块和通信模块的能耗问题。
;;; 计算模块包括CPU和存储器，用于数据的存储和预处理，节点计算模块的能耗与节点的硬件设计、数据处理方式有紧密关联。节点的硬件设计包括器件的选择、电路的设计等。传感器节点都尽可能地采用低功耗器件，对能耗的研究也都是建立在低功耗器件的基础灶慧明之上的；通信模块是节点中能耗最大的部分，也是研究无线传感器网络节点能耗问题的重点。通信能耗与无线通信从物理层收发器到应用层的各个协议层都密碧磨切相关。
;;; 目前提出的计算模块节能策略有动态电源管理(DPM)和动态电压调节(DVS)。通信模块节能策略主要有休眠机制、数据融合、冲突避免与纠错及多跳短距离通信等。具体可参阅相关文献。
;;; 无线传感器网络节点的小型化和低功耗设计有利于提高网络的生命期，扩大应用范围。下面介绍MEMS技术在无线传感器网络节点的低功耗设计中的应用。
‘柒’ 无线传感器网络
无线传感器网络(wirelesssensornetwork，WSN)是综合了传感器技术、嵌入式计算机技术、分布式信息处理技术和无线通信技术，能够协作地实时监测、感知和采集网络分布区域内的各种环境或监测对象的信息，并对这些数据进行处理，获得详尽而准确的信息。传送到需要这些信息的用户。它是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成一个多跳的自组织的网络系统。传感器、感知对象和观察者构成了传感器网络的三要素。
无线传感器网络作为当今信息领域新的研究热点，涉及到许多学科交叉的研究领域，要解决的关键技术很多，比如：网络拓扑控制、网络协议、网络安全、时间同步、定位技术、数据融合、数据管理、无线通信技术等方面，同时还要考虑传感器的电源和节能等问题。
所谓部署问题，就是在一定的区域内，通过适当的策略布置传感器节点以满足某种特定的需求。优化节点数目和节点分布形式，高效利用有限的传感器网络资源，最大程度地降低网络能耗，均是节点部署时应注意的问题。
目前的研究主要集中在网络的覆盖问题、连通问题和能耗问题3个方面。
基于节点部署方式的覆盖：1)确定性覆盖2)自组织覆盖
基于网格的覆盖：1)方形网格2)菱形网格
被监测目标状态的覆盖：1)静态目标覆盖2)动态目标覆盖
连通问题可描述为在传感器节点能量有限，感知、通信和计算能力受限的情况下，采用一定的策略(通常设计有效的算法)在目标区域中部署传感器节点，使得网络中的各个活跃节点之间能够通过一跳或多跳方式进行通信。连通问题涉及到节点通信距离和通信范围的概念。连通问题分为两类：纯连通与路由连通。
覆盖中的节能对于覆盖问题，通常采用节点集轮换机制来调度节点的活跃／休眠时间。连通中的节能针对连通问题，也可采用节点集轮换机制与调整节点通信距离的方法。而文献中涉及最多的主要是从节约网络能量和平衡节点剩余能量的角度进行路由协议的研究。
‘捌’ 设计无线传感器网络的节点部署方案时必须考虑哪些问题
设计无线传感器网络节点需要遵循以下几个主要的原则。
（1）微型化与低成本
由于无线传感器网络节点数量大，只有实现节点的微型化与低成本才有可能大规模部署与应用。因此节点的微型化与低成本一直是研究人员追求的主要目标之一。对于目标跟踪与位置服务一类的应用来说，部署的无线传感器节点越密，定位精度就越高。对于医疗监控类的应用来说，微型节点容易被穿戴。实现节点的微型化与低成本需要考虑硬件与软件两个方面的因素，而关键是研制专用的片上系统（System on Chip，SoC）芯片。对于传统的个人计算机，内存2GB、硬盘100GB已经是常见的配置，而一个典型的无线传感器节点的内存只有4kB、程序存储空间只有10kB。正是因为传感器节点硬件配置的限制，所以节点的操作系统、应用软件结构的设计与软件编程都必须注意节约计算资源，不能够超出节点硬件可能支持的范围。
（2）低功耗
传感器节点在使用过程中受到电池能量的限制。在实际应用中，通常要求传感器节点数量很多，但是每个节点的体积很小，携带的电池能量十分有限。同时，由于无线传感器网络的节点数量多、成本低廉、部署区域的环境复杂，有些区域甚至人员不能到达，因此传感器节点通过更换电池来补充能源是不现实的。如何高效使用有限的电池能量，来最大化网络生命周期是无线传感器网络面临的最大的挑战。
传感器节点消耗能量的模块包括：传感器模块、处理器模块和无线通信模块。随着集成电路工艺的进步，处理器和传感器模块的功耗变得很低。图2-43给出了传感器节点各部分能量消耗情况。从图中可以看出，传感器节点能量的绝大部分消耗在无线通信模块。传感器节点发送信息消耗的电能比计算更大，传输1bit信号到相距100m的其他节点需要的能量相当于执行3000条计算指令消耗的能量。
图2-43传感器节点各部分能量消耗情况无线通信模块存在四种状态：发送、接收、空闲和休眠。无线通信模块在空闲状态一直监听无线信道的使用情况，检查是否有数据发送给自己，而在休眠状态则关闭通信模块。从图中可以看到，无线通信模块在发送状态的能量消耗最大；在空闲状态和接收状态的能量消耗接近，但略少于发送状态的能量消耗；在休眠状态的能量消耗最少。为让网络通信更有效率，必须减少不必要的转发和接收，不需要通信时尽快进入休眠状态，这是设计无线传感器网络协议时需要重点考虑的问题。
（3）灵活性与可扩展性
无线传感器网络节点的灵活性与可扩展性表现在适应不同的应用系统，或部署在不同的应用场景中。例如，传感器节点可以用于森林防火的无线传感器网络中，也可以用于天然气管道安全监控的无线传感器网络中；可以用于沙漠干旱环境下天然气管道安全监控，也可以用于沼泽地潮湿环境的安全监控；可以适应单一声音传感器精确位置测量的应用，也可以适应温度、湿度与声音等多种传感器的应用；节点可以按照不同的应用需求，将不同的功能模块自由配置到系统中，而不需重新设计新的传感器节点；节点的硬件设计必须考虑提供的外部接口，可以方便地在现有的节点上直接接入新的传感器。软件设计必须考虑到可裁剪，可以方便地扩充功能，可以通过网络自动更新应用软件。
（4）鲁棒性
普通的计算机或PDA、智能手机可以通过经常性的人机交互来保证系统的正常运行。而无线传感器节点与传统信息设备最大的区别是无人值守，一旦大量无线传感器节点被飞机抛洒或人工安置后，就需要独立运行。即使是用于医疗健康的可穿戴节点，也需要独立工作，使用者无法与其交互。对于普通的计算机，如果出现故障，人们可以通过重启来恢复系统的工作状态。而在无线传感器网络的设计中，如果一个节点崩溃，那么剩余的节点将按照自组网的思路，重新组成具有新拓扑的自组网。当剩余的节点不能够组成新的网络时，这个无线传感器网络就失效了。因此传感器节点的鲁棒性是实现无线传感器网络长时间工作重要的保证。更多http://www.big-bit.com/news/list-75.html
‘玖’ 无线传感器在网络中的应用设计
下面是由整理的毕业设计论文《无线传感器在网络中的应用设计》，欢迎阅读。
1引言
无线传感器网络(Wireless Sensor Networks，简称WSNs)是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信形成一个多跳自组织网络系统，能够实时监测、感知和采集网络分布区域内监视对象的各种信息，并加以处理，完成数据采集和监测任务。WSNs综合了传感器、嵌入式计算、无线通讯、分布式信息处理等技术，具有快速构建、自配置、自调整拓扑、多跳路由、高密度、节点数可变、无统一地址、无线通信等特点，特别适用于大范围、偏远距离、危险环境等条件下的实时信息监测，可以广泛应用于军事、交通、环境监测和预报、卫生保健、空间探索等各个领域。
2节点的总体设计和器件选型
2.1节点的总体设计
WSNs微型节点应用数量比较大，更换和维护比较困难，要求其节点成本低廉和工作时间尽可能长;功能上要求WSNs中不应该存在专门的路由器节点，每个节点既是终端节点，又是路由器节点。节点间采用移动自组织网络联系起来，并采用多跳的路由机制进行通信。因此，在单个节点上，一方面硬件必须低能耗，采用无线传输方式;另一方面软件必须支持多跳的路由协议。基于这些基本思想，设计了以高芦此空档8位AVR单片机ATmega128L为核心，结合外围传感器和2.4 GHz无线收发模块CC2420的WSNs微型节点。这两款器件的体积非常小，加上外围电路，其整体体积也很小，非常适合用作WSNs节点的元件。
图1给出WSNs微型节点结构。它由数据采集单元、数据处理单元、数据传输单元和电源管理单扒汪元4部分组成。数据采集单元负责监测区域内信息的采集和数据转换，设计中包括了可燃性气体传感器和湿度传感器;数据处理单元负责控制整个节点的处理操作、路由协议、同步定位、功耗管理、任务管理等;数据传输单元负责与其他节点进行无线通信，交换控制消息和收发采集数据;电源管理单元选通所用到的传感器，节点电源由几节AA电池组成，实际工业应用中采用微型纽扣电池，以进一步减小体积。为了调试方便及可扩展性，可将数据采集单元独立出来，做成两块能相互套接的可扩展主板。
2.2处理器选型
处理器的选型要求和指标是功耗低，保证长时间不更换电源也能顺利工作，供给电压小于5 V，有较快的处理速度和能力，由于节点是需要大量安置的，所以价格也要相对便宜。选用AVR单片机，考虑到电路中I/O的个数不多，功耗低、成本低、适合与无线器件接口配合等多方面因素，综合对比后，选用Atmel公司的ATmega128L。该微型控制器拥有丰富的片上资源，包括4个定时器、4 KB SRAM、128KB Flash和4 KBEEPROM;拥有UART、SPI、I2C、JTAG接口，方便无线器件和传感器的接入;有6种电源节能模式，方便低功耗设计。
2.3无线通信器件选型 CC2420是一款符合ZigBee技术的高集成度工业用射频收发器，其MAC层和PHY层协议符合802.15.4规范，工作于2.4 GHz频段。该器件只需极少外部元件，即可确保短距离通信的有效性和可靠性。数据传输单元模块支持数据传输率高达250 Kb/s，即可实现多点对多点的快速组网，系统体积小、成本低、功耗小，适于电池长期供电，具有硬件加密、安全可靠、组网灵活、抗毁性强等特点。
2.4传感器选型
由于WSNs是用于矿下安全监测，常要检测矿下可燃气体的浓度(预防瓦斯气体浓度过高)和空气湿度，所以要选择测量气体浓度和湿度的传感器。
2.4.1 HIH-4000系列测湿传感器
HIH-4000系列测湿传感器作为一个低成本、可软焊的单个直插式组件(SIP)能提供仪表测量质量的相对湿度(RH)传感性能。RH传感器可用在二引线间有间距的配量中，它是一个热固塑料型电容传感元件，其内部具有信号处理功能。传感器的多层结构对应用环境的不利因素，诸如潮湿、灰尘、污垢、油类和环境中常见的化学品具有最佳的抗力，因此可认定陪瞎它能适用矿下环境。
2.4.2 MR511热线型半导体气敏元件
MR511型气敏元件利用气体吸附在金属氧化物半导体表面而产生热传导变化及电传导变化的原理，由白金线圈电阻值变化测定气体浓度。MR511由检测元件和补偿元件配对组成电桥的两个臂，遇可燃性气体时，检测元件的电阻减小，桥路输出电压变化，该电压变化随气体浓度的增大而成比例增大，补偿元件具有温度补偿作用。MR511除具有灵敏度高、响应恢复时间短、稳定性好特点外，还具有功耗小，抗环境温湿度干扰能力强的优点。WSNs的节能和井下恶劣温湿环境要求MR5111可以满足。
3 WSNs节点设计
3.1数据采集单元
考虑到无线传感器网络节点的节能和井下恶劣的温湿环境，为了便于数据采集，系统设计采用HIH-4000-01型测湿度传感器和MR511热线型半导体气体传感器。图2、图3分别给出其电路设计图。
3.2数据处理单元
ATmega128L的外围电路设计简单，设计时注意在数字电路的电源并人多只电容滤波。ATmega128L的工作时钟源可以选取外部晶振、外部RC振荡器、内部RC振荡器、外部时钟源等方式。工作时钟源的选择通过ATmega128L的内部熔丝位来设计。熔丝位可以通过JTAG编程、ISP编程等方式设置。ATmega128L采用7.3728 MHz和32.768 kHz两个外部晶振。前者用作工作时钟，后者用作实时时钟源。
3.3数据传输单元
3.3.1 CC2420外围电路设计
图4给出数据传输单元的外围电路。CC2420只需要极少的外围元器件。其外围电路包括晶振时钟电路、射频输入/输出匹配电路和微控制器接口电路3部分。
射频输入/输出匹配电路主要用来匹配器件的输入输出阻抗，使其输入输出阻抗为50 Ω，同时为器件内部的PA及LNA提供直流偏置。射频输入/输出是高阻抗，有差别。射频端最适合的负载是115+j180 Ω。C61、C62、C71、C81、L61组成不平衡变压器，L62和L81匹配射频输入输出到50 Ω;L61和L62同时提供功率放大器和低噪声放大器的直流偏置。内部的T/R开关是为了切换低噪声放大器/功率放大器。R451偏置电阻是电流基准发生器的精密电阻。CC2420本振信号既可由外部有源晶体提供，也可由内部电路提供。若由内部电路提供时，需外加晶体振荡器和两只负载电容，电容的大小取决于晶体的频率及输入容抗等参数。设计采用16 MHz晶振时，其电容值约为22 pF。C381和C391是外部晶体振荡器的负载电容。片上电压调节器提供所有内部1.8 V电源的供应。C42是电压调节器的负载电容，用于稳定调节器。为得到最佳性能必须使用电源去耦。在应用中使用大小合适的去耦电容和功率滤波器是非常重要的。CC2420可以通过4线SPI总线(SI、SO、SCLK、CSn)设置器件的工作模式，并实现读，写缓存数据，读/写状态寄存器等。通过控制FIFO和FIFOP引脚接口的状态可设置发射/接收缓存器。
3.3.2配置IEEE 802.15.4工作模式
CC2420为IEEE 802.15.4的数据帧格式提供硬件支持。其MAC层的帧格式为：头帧+数据帧+校验帧;PHY层的帧格式为：同步帧+PHY头帧+MAC帧，帧头序列的长度可通过设置寄存器改变，采用16位CRC校验来提高数据传输的可靠性。发送或接收的数据帧被送入RAM中的128字节缓存区进行相应的帧打包和拆包操作。表1给出CC2420的四线串行SPI接口引脚功能。它是设计单片机电路的依据，充分发挥这些功能是设计无线通信产品的前提。
3.3.3 CC2420与单片机接口电路设计
图5给出CC2420与ATmega128L单片机的接口电路。CC2420通过简单的四线(SI、SO、SCLK、CSn)与SPI兼容串行接口配置，这时CC2420是受控的。ATmega128L的SPI接口工作在主机模式，它是SPI数据传输的控制方;CC2420设为从机工作方式。当ATmega128L的SPI接口设为主机工作方式时，其硬件电路不会自动控制SS引脚。因此，在SH通信时，应在SPI接口初始化，它是由程序控制SS，将其拉为低电平，此后，当把数据写入主机的SPI数据寄存器后，主机接口将自动启动时钟发生器，在硬件电路的控制下，移位传送，通过MOSI将数据移出ATmega128L，并同时从CC2420由MISO移人数据，8位数据全部移出时，两个寄存器就实现了一次数据交换。
4结语
通过对于无线传感器网络节点中传感器元件、数据处理模块、数据传输模块和电源的选择，设计了一种以CC2420和ATmega128L为主体的硬件方案。利用该方案设计的CC2420和ATmega128L的外围电路以及两者之间的接口电路。此外，还对传感器与单片机的接口电路进行设计。通过实验验证，设计的硬件节点基本上达到了项目要求，经调试能通过传感器正确真实地采集数据，并实现两个无线节点(两个电路板。AA电池供电)在30 m左右的通信、传输数据、并反映到终端设备。