2 无线传感器网络

2.1 无线传感器网络体系结构

无线传感器网络由大量高密度分布的处于被观测对象内部或周围的传感器节点组成、其节点不需要预先安装或预先决定位置，这样提高了动态随机部署于不可达或危险地域的可行性、传感器网络具有广泛的应用前景，范围涵盖医疗、军事和家庭等很多领域。例如，传感器网络快速部署、自组织和容错特性使其在军事指挥、控制、通信、计算、智能、监测、勘测方面起到不可替代的作用；在医疗领域，传感器网络可以用来监测病人身体情况并辅助残障病人；其他商业应用还包括跟踪产品质量、监测危险地域等[3]。

无线传感器网络拥有和传统的无线网络不同的体系结构。一般而言，传感器节点由四部分组成：采集单元、处理单元、通讯单元和电源单元。它们各自负责自己的工作：采集单元负责监测区域内的信息采集，并进行数据格式的转换，将原始的模拟信号转换成数字信号，将交流信号转换成直流信号，以供后续模块使用；处理单元又分成两部分，分别是CPU和存储器，它们分别负责处理节点的控制和数据存储的工作；通讯单元专门负责节点之间的相互通信；电源单元负责为传感器节点提供能量，一般采用微型电池供电。

2.2 无线传感器网络特点

目前常见的无线网络包括移动通信网、无线局域网、蓝牙网络等，它们和无线传感器网络在通信方式、动态组网以及多跳通信等存在许多相似之处，但同时也存在很大的差别。无线传感器网络具有许多其独有的特点：

(1)电源能量有限

传感器节点体积小，通常只能携带能量有限的电池。由于传感器节点数目庞大，成本低廉，分布区域广，而且部署环境复杂，所以让传感器节点通过更换电池的方式来补充能源是不现实的。如何在使用中节约能源，最大化网络的生命周期，是传感器网络面临的首要挑战。

(2)通信能量有限

传感器网络的通信带宽窄而且经常变化，通信覆盖范围只有几十到几百米。传感器节点之间的通信断接频繁，经常容易导致通信失败。由于传感器网络更多地受到高山、建筑物、障碍物等地势地貌以及风雨雷电等自然环境的影响，传感器可能会长时间脱离网络，离线工作。如何在通信能力有限的条件下高质量地完成信息的处理与传输，是传感器网络面临的挑战之一。

(3)计算能力有限

传感器节点是一种微型嵌入式设备，它价格低功耗小，这些限制必然导致其处理能力比较弱，存储容量比较小。为了完成各种任务，传感器节点需要完成数据的采集和转换、数据的管理和处理、汇聚节点的任务请求和节点控制等多种工作。如何利用有限的计算能力和存储资源完成诸多协同任务成为传感器网络设计的挑战。

(4)网络规模大，分布广

传感器网络中的节点分布密集，数量巨大。此外，传感器网络可以分布在很广泛的地理区域。传感器网络的这一特点使得网络的维护十分困难甚至不可维护，因此传感器网络的软、硬件必须具有健壮性和容错性，以满足传感器网络的功能要求。

(5)自组织、动态性网络源`自,751`.论"文'网[www.751com.cn

在传感器网络应用中，节点通常被放置在没有基础结构的地方。传感器节点的位置不能预先精确设定。这就对传感器节点自组织能力提出了要求，节点要能够自行配置和管理，通过拓扑控制机制和网络协议自动形成转发监控数据的多跳无线网络系统。同时，由于部分传感器节点能量耗尽或环境因素造成失效，以及经常有新节点加入，这就要求传感器网络必须具有很强的动态性，以适应网络拓扑结构的动态变化。 ZigBee农作物生长环境监测仪设计(3):http://www.751com.cn/zidonghua/lunwen_61018.html