无线传感器网络节点结构

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。

物联网中的无线传感器节点网络拓扑设计物联网（Internet of Things，简称IoT）是未来科技的重要发展方向之一，它将各类智能设备连接到互联网上，实现设备之间的无缝通信和数据共享。

无线传感器节点网络是物联网中的重要组成部分，它由大量的传感器节点组成，能够采集环境数据并通过无线通信传输给数据中心或其他节点。

在设计无线传感器节点网络的拓扑结构时，需要考虑多个因素，包括网络的可靠性、能耗、时延和扩展性等。

以下将介绍几种常见的无线传感器节点网络拓扑设计。

1. 星形拓扑星形拓扑是最简单和最常见的无线传感器节点网络拓扑结构。

在星形拓扑中，所有的传感器节点都连接到一个中心节点，中心节点负责收集和处理传感器节点的数据，并将数据发送给数据中心或其他节点。

星形拓扑具有简单、易于管理和扩展的优点，但对无线通信距离和能耗要求较高。

2. 树状拓扑树状拓扑是一种层次结构的网络拓扑结构，由一个根节点和多个子节点组成。

根节点负责收集和处理子节点的数据，子节点之间也可以互相通信。

树状拓扑结构具有较好的扩展性和灵活性，节点之间的通信距离较星形拓扑更远，能耗也相对较低。

3. 网状拓扑网状拓扑由多个节点互相连接组成，每个节点可以直接和其他节点通信。

网状拓扑结构具有高度的可靠性，即使某个节点失效，仍然可以通过其他节点进行通信。

网状拓扑广泛应用于需要大范围覆盖和高可靠性的场景，例如城市环境监测和灾难救援等。

4. 混合拓扑混合拓扑是以上几种拓扑结构的组合，根据具体需求设计。

混合拓扑结构可以兼顾各种因素，例如将星形和树状结合，实现高可靠性和较低的能耗。

在进行无线传感器节点网络拓扑设计时，还需考虑节点位置布局和信号传输等因素。

传感器节点的位置布局要合理，以保证网络的覆盖范围和网络质量。

信号传输方面，可以通过选择合适的无线技术和协议，优化信号传输质量和能耗。

此外，还需考虑物联网的安全性和隐私保护。

物联网中的传感器节点可能涉及到用户的个人隐私和敏感数据，因此需要采取合适的安全措施，例如数据加密和身份认证等，保障网络和数据的安全。

一、无线传感器网络的概述1、无线传感器网络定义，无线传感器网络三要素，无线传感器网络的任务，无线传感器网络的体系构造示意图，组成局部〔P1-2〕定义：无线传感器网络〔wireless sensor network, WSN〕是由部署在监测区域内大量的本钱很低、微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一种多跳自组织的网络系统，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖范围内感知对象的信息，并发送给观看者或者用户另一种定义：无线传感器网络(WSN)是大量的静止或移动的传感器以自组织和多跳的方式构成的无线网络，目的是协作地采集、处理和传输网络掩盖地域内感知对象的监测信息，并报告给用户三要素：传感器，感知对象和观看者任务：利用传感器节点来监测节点四周的环境，收集相关的数据，然后通过无线收发装置承受多跳路由的方式将数据发送给会聚节点，再通过会聚节点将数据传送到用户端，从而到达对目标区域的监测体系构造示意图：组成局部：传感器节点、会聚节点、网关节点和基站2、无线传感器网络的特点〔P2-4〕（1）大规模性且具有自适应性（2）无中心和自组织（3）网络动态性强（4）以数据为中心的网络（5）应用相关性3、无线传感器网络节点的硬件组成构造〔P4-6〕无线传感器节点的硬件局部一般由传感器模块、处理器模块、无线通信模块和能量供给模块4 局部组成。

4、常见的无线传感器节点产品，几种Crossbow 公司的Mica 系列节点〔Mica2、Telosb〕的硬件组成〔P6〕5、无线传感器网络的协议栈体系构造〔P7〕1.各层协议的功能应用层：主要任务是猎取数据并进展初步处理，包括一系列基于监测任务的应用层软件传输层：负责数据流的传输掌握网络层：主要负责路由生成与路由选择数据链路层：负责数据成帧，帧检测，媒体访问和过失掌握物理层：实现信道的选择、无线信号的监测、信号的发送与接收等功能2.治理平台的功能（1）能量治理平台治理传感器节点如何使用能源。

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。

基于系统集成技术的节点类型和特点在节点的功能设计和实现方面，目前常用的节点均为采用分立元器件的系统集成技术。

已出现的多种节点的设计和平台套件，在体系结构上有相似性，主要区别在于采用了不同的微处理器，如AVR系列和MSP430系列等；或者采用了不同的射频芯片或通信协议，比如采用自定义协议、802.11协议、ZigBee[1]协议、蓝牙协议以及UWB通信方式等。

典型的节点包括Berkeley Motes [2，3], Sensoria WINS[4], MIT µAMPs [5], Intel iMote [6], Intel XScale nodes [7], CSRIO研究室的CSRIO节点[8]、Tmote [9]、ShockFish公司的TinyNode[10]、耶鲁大学的XYZ节点[11] 、smart-its BTNodes[12]等。

国内也出现诸多研究开发平台套件，包括中科院计算所的EASI系列[13-14]，中科院软件所、清华大学、中科大、哈工大、大连海事大学等单位也都已经开发出了节点平台支持网络研究和应用开发。

这些由不同公司以及研究机构研制的无线节点在硬件结构上基本相同，包括处理器单元、存储器单元、射频单元，扩展接口单元、传感器以及电源模块。

其中，核心部分为处理器模块以及射频通信模块。

处理器决定了节点的数据处理能力和运行速度等，射频通信模块决定了节点的工作频率和无线传输距离，它们的选型能在很大程度上影响节点的功能、整体能耗和工作寿命。

目前问世的传感节点（负责通过传感器采集数据的节点）大多使用如下几种处理器：ATMEL公司AVR系列的ATMega128L处理器，TI公司生产的MSP430系列处理器，而汇聚节点（负责会聚数据的节点）则采用了功能强大的ARM处理器、8051内核处理器、ML67Q500x系列或PXA270处理器。

这些处理器的性能综合比较见表1。

表1、无线传感器网络节点中采用的处理器性能比较在无线传感器网络中，广泛应用的底层通信方式包括使用ISM波段的普通射频通信、具有802.15.4协议和蓝牙通信协议的射频通信。