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。

无线传感器网络协议体系结构
无线传感器网络的通信协议为五层结构：物理层、数据链路层、网络层、传输层、应用层。

其中通信部分位于数据链路层和物理层，采用的标准是IEEE 802.15.4。

通信部分采用的通信技术可以是有线、无线、红外等，其中无线技术可以是ZigBee、蓝牙、超带宽（UWB）等。

组网技术主要在传输层和网络层。

支撑技术主要在应用层实现，包括时间同步技术、定位技术、数据融合技术、能量管理和安全机制等，主要作用是保证用户功能的正常运行。

物理层作用是为终端设备提供数据传输的通路。

主要任务是信号的调制、数据收发速率、通信频段的选择以及传输介质的选取。

数据链路层作用是建立可靠的点到点、点到多点的通信链路，保证源节点发出的信息可以正确的传输到目标节点。

主要任务是数据成帧、帧检测、介质访问、差错控制和功率控制。

网络层作用是将数据由传感器节点可靠的传输到汇聚节
点。

主要任务是路由的发现和维护，确保终端的连通/无连通情况，路由的可达性以及寻找传感器节点和汇聚节点之间最优路径（能量消耗最小、延时最小）。

传输层作用是进行数据流的传输控制进而保证网络通信质量
应用层要为传感器网络应用提供时间同步服务、节点定位机制、节点管理协议、任务协议和数据广播管理协议。

无线传感器网络的拓扑设计和节点布置无线传感器网络是一种由许多分布在特定区域内的小型设备（称为节点）组成的网络，这些节点能够感知周围环境，并通过无线通信互相传递信息。

在构建无线传感器网络时，拓扑设计和节点布置是非常重要的环节，它们直接影响着网络的性能和可靠性。

本文将详细介绍无线传感器网络的拓扑设计和节点布置步骤，并列出相关注意事项。

一、拓扑设计步骤：1. 确定网络范围：首先需要确定无线传感器网络所覆盖的区域范围。

这取决于具体应用需求，可以是一个建筑物、一个户外场地或者更大的地理区域。

2. 确定网络节点数量：根据应用需求和覆盖范围，确定所需的节点数量。

通常，节点的密度会根据目标区域的大小和复杂度进行调整，以充分覆盖整个区域并获取准确的传感器数据。

3. 建立网络拓扑结构：在确定节点数量后，需要确定网络的拓扑结构。

常见的拓扑结构包括星型、树型、网状和混合型。

选择合适的拓扑结构可以提高网络的可扩展性、容错性和能效性。

4. 确定节点通信协议：根据具体应用需求和网络要求，选择适当的节点通信协议。

常用的协议有无线传感器网络协议（WSN）、低功耗蓝牙（BLE）等。

二、节点布置步骤：1. 节点部署策略：为了覆盖目标区域并最大限度地减少能量消耗，需要制定合适的节点布置策略。

通常，需要考虑以下因素：节点的通信范围、传感器数据的覆盖需求、节点之间的距离和通信质量等。

2. 节点位置选择：根据需要，选择合适的节点位置。

节点的位置应符合实际应用需求，并确保传感器能够准确感知到所需的环境数据。

3. 节点能量管理：由于节点通常使用电池供电，因此需要合理管理节点能量。

可以通过调整节点通信协议、降低节点功耗、使用能量高效的硬件等方法来延长节点寿命。

4. 安全防护考虑：在节点布置过程中，要考虑网络的安全防护。

选择合适的加密算法和安全机制，确保数据传输的安全性和机密性。

注意事项：1. 考虑环境因素：在拓扑设计和节点布置时，要考虑目标区域的具体环境因素，如建筑物结构、地形等。

无线传感器网络体系结构
一、无线传感器网络体系结构介绍
无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）是一类可实现智
能信息采集、处理和传输的无线网络，它以无线传感节点为基本构成部分，具有自组织、自传输、自自适应能力，可大大减少安装成本和维护成本。

无线传感器网络系统一般由一个中央管理单元、一些无线传感器节点、一
个或多个网关节点、一个或多个应用服务器以及网络管理和数据传输组织
构成。

1、中央管理单元
中央管理单元是无线传感器网络的最高级管理模块，负责系统中各模块、节点的组织、配置和管理，并通过与每个传感器节点的交互来监控系
统的状态。

2、无线传感器节点
3、网关节点
网关节点负责将无线传感器网络中传感器节点的采集到的信息传输到
应用服务器，以及把应用服务器发送到传感器节点的数据传输到传感器节点，它也可以起到路由的作用。

4、应用服务器。

无线传感器网络的技术和应用随着人们对信息化技术的越来越高的关注度，无线传感器网络的技术和应用也逐渐得到了广泛的关注。

无线传感器网络指的是一种由多个微型传感器节点组成的网络，这些节点可以搭载各种传感器，如温度传感器、湿度传感器、光线传感器等，通过无线通信方式进行数据的采集和传输。

这种网络可以广泛应用于环境监测、工业自动化、健康医疗等领域。

一、无线传感器网络的技术无线传感器网络的核心技术包括网络拓扑结构、数据采集和传输、能量管理等方面。

1.网络拓扑结构无线传感器网络的拓扑结构可以分为星型拓扑、树型拓扑和网格拓扑。

其中，星型拓扑结构是最简单的，节点直接连接到一个中心节点，数据传输只需要依靠中心节点转发即可。

而树型拓扑和网格拓扑更适用于大规模的节点部署，可以提高网络的可靠性和扩展性。

2.数据采集和传输无线传感器网络中的数据采集和传输是实现全局协同的基础。

传统的传感器网络使用的是区域协同方式，即每个节点只和周围节点通信，不能直接和其他地方节点通信。

而在无线传感器网络中，由于采用了全局协同的方式，节点之间可以直接进行数据的传输，从而大大提高了网络的效率和准确性。

3.能量管理无线传感器网络中的节点数量往往是非常庞大的，同时节点的电源也是一大瓶颈。

因此，如何进行有效的能量管理成为了无线传感器网络技术中的一大难点。

为了延长网络的寿命，需要对节点的能量进行合理的管理，例如采用能量平衡、低功耗通信等方式，从而实现节点能量的最大化利用。

二、无线传感器网络的应用无线传感器网路是一种用于数据采集、监测和控制的重要技术手段。

它可以应用于环境监测、交通、智能水利、智能农业等多个领域。

1.环境监测无线传感器网络可以应用于环境监测中，通过部署一定数量的传感器节点，可以实现对温度、湿度、气体等环境因素的实时监测，从而保证环境的安全和健康。

2.交通无线传感器网络可以应用于交通领域，通过部署一定数量的传感器节点，可以实现对路况、交通流量等数据的实时监测，从而为交通管理提供有力的支持。

无线传感器网络的拓扑结构与节点布局设计无线传感器网络是一种由大量分布在广泛范围内的无线传感器节点组成的网络系统。

这些节点可以自主地感知环境中的各种参数，并将数据传输给中心节点或其他节点。

在设计无线传感器网络时，拓扑结构和节点布局的选择至关重要，它们直接影响着网络的性能和可靠性。

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是指节点之间的连接方式和组织形式。

常见的拓扑结构包括星型、网状和混合型。

1. 星型拓扑结构星型拓扑结构是最简单且最常见的一种结构。

在星型结构中，所有的传感器节点都直接连接到一个中心节点，而节点之间没有直接的连接。

这种结构简单易于实现，但中心节点成为了整个网络的瓶颈，当中心节点发生故障时，整个网络将无法正常运行。

2. 网状拓扑结构网状拓扑结构是一种多对多的连接方式，每个节点都可以与其他节点直接通信。

这种结构具有较好的可靠性和冗余性，当某个节点发生故障时，其他节点仍然可以相互通信。

但网状结构的缺点是节点之间的通信距离较远，需要更多的能量和带宽。

3. 混合型拓扑结构混合型拓扑结构是星型和网状结构的组合，它综合了两种结构的优点。

在混合型结构中，节点可以通过中心节点进行通信，也可以直接与其他节点通信。

这种结构可以在保证可靠性的同时减少能量和带宽的消耗。

二、无线传感器网络的节点布局设计节点布局是指在感兴趣区域内合理地部署传感器节点，以实现对环境的有效监测和数据采集。

节点布局设计需要考虑以下几个方面：1. 覆盖范围节点的布局应该能够覆盖感兴趣区域的全部或部分范围。

覆盖范围的大小取决于具体应用需求，有些应用可能需要全覆盖，而有些应用只需要部分区域的覆盖。

2. 能量平衡节点的布局应该能够实现能量的平衡分配，避免某些节点能量过早耗尽而导致网络失效。

一种常见的策略是将能量消耗较大的节点与能量消耗较小的节点相互混合布置，以实现整个网络的能量均衡。

3. 通信距离节点的布局应该考虑节点之间的通信距离，以保证节点之间可以正常通信。

无线传感器网络体系结构Company Document number：WUUT-WUUY-WBBGB-BWYTT-1982GT无线传感器的网络体系结构一个典型的无线传感器网络的系统架构包括分布式无线传感器节点（群）、接收发送器汇聚节点、互联网或通信卫星和任务管理节点等，如下图所示：无线传感器网络系统架构其中A—E则为分布式无线传感器节点群，这些节点群随机部署在监测区域内部或附近，能够通过自组织方式构成网络。

这些节点通常是一个微型的嵌入式系统，它们的处理能力、存储能力和通信能力相对较弱，通过携带有限能量的电池供电。

从功能上看这些节点，它们不仅要对本地收集的信息进行收集及处理，而且要对其他节点转发来的数据进行存储、管理和融合等处理，同时与其他节点协作完成一些特定的任务。

汇聚节点的各方面能力相对于上述节点群而言相对比较强，它连接传感器网络、Internet等外部网络，实现两种协议栈之间的通信协议转换，同时发布管理节点的监测任务，并把收集的数据转发到外部网络上。

当我们设计无线传感器网络体系结构时要注重以下几个方面：1.节点资源的有效利用。

由于大量低成本微型节点的资源有限，怎样有效地管理和使用这些资源，并最大限度地延长网络寿命是WSN研究面临的一个关键技术挑战，需要在体系结构的层面上给予系统性的考虑。

可供着手的方面有:○1选择低功耗的硬件设备，设计低功耗的MAC协议和路由协议。

○2各功能模块间保持必要地同步，即同步休眠与唤醒。

○3从系统的角度设计能耗均衡的路由协议，而不是一味的追求低功耗的路由协议，这就需要体系结构提供跨层设计的便利。

○4由于节点上计算资源与存储资源有限，不适合进行复杂计算与大量数据的缓存，因此一些空间复杂度和时间复杂度高的协议与算法不适合于WSN的应用。

○5随着无线通信技术的进步，带宽不断增加，例如超宽带（UWB）技术支持近百兆的带宽。

WSN在不远的将来可以胜任视频音频传输，因此我们在体系结构上设计时需要考虑到这一趋势，不能仅仅停留在简单的数据应用上。