从头到尾解读无线传感器网络

随着传感器技术、 嵌入式技术、 分布式信息处理技术和无线通信技术的发展， 以大量的具有微处理能力的微型传感器节点组成的无线传感器网络(WSN)逐渐成为研究热点问题。

无线传感器网络

无线传感器网络(Wireless Sensor Networks, WSN)是一种分布式传感网络，由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，以协作地感知、采集、处理和传输网络覆盖地理区域内被感知对象的信息，并最终把这些信息发送给网络的所有者。传感器、感知对象和观察者构成了无线传感器网络的三个要素。
 

无线传感器网络所具有的众多类型的传感器，可探测包括地震、电磁、温度、湿度、噪声、光强度、压力、土壤成分、移动物体的大小、速度和方向等周边环境中多种多样的现象。潜在的应用领域可以归纳为: 军事、航空、防爆、救灾、环境、医疗、保健、家居、工业、商业等领域。

与传统有线网络相比，无线传感器网络技术具有很明显的优势特点，主要的要求有： 低能耗、 低成本、 通用性、 网络拓扑、 安全、 实时性、 以数据为中心等。

无线传感器网络系统的典型结构

采用同构网络实现远程监测的无线传感器网络系统典型结构， 由传感器节点、 汇聚节点、 服务器端的PC和客户端的PC四大硬件环节组成， 各组成环节功能如下。

图1 远程监测无线传感器网络系统结构框图

传感器节点

部署在监测区域（A区）， 通过自组织方式构成无线网络。 传感器节点监测的数据沿着其它节点逐跳进行无线传输， 经过多跳后达到汇聚节点（B区）。

汇聚节点

是一个网络协调器， 负责无线网络的组建， 再将传感器节点无线传输进来的信息与数据通过SCI（ 串行通信接口）传送至服务器端PC。

服务器端PC

是一个位于B区的管理节点， 也是独立的Internet网关节点。 在LabVIEW软件平台上面有两个软件： 一是对传感器无线网络进行监测管理的软件平台VI， 即一个监测传感器无线网络的虚拟仪器VI； 二是Web Server软件模块和远程面板技术(Remote Panel)， 可实现传感器无线网络与Internet的连接。

客户端PC

客户端PC上无需进行任何软件设计， 在浏览器中就可调用服务器PC中无线传感器网络监测虚拟仪器的前面板， 实现远程异地（C区）对传感器无线网络（A区）的监测与管理。

无线传感器网络中的传感器节点

1． 传感器及其调理电路

应根据无线传感器网络所在的地区环境特点来选择传感器， 以适应环境温度变化范围、 尺寸体积等特殊要求。 传感器所配接的调理电路将传感器输出的变化量转换成能与A/D转换器相适配的0~2.5 V或0~5 V的电压信号。 当处于无电网供电地区时， 传感器及其调理电路都应是低功耗的。

2． 数据采集及A/D转换器与微处理器系统

传感器节点中的计算机系统是低功耗的单片微处理器系统， 可以适应远离测试中心、 偏远地区恶劣环境的工作条件。 如美国德克萨斯州仪器（TI）公司生产的MSP430－F149A超低功耗混合信号处理器(Mixed Signal Processor)， 它内部自带采样/保持器和12位A/D转换器， 可对信号进行采集、 转换以及对全节点系统进行指令控制和数据处理。

3． 射频模块

射频模块接收外部无线指令并将传感器检测到的被测参量数据信息无线发送出去， 如TI公司的CC2420无线收发芯片。

4． 电源

无线传感器网络中对传感器节点的供电是一个极具特殊性的正处于研究热点的技术问题。 若节点处于远离电网的偏远地区， 一般采用电池供电或无线射频供电方式。

无线传感器网络中的汇聚节点

图1中的无线传感器网络汇聚节点是一个网络协调器， 操作PC中监测管理软件平台的面板控件， 在其指令下负责执行无线传感器网络的配置与组建， 并将接收到的传感器节点无线传输的数据信息再传至PC机。 通常协调器主要由微处理器系统、 射频模块、 通信接口以及电源四个部分组成， 其硬件组成框图如图所示。

无线网络协调器硬件组成框图

1． 通信接口

协调器中的通信接口负责与PC机进行通信。 一方面， 当操作PC机中无线传感器网络监测平台VI前面板上的相应控件时， 通信接口负责传递下达的相应指令， 如检索网络、 发送数据等； 另一方面， 协调器接收到传感器节点无线发送的数据信息时， 也将其通过通信接口上传到PC中。

2． 微处理器系统

协调器中的微处理器是整个无线传感器网络的主控制器， 是协调器的核心。

3． 射频模块

该射频模块将接收传感器节点无线发送的数据信息， 经通信接口上