第2章 无线传感器网络体系结构

无线传感器网络实用教程课件,介绍了无线传感器的原理及实践开发技术和无线传感器网络实践开发技术

第2章 无线传感器网络体系结构

2.1 体系结构概述无线传感器网络包括4类基本实体对象：目标、观测节点、传感节点和感 知视场。另外，还需定义外部网络、远程任务管理单元和用户来完成对整个 系统的应用刻画，如图2-1所示。大量传感节点随机部署，通过自组织方式构 成网络，协同形成对目标的感知视场。传感节点检测的目标信号经本地简单 处理 后通过邻近传感节点多跳传输到观测节点。用户和远程任务管理单元通 过外部网络，比如卫星通信网络或Internet,与观测节点进行交互。观测节点 向网络发布查询请求和控制指令，接收传感节点返回的目标信息。目标外部网络 (UAV、卫星通信 网、互联网等)

远程任务管理

用户

数据传输或 信令交换 感知现场 传感器节点

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第2章 无线传感器网络体系结构

传感节点具有原始数据采集、本地信息处理、无线数据传输及与其它节点 协同工作的能力，依据应用需求，还可能携带定位，能源补给或移动等模块。 节点可采用飞行器撒播、火箭弹射或人工埋置等方式部署。 目标是网络感兴趣的对象及其属性，有时特指某类信号源。传感节点通过 目标的热、红外、声纳、雷达或震动等信号，获取目标温度、光强度、噪声、 压力、运动方向或速度等属性。传感节点对感兴趣目标的信息获取范围称为 该节点的感知视场，网络中所有节点视场的集合称为该网络的感知视场。当 传感节点检测到的目标信息超过设定阀值，需提交给观测节点时，被称为有 效节点。 观测节点具有双重身份。一方面，在网内作为接收者和控制者，被授权监 听和处理网络的事件消息和数据，可向传感器网络发布查询请求或派发任务； 另一方面，面向网外作为中继和网关完成传感器网络与外部网络间信令和数 据的转换，是连接传感器网络与其它网络的桥梁。通常假设观测节点能力较 强，资源充分或可补充。观测节点有被动触发和主动查询两种工作模式，前 者被动地由传感节点发出的感兴趣事件或消息触发，后者则周期扫描网络和 查询传感节点，较常用。

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第2章 无线传感器网络体系结构

2.2 无线传感器网络体系结构2.2.1 无线传感器网络物理体系结构 无线传感器网络系统架构如图2-2所示，无线传感器网络系统通常包括传 感器节点(sensor node)、汇聚节点(sink node)和管理节点。大量传感器节点 随机部署在监测区域(sensor field)内部或附近，具有无线通信与计算能力的 微小传感器网络节点通过自组织的方式构成的能够根据环境自主完成指定任 务的分布式智能化网络系统，并以协作的方式实现感知、采集和处理网络覆 盖区域中的信

息，通过多跳后路由到汇聚节点，最后通过互联网或者卫星到 达数据处理中心管理节点。用户通过管理节点沿着相反的方向对传感器网络 进行配置和管理，发布监测任务以及收集监测数据。

Internet、卫星或移动 通信网络等

汇聚节点 监测区域 传感器节点

任务管理中心

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1.传感器节点 (1)数据采集模块

(2)处理控制模块(3)无线通信模块 (4)能量供应模块 2. 汇聚节点 3.管理节点

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2.2.2 无线传感器网络软件体系结构无线传感器网络中间件和平台软件体系结构主要分为四个层次：网络适配层、基础 软件层、应用开发层和应用业务适配层。其中，网络适配层和基础软件层组成无线传 感器网络节点嵌入式软件(部署在无线传感器网络节点中)的体系结构，应用开发层和基 础软件层组成无线传感器网络应用支撑结构(支持应用业务的开发与实现)。 (1)网络适配层： (2)基础软件层： 1)网络中间件 2)配置中间件 3)功能中间件 4)管理中间件管 理基于无线传感器网络的应用程序

军事 侦察

环境 监测

健康

…

商业

无线传感器网络的应用支撑技术

信 息 安 全

无线传感器 网络中间件 与平台软件

5)安全中间件无线传感器网络的基础设施

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2.2.3 无线传感器网络的协议栈无线传感器网络的协议栈包括物理层、数据链路层、网络层、传输层和应 用层，还包括能量管理、移动管理和任务管理等平台。这些管理平台使得传 感器节点能够按照能源高效的方式协同工作，在节点移动的传感器网络中转 发数据，并支持多任务和资源共享。 图2-5所示为协议栈模型，定位和时间子层在协议栈中的位置比较特殊， 它们既要依赖于数据传输通道进行协作定位和时间同步协商，同时又要为各 层网络协议提供信息支持，如基于时分复用的MAC协议、基于地理位置的路 由协议等都需要定位和同步信息。应用服务接口 网络管理接口

应用层

时间同步

节点定位 安 全 / 移 动 / 能 量

传输层

传输控制

网络层

路由

数据链路层 物理层

MAC

拓 扑 控 制

服 务 质 量

网 络 管 理

声、光、电、磁

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2.2.4 无线传感器网络通信体系结构(1)物理层 (2)数据链路层 (3)网络层 (4)传输控制层 (5)应用层应用层分布式网络服务接口 时间同步 节点定位 分布式网格 管理接口

传输层Qos

传输控制 安 全 机 制

能 源 管 理

网络层

路由 信道接入 拓扑生成

拓 扑 管 理

网 络 管 理

数据链路层 物理层无线电

红外线

光波

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第2章 无

线传感器网络体系结构

2.3 小结传感器网络的体系结构受应用驱动。总的说来，灵活性、容错性、高密度 以及快速部署等传感器网络的特征为其带来了许多新的应用、在未来，有许 多广阔的应用领域可以使传感器网络成为人们生活中的一个不可缺少的组成 部分，实现这些和其他的传感器网络的应用需要自组织网络技术。然而，传 统Ad hoc网络的技术并不能够完全适应于传感器网络的应用。因此，充分认 识和研究传感器网络自组织方式及传感器网络的体系结构，为网络协议和算 法的标准化提供理论依据，为设备制造商的实现提供参考，成为当前无线传 感器网络研究领域中一项十分紧迫的任务。也只有从网络体系结构的研究入 手，带动传感器组织方式及通信技术的研究，才能更有力地推动这一具有战 略意义的新技术的研究和发展。