物聯(lián)網(wǎng)無線傳感器節(jié)點是什么，它都有哪些作用

你了解物聯(lián)網(wǎng)無線傳感器節(jié)點嗎？無線傳感器節(jié)點（WSN）在促進物聯(lián)網(wǎng)（IOT）發(fā)展方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。WSN的優(yōu)點在于，它的功耗極 低，尺寸極小，安裝簡便。對很多物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用而言，傳感器節(jié)點都發(fā)揮著重要作用。

什么是傳感器節(jié)點？傳感器節(jié)點是一種微型嵌入式設(shè)備，隸屬于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，要求它的價格低、功耗小，這些限制必然導(dǎo) 致其攜帶的處理器能力比較弱、存儲器容量比較小。為了完成各種任務(wù)，傳感器節(jié)點需要完成監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集 和轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)的管理和處理、應(yīng)答匯聚節(jié)點的任務(wù)請求和節(jié)點控制等多種工作。如何利用有限的計算和存儲資 源完成諸多協(xié)同任務(wù)成為傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的挑戰(zhàn)之一。

傳感器節(jié)點是無線傳感網(wǎng)的一個基本組成部分。根據(jù)應(yīng)用需求的不同，傳感器節(jié)點必須滿足的具體要求也 不同。傳感器節(jié)點可能是小型的、廉價的或節(jié)能的，必須配備合適的傳感器，具有必要的計算和存儲資源，并 且需要足夠的通信設(shè)施。一個典型的傳感器節(jié)點由感知單元、處理單元（包括處理器和存儲器）、通信單元、能星供給單元和其他 應(yīng)用相關(guān)單元組成。

感知單元主要用來采集現(xiàn)實世界的各種信息，如溫度、濕度、壓力、聲音等物理信息，并將傳感器采集到 的模擬信息轉(zhuǎn)換成數(shù)字信息，交給處理單元進行處理。處理單元負責整個傳感器節(jié)點的數(shù)據(jù)處理和操作，存儲本節(jié)點的采集數(shù)據(jù)和其他節(jié)點發(fā)來的數(shù)據(jù)。通信單元負責與其他傳感器節(jié)點進行無線通信、交換控制消息和收發(fā)采集數(shù)據(jù)。能量供給單元提供傳感器節(jié)點運行所需的能星，是傳感器節(jié)點最重要的單元之一。

另外，為了對節(jié)點精確定位以及對移動狀態(tài)進行管理，傳感器節(jié)點需要相應(yīng)的應(yīng)用支持單元，如位置查找 單元和移動管理單元。

從無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點來了解傳感器節(jié)點

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種無中心節(jié)點的全分布系統(tǒng)。通過隨機投放的方式，眾多傳感器節(jié)點被密集部箸于監(jiān) 控區(qū)域。這些傳感器節(jié)點集成有傳感器、數(shù)據(jù)處理單元和通信模塊，它們通過無線通道相連，自組織地構(gòu)成網(wǎng) 絡(luò)系統(tǒng)。傳感器節(jié)點借助于其內(nèi)置的形式多樣的傳感器，測星所在周邊環(huán)境中的熱、紅外、聲吶、雷達和地震波信 號，也包括溫度、濕度、噪聲、光強度、壓力、土壤成分、移動物體的大小、速度和方向等眾多人們感興趣的 物理現(xiàn)象。傳感器節(jié)點間具有良好的協(xié)作能力，通過局部的數(shù)據(jù)交換來完成全局任務(wù)。

下面將從無線無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的的特點來進一步了解傳感器節(jié)點：

大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)

為了獲取精確信息，在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)通常部署大量傳感器節(jié)點，傳感器節(jié)點數(shù)量可能達到成千上萬，甚至更多。傳感器網(wǎng)絡(luò)的大規(guī)模性包括兩方面的含義：一方面是傳感器節(jié)點分布在很大的地理區(qū)域內(nèi)，如在原始大森林中采用傳感器網(wǎng)絡(luò)進行森林防火和環(huán)境監(jiān) 測，需要部署大星的傳感器節(jié)點。

另一方面，傳感器節(jié)點部署很密集，在一個面積不是很大的空間內(nèi)，密集部署了大量的傳感器節(jié)點。傳感 器網(wǎng)絡(luò)的大規(guī)模性具有如下優(yōu)點：通過不同空間視角獲得的信息具有更大的信噪比；通過分布式處理大星的采 集信息能夠提高監(jiān)測的準確度，降低對單個節(jié)點傳感器的準確度要求；大量冗余節(jié)點的存在，使得系統(tǒng)具有很 強的容錯性能；大量節(jié)點能夠增大覆蓋的監(jiān)測區(qū)域，減少盲區(qū)。

自組織網(wǎng)絡(luò)

在傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中，通常情況下傳感器節(jié)點被放置在沒有基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的地方。傳感器節(jié)點的位置不能預(yù)先 精確設(shè)定，節(jié)點之間的相互鄰居關(guān)系預(yù)先也不知道，如通過飛機播撒大量傳感器節(jié)點到面積廣闊的原始森林 中，或隨意放置到人不可到達或危險的區(qū)域。

這樣就要求傳感器節(jié)點具有自組織的能力，能夠自動進行配置和管理，通過拓撲控制機制和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議自 動形成轉(zhuǎn)發(fā)監(jiān)測數(shù)據(jù)的多跳無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。在傳感器網(wǎng)絡(luò)的使用過程中，部分傳感器節(jié)點由于能量耗盡或環(huán)境 因素造成失效，也有一些節(jié)點為了彌補失效節(jié)點、增加監(jiān)測準確度而補充到網(wǎng)絡(luò)中，這樣在傳感器網(wǎng)絡(luò)中的 節(jié)點個數(shù)就動態(tài)地增加或減少，從而使網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)隨之動態(tài)地變化。傳感器網(wǎng)絡(luò)的自組織性要能夠適應(yīng) 這種網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)的動態(tài)變化。

多跳路由

網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點通信距離有限，一般在幾十到幾百米范圍內(nèi)，節(jié)點只能與它的鄰居直接通信。如果希望與其射 頻覆蓋范圍之外的節(jié)點進行通信，則需要通過中間節(jié)點進行路由。網(wǎng)絡(luò)的多跳路由使用網(wǎng)關(guān)和路由器來實 現(xiàn)，而無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的多跳路由是由普通網(wǎng)絡(luò)節(jié)點完成的，沒有專門的路由設(shè)備。這樣每個節(jié)點既可以是 信息的發(fā)起者，也可以是信息的轉(zhuǎn)發(fā)者。

動態(tài)性網(wǎng)絡(luò)

傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)可能因為下列因素而改變：環(huán)境因素或電能耗盡造成的傳感器節(jié)點出現(xiàn)故障或失效；環(huán)境條件變化可能造成無線通信鏈路帶寬變化，甚至?xí)r斷時通；傳感器網(wǎng)絡(luò)的傳感器、感知對象和觀察者這三要素都可能具有移動性；新節(jié)點的加入。這就要求傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)要能夠適應(yīng)這種變化，具有動態(tài)的系統(tǒng)可重構(gòu)性。

可靠的網(wǎng)絡(luò)傳感器網(wǎng)絡(luò)

可靠的網(wǎng)絡(luò)傳感器網(wǎng)絡(luò)特別適合部署在惡劣環(huán)境或人類不宜到達的區(qū)域，傳感器節(jié)點可能工作在露天環(huán)境 中，遭受太陽的暴曬或風(fēng)吹雨淋，甚至遭到無關(guān)人員或動物的破壞。傳感器節(jié)點往往采用隨機部箸，如通過飛 機播撒或發(fā)射“炮彈”到指定區(qū)域進行部署。

這些都要求傳感器節(jié)點非常堅固，不易損壞，適應(yīng)各種惡劣的環(huán)境條件。由于監(jiān)測區(qū)域環(huán)境的限制以及 傳感器節(jié)點數(shù)目巨大，不可能人工“照顧”到每個傳感器節(jié)點，網(wǎng)絡(luò)的維護十分困難甚至不可維護。傳感器網(wǎng) 絡(luò)的通信保密性和安全性也十分重要，要防止監(jiān)測數(shù)據(jù)被盜取和獲取偽造的監(jiān)測信息。因此，傳感器網(wǎng)絡(luò)的軟 硬件必須具有魯棒性和容錯性。

(6)以數(shù)據(jù)為中心的網(wǎng)絡(luò)

傳感器網(wǎng)絡(luò)是任務(wù)型的網(wǎng)絡(luò)，脫離傳感器網(wǎng)絡(luò)談?wù)搨鞲衅鞴?jié)點沒有任何意義。傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點采用節(jié) 點編號標志，節(jié)點編號是否需要全網(wǎng)唯一取決于網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議的設(shè)計。由于傳感器令點隨機部署，構(gòu)成的傳感 器網(wǎng)絡(luò)與節(jié)點編號之間的關(guān)系是完全動態(tài)的，表現(xiàn)為節(jié)點編號與節(jié)點位置沒有必然聯(lián)系。用戶使用傳感器網(wǎng)絡(luò) 查詢事件時，直接將所關(guān)心的事件通告給網(wǎng)絡(luò)，而不是通告給某個確定編號的節(jié)點。網(wǎng)絡(luò)在獲得指定事件的 信息后匯報給用戶。

這種以數(shù)據(jù)本身作為査詢或傳輸線索的思想更接近于自然語言交流的習(xí)慣。所以通常說傳感器網(wǎng)絡(luò)是一 個以數(shù)據(jù)為中心的網(wǎng)絡(luò)。例如，在應(yīng)用于目標跟蹤的傳感器網(wǎng)絡(luò)中，跟蹤目標可能出現(xiàn)在任何地方，對目標 感興趣的用戶只關(guān)心目標出現(xiàn)的位置和時間，并不關(guān)心哪個節(jié)點監(jiān)測到目標。事實上，在目標移動的過程 中，必然是由不同的節(jié)點來提供目標的位置消息的。

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