你了解物联网无线传感器节点吗?

发布时间:2020年10月12日

你了解物联网无线传感器节点吗?

无线传感器节点(WSN)在促进物联网(IOT)发展方面发挥着关键作用。WSN的优点在于,它的功耗极 低,尺寸极小,安装简便。对很多物联网的应用而言,传感器节点都发挥着重要作用。

什么是传感器节点?

传感器节点是一种微型嵌入式设备,隶属于无线传感器网络,要求它的价格低、功耗小,这些限制必然导 致其携带的处理器能力比较弱、存储器容量比较小。为了完成各种任务,传感器节点需要完成监测数据的采集 和转换、数据的管理和处理、应答汇聚节点的任务请求和节点控制等多种工作。如何利用有限的计算和存储资 源完成诸多协同任务成为传感器网络设计的挑战之一。

传感器节点是无线传感网的一个基本组成部分。根据应用需求的不同,传感器节点必须满足的具体要求也 不同。传感器节点可能是小型的、廉价的或节能的,必须配备合适的传感器,具有必要的计算和存储资源,并 且需要足够的通信设施。

一个典型的传感器节点由感知单元、处理单元(包括处理器和存储器)、通信单元、能星供给单元和其他 应用相关单元组成。

感知单元主要用来采集现实世界的各种信息,如温度、湿度、压力、声音等物理信息,并将传感器采集到 的模拟信息转换成数字信息,交给处理单元进行处理。

处理单元负责整个传感器节点的数据处理和操作,存储本节点的采集数据和其他节点发来的数据。

通信单元负责与其他传感器节点进行无线通信、交换控制消息和收发采集数据。

能量供给单元提供传感器节点运行所需的能星,是传感器节点最重要的单元之一。

另外,为了对节点精确定位以及对移动状态进行管理,传感器节点需要相应的应用支持单元,如位置查找 单元和移动管理单元。

你了解物联网无线传感器节点吗?

从无线传感器网络的特点来了解传感器节点

无线传感器网络是一种无中心节点的全分布系统。通过随机投放的方式,众多传感器节点被密集部箸于监 控区域。这些传感器节点集成有传感器、数据处理单元和通信模块,它们通过无线通道相连,自组织地构成网 络系统。

传感器节点借助于其内置的形式多样的传感器,测星所在周边环境中的热、红外、声呐、雷达和地震波信 号,也包括温度、湿度、噪声、光强度、压力、土壤成分、移动物体的大小、速度和方向等众多人们感兴趣的 物理现象。传感器节点间具有良好的协作能力,通过局部的数据交换来完成全局任务。

下面将从无线无线传感器网络的的特点来进一步了解传感器节点:

大规模网络

为了获取精确信息,在监测区域内通常部署大量传感器节点,传感器节点数量可能达到成千上万,甚至更 多。

传感器网络的大规模性包括两方面的含义:

一方面是传感器节点分布在很大的地理区域内,如在原始大森林中采用传感器网络进行森林防火和环境监 测,需要部署大星的传感器节点。

另一方面,传感器节点部署很密集,在一个面积不是很大的空间内,密集部署了大量的传感器节点。传感 器网络的大规模性具有如下优点:通过不同空间视角获得的信息具有更大的信噪比;通过分布式处理大星的采 集信息能够提高监测的准确度,降低对单个节点传感器的准确度要求;大量冗余节点的存在,使得系统具有很 强的容错性能;大量节点能够增大覆盖的监测区域,减少盲区。

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自组织网络

在传感器网络应用中,通常情况下传感器节点被放置在没有基础结构的地方。传感器节点的位置不能预先 精确设定,节点之间的相互邻居关系预先也不知道,如通过飞机播撒大量传感器节点到面积广阔的原始森林 中,或随意放置到人不可到达或危险的区域。

这样就要求传感器节点具有自组织的能力,能够自动进行配置和管理,通过拓扑控制机制和网络协议自 动形成转发监测数据的多跳无线网络系统。在传感器网络的使用过程中,部分传感器节点由于能量耗尽或环境 因素造成失效,也有一些节点为了弥补失效节点、增加监测准确度而补充到网络中,这样在传感器网络中的 节点个数就动态地增加或减少,从而使网络的拓扑结构随之动态地变化。传感器网络的自组织性要能够适应 这种网络拓扑结构的动态变化。

多跳路由

网络中节点通信距离有限,一般在几十到几百米范围内,节点只能与它的邻居直接通信。如果希望与其射 频覆盖范围之外的节点进行通信,则需要通过中间节点进行路由。网络的多跳路由使用网关和路由器来实 现,而无线传感器网络中的多跳路由是由普通网络节点完成的,没有专门的路由设备。这样每个节点既可以是 信息的发起者,也可以是信息的转发者。

动态性网络

传感器网络的拓扑结构可能因为下列因素而改变:

环境因素或电能耗尽造成的传感器节点出现故障或失效;

环境条件变化可能造成无线通信链路带宽变化,甚至时断时通;

传感器网络的传感器、感知对象和观察者这三要素都可能具有移动性;

新节点的加入。这就要求传感器网络系统要能够适应这种变化,具有动态的系统可重构性。

可靠的网络传感器网络

可靠的网络传感器网络特别适合部署在恶劣环境或人类不宜到达的区域,传感器节点可能工作在露天环境 中,遭受太阳的暴晒或风吹雨淋,甚至遭到无关人员或动物的破坏。传感器节点往往采用随机部箸,如通过飞 机播撒或发射“炮弹”到指定区域进行部署。

这些都要求传感器节点非常坚固,不易损坏,适应各种恶劣的环境条件。由于监测区域环境的限制以及 传感器节点数目巨大,不可能人工“照顾”到每个传感器节点,网络的维护十分困难甚至不可维护。传感器网 络的通信保密性和安全性也十分重要,要防止监测数据被盗取和获取伪造的监测信息。因此,传感器网络的软 硬件必须具有鲁棒性和容错性。

(6)以数据为中心的网络

传感器网络是任务型的网络,脱离传感器网络谈论传感器节点没有任何意义。传感器网络中的节点采用节 点编号标志,节点编号是否需要全网唯一取决于网络通信协议的设计。由于传感器令点随机部署,构成的传感 器网络与节点编号之间的关系是完全动态的,表现为节点编号与节点位置没有必然联系。用户使用传感器网络 查询事件时,直接将所关心的事件通告给网络,而不是通告给某个确定编号的节点。网络在获得指定事件的 信息后汇报给用户。

这种以数据本身作为査询或传输线索的思想更接近于自然语言交流的习惯。所以通常说传感器网络是一 个以数据为中心的网络。例如,在应用于目标跟踪的传感器网络中,跟踪目标可能出现在任何地方,对目标 感兴趣的用户只关心目标出现的位置和时间,并不关心哪个节点监测到目标。事实上,在目标移动的过程 中,必然是由不同的节点来提供目标的位置消息的。


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