无线传感器网络基础|分类，拓扑，应用

在本教程中，我们将了解什么是无线传感器网络或WSN，无线传感器网络发展的动机是什么，无线传感器网络的不同应用，网络节点背后的拓扑结构和许多其他主题。

简介

从电子工程师的角度来看，传感器是一种用来收集关于物理过程或物理现象的信息，并将其转化为可以处理、测量和分析的电信号的设备。

在上述传感器定义中使用的术语物理过程可以是任何现实世界的信息，如温度、压力、光、声音、运动、位置、流量、湿度、辐射等。

传感器网络是一种由传感器、计算单元和通信元件组成的结构，其目的是记录、观察和对事件或现象作出反应。

事件可以与物理世界、工业环境、生物系统或IT(信息技术)框架等任何事物相关，而控制或观察主体可以是消费者应用程序、政府、民用、军事或工业实体。

这种传感器网络可用于遥感、医疗遥测、监视、监测、数据收集等。

什么是无线传感器网络?

如前所述，典型的传感器网络由传感器、控制器和通信系统组成。如果传感器网络中的通信系统使用无线协议实现，则该网络称为无线传感器网络或简称WSNs。

根据技术专家和研究人员的说法，无线传感器网络作为一个实体是二十一世纪的一项重要技术。MEMS传感器(微型机电系统)和无线通信的最新发展使廉价、低功耗、微型和智能传感器成为可能，这些传感器可以部署在广泛的区域，并可以通过无线链路和互联网进行互连，用于各种民用和军事应用。

无线传感器网络由传感器节点(我们将在后面看到这一点)组成，它们高密度部署，通常大量部署，支持传感、数据处理、嵌入式计算和连接。

无线传感器网络的动力

工程、通信和网络领域的最新发展导致了新的传感器设计、信息技术和无线系统的出现。这种先进的传感器可以作为连接物理世界和数字世界的桥梁。

传感器被用于许多设备、工业、机器和环境，有助于避免基础设施故障、事故、保护自然资源、保护野生动物、提高生产力、提供安全等。

分布式传感器网络或系统的使用也得益于VLSI、MEMS和无线通信技术的进步。

在现代半导体技术的帮助下，您可以开发更强大的微处理器，与上一代产品相比，它们的尺寸要小得多。这种处理、计算和传感技术的小型化导致了微小、低功率和廉价的传感器、控制器和执行器。

元素的基础

一个典型的无线传感器网络可以分为两个元素。它们是:

• 传感器节点
• 网络体系结构

传感器节点

传感器网络中的传感器节点由4个组成基本组件。它们是:

• 电力供应
• 传感器
• 处理单元
• 通信系统

传感器从物理世界收集模拟数据，ADC将这些数据转换为数字数据。主处理单元，通常是一个微处理器或微控制器，执行智能数据处理和操作。

通信系统由无线电系统组成，通常是短程无线电，用于数据传输和接收。由于所有的组件都是低功耗设备，一个像CR-2032这样的小电池被用来为整个系统供电。

尽管名为“传感器节点”，但传感器节点不仅包括传感组件，还包括处理、通信和存储单元等其他重要功能。有了所有这些功能、组件和增强功能，传感器节点负责物理世界的数据收集、网络分析、数据关联和来自其他传感器的数据与自身数据的融合。

网络体系结构

当在大范围内部署大量的传感器节点，协同监控物理环境时，这些传感器节点的组网也同样重要。无线传感器网络中的传感器节点不仅可以与其他传感器节点通信，还可以通过无线通信与基站(BS)通信。

基站向传感器节点发送命令，传感器节点相互协作执行任务。在收集到必要的数据后，传感器节点将数据发送回基站。

基站还充当通过因特网连接到其他网络的网关。基站从传感器节点接收到数据后，进行简单的数据处理，并通过互联网将更新的信息发送给用户。

如果每个传感器节点都连接到基站，则称为单跳网络架构。虽然长距离传输是可能的，但通信的能量消耗将明显高于数据收集和计算。

因此，通常采用多跳网络架构。在传感器节点和基站之间不是只有一条链路，而是通过一个或多个中间节点传输数据。

这可以通过两种方式实现。扁平网络结构和分层网络结构。在平面架构中，基站向所有的传感器节点发送命令，而具有匹配查询的传感器节点将通过多跳路径通过其对等节点进行响应。

在分层结构中，一组传感器节点组成一个集群，传感器节点将数据传输到相应的集群头。然后，集群头可以将数据中继到基站。

无线传感器网络分类

无线传感器网络是非常具体的应用程序，并根据应用程序的要求部署。因此，一个WSN的特征将与另一个WSN不同。

不考虑应用，无线传感器网络一般可分为以下几类。

• 静态和移动无线传感器网络
• 确定性和非确定性WSN
• 单基站和多基站WSN
• 静态基站和移动基站WSN
• 单跳和多跳WSN
• 自重构和非自配置WSN
• 同质和异构WSN

静态和移动无线传感器网络

在许多应用中，所有的传感器节点都是固定的，没有移动，这是静态网络。一些应用，特别是在生物系统中，需要移动传感器节点。这些被称为移动网络。移动网络的一个例子是动物监控。

确定性和非确定性WSN

在确定性传感器网络中，传感器节点的位置是计算和固定的。预先规划的传感器节点部署仅在有限的应用程序中可行。在大多数应用中，由于恶劣的环境或恶劣的操作条件等因素，无法确定传感器节点的位置。这种网络是不确定性的，需要一个复杂的控制系统

单基站和多基站WSN

在单基站无线传感器网络中，只使用靠近传感器节点区域的单个基站。所有的传感器节点都与该基站通信，在多基站的WSN中，使用多个基站，一个传感器节点可以将数据传输到最近的基站。

静态基站和移动基站WSN

与传感器节点类似，甚至基站也可以是静态或移动的。静态基站有一个固定的位置，通常靠近传感区域。移动基站围绕传感区域移动，使传感器节点的负载达到平衡。

单跳和多跳WSN

在单跳传感器网络中，传感器节点直接连接到基站。当无线传感器网络多跳时，采用对端节点和簇头进行数据中继，降低能耗。

自重构和非自配置WSN

在非自配置的传感器网络中，传感器网络不能组织成一个网络，而依赖于一个控制单元来收集信息。在大多数传感器网络中，传感器节点能够组织和维护连接，并与其他传感器节点协作完成任务。

同质和异构WSN

在同构的WSN中，所有的传感器节点具有相似的能量消耗、计算能力和存储能力。在异构的WSN上，一些传感器节点的计算能力和能量要求比其他节点高，相应划分处理和通信任务。

WSN中的网络拓扑

我们已经看到，无线传感器网络可以是单跳网络，也可以是多跳网络。以下是在wsn中使用的几种不同的网络拓扑结构。

明星拓扑

在星型拓扑中，有一个单一的中心节点称为集线器或交换机，网络中的每个节点都连接到这个集线器。星形拓扑结构非常容易实现、设计和扩展。由于所有的数据都要经过集线器，所以集线器在网络中起着重要的作用，集线器的一个故障就会导致整个网络的故障。

树的拓扑结构

树形拓扑是一种层次化的网络，其中顶部有一个根节点，该节点连接到下一层的许多节点，以此类推。处理能力和能量消耗在根节点是最高的，并随着层次顺序的下降而持续下降。

网状拓扑结构

在网格拓扑中，每个节点除了传输自己的数据外，还充当中继，传输其他连接节点的数据。网格拓扑进一步分为全连通网格和部分连通网格。

在全连通网格拓扑中，每个节点与每个节点相连，而在部分连通网格拓扑中，一个节点与一个或多个相邻节点相连。

无线传感器网络的应用

从理论上讲，无线传感器网络的应用前景是无限的。下面列出了一些常用的无线传感器网络应用。

• 空中交通管制(ATC)
• 采暖、通风和空调(HVAC)
• 工业流水线
• 汽车传感器
• 战场管理与监视
• 生物医学应用
• 桥梁及公路监察
• 灾害管理
• 地震检测
• 电力负荷管理
• 环境控制与监测
• 工业自动化
• 库存管理
• 个人健康护理
• 安全系统
• 海啸预警系统
• 天气监测及监测