傳感器
傳感器指包含敏感元件和轉換元件的檢測設備，將檢測和感知的信息變換成電信號，進一步轉換成數字信息進行處理、存儲和傳輸。微電子學領域的微機電系統(Micro-Electro-Mechanical System，MEMS)對傳感器技術起支撐作用，包含微型部件如機構、傳感器、執行器、信號處理和控制電路、接口、通信、電源等。
傳感器的主要特征有：
| 傳感器的特征 | 說明 |
|---|---|
| 靜態 | 如線性度、靈敏度、遲滯、重復性、漂移等 |
| 動態 | 如階躍響應和頻率響應等 |
| 線性度 | 用擬合直線近似表示實際特性曲線 |
| 靈敏度 | 穩態工作情況下輸出量變化對輸入量變化的比值 |
| 分辨率 | 傳感器可感受到的被測量的最小變化的能力 |
無線傳感器網絡
WSN 的概念
無線傳感器網絡 WSN是集成了監測、控制以及無線通信的網絡系統，節點數目龐大、分布密集。WSN 綜合傳感器、嵌入式計算、分布式信息處理、無線通信等技術，能協作地實時監測、感知、采集網絡區域內的各種環境或被監測對象的信息並予以處理和傳輸，發送給所需要用戶。可使人們在任何時間、任何地點和任何環境條件下獲得大量詳實可靠的物理世界的真實信息。
傳統無線網絡首要目標是提供高質量服務和高效帶寬利用，其次才考慮節能。WSN 首要目標是能源高效利用，是其和傳統網絡的重要區別之一。
WSN 的特點
WSN 首先具有 Ad Hoc 網絡的自組織性，此外還有如下特點：
| WSN 的特點 | 說明 |
|---|---|
| 網絡規模大 | 監測區域通常會部署大量傳感器，節點數量可達成百上千甚至更多 |
| 低速率 | WSN 的節點通常只需定期傳輸被測參數信息，信息量較小，采集數據頻率較低 |
| 低功耗 | 一般傳感器節點均利用電池供電且不便於替換電池，所以要求節點功耗盡量低 |
| 低成本 | 傳感器一旦安裝完畢較難更換，因而要求其成本低廉 |
| 短距離 | 為組網和傳輸數據方便，相鄰節點的距離一般為幾十至幾百米 |
| 可靠性 | 如傳感器本身不可靠，則其信息的傳輸和處理無任何意義 |
| 動態性 | 復雜環境下的組網會遇到多種干擾，要求 WSN 具有自組網、智能化和協同感知等功能 |
WSN 的技術挑戰
無線傳感器網絡面臨着以下技術挑戰：
| WSN 的技術挑戰 | 說明 |
|---|---|
| 通信能力有限 | 通信帶寬很窄且經常變化，節點間的通信斷接頻繁，鏈路經常中斷 |
| 需要節約能量 | 傳感器節點的電池能量有限，節點由於能量耗盡而失效或被廢棄 |
| 計算能力有限 | 嵌入式處理器和存儲器的能力和容量有限，使傳感器的計算能力有限 |
| 軟硬件須具有高健壯性和高容錯性 | WSN 中傳感器節點密集，數量龐大，使得網絡維護十分困難 |
| 網絡動態性 | 可能常有新節點加入或舊節點失效，網絡拓撲結構會經常變 |
| 大規模的分布式觸發 | 很多傳感器上具有回控裝置和控制軟件（一般稱觸發器） |
| 感知數據流大 | 每個傳感器節點僅具有限的計算資源，難以處理較大的實時數據流 |
| 以數據為中心 | 應用往往只關心某個區域的某項觀測指標值，而不關心具體某個節點的觀測值 |
WSN 的體系結構
WSN 應用系統架構
WSN 涉及數據采集、處理和傳輸三種功能，對應現代信息技術中的傳感器技術、計算機技術和通信技術。
協作式的感知、采集、處理和發布感知信息是 WSN 的基本功能，傳感器、感知對象和用戶是 WSN 三個基本要素。
| WSN 基本要素 | 說明 |
|---|---|
| 無線網絡 | 傳感器間、傳感器與用戶間通信路徑。協作感知、采集、處理和發布信息是基本功能 |
| 傳感器節點 | 協作完成感知任務，拓撲結構隨節點移動不斷動態變化，節點間自組織通信 |
| 用戶 | 是感知信息的接收和使用者，如人/機/其它設備，可主動查詢收集或被動接收 WSN 信息 |
| 感知對象 | 是用戶感興趣的檢測目標，一般通過物理、化學或其它現象的數字量來表征，如溫濕度等 |
WSN 的宏觀系統架構通常包括傳感器節點（sensor node）、匯聚節點（sink node）和管理節點（manager node），匯聚節點也稱網關或信宿節點。傳感器節點通過自組織方式構成網絡，每個傳感器節點都有信息采集和路由功能。
節點初步處理所感知到的信息后，以多跳中繼的方式將其傳送給匯聚節點，再通過衛星網、因特網或移動通信網等途徑，傳送到最終用戶所在管理節點。終端用戶可通過管理節點對所需信息進行相應處理和操作。
WSN 的節點組成
傳感器節點包含傳感模塊、計算模塊、通信模塊、存儲模塊、電源模塊和嵌入式軟件：
| WSN 節點組成 | 說明 |
|---|---|
| 傳感模塊 | 負責探測目標的物理特征和現象 |
| 計算模塊 | 負責處理數據和系統管理 |
| 存儲模塊 | 負責存放程序和數據 |
| 通信模塊 | 負責發送和接收網絡管理和探測數據 |
| 電源模塊 | 負責節點供電 |
| 嵌入式軟件系統 | 運行網絡的五層協議 |
節點還可包括移動系統、定位系統和自供電系統等其他單元。由於需進行較復雜的任務調度和管理，節點可包含功能較完善的微型化嵌入式操作系統和數據庫。
WSN 的節點體系結構
WSN 節點體系結構由網絡通信協議、網絡管理平台和應用支撐組成，網絡通信協議由物理層、數據鏈路層、網絡層、傳輸層和應用層組成。
網絡管理平台主要負責對節點自身的管理以及用戶對 WSN 的管理，有能量管理、拓撲控制、網絡管理、QoS支持與安全機制等。
| 網絡管理平台功能 | 說明 |
|---|---|
| 能量管理 | 控制節點對能量的使用 |
| 拓撲控制 | 負責網絡連通和數據有效傳輸 |
| 網絡管理 | 負責網絡維護、診斷，並提供網絡管理接口 |
| QoS 支持與安全機制 | 數據鏈路層、網絡層和傳輸層等都可根據需求提供 QoS 支持 |
應用支撐平台包括一系列檢測為主的應用層軟件，並通過應用服務和網絡管理接口提供支持。
| 應用支撐平台 | 說明 |
|---|---|
| 時間同步 | 時鍾同步對 WSN 非常重要，如安全協議中的時間戳、數據融合中數據的時間標記、帶有休眠機制的 MAC 層協議等 |
| 定位 | 節點采集的數據往往需與位置信息相結合，定位即對未知節點通過定位技術獲獲取其位置信息 |
WSN 的網絡結構
由基站和大量節點組成，節點往往任意部署：飛行器播撒、人工埋置和火箭彈射等方式完成。WSN 的結構分為平面結構和分級結構。平面結構比較簡單，所有節點的地位平等，所以又稱為對等式結構。源節點和目標節點間一般存在多條路徑，網絡負荷由這些路徑共同承擔，一般情況下不存在瓶頸，網絡健壯性較好。
分級結構中，一個 WSN 被划分為多個簇，每個簇由一個簇頭和多個簇成員組成。簇頭間可形成高一級網絡，簇頭負責簇間數據轉發，簇成員只負責數據采集，這樣就減少了路由控制信息的數量。一般中小網絡采用平面結構，較大網絡采用分級結構。
WSN 的協議分層功能
WSN 的通信協議棧包括能量管理平台、移動管理平台和任務管理平台，幫助節點按能源高效的方式協同工作，並支持多任務和資源共享。
| 協議層次 | 功能 |
|---|---|
| 物理層 | 負責數據調制、發送與接收 |
| 數據鏈路層 | 負責數據幀封裝、幀檢測、介質訪問和差錯控制等 |
| 網絡層 | 負責數據的路由轉發、節點間通信、支持多傳感器協作完成大型感知任務 |
| 傳輸層 | 負責維護數據流，保證通信質量 |
| 應用層 | 提供各種實際應用，解決各種安全問題 |
| 管理平台 | 包括能量、移動和任務管理，使節點以較低能耗協作完成任務 |
目前 WSN 的 MAC 協議研究主要集中在信道訪問技術、調度算法、差錯控制以及數據包大小等方面。傳統網絡的傳輸層協議不能直接用於 WSN，WSN 傳輸協議的研究側重於擁塞控制和 QoS。前者包括流量控制、多路分流、數據聚合和虛擬網關等，后者包括數據重傳、冗余發送等。
定向擴散路由協議
定向擴散(Directed Diffusion，DD)是以數據為中心、查詢驅動的經典路由協議。匯聚節點業務查詢時將興趣注入到網絡中，並在網絡中擴散，計算數據通路的代價。擴散過程中建立了若干梯度，用來提取具體所關心的事件，結果數據根據已有梯度，沿不同路徑返回到匯聚節點。節點根據一定標准，從若干返回路徑中選出代價較低者進行數據傳輸。
協議工作過程
定向擴散路由協議的工作過程如下：
- 數據命名：為保證源節點數據能正確傳輸到查詢節點，DD 協議采用基於興趣和數據的命名模式，即屬性/值對；
- 興趣擴散：匯聚節點周期性向鄰居節點廣播興趣消息；
- 梯度建立：在興趣擴散時建立梯度，明確指定數據率和發送數據的方向，可靠傳輸數據；
- 路徑加強：假定以數據傳輸時延作為路由加強的標准，匯聚節點就選擇首先發來最新數據的鄰節點作為加強路徑的下一跳，並向鄰節點發送路徑加強信息。
中間節點收到興趣后，會將興趣轉發鄰節點。如果一個節點最近收到過此興趣，則不再接收。當興趣記錄中梯度項有效期已過，將刪除該梯度項。興趣記錄中梯度列表為空時，記錄也將被刪除。
協議的問題
| 問題 | 說明 |
|---|---|
| 負加強 | 當一條路徑未被明顯加強時，就終止相應梯度除非這些鏈路被顯式加強 |
| 環路消除 | 有時一些環路不能被消除，DD 協議可使用負加強機制來消除環路 |
| 多源和多接收節點 | 假定所有梯度都是低數據率，接收點會試圖從兩個鄰居得到高質量數據 |
| 路徑修復 | 有助於失敗或降級路徑的局部修復，通過一定的加強機制，能改善路徑故障或降級 |
協議的特點
| 特點 | 說明 |
|---|---|
| 以數據為中心 | 無論發出興趣消息還是目標節點返回消息，都基於一定格式 |
| 數據傳輸是相鄰節點間擴散 | 網絡中無固定路由，數據擴散過程中動態尋找合適路徑 |
| 算法中節點遵循本地交互原則 | 只需知道局部節點的情況，無需了解整個網絡拓撲，也不需特定節點計算路由 |
| 梯度使整個網絡適應性比較強 | 可根據不同應用需要選擇路由配置方式 |
Sensor MAC協議
Sensor MAC（S-MAC）是基於競爭的 MAC 層協議，利用多跳、短距離通信以節省能量，通信產生在對等節點間，無基站類節點。它以 802.11 為基礎，但又不像 802.11 那樣復雜，采用RTS/CTS/DATA/ACK 作為基本傳輸機制。
適於節點空閑時間較長、可容忍較大時延場合。重點是有效節能、適應網絡規模、節點密度及拓撲結構變化，其它如平等性、吞吐量、帶寬利用率等作次要考慮。
S-MAC 協議的機制
周期性監聽和休眠
節點空閑時自動轉入休眠模式來減少偵聽，依據下列步驟建立調度表：
- 節點先偵聽一段時間，如未聽到其它節點調度，隨機選擇一個時間休眠，並立即廣播其調度；
- 如果一個節點選擇自己調度前，從一個鄰居節點收到調度，就遵循該鄰節點調度，將自身調度設置為與之相同的追隨節點，等待一個隨機延遲(沖突避免)並廣播其調度；
- 如果一個節點選擇自身調度后，收到鄰節點調度，就采用這兩種調度，在休眠前廣播自己調度。
虛擬簇機制
每個節點用 SYNC 消息通告自身調度，同時維護一張調度表，保存所有鄰節點的調度信息，擁有相同調度信息的節點形成了一個虛擬簇。
沖突減少和串音避免機制
- 多個節點同時向一個接收節點發送信息時，則需爭用介質來減少沖突
- RTS/CTS 機制
- 考慮到數據分組常比控制分組長很多，則讓干擾節點收到 RTS/CTS 分組后進入休眠來避免串音
消息傳遞機制
較長消息分為多分片，使用 RTS/CTS 機制預約介質傳輸所有分片。RTS/CTS 控制消息和數據消息攜帶時間是整個長消息傳輸剩余時間。其它節點只要接收一個消息，就知道整個長消息剩余時間，然后休眠直至消息發完。
S-MAC 協議的不足
| 不足 | 說明 |
|---|---|
| 節點活動時間無法適應負載的動態變化 | 節點活動時間須適應最高通信負載，但處於活動態的時間長度不能根據網絡業務量變化動態調整 |
| 節點休眠帶來的時延 | 休眠態節點如果監測到事件，須等到活動周期才能響應，節點休眠導致的時延會隨路徑上跳數增加而遞增 |
| 邊界節點能量消耗過快 | 邊界節點位置特殊，工作負擔較重，其活動時間過長，休眠時間過少，有可能會過早耗盡能量而失效 |
S-MAC 的特點
- S-MAC 協議擴展性良好，不要求嚴格時間同步；
- 一般僅考慮發送節點的問題，較少顧及接收節點；
- 節點發送數據時爭用信道，並通知接收節點及時處於接收態；
- 節點處於休眠態會造成通信暫時中斷，加大傳輸時延，所以節能和減少傳輸時延二者需要折中；
- 如果目標節點與自身在同一虛擬簇內，則在統一調度活動期間轉發數據。如目標在鄰節點虛擬簇內，節點在鄰節點調度活動期內喚醒自身發送數據。
WSN 的的應用
| 應用 | 說明 |
|---|---|
| 軍事領域 | 協助監視敵軍狀況、實時監視戰場、定位目標、評估戰場、監測核攻擊和生化攻擊、搜索等功能 |
| 農業領域 | 監測灌溉、土壤空氣、畜禽環境、地表變化等 |
| 環境監測 | 廣泛應用於生態環境監測、生物種群研究、氣象和地理研究、洪水、火災檢測等 |
| 建築領域 | 幫助有效獲取這些建築物的狀態信息，優化管理，及時維修保養 |
| 醫療監護 | 檢測人體生理數據、老人健康狀況、醫院葯品管理及遠程醫療等方面可發揮作用 |
| 工業領域 | 危險工作環境的員工可得到隨時監控，還可等進行監測、采集樣本、分析和測定流量 |
| 智能家居 | 將住宅內的各種家居設備聯系起來，使之能自動運行、相互協作，為住戶提供盡可能多的便利和舒適 |
| 電網管理 | 可實現輸變電線路的檢測和監控、變電站(配電箱)的線路和設備狀態監控、智能電表和用電管理等 |
| 空間和海洋探索 | 借助航天器布撒的傳感器節點可實現對星球表面大范圍、長時期、近距離的監測和探索 |
參考資料
《無線網絡技術教程(第3版)——原理、應用與實驗》，金光、江先亮編著，清華大學出版社