1.2　無線傳感器網絡的體系結構

1.2.1　傳感器的節點結構

無線傳感器節點作為網絡的最小單元，在不同的應用領域中的組成結構也不盡相同，例如，環境監測主要專注于延長其生命周期，而在戰場上主要專注于消息的及時處理和傳輸，但是整體來說傳感器節點的基本組成結構是大同小異的。

傳感器節點通常被部署在現場，其成本低廉、重量輕，同時支持一些基本的功能，如事件監測、分類、追蹤及匯報。每個節點包含一個或多個傳感器、嵌入式處理器、低功率雷達及供電電池。傳感器節點在絕大多數時間保持“沉默”，但一旦監測到數據則立即進入活動狀態，所有節點合作完成一個共同的任務。傳感器節點硬件通信架構的設計必須充分考慮電池方面的限制。在一般情況下，節點支持以下功能：

? 動態配置，以支持多種網絡功能；

? 節點可以動態配置成網關、普通節點等；

? 遠程可編程，以便增加新的功能，如支持新的信號處理算法；

? 定位功能，以便確定自己的絕對或者相對位置，如利用全球定位系統（Global Position System，GPS）；

? 支持低功耗的網絡傳輸；

? 支持長距離通信，以便數據傳輸，如網關之間的通信。

無線傳感器節點的通用結構必須以共享硬件資源為前提，能夠分離一般數據鏈路和無線數據鏈路，并且能兼容多種通信協議。如圖1.2所示，無線傳感器網絡節點主要由傳感器、處理模塊、電源模塊、信號收發模塊等構成。傳感器用于感知、獲取監測區域內人們感興趣的數據，在傳感器感知到數據以后，通過信號調制電路轉化為模擬信號，因為處理器只能處理簡單的數字信號，加上數字信號能夠更好地進行傳輸，因此需要通過A/D轉換電路將模擬信號轉換為數字信號，然后將數字信號送到處理模塊進行處理。處理模塊一般來說包括一個微處理器和一個存儲器等。經過微處理器簡單處理之后，數據被傳輸到射頻模塊，通過發射機將數據發送給目的節點；電源模塊提供所有模塊的能量來源，一般采用的是微型電池，因為電池是不可替換的，所以在無線傳感器網絡中如何節省能量就顯得非常重要。圖1.2描述了WSN通用節點的體系結構，該結構的核心是一個中央微處理器，用于分時處理操作請求和通信協議。

除了無線傳感器節點所包含的這幾個主要部分，還有幾個輔助的模塊，如移動管理單元、節點定位單元等。傳感器節點需要一個嵌入式操作系統來管理各種資源和支持各種應用，操作系統可以選擇現有的各種商用嵌入式操作系統，如在WINS NG中就采用微軟的Windows CE操作系統；也可以自己開發特定的操作系統，如UC Berkeley為此專門開發了TinyOS操作系統。現在成型的無線傳感器節點，如Berkeley的Motes、英特爾公司的iMote等，它們的主要原理結構式大同小異，不同的是它們所使用的處理器等硬件設備和通信協議。

節點的能量成為無線傳感器網絡發揮效能的瓶頸。當前的研究主要集中在節點硬件設計和路由算法上，節省能量以延長網絡傳感器的生命周期。因此，在一般情況下，為了節省能量，微處理器一般有兩種模式：運行模式和睡眠模式。在睡眠模式中，節點能量的消耗要遠遠小于運行模式。