1.2　无线传感器网络的体系结构

1.2.1　传感器的节点结构

无线传感器节点作为网络的最小单元，在不同的应用领域中的组成结构也不尽相同，例如，环境监测主要专注于延长其生命周期，而在战场上主要专注于消息的及时处理和传输，但是整体来说传感器节点的基本组成结构是大同小异的。

传感器节点通常被部署在现场，其成本低廉、重量轻，同时支持一些基本的功能，如事件监测、分类、追踪及汇报。每个节点包含一个或多个传感器、嵌入式处理器、低功率雷达及供电电池。传感器节点在绝大多数时间保持“沉默”，但一旦监测到数据则立即进入活动状态，所有节点合作完成一个共同的任务。传感器节点硬件通信架构的设计必须充分考虑电池方面的限制。在一般情况下，节点支持以下功能：

• 动态配置，以支持多种网络功能；

• 节点可以动态配置成网关、普通节点等；

• 远程可编程，以便增加新的功能，如支持新的信号处理算法；

• 定位功能，以便确定自己的绝对或者相对位置，如利用全球定位系统（Global Position System，GPS）；

• 支持低功耗的网络传输；

• 支持长距离通信，以便数据传输，如网关之间的通信。

无线传感器节点的通用结构必须以共享硬件资源为前提，能够分离一般数据链路和无线数据链路，并且能兼容多种通信协议。如图1.2所示，无线传感器网络节点主要由传感器、处理模块、电源模块、信号收发模块等构成。传感器用于感知、获取监测区域内人们感兴趣的数据，在传感器感知到数据以后，通过信号调制电路转化为模拟信号，因为处理器只能处理简单的数字信号，加上数字信号能够更好地进行传输，因此需要通过A/D转换电路将模拟信号转换为数字信号，然后将数字信号送到处理模块进行处理。处理模块一般来说包括一个微处理器和一个存储器等。经过微处理器简单处理之后，数据被传输到射频模块，通过发射机将数据发送给目的节点；电源模块提供所有模块的能量来源，一般采用的是微型电池，因为电池是不可替换的，所以在无线传感器网络中如何节省能量就显得非常重要。图1.2描述了WSN通用节点的体系结构，该结构的核心是一个中央微处理器，用于分时处理操作请求和通信协议。

除了无线传感器节点所包含的这几个主要部分，还有几个辅助的模块，如移动管理单元、节点定位单元等。传感器节点需要一个嵌入式操作系统来管理各种资源和支持各种应用，操作系统可以选择现有的各种商用嵌入式操作系统，如在WINS NG中就采用微软的Windows CE操作系统；也可以自己开发特定的操作系统，如UC Berkeley为此专门开发了TinyOS操作系统。现在成型的无线传感器节点，如Berkeley的Motes、英特尔公司的iMote等，它们的主要原理结构式大同小异，不同的是它们所使用的处理器等硬件设备和通信协议。

节点的能量成为无线传感器网络发挥效能的瓶颈。当前的研究主要集中在节点硬件设计和路由算法上，节省能量以延长网络传感器的生命周期。因此，在一般情况下，为了节省能量，微处理器一般有两种模式：运行模式和睡眠模式。在睡眠模式中，节点能量的消耗要远远小于运行模式。