1.1.1　传感网

1. 基本概念

无线传感器网络（Wireless Sensor Networks，WSN）是由部署在监测区域内大量传感器节点相互通信形成的多跳自组织网络系统，是物联网底层网络的重要技术形式，也是广义物联网发展的第一阶段，是实现从物理域到信息域的“感知万物”阶段。随着无线通信、传感器技术、嵌入式应用和微电子技术的日趋成熟，传感网可以在任何时间、任何地点、任何环境条件下获取物理世界的信息，为物联网（Internet of Things，IoT）的发展奠定基础[2]。由于无线传感器网络具有自组织、部署迅捷、高容错性和强隐蔽性等技术优势，因此非常适用于生态环境感知、域内信息收集、战场目标定位、智能交通系统和海洋探测等众多领域。

2. 体系结构

无线传感器网络的体系结构如图1-1所示，数量巨大的传感器节点以随机散播或者人工放置的方式部署在监测区域中，通过自组织方式构建网络。由传感器节点监测到的区域内数据经过网络内节点的多跳路由传输最终到达汇聚节点，数据在传输过程中被多个节点进行融合和压缩，最后通过卫星、互联网或者无线接入服务器达到终端的管理节点。用户可以通过管理节点对无线传感器网络进行配置管理、任务发布及安全控制等反馈式操作。

图1-1　无线传感器网络的体系结构

传感器节点是信息收集的末梢，由传感器模块、处理器模块、无线通信模块和能量供应模块四部分组成。传感器模块负责监测区域内信息的采集和数据转换；处理器模块负责整个传感器节点的操作、存储和处理本身采集的数据及其他节点发来的数据；无线通信模块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；能量供应模块为传感器节点提供运行所需的能量，通常采用微型电池。

汇聚节点可实现较大范围传感器节点信息汇报、融合处理、存储转发等功能，它连接传感器网络与外部网络的信息处理中枢，可以实现内外部协议栈的通信协议转换，并把收集的数据转发到外部网络上，同时实现对传感器网络节点的远程管控。

3. 关键技术

无线传感器网络是传感器技术、低功耗信息处理技术、无线通信技术发展的重要成果形态，其出现也极大地丰富了人们对物理世界的快速感知，其关键技术主要体现在三个方面，即信息采集系统设计、网络服务支持和网络通信协议设计。

1）信息采集系统设计

对于一个在无线传感器网络中工作的传感器节点来说，有一些重要的系统设计需要利用有效的无线传感器网络模型、系统平台和操作系统支持等一系列关键技术完成。

无线传感器网络模型对特别应用场景下的感知、传输、处理、应用各环节进行统一建模，从而在整体上具有网络面向应用的特点，便于协调网络结构。由于无线传感器网络模型支持大范围的传感器节点布置，而每个生产厂商的传感器节点产品诸多实现细节方面（如无线通信模块、微处理器和存储空间等）不尽相同，所以需要传感器系统平台来对多类型传感器节点进行融合、统一。另外，无线传感器网络操作系统需要支持相应的传感器平台，这样就能保证感知数据处理的高效性。

2）网络服务支持

为了协调和管理传感器节点，无线传感器网络主要包括了传感器节点的配置、处理和控制服务及数据管理和控制等服务。这些网络服务在能量、任务分布和资源利用方面加强了整个网络的性能。数据管理和控制服务提供了必要的中间件服务支持，如时间同步、数据压缩和融合、安全保障、跨层优化等。而作为一种功能性很强的应用型网络，无线传感器网络不仅要完成数据传输，还要对数据进行一系列的融合、压缩和控制并同时保证任务执行的机密性。节点配置、处理和控制等服务可以适时地将诸如能量和带宽等资源进行最有效的分配、处理和控制，以保证任务执行的机密性、数据融合的可靠性及传输的安全性。

3）网络通信协议设计

一个可靠并且能量有效的协议栈的开发对于支持多类型无线传感器网络应用具有重要意义。面向不同的应用，网络内部可能由数百甚至上千个节点组成。每个传感器节点通过协议栈以多跳的形式将信息传递给汇聚（Sink）节点。因此，就通信而言，协议栈必须能量有效。目前，无线传感器网络通信协议栈设计的重点，集中在数据链路层、网络层和传输层，以及它们之间的跨层交互。数据链路层通过介质访问控制来构建底层基础结构，控制节点的工作模式；网络层的路由协议决定了感知信息的传输路径；传输层确保了源节点和目的节点处数据的可靠性和高效性。