无线传感器网络的拓扑结构与应用
无线传感器网络的拓扑结构与应用
无线传感器网络的通讯体系结构
无线传感器网络的构建依赖于自组织网络技术，与通常的自组织网络概念不同，这一网络具备若干显著特性，这些特性在架构设计阶段必须予以特别关注。无线传感器网络节点数量庞大，这一特点对网络的扩展性提出了挑战。由于节点数量众多且成本较高，传感器网络往往缺乏全球唯一的地址标识。因此，与普通网络相比，其网络层和传输层在结构上通常更为简化。
自组织传感器网络最显著的特征在于其能量资源受限，节点在环境因素影响下，通常依赖电量有限且无法更换的电池来供电。因此，在设计和规划传感器网络架构以及各层协议时，节能问题成为了至关重要的考量因素之一。
鉴于传感器网络所处环境的特殊性，无线信号的波动以及能源供应的局限性，这些网络中的节点遭受损害的风险显著高于传统网络节点，因此确保自组织网络的稳固性显得尤为关键，这有助于确保即便部分传感器网络出现损坏，也不会对整体任务的执行造成影响。
传感器节点密集布置，导致网络结构频繁变动。这种变动给拓扑结构的维护带来了不小的挑战。
基于上述特性分析，传感器网络的设计需考虑用户对网络的具体需求无线传感器网络的拓扑结构与应用，构建符合其特性的网络架构。这一架构旨在为网络协议及算法的标准化提供一套统一的技术标准，确保其能够充分满足用户的需求。图1展示了无线传感执行网络的通信体系结构，它包括横向的通信协议层级和纵向的传感器网络管理层面。通信协议层进一步细分为物理层、链路层、网络层、传输层和应用层。网络管理层面可细分为能耗管理、移动性管理和任务管理三个部分，其设立的主要目的是为了协调不同层级的功能，以期在能耗、移动性和任务管理等方面实现全面考虑的最佳设计方案。
图1 无线传感器网络通讯体系结构
基于的无线传感器网络节点设计
无线传感器网络通过众多传感器节点利用无线通信手段自主构建而成。这些节点体积小巧、能耗低且可靠性高，其设计和自组织协议使得节点能够轻松实现自我组织和数据的多跳传输，从而形成便捷的无线通讯协议。
该公司的芯片是一款集成了8051单片机的单片可编程UHF频段的收发器芯片。这款芯片以8051技术为基础，集成了32kB的Flash存储器、4kB的SRAM，并配备了8通道的8至14位A/D转换器、一个16位定时器、三个8位定时器、两个UART/SPI接口、RTC实时时钟、看门狗电路、DES加密功能以及21个通用I/O端口。其高度集成的设计赋予了它高速、高灵敏度、低功耗、低成本等特性，同时还具备集成单片机功能、位判决能力、同步功能和频率调整的灵活性。
过往的无线传感器网络节点设计中无线传感器网络的拓扑结构与应用，数据处理与控制模块和通信模块是各自独立的，通常需要至少两块芯片。而新型的芯片设计使得原本需要两块芯片才能实现的处理控制和通信功能，现在只需一块芯片即可完成，这不仅缩小了整个系统的体积，还降低了制造成本。无线通信的发射与接收电路以及8051微控制器系统被紧密集成于同一块晶片之中，此举极大降低了单片机中的数字电路对高频模拟电路产生的干扰，从而显著提升了系统的可靠性。图2展示了该应用芯片的节点设计架构。
图2 基于芯片的节点设计框架
该无线传感器网络由一个基站与若干无线传感器节点联合组成，文中选取了6个节点作为实例。这些节点承担着中转其他节点数据包、采集、处理和压缩数据的任务，随后将数据包传输出去。基站节点则负责发布控制指令、接收来自各传感器节点的数据，并通过RS232接口将这些数据传输至PC机。PC机对收集到的数据进行综合分析与处理。网络组成如图3所示。
图3 无线传感器网络组成
工厂“可穿戴设备”的无线传感器网
工厂配备的智能穿戴设备，借助无线传感器网络，能够实现数据的实时监测、灵活移动、存储、分析以及远程查阅。以某公司所采用的无线传感器网络为例，该系统可对环境温度、湿度、设备表面温度以及冷库内部温度等多种物理量进行测量，并将所得数据通过无线网络传输至接收端。安装该无线传感器网络无需技术人员介入，设备可自行完成安装流程；在一般场景下，无需手动配置参数，系统可自动进行数据对接；无线网络可实现自动连接，无需边安装边调试，从而显著减少了安装所需的时间。
图4 无线接收端
图4展示的无线接收端有两种类型，分别是可记录接收端和物联网网关接收端。前者配备了存储卡和大型显示屏，实现了数据存储与显示的集成，且便于手持移动进行数据收集。此外，物联网网关接收端能够通过互联网、无线3G等多种连接手段，将接收到的数据实时传输至公共网络。借助云数据平台技术，用户可以轻松实现数据的远程实时访问。
该网络系统可容纳200个无线传感器的接入，各类无线设备具备500米的无障碍传输能力，产品依赖电池供电，大约每两年需更换一次电池。每个无线传感器终端均能呈现图5中展示的中文操作界面。
图5 无线传感器网络的终端显示界面
在无线传感器网络中，图5展示的界面能够显现中继器所接收的数据数量无线传感器网络节点的基本结构，同时，该界面亦能直观地反映出网络通信的稳定性状况。若观察到某个温度采集端接收到的数据量显著低于其他采集端，这便表明该采集端的通信存在不稳定现象，此时需要对采集端的位置或方向进行调整。若用户对功耗有较高需求，且通过观察计数发现数据传输持续保持稳定状态，那么可以尝试将采集端的发射功率下调一个等级，并再次进行观察计数。若通讯依然保持稳定，则可尝试进一步降低采集端的发射功率，以此实现减少电流的消耗，进而延长采集端的使用时长。
结束语
无线传感器网络作为一种新兴的通信网络技术，其应用范围广泛，涵盖了人类生活的各个领域和社会活动的各个方面。由此，无线传感器网络有望成为未来无处不在且规模庞大的网络体系，这要求我们提供多元化的技术支持。当前，已成熟的通信技术经过适当的优化和深化发展，有望被应用于无线传感器网络，从而催生新的市场增长点无线传感器网络节点的基本结构无线传感器网络节点的基本结构，开辟无线通信的崭新领域。
