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1、第一章无线传感器网络集成了传感器，微机电系统和网络通信三大技术。传感器网络综合了传感器技术，嵌入式计算技术，分布式信息处理技术和通信技术，能够通过协作实时监测，感知和采集网络分布区域内的各种环境或监测对象的信息，并对这些信息进行处理，获得详尽，准确的数据，传送到需要这些信息的用户。美国的技术评论将无线传感器网络列为未来新兴十大技术之首。无线网络分为两种：一种是有基础设施的网络如我们使用的手机；一种是无基础设施网络又称为无线Ad Hoc网络。无线Ad Hoc网络分为两类：一类是移动Ad Hoc网络，另一类是无线传感器网络。无线传感器网络的标准定义：大量的静止或移动的传感器以自组织和多跳的方式构成
2、的无线网络，目的是协作地探测，处理和传输网络覆盖区域内感知对象的监测信息，并报告给用户。它的英文名字是Wireless Sensor Network,简称WSN.传感器技术，计算机技术，和通信技术分别构成了信息系统的“感官”“大脑”“神经”三个部分。传感器，感知对象和用户是传感器网络的三个基本要素。MAC层和物理层协议采用的是国际电气工程师协会制定的IEEE 802.15.4协议。IEEE 802.15.4是针对无线个域网制定的标准。该标准把低能量消耗，低速率传输，低成本作为重点目标，旨在为个人或家庭范围内不同设备之间低速互连提供统一标准。根据结点数目的多少，传感器网络的结构可以分为平面结构和
3、分级结构。平面结构的网络比较简单，所有的结点地位平等，所以又称对等式结构。在分级结构中，传感器网络被划分为多个簇。每个簇由一个簇头和多个簇成员组成。分级结构比平面结构复杂的多，他解决了平面结构中的网络阻塞问题，整体消耗能量较少，因而实用性更高。传感器结点的限制条件:1电源能量有限2通信能力受限3计算和存储能量受限绝大部分能量主要消耗在无线通信模块上。传感器结点传输信息时要比执行计算时更消耗电能。无线通信的能量消耗E与通信距离d的关系符合如下规律：E=kdn(k乘以d的n次方)组网的特点：1自组织性2以数据为中心3应用相关性4动态性5网络规模大6可靠性第二章传感器定义：一般来说能够把特定的被测量
4、信息（物理量，化学量，生物量等）按一定规律转化成某种可用信号（电信号，光信号）的器件或装置。传感器一般由敏感元件，转换元件，和基本转换电路组成。按被测量与输出电量的转换原理划分：能量转换型和能量控制型能量转换型传感器直接将被测对象（如机械量）的输入转换成电能，属于这种类型的传感器包括压电式传感器，磁电式传感器，热电偶传感器等。能量控制型传感器直接将被测量转换成电参量（如电阻等）依靠外部辅助电源才能工作，并且由被测量控制外部供给能量的变化，属于这种类型的传感器包括电阻式，电感式，电容式等。光敏传感器是一种感应光线强弱的传感器。传感器的灵敏度越高，测量范围往往越窄，稳定性越差。任何传感器都有一定的
5、线性范围，在线性范围内它的输入与输出呈线性关系。由于传感器内部因素或外界干扰的情况下，传感器的输出变化成为漂移。当输入状态为零时的漂移称为零点漂移。第三章物理层为建立，维护和释放数据链路实体之间的二进制比特传输的物理连接，提供机械的，电气的，功能的和规程性的特性。无线通信物理层的主要技术包括：介质的选择，频段的选择，调频技术和扩频技术。扩频技术按照工作方式不同，分为四类：直接序列扩频，跳频，跳时，宽带线性调频扩频。目前无线传感器网络的通信传输介质主要是：无线电波，红外线和光波。调制是无线通信系统的重要技术，它使得信号与信道匹配，增强电波的有效辐射，可以方便频率分配，减小信号干扰。使用ISM频段
6、的主要优点是：ISM频段是自由频段，可用频带宽，并且在全球范围内都具有可用性；同时也没有特定的标准，给设计适合无线传感器网络的节能策略带来了更多的设计灵活性和空间。MAC协议就是通过一组规则和过程来有效，有序和公平地使用共享介质。设计传感器网络的MAC协议时，需要考虑以下问题：1节省能量2可扩展性3网络效率带冲突避免的载波侦听多路访问（CSMA/CA）协议，它是基于竞争的无线网络MAC协议的典型代表。S-MAC协议的适用条件是：传感器网络的数据传输量不大，网络内部能够进行数据的处理和融合以减少数据通信量，网络能容忍一定程度的通信延迟。路由选择是指选择互联网络从源结点向目的结点传输信息的行为，并
7、且信息至少通过一个中间结点。路由协议包含两个功能：1寻找源结点和目的结点间的优化路径；2将数据分组沿着优化路径正确转发定向扩散路由协议是一种基于查询的路由机制。扩散结点通过兴趣信息发出查询任务，采用洪泛方式传播兴趣信息到整个区域或部分区域内的所有传感器结点。在兴趣信息的传播过程中，协议将逐跳地在每个传感器结点上建立反向的从数据源到汇聚结点的数据传输梯度，传感器探测结点将采集到的数据沿着梯度方向传送给汇聚结点。定向扩散路由机制可以分为：周期性的兴趣扩散，梯度建立和路径加强。第四章在分布式的无线传感器网络应用中，每个传感器结点都有自己的本地时钟。“物理时间”用来表示人类社会使用的绝对时间；“逻辑时
8、间”体现了事件发生的顺序关系，是一个相对概念。三种最基本的传感器网络时间同步机制：RBS, Ting/Mini-Sync, TPSNTPSN协议假设每个传感器结点都有唯一的标识ID，结点间的无线通信链路是双向的，通过双向的消息交换实现结点间的时间同步。TPSN协议包括两个阶段：1层次发现阶段 2同步阶段无线传感器网络定位问题的含义是指自组织的网络通过特定的方法提供结点的位置信息。自组织网络分为结点自身定位和目标定位。位置信息有物理位置和符号位置。邻居结点：传感器结点通信半径范围以内的所有其他结点，称为该结点的邻居结点。连接度：包括结点连接度和网络连接度。结点连接度是指结点可探测发现的邻居结点个
9、数。网络连接度是所有结点的邻结点数目的平均值，它反映了传感器配置的密集程度。到达时间差（TDoA）:两种不同传播速度的信号从一个结点传播到另一个结点所需要的时间之差，或者一种信号到达两个结点之间的时间差值，称为信号的到达时间差。接受信号强度指示(RRSI):结点收到无线信号的强度大小，称为接受信号的强度指示。视距关系：如果传感器网络的两个结点之间没有障碍物，能够实现直接通信，则称为这两个结点间存在视距关系。非视距关系：传感器网络的两个结点之间存在障碍物，影响了它们直接的无线通信。绝对精度指以长度为单位度量的精度。相对精度通常以结点之间距离的百分比来定义。传感器直接给出的信息称作源信息，如果传感
10、器给出的信息是已经数字化的信息，就称作源数据，如果给出的是图像就是源图像。源信息是信息系统处理的对象。各种传感器的互补特性为获得更多的信息提供了技术支撑。多传感器数据融合技术（多传感器信息融合技术或多传感器融合技术）：消除噪声与干扰，实现对观测目标的连续追踪和测量等一系列问题的处理方法。数据融合通过对来自同一目标的多源数据进行优化合成，获得比单一信息源更精确，完整的估计或判断。数据融合的主要作用：1提高信息的准确性和全面性2降低信息的不确定性3提高系统的可靠性4增加系统的实时性根据对传感器数据的操作级别，可将数据融合技术分为三类：1数据级融合2特征级融合3决策级融合传感器结点中消耗能量的模块有
11、：传感器模块，处理器模块，通信模块。随着集成电路工艺的进步，处理器和传感器模块的功耗都很低。无线传感器网络的能量管理（EM）主要体现在传感器结点电源管理和有效的节能通信协议设计。第五章ZigBee是一种近距离，低复杂度，低功耗，低数据速率，低成本的双向无线通信技术。无线增益是指天线在能量发射最大方向上的增益，当以各向同性为增益基准时，单位为dBi;如果以偶极子天线的发射为基准时，单位为dBd.天线效率是指天线以电磁波的形式发射到空中的能量与自身消耗能量的比值。天线电压驻波比主要用来衡量传输线与天线之间阻抗失配的程度。传感器网络结点的外围模块主要包括：看门狗电路，I/O电路和低电量检测电路。第六
12、章制定IEEE1451标准的目的：通过定义一套通用的通信接口，以使变送器能够独立于网络，并与现有基于微处理器的系统，仪器仪表和现场总线网络连接，解决不同网络之间的兼容性问题，并最终能够实现变送器到网络的互换性和互操作性。无线传感器网络的底层标准一般沿用无线个域网的相关标准部分。IEEE802.15.4通信协议是短距离无线通信的标准。物理层通过射频连接件和硬件提供MAC层和无线物理信道之间的接口。MAC层为业务相关的汇聚子层和物理层提供接口。ZigBee的通信速率要求低于蓝牙，由电池供电设备提供无线通信功能，并希望在不更换电池并且不充电的情况下正常工作几个月甚至几年。ZigBee联盟对网络层协议
13、和应用程序接口（API）进行了标准化。ZigBee系统软件的开发是在厂商提供的ZigBee协议栈的MAC和物理层基础上进行的，涉及传感器的配合和网路架构等问题。ZigBee应用大多采用四层板结构，需要满足良好的电磁兼容性能要求。天线分为PCB天线和外置增益天线。 多数开发板都使用PCB天线。在实际应用中外置增益天线可以大幅度提高网络性能，包括传输距离，可靠性等，但同时也会增大体积，需要均衡考虑。第七章微震动传感器在智能交通系统和建筑物的防震监测中也有应用。声响传感器是一种通过对声源目标发出的声响信号进行接收，处理后，实现对声源目标侦察探测的侦察装置。当磁铁金属制成的物体进入这个静磁场是干扰了原
14、来的静磁场，由于目标的运动变化所产生的干扰使磁场发生变化，引起磁力计指针的偏转及摆动，产生一个电信号，进而实现对携带武器的人和车辆的监测。红外传感器是一种能够感应目标辐射的红外线，并将其转换成电信号后对目标进行识别探测的侦察设备。压力传感器的探头通常是一根极细的应变电缆。当运动目标压力浅埋的应变电缆时，电缆因受挤压而变形，从而引起电阻发生变化，产生的电信号起到报警作用。超声波距离传感器一般采用独立的发射器和接收器。测量发射一个超声波脉冲至接收到反射信号所用的时间间隔，可以简单地估计出被测量物体的距离。传感器结点必须承受多种不利的环境。传感器结点的封装能够保护这些元件中的精密电子元器件。封装性能的优劣也直接影响传感器的探测和无线通信功能。
