无线传感器网络软硬件组成综述
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摘要：进入21世纪来，无线传感器网络带来的便利渗入各个方面，人们通过无线传感器网络扩展现有网络的功能和人类认识世界的能力，进而直接感知客观世界。在该应用不断推广的今天，人们越来越需要了解无线传感器网络的整体模型。该文结合新技术发展特点，分析和描述无线传感器传感器网络软、硬件部分的一般组成，建立起一个完整的微型传感器网络整体概念。
中图分类号：TP393文献标识码：A文章编号：1009-3044(2011)16-3807-02
Compose of Hardware and Software for Wireless Sensor Network(WSN)
HUANG Li, ZHANG Jin
(SCU, Chengdu 610207, China)
Abtract: In the new era of 21st centry,the convenience of WSN has already permeated each aspect of our life,people can extend the existing network and the ability of understanding the world with WSN,then directly sense the objective world.With the width spread of this applicatioin, today people are more and more need to kown the whole model of bining with the new technology,This paper analyses and describes the common compose of hardware and software for WSN,to establish a integraded idea of micro WSN.
Key words: WSN; software; hardware; compose of hardware and software
传感器网络的发展已有10多年的历史。近年来微电子、超大规模集成电路技术、无线通信、计算机与网络技术的进步，推动了多功能、低功耗的无线传感器网络的快速发展。一般认为，无线传感器网络是在一定网络模型规划下的一组传感器节点的集合。它是通过无线通信方式形成的一个多跳、自组织的无线自组网系统，以将网络覆盖区域内感知对象的信息发送给观察者。
无线传感器网络的应用领域非常广阔，它已在军事、环境监测和预报、医疗系统和健康护理、信息家电设备、建筑物状态监控、物联网等领域发挥重要作用。
无线传感器网络由3种节点组成，即传感器节点、汇聚节点和管理节点，这些节点通过自组织方式构成网络。因此分析无线传感器网络的软硬件技术是传感器网络研究的重点。
因此，作为无线传感器网络的重要组成部分，传感器节点是为传感器网络特别设计的。可以说，传感器网络是在特定应用背景下，以一定的网络模型规划的一组传感器节点集合。因此传感器网络在不同应用要求下需配套不同的软、硬件系统。但是在设计传感器节点时，不管基于哪一类型的特定应用，必须从以下几个方面考虑：
1）微型化：无线传感器节点应在体积上足够小，在某些特殊应用中甚至要求要小到人眼无法察觉。同时，在软件方面要求所有软件模块尽量精简。而这些限制是由有限硬件资源决定的。
2）灵活可扩展：无线传感器节点需定义统一、完整的外部接口，在需要添加新硬件部件时可在现有节点上直接添加。同时，软件不需要额外设备即可升级，体现了它的可扩展性。对于软、硬件整体而言，节点可按功能拆成多个组件，组件之间通过标准接口自由组合。软件模块同样做到组件化和可配置，形成一个相对独立的模块接口。
3）稳定和安全：硬件的稳定性要求节点的各个部件能在给定的外部环境变化范围内正常工作。另外，节点硬件能在特殊环境里不会损坏。软件的稳定性还需要在软件上获得保证。当硬件出问题时节点能及时感知并采取积极措施，如重启系统等。另外，对敏感数据需有完整性保护，防止外界因素造成的数据修改。
4）低成本：这是传感器节点的基本要求。因为只有低成本，才有大量布置在目标区域的可能。
1硬件组成
分析无线传感器网络的硬件组成，主要研究其节点的硬件组成上。节点在硬件设计上一般由传感器模块（感知模块）、处理器模块、无线收发模块、能量模块、外部存储器模块五部分组成。传感器模块：主要用于监控区域内的信息采集和数据交换。处理器模块：处理整个传感器节点的操作，存储和处理传感器采集、其他节点传送的数据。无线通信模块：用于与其他节点进行无线通信，包括接收与发送收集信息等。能量模块：主要为传感器提供运行所需的能量。外部存储模块：用于存储用户的数据和程序运行所需的数据。这与具体的应用相挂钩。
目前，根据具体应用，由以上五个模块组成的产品在一般无线传感器网络中的硬件产品家族主要有四类：
H1：轻量级的小型传感器（具有硬币大小），具体代表是ATMEL（爱特梅尔 ，一家位于美国的世界高级半导体产品设计公司）设计出的8位ATMER传感器，具有本地电池供应能量，应用ZigBee作为通信协议，实现同步定位，但它不包括本地数据存储。
H2：除了具有H1的功能外，它还应用闪存实现本地数据存储，是字长为16位的微控制器。
H3：除了具有H2的功能外，它是32位系统级微控制处理器芯片（如ARM芯片），可实现高级感应和电源线供电，带有便宜的显示器，并利用嵌入式Linux作为操作系统，允许利用802.11b作为无线传输协议。
H4：除大部分功能与H3类似，它带有昂贵的显示器，一般用在像机顶盒或家里服务器、网关之类的设备上。
因此，可以看出这些硬件产品按照不同应用领域设计出的不同等级，可以方便挑选无线传感器网络节点产品。
2 软件组成
能量永远是传感器节点的最稀缺资源，它决定了整个传感器节点的生存时间。由于传感器节点遍布在各个不同的区域环境，因此必须设计良好的算法和协议来解决这传感器网络的生命周期最大化、数据容错能力和健壮性、自我配置能力。而这些必须依赖于一个适合于微型传感器节点的操作系统，能在节点的有限内存、低速功耗处理器、低速通信设备、有限能量的条件下高效地对特定的应用，提供最大支持，解决针对传感器网络应用的多应用多任务并发使用资源的情况。
当然，无线传感器网络的软件部分研究除了其节点的操作系统外，还有面向具体应用而设计的应用程序，它需要有一定的安全性、可靠性、可使用性：
安全性：要求数据以密文形式传输，保证数据完整性，并安全到达接收方。
可靠性：要求软件部分能在正常情况下稳定工作。体现在通信协议、测距和定位等方面。
可使用性：主要针对建立供人们调度、管理、调试和终端控制节点的接口。
目前，无线传感器网络的应用程序产品有针对智能数字家庭、军事侦察和监控系统、灾害管理、无处不在的村落、工业园管理等应用而设计的软件。针对A无线传感器网络的操作系统有用nesC编写的TinyOS，它是第一个面向无线传感器网络的操作系统，其良好的电源管理和源于事件驱动的程序执行模式，允许时序安排具有灵活性。另外，提供面向传感器网络的最新操作系统有LiteOS，LiteOS是支持用C编写的提供类似于UNIX抽象模型的操作系统。
3 软、硬件组成的体系架构
根据上述软、硬件的初步分析和近些年来新技术的特点，我们结合近些年来初步应用的ANTS无线传感器解决方案（ANT是一种为小范围点对点、更加复杂网络拓扑的无线通信提供简单、低成本和低功耗的解决方案），总结构建出一般无线传感器网络软硬件的组成，如图1。
硬件平台是根据不同具体应用，选择不同产品功能的硬件组成。具体可参见硬件组成部分。
网络通信协议栈包括传输层、网络层、数据链路层、物理层。一般说来，若参考模型中的各层接口一致定义后，每一层可独立设计。但为了建立一个可靠并具有严格功耗预算的传感器网络，协议栈中的所有层都应满足同样的系统级要求，如功耗约束、带宽效率、适应性及健壮性。
中间件主要提供低通信开销、低成本、动态可扩展的核心服务，它的功能包括事件同步、定位、系统管理和抽象的通信模型。
应用框架实现了某具体应用领域通用完备功能的底层服务。使用这种框架的编程人员可以在一个通用功能已经实现的基础上开始具体的系统开发。
时间同步和定位在协议栈中的位置比较特殊，它们既要依赖于数据传输通道进行协作定位和时间同步协商，同时又要为网络协议各层提供信息支持，如基于时分复用的MAC协议，基于地理位置的路由协议等，很多传感器网络需要定位和同步信息。
安全是为保证无线传感器网络任务（如数据传输、采集等）的机密布置和任务执行结果的安全传递和融合而实现的一些基本的机制，这些机制包括：机密性、点到点的消息认证、完整性鉴别、新鲜性、认证广播和安全管理。
应用层由各种面向应用的软件系统组成，部署的传感器网络往往执行多种任务。应用层的研究主要是各种传感器网络应用系统的开发和多任务之间的协调。具体应用软件可参见软件组成部分。
4 无线传感器网络的发展前景
现有的软硬件体系架构虽然在具体应用里发挥了重要作用，表现为硬件设计已形成了一些典型的传感器节点平台，软件设计依具体应用也呈现出多样化的产品，但是无线传感器网络是一门多学科交叉的应用，它还有众多的科学与技术问题有待突破和解决。随着更低功耗、体积更小的处理器、更有效的传感器系统、更有效的通信技术和更好的集成技术的进步，无线传感器节点的硬件和软件会不断发展。按目前的发展趋势看，传感器网络随着技术的进步，会有非常好的发展前景，实现微型化、网络化、能量可持续、材料可回收、价格低廉是传感器网络发展的必然趋势。通过不断的研究和拓展，传感器网络必定会成为人类认识和改造世界的最有力的工具之一。
参考文献：
[1] /ww/en/mcu/ant/index.shtml?DCMP=TI_ANT&HQS=Other+OT+ant.Texas Instruments.
[2] 孙利民,李建中,陈渝,等.无线传感器网络[M].北京:清华大学出版社,2005.
[3] 朱晓荣,齐丽娜,孙君.物联网与泛在通信技术[M].北京:人民邮电出版社,2010.
注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文