生理无线传感器网络技术研究(6)
(3) 应用开发环境层
为各种传感器网络应用系统的开发提供有效的软件开发环境和软件工具。
(4) 应用层
由各种面向应用的软件系统构成，研究各种传感器网络应用系统的开发，如作战环境侦查与监控系统、环境检测系统、民用和工程设施安全监测系等[8]。
2.2.2 节点技术
无线传感器网络是由随机分布的集成电源、传感部件、嵌入式处理器、通信部件、存储器和软件构成的一簇同类或异类的传感器节点构成的网络。传感器节点是网络的基本单元，负责传感和信息预处理，响应监控主机的指令和发送数据。在传感器网络中，把大量的传感器节点布置在被观测区域中，各个传感器节点将自己所探测到的信息通过初步的数据处理和信息融合之后传送给用户，数据传送的过程是通过相邻节点接力传送回基站，然后通过基站以卫星信道或有线网络传送给用户。节点的稳定运行是整个网络可靠性的基本保证。
无线传感器节点一般由处理器、无线电收发装置、传感器、转换接口和能源供应子系统组成。功能更强大的还可以添加辅助单元，包括定位系统、运动或执行机构、电源再生装置[8,9]。可将上述构成划分为四个功能模块，即数据采集模块、微处理模块、无线通信模块和电源供电模块。数据采集模块是节点伸入自然界的触角，主要负责监测区域内信息的采集并将各种传感器(如温度、湿度、光强等)采集的其他信号(如光信号、电信号、化学信号)转变为数字信号并送给微处理模块；微处理模块完成所有所需的处理，负责控制整个节点的处理操作、路由协议、同步定位、功耗管理、任务管理等，其中最主要的是需要实现网络的安全可靠的无线通信协议；无线通信模块负责与其他节点进行无线通信，交换控制消息和收发采集数据，即通信的物理实现；电源模块为其他模块提供能量支持，节点电源可由两节1.5V碱性电池组成，也可采用微型纽扣电池进一步减小体积，有的系统还可能采用太阳能电池等方式来补充能量，但是大多数情况下传感器节点的电池是不可补充的。
2.2.3 网络拓扑结构
无线传感器网络特定的应用环境及其固有的特征，对传感器网络组织结构的设计提出了新的要求。通常可以把无线传感器网络拓扑结构分为两种：基于簇的分层结构和基于网的平面结构[9]。
在基于网的平面组织结构中，所有节点地位平等、作用相同，既采集数据又进行数据通信的中转，网络中不存在集中式控制中心。为了有效地节省能量，远距离节点之间以多跳方式通信。平面结构网络比较简单，不需要任何的结构文护，节点根据预定的路由协议自组织形成无线网络，由于随机分布、高密度等特性，源节点和目的节点之间可能存在多条传输路径，既可以使用多条路径实现负荷分担，也可以为不同的数据传输需求选择适当的路径。平面结构网络中所有的传感器节点理论上是对等的，不存在瓶颈和单点故障，所以比较健壮，但是网络规模受限，动态扩展性差，难以文护。
图2-3 基于网的平面组织结构
在基于簇的分层组织结构中，根据地理区域、能源、应用类型等应用需求，划分为簇(cluster)或组(group )，每个簇由一个簇头和多个簇成员构成，多个簇头抽象成高一级网络，在高一级网络中继续分簇，形成更高一级网络，最终形成多层次组织结构的传感器网络。不同层次以自己的局部概念进行交互，聚集起来实现全局任务。簇内成员节点负责感知任务，以多跳(Mufti-Hop)形式将采集的信息发送到簇头节点，簇头节点作为中心节点与远程终端通讯、发布簇管理信息、执行更高层次的数据融合和数据分析等使命。簇头通常依据能量概率分布由簇内节点轮流充当，可以使中心节点的能耗平均到簇中各节点上，也避免了固定簇头引起的网络脆弱性和不稳定性，而且可以通过簇拆分来增加簇的个数或者簇聚合形成更高一级网络来提高整个网络的容量。缺点是为了文护层次化结构需要设计簇头选择算法，而且簇间节点为了完成数据通信需要经过簇头转发，因此不一定能使用最佳路由[10]。
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