无线传感器网络的概述
无线传感网与环境监测
一，概论
总所周知，在传统的观念上，环境监测是由少量的，昂贵，高精度的检测单位组成。检测单元或者称为检测节点所收集的数据，会直接在检索该设备的监测信号结束后，把结果经过某种处理，按某种数据结构为单位回收。无线传感器的实现网络，提供了一种全新的，能够替代传统落后方法的解决方案，该方案一个特点是一次性部署大量的传感器节点。虽然节点在本项目中配备的传感器精度较低，但是，这网络作为一个整体能提供了更好的空间分辨率区，用户可以立即访问数据。我组运用了学到的无线传感网应用技术，来提供把无线传感器网络应用在环境监测中，从而改进传统监测方法的一种简单应用方案。
二，背景资料
环境监测具有悠久的历史。在早期，人们运用模拟机制来测量物理环境参数。他们中的一些人负责把要记录的值整理在某种存储设备上。在旧的机制下，记录的数据会在特定的时间间隔和所需的人管理下下载至准备好的设备。
几年前，数字数据记录器已取代老旧机械。数字数据记录器具有比老机械更容易操作和维护比更便宜机制。数字数据记录器也可以结合远程通信网络，如GSM，从远程站点查看数据。然而，数字数据记录器也有一些缺点。经过从各方面收集资料，了解到关于数字数据记录器缺点的解决方案，通常监测并不只在一个点上，提供监测的一般在许多情况下，需要监测多点，而且，多个监控点中有不同的标准存储数据，并与标准数据记录器相互通信，所以一般情况下要有几个不同的解决方案被使用。
微电子机械系统的最新进展，给低功耗无线网络技术创造了技术条件。通过建立多功能微小的传感器装置，可以根据他们的物理现象的反应用来观察周边环境。无线传感器节点的低功耗设备配备有处理器，存储，电源，一个收发器，一个或多个传感器，在某些情况下，还配有致动器。几种类型的传感器，可以连接到无线传感器节点，如化学，光，热，生物。这些无线传感器不仅有设备体积小的优势，它们比普通传感器设备而且更加便宜。
无线传感器设备可以通过自动组织网络，由此形成一个ad-hoc多跳网络。无线传感器网络（WSNs），可能是拥有数百或者数千ad-hoc传感器节点设备，这些节点一起工作来完成共同的任务。自我组织，自我优化和容错是这种类型网络的主要特点。廉价的，无线传感器网络的，广泛分布的设备相比传统的检测方法，为设计人员提供更大的机会来监视准确周围的物理现象的时候。无线传感器网络有它自己的设计和资源方面上的约束。设计约束与目标的安装环境特点相关。安装的环境决定了网络的规模大小，配置的方法和网络拓扑结构。资源约束因为能量有限而减小的通信范围，导致一定程度上的通信范围较小，低吞吐量和降低存储和计算资源。研究工作做为解决上述约束的引入新的设计方法，创造或改进现有的协议和应用程序。
本次项目提供对无线传感器网络在环境监测应用方面的一种解决方案。以下的其余部分组织如下。在第二节的内容中主要给出传感器网络概述平台。第三节简要分析了IEEE 802.15.4标准，而在第四节概述项目的传感器架构。第五节提供无线传感器网络的环境监测项目介绍、环境有关的传感器网络。最后在文章的结尾给出研究的结论和未来研究的挑战，以及对无线传感器网络的部署。
三，传感器网络平台的搭建
传感器节点组成无线传感器网络的基本架构，这些传感网节点提供以下基本功能的信号调理和采集不同的传感器数据；1）所获得的临时存储数据；2）数据处理3）处理后的数据
的分析诊断，潜在的，警报生成；4）自—监测（例如，电源电压）；5）调度测量任务的执行；6）管理传感器节点的配置；7）接收，传输，转发的数据包；8）树的协调；9）网络通信管理。
提供上述的功能，本项目的节点系统结构如下面图1所示，一个传感器节点是由一个或多个传感器，信号调理单元，模拟—数字转换模块（ADC），中央处理单元（CPU），存储器，无线收发器和能量电源供应单元等元件组成。根据部署的环境中，可能有必要用一个包装来保护传感器硬件免受机械和化学侵蚀。
图1，传感节点系统的硬件组织结构
传感器节点的硬件设备可分为三个主要类别：
第一类，适合一般用途的计算机。该传感器平台采用嵌入式硬件类似于个人电脑硬件，个人助理设备和个人计算机设备的低耗电源的集成设备。Windows和Linux是主要使用的操作系统。高水平编程语言可以用来开发软件组件。通常同时支持第二层的低功耗协议和第二层的局域网协议。处理能力，多方面支持第二层协议，其通用性是该硬件平台主要优点也是项目采用的主要因素之一。然而，与他们消耗了相当大的能源量时不同，其他适合一般用途的硬件平台，计算机平台通常作为一个网关把无线传感器网络连接到其他网络。
第二类，用到了嵌入式传感器模块。该传感器的硬件平台采用商业现成（COTS）芯片。
这些平台是比以前便宜，因为COTS芯片已经实现大规模生产了。嵌入式传感器模块以一个微控制器单元（MCU）作为中央处理单元。借鉴与C编程语言的优势，C编程语言通常是用来作为程序的平台，使超出内存容量的应用代码，能运行在在有限的内存大小当中。
第三类，可以把硬件部分的逻辑应用到片上系统。该平台运用专用集成电路（ASIC），它集成了所有传感器的硬件组件。由于这种集成，芯片平台系统具有的超低功耗，价格便宜，小尺寸等很好的特点。
硬件管理，任务调度策略，多线程和多任务的处理，通常是由操作系统（OS）提供的最基本的服务。此外，操作系统还应该提供对动态加载和卸载模块的支持，并提供适当的并发机制，应用编程接口（API）来访问底层硬件，以及执行适当的电源管理策略。由于硬件方面的限制，在无线传感器网络中服务的实现是一个非常琐碎的问题。一个分类框架，比较恰当的提出了现有的操作系统中关于操作系统的核心所在的内容。构成了分类框架结构的操作系统核心功能，基本集中于编程，执行模型和调度。其他功能如电源管理，仿真支持，便携性也被认为是操作系统重要的功能。该框架是用来比较和评价现有操作系统。本项目操作系统是根据无线传感器网络的评价应用。TinyOS 和Contiki 是两个能够满足本项目需求，可以选用的操作系统。
常用的几种能量存储设备是本项目都可以应用。电池是最常用的，有五号电池和纽扣电池等等，是最常见的储能装置。燃料电池和超级电容器作为有前途的技术。能量收集技术可用于增加传感器的能源自主性。能量收集方案在实验室已经开发出可以从机械振动产生10 多W的功率。这能量足够用于低频数字信号处理器。在传感器节点能量收集的改进和改善节点的整合度将可能产生一个极少耗电池而寿命超长的传感器装置。无线数据传输比数据处理消耗更多的能量，所以它是优先考虑处理数据能力，以便传感器减少传送到其他节点的数据量。该传感器节点发送功率消耗几乎相当于收音机在接收模式实德消耗。因此，广播在不需要的时候，必须关闭，而等到有消息时才开启，以便节约能量的不必要耗费。此外，传感器节点必须在重要的事件后无事件再发生时，进入一段相对较长的空闲（休眠）时间。在这种有效的能源节省方法上，传感器在非活动期间，就可以大幅度缩减他们的能源消耗，这为节点的寿命的延长也起到了积极的作用。总之，关键是确定网络的性能使用的指标，提高活动或非活动时间要求的准确性和可靠性，再者，传感器节点之间执行足够的数据计算，数据接收和传输以满足无线传感器网络的应用要求。关闭的传感器构成的问题，如相邻节点如何能够在同一时间（时间间隔）唤醒，组成网络进行交流，由于项目报告篇幅有限，在这里我们就粗略的提起，而不进行详细介绍，有兴趣者可以在百度和google中查到资料。