WSN_1 介绍；部分应用介绍

学习自书籍：Fundamentals of Wireless Sensor Networks.

WSN 介绍

传感器

从基础角度说，传感器观测采集现实世界的一些数据。

另一个名称是 transducer 换能器，指传感器将一些形式的信号转换为其他形式的信号，如光敏传感器 光→电信号。

传感器还可以调整信号，如去除特定频率中的噪声，进行 AD 转换等。

有的传感器还包括执行器，可以控制物理世界，如检测水位过低时打开闸门注水。

WSN

无线传感器网络里众多传感器一同检测物理环境，彼此之间可以相互通信，与基站可以通信以便将数据发送到更远的地方，而且传感器节点自己有一定数据处理能力，可以分析、聚合多个传感器的数据。

WSN 的通信

IEEE 802.11 是早期 WSN 常用的通信方式。它让具体不同协议在不同的频段下工作。但是 WSN 要求低功耗，与 IEEE 802.11 不合，促进了其他更低功耗协议的发展。

当所有传感器节点的传输范围足够大，且可以将数据直接传输到基站时，可以形成左图所示的星型拓扑。但是这样全部采用单挑，功耗2还是不太合适。

因此，离得比较近的传感器节点可以作为多跳的中继节点，诞生了这样的网状结构。而且当其承载的其他多跳节点数量多到一定程度时，可以考虑利用这个结点对收集到的数据进行分析处理，减轻控制中心的负担。

WSN 的挑战

energy

众多的传感器，其能源供给是个问题。电池可否充电 ？如何充电？一般根据具体应用例子来决定。比如要采集几年以上的冰川数据，这种传感器最好是可以充电而且在该环境中便于充电的；而临时测一次的数据，可能用一次性用完即丢的传感器更划算。

能源的管控不只限制于硬件的开发，也需要网络协议、操作系统的良好设计。

自我管理能力

在极端环境下运行的一些传感器，我们希望其抗压能力比较强，以及遇到故障等的处理能力强。这方面一般对自组织网络能力要求较高。如，飞机空投的传感器机器人，可能绝对位置要求不高，我们需要其落地后迅速查找周围存活的节点并构建起通信网络。

Wireless Networking

信号在传输过程中会逐渐衰减。特别是还可能遇到一些障碍物的情况。

我们要考虑结点与基站之间的距离的问题，要考虑结点与中继路由之间距离的问题。有些网络采用占空比来节约能量，即不是所有结点一直开着的，用的时候打开，这样的网络我们还要考虑需要传输数据时开启哪些结点路径等问题。

分散管理

由于能耗和容量等问题，我们知道信号都发到中心基站处理不太好。

我们可以让部分结点自己分而治之，自己做出自己的路由决策。

这样的决策不一定是全局来看最佳的决策，但是一定是最节能的。

设计约束

硬件、操作系统、网络协议、中间件等众多制约因素。

安全

结点可能遭受攻击、数据窃取，还要设计算法和一定的算力来尽可能保护结点。

总结

相较于一般网络，WSN 更多的是专门为某种特定目的而设计的网络。其也会因需求而微调自己的设计，如低延迟需求、高存储多硬件需求等。

应用

本章节主要讨论 WSN 的一些应用及其实现。

结构健康检测

如桥梁结构，我们知道桥梁一旦崩塌后果不堪设想。

以往人力如何监测桥梁健康？

道路维修员每天巡视，专家等会来进行仔细检查。道路维修员费人力，而且监测效果不一定好；专业检查员则需要耗费大量财力物力时间，比较繁琐。

检测技术一般分为两种：仔细些的局部监测，和全局监测。局部检测可以探测出一些难以察觉的裂缝，需要超声波、x光等技术，但是比较影响桥梁的正常运行；全局监测则是通过一些如骑车驶过桥面时桥面的形变量变化监测的，也可以强行施加一些外力，如拿锤子砸。

优势有以下几点：传感器结点可以到达一些大型测量设备无法到达的结构；多个节点之间可以汇总定位出出问题的结构的具体位置；传感器节点测试更少停止桥梁的正常通行。

交通控制

随着私家车越来越多，拥堵和事故也出现的越来越多。可以通过 WSN 输入街道状况，并计算向司机告知最佳道路的建议。

医疗健康

可以检测身体状态，应对很多人没有时间和钱财去医院检查治疗的问题，并及时提供救治。

管道检测

检测最好能持续的检测，但我们知道这不方便。WSN 也可以一定程度地解决这个问题。

精准农业

可以检测气候、虫害、土壤状况等，甚至包括一些农民伯伯自己仅凭人力很难检测的指标。

活火山检测

这个属于是比较危险，还挺需要检测的例子。可以用很多廉价些的 sensor 结点，对网络的需求也没那么高；等。

地下开采

旷工采矿，以及一些地下救援活动，不仅可以较精确定位，还可以探测气体泄漏等危险。