无线传感器网络（WSN）在5分钟或更短的时间内解释

无线传感器网络（WSN）是通过其传感器网络检测和响应物理和环境条件（例如热、压力、光等）的缩写。

无线技术和微电子机械系统（MEMS）传感器的进步使得在广泛区域内智能部署低功耗传感器成为可能，为军事和民用应用创建了廉价的WSN。

在下面的部分，我们将讨论WSN的类型、其组成部分和应用、以及其优缺点和应用。

网络的含义是什么？

网络连接允许设备交换信息和共享资源。这些集成设备使用通信协议，如TCP/IP、UDP、FTP、HTTP、SMTP等，这些协议是用于在无线或有线网络中传输数据的一套规则。

基本上，有两种类型的网络：有线和无线。有线和无线网络在数据传输速度、数据安全性、通信范围和成本方面有所不同。

有线网络是通过物理电缆连接设备的，而无线网络依赖无线电波进行设备连接。有多种无线技术可供选择，例如Wi-Fi、蓝牙等。

无线传感器网络（WSN）正如其名称所示，是一种无线技术，通信通过无线电信号进行。

什么是无线传感器网络（WSN）？

无线传感器网络（也称为WSN）是一组专门的传感器在特定结构的不同位置上配置，以记录和监测物理环境参数，并将结果数据组织在一个集中位置。

这些物理参数包括但不限于温度、压力、风力和湿度等因素。

WSN网络由放置在不同位置的基站和节点组成，它们通过无线方式进行交互。WSN结构可以使用四种不同的方法实现，即点对点、星型、树状和网状类型。

WSN的布置可以根据物理环境分为地下、陆地、水下、多媒体和移动WSN。

新的传感器设计利用工程和技术进步来连接物理和数字领域，以获得高效的结果。

WSN由具有传感器的节点组成，这些节点检测物理和环境变化，并将数据传输到基站进行分析和输出报告。

将无线传感器网络与GPS或RFID集成，可以增强覆盖范围，并创建复杂的跟踪或监测系统。

WSN旨在收集环境信息，以增强安全性、生产力和事故预防，同时保护环境。

WSN的组成部分

让我们来看看构成WSN的组件列表。主要有两个部分：传感器节点和网络架构。

传感器节点

传感器节点包括以下组件：

• 电源：为网络中的所有组件提供电力。
• 感知单元：由传感器和ADC（模拟到数字转换器）组成。传感器收集模拟数据，ADC将其转换为数字格式。传感器节点不仅具有感知功能，还具有处理、通信和存储组件。传感器节点收集和分析物理数据，并将其与其他传感器的数据相关联和融合。
• 处理单元：由内存和微处理器组成。智能处理和操作数据。
• 通信系统：用于数据传输和接收的无线电系统。
• 基站：具有高计算能量和处理能力的特殊节点。

簇头：它是用于在WSN中执行数据融合和数据聚合功能的高带宽感知节点。根据系统要求和应用，一个簇中可能会有多个簇头。

在无线传感器网络（WSN）中，传感器节点通过无线通信与部署在大范围内的其他传感器节点和基站（BS）进行通信。传感器节点收集数据并将其发送到基站。基站处理数据并与用户在线共享更新的信息。

网络架构

当所有传感器节点都连接到基站时，称为单跳网络架构。当数据传输距离较远时，消耗的能量比数据收集和计算多，因此在这种情况下，通常使用多跳网络架构，通过使用中间节点代替将传感器节点与基站连接的单一链路。

有两种方法来实现这些结构：扁平网络架构和分层网络架构。

在扁平架构中，基站指挥所有传感器节点，传感器节点通过多跳路径与对等节点进行响应。

在分层网络架构中，簇头从一组传感器节点接收信息并将数据中继到基站。

WSN的其他组件

• 中继节点：中继节点用于与相邻节点通信。它增强了网络可靠性，不具有处理传感器或控制设备。
• 执行节点：高端节点用于根据应用要求执行和构建决策。通常，这些节点是资源丰富型设备，配备有高质量的处理能力、高传输功率和电池寿命。
• 网关：网关是传感器网络和外部网络之间的接口。与传感器节点和簇头相比，网关节点在程序和数据存储器、使用的处理器、收发器范围以及通过外部存储器进行扩展的可能性方面最强大。

无线传感器网络（WSN）的类型

有五种不同类型的WSN：

• 水下：水下无线传感器网络使用水下传感器节点和载具收集数据。它具有较高的链接和传感器故障问题，并且具有有限的不可充电电池。
• 地下：这种类型监测地下条件，因为它们完全在地下工作，放置在地上的接收节点将数据传输到基站。由于昂贵的设备和维护成本，它比地面网络更昂贵。
• 陆地：这种类型的网络用于在陆地上监测不同区域的环境条件。数千个无线传感器节点在陆地无线传感器网络中以自适应或预先规划的结构部署，以有效地与基站通信。
• 多媒体：无线传感器网络可以跟踪和监控视频、图像和音频等多媒体事件。它们具有成本合理的带有摄像头和麦克风的传感器节点，可以无线连接、检索、压缩和相关数据。
• 移动：移动无线传感器网络由能够移动和通信的传感器节点组成，同时执行感应功能。与静止无线传感器网络相比，移动无线传感器网络具有更大的灵活性、更广泛的覆盖范围、更好的信道容量和节省能源的优势。

WSN类型的部署基于应用和地面要求。

WSN的不同结构

有四种类型的网络结构，但其实施会影响延迟、容量和鲁棒性，因为数据路由和处理会随着不同网络结构的变化而变化。因此，在部署WSN结构之前，应了解要求和应用的性质。

节点也可以连接到互联网并将数据传输到云平台进行进一步分析。

• 点对点或总线结构：这种网络中的传感器可以直接相互通信，无需任何中心枢纽。这种结构被广泛应用，并提供安全通信。
• 星型结构：星型网络使用基站作为中心枢纽与所有传感器进行通信，它实施简单，需用电低。这种结构的一个缺点是对于通信依赖于单个基站。
• 树状或混合结构：它由点对点和星型结构组成。在这种结构中，传感器被排列成树状配置，并且数据传输通过它们之间的分支进行。它比其他结构使用更少的能量。
• 网状结构：在这种结构中，数据传输在传输范围内的传感器之间进行多跳通信，而无需中心基站。传感器可以使用中间传感器将数据传输给其无线电覆盖范围之外的传感器。因此，它以可扩展性和冗余性而闻名。它被认为是最可靠的，因为没有单点故障，但它需要更多的能量。

WSN的应用

WSN广泛应用于需要测量、跟踪或监视的各个行业。它们在一个区域内展开，测量温度、声音和其他参数在各种应用中。

• 他们被雇用来通过部署传感器来监测区域以检测入侵企图，因此在军事上广泛用于检测敌对入侵。
• 它们在民用应用中非常受欢迎，如采矿、医疗、监控、农业和其他监测条件。
• 无线传感器节点通过磁力计检测停放的车辆，而微雷达和磁力计可以用于跟踪。
• 无线传感器网络在环境/地球监测和感知方面非常受欢迎，如自然灾害预防、滑坡检测、水质监测、森林火灾检测和栖息地监测。还被广泛认为是工业监测解决方案，如机器健康、废水、结构健康等。

无线传感器网络的优缺点

在本节中，我们将介绍无线传感器网络的优点和缺点：

优点

• 相对于有线监测系统，无线传感器网络因其便利性、可靠性、经济性和部署简便性而受到青睐。
• 无线传感器网络消除了电缆或线缆的需求。
• 无线传感器网络的效能取决于多个因素：传感精度、覆盖范围、容错性、连接性、低人工参与、适应复杂条件的功能和动态传感器调度。
• 能够对无线传感器网络内的所有节点进行集中监控。
• 适应物理分区而无任何问题。
• 使用路由协议在性能和带宽有限的环境中进行通信，创建使用多跳通信的自组织自适应网络。
• 使用基于无线技术的安全算法为用户创建可靠的网络。
• 允许轻松集成新的节点或设备以实现可扩展性。

缺点

• 无线传感器网络面临有限的带宽、高能耗、昂贵的节点成本、部署模型和硬件/软件设计约束等挑战。
• 无线传感器网络易受到黑客攻击。
• 无线传感器网络设计用于低速应用，不适用于高速通信。
• 建立无线传感器网络成本高昂。
• 如果中心节点故障，基于星型拓扑的无线传感器网络整个网络可能会宕机。

学习资源

#1. 使用Arduino构建无线传感器网络

一本关于使用Arduino和XBee设备构建无线低功耗网络的书籍。它通过说明性示例解释了如何开发复杂的项目。该书提供了详细的图片和截图，并解释了一个可以按照原样或自定义的家庭自动化项目。

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本书可供具有Arduino理解的嵌入式系统开发人员和爱好者使用，以扩展其无线技术项目。

#2. 使用ZigBee、XBee、Arduino和Processing构建无线传感器网络

本书重点介绍如何使用XBee无线电和成本不到100美元的Arduino构建ZigBee网络。创建可调节的传感和执行系统，并了解XBee的细节，如电源管理和源路由。开发与相邻网络（包括互联网）的互连网关。

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通过利用ZigBee无线网络协议和Series 2 XBee无线电，这是一个创建智能互动设备的重要资源，传感器系统是可用的。

#3. 工业无线传感器网络（IWSN）：协议和应用

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它涵盖了各种主题，如准备开发环境、配置ESP32 LoRa、发送和接收数据、处理LoRa接收器中断、在LoRa网络上广播消息以及使用ESP32 LoRa创建WSN应用程序。

最后的话

无线传感器网络（WSN）对于各种监测和跟踪应用程序变得至关重要。WSN从基本的传感器监测发展到高级的感知、处理和分析。

WSN技术已经发展到了收集有价值的信息并提供所需结果的程度。

接下来，了解一下TCP/IP protocol architecture model的工作原理。