无线传感器网络 (WSN) 详解
无线传感器网络（WSN）是一种利用传感器网络来监测并响应物理及环境参数的技术，例如温度、压力、光照等。
随着无线技术和微机电系统（MEMS）传感器的发展，在大范围内部署低功耗智能传感器成为可能，从而为军事和民用领域创造了经济高效的WSN。
本文将深入探讨WSN的类型、组成部分、应用，以及其优缺点。
网络的意义
网络是指连接设备以实现信息交换和资源共享的系统。 这些相互连接的设备使用TCP/IP、UDP、FTP、HTTP、SMTP等通信协议，这些协议是管理无线或有线网络数据传输规则的集合。
网络主要分为有线和无线两种类型。有线网络和无线网络在数据传输速度、安全性、覆盖范围和成本上存在差异。
有线网络通过物理电缆连接设备，而无线网络则依靠无线电波进行设备连接。常见的无线技术包括Wi-Fi和蓝牙等。
顾名思义，无线传感器网络(WSN)是一种利用无线电信号进行通信的无线技术。
什么是无线传感器网络 (WSN)？
无线传感器网络（WSN），也称为WSN，是由部署在不同地点、用于记录和监控物理环境参数的专用传感器组成。这些传感器将收集到的数据集中处理。
这些物理参数包括但不限于温度、压力、风速和湿度等。
图片来源：electronicshub
WSN网络包括位于不同位置的基站和节点，它们之间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：点对点、星型、树型和网格型。
根据物理环境，WSN的部署可分为五种类型：地下、陆地、水下、多媒体和移动WSN。
新型传感器设计利用工程和技术进步，将物理和数字领域连接起来，以实现高效的结果。
WSN由带有传感器的节点组成，这些传感器检测物理和环境变化，并将数据传输到基站进行分析和报告输出。
将无线传感器网络与GPS或RFID集成可以扩大覆盖范围，并构建复杂的跟踪或监控系统。
WSN旨在收集环境信息，从而在保护环境的同时，提高安全性、生产力和事故预防能力。
WSN 的组成部分
构成WSN的主要组件包括：传感器节点和网络架构。
传感器节点
传感器节点包含以下组件：
- 电源：为网络的所有组件提供能源。
- 传感单元：包括传感器和模数转换器（ADC）。传感器采集模拟数据，ADC将其转换为数字格式。传感器节点不仅具有传感功能，还具备处理、通信和存储能力。它们收集并分析物理数据，并将其与其他传感器的数据进行关联和融合。
- 处理单元：由内存和微处理器组成，负责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：是一种具有较高计算和处理能力的特殊节点。
图片来源：electronicshub
簇头：它是WSN中执行数据融合和数据聚合功能的高带宽传感节点。根据系统要求和应用，一个簇内可以有多个簇头。
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面积区域的其他传感器节点以及基站 (BS) 通信，用于监测物理环境。传感器节点收集数据并将其发送到基站。基站处理数据并在在线与用户分享更新信息。
网络架构
当所有传感器节点都直接连接到基站时，称为单跳网络架构。当数据传输距离较远时，直接传输比数据收集和计算消耗更多能量，因此在这种情况下，通常采用多跳网络架构，通过中间节点而非直接连接到基站来传输数据。
图片来源：electronicshub
实现这些结构的方法有两种：平面网络架构和分层网络架构。
在平面架构中，基站直接命令所有传感器节点，传感器节点使用多跳路径通过对等节点进行响应。
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：中间节点用于与相邻节点通信。它增强了网络的可靠性，并且没有传感器或控制设备。
- 执行器节点：高端节点，用于根据应用需求执行和构建决策。通常，这些节点是资源丰富的设备，具有强大的处理能力、高传输功率和较长的电池寿命。
- 网关：网关是传感器网络与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扩展的可能性方面是最强大的。
无线传感器网络 (WSN) 的类型
WSN 有五种不同的类型：
- 水下：水下无线传感器网络使用水下的传感器节点和设备来收集数据。它具有高延迟和传感器故障问题，并且可充电电池有限。
- 地下：这种类型的网络监测地下情况，因为它们完全在地下工作，而放置在地面的汇聚节点将数据传输到基站。由于设备和维护成本高，其成本高于陆地网络。
- 陆地：这种类型的网络在陆地上用于监测不同区域的环境条件。陆地WSN中，数千个无线传感器节点以临时或预先规划的结构部署，以便与基站高效通信。
- 多媒体：WSN可以跟踪和监控视频、图像和音频等多媒体事件。它们拥有经济实惠的传感器节点，配备摄像头和麦克风，可以无线连接、检索、压缩和关联数据。
- 移动：移动WSN由可以在执行传感功能的同时移动和通信的传感器节点组成。与固定传感器网络相比，移动无线传感器网络具有更大的灵活性、更广的覆盖范围、更好的信道容量以及更高的能源效率。
WSN 类型的部署取决于应用和地面需求。
WSN 的不同结构
网络结构有四种类型，它们的实现会影响延迟、容量和健壮性，因为数据路由和处理会随着不同的网络结构而变化。因此，在部署WSN结构之前，应先了解需求评估和应用程序的性质。
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。
图片来源：Researchgate
- 点对点或总线结构：此网络中的传感器可以直接相互通信，无需中央集线器。这种结构被广泛使用并提供安全通信。
- 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，实施简单且功耗低。这种结构的缺点之一是依赖于单个基站进行通信。
- 树或混合结构：它包括点对点和星型结构。在这种结构中，传感器以树状结构排列，数据传输通过它们之间的分支发生。它比其他结构使用更少的能量。
- 网状结构：在这种结构中，数据传输发生在传输范围内的传感器之间，无需中央基站即可进行多跳通信。传感器可以使用中间传感器将数据传输到其无线电覆盖区域之外的传感器。因此，它以可扩展性和冗余性著称。它被认为是最可靠的，因为没有单点故障，但它需要更多的功率。
无线传感器网络的应用
WSN广泛应用于需要测量、跟踪或监测的众多领域。它们分布在一个区域，测量不同应用中的温度、声音和其他参数。
- 它们通过部署传感器来检测入侵企图来监视区域，因此它们在军事中被广泛用于检测敌对入侵。
- 它们在采矿、医疗保健、监控、农业和其他监测条件等民用应用中很受欢迎。
- 无线传感器节点通过磁力计检测停放的车辆，而微型雷达和磁力计可用于跟踪。
- WSN 在环境/地球监测和传感方面非常流行，例如自然灾害预防、滑坡检测、水质监测、森林火灾检测和栖息地监测。 在机器健康、废水、结构健康等工业监控解决方案中也得到广泛认可。
无线传感器网络的优缺点
以下是 WSN 的优点和缺点：
优点
- 由于WSN的便利性、可靠性、经济性和易于部署，因此优于有线监控系统。
- WSN 消除了对电缆或电线的需求。
- WSN 的熟练程度取决于许多因素：传感精度、覆盖范围、容错、连通性、低人工参与、挑战性条件下的功能以及动态传感器调度。
- 启用对WSN内所有节点的集中监控。
- 适应物理分区没有任何问题。
- 在性能和带宽有限的环境中进行通信的路由协议，创建使用多跳通信的自组织临时网络。
- 它使用基于无线技术的安全算法为用户创建可靠的网络。
- 允许轻松集成新节点或设备以实现可扩展性。
缺点
- WSN 面临着有限带宽、高能耗、昂贵的节点成本、部署模型和硬件/软件设计限制等挑战。
- 无线传感器网络容易受到黑客攻击。
- WSN 专为低速应用而设计，不适用于高速通信。
- 构建 WSN 网络的成本很高。
- 如果中央节点出现故障，整个网络可能会在基于星型拓扑的 WSN 中关闭。
学习资源
#1。 使用 Arduino 构建无线传感器网络
这是一本关于使用 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复杂项目的开发过程。本书提供了详细的图片和屏幕截图，并解释了一个家庭自动化项目，可以按原样进行或定制。
读者将学习如何使用 XBee 模块无线连接 Arduino 开发板，并根据网络传感器的反馈控制环境。此外，还会学习如何在 Windows、OS X 或 Linux 上使用 XCTU 软件在云平台或个人数据库中收集和存储传感器数据。以及如何与 ZigBee 家庭自动化设备交互。
对于想要使用无线技术扩展项目的 Arduino 嵌入式系统开发人员和爱好者，本书是很好的参考资料。
#2。 构建无线传感器网络：使用 ZigBee、XBee、Arduino 和 Processing
本书重点介绍了如何使用成本低于 100 美元的 XBee 无线电和 Arduino 构建 ZigBee 网络。读者将学习创建可调节的传感和驱动系统，并深入了解 XBee 的复杂性，例如电源管理和源路由。此外，还能学习开发与相邻网络（包括互联网）互连的网关。
通过每章中的示例，本书旨在帮助包括发明家、黑客、工匠、学生、爱好者和科学家在内的不同人群获得知识和技能以从事自己的项目。
它是创建智能交互小工具的重要资源，并且传感器系统可通过使用 ZigBee 无线网络协议和 Series 2 XBee 无线电获得。
#3。 工业无线传感器网络 (IWSN)：协议和应用
本出版物介绍了关于工业无线传感器网络的最新研究成果。特刊中包含的论文有助于推动 IWSN 的研究，并有望激发进一步的探索和部署。
IWSN 至关重要，因为无线传感器网络在日常生活和工业中的使用不断增加，每个网络层都具有高稳健性、可靠性和及时性标准。
#4。 使用 ESP32 LoRa 构建无线传感器网络
本指南旨在帮助读者使用 ESP32 在 LoRa 网络上实现基本的无线传感器网络 (WSN)。
它涵盖了各种主题，例如准备开发环境、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）已成为各种监控和跟踪应用的关键组成部分。 WSN 的发展历程经历了从基本传感器监控到高级传感、处理和分析的转变。
WSN 技术已经发生了重大变革，可以收集有价值的知识并提供所需的结果。
下一步，建议读者了解一下 TCP/IP 协议体系结构模型的工作原理。