什么是无线传感器网络 无线传感网络（Wireless Sensor Network

无线传感网络（Wireless Sensor Network

无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）一般的定义是：由空间分布的自主设备，使用传感器监控不同位置的物理或环境状态（如温度、声音、振动、压力、运动等）无线通信的计算机网络系统。

百度百科的定义是：无线传感器网络(Wireless Sensor Networks, WSN)是一种分布式传感网络，它的末梢是可以感知和检查外部世界的传感器。WSN中的传感器通过无线方式通信，因此网络设置灵活，设备位置可以随时更改，还可以跟互联网进行有线或无线方式的连接。通过无线通信方式形成的一个多跳自组织网络。无线传感器网络就是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中被感知对象的信息，并发送给观察者。传感器、感知对象和观察者构成了无线传感器网络的三个要素。

无线传感网络的主要特点：

感知

无线通信

低功耗

低成本

分布式

自组织

多跳

无线传感网络发展需求来自于以下几个方面：

传感器智能化

设备网络化

物联网中心化

一般地，一个无线传感网络的感应节点由下面几个部分组成：传感器、微控制器（MCU）、无线收发器、电源管理等。有的传感器设备带了执行机构，可以执行一定的动作。

感知节点原理示意图

下图是一个简单典型的多跳的无线传感网络架构：

典型的多跳无线传感网络架构

本文仅限于嵌入式微控制器的讨论。传感器原是作为计算机数据采集系统的一部分，随着传感技术、半导体技术以及无线技术的发展，传感器与微控制器的结合在了一起，传感器可以作为一个相对独立自主的单元运行。

近些年，32位微控制器得到普及，尤其是以ARM Cortex-M系列内核为代表的产品，为传感处理提供了性能更高的数据处理和通信能力，智能传感器开始变得越来越流行。ARM公司降低了Cortex-M0内核授权费，降低了产品研发的成本和缩短了产品上市的时间，这为智能传感器的规模应用提供了条件。关于智能传感器更的信息，可以参考小编整理翻译的《ARM白皮书 - 智能传感器 》。

由于传感器设备的便携化和移动化，选择往往以超低功耗的微控制器为主。而对于做数据透传的应用，8位单片机也就可以满足。若要运行操作系统跑协议的话，就需要32位微控制器了。目前，物联网市场应用的节点中应用主流的是以STM32L或STM8L系列产品为主。

无线射频（RF）

技术的应用离不开芯片厂商的支持，目前无线射频产品多是以IEEE 802.15.4标准为基础的。2.4GHz的产品比较适合于近距离的应用场景。而还有一些Sub-Ghz的产品，比较适合于远距离的应用场景。

市场上无线射频芯片的半导体厂商有：Linear、Atmel、TI、Slicon Labs、NXP、ST、Libelium、DIGI、ROHM、GainSpan、ADI、Jennic、NEC、ST、Murata、Analog Devices, Inc.、Crossbow、Microchip 、ON Semiconductor、Marvell、Infineon、Murata等等。

大陆及台湾的也有不少的无线射频的厂商，如华普、笙科等等。

嵌入式操作系统

微控制器原本用作实时控制，对控制的时间要求比较高。随着物联网的发展，微控制器更多地承担了一些通信与数据处理功能，对控制的实时性要求降低了，任务多而复杂了，这就是需要一个基础的操作系统来管理底层的资源，而用户仅仅是构建基于操作系统之上的协议和应用，敏捷开发。下面列举了几个面向WSN的操作系统：

TinyOS

官方网站：http://www.tinyos.net

TinyOS可能是第一个比较早的主要针对无线传感网络而设计的操作系统，TineyOS是基于事件驱动的编程模式而非多线程。主要用于低功耗无线设备上，如传感器网络、无处不在的计算、个域网、智能建筑、智能仪表等。TinyOS是一个免费开源的软件，遵循BSD协议。

Contiki

官方网站：http://contiki-os.org

Contiki是一个物联网开源的操作系统。Contiki将连接小型的低成本低功耗的微控制器到互联网。Contiki是一个开源的软件，遵循BSD协议（3-clause BSD-style license）。

LiteOS

官方网站：http://www.liteos.net

LiteOS是一个开源的交互式的类UNIX的操作系统，专为无线传感网络而设计。可以用类UNIX的方法操作一个或多个无线传感网络，传输数据、安装程序、检索结果、或配置传感器。可以为节点开发程序，并通过无线发布程序到传感器节点。

Nano-RK

官方网站: http://nanork.org/projects/nanork

Nano-RK是完全抢占式优先的实时操作系统，无线传感器网络应用的多跳网络支持。

RIOT

官方网站： http://www.riot-os.org

RIOT是一款友好的物联网操作系统。RIOT实现了所有支持物联网的相关开放标准。RIOS是免费开源的操作系统。

Mantis

Mantis操作系统是一个开源的用于微控制器传感器节点的多线程的嵌入式操作系统。

YATOS

一款为无线传感器网络（WSN）而开发的操作系统。一个传感器节点是一个计算设备，具有有限的通信、感应和处理能力。YATOS是以事件驱动的，并提供了API。

除上面的操作系统之外，还有如T2、SOS、BSNOS、uC/OS-II、FreeRTOS、RT-Thread等操作系统。另外，ARM公司也推出了适用于 Cortex-M 的物联网子系统，mbed操作系统可以轻松开发物联网应用程序的开源设备软件内置设备和通信安全。

无线通信标准

从无线传感网络的一些通信标准来看，不少通信标准以IEEE 802.15.4标准为基础，加以改进优化，形成了自己的应用特色。从行业生态来看，开放的标准会有更多的厂商参与其中，产品不受制于某个厂家，选择性更大，不必从零开始构建一个新的标准、新的产业生态系统。

IEEE 802 15.4

IEEE 802.15.4规定了低速率无线个人局域网（Low-Rate Wireless Personal Area Networks，LR-PWAN）的物理层和媒体接入控制。

IEE 802.15.4还是ZigBee和ISA100.11a、WirelessHART、MiWi、Thread、6LoWPAN等规范的基础。

WirelessHART

WirelessHART是一种无线传感器网络技术，基于可寻址远程传感器高速通道的开放通信协议（Highway Addressable Remote Transducer Protocol，HART）。作为一个多个厂商开发互操作性的无线标准，WirelesshART、互操作性的无线标准，WirelessHART为过程现场设备网络需求而设计。协议实现了时间同步、自组织、自修复的网状架构。该网络使用运行在 2.4GHz频段上的无线电IEEE802.15.4标准，采用直接序列扩频（DSSS）、通信安全与可靠的信道跳频、时分多址（TDMA）同步、网络上 设备间延控通信（Latency-controlled Communications）等技术。底层无线技术基于Dust Networks的TSMP（Time Synchronized Mesh Protocol）技术。

ISA100.11a

百度百科：工业级无线传感器网络国际标准之一。基于IEEE 802.15.4, 但仅使用其2.4GHz的ISM频段（不使用Sub-1GHz的频段）。已经于2014年09月获得了国际电工委员会（IEC）的批准，成为正式国际标准，标准号IEC 62734。

ISA100.11a由国际自动化协会（ISA）开发。官方描述是“工业自动化用无线系统：过程控制和相关应用。”

WIA-PA

百度百科：WIA-PA(Wireless Networks for Industrial Automation Process Automation 面向工业过程自动化的工业无线网络标准技术)标准是中国工业无线联盟针对过程自动化领域制定的 WIA 子标准，是基于 IEEE 802.15.4 标准的用于工业过程测量、监视与控制的无线网络系统。

工业无线网络WIA(Wireless Networks for Industrial Automation)技术是由中科院沈阳自动化所推出的具有 自主知识产权的高可靠、超低功耗的智能多跳无线传感器网络技术，该技术提供一种自组织、自治愈的智能Mesh网络路由机制，能够针对应用条件和环境的动态 变化，保持网络性能的高可靠性和强稳定性。

ZigBee

ZigBee是一个基于IEEE802.15.4标准的规范，是一种低速短距离传输的无线网络协议，主要特点是低数据速率、近距离、低功耗、低成本、自组织等。

ZigBee主要由Honeywell公司组成的ZigBee Alliance制定，从1998年开始发展，于2001年向电机电子工程师学会（IEEE）提案纳入IEEE 802.15.4标准规范之中，自此将ZigBee技术渐渐成为各业界共同通用的低速短距无线通信技术之一。

6LoWPAN

6LoWPAN（IPv6 over Low power Wireless Personal Area Networks）是一种基于IPv6的无线个域网标准，在IEEE 802.15.4标准的基础上实现了IPv6的无线通信。IP协议都是用于计算机的通信上，IPv6的无线化将使6LoWPAN可以应用于资源紧凑的微控制器上，可以实现低功耗自组网的无线连接。

Z-Wave

Z-Wave是一种用于家庭自动化的无线通信协议。它是面向住宅控制和自动化市场，提供一个简单可靠的方法无线控制照明、HVAC、安全系统、家庭影院、游泳池、车库和家庭访问控制。

Thread

Thread是一个基于IPv6的网络协议，用于物联网的智能自动化设备在本地无线网状网络上通信。2014年7月Google旗下公司NEST发起Thread Group联盟，联盟成员有Nest Labs、Samsung、ARM Holdings、Qualcomm、NXP Semiconductors/Freescale、Silicon Labs、Big Ass Solutions、Somfy、OSRAM、

Tyco International、Yale等。

出上述的通信标准之外，还有ANT、MiWi、ONE-NET、OCARI、OSIAN等等。

市场

工业自动化是WSN应用最重要的一个领域。工业WSN收入约3/4来自于加工制造业。据ON World称，在工业领域安装的无线设备在2011年和2016年间将会增加553%，将会有2400万无线传感器和执行器或感应端点在全球部署，其中39%是新的应用。无线传感网络的需求在迅速增长。

全球安装的工业无线传感端点

伴随着物联网的进一步发展，越来越多的传感器或设备连接到网上，成为物联网的一个节点。一个无线传感网络也可能就是一个物联网的节点，未来物联网节点的接入市场规模有多大呢？在ARM公司的白皮书《Intelligent Flexible IoT Nodes》中描述了这样一个方法建议，或许自己可以计算下市场规模。

了解更多信息，可关注芯资讯-微信-公众号: icwangzhijie

什么是无线传感网络？

随着传感器技术与无线通信技术的发展，以及无线监测场景的广泛需求，无线传感网络（Wireless Sensor Networks，WSN）应运而生。

无线传感网络由部署在监测区域内多个（或大量的）微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成一个多跳的自组织的网络系统，节点之间可以相互传递信息并协作地完成监测任务。在无线传感网络中节点协作地感知、采集和处理网络覆盖区域内的各种环境或监测对象的信息，并发送给观察者，传感器、感知对象和观察者构成了传感器网络的三个要素。

从体系结构上来说，无线传感网络一般由普通传感器节点、Sink节点或基站（Base Station，BS）、Internet或通信卫星、用户管理节点构成。在无线传感网络中，节点以自组织形式构成网络，协作地实时进行数据采集，对感知采集到的数据信息进行融合处理，通过多跳中继方式将监测数据传送到Sink节点，最终借助Internet或卫星将区域内的数据传送到远程中心的管理节点进行集中处理。Sink节点也可以用同样的方式将信息发送给各节点。

无线传感网络体系架构

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