3.2.2 传感器概述
传感器是可以感知外部环境参数的小型计算节点，可以感知热、力、光、电、声、位移等信号，为传感器网络的处理和传输提供最原始的信息。传感器网络（如图3.29所示）是大量传感器节点构成的网络，用于不同地点、不同种类的参数的感知或数据的采集，传感器网络可以有任意数目的传感器节点，每一个节点都具备存储和通过网络发送信息的能力，都有自己的电池、存储器、处理器、收发器以及感应装置。传感器节点部署在特定的区域内，它们彼此通信并收集相关信息。信息保存到一个被称作汇聚节点（Sink Node）的特定节点上，或者发送到一个邻居节点（距离最近的节点）。
图3.29 传感器网络
无线传感器网络（Wireless Sensor Network）则是利用无线通信技术来传递感知数据的网络，无线传感器网络是一个由多个传感器节点设备协同工作以执行特定任务的、自组织性的网络，集成了传感器技术、微机电系统技术、无线通信技术以及分布式信息处理技术。传感器的发明和应用极大地提高了人类获取信息的能力。目前，传感器网络主要用于环保、工业、医药、军事等领域的安全威胁及其防御技术。
传感器节点的组成在不同应用场景中略有不同，但是从结构上说一般包括4部分：数据采集、数据处理、数据传输和电源。感知信号的形式通常决定了传感器的类型。数据传输单元主要由低功耗、短距离的无线模块组成，运行在传感器网络上的微型化操作系统主要负责复杂任务的系统调度和管理。传感器的节点体系结构如图3.30所示，其中传感器模块的功能是感知和产生数据及数模转换，信息处理模块的功能是信号处理，无线通信模块的功能是将信号发射出去。
图3.30 传感器的节点体系结构
传感器网络节点的技术参数包括如下几项。
①电池能量：一般由电池提供传感器的能量。
②传输范围：由于传感器节点能量有限，节点的传输只能被限制在一个很小的范围之内，否则会造成传感器的能量枯竭。一些技术通过先将数据进行聚集，然后传输聚集的结果来减少能量的消耗，可以帮助减少传感器节点的传输能耗。
③网络带宽：传感器网络的带宽通常只有几十千比特每秒。
④内存大小：一般的传感器节点，内存为6～8 KB，而且一半的空间被传感器网络的操作系统所占据。
⑤预先部署的内容：因为传感器网络具有随机性和动态性，所以不可能获取应用环境的所有情况，必须提前在传感器节点上配置密钥类的信息，如：预先在节点中存储一些秘密共享密钥，使得网络在部署之后能够实现节点间的安全通信。
1.传感器的基本特性
传感器的特性主要指输入、输出的关系特性，其输入-输出特性反映的是与内部结构参数有关系的外部特征，通常用静态特性和动态特性来描述。
（1）传感器的静态特性
静态特性：指输入的被测参数不随时间而变化，或随时间变化缓慢时，传感器的输出量和输入量之间的关系。传感器只有在一个稳定的状态，表示输入与输出的关系式中才不会出现随时间变化的变量。衡量静态特性的重要指标有线性度、灵敏度、迟滞、重复性、分辨力、稳定性、漂移和可靠性等。
1）线性度
线性度是指传感器输入量与输出量之间的静态特性曲线偏离直线的程度，又称为非线性误差，是表示传感器实际特性的曲线与拟合直线（也称为理论直线）之间的最大偏差与传感器量程范围内的输出之百分比，非线性误差越小越好。线性度的计算公式如下：
其中，ΔLmax为最大非线性绝对误差，YFS为满量程输出值。
在实际使用中，大部分传感器的静态特性曲线是非线性的，可用一条直线（切线或割线）近似地代表实际曲线的一段，使输入、输出特性线性化，这条直线通常被称为拟合直线。图3.31所示为几种拟合直线。
图3.31 几种拟合直线
2）灵敏度
灵敏度是指传感器在稳定工作状态下输出变化量与输入变化量之比，用k来表示：
式中，Δy为输出量的增量，Δx为输入量的增量。
灵敏度表征传感器对输入量变化的反应能力。对于线性传感器而言，灵敏度是该传感器特性曲线的斜率；而对于非线性传感器来说，灵敏度是一个随着工作点变化的变化量，实际是该点的导数。图3.32所示为非线性传感器的输入-输出特性曲线。
3）迟滞
迟滞是指传感器在输入量由小到大（正行程）和输入量由大到小（反行程）变化时其输入-输出特性曲线不重合的程度。如果是同一大小的输入量，传感器正、反行程的输出量的大小是不相等的。图3.33所示为传感器迟滞特性曲线。迟滞误差是指对应同一输入量，正、反行程输出值之间的最大差值与满量程值的百分比，通常用γH表示，即
式中，ΔHmax为正、反行程输出值之间的最大差值。
图3.32 非线性传感器的输入-输出特性曲线
图3.33 传感器的迟滞特性曲线
传感器出现迟滞主要是由传感器中敏感元件的机械磨损、部件内部摩擦、积尘、电路老化、松动等原因引起的。
4）重复性
重复性是指传感器在输入量按照同一方向做全量程多次测量时，所得到的输入-输出特性曲线不一致的现象。多次测量时按照相同输入条件测试出的特性曲线越重合，传感器的重复性越好，误差就会越小。传感器的重复性如图3.34所示。
5）分辨力
分辨力是指传感器能够检测出的被测量的最小变化量。当被测量的变化量小于分辨力时，传感器对输入量的变化不会出现任何反应。对数字式仪表而言，如果没有其他说明，可以认为该表的最后一位所表示的数值就是它的分辨力。分辨力如果以满量程输出的百分数表示，则称为分辨率。
6）稳定性
稳定性是指传感器在一个较长的时间内保持其性能参数的能力。稳定性一般用在室温条件下经过一定的时间间隔（比如一天、一个月或者一年）后，传感器此时的输出与起始标定时的输出之间的差异来表示，这种差异称为稳定性误差。稳定性误差通常可由相对误差和绝对误差来表示。
7）漂移
漂移是指在外界的干扰下，在一定时间内，传感器的输出量发生与输入量无关的、不需要的变化，通常包括零点漂移和灵敏度漂移，如图3.35所示。产生漂移的主要原因有两个：一个是仪器自身参数的变化；另一个是周围环境导致的输出的变化。零点漂移或灵敏度漂移又可分为时间漂移和温度漂移。时间漂移是指在规定的条件下，零点漂移或灵敏度漂移随时间的缓慢变化。温度漂移是指当环境温度变化时引起的零点漂移或灵敏度漂移。
图3.34 传感器的重复性
图3.35 传感器的漂移
8）可靠性
可靠性是指传感器在规定的条件下和时间内，完成规定功能的一种能力。衡量传感器可靠性的指标如下。
①平均无故障时间
平均无故障时间是指传感器或检测系统在正常的工作条件下，连续不间断地工作，直到发生故障而丧失正常工作能力所用的时间。
②平均修复时间
平均修复时间是指排除故障所花费的时间。
③故障率
故障率又被称为失效率，它是平均无故障时间的倒数。
（2）传感器的动态特性
传感器的动态特性就是当输入信号随时间变化时，输入与输出的响应特性；通常要求传感器能够迅速、准确地响应和再现被测信号的变化，这也是传感器的重要特性之一。
在评价传感器的动态特性时，最常用的输入信号为阶跃信号和正弦信号，与其对应的方法为阶跃响应法和频率响应法。
1）阶跃响应法
图3.36 阶跃响应特性曲线
研究传感器的动态特性时，在时域状态中分析传感器的响应和过渡过程被称为时域分析法，这时传感器对输入信号的响应就被称为阶跃响应。图3.36所示为阶跃响应特性曲线。
衡量传感器阶跃响应特性的几项指标如下。
①最大超调量（σP）：指阶跃响应特性曲线偏离稳态值的最大值，常用百分数表示。
②延滞时间（td）：指阶跃响应特性曲线达到稳态值的50%所需的时间。
③上升时间（tr）：指阶跃响应特性曲线从稳态值的10%上升到90%所需的时间。
④峰值时间（tp）：指阶跃响应特性曲线从稳态值为零上升到第一个峰值所需的时间。
⑤响应时间（ts）：指阶跃响应特性曲线到达与稳态值之差不超过（2%～5%）所需的时间。
⑥稳态误差（ess）：指期望的稳态输出量与实际的稳态输出量之差。控制系统的稳态误差越小，说明控制精度越高。
2）频率响应法
频率响应法是指从传感器的频率特性出发来研究传感器的动态特性。此时传感器的输入信号为正弦信号，这时的响应特性为频率响应特性。
大部分传感器可简化为单自由度一阶系统或单自由度二阶系统，即
式中，τ为时间函数。
式中，wn为传感器的固有频率。
衡量传感器频率响应特性的几项指标如下。
①频带：传感器的增益保持在一定的频率范围内，这一频率范围称为传感器的频带或通频带，对应有上截止频率和下截止频率。
②时间常数：可用时间常数τ来表征传感器单自由度一阶系统的动态特性。时间常数τ越小，频带越宽。
③固有频率：传感器单自由度二阶系统的固有频率可用wn来表征其动态特性。
2.传感器的选用
（1）灵敏度
通常在传感器的线性范围内，希望传感器的灵敏度越高越好。因为只有灵敏度高时，与被测量变化相对应的输出信号的值才比较大，有利于信号处理。但要注意的是，传感器的灵敏度高，与被测量无关的外界噪声也容易混入，会被放大系统放大，影响测量精度。因此，要求传感器本身应具有较高的信噪比，尽量减少从外界引入的干扰信号。
（2）精度
精度是传感器的一个重要性能指标，是关系到整个测量系统测量精度的一个重要因素。传感器的精度越高，其价格越昂贵，因此，传感器的精度只要满足整个测量系统的精度要求就可以，不必选得过高。这样就可以在满足同一测量目的的诸多传感器中选择比较便宜和简单的传感器。如果测量目的是定性分析，选用重复精度高的传感器即可，不宜选用绝对量值精度高的；如果是为了定量分析，必须获得精确的测量子，就需要选用精度等级能满足要求的传感器。
（3）可靠性
选择可靠的传感器十分重要，对传感器的可靠性要求如下：①尽量简单，组件少、结构简单；②工艺简单；③使用简单；④维修简单；⑤技术上成熟；⑥选用合乎标准的原材料和组件；⑦采用保守的设计方案。
（4）线性范围
传感器的线性范围是指输出与输入成正比的范围。从理论上讲，在此范围内，灵敏度保持定值。传感器的线性范围越宽，则其量程越大，并且能保证一定的测量精度。在选择传感器时，当传感器的种类确定以后，首先要看其量程是否满足要求。
但实际上，任何传感器都不能保证绝对的线性，其线性度也是相对的。当所要求的测量精度比较低时，在一定的范围内，可将非线性误差较小的传感器近似看作线性。
（5）频率响应
传感器的频率响应特性决定了被测量的频率范围，必须在允许频率范围内保持不失真的测量条件，实际上传感器的响应总有一定的延迟，只是希望延迟时间越短越好。传感器的频率响应高，可测的信号频率范围就宽，而由于结构特性的影响，机械系统的惯性较大，因有频率低的传感器可测信号的频率较低。在动态测量中，应根据信号的特点（稳态、瞬态、随机等）来响应特性，以免产生过大的误差。
（6）稳定性
图3.37 无线传感器网络的协议栈
传感器使用一段时间后，其性能保持不变化的能力被称为稳定性。影响传感器长期稳定性的因素除传感器本身的结构外，主要是传感器的使用环境。因此，要使传感器具有良好的稳定性，传感器必须要有较强的环境适应能力。在选择传感器之前，应对其使用环境进行调查，并根据具体的使用环境来选择合适的传感器，或采取适当的措施，减小环境的影响。传感器的稳定性有定量指标，在超过使用期后，使用传感器前应重新进行标定，以确定传感器的性能是否发生变化。在某些要求传感器能长期使用而不能轻易更换或标定的场合，对所选用传感器的稳定性要求更严格。
3.无线传感器网络的协议栈
接下来了解无线传感器网络的协议栈。图3.37给出了一种无线传感器网络的协议栈，它包括两个平面：通信平面和管理平面。通信平面包括物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层。管理层包括电源管理、移动管理和协同管理。通信平面的作用是实现网络节点之间的信息传递。节点把接收到的数据传递给管理平面，由管理平面来决定节点如何处理数据。管理平面负责检测和控制节点，使节点能正确地工作。
①物理层主要负责收集感知数据，并对收集的数据进行抽样，以及完成信号的调制解调、信号的发送和接收、功率控制等任务。按照目前电子电路的技术水平，在传送和接收相同长度的比特数据时，发射所需的能量＞接收所需的能量≫CPU处理所需的能量。考虑到无线传感器网络节点的能量是十分有限的，节能对于延长网络的生存时间十分重要。因此，可以采用高频来发射信号，采用低频来接收信号。如何进行动态功率的管理和控制是无线传感器网络一个非常重要的课题。
②数据链路层负责控制媒体接入和建立节点之间可靠的通信链路，主要由介质访问控制（MAC）组成。传统的基于竞争机制的MAC协议很难适应无线传感器网络的需要。因为基于竞争机制的MAC协议需要多次握手，数据发生冲突的概率很大，造成能量的浪费，这在无线传感器网络中是不可取的。因此，无线传感器网络的MAC协议一般采用基于预先规划的机制，如TDMA来保护节点的能量。MAC层是无线传感器网络的研究热点之一。
③网络层的主要任务是发现和维护路由。因为多跳通信比直接通信更加节能，也正好符合数据融合和协同信号处理的需要，所以在无线传感器网络中，节点一般采用多跳路由来连接信源和信宿。但是，现存的Ad hoc网络多跳路由协议，如AODV、TORA和DSR等，一般不适合无线传感器网络，无线传感器网络必须开发属于自己的路由协议。事实上，由于无线传感器网络具有很强的具体应用背景，一个传感器网络通常是为某个具体的应用场合设计的，因此，很难采用通用的路由协议。与传统的以地址为中心的路由协议不同，无线传感器网络的路由协议是以数据为中心的，没有一个全局的标识，一般是基于属性的寻址方式，通常采用按需的被动式路由方式。常见的以数据为中心的路由协议有SPIN（Sensor Protocol for Information via Negotiation）、Directed Diffusion和GHT（Geographic Hash Table）。另外一类常见的路由协议是基于分簇的层次化路由协议，常见的有LEACH（Low Energy Adaptive Clustering Hierarch）、TEEN（Threshold Sensitive Energy Efficient Sensor Network Protocol）。关于路由层的研究是无线传感器网络研究领域的一个十分活跃的分支。
④在无线传感器网络中，节点的能量是十分有限的，而节点又必须完成感知数据、处理信号和与相邻节点通信等多重任务，这样，如何有效地节省能量就至关重要了。人们必须采用有效的感知模型、较低的采样率和低功耗的信号处理算法。同时，为了有效地实现对感知区域的监控，包括对目标的检测、分类、辨识和跟踪，信号处理必须在一定的时间内完成。还有，在无线传感器网络中，节点的通信链路是很不稳定的。因为协同信号处理具有低时延、强鲁棒性和可测量性等优点，所以很有必要在无线传感器网络节点之间进行协同信号处理。协同信号处理指的是多个节点协作性地对多个信源的数据进行处理。
从另外一个角度来看，传统的集中式信号处理方式也不适合无线传感器网络的需要。在以往的无线通信系统中，网络节点把收集到的原始数据直接发送给中心节点，由中心节点来进行信号处理。在无线传感器网络这种带宽十分宝贵的情况下，这样的中心处理方式会浪费很多带宽资源，并且处理中心附件的节点由于要转发大量的信息，能量很容易就耗尽，这会大大缩短网络的生存时间。
在集中式的信号处理方式中，节点把收集到的原始数据直接传送给远程的处理中心，这在无线传感器网络中也是不可取的。由于无线传感器网络相邻节点的感知数据通常具有很强的相关性，存在很大的冗余，如果直接传送原始数据，将会浪费有限的带宽资源，因此应该利用协同信号处理技术把相邻节点之间的数据进行融合和压缩，再进行数据传送。这样就可以降低数据的冗余度，减少网络的总体流量。
协同信号处理是一种按需的、面向目标的信号处理方式，只有当节点接到具体的查询任务时，才进行与当前查询有关的信号处理。协同信号处理又是一种多分辨率信号处理方式，能根据不同的查询任务进行不同的信号处理。协同信号处理性能的提高实际上是以增加相邻节点之间的信息交换为代价的，因此，设计实际算法时常常要考虑算法性能和网络资源之间的折中。协同信号处理也面临一些问题，如由节点移动产生的多普勒频移的影响、节点的时间同步等。协同信号处理是一项新兴的技术，还有许多问题值得进一步探讨。
当前很多无线传感器网络协议是基于传统的分层结构设计的，这种分层结构实际上是一种局部的次优方案。由于无线传感器网络的资源，如能量、带宽和节点的资源等是十分有限的，这种分层的次优结构很难适应无线传感器网络的发展需要。而跨层设计通过层与层之间的信息交换来满足全局性的需要，是一个全局性的优化问题。当然，跨层设计并不意味着不再需要协议规范，也不是把所有的规范整合在一起，跨层设计实际上是通过层与层之间的信息共享来优化整个网络的性能。
⑤不同的网络体系需要不同的设计方案，不同的应用同样要有不同的设计方案。无线传感器网络是一种基于应用的网络，具有很强的应用背景。特别地，有些应用是不需要涉及所有网络层的，如多跳的LPS（Local Positioning System）。这样，在设计这种网络体系时，就可以把不相关的层拿掉，仅考虑其他层的优化问题；传统的分层结构显然不能满足这种需求。另外，无线传感器网络的具体应用环境常常要求网络的生存时间足够长、网络时延尽量短，这和无线传感器网络有限的能量供应、有限的节点资源和带宽是矛盾的，传统的分层结构很难解决这个问题。因此，需要引入跨层设计。特别是在无线传感器网络这种无线通信环境中，由于各个层之间是紧密联系的，更加有必要跨层地考虑问题。
无线传感器网络在应用场景不同时，网络拓扑结构可能不同。比较典型的应用是：无线传感器节点被任意地散落在检测区域，然后节点间以自组织的形式构建网络，对感知参数进行检测并生成感知数据，最后通过短距离无线通信，经过多次转发将数据传送到网关，网关通过远距离无线通信网络将数据发到控制中心。也有传感器节点直接将感知的数据发给控制中心的，这便是一种典型的M2M通信场景。一般而言，无线传感器的网络结构可以分为分布式网络结构和集中式网络结构。
（1）分布式无线传感器网络
分布式无线传感器网络没有固定的网络结构，网络拓扑结构在部署前也无法确定。传感器节点通常随机部署在目标区域中，一旦节点被部署，它们就开始在自己的通信范围内寻找邻居节点，建立数据传输路径。分布式无线传感器网络的结构如图3.38所示。
图3.38 分布式无线传感器网络
（2）集中式无线传感器网络
在集中式无线传感器网络中，依据节点能力的不同可以将其分为基站、簇头和普通节点。基站是一个控制中心，通常具有很高的计算和存储能力，可以实施多种控制命令。基站的功能包括：典型的网络应用中的网关、用户的访问接口等。通常情况下，基站是抗攻击、可信赖的，因而它可以成为网络中的密钥分发中心。节点通常部署在与基站一跳或多跳的范围内，多跳节点形成一个簇结构（包括一个簇头节点和多个普通节点或子节点的树状结构）。基站具有很强的传输能力，通常可以与任意一个网络内的节点通信，而节点的通信能力则取决于节点自身的能量水平和位置。依据通信方式的不同，网络内的数据流可以分为：点对点通信、组播通信、基站到节点的广播通信。集中式无线传感器网络的结构如图3.39所示。
图3.39 集中式无线传感器网络
对于无线传感器网络安全方案的设计，需要考虑以下几个要素：
①网络节点数量极多，节点密度大；
②网络拓扑结构会发生变化；
③由于应用环境和节点成本的限制，传感器节点的计算能力和通信能力有限；
④无线传感器网络由于部署在特定环境内，多以电池作为能量源。
无线传感器网络的结构如图3.40所示。在传感器网络中有很多节点，每个节点的功能相同，大量传感器节点被布置在整个检测区中，每个传感器节点将自己所探测到的有用信息经过数据处理和信息融合后传送给用户，数据通过相邻节点的接力传送传送回基站，然后再通过基站以卫星信道或者有线网络连接的方式传送到最终用户。
图3.40 无线传感器网络的结构
无线传感器网络在军事中的应用
无线传感器的软件框架如图3.41所示。最底层是应用程序接口（API），由相关的函数库和硬件接口程序组成，构成了整个系统软件框架的基础。应用程序接口的上层是任务调度模块（TS）和协议栈（BPS）。任务调度模块用于各系统任务的创建、执行和通信，是用户应用程序的基础；协议栈用于执行无线通信的底层协议，保证了无线传感器符合无线通信规范的要求。通用访问协议（GAP）保证了无线传感器网络传输的可靠性。传感器规范（SF）定义了不同传感器的软件驱动和接口规范。用户应用接口（UI）定义了应用程序访问传感器数据的规范。数据采集（DC）是具体传感器应用系统的数据采集应用程序。
图3.41 无线传感器的软件框架