?应用层包括一系列基于监测任务的应用层软件；
?能量管理平台管理传感器节点如何使用能源，在各个协议层都需要考虑节省能量；
?移动管理平台监测并注册传感器节点的移动，维护到汇聚节点的路由，使得传感器节点能够动态跟踪其邻居的位置；
?任务管理平台在一个给定的区域内平衡和调度监测任务。
图2-3传感器网络协议栈
图2-3(b)所示的协议栈细化并改进了原始模型。定位和时间同步子层在协议栈中的位置比较特殊。它们既要依赖于数据传输通道进行协作定位和时间同步协商，同时又要为网络协议各层提供信息支持，如基于时分复用的MAC协议，基于地理位置的路由协议的等很多传感器网络协议都需要定位和同步信息。所以在图2-3（a）所示的各层协议中，用以优化和管理协议流程：另一部分独立在协议外层，通过各种收集和配置接口对相应机制进行配置和监控。如能量管理，在图2-3（a）中的每个协议层次中都要增加能量控制代码，并提供给配置系统进行能量分配决策；QoS管理在各协议层设计队列管理、优先级机制或者带宽预留等机制，并对特定应用的数据给予特别处理；拓扑控制利用物理层、链路层或路由层完成拓扑生成，反过来又为它们提供基础信息支持，优化MAC协议和路由协议的协议过程，提高协议效率，减少网络能量消耗；网络管理则要求协议各层嵌入各种信息接口，并定时收集协议运行状态和流量信息，协调控制网络中各个协议组件的运行。
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2.2无线传感器网络的特征
2.2.1与现有无线网络的区别
无线自组网是一个由几十到上百个节点组成的、采用无线通信方式的、动态组网的多跳的移动性对等网络。其目的是通过动态路由和移动管理技术传输具有服务质量要求的多媒体信道流。通常节点具有持续的能量供给。
传感器网络虽然与无线自组网有相似之处，但同时也存在很大差别。传感器网络是集成了检测、控制以及无线通信的网络系统，节点数目更为庞大，节点分布更为密集；由于环境影响和能量耗尽，节点更容易出现故障；环境干扰和节点故障易造成网络拓扑结构的变化；通常情况下，大多数传感器节点是固定不动的。另外，传感器节点具有的能量、处理能力、存储能力和通信能力等都十分有限。传统无线网络的首要设计目标是提供高服务质量和高效带宽利用，其次才考虑节约能源；而传感器网络的首要设计目标是能源高效使用，这也是传感器网络和传统网络最重要的区别之一。
2.2.2传感器节点的限制
传感器节点在实现各种网络协议和应用系统时，存在以下一些现实约束。 1电源能量有限
传感器节点体积微小，通常携带能量十分有限的电池。由于传感器节点个数多、成本要求低廉、分布区域广，而且部署区域环境复杂，有些区域甚至人员不能到达，所以传感器节点通过更换电池的方式来补充能源是不现实的。如何高效使用能量来最大化网络生命周期是传感器网络面临的首要挑战。
传感器节点消耗能量的模块包括传感器模块、处理器模块和无线通信模块。随着集成电路工艺的进步，处理器和传感器模块的功耗变得很低，绝大部分能量消耗在无线通信模块上。图2-4所示是Deborah Estrin在 Mobim2002会议上的特邀报告中所述传感器节点各部分能量消耗的情况，从图中可知传感器节点的绝大部分能量消耗在无线通信模块。传感器节点传输信息要比执行计算时更消耗电能，传输1比特信息100m距离需要的能量大约相当于执行3000条计算指令消耗的能量。
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图2-4 传感器节点能量消耗情况
无线通信模块存在发送、接收、空闲和睡眠四种状态。无线通信模块在空闲状态一直监听无线信道的使用情况，检查是否有数据发送给自己，而在睡眠状态则关闭通信模块。从图中可以看到，无线通信模块在发送状态的能量消耗状态最大，在空闲状态接收状态的能量消耗接近，略少于发送状态的能量消耗，在睡眠抓国泰的能量消耗最少。如何让网络通信更有效率，减少不必要的转发和接受，不需要通信时尽快进入睡眠状态，是传感器网络协议设计需要重点考虑的问题。 2.通信能力有限
无线通信的能量消耗与通信距离的关系为：
E=kdn
其中，参数n满足关系2 考虑到传感器节点的能量限制和网络覆盖区域大，传感器网络采用多跳路由的传输机制，传感器节点的无线通信带宽有限，通常仅有几百kbps的速率。由于节点能量的变化，受高山、建筑物、障碍物等地势地貌以及风雨雷电的等自然环境的影响，无线通信性能可能经常变化，频繁出现通信中断。在这样的通信环境和节点有限通信能力的情况下，如何设计网络通信机制以满足传感器网络的通信需求是传感器网络面临的挑战之一。 7 3计算和存储能力有限 传感器节点是一种微型嵌入式设备，要求它价格功耗小，这些限制必然导致其携带的处理能力比较弱，存储器容量比较小。为了完成各种任务，传感器节点需要完成监测数据的采集和转换、数据的管理和处理、应答汇聚节点的任务请求和节点控制等多种工作。如何利用有限的计算和存储资源完成诸多协同任务成为传感器网络设计的挑战。 随着低功耗电路和系统设计技术的提高，目前已经开发出很多超低功耗微处理器。除了降低处理器的绝对功耗以外，现代处理器还支持模块化供电和动态频率调节功能。利用这些处理器的特性，传感器节点的操作系统设计了动态能量管理和动态电压调节模块，可以更有效地利用节点的各种资源。动态能量管理是当节点周围没有感兴趣的事件发生时，部分模块处于空闲状态，把这些组件关掉或调到更低能耗的睡眠状态。动态电压调节是当计算负载较低时，通过降低微处理器的工作电压和频率来降低处理能力，从而节约微处理器的能耗，很多处理器如SrongARM都支持电压频率调节。 2.2.3传感器网络的特点 1.大规模网络 为了获取精确信息，在监测区域通常部署大量传感器节点，传感器节点数量可能达到成千上万，甚至更多。传感器网络的大规模性通常包括两方面的含义：一方面是传感器节点分布在很大的地理区域内，如在原始大森林采用传感器网络进行森林防火和环境监测，需要部署大量的传感器节点；另一方面，传感器节点部署很密集，在一个面积不是很大的空间内，密集部署了大量的传感器节点。 2.自组织网络 在传感器网络应用中，通常情况下传感器节点被放置在没有基础结构的地方。传感器节点的位置不能预先精确设定，节点之间的相互邻居关系预先也不知道，如通过飞机播散大量传感器节点到面积广阔的原始森林中，或随意放置到人不可到达或危险的区域。这样就要求传感器节点具有自组织的能力，能够自动进行配置和管理，通过拓扑控制机制和网络协议自动形成转发监测数据的多跳无线网络系统。 3.动态性网络 传感器网络的拓扑结构可能因为下列因素而改变：a环境因素或电能耗尽造成的传感器节点出现故障或失效；b环境条件变化可能造成无线链路带宽变化， 8 甚至时断时通；c传感器网络的传感器、感知对象和观察者这三要素都可能具有移动性；d新节点的加入。这就要求传感器网络系统要能够适应这种变化，具有动态的系统可重构性。 4.可靠网络 传感器网络特别适合部署在恶劣环境或人类不已到达的区域，传感器节点可能工作在露天环境中。 5.应用相关的网络 不同应用背景对传感器网络的要求不同，其硬件平台、软件系统和网络协议必然会有很大差别。所以传感器网络不能像Internet一样，有统一的通信协议平台。对于不同的传感器网络应用虽然存在一些共性问题，但在开发传感器网络应用中，更关心传感器网络的差异。 9