近年来随着无线通信和电子学的发展，低成本的无线传感器网络开始成为研究和应用的热点。无线传感器网络在环境监测与预报系统、智能家居、交通运输、精细农业、空间探测、工业生产、军事“智能尘埃”等领域具有广泛的应用前景，越来越受到人们的重视。传感器节点作为无线传感器网络的重要组成单元，通常散布于一定的区域内协作地实时监测、感知和采集各种环境和监测对象的信息。传感器节点部署环境和实际应用中的要求决定了节点电源大多数情况下不可能接入正常的电力系统供电。例如，50～60层的高层大厦的管理系统有时会使用4000～6000个无线传感器单元。如果各传感器单元使用以电池为驱动的技术，电池的更换和管理将成为巨大的负担，令大厦管理公司无所适从。此外由于节点常被布置在恶劣及复杂的环境中，进一步增加了更换电池的成本。

如何能稳定有效地为传感器节点提供电源保证就成为传感器节点设计的关键问题。目前针对这一问题的研究思路主要是如何从节点所处的环境中采集能量并进行有效的存储，使节点具有能量补充能力，从而有效地延长节点的生存周期。环境中具有各种丰富的能量，如太阳能、风能、热能、机械振动能、声能、电磁能等。目前，已有一些公司研究和开发了利用环境能量为无线传感器网络供电的系统。例如太阳能收集模块CBC-EVAL-08已成功应用在TI公司的超低功耗无线传感器网络节点CC2430～CC2500上为其提供能源。创业公司Perpetuum推出PMG7微型振动发电机，能从一个100mg振动中产生高达5mW/3.3V的输出功率。但是，目前的能量收集都具有一些局限性。

电源是传感器节点比较重要的部分，由它驱使其他三个部分进行正常的运作，有时候还会有一个能量产生装置，如太阳能来提供电源的能量。感应单元通常由两个子部件组成：传感器和模数转换器。传感器对监测区域的环境进行感应产生模拟信号，模拟信号经模数转换器变为数字信号，并被移交至处理单元。处理单元负责执行用户的程序和处理数据，它一般还带有一个小型存储器，用于存储应用程序及相关数据。而收发单元则将一个个通信范围有限的传感器节点连接成无线传感器网络。无线传感器网络中的许多协议及感应数据的信息中都要求高精度的地理位置信息，因此定位系统非常重要。此外，某些应用还可能要求使用具有移动特性的传感器节点，以便完成特定的任务，这时动力系统就成为传感器节点的关键部分。传感器节点的结构如图8-1所示。

图8-1所示的这些单元或辅助应用装置都必须容纳在一个体积很小的模块里，除了体积的限制，传感器节点还有如下一些资源和通信上的限制：

1）电源受限：由于无线传感器网络通常被配置于偏远地区或是工作人员较难到达的自然环境中，因此传感器节点中的电源不易更换。而传感器节点的体积较小，从而无法为之配备大型的能源供应装置。

图8-1 传感器节点的结构

2）处理能力受限：由于体积的限制，处理单元采用微型处理器，再加上传感器节点的电源受限，因此处理器的处理能力有限。传感器节点无法运行大型的应用程序和处理大量的应用数据。

3）存储能力受限：在体积、电源受限的前提下，传感器节点采用容量较小的微型处理器存储少量的感应数据和短小的应用程序。(www.daowen.com)

4）通信距离受限：传感器节点采用无线电进行通信。在理想状态下其通信范围为半径为R的圆（R为最大通信距离），在通信范围内的所有传感器节点都能相互通信。由于通信距离越大，能耗越大，因此传感器节点的能量受限导致其通信距离受限。

由数以千百计的微型传感器节点以点对点的方式组成网络，在这种无线传感器网络中，各个传感器节点以某种拓扑形式分散在监控区域内，它们负责感应并收集监控区域内的声音、温度、湿度、电磁或地震信号等多种与应用相关的有用信息，并将这些感应信息以多跳的方式发送至主节点。主节点具有充足的计算处理能力和数据存储能力，因而它能够处理和存储所有收集到的感应数据，并将结果送往其他大型网络，如企业内部局域网或教育网等，使得远程用户能够检索并获知有关信息。

由于传感器节点的电源、处理器、存储单元等资源受到限制，再加上它具有独特的通信模式，因此由这些传感器节点构成的无线传感器网络相对于传统的无线网络，具有如下一些特点：

1）无线传感器网络中的节点数目成千上万，因此网络密度较高。

2）由于传感器节点资源受限，又由于无线信道的不稳定性，因此数据传输失败率较高，节点较易失效，网络拓扑较易变化。

3）传感器节点的数据传输为广播模式，不同于传统无线网络的点对点通信模式。

4）由于大量传感器节点的存在，因此节点较难具有全局性的标志。

综上所述，限制无线传感器网络发展的关键因素是能源，如果靠自身携带的能量工作，靠节能的方式只能延长无线传感器网络的寿命，并不能使其长期工作。采用从环境中获取能量的方法将是实现无线传感器网络长期工作的关键，而如何收集、管理和合理利用从环境中获取的能量将是本章的主要内容。