無線傳感器網(wǎng)絡(luò)：第01章 現(xiàn)狀與發(fā)展

1、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)講義第一章、現(xiàn)狀與發(fā)展內(nèi)容提要.5.6.7.WSN研究歷史WSN與Ad hoc網(wǎng)絡(luò)WSN體系結(jié)構(gòu)WSN的應(yīng)用WSN研究WSN研究中的若干問題主要參考文獻(xiàn)內(nèi)容提要.5.6.7.WSN研究歷史WSN與Ad hoc網(wǎng)絡(luò)WSN體系結(jié)構(gòu)WSN的應(yīng)用WSN研究WSN研究中的若干問題主要參考文獻(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)計(jì)算設(shè)備的演化歷史巨型機(jī)小型機(jī)工作站PCPDAWSN 節(jié)點(diǎn)等生物芯片發(fā)展歷程（一） 二十世紀(jì)70年代。冷戰(zhàn)時(shí)期的聲音監(jiān)測系統(tǒng)（Sound SurveillanceSystem-SOSUS）、空中預(yù)警與控制系統(tǒng)（Air borne Warning andContr

2、ol System-AWACS） 1980年。DARPA的分布式傳感器網(wǎng)絡(luò)項(xiàng)目（Distributed SensorNetworks-DSN） 1994年 。加州大學(xué)洛杉磯分校的William J. Kaiser 向DARPA提交建議書“Low Power Wireless Integrated Microsensors” ，里程碑。 二十世紀(jì)80年代至90年代之間。美國海軍研制的協(xié)同交戰(zhàn)能力系統(tǒng)（Cooperative Engagement Capability-CEC），用于反潛的確定性分布系統(tǒng)（Fixed Distributed System-FDS）和高級(jí)配置系統(tǒng)（Advanced D

3、eployment System-ADS），以及遠(yuǎn)程戰(zhàn)場傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)（Remote Battlefield Sensor System-REMBASS）和戰(zhàn)術(shù)遠(yuǎn)程傳感器系統(tǒng)（Tactical Remote Sensor System）等無人看管地面?zhèn)鞲衅骶W(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)發(fā)展歷程（二） 1998 年。Gregory. J. Pottie 闡釋了WSN 的科學(xué)意義，DARPA巨資啟動(dòng)了SensIT項(xiàng)目，目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)“超視距”戰(zhàn)場監(jiān)測。 1999年9月。商業(yè)周刊將其列位21世紀(jì)最重要的21項(xiàng)技術(shù)之一。橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室(Oak Ridge National Laboratory ,ORNL) 提出了“網(wǎng)絡(luò)就是

4、傳感器”（Network is Sensor）的論斷。 2001年1月。MIT技術(shù)評論將WSN列于十種改變未來世界新興技術(shù)之首。 2003年8月。商業(yè)周刊預(yù)測：WSN和其他三項(xiàng)信息技術(shù)將會(huì)在不遠(yuǎn)的將來掀起新的產(chǎn)業(yè)浪潮。 2004年IEEE Spectrum雜志發(fā)表一期專集：傳感器的國度，論述WSN的發(fā)展和可能的廣泛應(yīng)用。 我們國家未來20年預(yù)見技術(shù)的調(diào)查報(bào)告，信息領(lǐng)域157項(xiàng)技術(shù)課題中有7項(xiàng)與傳感器網(wǎng)絡(luò)直接相關(guān)。 2006年初發(fā)布的國家中長期科學(xué)與技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要為信息技術(shù)確定了三個(gè)前沿方向，其中兩個(gè)與WSN的研究直接相關(guān)，即智能感知技術(shù)和自組織網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。內(nèi)容提要.5.6.7.W

5、SN研究歷史WSN與Ad hoc網(wǎng)絡(luò)WSN體系結(jié)構(gòu)WSN的應(yīng)用WSN研究WSN研究中的若干問題主要參考文獻(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本概念無線傳感器網(wǎng)絡(luò)綜合了傳感器技術(shù)、嵌入式計(jì)算技術(shù)、無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)以及微機(jī)電技術(shù)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)綜合能夠通過各類集成化的微型傳感器協(xié)作地實(shí)時(shí)監(jiān)測、感知和采集各種環(huán)境或監(jiān)測對象的信息，通過嵌入式系統(tǒng)對信息進(jìn)行處理，并通過隨機(jī)自組織無線通信網(wǎng)絡(luò)以多跳中繼方式將信息傳送到終端用戶，從而實(shí)現(xiàn)“無處不在的計(jì)算”理念。WSN與Ad hoc網(wǎng)絡(luò) 相同點(diǎn)：基本不需要人的干預(yù)，大部分工作是以自組織的方式完成的，二者統(tǒng)稱為自組織網(wǎng)絡(luò)。二者的研究都是追求低功耗的自組織網(wǎng)

6、絡(luò)設(shè)計(jì)。 不同點(diǎn)：（1）網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和工作模式各不相同。Ad hoc網(wǎng)絡(luò): 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)變化。WSN: 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是靜態(tài)的。（2）工作模式不同。WSN: 多對一(Many-to-One)通信，節(jié)點(diǎn)之間幾乎不會(huì)發(fā)生消息交換。Ad Hoc網(wǎng)絡(luò) ：網(wǎng)絡(luò)中任意兩節(jié)點(diǎn)之間都有通信的可能。無線寬帶網(wǎng)絡(luò)(GSM,3G,WiFi,WiMax)帶寬優(yōu)化WSN三種網(wǎng)絡(luò)之間的關(guān)系準(zhǔn)靜態(tài)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)多對一模式網(wǎng)內(nèi)數(shù)據(jù)處理Ad Hoc動(dòng)態(tài)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)功耗優(yōu)化分組傳輸無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特征無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種特殊的自組織(Ad-hoc)網(wǎng)絡(luò)，可應(yīng)用于布線和電源供給困難的區(qū)域、人員不能到達(dá)的區(qū)域(如受到污染、環(huán)境不能被破壞或敵

7、對區(qū)域)和一些臨時(shí)場合(如發(fā)生自然災(zāi)害時(shí)，固定通信網(wǎng)絡(luò)被破壞)。它不需要固定網(wǎng)絡(luò)支持，具有快速展開、抗毀性強(qiáng)等特點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于軍事、工業(yè)、交通、環(huán)保等領(lǐng)域。通信能力有限.傳感器網(wǎng)絡(luò)的傳感器的通信帶寬窄而且經(jīng)常變化,通信覆蓋范圍只有幾十到幾百米.傳感器之間的通信斷接頻繁,經(jīng)常導(dǎo)致通信失敗。網(wǎng)絡(luò)密度高,數(shù)量巨大。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特征傳感器有電池供電，能量有限，使得節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)絡(luò)壽命有限；網(wǎng)絡(luò)中的傳感器由于電源能量的原因經(jīng)常失效或廢棄。計(jì)算能力有限: 傳感器網(wǎng)絡(luò)中的傳感器都具有嵌入式處理器和存儲(chǔ)器,但是嵌入式處理器和存儲(chǔ)器的能力和容量有限。感知數(shù)據(jù)流巨大，傳感器網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)傳感器通常都產(chǎn)生較大的流式數(shù)

8、據(jù),并具有實(shí)時(shí)性。經(jīng)常有節(jié)點(diǎn)失效或移動(dòng)，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓l繁。由于網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓l繁, 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間需自組織通信，以使網(wǎng)絡(luò)面對變化仍可正常工作。由于環(huán)境惡劣及頻繁的變化，網(wǎng)絡(luò)應(yīng)具備容錯(cuò)能力。內(nèi)容提要.5.6.7.WSN研究歷史WSN與Ad hoc網(wǎng)絡(luò)WSN體系結(jié)構(gòu)WSN的應(yīng)用WSN研究WSN研究中的若干問題主要參考文獻(xiàn)WSN體系結(jié)構(gòu) 典型的WSN體系結(jié)構(gòu)有：動(dòng)態(tài)協(xié)議棧的體系結(jié)構(gòu)層次性的體系結(jié)構(gòu)自適應(yīng)體系結(jié)構(gòu)可編程的體系結(jié)構(gòu)自管理的體系結(jié)構(gòu)自恢復(fù)的體系結(jié)構(gòu)多任務(wù)的體系結(jié)構(gòu)基于代理的體系結(jié)構(gòu)WSN體系結(jié)構(gòu) 體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中需要考慮的要素：節(jié)點(diǎn)資源的有效利用支持網(wǎng)內(nèi)數(shù)據(jù)處理支持協(xié)議跨層設(shè)計(jì)增強(qiáng)安

9、全性支持多協(xié)議支持有效的資源發(fā)現(xiàn)機(jī)制支持可靠的低延時(shí)通信支持容忍延時(shí)的非面向連接通信開放性無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)一個(gè)典型的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)包括分布式傳感器節(jié)點(diǎn)(群)網(wǎng)關(guān)(Sink)互聯(lián)網(wǎng)(或衛(wèi)星等)任務(wù)管理界面無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)典型的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的基本組成包括4個(gè)基本單元：傳感單元(由傳感器和模數(shù)轉(zhuǎn)換功能模塊組成)處理單元(包括CPU、存儲(chǔ)器和嵌入式操作系統(tǒng)等)無線通信單元電源。其他可選功能單元有：電源自供電系統(tǒng)、定位系統(tǒng)等。節(jié)點(diǎn)組成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的基本組成傳感器節(jié)點(diǎn)示例“Spec” by Jason HillRF Codes “Mantis”無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

10、體系結(jié)構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)不同于傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和通信網(wǎng)絡(luò)。一個(gè)典型的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧包括：分層的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議物理層數(shù)據(jù)鏈路層網(wǎng)絡(luò)層傳輸層應(yīng)用層網(wǎng)絡(luò)管理模塊能量管理拓?fù)涔芾鞶os控制移動(dòng)性管理網(wǎng)絡(luò)安全無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的軟件框架Temperature and humidityBarometric pressurePhoto active lightExternal battery packXServe/Database ToolsXMesh Sensing and Multihop RoutingMote-VIEW Client ToolsSoftware Fram

11、ework內(nèi)容提要.5.6.7.WSN研究歷史WSN與Ad hoc網(wǎng)絡(luò)WSN體系結(jié)構(gòu)WSN的應(yīng)用WSN研究WSN研究中的若干問題主要參考文獻(xiàn)應(yīng)用前景國內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)紛紛開展無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究，完全歸功于其廣闊的應(yīng)用前景和對社會(huì)生活的巨大影響。WSN的應(yīng)用 目標(biāo)跟蹤 大鴨島海燕監(jiān)測 冰河監(jiān)測醫(yī)療健康電子牧場結(jié)構(gòu)化監(jiān)測火山觀測大鴨島海燕監(jiān)測項(xiàng)目開始時(shí)間：2002年參與者：英特爾研究實(shí)驗(yàn)室和加州大學(xué)伯克利分校/冰河監(jiān)測 利用WSN監(jiān)測冰河的變化情況，目的在于通過分析冰河環(huán)境的變化來推斷地球氣候的變化。醫(yī)療健康電子牧場火山觀測精細(xì)農(nóng)業(yè) 大型機(jī)械/設(shè)備的預(yù)測性維護(hù)用于加熱控制的溫度監(jiān)控Hi

12、gh Voltage Transmission Line Monitoring ObjectiveMonitor the vibration of overhead transmission lineFind the relation of vibration and conductor abrasionFind the relation of vibration and weather factor such as wind speed, wind direction, temperature, etc.Information and photos courtesy of Electric

13、Power Construction Research Institute, Beijing, China內(nèi)容提要.5.6.7.WSN研究歷史WSN與Ad hoc網(wǎng)絡(luò)WSN體系結(jié)構(gòu)WSN的應(yīng)用WSN研究WSN研究中的若干問題主要參考文獻(xiàn)安全路由數(shù)據(jù)聚合應(yīng)用協(xié)議網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)安 全協(xié)議機(jī)制主動(dòng)型響應(yīng)型混合型地理位置可靠傳輸不可靠傳輸端到端逐跳時(shí)間同步數(shù)據(jù)管理覆蓋與連通性查詢存儲(chǔ)MAC 協(xié)議路由協(xié)議拓?fù)淇刂苽鬏攨f(xié)議功率控制移動(dòng)控制擁塞控制密鑰分發(fā)安全防御安全傳輸DoS 攻擊耗電攻擊研究方向及分類（一）射頻編程通信短程無線通信藍(lán)牙嵌入式系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)硬件設(shè)計(jì)系統(tǒng)能耗管理構(gòu)件庫網(wǎng)內(nèi)數(shù)據(jù)處理網(wǎng)

14、絡(luò)化編程中間件信號(hào)處理應(yīng)用研究傳感器技術(shù)微機(jī)電系統(tǒng)定位與跟蹤校正波束形成數(shù)據(jù)融合自身定位目標(biāo)定位與跟蹤協(xié)同探測目標(biāo)辨識(shí)操作系統(tǒng)仿真節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)低功耗芯片紫蜂研究方向及分類（二）Sink 鏈路操作系統(tǒng)TinyOS TinyOS是UC Berkeley的David Culler領(lǐng)導(dǎo)的研究小組為WSN量身定制的嵌入式操作系統(tǒng)。 WSN對操作系統(tǒng)的特殊要求主要表現(xiàn)在： （1）節(jié)點(diǎn)的計(jì)算資源有限，需要盡可能的減小系統(tǒng)開銷； （2）節(jié)點(diǎn)由電池供電，且要求較長的工作周期，因此需要系統(tǒng)的能耗管理策略與方案，包括操作系統(tǒng)的支持； （3）節(jié)點(diǎn)的各模塊之間需要一定的調(diào)度協(xié)調(diào)機(jī)制，同時(shí)支持并發(fā)控制； （4）觀測任務(wù)需要操

15、作系統(tǒng)支持實(shí)時(shí)性。IEEE 802.15.4主要技術(shù)特點(diǎn)包括：（1）功耗低（2）成本低（3）延時(shí)短（4）規(guī)模大（5）更安全vMessageDial-upNetworkingVoiceIntercomHeadsetCordlessGroup CallvCardvCalvNoteRFCOMMProtocolZigBee與BT協(xié)議棧比較ZigBeeStackApplicationSiliconApplication InterfaceNetwork LayerApplicationSiliconTelephony OBEXControl(Serial Port)ApplicationsFaxServiceDiscoveryProtocol典型無線通信技術(shù)的特點(diǎn)節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)平臺(tái) 第一代（19961999）：代表性的平臺(tái)有UCLA的WINS61，UC Berkeley的SmartDust62、WeC和Rene63。 第二代（20002001）：典型平臺(tái)的有UCB的Mica與Dot64，MIT的uAMPS-I和uAMPS-II65，以及Rockwell公司的HYDRA。 第三代（20022003）：兩款代表性的試驗(yàn)平臺(tái)：Mica2和MicaDot2，以及NASA JPL實(shí)驗(yàn)室的Sensor Web66。 第四