無線傳感器網(wǎng)絡技術及應用第1章課件

無線傳感器網(wǎng)絡技術及應用無線傳感器網(wǎng)絡技術及應用課程內(nèi)容第1章無線傳感網(wǎng)絡技術概述第2章無線個域網(wǎng)與IEEE802.15.4協(xié)議簇第3章無線傳感網(wǎng)關鍵技術第4章ZigBee技術第5章6LoWPAN技術第6章WIA-PA技術第7章無線傳感網(wǎng)絡綜合應用課程內(nèi)容第1章無線傳感網(wǎng)絡技術概述主要內(nèi)容WSN的發(fā)展WSN的定義WSN的體系結(jié)構(gòu)WSN的應用前景WSN的研究現(xiàn)狀WSN的技術標準第1章無線傳感網(wǎng)絡技術概述主要內(nèi)容1.1WSN的發(fā)展

國外WSN發(fā)展歷程WSN的研究起源于20世紀70年代，最早應用于軍事領域。1980年，美國國防部高級研究規(guī)劃局的分布式傳感器網(wǎng)絡項目開啟了現(xiàn)代傳感器網(wǎng)絡研究的先河。20世紀90年代開始，WSN受到學術界的廣泛關注和深入研究。21世紀后，隨著無線通信技術、微芯片制造等技術的進步，WSN的研究在多種應用方面取得了巨大進展，進入民用和商用領域。各種技術評論雜志一致看好WSN蘊藏的巨大應用潛力和商業(yè)價值。1.1WSN的發(fā)展國外WSN發(fā)展歷程1.1WSN的發(fā)展國內(nèi)WSN的發(fā)展我國與發(fā)達國家?guī)缀跬絾樱呀?jīng)成為我國信息領域位居世界前列的少數(shù)方向之一。2012年7月發(fā)布了《“十二五”國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》2015年，李克強總理在政府工作報告中提出制定“互聯(lián)網(wǎng)+”行動計劃。我國及時地將傳感網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)列為國家重點發(fā)展的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)之一。1.1WSN的發(fā)展國內(nèi)WSN的發(fā)展1.2WSN的定義傳感器網(wǎng)絡與WSN傳感器網(wǎng)絡自20世紀70年代出現(xiàn)以來已經(jīng)發(fā)展到第四代，即無線傳感器網(wǎng)絡。傳感器技術向微型化、無線化、數(shù)字化、網(wǎng)絡化、智能化方向迅速發(fā)展。WSN由各種具有感知、無線通信與計算功能的智能微型傳感器節(jié)點構(gòu)成，通過無線通信方式智能組網(wǎng)，形成一個自組織網(wǎng)絡系統(tǒng)。1.2WSN的定義傳感器網(wǎng)絡與WSN1.2WSN的定義目前WSN沒有統(tǒng)一的定義，比較具有代表性的定義如下：李曉維《無線傳感器網(wǎng)絡技術》孫利民《無線傳感器網(wǎng)絡》無線傳感器網(wǎng)絡就是由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量的廉價微型傳感器節(jié)點組成，通過無線通信方式形成的一個多跳的自組織網(wǎng)絡系統(tǒng)，其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡覆蓋區(qū)域中被感知對象的信息，并發(fā)送給觀察者。傳感器、感知對象和觀察者構(gòu)成了無線傳感器網(wǎng)絡的三個要素。維基百科1.2WSN的定義目前WSN沒有統(tǒng)一的定義，比較具有代表性1.2WSN的定義

無線傳感器網(wǎng)絡具有如下主要特點：以數(shù)據(jù)為中心資源受限可快速部署動態(tài)性與維護多跳路由應用相關性每一種傳感器網(wǎng)絡具有幾個或全部特征1.2WSN的定義

無線傳感器網(wǎng)絡具有如下主要特點：1.2WSN的定義WSN與現(xiàn)有網(wǎng)絡的比較目前無線網(wǎng)絡可分為三類：WSN、Adhoc網(wǎng)絡和無線寬帶網(wǎng)絡。AdHoc網(wǎng)絡是一種無中心自組織的多跳無線網(wǎng)絡，它不以任何已有的固定設施為基礎而能隨時隨地組建臨時性網(wǎng)絡。它是一種由移動節(jié)點組成的臨時、多跳、對等的自治系統(tǒng)，可以認為WSN是Adhoc網(wǎng)絡的一種典型應用。無線寬帶網(wǎng)絡包括GSM,CDMA、3G,Beyond3G、4G,WLAN(WiFi)和WMAN(WiMax)等分別從傳統(tǒng)電信網(wǎng)絡和計算網(wǎng)絡衍生發(fā)展出來的網(wǎng)絡技術。1.2WSN的定義WSN與現(xiàn)有網(wǎng)絡的比較1.2WSN的定義WSN與Adhoc網(wǎng)絡——相同點基本不需要人工干預，大部分工作是以自組織的方式完成的。追求低功耗的自組織網(wǎng)絡設計，而非單純地提高網(wǎng)絡帶寬是WSN和Adhoc研究的共同點。

WSN與Adhoc網(wǎng)絡——不同點節(jié)點數(shù)量網(wǎng)絡拓撲通信機制資源受限性；WSN不必擁有全球統(tǒng)一標識符；WSN以數(shù)據(jù)為中心。1.2WSN的定義WSN與Adhoc網(wǎng)絡——相同點1.3WSN的體系結(jié)構(gòu)WSN基本結(jié)構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)通常包括傳感器節(jié)點（sensornode）、匯聚/網(wǎng)關節(jié)點（sinknode）和管理節(jié)點，如圖所示。在傳感器網(wǎng)絡中，節(jié)點任意散落在被監(jiān)測區(qū)域內(nèi)。節(jié)點以自組織形式構(gòu)成網(wǎng)絡，通過多個連接或中繼方式將監(jiān)測數(shù)據(jù)傳到匯聚節(jié)點。1.3WSN的體系結(jié)構(gòu)WSN基本結(jié)構(gòu)1.3WSN的體系結(jié)構(gòu)

傳感節(jié)點、路由節(jié)點和傳感器網(wǎng)絡網(wǎng)關構(gòu)成的感知層存在多種拓撲結(jié)構(gòu)，如星型、樹型、網(wǎng)狀拓撲等，如圖中(a)、(b)、(c)。也可以根據(jù)網(wǎng)絡規(guī)模大小定義層次性的拓撲結(jié)構(gòu)，如圖中(d)所示的分層結(jié)構(gòu)。1.3WSN的體系結(jié)構(gòu)

傳感節(jié)點、路由節(jié)點1.3WSN的體系結(jié)構(gòu)WSN節(jié)點基本結(jié)構(gòu)它一般由如圖所示的傳感器模塊（傳感器、A/D轉(zhuǎn)換器）、處理器模塊（微處理器、存儲器）、無線通信模塊（無線收發(fā)器）和能量供應模塊（電池）等組成。1.3WSN的體系結(jié)構(gòu)WSN節(jié)點基本結(jié)構(gòu)1.3WSN的體系結(jié)構(gòu)WSN參考體系架構(gòu)根據(jù)ISO/IECJTC1WG7制定的無線傳感器網(wǎng)絡ISO/IEC29182系列標準，傳感器網(wǎng)絡的參考體系架構(gòu)：感知層感知層不僅要完成數(shù)據(jù)采集、處理和匯聚等功能，同時完成傳感節(jié)點、路由節(jié)點和傳感器網(wǎng)絡網(wǎng)關的通信和控制管理功能。網(wǎng)絡層網(wǎng)絡層完成感知數(shù)據(jù)到應用服務系統(tǒng)的傳輸，不需要對感知數(shù)據(jù)處理。應用層應用層的功能是利用感知數(shù)據(jù)為用戶提供服務。1.3WSN的體系結(jié)構(gòu)WSN參考體系架構(gòu)1.3WSN的體系結(jié)構(gòu)1.3WSN的體系結(jié)構(gòu)1.4WSN的應用前景軍事監(jiān)測中的WSN：VigilNet

VigilNet是由美國弗吉尼亞大學研制的用于軍事監(jiān)測的無線傳感系統(tǒng)，該系統(tǒng)由XSM，Mica2和Mica2Dot節(jié)點構(gòu)成，其規(guī)模最大達200個節(jié)點；節(jié)點通過電池供電，鋪設在道路旁邊，用于檢測與收集移動目標的情況。1.4WSN的應用前景軍事監(jiān)測中的WSN：VigilNet1.4WSN的應用前景

智能樓宇中的WSN：LoCal

由美國加州大學伯克利分校大學發(fā)起的LoCal項目通過在智能樓宇中部署無線傳感器網(wǎng)絡來解決這些問題，可實時追蹤單個電器的用電量。1.4WSN的應用前景

智能樓宇中的WSN：LoCal由1.4WSN的應用前景

醫(yī)療監(jiān)控中的WSN：Mercury

WSN的另一個重要應用是醫(yī)療監(jiān)控，哈佛大學研究組改進了傳統(tǒng)傳感器，使得其外形更小，適合穿戴在身上。1.4WSN的應用前景

醫(yī)療監(jiān)控中的WSN：Mercur1.4WSN的應用前景

工業(yè)現(xiàn)場的WSN：重郵工業(yè)無線項目1.4WSN的應用前景

工業(yè)現(xiàn)場的WSN：重郵工業(yè)無線項1.4WSN的應用前景

智能電網(wǎng)中的WSN1.4WSN的應用前景

智能電網(wǎng)中的WSN1.5WSN的研究現(xiàn)狀WSN的基礎研究

探索無線傳感網(wǎng)絡內(nèi)在的基本規(guī)律，面向無線傳感網(wǎng)絡，以能量、通信、時間和空間復雜性最小化為目標，創(chuàng)建一套新型的理論、方法和技術體系。1.5WSN的研究現(xiàn)狀WSN的基礎研究1.5WSN的研究現(xiàn)狀

WSN的應用研究主要存在著以下需要突破的制約因素：成本能耗微型化定位性能移動性硬件安全1.5WSN的研究現(xiàn)狀

WSN的應用研究1.5WSN的研究現(xiàn)狀

WSN研究的熱點問題通信協(xié)議網(wǎng)絡管理（能量、安全）應用層支撐技術（時間同步、定位技術）硬件資源（微型化、低成本、新型電源）1.5WSN的研究現(xiàn)狀

WSN研究的熱點問題1.6WSN的技術標準目前有很多標準化組織均開展了與傳感器網(wǎng)絡相關的標準化工作，包括ISO/IECJTC1SGSN、ITU-T、IETF、IEEE802.15、ZigBee聯(lián)盟、IEEE1451和ISA100等。為了協(xié)調(diào)傳感器網(wǎng)絡標準化工作，ISO/IEC在JTC1下成立了傳感器網(wǎng)絡工作組WG7，致力于解決傳感網(wǎng)標準化問題。ZigBee聯(lián)盟主要制定IEEE802.15.4的高層協(xié)議，包括：組網(wǎng)、應用規(guī)范等。1.6WSN的技術標準目前有很多標準化組織均開展了與傳感器習題1.無線傳感器網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)包括哪些部分，功能分別是什么？2.

簡單敘述WSN和Ad-hoc網(wǎng)絡、傳統(tǒng)無線寬帶網(wǎng)絡相比的差異，以及WSN的特點。3.無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點由哪些模塊組成？習題1.無線傳感器網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)包括哪些部分，功能分別是什么無線傳感器網(wǎng)絡技術及應用第1章課件無線傳感器網(wǎng)絡技術及應用無線傳感器網(wǎng)絡技術及應用課程內(nèi)容第1章無線傳感網(wǎng)絡技術概述第2章無線個域網(wǎng)與IEEE802.15.4協(xié)議簇第3章無線傳感網(wǎng)關鍵技術第4章ZigBee技術第5章6LoWPAN技術第6章WIA-PA技術第7章無線傳感網(wǎng)絡綜合應用課程內(nèi)容第1章無線傳感網(wǎng)絡技術概述主要內(nèi)容WSN的發(fā)展WSN的定義WSN的體系結(jié)構(gòu)WSN的應用前景WSN的研究現(xiàn)狀WSN的技術標準第1章無線傳感網(wǎng)絡技術概述主要內(nèi)容1.1WSN的發(fā)展

國外WSN發(fā)展歷程WSN的研究起源于20世紀70年代，最早應用于軍事領域。1980年，美國國防部高級研究規(guī)劃局的分布式傳感器網(wǎng)絡項目開啟了現(xiàn)代傳感器網(wǎng)絡研究的先河。20世紀90年代開始，WSN受到學術界的廣泛關注和深入研究。21世紀后，隨著無線通信技術、微芯片制造等技術的進步，WSN的研究在多種應用方面取得了巨大進展，進入民用和商用領域。各種技術評論雜志一致看好WSN蘊藏的巨大應用潛力和商業(yè)價值。1.1WSN的發(fā)展國外WSN發(fā)展歷程1.1WSN的發(fā)展國內(nèi)WSN的發(fā)展我國與發(fā)達國家?guī)缀跬絾?，它已?jīng)成為我國信息領域位居世界前列的少數(shù)方向之一。2012年7月發(fā)布了《“十二五”國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》2015年，李克強總理在政府工作報告中提出制定“互聯(lián)網(wǎng)+”行動計劃。我國及時地將傳感網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)列為國家重點發(fā)展的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)之一。1.1WSN的發(fā)展國內(nèi)WSN的發(fā)展1.2WSN的定義傳感器網(wǎng)絡與WSN傳感器網(wǎng)絡自20世紀70年代出現(xiàn)以來已經(jīng)發(fā)展到第四代，即無線傳感器網(wǎng)絡。傳感器技術向微型化、無線化、數(shù)字化、網(wǎng)絡化、智能化方向迅速發(fā)展。WSN由各種具有感知、無線通信與計算功能的智能微型傳感器節(jié)點構(gòu)成，通過無線通信方式智能組網(wǎng)，形成一個自組織網(wǎng)絡系統(tǒng)。1.2WSN的定義傳感器網(wǎng)絡與WSN1.2WSN的定義目前WSN沒有統(tǒng)一的定義，比較具有代表性的定義如下：李曉維《無線傳感器網(wǎng)絡技術》孫利民《無線傳感器網(wǎng)絡》無線傳感器網(wǎng)絡就是由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量的廉價微型傳感器節(jié)點組成，通過無線通信方式形成的一個多跳的自組織網(wǎng)絡系統(tǒng)，其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡覆蓋區(qū)域中被感知對象的信息，并發(fā)送給觀察者。傳感器、感知對象和觀察者構(gòu)成了無線傳感器網(wǎng)絡的三個要素。維基百科1.2WSN的定義目前WSN沒有統(tǒng)一的定義，比較具有代表性1.2WSN的定義

無線傳感器網(wǎng)絡具有如下主要特點：以數(shù)據(jù)為中心資源受限可快速部署動態(tài)性與維護多跳路由應用相關性每一種傳感器網(wǎng)絡具有幾個或全部特征1.2WSN的定義

無線傳感器網(wǎng)絡具有如下主要特點：1.2WSN的定義WSN與現(xiàn)有網(wǎng)絡的比較目前無線網(wǎng)絡可分為三類：WSN、Adhoc網(wǎng)絡和無線寬帶網(wǎng)絡。AdHoc網(wǎng)絡是一種無中心自組織的多跳無線網(wǎng)絡，它不以任何已有的固定設施為基礎而能隨時隨地組建臨時性網(wǎng)絡。它是一種由移動節(jié)點組成的臨時、多跳、對等的自治系統(tǒng)，可以認為WSN是Adhoc網(wǎng)絡的一種典型應用。無線寬帶網(wǎng)絡包括GSM,CDMA、3G,Beyond3G、4G,WLAN(WiFi)和WMAN(WiMax)等分別從傳統(tǒng)電信網(wǎng)絡和計算網(wǎng)絡衍生發(fā)展出來的網(wǎng)絡技術。1.2WSN的定義WSN與現(xiàn)有網(wǎng)絡的比較1.2WSN的定義WSN與Adhoc網(wǎng)絡——相同點基本不需要人工干預，大部分工作是以自組織的方式完成的。追求低功耗的自組織網(wǎng)絡設計，而非單純地提高網(wǎng)絡帶寬是WSN和Adhoc研究的共同點。

WSN與Adhoc網(wǎng)絡——不同點節(jié)點數(shù)量網(wǎng)絡拓撲通信機制資源受限性；WSN不必擁有全球統(tǒng)一標識符；WSN以數(shù)據(jù)為中心。1.2WSN的定義WSN與Adhoc網(wǎng)絡——相同點1.3WSN的體系結(jié)構(gòu)WSN基本結(jié)構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)通常包括傳感器節(jié)點（sensornode）、匯聚/網(wǎng)關節(jié)點（sinknode）和管理節(jié)點，如圖所示。在傳感器網(wǎng)絡中，節(jié)點任意散落在被監(jiān)測區(qū)域內(nèi)。節(jié)點以自組織形式構(gòu)成網(wǎng)絡，通過多個連接或中繼方式將監(jiān)測數(shù)據(jù)傳到匯聚節(jié)點。1.3WSN的體系結(jié)構(gòu)WSN基本結(jié)構(gòu)1.3WSN的體系結(jié)構(gòu)

傳感節(jié)點、路由節(jié)點和傳感器網(wǎng)絡網(wǎng)關構(gòu)成的感知層存在多種拓撲結(jié)構(gòu)，如星型、樹型、網(wǎng)狀拓撲等，如圖中(a)、(b)、(c)。也可以根據(jù)網(wǎng)絡規(guī)模大小定義層次性的拓撲結(jié)構(gòu)，如圖中(d)所示的分層結(jié)構(gòu)。1.3WSN的體系結(jié)構(gòu)

傳感節(jié)點、路由節(jié)點1.3WSN的體系結(jié)構(gòu)WSN節(jié)點基本結(jié)構(gòu)它一般由如圖所示的傳感器模塊（傳感器、A/D轉(zhuǎn)換器）、處理器模塊（微處理器、存儲器）、無線通信模塊（無線收發(fā)器）和能量供應模塊（電池）等組成。1.3WSN的體系結(jié)構(gòu)WSN節(jié)點基本結(jié)構(gòu)1.3WSN的體系結(jié)構(gòu)WSN參考體系架構(gòu)根據(jù)ISO/IECJTC1WG7制定的無線傳感器網(wǎng)絡ISO/IEC29182系列標準，傳感器網(wǎng)絡的參考體系架構(gòu)：感知層感知層不僅要完成數(shù)據(jù)采集、處理和匯聚等功能，同時完成傳感節(jié)點、路由節(jié)點和傳感器網(wǎng)絡網(wǎng)關的通信和控制管理功能。網(wǎng)絡層網(wǎng)絡層完成感知數(shù)據(jù)到應用服務系統(tǒng)的傳輸，不需要對感知數(shù)據(jù)處理。應用層應用層的功能是利用感知數(shù)據(jù)為用戶提供服務。1.3WSN的體系結(jié)構(gòu)WSN參考體系架構(gòu)1.3WSN的體系結(jié)構(gòu)1.3WSN的體系結(jié)構(gòu)1.4WSN的應用前景軍事監(jiān)測中的WSN：VigilNet

VigilNet是由美國弗吉尼亞大學研制的用于軍事監(jiān)測的無線傳感系統(tǒng)，該系統(tǒng)由XSM，Mica2和Mica2Dot節(jié)點構(gòu)成，其規(guī)模最大達200個節(jié)點；節(jié)點通過電池供電，鋪設在道路旁邊，用于檢測與收集移動目標的情況。1.4WSN的應用前景軍事監(jiān)測中的WSN：VigilNet1.4WSN的應用前景

智能樓宇中的WSN：LoCal

由美國加州大學伯克利分校大學發(fā)起的LoCal項目通過在智能樓宇中部署無線傳感器網(wǎng)絡來解決這些問題，可實時追蹤單個電器的用電量。1.4WSN的應用前景

智能樓宇中的WSN：LoCal由1.4WSN的應用前景

醫(yī)療監(jiān)控中的WSN：Mercury

WSN的另一個重要應用是醫(yī)療監(jiān)控，哈佛大學研究組改進了傳統(tǒng)傳感器，使得其外形更小，適合穿戴在身上。1.4WSN的應用前景

醫(yī)療監(jiān)控中的WSN：Mercur1.4WSN的應用前景

工業(yè)現(xiàn)場的WSN：重郵工業(yè)無線項目1.4WSN的應用前景

工業(yè)現(xiàn)場的WSN：重郵工業(yè)無線項1.4WSN的應用前景

智能電網(wǎng)中的WSN1.4