無線傳感器網(wǎng)絡(luò)-第一章

傳感網(wǎng)原理及應(yīng)用WirelessSensorNetworksBasedonthecourseslidesof《無線傳感器網(wǎng)絡(luò)》，IanF.Akyildiz

等編，徐平平等譯，電子工業(yè)出版社CourseInfo:傳感網(wǎng)原理及應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)的核心課程（必修）了解傳感網(wǎng)的產(chǎn)生與發(fā)展，掌握傳感網(wǎng)的基本原理、體系結(jié)構(gòu)以及協(xié)議設(shè)計(jì)原則，以及目前傳感網(wǎng)的主要協(xié)議，通過實(shí)驗(yàn)熟悉和掌握TinyOS操作系統(tǒng)編程，使學(xué)生具有傳感網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)的初步能力。教材：《無線傳感器網(wǎng)絡(luò)》（WirelessSensorNetworks），IanF.Akyildiz等編，徐平平等譯，電子工業(yè)出版社，2013年3月第一次印刷課堂：1-18周，每周一5-6節(jié)（單周），14101-18周，

每周四5-6節(jié)，3211考核方式：出勤率+作業(yè)+考試IanF.Akyildiz

參考書1.WSN概述8.WSN的傳輸層2.WSN應(yīng)用3.WSN的特性、關(guān)鍵設(shè)計(jì)因素和限制條件4.WSN的物理層5.WSN的MAC協(xié)議16.地下無線傳感網(wǎng)WUSN7.WSN的路由協(xié)議技術(shù)9.WSN的跨層設(shè)計(jì)10.WSN中的時(shí)間同步11.WSN中的定位技術(shù)12.WSN中的拓?fù)涔芾?3.WSN中的協(xié)同14.無線多媒體傳感網(wǎng)WMSN15.水下無線傳感網(wǎng)UWSN17.

WSN的挑戰(zhàn)課程內(nèi)容6.

WSN的差錯(cuò)控制Chapter1:無線傳感器網(wǎng)絡(luò)1.1無線傳感網(wǎng)與物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)系1.2無線傳感網(wǎng)的應(yīng)用領(lǐng)域1.3起源與發(fā)展1.4無線傳感網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)1.5無線傳感網(wǎng)的基本特點(diǎn)1.6無線傳感網(wǎng)面臨的挑戰(zhàn)1.7前景展望無線傳感器網(wǎng)絡(luò)：物聯(lián)網(wǎng)的末梢神經(jīng)Chapter1:無線傳感器網(wǎng)絡(luò)概述1.1無線傳感網(wǎng)與物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)系1.2無線傳感網(wǎng)的應(yīng)用領(lǐng)域1.3起源與發(fā)展1.4無線傳感網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)1.5無線傳感網(wǎng)的基本特點(diǎn)1.6無線傳感網(wǎng)面臨的挑戰(zhàn)1.7前景展望傳感網(wǎng)應(yīng)用示例--人體健康人身上可以安裝不同的傳感器，對(duì)人的健康參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控，并且實(shí)時(shí)傳送到相關(guān)的醫(yī)療保健中心，如果有異常，保健中心通過手機(jī)，提醒您去醫(yī)院檢查身體。傳感網(wǎng)應(yīng)用示例--智能家庭智能家庭是各類消費(fèi)電子產(chǎn)品、通信產(chǎn)品、信息家電及智能家居等通過傳感網(wǎng)進(jìn)行通信及數(shù)據(jù)交換,實(shí)現(xiàn)家庭網(wǎng)絡(luò)中各類電子產(chǎn)品之間的“互聯(lián)互通”,并實(shí)現(xiàn)隨時(shí)隨地對(duì)智能設(shè)備的控制。在智能家居的應(yīng)用場景中，用戶在下班回家的路上即可用手機(jī)啟動(dòng)“下班”業(yè)務(wù)流程，將熱水器和空調(diào)調(diào)節(jié)到預(yù)訂的溫度，并檢測冰箱內(nèi)的食物容量，如不足則通過網(wǎng)絡(luò)下訂單要求超市按照當(dāng)天的菜譜送貨。傳感網(wǎng)應(yīng)用示例--智慧農(nóng)業(yè)農(nóng)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)監(jiān)測系統(tǒng)：將農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中，最關(guān)鍵的溫度、濕度、二氧化碳含量、土壤溫度、土壤含水率的信息通過農(nóng)田中的傳感器組實(shí)時(shí)采集，利用M2M運(yùn)營支撐平臺(tái)和GPRS/ESGE網(wǎng)絡(luò)傳輸，利用短信息、WEB、WAP等手段，讓從事農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的客戶實(shí)時(shí)掌握這些信息。農(nóng)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)監(jiān)測系統(tǒng)傳感網(wǎng)運(yùn)營支撐平臺(tái)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)監(jiān)測系統(tǒng)短信網(wǎng)關(guān)WEB客戶GPRS/EDGE有線無線射頻傳感器組通信終端精細(xì)農(nóng)業(yè)作戰(zhàn)環(huán)境偵查戰(zhàn)場監(jiān)測與指揮戰(zhàn)場監(jiān)測與指揮水下傳感網(wǎng)傳感器被安裝在交通工具上能夠檢測交通工具的位置、尺寸、速度和路況…路線推薦，行駛時(shí)間估計(jì)…

智能交通地震檢測名勝古跡保護(hù)森林火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)大東湖生態(tài)保護(hù)橋梁健康監(jiān)測1.1無線傳感網(wǎng)與物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)系1.2無線傳感網(wǎng)的應(yīng)用領(lǐng)域1.3起源與發(fā)展1.4無線傳感網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)1.5無線傳感網(wǎng)的基本特點(diǎn)1.6無線傳感網(wǎng)面臨的挑戰(zhàn)1.7前景展望起源

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究起步于20世紀(jì)90年代末期，隨著無線自組網(wǎng)技術(shù)的日趨成熟，無線通信、微電子、傳感器技術(shù)也得到快速發(fā)展，如何在軍事領(lǐng)域中將無線自組網(wǎng)與傳感器技術(shù)結(jié)合起來的研究課題被提出，即開始了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以用于對(duì)敵方兵力和裝備的監(jiān)控，戰(zhàn)場的實(shí)時(shí)監(jiān)視，目標(biāo)的定位、戰(zhàn)場評(píng)估以及對(duì)核攻擊和生物化學(xué)攻擊的監(jiān)測和搜索。

無線網(wǎng)絡(luò)是網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究與發(fā)展的另一條主線，它的研究、發(fā)展與應(yīng)用將對(duì)21世紀(jì)信息技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展產(chǎn)生重要的影響。傳感器→無線傳感器→無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（大量微型、低成本、低功耗的傳感器節(jié)點(diǎn)組成的多跳無線網(wǎng)絡(luò)）第一階段:最早可以追溯至越戰(zhàn)時(shí)期使用的傳統(tǒng)的傳感器系統(tǒng)。第二階段:二十世紀(jì)80年代至90年代之間。主要是美軍研制的分布式傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、海軍協(xié)同交戰(zhàn)能力系統(tǒng)、遠(yuǎn)程戰(zhàn)場傳感器系統(tǒng)等。第三階段:21世紀(jì)開始至今，也就是9·11事件之后。這個(gè)階段的傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)特點(diǎn)在于網(wǎng)絡(luò)傳輸自組織、節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)低功耗。除了應(yīng)用于反恐活動(dòng)以外，在其它領(lǐng)域更是獲得了很好的應(yīng)用，所以2002年美國國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室－－橡樹嶺實(shí)驗(yàn)室提出了“網(wǎng)絡(luò)就是傳感器”的論斷。發(fā)展歷史1.1無線傳感網(wǎng)與物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)系1.2無線傳感網(wǎng)的應(yīng)用領(lǐng)域1.3起源與發(fā)展1.4無線傳感網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)1.5無線傳感網(wǎng)的基本特點(diǎn)1.6無線傳感網(wǎng)面臨的挑戰(zhàn)1.7前景展望Chapter1:無線傳感器網(wǎng)絡(luò)無線傳感網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)傳輸層應(yīng)用層數(shù)據(jù)鏈路層網(wǎng)絡(luò)層物理層物理層負(fù)責(zé)載波頻率產(chǎn)生、信號(hào)的調(diào)制解調(diào)等工作

數(shù)據(jù)鏈路層負(fù)責(zé)錯(cuò)誤控制和介質(zhì)訪問協(xié)議（MAC）網(wǎng)絡(luò)層負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)融合、路由發(fā)現(xiàn)、路由維護(hù)和路由選擇傳輸層負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)流的傳輸控制一系列的應(yīng)用軟件無線傳感網(wǎng)的協(xié)議棧無線傳感網(wǎng)的協(xié)議棧傳感器平臺(tái)低端平臺(tái)高端平臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)化工作

ZigBee標(biāo)準(zhǔn)

WirelessHART標(biāo)準(zhǔn)6LoWPAN標(biāo)準(zhǔn)傳感器平臺(tái)的發(fā)展時(shí)間順序1.1無線傳感網(wǎng)與物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)系1.2無線傳感網(wǎng)的應(yīng)用領(lǐng)域1.3起源與發(fā)展1.4無線傳感網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)1.5無線傳感網(wǎng)的基本特點(diǎn)1.6無線傳感網(wǎng)面臨的挑戰(zhàn)1.7前景展望Chapter1:無線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳感器節(jié)點(diǎn)體積小，能量有限傳感器節(jié)點(diǎn)計(jì)算和存儲(chǔ)能力有限通信半徑小，帶寬低傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)量大且有自適應(yīng)性無中心和自組織網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)性強(qiáng)以數(shù)據(jù)為中心的網(wǎng)絡(luò)無線傳感網(wǎng)的基本特點(diǎn)1.1無線傳感網(wǎng)與物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)系1.2無線傳感網(wǎng)的應(yīng)用領(lǐng)域1.3起源與發(fā)展1.4無線傳感網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)1.5無線傳感網(wǎng)的基本特點(diǎn)1.6無線傳感網(wǎng)面臨的挑戰(zhàn)1.7前景展望Chapter1:無線傳感器網(wǎng)絡(luò)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)面臨的挑戰(zhàn)無線傳感網(wǎng)不同于傳統(tǒng)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，對(duì)無線傳感網(wǎng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)提出了新的挑戰(zhàn)。無線傳感網(wǎng)的發(fā)展在基礎(chǔ)理論和實(shí)現(xiàn)技術(shù)兩個(gè)層面提出了大量富有挑戰(zhàn)性的研究課題，主要體現(xiàn):低能耗、實(shí)時(shí)性、低成本、安全和抗干擾，協(xié)作。1.低功耗

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的電源極為有限，又因?yàn)樗ǔ９ぷ髟谖ｋU(xiǎn)或人們無法到達(dá)的環(huán)境中，所以在大多數(shù)情況下無法補(bǔ)充能量，網(wǎng)絡(luò)中的傳感器節(jié)點(diǎn)會(huì)由于電源能量耗盡而失效或廢棄，這就要求在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的過程中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都要最小化自身的能量消耗，獲得最長的工作時(shí)間；因而無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的各項(xiàng)技術(shù)和協(xié)議的使用一般都以節(jié)能為前提。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)面臨的挑戰(zhàn)2.實(shí)時(shí)性

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用大多要求有較好的實(shí)時(shí)性。例如，目標(biāo)在進(jìn)入監(jiān)測區(qū)域之后，傳感器網(wǎng)絡(luò)需要在一個(gè)很短的時(shí)問內(nèi)對(duì)這一事件做出響應(yīng)，若其反應(yīng)的時(shí)間過慢，則可能目標(biāo)已離開監(jiān)測區(qū)域，從而使得到的數(shù)據(jù)失效。又如，車載監(jiān)控系統(tǒng)需要在很短的時(shí)間內(nèi)就讀一次加速度儀的測量值，否則無法正確估計(jì)速度，導(dǎo)致交通事故，這些應(yīng)用都對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性設(shè)計(jì)提出了很大的挑戰(zhàn)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)面臨的挑戰(zhàn)3.低成本

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由大量的傳感器節(jié)點(diǎn)組成的，單個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的價(jià)格會(huì)極大程度地影響系統(tǒng)的成本。為了達(dá)到降低單個(gè)節(jié)點(diǎn)成本的目的，需要設(shè)計(jì)出對(duì)計(jì)算、通信和存儲(chǔ)能力均要求較低的簡單網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和通信協(xié)議。此外，還可以通過減少系統(tǒng)管理與維護(hù)的開銷來降低系統(tǒng)的成本，這需要無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)具有自配置和自修復(fù)的能力。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)面臨的挑戰(zhàn)

4.安全和抗干擾

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)具有嚴(yán)格的資源限制，需要設(shè)計(jì)低開銷的通信協(xié)議，同時(shí)也會(huì)帶來嚴(yán)重的安全問題。由于傳感器節(jié)點(diǎn)有些會(huì)設(shè)置在屋內(nèi)，也有許多會(huì)設(shè)置在戶外，會(huì)在各種環(huán)境下部署節(jié)點(diǎn)，所以節(jié)點(diǎn)必須具備良好的抗干擾能力，現(xiàn)場環(huán)境可能極寒冷、極炎熱、極干或極濕等惡劣條件，這些都不能對(duì)節(jié)點(diǎn)的感知產(chǎn)生影響，也不能對(duì)節(jié)點(diǎn)內(nèi)的電路運(yùn)作產(chǎn)生影響，同時(shí)也不能對(duì)節(jié)點(diǎn)間的信息傳遞產(chǎn)生影響。關(guān)于這些就相當(dāng)考驗(yàn)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)，不僅要考慮節(jié)點(diǎn)的外殼設(shè)計(jì)，還要考慮內(nèi)部電路的設(shè)計(jì)。因此，如何使用較少的能量完成數(shù)據(jù)加密、身份認(rèn)證、入侵檢測及在破壞或受干擾的情況下可靠地完成任務(wù)，也是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究與設(shè)計(jì)面臨的一個(gè)重要挑戰(zhàn)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)面臨的挑戰(zhàn)5.協(xié)作

由于單個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的能力有限，往往不能單獨(dú)完成對(duì)目標(biāo)的測量、跟蹤和識(shí)別工作，而需要多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)采用一定的算法通過交換信息，對(duì)所獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行加工、匯總和過濾，并以事件的形式得到最終結(jié)果。數(shù)據(jù)的協(xié)作傳遞過程中涉及網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的設(shè)計(jì)和節(jié)點(diǎn)的能量消耗問題，也是目前研究熱點(diǎn)之一。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)面臨的挑戰(zhàn)1.1無線傳感網(wǎng)與物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)系1.2無線傳感網(wǎng)的應(yīng)用領(lǐng)域1.3起源與發(fā)展1.4無線傳感網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)1.5無線傳感網(wǎng)的基本特點(diǎn)1.6無線傳感網(wǎng)面臨的挑戰(zhàn)1.7前景展望Chapter1:無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)有著十分廣泛的應(yīng)用前景，它不僅在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、軍事、環(huán)境、醫(yī)療等傳統(tǒng)領(lǐng)域有具有巨大的運(yùn)用價(jià)值，在未來還將在許多新興領(lǐng)域體現(xiàn)其優(yōu)越性，如家用、保健、交通等領(lǐng)域。我們可