第1章無線傳感器網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)知識

第1章無線傳感器網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)知識第一頁，共79頁。參考教材課程導論主要參考教材曾圓圓.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與應(yīng)用，清華大學出版社,2014-09崔遜學，左從菊.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)簡明教程，清華大學出版社，2009-07.余成波，李洪兵，陶紅艷.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實用教程，清華大學出版社，2012-04.(21世紀高等學校規(guī)劃教材?物聯(lián)網(wǎng))許毅.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)原理及方法[M].北京:清華大學出版社,2012第二頁，共79頁。課程要求課程導論課程性質(zhì)專業(yè)教育選修課程成績評定：總成績=平時(50%)+期末考試(50%)平時成績：考勤50%+課堂互動作業(yè)50%期末成績：課程設(shè)計學時安排：總學時32第三頁，共79頁。教學方法課程導論專業(yè)教育選修課，重在專業(yè)知識的實用性、實時性及創(chuàng)新性教育。實用性：講解與通信工程專業(yè)相關(guān)的知識實時性：結(jié)合多種教材和社會發(fā)展實時資料創(chuàng)新性：通過多種教學和考試方法培養(yǎng)學生能動性交互討論式教學重在啟發(fā)學生思維，激發(fā)學生興趣，能夠主動學習，并理論聯(lián)系實際，學以致用。以項目設(shè)計引導學生自主創(chuàng)新針對通信工程專業(yè)所涉及的知識給予學生創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力培養(yǎng)。第四頁，共79頁。課程意義2001年911歷史事件尋找拉登藏身之處應(yīng)用需求引發(fā)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究熱潮課程導論設(shè)想如果在拉登經(jīng)?；顒拥牡貐^(qū)大量投放各種微型探測傳感器，采用無線多跳自組網(wǎng)方式，將發(fā)現(xiàn)的信息以類似接力賽的方式，傳送給遠在波斯灣的美國軍艦。第五頁，共79頁。綜觀計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展史，應(yīng)用需求始終是推動和左右全球網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進步的動力與源泉。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展幾乎呈爆炸式的趨勢課程導論第六頁，共79頁。課程內(nèi)容課程導論第1章無線傳感器網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)知識第2章無線傳感器網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)技術(shù)第3章無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)第4章無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用開發(fā)第七頁，共79頁。1.1無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的概念1.2傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展歷史1.3傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用情況1.4傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)第八頁，共79頁。教學目的：掌握傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本情況本章重點：基本概念、應(yīng)用情況第九頁，共79頁?；仡櫍菏裁词怯嬎銠C網(wǎng)絡(luò)?計算機網(wǎng)絡(luò)是指將地理位置不同的具有獨立功能的多臺計算機及其外部設(shè)備，通過通信線路連接起來，在網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)管理軟件及網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議的管理和協(xié)調(diào)下，實現(xiàn)資源共享和信息傳遞的計算機系統(tǒng)。第十頁，共79頁。什么是無線網(wǎng)絡(luò)?所謂無線網(wǎng)絡(luò)，就是利用無線電波作為信息傳輸?shù)拿浇闃?gòu)成的無線局域網(wǎng)（WLAN），與有線網(wǎng)絡(luò)的用途十分類似，最大的不同在于傳輸媒介的不同，利用無線電技術(shù)取代網(wǎng)線，可以和有線網(wǎng)絡(luò)互為備份。第十一頁，共79頁。無線網(wǎng)絡(luò)有基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)無基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)移動Adhoc網(wǎng)絡(luò)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)1.1無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的概念無線蜂窩網(wǎng)無線局域網(wǎng)第十二頁，共79頁。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與移動adhoc的不同WSN結(jié)點數(shù)量更為龐大多數(shù)節(jié)點為靜止節(jié)點分布更為密集能量約束結(jié)點更容易出錯拓撲結(jié)構(gòu)變化頻繁Adhoc幾十至上百個節(jié)點局域網(wǎng)節(jié)點全移動結(jié)構(gòu)變化（移動）能量可連續(xù)提供點到點通信WirelessSensorNetwork,簡稱WSN第十三頁，共79頁。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是大量的靜止或移動的傳感器以自組織和多跳的方式構(gòu)成的無線網(wǎng)絡(luò)，目的是協(xié)作地采集、處理和傳輸網(wǎng)絡(luò)覆蓋地域內(nèi)感知對象的監(jiān)測信息，并報告給用戶。“無線傳感器網(wǎng)絡(luò)”術(shù)語的標準定義傳感器技術(shù)計算機技術(shù)通信技術(shù)計算機技術(shù)第十四頁，共79頁。

處理能力無線通信能力感知能力WSN是由具有感知、處理和無線通信能力的微型節(jié)點通過自組織方式形成的網(wǎng)絡(luò)。思考：什么是節(jié)點?傳感器節(jié)點？網(wǎng)絡(luò)節(jié)點？第十五頁，共79頁。與WSN相關(guān)的技術(shù)：微電子技術(shù)嵌入式計算技術(shù)現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)及無線通信技術(shù)分布式信息處理技術(shù)由部署在觀測環(huán)境附近的大量的微型廉價低功耗的傳感器節(jié)點組成，通過無線通信方式形成一個多跳的無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。解釋1第十六頁，共79頁。解釋2傳感器網(wǎng)絡(luò)的三個基本要素：傳感器感知對象觀察者傳感器網(wǎng)絡(luò)的四個基本功能：協(xié)作地感知采集處理發(fā)布感知信息第十七頁，共79頁。傳感器技術(shù)計算機技術(shù)通信技術(shù)感官大腦神經(jīng)現(xiàn)代信息技術(shù)信息系統(tǒng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)第十八頁，共79頁。傳感模塊負責探測目標的物理特征和現(xiàn)象計算模塊負責處理數(shù)據(jù)和系統(tǒng)管理存貯模塊負責存放程序和數(shù)據(jù)通信模塊負責網(wǎng)絡(luò)管理信息和探測數(shù)據(jù)兩種信息的發(fā)送和接收電源模塊負責節(jié)點供電節(jié)點由嵌入式軟件系統(tǒng)支撐，運行網(wǎng)絡(luò)的五層協(xié)議思考：什么是傳感器？傳感(器)模塊？傳感器節(jié)點？第十九頁，共79頁。物理層數(shù)據(jù)鏈路層網(wǎng)絡(luò)層傳輸層應(yīng)用層能量分配移動管理應(yīng)用優(yōu)化無線傳感器網(wǎng)絡(luò)五層協(xié)議物理層負責載波頻率的產(chǎn)生、信號調(diào)制、解調(diào)數(shù)據(jù)鏈路層負責媒體接入和差錯控制網(wǎng)絡(luò)層負責路由發(fā)現(xiàn)與維護傳輸層負責數(shù)據(jù)流的傳輸控制應(yīng)用層負責任務(wù)調(diào)度、數(shù)據(jù)分發(fā)等具體業(yè)務(wù)跨層設(shè)計能量分配是盡量延長網(wǎng)絡(luò)的可用時間移動管理主要對節(jié)點移動進行檢測和注冊應(yīng)用優(yōu)化是根據(jù)應(yīng)用需求優(yōu)化調(diào)度任務(wù)第二十頁，共79頁。傳感器網(wǎng)絡(luò)的常用邏輯結(jié)構(gòu)圖傳感器1傳感器2傳感器N無線鏈路無線接口模塊…監(jiān)控主機第二十一頁，共79頁。傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)Internet、衛(wèi)星或移動通信網(wǎng)絡(luò)等網(wǎng)關(guān)（匯聚節(jié)點，Sinknode）大規(guī)模的應(yīng)用可能使用多個網(wǎng)關(guān)使用多種方式與外部網(wǎng)絡(luò)通信，如Internet、衛(wèi)星或移動通信網(wǎng)絡(luò)等網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(sensornode-傳感器節(jié)點)既是信息包的發(fā)起者，也是信息包的轉(zhuǎn)發(fā)者。監(jiān)控中心sensorfield-監(jiān)測區(qū)域第二十二頁，共79頁。傳感器網(wǎng)絡(luò)的實體傳感器節(jié)點功能：采集、處理、控制和通信等網(wǎng)絡(luò)功能：兼顧節(jié)點和路由器資源受限：存儲、計算、通信、能量Sink節(jié)點功能：連接傳感器網(wǎng)絡(luò)與Internet等外部網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)兩種協(xié)議棧之間的通信協(xié)議轉(zhuǎn)換，發(fā)布管理節(jié)點的監(jiān)測任務(wù)，轉(zhuǎn)發(fā)收集到的數(shù)據(jù)。特點：連續(xù)供電、功能強、數(shù)量少等第二十三頁，共79頁。感知能力＋計算能力＋通信能力體積小能耗小由六部分組成現(xiàn)代微型傳感器節(jié)點第二十四頁，共79頁。傳感器節(jié)點實物示例第二十五頁，共79頁。水溫傳感器實物示例水溫傳感器的作用是把冷卻水溫度轉(zhuǎn)換為電信號第二十六頁，共79頁。溫濕度傳感器實物示例熱電阻溫度傳感器溫濕度傳感器紅外測溫傳感器溫濕度傳感器第二十七頁，共79頁。紅外傳感器實物示例第二十八頁，共79頁。位移/運動傳感器實物示例第二十九頁，共79頁。速度傳感器實物示例感應(yīng)式車速傳感器第三十頁，共79頁。傳感器節(jié)點實物示例第三十一頁，共79頁。傳感器節(jié)點實物示例第三十二頁，共79頁。傳感器節(jié)點實物示例第三十三頁，共79頁。第一階段最早可以追溯二十世紀70年代越戰(zhàn)時期使用的傳統(tǒng)的傳感器系統(tǒng)。美越戰(zhàn)爭胡志明小道1.2傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展歷史美軍投放了2萬多個“熱帶樹”傳感器。第三十四頁，共79頁。熱帶樹熱帶樹轟炸機所謂“熱帶樹”實際上是由震動和聲響傳感器組成的系統(tǒng)，它由飛機投放，落地后插入泥土中，只露出偽裝成樹枝的無線電天線，因而被稱為“熱帶樹”。只要對方車隊經(jīng)過，傳感器探測出目標產(chǎn)生的震動和聲響信息，自動發(fā)送到指揮中心，美機立即展開追殺，總共炸毀或炸壞4.6萬輛卡車。震動和聲響傳感器節(jié)點第三十五頁，共79頁。SensorsObject信號分析傳統(tǒng)的感知方法有線/無線連接

傳感器接近感知對象傳感器僅產(chǎn)生數(shù)據(jù)流傳感器無計算能力無傳感器間通信能力第三十六頁，共79頁?，F(xiàn)代感知方法SensingAreaObjectUser端

傳感器網(wǎng)絡(luò)覆蓋感知對象區(qū)域每個傳感器完成其臨近感知對象的觀測多傳感器協(xié)同完成感知區(qū)域的大觀測任務(wù)使用多跳路由算法向用戶報告觀測結(jié)果SinkInternet或通信衛(wèi)星SensornetworkUser端終端節(jié)點協(xié)調(diào)器網(wǎng)關(guān)（匯聚節(jié)點）第三十七頁，共79頁。第二階段感知能力＋計算能力＋通信能力1999年商業(yè)周刊將傳感器網(wǎng)絡(luò)列為二十一世紀最具影響的21項技術(shù)之一。二十世紀80年代至90年代之間第三十八頁，共79頁。第三階段21世紀開始至今2001911事件2002橡樹嶺實驗室提出“網(wǎng)絡(luò)就是傳感器”。20032006美國《技術(shù)評論》雜志評出深遠影響人類未來生活的十大新興技術(shù)，傳感器網(wǎng)絡(luò)列為第一。我國發(fā)布《國家中長期科學與技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要》。第三十九頁，共79頁。計算設(shè)備的演化歷史貝爾定律：每10年會有一類新的計算設(shè)備誕生。第四十頁，共79頁。改變世界的十個新興技術(shù)第四十一頁，共79頁。未來四大高技術(shù)將掀起新產(chǎn)業(yè)浪潮第四十二頁，共79頁。第一代（二十世紀八十年代-九十年代）第二代（2000-2010）第三代（約2010至今）生產(chǎn)方式定制，如（TRSS：TACTICALREMOTESENSORSYSTEMS，戰(zhàn)術(shù)遠程傳感系統(tǒng)）商業(yè)：Crossbow公司、Sensoria公司、Ember公司等Dust公司等尺寸鞋盒以上大小手掌至一元硬幣大小灰塵顆粒大小重量數(shù)千克數(shù)克可忽略不計節(jié)點架構(gòu)感知、處理和通信模塊分開集成感知、處理和通信模塊集成感知、處理和通信模塊拓撲端到端（Point-to-Point），星型客戶-服務(wù)器，點到點（Peer-to-Peer）點到點（Peer-to-Peer）能量供應(yīng)大容量電池AA電池太陽能生命周期數(shù)天或更長數(shù)天至數(shù)周數(shù)月至數(shù)年部署方式車載或空投手工部署嵌入式，噴撒無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點發(fā)展特點第四十三頁，共79頁。概念區(qū)分：互聯(lián)網(wǎng)（抽象）計算機網(wǎng)絡(luò)(統(tǒng)稱)Internet（專有）無線網(wǎng)絡(luò)無線蜂窩網(wǎng)無線局域網(wǎng)無線自組織網(wǎng)絡(luò)移動Adhoc網(wǎng)絡(luò)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點（統(tǒng)稱）無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點匯聚節(jié)點(Sinknode)傳感器節(jié)點傳感(器)模塊傳感器第四十四頁，共79頁。（一）民事應(yīng)用1.3傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用情況第四十五頁，共79頁。大鴨島海燕監(jiān)測無人干擾監(jiān)測鳥巢海燕大鴨島思考：如何設(shè)計？2002年英特爾研究人員傳感器放置在海燕鳥巢附近，獲取海燕生活環(huán)境的數(shù)據(jù)。他們使用的傳感器包括光、濕度、氣壓、紅外、圖像等，通過無線自組網(wǎng)，將數(shù)據(jù)經(jīng)衛(wèi)星傳輸?shù)郊又莸姆?wù)器，實現(xiàn)了對敏感野生動物的無人干擾監(jiān)測。第四十六頁，共79頁。橋梁監(jiān)測健康監(jiān)測海洋監(jiān)測環(huán)境監(jiān)測采用位移傳感器測量橋梁建筑的應(yīng)力，確保橋梁長期處于正常狀態(tài)。用于檢測人類慢性疾病的指標，特別是中老年人的健康監(jiān)護。利用移動機器人和固定采集點，對生態(tài)環(huán)境進行監(jiān)測。對海洋表面的污染程度進行監(jiān)測，采用飛機收集數(shù)據(jù)。思考：如何設(shè)計？第四十七頁，共79頁。電力高壓線高爾夫球場葡萄園道路交通實時監(jiān)控電力高壓線的應(yīng)力、溫度和震動，在大雪覆蓋時可以快速診斷出故障發(fā)生的地點。監(jiān)測高爾夫球場草皮植被的濕度，以便適時地噴灑澆水。監(jiān)測葡萄園的溫室氣候，因為葡萄園溫濕度的細微變化對葡萄酒的質(zhì)量影響很大。監(jiān)測道路狀況，如大霧、地面積水、冰凍。思考：如何設(shè)計？第四十八頁，共79頁。智能停車場物流系統(tǒng)列車鐵軌高速公路系統(tǒng)在停車場智能引導停車泊位。在物流系統(tǒng)中，監(jiān)測物資的保存狀態(tài)和數(shù)量。對列車鐵軌的狀態(tài)是否正常進行監(jiān)測。在高速公路系統(tǒng)，輔助完成不停車收費功能。思考：傳感器作用？第四十九頁，共79頁。韓國濟州島智能漁場北京大興區(qū)菊花基地克爾斯博公司主要是實現(xiàn)了自動收集漁場飼養(yǎng)環(huán)境的參數(shù)，確定投放飼料的數(shù)量。采集日光溫室和土壤的溫濕度參數(shù)，提高了菊花生產(chǎn)的管理水平，使得生產(chǎn)成本至少下降了25%。他們采用克爾斯博公司提供的產(chǎn)品，這個公司是全球最大的傳感器網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品制造商。第五十頁，共79頁。浙江溫州的奶牛牧場沈陽玫瑰園沈陽玫瑰園采用傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，實現(xiàn)了整個玫瑰花觀光溫室參數(shù)的自動采集。浙江溫州的奶牛牧場，結(jié)合傳感器網(wǎng)絡(luò)和射頻識別技術(shù)，給奶牛戴上身份標識，防止走失。第五十一頁，共79頁。課堂討論

請結(jié)合中國實際應(yīng)用，充分發(fā)揮想象力，分組展開課堂討論：舉例列出傳感器網(wǎng)絡(luò)還可以有哪些用途？第五十二頁，共79頁。二零零八年五月十二日汶川地區(qū)發(fā)生強烈地震光纖傳感器網(wǎng)絡(luò)第五十三頁，共79頁。醫(yī)療監(jiān)護在病人身上安裝特殊用途的傳感器節(jié)點，如心率和血壓監(jiān)測設(shè)備，這些節(jié)點組成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)后，醫(yī)生就可以隨時了解被監(jiān)護病人的病情，進行及時處理。第五十四頁，共79頁。中風病人康復(fù)中的肢體移動監(jiān)測http:///~mdw/proj/codeblue/醫(yī)療監(jiān)護第五十五頁，共79頁。中風病人康復(fù)中的肢體移動監(jiān)測醫(yī)療監(jiān)護第五十六頁，共79頁?？臻g探索借助于航天器布撒的傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點實現(xiàn)對星球表面長時間的監(jiān)測是一種經(jīng)濟可行的方案。第五十七頁，共79頁。農(nóng)業(yè)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，通過傳統(tǒng)方式采集原始數(shù)據(jù)是一件困難的工作。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)為研究環(huán)境變化對農(nóng)作物的影響、監(jiān)測大氣和土壤的成分提供了方便。第五十八頁，共79頁。商業(yè)很多大公司現(xiàn)已在部署無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，以監(jiān)視庫存和檢查加油站油泵內(nèi)的存油狀態(tài)。2015年傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點可以成為“超級RFID”

，主動監(jiān)測貨物參數(shù)并記錄相關(guān)數(shù)據(jù)，還能夠在某些參數(shù)超過臨界值時發(fā)出警報。第五十九頁，共79頁。（二）軍事應(yīng)用第六十頁，共79頁。聯(lián)合國維和部隊伊拉克微型感應(yīng)傳感器網(wǎng)絡(luò)核武器和生化武器2003年聯(lián)合國維和部隊進入伊拉克，綜合使用了商用間諜衛(wèi)星和超微型感應(yīng)的傳感器網(wǎng)絡(luò)，對伊拉克的空氣、水和土壤進行連續(xù)不斷的監(jiān)測，以確定伊拉克有無違反國際公約的核武器和生化武器。第六十一頁，共79頁。美軍未來戰(zhàn)斗系統(tǒng)的戰(zhàn)場警戒示意圖傳感器節(jié)點通行車輛在美軍的未來戰(zhàn)斗系統(tǒng)中，布置在道路兩側(cè)的傳感器網(wǎng)絡(luò)探測出通行的車輛目標信號，傳輸給士兵的手持終端設(shè)備，實現(xiàn)戰(zhàn)場警戒功能。第六十二頁，共79頁。槍聲定位反恐系統(tǒng)最近美軍裝備的槍聲定位系統(tǒng)，用于打擊恐怖分子和戰(zhàn)場上的狙擊手。部署在街道或道路兩側(cè)的聲響傳感器，檢測輕武器射擊時產(chǎn)生的槍口爆炸波，以及子彈飛行時產(chǎn)生的震動沖擊波，這些聲波信號通過傳感器網(wǎng)絡(luò)傳送給附近的計算機，計算出射手的坐標位置。第六十三頁，共79頁。F-22猛禽戰(zhàn)斗機美國F-22猛禽戰(zhàn)斗機機外傳感器網(wǎng)絡(luò)美國空軍F-22猛禽戰(zhàn)斗機，現(xiàn)在在機體外側(cè)也安裝了傳感器網(wǎng)絡(luò)，能夠提前發(fā)現(xiàn)敵機，通過與機載火控系統(tǒng)相結(jié)合，可以在沒有任何征兆的情況下，超視距發(fā)射空空導彈將敵機擊落。第六十四頁，共79頁。

美軍“沙地直線”項目無線鏈路目標探測、分類和跟蹤傳感器節(jié)點傳感器節(jié)點2002年美軍在俄亥俄州大規(guī)模試驗了“沙地直線”項目系統(tǒng)，也就是地面戰(zhàn)場無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，能夠檢測出入侵的高金屬含量目標。第六十五頁，共79頁。密封形封裝罩節(jié)點封裝示例（一）特點：表面光滑可以滾動自動調(diào)整姿態(tài)位置萬向節(jié)固定架設(shè)計第六十六頁，共79頁。節(jié)點封裝示例（二）錐形罩特點：底基重量大自正位“懸垂鐘擺”式電路板飛機拋撒第六十七頁，共79頁?！袄侨骸钡孛?zhèn)鞲衅骶W(wǎng)絡(luò)美軍共計完成23項傳感器網(wǎng)絡(luò)項目通信工程專業(yè)、計算機專業(yè)第六十八頁，共79頁。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)帶來什么弊端？天使的面孔：智能微塵能帶來的用途是顯而易見的。魔鬼的力量：個人隱私不復(fù)存在2006年2月國務(wù)院發(fā)布《國家中長期科學和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006－2020年）》，在“亟待科技提供支撐”的國民經(jīng)濟和社會發(fā)展重點領(lǐng)域中，“傳感器網(wǎng)絡(luò)及智能信息處理”被列為“信息產(chǎn)業(yè)”中七個主題之一。第六十九頁，共79頁。通信能力有限節(jié)點通信覆蓋范圍只有幾十到幾百米關(guān)鍵之一如何在有限的通信能力條件下,完成探測數(shù)據(jù)的傳輸？無線通信技術(shù)是第一項關(guān)鍵技術(shù)！1.4傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)第七十頁，共79頁。電源能量有限通常電池供電，工作環(huán)