無線傳感器網(wǎng)絡概論

無線傳感器網(wǎng)絡概論第1頁，共46頁，2023年，2月20日，星期六主要內(nèi)容：WSN概述歷史以及發(fā)展現(xiàn)狀WSN的體系結(jié)構(gòu)WSN的應用WSN的特征關鍵技術(shù)第2頁，共46頁，2023年，2月20日，星期六計算模式的發(fā)展貝爾定律：計算模式每十年進化一代第3頁，共46頁，2023年，2月20日，星期六普適計算需求——自組織網(wǎng)絡只能有效地處理有限的連接設備

下一代網(wǎng)絡需要具有自治和主動的能力第4頁，共46頁，2023年，2月20日，星期六普適計算需求——傳感信息傳感信息是我們了解世界的唯一手段

新型計算需要獲取環(huán)境信息以便提供用戶相應的服務第5頁，共46頁，2023年，2月20日，星期六普適計算需求——無線連接有線方式連接：高額費用和使用局限性第6頁，共46頁，2023年，2月20日，星期六普適計算未來計算將充斥于我們的日常生活中的每個角落智能空間(Ambientintelligence)/普適計算(Ubiquitouscomputing)大量不同種設備采集、處理來自不同來源的信息以供控制實際過程并與用戶交互?智能空間所需信息的來源：無線傳感器網(wǎng)絡?這些由單個節(jié)點組成的網(wǎng)絡需要相互合作完成指定任務。

?節(jié)點間通過無線通信完成相互的合作無線傳感器網(wǎng)絡是實現(xiàn)智能空間的重要組成部分第7頁，共46頁，2023年，2月20日，星期六信息獲取與信息發(fā)布有線方式連接：高額費用和使用局限性第8頁，共46頁，2023年，2月20日，星期六WSN概述

無線傳感器網(wǎng)絡（WirelessSensorNetwork,WSN）系統(tǒng)是當前在國際上備受關注的、涉及多學科高度交叉、知識高度集成的前沿熱點研究領域。它綜合了傳感器技術(shù)、嵌入式計算技術(shù)、現(xiàn)代網(wǎng)絡及無線通信技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)等。

第9頁，共46頁，2023年，2月20日，星期六無線傳感器網(wǎng)絡（WirelessSensorNetwork,WSN）就是由部署在檢測區(qū)域內(nèi)大量的廉價衛(wèi)星傳感器節(jié)點組成，通過無線通信方式形成的一個多跳的自組織的網(wǎng)絡系統(tǒng)，目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡覆蓋區(qū)域中感知的對象信息，并發(fā)送給觀察者。構(gòu)成WSN的三要素：傳感器、感知對象、觀察者。WSN概述（續(xù)）第10頁，共46頁，2023年，2月20日，星期六MEMS技術(shù)對WSN的推動第11頁，共46頁，2023年，2月20日，星期六無線傳感器網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)第12頁，共46頁，2023年，2月20日，星期六影響力☆美國商業(yè)周刊和MIT技術(shù)評論在預測未來技術(shù)發(fā)展報告中將無線傳感器網(wǎng)絡列為21世紀最有影響的21項技術(shù)和改變世界的10大技術(shù)之一?！顐鞲衅骶W(wǎng)絡被列為未來3大高科技產(chǎn)業(yè)一?！蠲绹摹都夹g(shù)評論》將無線傳感器網(wǎng)絡列為第一項未來新興技術(shù)。

☆《商業(yè)周刊》預測的未來4大新技術(shù)中，無線傳感器網(wǎng)絡也列入其中等。WSN概述（續(xù)）第13頁，共46頁，2023年，2月20日，星期六歷史以及發(fā)展現(xiàn)狀國外：起源于美國，根源可追溯到1978年由國防部高級研究計劃署（DARPA）在卡內(nèi)基-梅隆大學發(fā)起的分布式傳感器研討會。具有代表性的項目包括：1993-1999年間由美國國防高級研究計劃署(DARPA)資助，加州大學洛杉磯分校(UCLA)承擔的WINS項目；

1999-2001年間由DAPRA資助UC

Berkeley承擔的Smart

Dust項目。第14頁，共46頁，2023年，2月20日，星期六

1998-2002年DARPA資助，加州大學伯克利分校等25個機構(gòu)聯(lián)合承擔的SensIT計劃；

1999-2004年間海軍研究辦公室的SeaWeb計劃等。國內(nèi)：中國的一些研究機構(gòu)近年開始研究：中國科學技術(shù)大學、清華大學、中科院計算所、上海微系統(tǒng)所、沈陽自動化所以及合肥智能所等研究單位。歷史以及發(fā)展現(xiàn)狀第15頁，共46頁，2023年，2月20日，星期六

之所以國內(nèi)外都投入巨資研究機構(gòu)紛紛開展無線傳感器網(wǎng)絡的研究，很大程度歸功于其廣闊的應用前景和對社會生活的巨大影響。歷史以及發(fā)展現(xiàn)狀第16頁，共46頁，2023年，2月20日，星期六WSN的應用☆軍事上的應用傳感器網(wǎng)絡具有可快速部署、可自組織、隱蔽性強和高容錯性的特點，因此非常適合軍事上的應用。通過飛機或炮彈直接將傳感器節(jié)點散播到敵方陣地內(nèi)部，或者在公共隔離帶部署傳感網(wǎng)絡，就能隱蔽而且近距離的準確收集戰(zhàn)場信息。例:傳感器網(wǎng)絡已經(jīng)成為

美軍事C4ISRT系統(tǒng)必

不可少的一部分。第17頁，共46頁，2023年，2月20日，星期六WSN的應用（續(xù)）☆環(huán)境觀測和預報系統(tǒng)可以用于檢視農(nóng)作物灌溉情況、土壤空氣情況、牲畜和家禽的環(huán)境狀況和大面積的地表監(jiān)測、氣象和地理研究、洪水監(jiān)測等。例：ALERT系統(tǒng)中就有用于監(jiān)測降雨量、河水水位和土壤水分，并依此預測爆發(fā)山洪的可能性。第18頁，共46頁，2023年，2月20日，星期六WSN的應用（續(xù)）☆醫(yī)療護理用于人體的各種生理數(shù)據(jù)，跟蹤和監(jiān)控醫(yī)院內(nèi)醫(yī)生和患者的行動，醫(yī)院的藥物管理等。例：一個可以成像的特殊發(fā)送器芯片與精巧設計的超低功率無線技術(shù)結(jié)合，就可以實現(xiàn)可用于一個胃腸道診斷的微型吞服攝像膠囊。患者吞下維C片大小的成像膠囊后，膠囊經(jīng)過食道、胃和小腸時就可將圖象廣播出來。膠囊由一個攝象機、LED、電池、特制芯片和天線組成。（如圖）第19頁，共46頁，2023年，2月20日，星期六WSN的應用（續(xù)）精細農(nóng)業(yè)醫(yī)療保健第20頁，共46頁，2023年，2月20日，星期六WSN的應用（續(xù)）☆智能家居家電和家具中嵌入傳感器節(jié)點，通過無線網(wǎng)絡與Internet連在一起。為人提供人性化的家居環(huán)境。例：Avaak提供一個只有1立方英寸大小的自治產(chǎn)品。這個微型的無線視頻平臺包含有一節(jié)電池、無線電、攝像相機、(彩色成像器加鏡頭)、控制器、天線和溫度傳感器。第21頁，共46頁，2023年，2月20日，星期六WSN的應用（續(xù)）☆建筑物狀態(tài)監(jiān)控利用傳感器網(wǎng)絡監(jiān)控建筑物的安全狀態(tài)。例：Microstrain在佛蒙特州的一座重載橋梁上安裝了一套該公司研制的系統(tǒng)，將位移傳感器安裝在鋼梁上用來測量靜態(tài)和動態(tài)應力，并通過無線網(wǎng)絡來采集數(shù)據(jù)。該無線系統(tǒng)可以保留在橋梁上用于長期監(jiān)測橋梁是否處于正常受控狀態(tài)。第22頁，共46頁，2023年，2月20日，星期六WSN的應用（續(xù)）第23頁，共46頁，2023年，2月20日，星期六☆完成空間探索借助于航天器在外星體撒播一些傳感器網(wǎng)絡節(jié)點，可以對星球表面進行長時間監(jiān)測。成本低、節(jié)點體積小，相互之間可以進行通信，也可以和地面站進行通信。例：NASA的JPL（JetPropulsionLaboratory）實驗室研制的SensorWebs就是為將來的火星探測進行技術(shù)準備。該系統(tǒng)已經(jīng)在實施測試和完善。WSN的應用（續(xù)）第24頁，共46頁，2023年，2月20日，星期六☆廠房安全☆故障診斷WSN的應用（續(xù)）第25頁，共46頁，2023年，2月20日，星期六WSN的體系結(jié)構(gòu)傳感器網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)第26頁，共46頁，2023年，2月20日，星期六傳感器節(jié)點結(jié)構(gòu)WSN的體系結(jié)構(gòu)第27頁，共46頁，2023年，2月20日，星期六傳感器網(wǎng)絡協(xié)議棧WSN的體系結(jié)構(gòu)第28頁，共46頁，2023年，2月20日，星期六WSN的特征☆與無線網(wǎng)絡的區(qū)別傳感器網(wǎng)絡集成了監(jiān)測、控制以及無線通信的網(wǎng)絡系統(tǒng)，節(jié)點數(shù)目龐大（上千甚至上萬），分布密集，因環(huán)境和能量的耗盡，容易出現(xiàn)故障，節(jié)點通常固定不動。能量、處理能力、存儲能力、通信能力有限。不同于傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡的高服務質(zhì)量和高效的帶寬的利用，節(jié)能是其設計的首要考慮因素。第29頁，共46頁，2023年，2月20日，星期六WSN的特征☆節(jié)點的限制

※電池能量有限

※通信能力有限能量消耗和通信距離關系E正比于d(n).{2<n<4}※計算和存儲能力有限第30頁，共46頁，2023年，2月20日，星期六☆傳感器網(wǎng)絡的特點：大規(guī)模網(wǎng)絡自組織網(wǎng)絡動態(tài)性網(wǎng)絡可靠性網(wǎng)絡應用性相關的網(wǎng)絡以數(shù)據(jù)為中心的網(wǎng)絡WSN的特征第31頁，共46頁，2023年，2月20日，星期六關鍵技術(shù)網(wǎng)絡協(xié)議時間同步定位技術(shù)網(wǎng)絡拓撲控制數(shù)據(jù)融合數(shù)據(jù)管理無線通信技術(shù)嵌入式操作系統(tǒng)應用層技術(shù)第32頁，共46頁，2023年，2月20日，星期六傳感器網(wǎng)絡協(xié)議棧WSN的協(xié)議第33頁，共46頁，2023年，2月20日，星期六MAC協(xié)議MAC協(xié)議在無線傳感器網(wǎng)絡中，介質(zhì)訪問控制協(xié)議決定無線信道的使用方式，在傳感器節(jié)點之間分配有限的無線通信資源，用來構(gòu)建傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)的底層基礎結(jié)構(gòu)。☆設計MAC協(xié)議時考慮：

※節(jié)省能量

※可擴展性

※網(wǎng)絡效率第34頁，共46頁，2023年，2月20日，星期六TimeABCcsDATAcsDATA第35頁，共46頁，2023年，2月20日，星期六ABCDTimecsDATARTSCTSBlockedACK

第36頁，共46頁，2023年，2月20日，星期六WSN的協(xié)議MAC網(wǎng)絡能量浪費主要原因：數(shù)據(jù)重傳，耗費節(jié)點更多能量。節(jié)點接受不必要的數(shù)據(jù)。節(jié)點不需要發(fā)送數(shù)據(jù)時，過度偵聽。信道分配時，控制消息過多。第37頁，共46頁，2023年，2月20日，星期六MAC協(xié)議節(jié)點無線通信模塊的狀態(tài)包括：發(fā)送狀態(tài)、接受狀態(tài)、偵聽狀態(tài)、睡眠狀態(tài)。各狀態(tài)耗能按上述順序依次減少，因此通常采用”偵聽/睡眠”交替使用的無線信道使用策略。WSN的協(xié)議第38頁，共46頁，2023年，2月20日，星期六MAC協(xié)議針對不同的傳感器網(wǎng)絡應用，提出不同的MAC協(xié)議，主要分3類：時分復用（TDMA）的MAC協(xié)議。隨機競爭的MAC協(xié)議。其他MAC協(xié)議。如：頻分復用或碼分復用等協(xié)議。WSN的協(xié)議第39頁，共46頁，2023年，2月20日，星期六路由協(xié)議和傳統(tǒng)的路由協(xié)議相比，無線傳感器的路由協(xié)議有以下特點：☆能量優(yōu)先☆基于局部拓撲信息☆以數(shù)據(jù)為中心☆應用相關WSN的協(xié)議第40頁，共46頁，2023年，2月20日，星期六SourceSinkInterestGradientWSN的協(xié)議DD(DirectedDiffusion)協(xié)議第41頁，共46頁，2023年，2月20日，星期六WSN的協(xié)議DD(DirectedDiffusion)協(xié)議SourceSinkGradientDataReinforcement第42頁，共46頁，2023年，2月20日，星期六WSN的時間同步技術(shù)NICSenderReceiver1Receiver2CriticalPathNICSenderReceiverCriticalPathTimeTraditionalcriticalpath:Fromthetimethesenderreadsitsclock,towhenthereceiverreadsitsclockRBS:Onlysensitivetothedifferencesinreceivetimeandpropagationde