無線傳感器網絡-第一章方案

無線傳感器網絡技術基礎適用：電氣信息類專業(yè)無線傳感器網絡技術基礎適用：電氣信息類專業(yè)章節(jié)內容學時1緒論32常用微型傳感器13傳感器網絡的通信技術44傳感器網絡的支撐技術65傳感器網絡的應用開發(fā)基礎66傳感器網絡協(xié)議的技術標準27傳感器網絡技術的應用28無線傳感器網絡設計與實驗8

本課章節(jié)與課時安排章節(jié)內容學時1緒論32常用微型傳感器13傳感器網絡的

教材及參考書1、無線傳感器網絡簡明教程，崔遜學，清華大學出版社2、無線傳感器網絡，孫利民，清華大學出版社3、智能無線傳感器網絡，于海斌，科學出版社

教材及參考書1、無線傳感器網絡簡明教程，崔遜學，清華大學

聯系方式辦公室：基礎實驗樓340電話：84315468E-mail：hearthc@聯911歷史事件尋找拉登藏身之處應用需求引發(fā)研究熱潮911歷史事件尋找拉登藏身之處應用需求引發(fā)研究熱潮綜觀計算機網絡技術的發(fā)展史，應用需求始終是推動和左右全球網絡技術進步的動力與源泉。綜觀計算機網絡技術的發(fā)展史，應用需求始終是推動和左右全球網絡第一章緒論一什么是無線傳感器網絡二傳感器網絡的發(fā)展歷史三傳感器網絡的應用情況四傳感器網絡的關鍵技術第一章緒論一什么是無線傳感器網絡二傳感器網絡的發(fā)展歷史教學目的：掌握傳感器網絡的基本情況本章重點：基本概念、應用情況教學目的：掌握傳感器網絡的基本情況本章重點：基本概念、應用情一、什么是無線傳感器網絡一、什么是無線傳感器網絡無線網絡有基礎設施網無基礎設施網移動Adhoc網絡無線傳感器網絡無線網絡有基礎設施網無基礎設施網移動Adhoc網絡無有基礎設施的網絡需要固定基站,如使用的手機，屬于無線蜂窩網，需要高大的天線和大功率基站來支持，基站就是最重要的基礎設施；使用無線網卡上網的無線局域網，由于采用了接入點這種固定設備，也屬于有基礎設施網。有基礎設施的網絡需要固定基站,如使用的手機，屬于無線蜂窩網，無基礎設施網-無線Adhoc網絡節(jié)點是分布式的，沒有專門的固定基站。無線Adhoc網絡分為兩類:一類是移動Adhoc網絡(MobileAdhocNetwork,簡稱MANET)，終端是快速移動的。另一類就是無線傳感器網絡,節(jié)點是靜止的或者移動很慢。無基礎設施網-無線Adhoc網絡節(jié)點是分布式的，沒有專門的

無線傳感器網絡(WSN)是大量的靜止或移動的傳感器以自組織和多跳的方式構成的無線網絡，目的是協(xié)作地采集、處理和傳輸網絡覆蓋地域內感知對象的監(jiān)測信息，并報告給用戶?！盁o線傳感器網絡”術語的標準定義無線傳感器網絡(WSN)是大量的靜止或移動的傳感傳感器技術計算機技術通信技術感官大腦神經現代信息技術信息系統(tǒng)無線傳感器網絡傳感器技術計算機技術通信技術感官大腦神經現代信息無線傳感器網絡_第一章方案物理層數據鏈路層網絡層傳輸層應用層能量分配移動管理應用優(yōu)化物理層數據鏈路層網絡層傳輸層應用傳感器節(jié)點實物示例傳感器節(jié)點實物示例1.1傳感器網絡的常用邏輯結構圖傳感器1傳感器2傳感器N無線鏈路無線接口模塊…監(jiān)控主機1.1傳感器網絡的常用邏輯結構圖傳感器1傳感器2傳感器N無線

基本工作過程(1)傳感器節(jié)點的處理器模塊完成計算與控制功能，射頻模塊完成無線通信傳輸功能，傳感器探測模塊完成數據采集功能，通常由電池供電，封裝成完整的低功耗無線傳感器網絡。(2)網關節(jié)點只需要具有處理器模塊和射頻模塊，通過無線方式接收探測終端發(fā)送來的數據信息，再傳輸給有線網絡的PC機或服務器。

基本工作過程(1)傳感器節(jié)點的處理器模塊完成計算與控制功(3)各種類型的低功耗網絡終端節(jié)點可以構成星形拓撲結構，或者混合型的ZigBee拓撲結構，有的路由節(jié)點還可以采用電源供電方式。(3)各種類型的低功耗網絡終端節(jié)點可以構成星形拓撲結構，或1.2傳感器網絡節(jié)點的結構1.2傳感器網絡節(jié)點的結構1、節(jié)點的體系組成從無線聯網的角度來看，傳感器網絡節(jié)點的體系由分層的網絡通信協(xié)議、網絡管理平臺和應用支撐平臺三個部分。1.3網絡體系結構1、節(jié)點的體系組成1.3網絡體系結構節(jié)點的體系組成節(jié)點的體系組成

類似于傳統(tǒng)Internet網絡中的TCP/IP協(xié)議體系，它由物理層、數據鏈路層、網絡層、傳輸層和應用層組成。

(1)網絡通信協(xié)議

(1)網絡通信協(xié)議(2)網絡管理平臺

網絡管理平臺主要是對傳感器節(jié)點自身的管理和用戶對傳感器網絡的管理，包括拓撲控制、服務質量管理、能量管理、安全管理、移動管理、網絡管理等。(2)網絡管理平臺網絡管理平臺主要是對傳感器節(jié)點自(3)應用支撐平臺

應用支撐平臺建立在網絡通信協(xié)議和網絡管理技術的基礎之上，包括一系列基于監(jiān)測任務的應用層軟件;

通過應用服務接口和網絡管理接口來為終端用戶提供各種具體應用的支持。(3)應用支撐平臺應用支撐平臺建立在網絡通信協(xié)議應用支撐平臺包括如下內容：①時間同步②定位③應用服務接口④網絡管理接口應用支撐平臺包括如下內容：①時間同步2、傳感器網絡的結構

根據節(jié)點數目的多少，傳感器網絡的結構可以分為平面結構和分級結構。如果網絡的規(guī)模較小，一般采用平面結構。如果網絡規(guī)模很大，則必須采用分級網絡結構。2、傳感器網絡的結構根據節(jié)點數目的多少，傳感器網絡的(1)平面結構

平面結構的網絡比較簡單，所有節(jié)點的地位平等，又稱為對等式結構。源節(jié)點和目的節(jié)點之間一般存在多條路經，網絡負荷由這些路徑共同承擔，一般情況下不存在瓶頸，網絡比較健壯。(1)平面結構平面結構的網絡比較簡單，所有節(jié)點的地平面結構的不足

平面型的網絡結構在節(jié)點的組織、路由建立、控制與維持的報文開銷上都存在問題；這些開銷會占用很大的帶寬，影響網絡數據的傳輸速率；整個系統(tǒng)在宏觀上將損耗很大的能量；可擴充性差。平面結構的不足平面型的網絡結構在節(jié)點的組織、路由建立(2)分層結構(2)分層結構分層結構的特點

傳感器網絡被劃分為多個簇；每個簇由一個簇頭和多個簇成員組成。這些簇頭形成了高一級的網絡。簇頭節(jié)點負責簇間數據的轉發(fā)，簇成員只負責數據的采集。大大減少了網絡中路由控制信息的數量；具有很好的可擴充性。分層結構的特點傳感器網絡被劃分為多個簇；分層結構的不足

簇頭的能量消耗問題較大，簇頭發(fā)送和接收報文的頻率要高出普通節(jié)點幾倍或十幾倍；在簇內運行簇頭選擇程序來更換簇頭。分層結構的不足簇頭的能量消耗問題較大，簇頭發(fā)送和接收1.4傳感器節(jié)點的限制條件

傳感器網絡由數據獲取子網、數據分布子網和控制管理中心三部分組成。1.4傳感器節(jié)點的限制條件傳感器網絡由數據獲取子網、

主要組成部分是集成了傳感器、數據處理單元和通信模塊的節(jié)點，節(jié)點通過協(xié)議自組織成一個分布式網絡，將采集的數據優(yōu)化后經無線電波傳輸給信息處理中心。傳感器節(jié)點在實現各種網絡協(xié)議和應用系統(tǒng)時，存在一些限制和約束。主要組成部分是集成了傳感器、數據處理單元和通信模塊的1、電源能量有限

耗能模塊包括傳感器模塊、處理器模塊和無線通信模塊。

隨著集成電路工藝的進步，處理器和傳感器模塊的功耗變得很低，絕大部分能量主要消耗在無線通信模塊上。

1、電源能量有限耗能模塊包括傳感器模塊、處理器模塊和1、電源能量有限

傳感器節(jié)點的絕大部分能量消耗在無線通信模塊。傳感器節(jié)點傳輸信息時要比執(zhí)行計算時更消耗電能；傳輸l比特信息100m距離需要的能量大約相當于執(zhí)行3000條計算指令所消耗的能量。1、電源能量有限傳感器節(jié)點的絕大部分能量消耗在無線通2、通信能力受限

通常無線通信的能量消耗與通信距離的關系符合如下規(guī)律：

n滿足關系2<n<4。n的取值與很多因素有關，如傳感器節(jié)點部署貼近地面時，障礙物多、干擾大，n取值就大；天線質量對信號發(fā)射質量影響也很大。

通常取n為3，假定通信能耗與距離三次方成正比。2、通信能力受限通常無線通信的能量消耗與通信距離的關

隨著通信距離的增加，能耗會急劇增加；在滿足通信連通性的前提下應盡量減少單跳的通信距離；一般而言，傳感器節(jié)點的無線通信半徑在100m以內比較合適。隨著通信距離的增加，能耗會急劇增加；3、計算和存儲能力受限

節(jié)點是微型嵌入式設備，價格低、功耗小，導致其攜帶的處理器能力比較弱，存儲器容量比較小。節(jié)點需要完成監(jiān)測數據的采集和轉換、數據的管理和處理、應答匯聚節(jié)點的任務請求和節(jié)點控制等多種工作。如何利用有限的計算和存儲資源完成諸多協(xié)同任務成為傳感器網絡設計所需要考慮的問題。3、計算和存儲能力受限節(jié)點是微型嵌入式設備，價格1.5組網特點

無線傳感器網絡具有AdHoc網絡的移動性、斷接性、電源能力局限性等共同特征；在組網方面具有一些鮮明的自身特點。它的主要特點包括自組織性、以數據為中心、應用相關性、動態(tài)性、網絡規(guī)模大和需要高的可靠性等。1.5組網特點無線傳感器網絡具有AdHoc網絡的二、傳感器網絡的發(fā)展歷史二、傳感器網絡的發(fā)展歷史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)。胡志明小道胡志明小道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)的傳感熱帶樹熱帶樹轟炸機熱帶樹熱帶樹轟炸機傳感器僅產生探測數據流傳感器無計算能力

傳感器之間不能相互通信SensorsObject信號分析傳統(tǒng)感知方法的特征有線/無線連接傳感器僅產生探測數據流SensorsObject信號分析傳統(tǒng)第二階段感知能力＋計算能力＋通信能力1999年商業(yè)周刊將傳感器網絡列為二十一世紀最具影響的21項技術之一。二十世紀80年代至90年代之間第二階段感知能力＋計算能力＋通信能力1999年商業(yè)周刊將傳第三階段

21世紀開始至今2001911事件2002橡樹嶺實驗室提出“網絡就是傳感器”。20032006美國《技術評論》雜志評出深遠影響人類未來生活的十大新興技術，傳感器網絡列為第一。我國發(fā)布《國家中長期科學與技術發(fā)展規(guī)劃綱要》。第三階段21世紀開始至今2001911事件2002橡樹嶺實計算設備的演化歷史計算設備的演化歷史三、傳感器網絡的應用情況三、傳感器網絡的應用情況（一）民事應用（一）民事應用大鴨島海燕監(jiān)測無人干擾監(jiān)測鳥巢海燕大鴨島大鴨島海燕監(jiān)測無人干擾監(jiān)測鳥巢海燕大鴨島橋梁監(jiān)測健康監(jiān)測海洋監(jiān)測環(huán)境監(jiān)測橋梁監(jiān)測健康監(jiān)測海洋監(jiān)測環(huán)境監(jiān)測電力高壓線高爾夫球場葡萄園道路交通電力高壓線高爾夫球場葡萄園道路交智能停車場物流系統(tǒng)列車鐵軌高速公路系統(tǒng)智能停車場物流系統(tǒng)列車鐵軌高速公路系統(tǒng)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浙江溫州的奶牛牧場沈陽玫瑰園浙江溫州的奶牛牧場沈陽玫瑰園二零零八年五月十二日汶川地區(qū)發(fā)生強烈地震二零零八年五月十二日汶川地區(qū)發(fā)生強烈地震（二）軍事應用（二）軍事應用聯合國維和部隊伊拉克微型感應傳感器網絡核武器和生化武器聯合國維和部隊伊拉克微型感應傳感器網絡核武器和生化武器美軍未來戰(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)點通行車輛槍聲定位反恐系統(tǒng)槍聲定位反恐系統(tǒng)F-22猛禽戰(zhàn)斗機美國F-22猛禽戰(zhàn)斗機機外傳感器網絡F-22猛禽戰(zhàn)斗機美國F-22猛禽戰(zhàn)斗機機外傳感器網絡

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整姿態(tài)位置萬向節(jié)固定架設計密封形封裝罩節(jié)點封裝示例（一）特點：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”式電路板飛機拋撒節(jié)點封裝示例（二）錐形罩特點：“狼群”地面?zhèn)鞲衅骶W絡美軍共計完成23項傳感器網絡項目網絡工程專業(yè)“狼群”地面?zhèn)鞲衅骶W絡美軍共計完成23項傳感器網絡項目網絡工四、傳感器網絡的關鍵技術四、傳感器網絡的關鍵技術通信能力有限節(jié)點通信覆蓋范圍只有幾十到幾百米關鍵之一如何在有限的通信能力條件下,完成探測數據的傳輸？無線通信技術是第一項關鍵技術！通信能力有限關鍵之一電源能量有限通常電池供電，工作環(huán)境惡劣，一次部署終生使用，更換電池困難關鍵之二如何節(jié)省電源、最大化網絡的使用壽命？低功耗設計問題是第二項關鍵技術！電源能量有限關鍵之二計算能力有限節(jié)點體積小，處理器和存儲器