无线传感器网络简述

无线传感器网络综述1目录1.无线传感器网络概述2.无线传感器网络协议栈 3.无线传感器网络应用支持技术4.无线传感器网络软件技术 5.特殊的无线传感器网络6.参考资料2概念无线传感器网络概述无线传感器网络（Wireless Sensor Network, WSN）是部署在监测区域内大量的、由成本低廉的微型传感器节点组成的、通过无线通信方式形成的一种多跳自组织的网络体系，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖范围内感知对象的信息，并发送给观察者或者用户。传感器、感知对象和观察者构成了无线传感器网络的三个要素。3发展背景l 微机电系统(MEMS)l 数字电子技术(Digital Electronic Technology) l 无线射频(RF)通信技术无线传感器的发展主要得益于以下三种技术的高速发展：无线传感器网络概述4典型的无线传感器网络无线传感器网络概述典型的无线传感器网络5无线传感器网络传感器硬件组成无线传感器网络概述典型的无线传感器网络6无线传感器网络概述无线传感器网络的特点l 节点资源有限性l 大规模性且具有自适应性l 无中心和自组织l 网络动态性强l 以数据为中心的网络l 应用相关性7无线传感器网络概述发展历史第一阶段：最早可以追溯至越战时期使用的传统的传感器系统。美军在“胡志明小道”部署2万多的“热带树”传感器，用于侦测越共的补给车队。“热带树”实际上是由震动和声响传感器组成的系统，它由飞机投放，落地后插入泥土中，只露出伪装成树枝的无线电天线。第二阶段：二十世纪70年代末初至90年代末之间。美国国防部高级研究计划局(Defense Advanced Research Projects Agency，DARPA)于1978年开始资助卡内基·梅隆大学进行分布式传感器网络的研究，这被看成是无线传感器网络的雏形。这种分布式传感网络系统能够实现多兵种协同作战、远程战场自动感知等。无线传感器在传感器的基础上增加了无线通信能力，大大延长了传感器的感知触角，降低了传感器的工程实施成本。8无线传感器网络概述发展历史第三阶段：现在的无线传感网络阶段。这个阶段从21世纪开始至今，并还在不断的发展和完善。无线传感网络将网络技术引入到无线智能传感器中，使得传感器不再是单个的感知单元，而是能够交换信息、协调控制的有机结合体，实现物与物的互连，把感知触角深入世界各个角落，大大加强了物联网获取目标信息的能力。无线传感网络除了应用于反恐活动，在其他商业领域更是获得了长足的发展，所以2002年美国国家重点实验室-橡树岭实验室(Oak Ridge National Laboratory)提出了”网络就是传感器”的论断。9无线传感器网络概述应用领域10军事上的应用传感器网络具有可快速部署、可自组织、隐蔽性强和高容错性的特点，因此非常适合军事上的应用。通过飞机或炮弹直接将传感器节点播撒到敌方阵地内部，或者在公共隔离带部署传感网络，就能隐蔽而且近距离的准确收集战场信息。传感器网络已经成为美军事C4ISRT系统必不可少的一部分。注：C4ISRT（command, control, communication, computing, intelligence, surveillance, reconnaissance and targeting）无线传感器网络概述应用领域11枪声定位系统军事上的应用无线传感器网络概述应用领域12环境观测和预报系统可以用于监视农作物灌溉情况、土壤空气情况、牲畜和家禽的生活环境状况和大面积的地表监测、气象和地理研究、洪水监测等。例：ALERT系统中就有用于监测降雨量、河水水位和土壤水分，并 依此预测爆发山洪的可能性。无线传感器网络概述应用领域13医疗护理用于收集人体的各种生理数据、跟踪和监控医院内患者的行动、管理医院的药物等。例：一个可以成像的特殊发送器芯片与精巧设计的超低功率无线技术结合，就可以实现可用于一个胃肠道诊断的微型吞服摄像胶囊。患者吞下维C片大小的成像胶囊后，胶囊经过食道、胃和小肠时就可将图象广播出来。胶囊由一个摄象机、LED、电池、特制芯 片和天线组成。 （如图）无线传感器网络概述应用领域14智能家居在家电和家具中嵌入传感器节点，通过无线网络与Internet连在一起。为用户提供个性化的家居环境。例：Avaak 提供一个只有1立方英寸大小的自治产品。这个微型的无线视频平台包含有一节电池、无线电、摄像相机(彩色成像器加镜头)、控制器、天线和温度传感器。无线传感器网络概述应用领域15建筑物状态监控利用传感器网络监控建筑物的安全状态。例：Microstrain在佛蒙特州的一座桥梁上安装了一套该公司研制的系统，将位移传感器安装在钢梁上用来测量静态和动态应力，并通过无线网络来采集数据。该无线系统可以保留在桥梁上，用于长期监测桥梁是否处于正常受控状态 。无线传感器网络概述应用领域16宇宙空间探索借助于航天器，在外星体播撒一些传感器网络节点，可以对星球表面进行长时间监测。成本低、节点体积小，相互之间可以进行通信，也可以和地面站进行通信。例：NASA的JPL(Jet Propulsion Laboratory)实验室研制的Sensor Webs就是为将来的火星探测进行的技术准备。该系统已经在实施测试和完善。无线传感器网络概述研究现状目前，无线传感器网络的研究已逐渐走出节点软/硬件体系设计和通信协议开发的初级阶段，逐步进入面向应用的整体解决方案的高级阶段，侧重于对节点群体行为的研究，如覆盖区域、网内信息处理、跨层协同设计、能量管理与优化调度、服务质量保障等。17无线传感器网络概述研究现状计计划名称研究内容与进进展资资助部门门承担单单位起止年代NEST开发出Network Embedded Technology 开放式的软硬件实验平台，加速发展面 向应用多样化的算法、服务和体系架构 ，定量目标是建立10100万计个计算节 点的可靠、实时、分布式应用网络美国国防部UCB2002-CitySense网络监控城市的天气和环境污染，目标 是打造世界上第一个能够在整个城市范围 内实时传 送传感器数据的无线网络美国国家自 然科学基金 会哈佛大学与 BBN公司2007-2011地球中枢系统旨在创建新的信息生态系统所需技术的数 学和物理基础，包括嵌入大环境中的一万 亿个纳米传感器和驱动器，通过各种网络 实现与计算机系统、软件和服务的连接， 从而在分析引擎、存储系统和最终用户间 交流信息。预计将在全球范围内安装一万 亿个微型传感器。惠普公司惠普公司2009-2018EYES自组织和协作有效能量的传感器网络，研 究无线传感器网络的架构、节点协作、网 络协议和安全等，将无线传感器网络分为 传感和网络层、分布式服务和应用层欧盟欧盟2002-18无线传感器网络概述研究现状19目前，我国的 WSN技术及产业链仍处于发展初期,中国科学院软件研究所无线自组织网络研究小组、中国科学院计算技术研究所传感器网络实验室、无锡物联网产业研究院、上海市计算技术研究所、清华大学仪器科学与技术研究所在 WSN 理论及应用方面做了深入的研究和探索，“国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020 年)”也将“传感器网络及智能信息处理”作为“重点领域及其优先主题”给予政策上的支持，对于 WSN技术构架和产业模式的形成都具有巨大的推动作用。无线传感器网络概述短距离无线通信标准20协议标准频率、传输速率、传输距离等技术指标优点缺点ZigBeeIEEE802.15.4工作频段2.4GHz、868MHz、915MHz，采用调频 技术，基本速率是250kbit/s,当降低到28kbit/s时 ，传输范围可扩大到134m成本低，功耗小，网络容量 大，频段灵活，保密性高， 不需要频段申请传输速率低 ，有效范围 小6LoWPANIEEE802.15.4工作频段2.4GHz、868MHz、915MHz， 按频段分 传输率分别为250kbit/s、20kbit/s，40kbit/s ， 信号范围一般为10-100m成本低，功耗小，采用IPv6 技术，易接入互联网传输速率低， 有效范围小UWBIEEE802.15.3a采用纳秒级的非正弦波窄脉冲传输数据，在10m 以内的范围里传输速率可达到480Mbit/s抗干扰性强、传输速率极高、 带宽极宽、耗电少、保密性 好、发送功率小物理层标准难于 统一WiFiIEEE802.11b/a /g/n工作频段2.4GHz、5GHz,速率可达54Mbit/s, (802.11n可以达到600Mbit/s)电波覆盖范围 为100m，可用交换机设备大幅提升覆盖范 围工作距离远，传输速度快， 组网与高速互联网接入方便安全性低、功耗 大扩展空间受限蓝牙IEEE802.15.1工作频段2.4GHz，传输速率可达25Mbit/s, 依功率等级划分，工作范围可为100m、10m 和1m工作距离远、传输速度快价格高，抗干 扰能力不强等注：UWB-ultra wide band 超宽带技术目录1.无线传感器网络概述2.无线传感器网络协议栈 3.无线传感器网络应用支持技术4.无线传感器网络软件技术 5.无线传感器网络实际应用6.参考资料21无线传感器网络协议栈引言与传统网络类似，无线传感器网络的通信结构也延续这ISO/OSI的开放标准，但与传统的网络不同，无线传感器除去了些不必要的协议和功能层。因为一般的无线传感器采用电池供电，能量有限，且不易更换，所以能量效率是无法回避的话题。几乎所有的通信协议层的设计都要考虑能效因素。22无线传感器网络协议栈引言l 物理层l 数据链路层l 网络层l 传输层l 应用层无线传感器网络的网络协议栈层次划分：23无线传感器网络协议栈介质访问控制(MAC)技术l 资源限制l 无线信道中的信号损失l 接收端的信号冲突l 隐藏和暴露终端问题无线传感器网络中MAC设计的挑战性：24无线传感器网络协议栈介质访问控制(MAC)技术基于竞争的MAC协议传感器节点在发送数据时，以某种竞争机制访问无线信道；如果发送的数据产生了碰撞，就按照某种策略重新发送数据，直到数据发送成功或放弃发送。目前典型的面向无线传感器网络的基于竞争的MAC协议有S-MAC、T-MAC、WiseMAC、DMAC、DSMAC以及AC-MAC等。25无线传感器网络协议栈介质访问控制(MAC)技术基于竞争的MAC协议：S-MAC协议：采用了周期性的睡眠和监听，然而，节点的周期睡眠会导致数据包在逐跳转发过程中产生等待延迟。S-MAC协议假设所有节点均用于同一应用或者一组应用中，由于节点有相同的应用目的，那么可能就会出现一个节点拥有的信息比其他节点多的情况。S-MAC允许拥有较多信息的节点更长时间地使用信道。这就能够维持更为重要的应用级的公平性而不是每一跳的公平性。26无线传感器网络协议栈介质访问控制(MAC)技术基于竞争的MAC协议：T-MAC协议：基本思想是，在相同的时刻将网络中所有节点的无线通信模块打开，并且在通信结束一段时间后再将其关闭。T-MAC协议是从S-MAC协议改进而来，和S-MAC协议中根据预定的调度时间打开无线通信模块不一样，T-MAC可以动态地调整侦听/睡眠工作周期，这样的结果就是T-MAC协议在不同的消息速率下比S-MAC更加节能。27无线传感器网络协议栈介质访问控制(MAC)技术基于调度的MAC协议在基于调度的介质访问中，各节点根据调度共享介质。与基于TDMA的协议类似，通常把时间分割为一个个有固定长度的时隙。调度以某种方式决定了时隙的分配，以使每个节点都有机会访问介质，而且避免了冲突。28 注: TDMA-time division multiple access，时分多址无线传感器网络协议栈介质访问控制(MAC)技术基于调度的MAC协议TRAMA协议：它可以确保在数据传输时不会发生冲突，而且使不是指定接收者的节点转入低功耗状态，以达到节省能量的目的。该协议采用自适应的选举策略选出在某个时间段内传输数据的节点，并且允许节点自行决定