无线传感器讲解.ppt

无线传感器网络,,,欧军龙 胡广义 朱宏吉,提 要,第1部分,第2部分,第3部分,第4部分,第5部分,,,,,概要,,体系结构,,关键技术,应用,,展望,,,,,,,2,2019/10/17,提 要,第1部分,第2部分,第3部分,第4部分,第5部分,,,,,概要,,体系结构,,关键技术,应用,,展望,,,,,,,3,2019/10/17,无线传感器网络是计算机、通信、传感器、微机电系统和网络等多项技术相结合的产物概 要,4,2019/10/17,概 要,具有远程的（remote）、现场的（in situ）信息获取和处理能力 能实现已有传统技术难以实现的细微物理或环境现象感知能力 不依赖于固定通信基础设施的自治特性,,无线传感器网络具有广阔的应用前景！,5,2019/10/17,美国MIT技术评论（2003年） “无线传感器网络是在不远的将来会产生巨大影响的十种新兴技术之一，它将很快改变计算、医疗、制造、运输和能源基础设施”,概 要,6,2019/10/17,美国商业周刊 “无线传感器网络将是21世纪最有影响的21项技术之一” （1999年） 将其与公用计算（Utility Computing）、塑料电子学（Plastic Electronics）和仿生人体器官（Bionic Bodies）称为全球未来四大高技术产业（2003年）,概 要,7,2019/10/17,概 要,智能微尘（美国国防部在1999年展开研发）：在一立方毫米的范围内包含了从信息收集、信息处理到信息发送的所有必需部件，能够形成自动组织的无线传感器网络。

8,2019/10/17,提 要,第1部分,第2部分,第3部分,第4部分,第5部分,,,,,概要,,体系结构,,关键技术,应用,,展望,,,,,,,9,2019/10/17,,,,处理能力,,无线通信能力,,感知能力,,,无线传感器网络定义,无线传感器网络（Wireless Sensor Networks）是由具有感知、处理和无线通信能力的微型节点通过自组织方式形成的网络10,2019/10/17,无线传感器网络体系结构,,Internet、卫星或 移动通信网络等,,网关（汇聚节点，Sink node） 大规模的应用可能使用多个网关 使用多种方式与外部网络通信，如 Internet、卫星或移动通信网络等,传感器节点既是信息包的发起者，也是信息包的转发者11,无线传感器网络通常包括传感器节点(sensor node)、汇聚节点(sink node)和监控中心节点,2019/10/17,传感器节点 通常是一个微型的嵌入式系统，它的处理能力、存储能力和通信能力相对较弱，通过携带能量有限的电池供电 进行本地信息收集和数据处理可靠的数据传输 对其他节点转发来的数据进行存储、管理和融合 与其他节点协作完成一些特定任务。

2019/10/17,12,汇聚节点 汇聚节点的处理能力、存储能力和通信能力相对比较强 连接传感器网络与Internet 等外部网络 实现内部与外部网络协议栈之间的通信协议转换 发布监控中心节点要求的监测任务 把收集的数据转发到外部网络上 汇聚节点既可以是一个具有增强功能的传感器节点，有足够的能量供给和更多的内存与计算资源，也可以是没有监测功能仅带有无线通信接口的特殊网关设备2019/10/17,13,1.传感器节点结构,传感器节点结构 传感器模块： 负责监测区域内信息的采集和数据转换 处理器模块： 负责控制整个传感器节点的操作，存储和处理本身采集的数据以及其他节点发来的数据 无线通信模块： 负责与其他传感器节点进行无线通信， 交换控制消息和收发采集数据 能量供应模块： 传感器节点提供运行所需的能量，通常采用微型电池,2019/10/17,14,,传感器节点结构,2019/10/17,15,无线传感器传感器节点（三代）,发展历程,16,2019/10/17,,MoteWorks 软件平台,MoteWorks 硬件平台,,发展历程,17,2019/10/17,,,发展历程,18,2019/10/17,,,节点,网关,软件,带照相机的节点,带显示屏的节点,发展历程,19,2019/10/17,,,发展历程,20,2019/10/17,,,发展历程,21,2019/10/17,,,宁波中科集成电路设计中心 （中科院计算所宁波分所）,发展历程,22,2019/10/17,传感器节点的限制,2019/10/17,23,,平面结构（对等式结构）：所有节点的地位平等,,分级结构：网络被划分为簇（Cluster），每一个簇由一个簇头和多个簇成员组成。

2.无线传感器网络体系结构,24,2019/10/17,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,根据传感器节点在使用中是否移动，可将无线传感器网络分为： 静态（非移动性）网络：节点布置在监测区域内，根据用户的要求，可对各种环境或物体参数进行测量 动态（移动性）网络：传感器节点一般处于移动状态中（如被安置在可移动的物体上） 目前大多数是静态网络2.无线传感器网络体系结构,25,2019/10/17,自组织 网络的建立和节点间通信不依赖于固定的通信基础设施，而通过分布式网络协议实现组网，自动调整以适应节点的移动、加入和退出、剩余电量和无线传输范围的变化等 节点能力有限 由于低成本、低能耗、体积小、野外部署等要求，传感器节点在供电、计算、存储、通信等方面的能力比较受限 规模大 传感器网络可能包含多达上千个甚至上万个节点 高冗余 为了保证网络的可用性和生存能力，传感器网络通常具有较高的节点和网络链路冗余，以及采集的数据冗余 流量不均衡 传感器网络中流向处理中心的数据量往往远大于反方向的流量数据流向处理中心并在处理中心集中，会出现离处理中心越近，节点负载越重的现象无线传感器网络特点,26,2019/10/17,空间位置寻址 传感器网络节点不必具有全球惟一的标识，不必采用Internet的IP寻址。

用户可不关心数据采集于哪一个节点，而关心数据所属的空间位置，因此可采取空间位置寻址方式 拓扑易变化 传感器网络节点的功率控制、剩余电量下降，以及应用需要使有些节点可能进入休眠状态等因素，将引起网络工作节点在数目和分布上的变化，导致拓扑改变 数据融合 传感器网络在数据传输过程中，通常要求中间节点能将来自多个传感器的相关数据进行融合，再传送给处理中心无线传感器网络特点,27,2019/10/17,3 无线传感器网络协议,无线传感器网络自身的特点决定了它不能完全使用目前已经存在的一些标准协议，例如IEEE 802.11 已有研究在无线传感器网络使用TCP/IP相关协议（国家发改委下一代互联网示范工程项目“IPv6无线传感器网络节点”） 国外的研究工作者为无线传感器网络的各个层次都提出了一些解决方案，但是总的来说，到目前为止并没有形成较多被广泛认可的协议,传输层,,数据链路层,网络层,物理层,28,2019/10/17,无线传感器网络协议：物理层,物理层负责载波频率产生、信号的调制解调等工作 节点设计 利用可获得的元器件构建传感器节点，如围绕TinyOS 项目所设计的系列硬件平台； 采用MEMS 和集成电路技术，设计高度集成化传感器节点，如智能微尘、无线集成网络传感器(WINS) 无线传感器网络的载波媒体可能的选择包括红外线、激光和无线电波。

传输层,,数据链路层,网络层,物理层,29,2019/10/17,无线传感器网络协议：数据链路层,数据链路层负责媒体访问和错误控制,错误控制,媒体访问控制协议（MAC）,,媒体访问协议保证可靠的点对点和点对多点通信 以竞争为基础的MAC 协议 基于预约的MAC 协议 研究现状： B-MAC (Berkeley MAC) 、 S-MAC (Sensor MAC)、T-MAC ( Timeout MAC) 、P-MAC (Pattern MAC) 、Z-MAC (Zebra MAC)等,传输层,,数据链路层,网络层,物理层,,,30,2019/10/17,无线传感器网络协议：网络层,网络层协议主要负责路由发现和维护 无线传感器网络路由协议按照最终形成的拓扑结构，可以划分为平面路由协议和分级路由协议 平面路由协议 优点：节点地位平等，原则上不存在瓶颈问题 缺点：可扩充性差，维护动态变化的路由需要大量的控制信息 分级路由协议 优点：簇成员的功能比较简单，不需要维护复杂的路由信息，可扩充性好 缺点：簇头节点可能会成为网络的瓶颈传输层,,数据链路层,网络层,物理层,31,2019/10/17,无线传感器网络协议：传输层,传输层负责将传感器网络的数据提供给外部网络。

传感器网络节点硬件条件的限制使传输层协议的开发存在一定的困难，每个节点难以如同Internet 上服务器那样存储很多的信息 目前已经开发出的一些演示系统中，一般采用一个特殊的节点作为网关，其硬件配置和电源供给有别于普通节点，网关使用卫星、移动通信网络、Internet 或者其它的链路与外部网络通信传输层,,数据链路层,网络层,物理层,32,2019/10/17,IEEE 802.15.4/ZigBee协议为低速率的无线个人局域网设计，由IEEE 802.15.4标准的PHY和MAC层再加上ZigBee的网络和应用支持层所组成的 其突出的特点： 网络系统支持极低成本 易实现 可靠的数据传输 短距离操作 极低功耗 各层次的安全性等,,,,物理层 2.4 GHz 915MHz 868 MHz,MAC 层,网络层,应用接口,应用,,IEEE 802.15.4,,安全,,无线传感器网络协议：参考标准,33,2019/10/17,提 要,第1部分,第2部分,第3部分,第4部分,第5部分,,,,,概要,,体系结构,,关键技术,应用,,展望,,,,,,,34,2019/10/17,路由技术（1）,面临的问题和挑战： （1）传感器网络的低能量特点使节能成为路由协议最重要的优化目标。

（2）传感器网络的规模更大，要求其路由协议必须具有更高的可扩展性 （3）传感器网络拓扑变化性强，通常的Internet路由协议不能适应这种快速的拓扑变化 （4）数据融合的特点使传感器网络的路由不同于一般网络 （5）传感器网络中通信不对称，流量分布不均匀35,2019/10/17,路由技术（2）,研究现状： 平面路由协议 对候选路径的能耗做出估计，并根据一定的策略选择最佳路由 从网络的应用模式出发，进行以数据为中心的路由 定向扩散(directed diffusion) SPIN（Sensor Protocol for Information via Negotiation） 分级路由协议 LEACH、DCHS、PEGAGIS、DAEA、HEED、CEFL、ACMWN、 ACE、EECS、LSCP、TEEN、APTEEN、ECMR等,36,2019/10/17,拓扑管理,拓扑管理：包括拓扑的发现和控制，使生成的网络拓扑满足一定的性质，以延长网络生命周期，降低网络干扰，提高吞吐率 研究进展 功率控制： COMPOW、LINT/LILT、LMN/LMA、CBTC、LMST、RNG、DRNG 和DLSS等； 层次拓扑控制：TopDisc、GAF、LEACH、HEED等 现有研究存在的问题 用于建模无线传感器网络的模型过于理想化。

节点的分布假设过于理想化 安放无线传感器的区域假设过于理想化37,2019/10/17,部署与覆盖,根据被监测的区域或目标的分布情况，对节点部署进行规划，保证网络完全覆盖或以较大概率覆盖被监测区域 部署方式 确定部署：需要对网络的物理环境有预先的了解，而且每个部署位置都必须可达，通常适用于工业控制、智能家居等应用中； 随机部署：通常用于战场等危险或恶劣的环境 覆盖对象 （a）区域覆盖、（b）点覆盖、（c）栅栏覆盖,38,2019/10/17,数据管理,数据管理是确定传感器网络。