无线传感器网络技术及其研究进展.ppt

无线传感器网络技术 及其研究进展,王汝传,2006年,南京邮电大学计算机学院,2019/5/19,2,提 要,第1部分,第2部分,第3部分,第4部分,第5部分,概要,协议,关键技术,应用,展望,2019/5/19,3,提 要,第1部分,第2部分,第3部分,第4部分,第5部分,概要,协议,关键技术,应用,展望,2019/5/19,4,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,2019/5/19,5,概 要,远程的（remote）、现场的（in situ）信息获取和处理能力 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,Red: Soil Green: Vegetation Blue: Snow,无线传感器网络具有广阔的应用前景！,2019/5/19,6,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,2019/5/19,7,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,2019/5/19,8,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。,2019/5/19,9,处理能力,无线通信能力,感知能力,概 要：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。,2019/5/19,10,无线传感器网络体系结构（1）,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,网络节点既是信息包的发起者，也是信息包的转发者。,2019/5/19,11,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。,无线传感器网络体系结构（2）,2019/5/19,12,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。,无线传感器网络体系结构（3）,2019/5/19,13,无线传感器网络节点（三代）,概 要：发展历程,2019/5/19,14,MoteWorks 软件平台,MoteWorks 硬件平台,,概 要：发展历程,2019/5/19,15,,概 要：发展历程,2019/5/19,16,,节点,网关,软件,带照相机的节点,带显示屏的节点,概 要：发展历程,2019/5/19,17,/research/exploratory/motes.htm,概 要：发展历程,2019/5/19,18,/,概 要：发展历程,2019/5/19,19,,宁波中科集成电路设计中心 （中科院计算所宁波分所）,概 要：发展历程,2019/5/19,20,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（1）,2019/5/19,21,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（2）,2019/5/19,22,提 要,第1部分,第2部分,第3部分,第4部分,第5部分,概要,协议,关键技术,应用,展望,2019/5/19,23,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,2019/5/19,24,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,2019/5/19,25,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,2019/5/19,26,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,2019/5/19,27,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,2019/5/19,28,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,2019/5/19,29,提 要,第1部分,第2部分,第3部分,第4部分,第5部分,概要,协议,关键技术,应用,展望,2019/5/19,30,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。,2019/5/19,31,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,2019/5/19,32,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。,2019/5/19,33,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,2019/5/19,34,数据管理,数据管理是确定传感器网络可用性和有效性的关键技术。 研究进展 数据存储和索引 ：基于地理散列表的方法、DIMENSIONS、DIFS、DIM等 数据融合 ：目前研究集中在聚集算法，包括网络层聚集算法和应用层聚集算法等，这些一般与路由技术（定向扩散、LEECH、TEEN等）紧密结合； 数据查询处理与优化 ：目前研究集中在连续查询和近似查询的优化处理技术。 典型系统 加州大学伯克利分校TinyDB 康奈尔大学COUGAR系统,2019/5/19,35,安全技术,无线传感器网络的广泛应用，尤其在军事和商业等领域，需要解决安全问题。 安全问题 主要存在选择转发、Hello洪泛、女巫攻击、告知收到欺骗、DoS、污水池、蠕虫洞、篡改或重发路由信息等 研究进展 密钥管理、身份认证和数据加密 TinySec、SensorWare、SPINS、LEAP、基于ECC（椭圆曲线密码）的密钥生成协议 安全路由协议：对网络入侵具有抵抗力的路由协议INSENS 安全聚集 对抗攻击 入侵检测,2019/5/19,36,应用,操作系统,应用,操作系统,中间件,软件技术,2019/5/19,37,设计无线传感器的操作系统 需要满足传统嵌入式系统对于资源受限、可移植性、实时性等方 面的需求 自适应 可信赖：包括可靠性、容错性、安全和私密性、易用性等； 可升级 节能,目前对无线传感器操作系统的研究集中在资源约束上，主要是采用各种简单有效的运行模式：事件模型、线程模型、状态机模型等,软件技术:操作系统（1）,2019/5/19,38,软件技术:操作系统（2）,1,TinyOS,2,MANTIS OS,3,SOS,4,Contiki,2019/5/19,39,软件技术:操作系统（3）,1,TinyOS,TinyOS是一个开源的无线传感器网络嵌入式操作系统。它是采用基于组件的体系结构。 TinyOS的程序采用的是模块化设计，程序核心一般很小（核心代码和数据大概在400 Bytes左右），能够突破传感器存储资源少的限制，有效运行在无线传感器网络上。 TinyOS目标是用最少的硬件支持网络传感器的并发密集型操作。,2019/5/19,40,软件技术:中间件（1）,无线传感器网络中间件 一种实现应用系统各成分（如网络节点硬件、操作系统、协议栈和应用逻辑）协同工作的软件基础设施（包含相应的编程模型）。,2019/5/19,41,软件技术:中间件（2）,研究现状,编程支持类,编程抽象类,虚拟机类,数据库类,应用驱动类,组件类,面向消息类,全局行为类（宏编程）,本地行为类（数据为中心的、几何的）,Mate,Magnet OS,Impala,Agilla,Cougar,TinyDB,Milan,Mires,AutoSec,Garnet,Kairos,Abstract regions,EnviroTrack,DSWare,TinyLIME,Hood,Janus,Kensho,COMiS,FACTS,2019/5/19,42,定位技术 自身定位 外部目标跟踪 时间同步技术 仿真技术 NS2 OMNeT+ TOSSIM J-Sim Shawn SENS SENSE,其他技术,2019/5/19,43,提 要,第1部分,第2部分,第3部分,第4部分,第5部分,概要,协议,关键技术,展望,应用,2019/5/19,44,无线传感器网络应用,无线传感器网络在军事和民用领域有着广阔的应用前景。 军事 环境监测 医疗监护 空间探索 工业 农业 基础设施监控 商业 其他应用,2019/5/19,45,无线传感器网络是军队在敌对区域中获取情报的重要技术手段，例如，通过飞机将传感器节点撒播在战场上，对化学武器的使用、敌方车辆和士兵的运动进行监测和报告。,无线传感器网络应用：军事,2019/5/19,46,无线传感器网络应用：环境监测,无线传感器网络为环境监测中的数据收集和处理提供重要的工具，例如，跟踪候鸟和昆虫的迁移，监测海洋、大气和土壤的成分等。,2019/5/19,47,无线传感器网络应用：环境监测,火山喷发监测,/mdw/proj/volcano/,2019/5/19,48,无线传感器网络应用：环境监测,火山喷发监测,Tungurahua Volcano （通古拉瓦火山）, Ecuador（厄瓜多尔）,2019/5/19,49,无线传感器网络应用：环境监测,火山喷发监测,Tungurahua Volcano （通古拉瓦火山）, Ecuador（厄瓜多尔）,2019/5/19,50,无线传感器网络应用：环境监测,火山喷发监测,Tungurahua Volcano （通古拉瓦火山）, Ecuador（厄瓜多尔）,2019/5/19,51,无线传感器网络应用：环境监测,火山喷发监测,Tungurahua Volcano （通古拉瓦火山）, Ecuador（厄瓜多尔）,2019/5/19,52,无线传感器网络应用：环境监测,火山喷发监测,Tungurahua Volcano （通古拉瓦火山）, Ecuador（厄瓜多尔）,2019/5/19,53,无线传感器网络应用：医疗监护,在病人身上安装特殊用途的传感器节点，如心率和血压监测设备，这些节点组成无线传感器网络后，医生就可以随时了解被监护病人的病情，进行及时处理。,2019/5/19,54,无线传感器网络应用：医疗监护,中风病人康复中的肢体移动监测,/ mdw/proj/codeblue/,2019/5/19,55,无线传感器网络应用：医疗监护,中风病人康复中的肢体移动监测,2019/5/19,56,无线传感器网络应用：空间探索,借助于航天器布撒的传感器网络节点实现对星球表面长时间的监测是一种经济可行的方案。,2019/5/19,57,无线传感器网络应用：农业,在农业生产中，通过传统方式采集原始数据是一件困难的工作。无线传感器网络为研究环境变化对农作物的影响、监测大气和土壤的成分提供了方便。,2019/5/19,58,无线传感器网络应用：工业,工业自动控制,2019/5/19,59,无线传感器网络应用：基础设施监控,建筑设施健康状态监测,2019/5/19,60,无线传感器网络应用：基础设施监控,建筑设施自动控制,2019/5/19,61,无线传感器网络应用：商业,很多大公司现已在部署无线传感器网络，以监视库存和检查加油站油泵内的存油状态。 预计2015年传感器网络节点可以成为“超级RFID” ，主动监测货物参数并记录相关数据，还能够在某些参数超过临界值时发出警报。,2019/5/19,62,无线传感器网络应用：其他应用,在灾难拯救、家 庭、交通运输、文物保护等众多领域，无线传感器网络都将会孕育出全新的设计和应用模式。,灾难拯救,2019/5/19,63,无线传感器网络应用：其他应用,家 庭,在灾难拯救、家 庭、交通运输、文物保护等众多领域，无线传感器网络都将会孕育出全新的设计和应用模式。,2019/5/19,64,无线传感器网络应用：其他应用,交通运输,在灾难拯救、家 庭、交通运输、文物保护等众多领域，无线传感器网络都将会孕育出全新的设计和应用模式。,2019/5/19,65,无线传感器网络应用：其他应用,文物保护,在灾难拯救、家 庭、交通运输、文物保护等众多领域，无线传感器网络都将会孕育出全新的设计和应用模式。,2019/5/19,66,提 要,第1部分,第2部分,第3部分,第4部分,第5部分,概要,协议,关键技术,应用,展望,2019/5/19,67,发展趋势：利弊,天使的面孔：智能微尘能带来的用途是显而易见的。 魔鬼的力量：个人隐私不复存在,2006 年2 月国务院发布国家中长期科学和技术发展规划纲要（20062020 年），在“亟待科技提供支撑”的国民经济和社会发展重点领域中，“传感器网络及智能信息处理”被列为“信息产业”中七个主题之一。,2019/5/19,68,发展趋势:节点（1）,2019/5/19,69,智能微尘（Smart Dust）原型,Golem Dust（太阳能供电、双向光通信、加速度和光传感器、11.7立方毫米总外