无线传感器网络[稻谷书屋]

1、 一、无线传感器网络介绍一、无线传感器网络介绍 二、二、无线传感器网络体系结构无线传感器网络体系结构 三、通信协议层三、通信协议层 四、微型网络设备系统结构四、微型网络设备系统结构 五、无线传感器网络其它相关技术五、无线传感器网络其它相关技术 报告内容报告内容 一、无线传感器网络介绍一、无线传感器网络介绍 无线传感器网络无线传感器网络 u无线传感器网络无线传感器网络 l 由大量低费用、低功耗、多功能，体积微小的传由大量低费用、低功耗、多功能，体积微小的传 感器节点组成感器节点组成 l传感节点的位置无需预先设计和决定传感节点的位置无需预先设计和决定 l传感节点的网络协议和算法必须具有自识别能力传

2、感节点的网络协议和算法必须具有自识别能力 u一个传感节点由传感器、数据处理组件、和通一个传感节点由传感器、数据处理组件、和通 信组件构成信组件构成 u应用范围广泛应用范围广泛 l 医疗、环境、军事和家庭医疗、环境、军事和家庭 Basestation Gateway Sensor Patch Patch Network Base-Remote Link Data Service Internet Client Data Browsing and Processing Sensor Node Transit Network u节点数量巨大节点数量巨大 u节点被浓密的部署，节点可能遭到破坏节点被浓密

3、的部署，节点可能遭到破坏 u网络拓扑结构变化频繁网络拓扑结构变化频繁 u无线自组网基于点对点通信，而传感节点无线自组网基于点对点通信，而传感节点 主要使用广播通信方式主要使用广播通信方式 u节点在电源、计算能力和存储空间上有限节点在电源、计算能力和存储空间上有限 一、无线传感器网络介绍一、无线传感器网络介绍 与无线自组网的比较与无线自组网的比较 一、无线传感器网络介绍一、无线传感器网络介绍 新的计算类型新的计算类型 从现实世界从现实世界 获取信息获取信息 year 数据存储数据存储 同产品交互同产品交互 Mainframe Minicomputer Workstation PC Laptop

4、PDA log (people per computer) 一、无线传感器网络介绍一、无线传感器网络介绍 工艺特点工艺特点 u数据存储和计算时消耗较少的能源（活动时数据存储和计算时消耗较少的能源（活动时 1-101-10毫瓦，待机时毫瓦，待机时1 1微瓦）微瓦） u微传感节点：能够用很小的传感节点获得所微传感节点：能够用很小的传感节点获得所 需的温度、压力等信息需的温度、压力等信息 u通信距离短，低比特率通信距离短，低比特率 u新的电源技术，能够更长期的保持使用寿命新的电源技术，能够更长期的保持使用寿命 u采用太阳能、采用太阳能、 风能、或者振动来获取能量风能、或者振动来获取能量 一、无线传感

5、器网络介绍一、无线传感器网络介绍 军事领域军事领域 无线传感器网络具有可快速部署、可自组织、无线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，因此非常适合在隐蔽性强和高容错性的特点，因此非常适合在 军事上应用。军事上应用。 实例：实例：2005年，美年，美 国军方成功测试了国军方成功测试了 由美国由美国Crossbow 产品组建的枪声定产品组建的枪声定 位系统。位系统。 一、无线传感器网络介绍一、无线传感器网络介绍 农业领域农业领域 无线传感器网络可用于监视农作物灌溉情况、无线传感器网络可用于监视农作物灌溉情况、 土壤空气变更、牲畜和家禽的环境状况以及大土壤空气变更、牲畜和家

6、禽的环境状况以及大 面积的地表检测。系统通常由环境监测节点、面积的地表检测。系统通常由环境监测节点、 基站、通信系统、互联网以及监控软硬件系统基站、通信系统、互联网以及监控软硬件系统 构成。构成。 一、无线传感器网络介绍一、无线传感器网络介绍 工业领域工业领域 传感器网络可用于工业安全、先进制造、交传感器网络可用于工业安全、先进制造、交 通控制管理、安防系统、仓储物流管理。通控制管理、安防系统、仓储物流管理。 煤矿安全检测与定位系统煤矿安全检测与定位系统 一、无线传感器网络介绍一、无线传感器网络介绍 智能家居智能家居 智能家居系统的设计目标是将住宅内的各种家智能家居系统的设计目标是将住宅内的各

7、种家 居设备联系起来，使他们能够自动运行，相互居设备联系起来，使他们能够自动运行，相互 协作，为居住者提供尽可能多的便利和舒适。协作，为居住者提供尽可能多的便利和舒适。 1 5 1 3 1 4 6 5 1 5 1 1 8 Mote Layou t1 29 无线抄表系统无线抄表系统 智能楼宇系统智能楼宇系统 电子樟脑丸电子樟脑丸 一、无线传感器网络介绍一、无线传感器网络介绍 其它应用其它应用 u环保监测环保监测 u建筑领域建筑领域 u医疗监护医疗监护 u空间海洋探索空间海洋探索 二、无线传感器网络体系结构二、无线传感器网络体系结构 传感节点通常分散在一个传感节点通常分散在一个 传感区域内传感区域

8、内 接收器可能通过互联网或接收器可能通过互联网或 卫星与任务管理器通信卫星与任务管理器通信 每一个传感节点都有能力收集和路每一个传感节点都有能力收集和路 由数据到接收器上由数据到接收器上 通信结构通信结构 二二、无线传感器网络体系结构、无线传感器网络体系结构 设计因素设计因素 u硬件约束硬件约束 u容错能力容错能力 u产品代价产品代价 u网络拓扑网络拓扑 u操作环境操作环境 u传输介质传输介质 u电力消耗电力消耗 二二、无线传感器网络体系结构、无线传感器网络体系结构 硬件约束硬件约束 Sensing Unit Processing Unit Location Finding System Po

9、wer Unit Sensor ADC processor Storage Transceiver Mobilizer Power generator 与网络连接与网络连接 使传感节点与使传感节点与 其它节点合作其它节点合作传感器和数传感器和数 模转换模转换 最重要的单最重要的单 元元 在网络中准确在网络中准确 的定位的定位 为完成特定任为完成特定任 务可能需要节务可能需要节 点移动点移动 二二、无线传感器网络体系结构、无线传感器网络体系结构 硬件约束硬件约束 u火柴盒大小的硬件模块火柴盒大小的硬件模块 u极小的电能消耗极小的电能消耗 u高密度分布高密度分布 u低花费，并且可配置低花费，并且可

10、配置 u自治的，无人操作和管理自治的，无人操作和管理 u同环境相适应同环境相适应 u既然节点数目要求众多，单个节点的费用对既然节点数目要求众多，单个节点的费用对 整体网络的费用至关重要，要使整个网络可实整体网络的费用至关重要，要使整个网络可实 际应用，单个传感节点不能超过际应用，单个传感节点不能超过1 1美元美元 u传感节点是成千上万的，因此需要能够计算传感节点是成千上万的，因此需要能够计算 出构建网络所需的部署密度，或者根据需要的出构建网络所需的部署密度，或者根据需要的 密度就算节点数目，从而更好的部署节点，减密度就算节点数目，从而更好的部署节点，减 少费用少费用 u在传感节点由于物理损坏、

11、电源耗尽等条件在传感节点由于物理损坏、电源耗尽等条件 下无法工作时，网络本身仍然能够在不中断的下无法工作时，网络本身仍然能够在不中断的 情况下完成所需的功能，即网络是可信赖的情况下完成所需的功能，即网络是可信赖的 二二、无线传感器网络体系结构、无线传感器网络体系结构 产品代价、容错能力产品代价、容错能力 二二、无线传感器网络体系结构、无线传感器网络体系结构 网络配置网络配置 u预先配制和分阶段配置：节点可以被大量抛预先配制和分阶段配置：节点可以被大量抛 撒，也可以一个个的配置撒，也可以一个个的配置 u后期配置：网络在配置完成后，由于损耗，后期配置：网络在配置完成后，由于损耗， 其拓扑结构仍会不

12、断的发生改变其拓扑结构仍会不断的发生改变 u附加配置：可能随时需要加入新的节点，而附加配置：可能随时需要加入新的节点，而 使得重新配置新的网络结构使得重新配置新的网络结构 二二、无线传感器网络体系结构、无线传感器网络体系结构 操作环境操作环境 u在繁忙的路口在繁忙的路口 u位于大型机械节点之中位于大型机械节点之中 u在海洋的底部在海洋的底部 u在搅拌机中在搅拌机中 u在敌军的阵地中在敌军的阵地中 u在一间房屋中或大型建筑内部在一间房屋中或大型建筑内部 二二、无线传感器网络体系结构、无线传感器网络体系结构 传输介质传输介质 u通过无线、红外线或光学介质连接通过无线、红外线或光学介质连接 u为了使

13、网络在全球范围内都可以使用，必须为了使网络在全球范围内都可以使用，必须 选择在全球范围内都可以使用的传输介质选择在全球范围内都可以使用的传输介质 uISMISM无线频段（无线频段（ ），在全球范围可自由使用），在全球范围可自由使用 u红外线，也可自由使用，并且是健壮的。但红外线，也可自由使用，并且是健壮的。但 需要发送和接收者之间可以互相看到需要发送和接收者之间可以互相看到 二二、无线传感器网络体系结构、无线传感器网络体系结构 电力消耗电力消耗 u只能使用有限的电源只能使用有限的电源 二二、无线传感器网络体系结构、无线传感器网络体系结构 设计原则设计原则 u模块化设计模块化设计 u跨层优化跨层

14、优化 u应用可配置应用可配置 u网内数据处理网内数据处理 u自适应自适应 u分布式协作系统分布式协作系统 u以数据为中心以数据为中心 三三、通信协议层、通信协议层 协议层次协议层次 u物理层物理层 u任务管理平台任务管理平台 u移动管理平台移动管理平台 u电源管理平台电源管理平台 三三、通信协议层、通信协议层 管理平台管理平台 三三、通信协议层、通信协议层 物理层物理层 三三、通信协议层、通信协议层 物理层协议物理层协议 三三、通信协议层、通信协议层 数据链路层数据链路层 三三、通信协议层、通信协议层 数据链路层协议数据链路层协议 三三、通信协议层、通信协议层 网络层网络层 三三、通信协议层、

15、通信协议层 网络层协议网络层协议 三三、通信协议层、通信协议层 传输层传输层 三三、通信协议层、通信协议层 传输层协议传输层协议 三三、通信协议层、通信协议层 应用程序层应用程序层 四、微型网络设备系统结构四、微型网络设备系统结构 系统目标系统目标 四、微型网络设备系统结构四、微型网络设备系统结构 系统特色系统特色 四、微型网络设备系统结构四、微型网络设备系统结构 “微粒微粒”- -系统硬件系统硬件 u4Mhz, 8bit MCU (ATMEL)512 bytes RAM, 8K ROM u900Mhz Radio (RF Monolithics)10-100 m. range uTemperature Sensor uLight Sensor uLED outputs uSerial Port 四、微型网络设备系统结构四、微型网络设备系统结构 CrossbowCrossbow开发板开发板 四、微型网络设备系统结构四、微型网络设备系统结构 各种封装的节点各种封装的节点 四、微型网络设备系统结构四、微型网络设备系统结构 微操作系统微操