概述 《无线传感器网络技术》

1、无 线 传 感 器 网 络郝洁南京航空航天大学办公室：计算机学院104电子邮件: 1课程目标课程目标2通过本课程的学习，了解无线传感器网络的关键技术、现状及前景。课程将讲授无线传感器网络典型应用、体系结构、组网、软件、支撑技术的基本原理、关键技术、设计方案及其应用。通过本课程的学习，要求学生理解无线传感器网络中的主要问题和核心技术，结合实验课程学习无线传感网应用开发为以后的学习和工作打下基础。课程内容课程内容32课时 第一部分 无线传感器网络综述 第二部分 无线传感器网络体系架构 第三部分 通信和组网技术 第四部分 支撑技术 第五章 通用技术等3参考文献参考文献 国际杂志 综述性质 IEEE

2、Communications Magazine Ad Hoc and Sensor Network Series IEEE Network Magazine IEEE Wireless Communications 学术研究： IEEE/ACM Transactions on networking, Computer networks IEEE Transactions on Wireless Communications IEICE Transactions on Communications (ACM/Springer) Wireless Networks Ad Hoc networks

3、IEEE Transactions on Mobile Computing 国际会议 ACM SIGCOMM, Mobicom, Mobihoc IEEE INFOCOM、ICNP、Sensys, SECON, MASS，IPSN、ICC、GLOBECOM、ICCCN， WCNC、VTC 中国期刊网 通信学报、电子学报、软件学报、计算机学报等4参考网址参考网址 /dl.cfm/dl.cfm http:/ http:

4、/ 5第一章第一章 无线传感器网络综述无线传感器网络综述 WSNWSN定义定义WSNWSN国内外现状国内外现状WSNWSN国内外标准化国内外标准化WSNWSN发展趋势发展趋势61.1 WSNWSN定义定义 什么是无线传感器网络（WSN, Wireless Sensor Network）？ 你知道的应用有哪些？我们为什么需要WSN？7Ref:http:/ 2 MOTEMICA 2 MOTEManagement CentersinksinkInternet/Satellite Sensor nodeNetwork8定义 无线传感器网络（Wireless sensor networks）是由大量静止

5、移动的传感器以自组织和多跳的方式构成无线网络，目的是协作地探测、处理和传输网络覆盖区域内感知对象的监测信息，并报告给用户。 传感器技术、计算机技术和通信技术是现代信息技术的三大基础技术9 无线传感器网络无线网络： 有基础设施网（无线分组网） 无基础设施网 ad hoc网络 WSN无线网络的发展历程：无线分组网 - 无线自组网 -无线传感器网络10 无线分组网分组无线网是一种利用无线信道进行分组交换的通信网络，即网络中传送的信息要以“分组”或者称“信包”为基本单元。分组是由若干比特组成的信息段。通常包含“包头”和“正文”两部分。包头中含有该分组的源地址、宿地址和有关路由等信息等。正文是真正需要传

6、送的信息。适用特点：分组无线网特别适用于实时性要求不严和短消息比较多的数据通信。网络结构：星形结构 分布式结构11无线自组网IEEE将无线自组网定义为一种特殊的自组织、对等式、多跳、无线移动网络（MANET），它是在无线分组网的基础上发展起来的无线自组网有多个英文名称，如Ad hoc network 、Self-organizing network、Infrastructureless network 与Multi-hop network1991年5月，IEEE正式采用“Ad hoc网络”术语Ad hoc在英语中的含义是“for the specific purpose only”，即“专门为

7、某个特定目的、即兴的、事先未准备的”意思12无线自组网的基本概念Ad hoc网络 物理结构与 拓扑结构自组织与独立组网无中心多跳路由动态拓扑无线传输的局限与节点能量的限制性网络生存时间的限制13无线传感网络14我们为什么要学习传感网？传感网是物联网的感知技术 学术界、产业界对学术界、产业界对“物联网物联网”尚未形成一个统一的定义尚未形成一个统一的定义 物联网物联网( (IoTIoT, Internet of Things), Internet of Things)指的是将各种信息传感设指的是将各种信息传感设备备, ,如射频识别如射频识别(RFID)(RFID)装置、传感器等种种装置与互联网、装

8、置、传感器等种种装置与互联网、移动通信网结合起来而形成的一个巨大移动通信网结合起来而形成的一个巨大“物物物物”互联网互联网络。其目的是让所有的物品都与网络连接在一起络。其目的是让所有的物品都与网络连接在一起, ,方便识方便识别和管理别和管理 物联网物联网感知物理世界感知物理世界! ! 强调的是强调的是“感感”和和“知知”两个层面两个层面15 16传感网与物联网的关系(续)16感知层感知层应用层应用层核心网核心网络络 传感网与物联网的关系(续)17第一章第一章 无线传感器网络综述无线传感器网络综述 WSNWSN定义定义WSNWSN应用和行业现状应用和行业现状WSNWSN国内外标准化国内外标准化W

9、SNWSN发展趋势发展趋势18传感器网络的各种应用 无线传感器网络（WSN, Wireless Sensor Network）将大量各种传感器节点组成网络，形成实现对物理世界感知的综合信息系统。 雷达、卫星等：宏观远程侦察； 传感网： 微观近距侦察 移动通信网络：人人互联； 传感网： 人与物、物与物互联 互联网：虚拟信息空间； 传感网： 现实物理世界 物联网：连接； 传感网：感知1920传感器网络的应用军事21短距感知、抵近侦察短距感知、抵近侦察无线传感网是对雷达和卫星等远无线传感网是对雷达和卫星等远程侦察手段的有益补充，为部程侦察手段的有益补充，为部侦用户提供有力的技术手段。侦用户提供有力的

10、技术手段。 大量传感节点对目标进行短距协同感知大量传感节点对目标进行短距协同感知, , 将是传统侦察手段的有益补充。将是传统侦察手段的有益补充。 传感器网络的应用军事22军用无线传感网战场感知系统的优点军用无线传感网战场感知系统的优点 多传感器节点中多角度和多方位信息的综合有效地提高了信噪比；传感网低成本、高冗余的设计与部署原则为系统提供较强的容错能力；传感器对目标的抵近探测大大消除了环境噪声对感知性能的影响；传感网中多传感器的联合应用与融合决策有利于提高探测准确度；多节点协同感知，可以加大实时探测区域；23传感器网络的应用环境 森林火险监测森林火险监测 洪水监测洪水监测 精确农耕精确农耕 大

11、气监测大气监测 环境的生物复杂性地图环境的生物复杂性地图24传感器网络的应用- -健康 远程监控人体的生理数据（心脏速率、血压）远程监控人体的生理数据（心脏速率、血压） 采集的数据通过网络送到负责病人的主管医生采集的数据通过网络送到负责病人的主管医生 病人获得极大的行动自由度病人获得极大的行动自由度 跟踪和监督医院内的病人和医生跟踪和监督医院内的病人和医生 医院的药物管理医院的药物管理 正确地识别病人的敏感反应避免误诊正确地识别病人的敏感反应避免误诊 老人家庭环境下的护理老人家庭环境下的护理 (tele-care)(tele-care) 随着社会老龄化的加剧而日趋重要随着社会老龄化的加剧而日趋

12、重要25智慧医疗意义 可以随时掌握自己的健康状况病人 通过电子病历对患者病源的判断进行治一致性治疗，提升诊断的准确性医生 通过系统获得大量准确的医疗信息和大量高质量的有效案例，既可以对大规模的疾病爆发做出准确的预测，更能够推进国家医疗行业的发展医疗研究人员 实现及时和准确的药品配送而节省大量成本药物供应商 高效、高质量的智慧医疗解决现在城乡医疗资源不平衡，和大医院的拥挤情况，政府付出更少的成本去提高对于医疗行业的监督，提高国民的生活质量，促进社会和谐发展管理系统2627传感器网络的应用-家居当前家居环境存在的问题 家居能耗过高 家庭安防手段落后 家用电器使用不便28海尔“物联之家”2930传感

13、器网络的应用-智能楼宇31传感器网络的应用-商用32传感器网络的应用-智能交通33传感器网络的应用-电力输送能源输送能源输送在电度表上装上传感器，供电部门随时都可知道在电度表上装上传感器，供电部门随时都可知道用户的用电情况。用户的用电情况。江西省电网对分布在全省范围内的江西省电网对分布在全省范围内的2 2万台配电变万台配电变压器的运行状态进行实时监测，实现用电检查、压器的运行状态进行实时监测，实现用电检查、电能质量监测、负荷管理、线损管理、需求侧管电能质量监测、负荷管理、线损管理、需求侧管理等高效一体化管理，一年降低电损理等高效一体化管理，一年降低电损1.21.2亿千瓦亿千瓦时。时。34传感器

14、网络的应用传感器网络的应用- -桥梁监控桥梁监控桥梁监控桥梁监控35WSNWSN在地震监测中的应用地震预测 1.大量、长期、自动化采集数据 2.大范围，低成本，高准确 3.实时性，连续获取地震前兆数据36WSN在地震监测中的应用地震预警震源震源城市城市距离：距离：120km地震传感器检测到P-Wave如上图所示：如上图所示：位于城市的地震传感器当接收到距城市120km外的震中地区传递过来的P-Wave时，将从P-Wave中提取的地震信息传递给城市的地震预警中心。由于P-Wave和S-Wave之间的速率差，因此地震预警能在S-Wave到达前40秒对城市进行地震警报。P-Wave 6.5km/sS

15、-Wave 3.5km/s日本、墨西哥、台湾等地震预警系统的应用日本、墨西哥、台湾等地震预警系统的应用37WSNWSN在地震监测中的应用地震预警38WSN在地震监测中的应用预警之外的应用场景 除了提前预警之外，基于WSN的地震预警系统可用于灾后搜救。 利用桥梁、隧道、公路等关键部位传感器，城市指控中心能够在灾后第一时间为救援队提出合理的救援线路； 灾后重建中，基于WSN的地震预警系统为重建人员提供宝贵的建筑经验：传感网地震发生过程中建筑物“摇晃倒塌”整个过程的力学情况（类似于黑盒子） 可对震后危险建筑物进行预警并进行局部维修。 39地震次生灾害监测40自动抄表41感知边疆Massive app

16、lications! 4243传感器网络国内重要行业的需求调研我国机动车拥有量以每年10%以上的速度增长,预计2010年达到1.3亿多辆。道路交通设施及管理设施虽然有较大改观,但跟不上机动车增长速度，总体水平与发达国家有较大差距。 公安部统计07年全国运营车辆1400万，按17增长率，2010年达2300万，车载传感网终端需求将超过100亿元。智能交通传感网基础设施建设需求将更为巨大。高档收入家庭1400万，其他城镇家庭15600万，预测2010年家庭市场传感网终端需求可达2500万户，按平均每户投资1000元计，市场规模将达250亿元。我国将建设智能化小康示范小区列入国家重点发展方向。国家建

17、设部计划到2010年，60%以上的新房将具有一定的“智能型家居”功能。通过手机远程对入室、访客、环境、灾害等进行进行监控报警；远程对家电设备等进行控制；提高生活质量。据我国城市居家养老服务研究，中国城市居家养老、护理服务的潜在市场规模超过700亿元，2010年将增加到1300亿元。若每位儿童通过传感网技术实现儿童看护200元/年，将产生500亿市场规模。 关于全面推进居家养老服务工作的意见明确提出了“十一五”期间城乡居家养老服务工作的目标任务。中国儿童发展状况报告（20032004）显示，意外伤害成为目前我国14岁以下儿童的第一位死因。 今后五年，我国电网建设总投资将超过万亿元，安全技术改造可

18、达1000亿元左右规模。我国35KV以上输电塔架约300万个，仅以监控35点/塔架计算，市场价值约100亿元以上。全国大中型水库约3000座，大坝监控市场达150亿元以上。国家电网“十一五”电力工业发展规划 要求：35-110KVA输配电设备必须安装监测终端，涉及到输配变调计量五大环节的智能化管理 。要保障整个电力系统的安全就必须采用先进的无人值守技术，达到对整个系统（电厂、大坝，变电站，高压输电线路，用户终端等）的实时远程监控。 到2020年，国家和企业用于环境保护和生态监测的无线传感器设备总产值预计可达百亿元左右。未来市场效益将更大。国家“十一五”环境保护规划：到2010年基本遏制生态环境

19、恶化趋势，改善重点地区和城市的环境质量。中国绿色国民经济核算研究报告：2004年全国因环境污染造成经济损失5118亿元，虚拟治理成本2874亿元。交通100亿电力环保城市轨道交通反恐其他行业1300亿100亿100亿物流、建筑、汽车、金融等家居250亿要地防入侵120亿健康1800亿 传感器网络渗透到各个行业、生活各方面中，其准确市场价值难以估量。 美国福布斯杂志：“未来的传感器网络比现在的Internet大得多。”44第一章第一章 无线传感器网络综述无线传感器网络综述 WSNWSN定义及应用定义及应用WSNWSN国内外现状国内外现状WSNWSN国内外标准化国内外标准化WSNWSN发展趋势发展

20、趋势4546 与无线传感网相关的国际标准化活动 IETF（互联网工程任务组） 基于低功耗无线个域网的IPv6协议主要面向IPv6网络的延伸应用 存在问题： 如何裁剪IP协议栈 6LowPAN = IPv6 + LowPAN (Low power PAN)； RoLL (Routing for low power and Lossy Networks) ITU-T（国际电信联盟） 涉及传感器网络的应用和服务需求、中间件需求以及安全需求等 IEEE 1451.x：传感器到网络的接口标准 IEC（国际电工委员会）: 工业控制、智能电网等6LowPAN体系架构47 ISO/IECISO/IEC传感网国

21、际标准化传感网国际标准化 第一届传感网标准化大会第一届传感网标准化大会20082008年年6 6月在上海举行月在上海举行 会上，我国提出的三层传感网参考设计模型、传感会上，我国提出的三层传感网参考设计模型、传感网标准化框架得到了一致认可；网标准化框架得到了一致认可； 第二届传感网标准化大会在德国慕尼黑举行，会议第二届传感网标准化大会在德国慕尼黑举行，会议将着重讨论上述顶层方案。将着重讨论上述顶层方案。 韩国希望与我国联合商讨共同牵头传感网标准化组韩国希望与我国联合商讨共同牵头传感网标准化组事宜。事宜。48 我国提出的三层传感网参考设计模型这一架构已得到ISO/IEC JTC1认可并获得通过49

22、我国提出的传感网标准化框架我国提出的传感网标准化框架这一架构已得到ISO/IEC JTC1认可并通过我国正在ISO/IEC JTC1正在进行的标准化工作还有：智能电网中传感器网络应用与接口标准；智能传感器网络中的协同处理服务和接口标准；50我国传感网标准体系框架我国传感网标准体系框架 第一章第一章 无线传感器网络综述无线传感器网络综述 WSNWSN定义及应用定义及应用WSNWSN国内外现状国内外现状WSNWSN国内外标准化国内外标准化WSNWSN发展趋势发展趋势51521. 发展路线传感网的发展将经历以下三阶段： 信息聚合WSN 协同融合WSN 泛在传感网 (I-WSN) (C-WSN) (USN)信息聚合WSN：国家自然科学基金委（NSFC）、863在基础理论和关键技术部分做了一定安排，攻克了部分关键技术，使得信息聚合WSN能够形成一定规模的示范和应用；863在自组织通信领域对无线自组织网络协议方面作出了安排，但没有包含随机布设组网、分簇技术、面向任务组网等；科学院、军口在应用示范方案做了安排，推动了相关关键技术的发展；协同感知WSN：多传感节点自主协同，面向任务