物联网工程导论：无线传感器网络

1、物联网工程导论：物联网工程导论：无线传感器网络无线传感器网络2022年年1月月12日日o任课教师：文江川o北京信息科技大学o信息与通信工程学院教师简介：文江川教师简介：文江川o 学习经历：学习经历：n学士学位：北京邮电大学无线电工程系学士学位：北京邮电大学无线电工程系n硕士学位：北京信息科技大学传感技术研究中心硕士学位：北京信息科技大学传感技术研究中心n博士学位：爱尔兰利默里克大学电子与计算机工程系博士学位：爱尔兰利默里克大学电子与计算机工程系o 工作经历：工作经历：n武汉邮电科学院，烽火通信科技股份有限公司。武汉邮电科学院，烽火通信科技股份有限公司。o 联系方式：联系方式：n北京信息科技大学

2、健翔桥校区，教二楼北京信息科技大学健翔桥校区，教二楼513513，电话：，电话：010-010-6488471764884717；电子邮件：；电子邮件：Jiangchuan.Wen BISTUJiangchuan.Wen BISTU目录目录o 1 1 物联网概述物联网概述o 2 2 无线传感器网络概述无线传感器网络概述o 3 WSN3 WSN的特点，性能指标和体系结构的特点，性能指标和体系结构o 4 WSN4 WSN常用的传感器常用的传感器o 5 WSN5 WSN关键技术关键技术o 6 WSN6 WSN仿真平台仿真平台o 7 WSN7 WSN的应用案例的应用案例 1. 1. 物联网概述物联网概

3、述 物联网物联网(The Internet of things)(The Internet of things)的概念是在的概念是在19991999年年提出的，又名传感网，它的定义很简单：把所有物品提出的，又名传感网，它的定义很简单：把所有物品通过射频识别等通过射频识别等信息传感设备信息传感设备与与互联网互联网连接起来，实连接起来，实现智能化识别和管理。现智能化识别和管理。国际电信联盟曾描绘国际电信联盟曾描绘“物联网物联网”时代的图景：当司机出现操作时代的图景：当司机出现操作失误时汽车会自动报警；公文失误时汽车会自动报警；公文包会提醒主人忘带了什么东西；包会提醒主人忘带了什么东西；衣服会衣服会

4、“告诉告诉”洗衣机对颜色洗衣机对颜色和水温的要求等等。和水温的要求等等。 1.1 1.1 物联网基本特点物联网基本特点 全面感知全面感知：利用利用RFIDRFID、传感器、二维码，及其它各种、传感器、二维码，及其它各种的感知设备随时随地的采集各种动态对象，全面感知世的感知设备随时随地的采集各种动态对象，全面感知世界。界。 可靠的传送可靠的传送：利用以太网、无线网、移动网将感知的信利用以太网、无线网、移动网将感知的信息进行实时的传送。息进行实时的传送。 智能控制智能控制：对物体实现智能化的控制和管理，真正达到对物体实现智能化的控制和管理，真正达到了人与物的沟通。了人与物的沟通。1.2 1.2 物

5、联网的网络架构物联网的网络架构6专用专用网络网络电信网电信网/ /互联网互联网物联网网关物联网网关传感器传感器执行器执行器RFIDRFID二维码二维码智能装置智能装置通信模块延伸网络应用集成应用集成 云计算云计算解析服务解析服务 网络管理网络管理WebWeb服务服务物联网应用物联网应用应用基础设施应用基础设施/ /中间件中间件信息处理信息处理1.3 1.3 物物联网联网的关键的关键技术技术无无 线线 传传 感感 网网 技技 术术射射 频频 识识 别别 技技 术（术（RFIDRFID）M2M M2M 技技 术术GPS GPS 技技 术术云云 计计 算算 技技 术术信信 息息 处处 理理 技技 术

6、术网网 络络 与与 通通 信信 技技 术术目录目录o 1 1 物联网概述物联网概述o 2 2 无线传感器网络概述无线传感器网络概述o 3 WSN3 WSN的特点，性能指标和体系结构的特点，性能指标和体系结构o 4 WSN4 WSN常用的传感器常用的传感器o 5 WSN5 WSN关键技术关键技术o 6 WSN6 WSN仿真平台仿真平台o 7 WSN7 WSN的应用案例的应用案例2 2 无线传感器无线传感器网络概述网络概述 无线传感器网络（无线传感器网络（Wireless Sensor Network, WSN)Wireless Sensor Network, WSN)：由部署在监测区域内大量微型

7、而又廉价的传感器节由部署在监测区域内大量微型而又廉价的传感器节点组成的，通过无线通信方式组成的一个多跳的具有点组成的，通过无线通信方式组成的一个多跳的具有自组织体系的网络系统，其目的是将覆盖区域中的感自组织体系的网络系统，其目的是将覆盖区域中的感知对象的信息进行感知、采集和处理，并最终发送给知对象的信息进行感知、采集和处理，并最终发送给观测者。观测者。2.1 2.1 无线无线传感器网络体系结构图传感器网络体系结构图 2.2 2.2 问题：什么情况下会使用多节问题：什么情况下会使用多节点的无线点的无线传感器传感器网络？网络？目录目录o 1 1 物联网概述物联网概述o 2 2 无线传感器网络概述无

8、线传感器网络概述o 3 WSN3 WSN的特点，性能指标和体系结构的特点，性能指标和体系结构o 4 WSN4 WSN常用的传感器常用的传感器o 5 WSN5 WSN常用的常用的无线网络技术无线网络技术o 6 WSN6 WSN关键技术和仿真平台关键技术和仿真平台o 7 WSN7 WSN的应用案例的应用案例3 WSN的特点，性能指标和体系结构WSNWSN的基本特点的基本特点1.1. 节点数目大、密度高节点数目大、密度高2.2. 节点体积小、能量有限节点体积小、能量有限3.3. 节点计算和存储能力有节点计算和存储能力有限限4.4. 通信半径小、带宽低通信半径小、带宽低5.5. 节点拓扑结构变化很快节

9、点拓扑结构变化很快，具有较强的自适应性，具有较强的自适应性6.6. 无中心和自组织无中心和自组织7.7. 网络动态性能强网络动态性能强8.8. 节点存在一定的故障率节点存在一定的故障率9.9. 以数据为中心的网络以数据为中心的网络3 WSN的特点，性能指标和体系结构WSNWSN的性能指标的性能指标1.1. 生命周期生命周期2.2. 能源有效性能源有效性3.3. 实时性实时性4.4. 可扩展性可扩展性5.5. 安全抗干扰安全抗干扰6.6. 感知精度感知精度7.7. 相互协作相互协作8.8. 容错性容错性3.3 WSN3.3 WSN体系结构体系结构 传感器节点传感器节点3.3 WSN3.3 WSN

10、体系结构体系结构 传感器节点传感器节点结构结构Wireless Sensor Networkso 传感器网络的物理结构传感器网络的物理结构3.3 WSN3.3 WSN体系结构体系结构Wireless Sensor Networks无线传感器网络拓扑结构 因为网络的拓扑结构严重制约无线传感器网络通信协议（如MAC协议和路由协议）设计的复杂度和性能的发挥。 根据节点功能及结构层次可分为：平面网络结构分级网络结构混合网络结构mesh网络结构Wireless Sensor Networks平面网络结构 所有节点为对等结构，具有完全一致的功能特性，也就是说每个节点均包含相同的MAC 、路由、管理和安全等

11、协议。 这种网络拓扑结构简单，易维护，具有较好的健壮性，事实上就是一种 Ad hoc 网络结构形式。 由于没有中心管理节点，故采用自组织协同算法形成网络，其组网算法比较复杂Wireless Sensor Networks分级网络结构 分级网络结构（也叫层次网络结构）是无线传感器网络中平面网络结构的一种扩展拓扑结构，网络分为上层和下层两个部分：上层：中心骨干节点下层：一般传感器节点。 骨干节点之间或一般传感器节点之间采用的是平面网络结构。 具有汇聚功能的骨干节点和一般传感器节点之间采用的是分层网络结构。Wireless Sensor Networks分级网络结构 所有骨干节点为对等结构，骨干节点

12、和一般传感器节点有不同的功能每个骨干节点均包含相同的MAC 、路由、管理和安全等功能协议一般传感器节点可能没有路由、管理及汇聚处理等功能。 分级网络通常以簇的形式存在，按功能分为：簇首（具有汇聚功能的骨干节点：Cluster head）成员节点（一般传感器节点：members）。 网络拓扑结构扩展性好，便于集中管理 可降低系统建设成本，提高网络覆盖率和可靠性 集中管理开销大，硬件成本高Wireless Sensor Networks混合网络结构 平面网络结构和分级网络结构的一种混合拓扑结构 网络骨干节点之间、一般传感器节点之间采用平面网络结构 网络骨干节点与一般传感器节点之间采用分级网络结构。

13、 这种网络拓扑结构和分级网络结构不同的是一般传感器节点之间可以直接通信，可不需要通过汇聚骨干节点来转发数据。 这种结构同分级网络结构相比较，支持的功能更加强大，但所需成本更高。Wireless Sensor Networksmesh网络结构WMN- Wireless Mesh Network多跳（multi-hop）网络网格网络基于 802.11技术与传统无线网络完全不同的新型无线网络 mesh网络是规则分布的网络 网络内部的节点一般都是相同的，mesh网络也称为对等网Wireless Sensor Networksmesh网络结构的优点 mesh网络是构建大规模无线传感器网络的一个很好的结构

14、模型，特别是那些分布在一个地理区域的传感器网络，如人员或车辆安全监控系统 尽管所有节点都是对等的地位，且具有相同的计算和通信传输功能，但某个节点可被指定为簇首节点，而且可执行额外的功能。 一旦簇首节点失效，另外一个节点可以立刻补充并接管原簇首那些额外执行的功能。Wireless Sensor Networksmesh网络结构3.3 WSN3.3 WSN的通信体系结构的通信体系结构目录目录o 1 1 物联网概述物联网概述o 2 2 无线传感器网络概述无线传感器网络概述o 3 WSN3 WSN的特点，性能指标和体系结构的特点，性能指标和体系结构o 4 WSN4 WSN常用的传感器常用的传感器o 5

15、 WSN5 WSN常用的常用的无线网络技术无线网络技术o 6 WSN6 WSN关键技术和仿真平台关键技术和仿真平台o 7 WSN7 WSN的应用案例的应用案例4 WSN4 WSN常用的传感器常用的传感器 传感器的分类传感器的分类 1 1、按传感器的物理量分类，可分为位移、力、速度、按传感器的物理量分类，可分为位移、力、速度、温度、流量、气体成份等传感器、温度、流量、气体成份等传感器 2 2、按传感器工作原理分类，可分为电阻、电容、电、按传感器工作原理分类，可分为电阻、电容、电感、电压、霍尔、光电、光栅、热电偶等传感器。感、电压、霍尔、光电、光栅、热电偶等传感器。 3 3、按传感器输出信号的性质

16、分类，可分为：输出为、按传感器输出信号的性质分类，可分为：输出为开关量（开关量（“1”1”和和0” 0” 或或“开开”和和“关关”）的开关型）的开关型传感器；输出为模拟型传感器；输出为脉冲或代码的传感器；输出为模拟型传感器；输出为脉冲或代码的数字型传感器数字型传感器。4 WSN4 WSN常用的传感器常用的传感器 传感器的分类传感器的分类4 WSN4 WSN常用的传感器常用的传感器 传感器的分类传感器的分类 4 4、按敏感材料分类：根据制造传感器，所使用的材、按敏感材料分类：根据制造传感器，所使用的材料进行分类。可分为半导体传感器、陶瓷传感器等。料进行分类。可分为半导体传感器、陶瓷传感器等。 5

17、 5、按、按能量的关系分类：根据能量能量的关系分类：根据能量观点分类观点分类，可将传，可将传感器分为有源感器分为有源传感器和传感器和无源传感器两大类无源传感器两大类。 6 6、其他、其他：按用途、学科、功能和：按用途、学科、功能和输出信号输出信号的性质等的性质等进行分类。进行分类。4 WSN4 WSN常用的传感器常用的传感器 传感器的特性传感器的特性 主要指的是传感器主要指的是传感器输入和输出输入和输出之间的之间的关系关系。 有有静态特性静态特性和和动态特性动态特性之分。之分。 静态特性的重要参数指标：静态特性的重要参数指标：量程，线性度、灵敏度、量程，线性度、灵敏度、重复性、迟滞、分辨力和漂

18、移。重复性、迟滞、分辨力和漂移。 动态特性：动态特性：对随时间变化的输入量的响应特性。对随时间变化的输入量的响应特性。4 WSN4 WSN常用的传感器常用的传感器 传感器的选型传感器的选型 测量对象与环境，灵敏度，线性范围，稳定性和精度测量对象与环境，灵敏度，线性范围，稳定性和精度等。等。 常见的传感器类型常见的传感器类型 温度传感器，湿度传感器，位移传感器，加速度传感温度传感器，湿度传感器，位移传感器，加速度传感器，烟雾传感器。器，烟雾传感器。目录目录o 1 1 物联网概述物联网概述o 2 2 无线传感器网络概述无线传感器网络概述o 3 WSN3 WSN的特点，性能指标和体系结构的特点，性能

19、指标和体系结构o 4 WSN4 WSN常用的传感器常用的传感器o 5 WSN5 WSN常用的常用的无线网络技术无线网络技术o 6 WSN6 WSN关键技术和仿真平台关键技术和仿真平台o 7 WSN7 WSN的应用案例的应用案例5 WSN5 WSN常用的无线网络技术常用的无线网络技术 无线网络概述无线网络概述 无线个域网（无线个域网（WPANWPAN） 无线局域网（无线局域网（WLANWLAN） 无线城域网（无线城域网（WMANWMAN） 无线广域网（无线广域网（WWANWWAN）5 WSN5 WSN常用的无线网络技术常用的无线网络技术 无线网络概述无线网络概述5 WSN5 WSN常用的无线网络技术常用的无线网络技术 WPANWPAN的短距离无线通信技术的短距离无线通信技术 红外技术红外技术 RFIDRFID WIFIWIFI 标准蓝牙标准蓝牙 ZigbeeZigbee，又叫紫蜂。，又叫紫蜂。 超低功耗蓝牙超低功耗蓝牙 UWBUWB ?目录目录o 1 1 物联网概述物联网概述o 2 2 无线传感器网络概述无线传感器网络概述o 3 WSN3 WSN的特点，性能指标和体系结构的特点，性能指标和体系结构o 4 WSN4 WSN常用的传感器常用的传感器o 5 WSN5 WSN常用的常用的无线网络技术无线网络技术o 6 WSN6 WSN关键技术和仿真平台