无线网络传感器课件

1、1.1 引言引言n无线传感器网络是当前备受关注的、由多学科交叉的一个新兴前沿热点领域n新型微型传感器的出现u功能强大n无线传感器网络应用广泛u后PC时代u智能尘埃u应用广泛n无线传感器网络意义重大1.1 引言引言n国内外大量投入n技术上的发展u“后PC时代”u微机电系统u片上系统u微信传感器n无线传感器网络的结构与功能n总之，无线传感器网络将改变人与自然界的交互方式。一一什么是无线传感器网络什么是无线传感器网络二二传感器网络的发展历史传感器网络的发展历史三三传感器网络的应用情况传感器网络的应用情况四四传感器网络的结构传感器网络的结构五五传感器网络的特征传感器网络的特征通过第一章的学习达到如下目

2、的：通过第一章的学习达到如下目的：n学习无线传感器网络的定义，特点与功能等n了解无线传感器网络的结构u结点结构u网络结构n了解相关基本概念u例如，网络协议，拓扑控制，能量管理等n了解无线传感器网络的发展情况n了解无线传感器网络的应用情况n了解无线传感器网络的关键技术1.无线网络的分类无线网络的分类2.什么是无线传感器网络什么是无线传感器网络1 1、无线网络的分类、无线网络的分类 无线网络可以分为无线网络可以分为2种，如图种，如图1.1所所示示 如何划分无线网络：是否有基站，结点是否移动如何划分无线网络：是否有基站，结点是否移动 无线无线网络的例子：移动自组织网络网络的例子：移动自组织网络pa3

3、 移动移动Ad Hoc网络与传感器网络与传感器网络都是没有基础设施的网络，二者进行简网络都是没有基础设施的网络，二者进行简单对比如下：单对比如下： 有有相似相似都没有基础设施都没有基础设施功率优化功率优化 也有不同也有不同移动性移动性方面方面出现的时间不同，前者早于后者出现出现的时间不同，前者早于后者出现后者制定协议的时候往往借鉴前者的协议，但是二者的协议是有差别不同的后者制定协议的时候往往借鉴前者的协议，但是二者的协议是有差别不同的无无 线线 网网 络络有基础设施网有基础设施网无基础设施网无基础设施网移动移动Ad hocAd hoc网络网络无线传感器网络无线传感器网络什么是无线传感器网络什么

4、是无线传感器网络 无线传感器网络定义无线传感器网络定义 无线传感器网络功能无线传感器网络功能 无线传感器网络特点无线传感器网络特点 无线传感器网络要素无线传感器网络要素 无线传感器网络的系统构架无线传感器网络的系统构架无线传感器网络(WSN)是大量的静止或移动的传感器以自组织和多跳的方式构成的无线网络，目的是协作地采集、处理和传输网络覆盖地域内感知对象的监测信息，并报告给用户。无线传感器网络是一种现代信息处理系统传感器技术传感器技术计算机技术计算机技术通通 信信 技技 术术感感 官官大大 脑脑神神 经经现代信息技术现代信息技术信息系统信息系统无线传感器网络无线传感器网络什么是无线传感器网络什么

5、是无线传感器网络 无线传感器网络定义无线传感器网络定义 无线传感器网络的基本要素无线传感器网络的基本要素 无线传感器网络的基本功能无线传感器网络的基本功能 无线传感器网络特点无线传感器网络特点 无线无线传感器网络基本要素简介传感器网络基本要素简介 无线无线传感器网络的系统构架：图传感器网络的系统构架：图1.3物物 理理 层层数据链路层数据链路层网网 络络 层层传传 输输 层层应应 用用 层层能能 量量 分分 配配移移 动动 管管 理理应应 用用 优优 化化计算设备的演化历史巨型机 小型机 工作站 PC PDA WSN 节点等 生物芯片 发展历程（一） 二十世纪二十世纪70年代。年代。冷战时期的

6、声音监测系统（Sound Surveillance System-SOSUS）、空中预警与控制系统（Air borne Warning and Control System-AWACS）1980年。年。DARPA的分布式传感器网络项目（Distributed Sensor Networks-DSN）1994年年 。加州大学洛杉矶分校的William J. Kaiser 向DARPA提交建议书“Low Power Wireless Integrated Microsensors” ，里程碑。 二十世纪二十世纪80年代至年代至90年代之间年代之间。美国海军研制的协同交战能力系统（Cooperati

7、ve Engagement Capability-CEC），用于反潜的确定性分布系统（Fixed Distributed System-FDS）和高级配置系统（Advanced Deployment System-ADS），以及远程战场传感器网络系统（Remote Battlefield Sensor System-REMBASS）和战术远程传感器系统（Tactical Remote Sensor System）等无人看管地面传感器网络系统发展历程（二）1998 年。年。Gregory. J. Pottie 阐释了WSN 的科学意义，DARPA巨资启动了SensIT项目，目标是实现“超视距”战

8、场监测。1999年年9月。月。商业周刊将其列位21世纪最重要的21项技术之一。橡树岭国家实验室(Oak Ridge National Laboratory ,ORNL) 提出了“网络就是传感器”（Network is Sensor）的论断。2001年年1月。月。MIT技术评论将WSN列于十种改变未来世界新兴技术之首。2003年年8月。月。商业周刊预测：WSN和其他三项信息技术将会在不远的将来掀起新的产业浪潮。2004年年IEEE Spectrum杂志发表一期专集：传感器的国度，论述WSN的发展和可能的广泛应用。我们国家未来20年预见技术的调查报告，信息领域157项技术课题中有7项与传感器网络直

9、接相关。2006年初年初发布的国家中长期科学与技术发展规划纲要国家中长期科学与技术发展规划纲要为信息技术确定了三个前沿方向，其中两个与WSN的研究直接相关，即智能感知技术和自组织网络技术。WSN的应用 目标跟踪 大鸭岛海燕监测 冰河监测 医疗健康 电子牧场 结构化监测 火山观测 目标跟踪枪声定位系统大鸭岛海燕监测无人干扰监测无人干扰监测鸟鸟 巢巢海海 燕燕大大 鸭鸭 岛岛冰河监测冰河监测 利用WSN监测冰河的变 化情况，目的在于通过分 析冰河环境的变化来推断 地球气候的变化。 美国ALERT计划火山观测家庭与医疗健康智能家居系统，家居环境控制农业领域 引言 数字农业的兴起 无线传感器网络助推数

10、字农业 实例 智能渔场系统 菊花生产管理 玫瑰园 葡萄园电子牧场结构化监测讨讨 论论 题题 请大家思考和组织课堂讨论：请大家思考和组织课堂讨论：传感器网络还可以有哪些用途？传感器网络还可以有哪些用途？1.2.2 1.2.2 传感器网络节点的结构传感器网络节点的结构操作系统TinyOS TinyOS是UC Berkeley的David Culler领导的研究小组为WSN量身定制的嵌入式操作系统。 WSN对操作系统的特殊要求主要表现在：（1）节点的计算资源有限，需要尽可能的减小系统开销；（2）节点由电池供电，且要求较长的工作周期，因此需要系统的能耗管理策略与方案，包括操作系统的支持；（3）节点的各

11、模块之间需要一定的调度协调机制，同时支持并发控制；（4）观测任务需要操作系统支持实时性。TinyOS简介 1 1、结点体系组成、结点体系组成 从无线联网从无线联网的角度来看，传的角度来看，传感器网络节点的感器网络节点的体系体系由分层的网由分层的网络通信协议、网络通信协议、网络管理平台和应络管理平台和应用支撑平台三个用支撑平台三个部分部分。1.2.3 1.2.3 网络体系结构网络体系结构(1) (1) 网络通信协网络通信协议议 类似于传统类似于传统InternetInternet网络中网络中的的TCP/IPTCP/IP协议体协议体系，它由物理层、系，它由物理层、数据链路层、网数据链路层、网络层、

12、传输层和络层、传输层和应用层组成。应用层组成。(2) (2) 网络管理平台网络管理平台 网络管理平台主要是对传感器节点自身的管理和用网络管理平台主要是对传感器节点自身的管理和用户对传感器网络的管理，包括：户对传感器网络的管理，包括： 拓扑控制拓扑控制 服务质量管理服务质量管理 能量管理能量管理 安全管理安全管理 移动管理移动管理 网络管理等网络管理等关于拓扑控制的一个简单讨论关于拓扑控制的一个简单讨论 动机动机 拓扑控制基本方法拓扑控制基本方法 降低发送功率降低发送功率 网络结构等网络结构等 评价指标评价指标*动机动机 一个密集网络（什么是：一个结点周围有很多），如下图所示，太多的结点处于通信

13、里程之内，这样会带来如下问题： 结点互相干扰，增加了通信协议的复杂度，例如，各种可能的路由方式很多, 基本的解决方法: 降低拓扑结构复杂度 拓扑控制必须保持某些指标，例如连通不变性 两种解决方法降低发送功率降低发送功率 降低发送功率 不要总是使用最大功率 相比之前，拓扑结构简化了，如下图 降低了串扰, 采用分级结构采用分级结构 划分为多个簇 划分网络为多个簇 簇有一个簇头簇头 每一个结点属于一个簇，称为簇成员 簇成员与簇头直接连接(3) (3) 应用支撑平台应用支撑平台 应用支撑平台建立在网络通信协议和网络管理技应用支撑平台建立在网络通信协议和网络管理技术的基础之上，包括一系列基于监测任务的应

14、用层软术的基础之上，包括一系列基于监测任务的应用层软件，通过应用服务接口和网络管理接口来为终端用户件，通过应用服务接口和网络管理接口来为终端用户提供各种具体应用的支持。提供各种具体应用的支持。 时间同步时间同步 定位定位 应用服务接口应用服务接口 网络管理接口网络管理接口2 2、传感器网络的结构、传感器网络的结构 根据节点数目的多少，传感器网络的结构可以根据节点数目的多少，传感器网络的结构可以分为平面分为平面结构和结构和分级结构。如果网络的规模较小，分级结构。如果网络的规模较小，一般采用平面结构。如果网络规模很大，则必须采一般采用平面结构。如果网络规模很大，则必须采用分级网络结构。用分级网络结

15、构。(1) (1) 平面结构平面结构 定义：平面结构的网络比较简单，所有节点的地位平等，所以又可以称为对等式结构，例如右图。 优点：源节点和目的节点之间一般存在多条路经，网络负荷由这些路径共同承担，一般情况下不存在瓶颈，网络比较健壮。 缺点：平面型的网络结构在节点的组织、路由建立、控制与维持的报文开销上都存在问题，这些开销会占用很大的带宽，影响网络数据的传输速率。另外，整个系统在宏观上将损耗很大的能量。还有一个缺点就是可扩充性差。(2) (2) 分级结构分级结构 定义：在分级结构中，传感器网络被划分为多个簇。每个簇由一个簇头和多个簇成员组成。这些簇头形成了高一级的网络。簇头节点负责簇间数据的转发，簇成员只负责数据的采集。 优点：这大大减少了网络中路由控制信息的数量，具有很好的可扩充性。 缺点：问题就是簇头的能量消耗问题，簇头发送和接收报文的频率要高出普通节点几倍或十几倍，因而要求可以在簇内运行簇头选择程序来更换簇头。1 1、无线网络的分类、无线网络的分类 移动移动Ad Hoc网络与传感器网络与传感器网络都是没有基础设施的网络，二者进行简网络都是没有基础设施的网络，二者进行简单对比如下：单对比如下： 有有相似相似都没有基础设施都没有基础设施功率优化功率优化 也有不同也有不同移动性移动性方面方面出现的时间不同，前者早于后者出现出