《物联网概论》第7章 传感器网络

1、物联网概论-韩毅刚物联网概论物联网概论&第第7 7章章 传感器网络传感器网络&机械工业出版社机械工业出版社物联网概论-韩毅刚第第7章章 传感器网络传感器网络&7.1 7.1 无线传感器网络概述无线传感器网络概述&7.2 7.2 无线传感器网络的通信协议无线传感器网络的通信协议&7.3 7.3 无线传感器网络的组网技术无线传感器网络的组网技术&7.4 7.4 无线传感器网络的核心支撑技术无线传感器网络的核心支撑技术&7.5 7.5 无线传感器网络的应用开发无线传感器网络的应用开发&7.6 7.6 基于现场总线的传感网基于现场总线的传

2、感网物联网概论-韩毅刚传感器网络传感器网络 无线传感器网络无线传感器网络WSNWireless Sensor Network 有线传感器网络有线传感器网络现场总线物联网概论-韩毅刚3物联网概论-韩毅刚7.1 无线传感器网络概述无线传感器网络概述&7.1.17.1.1无线传感器网络的组成无线传感器网络的组成&7.1.2 7.1.2 无线传感器网络的体系结构无线传感器网络的体系结构&7.1.3 7.1.3 无线传感器网络的特征无线传感器网络的特征&7.1.4 WSN7.1.4 WSN所面临的挑战及发展趋势所面临的挑战及发展趋势物联网概论-韩毅刚无线传感器无线传感器网

3、络网络的定义的定义 由部署在监测区域内的大量廉价微型传感器节点由部署在监测区域内的大量廉价微型传感器节点组成的，并通过无线通信形式形成的一个多跳的组成的，并通过无线通信形式形成的一个多跳的自组织的网络系统自组织的网络系统物联网概论-韩毅刚5物联网概论-韩毅刚7.1.17.1.1无线传感器网络的无线传感器网络的组成组成物联网概论-韩毅刚6 无线传感器无线传感器节点节点 汇聚节点汇聚节点 管理管理节点节点物联网概论-韩毅刚无线传感器网络的组成无线传感器网络的组成物联网概论-韩毅刚7物联网概论-韩毅刚1. 1. 无线传感器无线传感器节点节点 微型的嵌入式系统微型的嵌入式系统 信息收集信息收集 处理处

4、理 传递传递 存储存储 融合融合 转发转发物联网概论-韩毅刚8物联网概论-韩毅刚无线传感器网络节点结构无线传感器网络节点结构物联网概论-韩毅刚9物联网概论-韩毅刚无线传感器无线传感器节点组成节点组成 传感模块传感模块 处理模块处理模块 无线通信模块无线通信模块 能量供应模块能量供应模块物联网概论-韩毅刚10物联网概论-韩毅刚2. 2. 汇聚汇聚节点节点 功能较为强大的嵌入式基站功能较为强大的嵌入式基站 主要负责收集、汇聚数据主要负责收集、汇聚数据 经由网关提交给管理节点经由网关提交给管理节点 汇聚节点和网关通常集成在一个物理设备中汇聚节点和网关通常集成在一个物理设备中物联网概论-韩毅刚11物联

5、网概论-韩毅刚3. 3. 管理管理节点节点 一台计算机一台计算机 或者功能强大的嵌入式处理设备或者功能强大的嵌入式处理设备 配置和管理配置和管理网络网络 发布监测任务发布监测任务 收集监测数据收集监测数据物联网概论-韩毅刚12物联网概论-韩毅刚7.1.2 7.1.2 无线传感器网络的无线传感器网络的体系结构体系结构 物理层物理层 数据链路层数据链路层 网络层网络层 传输层传输层 应用层应用层物联网概论-韩毅刚13物联网概论-韩毅刚无线传感器网络的协议体系结构无线传感器网络的协议体系结构物联网概论-韩毅刚14物联网概论-韩毅刚7.1.3 7.1.3 无线传感器网络的无线传感器网络的特征特征 自组

6、自组网络网络Ad hoc网络 无无基础基础设施设施 自组织自组织的无线多跳的无线多跳网络网络物联网概论-韩毅刚15物联网概论-韩毅刚无线传感器网络无线传感器网络的特点的特点 自组织网络自组织网络 大规模网络大规模网络 动态性网络动态性网络 数据汇聚型网络数据汇聚型网络 以数据为中心的网络以数据为中心的网络 与应用相关的网络与应用相关的网络物联网概论-韩毅刚16物联网概论-韩毅刚7.1.4 7.1.4 WSNWSN所面临的挑战及发展所面临的挑战及发展趋势趋势 灵活灵活、自适应的网络协议、自适应的网络协议体系结构体系结构 跨跨层层设计设计 与其与其他网络的融合他网络的融合物联网概论-韩毅刚17物联

7、网概论-韩毅刚7.2 无线传感器网络通信协议无线传感器网络通信协议&7.2.1 MAC7.2.1 MAC协议协议&7.2.2 7.2.2 路由协议路由协议&7.2.3 7.2.3 传输协议传输协议物联网概论-韩毅刚7.2.1 MAC7.2.1 MAC协议协议物联网概论-韩毅刚19 1 1竞争型竞争型MACMAC协议协议 2 2调度型调度型MACMAC协议协议 3 3混合型混合型MACMAC协议协议物联网概论-韩毅刚MACMAC 媒介访问控制媒介访问控制Medium Access Control 共享信道的分配共享信道的分配物联网概论-韩毅刚20物联网概论-韩毅刚无线传感

8、器网络无线传感器网络MACMAC协议特殊协议特殊性性 能量有效性能量有效性 可扩展性可扩展性 冲突避免冲突避免 信道利用率信道利用率 时延时延 吞吐量吞吐量 公平性公平性物联网概论-韩毅刚21物联网概论-韩毅刚MACMAC协议类型协议类型 竞争型竞争型 调度型调度型 混合型混合型物联网概论-韩毅刚22物联网概论-韩毅刚1 1竞争型竞争型MACMAC协议协议 CSMA/CA S-MAC T-MAC PMAC WiseMAC Sift物联网概论-韩毅刚23物联网概论-韩毅刚S-MACS-MAC协议协议 S-MAC协议的消息收发序列协议的消息收发序列物联网概论-韩毅刚24物联网概论-韩毅刚T-MAC

9、T-MAC协议协议 T-MAC协议的基本机制协议的基本机制物联网概论-韩毅刚25物联网概论-韩毅刚T-MACT-MAC协议协议早睡问题早睡问题 时间帧划分时间帧划分物联网概论-韩毅刚26物联网概论-韩毅刚2 2调度型调度型MACMAC协议协议 TRAMA SMACS DMAC物联网概论-韩毅刚27物联网概论-韩毅刚TRAMATRAMA协议协议 包括三个部分：包括三个部分：邻居协议NP调度交换协议SEP自适应时隙选择算法AEA物联网概论-韩毅刚28物联网概论-韩毅刚分配方法分配方法 TDMA时分多址时分复用 FDMA频分多址 CDMA码分多址物联网概论-韩毅刚29物联网概论-韩毅刚3 3混合型混

10、合型MACMAC协议协议 -MAC ZMAC物联网概论-韩毅刚30物联网概论-韩毅刚-MAC-MAC协议协议 适合于周期性数据采集的无线传感器网络适合于周期性数据采集的无线传感器网络 固定基站提供信标源固定基站提供信标源实现时钟同步 信道结构信道结构竞争期无竞争期物联网概论-韩毅刚31物联网概论-韩毅刚Z-MACZ-MAC协议协议 低流量条件下低流量条件下使用CSMA信道访问方式 高流量条件下高流量条件下使用TDMA信道方式物联网概论-韩毅刚32物联网概论-韩毅刚7.2.2 7.2.2 路由路由协议协议 1 1以数据为中心的路由以数据为中心的路由协议协议 2 2集群结构路由集群结构路由协议协议

11、 3 3基于地理位置信息的路由基于地理位置信息的路由协议协议 4 4基于服务质量的路由协议基于服务质量的路由协议物联网概论-韩毅刚33物联网概论-韩毅刚传感器网络传感器网络路由特点路由特点 能量高效能量高效 可扩展性可扩展性 鲁棒性鲁棒性 快速收敛性快速收敛性物联网概论-韩毅刚34物联网概论-韩毅刚1 1以数据为中心的路由以数据为中心的路由协议协议 对数据进行融合对数据进行融合减少冗余的数据传输 典型协议典型协议SPINDD物联网概论-韩毅刚35物联网概论-韩毅刚SPINSPIN协议协议 SPIN协议的工作流程协议的工作流程物联网概论-韩毅刚36物联网概论-韩毅刚DDDD协议协议 定向扩散协议

12、定向扩散协议Directed Diffusion物联网概论-韩毅刚37物联网概论-韩毅刚2 2集群结构路由集群结构路由协议协议 LEACH PEGASIS TEEN APTEEN TTDD物联网概论-韩毅刚38物联网概论-韩毅刚LEACHLEACH协议协议 LEACH协议网络结构图协议网络结构图物联网概论-韩毅刚39物联网概论-韩毅刚PEGASISPEGASIS协议协议 PEGASIS协议网络结构图协议网络结构图物联网概论-韩毅刚40物联网概论-韩毅刚3 3基于地理位置基于地理位置信息路由协议信息路由协议 GAF GPSR GEAR物联网概论-韩毅刚41物联网概论-韩毅刚4 4基于服务质量的路

13、由基于服务质量的路由协议协议 SAR SPEED物联网概论-韩毅刚42物联网概论-韩毅刚7.2.3 7.2.3 传输协议传输协议 1 1PSFQPSFQ传输传输协议协议 2 2ESRTESRT传输协议传输协议物联网概论-韩毅刚43物联网概论-韩毅刚无线传感器网络传输无线传感器网络传输协议技术协议技术 由传感器执行拥塞检测由传感器执行拥塞检测 采用事件到汇聚节点的可靠性模型采用事件到汇聚节点的可靠性模型 消极确认机制消极确认机制 局部缓存和错误恢复机制局部缓存和错误恢复机制物联网概论-韩毅刚44物联网概论-韩毅刚1 1PSFQPSFQ传输传输协议协议 PSFQPump Slowly Fetch

14、Quickly缓发快取物联网概论-韩毅刚45物联网概论-韩毅刚PSFQPSFQ传输传输协议机制协议机制 缓存机制缓存机制每个中间节点都缓存数据报文。 消极确认机制消极确认机制 索取汇聚机制索取汇聚机制NACK报文中饱含希望接受的所有数据报文的序号。 局部错误恢复的快速索取和慢速发布机制局部错误恢复的快速索取和慢速发布机制物联网概论-韩毅刚46物联网概论-韩毅刚2 2ESRTESRT传输传输协议协议 ESRTEvent-to-Sink Reliable Transport事件到汇聚节点的可靠传输物联网概论-韩毅刚47物联网概论-韩毅刚7.3 无线传感器网络组网技术无线传感器网络组网技术&

15、7.3.1 ZigBee7.3.1 ZigBee网络的特点网络的特点&7.3.2 ZigBee7.3.2 ZigBee网络的设备和拓扑结构网络的设备和拓扑结构&7.3.3 ZigBee7.3.3 ZigBee协议栈协议栈物联网概论-韩毅刚无线传感器网络的组网模式无线传感器网络的组网模式 网状模式网状模式 簇树模式簇树模式 星型模式星型模式物联网概论-韩毅刚49物联网概论-韩毅刚7.3.1 7.3.1 ZIGBEEZIGBEE网络的网络的特点特点物联网概论-韩毅刚50 简介简介 特点特点物联网概论-韩毅刚ZigBeeZigBee网络简介网络简介 ZigBee联盟联盟 IEEE 8

16、02.15.4标准标准 个域网标准个域网标准物联网概论-韩毅刚51物联网概论-韩毅刚ZigBeeZigBee网络指标网络指标 2.4GHz 传输速率为传输速率为20250kbit/s 传输距离为传输距离为1075m，物联网概论-韩毅刚52物联网概论-韩毅刚ZigBeeZigBee网络的特点网络的特点 省电省电 廉价廉价 可靠可靠 时延短时延短 网络容量大网络容量大 安全保障安全保障物联网概论-韩毅刚53物联网概论-韩毅刚7.3.2 7.3.2 ZIGBEEZIGBEE网络设备网络设备和和拓扑结构拓扑结构 网络网络设备设备 网络网络拓扑结构拓扑结构物联网概论-韩毅刚54物联网概论-韩毅刚ZigB

17、eeZigBee网络网络节点节点设备设备 全功能设备全功能设备FFDFull-Function Device 精简功能设备精简功能设备RFDReduced-Function Device物联网概论-韩毅刚55物联网概论-韩毅刚ZigBeeZigBee网络设备网络设备类型类型 协调器协调器 路由器路由器 终端设备终端设备物联网概论-韩毅刚56物联网概论-韩毅刚协调器协调器 星型星型 点到点点到点物联网概论-韩毅刚57物联网概论-韩毅刚ZigBeeZigBee网络的拓扑结构网络的拓扑结构 星型星型 网状网状 簇树簇树物联网概论-韩毅刚58物联网概论-韩毅刚7.3.3 7.3.3 ZIGBEEZIG

18、BEE协议栈协议栈 1 1ZigBeeZigBee物理层物理层 2 2ZigBeeZigBee媒介访问控制媒介访问控制层层 3 3ZigBeeZigBee网络层网络层 4 4ZigBeeZigBee应用层应用层物联网概论-韩毅刚59物联网概论-韩毅刚ZigBeeZigBee协议栈协议栈 4层模型层模型物联网概论-韩毅刚60物联网概论-韩毅刚ZigBeeZigBee数据数据的封装的封装 ZigBee各层帧结构的封装关系各层帧结构的封装关系物联网概论-韩毅刚61物联网概论-韩毅刚1 1ZigBeeZigBee物理层物理层 1）激活和休眠射频收发器；）激活和休眠射频收发器； 2）信道能量检测；）信道

19、能量检测； 3）链路质量指示；）链路质量指示； 4）空间信道评估；）空间信道评估； 5）信道的频段选择；）信道的频段选择； 6）收发数据）收发数据物联网概论-韩毅刚62物联网概论-韩毅刚物理层参考模型物理层参考模型物联网概论-韩毅刚63物联网概论-韩毅刚三个三个频段频段2727个信道个信道 信道的频段中心信道的频段中心物联网概论-韩毅刚64868.309062(1)1,2,1024055(1)11,12,26cccfMHzkfkMHzkfkMHzk物联网概论-韩毅刚信道分配及调制方式信道分配及调制方式 IEEE 802.15.4标准标准工作频率、带宽以及调制方式等参数物联网概论-韩毅刚65物理

20、层物理层（MHz）频段频段（MHz）扩频参数扩频参数数据参数数据参数码片速率（k chip/s）调制方式比特率（kbps）符号速率（k symbols/s）符号868/915868868.6300BPSK2020二进制902928600BPSK4040二进制245024002483.32000O-QPSK25062.5十六进制物联网概论-韩毅刚物理帧结构物理帧结构 PPDU组成组成PHY Protocol Data Unit同步头物理帧头物理帧负载物联网概论-韩毅刚66物联网概论-韩毅刚2 2ZigBeeZigBee媒介访问控制媒介访问控制层层 MAC数据服务数据服务 MAC管理服务管理服务物

21、联网概论-韩毅刚67物联网概论-韩毅刚MACMAC子层功能子层功能 协调器产生、发送信标帧，普通设备根据信标帧协调器产生、发送信标帧，普通设备根据信标帧与协调器同步；与协调器同步； 支持支持PAN网络的关联和取消关联网络的关联和取消关联（association）（disassociation） 使用使用CSMA-CA机制访问物理信道；机制访问物理信道； 采用时槽保障机制；采用时槽保障机制；Guaranteed Time Slot，GTS 提供提供MAC实体间的可靠连接；实体间的可靠连接； 支持无线信道安全支持无线信道安全物联网概论-韩毅刚68物联网概论-韩毅刚MACMAC层参考模型层参考模型物

22、联网概论-韩毅刚69物联网概论-韩毅刚MACMAC帧构成帧构成 帧头帧头MHR MAC负载负载 帧尾帧尾MHR物联网概论-韩毅刚70物联网概论-韩毅刚MACMAC帧格式帧格式物联网概论-韩毅刚71物联网概论-韩毅刚3 3ZigBeeZigBee网络层网络层 节点加入或离开网络节点加入或离开网络 接收或抛弃其它节点接收或抛弃其它节点 路由查找路由查找 传送数据传送数据物联网概论-韩毅刚72物联网概论-韩毅刚网络层接口与结构网络层接口与结构物联网概论-韩毅刚73物联网概论-韩毅刚ZigBeeZigBee网络层帧结构网络层帧结构物联网概论-韩毅刚74物联网概论-韩毅刚4 4ZigBeeZigBee应

23、用层应用层 应用支持子层应用支持子层 应用对象应用对象 应用框架应用框架物联网概论-韩毅刚75物联网概论-韩毅刚应用支持子层参考模型应用支持子层参考模型物联网概论-韩毅刚76物联网概论-韩毅刚7.4 无线传感网核心支撑技术无线传感网核心支撑技术&7.4.1 7.4.1 拓扑控制拓扑控制&7.4.2 7.4.2 时间同步时间同步&7.4.3 7.4.3 数据融合数据融合物联网概论-韩毅刚7.4.1 7.4.1 拓扑拓扑控制控制物联网概论-韩毅刚78 1 1功率控制功率控制算法算法 2 2层次拓扑结构控制算法层次拓扑结构控制算法物联网概论-韩毅刚拓扑拓扑控制的控制的意义意义

24、 降低节点能量消耗，延长网络生存时间降低节点能量消耗，延长网络生存时间 利于应用分布式算法利于应用分布式算法 为路由协议提供基础为路由协议提供基础 有利于数据融合有利于数据融合 降低节点通信干扰，提高网络吞吐量降低节点通信干扰，提高网络吞吐量物联网概论-韩毅刚79物联网概论-韩毅刚1 1功率控制功率控制算法算法 发射功率决定了节点的通信距离发射功率决定了节点的通信距离 多跳方式多跳方式 尽可能地降低节点的发射功率尽可能地降低节点的发射功率物联网概论-韩毅刚80物联网概论-韩毅刚2 2层次拓扑结构控制层次拓扑结构控制算法算法 簇内节点簇内节点 簇头节点簇头节点 分簇算法分簇算法分布式集中式物联网

25、概论-韩毅刚81物联网概论-韩毅刚7.4.2 7.4.2 时间同步时间同步 1 1无线传感器网络的传输无线传感器网络的传输时延时延 2 2时间同步的时间同步的分类分类 3 3无线传感器网络的时间同步协议无线传感器网络的时间同步协议物联网概论-韩毅刚82物联网概论-韩毅刚时间同步的设计要求时间同步的设计要求 稳定性稳定性 能量有效能量有效 可扩展性可扩展性物联网概论-韩毅刚83物联网概论-韩毅刚1 1无线无线传感器网络的传输时延传感器网络的传输时延 发送时间发送时间 访问时间访问时间 传播时间传播时间 接收时间接收时间物联网概论-韩毅刚84物联网概论-韩毅刚2 2时间同步的时间同步的分类分类 排

26、序排序 相对同步相对同步 绝对同步绝对同步物联网概论-韩毅刚85物联网概论-韩毅刚3 3WSNWSN的的时间同步时间同步协议协议 RBS TPSN DMTS LTS物联网概论-韩毅刚86物联网概论-韩毅刚7.4.3 7.4.3 数据融合数据融合 1 1数据融合的数据融合的作用作用 2 2数据融合的种类和方法数据融合的种类和方法物联网概论-韩毅刚87物联网概论-韩毅刚1 1数据融合的数据融合的作用作用 节省能量节省能量 获得更准确的信息获得更准确的信息 提高数据收集效率提高数据收集效率物联网概论-韩毅刚88物联网概论-韩毅刚2 2数据融合的种类和数据融合的种类和方法方法 种类种类 方法方法物联网

27、概论-韩毅刚89物联网概论-韩毅刚数据融合的种类数据融合的种类 有损融合和无损融合有损融合和无损融合 局部融合和全局融合局部融合和全局融合 数据级、特征级融合和决策级融合数据级、特征级融合和决策级融合像素级融合特征级融合决策级融合物联网概论-韩毅刚90物联网概论-韩毅刚数据数据融合融合的方法的方法 贝叶斯方法贝叶斯方法 神经网络法神经网络法 D-S证据理论证据理论物联网概论-韩毅刚91物联网概论-韩毅刚7.5 无线传感器网络应用开发无线传感器网络应用开发&7.5.1 7.5.1 无线传感器网络的硬件开发无线传感器网络的硬件开发&7.5.2 7.5.2 无线传感器网络的软件开发无

28、线传感器网络的软件开发&7.5.3 7.5.3 无线传感器网络操作系统无线传感器网络操作系统物联网概论-韩毅刚7.5.1 7.5.1 无线传感器网络的硬件无线传感器网络的硬件开发开发物联网概论-韩毅刚93 1 1无线传感器网络的硬件产品无线传感器网络的硬件产品分类分类 2 2传感器节点的设计传感器节点的设计物联网概论-韩毅刚1 1WSNWSN的的硬件产品硬件产品分类分类 硬件产品硬件产品的的4个等级个等级H1级H2级H3级H4级物联网概论-韩毅刚94物联网概论-韩毅刚2 2传感器节点的传感器节点的设计设计 传感器模块传感器模块 处理器模块处理器模块 无线收发模块无线收发模块 能量供应模

29、块能量供应模块物联网概论-韩毅刚95物联网概论-韩毅刚7.5.2 7.5.2 无线传感器网络的无线传感器网络的软件开发软件开发 1 1 软件开发软件开发层次层次 2 2nesCnesC编程语言简介编程语言简介物联网概论-韩毅刚96物联网概论-韩毅刚1 1 软件开发软件开发层次层次 传感器应用传感器应用 节点应用节点应用 网络应用网络应用物联网概论-韩毅刚97物联网概论-韩毅刚软件开发设计要求软件开发设计要求 软的实时性软的实时性 能量优化能量优化 模块化模块化 面向具体应用面向具体应用 可管理，可管理，物联网概论-韩毅刚98物联网概论-韩毅刚2 2nesCnesC编程语言编程语言简介简介 组件

30、的创建和使用相分离组件的创建和使用相分离 组件使用接口进行功能描述组件使用接口进行功能描述 接口是双向的接口是双向的 组件按功能不同分为两种组件按功能不同分为两种配件模块 nesC的并发模型基于的并发模型基于“运行到底运行到底”的任务构建的任务构建物联网概论-韩毅刚99物联网概论-韩毅刚7.5.3 7.5.3 无线传感器网络操作系统无线传感器网络操作系统 1 1无线传感器网络操作系统无线传感器网络操作系统实例实例 2 2TinyOSTinyOS操作系统操作系统物联网概论-韩毅刚100物联网概论-韩毅刚1 1无线无线传感网络传感网络操作系统操作系统实例实例 TinyOS TRON SOS MANTIS OS物联网概论-韩毅刚101物联网概论-韩毅刚2 2TinyOSTinyOS操作系统操作系统 事件驱动事件驱动 基于组件基于组件 开源开源物联网概论-韩毅刚102物联网概论-韩毅刚7.6 基于现场总线的传感网基于现场总线的传感网&7.6.1 7.6.1 现场总线现场总线&7.6.2 7.6.2 几种有影响的现场总线技术几种有影响的现场总线技术物联网概论-韩毅刚7.6.1 7.6.1 现场总线现场总线物联网概论-韩毅刚104 定义定义 特点特点物联网概论-韩毅刚现场总线的定义现场总线的定义 现场总线是应用在生产现