传感网原理及应用—第1讲(概述)

1、陈永乐陈永乐太原理工大学太原理工大学 计算机科学与技术学院计算机科学与技术学院课程简介课程性质课程性质p本课程是以介绍无线传感器网络为主要内容的理论与实践课程课程设置目的课程设置目的p在介绍无线传感器网络基本原理的基础上，结合TinyOS操作系统中TOSSIM仿真平台，以仿真实验的形式了解和实现传感网基本原理、组网技术和路由协议等，让学生对传感网有更加直观和实际的感受。2课程简介教学安排教学安排p教师理论讲解32学时；学生实验8学时p仿真实验+教师指导课程评分课程评分p平时成绩20%p期末成绩80%教材与参考材料教材与参考材料p无线传感器网络孙利民，李建中，陈瑜，朱红松等，清华大学出版社p课堂

2、PPT3课程内容无线传感网无线传感网网络概述网络概述路由协议（网络层）路由协议（网络层）MACMAC协议协议ZigbeeZigbee与与802.15.4 802.15.4 定位定位技术技术 时间同步时间同步 无线传感器网络软硬件平台与演示实验无线传感器网络软硬件平台与演示实验 4计算机科学与技术学院计算机科学与技术学院 陈永乐陈永乐第第1 1章章 无线传感网概述无线传感网概述目录传感器网络的概念传感器网络的概念传感器网络的体系结构传感器网络的体系结构传感器网络的特征传感器网络的特征传感器网络的应用传感器网络的应用传感器网络的关键技术传感器网络的关键技术6Confusion of TermsBe

3、rkeley MoteZigBeeDirected DiffusionLocalizationRumor RoutingCrossbowMAC ProtocolsSelf-Organizing NetworksTiny-OSTiny-DBPower ManagementRSSIISM BandRFIDSmart Dust?传感器网络对计算的认知巨型机说巨型机说p“我认为全球大概只需要五台计算机就够了我认为全球大概只需要五台计算机就够了”；PCPC机说机说p“每个家庭的桌面上都应该有一台电脑每个家庭的桌面上都应该有一台电脑”; ;Pocket PCPocket PC说说p“太大了，应该每人口袋里

4、放一台太大了，应该每人口袋里放一台”; ;WSNWSN说说p“每粒沙子都应该是一台计算机每粒沙子都应该是一台计算机”。8什么是无线传感器网络？无线传感器网络无线传感器网络(wireless sensor network, WSN)p由部署在检测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统，目的是协作地采集和处理网络覆盖区域中感知的对象信息，并发送给观察者。构成构成WSNWSN的三要素：的三要素：p传感器、感知对象、观察者传感器、感知对象、观察者9第一阶段：传感器最早可以追溯二十世纪最早可以追溯二十世纪七十年代越战时期使用七十年代越战时期使用的传统的传感器

5、系统。的传统的传感器系统。胡志明小道胡志明小道胡志明小道热带树热带树热带树轰炸机轰炸机热带树传感器节点传统的传感器工作特征12有线有线/ /无线连接无线连接 传感器接近感知对象传感器接近感知对象 传感器仅产生数据流传感器仅产生数据流 传感器无计算能力传感器无计算能力 无传感器间通信能力无传感器间通信能力第二阶段：无线传感器19991999年商业周刊将传感器网络年商业周刊将传感器网络列为二十一世纪最具影响的列为二十一世纪最具影响的2121项技术之一项技术之一 。二十世纪二十世纪80年代年代至至90年代之间年代之间第三阶段：无线传感器网络21世纪开始至今世纪开始至今20012001911911事件

6、事件20022002橡树岭实验室提出橡树岭实验室提出“网络就是传网络就是传感器感器”。2003200320062006美国美国技术评论技术评论杂志评出深远杂志评出深远影响人类未来生活的十大新兴技影响人类未来生活的十大新兴技术，传感器网络列为第一术，传感器网络列为第一 。我国发布我国发布国家中长期科学与技国家中长期科学与技术发展规划纲要术发展规划纲要。现有无线传感网的感知特征15User端端传感器网络覆盖传感器网络覆盖感知对象区域感知对象区域每个传感器完成其临近感知对象的观测每个传感器完成其临近感知对象的观测多传感器协同完成感知区域的大多传感器协同完成感知区域的大观测任务观测任务使用多跳路由算法

7、向用户报告使用多跳路由算法向用户报告观测结果观测结果User端端计算设备的演化过程16Computer Revolution0.5 oz, 2.25 x 1.25 x 0.25 inch25 lb, 19.5 x 5.5 x 16 inch14 mW 64 W $35 $6K (today)512 KB Flash160 KB Floppies128 KB RAM16-256 KB RAM4 MHz4.77 MHzMICAZ Mote (2005)Original IBM PC (1981)Wireless RevolutionSize reduction of cellular teleph

8、ones目录传感器网络的概念传感器网络的概念传感器网络的体系结构传感器网络的体系结构传感器网络的特征传感器网络的特征传感器网络的应用传感器网络的应用传感器网络的关键技术传感器网络的关键技术19传感器网络体系结构无线传感器网络作为下一代网络感知层中重要的无线传感器网络作为下一代网络感知层中重要的组成部分，起到组成部分，起到网络神经末梢作用网络神经末梢作用，负责实现对，负责实现对外界信息的感知及传递。外界信息的感知及传递。为实现下一代网络的信息互联及广泛应用，无线为实现下一代网络的信息互联及广泛应用，无线传感器网络需要传感器网络需要将信息转换为可为上层应用服务将信息转换为可为上层应用服务的标准形式

9、的标准形式，并能够以最低的成本有效地传递信，并能够以最低的成本有效地传递信息。息。无线传感器网络中无线传感器网络中, ,主要由智能传感节点完成信息主要由智能传感节点完成信息的感知及传递，而智能节点的的感知及传递，而智能节点的核心是各种功能高核心是各种功能高度集成的核心芯片度集成的核心芯片。20下一代网络体系结构21感知层感知层传输层传输层应用层应用层传感器网络结构22任务管理节点任务管理节点Internet、卫星或、卫星或移动通信网络等移动通信网络等汇聚节点汇聚节点监测区域监测区域传感器节点传感器节点用户用户WSWSN N网网络络结结构构传感网节点体系结构23各模块作用传感模块处理器模块通信模

10、块能量供应模块节点实例：节点实例：MoteLow-power (RF) transceiverLow-power (RF) transceiverMicrocontrollerMicrocontrollerOperating systemOperating systemCrossbow mote with batteryWSN网络协议栈能源管理平台：能源管理平台：p管理传感器节点如何使用能量 移动管理平台：移动管理平台：p检测和注册传感器节点的移动，维护到汇聚点的路由，使得传感器节点能够跟踪它的邻居 任务管理平台任务管理平台: :p在一个给定的区域内平衡和调度监测任务25物物 理理 层层数据链

11、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 量管理平台量管理平台移移 动动 管管 理平台理平台任务管理平台任务管理平台协议栈结构细化26IEEE 802.15.4Zigbee物联网背景下，IETF 6LowPAN 开始致力于传感网与互联网的端到端互联(IPv6)目录传感器网络的概念传感器网络的概念传感器网络的体系结构传感器网络的体系结构传感器网络的特征传感器网络的特征传感器网络的应用传感器网络的应用传感器网络的关键技术传感器网络的关键技术27传感器网络特征与无线网络的区别与无线网络的区别28无线网络：高QoS和高效的带宽利用WSN网络：高效的能源利用传感器节点限制电源能

12、量有限电源能量有限290 05 5101015152020传感器传感器处理器处理器发送发送接收接收空闲空闲睡眠睡眠功耗功耗/mW/mW通信通信计算和存储能力有限计算和存储能力有限pTelosB节点的微处理器MSP430的程序存储的空间只有10KB通信能力有限通信能力有限以数据为以数据为中心中心应用性应用性相关相关可靠性可靠性动态性动态性自组织自组织大规模大规模传感器网络的网络特征30无线传感网的网络特征.目录传感器网络的概念传感器网络的概念传感器网络的体系结构传感器网络的体系结构传感器网络的特征传感器网络的特征传感器网络的应用传感器网络的应用传感器网络的关键技术传感器网络的关键技术31传感器网

13、路的典型应用321.1.军事领域军事领域2.2.农业领域农业领域 3.3.环保检测环保检测 4.4.建筑领域建筑领域5.5.医疗领域医疗领域6.6.工业领域工业领域 7.7.智能家居智能家居 8.8.空间探索空间探索军事领域枪声定位系统枪声定位系统33沙地直线34 无线链路无线链路目标探测、目标探测、分类和跟踪分类和跟踪传感器节点传感器节点传感器节点部署指标与节点封装35农业领域36葡萄园环境监测葡萄园环境监测环境监测火山监测37大鸭岛海燕监测38无人干扰监测鸟 巢海 燕大 鸭 岛医院病房电子巡检39医院病房电子巡检40在病人身上安装带在病人身上安装带有射频标签的微型有射频标签的微型无线传感器

14、，动态无线传感器，动态感知病人信息。感知病人信息。医院病房电子巡检41病房外的医生病房外的医生携带携带PDAPDA等通等通讯设施讯设施医院病房电子巡检42得知病人病情后，得知病人病情后，医生将通知值勤护医生将通知值勤护士或者急救人员前士或者急救人员前往病房救助往病房救助智能家居43监测节点监测节点智能家居44穿戴具有感知设备衣服，穿戴具有感知设备衣服，一旦发现人体状况异常时，一旦发现人体状况异常时，会向房间内的节点发出信会向房间内的节点发出信号号建筑领域45桥梁监测桥梁监测广州电视塔广州电视塔智能交通领域46智能停车场47智能围界48目录传感器网络的概念传感器网络的概念传感器网络的体系结构传感

15、器网络的体系结构传感器网络的特征传感器网络的特征传感器网络的应用传感器网络的应用传感器网络的关键技术传感器网络的关键技术49关键技术50MACMAC协议协议 路由协议路由协议无线通信技术无线通信技术 网络安全网络安全 时间同步时间同步 定位技术定位技术 数据融合数据融合 网络安全网络安全网络拓扑控制网络拓扑控制 嵌入式操作系统嵌入式操作系统 通信与组网通信部分：通信部分： 物理层和物理层和MACMAC层层通信部分通信部分p物理层和MAC层p目的：解决数据传输的问题组网部分组网部分p网络层和传输层p建立可靠且具有严格功耗的网络51物理层物理层的概念物理层的概念p物理层为建立、维护和释放数据链路实

16、体之间的二进制比特传输的物理连接，提供机械的、电气的、功能的和规程性的特性p作用：屏蔽物理设备和传输介质的差异p目的：透明传输p功能：提供传输通道；传输数据；其他物理层主要技术物理层主要技术p介质和频段的选择p调制技术与扩频技术52物理层技术传输媒体传输媒体p建议采用ISM （工业、科学和医学）频段l短距离的无线低功率通信最适合传感器网络p红外l不需要许可证，抗干扰l要求收发双方在视线之内p光l不排除用光作为通信媒体频率选择，载频发生，信号检测，调制，数据加密频率选择，载频发生，信号检测，调制，数据加密53MAC层通过一组规则和过程来有效、有序和公平通过一组规则和过程来有效、有序和公平的使用共

17、享介质。的使用共享介质。设计设计MAC协议时考虑协议时考虑p节省能量p可扩展性p网络效率（公平性、带宽利用率、延时性能）54MAC协议: 能量消耗的来源能量消耗的主要来源能量消耗的主要来源: :p碰撞Collisionsp无意偷听Overhearingp控制包开销Control packet overheadp空闲侦听Idle listening好的扩展能力和冲突避免机制是必须的好的扩展能力和冲突避免机制是必须的网络层互联网络从源节点到目的节点传输信息的互联网络从源节点到目的节点传输信息的行为，并且信息至少通过一个中间节点。行为，并且信息至少通过一个中间节点。功能功能p优化路径p正确转发特点特

18、点p能量优先p基于局部拓扑信息p以数据为中心p应用相关56传输层当传感器网络中的系统需要接入当传感器网络中的系统需要接入Internet Internet 或或其它外部网络时，传输层的功能是必要的其它外部网络时，传输层的功能是必要的目前关于传感器网络传输层机制和协议的目前关于传感器网络传输层机制和协议的建议很少建议很少存在的问题存在的问题p硬件的限制（例如有限的电能和存储量）使传感器节点不能像Internet中的服务器那样存储大量的数据pTCP的应答方式开销太大p将来有可能在传感器网络中使用类似于UDP的协议，而在Internet和卫星网络中使用TCP/UDP协议一种一种TCPTCP分段（分段

19、（TCP splittingTCP splitting） 的方法可能使的方法可能使传感器网络和其它网络（如传感器网络和其它网络（如Internet)Internet)互通互通传输层（TCP分段）应用层协议还处于探索阶段应用层协议还处于探索阶段三种可能的应用层协议三种可能的应用层协议p传感器管理协议 Sensor management protocol (SMP)p任务分配和数据通告协议 task assignment and data advertisement protocol (TADAP)p传感器询问和数据分发协议 Sensor query and data dissemination

20、protocol (SQDDP)应用层支撑技术1-时间同步时间同步是传感器网络的基本功能时间同步是传感器网络的基本功能pMAC/跟踪/监测时间同步需要的多样性时间同步需要的多样性p传感器网络时间同步的性能参数l最大误差l同步期限l同步范围l效率l代价和体积支撑技术2-定位机制定位是传感器网络的基本功能定位是传感器网络的基本功能p报告事件发生的地点p目标跟踪和定位p协助路由p进行网络管理特殊性特殊性p体积、成本（GPS不能普遍适用）p能耗有限、可靠性差p节点的规模大、随机布放p无线模块通信距离有限p环境要求（室内、室外）无线传感网的重大意义WSN是涉及多学科高度交叉、知识高度集成的前是涉及多学科

21、高度交叉、知识高度集成的前沿热点研究领域沿热点研究领域影响力影响力p美国商业周刊和MIT技术评论在预测未来技术发展报告中:21世纪最有影响的21项技术和改变世界的10大技术之一p未来3大高科技产业：传感器网络、塑料电子学和仿生人体器p商业周刊 预测的未来4大新技术：效用计算、传感器网络、塑料电子学和仿生人体器官延伸人类对环境的感知触角延伸人类对环境的感知触角62改变世界的十个新兴技术未来四大高技术将掀起新产业浪潮国外发展现状 在美国军方、美国国家自然科学基金和一些跨国企业的支持在美国军方、美国国家自然科学基金和一些跨国企业的支持下，美国在下，美国在9090年代初便开展了无线传感器网络的研究和开发年代初便开展了无线传感器网络的研究和开发。p1993-1999年间由美国国防高级研究计划署(DARPA)资助，加州大学洛杉矶分校(UCLA)承担的WINS项目；p1999-2001年间由 DAPRA资助，UC Berkeley承担的Smart Dust项目p1998-2002年DARPA资助，加州大学伯克利分校等25个机构联合承担的SensIT计划；p1999-2004年间海军研究办公室的SeaWeb计划等。 成果成果pBerkeley Motes、Berkeley Piconodes、Sensor