物联网技术与应用：第4章 无线传感器网络技术---概述

1、第4章 无线传感器网络技术第1讲 无线传感器网络技术概述什么是无线传感器网络（Wireless Sensor Networks, WSN）？WSN的体系结构？WSN的基本特点？WSN发展现状和趋势？WSN面临的挑战？泛在网问题引入物联网无线传感器网问题引入物流中应用案例远程监控中心用户车载智能终端GPSGPRSGPRS温湿度传感器节点什么是无线传感器网络（WSN）？第一种解释，由部署在观测环境附近的大量的微型廉价低功耗的传感器节点组成，通过无线通信方式形成一个多跳的无线网络系统。第二种解释，大规模、无线、自组织、多跳、无分区、无基础设施支持的网络，其中的节点是同构的、成本较低、体积较小、大部分

2、节点不移动、被随意撒布在工作区域，要求网络系统有尽可能长的工作时间。三个基本要素：传感器、感知对象、观察者。基本功能：协作地感知、采集、处理和发布感知信息。传感器网络的发展过程第一代 第二代 第三代监测系统由智能传感器和传感控制器组成，传感器和传感控制器之间采用串口、并口相连。传感器与传感控制器采用现场总线型的方式相互连接。 第四代由具有点对点信号传输功能的传感器节点组成的监测系统。WSN的影响力美国的技术评论杂志评选无线传感器网络是对人类生活产生深远影响的十大新兴技术之一。美国的商业周刊将无线传感器网络定位为21世纪高技术领域中的四大支柱型产业之一。美国的今日防务杂志认为无线传感器网络的应用

3、和发展，将引起一场划时代的军事技术革命和未来战争的变革。我国的发展现状无线传感器网络于1999年首次出现于中国科学院知识创新工程试点领域方向研究的信息与自动化领域研究报告中，作为该领域提出的五个重大项目之一。2001年中科院依托上海微系统研究与发展中心，引领院内的相关工作，并通过该中心在无线传感器网的方向上陆续部署了若干重大研究项目和方向性项目，初步建立了传感器网络系统平台，于2004年9月在北京演示了相关成果。2006年初发布的国家中长期科学与技术发展规划纲要为信息技术定义了3个前沿方向，其中2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。我国2010年远景规划和“十五”计划中，

4、将WSN列为重点发展的产业之一。无线传感器网络体系结构Internet/StatelineSinkSensor NodesManagement Station无线传感器网络主要组成传感器节点（Sensor Node）功能：采集、处理、控制和通信等网络功能：兼顾节点和路由器资源受限：存储、计算、通信、能量汇聚节点（Sink Node）功能：连接传感器网络与Internet等外部网络，实现两种协议栈之间的通信协议转换，发布管理节点的监测任务，转发收集到的数据特点：连续供电、功能强、数量少无线传感器网络主要组成传感器节点（Sensor Node）功能：采集、处理、控制和通信等网络功能：兼顾节点和路由

5、器资源受限：存储、计算、通信、能量无线传感器网络的形成无线传感器网络拓扑网络拓扑定义网络中各个节点互相连接的方法和形式。网络拓扑控制与优化的意义：影响整个网络的生存期；减少节点间通信干扰，即节点传输半径控制；为路由协议提供基础。无线传感器网络拓扑 平面网络结构 分级网络结构 Mesh网络结构 混合网络结构网络拓扑定义网络中各个节点互相连接的方法和形式。无线传感器网络拓扑平面结构 所有节点的地位是平等的，即对等结构，每个节点包含相同的MAC、路由、管理和安全等协议。每个节点都可以向一定范围的节点通信，容易维护，较好的健壮性。 由于没有中心管理节点，每个节点必须维护庞大的路由记录，而且维护这些路由

6、信息需要占用有限的网络带宽。无线传感器网络拓扑分级结构 网络不需要维护复杂的路由信息，拓扑结构扩展性好，具有很强的容错性。 缺点是集中管理开销大，硬件成本高，一般传感器节点之间可能不能够相互之间通信。无线传感器网络拓扑Mesh结构 Mesh网络结构任意节点之间存在多条路由路径，网络对于单点或单个链路故障具有较强的容错能力。Mesh网络结构最大的优点是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。无线传感器网络的特点无中心互相协作大规模自组织多跳路由动态可靠以数据为中心与应用相关无线传感器网络是一种无中心节点的全分布系统，通过随机

7、投放的方式，众多传感器节点被密集部署于监控区域。无线传感器网络的特点无中心互相协作大规模自组织多跳路由动态可靠以数据为中心与应用相关传感器节点具有良好的协作能力，通过局部的数据交换来完成全局任务。无线传感器网络的特点无中心互相协作大规模自组织多跳路由动态可靠以数据为中心与应用相关为了获取精确信息，在监测区域通常部署大量传感器节点，传感器节点数量可能达到成千上万，甚至更多。无线传感器网络的特点无中心互相协作大规模自组织多跳路由动态可靠以数据为中心与应用相关在无线传感器网络应用中，传感器节点通常被放置在没有基础结构的地方，这样就要求传感器节点具有自组织能力，能够自动进行配置和管理。无线传感器网络的

8、特点无中心互相协作大规模自组织多跳路由动态可靠以数据为中心与应用相关网络中节点通信距离有限，节点只能与它的邻居直接通信，如果希望与其射频覆盖范围之外的节点进行通信，则需要通过中间节点进行路由。无线传感器网络的特点无中心互相协作大规模自组织多跳路由动态可靠以数据为中心与应用相关无线传感器网络的拓扑结构可能因为多种因素而改变，这就要求无线传感器网络系统要能够适应多种变化，具有动态的系统重构性。无线传感器网络的特点无中心互相协作大规模自组织多跳路由动态可靠以数据为中心与应用相关无线传感器网络的通信保密性和安全性也十分重要，要防止监测数据被盗取和获取伪造的监测信息，因此，传感器网络的软硬件必须具有鲁棒

9、性和容错性。无线传感器网络的特点无中心互相协作大规模自组织多跳路由动态可靠以数据为中心与应用相关用户使用无线传感器网络查询事件时，直接将所关心的事件通告给网络，而不是通告给某个确定编号的节点，网络在获得指定事件的信息后汇报给用户。无线传感器网络的特点无中心互相协作大规模自组织多跳路由动态可靠以数据为中心与应用相关不同的无线传感器网络应用关心不同的物理量，因此对传感器的应用系统也有多种多样的要求。无线传感器网络的挑战电源能量有限1挑战1如何高效使用能量来最大化网络生命周期是传感器网络面临的首要挑战！无线传感器网络的挑战通信能力有限2挑战2如何在如此有限通信能力的条件下，高质量地完成感知数据的查询

10、、分析、挖掘与传输？节点带宽窄，而且经常变化节点通信覆盖范围只有几十到几百米，受环境影响大。无线传感器网络的挑战计算和存储能力有限3挑战3如何利用有限的计算和存储资源完成诸多协同任务？传感器网络中的传感器节点通常都具有嵌入式处理器和存储器，但是它的处理器性能、存储容量都很有限。无线传感器网络的挑战多源、多跳的主要通信方式4挑战4如何为多源信息传输选择优化通信路径？多个传感器节点向一个目标传送信息一次多源信息传输需要多条由多个传感器节点组成的路径。无线传感器网络的其他挑战 传感器的投放和撒播技术； 传感器的定位问题； 时钟同步问题； 组网连通可靠性和探测覆盖率研究； 传感器网络安全性和抗干扰问题

11、研究； 信号的协作处理； 无线传感器网络的性能评价能源有效性 能源有效性是指该网络在有限的能源条件下能够处理的请求数量，能源有效性是传感器网络的一项重要性能指标。无线传感器网络的性能评价能源有效性能耗控制 能耗控制中最直接的评价标准是网络生命周期，影响网络生命周期的因素很多，其中硬件因素包括CPU、存储器、无线通信模块的能耗；软件因素包括通信协议栈的设计、基于应用的数据融合算法等。在设计传感器网络的软硬件时，必须充分考虑能源有效性，最大化网络生命周期。无线传感器网络的性能评价能源有效性能耗控制时间延迟 无线传感器网络的时间延迟是指当观察者发出请求到其接收到回答信息所需要的时间，时间延迟与应用密切相关，直接影响传感器网络的可用性和应用范围。无线传感器网络的性能评价能源有效性能耗控制时间延迟感知精度 感知精度是指观察者接收到的感知信息的精度，传感器的感知能力、精度、节点的信息处理方法、网络通信协议、通信能力等都对感知精度有所影响。无线传感器网络的性能评价能源有效性能耗控制时间延迟感知精度可扩展性 传感器网络的可扩展性表现在传感器数量、网络覆盖区域、生命周期、