无线传感器学习

无线传感器学习第1页/共68页提要第1部分第2部分第3部分第4部分第5部分概要体系结构关键技术应用展望22023/4/13第2页/共68页提要第1部分第2部分第3部分第4部分第5部分概要体系结构关键技术应用展望32023/4/13第3页/共68页无线传感器网络是计算机、通信、传感器、微机电系统和网络等多项技术相结合的产物。概要42023/4/13第4页/共68页概要具有远程的（remote）、现场的（insitu）信息获取和处理能力能实现已有传统技术难以实现的细微物理或环境现象感知能力不依赖于固定通信基础设施的自治特性无线传感器网络具有广阔的应用前景！52023/4/13第5页/共68页美国MIT技术评论（2003年）“无线传感器网络是在不远的将来会产生巨大影响的十种新兴技术之一，它将很快改变计算、医疗、制造、运输和能源基础设施”概要62023/4/13第6页/共68页美国商业周刊“无线传感器网络将是21世纪最有影响的21项技术之一”（1999年）将其与公用计算（UtilityComputing）、塑料电子学（PlasticElectronics）和仿生人体器官（BionicBodies）称为全球未来四大高技术产业（2003年）概要72023/4/13第7页/共68页概要传感器，

激励器供电设备处理器无线收发器智能微尘（美国国防部在1999年展开研发）：在一立方毫米的范围内包含了从信息收集、信息处理到信息发送的所有必需部件，能够形成自动组织的无线传感器网络。82023/4/13第8页/共68页提要第1部分第2部分第3部分第4部分第5部分概要体系结构关键技术应用展望92023/4/13第9页/共68页

处理能力无线通信能力感知能力无线传感器网络定义无线传感器网络（WirelessSensorNetworks）是由具有感知、处理和无线通信能力的微型节点通过自组织方式形成的网络。102023/4/13第10页/共68页无线传感器网络体系结构Internet、卫星或移动通信网络等网关（汇聚节点，Sinknode）大规模的应用可能使用多个网关使用多种方式与外部网络通信，如Internet、卫星或移动通信网络等传感器节点既是信息包的发起者，也是信息包的转发者。监控中心11无线传感器网络通常包括传感器节点(sensornode)、汇聚节点(sinknode)和监控中心节点2023/4/13第11页/共68页传感器节点

通常是一个微型的嵌入式系统，它的处理能力、存储能力和通信能力相对较弱，通过携带能量有限的电池供电。进行本地信息收集和数据处理可靠的数据传输对其他节点转发来的数据进行存储、管理和融合与其他节点协作完成一些特定任务。2023/4/1312第12页/共68页汇聚节点

汇聚节点的处理能力、存储能力和通信能力相对比较强。连接传感器网络与Internet等外部网络实现内部与外部网络协议栈之间的通信协议转换发布监控中心节点要求的监测任务把收集的数据转发到外部网络上

汇聚节点既可以是一个具有增强功能的传感器节点，有足够的能量供给和更多的内存与计算资源，也可以是没有监测功能仅带有无线通信接口的特殊网关设备。2023/4/1313第13页/共68页1.传感器节点结构传感器节点结构传感器模块：

负责监测区域内信息的采集和数据转换处理器模块：

负责控制整个传感器节点的操作，存储和处理本身采集的数据以及其他节点发来的数据无线通信模块：

负责与其他传感器节点进行无线通信，交换控制消息和收发采集数据能量供应模块：

传感器节点提供运行所需的能量，通常采用微型电池2023/4/1314第14页/共68页传感器节点结构2023/4/1315第15页/共68页无线传感器传感器节点（三代）第一代（二十世纪八十年代-九十年代）第二代（2000-现在）第三代（约2010）生产方式定制，如（TRSS：TACTICALREMOTESENSORSYSTEMS，战术远程传感系统）商业：Crossbow公司、Sensoria公司、Ember公司等Dust公司等尺寸鞋盒以上大小手掌至一元硬币大小灰尘颗粒大小重量数千克数克可忽略不计节点架构感知、处理和通信模块分开集成感知、处理和通信模块集成感知、处理和通信模块拓扑端到端（Point-to-Point），星型客户-服务器，点到点（Peer-to-Peer）点到点（Peer-to-Peer）能量供应大容量电池AA电池太阳能生命周期数天或更长数天至数周数月至数年部署方式车载或空投手工部署嵌入式，喷撒发展历程162023/4/13第16页/共68页

MoteWorks软件平台MoteWorks硬件平台发展历程172023/4/13第17页/共68页

发展历程182023/4/13第18页/共68页

节点网关软件带照相机的节点带显示屏的节点发展历程192023/4/13第19页/共68页

/research/exploratory/motes.htm发展历程202023/4/13第20页/共68页

/发展历程212023/4/13第21页/共68页

宁波中科集成电路设计中心（中科院计算所宁波分所）发展历程222023/4/13第22页/共68页传感器节点的限制电池能量有限1通信能力有限2计算和存储能力有限32023/4/1323第23页/共68页

平面结构（对等式结构）：所有节点的地位平等

分级结构：网络被划分为簇（Cluster），每一个簇由一个簇头和多个簇成员组成。2.无线传感器网络体系结构242023/4/13第24页/共68页根据传感器节点在使用中是否移动，可将无线传感器网络分为：静态（非移动性）网络：节点布置在监测区域内，根据用户的要求，可对各种环境或物体参数进行测量动态（移动性）网络：传感器节点一般处于移动状态中（如被安置在可移动的物体上）目前大多数是静态网络。2.无线传感器网络体系结构252023/4/13第25页/共68页自组织网络的建立和节点间通信不依赖于固定的通信基础设施，而通过分布式网络协议实现组网，自动调整以适应节点的移动、加入和退出、剩余电量和无线传输范围的变化等。节点能力有限由于低成本、低能耗、体积小、野外部署等要求，传感器节点在供电、计算、存储、通信等方面的能力比较受限。规模大传感器网络可能包含多达上千个甚至上万个节点。高冗余为了保证网络的可用性和生存能力，传感器网络通常具有较高的节点和网络链路冗余，以及采集的数据冗余。流量不均衡传感器网络中流向处理中心的数据量往往远大于反方向的流量。数据流向处理中心并在处理中心集中，会出现离处理中心越近，节点负载越重的现象。无线传感器网络特点262023/4/13第26页/共68页空间位置寻址传感器网络节点不必具有全球惟一的标识，不必采用Internet的IP寻址。用户可不关心数据采集于哪一个节点，而关心数据所属的空间位置，因此可采取空间位置寻址方式。拓扑易变化传感器网络节点的功率控制、剩余电量下降，以及应用需要使有些节点可能进入休眠状态等因素，将引起网络工作节点在数目和分布上的变化，导致拓扑改变。数据融合传感器网络在数据传输过程中，通常要求中间节点能将来自多个传感器的相关数据进行融合，再传送给处理中心。无线传感器网络特点272023/4/13第27页/共68页3无线传感器网络协议无线传感器网络自身的特点决定了它不能完全使用目前已经存在的一些标准协议，例如IEEE802.11已有研究在无线传感器网络使用TCP/IP相关协议（国家发改委下一代互联网示范工程项目“IPv6无线传感器网络节点”）国外的研究工作者为无线传感器网络的各个层次都提出了一些解决方案，但是总的来说，到目前为止并没有形成较多被广泛认可的协议传输层数据链路层网络层物理层282023/4/13第28页/共68页无线传感器网络协议：物理层物理层负责载波频率产生、信号的调制解调等工作节点设计利用可获得的元器件构建传感器节点，如围绕TinyOS项目所设计的系列硬件平台；采用MEMS和集成电路技术，设计高度集成化传感器节点，如智能微尘、无线集成网络传感器(WINS)

无线传感器网络的载波媒体可能的选择包括红外线、激光和无线电波。传输层数据链路层网络层物理层292023/4/13第29页/共68页无线传感器网络协议：数据链路层数据链路层负责媒体访问和错误控制错误控制

媒体访问控制协议（MAC）媒体访问协议保证可靠的点对点和点对多点通信。以竞争为基础的MAC协议基于预约的MAC协议研究现状：B-MAC(BerkeleyMAC)

、

S-MAC(SensorMAC)、T-MAC(

TimeoutMAC)

、P-MAC(PatternMAC)

、Z-MAC(ZebraMAC)等传输层数据链路层网络层物理层302023/4/13第30页/共68页无线传感器网络协议：网络层网络层协议主要负责路由发现和维护。无线传感器网络路由协议按照最终形成的拓扑结构，可以划分为平面路由协议和分级路由协议。平面路由协议优点：节点地位平等，原则上不存在瓶颈问题。缺点：可扩充性差，维护动态变化的路由需要大量的控制信息。分级路由协议优点：簇成员的功能比较简单，不需要维护复杂的路由信息，可扩充性好。缺点：簇头节点可能会成为网络的瓶颈。传输层数据链路层网络层物理层312023/4/13第31页/共68页无线传感器网络协议：传输层传输层负责将传感器网络的数据提供给外部网络。传感器网络节点硬件条件的限制使传输层协议的开发存在一定的困难，每个节点难以如同Internet上服务器那样存储很多的信息。目前已经开发出的一些演示系统中，一般采用一个特殊的节点作为网关，其硬件配置和电源供给有别于普通节点，网关使用卫星、移动通信网络、Internet或者其它的链路与外部网络通信。传输层数据链路层网络层物理层322023/4/13第32页/共68页IEEE802.15.4/ZigBee协议为低速率的无线个人局域网设计，由IEEE802.15.4标准的PHY和MAC层再加上ZigBee的网络和应用支持层所组成的。其突出的特点：网络系统支持极低成本易实现可靠的数据传输短距离操作极低功耗各层次的安全性等物理层2.4GHz915MHz868MHzMAC层网络层应用接口应用CustomerIEEE802.15.4安全无线传感器网络协议：参考标准332023/4/13第33页/共68页提要第1部分第2部分第3部分第4部分第5部分概要体系结构关键技术应用展望342023/4/13第34页/共68页路由技术（1）面临的问题和挑战：（1）传感器网络的低能量特点使节能成为路由协议最重要的优化目标。（2）传感器网络的规模更大，要求其路由协议必须具有更高的可扩展性。（3）传感器网络拓扑变化性强，通常的Internet路由协议不能适应这种快速的拓扑变化。（4）数据融合的特点使传感器网络的路由不同于一般网络。（5）传感器网络中通信不对称，流量分布不均匀。

352023/4/13第35页/共68页路由技术（2）

研究现状：平面路由协议对候选路径的能耗做出估计，并根据一定的策略选择最佳路由从网络的应用模式出发，进行以数据为中心的路由定向扩散(directeddiffusion)SPIN（SensorProtocolforInformationviaNegotiation）分级路由协议LEACH、DCHS、PEGAGIS、DAEA、HEED、CEFL、ACMWN、ACE、EECS、LSCP、TEEN、APTEEN、ECMR等362023/4/13第36页/共68页拓扑管理

拓扑管理：包括拓扑的发现和控制，使生成的网络拓扑满足一定的性质，以延长网络生命周期，降低网络干扰，提高吞吐率。研究进展功率控制：COMPOW、LINT/LILT、LMN/LMA、CBTC、LMST、RNG、DRNG和DLSS等；层次拓扑控制：TopDisc、GAF、LEACH、HEED等现有研究存在的问题用于建模无线传感器网络的模型过于理想化。节点的分布假设过于理想化。安放无线传感器的区域假设过于理想化。372023/4/13第37页/共68页部署与覆盖

根据被监测的区域或目标的分布情况，对节点部署进行规划，保证网络完全覆盖或以较大概率覆盖被监测区域。部署方式确定部署：需要对网络的物理环境有预先的了解，而且每个部署位置都必须可达，通常适用于工业控制、智能家居等应用中；随机部署：通常用于战场等危险或恶劣的环境。覆盖对象

（a）区域覆盖、（b）点覆盖、（c）栅栏覆盖382023/4/13第38页/共68页数据管理数据管理是确定传感器网络可用性和有效性的关键技术。研究进展数据存储和索引：基于地理散列表的方法、DIMENSIONS、DIFS、DIM等数据融合：目前研究集中在聚集算法，包括网络层聚集算法和应用层聚集算法等，这些一般与路由技术（定向扩散、LEECH、TEEN等）紧密结合；数据查询处理与优化：目前研究集中在连续查询和近似查询的优化处理技术。典型系统加州大学伯克利分校TinyDB康奈尔大学COUGAR系统

392023/4/13第39页/共68页安全技术

无线传感器网络的广泛应用，尤其在军事和商业等领域，需要解决安全问题。安全问题

主要存在选择转发、Hello洪泛、女巫攻击、告知收到欺骗、DoS、污水池、蠕虫洞、篡改或重发路由信息等研究进展密钥管理、身份认证和数据加密TinySec、SensorWare、SPINS、LEAP、基于ECC（椭圆曲线密码）的密钥生成协议安全路由协议：对网络入侵具有抵抗力的路由协议INSENS安全聚集对抗攻击入侵检测402023/4/13第40页/共68页应用操作系统应用操作系统中间件

应用开发平台编译系统工具软件技术412023/4/13第41页/共68页

设计无线传感器的操作系统需要满足传统嵌入式系统对于资源受限、可移植性、实时性等方面的需求自适应可信赖：包括可靠性、容错性、安全和私密性、易用性等；可升级节能

目前对无线传感器操作系统的研究集中在资源约束上，主要是采用各种简单有效的运行模式：事件模型、线程模型、状态机模型等软件技术:操作系统（1）422023/4/13第42页/共68页软件技术:操作系统（2）1TinyOS2MANTISOS3SOS4Contiki432023/4/13第43页/共68页软件技术:操作系统（3）1TinyOSTinyOS是一个开源的无线传感器网络嵌入式操作系统。它是采用基于组件的体系结构。TinyOS的程序采用的是模块化设计，程序核心一般很小（核心代码和数据大概在400Bytes左右），能够突破传感器存储资源少的限制，有效运行在无线传感器网络上。TinyOS目标是用最少的硬件支持网络传感器的并发密集型操作。442023/4/13第44页/共68页提要第1部分第2部分第3部分第4部分第5部分概要体系结构关键技术展望应用452023/4/13第45页/共68页6.传感器网络的应用传感器网络战场评估生活习性监测地震监测深海监控医疗状况监控目标跟踪和检测小区安全监控精细农业森林火灾监控462023/4/13第46页/共68页6.传感器网络的应用

无线传感器网络应用实例展示智能家居

厂房设备及环境监控

精细农业种植

医院病房电子巡检472023/4/13第47页/共68页无线传感器网络应用举例—医院病房电子巡检482023/4/13第48页/共68页无线传感器网络应用举例—医院病房电子巡检在病人身上安装带有射频标签的微型无线传感器，动态感知病人信息。492023/4/13第49页/共68页无线传感器网络应用举例—医院病房电子巡检病房外的医生携带PDA等通讯设施。502023/4/13第50页/共68页无线传感器网络应用举例—医院病房电子巡检得知病人病情后，医生将通知值勤护士或者急救人员前往病房救助。512023/4/13第51页/共68页智能家居

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医院病房电子巡检522023/4/13第52页/共68页无线传感器网络应用举例—精细农业种植532023/4/13第53页/共68页无线传感器网络应用举例—精细农业种植农场监控中心实时监控农场信息，耕作者及时了解农场温度、光照度、土壤酸碱度等，以便对农作物的生长情况进行控制。542023/4/13第54页/共68页智能家居

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医院病房电子巡检552023/4/13第55页/共68页无线传感器网络应用举例—智能家居监测节点562023/4/13第56页/共68页无线传感器网络应用举例—智能家居穿戴有数据衣等感知设备的人体感知到人体状况异常时，会向房间内的节点发出信号。572023/4/13第57页/共68页智能家居

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医院病房电子巡检582023/4/13第58页/共68页无线传感器网络应用举例—厂房设备及环境监控592023/4/13第59页/共68页无线传感器网络应用举例—厂房设备及环境监控监控人员发现厂房设备及环境有异常情况时，通知相关负责人迅速到达故障地点。602023/4/13第60页/共68页提要第1部分第2部分第3部分第4部分第5部分概要体系结构关键技术应用展望612023/4/13第61页/