专题2无线传感器网络概述

专题2无线传感器网络概述第一页，共76页。物联网系统框架物联网技术框架采集物理世界中发生的物理事件和数据，包括各类物理量、标识、音频、视频数据。物联网的数据采集涉及传感器、RFID、多媒体信息采集、二维码和实时定位等技术。2第二页，共76页。物联网系统框架3第三页，共76页。物联网的技术路线物联网包括信息汇聚、协同感知和泛在聚合三个阶段泛在聚合协同感知信息汇聚将分布干多区域的、利用多种感知技术手段所采集的信息进行汇聚，通过移动通信网络将感知信息汇聚到业务应用系统，集中进行信息的处理与共享，并提供信息应用服务。有待突破的关键技术包括：传感器设计与实现、短距离无线传输技术、低功耗技术、电磁兼容技术等，以实现相关信息采集、汇聚设备的小型化、低功耗、低成本、国产化和绿色环保。以事件、任务和目标为驱动进行感知、网络和应用各个层面的协同工作，系统具备分布式、跨层次、自学习的协同处理能力，提供智能、精确的多元化信息服务。有待突破的关键技术包括：任务驱动的大规模自治组网技术、上下文感知技术、移动通信网络与无线传感器网络无缝融合技术、海量信息处理技术等泛在的感知服务将海量信息进行聚合，产生出新的有应用价值的信息，即物联网广泛应用干各个领域，实现任何人、任何物体、任何时间、任何地点的互联互通，引发新的应用和服务模式。有待突破的基础理论和关键技术包括：信息聚合理论、模糊控制技术、泛在异构网络、人工智能、仿生学传感器、纳米材料、生物芯片等4第四页，共76页。核心技术无线传感器网络技术（WSN/Zigbee）：是物联网发展的核心产业射频识别（RFID）技术传感器技术无线通信技术5第五页，共76页。无线传感器网络技术6第六页，共76页。影响力美国商业周刊和MIT技术评论在预测未来技术发展报告中将无线传感器网络列为21世纪最有影响的21项技术和改变世界的10大技术之一。传感器网络被列为未来3大高科技产业一。美国的《技术评论》将无线传感器网络列为第一项未来新兴技术。商业周刊》预测的未来4大新技术中，无线传感器网络也列入其中等。7第七页，共76页。国外：起源于美国，根源可追溯到1978年由国防部高级研究计划署（DARPA）在卡内基-梅隆大学发起的分布式传感器研讨会。具有代表性的项目包括：1993-1999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；1999-2001年间由DAPRA资助UC

Berkeley承担的Smart

Dust项目。1998-2002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；

1999-2004年间海军研究办公室的SeaWeb计划等。8第八页，共76页。在国内中国科学技术大学、清华大学、中科院计算所、上海微系统所、沈阳自动化所以及合肥智能所等研究单位。物联网的概念逐步火爆，催生了WSN的飞速扩展其广阔的应用前景和对社会生活的巨大影响是WSN发展的根本动力很多科研院所开展了这方面的研究，很多企业开展了这方面的应用和推广，形成了产学研，供需密切配合的一个庞大的产业链9第九页，共76页。概述无线传感器网络是一种新型的信息获取系统，是由部署在监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、自组织的网络系统，其目的是协作地监测、感知和采集网络覆盖区域内各种感知对象的信息，并对这些信息进行处理10第十页，共76页。组成WSN的组成WSN节点(Sensornode)汇聚节点(Sinknode)PC，或通过Internet向客户端传输数据SinkNodePCInternet11第十一页，共76页。WSN节点功能：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、数量少等12第十二页，共76页。传感器节点传感器模块：信息采集、数据转换处理器模块：控制、数据处理、网络协议无线通讯模块：无线通信，交换控制信息和收发采集数据能量供应模块：提供能量13第十三页，共76页。视频分享：物联网典型硬件平台——处理器的应用MSP430智能小车（物联网视频\小车综合视频）CC2540（物联网视频\cc2540芯片介绍）基于ZigBee、Wifi物联网智能机器人平台演示视频14第十四页，共76页。3典型工作方式WSN典型工作方式用飞行器将大量传感器节点抛撒到感兴趣区域，各传感器节点通过自组织的方式快速形成一个无线网络。节点既是信息的采集和发出者，也充当信息的路由者采集的数据通过多跳路由到达汇聚节点或网关，汇聚节点或网关可以通过Internet、移动通信网络、卫星等与监控中心通信，也可以利用无人机飞越网络上空，通过网关采集数据。

15第十五页，共76页。4WSN面临的挑战通信能力有限节点带宽窄，而且经常变化节点通信覆盖范围只有几十到几百米，而且经常变化。挑战之一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、分析、挖掘与传输？在传感器网络环境下，发现最小化算法通信复杂性的机理是我们面临的第一个挑战问题！第十六页，共76页。4WSN面临的挑战多源、多跳是主要通信方式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挑战之二如何为多源信息传输选择优化通信路径？在传感器网络环境下，建立选择优化或近似优化通信路径的理论是我们面临的第二个挑战问题！第十七页，共76页。4WSN面临的挑战节点移动、断接频繁挑战之三通信路径重构成为突出问题？路由算法必须具有自适应性？如何建立网络随机连通性的数据理论，为通信路径重构和自适应路由算法设计奠定坚实理论基础是我们面临的第三个挑战问题？第十八页，共76页。电源能量有限传感器的电源能量极其有限由于电源能量的原因经常失效或废弃电源能量约束是传感器网络应用的障碍现有电源部件不能满足传感器网络的需要传感器传输信息比执行计算更消耗电能传感器传输1位信息需要的电能足以执行3000条计算指令挑战之四如何传感器网络在工作过程中节省能，实现能源均衡，最大化网络生命周期？建立能源复杂性和能源均衡理论是我们面临的第四个挑战性问题！4WSN面临的挑战第十九页，共76页。计算能力有限传感器网络中传感器通常都具有嵌入式处理器和存储器，具有计算能力但是，处理器性能、存储器容量和能源都很有限，导致传感器的计算能力十分有限挑战之五

如何使用大量具有有限计算能力的传感器设计能源有效的高性能分布式算法?

设计同时最小化能源、时间、空间和通信复杂性的分布式算法是我们面临的第五个挑战性问题！第二十页，共76页。传感器数量大、分布范围广传感器网络中传感器节点密集，数量巨大，可能达到几百、几千万，甚至更多传感器网络可以分布在很大区域，也可以分布在险恶环境下传感器数量大、分布广的特点使得网络的维护十分困难甚至不可维护挑战之六如何使传感器网络软硬件具有高强壮性和容错性是我们面临的第六个挑战性问题！第二十一页，共76页。大规模分布式触发器很多传感器网络需要对感知对象进行控制（如温度控制）传感器需要配备回控装置和控制软件我们称回控装置和控制软件为触发器挑战之七如何管理成千上万分布式触发器是我们面临的第七个挑战性问题？第二十二页，共76页。感知数据流无限传感器网络每个传感器都产生无限的流式数据，并具有实时性每个传感器仅具有有限的存储器和计算资源，难以处理巨大的实时数据流挑战之八如何设计高效率、能源有效、实时的海量感知数据流的查询、分析和挖掘的分布式算法？第二十三页，共76页。以数据为中心传感器网络不是通常的网络用户感兴趣的是数据而不是网络和传感器硬件用户很少询问“A节点到B节点的连接是如何实现的？”用户经常询问“网络覆盖区域中那些地区出现毒气？”传感器网络不是以地址为中心的用户不会询问“地址为27的传感器的温度是多少？”用户感兴趣是“某个地理位置的温度是多少？”数据传输以聚集方式进行,而不是地址到地址的路由第二十四页，共76页。传感器网络是以数据为中心的网络把传感器视为感知数据流或感知数据源把传感器网络视为感知数据空间或数据库把数据管理和处理作为网络的应用目标挑战之九如何建立以数据为中心的传感器网络？以感知数据管理和处理为中心;

把数据管理和处理技术与网络技术融为一体;

为用户提供有效的感知数据空间或感知数据库;

使用户如同使用通常的数据库系统和数据处理系统一样自如地使用感知数据.传感器网络数据管理系统的理论和技术是我们面临的第九个挑战性问题！第二十五页，共76页。需要多种多样的感知器物理传感器生物传感器化学传感器……挑战之十如何建立新感知器概念、理论、技术和各种新型感知器是我们面临的第十个挑战性问题？第二十六页，共76页。其他挑战性问题传感器的投放或撒播理论与技术传感器的定位问题时钟同步问题组网连通可靠性研究和探测覆盖率研究传感器网络安全性问题和抗干扰问题信号的协作处理第二十七页，共76页。5WSN关键技术WSN涉及到传感器技术、网络通信技术、无线传输技术、嵌入式计算技术、分布式信息处理技术、微电子制造技术、软件编程技术等SensorNetwork节点自组织形成网络28第二十八页，共76页。关键技术1——网络拓扑控制目的：自动生成的良好的网络拓扑结构。主要的研究问题是在满足网络覆盖度和连通度的前提下，通过功率控制和骨干网节点选择，剔除节点之间不必要的无线通信链路，产生一个高效的数据转发的网络拓扑结构圈。29第二十九页，共76页。关键技术1——网络拓扑控制拓扑控制可以分为节点功率控制和层次型拓扑结构形成两个方面功率控制机制调节网络中每个节点的发射功率，在满足网络连通度的前提下，减少节点的发送功率，均衡节点单跳可达的邻居数目层次型的拓扑控制利用分簇机制，让一些节点作为簇头节点，由簇头节点形成一个处理并转发数据的骨干网，其他非骨干网节点可以暂时关闭通信模块，进入休眠状态以节省能量。30第三十页，共76页。关键技术2——网络路由传统网络路由方式不适用于WSN理想的无线传感器网络的路由协议应该具有以下性能:分布式运行无环路按需运行考虑安全性高效地利用能量支持单向链路维护多条路由。31第三十一页，共76页。关键技术3——数据融合节点能量有限，需进行数据融合处理，去除冗余信息，减少网络通信成本WSN节点本身是一个嵌入式系统，带有微处理器，所以节点本身就可以做一些数据处理，是数据融合成为可能32第三十二页，共76页。关键技术4——定位技术位置信息是传感器节点采集数据中不可缺少的部分，没有位置信息的监测消息通常没有意义。随机部署的节点必须能够在布置后确定自身位置，但由于传感器节点存在资源有限、随机部署、通信易受环境干扰甚至节点失效等特点，定位机制必须满足自组织性、健壮性、能量高效、分布式计算等要求目前主要采用的技术：三边测量法、三角测量法、质心算法等33第三十三页，共76页。传统应用有环境监测、医疗护理、军事、监控、物流、仓储、商业等领域，新兴应用将涉及智能家居、企业管理、保健、智能交通等典型应用EmergencyResponseHarvard/BUCodeBlue4/1734第三十四页，共76页。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典型应用精细农业森林火灾监控35第三十五页，共76页。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36第三十六页，共76页。无线传感器网络应用举例—医院病房电子巡检37第三十七页，共76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。38第三十八页，共76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。39第三十九页，共76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。40第四十页，共76页。视频分享：物联网垃圾分类回收系统(物联网视频\物联网垃圾分类回收系统.wmv)41第四十一页，共76页。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42第四十二页，共76页。无线传感器网络应用举例—精细农业种植43第四十三页，共76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。44第四十四页，共76页。视频分享：物联网视频\智慧农业.wmv45第四十五页，共76页。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46第四十六页，共76页。无线传感器网络应用举例—智能家居监测节点47第四十七页，共76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。48第四十八页，共76页。智能家居视频分享：物联网视频\智能家居讲解.avi49第四十九页，共76页。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50第五十页，共76页。无线传感器网络应用举例—厂房设备及环境监控51第五十一页，共76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。52第五十二页，共76页。视频分享：\物联网视频\医疗废物管理系统.wmv53第五十三页，共76页。环境的监测和保护随着人们对于环境问题的关注程度越来越高，需要采集的环境数据也越来越多，物联网的出现为研究随机性的数据获取提供了便利可以避免传统数据收集方式给环境带来的侵入式破坏。比如，英特尔研究实验室研究人员曾经将32个小型传感器连进互联网，以读出缅因州“大鸭岛”上的气候，用来评价一种海燕巢的条件。物联网还可以跟踪候鸟和昆虫的迁移，研究环境变化对农作物的影响，监测海洋、大气和土壤的成分等。可以应用在精细农业中，来监测农作物中的害虫、土壤的酸碱度和施肥状况等。54第五十四页，共76页。环境的监测和保护自组织多跳网络55第五十五页，共76页。机场微气象监测

56第五十六页，共76页。抗震救灾事先在建设房子时，便在水泥混凝土中混入了传感器，这样它们不仅能事先察觉到地震或者灾害的异常，给人们留下宝贵的撤退时间；57第五十七页，共76页。抗震救灾而且即使在房屋倒塌之后，它们仍能成为人们获救的指南针。它能感知到被埋废墟中人的心跳医护人员能根据传感器反馈的被埋人员的身体状况，准备相应的救护设施和药品。定位被埋人员的大概位置1513146

5`

15118

129

58第五十八页，共76页。智能医疗系统智能医疗系统借助简易实用的家庭医疗传感设备，对家中病人或老人的生理指标进行自测，并将生成的生理指标数据通过中国电信的固定网络或3G无线网络传送到护理人或有关医疗单位真正解决了现代社会子女们因工作忙碌无暇照顾家中老人的无奈……59第五十九页，共76页。智能校园校园手机一卡通主要实现功能包括：电子钱包通过手机刷卡实现主要校内消费身份识别包括门禁、考勤、图书借阅、会议签到等银行圈存。银行圈存即实现银行卡到手机的转账充值、余额查询60第六十页，共76页。农业。。。北京农业信息技术研究中心软件工程部主任吴华瑞介绍说:“物联网在农业领域具有远大的应用前景。例如：在农田、果园等大规模生产方面，需要把农业小环境的温度、湿度、光照、降雨量，以及土壤的有机质含量、温湿度、重金属含量、PH值等信息采集出来，进行实时传输并利用，对于科学施肥、灌溉作业来说是一个非常重要和有意义的课题。61第六十一页，共76页。农业。。。在生鲜农产品流通方面，需要对储运环境的温度和农产品的水分进行控制，环境温度过高可能会导致大批农产品的腐烂，水分不足会影响品质在工厂化健康养殖作业方面，需要通过物联网技术实现畜禽、水产养殖环境的动态监测与控制62第六十二页，共76页。智能楼宇一方面需要对楼宇本身及其附属物特征量进行监测，比如电气设备工作情况、楼宇结构监测等。另一方面，从安全的角度讲，采用信息化、网络化、自动化的手段，对大楼访客进行人性化管理WindResponseOfGoldenGateBridgeCondition-BasedMaintenanceIntel

Research63第六十三页，共76页。智能楼宇特别是在那些关乎国计民生的核心企业、核心部门，比如需要自动核实访客身份、自动跟踪访客在楼宇的位置、自动统计访客访问的时间和次数、自动监管访客访问的部门等。64第六十四页，共76页。围界报警在机场或军事禁区等高安全性区域，一般情况下不允许非工作人员进入，方案：在其外围区域加装视频