概述《无线传感器网络技术》

概述《无线传感器网络技术》第一页，共59页。课程目标通过本课程的学习，了解无线传感器网络的关键技术、现状及前景。课程将讲授无线传感器网络典型应用、体系结构、组网、软件、支撑技术的基本原理、关键技术、设计方案及其应用。通过本课程的学习，要求学生理解无线传感器网络中的主要问题和核心技术，结合实验课程学习无线传感网应用开发为以后的学习和工作打下基础。2第二页，共59页。课程内容32课时第一部分无线传感器网络综述第二部分无线传感器网络体系架构第三部分通信和组网技术第四部分支撑技术第五章通用技术等3第三页，共59页。参考文献国际杂志综述性质IEEECommunicationsMagazine–AdHocandSensorNetworkSeriesIEEENetworkMagazineIEEEWirelessCommunications学术研究：IEEE/ACMTransactionsonnetworking,ComputernetworksIEEETransactionsonWirelessCommunicationsIEICETransactionsonCommunications(ACM/Springer)WirelessNetworksAdHocnetworksIEEETransactionsonMobileComputing国际会议ACMSIGCOMM,Mobicom,MobihocIEEEINFOCOM、ICNP、Sensys,SECON,MASS，IPSN、ICC、GLOBECOM、ICCCN，WCNC、VTC中国期刊网通信学报、电子学报、软件学报、计算机学报等4第四页，共59页。参考网址

5第五页，共59页。第一章无线传感器网络综述WSN定义WSN国内外现状WSN国内外标准化WSN发展趋势6第六页，共59页。1.1WSN定义

什么是无线传感器网络（WSN,WirelessSensorNetwork）？

你知道的应用有哪些？我们为什么需要WSN？7第七页，共59页。Ref:MICA2MOTEManagementCentersinksinkInternet/SatelliteSensornodeNetwork体系架构通信协议8第八页，共59页。定义无线传感器网络（Wireless

sensor

networks）是由大量静止／移动的传感器以自组织和多跳的方式构成无线网络，目的是协作地探测、处理和传输网络覆盖区域内感知对象的监测信息，并报告给用户。传感器技术、计算机技术和通信技术是现代信息技术的三大基础技术9第九页，共59页。

无线传感器网络无线网络：

有基础设施网（无线分组网）

无基础设施网

ad

hoc网络WSN无线网络的发展历程：无线分组网

->无线自组网->无线传感器网络

10第十页，共59页。无线分组网分组无线网是一种利用无线信道进行分组交换的通信网络，即网络中传送的信息要以“分组”或者称“信包”为基本单元。分组是由若干比特组成的信息段。通常包含“包头”和“正文”两部分。包头中含有该分组的源地址、宿地址和有关路由等信息等。正文是真正需要传送的信息。适用特点：分组无线网特别适用于实时性要求不严和短消息比较多的数据通信。网络结构：星形结构分布式结构11第十一页，共59页。无线自组网IEEE将无线自组网定义为一种特殊的自组织、对等式、多跳、无线移动网络（MANET），它是在无线分组网的基础上发展起来的无线自组网有多个英文名称，如Adhocnetwork、Self-organizingnetwork、Infrastructurelessnetwork与Multi-hopnetwork1991年5月，IEEE正式采用“Adhoc网络”术语Adhoc在英语中的含义是“forthespecificpurposeonly”，即“专门为某个特定目的、即兴的、事先未准备的”意思12第十二页，共59页。无线自组网的基本概念Adhoc网络

物理结构与

拓扑结构自组织与独立组网无中心多跳路由动态拓扑无线传输的局限与节点能量的限制性网络生存时间的限制13第十三页，共59页。无线传感网络14第十四页，共59页。我们为什么要学习传感网？

传感网是物联网的感知技术学术界、产业界对“物联网”尚未形成一个统一的定义物联网(IoT,InternetofThings)指的是将各种信息传感设备,如射频识别(RFID)装置、传感器等种种装置与互联网、移动通信网结合起来而形成的一个巨大“物—物”互联网络。其目的是让所有的物品都与网络连接在一起,方便识别和管理物联网感知物理世界!强调的是“感”和“知”两个层面15第十五页，共59页。

传感网与物联网的关系(续)16ITU提出：传感网是物联网的底层支撑，IEEE、ISO、IEC等标准化组织认可

未来“U社会”与“e社会”的根本差别综合信息服务：集感知、计算、传输为一体感知层应用层管道：仅仅只是带宽的增加（信息的传输）核心网络16第十六页，共59页。

传感网与物联网的关系(续)

两者的不同之处:

内涵不同传感网更多的强调的是通过传感器实现感知、自治互联、数据上报；物联网则是传感网、RFID与互联网、蜂窝网以及现有其它通信网络设施高效融合的产物；物联网实现的是物与物、人与物、人与自然之间的对话与交互，是连接虚拟信息世界与物理世界的网络系统。体系架构不同物联网从宏观上看在网络架构上可以分为三层：感知层、网络层和应用层；传感网只是其中的一层。发展阶段不同传感网是物联网的初级阶段，物联网是由传感网泛在化发展的高级阶段，而传感网与互联网、蜂窝网等的融合是物联网发展的必经阶段物联网的发展大致需要经历独立的传感网、传感网泛在化和物联网融合深化发展三个过程，最终形成一个融合传感网、互联网、移动蜂窝网等现有主要通信网络的全面感知高度智能网络17第十七页，共59页。第一章无线传感器网络综述WSN定义WSN应用和行业现状WSN国内外标准化WSN发展趋势18第十八页，共59页。传感器网络的各种应用无线传感器网络（WSN,WirelessSensorNetwork）将大量各种传感器节点组成网络，形成实现对物理世界感知的综合信息系统。雷达、卫星等：宏观远程侦察；传感网：微观近距侦察移动通信网络：人人互联；传感网：人与物、物与物互联互联网：虚拟信息空间；传感网：现实物理世界物联网：连接；传感网：感知19第十九页，共59页。传感器网络的应用——军事20第二十页，共59页。

——短距感知、抵近侦察无线传感网是对雷达和卫星等远程侦察手段的有益补充，为部侦用户提供有力的技术手段。

大量传感节点对目标进行短距协同感知,将是传统侦察手段的有益补充。传感器网络的应用——军事21第二十一页，共59页。军用无线传感网战场感知系统的优点

多传感器节点中多角度和多方位信息的综合有效地提高了信噪比；传感网低成本、高冗余的设计与部署原则为系统提供较强的容错能力；传感器对目标的抵近探测大大消除了环境噪声对感知性能的影响；传感网中多传感器的联合应用与融合决策有利于提高探测准确度；多节点协同感知，可以加大实时探测区域；22第二十二页，共59页。传感器网络的应用——环境

森林火险监测洪水监测精确农耕大气监测环境的生物复杂性地图23第二十三页，共59页。传感器网络的应用-健康远程监控人体的生理数据（心脏速率、血压）采集的数据通过网络送到负责病人的主管医生病人获得极大的行动自由度跟踪和监督医院内的病人和医生医院的药物管理正确地识别病人的敏感反应避免误诊老人家庭环境下的护理(tele-care)

随着社会老龄化的加剧而日趋重要24第二十四页，共59页。25第二十五页，共59页。智慧医疗意义26第二十六页，共59页。传感器网络的应用-家居27第二十七页，共59页。当前家居环境存在的问题家居能耗过高家庭安防手段落后家用电器使用不便28第二十八页，共59页。海尔“物联之家”29第二十九页，共59页。传感器网络的应用-智能楼宇30第三十页，共59页。传感器网络的应用-商用31第三十一页，共59页。传感器网络的应用-智能交通32第三十二页，共59页。传感器网络的应用-电力输送能源输送在电度表上装上传感器，供电部门随时都可知道用户的用电情况。江西省电网对分布在全省范围内的2万台配电变压器的运行状态进行实时监测，实现用电检查、电能质量监测、负荷管理、线损管理、需求侧管理等高效一体化管理，一年降低电损1.2亿千瓦时。33第三十三页，共59页。传感器网络的应用-桥梁监控桥梁监控34第三十四页，共59页。WSN在地震监测中的应用地震预测1.大量、长期、自动化采集数据2.大范围，低成本，高准确3.实时性，连续获取地震前兆数据35第三十五页，共59页。WSN在地震监测中的应用地震预警震源城市距离：120km地震传感器检测到P-Wave光速如上图所示：位于城市的地震传感器当接收到距城市120km外的震中地区传递过来的P-Wave时，将从P-Wave中提取的地震信息传递给城市的地震预警中心。由于P-Wave和S-Wave之间的速率差，因此地震预警能在S-Wave到达前40秒对城市进行地震警报。P-Wave6.5km/sS-Wave3.5km/s日本、墨西哥、台湾等地震预警系统的应用36第三十六页，共59页。WSN在地震监测中的应用地震预警37第三十七页，共59页。WSN在地震监测中的应用预警之外的应用场景除了提前预警之外，基于WSN的地震预警系统可用于灾后搜救。利用桥梁、隧道、公路等关键部位传感器，城市指控中心能够在灾后第一时间为救援队提出合理的救援线路；灾后重建中，基于WSN的地震预警系统为重建人员提供宝贵的建筑经验：传感网地震发生过程中建筑物“摇晃～倒塌”整个过程的力学情况（类似于黑盒子）可对震后危险建筑物进行预警并进行局部维修。……38第三十八页，共59页。地震次生灾害监测39第三十九页，共59页。自动抄表40第四十页，共59页。感知边疆41第四十一页，共59页。Massiveapplications!

42第四十二页，共59页。传感器网络国内重要行业的需求调研电力安全智能交通我国机动车拥有量以每年10%以上的速度增长,预计2010年达到1.3亿多辆。道路交通设施及管理设施虽然有较大改观,但跟不上机动车增长速度，总体水平与发达国家有较大差距。公安部统计07年全国运营车辆1400万，按17％增长率，2010年达2300万，车载传感网终端需求将超过100亿元。智能交通传感网基础设施建设需求将更为巨大。平安家居高档收入家庭1400万，其他城镇家庭15600万，预测2010年家庭市场传感网终端需求可达2500万户，按平均每户投资1000元计，市场规模将达250亿元。我国将建设智能化小康示范小区列入国家重点发展方向。国家建设部计划到2010年，60%以上的新房将具有一定的“智能型家居”功能。通过手机远程对入室、访客、环境、灾害等进行进行监控报警；远程对家电设备等进行控制；提高生活质量。健康医疗据《我国城市居家养老服务研究》，中国城市居家养老、护理服务的潜在市场规模超过700亿元，2010年将增加到1300亿元。

若每位儿童通过传感网技术实现儿童看护200元/年，将产生500亿市场规模。《关于全面推进居家养老服务工作的意见》明确提出了“十一五”期间城乡居家养老服务工作的目标任务。中国儿童发展状况报告（2003－2004）显示，意外伤害成为目前我国14岁以下儿童的第一位死因。今后五年，我国电网建设总投资将超过１万亿元，安全技术改造可达1000亿元左右规模。我国35KV以上输电塔架约300万个，仅以监控3～5点/塔架计算，市场价值约100亿元以上。全国大中型水库约3000座，大坝监控市场达150亿元以上。《国家电网“十一五”电力工业发展规划》要求：35-110KVA输配电设备必须安装监测终端，涉及到输配变调计量五大环节的智能化管理。要保障整个电力系统的安全就必须采用先进的无人值守技术，达到对整个系统（电厂、大坝，变电站，高压输电线路，用户终端等）的实时远程监控。环境保护到2020年，国家和企业用于环境保护和生态监测的无线传感器设备总产值预计可达百亿元左右。未来市场效益将更大。《国家“十一五”环境保护规划》：到2010年基本遏制生态环境恶化趋势，改善重点地区和城市的环境质量。《中国绿色国民经济核算研究报告》：2004年全国因环境污染造成经济损失5118亿元，虚拟治理成本2874亿元。43第四十三页，共59页。交通100亿电力环保城市轨道交通反恐其他行业1300亿100亿100亿物流、建筑、汽车、金融等家居250亿要地防入侵120亿健康1800亿

传感器网络渗透到各个行业、生活各方面中，其准确市场价值难以估量。美国《福布斯》杂志：“未来的传感器网络比现在的Internet大得多。”44第四十四页，共59页。第一章无线传感器网络综述WSN定义及应用WSN国内外现状WSN国内外标准化WSN发展趋势45第四十五页，共59页。国内外标准化推进与无线传感网相关的国际标准化活动IETF（互联网工程任务组）基于低功耗无线个域网的IPv6协议—主要面向IPv6网络的延伸应用存在问题：如何裁剪IP协议栈

6LowPAN=IPv6+LowPAN(LowpowerPAN)；

RoLL(RoutingforlowpowerandLossyNetworks)ITU-T（国际电信联盟）涉及传感器网络的应用和服务需求、中间件需求以及安全需求等IEEE1451.x：传感器到网络的接口标准IEC（国际电工委员会）:工业控制、智能电网等6LowPAN体系架构46第四十六页，共59页。国内外标准化推进ISO/IEC传感网国际标准化第一届传感网标准化大会2008年6月在上海举行会上，我国提出的三层传感网参考设计模型、传感网标准化框架得到了一致认可；第二届传感网标准化大会在德国慕尼黑举行，会议将着重讨论上述顶层方案。韩国希望与我国联合商讨共同牵头传感网标准化组事宜。。。47第四十七页，共59页。国外标准化推进我国提出的三层传感网参考设计模型这一架构已得到ISO/IECJTC1认可并获得通过48第四十八页，共59页。国外标准化推进我国提出的传感网标准化框架这一架构已得到ISO/IECJTC1认可并通过我国正在ISO/IECJTC1正在进行的标准化工作还有：智能电网中传感器网络应用与接口标准；智能传感器网络中的协同处理服务和接口标准；49第四十九页，共59页。国内标准化推进我国传感网标准体系框架50第五十页，共59页。第一章无线传感器网络综述WSN定义及应用WSN国内外现状WSN国内外标准化WSN发展趋势51第五十一页，共59页。WSN发展趋势1.发展路线 传感网的发展将经历以下三阶段：信息聚合WSN协同融合WSN泛在传感网

(I-WSN)(C-WSN)(USN)信息聚合WSN：国家自然科学基金委（NSFC）、863在基础理论和关键技术部分做了一定安排，攻克了部分关键技术，使得信息聚合WSN能够形成一定规模的示范和应用；863在自组织通信领域对无线自组织网络协议方面作出了安排，但没有包含随机布设组网、分簇技术、面向任务组网等；科学院、军口在应用示范方案做了安排，推动了相关关键技术的发展；协同感知WSN：多传感节点自主协同，面向任务的自治组网；泛在传感网：USN将是未来泛在网的重要组成部分之一推动作用：组网技术、协同信息处理技术的发展52第五十二页，共59页。WSN发展趋势2.网络架构及其发展

大规模随机布设分簇网

多层异构传感网任务驱动的协同自治组网多网融合：WSN、移动网、固定网、短距超宽带网络互联融合

孤立系统多行业共用运营的方向发展

53第五十三页，共59页