第1章无线传感器网络基础知识

第1章无线传感器网络基础知识第一页，共79页。参考教材课程导论主要参考教材曾圆圆.无线传感器网络技术与应用，清华大学出版社,2014-09崔逊学，左从菊.无线传感器网络简明教程，清华大学出版社，2009-07.余成波，李洪兵，陶红艳.无线传感器网络实用教程，清华大学出版社，2012-04.(21世纪高等学校规划教材•物联网)许毅.无线传感器网络原理及方法[M].北京:清华大学出版社,2012第二页，共79页。课程要求课程导论课程性质专业教育选修课程成绩评定：总成绩=平时(50%)+期末考试(50%)平时成绩：考勤50%+课堂互动作业50%期末成绩：课程设计学时安排：总学时32第三页，共79页。教学方法课程导论专业教育选修课，重在专业知识的实用性、实时性及创新性教育。实用性：讲解与通信工程专业相关的知识实时性：结合多种教材和社会发展实时资料创新性：通过多种教学和考试方法培养学生能动性交互讨论式教学重在启发学生思维，激发学生兴趣，能够主动学习，并理论联系实际，学以致用。以项目设计引导学生自主创新针对通信工程专业所涉及的知识给予学生创新思维和创新能力培养。第四页，共79页。课程意义2001年911历史事件寻找拉登藏身之处应用需求引发无线传感器网络研究热潮课程导论设想如果在拉登经常活动的地区大量投放各种微型探测传感器，采用无线多跳自组网方式，将发现的信息以类似接力赛的方式，传送给远在波斯湾的美国军舰。第五页，共79页。综观计算机网络技术的发展史，应用需求始终是推动和左右全球网络技术进步的动力与源泉。无线传感器网络的发展几乎呈爆炸式的趋势课程导论第六页，共79页。课程内容课程导论第1章无线传感器网络基础知识第2章无线传感器网络组网技术第3章无线传感器网络通信技术第4章无线传感器网络应用开发第七页，共79页。1.1无线传感器网络的概念1.2传感器网络的发展历史1.3传感器网络的应用情况1.4传感器网络的关键技术第八页，共79页。教学目的：掌握传感器网络的基本情况本章重点：基本概念、应用情况第九页，共79页。回顾：什么是计算机网络?计算机网络是指将地理位置不同的具有独立功能的多台计算机及其外部设备，通过通信线路连接起来，在网络操作系统，网络管理软件及网络通信协议的管理和协调下，实现资源共享和信息传递的计算机系统。第十页，共79页。什么是无线网络?所谓无线网络，就是利用无线电波作为信息传输的媒介构成的无线局域网（WLAN），与有线网络的用途十分类似，最大的不同在于传输媒介的不同，利用无线电技术取代网线，可以和有线网络互为备份。第十一页，共79页。无线网络有基础设施网无基础设施网移动Adhoc网络无线传感器网络1.1无线传感器网络的概念无线蜂窝网无线局域网第十二页，共79页。无线传感器网络与移动adhoc的不同WSN结点数量更为庞大多数节点为静止节点分布更为密集能量约束结点更容易出错拓扑结构变化频繁Adhoc几十至上百个节点局域网节点全移动结构变化（移动）能量可连续提供点到点通信WirelessSensorNetwork,简称WSN第十三页，共79页。

无线传感器网络是大量的静止或移动的传感器以自组织和多跳的方式构成的无线网络，目的是协作地采集、处理和传输网络覆盖地域内感知对象的监测信息，并报告给用户。“无线传感器网络”术语的标准定义传感器技术计算机技术通信技术计算机技术第十四页，共79页。

处理能力无线通信能力感知能力WSN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。思考：什么是节点?传感器节点？网络节点？第十五页，共79页。与WSN相关的技术：微电子技术嵌入式计算技术现代网络及无线通信技术分布式信息处理技术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。解释1第十六页，共79页。解释2传感器网络的三个基本要素：传感器感知对象观察者传感器网络的四个基本功能：协作地感知采集处理发布感知信息第十七页，共79页。传感器技术计算机技术通信技术感官大脑神经现代信息技术信息系统无线传感器网络第十八页，共79页。传感模块负责探测目标的物理特征和现象计算模块负责处理数据和系统管理存贮模块负责存放程序和数据通信模块负责网络管理信息和探测数据两种信息的发送和接收电源模块负责节点供电节点由嵌入式软件系统支撑，运行网络的五层协议思考：什么是传感器？传感(器)模块？传感器节点？第十九页，共79页。物理层数据链路层网络层传输层应用层能量分配移动管理应用优化无线传感器网络五层协议物理层负责载波频率的产生、信号调制、解调数据链路层负责媒体接入和差错控制网络层负责路由发现与维护传输层负责数据流的传输控制应用层负责任务调度、数据分发等具体业务跨层设计能量分配是尽量延长网络的可用时间移动管理主要对节点移动进行检测和注册应用优化是根据应用需求优化调度任务第二十页，共79页。传感器网络的常用逻辑结构图传感器1传感器2传感器N无线链路无线接口模块…监控主机第二十一页，共79页。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网络节点(sensornode-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sensorfield-监测区域第二十二页，共79页。传感器网络的实体传感器节点功能：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Sink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、数量少等第二十三页，共79页。感知能力＋计算能力＋通信能力体积小能耗小由六部分组成现代微型传感器节点第二十四页，共79页。传感器节点实物示例第二十五页，共79页。水温传感器实物示例水温传感器的作用是把冷却水温度转换为电信号第二十六页，共79页。温湿度传感器实物示例热电阻温度传感器温湿度传感器红外测温传感器温湿度传感器第二十七页，共79页。红外传感器实物示例第二十八页，共79页。位移/运动传感器实物示例第二十九页，共79页。速度传感器实物示例感应式车速传感器第三十页，共79页。传感器节点实物示例第三十一页，共79页。传感器节点实物示例第三十二页，共79页。传感器节点实物示例第三十三页，共79页。第一阶段最早可以追溯二十世纪70年代越战时期使用的传统的传感器系统。美越战争胡志明小道1.2传感器网络的发展历史美军投放了2万多个“热带树”传感器。第三十四页，共79页。热带树热带树轰炸机所谓“热带树”实际上是由震动和声响传感器组成的系统，它由飞机投放，落地后插入泥土中，只露出伪装成树枝的无线电天线，因而被称为“热带树”。只要对方车队经过，传感器探测出目标产生的震动和声响信息，自动发送到指挥中心，美机立即展开追杀，总共炸毁或炸坏4.6万辆卡车。震动和声响传感器节点第三十五页，共79页。SensorsObject信号分析传统的感知方法有线/无线连接

传感器接近感知对象传感器仅产生数据流传感器无计算能力无传感器间通信能力第三十六页，共79页。现代感知方法SensingAreaObjectUser端

传感器网络覆盖感知对象区域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观测任务使用多跳路由算法向用户报告观测结果SinkInternet或通信卫星SensornetworkUser端终端节点协调器网关（汇聚节点）第三十七页，共79页。第二阶段感知能力＋计算能力＋通信能力1999年商业周刊将传感器网络列为二十一世纪最具影响的21项技术之一。二十世纪80年代至90年代之间第三十八页，共79页。第三阶段21世纪开始至今2001911事件2002橡树岭实验室提出“网络就是传感器”。20032006美国《技术评论》杂志评出深远影响人类未来生活的十大新兴技术，传感器网络列为第一。我国发布《国家中长期科学与技术发展规划纲要》。第三十九页，共79页。计算设备的演化历史贝尔定律：每10年会有一类新的计算设备诞生。第四十页，共79页。改变世界的十个新兴技术第四十一页，共79页。未来四大高技术将掀起新产业浪潮第四十二页，共79页。第一代（二十世纪八十年代-九十年代）第二代（2000-2010）第三代（约2010至今）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，喷撒无线传感器网络节点发展特点第四十三页，共79页。概念区分：互联网（抽象）计算机网络(统称)Internet（专有）无线网络无线蜂窝网无线局域网无线自组织网络移动Adhoc网络无线传感器网络网络节点（统称）无线传感器网络节点汇聚节点(Sinknode)传感器节点传感(器)模块传感器第四十四页，共79页。（一）民事应用1.3传感器网络的应用情况第四十五页，共79页。大鸭岛海燕监测无人干扰监测鸟巢海燕大鸭岛思考：如何设计？2002年英特尔研究人员传感器放置在海燕鸟巢附近，获取海燕生活环境的数据。他们使用的传感器包括光、湿度、气压、红外、图像等，通过无线自组网，将数据经卫星传输到加州的服务器，实现了对敏感野生动物的无人干扰监测。第四十六页，共79页。桥梁监测健康监测海洋监测环境监测采用位移传感器测量桥梁建筑的应力，确保桥梁长期处于正常状态。用于检测人类慢性疾病的指标，特别是中老年人的健康监护。利用移动机器人和固定采集点，对生态环境进行监测。对海洋表面的污染程度进行监测，采用飞机收集数据。思考：如何设计？第四十七页，共79页。电力高压线高尔夫球场葡萄园道路交通实时监控电力高压线的应力、温度和震动，在大雪覆盖时可以快速诊断出故障发生的地点。监测高尔夫球场草皮植被的湿度，以便适时地喷洒浇水。监测葡萄园的温室气候，因为葡萄园温湿度的细微变化对葡萄酒的质量影响很大。监测道路状况，如大雾、地面积水、冰冻。思考：如何设计？第四十八页，共79页。智能停车场物流系统列车铁轨高速公路系统在停车场智能引导停车泊位。在物流系统中，监测物资的保存状态和数量。对列车铁轨的状态是否正常进行监测。在高速公路系统，辅助完成不停车收费功能。思考：传感器作用？第四十九页，共79页。韩国济州岛智能渔场北京大兴区菊花基地克尔斯博公司主要是实现了自动收集渔场饲养环境的参数，确定投放饲料的数量。采集日光温室和土壤的温湿度参数，提高了菊花生产的管理水平，使得生产成本至少下降了25%。他们采用克尔斯博公司提供的产品，这个公司是全球最大的传感器网络产品制造商。第五十页，共79页。浙江温州的奶牛牧场沈阳玫瑰园沈阳玫瑰园采用传感器网络设备，实现了整个玫瑰花观光温室参数的自动采集。浙江温州的奶牛牧场，结合传感器网络和射频识别技术，给奶牛戴上身份标识，防止走失。第五十一页，共79页。课堂讨论

请结合中国实际应用，充分发挥想象力，分组展开课堂讨论：举例列出传感器网络还可以有哪些用途？第五十二页，共79页。二零零八年五月十二日汶川地区发生强烈地震光纤传感器网络第五十三页，共79页。医疗监护在病人身上安装特殊用途的传感器节点，如心率和血压监测设备，这些节点组成无线传感器网络后，医生就可以随时了解被监护病人的病情，进行及时处理。第五十四页，共79页。中风病人康复中的肢体移动监测http:///~mdw/proj/codeblue/医疗监护第五十五页，共79页。中风病人康复中的肢体移动监测医疗监护第五十六页，共79页。空间探索借助于航天器布撒的传感器网络节点实现对星球表面长时间的监测是一种经济可行的方案。第五十七页，共79页。农业在农业生产中，通过传统方式采集原始数据是一件困难的工作。无线传感器网络为研究环境变化对农作物的影响、监测大气和土壤的成分提供了方便。第五十八页，共79页。商业很多大公司现已在部署无线传感器网络，以监视库存和检查加油站油泵内的存油状态。2015年传感器网络节点可以成为“超级RFID”

，主动监测货物参数并记录相关数据，还能够在某些参数超过临界值时发出警报。第五十九页，共79页。（二）军事应用第六十页，共79页。联合国维和部队伊拉克微型感应传感器网络核武器和生化武器2003年联合国维和部队进入伊拉克，综合使用了商用间谍卫星和超微型感应的传感器网络，对伊拉克的空气、水和土壤进行连续不断的监测，以确定伊拉克有无违反国际公约的核武器和生化武器。第六十一页，共79页。美军未来战斗系统的战场警戒示意图传感器节点通行车辆在美军的未来战斗系统中，布置在道路两侧的传感器网络探测出通行的车辆目标信号，传输给士兵的手持终端设备，实现战场警戒功能。第六十二页，共79页。枪声定位反恐系统最近美军装备的枪声定位系统，用于打击恐怖分子和战场上的狙击手。部署在街道或道路两侧的声响传感器，检测轻武器射击时产生的枪口爆炸波，以及子弹飞行时产生的震动冲击波，这些声波信号通过传感器网络传送给附近的计算机，计算出射手的坐标位置。第六十三页，共79页。F-22猛禽战斗机美国F-22猛禽战斗机机外传感器网络美国空军F-22猛禽战斗机，现在在机体外侧也安装了传感器网络，能够提前发现敌机，通过与机载火控系统相结合，可以在没有任何征兆的情况下，超视距发射空空导弹将敌机击落。第六十四页，共79页。

美军“沙地直线”项目无线链路目标探测、分类和跟踪传感器节点传感器节点2002年美军在俄亥俄州大规模试验了“沙地直线”项目系统，也就是地面战场无线传感器网络，能够检测出入侵的高金属含量目标。第六十五页，共79页。密封形封装罩节点封装示例（一）特点：表面光滑可以滚动自动调整姿态位置万向节固定架设计第六十六页，共79页。节点封装示例（二）锥形罩特点：底基重量大自正位“悬垂钟摆”式电路板飞机抛撒第六十七页，共79页。“狼群”地面传感器网络美军共计完成23项传感器网络项目通信工程专业、计算机专业第六十八页，共79页。无线传感器网络带来什么弊端？天使的面孔：智能微尘能带来的用途是显而易见的。魔鬼的力量：个人隐私不复存在2006年2月国务院发布《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006－2020年）》，在“亟待科技提供支撑”的国民经济和社会发展重点领域中，“传感器网络及智能信息处理”被列为“信息产业”中七个主题之一。第六十九页，共79页。通信能力有限节点通信覆盖范围只有几十到几百米关键之一如何在有限的通信能力条件下,完成探测数据的传输？无线通信技术是第一项关键技术！1.4传感器网络的关键技术第七十页，共79页。电源能量有限通常电池供电，工作环