无线传感器网络的理论及应用

无线传感器网络的理论及应用第1页，共37页，2023年，2月20日，星期六

无线传感器网络介绍

无线传感器网络的概念无线传感器网络的特征无线传感器网络的应用第2页，共37页，2023年，2月20日，星期六

无线传感器网络的概念

无线传感器网络就是由部署在监测区域内大量的微型传感器节点通过无线电通信形成的一个多跳的自组织网络系统，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域里被监测对象的信息，并发送给观察者。无线传感器网络是一种无中心节点的全分布系统。传感器节点集成有传感器、数据处理单元、和通信模块，它们通过无线信道相连，自组织地构成网络系统。无线传感器网络使人们在任何时间、任何地点和任何环境条件下都能够获取大量翔实可靠的信息，最终成为一种“无处不在”的传感技术。无线传感器网络涉及传感器技术、网络通信技术、无线传输技术、嵌入式技术、分布式信息处理技术、微电子制造技术、软件编程技术等。其应用已经由军事国防领域扩展到环境监测、交通管理、医疗健康、工商服务、反恐抗灾等多领域。第3页，共37页，2023年，2月20日，星期六无线传感器网络的特征作为Internet在无线和移动范畴的扩展和延伸，无线自组网络（Ad-hocNetwork）由若干采用无线通信的节点动态地形成一个多跳的移动性对等网络，从而不依赖于任何基础措施。分布式自组织拓扑变化多跳路由安全性差无线传感器网络与无线自组网络的共同特点：第4页，共37页，2023年，2月20日，星期六分布式网络没有严格的控制中心，所有节点地位平等，节点之间通过分布式的算法来协调彼此行为，是一个对等网络。节点可以随时加入或离开网络，任何节点的故障不会影响整个网络的运行，具有很强的抗毁性。第5页，共37页，2023年，2月20日，星期六自组织无需人工干预和任何其他预置的网络设施，可以在任何时刻，任何地方快速展开并自动组网，自动进行配置和管理，通过适当的网络协议和算法自动转发监测数据。第6页，共37页，2023年，2月20日，星期六多跳路由由于节点发射功率限制，节点的覆盖范围有限，通常只能与它的邻居节点通信。多跳路由是由普通网络节点协作完成，没有专门的路由设备。每个节点既可以是信息的发起者，也可以是转发者。第7页，共37页，2023年，2月20日，星期六安全性差由于采用了无线信道、分布式控制等技术，网络更容易受到被动窃听、主动入侵等攻击。网络的通信保密和安全性十分重要，信道加密、抗干扰、用户认证和其他安全措施都需要特别考虑。第8页，共37页，2023年，2月20日，星期六无线传感器网络的特征深入研究表明，无线传感器网络有着与无线自组网络明显不同的技术要求和应用目标。无线自组网络以传输数据为目的，致力于在不依赖于任何基础设施的前提下为用户提供高质量的数据传输服务；而无线传感器网络以数据为中心，将能源的高效使用作为首要设计目标。第9页，共37页，2023年，2月20日，星期六无线传感器网络的特征规模大、密度高动态性强应用相关以数据为中心可靠性节点能力受限第10页，共37页，2023年，2月20日，星期六规模大、密度高为获取尽可能精确、完整的信息，无线传感器网络通常密集部署在大片的监测区域中，其节点的数量和密度较无线自组网络成数量级地提高。通过大量冗余节点的协同工作来提高系统工作质量。第11页，共37页，2023年，2月20日，星期六动态性强要求传感器节点能够随着环境的变化而适时地调整自身工作状态。网络拓扑结构的变化也要求系统能够很好地适应自身动态多变的“内在环境”。第12页，共37页，2023年，2月20日，星期六应用相关由于不同应用关心不同物理量，其硬件平台、软件系统和通信协议也必然会有很大差异。无线传感网络不能像Internet那样有统一的通信协议平台。应针对每一个具体的应用来开展设计工作。第13页，共37页，2023年，2月20日，星期六以数据为中心在无线传感器网络中，人们通常只关心某个区域内某个观测指标的数值，而不会去具体关心单个节点的观测数据。用户使用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。第14页，共37页，2023年，2月20日，星期六可靠性由于无线传感网络可以大规模部署于指定的恶劣环境或无人区域，使得网络维护困难或不可维护，因而要求传感器节点非常坚固、不易损坏、适应极端环境。为防止数据被盗和伪造，无线传感器网络设计必须具有很好的鲁棒性和容错性。第15页，共37页，2023年，2月20日，星期六节点能力受限电源能量受限计算和存储能力有限通信能力有限第16页，共37页，2023年，2月20日，星期六无线传感器网络的应用军事应用环境应用医疗应用家庭应用工业应用其他应用第17页，共37页，2023年，2月20日，星期六无线传感器网络的体系结构无线传感器网络的系统架构传感器节点的结构无线传感器网络的体系结构概述第18页，共37页，2023年，2月20日，星期六无线传感器网络的系统架构终端用户第19页，共37页，2023年，2月20日，星期六无线传感器网络的系统架构大量的传感器节点随机密布于整个被观测区域中，通过自组织的方式构成网络。传感器节点通常是一个嵌入式系统。要访问通信范围以外的节点，必须使用多跳路由。汇聚节点通常具有较强的处理能力、存储能力和通信能力。它连接传感器网络与外部网络，通过协议转换实现管理节点与传感器网络之间的通信，把收集到的数据信息转发到外部网络上，同事发布管理节点提交的任务。第20页，共37页，2023年，2月20日，星期六传感器节点的结构第21页，共37页，2023年，2月20日，星期六传感器节点的结构传感器节点由传感单元、处理单元、无线收发单元和电源单元等几部分组成。传感单元用于感知、获取监测区域内的信息，并将其转换为数字信号。处理单元负责控制和协调节点各部分工作，存储和处理自身采集的数据以及其他节点发来的数据。无线收发单元负责与其他传感器节点进行通信，交换控制信息和收发采集数据。电源单元能够为传感器节点提供正常工作所必须的能源。此外，传感器节点还可以包括其他辅助单元，如移动系统、定位系统和自供电系统等。第22页，共37页，2023年，2月20日，星期六无线传感器网络的体系结构概述应用服务接口网络管理接口拓扑控制服务质量安全/移动/能量网络管理网络管理平台网络通信协议第23页，共37页，2023年，2月20日，星期六无线传感器网络的体系结构概述分层的网络通信协议网络管理平台应用支撑平台第24页，共37页，2023年，2月20日，星期六分层的网络通信协议物理层：负责信号的调制和数据的收发，所采用的传输介质主要有无线电、红外线、光等。数据链路层：负责数据成帧、帧监测、媒体访问和差错控制。网络层：负责路由发现和维护。通常大多数节点无法直接与网关通信，需要中间节点以多跳路由的方式将数据传送至汇聚节点。传输层：负责数据流的传输控制。主要通过汇聚节点采集传感器网络内的数据，并使用卫星、移动通信网络、Internet等与外部网络通信。第25页，共37页，2023年，2月20日，星期六网络管理平台拓扑控制：拓扑控制利用链路层、路由层完成拓扑生成，反过来又为它们提供基础信息支持，优化MAC协议和路由协议，降低能耗。服务质量管理：服务质量（QoS）管理在各个协议层设计队列管理、优先级机制或者带宽预留等机制，并对特定应用的数据给予特别处理。能量管理：每个协议层次中都要增加能量控制代码，并提供给操作系统进行能量分配决策。安全管理：传统安全机制无法使用。采用扩频通信、接入认证/鉴权、数字水印和数据加密等技术。移动管理：监测和控制节点的移动，维护到汇聚节点的路由，还可以使传感器节点跟踪它的邻居。网络管理：对无线传感器网络上的设备及传输系统进行有效监视、控制、诊断和测试所采用的技术和方法。它要求协议各层嵌入各种信息接口，并定时收集协议运行状态和流量信息，协调控制网络中各个协议组件的运行。第26页，共37页，2023年，2月20日，星期六应用支撑平台

包括一系列基于监测任务的应用层软件，通过应用服务接口和网络管理接口来为终端用户提供各种具体应用的支持：时间同步定位应用服务接口网络管理接口第27页，共37页，2023年，2月20日，星期六无线传感器网络的研究进展无线传感器网络的发展历程无线传感器网络的关键技术无线传感器网络所面临的挑战第28页，共37页，2023年，2月20日，星期六无线传感器网络的发展历程无线数据网络无线传感器网络普适计算ALOHA系统分组无线网无线局域网无线个域网无线自组网络SensorITWINSSmartDustSeaWebHourglassSensorWebsIrisNetNEST第29页，共37页，2023年，2月20日，星期六普适计算1991年，MarkWeiser提出了“普适计算（PervasiveComputing）”的思想，即把计算机嵌入到环境或日常工作中去，让计算机本身从人们的视线中消失，使人们注意的中心回归到要完成的任务本身，并可以随时随地和透明地获得数字化的服务。它有如下特点：普适性透明性动态性自适应性永恒性

第30页，共37页，2023年，2月20日，星期六无线传感器网络的关键技术网络通信协议核心支撑技术自组织管理开发与应用第31页，共37页，2023年，2月20日，星期六网络通信协议受传感器节点能源的限制，计算、存储、通信能力都十分有限，因为节点网络通信协议不能太复杂。拓扑结构和外界环境的不断变化，对通信协议设计提出更高要求。传感器网络的通信协议包括物理层、数据链路层、网络层、传输层。第32页，共37页，2023年，2月20日，星期六核心支撑技术核心支撑技术使用网络通信协议提供的服务，并通过应用服务接口来屏蔽底层网络的细节，这些丰富的核心支撑技术构成了一个具体的面向特定应用的网络系统。无线传感器网络的核心支撑技术包括：拓扑控制、节点定位、时间同步、网内信息处理、网络安全等。第33页，共37页，2023年，2月20日，星期六自组织管理自组织管理技术使用网络通信协议提供的服务，通过网络管理接口层来屏蔽底层网络的细节，使终端用户可以方便地管理配置无线传感器网络。自组织管理技术包括：节点管理、资源与任务管理、数据管理、初始化与系统维护管理等。第34页，共37页，2023年，2月20日，星期六开发与应用作为一种源于应用而又服务于应用的现实可行的网络技术，无线传感器网络还要有一套完整的软硬件设计原则、高效的开发平台以及一系列别具特色的应用实例。以后的