无线传感器网络课件

9.4无线传感器网络9.4无线传感器网络

理解无线传感器网络相关概念、协议与算法了解无线传感器网络的各种应用学习无线传感器网络设计与实现中的一些关键技术了解无线传感器网络领域最新的研究进展教学目标

理解无线传感器网络相关概念、协议与算法教学目标(1)智能无线传感器网络系统，于海斌，曾鹏，科学出版社(2)无线传感器网络，孙利民，李建中，陈渝，朱红松，清华大学出版社(3)无线传感器网络，王营冠，王智，电子工业出版社(4)WirelessSensorNetworks:ASystemsPerspective,NirupamaBulusu,SanjayJha,ArtechHouse,Hardcover,PublishedJuly2005,ISBN1580538673推荐书目(1)智能无线传感器网络系统，于海斌，曾鹏，科学出版社推荐书无线传感器网络一什么是无线传感器网络二传感器网络的发展历史三传感器网络的应用情况四传感器网络的关键技术无线传感器网络一什么是无线传感器网络二传感器网络的发展历史三911历史事件寻找拉登藏身之处应用需求引发研究热潮911历史事件寻找拉登藏身之处应用需求引发研究热潮一、什么是无线传感器网络一、什么是无线传感器网络为何需要无线？2001年全球工业用传感器的市场份额是110亿美元，而安装和使用成本（主要是布线成本）超过1000亿美元为何需要无线？2001年全球工业用传感器的市场份额是110亿无线传感器网络的优势降低投资成本（最高降低90％）；降低使用成本；灵活，易于改造；覆盖有线不可达的区域。无线传感器网络的优势降低投资成本（最高降低90％）；8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无线网络有基础设施网无基础设施网移动Adhoc网络无

无线传感器网络(WSN)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”术语的标准定义无线传感器网络(WSN)是大量的静止或移动的传感器以自组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传感器技术计算机技术通信技术感官大脑神经现代信息无线传感器网络课件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网络通信协议物理层数据链路层网络层传输层应用传感器节点实物示例传感器节点实物示例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无线链路无无线传感器网络的特点1.无中心和自组织性2.动态变化的网络拓扑3.受限的无线传输带宽4.移动终端的能力有限5.多跳路由6.安全性较差7.网络的可扩展性不强8.节点硬件资源有限9.节点数量众多，分布密集无线传感器网络的特点与现有网络的区别

与其他网络如移动通信网、Adhoc网络、因特网等相比有着如下区别：无线传感器网络中的节点数目更为巨大，密度更高，且节点不一定具有全球唯一的地址标识；无线传感器网络中的节点一般不进行快速移动，但节点可能会随时加入或离开，因而网络的拓扑变化很快；高度自适应的自治能力。由于应用的特殊性（节点能量较低或节点的移动、增加、消亡），WSN必须是能够自我配置的，需要很强的自适应能力和健壮性。无线传感器网络中节点的电池能量、计算能力和存储能力相当有限。与现有网络的区别二、传感器网络的发展历史二、传感器网络的发展历史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。胡志明小道胡志明小道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热带树热带树轰炸机热带树热带树轰炸机传感器仅产生探测数据流传感器无计算能力

传感器之间不能相互通信SensorsObject信号分析传统感知方法的特征有线/无线连接传感器仅产生探测数据流SensorsObject信号分析传统第二阶段感知能力＋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年代之间第二阶段感知能力＋计算能力＋通信能力1999年商业周刊将传第三阶段

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》。第三阶段21世纪开始至今2001911事件2002橡树岭实计算设备的演化历史计算设备的演化历史三、传感器网络的应用情况三、传感器网络的应用情况（一）民事应用（一）民事应用大鸭岛海燕监测无人干扰监测鸟巢海燕大鸭岛大鸭岛海燕监测无人干扰监测鸟巢海燕大鸭岛桥梁监测健康监测海洋监测环境监测桥梁监测健康监测海洋监测环境监测电力高压线高尔夫球场葡萄园道路交通电力高压线高尔夫球场葡萄园道路交智能停车场物流系统列车铁轨高速公路系统智能停车场物流系统列车铁轨高速公路系统韩国济州岛智能渔场北京大兴区菊花基地克尔斯博公司韩国济州岛智能渔场北京大兴区菊花基地克尔斯博公司浙江温州的奶牛牧场沈阳玫瑰园浙江温州的奶牛牧场沈阳玫瑰园智能交通智能交通智能停车场智能停车场智能围界智能围界讨论

请大家思考和组织课堂讨论：传感器网络还可以有哪些用途？讨论请大家思考和组织课堂讨论：二零零八年五月十二日汶川地区发生强烈地震二零零八年五月十二日汶川地区发生强烈地震WSN应用－监测火山

ActivevolcanoincentralEcuador–5018m唐古拉瓦火山（VolcánTungurahua）在1999年进行了一次猛烈爆发WSN应用－监测火山ActivevolcanoinceWSN应用－监测火山InfrasonicMicrophoneWSN应用－监测火山ExampleoferuptiondataWSN应用－监测火山WSN应用－监测火山（二）军事应用（二）军事应用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枪声定位反恐系统枪声定位反恐系统

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密封形封装罩节点封装示例（一）特点：节点封装示例（二）锥形罩特点：底基重量大自正位“悬垂钟摆”式电路板飞机抛撒节点封装示例（二）锥形罩特点：“狼群”地面传感器网络美军共计完成23项传感器网络项目“狼群”地面传感器网络美军共计完成23项传感器网络项目智能尘埃SmartDust•光信号传输

•很微小，微米级的包含传感和通信的平台

•具有计算能力，双向无线通信能力，自带电源

•成本比较低，适合大规模生产和部署

•有特定的用途与功能：空间探测远距离交通流量探测建筑物情况监控战场，自然资源监视智能尘埃SmartDust智能尘埃SmartDust智能尘埃SmartDustMote•无线电波传输•元件齐全，选择性高•功能较完善Mote

Mote

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四、传感器网络的关键技术四、传感器网络的关键技术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！通信能力有限关键之一电源能量有限通常电池供电，工作环境恶劣，一次部署终生使用，更换电池困难关键之二如何节省电源、最大化网络的使用寿命？低功耗设计问题是第二项关键技术！电源能量有限关键之二计算能力有限节点体积小，处理器和存储器性能有限，不允许进行复杂算法的运算关键之三嵌入式操作系统设计是第三项关键技术！计算能力有限关键之三自组织的动态网络传感器网络没有基站节点失效、新节点加入，导致网络拓扑结构的动态性，需要自动愈合关键之四多跳自组织的网络路由是第四项关键技术！自组织的动态网络关键之四