第4章-无线传感器网络：物联网的末梢神经

吴功宜编著1智慧的物联网

—感知中国与世界的技术第4章

无线传感器网络：物联网的末梢神经2本章的中心思想：

也许无线传感器网络对于我们大多数人来说，还是很陌生，其实她已经是二十多岁的“青年人”，只是一开始她就在军事与特种领域“服役”。但是现在她已经“转业”到地方，成为我们感知物理世界的网络—物联网的神经末梢。3本章主要内容无线网络的基本概念无线局域网与IEEE802.11协议无线城域网与IEEE802.16协议蓝牙、ZigBee与802.15.4协议标准无线自组网技术应用领域与关键技术的发展无线传感器网络应用领域与关键技术的研究无线网状网应用领域与关键技术的研究44.1无线网络的基本概念4.1.1无线网络技术的分类5基于基础设施的无线网络IEEE802.11无线局域网WLANIEEE802.16无线城域网WMAN无基础设施的无线网络无线自组网Adhoc无线传感器网络WSN无线网状网WMN是无线自组网在接入领域的一种应用64.1.2无线分组网与无线自组网1972年：启动无线分组网PRNET的研究项目。无线分组网的研究成果为无线自组网Adhoc的发展奠定良好的基础。IEEE将无线自组网Adhoc定义为一种特殊的自组织、对等、多跳、无线移动网络，称为移动无线自组网络MANET。74.1.3无线自组网与无线传感器网络无线传感器网络的研究起步于20世纪90年代末期。无线传感器网络研究涉及传感器、微电子芯片制造、无线传输、计算机网络、嵌入式计算、网络安全与软件等技术。无线传感器网络可以用于对敌方兵力和装备的监控，战场的实时监视，以及目标的定位、战场评估与对核攻击和生物化学攻击的监测和搜索。84.1.4无线自组网与无线网状网将无线自组网技术作为无线局域网与无线城域网等无线接入技术的一种补充，将它应用于互联网无线接入网中，是一个很有发展前途的课题。在这样的背景下，出现无线网状网技术的研究。9无线自组网与无线传感器网络、无线网状网的关系104.2无线局域网与IEEE802.11协议作为传统局域网的扩充特殊无线网络的结构典型的无线局域网结构114.3无线城域网与IEEE802.16协议4.3.1宽带无线接入的基本概念802.16宽带城域网结构示意图124.3.2IEEE802.16标准体系按802.16标准建立的无线网络覆盖一个城市的部分区域，同时由于建筑物位置是固定的，它需要在每个建筑物上建立基站，基站之间采用全双工、宽带通信方式工作。致力于IEEE802.11的标准WLAN推广应用的是Wi-Fi联盟，IEEE802.16标准对应的论坛组织是WiMAX。134.4蓝牙、无线个人区域网与ZigBee4.4.1蓝牙技术与协议1994年，Ericsson公司对于在无电缆的情况下，将移动电话和其他设备，如PDA连接起来产生浓厚的兴趣。Ericsson公司与IBM、Intel、Nokia和Toshiba等4家公司发起，开发一个用于将计算机与通信设备、附加部件和外部设备，通过短距离的、低功耗的、低成本的无线信道连接的无线标准。这个项目被命名为蓝牙（Bluetooth）。14蓝牙技术的特点：通信频率选用国际开放的频段；通信距离小于10米；芯片体积小，功耗小。蓝牙技术的应用可以用于移动电话、耳机、鼠标、遥控开关等各种家用电器上；支持点-点与点-多点的无线个人区域网。154.4.2无线个人区域网与协议随着手机、便携式计算机和移动办公设备的广泛应用，人身附近几米范围内的个人操作空间设备联网的需求导致个人区域网络PAN与无线个人区域网络WPAN的出现。IEEE802.15工作组致力于低速无线个人区域网络LR-WPAN的协议与应用问题。2003年，IEEE批准低速无线个人区域网LR-WPAN标准，即IEEE802.15.4。它为近距离范围内不同设备之间低速互连提供统一标准。164.4.3ZigBee技术的特点ZigBee是一种面向自动控制的低速、低功耗、低价格的无线网络技术。ZigBee适应于数据采集与控制的点多、数据传输量不大、覆盖面广、造价低的应用领域，在家庭网络、安全监控、医疗保健、工业控制、无线定位等方面展现重要的应用前景。174.5无线自组网技术应用领域与关键技术的发展4.5.1无线自组网技术的主要特点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结点能量的限制性网络生存时间的限制184.5.2无线自组网的主要应用领域军事领域民用领域办公环境的应用救灾与恶劣环境中的应用特殊环境的应用个人区域网络中的应用家庭无线网络的应用194.5.3无线自组网关键技术的研究无线自组网技术研究的主要内容204.6无线传感器网络应用领域与关键技术的研究4.6.1

传感器与无线传感器网络技术发展的背景传感器的基本概念传感器（sensor）的定义是由敏感元件和转换元件组成的一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。传感器是实现自动检测和自动控制的首要环节，也可以说是人类五官的延长。21根据传感器工作原理，可分为物理传感器和化学传感器二大类。传感器已经广泛应用于工业生产、农业生产、环境保护、资源调查、医学诊断、生物工程、宇宙开发、海洋探测、文物保护等领域。从茫茫的太空，到浩瀚的海洋，以至各种复杂的工程系统，几乎每一个现代化项目都离不开各种各样的传感器。22微电子机械系统与新型传感器微电子机械系统MEMS是在微电子技术基础上发展起来的多学科交叉的新兴学科，它以微电子及机械加工技术为依托，研究涉及微电子学、机械学、力学、自动控制科学、材料科学等多学科。应用微电子机械系统技术已经成功地研制出很多的纳米级电子元器件和新型的传感器，如压力传感器、加速度传感器、红外传感器、气体传感器、流量传感器、离子传感器、辐射传感器、化学传感器、谐振传感器等。23生物传感器技术的研究与发展生物传感器是一类特殊的化学传感器。生物传感器具有高选择性、高灵敏度、高稳定性、低成本，能够在复杂环境中进行在线、快速、连续监测的特点。24微电子、无线通信、计算机与网络等技术的进步，推动低功耗、多功能传感器的快速发展，使其在微小体积内能够集成信息采集、数据处理和无线通信等多种功能。微型传感器的外形25无线传感器网络技术的研究与发展无线传感器网络（WSN）是由部署在监测区域内大量的、廉价的微型传感器结点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳的、自组织的无线自组网系统，其目的是将网络覆盖区域内感知对象的信息发送给观察者。传感器、感知对象和观察者构成无线传感器网络的三个要素。无线传感器网络将改变人类与自然界的交互方式。人们可以通过无线传感网络直接感知客观世界，扩展现有网络的功能和人类认识世界的能力。264.6.2无线传感器网络的特点网络规模无线传感器网络规模大小与它的应用目的相关，结点数量最多可能达到成千上万甚至更多。网络规模表现在结点的数量与分布的地理范围等两个方面。27自组织网络在无线传感器网络的应用中，传感器结点的位置不能预先精确设定。传感器结点必须具有自组织能力，能够自动进行配置和管理，通过拓扑控制机制和网络协议，自动形成转发监测数据的多跳无线网络系统。无线传感器网络是一种典型的无线自组网。28作为下一代无线网络关键技术之一的多跳无线网络（亦称无线MESH网）正得到越来越多的关注。与传统的无线网络必须首先访问接入点(AP)才能进行无线连接不同，在多跳无线网络中，每个节点都可以与一个或者多个对等节点进行直接通信。多跳无线网络可以和802.11WLAN、802.16WMAN以及3G等各种无线接入技术相结合，实现家庭、社区、企业及城域网络等的多层次、多范围的无线应用。

拓扑结构的动态变化传感器结点最主要的限制是结点携带的电源能量有限。传感器结点作为一种微型嵌入式系统，要完成监测数据的采集、处理、传输与控制等多项任务。在使用过程中，部分结点能量耗尽或环境因素会造成网络拓扑结构动态变化。无线传感器网络系统必须具有适应网络拓扑变化，具有动态系统重构能力。304.6.3无线传感器网络的应用前景在军事应用领域的应用在环境监测和预报中的应用在医疗系统和健康护理中的应用在信息家电设备中的应用在建筑物状态监控中的应用在空间探索中的应用在特殊环境中的应用314.6.4无线传感器网络的基本结构无线传感器网