物联网导论【课件】第2章 认识物联网感知层技术 任务5 认识无线传感器网络技术15-16讲

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无线传感器网络（WSN）又称为无线传感网，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，是一种全新的信息获取平台，能够实时监测和采集网络分布区域内的各种检测对象的信息，并将这些信息发送到网关节点，以实现复杂的指定范围内的目标检测与跟踪，具有快速展开、抗毁性强等特点，有着广阔的应用前景。本任务将带领大家认识无线传感器网络的结构、组成、应用、发展情况。

认识无线传感器网络技术2.5物联网导论

引导案例——高温下的森林防火：构建无线传感器网络2022年夏天，全国各地高温，重庆市经历了罕见高温，森林内枯枝败叶极易自燃，引发火灾。如何筑牢森林防火安全屏障？政策规定、人员巡逻外，火灾预警？火灾现场定位？

在本任务中，我们就要来认识能有效进行森林火灾防控的无线传感器网络技术，以及其典型应用领域。点击此处结束放映物联网导论2.5.1无线传感器网络的发展历史

基本思想起源于20世纪70年代，用于军事国防项目，1978年，美国国防部高级研究计划局成立了新一代分布式传感器网络工作组，拉开了无线传感器网络研究的序幕。随着半导体技术、微系统技术、通信技术、计算机技术的飞速发展，20世纪90年代末在美国兴起了现代意义上的无线传感器网络技术。其后，该技术相继被一些重要机构预测为将改变世界的重要新技术，相关研究工作在世界各主要发达国家轰轰烈烈地开展起来。无线传感器网络从最初的概念雏形发展到如今较为成熟的软硬件体系，大致可分为4个阶段。点击此处结束放映物联网导论4个阶段点击此处结束放映发展阶段时间主要特点第一阶段20世纪70年代点对点连接传感控制器，传感器有简单信息获取能力第二阶段20世纪80年代传感器具有获取多种信息的能力采用串/并接口（RS-232、RS-485接口等）与传感控制器相连，构成传感器网络，有对多种信息进行综合和处理的能力。第三阶段20世纪90年代后期智能传感器采用现场总线连接传感控制器，构成局域网络第四阶段21世纪初至今传感器具有多功能、多信息获取能力自组织方式，成了微传感器技术、嵌入式系统、无线通信、分布计算、人工智能等的新型网络物联网导论

我国对无线传感器网络的发展非常重视。从2002年开始，国家自然科学基金委员会、中国下一代互联网（CNGD）示范工程、863计划等已经陆续资助了多项与无线传感器网络相关的课题。另外，国内许多科研院所和重点高校近年来也都积极展开了该领域的研究工作。2004年，国家自然科学基金委员会将无线传感器网络列为重点研究项目。2005年，我国开始了传感器网络的标准化研究工作。2006年，《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006—2020

年）》中加入了“传感器网络及智能信息处理”的内容。我国对无线传感器网络的研究工作虽然起步较晚，但在国家的高度重视和扶持下，已经取得了令人瞩目的成就。点击此处结束放映物联网导论2.5.2无线传感器网络的定义及结构1.

无线传感器网络的定义

无线传感器网络是物联网的重要组成部分，是物联网用来感知和识别周围环境信息的系统。它集成了传感器技术、嵌入式系统、计算机网络和无线通信技术等，具有数据的采集、处理和传输三种功能。

无线传感器网络是由大量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，能协同感知、收集和测控各种环境下的感知对象，通过对感知信息的协作式数据处理，获得感知对象的准确信息，然后通过无线方式传送给需要这些信息的用户。协同感知、采集、处理、发布感知信息是无线传感器网络的基本功能。点击此处结束放映物联网导论

无线传感器网络具有多个不同类型的传感器，监控不同场景下不同设备的状况（温度、湿度、光照度、声音、振动、运动状况等）。

无线传感器网络的发展起源于战场监测等军事应用，而现今无线传感器网络被应用于很多民用领域，如智能家居、智慧城市、智慧医疗、智能交通、智慧农业等各行各业。无线传感器网络具有非常广阔的应用前景，其发展和应用将会给人们生活和生产的各个领域带来深远影响。点击此处结束放映物联网导论2.

无线传感器网络的组成

无线传感器网络包含传感器、感知对象和观察者三个基本要素。一般情况下，无线传感器网络由无线传感器节点、汇聚节点、互联网和远程用户管理节点组成。

无线传感器网络中的节点数量多、体积小、成本低、分布密集，具有无线通信和数据处理能力。它们以无线通信的方式自适应地组成一个无线网络。各个无线传感器节点将自己探测到的有用信息以多跳的方式向指挥中心（主机）报告。

无线传感器节点配备有满足不同应用需求的传感器，如温度传感器、湿度传感器、光照度传感器、红外线感应器、位移传感器、压力传感器等。点击此处结束放映物联网导论点击此处结束放映典型无线传感器网络的结构物联网导论3.节点单元硬件总体结构

相比于传统传感器节点，无线传感器节点不仅包括传感器部件，还集成了微型控制器和无线通信芯片等，能够完成信息采集、数据处理及数据回传等，即对感知信息的分析处理和网络传输。无线传感器节点一般由传感器模块、处理器模块、无线通信模块和能量供应模块组成，有的还包括定位装置、运动系统、监控系统和移动装置等。点击此处结束放映无线传感器节点的硬件组成物联网导论

传感器模块：是无线传感器网络中负责采集被监测环境或对象相关信息的单元，与具体的应用需求紧密关联，不同的应用所涉及的监测信息也不相同。

常用的传感器模块有温度传、湿度、磁场、

光照度、气压等。点击此处结束放映物联网导论

处理器模块：是无线传感器节点的核心单元，完成：第一是接收来自传感器模块的监测数据，对数据进行处理和计算，并通过无线通信模块发送出去；第二是读取无线通信模块接收到的数据及控制信息，进行数据处理，并对硬件平台或控制目标进行控制；第三是对通信协议进行处理，完成在无线传感器网络通信过程中的媒体访问控制、路由协议处理等。点击此处结束放映物联网导论

无线通信模块：是无线传感器节点组网的必备单元，它使得独立的无线传感器节点之间可以相互连接，并能借助多跳功能将数据回传到汇聚节点。

在进行无线通信模块硬件设计时应综合考虑无线通信模块的处理能力和数据传输时的能耗，在满足通信功能的情况下尽可能地降低通信能耗，延长无线传感器节点的工作寿命。点击此处结束放映无线通信技术频率/GHz距离/m功耗传输速率/kbit/sBluetooth2.410低10000802.11b2.4100高11000ZigBee2.410～75低250IrDA红外1低16000UWB3.1～10.610低100000物联网导论

能量供应模块：是无线传感器网络的能量来源，供电技术的好坏决定了网络工作时间的长短和系统运行成本。

供电单元主要有高能量电池、燃料电池和能量转换电池等几种。

当无线传感器节点被放置在室内固定位置时，可以采用交流供电，此时无线传感器节点的功耗并不会影响系统运行成本和无线传感器节点的使用寿命。点击此处结束放映物联网导论2.5.3无线传感器网络的特点

无线传感器网络是集信息采集、数据传输、信息处理于一体的综合智能信息系统，具有广阔的应用前景，与传统网络相比，无线传感器网络具有以下显著特点。1.

网络规模大、节点数量多

布置大量无线传感器节点的优点：提高整体监测精确度；降低对单个节点的精度要求；大量冗余节点的存在使得系统有较强的容错性能。例如，森林及草原防火监测、野生动物活动情况监测、环境监测往往要布置大量的无线传感器节点。点击此处结束放映物联网导论2.

自组织网络

与局部网的布设不同，无线传感器节点的位置在布设前不能确定（飞机撒布、人员随机布设），节点之间的相邻关系也不能事先确定，因此要求无线传感器节点具有自组织能力，能够自动进行配置管理。3.

动态性网络

无线传感器网络的拓扑结构经常改变，主要原因有无线传感器节点电能耗尽，环境变化造成通信故障，无线传感器节点本身出现故障，增加了新的无线传感器节点等。点击此处结束放映物联网导论4.

可靠性要求高无线传感器网络对无线传感器节点本身硬件结构的要求较高，考虑：①布设时：可能通过飞机撒布、炮弹（火箭）发射等方式布设。②工作时：风吹、日晒、雨淋、严寒、酷暑等恶劣环境。③维护：维护十分困难（几乎不可能）。对无线传感器节点网络要求高，主要考虑以下因素：①网络结构可靠。②自组织、动态性需保证基本信息传输正常。③信息保密性强。点击此处结束放映物联网导论5.

以数据为中心

在互联网中，终端、主机、路由器、服务器等设备都有自己的IP地址。想访问互联网中的资源，必须先知道存放资源的服务器的IP地址，所以互联网是一个以地址为中心的网络，而无线传感器网络是任务型网络。

在无线传感器网络中，节点虽然也有编号，但是编号是否在整个无线传感器网络中统一取决于具体需要。另外，节点编号与节点位置之间也没有必然联系。用户使用无线传感器网络查询事件时，将关心的事件报告给整个网络而不是某个节点，许多时候只关心结果（数据）如何，而不关心是哪个节点发出的数据。点击此处结束放映物联网导论6.

应用相关性

互联网上传递的信息是五花八门的，但是无线传感器网络传递的信息与应用所关注的物理量密切相关。不同的应用背景对无线传感器网络的需求不同，最终导致其硬件平台、软件系统，甚至网络协议都不同，所以在无线传感器网络中很难找到一种统一的通信协议平台。为了实现高效率，往往要针对一个具体应用来研究无线传感器网络技术。限制性：①电源能量有限：电池供电量小、难以更换。②通信能力有限：通信距离小于100m。③通信速率有限：通信速率一般小于1000kbit/s。④计算和存储能力有限：处理器的计算能力弱、存储容量小。点击此处结束放映物联网导论2.5.4无线传感器网络的典型应用

无线传感器网络的应用与具体的应用环境密切相关，因此针对不同的应用领域，存在性能不同的无线传感器网络。1.

军事应用

在军事应用领域，利用无线传感器网络能够监测敌军区域内的兵力和装备，实时监视战场状况，定位目标物，监测核攻击和生物化学攻击等。在信息化战争中，战场信息的及时获取并做出反应对于整个战局至关重要。由于无线传感器网络具有生存能力强、探测精度高、成本低等特点，所以非常适合将其应用于恶劣的战场环境中，执行战场侦察与监控、目标定位、毁伤效果评估、核生化监测、国土安全保护、边境监视等任务。点击此处结束放映物联网导论（1）战场侦察与监控

战场侦察与监控的基本思想是在战场上布设大量的无线传感器网络，以收集和中继信息，并对大量的原始数据进行过滤；然后把重要信息传送到数据融合中心，将大量信息集成为一幅战场全景图，以满足作战力量“知己知彼”的要求，大大提升指挥员对战场态势的感知水平。

对战场的监控可以分为对己方的监控和对敌方的监测，包括军事行动侦察与非军事行动监测。通过在己方人员、装备上附带各种传感器，并将传感器采集的信息通过汇聚节点送至指挥所，同时融合来自战场的其他信息，可以形成己方完备的战场态势图，帮助指挥员及时准确地了解武器装备、军用物资的部署和供给情况。点击此处结束放映物联网导论

典型的：用飞行器将大量微无线传感器节点散布于战场地域，并自组成网，对战场信息边收集、边传输、边融合。系统软件通过解读无线传感器节点传输的数据内容，将它们与公路、建筑、天气、单元位置等相关信息及其他无线传感器网络的信息相互融合，向指挥员提供一个动态、实时更新或近实时更新的战场信息数据库，为各作战平台更准确地制定战斗行动方案提供情报依据和服务，使情报侦察与获取能力得到质的飞跃。点击此处结束放映物联网导论（2）目标定位

在无线传感器网络中，感知目标信息的节点将感知信息广播（无线传送）到管理节点，再由管理节点综合感知信息，对目标位置进行判断，这一过程称为目标定位。实现对预定目标的精确打击。

由于无线传感器网络具有扩展性强、实时性和隐蔽性好等特点，所以它非常适合对运动目标进行跟踪定位，向指挥中心提供目标的实时位置信息。无线传感器网络的目标定位应用方式可以分为侦测、定位、报告3个阶段。点击此处结束放映物联网导论

在侦测阶段，每个无线传感器节点随机“启动”以探测可能的目标，并在目标出现后计算自身到目标的距离，同时向网络广播节点位置及与目标的距离等信息；

在定位阶段，各节点根据接收到的目标方位与自身位置信息，通过三边测量或三角测量等方法，获得目标的位置信息，然后进入报告阶段；

在报告阶段，无线传感器网络会向距离目标较近的无线传感器节点广播消息，使之启动并对目标进行跟踪，同时无线传感器网络将目标信息通过汇聚节点传输到管理节点或指挥所，以实现对目标的精确定位。点击此处结束放映物联网导论（3）毁伤效果评估

战场目标毁伤效果评估是对火力打击后目标毁伤情况的科学评价，是制定后续作战行动决策的重要依据。当前应用较多的目标毁伤效果评估系统主要依托于无人机、侦察卫星等手段，但这些手段均受到飞行距离、过顶时间、敌方打击无线传感器网络或天气等因素的制约，无法全天候对打击的目标进行抵近侦察并对毁伤效果做出正确评估。

无线传感器网络中，无线传感器节点可以通过飞机或火力打击时的导弹、精确制导炸弹被附带撒布于攻击目标周围。在火力打击之后，无线传感器节点对目标的可见光、无线电通信、人员部署等信息进行收集、传递，并经过管理节点进行相关指标分析，使指挥员及时准确地进行战场目标毁伤效果评估。点击此处结束放映物联网导论

一方面可以使指挥员能够掌握火力打击任务的完成情况，适时调整火力打击计划和火力打击重点，为实施正确的决策提供科学依据；另一方面也可以最大限度地优化打击火力配置，集中优势火力对关键目标进行打击，从而大大提高作战资源利用率。（4）核生化监测

将微小的无线传感器节点部署到战场环境中形成自主工作的无线传感器网络，并让其负责采集有关核生化数据的信息，形成低成本、高可靠性的核生化攻击预警系统。这一系统可以在不消耗人员战斗力的条件下，及时而准确地发现己方阵地上的核生化污染，为参战人员提供宝贵的快速反应时间，从而尽可能地减少人员伤亡和装备损失。点击此处结束放映物联网导论

在核生化战争中，及时、准确地采集爆炸中心附近的数据非常重要。在最短的时间内监测到爆炸中心附近的数据，判断爆炸类型，并对其产生的破坏情况进行估算是快速采取应对措施的关键，这些工作常常需要专业人员携带装备进入污染区进行探测。

而若通过无人机、火箭弹等方式向爆炸中心附近撒布无线传感器节点，依靠自主工作的无线传感器网络进行数据采集，则在遭受核生化攻击后无须派遣人员即可快速获取爆炸现场精确的探测数据，从而避免相关人员在进行探测时直接暴露在核辐射环境中而受到核辐射的威胁。点击此处结束放映物联网导论2.

环境监测应用

无线传感器网络应用于环境监测，能够完成传统系统无法完成的任务。环境监测应用领域包括植物生长环境、动物活动环境、生化监测、精准农业监测、森林火灾监测、洪水监测等。点击此处结束放映物联网导论

美国加州大学伯克利分校利用无线传感器网络