无线传感器网络与物联网通信技术 课件 第1章 概述

第1章概述第1章概述2目录1.1无线传感器网络发展概况1.2无线传感器网络基本概念1.3无线传感器网络关键技术1.4无线传感器网络与物联网1.5物联网体系结构1.6典型应用1.1无线传感器网络发展概况智能传感器阶段这个阶段所形成的智能传感器除数据采集的基本能力外，还具有一定的计算处理能力。其应用最早可追溯到美军针对越南战争时期“胡志明小道”使用的传统传感器系统。著名的“胡志明小道”是越南军方进行物资输送的秘密通道。为了获取越南军方在该小道上的活动信息，美军通过飞机投放了大量体积小巧的“热带树”侦察传感器，其主要由声响和振动传感器构成。该侦察传感器空投后，主体会像钉子一样插入地面，其伪装的天线远看就像热带树林中的树枝，因此得名“热带树”。侦察传感器探知车辆经过时的声响和振动信息，并自动发送到美军的指挥控制中心，从而起到为军事决策提供信息支撑的目的。1.1无线传感器网络发展概况无线智能传感器阶段无线智能传感器是在智能传感器基础上增加了无线通信功能，形成分布式传感器网络。这个阶段集中在20世纪70年代末至90年代末，是无线传感器网络的雏形形成阶段，美国军方和研究机构主导并加快了相关研究工作。从1978年开始，美国国防部高级研究计划局（DefenseAdvancedResearchProjectsAgency，DARPA）资助了分布式传感器网络的研究工作，重点研究传感器网络中的网络通信技术、信息处理技术与分布式算法等，对无线传感器网络的基本思路进行了探讨。1996年，美国加州大学洛杉矶分校发布了低功耗无线集成微型传感器的研发成果，推动并加快了无线传感器网络的研究进程。1.1无线传感器网络发展概况无线传感器网络阶段这个阶段从21世纪开始至今，是无线传感器网络快速发展和完善的阶段。在无线智能传感器的基础上引入网络技术，使得传感器不再是单独的检测单元，而是将多个传感器构造成能够交换信息和协调控制的有机结合体。通过自组织组网、节能控制、数据管理与服务等关键技术，扩展了网络系统的信息获取、通信生存和数据处理等多方面能力，从而为国防军事、环境监测、智能家居、医疗监护、智慧城市、智能工厂等众多领域提供有力支撑。因此，美国《商业周刊》将无线传感器网络列为21世纪最有影响力的技术之一，麻省理工学院的《技术评论》也将无线传感器网络列为改变世界并对未来人类生活产生深远影响的十大新兴技术之一。1.2无线传感器网络基本概念1.2.1无线网络与无线传感器网络针对基础设施需求的不同，可将无线网络分为两大类，即有基础设施的无线网络和无基础设施的无线网络。有基础设施的无线网络依靠固定基站或固定设备进行通信，典型的有移动通信网络、无线局域网、无线城域网。有基础设施的无线网络依靠固定基站或固定设备进行通信，典型的有移动通信网络、无线局域网、无线城域网。其中，移动通信网络需要大功率的天线和射频基站支持，无线局域网WLAN和无线城域网WMAN需要接入点AP设备支持。在无基础设施的无线网络中，网络节点呈分布式结构，节点之间不需要通过基站或AP设备就可以实现点对点的无线通信。1.2无线传感器网络基本概念1.2.2基本概念与组成无线传感器网络是由部署在监测区域内的大量微型传感器通过无线通信方式构成的一个自组织、多跳网络系统，以协作感知、采集、传输、处理网络覆盖区域内被感知对象信息，并把这些信息传送给观测用户。无线传感器网络的基本组成如图1-1所示。1.2无线传感器网络基本概念传感器节点传感器节点又称为感知节点（SensorNode），负责物理信息探测、数据转换、传输与转发等工作。根据功能情况，传感器节点可划分为全功能设备FFD和精简功能设备RFD。汇聚节点汇聚节点收集和处理来自无线传感器网络的信息，并可通过网关设备与外部网络进行通信交互，一方面向外部网络传送感知信息，另一方面向无线传感器网络发布来自观测用户的监测任务。管理节点管理节点是针对观测用户来说的，以实现无线传感器网络及其资源的动态访问和管理。管理节点一般是计算机终端、服务器或移动终端设备等。1.2无线传感器网络基本概念1.2.3基本特征无线传感器网络是一种特殊的无线网络，已经在多个行业领域取得了非常不错的研究与应用效果，其具有的基本特征主要描述如下。1．网络规模大2．节点分布式3．网络自组织4．以数据为中心5．电源能耗有限6．通信能力有限7．计算与存储能力有限1.3无线传感器网络关键技术无线传感器网络已经引起多个行业的广泛重视，在研究与应用过程中也面临着低功耗、低成本、实时性、安全性与抗干扰等多方面的问题。无线传感器网络涉及的关键技术主要体现在以下几个方面。1．网络拓扑与覆盖控制技术2．路由协议技术3．时间同步技术4．定位技术5．信息融合技术6．信息安全技术1.4无线传感器网络与物联网物联网是物体联网需求和信息技术扩展下形成的一种新型网络，被认为是继计算机、互联网之后的第三次信息产业浪潮。无线传感器网络与物联网是相互关联的，但也存在区别，在网络架构、通信协议和应用领域上都存在不同。无线传感器网络则是由大规模、分布式的传感器节点构成的自组织、多跳的网络系统，以实现监测区域信息的感知与处理。从通信协议上看，物联网仍然以互联网为基础和核心，通过各种有线、无线网络与互联网进行融合，实时准确地传送物体信息。从应用领域上看，物联网具有强大的感知和处理能力，并能够实现对物体的智能控制，因而可以应用到社会经济发展的各个领域。相对来说，无线传感器网络作为物联网发展的核心基础技术，正逐步走向成熟。1.5物联网体系结构目前，被广泛认可的物联网体系结构划分为3层，分别为感知层、网络层和应用层，如图1-2所示。1.6典型应用