补充：无线传感器网络概述

2024/11/181无线传感器网络概述无线传感器网络简介无线传感器网络与物联网无线传感器网络的应用领域无线传感器网络的体系结构无线传感器网络研究及发展现状无线传感器网络面临的挑战无线传感器网络的未来展望2024/11/182概念：随着计算机及相关技术的发展，使得将计算、通信、传感等功能都集成在一个设备成为了可能，无线传感器网络正是这些技术的紧密结合。无线传感器网络是一种由传感器节点构成的网络，能够实时地监测、感知和采集节点部署区的环境或观察者感兴趣的感知对象的各种信息（如光强、温度、湿度、噪声和有害气体浓度等物理现象），并对这些信息进行处理后以无线的方式发送出去。无线传感器网络使普通物体具有了感知能力和通信能力，在军事侦察、环境监测、医疗护理、智能家居、工业生产控制以及商业等领域有着广阔的应用前景。无线传感器网络简介2024/11/183典型场景无线传感器网络由传感区域内大量的无线节点、Sink节点、外部网络构成。如图中节点A感知到数据之后，通过节点B、C、D、E多跳传送给Sink节点，再由Sink节点传送给外部网络（如Internet）。2024/11/184特点：是一种自组织网络自组织：在节点位置确定之后，节点需要自己寻找其邻居节点，实现相邻节点之间的通信，通过多跳传输的方式搭建整个网络，并且需要根据节点的加入和退出来重新组织网络，使网络能够稳定正常的运行。分布式：网络的感知能力由若干冗余节点共同完成，每一个节点具有相同等的硬件资源和通信距离，没有哪一个节点严格地控制网络的运行，节点消亡之后网络能够重组，任意一个节点的加入或退出都不会影响网络的运行，抗击毁能力强。节点平等：除了Sink节点之外，无线传感器节点的分布随机，以自己为中心只负责自己通信范围内的数据交换；每个节点都是平等的，没有先后优先级之间的差别，具有相同的通信能力，既可以产生数据也可以转发数据。可靠性要求高：自组织网络采用的是无线信道，通信需要通过多跳路由，因此数据的可靠性不高；而且信道容易受到干扰、和窃听，保密性能差。2024/11/185特征：节点微型化、资源有限：如节点的电源能量、通信能力、计算存储能力有限。而且难以维护，对节点运行的程序包括使用的存储空间、算法时间开销有较高的要求；可感知：节点具备感知外部物理世界的能力自组织能力：网络自组织、自维护网络规模大：大部分无线传感器网络的覆盖范围很大并且部署密集，在单位面积内可能存在大量的传感器节点；时效性：无线传感器网络采集的信息需要在一定时间内及时送达观察者或是数据处理中心，对可能发生的事故和危险情况进行及时预告和提醒2024/11/186独特的特征：节点的可感知，微型化和自组织能力是无线传感器网络所具有的三个最基本的特点无线传感器网络的特点决定了无线传感器网络非常适合应用于恶劣的环境尤其是无人值守的场景即使被监测区域中的部分节点损坏或休眠时，也不会造成该区域的无线传感网络崩溃或影响数据的获得，网络仍能为系统提供可靠的监测数据。2024/11/187信息感知优势：分布节点中多角度和多方位信息的综合，有效地提高了对被监测区域的观测的准确度和信息的全面性传感器网络低成本、高冗余的设计原则为整个系统提供了较强的容错能力。即使在极为恶劣的应用环境中，监控系统也可以正常工作节点中多种传感器的混合应用有利于提高探测的性能指标多节点联合，可形成覆盖面积较大的实时探测区域。借助于个别具有移动能力的节点对网络拓扑结构的调整能力，可以有效地消除探测区域内的阴影和盲点2024/11/188传感器节点体积小，能量有限传感器节点计算和存储能力有限通信半径小，带宽低传感器节点数量大且有自适应性无中心和自组织网络动态性强以数据为中心的网络无线传感网的基本特点2024/11/189物联网（IoT,InternetofThings），最早由美国麻省理工学院（MIT）于1999年首次提出，国际电信联盟ITU）在2005年的年度报告中对概念的涵义进行了扩展，但没有对物联网进行明确的定义。

初期的概念：物联网是将把所有物品通过射频识别（RFID）、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备与互联网连接起来，进行信息交换和通讯，实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理。其实质是利用射频自动识别(RFID)技术，通过计算机互联网实现物品(商品)的自动识别和信息的互联与共享，其关键在于身份的识别。在我国的政府工作报告中注释：物联网是指通过信息传感设备，按照约定的协议，把任何物品与互联网连接起来，进行信息交换和通讯，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。它是在互联网基础上延伸和扩展的网络。在国内较为普遍的一种观点是物联网主要组成为“传感网”，至少传感网是物联网的关键性技术所在。无线传感器网络与物联网2024/11/1810物联网系统架构：三层架构感知层智能嵌入式标识、感知协同、互动网络层融合接入信息存储应用层数据挖掘决策2024/11/1811无线传感器网络：物联网的末梢神经2024/11/18122024/11/1813物联网各层的功能感知层是实现物联网全面的感知的核心能力是物联网中包括关键技术、标准化方面、产业化方面亟待突破的部分关键在于具备更精确、更全面的感知能力，并解决低功耗、小型化和低成本的问题广泛覆盖的移动通信网络是实现物联网的基础设施是物联网三层中标准化程度最高、产业化能力最强、最成熟的部分关键在于为物联网应用特征进行优化和改进，形成协同感知的网络提供丰富的基于物联网的应用，是物联网发展的根本目标将物联网技术与行业信息化需求相结合，实现广泛智能化应用的解决方案集关键在于行业融合、信息资源的开发利用、低成本高质量的解决方案、信息安全的保障以及有效的商业模式的开发物联网应用层物联网网络层物联网感知层2024/11/181414系统架构与基础资源管理信息获取与识别安全新技术网络与传输行业示范应用信息处理材料器件网络系统应用信息化薄弱环节：传感器智能化、芯片与传感器集成制造、微能源等工程技术新方向：新型敏感材料、纳米技术、生物技术、仿生技术、新型储能技术、极低能耗

物联网领域发展态势信息技术感知中国服务存储处理传输获取2024/11/18152024/11/181515系统架构与基础资源管理信息获取与识别安全新技术网络与传输行业示范应用信息处理材料器件网络系统应用信息化物联网领域发展态势信息技术感知中国服务存储处理传输获取基础较好:

3/4/5G、窄带接入、宽带接入、WSN等新问题：异构网络融合、多网协同、环境自适应切换、智能网络管理、面向特定应用的专网2024/11/18162024/11/181616系统架构与基础资源管理信息获取与识别安全新技术网络与传输行业示范应用信息处理材料器件网络系统应用信息化物联网领域发展态势信息技术感知中国服务存储处理传输获取薄弱环节：异构数据海量存储和管理、分布式高性能计算平台、可靠性和工程化等。新问题：智能信息处理、态势分析和融合、物物关系链管理、情报挖掘、主动决策等。2024/11/18172024/11/181717系统架构与基础资源管理信息获取与识别安全新技术网络与传输行业示范应用信息处理材料器件网络系统应用信息化物联网领域发展态势信息技术感知中国服务存储处理传输获取已有基础：信息化新问题：在信息化基础上向“智能化”提升。新业务模式的建立。2024/11/18182024/11/181818系统架构与基础资源管理信息获取与识别安全新技术网络与传输行业示范应用信息处理材料器件网络系统应用信息化物联网领域发展态势信息技术感知中国服务存储处理传输获取新问题：万亿量级节点的标识、发现资源管理与服务发现异构网络融合自治认知能力事件驱动特性2024/11/18192024/11/181919系统架构与基础资源管理信息获取与识别安全新技术网络与传输行业示范应用信息处理材料器件网络系统应用信息化物联网领域发展态势信息技术感知中国服务存储处理传输获取新问题：安全架构认证信用管理电子取证轻量级加密机制2024/11/1820

传感器网络战场评估生活习性监测地震监测深海监控医疗状况监控小区安全监控精细农业目标跟踪和检测森林火灾监控无线传感器网络的应用2024/11/1821“感知中国”成为中国传感网国家战略物联网精准农业医疗卫生物流管理精准林业智能交通智能电网安防监控工业监控智能楼宇2024/11/1822无线传感网是连接物理世界与数字世界的桥梁湖泊生活区森林工业区2024/11/1823军事领域

无线传感器网络非常适合应用于恶劣的战场环境中，因此军事领域成为无线传感器网络最早展开的领域，由于战争的伤亡性，传感器节点将取代人去执行一些危险任务，如监控我军兵力、装备和物资，监视冲突区，侦察敌方地形和布防，定位攻击目标，评估损失，侦察和探测核、生物和化学攻击。2024/11/1824作战环境侦查2024/11/1825战场监测与指挥2024/11/1826环境监测和保护在监测区域撒播大量的无线传感器节点，并提高环境监控的覆盖范围、精度和实时性。包括跟踪生物种群，监测水位水质，预警火灾、地震、泥石流和台风等灾害。还可用于海洋、深空等环境。2024/11/1827森林火灾监测系统2024/11/1828大东湖生态保护2024/11/1829水下传感网2024/11/1830自2009年4月开始，清华大学研究团队搭建了森林生态监测传感网GreenOrbs（绿野千传），部署超过

2000

个传感网节点，单数据汇聚点管辖超过

500

点，连续运行超过

20

个月。森林生态监控传感网2024/11/1831基于无线传感器网络水库安全监测安全机制调度控制监测2024/11/1832网络拓扑结构农田信息采集应用层网络层感知层信息接入网络融合数据处理可靠传输公共中间件信息开放平台服务平台节点部署、覆盖技术智能节点设计风力发电网关远程监控中心研究与集成农田系统立体污染信息采集技术研究开发农田系统立体污染监测诊断、预警模型。设计与构建区域农田系统立体污染数据库主要研究内容节点实物图基于传感器网络的珠三角地区农田系统立体污染监测2024/11/18332007年至2008年中国海洋大学开发海洋环境监控传感网（OceanSense）。在青岛附近黄海海域连续工作超过一年，部署了120个节点收集温度、光照、水深等环境数据。系统部署设备制造数据发布海洋环境监控传感网2024/11/1834地震检测2024/11/1835工业监控与故障诊断通过无线传感器网络可方便地对煤矿、石油钻井、核电厂和组装线工作的设备和员工进行监控和诊断，保障设备安全和员工人身安全。2024/11/1836在年产量世界第二的内蒙古大柳塔煤矿部署了地下煤矿传感网原型系统监测包括瓦斯泄漏、矿壁渗水、坑道塌方等紧急事件，对矿下人员提供紧急情况下的救援辅助与自动指引。井下部署传感器节点煤矿入口煤矿安全监控传感网2024/11/1837智能农业在农业领域无线传感器网络有着卓越的技术优势。它可用于监视农作物灌溉情况、土壤空气变更情况、牲畜和家禽的环境状况以及大面积地表检测。2024/11/1838农业标准化生产监测系统传感网运营支撑平台农业生产监测系统短信网关WEB客户GPRS/EDGE有线无线射频传感器组通信终端将农业生产过程中，最关键的温度、湿度、二氧化碳含量、土壤温度、土壤含水率的信息通过农田中的传感器组实时采集，利用M2M运营支撑平台和GPRS/ESGE网络传输，利用短信息、WEB、WAP等手段，让从事农业生产的客户实时掌握这些信息。2024/11/1839精细农业2024/11/1840智能家居智能家居系统的设计目标是将住宅内的各种家居设备联系起来，使各个家居设备能够自动运行，相互协作，为居住者提供尽可能多的便利和舒适。2024/11/1841智能家庭是各类消费电子产品、通信产品、信息家电及智能家居等通过传感网进行通信及数据交换,实现家庭网络中各类电子产品之间的“互联互通”,并实现随时随地对智能设备的控制。智能家庭2024/11/18422024/11/18432024/11/1844在智能家居的应用场景中，用户在下班回家的路上即可用手机启动“下班”业务流程，将热水器和空调调节到预订的温度，并检测冰箱内的食物容量，如不足则通过网络下订单要求超市按照当天的菜谱送货。2024/11/1845医疗健康与监护无线传感器网络节点微小的特点在医学上有特殊的用途。可以利用传感器监测病人的心率和血压等生理特征，以随时了解病人的病情进行及时有效地处理。并可以利用传感器网络长期不间断地收集医学实验对象的生理数据，为医学研究提供依据。2024/11/1846人体健康检测系统人身上可以安装不同的传感器，对人的健康参数进行监控，并且实时传送到相关的医疗保健中心，如果有异常，保健中心通过手机，提醒您去医院检查身体。2024/11/1847智能交通系统可通过运用大量传感器网络，并配合GPS系统、区域网络系统等资源，优化交叉路口信号灯控制，提供车辆诱导，缓解道路拥堵，提高驾驶安全。2024/11/1848传感器被安装在交通工具上能够检测交通工具的位置、尺寸、速度和路况…路线推荐，行驶时间估计…

智能交通2024/11/1849智能仓储物流利用无线传感器网络的多传感器高度集成，以及部署方便、组网灵活的特点，可用来进行粮食、蔬菜、水果、蛋肉存储仓库的温度、湿度控制，中央空调系统的监测与控制，以及厂房环境控制，特殊实验室环境的控制等。2024/11/1850智慧城市通过物联网基础设施、云计算基础设施、地理空间基础设施等新一代信息技术以及百科、社交网络、综合集成等工具和方法的应用，实现全面透彻的感知、宽带泛在的互联、智能融合的应用。知识社会环境下的智慧城市是信息化城市发展的高级形态。智慧城市的建设覆盖诸多领域，交通、医疗、安防、社区、电网等等都是智慧城市建设中不可或缺的部分。其中智慧社区、智能家居是与人最为密切相关的部分，是智慧城市建设的必经步骤。2024/11/18512010年，IBM正式提出了“智慧城市”远景：城市六个核心系统组成：组织（人）、业务/政务、交通、通讯、水和能源。国内不少公司也提出有关智慧城市的架构体系，如“智慧城市4+1体系”，已在城市综合体智能化（如株洲神农城）、天津智慧和平区等智能化项目中得到应用。2013年1月国家住建布提出了建设智慧城市的首批名单：包括北京、石家庄、无锡、温州等90个城市通过审核，正式成为国内首批试点智慧城市。2024/11/1852无线传感器网络的体系结构无线传感器网络的节点结构无线传感器网络的软件体系结构无线传感器网络的网络拓扑结构无线传感器网络的协议结构2024/11/1853无线传感器网络体系结构——节点结构

传感器节点通常用于部署，其成本低廉、重量轻，同时支持一些基本的功能，如事件检测、分类、追踪以及汇报，在一般情况下，节点支持以下功能：动态配置，以支持多种网络功能；节点可以动态配置成网关、普通节点等；远程可编程，以便增加新的功能，如支持新的信号处理算法；定位功能，以便确定自己的绝对或者相对位置，如利用全球定位系统（GlobalPositionSystem，GPS）；支持低功耗的网络传输；支持长距离通信的能力，以便数据传输，如网关之间的通信。2024/11/1854主要组成部分：数据采集模块(传感器、信号调理、A/D转换器)数据处理和控制模块(微处理器、存储器)无线通信模块(射频收发器)能量供应模块(电池及电源管理模块)可以选择的其他功能单元：定位模块移动模块电源自供电模块2024/11/18552024/11/18562024/11/1857无线传感器网络的系统结构——软件结构最靠近基础硬件并对各种软硬件资源进行管理的是操作系统，无线传感器网络操作系统一般采用事件驱动的组件设计模式，完整的系统由调度器和分层组件组成每一类完整的无线传感器网络的软件结构，都需要有面向特定应用的业务逻辑部分软件。可根据传感器网络节点采集的数据的类型、特性、用途和用户的需要对数据进行特定的处理在现代的无线传感器网络软件体系中，还会设计处理分布系统所特有功能的软件，形成无线传感器网络中间件软件，用于支撑各种应用2024/11/18582024/11/1859无线传感器网络的系统结构——网络拓扑结构平面网络结构分级网络结构混合网络结构Mesh网络结构2024/11/1860平面网络结构：

无线传感器网络中最简单的一种拓扑结构，所有节点为对等结构，具有完全一致的功能特性2024/11/1861分级网络结构：分级网络结构分为上层和下层两个部分：上层为中心骨干节点；下层为一般传感器节点。这种网络拓扑结构扩展性好，便于集中管理，可以降低系统建设成本，提高网络覆盖率和可靠性2024/11/1862Mesh网络结构：Mesh网络结构是一种新型的无线传感器网络结构，该结构是规则分布的网络结构，该结构中通常只允许节点和节点最近的邻居通信2024/11/1863无线传感器网络的系统结构——协议结构无线传感器网络协议设计所需要考虑的特殊特性（1）无线传感器网络中的节点数目高出Adhoc网络节点数目几个数量级，这就对传感器网络的可扩展性提出了要求（2）无线传感器网络最大的特点就是能量受限。在各层协议设计时，节能是设计的主要考虑目标之一（3）传感器网络节点受损的概率远大于传统网络节点，因此自组织网络的健壮性保障是必须的（4）传感器节点高密度部署，网络拓扑结构变化快，对于拓扑结构的维护也提出了挑战2024/11/1864传感器网络体系结构具有横向的通信协议层和纵向的传感器网络管理面这样的二维结构。通信协议层可以划分为物理层、链路层、网络层、传输层和应用层五层，网络管理面则可以划分为能耗管理面、移动性管理面以及任务管理面。2024/11/1865无线传感器网络的各通信协议层物理层数据链路层网络层传输层应用层2024/11/1866无线传感器网络的各通信协议层功能物理层负责载波频率产生、信号的调制解调等工作，提供简单但健壮的信号调制和无线收发技术。数据链路层（1）媒体访问控制。主要负责网络结构的建立和为传感器节点有效、合理地分配资源。（2）差错控制。保证源节点发出的信息可以完整、无误地到达目标节点。网络层负责路由发现和维护，是无线传感器网络的重要因素。无线传感器网络中，大多数节点无法直接与网关通信，需要通过中间节点进行多跳路由。（以数据为中心）2024/11/1867传输层负责将传感器网络的数据提供给外部网络，也就是负责网络中节点间和节点与外部网络之间的通信。应用层主要由一系列应用软件构成，主要负责监测任务。这一层主要解决三个问题：传感器管理协议、任务分配和数据广播管理协议，以及传感器查询和数据传播管理协议。2024/11/1868能量管理平台管理传感器节点如何使用资源，在各个协议层都需要考虑节省能量。移动管理平台检测传感器节点的移动，维护到汇聚节点的路由，使得传感器节点能够动态跟踪其邻居的位置。任务管理平台

在一个给定的区域内平衡和调度检测任务。2024/11/1869传感器平台低端平台高端平台标准化工作ZigBee标准WirelessHART标准6LoWPAN标准传感器平台的发展时间顺序2024/11/1870

无线传感器网络的研究起步于20世纪90年代末期，随着无线自组网技术的日趋成熟，无线通信、微电子、传感器技术也得到快速发展，如何在军事领域中将无线自组网与传感器技术结合起来的研究课题被提出，即开始了无线传感器网络的研究。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，目标的定位、战场评估以及对核攻击和生物化学攻击的监测和搜索。无线传感器网络的起源与发展

起源2024/11/1871

无线网络是网络技术研究与发展的另一条主线，它的研究、发展与应用将对21世纪信息技术与产业发展产生重要的影响。2024/11/1872传感器→无线传感器→无线传感器网络（大量微型、低成本、低功耗的传感器节点组成的多跳无线网络）第一阶段：最早可以追溯至越战时期使用的传统的传感器系统。第二阶段：二十世纪80年代至90年代之间。主要是美军研制的分布式传感器网络系统、海军协同交战能力系统、远程战场传感器系统等。第三阶段：21世纪开始至今，也就是9·11事件之后。这个阶段的传感器网络技术特点在于网络传输自组织、节点设计低功耗。除了应用于反恐活动以外，在其它领域更是获得了很好的应用，所以2002年美国国家重点实验室－－橡树岭实验室提出了“网络就是传感器”的论断。

发展2024/11/1873无线传感器网络面临的挑战低能耗实时性低成本安全和抗干扰协作2024/11/1874低能耗

无线传感器网络节点的电源极为有限，又因为它通常工作在危险或人们无法到达的环境中，所以在大多数情况下无法补充能量，网络中的传感器节点会由于电源能量耗尽而失效或废弃，这就要求在无线传感器网络运行的过程中，每个节点都要最小化自身的能量消耗，获得最长的工作时间；因而无线传感器网络中的各项技术和协议的使用一般都以节能为前提。实时性

无线传感器网络的应用大多要求有较好的实时性。例如，目标在进入监测区域之后，传感器网络需要在一个很短的时问内对这一事件做出响应，若其反应的时间过慢，则可能目标已离开监测区域，从而使得到的数据失效。又如，车载监控系统需要在很短的时间内就读一次加速度仪的测量值，否则无法正确估计速度，导致交通事故，这些应用都对无线传感器网络的实时性设计提出了很大的挑战。2024/11/1875低成本

无线传感器网络是由大量的传感器节点组成的，单个传感器节点的价格会极大程度地影响系统的成本。为了达到降低单个节点成本的目的，需要设计出对计算、通信和存储能力均要求较低的简单网络系统和通信协议。此外，还可以通过减少系统管理与维护的开销来降低系统的成本，这需要无线传感器网络系统具有自配置和自修复的能力。安全和抗干扰

无线传感器网络系统具有严格的资源限制，需要设计低开销的通信协议，同时也会带来严重的安全问题。由于传感器节点有些会设置在屋内，也有许多会设置在户外，会在各种环境下部署节点，所