《物联网技术与应用》课件-5. 无线传感器网络技术

物联网技术与应用5.1无线传感器网络概述知识目标掌握无线传感器网络的概念、特征及其与Ad-hoc网络的区别。能力目标具备无线传感器网络的逻辑结构分析能力。思政目标培养学生具备自主学习、多元化学习的职业化学习素养。物联网技术与应用02无线传感器网络定义03传感器网络的常用逻辑结构04WSN与Ad-hoc网络的比较01无线网络分类物联网技术与应用目录Part01无线网络分类物联网技术与应用无线传感器网络属于一种无线网络，所谓无线网络就是利用无线电波作为信息传输媒介，完成网络中各节点设备间的信息交互。需要固定基站如：手机、WLAN有基础设施分布式节点无固定基站移动Ad-hoc网络无线传感器网络如：美军101空降师装备的Ad-hoc网络通信设备无基础设施Part02无线传感器网络定义物联网技术与应用无线传感器网络是一种集成了传感器技术、微机电系统技术、无线通信技术和分布式信息处理技术的新型网络技术。通过节点间协作的感知、采集和处理，并将处理后的信息传送到感兴趣的网络终端用户，从而使之成为Internet从虚拟世界到物理世界的延伸，成为逻辑上的信息世界与真实物理世界的连接桥梁，将信息世界与物理世界融为一体。是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织网络系统，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域内被监测对象的信息，并发送给观察者。在这个定义中，传感器网络实现了数据采集、处理和传输三种功能。而这正是对应着现代信息技术的三大基础技术，即传感器技术、计算机技术和通信技术，他们分别构成了信息系统的感官、大脑和神经三个部分，因此无线传感器网络正是这三种技术的结合，可以构成一个独立的现代信息系统。无线传感器网络（WirelessSensorNetwork,WSN）传感器网络的节点间距离很短，一般采用多跳的无线通信方式进行通信。传感器网络可以在独立环境下运行，也可以通过网关连接到主干网络，通过自组织无线通信网络，以多跳中继方式将所感知的信息传送到用户终端。无线传感器网络必须具备三个要素：无线传感器具有感知功能，有路由选择功能用于检测周围时间或环境参数感知对象需要被感知的任何事物或环境参数观察者即用户Part03传感器网络的常用逻辑结构物联网技术与应用传感器网络通过无线电路和无线接口模块，向监控主机发送传感器数据，实现传感器网络的逻辑功能。无线接入模块传感器1传感器2传感器n监控主机……无线链路物联网技术与应用传感器节点的处理器模块完成计算与控制功能。射频模块完成无线通信传输功能传感器探测模块完成数据采集功能，通常由电池供电，封装成完整的低功耗无线传感器网络。各种类型的低功耗网络终端节点可以构成新型拓扑结构或混合型的ZigBee拓扑结构，有的路由节点还可以采用电源供电方式。网关节点只需要有处理器模块和射频模块，通过无线方式接收探测终端发送来的数据信息，再传输给有线网络的PC或服务器。如果通信环境发生变化，导致两个节点失效时，先前借助他们传输数据的其他节点，则自动重新选择路由保证在网络出现故障时能够实现自动愈合。Part04WSN与Ad-hoc网络的比较物联网技术与应用节点数量更为庞大多数节点为静止能量有限拓扑结构被动变化WSN几十至上百个节点节点全移动能量可连续提供拓扑结构主动变化Ad-hoc网络无线传感器网络特征：无线传感网包括了大面积的空间分布能源受限制网络自动配置，自动识别节点网络的自动管理和高度协作课堂小结传感器、感知对象和观察者构成了无线传感器网络的三要素。无线传感器网络是Ad-hoc网络的一个重要分支，具有包括大面的空间分布、能源受限制、网络自配置、自管理和高度协作等特点。无线传感器网络是是大量静止的或移动的传感器，以自组织和多跳的方式构成的无线网络，其目的是协作的感知，采集，处理和传输网络覆盖区域内感知对象的监测信息，并报给用户。物联网技术与应用5.2无线传感器网络体系结构知识目标掌握无线传感器网络的系统结构及节点的结构。能力目标具备分析无线传感器网络的节点限制条件的原因及提出解决问题的能力。思政目标培养学生初步具备研究文献来分析和描述实际系统工程问题的素养。物联网技术与应用02无线传感器网络节点的结构03无线传感器节点的限制条件01无线传感器网络系统结构物联网技术与应用目录Part01无线传感器网络系统结构物联网技术与应用WSN通常包括传感器节点（SensorNode）、汇聚节点（SinkNode）和管理节点。大量传感器节点随机部署在监测区域内部或附近，能够通过自组织方式构成网络。传感器节点监测的数据，沿着其他传感器节点逐条进行传输。在传输过程中监测数据可能被多个节点处理，经过多跳后路由到汇聚节点，最后通过互联网或卫星到达管理节点。用户通过管理节点对传感网进行配置和管理，发布监测任务以及收集监测数据。汇聚节点的处理能力、存储能力和通信能力相对较强。管理节点一般为普通的计算机系统，充当无线传感器网络服务器的角色。传感器节点功能：采集、处理、控制和通信，兼顾节点和路由器特点：资源受限（存储、计算、通信、能量）Sink节点功能：链接传感器网络与Internet等外部网络，实现两种协议栈之间的通信协议转换，发布管理节点的监测任务，转发收集到的数据。特点：连续供电、功能强、数量少等Part02无线传感器网络节点的结构物联网技术与应用无线传感器网络节点由传感器模块、处理器模块、无线通信模块和能量供应模块4个部分组成。负责监测区域内信息的采集和数据转换负责控制整个传感器节点的操作，存储和处理本身采集的数据以及其他节点发来的数据负责与其他传感器节点进行无线通信，交换控制信息和收发采集数据为传感器节点提供运行所需的能量Part03无线传感器节点的限制条件物联网技术与应用传感器节点通过协议自组织成一个分布式网络，将采集来的数据通过优化后经无线电波传输给信息处理中心。传感器节点在实现各种网络协议和应用系统时也存在一些限制和约束。因此传感器节点通过各种方式大量部署在被感知对象内部或者附近。传感器节点的限制有：电源能量有限、通信能力有限、计算和存储能力有限。（1）电源能量有限当前工业水平限制，决定用太阳能电池、微光电池、生物能电池、地热电池等可以从自然界中汲取能量转换为电能的电池来代替化学电池，实现能量自补充的策略也不现实；从传感器网络的特性出发，使用新的分簇算法、路由协议，通过减小节点能量消耗来延长（最大化）网络生命周期是当前研究的一个重点。传感器节点体积微小，决定其携带的化学电池能量有限；节点个数多，成本低，部署区域环境复杂（人员不能到达），决定更换电池补充能量的策略不现实；电源能量有限（1）电源能量有限传感器节点消耗能量模块：传感器模块（低）处理器模块（低）无线通信模块（高：约80%）随着集成电路工艺的进步处理器和传感器模块的功耗变得很低，绝大部分能量主要消耗在无线通信模块上。传感器节点传输信息时要比执行计算时更消耗电能，传输1比特信息100米距离需要的能量大约相当于执行3000条计算指令所消耗的能量。（1）电源能量有限无线通信模块的四种状态：如何让网络通信更有效，减小不必要的转发和接收，不需要通信时尽快进入睡眠状态，是减小能耗的重要策略。发送

消耗能量最大接收消耗能量低空闲一直监听无线信道的使用情况，检查是否有数据发送给自己，接近接收状态能耗。睡眠关闭通信模块，效能能量最少。（2）通信能力有限无线通信消耗能量与传输距离之间的关系：E=kd^n，2<n<4。随通信距离增加，能量急剧消耗。在满足通信联通度的前提下，应尽量减少通信距离，一般而言，传感器节点无线通信半径小于100米比较合适。节点能量限制网络覆盖范围大采用多跳路由的传输机制。节点无线通信带宽有限，能量变化受自然环境影响。无线通信性能经常变化，频繁出现通信中断。如何设计网络通信机制以满足传感器网络的通信需求是一个挑战。传感器节点是一种微型嵌入式设备，要求它价格低、功耗小，这些限制必然导致其携带的处理能力比较弱，存储器容量比较小。为了完成各种任务，传感器节点需要完成监测数据的采集和转换、数据的管理和处理、应答汇聚节点的任务请求和节点控制等多种工作。如何利用有限的计算和存储资源完成诸多协同任务，成为传感网络设计所需要考虑的问题。（3）计算和存储能力有限采用低功耗电路和新型系统设计技术，开发超低功耗微处理器，降低微处理器的绝对功耗；01处理器的动态能量管理。当节点周围没有感兴趣的事件发生时，部分模块处于空闲状态，把这些组件关掉或调到更低功耗的睡眠状态02处理器的动态电压调节。当计算负载较低时，通过降低微处理器的工作电压和频率来降低处理能力，从而节约微处理器的功耗。03提升其性能课堂小结无线传感器网络节点由传感器模块、处理器模块、无线通信模块和能量供应模块4个部分组成。传感器节点存在电源能量有限、通信能力有限、计算和存储能力有限等三个方面的限制。系统结构包括传感器节点、汇聚节点和管理节点无线传感器网络的体系结构包括无线传感器网络系统结构和节点结构。物联网技术与应用5.3无线传感器网络协议体系知识目标掌握无线传感器网络的协议层次结构及其主要网络协议。能力目标具备一定的无线传感器网络的理解与设计能力。思政目标培养学生具备理论熟练应用于系统设计实践的职业素养。物联网技术与应用02无线传感器网络的组网特点03无线传感器网络协议01无线传感器网络协议层次结构物联网技术与应用目录Part01无线传感器网络协议层次结构物联网技术与应用无线传感器网络协议层次结构包括物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层，与互联网协议站的五层协议相对应。另外，在这个层次结构中，还包括能量管理平台、移动管理平台和任务管理平台，帮助节点按能源高效的方式协同工作，并支持多任务和资源共享。负责数据传输介质的规范，规定工作频率、信号调制、编码等标准物理层负责数据成帧、帧检测、媒体访问和差错控制、减小能量消耗数据链路层主要负责路由发现、路由维护与路由选择网络层包括一系列基于监测任务的应用层软件应用层负责数据流的传输控制，数据格式的转换传输层管理传感器节点如何使用能源，在各个协议层都需要考虑节省能量能量管理平台检测并注册传感器节点的移动，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移动管理平台在一个给定的区域内平衡和调度监测任务任务管理平台无线传感器网络各层都涉及能量管理、任务管理和移动管理，但是各层实现这三个管理的侧重点不同，比如应用层要考虑任务管理，给各个子网和传感器节点分配监测任务，应用层也考虑移动管理，而能量管理则由网络层与数据链路层承担，移动管理在这两层也有一定的实现，物理层也有能量管理，但是较少考虑移动管理和任务管理问题。Part02无线传感器网络的组网特点物联网技术与应用无线传感器网络除了具有Ad-hoc网络的移动性、断接性、电源能力局限性等共同特征以外，在组网方面具有一些鲜明的自身特点。它的主要特点包括：自组织性、以数据为中、心应用相关性、动态性、网络规模大和需要高的可靠性等。与传统网络，无线传感网不再是以传输数据为目的，而是以数据为中心。为了适应广泛的应用程序，传统网络设计遵循“端到端”的边缘论思想，强调将一切与功能相关的处理都放在网络的端系统上，中间节点仅仅负责数据分组的转发，还有一些为自组织Ad-hoc网络设计的协议和算法，这些都未必适合传感器网络的特点和应用的要求，因此，需要了解传感器网络的特点从而设计适合此网络的协议。由于传感器网络节点的微型化，每个节点的通信和传感半径有限，一般为几十米范围之内，而且为了节能，传感器节点大部分时间处于睡眠状态，所以往往通过铺设大量的传感器节点来保证网络的质量。传感器网络的节点数量和密度都要比Ad-hoc网络高几个数量级，可达到每平方米上百个节点的密度，甚至多到无法为单个节点分配统一的物理地址，这会带来一系列问题，如信号冲突，信息的有效传送路径的选择，大量节点之间如何协同工作等等。（1）传感器网络的节点数量大由于传感器网络可能工作在恶劣的外界环境中，网络节点可能会由于各种不可预料的原因而失效。为保证网络的正常工作要求，传感器网络必须有一定的容错能力，允许传感器节点具有一定的故障率。（2）传感器节点有一定的故障率。传感器节点电池不便更换，其电池能量限制是整个传感器网络设计最关键的约束之一，它直接决定了网络工作寿命。另一方面，传感器节点的计算和存储能力有限，使得其不能进行复杂的计算，传统Internet上成熟的协议和算法对传感器网络而言开销太大，难以使用，必须重新设计简单有效的协议计算法。（3）传感器网络节点限制由于传感网络自身的特点，传感器节点在工作和睡眠状态之间切换，以及传感器节点随时可能因各种原因发生故障而失效，或者有新的节点加入，这些都使得传感器网络的拓扑结构变化很快，这对网络各种算法（如路由算法和链路质量控制协议等）的有效性提出了挑战。此外，如果节点具备移动能力，也可能带来网络的拓扑变化。（4）传感器网络的拓扑结构变化快传感器网络中人们只关心某个区域某个观测指标的值，而不会去关心某个节点的具体观测数据，比如说人们可能希望知道检测区域的东北角上的温度是多少，而不会去关心某某节点所感知到的温度是多少，这就是传感器网络的以数据为中心的特点，与传统网络传送的数据是和节点的物理地址联系起来的不同，传感器网络要求能够脱离传统网络的寻址过程，快速有效地组织、融合提取各个节点的有用信息直接传送给用户。（5）以数据为中心Part03无线传感器网络协议物联网技术与应用应用层表示层会话层传输层网络层数据链路层物理层应用层传输层网络层数据链路层物理层应用层传输层Ad-hoc路由数据链路层物理层OSITCP/IPWSN定向扩散路由协议（DirectedDiffusion，DD）TDMA、CSMA/CA（IE802.11）、S-MAC无线电波、红外线、光波时分复用方式TDMA，无竞争方式。给每个传感器节点分配固定的无线信道使用时段，避免节点之间相互干扰；S-MAC（SensorNAC），是基于竞争的MAC协议，节点在需要发送数据时随机使用无线信道，尽量减少节点间的干扰，利用多跳、短距离通信以节省能量。通信产生在对等节点间，采用存储转发模式传输数据。通常情况下，数据传输量少，节点协作共同完成任务，网络内部进行数据处理和融合，以减少数据传输，网络能容忍一定的通信时延。无线传感器网络协议数据链路层应用层表示层会话层传输层网络层数据链路层物理层应用层传输层网络层数据链路层物理层应用层传输层Ad-hoc路由数据链路层物理层OSITCP/IPWSN定向扩散路由协议（DirectedDiffusion，DD）TDMA、CSMA/CA（IE802.11）、S-MAC无线电波、红外线、光波扩散节点通过兴趣信息发出查询任务，采用洪范方式传播兴趣信息到整个区域或部分区域内的所有传感器节点。兴趣信息用来表示查询的任务，表达了网络用户对监测区域感兴趣的具体内容。在兴趣信息的传播过程中，协议将逐跳地在每个传感器节点上建立反向的数据源到汇聚节点的数据传输梯度，传感器探测节点将采集到的数据沿着梯度方向传送给汇聚节点。网络层课堂小结基于无线传感器网络节点数量大、有一定的故障率、节点受限制、拓扑结构变化快以及以数据为中心的特点，明确了无线传感器网络协议栈遵循的原则，了解了网络层和数据链路层的常用协议S-MAC、定向扩散路由协议。无线传感器网络协议层次结构包括物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层。另外，还包括能量管理平台、移动管理平台和任务管理平台，帮助节点按能源高效的方式协同工作，并支持多任务和资源共享。物联网技术与应用5.4ZigBee技术知识目标掌握ZigBee的概念、体系结构及组成。能力目标具备根据ZigBee技术构建无线传感器网络能力。思政目标培养学生具备基于技术的应用系统规划与设计的素养。物联网技术与应用02ZigBee协议体系结构03ZigBee网络组成04ZigBee网络构建01ZigBee概述物联网技术与应用目录Part01ZigBee概述物联网技术与应用ZigBee这个名字源于蜂群以zigzag舞来传递消息，故又称为“紫蜂”。ZigBee是一种近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本、高可靠的双向无线通信技术。适用于自动控制和远程控制领域，可嵌入各种设备，支持地理定位功能。ZigBee以IEEE1802.15.4为基础，采用调频和扩频技术，可工作频率为2.4GHz、868MHz（欧洲）和915MHz（北美）自组织方式。技术特点低功耗低成本低速率近距离短时延高容量高安全免执照频段Part02ZigBee协议体系结构物联网技术与应用ZigBee底层技术建立在IEEE802.15.4基础之上，物理层和MAC层直接引用了IEEE802.15.4IEEE802.15.4/ZigBee协议主要包括物理层、介质访问控制层、网络层以及应用层。ZigBee主要提供了在物理层和链路层之上的网络层和应用层规范。负责拓扑结构的建立和维护。实现网络组建，为新加入者分配地址、路由发现、路由维护等。ZigBee网络层采用距离矢量路由协议（AODV）网络层当目的节点收到路由请求消息后，目的节点返回一个路由回复给源节点。邻居节点在收到消息后，再广播收到的消息给它们的邻居，如此直到消息到达目的节点。源节点广播一个路由请求给它的所有邻居回复不再以广播方式发送到源节点，而是沿着路由请求数据包从源节点到目的节点的路径。是网络层和应用层的接口，通过把底层的服务和控制接口提供给整个应用层，把应用层以下的部分和应用层连接起来。应用支持子层（ApplicationSupport，APS）负责定义每一个设备的功能和角色。协调者（coordinator）普通终端设备。ZigBee设备对象（ZigBeeDeviceObject，ZDO）定义应用层服务的应用对象。每一个应用对象对应了一个不同的应用层服务。应用对象Part03ZigBee网络组成物联网技术与应用提供全部MAC服务，能充当任何ZigBee节点，发送和接收数据。具备路由功能，可充当网络协调器接收子节点数据。全功能设备（FullFunctionDevice，FFD）只能充当终端节点，只将采集的数据发送给协调器和路由节点。RFD间的通信必须通过FFD才能完成。RFD使用较小的存储空间，很容易组建低成本、低功耗的无线通信网络。精简功能设备（ReducedFunctionDevice，RFD）ZigBee标准定义了3种节点：ZigBee协调点（Coordinator）路由节点（Router）终端节点（EndDevice）Part04ZigBee网络构建物联网技术与应用在一个ZigBee网络中，至少存在一个FFD充当整个网络的协调点，即PAN协调点。通常，PAN协调点具有较强大的功能，是整个网络的主要控制者，负责建立新的网络、发送网络信标、管理网络中的节点以及存储网络信息等。FFD和RFD都可以作为终端节点加入ZigBee网络。FFD可以和FFD、RFD通信，而RFD只能和FFD通信。RFD应用相对简单，在传感器网络中，它们只负责将采集的数据发送给它的协调点，并不具备数据转发、路由发现和路由维护等功能。每个协调点最多可连接255个节点，一个ZigBee网络最多可容纳65535个节点。协调点成功创建ZigBee网络选择个域网标识符PANID等待终端节点加入创建ZigBee网络查找并加入网络上报物理地址给协调点协调点将地址传送给计算机、保存终端节点加入ZigBee网络计算机向串口发送节点物理地址及测量指令协调点向相应传感器节点发送测量指令下达测量指令传感器测量数据传送给协调点计算机显示传感器上传测量结果在一个ZigBee网络中，至少存在一个FFD充当整个网络的协调点，即PAN协调点。通常PAN协调点是一个特殊的FFD，它具有较强大的功能，是整个网络的主要控制者，负责建立新的网络发送网络信标管理网络中的节点以及存储网络信息等。FFD和RFD都可以作为终端节点加入ZigBee网络。需要注意课堂小结ZigBee协议建立在IEEE802.15.4基础之上，物理层和MAC层直接引用了IEEE802.15.4。其协议体系结构由应用层、网络层、IEEE802.15.4协议组成。ZigBee标准定义了3种节点：ZigBee协调点（Coordinator）、路由节点（Router）和终端节点（EndDevice）。ZigBee是一种近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本高可靠的双向无线通信技术，主要用于短距离、低功耗且传输速率不高的各种电子设备之间进行数据传输。物联网技术与应用5.5智能建造中传感网技术的应用知识目标熟悉传感网技术应用系统的设计及其相关应用。能力目标掌握RFID技术应用系统分析、设计能力。思政目标培养学生初步具备选择适合技术，确定设计目标和技术方案的职业素养。物联网技术与应用02应用案例——隧道结构安全监测系统01传感网技术在智能建造领域的应用物联网技术与应用目录Part01传感网技术在智能建造领域的应用物联网技术与应用目前，我国正处在基础设施建设的高峰期，各类大型工程的安全施工及管理监控很有必要，如摩天大楼、大型场馆、跨海大桥、地下隧道、海洋石油平台和海底管线等。无线传感器网络可以帮助管理者有效获取这些建筑物的状态信息，优化管理，及时维修保养。传感网技术在智慧工地中的应用通过智能传感器和数据采集设备，实现了对建筑空间的实时监测和数据收集，为设计提供更为精准的参考依据。规划设计阶段通过智能化的监控系统，实现了对施工过程的全方位监测。可通过远程监控系统随时查看施工进度和质量，及时发现并解决施工中的问题。施工现场管理通过穿戴式设备的应用，实现了对