第一章 无线传感器网络概述

1、无线传感器网络技术导论,主讲教师：刘志龙 教学单位：数字化管理中心 联系方式QQ：287681440,引言,无线传感器节点,无线传感器网络是当前国际上备受关注的由多学科交叉的新兴前沿研究热点领域。 美国技术评论杂志论述未来新兴十大技术时，无线传感器网络被列为第一。 美国今日防务杂志更认为无线传感器网络的应用和发展将引起一场划时代的军事技术革命和未来战争的变革。 可以预计，无线传感器网络的发展和广泛应用，将对人们的社会生活和产业变革带来极大的影响和产生巨大的推动。,3,无线传感器网络,4,物理Internet,Year,Log (people per computer)

2、,Mainframe,Minicomputer,Workstation,PC,Laptop,PDA,Streaming information to and from physical world,Cellular phone,教学内容（1）,第2章 无线传感器网络关键技术,无线传感器节点,第1章 无线传感器网络概述,第3章 无线传感器网络操作系统,第4章 无线传感器网络数据管理技术,第5章 无线传感器网络中间件技术,教学内容（2）,第7章 无线传感器网络接入技术,无线传感器节点,第6章 无线传感器网络安全,第8章 无线多媒体传感器网络,第9章 无线传感器网络的应用,上课方式,无线传感器节点,

3、课程情况：共60学时，其中理论教学20学时，上机40学时 上课时间及地点： 周一下午5-6节（理论教学）教学楼B204 周四下午5-8节（上机）8机房,考核方式,无线传感器节点,课程性质：专业必修课 考核方式：平时成绩占50%（考勤15%、回答问题10%、作业10%、上机情况15%） 考试成绩占50%,第1章 无线传感器网络概述,第一章 无线传感器网络概述,1.1,1.2,无线传感器网络体系结构与特点,无线传感器节点,无线传感器网络协议栈,1.3,1.4,1.5,无线传感器网络的应用领域,无线传感器网络的发展历史,无线传感器网络面临的挑战,1.6,1.1,无线传感器网络的地位,无线传感器网络(

4、Wireless Sensor Networks，WSN)是当前在国际上备受关注的、涉及多学科（计算技术、传感器技术、网络技术、无线通信技术）高度交叉、知识高度集成的前沿热点研究领域。无线传感器网络扩展了人们信息获取能力，将客观世界的物理信息同传输网络连接在一起，在下一代网络中将为人们提供最直接、最有效、最真实的信息。,1,1.1,无线传感器的基本概念,无线传感器网络（wireless sensor network, WSN）是由部署在监测区域内大量的成本很低、微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一种多跳自组织的网络系统，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖范围内感知对象的信息，并发送

5、给观察者或者用户。传感器、感知对象和观察者是无线传感器网络的三要素。 无线传感器网络可以用来探测地震、电磁、温度、湿度、噪声、光强度、压力、土壤成分等现象。,2,1.1,无线传感器网络体系结构,WSN通常包括传感器节点（Sensor Node，SN）、汇聚节点(Sink Node，SN)、网关节点和管理基站（带终端计算机系统）。节点随机或有规律地部署在监测区域(Sensor Field，SF)内部或附近，通过无线多跳自组织方式构成网络。监测的数据通过无线信道进行传输，在传输过程中监测数据可能被多节点处理，经过多跳后路由到汇聚节点，由汇聚节点将数据传送到网关节点，再由网关通过外部网络传输给管理基

6、站、远程机器或用户终端。网络管理者可以通过管理基站发送控制指令实现对传感器网络的配置和管理，或发布监测任务并收集传感器网络监测到的数据。,3,1.1,无线传感器网络体系结构,4,1.1,无线传感器网络的特点,传统的无线网络和MANET网络以传输数据，完成通信为目的，中间节点负责分组数据的转发，有持续的能量供给。注重优化路由和资源管理策略，最大化带宽利用率，提供高性能的服务质量，而WSN以数据为中心，以获取信息为目的，中间节点不但要转发数据，还要进行相关的数据处理、融合和缓存，除了少数节点可能移动外，大部分节点静止。运行在恶劣甚至危险的远程环境中，电池无法补充更新。WSN首要设计目标是能源的高效

7、使用，设计有效的策略延长网络生命周期，能量效率的设计准则贯彻在WSN中硬件、软件、算法和协议等各个层面。,5,1.1,无线传感器网络的特点,无线传感器网络特点,应用相关性,以数据为中心的网络,网络动态性强,无中心和自组织,大规模性且具有自适应性,6,无线传感器网络特点,第一章,1.1,1.2,无线传感器网络体系构与特点,无线传感器节点,无线传感器网络协议栈,1.3,1.4,1.5,无线传感器网络的应用领域,无线传感器网络的发展历史,无线传感器网络面临的挑战,1.6,1.2,无线传感器网络节点,无线传感器节点的硬件部分一般由传感器模块、中央处理器模块、无线通信模块和能量供应模块4部分组成。,1,

8、1.2,无线传感器网络节点,传感器模块负责整个检测区域内信息的采集和数据转换，一般由传感器探头和变送系统组成，它有两种实现模式：一种是直接将传感器集成在节点上，另一种是将传感器以插件的方式同节点相连。 无线传感器节点的中央处理器主要完成的三个任务： （1）接收来自各类型传感器的测量数据，完成数据处理，交由无线通信模块发送； （2）读取无线通信模块接收到的数据和控制信息，进行数据处理并实现对其他模块的控制； （3）实现无线传感器网络中的各种算法和协议，如：MAC协议、路由协议、定位算法等。 无线通信模块负责与其他传感器节点之间的通信，交换控制信息和收发采集数据 能量供应模块是任何电子系统的必备模

9、块。,2,1.2,无线传感器网络节点,UbiCell节点的传感面板实物,3,1.2,无线传感器网络节点的特点,无线传感器网络节点特点,可靠性,通信能力有限,传感器节点计算和存储能力有限,传感器节点体积小，能量有限,4,无线传感器网络节点的特点,1.2,无线传感器网络节点,无线传感器节电产品,3,第一章,1.1,1.2,无线传感器网络体系结构与特点,无线传感器节点,无线传感器网络协议栈,1.3,1.4,1.5,无线传感器网络的应用领域,无线传感器网络的发展历史,无线传感器网络面临的挑战,1.6,1.3,无线传感器网络协议栈,网络体系结构是网络的协议分层以及网络协议的集合，是对网络及其部件所应完成

10、功能的定义和描述。对无线传感器网络来说，下页图所示是早期提出的一个协议栈，该协议栈包括物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层，与互联网协议的五层相对应。另外，该协议栈还包括能量管理平台、移动管理平台和任务管理平台。这些管理平台使得传感器节点能够按照能源高效的方式协同工作，在节点移动的无线传感器网络中转发数据，并支持多任务和资源共享。,1,1.3,无线传感器网络协议栈,无线传感器网络协议栈,2,1.3,无线传感器网络协议栈,物理层实现信道的选择、无线信号的监测、信号的发送与接收，设计目的是以尽可能少的能量损耗获得较大的链路容量。 数据链路层负责数据成帧、帧检测、媒体访问和差错控制。 网络层主

11、要负责路由生成与路由选择；主要功能包括分组路由、网络互联、拥塞控制等。路游协议的任务是在传感器节点和汇聚节点之间建立路由，可靠地传输数据。 传输层负责数据流的传输控制。 应用层的主要任务是获取数据并进行初步处理（应用层软件）,1,1.3,无线传感器网络协议栈,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。 任务管理平台在一个给定的区域内平衡和调度监测任务。,1,第一章,1.1,1.2,无线传感器网络体系结构与特点,无线传感器节点,无线传感器网络协议栈,1.3,1.4

12、,1.5,无线传感器网络的应用领域,无线传感器网络的发展历史,无线传感器网络面临的挑战,1.6,1.4,无线传感器网络应用领域,无线传感器网络是由大量价格低廉的传感器节点组成的无线网络，它具有分布式处理带来的高监测精度、高容错性、大覆盖区域、可远程监控等众多优点，这使得它在军事、智能农业和环境监测、医疗健康、紧急和临时场合、家庭、空间探索等领域具有广阔的应用前景。,1,1.4,无线传感器网络应用领域,无线传感器网络技术在智能交通方面有着广泛应用前景：如交通数据采集、交通信息发布、电子收费、非接触检测技术、智能交通信号控制、交通安全、停车管理、客货车枢纽交通管理、智能公交与轨道交通、车载导航系统

13、、交通诱导系统、安全与自动驾驶、综合信息平台技术、多功能集成ITS混合系统控制技术等等很多方面。,2,1.4,无线传感器网络应用领域,3,左图所示为一个无线传感器网络在智能交通系统应用实例的网络架构。在无线传感器网络结构中，安装道路两旁的汇聚节点组成一个自组织的多跳网状Mesh基础网络构架，交通信息采集专用的传感器终端节点与每个临近的汇聚节点组成星形网络进行通信，最终的数据将被汇聚到网关节点上可以作为一个模块安装在交叉路口的交通信号控制器内，通过信号控制器的专有网络，将所采集到的数据发送到交管中心作进一步处理。,1.4,无线传感器网络的应用领域,无线传感器网络应用领域,紧急和临时场合,医疗健康

14、,智能农业、环境监测和智能交通,军事应用,家庭应用,其它方面的应用,4,第一章,1.1,1.2,无线传感器网络体系结构与特点,无线传感器节点,无线传感器网络协议栈,1.3,1.4,1.5,无线传感器网络的应用领域,无线传感器网络的发展历史,无线传感器网络面临的挑战,1.6,1.5,无线传感器网络的发展历史,无线传感器网络的研究最初起源于美国军方，其研究的项目包括CEC（美国海军的协同交战系统）、REMBASS（远程战场传感器系统）等。 NSF（美国国家自然基金委员会）于2003年制定了无线传感器网络研究计划，每年拨款3400万美元支持相关研究项目；2005年对网络技术和系统的研究计划中，主要研

15、究下一代高可靠、安全的可扩展的网络、可编程的无线网络及传感器系统的网络特性，资助金额达4000万美元。,1,1.5,无线传感器网络的发展历史,美国所有著名的院校几乎都有研究小组从事传感器网络相关技术的研究，如加州大学洛杉矶分校、康奈尔大学、麻省理工学院和加州大学伯克利分校等都先后开展了传感器网络方面的研究工作。 加拿大、英国、德国、芬兰、日本和意大利等国家的研究机构都先后开始了无线传感器网络的研究。欧盟第6个框架计划将“信息社会技术”作为优先发展的领域之一，其中多处涉及对无线传感器网络的研究。,2,1.5,无线传感器网络的发展历史,我国对无线传感器网络的研究起步较晚，首次正式启动出现于1999年中国科学院知识创新工程点领域方向研究的“信息与自动化领域研究报告”中，该领域的五大重点项目之一。2001年中国科学院依托上海微系统所成立微系统研究与发展中心，旨在引领中科院无线传感器网络的相关工作。,3,第一章,1.1,1.2,无线传感器网络体系结构与特点,无线传感器节点,无线传感器