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无线传感器网络 WSN 综述 主要内容 WSN概述历史以及发展现状WSN的体系结构WSN的特征WSN的应用WSN的协议关键技术未来发展机遇展望 WSN概述 无线传感器网络 wirelesssensornetwork WSN 系统是当前在国际上备受关注的 涉及多学科高度交叉 知识高度集成的前沿热点研究领域 它综合了传感器技术 嵌入式计算技术 现代网络及无线通信技术 分布式信息处理技术等 WSN概述 续 无线传感器网络 wirelesssensornetwork WSN 就是由部署在检测区域内大量的廉价卫星传感器节点组成 通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统 目的是协作地感知 采集和处理网络覆盖区域中感知的对象信息 并发送给观察者 构成WSN的三要素 传感器 感知对象 观察者 WSN概述 续 影响力 美国商业周刊和MIT技术评论在预测未来技术发展报告中将无线传感器网络列为21世纪最有影响的21项技术和改变世界的10大技术之一 传感器网络被列为未来3大高科技产业一 美国的 技术评论 将无线传感器网络列为第一项未来新兴技术 商业周刊 预测的未来4大新技术中 无线传感器网络也列入其中等 历史以及发展现状 国外 起源于美国 根源可追溯到1978年由国防部高级研究计划署 DARPA 在卡内基 梅隆大学发起的分布式传感器研讨会 具有代表性的项目包括 1993 1999年间由美国国防高级研究计划署 DARPA 资助 加州大学洛杉矶分校 UCLA 承担的WINS项目 1999 2001年间由DAPRA资助UCBerkeley承担的SmartDust项目 历史以及发展现状 续 1998 2002年DARPA资助 加州大学伯克利分校等25个机构联合承担的SensIT计划 1999 2004年间海军研究办公室的SeaWeb计划等 国内 中国的一些研究机构近年开始研究 中国科学技术大学 清华大学 中科院计算所 上海微系统所 沈阳自动化所以及合肥智能所等研究单位 历史以及发展现状 续 之所以国内外都投入巨资研究机构纷纷开展无线传感器网络的研究 很大程度归功于其广阔的应用前景和对社会生活的巨大影响 WSN网络结构 无线传感器网络通常由大量具有感知 计算及无线通信能力的微小节点组成 其目的是监视环境而非通信 传感器节点部署在要监视的区域中 采集指定的环境参数 并将数据发送到汇聚节点供分析 传感器节点的组成 传感器节点一般由传感模块 处理模块 无线通信模块和能量供应模块组成 传感器节点已经可以做得非常小 称为智能尘埃 smartdust WSN的特征 与无线网络的区别传感器网络集成了监测 控制以及无线通信的网络系统 节点数目庞大 上千甚至上万 分布密集 因环境和能量的耗尽 容易出现故障 节点通常固定不动 能量 处理能力 存储能力 通信能力有限 不同于传统无线网络的高服务质量和高效的带宽的利用 节能是其设计的首要考虑因素 WSN的特征 续 节点的限制 电池能量有限 通信能力有限能量消耗和通信距离关系E正比于d n 2 n 4 计算和存储能力有限 WSN的特征 续 传感器网络的特点 大规模网络自组织网络动态性网络可靠性网络应用性相关的网络以数据为中心的网络 WSN的应用 军事上的应用传感器网络具有可快速部署 可自组织 隐蔽性强和高容错性的特点 因此非常适合军事上的应用 通过飞机或炮弹直接将传感器节点散播到敌方阵地内部 或者在公共隔离带部署传感网络 就能隐蔽而且近距离的准确收集战场信息 例 传感器网络已经成为美军事C4ISRT系统必不可少的一部分 WSN的应用 续 环境观测和预报系统可以用于检视农作物灌溉情况 土壤空气情况 牲畜和家禽的环境状况和大面积的地表监测 气象和地理研究 洪水监测等 例 ALERT系统中就有用于监测降雨量 河水水位和土壤水分 并依此预测爆发山洪的可能性 1 监视红杉树的小气候 在一棵红杉树的不同位置安装无线气象站进行数据采集 如光辐射 温度 湿度 气压 形成森林气候一个样本 可在森林的不同地方 如森林的中心处 迎风面 背风面 向阳面等 部署这样的传感器网络 然后利用长距离上行链路将数据发送到汇聚节点 无线气象站 传感器节点 实验结果片段 2 监视地下结构的改变 2 将传感器节点固定放置在坑顶和坑壁上形成规则的网状网络 蜂窝状六边形 每个节点预先设置好位置 每个节点都知道自己的邻居集合 并定期与邻居交换信标 当发生坍塌时 坍塌区域内的节点发生移位 在网络中形成空洞 当一个节点发现它的一些邻居突然消失时 收听不到信标 判断自己成为空洞的一个边界节点 向汇聚节点报告自己的位置 汇聚节点计算空洞区域 3 人居环境监视 3 在一个标准的电源插线板上扩充了各种传感器和无线收发器 一个微处理器控制所有的部件 成为一个plug节点 利用plug节点的多模式感知能力 可以较准确地推断发生的事件 所有plug节点构成普适计算环境中的骨干网 可以了解到plug网络所在环境的活动情况 WSN的应用 续 医疗护理用于人体的各种生理数据 跟踪和监控医院内医生和患者的行动 医院的药物管理等 例 一个可以成像的特殊发送器芯片与精巧设计的超低功率无线技术结合 就可以实现可用于一个胃肠道诊断的微型吞服摄像胶囊 患者吞下维C片大小的成像胶囊后 胶囊经过食道 胃和小肠时就可将图象广播出来 胶囊由一个摄象机 LED 电池 特制芯片和天线组成 如图 WSN的应用 续 WSN的应用 续 智能家居家电和家具中嵌入传感器节点 通过无线网络与Internet连在一起 为人提供人性化的家居环境 例 Avaak提供一个只有1立方英寸大小的自治产品 这个微型的无线视频平台包含有一节电池 无线电 摄像相机 彩色成像器加镜头 控制器 天线和温度传感器 如图 WSN的应用 续 WSN的应用 续 建筑物状态监控利用传感器网络监控建筑物的安全状态 例 Microstrain在佛蒙特州的一座重载桥梁上安装了一套该公司研制的系统 将位移传感器安装在钢梁上用来测量静态和动态应力 并通过无线网络来采集数据 该无线系统可以保留在桥梁上用于长期监测桥梁是否处于正常受控状态 如图 WSN的应用 续 WSN的应用 续 完成空间探索借助于航天器在外星体撒播一些传感器网络节点 可以对星球表面进行长时间监测 成本低 节点体积小 相互之间可以进行通信 也可以和地面站进行通信 例 NASA的JPL JetPropulsionLaboratory 实验室研制的SensorWebs就是为将来的火星探测进行技术准备 该系统已经在实施测试和完善 WSN的协议 MAC协议在无线传感器网络中 介质访问控制协议决定无线信道的使用方式 在传感器节点之间分配有限的无线通信资源 用来构建传感器网络系统的底层基础结构 设计MAC协议时考虑 节省能量 可扩展性 网络效率 WSN的协议 续 MAC协议MAC网络能量浪费主要原因 数据重传 耗费节点更多能量 节点接受不必要的数据 节点不需要发送数据时 过度侦听 信道分配时 控制消息过多 WSN的协议 续 MAC协议节点无线通信模块的状态包括 发送状态 接受状态 侦听状态 睡眠状态 各状态耗能按上述顺序依次减少 因此通常采用 侦听 睡眠 交替使用的无线信道使用策略 WSN的协议 续 MAC协议针对不同的传感器网络应用 提出不同的MAC协议 主要分3类 时分复用 TDMA 的MAC协议 随机竞争的MAC协议 其他MAC协议 如 频分复用或码分复用等协议 WSN的协议 续 MD协议节点平均耗能表示为 P a P0 1 a PsP 平均功耗 a 节点工作占空比 P0 活动状态下的功耗 Ps 待机状态下的功耗 WSN的协议 续 MD协议对于大多数应用P0 Ps 所以可以通过降低占空比来延长寿命 但是对于极低的占空比来说 节点间同步非常困难 网络工作时 所有节点99 9 处于待机状态 引入仲裁设备就是保持功耗最小化的同时实现稳定的时间同步 工作过程如下 WSN的协议 续 MD协议 节点A连续发送RTS信标并等待RTS应答 节点B醒来发送一个查询信标 MD记录A B之间的时间偏移 收到节点B的查询信标后 MD发送一个响应消息给节点B 告诉B节点A要发消息给它 并告诉它与A之间的时间差 B收到MD的查询响应消息后 调节与A同步 传消息 得到消息被收到的确认后 A和B均返回原来状态 WSN的协议 续 路由协议和传统的路由协议相比 无线传感器的路由协议有以下特点 能量优先 基于局部拓扑信息 以数据为中心 应用相关 WSN的协议 续 路由协议分类 能量感知路由协议 基于查询的路由协议 地理位置的路由协议 可靠的路由协议 关键技术 网络拓扑控制网络协议网络安全时间同步定位技术数据融合数据管理无